以污泥為原料的新型陶粒材料制備及用于原油脫水的性能研究

戚亞明，丁陳玉，王良勝，卜魁勇，羅新占，李琴琴

(1.中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆科力新技術(shù)發(fā)展股份有限公司)

原油中含有的水會嚴(yán)重影響管道運輸及油品處理的安全,因此原油脫水處理是油田集輸系統(tǒng)中必不可少的一個環(huán)節(jié)[1-2]。傳統(tǒng)的原油脫水方法主要包括化學(xué)破乳、水力旋流、離心沉降和靜電處理等[3-4]。其中,化學(xué)破乳作為一種有效實現(xiàn)油水分離的手段,已得到了廣泛的推廣及應(yīng)用[5]?；瘜W(xué)破乳的原理是通過添加化學(xué)破乳劑改變油水的界面性質(zhì),從而促進(jìn)水滴的聚結(jié)與沉降,并最終實現(xiàn)油水分離[6]。然而,隨著我國大部分油田逐漸進(jìn)入開發(fā)中后期,大量注水、注劑和注驅(qū)開采的應(yīng)用導(dǎo)致三次采出液含水率高,組分復(fù)雜,破乳困難[7],僅依靠化學(xué)破乳處理能力明顯不足[8],因此迫切需要開發(fā)一種可與化學(xué)破乳有效結(jié)合的原油脫水方法,以解決目前存在的處理效率低、污染嚴(yán)重以及費用昂貴等問題。

原油的陶粒脫水是一種低溫、快速、密閉且低能耗的脫水方法[9],其主要原理為使流過陶粒材料的采出液頻繁改變流向和流速,從而增加液滴間碰撞、聚結(jié)的幾率;此外,親水型的陶粒材料還會不斷吸附細(xì)小液滴,使大量液滴在陶粒材料表面聚結(jié)成大粒徑液滴。根據(jù)斯托克斯公式[10]可知,液滴的沉降速度與液滴直徑的平方成正比,經(jīng)陶粒材料處理過的原油乳狀液中水滴沉降速度得到極大提升,以此實現(xiàn)油水分離。

早在1985年,大港油田就開展了利用陶粒材料進(jìn)行原油脫水的實驗室試驗與工業(yè)生產(chǎn)試驗,且均取得了良好的結(jié)果[11]。近年來,關(guān)于陶粒材料的研究多集中于污水處理方面[12-14],鮮有針對原油脫水方面的研究。此外,陶粒因其特殊的材料特點,既不會受化學(xué)破乳劑的影響[15],又能穩(wěn)定實現(xiàn)原油脫水處理,因此,在傳統(tǒng)化學(xué)破乳的基礎(chǔ)上開展關(guān)于陶粒脫水材料的研究有望成為解決三采原油破乳困難的新途徑。

本課題針對新疆油田采用的大罐化學(xué)沉降脫水工藝,研制功能性陶粒脫水材料,用于強化現(xiàn)有工藝的脫水效率。同時,為驗證制備方法的可行性并探究各陶粒材料的性能差異,開展材料的特性參數(shù)研究,最后通過開展室內(nèi)脫水試驗測試所制備材料的脫水性能。

1 實 驗

1.1 原材料

脫水污泥:取自新疆油田,主要成分為硅泥(SiO2,Al2O3,Fe2O3等);粉煤灰:取自新疆油田,主要包含助溶成分(K2O,Na2O,MgO,CaO,FeO等)和發(fā)氣成分(有機物、Fe2O3、碳酸鹽類、含硫化合物、黏土礦物等);黏結(jié)劑:包括SBL,BA,KA,TC共4種類型;水:新疆油田自來水。

1.2 陶粒脫水材料的制備

秉持綠色、節(jié)能的理念,以油田脫水污泥、粉煤灰等固體廢棄物為原料,綜合考慮顆粒粒度、可塑性、耐火度以及燒結(jié)范圍等多方面因素,通過主輔料配比、黏結(jié)劑種類、黏結(jié)劑添加量以及焙燒溫度的優(yōu)選,制備界面材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、顆粒均勻、表面光滑、無裂痕、質(zhì)地堅硬、磨損率低、微孔發(fā)達(dá)的新型陶粒原油脫水材料。陶粒脫水材料的制備流程如圖1所示。首先將各原材料堆放并自然晾干,隨后利用粉磨機進(jìn)行粉磨并過篩,收集粒徑小于50 μm的材料;將主料脫水污泥與輔料粉煤灰(新疆油田現(xiàn)場流化床鍋爐粉煤灰)按照不同比例混合,觀察摻混細(xì)致程度,并使用成球機將混料成球后在100 ℃和900 ℃的條件下進(jìn)行烘干和灼燒處理,將裂痕率最小、強度最高的球粒所對應(yīng)的混合比例確定為最優(yōu)混合比例,最終確定脫水污泥與粉煤灰的最優(yōu)質(zhì)量比為5∶4;通過對比觀察加入不同種類和含量的黏結(jié)劑后所得材料的成型效果,最終確定最優(yōu)黏結(jié)劑為SBL黏結(jié)劑,其添加量(w)為5%;之后,將按上述比例混合后的原料置入成球機內(nèi)定型;成球后再經(jīng)過自然晾干、105 ℃溫度下烘干、450 ℃溫度下灼燒,然后升至不同溫度進(jìn)行焙燒,考察不同焙燒溫度下所得材料的孔隙分布與抗壓強度,確定1 190 ℃為最優(yōu)焙燒溫度;最后,經(jīng)過自然晾干獲得成品陶粒脫水材料,其實物照片見圖2。

圖1 陶粒脫水材料的制備流程

圖2 陶粒脫水材料的成品實物照片

為了驗證上述制備方法并探究所制備陶粒脫水材料的特性,以不同制備條件制備出20組不同的陶粒脫水材料(依次編號為1～20),各材料的制備條件詳見表1。同時引入玻璃材料和不銹鋼材料作為對照項(分別對應(yīng)21號和22號材料),開展材料的筒壓強度、孔隙率、比表面積、與水接觸角、與油接觸角及脫水性能研究。

表1 不同特性陶粒脫水材料的制備條件

1.3 陶粒脫水材料的特性參數(shù)測試

采用橢圓法[16]測量脫水材料的接觸角。采用筒壓強度測定儀測定脫水材料的筒壓強度[17]。以脫水材料的堆密度和表觀密度計算材料在自然堆積狀態(tài)下顆粒間的孔隙率[18]。采用朗格繆爾吸附法[19]測定脫水材料的比表面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫水材料的特性參數(shù)

通過測試材料與油水的接觸角可以明確其親水親油性能,不同材料與水的接觸角如圖3所示。當(dāng)油中水滴與接觸材料固體表面夾角小于90°時,表明該材料具有良好的親水性能,水滴易于被材料吸附并鋪展于接觸表面;而當(dāng)接觸角呈鈍角時則表明材料具有疏水性能[20]。

圖3 不同材料與水的接觸角示意

脫水材料與油的接觸角越大、與水的接觸角越小,表明其脫水性能越好。本研究所制備的各脫水材料的接觸角測試結(jié)果如表2所示。由表2數(shù)據(jù)可以看出,制備的陶粒脫水材料屬于強親水疏油型特殊材料。同時,在所測試的22組材料中,5號材料與水的接觸角最小且與油的接觸角最大,其值分別為2°和155°。另外,根據(jù)各材料的制備條件可以發(fā)現(xiàn),即使制備條件接近,各材料仍有可能表現(xiàn)出差異性較大的接觸角特性。這是由于所制備陶粒脫水材料的接觸角是原材料比例、焙燒溫度、黏結(jié)劑比例等制備條件綜合影響的結(jié)果。例如5號材料和13號材料的制備條件僅在焙燒溫度處有所差異,但由于焙燒溫度的不同所帶來的原材料混合情況、黏結(jié)劑吸附性能等其他制備條件的差異也會對材料性能造成較大的影響。以接觸角為評價指標(biāo)確定材料選擇的優(yōu)先順序為:5號>22號>1號>6號>13號。

表2 各脫水材料的接觸角測試結(jié)果

所制備的各脫水材料的筒壓強度、孔隙率以及比表面積的測試結(jié)果如表3所示。筒壓強度越大,表明材料的抗壓能力越好、磨損率越小且材料形狀保持的時間越久。因此,為了確保材料在脫水器中的使用時間足夠長,應(yīng)盡量選擇筒壓強度更高的脫水材料。由表3數(shù)據(jù)可知,制備陶粒脫水材料的筒壓強度范圍為11.5～13.0 MPa,其中5號材料的筒壓強度最大,為13.0 MPa。

表3 各脫水材料的筒壓強度、孔隙率和比表面積

另外,由表3還可知,各材料的孔隙率變化范圍在40%～48%之間。材料孔隙的大小、分布、數(shù)量及構(gòu)造特征對材料的性能會產(chǎn)生很大的影響,其中,孔隙率越大,材料與液體接觸的表面就越大,其脫水性能也就越好。在所制備的材料中,1號、8號、13號和18號材料的孔隙率保持在一個較高值,可作為優(yōu)先選擇的材料。

除了孔隙率,材料的比表面積也能夠反映材料與液滴接觸面積的大小,即材料的比表面積越大,材料與液體接觸面越大,則材料吸附水滴的能力就越強。由表3可知,所制備材料的比表面積符合標(biāo)準(zhǔn),其值均大于2.0 m2/g。根據(jù)材料比表面積參數(shù)可確定材料選擇的優(yōu)先順序為:9號>7號>5號>6號或2號。

2.2 材料的脫水性能

為了探究所制備陶粒材料的脫水性能,并確定最優(yōu)的脫水材料,對各材料進(jìn)行了脫水性能測試。試驗油樣取自新疆油田瑪東處理站,所需油樣從來液管線上分3次接樣,以確保所取得的油樣具有代表性。試驗油樣的主要性質(zhì)及脫水試驗控制參數(shù)分別如表4和表5所示。

表4 試驗油樣的主要性質(zhì)

表5 脫水試驗控制參數(shù)

所使用的自制室內(nèi)脫水試驗裝置如圖4所示,該裝置主要由陶粒脫水材料、耐壓鋼管、通電加熱圈及蠕動泵等組成。具體試驗過程為:首先,給油樣添加要求濃度的KL-2破乳劑并充分均勻混合,以強化陶粒材料的脫水效率,盡快獲取試驗結(jié)果;隨后,使用蠕動泵將含水、含破乳劑油樣注入裝填有不同脫水材料(包括1～22號及空白)的耐壓鋼管筒內(nèi),采用通電加熱圈加熱至試驗要求溫度;最后,用燒杯從鋼管出口接樣,采用離心法[21]測量油、水的質(zhì)量并根據(jù)式(1)[22]計算經(jīng)不同沉降時間沉降后油樣的剩余含水率。試驗結(jié)果如表6所示。由表6可知,使用5號脫水材料,在沉降180 min后油樣剩余含水率最小,脫水效果最優(yōu)。

表6 使用不同脫水材料時經(jīng)不同沉降時間沉降后油樣的剩余含水率 w,%

圖4 自制室內(nèi)脫水裝置示意1—陶粒脫水材料; 2—耐壓鋼管; 3—通電加熱線圈; 4—蠕動泵

(1)

式中:φ為油樣剩余含水率(w),%;m水為脫水后油樣中水的質(zhì)量,g;m油為脫水后油樣中油的質(zhì)量,g。

由上述結(jié)果可知,本研究制備的脫水材料可有效降低油樣的含水率,并不同程度地強化油樣的脫水效率。由于脫水試驗所使用的采出液均來自新疆油田瑪東處理站,其含水率均在60%以上,而試驗結(jié)果也顯示本研究制備的脫水材料均取得了一定的脫水效果,因此可認(rèn)為陶粒脫水材料的適用含水率邊界條件至少在60%以下。另外,由于本研究所制備陶粒脫水材料的主要原料為取自油田現(xiàn)場的脫水泥污與粉煤灰,且材料一次可制備的數(shù)量較多,根據(jù)油田現(xiàn)場測試,材料可一次使用至少9天以上,已滿足經(jīng)濟預(yù)期。此外,所制備陶粒脫水材料的筒壓強度均在11.5～13.0 MPa之間,表明其抗壓能力與耐用性較好,磨損率較小,使用時長能夠保證。

在試驗控制參數(shù)條件下,經(jīng)過5號、22號、1號、6號、9號脫水材料處理并沉降180 min后的油樣剩余含水率均小于或等于0.5%。其中,經(jīng)5號材料處理并沉降180 min后的油樣剩余含水率最低,且在各沉降時間下油樣的剩余含水率均保持較低值。結(jié)合材料的特性參數(shù)分析和脫水試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)陶粒原油脫水材料性能是接觸角、孔隙率、比表面積綜合影響的結(jié)果。其中,5號材料的與水的接觸角最小,在材料與采出液接觸時能夠更高效地捕獲原油中的小液滴,使得微小液滴不斷在材料表面聚結(jié),并形成大粒徑液滴,進(jìn)而加快原油脫水沉降過程;同時,5號材料的孔隙率與比表面積較大,表明其與液滴接觸面積較大,吸附液滴的能力也較強;另外,5號材料的筒壓強度最大,可以有效降低材料在現(xiàn)場使用過程中的磨損,具有更優(yōu)的適用性及經(jīng)濟性。因此,認(rèn)為5號材料為最優(yōu)的陶粒脫水材料,其詳細(xì)物理性質(zhì)及特性參數(shù)如表7所示。后續(xù)可以以5號材料為基礎(chǔ),開發(fā)用于強化原油油水分離且具有工程應(yīng)用價值的功能性陶粒脫水材料。

表7 最優(yōu)的5號陶粒脫水材料的物性參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)采用經(jīng)過優(yōu)化的陶粒脫水材料制備工藝,將油田脫水污泥、粉煤灰等固體廢棄物混合,綜合考慮原料的物理性質(zhì),并經(jīng)過一系列的參數(shù)比選,制備出了界面材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、顆粒均勻、表面光滑、無裂痕、質(zhì)地堅硬、磨損率低、微孔發(fā)達(dá)的新型陶粒原油脫水材料。

(2)材料的特性參數(shù)測試結(jié)果表明:不同脫水材料的特性參數(shù)均有差異,其中5號材料與水的接觸角最小,與油的接觸角最大,且其筒壓強度最大,達(dá)13.0 MPa;各材料的孔隙率均在40%～48%范圍內(nèi);各材料的比表面積均大于2.0 m2/g。

(3)材料的脫水試驗結(jié)果表明:制備的陶粒脫水材料可有效提高原油的脫水效率,其中5號材料的脫水性能最優(yōu)。