許耀輝，李 云，曹祖斌，李丹東

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

青海油砂山油砂水洗實(shí)驗(yàn)研究

許耀輝，李 云，曹祖斌，李丹東

(遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001)

針對青海油砂山所在地水的沸點(diǎn)低、水資源匱乏、油砂為油潤性等不利于油砂水洗分離的問題，通過研究影響油砂分離的因素，采用新的水洗試劑配方，對污水進(jìn)行絮凝處理。現(xiàn)場試驗(yàn)證明，在水洗試劑的質(zhì)量濃度為1%、水洗溫度約為80℃的條件下，油砂油的收率可達(dá)到95%以上，且污水可以循環(huán)利用。該項(xiàng)研究對油潤性油砂的分離和污水處理具有一定的指導(dǎo)意義。

油砂;油砂油收率;水洗;黏土;青海油田

引言

油砂，又稱為瀝青砂、重油砂或者焦油砂，是1種表面被瀝青等重油包裹的砂石，一般由砂石、黏土、水和重油組成。油砂作為非常規(guī)能源，經(jīng)過加工分離后可以得到瀝青等重油。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界已探明的油砂資源量約為5 888×108m3，因此成為石油的一種重要替代資源［1－3］。油砂的分離工藝主要有熱堿水水洗工藝、干餾熱解工藝和有機(jī)溶劑萃取工藝等。對于水潤性油砂，一般采用熱堿水水洗工藝，由于該工藝的處理量大，投資相對較少，成為油砂分離工業(yè)的首選工藝。對于油潤性油砂，一般采用干餾熱解或有機(jī)溶劑萃取工藝，但該工藝還不夠成熟，而且能耗高，處理量也沒有水洗工藝大［4－5］。由于油砂分離的成本較高，近些年來才有部分工業(yè)化試驗(yàn)。目前僅加拿大投資建設(shè)了幾個(gè)油砂水洗分離企業(yè)，且由于污水處理占用場地大，造成大量鳥類死亡，遭到環(huán)保人士的極力反對。中國油砂研究工作處于剛剛起步階段，因此有效地進(jìn)行油砂開發(fā)利用研究顯得很有價(jià)值。我國的油砂資源主要分布在西北地區(qū)，該地區(qū)的海拔較高、水的沸點(diǎn)較低(油砂水洗的溫度一般在95℃以上)，且水資源匱乏，對油砂水洗分離造成一定的困難。為得到較高油砂油的收率，合理利用水資源、實(shí)現(xiàn)污水零排放，開展青海油砂山油砂水洗實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 油砂水洗實(shí)驗(yàn)原理

熱堿水水洗工藝，即在一定的溫度下，油砂表面的重油在攪拌的作用下，與水洗試劑中的堿等物質(zhì)反應(yīng)，生成羧酸鹽等表面活性劑，使油滴與堿液之間的界面張力大幅降低［6］，從而促使重油從油砂砂石的表面縮進(jìn)，形成油滴。由于油滴重力小于浮力，油滴漂浮到溶液表面，形成油砂油，實(shí)現(xiàn)油、砂的分離。

1.2 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

①油砂取樣于青海油砂山地表;②水洗試劑由遼寧石油化工大學(xué)研究、提供;③反應(yīng)容器為1 L;④轉(zhuǎn)速可控的電動(dòng)攪拌器;⑤電熱套為1 L;⑥鋁甑干餾儀器為撫順石油化工研究院生產(chǎn);⑦水分測定儀包括250 mL的圓底燒瓶、水分測定管、直管冷凝器以及萬能電爐。

1.3 油砂水洗方法

先將油砂破碎至粒度小于3 mm的小塊，量取500 mL水至反應(yīng)容器內(nèi)，加入水洗試劑，加熱攪拌，使其溶解。當(dāng)水溫升至設(shè)定溫度時(shí)，加入油砂顆粒，調(diào)整攪拌器的轉(zhuǎn)速，攪拌溶液，使油砂反應(yīng)、分離。然后降低攪拌器的轉(zhuǎn)速，使油砂油漂浮在溶液表面。

1.4 油砂含油率的測定方法

油砂及尾砂含油率的測定參照國標(biāo)煤的鋁甑低溫干餾試驗(yàn)方法進(jìn)行測定［7］。油砂油的收率按照公式(1)計(jì)算［8］:

式中:CO為油砂含油率，%;C'O為熱堿水水洗后尾砂的含油率，%;CS為油砂含砂率，%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 油砂的性質(zhì)

經(jīng)測定，青海油砂山油砂礦的含油率為5%～8%(表1)，含油率較低。油砂油的烴類組成有較為明顯的微生物氧化降解特征。油砂油中富含環(huán)烷烴，單環(huán)－五環(huán)都有分布，但芳香烴含量較低。世界其他地區(qū)的油砂油一般深度氧化降解、烴類含量極低，且分布不規(guī)整，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)重組分百分比相對較高［9－10］，青海油砂山油砂油四組分分析情況:飽和分為46.39%，芳香分為3.74%，膠質(zhì)為22.36%，瀝青質(zhì)為27.51%。

表1 油砂山油砂基本資料

2.2 水洗試劑濃度對油砂油收率的影響

水洗試劑的濃度直接影響油砂油的收率，在水砂比為4∶1、攪拌器轉(zhuǎn)速為50 r/min、反應(yīng)溫度為95℃、反應(yīng)時(shí)間為3 min的條件下，考察不同水洗試劑濃度對油砂油收率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水洗試劑濃度的增加，油砂油的收率逐漸增大，當(dāng)水洗試劑質(zhì)量濃度達(dá)到1%時(shí)，油砂油的收率不再明顯增加。其原因?yàn)?水洗試劑可與砂石中礦物質(zhì)以及油砂油反應(yīng)，降低了水洗試劑的有效濃度，另外，堿類物質(zhì)在砂石上的吸附也損耗了部分水洗試劑［11］。當(dāng)水洗試劑濃度較大時(shí)，其濃度一直保持在最佳分離濃度以上，即油砂油收率保持在較高的水平。

2.3 反應(yīng)溫度對油砂油收率的影響

反應(yīng)溫度對油砂油的收率具有決定性作用。不同溫度下油砂油的收率見表2。

表2 反應(yīng)溫度對油砂油收率的影響

隨著溫度的升高，油砂油的收率逐漸增大，當(dāng)溫度達(dá)到80℃后，油砂油的收率不再明顯增大。油砂油屬于重油，主要成分為蠟、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。高熔點(diǎn)的蠟以細(xì)小的蠟晶和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，從而大大地增加了油砂油的黏度［12－13］。在較低的溫度時(shí)，油砂油以固態(tài)及準(zhǔn)固態(tài)形式吸附在砂石表面。當(dāng)達(dá)到80℃時(shí)，即接近蠟的熔點(diǎn)時(shí)，蠟融化、黏度降低，進(jìn)而形成油滴。另外，溫度升高時(shí)，油砂油分子運(yùn)動(dòng)加劇，從而可能掙脫油水界面膜的束縛，與附近的油滴接觸，從而形成大的油滴，漂浮至液面。

2.4 攪拌強(qiáng)度對油砂油收率的影響

通過攪拌，可以加快油砂的分離效率。在反應(yīng)溫度為95℃、反應(yīng)時(shí)間為3 min時(shí)，考察攪拌強(qiáng)度對油砂油收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 攪拌強(qiáng)度對油砂油收率的影響

可見，隨著攪拌強(qiáng)度的增大，油砂油的收率逐漸增大。當(dāng)攪拌速率為50 r/min時(shí)，油砂油的收率最高;隨著攪拌速率的增大，油砂油的收率不升反降。這是因?yàn)閿嚢鑿?qiáng)度較大時(shí)，較大的油砂油液滴被攪碎，形成較小的液滴，小油滴具有較大的比表面積、較強(qiáng)的吸附能力，將附近微小的黏土顆粒吸附在油滴表面，使油滴沉到溶液底部。

2.5 水洗溶液中雜質(zhì)對油砂油收率影響的研究

對水洗后的污水進(jìn)行鋁鹽凝絮劑吸附處理或過濾后，再用處理過的污水對尾砂進(jìn)行水洗，再測定尾砂的含油率，結(jié)果見表4。

表4 不同處理方法得到的油砂油收率

可見，當(dāng)對污水采用絮凝法處理后，油砂油的收率更高。經(jīng)絮凝處理后的污水，只要稍微補(bǔ)充些水洗試劑，就可以達(dá)到水洗前的水洗效用。在實(shí)驗(yàn)中，水洗后溶液的顏色一般變?yōu)榛椟S色，除了部分漂浮在其中的黏土顆粒外，主要是由油砂油中的可溶性有機(jī)物引起的。在水溶液中，黏土一般為電負(fù)性，水溶液中的染色膠團(tuán)和微小油滴也帶一定的負(fù)電荷。當(dāng)油滴與油滴之間懸浮大量的黏土顆粒時(shí)，由于同性相斥，油滴不能穿越懸浮的黏土層與另一側(cè)的油滴碰撞形成大油滴而上浮。

鋁鹽絮凝劑帶有較多的正電荷，能吸附污水中的黏土微粒及溶液中的染色物質(zhì)，因此用鋁鹽絮凝劑處理過的污水仍有一定的分離效果［14］。當(dāng)用過濾或者鋁鹽絮凝劑處理污水后，污水中的黏土及部分有機(jī)物膠團(tuán)被過濾掉，溶液中黏土及有機(jī)物的濃度降低，水劑溶液的電離程度隨之降低，油滴之間碰撞的機(jī)會(huì)增加，油砂油形成更大油滴的可能性增加，從而促進(jìn)油砂油液滴的上浮。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

將油砂塊破碎至直徑小于10 mm的顆粒。向油砂分離箱內(nèi)加入濃度為3%、約3 m3的水劑溶液，加熱到80℃以上，再將油砂通過輸送帶送到油砂分離箱。在螺旋推進(jìn)器和攪拌器的作用下，油砂油從油砂表面脫附。油砂油漂浮到溶液表面，通過溢流口進(jìn)入油劑儲(chǔ)罐;砂土沉降到底部，通過埋刮板排出。將靜置分層的油砂油從油劑儲(chǔ)罐抽送到脫泥脫水罐內(nèi)，再向罐內(nèi)加入0.5%稀釋劑，加熱到80℃。通過攪拌、靜置，使油、水、泥分層。將上層的油砂油輸送到油砂油儲(chǔ)罐內(nèi)，水經(jīng)處理后循環(huán)利用。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，油砂油的收率達(dá)到95%以上，尾砂的含油率低于0.3%，pH值接近中性，無機(jī)鹽含量低于0.3%，尾砂達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)室確定油砂分離的最佳反應(yīng)條件為:水洗試劑濃度為1%、反應(yīng)溫度為95℃、攪拌速率為50 r/min。在中試現(xiàn)場，水溫保持在80℃左右(油砂山所在地水的沸點(diǎn)為85℃)，油砂油的收率達(dá)到95%以上，已經(jīng)滿足油砂的分離要求。油砂的尾砂含油率低于0.3%，達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)水溶液中懸浮黏土過多時(shí)，會(huì)增大油砂油回收難度，進(jìn)而影響油砂油的收率;反應(yīng)溫度增加，油砂油的收率隨著增加;攪拌速率過大時(shí)，油砂油收率反而降低;鋁鹽絮凝劑對水洗污水具有一定的凈化作用，凈化后的污水重新具有油砂分離效用。

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Experimental study on hot water extraction for oil sands in the Oil Sand Hill of Qinghai oilfield

XU Yao－h(huán)ui，LI Yun，CAO Zu－bin，LI Dan－dong
(Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun，Liaoning113001，China)

Hot water extraction for oil sands in the Oil Sand Hill of Qinghai oilfield has disadvantages due to low water boiling point，lack of water resources and oil－wet property of the oil sands.Factors affecting oil extraction are studied，and a new washing agent formula is used to conduct flocculation treatment.Field test has verified that when the mass concentration of the washing agent is 1% and washing temperature is about 80℃，the oil recovery percent can be over 95%and waste water can be recycled.This study is of certain guiding significance to oil extraction from oil－wet sands and waste water treatment.

oil－sands;oil recovery percent;hot water extraction;clay;Qinghai oilfield

TE135

A

1006－6535(2012)03－0121－03

10.3969/j.issn.1006－6535.2012.03.032

20111125;改回日期:20120301

國土資源部項(xiàng)目“柴達(dá)木及羌塘盆地油砂礦勘查開采示范工程”(國土資發(fā)［2010］199號(hào))

許耀輝(1986－)，男，2009年畢業(yè)于洛陽師范學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)為遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油砂開發(fā)利用方面研究。

編輯王 昱