國(guó)內(nèi)外油砂分離技術(shù)研究

國(guó)內(nèi)外油砂分離技術(shù)研究

摘要:對(duì)油砂成礦特性進(jìn)行分析，并對(duì)油砂分離技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行概述。概括了水洗分離技術(shù)、溶劑抽提技術(shù)、超聲波輔助分離技術(shù)、熱解干餾技術(shù)和生物處理技術(shù)等室內(nèi)研究及其分離原理。對(duì)各種油砂分離方法的優(yōu)劣及發(fā)展發(fā)向進(jìn)行討論。關(guān)鍵詞:油砂;成礦特性;分離技術(shù)

????近些年，油氣資源的日益緊缺己成為嚴(yán)重制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)性發(fā)展的重大問題。據(jù)有關(guān)資料顯示，2012年國(guó)內(nèi)石油需求將繼續(xù)增加，可能達(dá)到4.93億t，同比增長(zhǎng)5%，略高于2011年。2011年我國(guó)原油進(jìn)口量超過了總需求量的55%，估計(jì)在2012年我國(guó)原油進(jìn)口的依存度將上升到57%。目前，油頁巖、重質(zhì)原油、油砂及超重原油等被IEA(國(guó)際能源機(jī)構(gòu))稱為非常規(guī)石油資源f21，并且他們認(rèn)為非常規(guī)石油的供應(yīng)和利用對(duì)未來世界能源的安全提供有力的保障。

????隨著常規(guī)能源的日益枯竭，尋找新的替代資源越來越受到人們的重視，發(fā)展非常規(guī)石油資源一油砂就成為一個(gè)后石油時(shí)代的大趨勢(shì)。開發(fā)油砂資源符合國(guó)家能源政策，對(duì)確保我國(guó)的能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。在目前的技術(shù)條件下，油砂分離的主要方法有:熱水堿洗提取法，有機(jī)溶劑提取法，熱裂解干餾法，超聲波輔助分離提取法等。近幾年，對(duì)于油砂等非常規(guī)能源的開采和利用已取得重大進(jìn)展，隨著科技的進(jìn)步，原油的緊張，這方面的研究力度逐漸擴(kuò)大。1油砂組成

????油砂主要是由油砂油(油砂瀝青)和礦砂組成，其中還有一部分水和其他雜質(zhì)。其成分比例大致為:其中油砂油(油砂瀝青)的質(zhì)量比約為4%一20% ,非結(jié)合水約占1%一6%，無機(jī)質(zhì)(以硅酸鹽和碳酸鹽為主)約占80%一90%。具體的油砂礦品質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)是:富礦的油砂油含量要求高于10%，而貧礦則一般小于6%}}}。當(dāng)然如果油砂資源開采地區(qū)不一樣，其中各成分的比例可能不盡相同。其中我國(guó)內(nèi)蒙古的油砂含瀝青約12%一15%，含水約1%一3%，其余為二氧化硅等礦物質(zhì)。印尼油砂礦中含油砂油20%一30%，含水量10%一20%，其余都為碳酸鹽和雜質(zhì)f410

????油砂油在常規(guī)條件下粘度是超過超過1X104mPa·s，油品密度也是大于1 g/cm3，所以流動(dòng)性極差，對(duì)開采帶來了很大的困難，盡管采用一般開采稠油的方法獲取油砂瀝青也是不可行的。1.1油砂油

????油砂中的油即油砂油，有些文獻(xiàn)也成油砂瀝青，其在元素上的組成與常規(guī)的原油及稠油十分相似，但由于油砂油的分子量更大，成分和結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，約含有幾千種化合物共同組成.

????依照目前的分析測(cè)試條件，依然不能把油砂油徹底分成單個(gè)化合物的形式來評(píng)價(jià)。目前只能認(rèn)為油砂油是是粘稠的半固體狀有機(jī)質(zhì)，主要是由烴類和非烴類化合物組成，碳元素含80%左右，其余組分中含有氫元素，以及少量的氮、硫、氧和一些微量金屬元素。

1.2油砂中的礦物質(zhì)

????占油砂比例是相應(yīng)的砂礫，大部分油砂中的顆粒大的可達(dá)1 000 hum，小的可小于3 hum。一般小于44 hum的大部分稱為砂屑和粘土。

????基本上各地的油砂礦的砂礫組成都不一樣。其中加拿大油砂礦中「}l，石英砂和粘土占砂子成分的99%，鈣鐵化合物等組成了其余的1%。加拿大油砂礦中雖然以石英砂為主，但是也含有一部分貴重礦物，主要有金紅石(純度達(dá)95%Ti02}等，金紅石是一種重要的金屬和非金屬礦物。印尼油砂中礦物主要以碳酸鹽為主，所以粒徑非常小，大部分砂粒的粒徑只有2一5 hum，超過10 hum的砂礫特別少[f}l，所以這些碳酸鹽礦物在煙氣脫硫，造紙化工中都有著廣泛的應(yīng)用。

2油砂分離方法概述2.1熱水洗提取法

在水洗抽提法處理油砂應(yīng)用的工藝中大多數(shù)???油都采用表明活性劑驅(qū)來實(shí)現(xiàn)的，通過溶有表面活性劑的水作用，可以改變砂子表面的潤(rùn)濕性，使砂子表面更加親水，也可使油乳化在水中，實(shí)現(xiàn)砂與吸附在上面的瀝青分離。這種分離方法源于家庭洗滌原理。在油砂攪拌分離過程中，主要涉及到以下幾個(gè)分離原理如圖。

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2.1.1降低油水之間界面張力

????為了讓油砂礦中的油砂油與砂進(jìn)行快速的，有效地分離，就要通過改變其物質(zhì)表面特性和pH,提高溫度等方法來使油水之間的界面張力有、液相系統(tǒng)的y減小。在雷斯堡和都謝評(píng)論堿驅(qū)的文章中指出當(dāng)溶液的pH值在某一范圍時(shí)，油水之間的界面張力會(huì)顯著降低。當(dāng)pH到達(dá)一定值時(shí)，表面張力會(huì)降到一個(gè)峰值，這也就是pH值。

2.1.2乳化作用及流動(dòng)

????在油砂分離過程中，在增加油砂油的收率方面有兩個(gè)基本作用機(jī)理:既乳化一攜帶作用機(jī)理及乳化一滯留作用機(jī)理。從基礎(chǔ)理論來看，這兩個(gè)作用機(jī)理有著實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。在油砂分離的過程中，通過攪拌，水劑對(duì)流動(dòng)的油砂油起到乳化作用，從而把油砂油攜帶進(jìn)流動(dòng)的水劑中，在水劑中這些乳化油慢慢聚集，形成小的水包油乳化液。在相應(yīng)的滯留過程中，由于油砂中的孔隙介質(zhì)能使乳化油流動(dòng)受阻，進(jìn)而使注人水的流動(dòng)性受到影響，使以前水劑未達(dá)到的，未被驅(qū)動(dòng)的油砂孔隙中注人溶劑，達(dá)到驅(qū)動(dòng)效果，終能夠達(dá)到油砂分離過程中空隙和整體相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)效率。由于水包油乳化液的豁度要比油包水乳化液的粘度低，所以在我們想要的油包水效果的形成過程中，滯留機(jī)理的作用效果要明顯強(qiáng)于攜帶機(jī)理。

2.1.3油砂的潤(rùn)濕性反轉(zhuǎn)

????潤(rùn)濕就是要使油砂中的油從砂粒上破裂分離進(jìn)人液相，簡(jiǎn)而言之是從油砂油潤(rùn)濕結(jié)構(gòu)到砂粒水潤(rùn)濕之間的變化。因?yàn)楹艽蟛糠肿匀恍纬傻谋砻婊钚晕镔|(zhì)存在于油層流體中，德里克斯等進(jìn)行了一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，相應(yīng)的油砂油對(duì)砂石的潤(rùn)濕性能是決定于相應(yīng)原油所具備的特定組分，由于砂粒在分離過程中會(huì)吸收各種形式的表面活性物質(zhì)，這種吸收是無選擇地，所以只要在有表面活性物質(zhì)的情況下，砂粒就將進(jìn)行優(yōu)先潤(rùn)濕，截止加人溶劑，發(fā)生堿驅(qū)效應(yīng)后，pH值的變化也會(huì)與原油中自然存在的表??活性物質(zhì)進(jìn)行接觸，產(chǎn)生反應(yīng)，接著就會(huì)引起整個(gè)潤(rùn)濕性的反轉(zhuǎn)。

2.1.4油水增溶界面處的剛性薄膜

????剛性薄膜是某些油砂油中形成于油水接觸面的一層互不溶解的薄膜，通常認(rèn)為，油砂油中的樹脂物質(zhì)和瀝青物質(zhì)等結(jié)合形成的剛性界面膜，這層膜一經(jīng)形成，它們會(huì)經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能被還原成油砂油。因此這層剛性界面膜一旦形成，將對(duì)油砂中瀝青油回收產(chǎn)生不利影響，所以在油砂分離過程中，通過處理劑和升高溫度來破壞膜的形成條件，或者利用外力攪拌使膜破碎，進(jìn)而使油砂有效分離。

????某石油化工大學(xué)的李某等采用水洗法處理內(nèi)蒙古油砂，通過反應(yīng)裝置，流程和自配水洗劑對(duì)油砂進(jìn)行處理，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出在處理的條件和各個(gè)反應(yīng)條件對(duì)結(jié)果的影響:預(yù)處理反應(yīng)溫度60℃，時(shí)間0.5 h，空氣量為0.5 m}/h，分離時(shí)間為17 min，分離時(shí)的空氣量0.3 m}/h，其中預(yù)處理劑濃度和預(yù)處理時(shí)間對(duì)處理效果影響大。

2.2有機(jī)溶劑提取法

????對(duì)油砂采用索氏抽提器或超臨界萃取設(shè)備進(jìn)行溶劑抽提，與熱水堿洗法相比可以有效減少污水排放，提高油砂油的提取率。但是就當(dāng)前的科技水平來說，有機(jī)溶劑萃取法主要是用于實(shí)驗(yàn)室小試和中試研究，工業(yè)化應(yīng)有還有很多需要解決的問題。有機(jī)溶劑提取法所用的溶劑有甲苯、丙烷、止庚烷、止戊烷，石腦油一甲醇雙溶劑等。

????許某用溶劑抽提法處理內(nèi)蒙古露頭油砂，實(shí)驗(yàn)考察了五種溶劑的萃取效果，120號(hào)溶劑油為效果好的萃取劑。后結(jié)果表明，采用120號(hào)溶劑油處理油砂，在劑/砂質(zhì)量比3:1、抽提溫度75℃、抽提時(shí)間40 min的條件下，可使油提取率達(dá)95%，抽提所用溶劑油可回收循環(huán)利用。

????溶劑抽提技術(shù)處理油砂，抽提率較高，但溶劑回收難度大，抽提處理后的尾砂會(huì)帶有一部分有機(jī)溶劑，對(duì)環(huán)境污染較大，并且由于溶劑都為易燃易爆的輕組分，設(shè)備的安全性能也得不到良好的保障，這些問題都制約了該技術(shù)的商業(yè)化開發(fā)。

2.3熱裂解干餾法

????熱裂解干餾技術(shù)是對(duì)開采出的油砂直接采用在高于250℃的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過一段時(shí)間的反應(yīng)后，油砂油的性質(zhì)有很大的上升，其中油的分子量和油中膠質(zhì)含量會(huì)有所減少。顧名思義，裂解就是重油經(jīng)過高溫條件下輕質(zhì)化的過程。國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)