油砂分離工藝流程設(shè)計(jì)及分離參數(shù)的研究

王益民， 魯 鳳， 閆鳴宇， 王 剛， 顧永和， 徐生杰， 李元明

（1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用化學(xué)工程系，甘肅蘭州730060；2.中國(guó)石油撫順石化公司大項(xiàng)目指揮部，遼寧撫順113008；3.中國(guó)石油撫順石化公司乙烯化工廠，遼寧撫順113008）

油砂，又稱(chēng)瀝青砂或焦油砂，是形成于白堊紀(jì)，瀝青油或焦油、沙 、富礦粘土礦物以及水組成的一種看起來(lái)像焦糖的松散的混合物，屬于非常規(guī)石油資源［1］，其儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于常規(guī)石油的探明儲(chǔ)量［2］。根據(jù)國(guó)家新一輪油氣資源的評(píng)價(jià)結(jié)果，全國(guó)油砂可采資源量2 2.5 8×1 08t，占全國(guó)石油可采儲(chǔ)量的13.36%，位居世界第5位［3－4］。油砂資源對(duì)于增加油氣資源后備儲(chǔ)量，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

到目前為止，對(duì)于油砂中瀝青的分離采用的方式有溶劑萃取法，熱溶液洗滌法，干餾法等［5－6］。本文從小型裝置出發(fā)，結(jié)合熱溶液洗滌法，對(duì)油砂瀝青進(jìn)行分離［7－8］?？疾鞂?shí)驗(yàn)室中采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操作條件和小型裝置中操作條件的差別，為工業(yè)化試驗(yàn)提供重要的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

油潤(rùn)性油砂（含油率16.8%，固含率83.2%，水份微量）［9］；水性絡(luò)合試劑（由多種堿性化學(xué)試劑、破乳劑、表面活性劑按一定比例混合而成的水性試劑）；甲苯；石油醚。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

油砂分離工藝中試試驗(yàn)裝置，自主研發(fā)；油砂含水率測(cè)定儀，自主研發(fā)；HG202－1型恒溫干燥箱，南京電器三廠制造；DHT型恒溫電熱套，上海石油儀器廠制造；BS－2100型電子分析天平，上海友聲衡器有限公司制造；DK－98－Ⅱ型單聯(lián)立式萬(wàn)用電爐（1 000W），天津市泰斯特儀器有限公司制造；溫度計(jì)，燒杯，量筒等。

1.3 油砂分離工藝流程

1.3.1 工藝流程 將油砂與水性試劑按最優(yōu)砂劑質(zhì)量比同時(shí)注入油砂分離反應(yīng)器中，控制適當(dāng)?shù)姆蛛x工藝條件，經(jīng)過(guò)分離反應(yīng)器使油砂中的砂和瀝青充分剝離，然后對(duì)劑砂油混合物進(jìn)行物理分離。分離獲取的瀝青作為加工合成油的原料，分離出的試劑循環(huán)重復(fù)使用，分離殘砂處理后回填。分離工藝流程見(jiàn)圖1。

Fig.1 Flow diagram of oil sand separation圖1 油砂分離工藝流程

1.3.2 操作步驟

（1）配制化學(xué)試劑溶液：自主研發(fā)配制水性絡(luò)合試劑，在新鮮水性試劑儲(chǔ)罐中充分混合，并攪拌搖勻，備用。

（2）運(yùn)行前先啟動(dòng)進(jìn)水閥將油砂分離反應(yīng)器中加入試劑，并開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)混合攪拌，將試劑溫度穩(wěn)定在特定溫度下。

（3）啟動(dòng)油砂進(jìn)料系統(tǒng)開(kāi)始加料，恒溫系統(tǒng)開(kāi)啟，維持整個(gè)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。

（4）砂劑量達(dá)到第一個(gè)反應(yīng)分離器體積的3／4時(shí)開(kāi)啟出料系統(tǒng)，維持系統(tǒng)的物料平衡。

（5）漂浮在上層的油和泥土、細(xì)沙的混合物不斷進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)分離器，經(jīng)充分分離后再經(jīng)過(guò)稀釋、降粘、離心沉降等措施對(duì)油品進(jìn)行分離提純。

（6）定時(shí)在線檢測(cè)水性試劑的濃度，并及時(shí)補(bǔ)充新鮮藥劑以保證試劑濃度。

（7）將分離后的油、水、尾砂定時(shí)取出送檢，已確認(rèn)是否達(dá)標(biāo)。

1.3.3 油砂分離工藝裝置設(shè)計(jì)特點(diǎn) 油砂分離裝置設(shè)計(jì)是基于間歇式處理裝置的基礎(chǔ)上來(lái)全新設(shè)計(jì)的，本裝置根據(jù)選定的工藝流程，主要由4個(gè)分離系統(tǒng)組成：

（1）油－砂分離系統(tǒng)

油砂從油砂儲(chǔ)存池通過(guò)油砂輸送機(jī)進(jìn)入一級(jí)分離反應(yīng)器，同時(shí)按一定比例加入油砂分離試劑。通過(guò)蒸汽加熱和循環(huán)攪拌將反應(yīng)溫度升到最優(yōu)溫度下，泥砂通過(guò)螺旋推進(jìn)器打入砂劑分離系統(tǒng)，在分離的同時(shí)，助劑通過(guò)助劑泵打入油砂分離反應(yīng)器中并進(jìn)行反應(yīng)。

在分離過(guò)程中由于溫度的升高，油水密度差增大，油砂瀝青通過(guò)浮選上浮，砂沉降于設(shè)備底部，油、劑通過(guò)設(shè)在油砂分離器上部的溢流口流入中間緩沖罐，維持特定的分離時(shí)間，然后進(jìn)行重力沉降分離，通過(guò)油泵將油品達(dá)到產(chǎn)品中間罐。

（2）砂－劑分離反應(yīng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用無(wú)殼螺旋推進(jìn)系統(tǒng)輸砂，促進(jìn)物料緩慢前進(jìn)，由于螺旋推進(jìn)器在裝置底部三角槽內(nèi)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)攪動(dòng)較小，有利于砂－油－劑的三相分離。含劑泥砂在砂劑分離反應(yīng)器中經(jīng)熱水溶解分離沉降后，油品打入油品中間緩沖罐，試劑打入循環(huán)試劑罐，砂由出砂系統(tǒng)輸出進(jìn)入泥砂儲(chǔ)存池，泥砂進(jìn)入砂泥過(guò)濾分離系統(tǒng)。

（3）油－劑分離系統(tǒng)

含有試劑的油砂油進(jìn)入油劑分離系統(tǒng)，通過(guò)加入助劑降低油品粘度，使油品中含有的少量的泥、砂以及試劑沉降分離。試劑循環(huán)使用，油品打入產(chǎn)品中間罐。

（4）泥－劑分離過(guò)濾系統(tǒng)

油砂分離過(guò)程中，顆粒細(xì)小的泥漿懸浮在試劑中，將產(chǎn)生大量的泥、砂懸浮物，將嚴(yán)重影響分離試劑的循環(huán)利用效果，所以必須進(jìn)行廢液的凈化處理。本裝置設(shè)泥劑過(guò)濾分離系統(tǒng)，所有分離廢液經(jīng)處理后補(bǔ)充適量的新鮮試劑循環(huán)使用。通過(guò)加入絮凝劑以及分離助劑，將泥漿中的少量油品進(jìn)一步分離出來(lái)，然后進(jìn)入過(guò)濾分離系統(tǒng)將泥砂和試劑分離。

1.3.4 油砂分離工藝裝置設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn) 該工藝裝置解決了其它處理方法中所產(chǎn)生的油、砂分離不完全，泥砂、水污染環(huán)境等一系列問(wèn)題。能夠以十分經(jīng)濟(jì)的方式制取符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，從而保證了油砂處理裝置的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的可行性，并且該工藝流程為中國(guó)油砂水洗分離工藝提供一條技術(shù)可靠、環(huán)保指標(biāo)合格、經(jīng)濟(jì)效益可行的工藝路線。

2 結(jié)果與討論

2.1 試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出油率的影響

在加熱溫度85℃，砂劑質(zhì)量比1∶2，加熱分離時(shí)間25min的條件下，改變?cè)噭┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)，考察試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

Fig.2 Influence of reagent concentration on oil－extraing rate圖2 試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)出油率的影響

由圖2以看出，油砂出油率隨著水性絡(luò)合試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，在試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)出油率顯著提高。當(dāng)試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，出油率可以達(dá)到94%以上，而后隨著分離劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加出油率增幅不明顯。雖然試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)比4%時(shí)的清洗效果更理想，但是高質(zhì)量分?jǐn)?shù)分離成本卻顯著提高。綜合考慮各種因素，試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的水性絡(luò)合試劑適宜本文實(shí)驗(yàn)所用油砂水洗分離。

2.2 加熱溫度對(duì)出油率的影響

在水性絡(luò)合試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，砂劑質(zhì)量比1∶2，加熱分離時(shí)間為25min的條件下，改變加熱溫度，考察加熱溫度對(duì)出油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

Fig.3 Influence of heating temperature on oil－extraing rate圖3 加熱溫度對(duì)出油率的影響

由圖3可知，溫度對(duì)油砂出油率同樣具有決定性的影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，油砂油粘度降低，流動(dòng)性增大，導(dǎo)致油砂水膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化甚至遭到破壞，結(jié)果砂和油結(jié)合力降低，便于油砂的分離。低于80℃時(shí)出油率不高，而在85℃時(shí)，出油率達(dá)到最大值。溫度再升高對(duì)油砂出油率影響變小，故選定加熱溫度為85℃。

2.3 加熱分離時(shí)間對(duì)出油率的影響

在加熱溫度85℃，水性絡(luò)合試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，砂劑質(zhì)量比1∶2的條件下，改變加熱分離時(shí)間，考察加熱分離時(shí)間對(duì)出油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

Fig.4 Influence of heating separation time on oil－extraing rate圖4 加熱分離時(shí)間對(duì)出油率的影響

由圖4可知，加熱分離25min后出油率可達(dá)在94%以上，繼續(xù)加熱對(duì)出油率影響很小，考慮到節(jié)能問(wèn)題，故選用加熱分離時(shí)間為25min。

2.4 砂劑質(zhì)量比對(duì)出油率的影響

在加熱溫度85℃，水性絡(luò)合試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，分離時(shí)間25min的條件下，改變砂劑質(zhì)量比，考察砂劑質(zhì)量比對(duì)出油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

Fig.5 Influence of the ratio of oil sand and reagent on oil－extraing rate圖5 砂劑質(zhì)量比對(duì)出油率的影響

由圖5可以看出，砂劑質(zhì)量比對(duì)出油率可以產(chǎn)生一定得影響，砂劑質(zhì)量比越大，其出油率并不是越高。隨著砂劑質(zhì)量比的增加，出油率隨之增加，砂劑質(zhì)量比超過(guò)1.0∶2.0后，出油率又開(kāi)始逐漸較小。主要原因是試劑量太少時(shí)，油砂和試劑并不能充分接觸，導(dǎo)致試劑對(duì)油砂不能充分產(chǎn)生作用，影響了分離效率。當(dāng)試劑加入量太多時(shí)，由于油砂沉于水底，造成其不能和空氣充分接觸，沒(méi)法產(chǎn)生氣浮過(guò)程，降低出油率，最終導(dǎo)致分離出的油砂瀝青含有細(xì)砂太多，給瀝青的后期處理工作增加困難。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）依據(jù)油砂分離工藝流程進(jìn)行工藝試驗(yàn)，取得重要的工藝參數(shù)（試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、加熱溫度、加熱分離時(shí)間、砂劑質(zhì)量比等），完善了分離工藝流程。水洗分離試驗(yàn)表明，運(yùn)用自行開(kāi)發(fā)的水性絡(luò)合試劑及分離工藝進(jìn)行試驗(yàn)，具有工業(yè)開(kāi)發(fā)與推廣價(jià)值。

（2）通過(guò)考察試劑濃度、加熱溫度、加熱分離時(shí)間、砂劑質(zhì)量比等因素對(duì)油砂熱出油率的影響，得出試驗(yàn)所用油砂最佳分離操作條件是：水性絡(luò)合試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%、加熱溫度85℃、加熱分離時(shí)間25 min、砂劑質(zhì)量比1∶2，在此最佳條件下出油率可達(dá)94%以上。

（3）本小裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的固體排放物主要有砂、泥。砂子經(jīng)過(guò)噴淋洗滌處理以后是優(yōu)質(zhì)的建筑用砂，也可以作為城市市政建設(shè)用砂。過(guò)濾系統(tǒng)排放的泥占油砂處理量5%～20%，泥中水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%，水中油砂分離試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，所以排放的泥中試劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～1.2%，有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%，在過(guò)濾中采用新鮮水噴淋過(guò)濾，泥的排放將符合國(guó)家固體排放物排放標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 科興華.加拿大阿爾伯塔省的油砂資源和油砂工業(yè)［J］.科技經(jīng)濟(jì)透視，2004，5（1）：58.

［2］ AndréPlourde.Oil sands royalties and taxes in Alberta：An assessment of key developments since the mid－1990s［J］.The energy joumal，2009，30（1）：111.

［3］ 石明山，劉颯.我國(guó)首次摸清油頁(yè)巖、油砂“家底”［J］.科技時(shí)報(bào)，2006，5（4）：19.

［4］ 賈承造.油砂資源狀況與儲(chǔ)量評(píng)估方法［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［5］ 嚴(yán)格.內(nèi)蒙古油砂熱堿水洗分離實(shí)驗(yàn)研究［J］.油田化學(xué)，2005，22（4）：375－377.

［6］ Allen E W.Process water treatment in the oil sands industry：1.Target pollutants and treatment objectives［J］.J.environ.eng.sci.，2008（7）：123－138.

［7］ 王益民.新疆風(fēng)城油砂分離及油砂瀝青加工工藝研究［D］.撫順：遼寧石油化工大學(xué)，2010.

［8］ 董知軍，劉立平，王蓉輝，等.內(nèi)蒙古扎賚特旗油砂分離［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2005，18（4）：31－36.

［9］ Luthr A，Mano J.A visualization technique for estimation bitumen recovery from oil sands［D］.Canada：University of Alberta，2001.