罐底油泥黏度特性及降黏措施

崔潔，鄭曉園，金余其，馬曉軍，鄭耀根

(1浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；3浙江大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310027；4衢州市清泰環(huán)境工程有限公司，浙江 衢州 324000)

罐底油泥黏度特性及降黏措施

崔潔1，鄭曉園2，金余其1，馬曉軍3，鄭耀根4

(1浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；3浙江大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310027；4衢州市清泰環(huán)境工程有限公司，浙江 衢州 324000)

利用HAKKE VT550旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對(duì)罐底油泥的黏度特性進(jìn)行了研究，篩選出合適的黏度模型，分析比較了加熱（20～60℃）、添加表面活性劑（曲拉通X-100）水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%）和添加溶劑（正戊醇和120#溶劑油）對(duì)油泥黏度的影響。結(jié)果表明，由于罐底油泥包含大量固體顆粒，在0～600 s-1剪切速率范圍內(nèi)，具有塑性流體和假塑性流體的雙重特性，Casson模型為最適合的黏度模型，擬合決定系數(shù)為0.986。在3種降黏措施中，將樣品加熱至50℃與20℃下添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的表面活性劑水溶液均可使油泥黏度下降50%，樣品流型向假塑型轉(zhuǎn)變。摻入溶劑的降黏效果優(yōu)于前兩者，最佳效果為在20℃、300 s-1剪速下，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的120#溶劑油，黏度下降達(dá)90%，樣品流型向牛頓型轉(zhuǎn)變。

罐底油泥；黏度特性；模型；加熱；表面活性劑；溶劑

引　言

在原油儲(chǔ)運(yùn)過程中，由于自然沉降，沉積在油罐底部的一種由水、原油和固體顆粒組成的危險(xiǎn)廢棄物稱為罐底油泥。通常以油包水乳化液形式存在。由于含油率高，可通過一定的技術(shù)手段，回收其中的原油，實(shí)現(xiàn)資源再生。目前，國內(nèi)外常用的方法包括機(jī)械分離法、熱解法和焚燒法等[1]。

在罐底油泥處理過程中，物料的穩(wěn)定輸送是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。由于罐底油泥通常呈半固態(tài)，流動(dòng)性差，有必要研究它的流動(dòng)特性，以指導(dǎo)管道輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有研究表明，油泥的黏度特性與資源化利用的效果也密切相關(guān)。油泥在調(diào)質(zhì)-離心分離時(shí)，物料黏度越低，越有利于固體顆粒由油相向渣相轉(zhuǎn)移，離心分離的效果也越好[2]。

在掌握罐底油泥流動(dòng)特性和黏度特性的基礎(chǔ)上，通過采取降黏措施，確保資源化利用過程中穩(wěn)定輸送。目前，國內(nèi)外關(guān)于罐底油泥的流動(dòng)特性和降黏措施的研究還很少，多集中在稠油、超稠油和普通污泥等[3-5]。采用的降黏技術(shù)主要有加熱降黏、乳化降黏和溶劑降黏等。加熱通過影響樣品中某些重質(zhì)組分的黏度和空間結(jié)構(gòu)，使整個(gè)體系黏度下降[6]。加熱是一種通用的降黏方法，其主要缺點(diǎn)是遠(yuǎn)距離輸送時(shí)投資和運(yùn)行成本過高[7]。乳化降黏指將一定濃度的表面活性劑水溶液摻入物料中，攪拌混勻后，黏度大的W/O型乳化液反相成為黏度小的O/W型乳狀液，達(dá)到降黏目的[8]。非離子型表面活性劑由于其廉價(jià)高效、不受水中鹽分干擾以及不影響油品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，是最常用的表面活性劑[9]。溶劑降黏指向物料中添加一定量的有機(jī)溶劑，通過破壞重油中重質(zhì)分子結(jié)構(gòu)或稀釋高黏組分，降低整個(gè)體系黏度[10]。常用溶劑有輕質(zhì)油、煤油、甲苯等烴類溶劑[3-4,11]，戊醇、己醇等醇類溶劑[4,12]，以及一些醚類和酯類溶劑等[10]。由于罐底油泥所含油分以重質(zhì)組分為主，通常瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量分別為8%～10%和7%～22.4%。而且硫、氧、氮等非金屬元素和鎳、釩等金屬化合物的含量較高[1]，在化學(xué)組成上接近稠油[13]。但是，不同于稠油，罐底油泥中的固體顆粒和水分含量較高，這些均會(huì)影響樣品的黏度特性和流動(dòng)特性，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究。

本文以典型罐底油泥為研究對(duì)象，分析了樣品的黏度特性和流變學(xué)性質(zhì)，篩選出合適的黏度模型；考察了通過加熱、添加表面活性劑和添加溶劑3種不同方式對(duì)罐底油泥的降黏效果，并探討其降黏機(jī)理；最后比較了3種非加熱降黏方式（即分別添加曲拉通X-100、正戊醇和120#溶劑油）的降黏效果。

1　實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用樣品取自舟山市某石化公司，為通過機(jī)械清罐方式產(chǎn)生的罐底油泥。其外觀呈黑色，半固態(tài)，流動(dòng)性差，有典型石油氣味。

所選試劑均為分析純。其中，曲拉通 X-100 （Triton X-100）和正戊醇均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，120#溶劑油購自天津市津東天正精細(xì)化學(xué)試劑廠。

1.2設(shè)備及分析方法

采用共沸蒸餾法（抽提劑為甲苯）將罐底油泥分離為水、油、渣三相，并分別計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)；分離出的油相，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《巖石可溶有機(jī)物及原油族組分分析》（SY/T 5119—2008）分析其族組分組成；采用長沙開元儀器股份有限公司生產(chǎn)的5E-CHN 2000元素分析儀完成元素分析；采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（微波輔助酸消解法預(yù)處理）分別測定油泥樣品和油相的重金屬含量。

采用德國 HAKKE VT550旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定黏度。選用同軸圓筒式測量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，軟件OS550設(shè)為 CR（控制剪切速率）測量模式，速率變化范圍設(shè)為0～600 s-1。

實(shí)驗(yàn)前，用滴管將適量非離子表面活性劑（曲拉通X-100）滴入去離子水中，1000 r·min-1下磁力攪拌至溶解完全，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的曲拉通X-100水溶液。

使用電動(dòng)攪拌器將罐底油泥樣品攪拌均勻，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、2.5%、5%、10%的比例，分別將曲拉通X-100水溶液、正戊醇、120#溶劑油置于錐形瓶中，逐步倒入適量攪拌均勻的罐底油泥樣品，用錫紙密封瓶口，1000 r·min-1下磁力攪拌30 min后，置于設(shè)定好溫度的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)圓筒內(nèi)，至樣品與轉(zhuǎn)子頂部平齊。開啟旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使轉(zhuǎn)子在200 s-1剪切速率下預(yù)轉(zhuǎn)，以消除轉(zhuǎn)子和外筒之間可能存在的氣泡。待樣品恒溫約5 min后，開始測定，重復(fù)測定3次取平均值。進(jìn)行加熱降黏實(shí)驗(yàn)時(shí)，每設(shè)置新的溫度參數(shù)需更換樣品，以消除樣品中輕質(zhì)組分揮發(fā)造成的測量偏差。

1.3黏度模型

目前，常用的原油混合物黏度模型，需要已知各混合物初始黏度、混合比例等參數(shù)[14]，由于罐底油泥成分復(fù)雜，這些參數(shù)難以確定，不適于用這些模型描述?？紤]到流變學(xué)中黏度與剪切應(yīng)力、剪切速率的關(guān)系，擬從此角度推導(dǎo)出罐底油泥的黏度模型。在流變學(xué)中，對(duì)于石油、鉆井液和高分子乳化液等非牛頓流體[15]，常根據(jù)其不同特點(diǎn)，采用Bingham模型[式（1）]、冪律模型[式（2）]或Casson模型[式（3）]等流變模型來描述。通常，對(duì)于存在一定屈服應(yīng)力的塑性流體，選擇Bingham模型；黏度值隨剪切應(yīng)力增加逐漸變小的假塑性流體，多選用冪律模型[16]；對(duì)于某些復(fù)雜流體，在流體力學(xué)計(jì)算中還常選擇Casson模型[4]。

Bingham模型

冪律（P-L）模型

Casson模型

由黏度的定義

推導(dǎo)出關(guān)于黏度的3種模型

Bingham模型

冪律（P-L）模型

Casson模型

這3種模型不僅可對(duì)罐底油泥的黏度特性進(jìn)行描述，同時(shí)由于其與流變模型的關(guān)聯(lián)性，式中各參數(shù)表示的意義沒有改變，因此，還能反映樣品的流變學(xué)性質(zhì)。

2　結(jié)果與討論

2.1罐底油泥成分分析

表1和表2所示為罐底油泥樣品和油相中各成分含量，可知該樣品包含固體顆粒較多，含渣率高達(dá)44.96%。油相中瀝青質(zhì)、膠質(zhì)及重金屬的含量較高。

表1　罐底油泥組成成分Table 1　Composition of oil sludge sample

表2　罐底油泥油相組成成分Table 2　Composition of extracted oil from oil sludge

2.2罐底油泥的黏度特性

如圖 1所示為 20℃下罐底油泥的流變特性曲線。由圖1（a）可知，樣品的流動(dòng)曲線不是一條直線，屬于非牛頓流體。剪切速率=0時(shí)，剪切應(yīng)力τ≠0，即必須施加一定的初始切應(yīng)力才能使其開始流動(dòng)，此時(shí)流體表現(xiàn)為塑性流體的特性。樣品開始流動(dòng)后，在中低剪速范圍（<300 s-1）內(nèi)，罐底油泥的黏度η隨的增加顯著下降，呈現(xiàn)出明顯的剪切稀釋現(xiàn)象，此時(shí)流體具有假塑性流體的特性。隨著剪速的進(jìn)一步增加，黏度變化逐步趨于平緩，流型向牛頓型流體轉(zhuǎn)變。

與一般稠油、超稠油的流變特性相比[3-4]，罐底油泥的剪切稀釋行為表現(xiàn)得更為明顯，這主要由罐底油泥的組成成分決定。由表1、表2可知，罐底油泥除重質(zhì)油組分（瀝青質(zhì)和膠質(zhì)）含量較高之外，還含有大量的固體顆粒（含渣率高達(dá) 44.96%），它們的存在會(huì)對(duì)整個(gè)體系的流變特性產(chǎn)生影響。顆粒越多，剪切稀釋現(xiàn)象越明顯[5]。在W/O混合物體系中，顆粒-顆粒之間和顆粒-油之間緊密雜亂地纏繞在一起，形成充滿整個(gè)空間的連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等重質(zhì)分子之間形成的纏繞卷曲結(jié)構(gòu)一起促成了罐底油泥的高黏特性。當(dāng)罐底油泥在剪切應(yīng)力作用下開始流動(dòng)時(shí)，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)被逐漸拆散，拆散程度隨剪切速率的增加逐漸增大，表現(xiàn)出黏度隨剪切速率的增加急劇下降。當(dāng)剪速增大到一定程度，結(jié)構(gòu)拆散的速度與結(jié)構(gòu)恢復(fù)速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，分子沿剪切方向趨于有序化排列，黏度也隨之逐步恒定[17]。

圖1　罐底油泥的流變曲線Fig.1　Rheological curve of oil sludge(20℃)

采用式（5）～式（7）對(duì)圖1(b)中的黏度曲線分別進(jìn)行擬合，各擬合參數(shù)見表3，擬合曲線如圖2所示。由表3可看出，Casson模型的擬合決定系數(shù)R2最大，為 0.986，這與上文對(duì)罐底油泥流變特性的分析結(jié)果相符，即罐底油泥由于具有屈服應(yīng)力，表現(xiàn)出塑性流體的性質(zhì)；又由于表現(xiàn)出剪切稀釋行為，具有假塑性流體的性質(zhì)。Bingham模型和冪律模型分別是常見的塑性流體和假塑性流體的流動(dòng)模型，Casson模型則包含了兩者的共同特點(diǎn)。因此，擬合效果最好。同時(shí)，由冪律模型的冪律指數(shù)n=0.419遠(yuǎn)小于1可知，在所選剪速范圍內(nèi)，罐底油泥表現(xiàn)出較強(qiáng)的非牛頓流體特性。

表3　罐底油泥黏度擬合參數(shù)Table 3　Parameters of fitted viscosity model for oil sludge

圖2　罐底油泥黏度擬合模型Fig.2　Fitted viscosity models for oil sludge

2.3加熱降黏

圖3為不同溫度下罐底油泥的黏度特性。由圖可知，罐底油泥的黏度隨著溫度的升高明顯降低。為了評(píng)價(jià)溫度對(duì)罐底油泥的降黏效果，引入降黏系數(shù)（D），其定義式如式（8）所示[3]

為便于分析，文中式（8）中的黏度值均取剪切速率為300 s-1時(shí)的數(shù)據(jù)。不同溫度下的降黏系數(shù)見表4。

圖3　溫度對(duì)罐底油泥黏度的影響Fig.3　Effect of temperature on viscosity of oil sludge

表4　不同溫度下罐底油泥降黏系數(shù)及擬合參數(shù)Table 4　Relationship between D and parameters of Casson model for oil sludge and temperature

由表4可知，D隨溫度升高從0逐漸增大到55，且增加的速度逐漸變緩。溫度主要通過以下兩種方式降低罐底油泥的黏度：一是通過降低樣品中重質(zhì)組分如瀝青質(zhì)、膠質(zhì)的黏度來促使整個(gè)混合體系黏度的下降，該過程通常發(fā)生在20～30℃；二是通過升溫加劇體系內(nèi)粒子的布朗運(yùn)動(dòng)[18]，進(jìn)一步破壞重質(zhì)分子之間纏繞卷曲的空間結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)降黏效果，此方式在溫度高于30℃時(shí)更加明顯[19]。由2.2節(jié)的分析可知，剪切應(yīng)力同樣會(huì)破壞分子的空間結(jié)構(gòu)。因此，在高溫段，溫度對(duì)黏度的影響不如低溫段顯著。

選用Casson模型[式（7）]對(duì)30～60℃溫度段各曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見表 4。由表可知，擬合決定系數(shù)均大于0.99，說明擬合曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)高度接近。屈服應(yīng)力τ0變化雖然無明顯規(guī)律，但均遠(yuǎn)小于原始罐底油泥的值，即通過升溫，可以減小屈服應(yīng)力來改善罐底油泥的流動(dòng)性。

2.4乳化降黏

乳化法是一種改善稠油在管道中流動(dòng)性的常用方法[3-4,20]。使用表面活性劑作為乳化劑，一方面可以通過增強(qiáng)油-水界面間某些天然乳化劑（如瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等）的親水性來降低界面張力；另一方面還可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)相后作為連續(xù)相的水滴，防止其聚結(jié)[4]。圖4為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%和10%的曲拉通水溶液后樣品黏度的變化，實(shí)驗(yàn)溫度均為20℃。由圖4可知，隨著溶液添加量的增加，罐底油泥的黏度明顯降低。在 300 s-1剪切速率下，添加量為5%時(shí)，黏度由初始的0.035 Pa·s降到0.022 Pa·s，D為38；添加量10%時(shí)，黏度降至0.018 Pa·s，降黏系數(shù)達(dá)到49，與加熱至50℃時(shí)（表4）的降黏效果相當(dāng)。因此，乳化法是一種有效的降黏方法。其降黏機(jī)理為：①通過加入水溶液使罐底油泥由黏度較大的W/O型乳狀液反相成為黏度小的O/W型乳狀液，使得原油流動(dòng)時(shí)油膜與油膜之間的摩擦變?yōu)樗づc水膜之間的摩擦[8]；②表面活性劑分子一方面可通過與瀝青質(zhì)分子形成更強(qiáng)的氫鍵，削弱瀝青質(zhì)分子間的相互作用，部分破壞其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，另一方面，其主碳鏈還可深入瀝青質(zhì)粒子內(nèi)部，降低瀝青質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu)的牢固性，導(dǎo)致重質(zhì)組分黏度下降[20]，進(jìn)一步降低整個(gè)混合體系的黏度。

圖4　不同曲拉通X-100水溶液添加量下油泥黏度的變化Fig.4　Relationship between viscosity and concentration of Triton X-100 solution

圖4還表明乳化液體系的黏度隨剪切速率的變化規(guī)律與原始油泥相似。在低剪速范圍γ˙＜300 s-1內(nèi)，流體表現(xiàn)出明顯的剪切稀釋行為；γ˙＞300 s-1時(shí)，黏度受剪速的影響變小。分別選用冪律模型[式（6）]和Casson模型[式（7）]對(duì)添加不同濃度曲拉通溶液時(shí)，罐底油泥乳化液的黏度特性進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表5。由表5可知，選用Casson模型時(shí)，其屈服應(yīng)力τ0明顯變小，由1.573 Pa減為0.444 Pa，使流體流動(dòng)所需施加的力減小，流體的塑性特征減弱，導(dǎo)致決定系數(shù)R2小于無添加時(shí)的值。選用冪律模型時(shí)，冪律指數(shù)n雖然比無添加時(shí)有所增大，但幅度不大，說明轉(zhuǎn)相后的罐底油泥混合物體系依然表現(xiàn)較高的非牛頓流體特性，但決定系數(shù)R2有大幅提高，分別為 0.986和 0.977，均大于選用Casson模型的值。這一結(jié)果表明，乳化降黏可以使樣品的流型由塑性向假塑性轉(zhuǎn)變。

表5　乳化液體系黏度特性擬合參數(shù)Table 5　Parameters of fitted viscosity model for emulsion system

2.5溶劑降黏

2.5.1正戊醇降黏圖5所示為20℃時(shí)，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的正戊醇對(duì)罐底油泥黏度的影響。從圖 5可以看出，正戊醇具有顯著的降黏效果。添加量為2.5%時(shí)，D達(dá)到63（黏度從0.035 Pa·s降至0.013 Pa·s），而且隨著添加量的增加，D逐漸增大。當(dāng)添加量為10%時(shí)，達(dá)到85（黏度從0.035 Pa·s降至0.0051 Pa·s）。正戊醇降黏效果顯著的原因?yàn)檎齑挤肿咏Y(jié)構(gòu)中含有的—OH官能團(tuán)具有極強(qiáng)的形成氫鍵的能力，它們可與罐底油泥中的瀝青質(zhì)等重質(zhì)分子中某些官能團(tuán)形成氫鍵，破壞分子間原有的空間結(jié)構(gòu)，降低黏度[10]。從圖5還可知，隨著正戊醇添加量的增加，剪切稀釋行為越來越不明顯。與升溫降黏和乳化降黏效果相比，正戊醇的降黏效果均優(yōu)于前兩者。

圖5　不同添加量下正戊醇的降黏效果Fig.5　Effect of 1-pentanol addition on viscosity reduction of oil sludge

2.5.2120#溶劑油降黏稠油中摻入天然氣凝析液、石腦油、溶劑油等輕質(zhì)油一直是稠油降黏的主要措施之一，其作用原理為利用低黏的輕質(zhì)油來稀釋高黏的稠油，尤其是稠油中的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)等組分，減弱這些分子間的相互作用，進(jìn)一步破壞整個(gè)膠體系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，達(dá)到降黏目的[10]。圖6所示為添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的120#溶劑油時(shí)罐底油泥的降黏效果。由圖6可知，添加量為2.5%時(shí)，罐底油泥的黏度降低約60%（從0.035 Pa·s到0.014 Pa·s），隨著添加量增加，降黏效果越顯著；當(dāng)添加量為10%時(shí)，黏度下降約90%（從0.035 Pa·s降至0.0036 Pa·s）。此外，低溫條件下，稠油中摻入輕質(zhì)油還可改變稠油流型，使其從屈服塑性體或假塑性體轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD體[21]。從圖6可知，罐底油泥存在相同的規(guī)律，隨著溶劑油添加量的增加，非牛頓性逐漸減弱。當(dāng)添加量為10%時(shí)，黏度-剪切速率曲線變?yōu)橐粭l水平直線，流體流型向牛頓型轉(zhuǎn)變。

圖6　不同添加量下120#溶劑油的降黏效果Fig.6　Effect of 120#solvent oil addition on viscosity reduction of oil sludge

2.6非加熱方式降黏效果的比較

圖7～圖9為3種非加熱降黏方式的罐底油泥降黏效果比較。圖7為正戊醇和溶劑油的降黏效果比較?？芍?，添加量為 2.5%（W＜5%）時(shí)，正戊醇的降黏效果優(yōu)于溶劑油。當(dāng)添加量增至 5%時(shí)（圖8），黏度曲線接近重合；當(dāng)添加量為10%（W＞5%）時(shí)（圖 9），溶劑油的降黏效果優(yōu)于正戊醇。由此推測，低添加量（W＜5%）時(shí)，通過與重質(zhì)組分形成氫鍵引起的降黏作用強(qiáng)于通過稀釋重質(zhì)組分引起的降黏作用，隨著添加量的增加，稀釋重質(zhì)組分引起的降黏作用更為明顯，這對(duì)工業(yè)中合適添加量的確定具有重要指導(dǎo)作用。

圖7　添加不同溶劑后油泥黏度（W=2.5%）Fig.7　Viscosity of oil sludge with adding 2.5% solvents by mass

由圖8、圖9還可發(fā)現(xiàn)，添加量為5%和10%時(shí)，摻入有機(jī)溶劑的降黏效果明顯優(yōu)于乳化法降黏效果。這可能是由于表面活性劑水溶液只能破壞油相中重質(zhì)分子之間的空間結(jié)構(gòu)，使包含在油相中的水分釋放出來，乳化液轉(zhuǎn)相引起黏度降低，而對(duì)固體顆粒間的空間結(jié)構(gòu)則不起作用；而有機(jī)溶劑對(duì)油相和渣相結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生影響。以添加10%的120#溶劑油為例，分別取少量溶劑油添加前后的樣品涂于載玻片上，通過生物顯微鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖10所示。溶劑油的摻入使罐底油泥的微觀結(jié)構(gòu)尤其是固體顆粒形態(tài)發(fā)生了明顯變化，溶劑油滲入顆粒內(nèi)部，拆散顆粒分子間的空間結(jié)構(gòu)，使固體顆粒由大塊絮凝體分散成小顆粒，顯著降低混合體系黏度。同時(shí)，由于顆粒粒徑變小，其受到剪切應(yīng)力作用時(shí)所產(chǎn)生的阻力變小，引起樣品非牛頓特性減弱。

圖8　添加曲拉通X-100水溶液及不同溶劑后油泥黏度（W=5%）Fig.8　Viscosity of oil sludge with addition of 5% Triton X-100 solution and different solvents

圖9　添加曲拉通X-100水溶液及不同溶劑后油泥黏度（W=10%）Fig 9　Viscosity of oil sludge with addition of 10% Triton X-100 solution and different solvents

圖10　加120#溶劑油前后罐底油泥的顯微結(jié)構(gòu)Fig.10　Micro-image of oil sludge before and after addition of 120#solvent oil(W=10%）

3　結(jié)　論

（1）本文研究的罐底油泥屬非牛頓流體，具有塑性和假塑性的雙重特性。高含渣率導(dǎo)致其表現(xiàn)顯著的剪切稀釋行為。模型分析結(jié)果表明，Casson模型為最適于此油泥的黏度模型。

（2）把油泥由 20℃加熱至 60℃，黏度下降55%，高溫段溫度對(duì)黏度的影響不如低溫段明顯。升溫后，屈服應(yīng)力減小，黏度曲線適于采用Casson模型擬合。

（3）添加10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的曲拉通水溶液時(shí)，乳化液體系黏度下降達(dá)49%，流型由塑性向假塑性轉(zhuǎn)變，采用冪律模型擬合決定系數(shù)最大。

（4）非加熱措施中，添加有機(jī)溶劑的降黏效果優(yōu)于其他方式。20℃、300 s-1剪速下，添加10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的120#溶劑油效果最佳，黏度下降90%，混合體系流型向牛頓型轉(zhuǎn)化。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，溶劑油降黏的原因是由于其可同時(shí)破壞油相重質(zhì)組分和渣相的空間結(jié)構(gòu)。

符號(hào)說明

D——降黏系數(shù)

K——流體的黏度系數(shù)

n——流體的冪律指數(shù)

R2——擬合決定系數(shù)

W——質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

γ˙——剪切速率，s-1

η——樣品黏度，Pa·s

ηp——流體的塑性黏度，Pa·s

ηr,ηi——分別為300 s-1剪切速率下，20℃和20～60℃每間隔10℃罐底油泥分別對(duì)應(yīng)的黏度，Pa·s

η∞——流體的極限黏度，Pa·s

τ ——剪切應(yīng)力，Pa

τ0——使塑性流體開始流動(dòng)需施加的最小剪切應(yīng)力，Pa

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Viscosity properties and viscosity reduction of oil sludge from tank bottom

CUI Jie1, ZHENG Xiaoyuan2, JIN Yuqi1, MA Xiaojun3, ZHENG Yaogen4
(1College of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;2School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;3Industrial Technology Research Institute of Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China;4Qingtai Environmental Engineering Co. Ltd., Quzhou 324000, Zhejiang, China)

The viscosity properties of oil sludge from tank bottom and different methods for its viscosity reduction were investigated using HAKKE VT550 rotational viscometer. The viscosity reduction methods included heating range of 20—60℃, adding surfactant Triton X-100 aqueous solution with the concentration of 0.5% (by mass), and adding the organic solvents of 1-pentanol and 120#solvent oil. The results indicated that the oil sludge exhibited the characteristics of both plastic fluid and pseudo-plastic fluid in the range of 0—600 s-1for the examined shear rate. The significant shear-thinning behavior can be attributed to the high content of solid particles in the oil sludge. The modeling analysis showed that the Casson model fitted well with the viscosity characteristic curve of the oil sludge with the highest determination coefficient R2=0.986. In comparison with heating to 50℃, the similar viscosity reduction performance can be achieved by adding 10% Triton X-100 solution (by mass) at 20 ℃ with the viscosity reduction of 50%. The rheological properties of sludge had a tendency to pseudo-plastic fluid behavior. Better performance can be achieved by blending the sludge with a certain amount of organicsolvent. When 10% of 120#solvent oil was added to the sample at 20℃ and 300 s-1, the viscosity was reduced by 90% owing to the spatial structure of both the oil and the solid phase was destroyed. The sludge gradually exhibited Newtonian flow behavior.

date: 2015-04-13.

Prof. JIN Yuqi, jinyuqi@zju.edu.cn

supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China(2012BAB09B00).

tank bottom oil sludge; viscosity properties; model; heating; surfactant; solvent

10.11949/j.issn.0438-1157. 20150457

TE 992.3

A

0438—1157（2015）11—4380—08

2015-04-13收到初稿，2015-05-13收到修改稿。

聯(lián)系人：金余其。第一作者：崔潔（1990—），女， 碩士研究生。

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAB09B00）。