球磨輔助化學(xué)熱洗處理含聚油泥的研究

董丁 陳亮 劉曉麗 盧彥珍 鐘世坤

1.克拉瑪依市新奧達石油技術(shù)服務(wù)有限公司 2.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院3.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司國際工程公司

含油污泥的常規(guī)處理技術(shù)有熱化學(xué)洗滌法、焦化處理法、微生物降解技術(shù)、固化法以及焚燒法等[1-3]。目前,大慶、勝利、遼河等油田開采已進入高含水期[4],高含水期的油田多采用聚合物驅(qū)油技術(shù)。聚合物驅(qū)油技術(shù)可以有效地降低開采成本,大幅提高原油采收率,但由于油田采出液成分非常復(fù)雜,不僅含有驅(qū)油聚合物(聚丙烯酰胺)、壓裂返排液,還夾有大量的泥砂、礦物質(zhì)、膠質(zhì)和乳化的礦物油等。這些物質(zhì)相互交聯(lián)形成較為黏稠的含聚油泥,這類油泥通常具有油含量高、不易分散、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點[5-6]。此外,聚驅(qū)油田的罐底油泥和水處理后的浮渣也會產(chǎn)生一定量的含聚油泥,含聚油泥必須處理達標(biāo)后才能掩埋或排放[7-8]?；瘜W(xué)熱洗技術(shù)處理含聚油泥具有處理成本低、可回收部分原油、無廢氣排放等特點,但是該方法單獨處理很難達到要求,一般還需與其他方法聯(lián)合應(yīng)用。本研究以新疆南疆某環(huán)保站取得的含聚油泥為對象,處理工藝采用球磨攪拌輔助化學(xué)熱洗法。通過化學(xué)藥劑配合球磨攪拌使得含聚油泥破膠和解聚,最終實現(xiàn)油、水、泥三相分離,并考察了除油效果,以期為處理含聚油泥提供技術(shù)參考。

1 實驗部分

1.1 實驗藥劑與設(shè)備

四氯化碳(AR)、石油醚(AR)、十二烷基苯磺酸鈉(AR),天津市致遠化學(xué)試劑有限公司;鹽酸(AR),常州恒光化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉,湖北興發(fā)化工集團有限公司;石油磺酸鹽PS-30,山東優(yōu)索化工科技有限公司;脂肪醇醚硫酸鈉,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB),臨沂市綠森化工有限公司;平平加O-20,壬基酚聚氧乙烯醚(NP-10),脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9),江蘇省海安石油化工廠;十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227),廣州文嘉化工有限公司。

JA1003電子天平,上海力辰儀器科技有限公司;HJ-6磁力攪拌器,JJ-1 型電動攪拌器,101A-1 烘箱,TD-4低速離心機,常州金壇良友儀器有限公司;SN-OIL-8紅外分光測油儀,青島尚德環(huán)保科技有限公司。

1.2 含聚油泥特性

含聚油泥成分十分復(fù)雜,常溫下呈“果凍”狀,其流動性和親水性較差,含聚油泥性質(zhì)見表1。

表1 含聚油泥性質(zhì)

1.3 實驗方法

1.3.1 含聚油泥組分測定方法

參考CJ/T 221-2005《城市污水處理廠污泥檢測方法》[9],通過稱量法測定油泥含水率m1;參考CJ/T 221-2005中的“城市污泥 礦物油的測定 紅外分光光度法”計算含油率m2;油泥含固率為m3,m3=100%-m1-m2。

1.3.2 球磨輔助處理含聚油泥

由于含聚油泥常溫或加熱條件下在水中很難解聚,而且化學(xué)熱洗法處理后的含聚油泥通常殘留“油疙瘩”,導(dǎo)致處理效果不穩(wěn)定,故通過球磨輔助化學(xué)熱洗處理含聚油泥,以期降低處理后泥砂含油率,穩(wěn)定除油效果。

1.3.3 篩選化學(xué)藥劑處理含聚油泥

化學(xué)熱洗法處理含聚油泥通常是在一定的堿性條件下,篩選能夠快速作用于含聚油泥-水界面的藥劑,乳化礦物油,改變油-水界面張力和潤濕性,破壞油-水界面“剛性膜”[10],最終將含聚油泥分為油、水、固三相。實驗選用的藥劑如下。

(1)堿性無機鹽:氫氧化鈉(NaOH),硅酸鈉(Na2SiO3)。

(2)陰離子表面活性劑:十二烷基苯磺酸鈉(LAS),石油磺酸鹽(PS-30),脂肪醇醚硫酸鈉(AES)。

(3)非離子表面活性劑:平平加(O-20),仲辛醇聚氧乙烯醚(JFC-G),磷酸酯表面活性劑(H-66),脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)。

(4)陽離子表面活性劑:十六烷基三甲基溴化銨(CTAB),十二烷基二甲基芐基氯化銨(1227)。

1.3.4 含聚油泥清洗實驗

取100 g 含聚油泥置于500 m L 燒杯中,加入100 g 3 mm、200 g 5 mm、100 g 7 mm 鋼球;在一定溫度下,加入一定含量的化學(xué)藥劑,機械攪拌30 min后靜置,取出鋼球,反應(yīng)液繼續(xù)攪拌,靜置,待燒杯中的溶液分為油、液、固三相后刮去溶液表面的浮油,將離心機離心處理后的泥沙于105℃烘箱烘干,測定含油率。除油率通過式(1)計算得到:

式中:m2為含聚油泥的初始含油率,%;m2′為清洗后含聚油泥的含油率,%。

1.3.5 Box-Behnken實驗設(shè)計

運用Box-Behnken中心組合設(shè)計原理,利用計算機軟件Design-Expert 8.0.6 Trial進行Box-Behnken設(shè)計。根據(jù)以上單因素實驗的結(jié)果,取復(fù)配藥劑含量、反應(yīng)溫度、料液比、球磨時間為考察因素,在單因素最優(yōu)結(jié)果級上下1個水平,各取3個水平,高水平(+1)、中間水平(0)和低水平(-1)。

選取處理后除油率為響應(yīng)值,記為變量Y。中心點重復(fù)實驗5 次,設(shè)計實驗共29 個,利用Design-Expert 8.0.6 Trial軟件進行回歸正交分析及響應(yīng)面優(yōu)化。

1.3.6 新疆某油田現(xiàn)場中試試驗

現(xiàn)場采用大型滾筒臥式濕磨石膏粉球磨機對含聚油泥進行前處理,型號為:MQG0918。球磨時間根據(jù)設(shè)備進行參數(shù)設(shè)置,使得本次試驗的含聚油泥能夠保證在球磨機中充分研磨30 min。中試試驗選用輪南現(xiàn)場化學(xué)水洗含油污泥設(shè)備,重復(fù)試驗3個批次,每個批次35 m3。復(fù)配藥劑含量、料液比選用實驗室篩選后的最優(yōu)方案,等比例進行添加。

經(jīng)過現(xiàn)場反應(yīng)除油后,通過臥螺式離心機離心,分別取3個批次的泥砂進行含油率的測定,驗證除油效果,同時也驗證滾筒臥式濕磨石膏粉球磨機對處理含聚油泥的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同除油藥劑的影響

按照第1.3.4節(jié)的方法篩選除油藥劑,藥劑質(zhì)量分數(shù)分別為0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%,反應(yīng)溫度60℃,料液比1∶4,實驗結(jié)果如圖1所示。

釘釘軟件由阿里巴巴公司開發(fā)，是被廣大企業(yè)應(yīng)用于人事管理、流程管理的智能移動辦公平臺。大學(xué)生管理，其本質(zhì)即人力資源管理，因此通過創(chuàng)新性融合，該軟件能夠滿足大學(xué)生管理工作的要求。結(jié)合大學(xué)生管理工作實踐，筆者認為通過釘釘軟件提升學(xué)生管理信息化質(zhì)量的路徑主要包括以下幾方面。

在球磨研磨作用下,無機鹽NaOH 和JFC-G 處理后的泥沙沒有“油疙瘩”殘留。由圖1可知,堿性無機鹽NaOH 和JFC-G 對含聚油泥除油效果顯著,非離子表面活性劑NP-10 次之,陰離子表面活性劑的再次之,陽離子表面活性劑則幾乎沒有除油效果。分析原因為含聚油泥中的聚合物和膠質(zhì)成分耐堿性較差,一定堿性條件下容易發(fā)生解聚反應(yīng),有利于含聚油泥中的油-砂分離。JFC-G 是常見的洗滌助劑、分散劑和抗沉積劑,JFC-G 乳化礦物油的同時還能與聚合物中的高價陽離子作用而生成沉淀,降低了高價陽離子對礦物油的吸附作用,有利于含聚油泥的快速分散;非離子表面活性劑H-66在溶液中呈分子狀態(tài)不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),H-66可降低含聚油泥油-水界面張力的同時還具有一定的潤濕增溶作用,可有效增強含聚油泥的流動性,有利于含聚油泥解聚。因此,處理含聚油泥效果較好的化學(xué)藥劑分別為NaOH、JFC-G和H-66。

2.2 復(fù)配藥劑的篩選

將化學(xué)藥劑NaOH、JFC-G 和H-66 復(fù)配后作為含聚油泥處理藥劑,用正交實驗的方法確定復(fù)配比例。正交實驗L9(33)如表2所列。按照第1.3.4 節(jié)的方法加入復(fù)配藥劑,反應(yīng)溫度60 ℃,料液比1∶4,實驗結(jié)果如表3所列。

表2 正交實驗因素水平表 w/%

由表3 可知,實驗8 的除油效果最好,除油率為91.5%。由極差分析可知,復(fù)配藥劑影響最大的是NaOH,影響最小的是JFC-G。NaOH、JFC-G 和H-66最優(yōu)復(fù)配比例為6∶4∶1。

表3 清洗劑復(fù)配正交實驗結(jié)果 %

2.3 復(fù)配藥劑濃度的影響

采用第1.3.4節(jié)方法加入不同含量的該復(fù)配藥劑,將NaOH、JFC-G 和H-66 按照6∶4∶1 比例復(fù)配,反應(yīng)溫度60 ℃,料液比1∶4(質(zhì)量比,下同),實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知,NaOH、JFC-G 和H-66復(fù)配藥劑最佳用量為0.40%(w),除油率最高為93.2%。藥劑用量過高過低都不利于除油。推測原因為藥劑用量過低,聚合物中的礦物油不能清洗完全,藥劑用量過高,聚合物中的礦物油乳化嚴重,土中含油率隨之升高。

2.4 反應(yīng)溫度的影響

按照第1.3.4節(jié)方法加入0.40%復(fù)配藥劑,料液比1∶4?？疾旆磻?yīng)溫度對處理含聚油泥的影響。實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為75 ℃時,除油率達到95.3%,繼續(xù)升高溫度除油率變化不大,因此選擇75 ℃作為反應(yīng)溫度。

2.5 料液比的影響

由圖4可知,隨著料液比的增大,除油率先增大后降低,在液固比為1∶5時,除油率最高為97.1%。當(dāng)料液比為1∶2時,反應(yīng)液比較黏稠,不利于油泥的清洗;料液比為1∶6時除油率開始下降,這是因為料液比高于1∶5后礦物油過度乳化,不利于除油。

2.6 球磨時間的影響

按照第1.3.4節(jié)的方法加入0.40%復(fù)配藥劑,反應(yīng)溫度75 ℃,料液比1∶5?？疾烨蚰r間對處理含聚油泥的影響。實驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知,球磨時間為30～40 min時除油效果較好,除油率最高為97.5%。球磨時間少于30 min時,除油率和球磨時間正相關(guān);球磨時間超過40 min后,除油率和球磨時間負相關(guān)。分析原因為球磨時間超過40 min后含聚油泥中的泥砂顆粒尺寸過小,沉降速度變慢,不利于固液分離。此外,球磨時間過長還會導(dǎo)致油水混合加劇,不利于化學(xué)熱洗。因此,適宜的球磨時間為30～40 min。

2.7 Box-Behnken實驗設(shè)計

根據(jù)以上單因素實驗的最優(yōu)結(jié)果確定Box-Behnken實驗設(shè)計的編碼水平,選取處理后泥砂除油率為響應(yīng)值,記為變量Y。中心點重復(fù)實驗5次,設(shè)計實驗共29個,具體實驗設(shè)計如表4所列。

表4 變量水平及編碼

之后,利用Design-Expert 8.0.6軟件進行了三因素三水平響應(yīng)面分析實驗。實驗設(shè)計及結(jié)果見表5。

表5 回歸正交實驗設(shè)計及結(jié)果

回歸正交實驗之后得到方程:

表6 回歸分析結(jié)果

使用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6對回歸方程進行方差分析,分析結(jié)果見表6。大的F值和小的P值代表相關(guān)系數(shù)的顯著性,F＞F0.01或P＜0.01表示因素對實驗指標(biāo)有非常顯著的影響或模型適應(yīng)性非常顯著;F0.05＜F≤F0.01或0.01＜P≤0.10表示因素對實驗指標(biāo)有顯著影響或模型適應(yīng)性顯著,否則則說明因素對實驗指標(biāo)無顯著影響。由表6可知,模型的適應(yīng)性顯著,失擬項不顯著,說明回歸方程描述各因素與響應(yīng)值之間的非線性方程關(guān)系是顯著的,由此說明這種實驗方法是可靠的。

模型的決定系數(shù)R2=0.9175,調(diào)整決定系數(shù)=0.8113,R2-＜0.2,說明模型的可信度和精密度較高,預(yù)測值與實測值之間存在較好的相關(guān)性。二次響應(yīng)曲面顯著性分析結(jié)果表明,回歸模型達到顯著性水平,在研究區(qū)域內(nèi)擬合性好,模型的精密度、可信度和精確度均在可行范圍內(nèi)。因此,可以用該模型對含油泥沙清洗處理進行分析和預(yù)測。

為了進一步研究3個因素之間的交互作用并確定最優(yōu)解,通過軟件制作了4個因素之間的響應(yīng)面(見圖6)。由圖6可以看出,響應(yīng)值除油率有最大值,利用軟件進行優(yōu)化,得到的最優(yōu)解是復(fù)配藥劑質(zhì)量分數(shù)0.40%、反應(yīng)溫度66.52 ℃、料液比0.21、球磨時間34.73 min,響應(yīng)后預(yù)測的最佳除油率為98.7%。在該最優(yōu)解條件下進行實驗,處理后的含油泥砂含油率為98.5%。

2.8 新疆某油田現(xiàn)場中試試驗

根據(jù)第1.3.6節(jié)所述的方法進行3個現(xiàn)場批次的中試試驗,其結(jié)果如表7所列。

表7 中試試驗結(jié)果 %

通過3個現(xiàn)場批次的中試試驗可以看出,3次的結(jié)果相對接近,沒有太大偏差,與小實驗的結(jié)果很接近。由此可以說明,球磨處理輔助化學(xué)水洗含聚油泥是有一定效果的,并且最終結(jié)果很穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)球磨攪拌輔助化學(xué)熱洗處理含聚油砂除油率可達97.5%,處理后泥砂無“油疙瘩”,說明球磨攪拌是化學(xué)熱洗處理含聚油泥的一種有效的前處理工藝。

(2)處理含聚油泥藥劑適宜選用堿性無機鹽和非離子表面活性劑進行復(fù)配,陰離子和陽離子表面活性劑處理效果較差,含聚油泥處理藥劑NaOH、JFC-G和H-66最佳復(fù)配比例為6∶4∶1。

(3)處理工藝為含聚油泥和清水按料液比混合,加入一定數(shù)量磨球和復(fù)配藥劑,加熱攪拌,取出磨球,繼續(xù)加熱攪拌,待含聚油泥三相分離后刮去溶液表面的浮油。最佳復(fù)配藥劑質(zhì)量分數(shù)0.40%,反應(yīng)溫度75.00 ℃,料液比1∶5,除油率最高為97.5%。