青海油砂山油砂水洗实验研究

许耀辉，李 云，曹祖斌，李丹东

(辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001)

青海油砂山油砂水洗实验研究

许耀辉，李 云，曹祖斌，李丹东

(辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001)

针对青海油砂山所在地水的沸点低、水资源匮乏、油砂为油润性等不利于油砂水洗分离的问题，通过研究影响油砂分离的因素，采用新的水洗试剂配方，对污水进行絮凝处理。现场试验证明，在水洗试剂的质量浓度为1%、水洗温度约为80℃的条件下，油砂油的收率可达到95%以上，且污水可以循环利用。该项研究对油润性油砂的分离和污水处理具有一定的指导意义。

油砂;油砂油收率;水洗;黏土;青海油田

引言

油砂，又称为沥青砂、重油砂或者焦油砂，是1种表面被沥青等重油包裹的砂石，一般由砂石、黏土、水和重油组成。油砂作为非常规能源，经过加工分离后可以得到沥青等重油。据统计，目前世界已探明的油砂资源量约为5 888×108m3，因此成为石油的一种重要替代资源［1－3］。油砂的分离工艺主要有热碱水水洗工艺、干馏热解工艺和有机溶剂萃取工艺等。对于水润性油砂，一般采用热碱水水洗工艺，由于该工艺的处理量大，投资相对较少，成为油砂分离工业的首选工艺。对于油润性油砂，一般采用干馏热解或有机溶剂萃取工艺，但该工艺还不够成熟，而且能耗高，处理量也没有水洗工艺大［4－5］。由于油砂分离的成本较高，近些年来才有部分工业化试验。目前仅加拿大投资建设了几个油砂水洗分离企业，且由于污水处理占用场地大，造成大量鸟类死亡，遭到环保人士的极力反对。中国油砂研究工作处于刚刚起步阶段，因此有效地进行油砂开发利用研究显得很有价值。我国的油砂资源主要分布在西北地区，该地区的海拔较高、水的沸点较低(油砂水洗的温度一般在95℃以上)，且水资源匮乏，对油砂水洗分离造成一定的困难。为得到较高油砂油的收率，合理利用水资源、实现污水零排放，开展青海油砂山油砂水洗实验研究。

1 实验部分

1.1 油砂水洗实验原理

热碱水水洗工艺，即在一定的温度下，油砂表面的重油在搅拌的作用下，与水洗试剂中的碱等物质反应，生成羧酸盐等表面活性剂，使油滴与碱液之间的界面张力大幅降低［6］，从而促使重油从油砂砂石的表面缩进，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，实现油、砂的分离。

1.2 实验药品及仪器

①油砂取样于青海油砂山地表;②水洗试剂由辽宁石油化工大学研究、提供;③反应容器为1 L;④转速可控的电动搅拌器;⑤电热套为1 L;⑥铝甑干馏仪器为抚顺石油化工研究院生产;⑦水分测定仪包括250 mL的圆底烧瓶、水分测定管、直管冷凝器以及万能电炉。

1.3 油砂水洗方法

先将油砂破碎至粒度小于3 mm的小块，量取500 mL水至反应容器内，加入水洗试剂，加热搅拌，使其溶解。当水温升至设定温度时，加入油砂颗粒，调整搅拌器的转速，搅拌溶液，使油砂反应、分离。然后降低搅拌器的转速，使油砂油漂浮在溶液表面。

1.4 油砂含油率的测定方法

油砂及尾砂含油率的测定参照国标煤的铝甑低温干馏试验方法进行测定［7］。油砂油的收率按照公式(1)计算［8］:

式中:CO为油砂含油率，%;C'O为热碱水水洗后尾砂的含油率，%;CS为油砂含砂率，%。

2 实验结果与讨论

2.1 油砂的性质

经测定，青海油砂山油砂矿的含油率为5%～8%(表1)，含油率较低。油砂油的烃类组成有较为明显的微生物氧化降解特征。油砂油中富含环烷烃，单环－五环都有分布，但芳香烃含量较低。世界其他地区的油砂油一般深度氧化降解、烃类含量极低，且分布不规整，胶质和沥青质重组分百分比相对较高［9－10］，青海油砂山油砂油四组分分析情况:饱和分为46.39%，芳香分为3.74%，胶质为22.36%，沥青质为27.51%。

表1 油砂山油砂基本资料

2.2 水洗试剂浓度对油砂油收率的影响

水洗试剂的浓度直接影响油砂油的收率，在水砂比为4∶1、搅拌器转速为50 r/min、反应温度为95℃、反应时间为3 min的条件下，考察不同水洗试剂浓度对油砂油收率的影响。实验结果表明，随着水洗试剂浓度的增加，油砂油的收率逐渐增大，当水洗试剂质量浓度达到1%时，油砂油的收率不再明显增加。其原因为:水洗试剂可与砂石中矿物质以及油砂油反应，降低了水洗试剂的有效浓度，另外，碱类物质在砂石上的吸附也损耗了部分水洗试剂［11］。当水洗试剂浓度较大时，其浓度一直保持在最佳分离浓度以上，即油砂油收率保持在较高的水平。

2.3 反应温度对油砂油收率的影响

反应温度对油砂油的收率具有决定性作用。不同温度下油砂油的收率见表2。

表2 反应温度对油砂油收率的影响

随着温度的升高，油砂油的收率逐渐增大，当温度达到80℃后，油砂油的收率不再明显增大。油砂油属于重油，主要成分为蜡、胶质和沥青质。高熔点的蜡以细小的蜡晶和网状结构存在，从而大大地增加了油砂油的黏度［12－13］。在较低的温度时，油砂油以固态及准固态形式吸附在砂石表面。当达到80℃时，即接近蜡的熔点时，蜡融化、黏度降低，进而形成油滴。另外，温度升高时，油砂油分子运动加剧，从而可能挣脱油水界面膜的束缚，与附近的油滴接触，从而形成大的油滴，漂浮至液面。

2.4 搅拌强度对油砂油收率的影响

通过搅拌，可以加快油砂的分离效率。在反应温度为95℃、反应时间为3 min时，考察搅拌强度对油砂油收率的影响，实验结果见表3。

表3 搅拌强度对油砂油收率的影响

可见，随着搅拌强度的增大，油砂油的收率逐渐增大。当搅拌速率为50 r/min时，油砂油的收率最高;随着搅拌速率的增大，油砂油的收率不升反降。这是因为搅拌强度较大时，较大的油砂油液滴被搅碎，形成较小的液滴，小油滴具有较大的比表面积、较强的吸附能力，将附近微小的黏土颗粒吸附在油滴表面，使油滴沉到溶液底部。

2.5 水洗溶液中杂质对油砂油收率影响的研究

对水洗后的污水进行铝盐凝絮剂吸附处理或过滤后，再用处理过的污水对尾砂进行水洗，再测定尾砂的含油率，结果见表4。

表4 不同处理方法得到的油砂油收率

可见，当对污水采用絮凝法处理后，油砂油的收率更高。经絮凝处理后的污水，只要稍微补充些水洗试剂，就可以达到水洗前的水洗效用。在实验中，水洗后溶液的颜色一般变为昏黄色，除了部分漂浮在其中的黏土颗粒外，主要是由油砂油中的可溶性有机物引起的。在水溶液中，黏土一般为电负性，水溶液中的染色胶团和微小油滴也带一定的负电荷。当油滴与油滴之间悬浮大量的黏土颗粒时，由于同性相斥，油滴不能穿越悬浮的黏土层与另一侧的油滴碰撞形成大油滴而上浮。

铝盐絮凝剂带有较多的正电荷，能吸附污水中的黏土微粒及溶液中的染色物质，因此用铝盐絮凝剂处理过的污水仍有一定的分离效果［14］。当用过滤或者铝盐絮凝剂处理污水后，污水中的黏土及部分有机物胶团被过滤掉，溶液中黏土及有机物的浓度降低，水剂溶液的电离程度随之降低，油滴之间碰撞的机会增加，油砂油形成更大油滴的可能性增加，从而促进油砂油液滴的上浮。

3 现场试验

将油砂块破碎至直径小于10 mm的颗粒。向油砂分离箱内加入浓度为3%、约3 m3的水剂溶液，加热到80℃以上，再将油砂通过输送带送到油砂分离箱。在螺旋推进器和搅拌器的作用下，油砂油从油砂表面脱附。油砂油漂浮到溶液表面，通过溢流口进入油剂储罐;砂土沉降到底部，通过埋刮板排出。将静置分层的油砂油从油剂储罐抽送到脱泥脱水罐内，再向罐内加入0.5%稀释剂，加热到80℃。通过搅拌、静置，使油、水、泥分层。将上层的油砂油输送到油砂油储罐内，水经处理后循环利用。经现场试验，油砂油的收率达到95%以上，尾砂的含油率低于0.3%，pH值接近中性，无机盐含量低于0.3%，尾砂达到国家的排放标准。

4 结论

(1)实验室确定油砂分离的最佳反应条件为:水洗试剂浓度为1%、反应温度为95℃、搅拌速率为50 r/min。在中试现场，水温保持在80℃左右(油砂山所在地水的沸点为85℃)，油砂油的收率达到95%以上，已经满足油砂的分离要求。油砂的尾砂含油率低于0.3%，达到国家的排放标准。

(2)水溶液中悬浮黏土过多时，会增大油砂油回收难度，进而影响油砂油的收率;反应温度增加，油砂油的收率随着增加;搅拌速率过大时，油砂油收率反而降低;铝盐絮凝剂对水洗污水具有一定的净化作用，净化后的污水重新具有油砂分离效用。

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

XU Yao－hui，LI Yun，CAO Zu－bin，LI Dan－dong
(Liaoning Shihua University，Fushun，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

国土资源部项目“柴达木及羌塘盆地油砂矿勘查开采示范工程”(国土资发［2010］199号)

许耀辉(1986－)，男，2009年毕业于洛阳师范学院应用化学专业，现为辽宁石油化工大学化学工艺专业在读硕士研究生，主要从事油砂开发利用方面研究。

编辑王 昱