我国油砂资源利用的技术进展

张士元， 李文深， 刘 洁

（辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001）

我国油砂资源利用的技术进展

张士元， 李文深， 刘 洁

（辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001）

我国的油砂资源丰富，可采资源量22.58亿吨，位居全世界第5位，具有含油率中等、油质较好等特点。文中主要针对内蒙、新疆油砂，介绍了热碱水洗、水剂空气化、YSFL系列清洗剂、微乳剂、超声波辅助处理、溶剂萃取、热解干馏等技术的分离机理及研究进展。对我国油砂的开发利用前景作了展望，在当前国内石油资源紧张的情况下，油砂资源的充分利用必将提升我国能源的保障能力。

我国油砂；利用；发展现状

前 言

油砂是一种含有原油的砂状矿藏，外观似黑色的糖蜜，主要成分有沥青、水、黏土和砂粒，其中油砂矿内所含的沥青大约为10%～12%(质量分数)，砂和黏土等矿物质占80%～85%，其余的3%～5%是水。油砂资源量巨大，约占世界石油储量的30%。若全部被开采利用，按照现在世界能源的需求水平，可供全世界消费上百年[1～3]。

我国的油砂资源比较丰富，主要分布在准噶尔、塔里木、柴达木、四川、鄂尔多斯、松辽等盆地。在国土资源部新一轮的油砂资源评价中，我国油砂油地质资源量59.7亿吨，可采资源量22.58亿吨，位居全世界第5位。我国油砂的特点是点多、面广、层多、含油率中等、油质较好等，有的地区含油率高达12%以上，勘探前景十分可观。在当前国内石油资源紧张的情况下，寻找石油的替代品或补充能源是非常迫切的任务，油砂沥青作为一种重质原油资源，对其进行深入地研究、合理地开发和利用，对我国能源安全具有重要的战略意义[4～6]。

油砂中的沥青油化学组成极复杂，以稠环芳烃及大分子烃类为主，黏度高，相对分子质量大，并且胶质、沥青质含量高。油砂沥青的流动性及互溶性较差，极易沉积、吸附在所接触的界面上，因此，要想从油砂中分离出沥青油是很难的，不同结构的油砂应采用不同的分离方法。目前油砂处理技术主要有3种：热水洗分离法、溶剂萃取法、热解干馏法[7]。虽然我国在油砂资源利用方面的研究起步较晚，但最近几年国内多家单位对内蒙、新疆油砂的开发利用进行了深入的研究，在油砂分离方面取得了一定成果。

1 水剂处理技术

水剂处理技术的原理是在热水与表面活性剂的作用下，改变砂子表面的润湿性，从而使砂子表面更加亲水，这样可与吸附在上面的沥青油分离，分离后的沥青油上浮进入洗液中，而砂子则沉降在下部。

1.1 热碱水洗法

热碱水洗法是在洗液中加入一定量的NaOH或者Na2CO3以及少量的表面活性剂，加入碱是为了中和油砂油中的酸性物质形成的表面活性物质，降低油砂油/水界面张力，增大油/砂δ电位，以利于油砂油和砂粒的分离，获得最大的油砂沥青收率。周建伟[8]采用热碱水法对内蒙油砂进行了沥青抽提及分离实验，在碱浓度0.25%、反应温度在95℃、搅拌速度80 r/min、固液比为1.5和反应时间15min条件下，沥青收率可达92%。严格[9]也在实验室用热NaOH碱水对内蒙古油砂的分离工艺进行了考察，在最佳的分离工艺条件下，即碱水、油砂质量比2∶1，水洗分离温度95℃，搅拌转速80r/min，抽提时间30 min，油砂油回收率可达95.5%以上。

1.2 水剂空气法

在水剂处理油砂的过程中加入空气，在适宜的温度下，沥青能很好地与气泡接触，在气泡上形成油膜，沥青包裹在气泡的表面随着气泡上浮到浆化液的表面，从而实现沥青油与砂粒的分离。笔者所在的课题组采用该方法[10～13]对内蒙古油砂进行了研究，实验过程中考察了水洗剂种类、水洗剂质量分数、剂砂比、温度、水洗时间、气浮空气量和气浮时间等因素对出油率的影响。采用YS-C型水洗剂时，在剂砂比2.5、水洗温度85℃、水洗时间30min、搅拌速率在120r/min、气浮空气量0.3m3/h、气浮时间12min的条件下处理油砂，出油率为93.1%。水洗剂循环使用6次后，出油率仍保持在87.20%。

1.3 YSFL系列清洗剂法

由辽宁石油化工大学课题组开发的YSFL系列清洗剂是由多种渗透性极强的表面活性剂、助剂等按适当比例与水复配而成的[14]。在这些多成分的复配清洗剂中，不仅各单一成分对油砂的分离起作用，而且各种成分之间也都有着协同作用。如表面活性剂与碱复配具有高的界面活性，同时碱可与砂中钙镁离子反应而保护表面活性剂，而其它助剂可以减少表面活性剂和碱的损耗等。

董知军等采用该方法对内蒙古扎赉特油砂进行了分离[15]，主要采用的设备是积热搅拌釜和离心分离器，比较了不同YSFL清洗剂对油砂的分离效果，结果表明YSFL-1油砂清洗剂可以较好地将油砂矿中的油与砂分离，反应温度为80～85℃、加热时间为15～20 min、清洗剂质量分数为7%～10%、剂砂质量比为1.0。清洗剂过量或浓度的过高都不利于油砂的分离。

新疆克拉玛依油砂属于弱油润型油砂，用一般分离水润型油砂的热碱水洗工艺效果不理想，针对该情况，许修强等开发了无碱YSFL-3清洗剂[6]。在适宜的条件下，即水洗分离剂质量分数为5%、加热温度为90℃、加热时间为20 min、剂砂质量比为2∶1，油砂出油率可达94%以上，而且分离后的水性试剂可循环利用，对环境无污染。目前该分离剂的配方已经获得国家发明专利。

1.4 微乳剂法

针对油砂开采能耗大、成本高的问题，徐东梅提出用微乳液洗油的方法[17]。对十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、OP-10微乳体系的形成进行了研究，并将SDBS微乳液用于辽河油田地表油砂的洗油，结果表明在SDBS质量分数3.76%、正丁醇质量分数2.40%、氯化钠质量分数1.92%、油/水体积比为1时形成的中相微乳液，洗油效率最好，可达88.9%。该微乳体系中醇类助剂可在油～水界面与表面活性剂形成混合吸附膜，使界面张力降低，界面柔性增加，促进微乳液自发形成。并且醇的加入还可降低表面活性剂的用量，从而降低制备微乳液的成本。体系中的盐对微乳液相态的影响最大，增加盐量会压缩微乳液液滴的双电层，降低液滴间的斥力，有利于液滴间的接触聚集，加大各相间的密度差，使微乳液富集相从下相微乳液中分离出来。

1.5 超声波辅助处理技术

由于超声波对油品的热反应提供了特殊物理化学环境，所以超声波在石油领域的应用越来越引起人们的重视。采用超声波处理油砂,超声波的空化作用能够显著提高油砂的脱油率，因为超声空化作用在整个洗油过程中能产生四种附加效应，即界面效应、微扰效应、聚能效应和湍流效应。其中，界面效应是由声流以及油砂和界面处的微射流产生的机械效应，加速了砂表面油污的剥离；聚能效应和微扰效应减弱了砂对油污表面的粘附应力；湍流效应可使整个清洗系统中产生很多旋涡，加快被剥离下来油层的乳化过程[18～19]。

孙微微等以自制的碱液油砂清洗剂，在超声波空化作用下对内蒙古扎赉特旗油砂进行分离研究。在剂和砂质量比为0.8，体系温度为60℃，清洗时间13 min的条件下，其出油率可达到94%[20]。许修强等也在超声条件下采用自制的无碱复合型试剂，对克拉玛依油砂分离进行了研究[21]，在超声频率40kHz，功率50W，作用时间20 min，温度50℃的条件下，油砂出油率达94%以上。

显然超声波辅助处理技术的突出优点是可以在中温（50～60℃）下进行分离，比单纯水洗分离的温度降低30～40℃，节能降耗比较明显，而且清洗速度快，可大大缩短油砂清洗周期，提高清洗效率，但如何将大型的超声装置应用于工业生产，尚需进行深入研究。

采用水洗处理技术应加强对油砂水洗分离配方的研究，达到高效和低成本水洗的目的；同时加强对油砂油的分离和处理研究，达到外运或炼制的要求。目前水洗处理工艺已在内蒙图牧吉油砂矿和新疆克拉玛依油砂矿场进行了现场工业实验，操作参数接近室内分离参数，工艺放大效果良好，具有较大的工业推广价值。

2 溶剂萃取法

溶剂萃取法主要是根据物质的相似相溶原理来实现油砂沥青回收的目的，利用有机溶剂与油砂相接触，将砂中的沥青油萃取出来，萃取剂可以循环使用。常用的萃取剂有甲苯、氯仿、吡啶、轻烃等。溶剂抽提法对油砂的质量要求不高，可以是含油量高的湿油砂，也可以是含油量小或者是干油砂。许修强等用溶剂抽提法对蒙古露头油砂进行研究，研究结果表明120号溶剂油为该油砂的最佳萃取剂，在抽提温度75℃、剂砂质量比为3和抽提时间40min的条件下，油砂油的提取率达95%以上[22]。

溶剂萃取法相对于水洗法而言，其适用性更广，而且洗油的效率更高，但是对环境污染严重，因此开发绿色环保有机溶剂会对此方法的应用起到一定的作用。

3 热解干馏法

干馏法类似于油页岩的加工方法,它不仅可以从粗焦油砂中蒸馏出石油产品，还能起到脱碳及改善油的碳氢比的作用,提高油品质量。适合水分含量少、含油率在6%以上的油砂。目前，油砂热解在中国尚处于研究阶段。罗满银等对油砂热解特性及其在热法取油系统中应用进行了探讨[23]，分析得出140～510℃是油砂热解的主要阶段，并设计了安全、可靠、连续、高效的油砂热法取油系统，该系统适合我国油砂的特性。内蒙古扎赉特旗油砂由于埋藏地点、深度的不同，含油量在4%～13%。孙楠等以2号油砂（含油量较高）和6号油砂（含油量较低）为原料，将20g油砂置于反应管内进行热解，采用N2作为载气。研究结果表明温度对油砂热解油收率的影响较大，油收率先随温度的升高而升高，当达到一定温度后又随温度的升高而降低。压力对油砂热解油的收率也有影响，惰性气氛下油砂常压热解比加压热解所得的油收率高。常压下2号油砂的热解温度为540℃，最高油收率为12.55%。6号油砂的热解温度为560℃，油收率最高为7.18%[24]。

热解干馏所需温度较高，操作条件会因油砂样的性质不同而不同，但干馏终温一般在500～550℃，能耗较大，但裂解后轻质油砂油的质量较好。目前，只有中国石油勘探开发研究院廊坊分院对油砂热解干馏工艺进行了现场实验，效果良好，并已经完成200t/d的油砂第二代高效立式干馏炉及水平旋转干馏炉的设计，获得国家专利。

4 我国油砂资源利用开发的前景

随着国际石油价格的上涨，油砂开采成本的不断降低，由最初的高于35美元/bbl降到10美元/bbl以下，给油砂的开发利用带来了难得的机遇[25]。根据我国油砂资源状况、油砂勘探开发技术发展现状及发展趋势、国民经济的高速发展对能源的需要，据国土资源部有关专家预测，到2015年，产能可达到50×104t油，到2020年，产能可达到每年100×104t油；到2030年，将达到年产500×104t油。随着技术的进步，开采成本会逐步降低，产能也会稳步上升。

油砂矿的开发利用，是对我国液体燃料能源的重要补充。我国的内蒙古图牧吉油砂属于水润型油砂，适用热化学水洗的方法开采。采用现代化的挖掘设备，可大幅度提高生产效率。对生产工艺进行优化，实现从油砂分离到油砂油深加工，直接生产出高附加值的柴油，还可降低生产成本。而对油润型油砂如新疆地面油砂等可采用干馏或有机溶剂萃取分离的方法。通过生产技术的自动化和程控化，提高热效率，生产成本也会大幅度降低。随着油砂资源基础理论水平的不断提高和配套工艺技术的不断创新，油砂资源必将提升我国能源保障能力，在我国能源体系中发挥举足轻重的作用。

［1］李莉.油砂—— 一种新的替代能源［J］.当代石油化工，2005，13(12)：28～30.

［2］修强，王红岩，郑德温,等.油砂开发利用的研究进展［J］.辽宁化工，2008，37(4)：268～271.

［3］张春贺，郑秀芬.油砂新的经济增长推进剂［J］.中国矿业，2007，16(3)：37～39.

［4］科兴华.加拿大油砂阿尔伯塔省的资源和油砂工业［J］.全球经济瞭望，2004，221(5)：58～62.

［5］高杰，李文.加拿大油砂资源开发现状及前景［J］.中外能源，2006，11(4)：9～14.

［6］单玄龙，车长波，李剑,等.国内外油砂资源研究现状［J］.世界地质，2007，26(4)：459～464.

［7］许修强，郑德温，徐金明,等.我国油砂分离技术研究进展［J］.现代化工，2010，30（8）：12～15.

［8］周建伟.油砂沥青水溶液与溶剂抽提及分离［J］.化学工程师，2008(3)：14～16.

［9］严格.内蒙古油砂热碱水洗分离实验研究［J］.油田化学，2005，22(4)：375～377.

［10］李建柱，李晓鸥，刘洁,等.水剂法分离油砂技术的研究［J］.石化技术与应用，2010，28(4)：312～315..

［11］李建柱，李晓鸥，刘洁,等.水-剂-空气法处理油田油泥技术的研究［J］.石油炼制与化工，2010，41(1)：62～66.

［12］崔苗苗，李文深，封瑞江,等.内蒙古油砂分离的研究［J］.化学工业与工程，2008，25(6)：530～534.

［13］刘殿君，吉豪杰，刘洁,等.水剂空气化分离油砂的研究［J］.广州化工，2006，3（1）：41～42.

［14］孙薇薇，赵德智.油砂及其分离方法［J］.化工文摘，2007（5）：41～43.

［15］董知军，刘立平，王蓉辉,等.内蒙古扎赉特旗油砂分离［J］.石油化工高等学校学报，2005，18(4)：31～34.

［16］许修强，郑德温，曹祖宾,等.新疆油砂水洗分离技术研究［J］.郑州大学学报：工学版，2008，29（1）：24～27.

［17］徐东梅.微乳液在油砂洗油中的应用［J］.精细石油化工进展，2006，7(1)：4～7.

［18］张一舸，曹祖宾，杨帆,等.世界油砂分离技术进展［J］.天然气工业，2008(12)：110～113.

［19］林忠茂，方启平.超声波清洗(Ⅲ)［J］.化学清洗，1998，14(6)：44～46.

［20］孙微微，孙明珠，董丽坤.超声波在油砂分离中的应用［J］.化学工业与工程，2009，26(6)：511～513.

［21］许修强，王红岩，郑德温,等.克拉玛依油砂超声波分离技术［J］.石油化工高等学校学报，2009,22（2）：46～48.

［22］许修强，王红岩，郑德温,等.溶剂抽提法处理油砂的研究［J］.石油炼制与化工，2009，40(4)：57～60.

［23］罗满银，夏德宏，刘卫东,等.油砂热解特性研究及其在热法取油系统中应用探讨［J］.锅炉制造，2007(1)：73～76.

［24］孙楠，张秋民，关珺,等.扎赉特旗油砂在氮气气氛下的热解制油研究［J］.燃料化学学报，2007，35（2）：241～244.

［25］刘人和，王红岩，王广俊,等.中国油砂矿资源开发利用潜力及前景［J］.天然气工业，2009(9)：126～128.

The Technological Progress in Utilization of Chinese Oil Sands

ZHANG Shi-yuan,LI Wen-shen and LIU Jie
（College of Petrochemical Technology,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China）

The oil sands are rich in China and the amount of exploitable resources can reach 2.258 billion tons,which is ranking No.5 in the world.The oil content of Chinese oil sands is moderate and the oil quality is better.For the Inner Mongolia and Xinjiang oil sand,the research progress and separation mechanisms of hot alkaline wash,air-based agent,YSFL cleaning agents,microemulsion,ultrasonic processing,solvent extraction and pyrolysis carbonization are introduced in the paper.The development and utilization of Chinese oil sands have good prospect and the oil sand resources will enhance our energy guarantee in the current tense situation of domestic oil resources.

Chinese oil sand;utilization;development Status

TE 343

A

1001-0017（2012）04-0060-04

2011-12-14

张士元（1985-），男，山东聊城人，在读硕士，主要从事重油加工和油品精制方面的研究。