国内外油砂分离技术研究

崔清军，李东胜，李晓鸥，谭 克，李春笋

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

近些年，油气资源的日益紧缺己成为严重制约我国国民经济和社会可持续性发展的重大问题。据有关资料[1]显示，2012年国内石油需求将继续增加，可能达到4.93亿t，同比增长5%，略高于2011年。2011年我国原油进口量超过了总需求量的55%，估计在2012年我国原油进口的依存度将上升到57%。目前，油页岩、重质原油、油砂及超重原油等被IEA（国际能源机构）称为非常规石油资源[2]，并且他们认为非常规石油的供应和利用对未来世界能源的安全提供有力的保障。

随着常规能源的日益枯竭, 寻找新的替代资源越来越受到人们的重视, 发展非常规石油资源—油砂就成为一个后石油时代的大趋势。开发油砂资源符合国家能源政策, 对确保我国的能源安全具有重要的战略意义。在目前的技术条件下，油砂分离的主要方法有：热水碱洗提取法，有机溶剂提取法，热裂解干馏法，超声波辅助分离提取法等。近几年，对于油砂等非常规能源的开采和利用已取得重大进展，随着科技的进步，原油的紧张，这方面的研究力度逐渐扩大。

1 油砂组成

油砂主要是由油砂油(油砂沥青)和矿砂组成，其中还有一部分水和其他杂质。其成分比例大致为：其中油砂油(油砂沥青)的质量比约为4%～20%，非结合水约占1%～6%，无机质(以硅酸盐和碳酸盐为主)约占80%～90%。具体的油砂矿品质划分标准是：富矿的油砂油含量要求高于10%，而贫矿则一般小于6%[3]。当然如果油砂资源开采地区不一样，其中各成分的比例可能不尽相同。其中我国内蒙古的油砂含沥青约12%～15%，含水约1%～3%，其余为二氧化硅等矿物质。印尼油砂矿中含油砂油20%～30%，含水量 10%～20%，其余都为碳酸盐和杂质[4]。

油砂油在常规条件下粘度是超过超过 1×104mPa·s，油品密度也是大于 1 g/cm3，所以流动性极差，对开采带来了很大的困难，尽管采用一般开采稠油的方法获取油砂沥青也是不可行的。

1.1 油砂油

油砂中的油即油砂油，有些文献也成油砂沥青，其在元素上的组成与常规的原油及稠油十分相似，但由于油砂油的分子量更大，成分和结构更复杂，约含有几千种化合物共同组成[5]。

依照目前的分析测试条件，依然不能把油砂油彻底分成单个化合物的形式来评价。目前只能认为油砂油是是粘稠的半固体状有机质，主要是由烃类和非烃类化合物组成，碳元素含80%左右，其余组分中含有氢元素，以及少量的氮、硫、氧和一些微量金属元素[6]。

1.2 油砂中的矿物质

占油砂比例最大是相应的砂砾，大部分油砂中的颗粒大的可达1 000 µm，小的可小于3 µm。一般小于44 µm的大部分称为砂屑和粘土。

基本上各地的油砂矿的砂砾组成都不一样。其中加拿大油砂矿中[7]，石英砂和粘土占砂子成分的99%，钙铁化合物等组成了其余的1%。加拿大油砂矿中虽然以石英砂为主，但是也含有一部分贵重矿物，主要有金红石(纯度达95%TiO2)等，金红石是一种重要的金属和非金属矿物。印尼油砂中矿物主要以碳酸盐为主，所以粒径非常小，大部分砂粒的粒径只有 2～5 µm，超过 10 µm 的砂砾特别少[8]，所以这些碳酸盐矿物在烟气脱硫，造纸化工中都有着广泛的应用。

2 油砂分离方法概述

2.1 热水洗提取法

在水洗抽提法处理油砂应用的工艺中大多数驱油都采用表明活性剂驱来实现的，通过溶有表面活性剂的水作用,可以改变砂子表面的润湿性,使砂子表面更加亲水,也可使油乳化在水中，实现砂与吸附在上面的沥青分离。这种分离方法源于家庭洗涤原理。在油砂搅拌分离过程中，主要涉及到以下几个分离原理如图1。

图1 油砂分离示意图Fig. 1 The sketch map of oil sand separation

2.1.1 降低油水之间界面张力

为了让油砂矿中的油砂油与砂进行快速的，有效地分离，就要通过改变其物质表面特性和 pH，提高温度等方法来使油水之间的界面张力有、液相系统的γ减小[9]。在雷斯堡和都谢最早评论碱驱的文章中指出当溶液的pH值在某一范围时，油水之间的界面张力会显著降低。当pH到达一定值时，表面张力会降到一个峰值，这也就是最佳pH值。

2.1.2 乳化作用及流动

在油砂分离过程中，在增加油砂油的收率方面有两个基本作用机理：既乳化—携带作用机理及乳化—滞留作用机理。从基础理论来看，这两个作用机理有着实质性的区别。在油砂分离的过程中，通过搅拌，水剂对流动的油砂油起到乳化作用，从而把油砂油携带进流动的水剂中，在水剂中这些乳化油慢慢聚集，形成小的水包油乳化液。在相应的滞留过程中，由于油砂中的孔隙介质能使乳化油流动受阻，进而使注入水的流动性受到影响，使以前水剂未达到的，未被驱动的油砂孔隙中注入溶剂，达到驱动效果，最终能够达到油砂分离过程中空隙和整体相结合的驱动效率。由于水包油乳化液的黏度要比油包水乳化液的粘度低，所以在我们想要的油包水效果的形成过程中，滞留机理的作用效果要明显强于携带机理。

2.1.3 油砂的润湿性反转

润湿就是要使油砂中的油从砂粒上破裂分离进入液相，简而言之是从油砂油润湿结构到砂粒水润湿之间的变化。因为很大部分自然形成的表面活性物质存在于油层流体中，德里克斯等进行了一系列的对比实验，实验数据表明，相应的油砂油对砂石的润湿性能是决定于相应原油所具备的特定组分，由于砂粒在分离过程中会吸收各种形式的表面活性物质，这种吸收是无选择地，所以只要在有表面活性物质的情况下，砂粒就将进行优先润湿，截止加入溶剂，发生碱驱效应后，pH值的变化也会与原油中自然存在的表面活性物质进行接触，产生反应，接着就会引起整个润湿性的反转。

2.1.4 油水增溶界面处的刚性薄膜

刚性薄膜是某些油砂油中形成于油水接触面的一层互不溶解的薄膜，通常认为，油砂油中的树脂物质和沥青物质等结合形成的刚性界面膜，这层膜一经形成，它们会经过很长时间才能被还原成油砂油。因此这层刚性界面膜一旦形成，将对油砂中沥青油回收产生不利影响，所以在油砂分离过程中，通过处理剂和升高温度来破坏膜的形成条件，或者利用外力搅拌使膜破碎，进而使油砂有效分离。

辽宁石油化工大学的李晓鸥[10]等采用水洗法处理内蒙古油砂，通过独创的反应装置，流程和自配水洗剂对油砂进行处理，通过大量的实验数据可以得出在处理的最佳条件和各个反应条件对结果的影响：预处理反应温度60 ℃，时间0.5 h，空气量为0.5 m3/h，分离时间为17 min，分离时的空气量0.3 m3/h，其中预处理剂浓度和预处理时间对处理效果影响最大。

2.2 有机溶剂提取法

对油砂采用索氏抽提器或超临界萃取设备进行溶剂抽提，与热水碱洗法相比可以有效减少污水排放，提高油砂油的提取率。但是就当前的科技水平来说，有机溶剂萃取法主要是用于实验室小试和中试研究，工业化应有还有很多需要解决的问题。有机溶剂提取法所用的溶剂有甲苯、丙烷、正庚烷、正戊烷，石脑油-甲醇双溶剂等。

许修强等[11]用溶剂抽提法处理内蒙古露头油砂，实验考察了五种溶剂的萃取效果，120号溶剂油为效果最好的萃取剂。最后结果表明，采用 120号溶剂油处理油砂，在剂/砂质量比 3︰1、抽提温度75 ℃、抽提时间40 min的条件下，可使油提取率达95%，抽提所用溶剂油可回收循环利用。

溶剂抽提技术处理油砂，抽提率较高，但溶剂回收难度大，抽提处理后的尾砂会带有一部分有机溶剂，对环境污染较大，并且由于溶剂都为易燃易爆的轻组分，设备的安全性能也得不到良好的保障，这些问题都制约了该技术的商业化开发。

2.3 热裂解干馏法

热裂解干馏技术是对开采出的油砂直接采用在高于250 ℃的温度下进行反应，经过一段时间的反应后，油砂油的性质有很大的上升，其中油的分子量和油中胶质含量会有所减少。顾名思义，裂解就是重油经过高温条件下轻质化的过程[12]。国内外很多机构和学者都对热裂解干馏法处理油砂技术的应用进行了大量的工作，并且取得了一定的进展。

国外，Steinmetz介绍过一种工艺[13]，可以有效提高利用效率，使液态烃类的收率高于理论产量(90%)，经济效益明显提高。该过程是先把开采出的油砂中添加一定比例的处理得到的油砂油作为此工艺的原料。这种原料需要保持油砂和添加油砂油的比例，要求这些原料中总焦化物质量恒定，目的是提高工艺过程的稳定性，增加生产效率。

2.4 超声波辅助分离提取法

超声波油砂分离的主要原理[14]是根据它独特的超声波空化效应来处理油砂。在使用过程中由这种空化作用产生的四种处理效应将在整个油砂清洗系统中一起产生，这些效应就是界面、湍流、微扰和聚能效应。

与水洗法和溶剂法等油砂分离工艺相比较，利用超声波分离油砂的工艺具有以下几方面的特点：第一就是是在油砂清洗速度上，超声波处理在很大程度上缩短了油砂清洗的时间，这样超声波油砂清洗的处理效率得到了有效的提升；第二点是在处理工艺条件的应用方式上，超声波处理的工艺实施十分简易、方便，并且在分离过程中连续自动化的程度也会比其他方式相比会大大升高；最后在环境保护方面，在处理过程中，它完全拒绝了其他分离方法中对环境产生的二次污染。但是实验设备等要求严格，工业化实施还需大量深入细致的研究。

2.5 生物处理技术

采用生物酶技术处理油砂是由大连海事学院率先提出。考虑到该技术的实际操作性, 国内对该技术的研究较少。于勇勇等研究了微生物菌剂对油砂的处理效果, 实验结果表明, 微生物菌剂对于较少碳原子数的有机物质有较好的降解效果。通过改善营养物质和氧含量, 可以提高土著菌种的石油降解性能。该技术是利用生物菌剂降解油砂沥青, 处理后无法提取油砂沥青, 故对油砂开发来说是不适宜的。

3 结束语

就目前各国对油砂分离方法的研究及其工业投产状况来看，主要有现场热解分离法，水洗分离工艺和热解干馏工艺。各种分离方法各有利弊。对不同的油砂，适合一定的分离方法。选择某种分离方法的前提首先是实现最高的收益，降低投资成本。其中投资成本主要包括：设备技术成本，原料成本，环境成本等。结合各种因素考虑，目前采用热水碱洗提取法是比较优越的技术。主要优势在于分离效果好，方法简单，技术要求低，环境成本低等。

鉴于我国油砂研究工作起步较晚， 我们要加大对油砂的研究工作，对各矿区的油砂进行室内与工业测试研究。虽然对油砂分离技术进行了很大技术研究，也取得了一定成果，但还要加大投入，研究相应的技术设备，完善工艺条件。 为今后的大规模油砂开发提供技术支持。

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