油砂的传统开采方法及新技术展望

（一）、油砂的开采方法最近几年,油砂开发技术的进步不断推进着油砂工业的发展,并已经取得了巨大的进步。主要有以下几方面:用巨型卡车和铲车开采油砂,增加了开采的灵活性,同时降低了成本;用水力运输管道系统代替了传送带系统,使油砂达到管输要求,并简化了把沥青和砂分离开来的萃取过程;在萃取阶段,降低了加工的温度;采用固化或合成残渣的技术,加快了大面积残渣池的治理,并在努力研究一种覆盖技术来处理残渣。目前，油砂开采方式有两种，一类是露天开采，适用于埋深小于75m，厚度大于3m，另一类是井下开采，适用于埋深大于75m的矿层。针对莫尔图克矿一层埋深较浅（0-46m），因此采用露天开采。露天开采程序上分为采矿和萃取两个部分，主要用于开采埋藏较浅的近地表油砂，具有回收率高、效率高、安全的特点。露天开采所需的设备及费用、油砂油采收率较其他方法好，技术上较为成熟，在加拿大及委内瑞拉等都已形成大规模工业开采。多年来，油砂的露天开采技术已经取得的重要进步如下：采矿过程主要分为以下几个部分:用卡车和铲车除去盖层;用电动或水力铲车挖出油砂;把油砂从矿场运送到压碎机;把油砂加工碾碎;将油砂混合成砂浆;用离心泵和管线（常称为水力输送）把油砂从矿区运送到萃取区域。图1-1采矿过程示意图（二）、油砂的萃取分离1、油砂的分离工艺步骤采矿设备和某些采矿操作是油砂工业所独有的,现在这一操作主要受到下一分离过程的限制;而萃取过程也是沥青损失最大的过程,因此,必须综合考虑采矿和萃取两个步骤。在过去的15年里,水力传输已经代替了其他的设备。从矿石浆中萃取沥青由两个步骤组成:步骤一:分离初级分离器(primaryseparationvessel)中的沥青泡沫,其中含60%沥青,30%水,10%微固体。步骤二:稀释发泡处理(见图2-1):提取沥青,尽可能排除水和固体。如今,实现此过程主要有两种方法:最初的石脑油溶剂处理过程需要斜板分离器(inclinedplateseparators)和离心分离机除去残余固体和水;新的石蜡溶剂处理过程需要沉降容器,但是由于不用离心分离机,可以得到较纯净的产品。图2-1萃取过程示意图(1)初级分离初级分离器是一个巨大、昂贵、固定不易移动的装置。运行条件必须稳定,对矿石等级、温度、进料速度和其他因素的微小变化非常敏感。35℃以上的温度条件需要大量的能量,占一桶合成原油能量消耗的40%。此过程还需要加入添加剂,将pH值控制在8.5左右。除了操作方面的问题,从初级分离器、石脑油基的发泡过程和稀释离心分离生产出来的产品含有1%2%的底部沉淀和水。这将在下游生产过程中产生腐蚀、阻塞和催化剂中毒等问题,而且也使沥青产品不适合炼厂精炼。(2)发泡处理初级的石脑油溶剂基的稀释离心分离过程的沥青产品大约含有0�3%0�4%的固体和1%2%的水,不适合管道输送,也不适合直接卖给炼厂。不能把产品直接销售到市场是油砂工业面临的一个障碍。2、油砂的结构和特性油砂的结构可以分为亲水性和亲油性两类。亲水性的油砂是有水渗透在固体颗粒的孔隙中，有一层很薄的水膜包裹在固体颗粒的外表面，而稠油则包裹在水膜的外面，即所谓的油包水、水包矿粒；亲油性的油砂乃是稠油渗透在固体颗粒的孑L隙中，有一层油膜包裹在固体颗粒的外表面．而水则包裹在油膜的外面，即所谓的水包油、油包矿粒。对于亲水性的油砂，较易将稠油与固体颗粒分开；而亲油性的油砂则较难将稠油与同体颗粒分开。典型的加拿大阿萨巴斯卡油砂属于亲水性油砂，其结构如图2-2所示。该地砂粒的主要组成是圆形或略带尖角的石英．每一个砂粒被水薄膜所湿润，稠油层包围在水薄膜的外层及充填空间，填满空间的还有原生水及少量的空气或甲烷。图2-2加拿大阿萨巴斯卡亲水性油砂结构示意图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。加拿大采用热碱水水洗工艺进行油砂分离，并提取重油，但此方法只局限于分离水润型油砂，而对油润性油砂几乎没有效用。对油润性油砂，只能采用热裂解或有机溶剂抽提的方法提取。有机溶剂抽提法适用性强，可用于抽提任何类型的油砂，通过抽提所得的重油所含的灰分很少，有利于后续加工。对油润性的哈萨克斯坦油砂而言，利用有机溶剂抽提工艺提取重油是很好的选择。3、油砂油的分离萃取方法1)有机溶剂抽提法利用相似相容的原理，使油砂表面的油砂油组分溶解于有机溶剂中，而砂土受重力的作用沉降于溶液底部。对溶有油砂油组分的有机溶剂进行蒸馏，蒸馏出沸点较低的有机溶剂，有机溶剂可循环利用。重油即油砂油的沸点较高，残留在蒸馏瓶中。对沉降于底层的砂土(油砂)，可进行水洗或加热蒸发处理，以回收吸附在砂土(油砂)表面的有机溶剂。有机溶剂对油砂油的收率起决定性的作用。溶剂对油砂油必须有一定的溶解能力，另外溶剂的沸点不能太高，否则不利于通过蒸馏的方法回收有机溶剂。分别选用石脑油、柴油、石油醚、甲苯作为有机溶剂。图2-2油润性油砂抽提流程2)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，降低油水之间界面张力，使砂子表面更加亲水。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也可使油乳化在水中，实现砂与吸附在上面的沥青分离。其作用机理主要如下：1、降低油水之间界面张力，溶解消除表面刚性界面膜2、乳化作用及流动，在油砂分离过程中，当油水之间的表面张力降到很低时，系统在体系生成的乳化剂的作用下，形成油水乳液3、油-砂的润湿性反转4、油水增溶界面处的刚性薄膜图2-2油砂分离示意图3)冷水分离提取技术与热水碱洗技术不同，冷水分离提取技术水温为2～15℃，在液态泥浆中加入条件助剂，混合足够的时间使沥青剥离，并将沥青上的条件助剂驱散，随后，对得到的泥浆进行泡沫浮选，最终得到沥青产品。条件助剂(如煤油)的剂量为0．1‰。～0．8‰。浮选助剂为起泡剂MIBC，其用量为0．05‰一0．40‰，该技术为美国专利。总体而言，油砂洗涤处理技术适用于水润型油砂，对油润型油砂处理效率较低，且易对环境造成二次污染。4)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250oC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。裂解就是重油经过高温条件下轻质化的过程。5)超声波辅助分离提取法超声波油砂分离的主要原理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。（三）、沥青的改质目前露天开采出的沥青大多需要被改质为合成原油，目前加拿大油藏沥青为原料生产的非常规原油主要有合成原油、稀释沥青和合成沥青。露天开采的沥青一般采用轻烃（凝析油、天然汽油、液态天然气）等稀释剂稀释以降低粘度，成为稀释沥青；；合成沥青是以合成原油或部分改质沥青为调合组分的调合油，以上这些非常规原油均可以作为常规炼厂的原料。1、改制原因分析委内瑞拉超重原油和加拿大油砂沥青的API。低，S、N、金属及杂质含量高，残炭和沥青质含量也很高，所以增加了常规炼厂加工的难度。这两种非常规原油加工难度大的原因主要是：1)较高的金属(Ni和V等)含量会影响目的产品产量，降低催化剂活性并腐蚀设备；2)非常规原油中含有较多的S和N，会影响下游加工装置催化剂的活性，需要消耗更多的氢气，还可能造成设备腐蚀；3)IN常规原油残炭值高，易导致催化剂和设备结焦，焦炭产量较高，降低了其他产品的产量；4)环烷酸含量高会造成设备腐蚀和结垢，需要采取防腐措施。2、沥青改质的机理目前沥青改质工业化的方法有两种：一种为加压或常压热缩聚法；另一种为减压蒸馏法(闪蒸法)，都能达到提高软化点和焦化值的目的，但两种方法机理不同，因此改质后的沥青质量不同，对炭素工业产品质量影响也不同。2.1热缩聚法改质沥青机理煤沥青是多种稠环大分子的互溶体，在各大分子的边缘缀有不同形式的脂肪链、环烷烃、芳香烃和一些金属、非金属杂原子沥青在常压下隔绝空气被加热至350℃左右时，分子上最弱的键首先断裂，低分子物质气化逸出，各个分子以一定的方式键合成更大更稳定的缩合稠环芳烃，各种脂肪键式化合物逐渐芳构化和聚合为芳烃或环烷烃大分子，当温度继续上升到400℃时，这些大分子固化运动而聚合为另一种新物相，在表面张力作用下形成所谓的中间相小球体。在高气压条件下，第一次分解产物在体系中停留时间增长，进行第二次聚合反应、中间相小球体将充分成长，互相融合，同时分解出来的低分子量物质将在高压气相中聚合成大分子，并且衍生出新的苯不溶物，喹啉不溶物和B树脂，使沥青的软化点从70～80℃；提高到100℃以上，从而导致析出量的增大。2.2减压蒸馏(闪蒸)改质沥青机理根据勒夏特列原理，在分解反应中有气相生成时，此反应将随压力的减小而加速。在加热条件下，降低蒸馏釜内气压，将使沥青中轻馏份加速气化逸出，大分子侧链也将加速断裂，这样就使体系内的轻馏份不断减少，比较稳定的稠环芳烃大分子不断富集，继而生成中间相小球体，从而使沥青的软化点和析出量提高，苯不溶物(BI)和喹啉不溶物(QI)含量虽因轻馏份的逸出而相对增加，但衍生物的生成并不多，故这种改质沥青的BI和QI都比较低。3、改质沥青的工艺原理及工艺流程3.1热缩聚法改质沥青的工艺原理本方法是将熔融沥青装入密闭釜中，缓慢加热到40O'(3左右，一定压力或常压下保持一定时间，间歇式或连续式进行。分解出来的气体排出体系外。在热缩聚过程中，温度对沥青质量影响很大，温度越高则聚合与分解速度越快。在390以内沥青各项指标变化不大，390(2以上，喹啉不溶物QI与软化点有较多的增长，400'C以上，喹啉不溶物QI和软化点有较大的增长，关键温度390℃～400℃。影响质量的因素还有反应的时间和压力，时间愈长则聚合程度愈高。压力可阻止低分子馏份的馏出，在相同温度和时间的条件下，压力低则软化点和BI、QI含量都提高的快。但压力波动影响较小。最佳的聚合反应条件是：温度在400℃，气压8～10大气压，在此条件下保持4～8h。除此之外，原沥青的质量、热缩聚时的升温速度等都对沥青改质有影响。3.2减压蒸馏沥青改质工艺原理减压蒸馏法(闪蒸法)是将煤焦油蒸馏时从二次蒸发器底部排出的液体沥青自流进入闪蒸塔，塔系统处于真空状态，轻馏份在闪蒸塔内迅速挥发。塔顶轻馏份经冷凝装置冷凝冷却。沥青经闪蒸后，软化点有很大的提高，BI和QI也有较大的提高。四、未来的露天采矿技术可以快速改变采矿操作的可能技术突破有:更好地了解精炼过程和使用的化学剂,开发尾渣合并技术;开发干渣处理技术;开发可移动的破碎机、混浆机和沥青分离机,以减少原料的运送距离;研究对矿石具有高适应性的沥青提取技术;开发深入到50~100m深储层的水平井技术;研制油砂连续开采、分离设备(如已经试验的油砂联合机),及其商业化推广。