內(nèi)蒙古圖牧吉油砂的加工方法研究

內(nèi)蒙古圖牧吉油砂的加工方法研究

油砂資源分布廣泛，儲量豐富，約占世界油氣資源總量（204351288mm）的32%。在我國,新疆、內(nèi)蒙古、青海等地也儲藏著約10.0Gt的油砂資源,具有很大的開發(fā)價值,必將成為我國未來重要的能源之一。但國內(nèi)在油砂相關(guān)技術(shù)開發(fā)上仍處于起步階段,缺少在油砂開采加工等方面的研究。1全膜法分離油潤型油砂油砂利用的關(guān)鍵是提取油砂表面的油砂瀝青。對于如圖1(a)所示的水潤型油砂,由于砂礫被水膜所潤濕、瀝青層包圍在水膜的外層及充填空間的結(jié)構(gòu)特點,利用熱堿水分離即可獲得很高的油砂洗脫率,例如加拿大阿薩巴斯卡的油砂開采和利用大多采用此種分離工藝;但是對于油潤型油砂[如圖1(b)所示],由于砂礫及黏土部分與瀝青直接相連,其間無水膜,目前廣泛應(yīng)用的熱堿水分離法對其洗脫率很低。對于油潤型油砂典型的加工方法可采用溶劑萃取法,也可以利用流化熱轉(zhuǎn)化的方法直接對油砂瀝青進行裂化改質(zhì)[11,12,13,14,15,16,17,18]。這兩種工藝路線存在較大差異,其產(chǎn)品分布和性質(zhì)也差別很大。本研究主要以我國內(nèi)蒙古圖牧吉地區(qū)儲量豐富的油潤型油砂為研究對象,分別采用溶劑萃取和流化熱轉(zhuǎn)化兩種方法對其進行對比研究,獲得相關(guān)的產(chǎn)品收率和產(chǎn)品性質(zhì),從而為油砂加工工藝的開發(fā)提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2硅鋁酸鹽系硅鋁酸鹽鹽系由于埋藏地點、埋藏深度的不同,油砂性質(zhì)有很大差別,內(nèi)蒙古圖牧吉地區(qū)油砂呈黑色糖粒狀結(jié)構(gòu),其主要成分為硅鋁酸鹽。本研究分別采用加拿大Alberta省油砂管理局(AOSTRA)推薦的標(biāo)準方法——“Dean-Stark法”和國內(nèi)石化行業(yè)標(biāo)準“油砂鋁甄實驗(SH/T0508—92)”進行油砂油含率及水含率的測定,得到的數(shù)據(jù)見表1。3油砂瀝青的物理性能極性較大、相對分子質(zhì)量較大、沸點較高的溶劑是油砂抽提過程的理想溶劑,因此本實驗選用甲苯作為抽提溶劑,它不僅能溶解油砂中極性較小的油分,也能溶解極性很大的瀝青質(zhì)。溶劑萃取加工油砂的研究采用索氏抽提法,一般萃取油砂24h,從而實現(xiàn)了油砂瀝青與礦物質(zhì)的分離,最后從混合物中分離出甲苯則得到油砂瀝青。油砂瀝青通過模擬蒸餾確定其中殘留的甲苯含量是否合格。甲苯質(zhì)量分數(shù)小于0.25%的油砂瀝青樣本將進行化學(xué)和物理性能評價。萃取分離得到的油砂瀝青常溫下無流動性,為固體狀,其基本物性分析列于表2。從表2可以看到油砂瀝青的密度比原油要重很多,20℃的密度為0.9735g/cm3,與遼河減壓渣油的密度(0.9717g/cm3)較為接近,屬于稠油;油砂瀝青黏度很高,常溫下基本無流動性;油砂瀝青中的碳和氫含量較低,氫碳原子比僅為1.61,與遼河減壓渣油(氫碳原子比1.60)較為接近;油砂瀝青的硫、氮、氧質(zhì)量分數(shù)之和高達3.05%,氧質(zhì)量分數(shù)高達1.72%;油砂瀝青的飽和分和芳香分含量少,飽和分+芳香分質(zhì)量分數(shù)僅為43.2%,而膠質(zhì)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高,占瀝青的一半以上,達56.8%,膠質(zhì)+瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)略低于遼河減壓渣油(47.30%)。從物性可以發(fā)現(xiàn)該類油砂瀝青與遼河減壓渣油的性質(zhì)相似。溶劑萃取分離得到的油砂瀝青除具有高密度、高黏度、高殘?zhí)?、高雜原子含量等特點外,其餾程與劣質(zhì)原油差別也比較大,由表2可以看到,油砂瀝青的輕油收率非常低。初餾點大于200℃,基本沒有汽油餾分,200～350℃和<500℃餾分質(zhì)量收率都很低,大部分為高沸點餾分。因此,溶劑萃取分離得到的油砂瀝青品質(zhì)很差,后續(xù)加工難度很大,需首先降低油砂瀝青的黏度,減少殘?zhí)亢徒饘俸?改善油砂瀝青的品質(zhì)。4低分子烴類物質(zhì)的回收油砂流化熱轉(zhuǎn)化工藝利用脫油、燒焦后的高溫沙礫作為熱載體,將油砂在流化床反應(yīng)器中進行熱轉(zhuǎn)化,使油砂瀝青直接在砂礫表面發(fā)生高溫裂化,然后將生成的低分子烴類進行回收。該方法彌補了水洗法對油潤性油砂洗脫率低的缺陷,具有進料連續(xù)化、工藝靈活等優(yōu)點。4.1流化熱轉(zhuǎn)化法本研究利用小型流化床實驗裝置,在反應(yīng)溫度500℃、重時空速5h-1、熱載體/油砂質(zhì)量比4:1條件下進行流化熱轉(zhuǎn)化實驗。熱轉(zhuǎn)化實驗的氣體產(chǎn)物通過裂化氣表計量,然后利用Agilent6890煉廠氣分析儀進行分析。液體產(chǎn)物通過蒸餾分離出汽油、柴油和重油餾分并進行性質(zhì)分析。典型的油砂流化熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)物分布如表3所示。由表3可知,熱轉(zhuǎn)化實驗得到的液體產(chǎn)品(汽油+柴油+重油)收率為82.3%,即流化熱轉(zhuǎn)化法可以得到油砂中82.3%的油品,略低于溶劑萃取工藝。流化熱轉(zhuǎn)化得到的混合液體產(chǎn)品性質(zhì)見表4。由表4可以看到,流化熱轉(zhuǎn)化得到的液體產(chǎn)品性質(zhì)明顯優(yōu)于溶劑萃取分離得到的油砂瀝青性質(zhì)?；旌弦后w產(chǎn)品的密度、黏度及殘?zhí)棵黠@低于溶劑萃取分離得到的油砂瀝青。油砂瀝青的20℃密度從熱轉(zhuǎn)化前的0.9735g/cm3降低到0.9125g/cm3;動力黏度從557.2mPa·s降低到15.89mPa·s,熱轉(zhuǎn)化后液體產(chǎn)品的流動性較好;殘?zhí)繌?.90%降低到1.69%,殘?zhí)棵摮蔬_到89.3%。油砂的雜原子含量也大幅度降低,硫+氮+氧質(zhì)量分數(shù)從3.05%降低到1.21%;金屬含量及膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量也有了較大幅度的減少。由表4可見,經(jīng)過油砂流化熱轉(zhuǎn)化后,液體產(chǎn)品的餾程分布得到了改善,其初餾點降低,終餾點僅為610℃左右。相對于溶劑萃取分離的油砂瀝青餾程,熱轉(zhuǎn)化后的液體產(chǎn)品的質(zhì)量較好。對油砂進行直接熱轉(zhuǎn)化,可以有效脫除油砂瀝青的殘?zhí)亢徒饘?降低其黏度,改善液體產(chǎn)品的餾程分布,使油品的品質(zhì)得到很大的提高,有助于后續(xù)的進一步加工利用。相對于溶劑萃取油砂瀝青工藝,液體產(chǎn)品品質(zhì)較高是油砂熱轉(zhuǎn)化工藝的明顯優(yōu)點。4.2液體產(chǎn)物的物理性為了深入認識油砂流化熱轉(zhuǎn)化得到的液體產(chǎn)品性質(zhì),為后續(xù)加工提供依據(jù),將實驗得到的液體產(chǎn)物采用精餾裝置切割為汽油、柴油和重油餾分并進行詳細的物性分析。(1)汽油餾分氧基化硫基表5為蒸餾得到的汽油餾分的物性分析數(shù)據(jù)。從表5中可以看出,蒸餾得到的汽油餾分的20℃密度為0.8118g/cm3,高于常規(guī)原油的汽油密度。碳含量較高,氫含量較低,氫碳原子比僅為1.73,低于常規(guī)汽油的氫碳原子比。汽油餾分中硫質(zhì)量分數(shù)為262μg/g,高于國Ⅲ汽油規(guī)格要求(150μg/g),需進行脫硫加工或者與低硫汽油進行調(diào)合才能滿足要求。汽油的酸度為1.61mgKOH/(100mL),酸度較高,需進一步精制處理。汽油餾分中烷烴含量低,大部分為高辛烷值組分;汽油中烴類化合物大部分為芳香烴,占汽油的38.09%,其中C6,C7及C8芳香烴分別占汽油的8.32%,15.2%和8.57%,其中苯含量超過車用汽油標(biāo)準中苯的體積分數(shù)不大于1%的要求。(2)從樹體上顯示,其碳、氫含量高蒸餾得到的柴油餾分性質(zhì)分析數(shù)據(jù)列于表6。由表6可以看出,油砂瀝青流化熱轉(zhuǎn)化得到的柴油餾分密度高達0.9156g/cm3,苯胺點為43.3℃,酸度為63.69mg(KOH)/(100mL)。與常規(guī)柴油相比,碳含量高,氫含量低,其中氫碳原子比1.69。硫質(zhì)量分數(shù)(0.1%)遠高于國Ⅱ柴油標(biāo)準(500μg/g),氮質(zhì)量分數(shù)(0.103%)也很高。柴油的餾程分布基本符合要求。從表5和表6可知,汽油+柴油的收率僅為混合液體產(chǎn)品收率的37.32%,且品質(zhì)較低,需要對其進一步精制才能達到國家油品的質(zhì)量要求。(3)重油餾分質(zhì)量表7為蒸餾得到的重油餾分性質(zhì)數(shù)據(jù)。由表7可以看出,重油收率達到了混合液體產(chǎn)品質(zhì)量的62.68%,但重油的密度較高,達到0.9814g/cm3;90℃動力黏度為357mPa·s,流動性較差;殘?zhí)枯^高,達到7.42%;雜原子含量高,因此油砂流化熱轉(zhuǎn)化液體產(chǎn)品的重油餾分不宜作為催化裂化原料直接加工。但通過對重油餾分元素組成分析發(fā)現(xiàn)其氫含量較高,具有輕質(zhì)化的潛力,可以通過進一步加氫處理或者與其它油品摻煉的方式實現(xiàn)重油的輕質(zhì)化。5溶劑萃取與油砂流化熱轉(zhuǎn)化的效果本研究主要以我國內(nèi)蒙古圖牧吉地區(qū)儲量豐富的油潤型油砂為研究對象,分別采用溶劑萃取和流化熱轉(zhuǎn)化兩種方法對其進行了對比研究,通過研究得到如下結(jié)論:(1)溶劑萃取分離得到的油砂瀝青具有高密度、高黏度、高殘?zhí)?、高雜原子含量、高金