印尼特细油砂的基本性质和加工路线研究

李贵梅，陶仲冶，赵 莎，许佩华，赵如松

（北京石油化工学院， 北京 102600）

印尼特细油砂的基本性质和加工路线研究

李贵梅，陶仲冶，赵 莎，许佩华，赵如松

（北京石油化工学院， 北京 102600）

印尼特细油砂是一种原产于印度尼西亚的稠油资源，常见有黄色和黑色两种。通过甲苯溶剂抽提法和减压蒸馏法可得到油砂沥青和细砂粒，得到的油砂沥青和砂粒用于油砂基本性质的测定。并简单探讨了该油砂适宜的加工路线。印尼油砂具有含油率高，含硫量高的特点，并且适合采用热解法进行后续加工成轻质油。

油砂；热解；沥青

随着世界经济的快速发展，人们对石油资源的需求越来越大，但是常规油气资源的储量增长速度却跟不上需求量的增长速度，这就造成了供需不平衡的现实问题。研究显示，现在已探明储量的非常规油气资源中的稠油储量要远多于常规油气资源的储量，这就为解决目前石油资源短缺的问题指出了一个研究方向，非常规油气资源包括有油砂、油页岩、深层天然气和超重油等。

实验的研究对象是印尼特细油砂，印尼油砂属于露天油砂矿，开采便利，储量巨大，具有很高的开发利用价值。

1 印尼特细油砂的基本性质研究

1.1 仪器设备

索氏提取器，分离色谱柱，减压蒸馏仪，立式加热炉，圆底烧瓶（1000 mL），球形回流柱，量筒，电子调温电热套（98-1-B型，天津市泰斯特仪器有限公司），精密增力电动搅拌器（JJ-1型，常州博远实验分析仪器厂），循环水式真空泵（SHZ-D（Ⅲ）型，郑州博科玻璃仪器有限公司），电子天平（HZT-A500型，福州华志科学仪器有限公司），恒温水浴。

1.2 含水率和含油率的测定

称量质量为m1的油砂，并放置在105～120℃的烘箱内至少烘干 8h，冷却后的质量为 m2。则该油砂的含水率为：

称量质量为m3的经干燥脱水后的油砂，用滤纸进行包扎，以防撒漏。然后把干燥后的油砂放置于索氏提取器内（如图1）。将250 mL甲苯加入到干净的烧瓶中（质量 m4），把烧瓶置于 110℃硅油中抽提10 h以上，直到索氏提取器中回流的液体呈现无色为止。在 60～105 ℃的温度范围下，使用旋转蒸馏仪将烧瓶中的甲苯回收再次利用，并得到纯的油砂沥青。旋转蒸馏结束后，注意把烧瓶外壁清洗干净，并在真空干燥箱中对烧瓶进行干燥处理，直至烧瓶差重<0.01g为止，冷却后称重（质量m5），两次烧瓶的质量差值即为油砂中油砂沥青的质量（质量 m6）。由此可得，干基（油砂经干燥脱水处理）油砂的含油率为：

图1 索氏提取实验装置简图Fig.1 Soxhlet extraction experiment device

综上所述，原料印尼特细油砂的含油、含水情况如下表1所示。

表1 印尼特细油砂含油率及含水率Table 1 The oil content and moisture content of the oil sands

1.3 SARA法四组分分离

取1.5克左右索氏提取得到的油砂沥青，称量至0.0001 g，以50 mL/g的比例加人正庚烷，加热回流0.5 h，待溶液冷却后，放在暗处静置1 h。然后将上部清液缓慢倒入预先装有定量滤纸的漏斗中，之后把剩余的少量残液和不溶物沉淀倒入漏斗，将包有沥青质沉淀的滤纸包裹好置于索氏提取器内，加热回流1 h，取下备用。接着使用60 mL甲苯对沥青质进行索氏提取，回流不少于1 h，直至滤纸基本无色为止。再进行后续操作后，称重得到沥青质质量w1。并对甲苯溶液做浓缩处理。

进而在干燥洁净的吸附柱中装入40 g预先已经活化的氧化铝，再与恒温水浴相连。加入30 mL正庚烷作为预湿步骤，将旋蒸处理后的约l0 mL的溶剂完全倒入色谱柱，待全部溶剂进入氧化铝顶层时，再于顶部添加少许氧化铝。依次加入表2中的溶剂进行冲洗，液体流速维持在2～3 mL/min。必须要注意的是，更换分离溶剂时，要同时更换接收瓶(甲苯-乙醇以下可接收于一个瓶中)，按顺序标记瓶号，分别为瓶1、2和3。

用旋转蒸馏的方式回收溶剂，待剩余少量溶液时停止加热，将瓶中残液转移至表面皿后放干燥箱中，在设定温度85℃，真空度0.08 MPa下干燥到恒重后称重。实验所得的SARA组成如表3所示。

表2 饱和份、芳香份和胶质分离溶剂Table 2 The solvents of Saturates, aromatics and resin

表3 饱和份、芳香份、胶质、沥青质含量Table 3 The mass content of Saturates, aromatics, resin and asphaltene

1.4 印尼特细油砂油砂沥青性质

印尼油砂沥青在20℃时密度为0.9795 g/cm3，氢含量较低，氢碳原子比为1.648，氮含量也很少，然而硫含量却异常高，是典型的高硫重油，对加工精制过程中的工艺和设备是一个很大的挑战。另外，沥青中金属原子（主要是镍和钒）含量有点多(表4)。

表4 溶剂抽提法所得沥青的基本性质Table 4 The property of the sands bitumen after solvent extraction

油砂沥青中饱和分相对芳香分含量要少，两者的总量占到油砂沥青的一半，这有利于加工生产较多的轻质油。而油砂沥青中的胶质含量要少于沥青质，说明了这种油砂沥青可以用于裂解生成轻质油。而采用溶剂抽提获得的油砂沥青除具有高密度、高黏度、高硫含量等典型特征外，轻质油品收率还非常低。由表5可知，油砂沥青的初馏点是226 ℃，汽油馏分比较少，225～350 ℃的柴油馏分和小于 500 ℃重油馏分都不多，同时渣油馏分占总量的60%以上。总的来说，印尼特细油砂中提取出来的油砂沥青品质较差，硫含量很高，给后续的加工过程带来很大的难度，从原料的利用角度讲，应当先改善油砂沥青的品质，再进一步进行相应的加工精制处理。

1.5 印尼特细油砂的结构和组成

1.5.1 印尼特细油砂的扫描电镜（SEM）分析

通过扫描电镜观察到的印尼特细油砂的微观形貌如图2所示。从扫描照片可以清晰的发现，印尼特细油砂中砂粒很小，粒径在微米级别。砂粒外表被大量的油砂沥青和少量的游离水紧紧包裹, 呈是典型的油润型油砂。

图2 扫描电镜下印尼特细油砂的微观形貌Fig.2 The microstructure of the sand oil under scanning electron microscopy

1.5.2 印尼特细油砂的组成测定

取一定量的印尼特细油砂样品，经过甲苯溶剂抽提后得到固体砂粒。经过干燥后放入马弗炉内，在1 000 ℃的温度下煅烧20 h，用等离子发射光谱分析仪（ICP）对砂样的元素组成进行分析，得到的结果见表 5。煅烧前后的砂砾外观形貌的对比图如图3所示。表6是煅烧前后的质量变化情况。

表5 煅烧后的砂样中金属元素的组成Table 5 Theelements content of the sand samples

从分析结果可以看出，印尼特细油砂的砂砾中主要含有Ca、Si、Al和Fe四种元素，这与主要成分为石英的加拿大油砂砂砾的组成是有着本质区别的。

通过计算，综合考虑砂样经高温煅烧后的烧失率和及砂砾中的金属组成及含量情况，可以判断出印尼特细油砂砂砾中的主要成分是碳酸盐类。

图3 砂样煅烧前后对比图（从左到右依次为1、2、3、4）Fig.3 The appearance contrast of the sand samplesafter the calcination

表6 砂样煅烧前后数据对比统计Table 6 Thedata contrast of the sand samples after the calcination

2 印尼特细油砂的加工路线研究

2.1 溶剂抽提法

印尼特细油砂是典型的油润型油砂，采用溶剂抽提法，对油砂沥青有非常好的分离效果。但由于抽提过程需要用到大量的极性较强的挥发性有机溶剂（甲苯为例），不利于抽提过程操作者的身心健康。油砂沥青和抽提溶剂的分离过程中，需要用减压蒸馏等方法来实现，过程中需要提供大量的热量。抽提结束后的油砂砂砾中仍残留部分抽提溶剂，既造成了资源浪费，又对环境产生污染。综合来看，溶剂抽提法不是印尼特细油砂最理想的处理方式。

印尼特细油砂是一种典型的油润型油砂，采用溶剂萃取可以达到良好的分离效果，但由于提取过程需要使用大量的强极性挥发性有机溶剂（比如甲苯），对提取过程操作人员的身心健康不利。而沥青和溶剂萃取分离过程中，使用到了真空蒸馏的方法,需要耗费大量热量。提取后的砂粒中仍然会存在一部分抽提溶剂，会造成资源的浪费，对环境产生污染。综上所述，对于印尼油砂，溶剂萃取并不是最理想的提取方式。

2.2 碱水分离法

将浓度分别为0.2、0.5和1.0 mol/L的NaOH溶液与粉碎后的印尼特细油砂颗粒按体积比为2:1的比例在一锥形瓶A中混合，然后放入80℃的超声波水浴中加热30 min，然后静置分层，上层为油水混合液，下层是油砂颗粒。然后把上层油水混合液轻轻倒入一个磨口锥形瓶B内。取下层的油砂颗粒放入装有甲苯的烧杯内，经过晃动后，发现无色的甲苯溶液变成棕色，证明碱水洗涤过的油砂颗粒中仍然含有沥青。取烧杯内上层的清液，装入另一个磨口锥形瓶C内。通过两个锥形瓶B和C中液体外观对比，可以明显地发现热碱水洗法对于印尼特细油砂的洗脱效果很差。

取锥形瓶B中的油水混合液在显微镜下观察，可以看到如图4的图像。

图4 碱水和油砂沥青混合液显微图像Fig.4 The microscopic images of sodium hydroxide solution and bitumen mixture

从图像中可以发现，油水混合液是一种油包水乳化体系，油在水中高度分散。同时在乳化液中有未沉降的细砂砾。将显微镜放大倍数继续提高，会发现乳化液中存在着大量粒径细小的砂砾（图5）。

图5 碱水和油砂沥青混合液中砂砾显微图像Fig.5 The microscopic images of sands in the mixture

很明显，热碱水对印尼油砂的分离效率很低，不能完全将油砂中的沥青洗脱下来，将会造成油砂和水的浪费。此外，由于印尼特细油砂粒径极其微小, 若用碱水分离法处理，很容易使细砂砾高度分散在油水乳化液中，增加分离难度。所以碱水分离法并不适合印尼特细油砂中油砂沥青的分离。

2.3 热解法

油砂热解炉有三个决定因素。首先热解炉类型，分为立式炉和卧式炉，每类又能够分为旋转式热解炉和固定床热解炉；二是加热方法，能够分为内热式和外热式；三是热载体的种类，能够分为气体和固体两种。

由于印尼油砂粒径过小，使用流化床或着旋转式热解炉会发生粉尘传热不均、粉尘进入热解油，影响产品的质量等问题。所以，印尼油砂不适合选择流化床或着旋转式热解炉。就加热方式而言，如果采用内部加热，无论使用气体或固体热载体，都会因为粉尘问题到导致热载体循环困难，并且增加了装卸材料的难度。相反，外部加热加热方式很容易操作。印尼油砂最适合外部加热的固定床式热解炉。

3 结 论

（1）印尼特细油砂是一种粒径在微米级的油润型非常规资源，有着高达26.33%的含油率，这在非常规资源中很是罕见。

（2）四组分实验表明，油砂沥青的饱和分和芳香分含量较高，在加工成轻质油方面具有优势。但是胶质、沥青质的含量也很高，在后续处理上会有难度。

（3）印尼特细油砂中砂石的主要成分为碳酸盐类，含少量的硅酸盐。

（4）由于印尼特细油砂结构较为特殊，热碱水洗法对该油砂的分离效果很差，形成的乳化体系存在有大量的砂粒，加大了分离难度。而溶剂抽提法虽然抽提效率很高，但由于处理过程不环保，经济性也不高，所以也不适合印尼油砂。

（5）印尼油砂较为适合采用外热式固定床油砂，有着操作简单，技术难度低的特点。

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Basic Properties and Processing Route of Indonesia Superfine Oil Sand

LI Gui-mei, TAO Zhong-ye, ZHAO Sha, XU Pei-hua, ZHAO Ru-song
（BeiJing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102600，China）

Indonesia superfine oil sand is a heavy oil resource from Indonesia. The experiment selected both block and powder morphology of black oil sand, tar and fine sand were obtained through the toluene solvent extraction and vacuum distillation. Basic properties of the oil sand were determined with obtained tar and fine sand.Theprocessing route of Indonesia superfine oil sand was discussed. The results show that, Indonesia's oil sand contains high oil content and high sulfur content, Indonesia's oil sand can be processed into lightweight oil by pyrolysis.

oil sands; pyrolysis; asphalt

TE 624

A

1671-0460（2016）11-2706-04

2016-04-15

李贵梅（1991-），女，山西省朔州市人，硕士研究生，2016年毕业于北京石油化工学院化学工程专业，研究方向：清洁能源。E-m ail：5220130112@bipt.edu.cn。