内蒙古图牧吉油砂的加工方法研究

内蒙古图牧吉油砂的加工方法研究

油砂资源分布广泛，储量丰富，约占世界油气资源总量（204351288mm）的32%。在我国,新疆、内蒙古、青海等地也储藏着约10.0Gt的油砂资源,具有很大的开发价值,必将成为我国未来重要的能源之一。但国内在油砂相关技术开发上仍处于起步阶段,缺少在油砂开采加工等方面的研究。1全膜法分离油润型油砂油砂利用的关键是提取油砂表面的油砂沥青。对于如图1(a)所示的水润型油砂,由于砂砾被水膜所润湿、沥青层包围在水膜的外层及充填空间的结构特点,利用热碱水分离即可获得很高的油砂洗脱率,例如加拿大阿萨巴斯卡的油砂开采和利用大多采用此种分离工艺;但是对于油润型油砂[如图1(b)所示],由于砂砾及黏土部分与沥青直接相连,其间无水膜,目前广泛应用的热碱水分离法对其洗脱率很低。对于油润型油砂典型的加工方法可采用溶剂萃取法,也可以利用流化热转化的方法直接对油砂沥青进行裂化改质[11,12,13,14,15,16,17,18]。这两种工艺路线存在较大差异,其产品分布和性质也差别很大。本研究主要以我国内蒙古图牧吉地区储量丰富的油润型油砂为研究对象,分别采用溶剂萃取和流化热转化两种方法对其进行对比研究,获得相关的产品收率和产品性质,从而为油砂加工工艺的开发提供必要的基础数据。2硅铝酸盐系硅铝酸盐盐系由于埋藏地点、埋藏深度的不同,油砂性质有很大差别,内蒙古图牧吉地区油砂呈黑色糖粒状结构,其主要成分为硅铝酸盐。本研究分别采用加拿大Alberta省油砂管理局(AOSTRA)推荐的标准方法——“Dean-Stark法”和国内石化行业标准“油砂铝甄实验(SH/T0508—92)”进行油砂油含率及水含率的测定,得到的数据见表1。3油砂沥青的物理性能极性较大、相对分子质量较大、沸点较高的溶剂是油砂抽提过程的理想溶剂,因此本实验选用甲苯作为抽提溶剂,它不仅能溶解油砂中极性较小的油分,也能溶解极性很大的沥青质。溶剂萃取加工油砂的研究采用索氏抽提法,一般萃取油砂24h,从而实现了油砂沥青与矿物质的分离,最后从混合物中分离出甲苯则得到油砂沥青。油砂沥青通过模拟蒸馏确定其中残留的甲苯含量是否合格。甲苯质量分数小于0.25%的油砂沥青样本将进行化学和物理性能评价。萃取分离得到的油砂沥青常温下无流动性,为固体状,其基本物性分析列于表2。从表2可以看到油砂沥青的密度比原油要重很多,20℃的密度为0.9735g/cm3,与辽河减压渣油的密度(0.9717g/cm3)较为接近,属于稠油;油砂沥青黏度很高,常温下基本无流动性;油砂沥青中的碳和氢含量较低,氢碳原子比仅为1.61,与辽河减压渣油(氢碳原子比1.60)较为接近;油砂沥青的硫、氮、氧质量分数之和高达3.05%,氧质量分数高达1.72%;油砂沥青的饱和分和芳香分含量少,饱和分+芳香分质量分数仅为43.2%,而胶质+沥青质质量分数高,占沥青的一半以上,达56.8%,胶质+沥青质质量分数略低于辽河减压渣油(47.30%)。从物性可以发现该类油砂沥青与辽河减压渣油的性质相似。溶剂萃取分离得到的油砂沥青除具有高密度、高黏度、高残炭、高杂原子含量等特点外,其馏程与劣质原油差别也比较大,由表2可以看到,油砂沥青的轻油收率非常低。初馏点大于200℃,基本没有汽油馏分,200～350℃和<500℃馏分质量收率都很低,大部分为高沸点馏分。因此,溶剂萃取分离得到的油砂沥青品质很差,后续加工难度很大,需首先降低油砂沥青的黏度,减少残炭和金属含量,改善油砂沥青的品质。4低分子烃类物质的回收油砂流化热转化工艺利用脱油、烧焦后的高温沙砾作为热载体,将油砂在流化床反应器中进行热转化,使油砂沥青直接在砂砾表面发生高温裂化,然后将生成的低分子烃类进行回收。该方法弥补了水洗法对油润性油砂洗脱率低的缺陷,具有进料连续化、工艺灵活等优点。4.1流化热转化法本研究利用小型流化床实验装置,在反应温度500℃、重时空速5h-1、热载体/油砂质量比4:1条件下进行流化热转化实验。热转化实验的气体产物通过裂化气表计量,然后利用Agilent6890炼厂气分析仪进行分析。液体产物通过蒸馏分离出汽油、柴油和重油馏分并进行性质分析。典型的油砂流化热转化产物分布如表3所示。由表3可知,热转化实验得到的液体产品(汽油+柴油+重油)收率为82.3%,即流化热转化法可以得到油砂中82.3%的油品,略低于溶剂萃取工艺。流化热转化得到的混合液体产品性质见表4。由表4可以看到,流化热转化得到的液体产品性质明显优于溶剂萃取分离得到的油砂沥青性质。混合液体产品的密度、黏度及残炭明显低于溶剂萃取分离得到的油砂沥青。油砂沥青的20℃密度从热转化前的0.9735g/cm3降低到0.9125g/cm3;动力黏度从557.2mPa·s降低到15.89mPa·s,热转化后液体产品的流动性较好;残炭从9.90%降低到1.69%,残炭脱除率达到89.3%。油砂的杂原子含量也大幅度降低,硫+氮+氧质量分数从3.05%降低到1.21%;金属含量及胶质、沥青质含量也有了较大幅度的减少。由表4可见,经过油砂流化热转化后,液体产品的馏程分布得到了改善,其初馏点降低,终馏点仅为610℃左右。相对于溶剂萃取分离的油砂沥青馏程,热转化后的液体产品的质量较好。对油砂进行直接热转化,可以有效脱除油砂沥青的残炭和金属,降低其黏度,改善液体产品的馏程分布,使油品的品质得到很大的提高,有助于后续的进一步加工利用。相对于溶剂萃取油砂沥青工艺,液体产品品质较高是油砂热转化工艺的明显优点。4.2液体产物的物理性为了深入认识油砂流化热转化得到的液体产品性质,为后续加工提供依据,将实验得到的液体产物采用精馏装置切割为汽油、柴油和重油馏分并进行详细的物性分析。(1)汽油馏分氧基化硫基表5为蒸馏得到的汽油馏分的物性分析数据。从表5中可以看出,蒸馏得到的汽油馏分的20℃密度为0.8118g/cm3,高于常规原油的汽油密度。碳含量较高,氢含量较低,氢碳原子比仅为1.73,低于常规汽油的氢碳原子比。汽油馏分中硫质量分数为262μg/g,高于国Ⅲ汽油规格要求(150μg/g),需进行脱硫加工或者与低硫汽油进行调合才能满足要求。汽油的酸度为1.61mgKOH/(100mL),酸度较高,需进一步精制处理。汽油馏分中烷烃含量低,大部分为高辛烷值组分;汽油中烃类化合物大部分为芳香烃,占汽油的38.09%,其中C6,C7及C8芳香烃分别占汽油的8.32%,15.2%和8.57%,其中苯含量超过车用汽油标准中苯的体积分数不大于1%的要求。(2)从树体上显示,其碳、氢含量高蒸馏得到的柴油馏分性质分析数据列于表6。由表6可以看出,油砂沥青流化热转化得到的柴油馏分密度高达0.9156g/cm3,苯胺点为43.3℃,酸度为63.69mg(KOH)/(100mL)。与常规柴油相比,碳含量高,氢含量低,其中氢碳原子比1.69。硫质量分数(0.1%)远高于国Ⅱ柴油标准(500μg/g),氮质量分数(0.103%)也很高。柴油的馏程分布基本符合要求。从表5和表6可知,汽油+柴油的收率仅为混合液体产品收率的37.32%,且品质较低,需要对其进一步精制才能达到国家油品的质量要求。(3)重油馏分质量表7为蒸馏得到的重油馏分性质数据。由表7可以看出,重油收率达到了混合液体产品质量的62.68%,但重油的密度较高,达到0.9814g/cm3;90℃动力黏度为357mPa·s,流动性较差;残炭较高,达到7.42%;杂原子含量高,因此油砂流化热转化液体产品的重油馏分不宜作为催化裂化原料直接加工。但通过对重油馏分元素组成分析发现其氢含量较高,具有轻质化的潜力,可以通过进一步加氢处理或者与其它油品掺炼的方式实现重油的轻质化。5溶剂萃取与油砂流化热转化的效果本研究主要以我国内蒙古图牧吉地区储量丰富的油润型油砂为研究对象,分别采用溶剂萃取和流化热转化两种方法对其进行了对比研究,通过研究得到如下结论:(1)溶剂萃取分离得到的油砂沥青具有高密度、高黏度、高残炭、高杂原子含量、高金