以污泥為原料的新型陶粒材料制備及用于原油脫水的性能研究

2023-08-10 08:22:56戚亞明丁陳玉王良勝卜魁勇羅新占李琴琴

石油煉制與化工 2023年8期

戚亞明，丁陳玉，王良勝，卜魁勇，羅新占，李琴琴

(1.中油(新疆)石油工程有限公司設計分公司，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆科力新技術發展股份有限公司)

原油中含有的水會嚴重影響管道運輸及油品處理的安全,因此原油脫水處理是油田集輸系統中必不可少的一個環節[1-2]。傳統的原油脫水方法主要包括化學破乳、水力旋流、離心沉降和靜電處理等[3-4]。其中,化學破乳作為一種有效實現油水分離的手段,已得到了廣泛的推廣及應用[5]。化學破乳的原理是通過添加化學破乳劑改變油水的界面性質,從而促進水滴的聚結與沉降,并最終實現油水分離[6]。然而,隨著我國大部分油田逐漸進入開發中后期,大量注水、注劑和注驅開采的應用導致三次采出液含水率高,組分復雜,破乳困難[7],僅依靠化學破乳處理能力明顯不足[8],因此迫切需要開發一種可與化學破乳有效結合的原油脫水方法,以解決目前存在的處理效率低、污染嚴重以及費用昂貴等問題。

原油的陶粒脫水是一種低溫、快速、密閉且低能耗的脫水方法[9],其主要原理為使流過陶粒材料的采出液頻繁改變流向和流速,從而增加液滴間碰撞、聚結的幾率;此外,親水型的陶粒材料還會不斷吸附細小液滴,使大量液滴在陶粒材料表面聚結成大粒徑液滴。根據斯托克斯公式[10]可知,液滴的沉降速度與液滴直徑的平方成正比,經陶粒材料處理過的原油乳狀液中水滴沉降速度得到極大提升,以此實現油水分離。

早在1985年,大港油田就開展了利用陶粒材料進行原油脫水的實驗室試驗與工業生產試驗,且均取得了良好的結果[11]。近年來,關于陶粒材料的研究多集中于污水處理方面[12-14],鮮有針對原油脫水方面的研究。此外,陶粒因其特殊的材料特點,既不會受化學破乳劑的影響[15],又能穩定實現原油脫水處理,因此,在傳統化學破乳的基礎上開展關于陶粒脫水材料的研究有望成為解決三采原油破乳困難的新途徑。

本課題針對新疆油田采用的大罐化學沉降脫水工藝,研制功能性陶粒脫水材料,用于強化現有工藝的脫水效率。同時,為驗證制備方法的可行性并探究各陶粒材料的性能差異,開展材料的特性參數研究,最后通過開展室內脫水試驗測試所制備材料的脫水性能。

1 實驗

1.1 原材料

脫水污泥:取自新疆油田,主要成分為硅泥(SiO2,Al2O3,Fe2O3等);粉煤灰:取自新疆油田,主要包含助溶成分(K2O,Na2O,MgO,CaO,FeO等)和發氣成分(有機物、Fe2O3、碳酸鹽類、含硫化合物、黏土礦物等);黏結劑:包括SBL,BA,KA,TC共4種類型;水:新疆油田自來水。

1.2 陶粒脫水材料的制備

秉持綠色、節能的理念,以油田脫水污泥、粉煤灰等固體廢棄物為原料,綜合考慮顆粒粒度、可塑性、耐火度以及燒結范圍等多方面因素,通過主輔料配比、黏結劑種類、黏結劑添加量以及焙燒溫度的優選,制備界面材料物理化學性質穩定、顆粒均勻、表面光滑、無裂痕、質地堅硬、磨損率低、微孔發達的新型陶粒原油脫水材料。陶粒脫水材料的制備流程如圖1所示。首先將各原材料堆放并自然晾干,隨后利用粉磨機進行粉磨并過篩,收集粒徑小于50 μm的材料;將主料脫水污泥與輔料粉煤灰(新疆油田現場流化床鍋爐粉煤灰)按照不同比例混合,觀察摻混細致程度,并使用成球機將混料成球后在100 ℃和900 ℃的條件下進行烘干和灼燒處理,將裂痕率最小、強度最高的球粒所對應的混合比例確定為最優混合比例,最終確定脫水污泥與粉煤灰的最優質量比為5∶4;通過對比觀察加入不同種類和含量的黏結劑后所得材料的成型效果,最終確定最優黏結劑為SBL黏結劑,其添加量(w)為5%;之后,將按上述比例混合后的原料置入成球機內定型;成球后再經過自然晾干、105 ℃溫度下烘干、450 ℃溫度下灼燒,然后升至不同溫度進行焙燒,考察不同焙燒溫度下所得材料的孔隙分布與抗壓強度,確定1 190 ℃為最優焙燒溫度;最后,經過自然晾干獲得成品陶粒脫水材料,其實物照片見圖2。

圖1 陶粒脫水材料的制備流程

圖2 陶粒脫水材料的成品實物照片

為了驗證上述制備方法并探究所制備陶粒脫水材料的特性,以不同制備條件制備出20組不同的陶粒脫水材料(依次編號為1～20),各材料的制備條件詳見表1。同時引入玻璃材料和不銹鋼材料作為對照項(分別對應21號和22號材料),開展材料的筒壓強度、孔隙率、比表面積、與水接觸角、與油接觸角及脫水性能研究。

表1 不同特性陶粒脫水材料的制備條件

1.3 陶粒脫水材料的特性參數測試

采用橢圓法[16]測量脫水材料的接觸角。采用筒壓強度測定儀測定脫水材料的筒壓強度[17]。以脫水材料的堆密度和表觀密度計算材料在自然堆積狀態下顆粒間的孔隙率[18]。采用朗格繆爾吸附法[19]測定脫水材料的比表面積。

2 結果與討論

2.1 脫水材料的特性參數

通過測試材料與油水的接觸角可以明確其親水親油性能,不同材料與水的接觸角如圖3所示。當油中水滴與接觸材料固體表面夾角小于90°時,表明該材料具有良好的親水性能,水滴易于被材料吸附并鋪展于接觸表面;而當接觸角呈鈍角時則表明材料具有疏水性能[20]。

圖3 不同材料與水的接觸角示意

脫水材料與油的接觸角越大、與水的接觸角越小,表明其脫水性能越好。本研究所制備的各脫水材料的接觸角測試結果如表2所示。由表2數據可以看出,制備的陶粒脫水材料屬于強親水疏油型特殊材料。同時,在所測試的22組材料中,5號材料與水的接觸角最小且與油的接觸角最大,其值分別為2°和155°。另外,根據各材料的制備條件可以發現,即使制備條件接近,各材料仍有可能表現出差異性較大的接觸角特性。這是由于所制備陶粒脫水材料的接觸角是原材料比例、焙燒溫度、黏結劑比例等制備條件綜合影響的結果。例如5號材料和13號材料的制備條件僅在焙燒溫度處有所差異,但由于焙燒溫度的不同所帶來的原材料混合情況、黏結劑吸附性能等其他制備條件的差異也會對材料性能造成較大的影響。以接觸角為評價指標確定材料選擇的優先順序為:5號>22號>1號>6號>13號。

表2 各脫水材料的接觸角測試結果

所制備的各脫水材料的筒壓強度、孔隙率以及比表面積的測試結果如表3所示。筒壓強度越大,表明材料的抗壓能力越好、磨損率越小且材料形狀保持的時間越久。因此,為了確保材料在脫水器中的使用時間足夠長,應盡量選擇筒壓強度更高的脫水材料。由表3數據可知,制備陶粒脫水材料的筒壓強度范圍為11.5～13.0 MPa,其中5號材料的筒壓強度最大,為13.0 MPa。

表3 各脫水材料的筒壓強度、孔隙率和比表面積

另外,由表3還可知,各材料的孔隙率變化范圍在40%～48%之間。材料孔隙的大小、分布、數量及構造特征對材料的性能會產生很大的影響,其中,孔隙率越大,材料與液體接觸的表面就越大,其脫水性能也就越好。在所制備的材料中,1號、8號、13號和18號材料的孔隙率保持在一個較高值,可作為優先選擇的材料。

除了孔隙率,材料的比表面積也能夠反映材料與液滴接觸面積的大小,即材料的比表面積越大,材料與液體接觸面越大,則材料吸附水滴的能力就越強。由表3可知,所制備材料的比表面積符合標準,其值均大于2.0 m2/g。根據材料比表面積參數可確定材料選擇的優先順序為:9號>7號>5號>6號或2號。

2.2 材料的脫水性能

為了探究所制備陶粒材料的脫水性能,并確定最優的脫水材料,對各材料進行了脫水性能測試。試驗油樣取自新疆油田瑪東處理站,所需油樣從來液管線上分3次接樣,以確保所取得的油樣具有代表性。試驗油樣的主要性質及脫水試驗控制參數分別如表4和表5所示。

表4 試驗油樣的主要性質

表5 脫水試驗控制參數

所使用的自制室內脫水試驗裝置如圖4所示,該裝置主要由陶粒脫水材料、耐壓鋼管、通電加熱圈及蠕動泵等組成。具體試驗過程為:首先,給油樣添加要求濃度的KL-2破乳劑并充分均勻混合,以強化陶粒材料的脫水效率,盡快獲取試驗結果;隨后,使用蠕動泵將含水、含破乳劑油樣注入裝填有不同脫水材料(包括1～22號及空白)的耐壓鋼管筒內,采用通電加熱圈加熱至試驗要求溫度;最后,用燒杯從鋼管出口接樣,采用離心法[21]測量油、水的質量并根據式(1)[22]計算經不同沉降時間沉降后油樣的剩余含水率。試驗結果如表6所示。由表6可知,使用5號脫水材料,在沉降180 min后油樣剩余含水率最小,脫水效果最優。

表6 使用不同脫水材料時經不同沉降時間沉降后油樣的剩余含水率 w,%

圖4 自制室內脫水裝置示意1—陶粒脫水材料; 2—耐壓鋼管; 3—通電加熱線圈; 4—蠕動泵

(1)

式中:φ為油樣剩余含水率(w),%;m水為脫水后油樣中水的質量,g;m油為脫水后油樣中油的質量,g。

由上述結果可知,本研究制備的脫水材料可有效降低油樣的含水率,并不同程度地強化油樣的脫水效率。由于脫水試驗所使用的采出液均來自新疆油田瑪東處理站,其含水率均在60%以上,而試驗結果也顯示本研究制備的脫水材料均取得了一定的脫水效果,因此可認為陶粒脫水材料的適用含水率邊界條件至少在60%以下。另外,由于本研究所制備陶粒脫水材料的主要原料為取自油田現場的脫水泥污與粉煤灰,且材料一次可制備的數量較多,根據油田現場測試,材料可一次使用至少9天以上,已滿足經濟預期。此外,所制備陶粒脫水材料的筒壓強度均在11.5～13.0 MPa之間,表明其抗壓能力與耐用性較好,磨損率較小,使用時長能夠保證。

在試驗控制參數條件下,經過5號、22號、1號、6號、9號脫水材料處理并沉降180 min后的油樣剩余含水率均小于或等于0.5%。其中,經5號材料處理并沉降180 min后的油樣剩余含水率最低,且在各沉降時間下油樣的剩余含水率均保持較低值。結合材料的特性參數分析和脫水試驗結果,發現陶粒原油脫水材料性能是接觸角、孔隙率、比表面積綜合影響的結果。其中,5號材料的與水的接觸角最小,在材料與采出液接觸時能夠更高效地捕獲原油中的小液滴,使得微小液滴不斷在材料表面聚結,并形成大粒徑液滴,進而加快原油脫水沉降過程;同時,5號材料的孔隙率與比表面積較大,表明其與液滴接觸面積較大,吸附液滴的能力也較強;另外,5號材料的筒壓強度最大,可以有效降低材料在現場使用過程中的磨損,具有更優的適用性及經濟性。因此,認為5號材料為最優的陶粒脫水材料,其詳細物理性質及特性參數如表7所示。后續可以以5號材料為基礎,開發用于強化原油油水分離且具有工程應用價值的功能性陶粒脫水材料。