以污泥为原料的新型陶粒材料制备及用于原油脱水的性能研究

2023-08-10戚亚明丁陈玉王良胜卜魁勇罗新占李琴琴

石油炼制与化工 2023年8期

戚亚明，丁陈玉，王良胜，卜魁勇，罗新占，李琴琴

(1.中油(新疆)石油工程有限公司设计分公司，新疆克拉玛依 834000；2.新疆科力新技术发展股份有限公司)

原油中含有的水会严重影响管道运输及油品处理的安全,因此原油脱水处理是油田集输系统中必不可少的一个环节[1-2]。传统的原油脱水方法主要包括化学破乳、水力旋流、离心沉降和静电处理等[3-4]。其中,化学破乳作为一种有效实现油水分离的手段,已得到了广泛的推广及应用[5]。化学破乳的原理是通过添加化学破乳剂改变油水的界面性质,从而促进水滴的聚结与沉降,并最终实现油水分离[6]。然而,随着我国大部分油田逐渐进入开发中后期,大量注水、注剂和注驱开采的应用导致三次采出液含水率高,组分复杂,破乳困难[7],仅依靠化学破乳处理能力明显不足[8],因此迫切需要开发一种可与化学破乳有效结合的原油脱水方法,以解决目前存在的处理效率低、污染严重以及费用昂贵等问题。

原油的陶粒脱水是一种低温、快速、密闭且低能耗的脱水方法[9],其主要原理为使流过陶粒材料的采出液频繁改变流向和流速,从而增加液滴间碰撞、聚结的几率;此外,亲水型的陶粒材料还会不断吸附细小液滴,使大量液滴在陶粒材料表面聚结成大粒径液滴。根据斯托克斯公式[10]可知,液滴的沉降速度与液滴直径的平方成正比,经陶粒材料处理过的原油乳状液中水滴沉降速度得到极大提升,以此实现油水分离。

早在1985年,大港油田就开展了利用陶粒材料进行原油脱水的实验室试验与工业生产试验,且均取得了良好的结果[11]。近年来,关于陶粒材料的研究多集中于污水处理方面[12-14],鲜有针对原油脱水方面的研究。此外,陶粒因其特殊的材料特点,既不会受化学破乳剂的影响[15],又能稳定实现原油脱水处理,因此,在传统化学破乳的基础上开展关于陶粒脱水材料的研究有望成为解决三采原油破乳困难的新途径。

本课题针对新疆油田采用的大罐化学沉降脱水工艺,研制功能性陶粒脱水材料,用于强化现有工艺的脱水效率。同时,为验证制备方法的可行性并探究各陶粒材料的性能差异,开展材料的特性参数研究,最后通过开展室内脱水试验测试所制备材料的脱水性能。

1 实验

1.1 原材料

脱水污泥:取自新疆油田,主要成分为硅泥(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)和发气成分(有机物、Fe2O3、碳酸盐类、含硫化合物、黏土矿物等);黏结剂:包括SBL,BA,KA,TC共4种类型;水:新疆油田自来水。

1.2 陶粒脱水材料的制备

秉持绿色、节能的理念,以油田脱水污泥、粉煤灰等固体废弃物为原料,综合考虑颗粒粒度、可塑性、耐火度以及烧结范围等多方面因素,通过主辅料配比、黏结剂种类、黏结剂添加量以及焙烧温度的优选,制备界面材料物理化学性质稳定、颗粒均匀、表面光滑、无裂痕、质地坚硬、磨损率低、微孔发达的新型陶粒原油脱水材料。陶粒脱水材料的制备流程如图1所示。首先将各原材料堆放并自然晾干,随后利用粉磨机进行粉磨并过筛,收集粒径小于50 μm的材料;将主料脱水污泥与辅料粉煤灰(新疆油田现场流化床锅炉粉煤灰)按照不同比例混合,观察掺混细致程度,并使用成球机将混料成球后在100 ℃和900 ℃的条件下进行烘干和灼烧处理,将裂痕率最小、强度最高的球粒所对应的混合比例确定为最优混合比例,最终确定脱水污泥与粉煤灰的最优质量比为5∶4;通过对比观察加入不同种类和含量的黏结剂后所得材料的成型效果,最终确定最优黏结剂为SBL黏结剂,其添加量(w)为5%;之后,将按上述比例混合后的原料置入成球机内定型;成球后再经过自然晾干、105 ℃温度下烘干、450 ℃温度下灼烧,然后升至不同温度进行焙烧,考察不同焙烧温度下所得材料的孔隙分布与抗压强度,确定1 190 ℃为最优焙烧温度;最后,经过自然晾干获得成品陶粒脱水材料,其实物照片见图2。

图1 陶粒脱水材料的制备流程

图2 陶粒脱水材料的成品实物照片

为了验证上述制备方法并探究所制备陶粒脱水材料的特性,以不同制备条件制备出20组不同的陶粒脱水材料(依次编号为1～20),各材料的制备条件详见表1。同时引入玻璃材料和不锈钢材料作为对照项(分别对应21号和22号材料),开展材料的筒压强度、孔隙率、比表面积、与水接触角、与油接触角及脱水性能研究。

表1 不同特性陶粒脱水材料的制备条件

1.3 陶粒脱水材料的特性参数测试

采用椭圆法[16]测量脱水材料的接触角。采用筒压强度测定仪测定脱水材料的筒压强度[17]。以脱水材料的堆密度和表观密度计算材料在自然堆积状态下颗粒间的孔隙率[18]。采用朗格缪尔吸附法[19]测定脱水材料的比表面积。

2 结果与讨论

2.1 脱水材料的特性参数

通过测试材料与油水的接触角可以明确其亲水亲油性能,不同材料与水的接触角如图3所示。当油中水滴与接触材料固体表面夹角小于90°时,表明该材料具有良好的亲水性能,水滴易于被材料吸附并铺展于接触表面;而当接触角呈钝角时则表明材料具有疏水性能[20]。

图3 不同材料与水的接触角示意

脱水材料与油的接触角越大、与水的接触角越小,表明其脱水性能越好。本研究所制备的各脱水材料的接触角测试结果如表2所示。由表2数据可以看出,制备的陶粒脱水材料属于强亲水疏油型特殊材料。同时,在所测试的22组材料中,5号材料与水的接触角最小且与油的接触角最大,其值分别为2°和155°。另外,根据各材料的制备条件可以发现,即使制备条件接近,各材料仍有可能表现出差异性较大的接触角特性。这是由于所制备陶粒脱水材料的接触角是原材料比例、焙烧温度、黏结剂比例等制备条件综合影响的结果。例如5号材料和13号材料的制备条件仅在焙烧温度处有所差异,但由于焙烧温度的不同所带来的原材料混合情况、黏结剂吸附性能等其他制备条件的差异也会对材料性能造成较大的影响。以接触角为评价指标确定材料选择的优先顺序为:5号>22号>1号>6号>13号。

表2 各脱水材料的接触角测试结果

所制备的各脱水材料的筒压强度、孔隙率以及比表面积的测试结果如表3所示。筒压强度越大,表明材料的抗压能力越好、磨损率越小且材料形状保持的时间越久。因此,为了确保材料在脱水器中的使用时间足够长,应尽量选择筒压强度更高的脱水材料。由表3数据可知,制备陶粒脱水材料的筒压强度范围为11.5～13.0 MPa,其中5号材料的筒压强度最大,为13.0 MPa。

表3 各脱水材料的筒压强度、孔隙率和比表面积

另外,由表3还可知,各材料的孔隙率变化范围在40%～48%之间。材料孔隙的大小、分布、数量及构造特征对材料的性能会产生很大的影响,其中,孔隙率越大,材料与液体接触的表面就越大,其脱水性能也就越好。在所制备的材料中,1号、8号、13号和18号材料的孔隙率保持在一个较高值,可作为优先选择的材料。

除了孔隙率,材料的比表面积也能够反映材料与液滴接触面积的大小,即材料的比表面积越大,材料与液体接触面越大,则材料吸附水滴的能力就越强。由表3可知,所制备材料的比表面积符合标准,其值均大于2.0 m2/g。根据材料比表面积参数可确定材料选择的优先顺序为:9号>7号>5号>6号或2号。

2.2 材料的脱水性能

为了探究所制备陶粒材料的脱水性能,并确定最优的脱水材料,对各材料进行了脱水性能测试。试验油样取自新疆油田玛东处理站,所需油样从来液管线上分3次接样,以确保所取得的油样具有代表性。试验油样的主要性质及脱水试验控制参数分别如表4和表5所示。

表4 试验油样的主要性质

表5 脱水试验控制参数

所使用的自制室内脱水试验装置如图4所示,该装置主要由陶粒脱水材料、耐压钢管、通电加热圈及蠕动泵等组成。具体试验过程为:首先,给油样添加要求浓度的KL-2破乳剂并充分均匀混合,以强化陶粒材料的脱水效率,尽快获取试验结果;随后,使用蠕动泵将含水、含破乳剂油样注入装填有不同脱水材料(包括1～22号及空白)的耐压钢管筒内,采用通电加热圈加热至试验要求温度;最后,用烧杯从钢管出口接样,采用离心法[21]测量油、水的质量并根据式(1)[22]计算经不同沉降时间沉降后油样的剩余含水率。试验结果如表6所示。由表6可知,使用5号脱水材料,在沉降180 min后油样剩余含水率最小,脱水效果最优。

表6 使用不同脱水材料时经不同沉降时间沉降后油样的剩余含水率 w,%

图4 自制室内脱水装置示意1—陶粒脱水材料; 2—耐压钢管; 3—通电加热线圈; 4—蠕动泵

(1)

式中:φ为油样剩余含水率(w),%;m水为脱水后油样中水的质量,g;m油为脱水后油样中油的质量,g。

由上述结果可知,本研究制备的脱水材料可有效降低油样的含水率,并不同程度地强化油样的脱水效率。由于脱水试验所使用的采出液均来自新疆油田玛东处理站,其含水率均在60%以上,而试验结果也显示本研究制备的脱水材料均取得了一定的脱水效果,因此可认为陶粒脱水材料的适用含水率边界条件至少在60%以下。另外,由于本研究所制备陶粒脱水材料的主要原料为取自油田现场的脱水泥污与粉煤灰,且材料一次可制备的数量较多,根据油田现场测试,材料可一次使用至少9天以上,已满足经济预期。此外,所制备陶粒脱水材料的筒压强度均在11.5～13.0 MPa之间,表明其抗压能力与耐用性较好,磨损率较小,使用时长能够保证。

在试验控制参数条件下,经过5号、22号、1号、6号、9号脱水材料处理并沉降180 min后的油样剩余含水率均小于或等于0.5%。其中,经5号材料处理并沉降180 min后的油样剩余含水率最低,且在各沉降时间下油样的剩余含水率均保持较低值。结合材料的特性参数分析和脱水试验结果,发现陶粒原油脱水材料性能是接触角、孔隙率、比表面积综合影响的结果。其中,5号材料的与水的接触角最小,在材料与采出液接触时能够更高效地捕获原油中的小液滴,使得微小液滴不断在材料表面聚结,并形成大粒径液滴,进而加快原油脱水沉降过程;同时,5号材料的孔隙率与比表面积较大,表明其与液滴接触面积较大,吸附液滴的能力也较强;另外,5号材料的筒压强度最大,可以有效降低材料在现场使用过程中的磨损,具有更优的适用性及经济性。因此,认为5号材料为最优的陶粒脱水材料,其详细物理性质及特性参数如表7所示。后续可以以5号材料为基础,开发用于强化原油油水分离且具有工程应用价值的功能性陶粒脱水材料。