處理油砂的方法和實(shí)施這種方法的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的領(lǐng)域是油砂處理。本發(fā)明尤其涉及利用首先為固體形式然后為液體形式 的二氧化碳處理油砂的方法。
[0002] 本發(fā)明還涉及用于實(shí)施這種方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] 油砂(也稱為"焦油砂"或"瀝青砂"）是由降解為瀝青和無機(jī)物的重油混合物組成 的碳?xì)浠衔飪α俊Ｍǔ?，油砂的瀝青含量為5 %-20 % (重量）。無機(jī)物基本上由砂組成，但 它也可以包含其他的無機(jī)化合物，例如粘土和水。為了增加油砂中所包含的瀝青，必須將它 與無機(jī)相分離。
[0004] 用于開拓這些儲量的常規(guī)方法是在露天礦中提取:采掘油砂，然后通過洗滌將瀝 青與砂分離。這些洗滌操作耗費(fèi)大量的水，盡管大量使用水循環(huán)，這些操作具有相當(dāng)大的生 態(tài)影響，因?yàn)橛眠^的水被排放和容納于尾礦池中，所述尾礦池旨在在將水排放入環(huán)境之前 純化水。使用添加有蘇打和添加劑的大量熱水。這些常規(guī)方法造成主要的環(huán)境問題。例如， 在加拿大艾伯塔目前將大規(guī)模瀉湖與來自瀝青提取裝置的廢水一起使用。倒入覆蓋若干平 方公里的巨大人工池的這些廢水實(shí)質(zhì)上是在非政府組織產(chǎn)生爭議后針對加拿大的第一環(huán) 保指令的主題（于2009年2月3日由"Energy Resources Conservation Board of Alberta" 批準(zhǔn)的指令074)。因此，水資源、廢水的大規(guī)模瀉湖和生物多樣化普遍退化的問題對通過露 天采礦的常規(guī)方法開采油砂提出質(zhì)疑。
[0005] 幾乎不使用水或不使用水的可選技術(shù)是已知的。
[0006] 作為倫敦安大略的UWO大學(xué)研究人員的較早研究的主題的第一種可選技術(shù)是低溫 提取油砂。所使用的技術(shù)基于已知的物理原理:礦石的瀝青級分在低于瀝青的玻璃轉(zhuǎn)變溫 度"Tg 〃的溫度下變得脆性。瀝青的玻璃轉(zhuǎn)變溫度為_15°C到_40°C，且通常規(guī)定為約_20°C。 暴露于其玻璃轉(zhuǎn)變溫度或更低的溫度，油砂的瀝青級分分解成細(xì)顆粒，然后將其回收。這種 方法通常稱為低溫回收(或富集）。低溫提取可以與機(jī)械研磨步驟結(jié)合。然后該方法通常稱 為通過低溫研磨富集。
[0007] 低溫研磨的一種具體技術(shù)由Welmers等人描述于著作〃Cryogenic recovery of tar from Athabasca tar sands"，A.Welmers，M.A·Bergougnou，G·J·Baker，Canadian Journal of Chemical Engineering,Vol.56,99-102頁，1978中。該技術(shù)將在球磨機(jī)中研磨 冷凍油砂和通過流化床產(chǎn)生磨損(或淘析)結(jié)合，其中球刮擦流化柵格的表面，且將油砂連 續(xù)引入流化床并通過冷卻的氣態(tài)氮流化。通過用液體雙氮熱交換氣態(tài)氮獲得冷卻。由 Welmers等人開發(fā)的技術(shù)的主要缺點(diǎn)是，盡管瀝青回收率為約90%，提取結(jié)果的性能是有限 制的。事實(shí)上，根據(jù)Welmers等人，從包含14 %瀝青和86 %無機(jī)物的100噸干油砂中，該技術(shù) 僅提供21噸仍包含40 %礦物質(zhì)和60 %瀝青的富集產(chǎn)物。因此，盡管富含瀝青，提取的最終產(chǎn) 物包含仍然太高比例的無機(jī)物以至于該技術(shù)不能成為通過洗滌提取的令人滿意的可選方 案。
[0008] 還基于結(jié)合低溫處理和機(jī)械處理，已經(jīng)提出低溫研磨的其他方法。
[0009] 因此，專利申請WO 2011/097735描述了一種低溫研磨方法，包括以下順序的單元 操作：
[0010]-通過聚集油砂制備小球；
[0011] -例如利用冷氣冷卻塔將小球冷卻并保持在低溫，以防止其任何聚集；
[0012] -將小球冷卻至低于瀝青的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度并在該溫度研磨小球；
[0013] -在分離器中分離瀝青。
[0014] 在該方法中，研磨可以干燥進(jìn)行或在液體介質(zhì)中進(jìn)行，尤其在液體乙二醇的存在 下進(jìn)行。
[0015] 該方法的實(shí)際效益是受限的，因?yàn)樗墒紫染奂蜕?、然后研磨所得的聚集體組 成，這構(gòu)成具有相反目的的兩個(gè)單元操作，兩者在能量和設(shè)備方面均是昂貴的。
[0016] 通過冷凍研磨的另一種富集方法也描述于加拿大專利申請CA 2738011中。該方法 也旨在通過在低溫下粉碎油砂的瀝青級分來促進(jìn)瀝青和無機(jī)物之間的分離。全部在低溫下 進(jìn)行的現(xiàn)有技術(shù)眾所周知的一系列單元操作也用于該方法中。后者以兩個(gè)研磨步驟開始， 其以常規(guī)的篩分、生成兩股粒徑不同的顆粒流結(jié)束:細(xì)顆粒流和粗顆粒流。然后將粗顆粒流 進(jìn)行額外的研磨，其產(chǎn)生的額外量的細(xì)顆粒被添加至細(xì)顆粒的初始主流中。由于后者仍然 具有大量的無機(jī)物，使用之字形沖擊器和誘導(dǎo)渦流分離器將直徑通常低于5或ΙΟμπι的該顆 粒流進(jìn)行兩次粉末工藝中常用的機(jī)械分離操作，所使用的裝置最后用靜電除塵器補(bǔ)充。
[0017] 與申請WO 2011/097735所公開的方法類似，根據(jù)CA 2738011的方法是完全機(jī)械 的、嚴(yán)格的氣體/固體方法，其中低溫通過冷氣的永久循環(huán)來保持。所述方法的特征在于極 高的復(fù)雜性，其必定是各種故障的來源，且因此涉及應(yīng)用方面的高成本，例如與高的能量消 耗和運(yùn)行可靠性的可能缺陷有關(guān)。此外，處理干的可燃粉末存在工業(yè)安全方面的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。
[0018] 此外，專利申請US 2011/0297586描述了通過不使用溶劑而低溫研磨富集來分離 瀝青與油砂的方法。與上述那些一樣，這是一種完全機(jī)械和嚴(yán)格的氣體/固體方法。該文獻(xiàn) 提及利用冷空氣、在壓力下是固體、液體或氣態(tài)的二氧化碳或液氮冷卻油砂的可能性。然 而，當(dāng)使用液體二氧化碳時(shí)，專利申請US 2011/0297586聲稱后者一經(jīng)與油砂接觸就轉(zhuǎn)化成 固體和氣態(tài)二氧化碳的混合物，然后固體二氧化碳在混合期間升華。因此該文獻(xiàn)僅提議暫 時(shí)使用二氧化碳僅用于盡快冷卻油砂。一旦已經(jīng)進(jìn)行這種冷卻，US 2011/0297586描述的方 法遵循與WO 2011/097735或CA 2738011描述的那些相同的步驟順序，期間操作不使用任何 液體性質(zhì)的分離液，例如液體CO2分離液。正好相反，上述引用的三篇專利中描述的提取方 法作為嚴(yán)格的氣體/固體方法似乎非常精確，不涉及任何液體性質(zhì)的分離液分離液。
[0019] 導(dǎo)致級分相對于初始的油砂在瀝青中產(chǎn)生富集的以上提及的WO 2011/097735、CA 2738011和US 2011/0297586描述的低溫研磨技術(shù)具有各種重要的缺點(diǎn)。一方面，通過這些 方法進(jìn)行的低溫研磨的富集不能提供具有滿意的材料產(chǎn)量和滿意的能效的不含礦物質(zhì)的 瀝青，這需要使用順序處理以獲得不含無機(jī)化合物的碳?xì)浠衔锵?。此外，已知低溫研磨?術(shù)對于所處理油砂的性質(zhì)非常敏感。事實(shí)上，由于與位置和所使用的礦石開采條件有關(guān)的 待處理的采礦來源的材料變化、特別是組成和機(jī)械、流變性或物理化學(xué)性能的變化，這些技 術(shù)提供的可靠性非常有限。還已知這三篇專利中描述的操作（研磨和細(xì)篩分、之字形沖擊 器、誘導(dǎo)渦流分離器、串聯(lián)排列的旋流器、過濾器或靜電分離器)不適于具有非常高噸位的 礦石處理量，而僅在工業(yè)上進(jìn)行以生產(chǎn)小噸位的具有高附加值的非常純凈的（不粘的）產(chǎn) 物。
[0020] 基于利用溶劑與冷凍法結(jié)合的用于從油砂提取含瀝青的級分的其他技術(shù)是已知 的。
[0021] 專利US 3993555描述了一種技術(shù)，其包括使來源于露天采礦的油砂與熔點(diǎn)低于水 的熔點(diǎn)特別地甲苯的熔點(diǎn)的瀝青溶劑接觸。在該操作期間，將溶劑冷卻到足以冷凍水但并 非該溶劑的溫度，可以獲得在下游處理的液體/固體混合物，其中所述液體是瀝青和溶劑的 溶液，其中所述固相由砂和冰組成。然后將仍然維持于低溫的該混合物通過過濾和/或離心 進(jìn)行分離。回收包含瀝青和溶劑的液相，然后加熱并進(jìn)行常規(guī)蒸餾，以分離瀝青。蒸餾出的 溶劑可以返回提取鏈的上游，以再次與油砂混合。不管其復(fù)雜性，該方法性能有限，因?yàn)楦?據(jù)專利US 3993555的實(shí)施例，回收率僅為91 %。此外，由于大量使用溶劑，它的能量消耗相 當(dāng)大。此外，它具有使用可能是有害和生態(tài)毒性的有機(jī)溶劑這一主要缺點(diǎn)，這極大限制對該 方法的興趣。
[0022] 專利US 4498971公開了另一種從油砂提取瀝青的方法，結(jié)合使用溶劑的低溫研磨 來分離瀝青和砂。該方法由以下組成:將油砂冷卻到-10°C到-180°c，優(yōu)選約-60°c，將其進(jìn) 行研磨，并用150μηι的網(wǎng)孔篩分所生成的固體。一旦篩分，研磨的油砂分別為低于和高于150 μπι的兩種粒度測定術(shù)類別形式。這兩種類別利用溶劑進(jìn)行兩種獨(dú)立的處理途徑。將粒度測 定術(shù)高于150Μ1的重級分與正己烷混合并導(dǎo)致獲得可能脫瀝青的瀝青，同時(shí)獲得通過過濾 分離的瀝青。將粒度測定術(shù)低于150Μ1的輕級分也與正己烷混合。與瀝青混合的砂在傾析器 底部產(chǎn)生，液體濃縮物在傾析器頂部產(chǎn)生，其必須過濾，以將由"極性碳?xì)浠衔?和瀝青組 成的混合物與由脫瀝青油和正己烷組成的液體分離。然后蒸餾脫瀝青油/正己烷液體以回 收來源于輕級分處理的溶劑正己烷，用于總再循環(huán)。在重級分和輕級分的這些特定處理的 下游，脫瀝青的瀝青的兩種級分在線混合并進(jìn)行最后的脫瀝青，其采用第二溶劑正戊烷來 進(jìn)行。這種方法無可否認(rèn)是復(fù)雜的：整個(gè)方法在低溫下進(jìn)行，使用三個(gè)脫瀝青單元、低溫粗 研磨機(jī)、篩分步驟、具有至少三個(gè)大容量過濾器的過濾步驟并使用兩種必須回收和再循環(huán) 的石蠟溶劑。這在資本投資和能量方面導(dǎo)致非常昂貴的方法，且其相對于油砂的瀝青在碳 產(chǎn)量性能方面不能令人滿意。
[0023]因此上述用于從油砂提取瀝青的技術(shù)在瀝青回收率方面或在方法的成本和工業(yè) 可操作性方面不能導(dǎo)致令人滿意的結(jié)果。
[0024]申請人在國際專利申請WO 2013/139515中提議了一種用于處理油砂的方法，由以 下組成:使油砂與分離液在低于或等于瀝青的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的操作溫度下接觸并混合，所 述分離液的特定特征是在操作溫度和操作壓力下是液體。其尤其可以是液體二氧化碳。在 該接觸和混合之后，可以分離基本上包含油砂的礦物質(zhì)相的固相和基本上包含瀝青和分離 液的液相。然后從所述液相回收瀝青。該分離方法的優(yōu)點(diǎn)是其實(shí)施比迄今為止已經(jīng)進(jìn)行或 建議過的任何方法都簡單、是便宜的、可以不使用水以高產(chǎn)率從油砂回收瀝青。然而，發(fā)明 人發(fā)現(xiàn)瀝青和礦物質(zhì)相的分離可以進(jìn)一步改進(jìn)。
[0025] 發(fā)明目的和簡述
[0026]本發(fā)明尤其旨在提供用于處理油砂的方法，其可以以最大產(chǎn)量回收瀝青并因此獲 得不含瀝青的凈砂?？扇〉氖?，這種處理方法易于實(shí)