處理油砂的方法和實施這種方法的裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明的領域是油砂處理。本發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] 本發明還涉及用于實施這種方法的裝置。
【背景技術】
[0003] 油砂(也稱為"焦油砂"或"瀝青砂"）是由降解為瀝青和無機物的重油混合物組成 的碳氫化合物儲量。通常，油砂的瀝青含量為5 %-20 % (重量）。無機物基本上由砂組成，但 它也可以包含其他的無機化合物，例如粘土和水。為了增加油砂中所包含的瀝青，必須將它 與無機相分離。
[0004] 用于開拓這些儲量的常規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。這些洗滌操作耗費大量的水，盡管大量使用水循環，這些操作具有相當大的生 態影響，因為用過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。這些常規方法造成主要的環境問題。例如， 在加拿大艾伯塔目前將大規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質上是在非政府組織產生爭議后針對加拿大的第一環 保指令的主題（于2009年2月3日由"Energy Resources Conservation Board of Alberta" 批準的指令074)。因此，水資源、廢水的大規模瀉湖和生物多樣化普遍退化的問題對通過露 天采礦的常規方法開采油砂提出質疑。
[0005] 幾乎不使用水或不使用水的可選技術是已知的。
[0006] 作為倫敦安大略的UWO大學研究人員的較早研究的主題的第一種可選技術是低溫 提取油砂。所使用的技術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變溫 度"Tg 〃的溫度下變得脆性。瀝青的玻璃轉變溫度為_15°C到_40°C，且通常規定為約_20°C。 暴露于其玻璃轉變溫度或更低的溫度，油砂的瀝青級分分解成細顆粒，然后將其回收。這種 方法通常稱為低溫回收(或富集）。低溫提取可以與機械研磨步驟結合。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。該技術將在球磨機中研磨 冷凍油砂和通過流化床產生磨損(或淘析)結合，其中球刮擦流化柵格的表面，且將油砂連 續引入流化床并通過冷卻的氣態氮流化。通過用液體雙氮熱交換氣態氮獲得冷卻。由 Welmers等人開發的技術的主要缺點是，盡管瀝青回收率為約90%，提取結果的性能是有限 制的。事實上，根據Welmers等人，從包含14 %瀝青和86 %無機物的100噸干油砂中，該技術 僅提供21噸仍包含40 %礦物質和60 %瀝青的富集產物。因此，盡管富含瀝青，提取的最終產 物包含仍然太高比例的無機物以至于該技術不能成為通過洗滌提取的令人滿意的可選方 案。
[0008] 還基于結合低溫處理和機械處理，已經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，研磨可以干燥進行或在液體介質中進行，尤其在液體乙二醇的存在 下進行。
[0015] 該方法的實際效益是受限的，因為它由首先聚集油砂、然后研磨所得的聚集體組 成，這構成具有相反目的的兩個單元操作，兩者在能量和設備方面均是昂貴的。
[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瀝青和無機物之間的分離。全部在低溫下 進行的現有技術眾所周知的一系列單元操作也用于該方法中。后者以兩個研磨步驟開始， 其以常規的篩分、生成兩股粒徑不同的顆粒流結束:細顆粒流和粗顆粒流。然后將粗顆粒流 進行額外的研磨，其產生的額外量的細顆粒被添加至細顆粒的初始主流中。由于后者仍然 具有大量的無機物，使用之字形沖擊器和誘導渦流分離器將直徑通常低于5或ΙΟμπι的該顆 粒流進行兩次粉末工藝中常用的機械分離操作，所使用的裝置最后用靜電除塵器補充。
[0017] 與申請WO 2011/097735所公開的方法類似，根據CA 2738011的方法是完全機械 的、嚴格的氣體/固體方法，其中低溫通過冷氣的永久循環來保持。所述方法的特征在于極 高的復雜性，其必定是各種故障的來源，且因此涉及應用方面的高成本，例如與高的能量消 耗和運行可靠性的可能缺陷有關。此外，處理干的可燃粉末存在工業安全方面的嚴重風險。
[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，這是一種完全機械和嚴格的氣體/固體方法。該文獻 提及利用冷空氣、在壓力下是固體、液體或氣態的二氧化碳或液氮冷卻油砂的可能性。然 而，當使用液體二氧化碳時，專利申請US 2011/0297586聲稱后者一經與油砂接觸就轉化成 固體和氣態二氧化碳的混合物，然后固體二氧化碳在混合期間升華。因此該文獻僅提議暫 時使用二氧化碳僅用于盡快冷卻油砂。一旦已經進行這種冷卻，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 法作為嚴格的氣體/固體方法似乎非常精確，不涉及任何液體性質的分離液分離液。
[0019] 導致級分相對于初始的油砂在瀝青中產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具有各種重要的缺點。一方面，通過這些 方法進行的低溫研磨的富集不能提供具有滿意的材料產量和滿意的能效的不含礦物質的 瀝青，這需要使用順序處理以獲得不含無機化合物的碳氫化合物相。此外，已知低溫研磨技 術對于所處理油砂的性質非常敏感。事實上，由于與位置和所使用的礦石開采條件有關的 待處理的采礦來源的材料變化、特別是組成和機械、流變性或物理化學性能的變化，這些技 術提供的可靠性非常有限。還已知這三篇專利中描述的操作（研磨和細篩分、之字形沖擊 器、誘導渦流分離器、串聯排列的旋流器、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，而僅在工業上進行以生產小噸位的具有高附加值的非常純凈的（不粘的）產 物。
[0020] 基于利用溶劑與冷凍法結合的用于從油砂提取含瀝青的級分的其他技術是已知 的。
[0021] 專利US 3993555描述了一種技術，其包括使來源于露天采礦的油砂與熔點低于水 的熔點特別地甲苯的熔點的瀝青溶劑接觸。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 進行分離。回收包含瀝青和溶劑的液相，然后加熱并進行常規蒸餾，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。不管其復雜性，該方法性能有限，因為根 據專利US 3993555的實施例，回收率僅為91 %。此外，由于大量使用溶劑，它的能量消耗相 當大。此外，它具有使用可能是有害和生態毒性的有機溶劑這一主要缺點，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，優選約-60°c，將其進 行研磨，并用150μηι的網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的兩種粒度測定術類別形式。這兩種類別利用溶劑進行兩種獨立的處理途徑。將粒度測 定術高于150Μ1的重級分與正己烷混合并導致獲得可能脫瀝青的瀝青，同時獲得通過過濾 分離的瀝青。將粒度測定術低于150Μ1的輕級分也與正己烷混合。與瀝青混合的砂在傾析器 底部產生，液體濃縮物在傾析器頂部產生，其必須過濾，以將由"極性碳氫化合物"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。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行最后的脫瀝青，其采用第二溶劑正戊烷來 進行。這種方法無可否認是復雜的：整個方法在低溫下進行，使用三個脫瀝青單元、低溫粗 研磨機、篩分步驟、具有至少三個大容量過濾器的過濾步驟并使用兩種必須回收和再循環 的石蠟溶劑。這在資本投資和能量方面導致非常昂貴的方法，且其相對于油砂的瀝青在碳 產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在瀝青回收率方面或在方法的成本和工業 可操作性方面不能導致令人滿意的結果。
[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。該分離方法的優點是其實施比迄今為止已經進行或 建議過的任何方法都簡單、是便宜的、可以不使用水以高產率從油砂回收瀝青。然而，發明 人發現瀝青和礦物質相的分離可以進一步改進。
[0025] 發明目的和簡述
[0026]本發明尤其旨在提供用于處理油砂的方法，其可以以最大產量回收瀝青并因此獲 得不含瀝青的凈砂。可取的是，這種處理方法易于實