自20世紀(jì)30年代以來,人們就設(shè)想在重油及其它燃料油中摻水乳化,制成乳化燃料以改善燃油的燃燒性能,節(jié)省油料。國內(nèi)外大量的試驗(yàn)研究表明,乳化油能改善油品霧化、蒸發(fā)和燃燒狀況,具有燃燒充分、熱效率高、節(jié)省燃料、煙塵和廢氣中有害成分大大減少等特點(diǎn),并且可以減少爆震和殘?zhí)?/SPAN>,降低設(shè)備的機(jī)械磨損[1~5]。基于乳化油的上述特點(diǎn),各國非常重視乳化燃料油的研究,每年都有大量乳化燃料油的文獻(xiàn)報(bào)道。然而到目前為止,真正投入應(yīng)用的還較少,究其原因主要是乳化油的穩(wěn)定性差,乳化成本高于節(jié)省下來的燃料油價(jià)格。盡管如此,有關(guān)專家仍認(rèn)為乳化油是21世紀(jì)的主要能源之一。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展很快,許多行業(yè)大量應(yīng)用燃油,如電場調(diào)峰、鋼鐵廠、陶瓷廠、玻璃廠、大賓館的燃油鍋爐、各大油田的燃油鍋爐等。同世界上許多國家一樣,我國石油資源相對短缺,而且目前國際石油價(jià)格一再攀升,柴油供應(yīng)偏緊,渣油、重油及稠油產(chǎn)量日增,若能利用乳化技術(shù),將重油、稠油等制成乳化燃料油,其經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。

我國遼河油田冷東稠油粘度大,膠質(zhì)含量高、殘?zhí)恐蹈?/SPAN>,加工困難,單獨(dú)用做燃料油燃燒效果差,進(jìn)行一次加工效益不大。其性質(zhì)及原油餾分收率見表1。

我們針對冷東稠油進(jìn)行了乳化研究,通過對20余種合成和其它工廠提供的乳化劑樣品的復(fù)配和篩選,發(fā)現(xiàn)以遼河油田煉廠減二線餾分油為原料經(jīng)磺化、復(fù)配所得到的6種乳化劑乳化性能較好,并經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)和篩選,最終確定LPS-Id為制備冷東稠油乳化油的乳化劑。通過正交試驗(yàn),考察了以LPS-Id為乳化劑乳化制備冷東稠油乳化油的具體工藝條件,在得到優(yōu)化工藝條件的基礎(chǔ)上,對制得的乳化油按國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果顯示均達(dá)到了相關(guān)國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的性能指標(biāo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要試劑和儀器

1.1.1 主要試劑

冷東稠油(遼河冷東稠油),減二線油(遼河油田煉油廠),乳化劑樣品(有關(guān)工廠提供),其它試劑為市售化學(xué)試劑。

1.1.2 主要儀器

超級(jí)恒溫水浴(CS501型,重慶試驗(yàn)設(shè)備廠),高剪切混合乳化機(jī)(BME-1001型,上海威宇機(jī)電制造有限公司),坎農(nóng)-芬斯克粘度計(jì),閉口閃點(diǎn)測定器(SYD-1002-I,上海石油儀器廠),透明玻璃恒溫水浴,離心沉淀器(80-2型,上海手術(shù)器械廠)。

1.2 LPS-I系列乳化劑的制備

稱取一定量的減二線油,置于自制的磺化反應(yīng)器中,控制反應(yīng)溫度在30~35℃,在攪拌良好的條件下緩慢通入SO₃氣體,反應(yīng)完成后,直接用40%的NaOH溶液中和,可得淺棕色粘稠產(chǎn)物LPS。然后以LPS為主劑再與其它表面活性劑復(fù)配,即得試驗(yàn)用LPS系列乳化劑。

其它乳化劑,除工廠樣品外,均由表面活性劑或由它們彼此復(fù)配而成。

1.3 乳化油制備

用燒杯稱取一定量的冷東稠油,置于適當(dāng)溫度的水浴中緩慢攪拌下預(yù)熱20min,使油溫升高到預(yù)定溫度。然后在高速攪拌下,將事先配置好的一定濃度的乳化劑按一定的質(zhì)量比在2~3min內(nèi)滴加到稠油中,再繼續(xù)高速攪拌45min左右,即制得乳化油。

1.4 乳化劑的篩選

先將乳化劑加適量的自來水配制成所需濃度的乳化劑溶液,按1.3乳化油的制備方法制得乳化油,通過觀察乳化油的外觀狀態(tài)、流動(dòng)性和在強(qiáng)制離心下油水分離的情況等幾個(gè)方面判斷乳化油的乳化性能,并進(jìn)行篩選。

1.5 工藝條件正交試驗(yàn)

選擇乳化劑加量、含水量、油溫和水溫等為試驗(yàn)因素,各選4個(gè)水平,以乳化油在80℃時(shí)的粘度為試驗(yàn)的定量考察指標(biāo),采用L₁₆(4⁵)正交表,確定在試驗(yàn)條件下制備乳化燃料油的主要影響因素。

1.6 乳化油性能評價(jià)

乳化油性能評價(jià)均按有關(guān)國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。運(yùn)動(dòng)粘度的測定按GB/T265;水分的測定按GB/T260-72;凝點(diǎn)測定按GB/T510;硫含量的測定按GB/T387;閃點(diǎn)測定按GB/T267;灰分的測定按GB/T508;機(jī)械雜質(zhì)的測定按GB/T511-88;粒度和儲(chǔ)存穩(wěn)定性按Q/LH-SH-0439-1996測定;RBC-1型轉(zhuǎn)動(dòng)彈測定熱值。

2結(jié)果與討論

2.1 LPS-Ⅰ系列乳化劑的制備遼河油田煉油廠減二線油含有大量可磺化的芳烴,可磺化成分占70%左右。以其為原料經(jīng)磺化、中和可得到LPS表面活性劑。以LPS為主劑經(jīng)與其它表面活性劑、降粘劑等復(fù)配即得到LPS-Ⅰ系列乳化劑。該系列乳化劑相對于其它乳化劑具有乳化性能好、原料易得、制備方法簡單、成本低等特點(diǎn)。其它乳化劑除工廠產(chǎn)品外,均由表面活性劑、降粘劑等復(fù)配而成。

2.2 乳化劑的篩選

乳化劑的乳化性能直接影響乳化油的性質(zhì),制備性能優(yōu)良的乳化油必須有優(yōu)良的乳化劑為先決條件。為了篩選出乳化性能較好的乳化劑,我們對20余種不同類型的乳化劑進(jìn)行了篩選,結(jié)果發(fā)現(xiàn)以LPS為主劑復(fù)配得到的LPS-Ⅰ系列乳化劑乳化性能較好,所制得的乳化油外觀狀態(tài)均勻、流動(dòng)性及穩(wěn)定性較好。為此我們對乳化性能較好的LPS-Ⅰ系列乳化劑本著價(jià)格低廉、復(fù)配工藝簡單、乳化性能好的原則經(jīng)進(jìn)一步復(fù)配和篩選,通過對在相同條件下制備的乳化油的性能考察,以確定乳化劑的乳化性能,并以此選定乳化劑,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可以看出,乳化劑LPS-Id的乳化性能較其它4種好,制備的乳化油外觀特別均勻、細(xì)膩、流動(dòng)性好,因此選LPS-Id作為冷東稠油的乳化劑。

2.3 乳化油制備工藝條件正交試驗(yàn)

除乳化劑的性質(zhì)影響乳化油的性能外,乳化油制備的工藝條件也可影響乳化油性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和有關(guān)文獻(xiàn)資料報(bào)道,我們選擇乳化劑含量、含水量、油溫、水溫為因素,各選4個(gè)水平,以80℃時(shí)乳化油的運(yùn)動(dòng)粘度為試驗(yàn)指標(biāo),在乳化劑含量(A)為0.5‰、1.5‰、3.0‰、4.5‰,含水量(B)為5%、10%、15%、20%,油溫(C)為75℃、80℃、85℃、90℃,水溫(D)為70℃、75℃、80℃、85℃的范圍內(nèi)進(jìn)行L16(45)正交試驗(yàn),試驗(yàn)安排及結(jié)果、直觀分析見表3、表4。

從表4中極差數(shù)據(jù)可清楚看出含水量、乳化劑含量及油溫對乳化油的粘度影響較大,特別是含水量對乳化油的粘度影響最為顯著。在乳化油穩(wěn)定的前提下,應(yīng)保證其具有較小的粘度。當(dāng)乳化劑含量在4‰、含水量在10%、油溫為85℃、水溫為75℃時(shí)制得的乳化油粘度最低,可滿足這一要求。

2.4 乳化劑含量對乳化油性質(zhì)的影響

由于乳化劑含量是影響乳化油性質(zhì)的主要因素之一,為進(jìn)一步了解乳化劑含量對乳化油性質(zhì)的影響,我們在固定含水量為10%,油溫85℃、水溫75℃的條件下,做了乳化劑含量對乳化油的穩(wěn)定性和粘度的影響試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)乳化劑含量在3‰~7‰時(shí),制得的乳化油在85℃保存10h無水分出,且乳化油外觀均勻、細(xì)膩,其粘度與乳化劑含量的關(guān)系見圖1。

圖1顯示隨乳化劑含量的增加乳化油的粘度減小,當(dāng)含量達(dá)到3.5‰~4‰之間時(shí),乳化油運(yùn)動(dòng)粘度最低,以后又隨著乳化劑含量的增加而增大。因此乳化劑含量選在3.5‰~4.0‰之間較為適宜。

2.5 含水量對乳化油性質(zhì)的影響

我們在固定乳化劑含量為4‰,油溫85℃、水溫75℃的條件下,考察乳化油的穩(wěn)定性和粘度與含水量的關(guān)系。當(dāng)水含量在2%~14%時(shí),制得的乳化油在85℃保存10h無水分出,且乳化油外觀細(xì)膩均勻;當(dāng)水的含量為16%~18%時(shí),85℃保存10h有少量水分出。制備的乳化油的粘度與含水量的關(guān)系見圖2。由圖2可以清楚的看出,乳化油的粘度隨含水量的增加而呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢。綜合考慮粘度和穩(wěn)定性等因素,我們確定含水量選在8%~12%。

2.6 乳化油性能評價(jià)

為降低乳化油的粘度,我們在LPS-Id乳化劑中適當(dāng)?shù)卦黾咏嫡硠┑谋壤?/SPAN>,在選定的制備工藝條件下制得了乳化油,按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行了綜合評價(jià),結(jié)果見表5。

由表5看出,乳化油的性能指標(biāo)均達(dá)到或超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),特別是熱值比企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高5600kJ/kg,高于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16.7%。

3 結(jié)論

(1)以遼河油田煉油廠減二線油為原料,經(jīng)磺化、復(fù)配所得的乳化劑LPS-Id是遼河油田冷東稠油乳化制備乳化油的良好乳化劑,在確定的條件下制得的乳化油的性能指標(biāo)均達(dá)到或超過了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),特別是熱值比企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高5600kJ/kg,高于企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16.7%。

(2)以LPS-Id為乳化劑乳化遼河油田冷東稠油制備乳化燃料油的適宜工藝條件為:乳化劑含量3‰~4‰,含水量8%~10%,油溫為85℃,水溫為75℃。

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