Obróbka pianą (piaski roponośne Athabasca)
Obróbka spienianym bitumem to proces stosowany w operacjach odzyskiwania bitumu z piasków roponośnych Athabasca (AOS) w celu usunięcia drobnych substancji nieorganicznych — wody i cząstek mineralnych — z piany bitumicznej poprzez rozcieńczanie asfaltu lekkim rozpuszczalnikiem węglowodorowym — naftenowym lub parafinowym — w celu zmniejszenia lepkości piany i usunięcia zanieczyszczeń, które nie zostały usunięte w poprzednich fazach odzyskiwania grawitacyjnego na bazie wody. Asfalty o dużej lepkości lub zbyt dużej ilości zanieczyszczeń nie nadają się do transportu rurociągami lub rafinacji. Oryginalna i konwencjonalna obróbka piany naftenowej (NFT) wykorzystuje rozpuszczalnik nafty z dodatkiem chemikaliów. Uzdatnianie piany rozpuszczalnikiem parafinowym (PSFT), które po raz pierwszy zastosowano komercyjnie w piaskach albu na początku XXI wieku, skutkuje czystszym bitumem o niższym poziomie zanieczyszczeń, takich jak woda i ciała stałe mineralne. Po obróbce spienianiem bitum można dalej uszlachetniać za pomocą „ciepła do produkcji syntetycznej ropy naftowej za pomocą jednostki koksowania”.
Tło
Piasek roponośny składa się z matrycy stałego materiału mineralnego — piasku kwarcowego i glin, wody oraz węglowodoru , bitumu , który jest najcięższą formą ropy naftowej. Według Instytutu Narodów Zjednoczonych ds. Szkoleń i Badań lepkość normalna asfaltu jest większa niż 10 mPa·s, a jego gęstość jest większa niż 1000 kg/m 3 . Piaski roponośne przed obróbką składają się z drobnych cząstek mułu i gliny o wielkości nieprzekraczającej 44 mikronów oraz gruboziarnistych cząstek piasku i skał, które są większe niż 44 mikrony. Każde ziarno piasku kwarcowego, który jest niezwykle ścierny i ma kanciasty kształt, jest „całkowicie otoczone bitumem”. Każde ziarno piasku jest otoczone cienką warstwą wody, a bitum pokrywa warstwę wodną i kanciaste ziarno piasku. Pokryte bitumem i wodą ziarna piasku kwarcowego sklejają się. Nieleczone wysoce ścierne piaski roponośne mogłyby uszkodzić rurociągi, ciężarówki i cały sprzęt używany w górnictwie i operacjach. Również lepkość asfaltu zmienia się wraz z ciepłem i zimnem. Jest jak melasa, gdy jest ciepła i zamarza, gdy jest zimna. Asfalt jako węglowodór, uważany jest za cenny surowiec energetyczny. Im więcej bitumu w złożu piasków roponośnych, tym jest on cenniejszy. Jeśli złoże zawiera mniej niż 6% asfaltu, nie warto go wydobywać. Złoże piasków roponośnych musi zawierać co najmniej 18% bitumu, aby było opłacalne ekonomicznie.
Zgodnie z artykułem z 2004 roku w Canadian Journal of Chemical Engineering (CJCE) produkcja bitumu w 2004 r. obejmowała sześć powiązanych ze sobą i zintegrowanych procesów lub jednostek — wydobycie, usługi komunalne, wydobycie, obróbkę piany, gospodarkę wodną, osady osadowe piasków roponośnych i modernizację. . Spienianie jest częścią zintegrowanego procesu.
Ze względu na wysoką lepkość ciężki olej jest znacznie trudniejszy w produkcji i transporcie. Lepkość — „wewnętrzny opór stawiany przepływowi płynu” — jest właściwością fizyczną ropy naftowej — i ważnym parametrem w opracowywaniu i projektowaniu rurociągów do ostatecznego odzyskiwania ropy i efektywnego przepływu płynów. Lepkość jest jedną z ciśnienia-objętości-temperatury (PVT), która jest szacowana na różnych etapach poszukiwania, produkcji, odzyskiwania i transportu ropy naftowej.
W bitumie asfalteny , które często określa się jako frakcję, której nie można rozpuścić w n-heptanie , mają negatywny wpływ na operacje związane z piaskiem roponośnym — „nadają surowym olejom wysoką lepkość” i mogą powodować „niezliczone problemy produkcyjne”. Asfalteny to substancje molekularne występujące w ropie naftowej wraz z nasyconymi węglowodorami nasyconymi, takimi jak alkany , węglowodory aromatyczne i żywice , znane jako (SARA) .
Pierwszym etapem procesu wydobycia, stosowanym przez operatorów piasków roponośnych w operacjach komercyjnych, jest zmodyfikowany proces ekstrakcji gorącą wodą Clarka (CHWE), który został opracowany przez Karla Adolfa Clarka (1888–1966) w latach dwudziestych XX wieku. Zgodnie z Oil Sands Magazine z 2017 r., po oddzieleniu pianki bitumicznej przy użyciu pierwszego etapu procesu odzyskiwania bitumu — separacji grawitacyjnej na bazie wody — roztwór zawiera średnio „60% bitumu, 30% wody i 10% drobnych cząstek stałych. " Naczynie do separacji grawitacyjnej — komora do separacji pierwotnej (PSC), naczynie do separacji pierwotnej (PSV) lub komora SepCell — odzyskuje 90% bitumu. Podczas tego procesu powstaje piana bitumiczna. Piana jest silnie napowietrzona — pełna pęcherzyków powietrza — i wymaga odpowietrzenia, zanim będzie można ją przepompować do zbiornika do przechowywania piany.
Drugim etapem jest obróbka pianą. Jakość pianki bitumicznej przed obróbką spienianiem - separacją grawitacyjną na bazie rozpuszczalnika - jest „zbyt niska, aby mogła być przetwarzana przez zakład uszlachetniający lub rafinerię”. Sama separacja grawitacyjna na bazie wody nie jest w stanie usunąć pozostałych zanieczyszczeń, które zawierają od 10 do 15% ciał stałych i do 40% wody.
Obróbka pianą wykorzystuje lekki węglowodór do obniżenia lepkości asfaltu, uwalniając drobne cząstki i wodę, co skutkuje czystszym strumieniem rozcieńczonego asfaltu.
Nieorganiczne zanieczyszczenia mineralne wielkości mikrometrów w pianie bitumicznej, po pierwszym etapie przetwarzania, składają się z drobnego mułu i gliny oraz „kropelek emulsji woda w oleju”. Te kropelki, powstające podczas procesu ekstrakcji bitumu na bazie wody, są najtrudniejsze do usunięcia.
Te zemulgowane kropelki wody są dodatkowo stabilizowane przez mikrocząsteczki piasku kwarcowego. Emulsje typu woda w oleju są „łatwe do destabilizacji” po usunięciu drobnych cząstek mineralnych. Podczas skutecznego procesu usuwania piany drobne – mikrocząsteczki minerałów tworzą większe agregaty, co ułatwia destabilizację zemulgowanych kropelek wody.
Podczas zintegrowanej obróbki pianą do piany dodaje się lekki węglowodór — rozpuszczalnik naftenowy lub parafinowy — w celu zmniejszenia lepkości bitumu i usunięcia drobnych cząstek nieorganicznych przy bardziej „skutecznej separacji grawitacyjnej”.
A 2013, American Chemical Society (ACS) opisał obróbkę pianą bitumiczną jako „zintegrowany etap procesu w operacjach odzyskiwania bitumu z piasków roponośnych Athabasca. Jej celem jest oddzielenie ciał stałych mineralnych i wody od piany bitumicznej. Pianka bitumiczna jest rozcieńczana naftenem lub rozpuszczalniki parafinowe w celu obniżenia jego lepkości w celu ułatwienia separacji Obróbka spienianego asfaltu polega na „usuwaniu substancji nieorganicznych (cząstek minerałów i kropelek wody) z roztworu rozpuszczalnika organicznego bitumu”.
Stosunek rozpuszczalnika do bitumu (S/B) zmienia dynamikę emulsji bitumu rozcieńczonego woda- dilbit .
Do 2006 roku w prowincji Alberta istniały dwa skomercjalizowane procesy obróbki pianą. W tamtym czasie nazywano je „Procesem Syncrude”, który obejmował „rozcieńczanie rozpuszczalnikiem aromatycznym, a następnie wirowanie” oraz „Proces Albian”, który obejmował „rozcieńczanie rozpuszczalnikiem parafinowym, a następnie osadzanie grawitacyjne”.
Po procesie spieniania asfalt może wymagać dalszego uszlachetniania, zanim będzie mógł być transportowany rurociągami. Procesory wykorzystujące nowszą technologię Paraffinic Solvent Foth Treatment (PSFT), która jest używana komercyjnie od 2002 roku, nie wymagają już tego etapu modernizacji, co oznacza znaczną redukcję kosztów przetwarzania. Oryginalna – i bardziej konwencjonalna – obróbka piany naftenowej (NFT) wymaga ungradera.
Aby wyprodukować nadającą się do sprzedaży syntetyczną ropę naftową z bitumu z piasków roponośnych, ciężki olej może być przetwarzany tylko w specjalnych rafineriach, które obejmują złożony uszlachetniacz oleju ciężkiego z jednostką koksowania . W Kanadzie Regina, Saskatchewan - Co-op Refinery Complex - dawniej Consumers Co-operative Refinery Limited (CCRL) - posiada sekcję uszlachetniania oleju ciężkiego w zakładzie z niezbędną jednostką koksowania zdolną do przetwarzania produktu z piasków roponośnych, takiego jak Ciężki olej Lloydminster, który jest składnikiem Western Canadian Select (WCS).
Obróbka piany naftenowej (NFT)
Oryginalna i konwencjonalna obróbka pianą wykorzystuje solwent naftę z dodatkiem chemikaliów destabilizujących emulsję. Przez trzydzieści lat, od lat 70. do początku XXI wieku, jedyną dostępną technologią odzyskiwania bitumu w przemyśle piasków roponośnych była obróbka pianą naftenową (NFT).
W artykule opublikowanym w 2002 roku w czasopiśmie Chemosphere , który był cytowany ponad 100 razy, autorzy stwierdzili, że kwasy naftenowe są obecne w piaskach roponośnych Athabasca (AOL) w wodzie osadowej (TPW) w szacowanym stężeniu 81 mg/l ., co jest zbyt niskim poziomem, aby TPW można było uznać za realne źródło komercyjnego odzysku. Przeanalizowali opartą na rozpuszczalnikach procedurę laboratoryjną opracowaną w celu „wydajnej ekstrakcji kwasów naftenowych z masowych objętości osadów poflotacyjnych piasków roponośnych Athabasca (TPW)”. Ci sami autorzy opublikowali często cytowany artykuł z 2001 r. w Society of Toxicology 's Toxicological Sciences , w którym stwierdzili, że „kwasy naftenowe są najbardziej znaczącymi zanieczyszczeniami środowiska wynikającymi z wydobycia ropy naftowej ze złóż piasków roponośnych”. Odkryli, że „w najgorszych warunkach narażenia ostra toksyczność jest mało prawdopodobna u dzikich ssaków narażonych na kwasy naftenowe” w [piaskach roponośnych Athabasca] (AOS) w wodzie ze zbiornika poflotacyjnego, „ale powtarzające się narażenie może mieć niekorzystne skutki zdrowotne”.
Piana parafinowa (PFT)
W 1990 r., dzięki badaniom przeprowadzonym przez firmę CanmetENERGY, opracowano obróbkę piany rozpuszczalnikiem parafinowym (PSFT). Firma Syncrude opatentowała ten proces w 1994 r. i „udostępniła prawa do użytkowania wszystkim członkom konsorcjum obróbki piany z piasków roponośnych, umożliwiając wdrożenie tego procesu w innych operacjach związanych z piaskami roponośnymi”.
PFT zmniejsza „lepkość asfaltu, umożliwiając usuwanie wody i ciał stałych przez separację grawitacyjną”. Wytrąca również asfalteny , które wiążą się z wodą i ciałami stałymi, co skutkuje czystszym asfaltem, który jest „praktycznie wolny od zanieczyszczeń”. Tworzy to czystszy asfalt z niższymi poziomami zanieczyszczeń wodnych i mineralnych.
W 2011 roku firma SNC Lavalin zawarła kontrakt o wartości 650 milionów CAD na budowę zakładu PSFT w regionie piasków roponośnych Athabaska w 2012 roku, pierwszego w kanadyjskim przemyśle zajmującym się piaskami roponośnymi.
Pierwsza komercjalizacja obróbki pianą parafinową (PFT) została podjęta przez projekt Athabasca Oil Sands Project (AOSP) w gminie regionalnej Wood Buffalo na początku XXI wieku. AOSP, znana również jako Albian Sands — jest spółką joint venture pomiędzy Canadian Natural Resources (CNRL) (70%), Chevron Canada (20%) i Shell Canada (10%) AOSP składa się z Muskeg River Mine, Jack Pine Mine i Ulepszacz Scotford. CNRL kupiło akcje Shella w 2017 roku.
Technologia PSFT jest również używana w kopalni Kearl Oil Sands należącej do Imperial Oil oraz w kopalni odkrywkowej piasków roponośnych firmy Teck Resources w Fort Hills. Teck planuje wykorzystać go w planowanej masowej operacji wydobycia piasków roponośnych Frontier. Według Tecka technologia PSFT, która eliminuje stosowanie ulepszacza, ma „niższą intensywność emisji gazów cieplarnianych niż około połowa ropy rafinowanej obecnie w USA”.
Do 2011 r. przewidywane koszty „mega-kopalni” Kearl firmy Imperial Oil wzrosły do „10,9 mld CAD w porównaniu z początkowymi szacunkami 8 mld CAD”. Imperial obniża koszty, stosując technikę spieniania „zamiast budować uszlachetniacz do przetwarzania surowego bitumu”.
Istnieje wiele projektów badawczych dotyczących ulepszania i oceny innowacji w obróbce piany.
Przepisy prawne
Finansowany przez przemysł i upoważniony przez rząd prowincji Alberta Energy Regulator (AER) reguluje wydobycie bitumu w prowincji. Dyrektywa AER 082: Kryteria operacyjne – Wymagania dotyczące odzyskiwania zasobów dla kopalni i zakładów przetwórczych piasków roponośnych określa minimalne wskaźniki odzysku dla wszystkich operacji związanych z piaskami roponośnymi w prowincji. Złoża piasków roponośnych mają różne gatunki rud, przy czym niektóre mają wyższą zawartość bitumu niż inne.