旋流氣浮一體化技術(shù)在油田污水處理中的應(yīng)用

馬 強(qiáng)，程 濤 ，朱夢(mèng)影 ，郭奕杉

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

渤海油田海上平臺(tái)含油污水處理一般選用斜板隔油器＋氣浮選＋核桃殼濾器＋雙介質(zhì)濾器常規(guī)四級(jí)處理流程，該技術(shù)在渤海油田廣泛應(yīng)用[1]。某FPSO設(shè)計(jì)之初，由于污水處理量大，如按常規(guī)四級(jí)處理設(shè)計(jì)，所需要的設(shè)備較多，需要平臺(tái)空間較大，經(jīng)過比選，選擇離心機(jī)進(jìn)行油田含油污水處理[2]。使用過程中，由于上游原油流程改變、沖砂影響等原因，離心機(jī)處理效果達(dá)不到預(yù)期要求。為了在FPSO有限空間的前提下對(duì)生產(chǎn)水流程進(jìn)行相應(yīng)改造，提高生產(chǎn)水處理效果，進(jìn)行了旋流氣浮一體化技術(shù)試驗(yàn)。

基于低強(qiáng)度旋流離心力場(chǎng)和氣浮組合原理，某公司推出緊湊型氣浮裝置（Compact Flotation Unit，CFU），該裝置具有成本低、效率高、易于操作、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[3]。用來分離油、氣、水，從而達(dá)到生產(chǎn)水處理標(biāo)準(zhǔn)。它不需要額外的能量，同時(shí)，CFU也具有更小的體積、質(zhì)量，跟傳統(tǒng)氣浮裝置相比更小的停留時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)[3，4]。相比于傳統(tǒng)分離技術(shù)，CFU在更低的花費(fèi)同時(shí)，表現(xiàn)了更高的處理量和更好的性能[5]。

1 緊湊型氣浮裝置介紹

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

CFU從外形上看是一個(gè)圓柱形容器，主要由圓柱容器、圓柱內(nèi)筒、螺旋導(dǎo)片、水平圓板、切向入口以及油氣出口、處理水出口、泥砂出口等組成[4]（見圖1）。圓柱內(nèi)筒在圓柱容器中心同軸中上部，目的是為旋轉(zhuǎn)提供環(huán)形旋流空間，同時(shí)為水和油氣提供通道；螺旋導(dǎo)片是CFU的核心部件，引導(dǎo)含油污水流螺旋流動(dòng)；水平圓板安裝在圓柱容器下方，主要作用是防止渦流并可以起到一定的緩流作用；油氣出口位于圓柱容器頂部，油氣通過接入罐內(nèi)的短管排出，處理水和泥砂出口位于圓柱容器底部，其中泥砂出口可以連續(xù)或間歇排出罐內(nèi)泥砂，也可以作為維修時(shí)的排污口。

圖1 緊湊型氣浮裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

CFU是一種基于低強(qiáng)度旋流離心力場(chǎng)和氣浮組合原理的裝置，含油污水在容器內(nèi)運(yùn)移過程中，油和浮渣等聚結(jié)凝聚，從而從水中分離出來[6]。CFU運(yùn)行原理（見圖2），罐體入口前有一個(gè)氣液混合器，含油污水進(jìn)入罐體前按約0.1 m3/m3原水比例注入氮?dú)?，注氣污水首先進(jìn)入混合器，使氣體均勻分散在污水中。含氣污水從切向入口進(jìn)入罐內(nèi)，入口管道逐漸減小從而提高流速，流體沿著罐外壁水平方向正切進(jìn)入罐內(nèi)，在螺旋導(dǎo)片作用下形成旋流運(yùn)動(dòng)，此時(shí)離心加速度為8～10倍重力加速度，流速增大導(dǎo)致流體壓力減小，污水中溶解氣和先前注入的氮?dú)庾兂奢^大氣泡釋放出來，與油、小顆粒浮渣等向旋流中心運(yùn)移上升，在罐內(nèi)水面形成一層油和浮渣層，在壓力作用下通過罐體頂部油氣出口排出，頂部排液含油0.5%～10%，流量約在液體總量的1%。處理后的水由旋流導(dǎo)片和內(nèi)筒之間的通道流向罐底，經(jīng)水平圓板防渦緩沖之后排出罐外，流體在罐內(nèi)停留時(shí)間約為30 s。為了提高處理效果，CFU使用中常常配合注入混凝劑進(jìn)行水處理[7，8]。

圖2 CFU運(yùn)行原理圖

2 CFU現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 流程介紹

某FPSO水處理流程（見圖3），來自分離器和砂系統(tǒng)的含油污水進(jìn)入閃蒸罐，低壓閃蒸脫出一部分氣并簡(jiǎn)單撇油之后，經(jīng)雙螺桿水泵增壓、自動(dòng)反洗濾器過濾后進(jìn)入水處理核心設(shè)備水離心機(jī)，經(jīng)過離心機(jī)離心作用，除去油、小顆粒浮渣等雜質(zhì)后進(jìn)入緩沖罐緩沖，后經(jīng)注水增壓泵增壓后與處理后的海水混合進(jìn)入下游平臺(tái)深入處理后增壓回注。

運(yùn)行期間，由于上游原油流程改變和分離器沖砂等原因，分離器來液含油量和含砂量波動(dòng)較大，導(dǎo)致水離心機(jī)故障率高，處理常常達(dá)不到處理要求（水中含油率不大于30 mg/L、固體懸浮物濃度不大于10 mg/L，粒徑中值不大于4 μm）。為了尋找適合油田生產(chǎn)水處理的方法，進(jìn)行CFU試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)施

該試驗(yàn)設(shè)備由一個(gè)兩級(jí)CFU組成，設(shè)計(jì)容量20m3/h，在流程生產(chǎn)水濾器下游和注水增壓泵下游分別接入流程測(cè)試（見圖3），生產(chǎn)水濾器下游注入到CFU的壓力是0.35 MPa，生產(chǎn)水注水增壓泵注入到CFU的壓力是1.2 MPa。每個(gè)CFU上游注入氮?dú)獗ＷC氣浮效果，注氣量0.1 m3/m3原水，在CFU入口和一、二級(jí)出口設(shè)置取樣點(diǎn)。在CFU試驗(yàn)前，開展了絮凝劑陸地上化學(xué)藥劑篩選，選擇最合適的絮凝劑。絮凝劑能增加油滴尺寸中值，增大CFU除油效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 生產(chǎn)水濾器下游

將CFU接入生產(chǎn)水濾器下游試驗(yàn)期間，每4小時(shí)對(duì)進(jìn)口、一、二級(jí)出口取樣化驗(yàn)，共化驗(yàn)32次，化學(xué)藥劑注入濃度為10 mg/L。試驗(yàn)中觀察到生產(chǎn)水中含有乳化油，具有相當(dāng)高的水中含油率，而且變化范圍比較大；試驗(yàn)期間在CFU入口處也發(fā)現(xiàn)砂，由于沒有試驗(yàn)裝備可用來標(biāo)定砂的尺寸或含量，很難確定砂對(duì)乳狀液穩(wěn)定性的影響。由于砂、閃蒸罐生產(chǎn)水界面不穩(wěn)定等條件使生產(chǎn)水濾器下游水質(zhì)量變化很大，生產(chǎn)水入口含油率高，但CFU持續(xù)表現(xiàn)出一個(gè)很好的除油效果（見圖4、圖5）。

圖3 生產(chǎn)水系統(tǒng)示意圖

圖4 生產(chǎn)水濾器下游CFU試驗(yàn)中各取樣點(diǎn)水中含油率

圖5 生產(chǎn)水濾器下游CFU測(cè)試各測(cè)試點(diǎn)除油率

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，生產(chǎn)水濾器下游CFU入口最高水中含油率變化很大，最大含量達(dá)3 900 mg/L，最低含油率410 mg/L；經(jīng)過兩級(jí)CFU處理，水中含油率最低可以處理到10 mg/L。試驗(yàn)過程中，平均除油率97.5%，最大除油率99.5%，最低除油率93.3%。CFU處理效果照片（見圖6），其中圖6（a）展示低含油率情況下CFU處理效果，入口水中含油率為410 mg/L，二級(jí)出口水中含油率為29 mg/L，圖6（b）展示高含油率情況下CFU處理效果，入口水中含油率為2 500 mg/L，二級(jí)出口水中含油率為16 mg/L。

圖6 CFU處理效果圖

圖7 生產(chǎn)水注水增壓泵下游CFU試驗(yàn)中各取樣點(diǎn)水中含油率

圖8 生產(chǎn)水注水增壓泵下游CFU測(cè)試各測(cè)試點(diǎn)除油率

分離器沖砂是該FPSO每天日常工作的一部分，分離器沖砂會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)水中油包砂型浮渣增多、水中含油率增大。觀察沖砂后CFU運(yùn)行狀況也表明，沖砂對(duì)CFU運(yùn)行影響很小，CFU仍能有效降低入口水中含油率至30 mg/L以下，這充分證明了CFU的適用性。

3.2 生產(chǎn)水注水增壓泵下游

與在生產(chǎn)水濾器下游試驗(yàn)相似，生產(chǎn)水注水增壓泵下游試驗(yàn)期間，每4小時(shí)對(duì)進(jìn)口、一、二級(jí)出口取樣化驗(yàn)，共化驗(yàn)6次。試驗(yàn)過程中觀察到，相比較于生產(chǎn)水濾器下游水質(zhì)，生產(chǎn)水注水增壓泵下游水質(zhì)含油量比較低，而且含油量變化范圍相對(duì)小，但是經(jīng)過水離心機(jī)和離心式生產(chǎn)水注水增壓泵的剪切力作用，生產(chǎn)水注水增壓泵下游生產(chǎn)水中含有更多穩(wěn)定的乳化油，處理難度增大。預(yù)選的化學(xué)藥劑在不同速度下測(cè)試之后，微調(diào)CFU處理設(shè)備，化學(xué)藥劑注入濃度為5 mg/L時(shí)處理效果最好?；瘜W(xué)藥劑破壞乳化液穩(wěn)定性，提高了處理效果，但是CFU出口水仍舊有棕色的環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果（見圖7、圖8）。

生產(chǎn)水注水增壓泵下游水中含油率相對(duì)穩(wěn)定，最大含量460 mg/L，最小含量380 mg/L，平均含油量427 mg/L；經(jīng)過兩級(jí)CFU處理，優(yōu)化化學(xué)藥劑注入量后水中含油率最低可以處理到90 mg/L，最大除油率80%，平均除油率67.2%，表現(xiàn)出較好的除油效果。

通過觀察CFU試驗(yàn)，可以明顯看出，由于上游流程條件原因，蓬勃FPSO生產(chǎn)水質(zhì)量變化比較大，比較兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)可以看出，上游條件對(duì)水處理效果影響比較大，尤其是注水泵下游注入點(diǎn)，由于離心機(jī)、離心式注水增壓泵的剪切力作用，微小的油包砂在水中變成穩(wěn)定乳化油，使油水分離復(fù)雜化。

4 結(jié)論

（1）由于上游流程條件原因，蓬勃FPSO生產(chǎn)水質(zhì)量變化比較大，相比較于離心機(jī)，旋流氣浮一體化CFU有更好的除油效率，同等工況下，CFU平均除油效率97.2%，處理后水中含油率小于30 mg/L。

（2）使用旋流氣浮一體化CFU解決生產(chǎn)水問題靠近上游相比靠近下游更有效，可以避免泵等設(shè)備的剪切力作用下增加水中含油的穩(wěn)定性，從而增大處理難度。

（3）試驗(yàn)期間，尤其是生產(chǎn)水濾器試驗(yàn)期間，使用旋流氣浮一體化CFU表現(xiàn)出較好的除油效果，而且在沖砂等導(dǎo)致上游流程變化時(shí)仍能表現(xiàn)出較高除油率，有很好的穩(wěn)定性和適用性。

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