海上平臺含油污泥減量化處理工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王巖松 張子臣 陳衛(wèi)江

中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司

目前，國內(nèi)擁有海洋石油平臺205座、浮式平臺15個(gè)，鉆井平臺每年都會(huì)產(chǎn)生大量的含油污泥，作業(yè)公司要投入大量的人力、物力去運(yùn)送這些含油固廢污泥至陸地處理，因此，污泥處理逐漸成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)[1-2]。含油污泥脫水效果差，污泥成分和物理性質(zhì)受污水水質(zhì)、處理工藝、加注藥劑等因素影響，差異性大，處理難度高；且有些含油污泥含有重金屬等有害物質(zhì)，對周圍環(huán)境具有放射性污染[1-2]。含油污泥被劃定為危險(xiǎn)廢物，需送到有資質(zhì)的公司處理，其處理費(fèi)用在3 000元/t以上，有些地區(qū)已經(jīng)達(dá)到5 000元/t，這對企業(yè)是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。污泥經(jīng)過減量后，能減到之前的十分之一到十五分之一，可顯著減少處理量和處置費(fèi)用。針對上述問題，開發(fā)適應(yīng)海上平臺，且能在海上平臺對固廢污泥進(jìn)行初步減量化和無害化處理的工藝設(shè)備已迫在眉睫。產(chǎn)出的含油污水直接輸送至海上平臺氣浮選裝置進(jìn)行處理，產(chǎn)出的濃縮含油污泥（含水率降至80%以下）運(yùn)回陸地，再通過超臨界水氧化等工藝設(shè)備進(jìn)行二次處理。根據(jù)臥螺壓濾機(jī)自身的特點(diǎn)和要求，通過添加復(fù)合型污泥脫水藥劑和減量化處理設(shè)計(jì)，降低固廢污泥含水率，減少污泥運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)節(jié)約大量成本，有助于陸地二次處理含油污泥[3-4]。

臥螺壓濾機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低、便于維護(hù)管理等特點(diǎn)[5]?；谂P螺壓濾機(jī)研發(fā)了1套以生物處理工藝為核心的濃縮處理技術(shù)成套機(jī)械設(shè)備，并且初步用于海上平臺。

1 臥螺壓濾機(jī)污泥濃縮處理技術(shù)

臥螺壓濾機(jī)污泥濃縮處理技術(shù)主要包含以下4個(gè)單元模塊，即加藥箱及加藥附屬系統(tǒng)、加藥泵及附屬系統(tǒng)、給料泵及附屬系統(tǒng)、污泥脫水橇及附屬系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 污泥濃縮處理技術(shù)工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of sludge concentration treatment technology

2 污泥濃縮橇單元模塊

2.1 加藥箱及加藥附屬系統(tǒng)

含油污泥成分極其復(fù)雜，其呈現(xiàn)乳化充分、黏度大、難脫水等特點(diǎn)[6]，同時(shí)也充分考慮到海上平臺處于高鹽霧、高濕度的周圍環(huán)境。因此，加藥箱材質(zhì)選擇316L不銹鋼，加藥箱外形尺寸為1.2 m（長）×1.1 m（寬）×1.2 m（高），加藥箱容積為1 m3；接法蘭采用標(biāo)準(zhǔn)的ASME B16.5，設(shè)計(jì)條件為2.7 kPa(G)/60℃，操作條件為ATM/AMB；磁翻板液位計(jì)實(shí)時(shí)顯示液位情況，同時(shí)設(shè)有低液位開關(guān)，罐體開孔位置為300 mm。為了與平臺上加藥系統(tǒng)保持良好連接，加藥箱采用快速接頭方式。加藥箱接口代號分別標(biāo)記為N1（溢流）、N2（放空）、N3（進(jìn)口）、N4（出口）、N5（排放）、K1AB（磁翻板液位計(jì)）、K2（低液位儀表）、MW（檢修口）；法蘭為對焊法蘭，其接口類型為RF（表1）。

表1 加藥箱接口Tab.1 Connector of dosing tank

2.2 加藥泵及附屬系統(tǒng)

通過工藝計(jì)算，最終確定加藥泵流量0.075 m3/h、揚(yáng)程120 m、進(jìn)出口尺寸0.5 in（1 in=25.4 mm），壓力等級與加藥箱接口一致，計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)的功率為1.5 kW?？紤]到設(shè)備布置在高鹽霧和高潮濕的油氣工作場所，電動(dòng)機(jī)等設(shè)備均采用Exd IIB T4/IP56防護(hù)防爆等級，管線及相關(guān)閥門的材質(zhì)均采用316L不銹鋼，其設(shè)計(jì)壽命為20年。

2.3 給料泵及附屬系統(tǒng)

通過工藝計(jì)算，最終確定給料泵流量2 m3/h、揚(yáng)程20 m、進(jìn)口尺寸0.5 in、出口尺寸1.5 in，壓力等級與加藥箱接口一致，離心泵電動(dòng)機(jī)的功率為1.5 kW?？紤]到設(shè)備布置在高鹽霧和高潮濕的油氣工作場所，電動(dòng)機(jī)等設(shè)備均采用Exd IIB T4/IP56防護(hù)防爆等級，閥門閥芯材質(zhì)均采用316L不銹鋼，管線及閥門外殼均采用Q235鑄鐵鍍鋅防腐處理，其設(shè)計(jì)壽命20年。

2.4 污泥脫水橇及附屬系統(tǒng)

臥螺壓濾機(jī)是整個(gè)污泥脫水橇的核心裝置，為了保證壓濾機(jī)和其他橇塊以及附屬設(shè)備的連接，完成污泥有序進(jìn)出和壓榨離心的功能，對離心基本參數(shù)做了如下規(guī)定：進(jìn)口污泥含水率達(dá)98%左右，經(jīng)臥螺壓濾機(jī)處理后出口含水率可達(dá)80%以下；進(jìn)口污泥量為2 m3/h，出泥量為200 kg/h；加藥箱中藥劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5‰～2‰，污泥中藥劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10-6～80×10-6；防靜電沉淀反應(yīng)器容積2 m3。加藥箱容積1 m3即可滿足工藝要求。轉(zhuǎn)鼓直徑250 mm，長度1 000 mm，轉(zhuǎn)速5 400 r/min，螺旋差速2～20 r/min，電動(dòng)機(jī)功率7.5 kW+3 kW+1.1 kW。由于機(jī)械設(shè)備制造的工藝因素故選擇日本NSK的軸承。鑒于物料腐蝕原因所有與物料接觸的部件均采用316L不銹鋼。螺旋葉在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不斷磨損，螺旋葉片推料部位選用噴焊Gni-W2C65%耐磨硬質(zhì)合金，厚度≥3 mm。設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式采用雙電動(dòng)機(jī)雙變頻器控制，以增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性，變頻器采用日本三墾品牌。設(shè)備放置于室內(nèi)，平均噪聲≤85 dB(A)，空載振動(dòng)≤4.5 mm/s，單機(jī)干重約1 t。

3 海上平臺成套裝置

3.1 三維模型成橇設(shè)計(jì)

臥螺壓濾機(jī)三維模型成橇設(shè)計(jì)是以“海上固定平臺安全規(guī)則”為設(shè)計(jì)依據(jù)，開發(fā)出1套滿足海上平臺安裝要求，并且適用于高鹽霧、高相對濕度環(huán)境條件下的成套裝置。電纜管和儀器及其接管均應(yīng)與設(shè)備在同一底橇上。為了便于人員操作及維修和保證人員安全，所有的設(shè)備都應(yīng)安裝在橇塊上，設(shè)備的任何部分都不應(yīng)懸于橇塊邊緣之外。對于橇塊底座有關(guān)的鋼結(jié)構(gòu)和橇上設(shè)備的設(shè)計(jì)，都應(yīng)考慮能夠承受各個(gè)方向的加速度為1.5 m/s2的作用力。最后經(jīng)過計(jì)算和出于工藝流程以及設(shè)備選型參數(shù)的考慮，對緊湊型臥螺壓濾機(jī)污泥脫水橇塊進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，確定整個(gè)橇塊尺寸控制在3.8 m（長）×2.0 m（寬）×2.2 m（高）范圍內(nèi)，它包括加藥裝置、給料裝置、臥螺壓濾機(jī)、電控部分和設(shè)備底座。

3.2 裝置的初步應(yīng)用

臥螺壓濾式污泥脫水單元是整個(gè)預(yù)處理工藝的核心部位，對含油污泥進(jìn)行壓榨、濃縮以實(shí)現(xiàn)減量化處理。臥螺壓濾式污泥脫水單元由1個(gè)防靜電沉淀反應(yīng)容器、1個(gè)往復(fù)旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器和1組往復(fù)移動(dòng)壓濾機(jī)組成。

防靜電沉淀反應(yīng)容器通過工藝計(jì)算保證具有足夠大的容積，尤其是有足夠的深度。為了提高處理效率，在容器上增加液位變送器，設(shè)有高高、高、中、低和低低5個(gè)液位點(diǎn)，其中高高液位點(diǎn)為冒罐報(bào)警點(diǎn)，低低液位點(diǎn)為空罐報(bào)警點(diǎn)。通過工藝計(jì)算保證最大限度地利用容器的物理空間，保證液位的沉淀、絮凝、氧化中和反應(yīng)以及藥劑吸油時(shí)間。經(jīng)過藥劑反應(yīng)后的含油污泥具有一定潤滑作用，保證設(shè)備運(yùn)送過程中的流暢性。防靜電沉淀反應(yīng)容器的上清液直接輸送至海上平臺的氣浮選裝置進(jìn)行處理，沉淀絮凝產(chǎn)生的污泥需要進(jìn)一步壓榨、濃縮處理。

螺旋部分主要由差速器、螺旋、轉(zhuǎn)鼓、壓濾器、機(jī)罩、機(jī)座、潤滑系統(tǒng)、主副電動(dòng)機(jī)等組成。其工作原理是：懸浮液經(jīng)進(jìn)料管、螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，密度較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓做相對運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口；分離后的清液經(jīng)堰板開口流出轉(zhuǎn)鼓，螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對運(yùn)動(dòng)靠差速器來實(shí)現(xiàn)。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相接，輸出軸與螺旋相接。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)了差速器外殼的旋轉(zhuǎn)，由于輸入軸被控制，故驅(qū)動(dòng)行星輪帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，并按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，使含油污泥含固量不斷提高，污泥不斷受擠壓脫水排出，從而實(shí)現(xiàn)了對含油污泥初步壓榨的效果。

經(jīng)過初步壓濾的含油污泥含水率大大降低，再通過螺旋輸送機(jī)將其運(yùn)送至深度壓濾裝置中進(jìn)行最終壓濾脫水。壓濾容器設(shè)有液位變送器，控制出口泵將壓濾液輸送回防靜電沉淀反應(yīng)容器中。壓榨后的濾餅會(huì)在濾餅器中釋放，裝袋船運(yùn)至陸地，如圖2所示。

試驗(yàn)地點(diǎn)為渤海地區(qū)某鉆井平臺，處理規(guī)模為2 m3/h，出泥200 kg/h左右，處理后污泥含水率由98%降至80%以下?；痉涎b置的設(shè)計(jì)要求，有機(jī)絮凝劑加藥濃度為8 mg/L。處理后液相含油量一般在500 mg/L，固體懸浮濃度在200 mg/L左右，滿足海上平臺氣浮處理單元的進(jìn)口指標(biāo)要求。緊湊型臥螺壓濾機(jī)污泥脫水橇具有占地面積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、設(shè)備運(yùn)行噪聲低和無振動(dòng)等特點(diǎn)。

圖2 臥螺壓濾示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal screw filter

4 結(jié)束語

隨著污泥處理技術(shù)的不斷進(jìn)步和深入研究，國家對環(huán)保產(chǎn)業(yè)的要求不斷提高，海上平臺固廢處理工藝將會(huì)日趨完善，未來先進(jìn)的污泥脫水技術(shù)用于海上平臺將成為必然。目前開發(fā)的臥螺壓濾機(jī)對藥劑的依賴程度太大，需要針對不同的污泥成分篩選合理的藥劑種類和投加量，增加了設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜化和成本。未來努力的方向就是如何減少藥劑投放量和開發(fā)出通用型藥劑，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)方面仍以緊湊型占地面積小為目標(biāo)，拓展出系列化產(chǎn)品，研制出不同類型的污泥脫水工藝處理裝置，以適合不同類型的海上作業(yè)平臺。

我國對含油污泥處理的理論研究起步較晚，在含油污泥的綜合處理技術(shù)和水平上與發(fā)達(dá)國家有一定差距，相信通過科研人員不斷的努力和研究，污泥處理最終會(huì)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定化、減量化、無害化和資源化的目標(biāo)。