塔河重質(zhì)原油電脫鹽問題探討*

李昀達(dá)1，劉小輝，韓 磊

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；2.中國石化青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

近年來，塔河原油性質(zhì)不斷劣化，密度超過0.954 g/cm3,鹽質(zhì)量濃度為400～600 mg/L,瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15%。某煉油廠加工塔河原油，原油性質(zhì)劣化導(dǎo)致電脫鹽效率明顯降低，其2號(hào)電脫鹽裝置自2010年開工以來運(yùn)行狀況欠佳，脫后原油鹽含量過高，排水帶油現(xiàn)象嚴(yán)重，使得后續(xù)加工裝置結(jié)鹽嚴(yán)重，水洗頻次增加，設(shè)備腐蝕加劇。由于污水油含量過高導(dǎo)致污水處理壓力大，超出污水處理場負(fù)荷的脫鹽污水只能前注，造成一系列問題。該文分析了塔河原油的特點(diǎn)和電脫鹽運(yùn)行狀況，提出了改進(jìn)建議。

1 塔河重質(zhì)原油電脫鹽現(xiàn)狀

某煉油廠加工塔河原油，為了達(dá)到脫鹽指標(biāo)的要求，2號(hào)電脫鹽裝置采用四級(jí)電脫鹽，其中前三級(jí)為鼠籠式電極電脫鹽罐，第四級(jí)為交直流電極板電脫鹽罐，前兩級(jí)可以并聯(lián)也可以串聯(lián)，第三、四級(jí)為串聯(lián)。該裝置原油處理能力為382 t/h，采取逐級(jí)回注方式注水，第一、二級(jí)排水至污水場，第三、四級(jí)排水回注一級(jí)。一般情況下，國內(nèi)煉化企業(yè)的電脫鹽只需采用兩級(jí)電脫鹽便可達(dá)標(biāo)，由此可以看出塔河原油脫鹽難度很大。

近年來，為了解決塔河原油的電脫鹽問題，該廠進(jìn)行了多次技術(shù)改造，具體做法如下[1-2]：

(1)調(diào)整流程。將原第一級(jí)和第二級(jí)電脫鹽罐并聯(lián)，原第三級(jí)作為第二級(jí)，目的是增加前兩級(jí)電脫鹽裝置內(nèi)油相的停留時(shí)間。運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)效果并不明顯，所以又將前兩級(jí)改為串聯(lián)。

(2)更換前三級(jí)電脫鹽罐變壓器。變壓器輸出電壓從25 kV增加至40 kV，電場強(qiáng)度由700 V/cm增加至1 100 V/cm。

(3)調(diào)整工藝參數(shù)。將注水量提升至10%，將第一級(jí)電脫鹽罐入口溫度由140 ℃提升至145 ℃。為了增加原油與水的混合時(shí)間，將注水點(diǎn)由原來的電脫鹽罐之前提前到換熱器之前，并提高混合強(qiáng)度。

(4)篩選和更換破乳劑。對(duì)多個(gè)廠家的破乳劑展開篩選，先后使用了5種破乳劑，但是最后的使用效果均不理想。目前仍在尋找合適的破乳劑。

(5)增設(shè)第四級(jí)電脫鹽設(shè)備。該設(shè)備通過增大尺寸以降低原油在罐體內(nèi)的上升速度。水層設(shè)計(jì)停留時(shí)間為220 min，罐內(nèi)原油停留時(shí)間為352 min。

改造后的電脫鹽裝置在2014年6月至2015年12月的運(yùn)行情況見表1。經(jīng)核算，原油中鹽的總脫除率可達(dá)98.1%，但第二、三級(jí)單級(jí)脫除率很低。脫后原油鹽質(zhì)量濃度下降至8.72 mg/L，電脫鹽排水平均含油質(zhì)量濃度降低至1 355 mg/L，與行業(yè)規(guī)定的脫鹽指標(biāo)仍有差距。

表1 2號(hào)電脫鹽裝置改造后運(yùn)行情況

2 塔河重質(zhì)原油性質(zhì)分析

2.1 黏度和密度對(duì)電脫鹽的影響

圖1是塔河原油溫度與黏度的關(guān)系曲線，圖2是塔河原油溫度與密度的關(guān)系曲線。

圖1 塔河原油溫度與黏度的關(guān)系曲線

圖2 塔河原油溫度與密度的關(guān)系曲線

水滴的沉降速度遵循斯托克斯公式：

式中：u——水滴的沉降速度，m/s；

ρ1和ρ2——分別為原油和水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

υ——原油運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；

d——水滴直徑，m。

從圖1可以看出，塔河原油在常溫下黏度極高，在原油溫度從30 ℃升高到60 ℃時(shí)，其黏度急劇下降，溫度高于60 ℃后黏度下降緩慢，當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí)，其動(dòng)力黏度低于200 mPa·s，有助于脫鹽脫水過程的進(jìn)行。根據(jù)斯托克斯公式，水滴在油相中的沉降速度取決于油水兩相的密度差,從圖2可以看出，隨著溫度升高油水兩相的密度差變化極小，這是其脫鹽困難的原因之一[3]。

2.2 瀝青質(zhì)和膠質(zhì)對(duì)電脫鹽的影響

圖3是塔河原油瀝青質(zhì)、膠質(zhì)含量隨時(shí)間的變化情況。

圖3 塔河原油瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量變化

Waller P R等人研究發(fā)現(xiàn)，自然界中原油乳狀液的形成主要是由于瀝青質(zhì)的存在[4]。Eley D D等人研究發(fā)現(xiàn)，界面膜的強(qiáng)度和乳狀液穩(wěn)定性隨瀝青質(zhì)含量的增加而增大[5]。原油中存在具有較強(qiáng)表面活性和極性的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，吸附在油水界面可以形成強(qiáng)度較高的界面膜，增加原油乳狀液的穩(wěn)定性。瀝青質(zhì)是由膠質(zhì)的進(jìn)一步氧化而得的，兩者之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，膠質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)有溶解作用。當(dāng)兩者同時(shí)存在于原油中時(shí)，如果瀝青質(zhì)含量不變，膠質(zhì)的含量增加可以有效降低瀝青質(zhì)對(duì)原油的穩(wěn)定作用，提高電脫鹽的效果。由圖3可以看出，近年來，塔河原油瀝青質(zhì)含量普遍高于膠質(zhì)含量，對(duì)原油電脫鹽有不利影響。

2.3 機(jī)械雜質(zhì)對(duì)電脫鹽的影響

機(jī)械雜質(zhì)對(duì)原油乳狀液的穩(wěn)定性有較大影響，特別是含鐵的無機(jī)物顆粒，與瀝青質(zhì)包裹在一起，可改變顆粒的潤濕性，更容易在界面吸附，增加界面膜的強(qiáng)度，導(dǎo)致乳化層增厚，使排水油含量明顯增加[6]。自2008年以來，經(jīng)常在塔河原油中檢測出機(jī)械雜質(zhì)，電脫鹽乳化層和排水中也發(fā)現(xiàn)較多的黑色固體顆粒(見圖4),油相內(nèi)部的水滴中仍存在明顯的界面膜和混亂分布的黑色顆粒。這些小水滴鹽含量極高，在電場中很難聚結(jié)成大水滴。含鹽的小水滴隨油相進(jìn)入后續(xù)工藝，影響電脫鹽裝置的脫鹽效率。

圖4 塔河原油乳化液顯微照片

3 電脫鹽裝置設(shè)備問題分析

3.1 鼠籠式電脫鹽罐的結(jié)構(gòu)問題

前三級(jí)電脫鹽裝置采用了鼠籠式電極技術(shù)，該技術(shù)是在電脫鹽罐內(nèi)設(shè)置多層偏心鼠籠式組合電極，電極組合件由三層橫斷面呈圓環(huán)形的電極組成。電極組合件相鄰兩層電極之間形成環(huán)形空間，兩層電極之間的間距從頂部到底部逐漸減小，在脫鹽罐內(nèi)部原油水含量較小的上部區(qū)域電場強(qiáng)度大，水含量較大的底部區(qū)域電場強(qiáng)度較小。

從以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可以看出：

(1)由于脫前原油鹽含量很高，經(jīng)第一級(jí)電脫鹽可以脫除大量的鹽分，但是未被脫除的小水滴中仍含有極高的鹽分。一級(jí)電脫鹽之后油相中水滴的粒徑很小，在后兩級(jí)的電脫鹽操作中也難以聚結(jié)沉降，因此導(dǎo)致第二、三級(jí)電脫鹽效率極低。

(2)以水平方式往電脫鹽罐進(jìn)油易在罐內(nèi)形成偏流，導(dǎo)致部分原油未經(jīng)過強(qiáng)電場區(qū)域而直接從出口流出。

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)鼠籠式電脫鹽罐進(jìn)行Fluent模擬，見圖5。從圖5可以看出，部分原油沒有經(jīng)過鼠籠電極區(qū)域，而直接從罐體下部遠(yuǎn)電場區(qū)流向出口。圖6是鼠籠式電脫鹽罐油相分布圖(圖中深紅色代表油相占比較大，藍(lán)色代表水相占比較大)。從圖6可以看出，油相集中分布在罐體上部，水相分布在罐體下部，罐內(nèi)存在油水分層現(xiàn)象，罐出口處原油水含量較高，說明該裝置的脫鹽、脫水效果并不理想。

圖5 鼠籠式電脫鹽罐流線模擬

圖6 鼠籠式電脫鹽罐油相分布

3.2 交直流電脫鹽罐

第四級(jí)電脫鹽設(shè)備內(nèi)設(shè)置了水平與垂直電極(見圖7)，油相在罐內(nèi)由下至上依次經(jīng)過各電場區(qū)域，巨大的罐容增加了油相在罐內(nèi)的停留時(shí)間及水滴的沉降時(shí)間。然而，該裝置內(nèi)部電場面積大且種類復(fù)雜,嚴(yán)重壓縮水相空間，油水界位過低，這樣會(huì)導(dǎo)致以下問題：

(1)電極板面積過大安裝位置偏低，嚴(yán)重壓縮水相空間，不利于油水分離，同時(shí)增加了脫鹽電流和變壓器負(fù)荷。

(2)存在弱電場、過渡電場，削弱了強(qiáng)電場的作用。

(3)罐體巨大導(dǎo)致電極板間距過大，使得強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度不足，影響脫鹽、脫水效率。

圖7 第四級(jí)電脫鹽罐電場區(qū)域示意

4 電脫鹽運(yùn)行情況和效果

從現(xiàn)場檢測和裝置結(jié)果分析可以看出:經(jīng)過四級(jí)電脫鹽裝置脫鹽，一定程度上提高了原油脫鹽率，但脫后原油的鹽含量仍然沒有達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，且電脫鹽排水中油含量超標(biāo)的問題仍沒有解決。

5 結(jié)論及建議

(1)通過對(duì)2號(hào)電脫鹽裝置的運(yùn)行現(xiàn)狀、塔河原油性質(zhì)及現(xiàn)役電脫鹽罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知：

①塔河重質(zhì)原油密度大、黏度高，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)含量比例失衡以及復(fù)雜的乳化狀態(tài)是原油電脫鹽效果差的主要原因。

②電脫鹽設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡合理，有進(jìn)一步改進(jìn)的空間。

(2)建議采取以下措施：

①根據(jù)塔河原油的特點(diǎn)及乳化狀態(tài)，研發(fā)或篩選有針對(duì)性的原油破乳劑。

②建議采用下進(jìn)上出的電脫鹽罐進(jìn)油方式，這樣不僅可以減少流體在罐內(nèi)的擾動(dòng)，而且原油先經(jīng)過水層，可以預(yù)先將原油洗滌潤濕，同時(shí)有利于原油中固體雜質(zhì)的分離。

③簡化第四級(jí)電脫鹽電場，只保留一個(gè)強(qiáng)電場，為水相保留足夠空間。

④減小極板間距提高電場強(qiáng)度，從而提高脫鹽、脫水效率。減小極板面積可以降低脫鹽電流，避免變壓器過載，提高操作穩(wěn)定性，增大水相空間。

⑤提高極板安裝位置。提高極板安裝位置可以增大油水界位與電極板間的空間，使油水界位更易于控制，且可以延長乳化層在弱電場中的停留時(shí)間，有利于乳化液在進(jìn)入強(qiáng)電場之前破乳，從而維持強(qiáng)電場的穩(wěn)定性。