三相分離技術(shù)在降低電脫鹽污水油質(zhì)量濃度中的應(yīng)用

曹宏遠(yuǎn)

(中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部，上海 200540)

近年來原油市場呈現(xiàn)不規(guī)則劇烈波動(dòng)，以某煉廠常減壓裝置為例，進(jìn)入該常減壓裝置的原油品種繁多、性質(zhì)復(fù)雜。電脫鹽設(shè)施操作調(diào)整難度日益增加，對(duì)正常穩(wěn)定運(yùn)行造成沖擊，電脫鹽罐直接向含油污水池排乳化層的情況時(shí)有發(fā)生。該常減壓裝置改造前僅依托含油污水池分倉通過重力沉降法進(jìn)行除油，實(shí)際證明該除油方法存在明顯的短板和環(huán)保隱患，含油污水化學(xué)耗氧量(COD)、油等主要污染物濃度大幅波動(dòng)，油泥總量日漸增加，每周轉(zhuǎn)至焦化焦池回?zé)挼目偭扛哌_(dá)30～60 t，同時(shí)也對(duì)下游污水生化處理裝置造成影響。過量的無法轉(zhuǎn)至焦池回?zé)挼挠湍嘀荒苓B同污油轉(zhuǎn)進(jìn)常減壓裝置回?zé)?，形成較大的安全生產(chǎn)隱患。

1 煉廠電脫鹽含油污水處置現(xiàn)狀

目前煉廠常用的油水分離工藝是重力沉降式分離法和旋流離心處理工藝，前者的分離設(shè)備主要有大罐、污水池隔油倉、油水分離器等，后者的分離設(shè)備包括水力旋流器、離心萃取分離器等。重力沉降法在該常減壓裝置改造前也有采用，主要利用油水密度差及不相溶性，實(shí)現(xiàn)輕重組分分離。分析該裝置改造前電脫鹽污水的排污情況，重力沉降工藝實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀如下：該常減壓裝置設(shè)二級(jí)電脫鹽系統(tǒng)，第一級(jí)電脫鹽罐(V5001A)采用智能響應(yīng)技術(shù)，第二級(jí)電脫鹽罐(V5001B)采用低速交直流電脫鹽技術(shù)。經(jīng)兩級(jí)脫鹽脫水后原油中鹽(NaCl)的質(zhì)量濃度不大于3 mg/L，含水率小于0.2%，含油含鹽污水的油質(zhì)量濃度不大于150 mg/L。電脫鹽污水排往裝置含油污水系統(tǒng)。

經(jīng)過對(duì)電脫鹽罐排污水現(xiàn)場取樣查看和水污染物采樣分析數(shù)據(jù)對(duì)比總結(jié)，電脫鹽排污水呈如下特點(diǎn)：重質(zhì)油含量高，與污水密度非常接近，分離困難；污油油滴粒徑小，乳化嚴(yán)重，分離困難；含大量細(xì)微懸浮物，加重水質(zhì)原油乳化；含鹽量和礦化度高，對(duì)設(shè)備腐蝕性大，且容易結(jié)垢造成設(shè)備堵塞；含硫化物、揮發(fā)酚等高度危害氣體。該常減壓裝置電脫鹽排污水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 煉廠某常減壓裝置電脫鹽排污水水質(zhì)

根據(jù)2018年該常減壓裝置污水的排放統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，裝置平均排污量為45 m3/h左右，污水中油的平均質(zhì)量濃度為52 mg/L，峰值高達(dá)188 mg/L。分析數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 某常減壓裝置2018年含油污水油含量排放趨勢(三相分離技術(shù)投用前)

通過比對(duì)2018年含油污水排污采樣分析數(shù)據(jù)可知：僅通過重力沉降法對(duì)電脫鹽污水的油水分離效果非常有限，無法滿足電脫鹽排污水油含量的去除要求，經(jīng)常導(dǎo)致下游污水處理裝置進(jìn)水COD、油質(zhì)量濃度超標(biāo)，嚴(yán)重影響污水處理廠的達(dá)標(biāo)排放和回用。結(jié)合以往對(duì)常減壓電脫鹽污水的分析總結(jié)，分倉重力沉降法有如下缺點(diǎn)：

(1)由于污水含油粒徑小，含大量細(xì)微懸浮顆粒，乳化嚴(yán)重，重油密度大，污油密度與水非常接近，重力沉降僅能去除部分浮油，導(dǎo)致處理效果差；

(2)只能分離浮油和部分分散油，對(duì)乳化油無效果，起不到破乳作用，出水含油仍然高；

(3)沉降時(shí)間長，占地面積大，存在嚴(yán)重的內(nèi)部短路流和渦流、處理分散以及乳化油去除效率偏低等顯著缺點(diǎn)，抗沖擊性能差，除油效果不穩(wěn)定，無法滿足電脫鹽含油污水處理波動(dòng)劇烈的要求，采用油水分離器有一定改進(jìn)，但效果有限；

(4)污水池周邊容易發(fā)生揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)散發(fā)，異味明顯，嚴(yán)重影響工作環(huán)境。在40 ℃左右的含油污水池內(nèi)回收處理輕污油危險(xiǎn)性極高。

國內(nèi)其他煉廠嘗試采用水力旋流器對(duì)電脫鹽含油污水進(jìn)行處理，在江西、湖南、山東等地的煉廠擁有此類設(shè)備[1]。經(jīng)過調(diào)研和分析，該類技術(shù)對(duì)進(jìn)水污染物有一定控制要求，惡劣工況適應(yīng)性較差，除油效果易受影響，容易造成設(shè)備堵塞影響正常運(yùn)行。其中離心萃取分離技術(shù)是一種較新的處理技術(shù)，目前仍在中試。根據(jù)中試效果，該工藝運(yùn)行成本較高，對(duì)電脫鹽污水的油去除效率并不理想。主要存在如下問題：

(1)電脫鹽污水含大量細(xì)微懸浮顆粒和小顆粒油珠，存在乳化嚴(yán)重的特點(diǎn)，同時(shí)又挾帶與污水密度接近的重油，導(dǎo)致旋流分離器分離效果差，出水含油高；

(2)抗沖擊性能差，除油效果不穩(wěn)定，在油質(zhì)量濃度劇烈波動(dòng)的非正常排污工況下，經(jīng)旋流分離后無法確保最終出水的油質(zhì)量濃度能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，去除效率只有50%～60%；

(3)由于污水含鹽量高，礦化度高，旋流管容易結(jié)垢，嚴(yán)重時(shí)造成旋流器無法正常工作；

(4)離心萃取分離仍然應(yīng)用油水密度差來分離，需要添加一定量的的萃取劑(或輕組分相)，運(yùn)行時(shí)需要加裝高速離心機(jī)。對(duì)電脫鹽污水的處理可靠性差、能耗高，處理效果無法滿足預(yù)期。

2 三相分離工藝原理

為解決電脫鹽污水油含量處置難題，減少電脫鹽罐非正常排污的安全環(huán)保隱患，該常減壓裝置結(jié)合國內(nèi)油水分離工藝技術(shù)現(xiàn)狀，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有旋流離心處理設(shè)施，采用緩沖沉降罐與高效旋流分離過濾器相組合對(duì)電脫鹽排污水進(jìn)行油泥、污油、污水的三相分離。主要流程為在三個(gè)并聯(lián)的高精度旋流除油過濾器前增設(shè)一個(gè)緩沖沉降罐，以降低高濃度污水對(duì)高精度旋流過濾器正常運(yùn)行的沖擊，同時(shí)結(jié)合往年電脫鹽罐實(shí)際生產(chǎn)過程遇到的不穩(wěn)定惡劣排污工況，對(duì)緩沖罐和旋流分離設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，加強(qiáng)該工藝在非正常排污工況下的適用性以及穩(wěn)定的油去除率。簡要工藝流程見圖2。

三相分離工藝流程第一部分即緩沖沉降罐內(nèi)部主要采用了斜板沉降原理(見圖3)。斜板的加入，能夠使污水沉降時(shí)間變短，從而提高分離效率。相較普通重力沉降，斜板沉降分離效率可提高20%左右，處理量提升2～4倍。罐上部設(shè)置波紋聚結(jié)板[2]捕捉污油(輕組分)，底部設(shè)置斜板區(qū)沉降油污泥顆粒(重組分)。斜板沉降結(jié)合淺池原理和聚結(jié)原理，污水流入斜板區(qū)經(jīng)過斜板并與斜板互相作用，油相上浮聚結(jié)成大的油顆粒并與上部斜板形成流動(dòng)油膜，連續(xù)上浮的油相液滴與沿著斜板流動(dòng)的油膜不斷相互作用并全部聚結(jié)在油膜上，完成聚結(jié)過程。然后聚結(jié)的油膜(輕組分)由斜板頂部分離出，污泥(重組分)受重力作用下沉，由斜板底部流出[3]。

圖2 三相分離工藝流程

圖3 三相分離緩沖沉降罐工作原理

設(shè)置緩沖沉降罐進(jìn)行初步油水分離主要目的是截留污水中大量可能造成后續(xù)過濾器堵塞的鹽類污染物、顆粒物以及大顆粒油珠和乳化層等，以保證高精度旋流分離過濾器的正產(chǎn)運(yùn)行。

三相分離工藝流程的第二部分即高精度旋流分離過濾器具備旋流除油、破乳分離過濾、截留除油和自動(dòng)反洗的功能。分離過濾器通過在內(nèi)部投放特殊處理的纖維填料，利用斯托克斯定律，借助破乳纖維絲將油滴浸潤聚結(jié)。油滴在精細(xì)纖維通道中聚結(jié)，不斷相互碰撞聚成大油顆粒并上升，然后在所接觸的纖維表面形成油膜，纖維絲不斷促進(jìn)大油顆粒聚結(jié)和乳化的細(xì)小水包油狀顆粒破乳，最終解決乳化油難以分離的問題。高精度旋流分離過濾器過濾時(shí)壓盤向纖維壓緊，污水從下端分流，分出部分含油清水和高含油濃水。清水直接經(jīng)過濾料區(qū)過濾，濃水輸送上部分離區(qū)，分離油浮到罐頂，水經(jīng)過濾料區(qū)過濾后和下部過濾的水一起進(jìn)入集水輪盤到達(dá)出水口排出。反沖時(shí)壓盤濾料被放松，關(guān)閉上下部通水孔。攪動(dòng)濾料，將濾料截留在表面的顆粒洗掉，沖洗水從進(jìn)水口進(jìn)入沖洗濾料后在反沖出口排出。

高精度旋流分離過濾器主要用于污水油含量的深度脫除，確保出水水質(zhì)能夠滿足油質(zhì)量濃度低于10 mg/L的設(shè)計(jì)指標(biāo)。在緩沖沉降罐和高精度旋流分離過濾器頂部、底部都設(shè)置排污口，烴類氣體經(jīng)頂部脫氣設(shè)施密閉排往火炬焚燒，排油閥門根據(jù)進(jìn)口油含量設(shè)置自動(dòng)排放頻率，分離出來的污油排去污油罐。底部排泥閥門根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)口的顆粒物含量，同樣設(shè)置自動(dòng)排污頻率，分離出來的油泥去往槽車。

3 運(yùn)行情況及效果

該常減壓裝置在原油加工過程中，受原油性質(zhì)、清洗回收油和不明性質(zhì)廢油等影響，電脫鹽罐運(yùn)行并不穩(wěn)定，隨原油性質(zhì)的變化會(huì)間歇性出現(xiàn)電流異常波動(dòng)、罐內(nèi)乳化層增厚、排入含油污水池造成污水池內(nèi)污油積聚、污水池周邊VOCs散發(fā)等問題，給環(huán)境和員工職業(yè)健康都造成了影響。同時(shí)后續(xù)還可能引起跳閘、裝置塔設(shè)備壓力操作異常、電脫鹽排污水帶油等一系列連鎖生產(chǎn)事故。為有效控制電脫鹽罐運(yùn)行異常造成的安全環(huán)保隱患，2019年11月該裝置含油污水三相分離項(xiàng)目正式開始投用，該工藝實(shí)際操作參數(shù)見表2。

表2 三相分離設(shè)備操作參數(shù)

投用后，三相分離工藝設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，在電脫鹽排污水油質(zhì)量濃度在正常值150 mg/L附近波動(dòng)時(shí)，經(jīng)油水分離后最終排入含油污水池的污水油質(zhì)量濃度低于30 mg/L。在出現(xiàn)異常工況非正常排污時(shí)，進(jìn)水油質(zhì)量濃度高達(dá)220.16 mg/L，經(jīng)過緩沖罐初步分離和高精度旋流分離過濾器深度去油后，出水油質(zhì)量濃度仍能控制在16.77 mg/L，除油效率達(dá)92.38%，說明整個(gè)工藝通過設(shè)置緩沖罐后具備了惡劣排污工況抗干擾能力。投用初期除油效果能符合企業(yè)納管指標(biāo)，但未達(dá)到設(shè)計(jì)值。隨著對(duì)高精度旋流分離過濾器的維穩(wěn)運(yùn)行和操作調(diào)整，2019年12月起，該常減壓裝置含油污水油質(zhì)量濃度控制在10 mg/L以內(nèi)，滿足該工藝設(shè)計(jì)值出水油質(zhì)量濃度低于10mg/L的控制要求。運(yùn)行分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 三相分離設(shè)備投用初期運(yùn)行效果

項(xiàng)目投用后，污水的平均油質(zhì)量濃度為14.63 mg/L，較投用前降低了42.5%，并且在穩(wěn)定運(yùn)行后，該常減壓裝置含油污水油濃度的分析數(shù)據(jù)全部低于10 mg/L。解決了裝置原先在40 ℃左右的含油污水池內(nèi)回收處理輕污油(未經(jīng)拔頭的輕質(zhì)原油，含較多烴類)作業(yè)的難題，并有效降低了電脫鹽污水對(duì)下游環(huán)保水務(wù)部污水生化處理裝置造成沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論及建議

(1)緩沖沉降罐處理工序能緩解惡劣工況(排乳化層、原油性質(zhì)劇烈波動(dòng)等)高濃度污水對(duì)高效旋流分離器正常運(yùn)行造成的沖擊，確保進(jìn)入旋流分離過濾器污水水質(zhì)穩(wěn)定。整套三項(xiàng)分離處理工藝按照目前的運(yùn)行情況解決了惡劣排污工況下污水油含量高的難題。

(2)優(yōu)化緩沖沉降罐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括斜板沉降區(qū)的斜板傾角、板長和波紋聚結(jié)板結(jié)構(gòu)布置，以及高精度旋流分離過濾器內(nèi)部濾料纖維的性能和壓緊度是改善設(shè)備除油效率的研究方向。

(3)三相分離工藝通過物理過程實(shí)現(xiàn)油水分離，未添加任何催化劑和吸附藥劑，不會(huì)造成二次污染。成套設(shè)備現(xiàn)場占地面積較小，具有一定經(jīng)濟(jì)適用性。長周期運(yùn)行以及高精度的穩(wěn)定除油效率仍待進(jìn)一步在日常生產(chǎn)過程中進(jìn)行總結(jié)分析和改善。