氣浮選對(duì)含油污水沉降分離流場特性的影響

張 菁，龐艷萍，黎志敏，王志華

（1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，新疆烏魯木齊830011；2.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶163318）

含油污水處理是油田地面工藝系統(tǒng)一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的工程，特別是隨著油田開發(fā)進(jìn)入高含水期，以及各種提高原油采收率技術(shù)的相繼應(yīng)用，使地面產(chǎn)出含油污水的規(guī)模逐年增長，性質(zhì)日趨復(fù)雜，處理難度不斷增大，地面工藝系統(tǒng)面臨運(yùn)行負(fù)荷保障與處理效果提升的多重挑戰(zhàn)，同時(shí)在綠色環(huán)保要求背景下，還需應(yīng)對(duì)處理設(shè)施污染、健康環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的系列問題和矛盾，這也使油田含油污水處理工藝技術(shù)從傳統(tǒng)的定型化向個(gè)性化發(fā)展成為一種必然[1?3]。重力沉降是基于含油污水中相間密度差異取得污水凈化分離的一種傳統(tǒng)物理方法，重力沉降罐是該方法的基本設(shè)備，主要由配水系統(tǒng)、收油系統(tǒng)、集水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等構(gòu)成[1，4]。在其基礎(chǔ)上，發(fā)展了能夠發(fā)揮協(xié)同作用的聚結(jié)、離心、氣浮選等工藝，其中，氣浮選是在采出污水中通入大量微小氣泡，利用這些氣泡作為載體，與采出污水中的油珠、懸浮絮粒等雜質(zhì)相互黏附，形成整體密度低于水相的浮體而上浮至水面，使采出污水中的油珠和懸浮物與污水有效分離，達(dá)到凈化污水的目的[5?6]。以溶氣氣浮為例，通常是在普通重力沉降罐中增設(shè)布?xì)鈫卧?，沉降罐?nèi)的水以一定流量被吸入外置多相溶氣泵，在溶氣泵中與空氣混合形成溶氣水后，回流至沉降罐，通過布?xì)鈫卧獙?shí)現(xiàn)氣體釋放，繼而污水中的油珠、絮體等附著在氣體釋放后所產(chǎn)生的小氣泡上被攜帶至液面[7]。盡管礦場應(yīng)用實(shí)踐反映出氣浮選工藝能有效地與重力沉降工藝銜接和配合，促進(jìn)油珠、懸浮物顆粒浮升，改善水質(zhì)處理效果，但對(duì)運(yùn)行參數(shù)的籠統(tǒng)化調(diào)節(jié)及處理后水質(zhì)存在的波動(dòng)均反映出對(duì)該工藝的分離特性仍缺乏充分理解和認(rèn)識(shí)[6，8?10]。因此，本文針對(duì)含油污水溶氣氣浮沉降工藝，借助數(shù)值模擬方法揭示氣浮選對(duì)含油污水沉降分離流場特性的影響，基于多相流混合模型數(shù)值模擬描述含油污水氣浮選沉降分離過程中的壓力場分布、粒子運(yùn)動(dòng)跡線特征及除油、除懸浮物效果，并與普通重力沉降分離特性進(jìn)行對(duì)比，旨在為考慮含油污水特性變化下的氣浮選工藝適配性構(gòu)建及含油污水處理提供參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

以罐容均為1 200 m3規(guī)格的普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐為原型，二者內(nèi)部結(jié)構(gòu)的唯一區(qū)別是后者在罐體上部增設(shè)有環(huán)形布?xì)鈫卧Y(jié)構(gòu)參數(shù)見表1?？紤]沉降罐發(fā)揮污水分離功能的區(qū)域主要是在其中心柱管和罐壁之間，在此區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)來水配水、沉降分離、氣浮選、分離后集水、分離過程中收油等功能。因此對(duì)普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐均按以下方式做合理簡化，并分別建立如圖1所示的簡化物理模型。

①省去沉降罐內(nèi)的集油系統(tǒng)等輔助部件及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

②省去中心反應(yīng)筒，來水從沉降罐中心柱管依次流入配水干管和配水支管，再由配水口分布于沉降罐內(nèi)，經(jīng)分離后的水相則從集水口依次進(jìn)入集水支管、集水干管。

表1 模型幾何參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of physical models

圖1 簡化物理模型Fig.1 Schematic illustration of simplified physical models

1.2 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)沉降罐沉降分離區(qū)域的基本特征（如離散相在計(jì)算域分布較廣）及含油污水呈湍流流態(tài)的沉降分離過程，對(duì)于前述模型的數(shù)值計(jì)算，其湍流模型選擇適用于高應(yīng)變率及流線彎曲較大流場的RNGk?ε方程[11?12]，選用考慮了相間擴(kuò)散作用與脈沖作用，并允許各相以不同速度運(yùn)動(dòng)的多相流混合模型（Mixture Model）[13]，控制方程包括質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程[13?14]。

質(zhì)量守恒方程：

式中，ρ為含油污水來水的密度，kg/m3；u為含油污水來水在x方向上的速度，m/s；v為含油污水來水在y方向上的速度，m/s；w為含油污水來水在z方向上的速度，m/s。

動(dòng)量守恒方程：

式中，p為含油污水流體微元上的壓力，Pa；τxx、τyy和τzz為作用于含油污水流體微元上的正應(yīng)力，Pa；τij為作用于含油污水流體微元上的切應(yīng)力，Pa；Fx、Fy和Fz為作用于含油污水流體微元上的質(zhì)量力，N。

2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值計(jì)算

2.1 網(wǎng)格劃分

高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分有利于保證數(shù)值計(jì)算求解的收斂性和計(jì)算精度，相比于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜模型具有更強(qiáng)的適應(yīng)性[14?15]。因此，利用Gambit生成普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐簡化物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)于普通重力沉降罐，對(duì)配水口附近布水區(qū)域、沉降罐中部自由沉降區(qū)域和集水口附近集水區(qū)域3個(gè)空間以不同網(wǎng)格密度進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對(duì)于溶氣氣浮沉降罐，則對(duì)配水口附近布水區(qū)域、布?xì)鈪^(qū)域、沉降罐中部自由沉降區(qū)域和集水口附近集水區(qū)域4個(gè)空間以不同網(wǎng)格密度進(jìn)行網(wǎng)格剖分，以充分地再現(xiàn)沉降分離流場的分布與演變特征，如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of models

2.2 邊界條件

在含油污水沉降分離三維數(shù)值模擬研究中，對(duì)于普通重力沉降罐、溶氣氣浮沉降罐物理模型壁面邊界考慮黏性的影響，壁面為靜止?fàn)顟B(tài)；來水給定入口速度，出口邊界采用自由出口。

2.3 基本假設(shè)

數(shù)值計(jì)算中做如下假設(shè)：

①視含油污水來水為油、懸浮固體、水三相混合物。

②認(rèn)為沉降分離過程中沉降罐內(nèi)油水界面始終保持在同一高度。

③沉降分離過程中含油污水密度變化不大，視其為不可壓縮流體。

④沉降分離過程中含油污水的水溫恒定。⑤認(rèn)為回流溶氣水中的溶氣量達(dá)到飽和狀態(tài)。⑥給定回流比的溶氣水回流到布?xì)鈫卧螅軞獾靡栽趯?duì)應(yīng)釋放壓差下的最完全釋放。

2.4 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)1 200 m3罐容規(guī)格重力式沉降罐的設(shè)計(jì)規(guī)范與生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐選擇處理量、回流比，根據(jù)常規(guī)含油污水水質(zhì)特性進(jìn)行含油量、懸浮物含量取值[16?17]，普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐保持一致的計(jì)算參數(shù)，具體模擬計(jì)算參數(shù)見表2。

3 氣浮選對(duì)流場壓力分布的影響

3.1 壓力場分布

3.1.1 配水單元 沉降罐配水單元布水的均勻性對(duì)沉降分離流場的穩(wěn)定性及其分離效果有著直接的影響[13]。為了描述配水單元的壓力場分布，取沉降罐上部配水支管位置的橫截面，分析穩(wěn)定工況下配水單元壓力場的分布，如圖3、4所示。由圖3、4可以看出，在含油污水普通重力沉降及溶氣氣浮沉降分離過程中，從中心柱管口位置延伸至配水干管區(qū)域，均保持有較高的壓力分布，進(jìn)入配水支管后壓力則明顯降低，至配水口時(shí)壓力降到最低，但在相同來水水質(zhì)、相同處理量及相同的配水結(jié)構(gòu)下，當(dāng)沉降罐上部增設(shè)環(huán)形布?xì)鈫卧?，也就是在溶氣氣浮沉降中，截面流場的壓力整體降低，特別在配水支管至配水口區(qū)域，壓力場分布相對(duì)更為均衡，有益于改善來水的布水均勻性。當(dāng)處理量增加時(shí)，普通重力沉降及溶氣氣浮沉降配水單元流場的壓力整體增大，但前者的增幅及區(qū)域壓力場分布的不均衡性更加明顯，相比于普通重力沉降工藝，溶氣氣浮沉降工藝能夠更好地適應(yīng)于含油污水沉降罐在較高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的配水。

表2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置Table 2 Parameters of calculation

3.1.2 沉降罐內(nèi)部 為了清晰反映含油污水在不同沉降分離工藝中的壓力場分布，在普通重力沉降罐三維模型和溶氣氣浮沉降罐三維模型中均選取z=0的 縱 剖 面，自 上 而 下 取y=14.35、13.85、13.35、12.35、11.35、9.35、7.35、4.35、1.35的9個(gè)橫截面，對(duì)比分析穩(wěn)定工況下沉降罐內(nèi)部壓力場的分布，如圖5、6所示。由圖5、6可以看出，在含油污水沉降分離過程中，普通重力沉降罐內(nèi)部和溶氣氣浮沉降罐內(nèi)部的壓力場分布規(guī)律一致，自上而下壓力不斷減小，至集水口位置時(shí)壓力最低，但在相同來水水質(zhì)及處理量下，溶氣氣浮沉降分離流場的壓力整體較低，壓力場分布較為均衡，揭示出較普通重力沉降分離過程更加穩(wěn)定的流場。當(dāng)處理量從50 m3/h上升到100 m3/h后，普通重力沉降罐內(nèi)部自上而下各截面的壓力均明顯增大，但溶氣氣浮沉降罐內(nèi)部自上而下各截面的壓力基本不變，進(jìn)一步反映出溶氣氣浮沉降工藝較普通重力沉降工藝更為穩(wěn)定的流場特性，以及該工藝對(duì)沉降罐運(yùn)行負(fù)荷發(fā)生改變時(shí)的較強(qiáng)適應(yīng)性。

圖3 50 m3/h處理量下配水單元壓力場分布Fig.3 Pressure field distribution in water distribution system at the flow rate of 50 m3/h

圖4 100 m3/h處理量下配水單元壓力場分布Fig.4 Pressure field distribution in water distribution system at the flow rate of 100 m3/h

圖5 50 m3/h處理量下沉降罐內(nèi)部壓力場分布Fig.5 Pressure field distribution in settlement tank at the flow rate of 50 m3/h

圖6 100 m3/h處理量下沉降罐內(nèi)部壓力場分布Fig.6 Pressure field distribution in settlement tank at the flow rate of 100 m3/h

3.2 流場壓降特征

為了進(jìn)一步定量描述氣浮選對(duì)沉降分離過程中壓力場分布的影響，分別提取平行于普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐縱軸線、x=±1的左右兩條對(duì)稱線L、R上的壓降特征值，并進(jìn)行對(duì)比，得到如圖7所示不同處理量下沉降罐內(nèi)對(duì)稱線L、R上的壓降分布，可以看出，同樣的含油污水來水水質(zhì)，在50 m3/h處理量的工況下，普通重力沉降罐內(nèi)和溶氣氣浮沉降罐內(nèi)對(duì)稱線上的壓降均沿布水區(qū)域、沉降區(qū)域、集水區(qū)域不斷降低，至高度為1.35～4.35 m的空間，也就是集水口附近的集水區(qū)域，兩種沉降分離方式下相同對(duì)稱線上的壓降均趨于穩(wěn)定，但普通重力沉降罐內(nèi)對(duì)稱線的壓降均高于溶氣氣浮沉降罐內(nèi)相同位置的壓降，且對(duì)于溶氣氣浮沉降，其罐內(nèi)兩條對(duì)稱線L、R上的壓降變化特征基本完全重合，而普通重力沉降罐兩條對(duì)稱線L、R上的壓降變化則表現(xiàn)出差異性特征，尤其在高度為7.35～14.35 m的空間，也就是罐內(nèi)沉降區(qū)域和布水區(qū)域，兩條對(duì)稱線L、R上的壓降差異性明顯，這表明兩種沉降分離方式下，盡管罐內(nèi)集水區(qū)域均能取得穩(wěn)定的流場特征，但在發(fā)揮含油污水沉降分離功能的主要區(qū)域，溶氣氣浮選沉降過程則更為穩(wěn)定，對(duì)分離效果的提高也更有保證。

在處理量增加到100 m3/h時(shí)，沉降罐內(nèi)對(duì)稱線L、R上的壓降變化特征與處理量為50 m3/h時(shí)相似，但相比于溶氣氣浮選沉降在處理量增加時(shí)壓降變化不大的特征，普通重力沉降則呈現(xiàn)出隨處理量增加，壓降顯著增大的特征，且沉降罐左右兩條對(duì)稱線L、R上的壓降波動(dòng)更為明顯，這種在布水區(qū)域、沉降區(qū)域具有較大的壓降及在沉降罐對(duì)稱區(qū)域不對(duì)稱的壓降特征，影響到布水的均勻性和分離流場的局部與整體穩(wěn)定性。相反，溶氣氣浮選沉降則有益于在不同處理量下構(gòu)建平穩(wěn)的局部和整體分離流場，促進(jìn)分離效果的改善。

圖7 沉降分離流場沿程壓降變化Fig.7 Pressure drop in the flow field of settlement separation

4 氣浮選對(duì)油珠及懸浮物粒子跡線特征的影響

圖8 、9分別為50 m3/h和100 m3/h處理量下沉降分離流場中的粒子跡線特征。對(duì)比同一時(shí)刻普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐內(nèi)的粒子跡線可以發(fā)現(xiàn)，由于來水水質(zhì)相同，兩種沉降方式下油珠粒子和懸浮物粒子在罐內(nèi)分布的規(guī)模相似，但在普通重力沉降中，粒子跡線呈混亂無序，不能布滿罐體空間，且在沉降罐布水區(qū)域和沉降區(qū)域有嚴(yán)重的渦流形成，再現(xiàn)不穩(wěn)定的流場特征（見圖8（a）、（c），圖9（a）、（c））；在溶氣氣浮沉降中，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定有序，粒子布滿罐體空間，吻合于壓力場分布描述，再現(xiàn)穩(wěn)定而均勻的流場特征，且有大量粒子，尤其是油珠粒子，在布?xì)鈪^(qū)域及以上呈拋物線型軌跡向上運(yùn)動(dòng)（見圖8（b）、（d），圖9（b）、（d）），反映出氣浮選的作用機(jī)制[7?9]。隨著處理量增大，溶氣氣浮沉降中粒子的跡線特征變化不大，仍然呈現(xiàn)粒子布滿罐體空間、運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定有序及浮升的特征（見圖9（b）、（d）），這與壓力場分布描述中關(guān)于溶氣氣浮沉降工藝對(duì)沉降罐運(yùn)行負(fù)荷變化具有較強(qiáng)適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)相一致，但普通重力沉降中粒子的跡線更為不規(guī)則，渦流現(xiàn)象更為顯著（見圖9（a）、（c）），反映出分離流場的不均勻和不穩(wěn)定性。

圖8 50 m3/h處理量下沉降分離流場粒子跡線Fig.8 Particles trace in flow fields of settlement separation at the flow rate of 50 m3/h

5 氣浮選對(duì)沉降分離效果的影響

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果定量氣浮選對(duì)沉降分離效果的影響，在運(yùn)行穩(wěn)定后，分別在普通重力沉降罐和溶氣氣浮沉降罐的集水口高度處（距離罐底1 400 mm）取橫截面，追蹤提取截面上的油珠粒子和懸浮物粒子分布體積分?jǐn)?shù)[17?19]，據(jù)式（1）求得此截面上水質(zhì)的含油量、懸浮物含量，并將其平均值作為沉降分離出水水質(zhì)的特性參數(shù)：

式中，cp為沉降分離流場中任一區(qū)域位置處水質(zhì)的含油質(zhì)量濃度（或懸浮物質(zhì)量濃度），mg/L；ρ為水質(zhì)中油珠粒子（或懸浮物粒子）的密度，kg/m3；Vf為沉降分離流場中任一區(qū)域位置處油珠粒子（或懸浮物粒子）的體積分?jǐn)?shù)。

基于所求得出水水質(zhì)的特性參數(shù)及已知來水水質(zhì)的含油質(zhì)量濃度、懸浮物質(zhì)量濃度，計(jì)算兩種沉降分離方式對(duì)相同性質(zhì)含油污水、不同處理量下的除油率和懸浮物去除率，結(jié)果見表3。由表3可以看出，含油污水溶氣氣浮沉降分離的效果明顯好于普通重力沉降分離，除油率和懸浮物去除率提高8%～11%，盡管處理量從50 m3/h增大到100 m3/h時(shí)，兩種沉降分離方式下的除油率和懸浮物去除率均有下降，但溶氣氣浮沉降方式下的降幅小，除油率和懸浮物去除率降低幅度分別從普通重力沉降分離的8.22%和24.01%減小到4.10%和16.45%，表明溶氣氣浮可以改善含油污水的沉降分離效果，并能夠有效應(yīng)對(duì)處理量波動(dòng)工況下對(duì)沉降分離效果的不利影響。

圖9 100 m3/h處理量下沉降分離流場粒子跡線Fig.9 Particles trace in flow fields of settlement separation at the flow rate of 100 m3/h

表3 含油污水沉降分離效果Table 3 Oil and suspended solids removal rates in settlement separation process

6 結(jié)論

（1）基于多相流混合模型（Mixture Model）數(shù)值模擬描述了含油污水沉降分離流場特性，相比于普通重力沉降分離，溶氣氣浮沉降能夠使沉降罐內(nèi)部及其配水單元均獲得更為穩(wěn)定的壓力場分布，使沉降分離流場獲得沿程更低的壓降，使油珠和懸浮物粒子有效浮升，并獲得更為均勻而穩(wěn)定有序的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)適應(yīng)處理量變化下平穩(wěn)分離流場的構(gòu)建。

（2）含油污水溶氣氣浮沉降分離的除油率和懸浮物去除率較普通重力沉降分離提高8%～11%，即使隨著處理量的增大，不同沉降分離方式下的除油率和懸浮物去除率均下降，但在處理量50 m3/h增大到100 m3/h時(shí)，溶氣氣浮沉降分離的除油率和懸浮物去除率降低幅度分別從普通重力沉降分離降幅的8.22%和24.01%減小到4.10%和16.45%，有效改善含油污水沉降分離效果。