立式氣旋浮裝置處理油田采出水的現(xiàn)場實驗與應(yīng)用改進(jìn)措施

丁國棟， 陳家慶， 蔡小壘， 姬宜朋， 尚 超， 張 明， 王春升， 關(guān) 順

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室，北京 102617；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100027)

作為最典型、最有代表性的含油污水，采油污水或油田采出水是油井采出液進(jìn)行脫氣、脫水(鹽)處理的伴隨產(chǎn)物，對其進(jìn)行有效處理已經(jīng)成為當(dāng)代石油工業(yè)不可或缺的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1-2]。隨著深水油田、邊際油田、綠色油田乃至碳中和油田開發(fā)進(jìn)程的不斷加快，對新型高效采出水處理技術(shù)的需求日益迫切[3-5]。立式氣旋浮裝置(也被稱為緊湊型氣浮裝置，Compact flotation unit，CFU)是近20年來在國內(nèi)外油田采出水處理領(lǐng)域廣受關(guān)注的一種高新技術(shù)裝備，通過將氣浮與低強度離心力場耦合于一個立式容器內(nèi)，實現(xiàn)了低占地面積、高處理能力、高除油效率和易運行維護(hù)等優(yōu)點的有機(jī)結(jié)合[6-7]。從技術(shù)溯源的角度來看，2000年誕生于挪威EPCON Offshore公司的Epcon CFU是世界上第一臺CFU產(chǎn)品[8-11]。隨后數(shù)年內(nèi)迅速在多個海上油田得到了工程應(yīng)用，從而引發(fā)了CFU研發(fā)熱潮，先后出現(xiàn)了諸如法國Veolia集團(tuán)CophaseTM、美國CETCO Energy Services公司CrudeSep?等十多種產(chǎn)品[12-13]。2009年，Epcon CFU的骨干研發(fā)人員J?rn Folkvang組織研發(fā)了其技術(shù)生涯的第二代CFU —— TST CFU，也在海上油田得到了工程應(yīng)用[14-16]。面對市場競爭，通過兼并重組而擁有了Epcon CFU技術(shù)的美國Schlumberger(斯倫貝謝)公司不甘落后，2014年底也推出了第二代CFU——Epcon Dual CFU。J?rn Folkvang同年以技術(shù)經(jīng)理的身份參與成立了挪威Stauper Offshore公司，并推出了其技術(shù)生涯的第三代CFU——Stauper CFU，繼續(xù)引領(lǐng)國外CFU技術(shù)的發(fā)展。目前，Stauper CFU已在中國南海文昌油田群“海洋石油116”FPSO以及渤海曹妃甸(CFD)11-1/11-6油田得到了應(yīng)用。

相比之下，國內(nèi)對CFU技術(shù)的研發(fā)起步較晚，雖然中海油研究總院有限責(zé)任公司[17-18]、寧波威瑞泰默賽多相流儀器設(shè)備有限公司[19]、天津瑞吉德科技有限公司[20-22]、巨濤海洋石油服務(wù)有限公司[23-24]、中科院力學(xué)研究所[25-26]等先后推出了工程樣機(jī)，但迄今仍未推出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能系列化產(chǎn)品。究其原因主要是2個方面：①國內(nèi)在前期對國外同類產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)研究不夠深入的情況下，倉促推出樣機(jī)產(chǎn)品以搶占市場，現(xiàn)場試驗效果不盡如人意后又缺乏投入后勁；②部分油田業(yè)主在未能充分對比評判國外不同CFU產(chǎn)品工作原理和性能優(yōu)劣的情況下，倉促引進(jìn)上馬投用，致使總體運行效果不盡如人意[27-28]。內(nèi)卷之下，不僅直接影響了國內(nèi)用戶對該技術(shù)的準(zhǔn)確理解和理性選擇，而且在經(jīng)歷了近十年多家爭鳴的國產(chǎn)化研發(fā)熱潮后目前已經(jīng)漸趨沉寂[29]。北京石油化工學(xué)院環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團(tuán)隊自2005年開始密切關(guān)注國外各種CFU技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，2010年開始與中海油研究總院有限責(zé)任公司合作，分別于2012年、2014年、2015年推出了BIPTCFU-Ⅲ-4型、BIPTCFU-Ⅲ-20型、BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工程樣機(jī)和工業(yè)樣機(jī)，設(shè)計污水處理量分別為4、20、120 m3/h[3-5,30-32]。2016年3月在進(jìn)行BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用放大試驗研究的課題驗收時，專家組建議將其納入中國海洋石油總公司的“三新三化”產(chǎn)品清單。筆者將首次介紹具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)組成及其油田現(xiàn)場試驗情況，展示分析不同操作參數(shù)對除油率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合近五年來的思考探索，從工藝流程簡化、微細(xì)氣泡發(fā)生、罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面對推廣應(yīng)用中所應(yīng)關(guān)注的問題進(jìn)行分析探討，以期助力國產(chǎn)CFU早日實現(xiàn)從“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”。

1 工業(yè)樣機(jī)設(shè)計

1.1 流程布置

BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)主體由微孔管式微氣泡發(fā)生器、立式氣旋浮罐、增壓泵以及必要的管線閥門等組成，其中立式氣旋浮罐以旋流和氣浮兩種單元處理技術(shù)為基礎(chǔ)。旋流通過切向進(jìn)水管進(jìn)入罐體上部而產(chǎn)生，氣浮流程則基于全部進(jìn)水加注氣泡和部分回流再次加注氣泡的組合方式[31]。圖1(a)為工業(yè)樣機(jī)的流程布置示意圖。含油污水經(jīng)泵送增壓后通過微孔管式微氣泡發(fā)生器生成大量微細(xì)氣泡，隨后混合有大量微細(xì)氣泡的含油污水由氣旋浮罐中上部切向進(jìn)水管進(jìn)入罐內(nèi)并進(jìn)行分離凈化處理；處理后的污水經(jīng)氣旋浮罐體底部排出，并將其部分回流，回流水經(jīng)另一臺小處理量微氣泡發(fā)生器再次注入微細(xì)氣泡，然后由氣旋浮罐中下部布置的雙層“豐”字形布水器進(jìn)入罐內(nèi)，進(jìn)行二次分離凈化處理。在此過程中，由微細(xì)氣泡黏附污水中的油顆粒和固體懸浮物(SS)并上浮至罐內(nèi)液面，液面附近的浮渣從罐體頂部排油口排出。根據(jù)流程布置圖設(shè)計加工的CFU工業(yè)樣機(jī)實物如圖1(b)所示。設(shè)計污水處理量為120 m3/h，進(jìn)氣量為0～20 m3/h；采用整體撬裝設(shè)計，整體外廓尺寸為6500 mm(長)×2400 mm(寬)×4600 mm(高)；凈重不低于15 t，微氣泡發(fā)生器尺寸為Φ76 mm×575 mm；立式氣浮旋流罐的主體尺寸為Φ1900 mm×3088 mm，有效高度為2679 mm。

MBG—Micro-bubble generator圖1 BIPTCFU-Ⅲ-120型立式氣旋浮裝置(CFU)工業(yè)樣機(jī)Fig.1 Industrial prototype of BIPTCFU-Ⅲ-120 vertical compact floatation unit (CFU)(a) Process layout diagram; (b) Device physical graphs

1.2 關(guān)鍵設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 微氣泡發(fā)生器

微細(xì)氣泡的質(zhì)量直接影響氣浮凈水技術(shù)的性能，項目團(tuán)隊自2011年以來自行設(shè)計研發(fā)了多款基于微孔介質(zhì)成泡的微氣泡發(fā)生器，通過橫向?qū)Ρ确治龀膳葙|(zhì)量、氣浮除油效率等實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如圖2所示的基于“內(nèi)部微孔管走水-外環(huán)注氣式”微氣泡發(fā)生器的成泡性能最佳。微氣泡發(fā)生器成品的主體結(jié)構(gòu)由切向進(jìn)水管、腔體、陶瓷微孔管等組成，水流切向進(jìn)入微孔管內(nèi)部，帶壓氣體則由環(huán)形氣腔經(jīng)微孔管外壁注入管內(nèi)，隨后旋轉(zhuǎn)水流切割從微孔管內(nèi)壁處溢出的連續(xù)微小氣流，進(jìn)而產(chǎn)生大量微細(xì)氣泡[33-34]。

圖2 “內(nèi)部微孔管走水-外環(huán)注氣式”微氣泡發(fā)生器的工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram for the working principle of microbubble generator in the mode of“water flow through inner micropore tube-gas inject through outer ring”(a) Microporous degassing; (b) Top-down swirl shear process

所用陶瓷微孔管的外徑為Ф50 mm、膜孔徑為0.1 μm、氣孔率為50%、透氣度為0.02 m3/(m2·h·mmH2O)，為確保大污水處理量下微氣泡發(fā)生器的成泡效果，采用多個陶瓷微孔管并聯(lián)工作模式。在進(jìn)行特殊環(huán)形布置后，污水處理量為120 m3/h的微氣泡發(fā)生器采用DN550的標(biāo)準(zhǔn)鋼管作為殼體。為考察實際成泡效果并出于保守設(shè)計的考慮，CFU工業(yè)樣機(jī)進(jìn)行了微氣泡發(fā)生系統(tǒng)的串/并聯(lián)設(shè)計，通過閥門切換控制微氣泡發(fā)生器的單級或兩級串聯(lián)運行，撬裝加工完成后的微孔管式微氣泡發(fā)生器實物如圖3所示。

圖3 立式氣旋浮裝置工業(yè)樣機(jī)配套用微孔管式微氣泡發(fā)生器Fig.3 Microporous tube type microbubble generator matchedwith vertical CFU industrial prototype

1.2.2 立式氣旋浮罐體

立式氣旋浮罐是BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)中的主體設(shè)備，其工藝尺寸控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，直接影響著整個工業(yè)樣機(jī)的工作性能。忽略接管及人孔等附件，將立式氣旋浮罐體的主體結(jié)構(gòu)簡化為由上下橢圓形封頭和圓柱直筒段組成，結(jié)構(gòu)簡圖和作用機(jī)理如圖4所示。

he—Height of effective liquid level; hT—Height of vertical compact flotation tank;hD—Liquid level height of straight side section in tank； h1—Height of the straight edge of the ellipse head;h2—Height of the ellipse part of the ellipse head; D—Inner diameter of tank;hp—Distance between the liquid level in the tank and the lower edge of the straight edge section of the head圖4 立式氣旋浮罐的結(jié)構(gòu)簡圖和作用機(jī)理Fig.4 Structural diagram and action mechanism of vertical compact flotation tank(a) Vertical tank; (b) Circulation lifting effect of upper stabilizer

假設(shè)設(shè)計污水處理量為Q(m3/h)、水力停留時間為t(s)，則立式氣旋浮罐體的有效體積Ve(m3)的計算公式如式(1)所示。

(1)

若罐體內(nèi)徑為D(m)、有效液面高度為he(m)、橢圓封頭直邊部分的高度為h1(m)、橢圓封頭橢圓部分的高度為h2(m)，則立式氣旋浮罐體的有效體積Ve還可表示如式(2)所示。

(2)

有效體積Ve與罐體總體積V(m3)之間的關(guān)系如式(3)所示。

Ve=ηV

(3)

式中：η為罐體的裝料系數(shù)，一般在0.75～0.90之間選取。

立式氣旋浮罐體的總體積V(m3)如式(4)所示。

(4)

式中：hp為罐內(nèi)液面距封頭直邊段下沿的間距，m。

將立式氣旋浮罐內(nèi)分離區(qū)的水力負(fù)荷率記為vs(%)，而該值可以利用立式氣旋浮罐的有效高度he和水力停留時間t進(jìn)行計算，如式(5)所示。

(5)

經(jīng)綜合衡量，當(dāng)污水處理量Q為120 m3/h、水力停留時間t為210 s時，選取立式氣旋浮罐的裝料系數(shù)為0.9，計算得到：內(nèi)徑(Ф)為1.9 m立式氣旋浮罐所對應(yīng)的表面水力負(fù)荷率為vs為45.06 m3/(m2·h)，立式氣旋浮罐的總高度hT為3.06 m，罐體高/徑比β為1.61。此時，立式氣旋浮罐所能處理液體的有效體積Ve為7 m3，罐內(nèi)液面高度he為2.63 m。含油污水通過上部切向進(jìn)水管進(jìn)入氣旋浮罐內(nèi)后，在穩(wěn)流筒與罐體內(nèi)壁的環(huán)流區(qū)域內(nèi)形成弱旋流，強化了微細(xì)氣泡與油滴之間的碰撞黏附。如圖4(b)所示，所形成的油滴-氣泡黏附體在弱旋流作用下繼續(xù)向罐體中心區(qū)域運移，并最終上浮至罐內(nèi)液面表層。穩(wěn)流筒的作用在于，一方面配合罐體內(nèi)壁形成環(huán)形空間產(chǎn)生必要的旋流強度，一方面在筒體內(nèi)部形成相對平靜的分離區(qū)，同時借助環(huán)流提升效應(yīng)強化油滴和固體懸浮物的向上浮升。借助計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬手段，項目團(tuán)隊探討了穩(wěn)流筒關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能的影響，并得到最佳結(jié)構(gòu)尺寸[31]。

1.3 含油濃度及除油效率表征

BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)的現(xiàn)場試驗在中海石油(中國)有限公司南海東部石油管理局流花(LH)11-1油田(簡稱南海流花11-1油田)的“南海勝利號”FPSO上進(jìn)行。為便于直觀對比，現(xiàn)場試驗過程中使用FPSO上現(xiàn)有的含油量測試化驗設(shè)備(美國WILKS公司生產(chǎn)的TOP/TPH Analyzer含油分析儀)和萃取劑(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的四氯乙烯)，測量儀器實物如圖5(a)所示。TOG/TPH紅外分析儀是基于快速測定水和土壤樣品中總油脂(TOG)和總石油烴(TPH)濃度的紅外光譜方法，其工作原理符合朗伯-比爾定律，如圖5(b)所示，即用一束強度為I0的特征紅外光照射樣品，由于油脂對特征紅外光產(chǎn)生吸收，透射光強度會減弱為I，根據(jù)吸光度與油脂濃度的關(guān)系式以及被測樣品的吸光度即可求出被測樣品中的油脂濃度。

I0, I—Light intensity圖5 TOG/TPH分析儀的實物圖和工作原理Fig.5 Picture and working principle of TOG/TPH analyzer(a) TOG/TPH analyzer; (b) Test schematic diagram

立式氣旋浮裝置除油率(δ，%)的計算公式如式(6)所示。

(6)

式中：CIn為立式氣旋浮罐進(jìn)口處的含油質(zhì)量濃度，mg/L；COut為立式氣旋浮罐出水口處的含油質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 操作參數(shù)對除油率的影響分析

BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)放置在流花11-1油田“南海勝利號”FPSO的左舷甲板卸貨平臺，該油田原油的密度(20 ℃)為0.9313 g/cm3，屬于高密度、高黏度、低含硫、低含蠟、低凝固點、低溶解氣油比、欠飽和環(huán)烷基生物降解程度較高的重質(zhì)原油。含油污水來源為一級生產(chǎn)水分離器的出水，樣機(jī)水出口與外排水緩沖罐連接，油氣出口接入油回注罐，微氣泡發(fā)生器的氣源由FPSO現(xiàn)有的氮氣發(fā)生裝置供應(yīng)。實驗過程中一律不額外添加任何處理藥劑，測試研究操作參數(shù)變化對工業(yè)樣機(jī)分離性能(以除油率作為評價指標(biāo))的影響情況。

2.1.1 分流比的影響

當(dāng)進(jìn)水流量為120 m3/h、無回流、注氣比(體積分?jǐn)?shù)，下同)為8%時，針對立式氣旋浮罐頂排油口不同分流比對除油率的影響進(jìn)行實驗探究。定義分流比(γ，%)的計算公式如式(7)所示。

(7)

式中：QIn為立式氣旋浮裝置的進(jìn)水流量，m3/h；QOut為立式氣旋浮罐體頂部排液量，m3/h。

立式氣旋浮罐頂排油口不同分流比對工業(yè)樣機(jī)除油率及罐內(nèi)壓力的影響結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)可知，隨著分流比的增加，除油率總體上呈增大趨勢，當(dāng)γ為12.7%時除油率δ最高為84.5%。由圖6(b)可知，隨著分流比的增加氣旋浮罐內(nèi)壓力隨之降低，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是由于連接至緩沖罐的外排水管徑(3″)較小。因此，在低分流比工況下，罐體頂部排液量減小將導(dǎo)致立式氣旋浮罐內(nèi)壓力升高，進(jìn)而引發(fā)采出水中的溶解氣無法迅速釋放，使所產(chǎn)生的微細(xì)氣泡數(shù)密度隨之降低，除油率由此降低。此外，分流比降低，致使氣旋浮罐底部出水量顯著增大，進(jìn)而對罐內(nèi)穩(wěn)定流場產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致除油率降低。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration; δ—Oil removal rate; γ— Splitting ratio圖6 工業(yè)樣機(jī)除油率和氣旋浮罐內(nèi)壓力隨分流比的變化Fig.6 Variation of the oil removal rate of industrial prototype and the pressure in a compact floatation tank with the splitting ratio(a) Variation of oil removal rate with the splitting ratio; (b) Variation of static pressure with the splitting ratioConditions: Q=120 m3/h; ε=8%; σ=0

2.1.2 注氣比的影響

當(dāng)進(jìn)水流量(Qin)為120 m3/h、無回流、分流比為15%時，針對微氣泡發(fā)生器注氣比對除油率的影響進(jìn)行實驗探究。定義注氣比(ε，%)的計算式如式(8)所示。

(8)

式中：Qg為注氣體積流量，m3/h。

單因素調(diào)整注氣比(ε)分別為4.0%、5.9%、7.6%、9.6%、10.4%、12.0%時，注氣比對除油率的影響結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著注氣比由4.0%逐漸增大至12.0%，除油率整體呈增大趨勢，但注氣比大于5.9%以后，除油率維持在80%左右，水出口的含油質(zhì)量濃度降低至10 mg/L左右，可見注氣比對除油性能的影響不顯著。究其原因是由于來液中含有一定量的溶解氣，在切向入口起旋、降壓效應(yīng)下，部分溶解氣在立式氣旋浮罐內(nèi)解析釋放產(chǎn)生微細(xì)氣泡，進(jìn)而直接參與除油過程，一定程度上削弱了注氣量對工業(yè)樣機(jī)除油性能的影響。因此，即使繼續(xù)增大注氣比，氣旋浮罐的除油率也不再發(fā)生顯著變化。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration;δ—Oil removal rate; ε—Gas injection ratio圖7 工業(yè)樣機(jī)除油率隨注氣比的變化Fig.7 Variation of oil removal rate of the industrialprototype with gas injection ratioConditions: Q=120 m3/h; γ=15%; σ=0

2.1.3 回流比的影響

當(dāng)進(jìn)水流量120 m3/h、分流比15%、注氣比7%時，開啟回流泵，探究回流比參數(shù)對工業(yè)樣機(jī)除油性能的影響。定義回流比(σ，%)計算式如式(9)所示。

(9)

式中：QBack為罐體底部回流水流量，m3/h。

設(shè)置回流比(σ)分別為0、4.5%、8.3%、11.6%、14.1%、17.6%時，除油率隨回流比的變化曲線如圖8所示。由圖8可知，隨著回流比的增大，除油率波動較小，基本保持在80%左右，方差為1.61。究其原因在于，污水入口處兩級串聯(lián)微孔管式微氣泡發(fā)生器加注產(chǎn)生的微細(xì)氣泡數(shù)量已經(jīng)足夠，因此即使通過部分回流管路補充更多的微細(xì)氣泡也不會對除油率產(chǎn)生明顯影響，并未起到預(yù)期的“二次氣浮”作用。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration;δ— Oil removal rate; σ—Return flow ratio圖8 工業(yè)樣機(jī)除油率隨回流比的變化Fig.8 Variation of oil removal rate of the industrialprototype with reflux ratioConditions: Q=120 m3/h; ε=7%; γ=15%

2.1.4 壓差的影響

由前述分流比和注氣比對除油率的影響分析可知，立式氣旋浮罐內(nèi)壓力通過影響溶解氣釋放效果從而對除油率產(chǎn)生影響。為此，筆者通過改變微氣泡發(fā)生器和立式氣旋浮罐間的壓差來影響進(jìn)入立式氣旋浮罐內(nèi)溶氣水的釋氣效果，進(jìn)而影響工業(yè)樣機(jī)的除油率。當(dāng)進(jìn)水流量為120 m3/h、分流比15%、無回流、注氣比為7%時，通過調(diào)節(jié)立式氣浮罐和微氣泡發(fā)生器間的閘閥，改變上游管束壓力來調(diào)整立式氣旋浮罐體與微氣泡發(fā)生器間的壓力差(Δp)，得到不同壓差條件下除油性能的變化趨勢如圖9所示。由圖9可知：隨著壓差的增大，除油率隨之逐漸增加；當(dāng)Δp為381 kPa時，水出口含油質(zhì)量濃度降低至36 mg/L，除油率最高可達(dá)87.8%。由此可見，微氣泡發(fā)生器與立式氣旋浮罐間的壓差是影響除油率的關(guān)鍵操作參數(shù)之一。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration;δ—Oil removal rate圖9 工業(yè)樣機(jī)除油率隨壓差的變化Fig.9 Variation of oil removal rate of the industrialprototype with pressure differenceConditions: Q=120 m3/h; ε=7%; γ=15%; σ=0

2.1.5 進(jìn)水流量的影響

當(dāng)分流比為5%、注氣比為7%、Δp為400 kPa、無回流時，通過調(diào)節(jié)入口閥門開度來控制進(jìn)水流量，得到除油率隨進(jìn)水流量的變化曲線如圖10所示。從圖10可見，隨著進(jìn)水流量的增加，除油率隨之略有降低，除最大流量工況(Q=176 m3/h，即為設(shè)計處理量的1.47倍)下的除油率為78.5%外，其他流量下的除油率均高于85.4%，且水出口的含油質(zhì)量濃度也基本保持在50 mg/L以下。由此可見，工業(yè)樣機(jī)分離性能對流量波動的適應(yīng)能力很強，后續(xù)進(jìn)行更大處理量裝置設(shè)計時可進(jìn)一步提高水力負(fù)荷率，提升立式氣旋浮罐的緊湊性。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration;Q—Flow rate；δ—Oil removal rate圖10 工業(yè)樣機(jī)除油率隨進(jìn)水流量的變化Fig.10 Variation of oil removal rate of theindustrial prototype with inlet water flow rateConditions: ε=7%; γ=5%; σ=0; Δp=400 kPa

2.2 穩(wěn)定工況下除油性能的對比分析

2.2.1 基于單/雙級微氣泡發(fā)生器的除油性能對比

根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選取最佳操作參數(shù)為：進(jìn)水流量120 m3/h，分流比5%，注氣比7%，Δp=400 kPa，無回流。仍然在不額外添加化學(xué)藥劑的情況下進(jìn)行工業(yè)樣機(jī)除油穩(wěn)定運行實驗，同時還對裝置入口處兩臺微氣泡發(fā)生器串聯(lián)運行和單臺獨立運行時裝置的分離性能進(jìn)行比較分析。

運行過程中CFU工業(yè)樣機(jī)進(jìn)出口污水含油質(zhì)量濃度以及除油率的變化曲線如圖11(a)所示，1～10組實驗基于入口處兩級微氣泡發(fā)生器串聯(lián)運行，11～14組實驗則基于入口處單臺微氣泡發(fā)生器獨立運行。結(jié)果表明：當(dāng)兩臺微氣泡發(fā)生器串聯(lián)運行、入口平均含油質(zhì)量濃度為280.3 mg/L時，出口平均含油質(zhì)量濃度降至39.9 mg/L，工業(yè)樣機(jī)的平均除油率為85.8%；當(dāng)單臺微氣泡發(fā)生器獨立運行、入口平均含油質(zhì)量濃度為268.5 mg/L時，出口平均含油質(zhì)量濃度降至41.0 mg/L，工業(yè)樣機(jī)的平均除油率為84.7%，二者之間的平均除油率無顯著差距，這說明單臺微氣泡發(fā)生器即可產(chǎn)生滿足氣浮需求的足量微細(xì)氣泡。此外，即使入口含油質(zhì)量濃度波動到342 mg/L，水出口的含油質(zhì)量濃度為44 mg/L，除油率為87.1%，說明工業(yè)樣機(jī)對采出水的含油濃度具有較強的適應(yīng)性。入口和出口的代表性水樣照片如圖11(b)所示，水出口的含油量肉眼可見有明顯降低。

CIn—Inlet oil concentration; COut—Outlet oil concentration; δ—Oil removal rate圖11 工業(yè)樣機(jī)穩(wěn)定運行過程中除油率變化和水樣照片F(xiàn)ig.11 Variation of oil removal rate of the industrial prototype during stable operation and water sample photo(a) The changes of oil removal rate; (b) Photos of inlet and outlet water samplesConditions: Q=120 m3/h; γ=5%; ε=7%; σ=0； Δp=400 kPa

2.2.2 與主流CFU除油性能的對比

為橫向?qū)Ρ确治鯞IPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)的除油性能，調(diào)研了國外Epcon CFU、TST CFU和Stauper CFU 3種典型裝置的油田現(xiàn)場連續(xù)運行數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，盡管各油田采出水的水質(zhì)存在差異，但BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)的整體除油性能并不遜色于國外主流CFU產(chǎn)品。實際上，國外典型CFU的實際運行指標(biāo)并不如其宣傳材料中聲稱的那樣“性能優(yōu)異”，部分還需要添加化學(xué)藥劑助力實現(xiàn)排放達(dá)標(biāo)。

表1 國內(nèi)外典型CFU的部分油田現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)Table 1 Field operation data of typical CFUs in some oilfields at home and abroad

3 面向工程應(yīng)用的改進(jìn)措施

BIPTCFU-Ⅲ-120型CFU工業(yè)樣機(jī)在油田現(xiàn)場實驗所取得的良好成效，為推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，增強了團(tuán)隊繼續(xù)自主研發(fā)高新技術(shù)產(chǎn)品的信心。但客觀而言，由于設(shè)計研制該工業(yè)樣機(jī)的出發(fā)點是為了對一些受限于室內(nèi)實驗研究條件而無法進(jìn)行考察的因素進(jìn)行測試確認(rèn)，同時為確?，F(xiàn)場試驗成效而采取了一些冗余設(shè)計舉措，因此在推廣應(yīng)用時仍然需要就一些技術(shù)細(xì)節(jié)或針對一些特定場合限制約束進(jìn)行必要的完善改進(jìn)。

3.1 系統(tǒng)工藝流程的簡化

工業(yè)樣機(jī)的回流比單因素實驗結(jié)果表明，回流比變化對除油率的影響極小，采取將立式氣旋浮罐出水部分回流的工藝，未能起到預(yù)期的二次強化氣浮作用；與此同時，在立式氣旋浮罐入口處采用單臺微氣泡發(fā)生器已經(jīng)足以產(chǎn)生滿足浮選除油的微細(xì)氣泡。因此，在工程設(shè)計中完全可以去掉回流系統(tǒng)，同時可以將立式氣旋浮罐入口處配備的兩臺微氣泡發(fā)生器由串聯(lián)使用改為1用1備，以便在進(jìn)一步增加裝置結(jié)構(gòu)緊湊性的同時，降低建造投資和運行成本。實際運行過程中，可以根據(jù)油田現(xiàn)場待處理污水中溶解氣含量的不同，動態(tài)調(diào)整微氣泡發(fā)生器的注氣量，以得到預(yù)期數(shù)量和質(zhì)量的微細(xì)氣泡。當(dāng)含油污水的水質(zhì)較為復(fù)雜、油水乳化程度較高但處理排放標(biāo)準(zhǔn)要求較嚴(yán)格時，還可以采取兩級立式氣旋浮罐串聯(lián)運行的模式，相應(yīng)的工藝流程如圖12所示。

MBG—Micro-bubble generator圖12 兩級串聯(lián)型氣旋浮裝置的工藝流程示意圖Fig.12 Process flow diagram of two-stage series CFU

筆者團(tuán)隊基于上述工藝流程，設(shè)計研發(fā)了額定污水處理量為100 m3/h的兩級串聯(lián)型立式氣旋浮裝置，參與了中國石化下屬某公司煉化污水的提標(biāo)改造工程。投運結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水石油類質(zhì)量濃度不高于200 mg/L、固體懸浮物(SS)質(zhì)量濃度不高于200 mg/L時，裝置對石油類污染物的去除率為81.2%，對SS的去除率為86.1%。裝置出水水質(zhì)穩(wěn)定，能夠滿足下一單元進(jìn)水要求，而且能夠大幅減少以往采用開敞式隔油池和氣浮池所帶來的VOCs無組織排放。

3.2 微細(xì)氣泡發(fā)生技術(shù)

如果油田采出水中溶解氣的含量較高，此時無需配備微細(xì)氣泡發(fā)生器，對采出水實施減壓釋放即可產(chǎn)生滿足浮選除油所需的足量微細(xì)氣泡。BIPTCFU-Ⅲ-20型CFU工程樣機(jī)2014年在中海油錦州(JZ)25-1油田中心平臺(CEP)的現(xiàn)場試驗已經(jīng)證明了上述觀點，當(dāng)進(jìn)水含油質(zhì)量濃度為172 mg/L、微氣泡發(fā)生器不注氣、不額外添加任何化學(xué)藥劑時，兩級立式氣旋浮罐串聯(lián)運行第二級的出水含油質(zhì)量濃度為30 mg/L，除油率為94.2%，與微氣泡發(fā)生器正常工作時的除油效果無明顯差異。對于該類應(yīng)用場合，關(guān)鍵是設(shè)計研發(fā)高效溶氣釋放器，實現(xiàn)低溶氣壓力下的高效、快速、完全釋氣成泡。項目團(tuán)隊2017年設(shè)計研發(fā)的新型溶氣釋放器，稍加改進(jìn)后應(yīng)該能夠滿足該類場合的應(yīng)用要求[38]。

當(dāng)然，對于油田采出水等含油污水中溶解氣含量不高等應(yīng)用場合，氣旋浮裝置仍需配備微氣泡發(fā)生器?！皟?nèi)部微孔管走水-外環(huán)注氣式”型微氣泡發(fā)生器雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、成泡粒徑均勻等優(yōu)點，但存在停運一段時間后微孔管因表面結(jié)垢生銹而被堵塞的風(fēng)險，同時當(dāng)設(shè)計處理量進(jìn)一步增大時其結(jié)構(gòu)緊湊性還具有較大的提升空間。盡管如此，采用多相溶氣泵(也稱為氣液混合泵)來向全部進(jìn)水中加注氣泡的工藝方案仍應(yīng)慎重考慮選用，原因在于，盡管多相溶氣泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小等優(yōu)勢，但同時也具有單體最大處理量小、進(jìn)口設(shè)備價格昂貴、剪切乳化嚴(yán)重、不適于高溫水流等不足[39]。為克服常規(guī)文丘里管式微氣泡發(fā)生器成泡粒徑大，粒徑分布不均勻等缺點，筆者團(tuán)隊嘗試通過在文丘里流道內(nèi)添加強旋流場的方式提高氣泡在擴(kuò)張段區(qū)域的破碎程度進(jìn)而降低成泡平均粒徑，但放大設(shè)計時仍然具有先天的通量局限性[40-42]。經(jīng)調(diào)研確認(rèn)，挪威J?rn Folkvang參與設(shè)計研發(fā)的各代CFU都配套使用了瑞士蘇爾壽(Sulzer)公司的薄板式靜態(tài)混合器進(jìn)行注氣分散，結(jié)構(gòu)極為緊湊，目前挪威Stauper Offshore公司正在進(jìn)一步完善以保持流量波動下成泡質(zhì)量的穩(wěn)定性[43]。因此，設(shè)計研發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、高通量的管式緊湊型微氣泡發(fā)生器應(yīng)該引起國內(nèi)高度關(guān)注。

3.3 立式罐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

立式氣旋浮罐體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計主要針對立式罐體容積設(shè)計和內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)方案布局來進(jìn)行。在立式罐體容積設(shè)計方面，前述進(jìn)水流量單因素實驗結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水流量超過設(shè)計污水處理量1.47倍時除油率下降并不明顯，可見以往立式氣旋浮罐體設(shè)計時控制水力負(fù)荷為45 m3/(m2·h)左右較為保守，可以嘗試進(jìn)一步提高水力負(fù)荷值，從而進(jìn)一步提升裝置的緊湊性。在內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)方案布局方面，梳理國內(nèi)外業(yè)已公開的CFU專利不難看出，結(jié)構(gòu)方案布局總體上可以分為不設(shè)內(nèi)筒式、內(nèi)筒內(nèi)旋式和內(nèi)筒外旋式氣旋浮3大類[44]。國外Epcon Dual CFU、TST CFU等產(chǎn)品率先基于單罐雙(多)級理念，通過特殊的內(nèi)部構(gòu)件增強旋流強度、提高微細(xì)氣泡的利用率，進(jìn)而顯著提升單體設(shè)備的除油率。筆者團(tuán)隊近五年來從如下2個方面著手努力：①借助CFD數(shù)值模擬方法和響應(yīng)曲面法等手段，對氣旋浮罐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后自主設(shè)計二次旋流強化氣旋浮罐的油水分離效率提高至94.5%，較常規(guī)單級氣旋浮罐提高了10%，驗證了單罐雙(多)級設(shè)計理念的有效性[45]。②重新審視設(shè)置旋流場促進(jìn)氣泡和分散相油顆粒間碰撞黏附這一初衷，當(dāng)處理量增加、氣旋浮罐內(nèi)徑增大后，不僅維持50倍左右的離心加速度比較困難，旋流助力氣泡和分散相油滴碰撞黏附的作用急劇弱化，而且數(shù)值模擬結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，罐內(nèi)的氣浮分離區(qū)即使存在微弱的旋流也會明顯惡化分離效果，因此，在設(shè)計研發(fā)最新一代(BIPTCFU-Ⅳ型)CFU樣機(jī)時，在氣浮分離區(qū)完全杜絕旋流，創(chuàng)新性地應(yīng)用了立式淺層沉降技術(shù)，并取得初步成效。

4 結(jié) 論

(1)BIPTCFU-Ⅲ-120型立式氣旋浮裝置工業(yè)樣機(jī)對南海流花11-1油田重質(zhì)原油采出水具有較好的除油效果，在進(jìn)水流量120 m3/h、分流比5%、注氣比7%、注氣壓差400 kPa、無回流的優(yōu)選操作參數(shù)下，當(dāng)入口水含油質(zhì)量濃度在240～400 mg/L之間時，除油率可達(dá)85%以上，最高除油率可達(dá)91.8%，出口水含油質(zhì)量濃度可降低到50 mg/L以下，優(yōu)于國外同期產(chǎn)品的性能。

(2)BIPTCFU-Ⅲ-120型立式氣旋浮裝置工業(yè)樣機(jī)的單因素現(xiàn)場實驗結(jié)果表明，分流比、壓差和進(jìn)水流量對工業(yè)樣機(jī)除油率影響顯著。但工業(yè)樣機(jī)對進(jìn)水流量波動具有較強的適應(yīng)性，當(dāng)實際污水處理量是設(shè)計污水處理量的1.47倍時，除油率仍高達(dá)78.5%，說明當(dāng)前設(shè)計依據(jù)的水力負(fù)荷率較為保守，裝置的結(jié)構(gòu)緊湊性仍具有較大的提升空間。

(3)可以根據(jù)特定應(yīng)用場合下的限制約束，通過從整套工藝流程簡化、微氣泡發(fā)生技術(shù)、立式罐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行完善優(yōu)化，從而在節(jié)省建設(shè)投資和運行成本的前提下，確保BIPTCFU系列立式氣旋浮裝置在后續(xù)應(yīng)用中的綜合性能較BIPTCFU-Ⅲ-120型立式氣旋浮裝置工業(yè)樣機(jī)有進(jìn)一步提升，在促進(jìn)總體技術(shù)位居國際領(lǐng)先水平的同時加快該技術(shù)的規(guī)模化推廣應(yīng)用。