蒸汽噴射油泥處理設備的節能優化分析

李穎王占生李春曉李秀敏滿春志張春剛

（1．中國石油安全環保技術研究院；2．中國石油大學（北京）；3．中國石油冀東油田安全環保處；4．中國石油冀東油田集輸公司）

蒸汽噴射油泥處理設備的節能優化分析

李穎1，2王占生1李春曉1李秀敏1滿春志3張春剛4

（1．中國石油安全環保技術研究院；2．中國石油大學（北京）；3．中國石油冀東油田安全環保處；4．中國石油冀東油田集輸公司）

超熱蒸汽噴射法是一種不產生二次污染、處理后的殘渣含油含水率低的含油污泥處理技術。針對其能耗大的缺點，文章通過設計新型換熱流程，并在原有工藝設計的基礎上增設預熱換熱器，回收過程氣的中高溫位（350℃左右），用于加熱鍋爐進水，預熱反應原料，從而提高系統效率。余熱回收效率為12．7%，預計節約70 400元／a，投資回收期僅為2個多月。

超熱蒸汽噴射；含油污泥處理設備；節能優化；余熱回收

0 引 言

超熱蒸汽噴射技術是近幾年涌現出的一種新型含油污泥處理方法，具有設備緊湊、簡單，易于維護，不產生二次污染；可回收污泥中的石油資源、處理后的殘渣含油含水率低的優勢，有效避免了普通處理排放后的高額污染費用，提高了經濟效益［1］。

超熱蒸汽噴射處理含油污泥技術已較為成熟，目前處于推廣階段，但其設備能耗還有待改進。為此開展超熱蒸汽噴射法含油污泥處理技術裝備的節能優化分析與設計，優化工藝流程，提高能量利用效率，進一步改進設備性能，降低綜合能耗。

1 工藝介紹與用能分析

1．1工藝原理

超熱蒸汽技術是利用500～600℃超熱蒸汽對濃縮脫水后的含油污泥進行干化處理。經過脫水后的泥餅或泥渣被送入超熱蒸汽處理室，即干化室，同時高溫蒸汽以音速或亞音速從特制噴嘴中噴出，與油泥顆粒碰撞。高溫環境使得液體從顆粒表面蒸發的速度加快，同時蒸汽蘊含的巨大動能提高了石油類和水分從顆粒內部滲出的速度，使油分和水分與顆粒物質瞬時分開［2］。被粉碎的污泥小顆粒和油氣連同蒸汽一起進入旋風分離器進行氣固分離。分離后的氣相經過冷凝進入管道輸至油氣回收單元，經冷卻后在重力作用下實現油水分離，油分可直接回收使用，廢水經處理后外排或回用［3］。回收的油中含水率低于0．5%。固相為污泥殘渣。

1．2工藝流程

煉化三泥和污水處理廠產生的含油污泥首先需要預濃縮處理。經過濃縮罐沉降和絮凝反應后，含油污泥被輸送到脫水機中，脫水后的泥餅或泥渣被輸送至干化處理設備進行干化處理［4］。干化室處理后的混合氣體經旋風分離器去除污泥殘渣，進入油水分離罐，實現油水分離；污泥殘渣直接進入回收槽，冷卻后外運以進一步綜合利用［5］。超熱蒸汽干化系統工藝流程見圖1。

圖1 超熱蒸汽干化系統工藝流程

1．3用能分析

考察某油田現場超熱蒸汽干化處理設備的用能情況。該設備處理對象為落地油形成的油砂，油砂含油率為15．4%，含水率為25．6%。

試驗條件：超熱蒸汽溫度600℃，旋風分離器部位設定控制溫度為360℃。

實際處理能力試驗過程記錄：30 min內處理135 L油泥，油泥密度約為1．6 kg／L，折合處理量為432 kg／h。

根據現場使用情況和設計參數，對該設備用能狀況進行分析。分析主要內容有：①確定設備現生產能力下的能耗總量；②確定設備能耗的主要流向和分布狀況（電、蒸汽、燃料氣、綜合能耗）；③分析系統用能的不合理環節，確定設備節能的主要方向。

根據各設備項目的耗電量與進氣量，可以將能量統一折算成標煤，進行綜合比較。表1為該設備能源消耗量及總能耗所占比例匯總。根據表1中所示各項目的用能情況，可以得到用能現狀分析結果如下：

◆超熱蒸汽噴射系統能源消耗總量為230．13 kg標煤／h，能源的實物消耗主要為天然氣。蒸汽鍋爐和超熱鍋爐燃氣消耗合計131．6 m3／h，折合159．81 kg標煤／h，占系統能耗的69．44%，因此降低天然氣消耗量是設備節能的重點方向。

◆電力耗能占系統總耗能的19．35%，主要用電項目為冷卻塔循環泵和離心脫水設備。冷卻塔循環泵循環水量大而耗能高，減小冷卻循環水使用量即可降低冷卻塔循環泵功率。

◆冷卻循環水使用量為300 m3／h，水量大且耗能比例大，占系統總耗能的11．17%，因此降低冷卻循環水用水量也是節能的一個方向。

2 節能優化設計方案

2．1節能優化思路

◆由于超熱蒸汽噴射的工作原理，為保證超熱鍋爐產生足夠高溫高壓的蒸汽，超熱鍋爐的天然氣消耗量不做改變。但是對于蒸汽鍋爐，可以通過預熱鍋爐進水，提高進水溫度，從而達到節省蒸汽鍋爐燃氣使用量的目的。

◆經過雙旋風分離器的過程氣仍有350℃左右的中高溫位，直接進入油水分離槽，不僅要求后續設備具備耐高溫高壓的性能，而且需要大量的冷卻循環水對其降溫。降低過程氣的溫度，可以節省冷卻水循環量，同時更換小功率的冷卻塔循環泵。

◆在旋風分離器和油水分離槽中間加設換熱器，回收過程氣的剩余熱量，用于加熱蒸汽鍋爐的進水。過量的熱水可以流經污泥進料管線，提高污泥進料溫度，或者儲備用于設備清洗。

2．2節能優化流程

在旋風分離器和油水分離器之間，加裝熱管換熱器，可以從旋風分離器出口的高溫過程氣中提取熱值。節能優化后的工藝流程如圖2所示。

表1 能源消耗量及能耗所占比例匯總

圖2 節能優化后的工藝流程

◆在旋風分離器與熱管換熱器之間加裝三通閥，設置旁路，將過程氣旁路直接進入油水分離器冷卻分離。這樣可以保證在換熱器故障時含油污泥處理設備的正常運轉，也有利于換熱器的檢修。

◆熱管換熱器的熱流體為旋風分離器出口的過程氣，冷流體為軟化水。軟化水經換熱器換熱一部分直接送入蒸汽鍋爐產生蒸汽，另一部分經過污泥伴熱管線對污泥伴熱之后再進入蒸汽鍋爐。

◆水箱存儲軟化水，為換熱器提供冷流體，同時在必要的情況下為蒸汽鍋爐補水。

2．3節能設備設計

根據熱管換熱器設計原理［6］，設定起始參數：熱流體質量流量Mh＝1 000 kg／h。旋風分離器出口熱流體溫度th1＝350℃，換熱器出口溫度th2＝180℃；冷流體的質量流量Mc＝1 200 kg／h，換熱器進口水溫tc1＝20℃，根據能量平衡計算可得出口水溫最高tc2＝65℃；熱管采取等邊三角形排列方式。

經過傳熱量計算及熱管具體參數設計等計算，得到換熱器設計參數，見表2。

表2 熱管換熱器設計參數匯總

3 節能優化可行性分析

針對該項目的工藝設計、設備選型和經濟效益是否可行，將從以下幾個方面分析討論。

◆可利用的溫差

換熱器的冷流體——軟化水的進口溫度為20～25℃，出口溫度為80～90℃，平均溫度55℃左右；換熱器的熱流體——過程氣的進口溫度為320～350℃，出口溫度為180～220℃，其平均溫度為240℃左右，溫差非常大，有利于傳熱，是換熱器實現換熱的基本前提。

◆適宜的熱管工作溫度

超熱蒸汽噴射處理含油污泥設備的超熱蒸汽溫度控制在500～600℃，經旋風分離器出來的過程氣溫度約為300～360℃，該溫度在中溫熱管的工作溫度范圍內，因此工作介質可以選擇導熱姆，從而保證熱管在可靠溫度下工作，防止熱管的工作溫度過高或者過低造成熱管失效、低效。

◆可變的調控系統

對于穩定運行的設備而言，過程氣排量和溫度接近穩定的數值。但當處理的含油污泥成分變化或進料量調整時，排氣量和溫度就會改變，該換熱器的換熱量也相應改變。因此，可以通過控制冷卻水的流量控制出水溫度。為了滿足鍋爐進水需求，需要調節鍋爐進水和污泥伴熱水比例。同時設置軟化水直接進入鍋爐的旁線，以備換熱器停工、檢修和設備開工時使用。

◆對設備整體運行的影響

換熱器安裝在旋風分離器與油水分離器之間，因加入換熱器而增加的排氣阻力對旋風分離器可能有一定影響，因此可以調節旋風分離器的參數或加設鼓風機以適應設備的要求。

由于降低了過程氣溫度，油水分離器的冷卻水使用量大大減小，因此需要相應調整冷卻水循環系統設計參數。

◆經濟效益

以一套超熱蒸汽噴射處理設備為例，旋風分離器出口溫度為350℃時，每噸過程氣帶走的熱量為3．09× 106kJ，將溫度降為180℃時，每噸過程氣攜帶的熱量為2．67×106kJ，因此每噸過程氣溫度由350℃降至180℃可以回收的能量為39 270 kJ，回收率為12．7%，折合標煤13．42 kg，可以節省14．43%的蒸汽鍋爐天然氣用量。

過程氣由350℃降為180℃后，冷卻循環水用量也將下降。根據氣體溫度和熱值計算，預計冷卻循環水使用量將降為250 m3／h。若按此計算，節省50 m3／h冷卻循環水節省的能量可以折合為4．375 kg標煤。

以1 t／h蒸汽發生量，每天運行24 h，每年運轉330 d計算，每年可回收利用標煤140．94 t，以每噸標煤500元計算，可節約價值70 400元／a，經濟效益顯著。

熱管換熱器的總價為8 000元，換熱流程增設的管道費用預計為5 000元。設備投資回收時間τ＝（8 000＋5 000）／70 400＝0．185（a），2個多月就可回收成本，經濟效益顯著。

綜上所述，采用熱管換熱器回收超熱蒸汽噴射處理含油污泥設備中的過程氣余熱時，節能空間大，換熱流程設計合理，換熱設備有較高的安全性，同時經濟效益顯著，此套設計方案及設備具有可行性。

4 風險分析及對策

對于引進熱管換熱器是否會對整套裝置產生影響，以及可能遇到的問題，分以下幾個方面討論：

◆積灰和結垢的影響

如果換熱器的熱管積灰和水的結垢速度過快，會嚴重影響到換熱器的換熱性能。對于熱管的熱端，經過雙旋風分離已經去除大部分灰塵，產生的積灰是細顆粒松散型的，較易清除。此外，熱管工作時會發生震動，不利于積灰。因此，在換熱器設計時考慮積灰問題，留出適當余量，并在換熱器內加裝一定的清灰設施，就可以保證換熱器不受積灰的影響。對于冷的軟化水，提前做好水質處理，加入適當的防結垢藥劑，可以保證熱管冷端的清潔度。

◆換熱器的腐蝕問題

含油污泥成分復雜，處理后的過程氣難免含有SO2等酸性氣體，金屬壁面溫度低于硫酸蒸汽的凝結點時，酸性蒸汽將凝結成硫酸，勢必腐蝕換熱器，影響換熱器的運行安全。因此將換熱器熱端出口溫度設定高于160℃，即硫酸蒸汽的露點，可減緩換熱器腐蝕。

◆石油類蒸汽的凝結焦化問題

過程氣中含有的石油餾分氣體可能為輕餾分和煤柴油餾分，含量因含油污泥的含油量不同而不同。石油餾分凝結在熱管表面，將會影響熱管傳熱效率。若長時間不清理，附著在熱管表面的石油餾分可能焦化，會進一步降低熱管效率，甚至可能堵塞熱管翅片間隙甚至熱管間的通道，威脅設備使用安全。提高換熱器的工作溫度和熱流體出口溫度有利于減少輕餾分的凝結。挑選含油量較低的含油污泥進行處理也可減少換熱器內的結焦。因此可以先使用含油量低的污泥試運行，一段時間后查看熱管結焦狀況，再根據具體結焦狀況制定清焦時間間隔。若結焦情況不明顯可以再處理含油量較高的含油污泥。

5 結 論

◆超熱蒸汽噴射系統能量消耗集中于天然氣、電力和冷卻循環水，節能的重點方向是減少天然氣消耗量和冷卻水循環量。

◆通過增設余熱回收換熱器和換熱流程，回收超熱蒸汽噴射處理含油污泥設備中的過程氣余熱，換熱流程設計合理，換熱設備有較高的安全性，余熱回收效率為12．7%，預計節約70 400元／a，投資回收期僅為2個多月，具有可行性。

◆換熱設備可能遇到的主要風險為積灰、腐蝕和結焦問題，設定較高的氣體出口溫度和定期清灰可以預防積灰和腐蝕。

［1］ 于紅玉，李曉華，監青占．超熱蒸汽處理含油污泥技術［J］．科技風，2011（11）：10．

［2］ 鄒大寧．煉油廠“三泥”處理技術與應用研究［D］．大慶：東北石油大學，2011．

［3］ 趙杰，杜海波，叢飆，等．克拉瑪依石化公司煉油污水“三泥”的無害化處置解決方案［C］．第二屆中國綠色財富論壇暨科技創新與可持續發展研討會．2006．

［4］ 王占生，張有林，鄧皓，等．一種含油污泥處理方法［P］．200710145460．3．

［5］ 王占生，李春曉，楊忠平，等．煉化“三泥”無害化處理技術及應用［J］．石油科技論壇，2011，30（4）：57-58．

［6］ 莊駿，張紅．熱管技術及其工程應用［M］．北京：化學工業出版社，2000．

1005-3158（2014）04-0031-04

2013-12-16）

（編輯 王蕊）

10．3969／j．issn．1005-3158．2014．04．011

李穎，2007年畢業于中國石油大學（華東）化學工程與工藝專業，碩士，現在中國石油安全環保技術研究院從事含油污泥資源化利用研究工作。通信地址：北京市昌平區府學路18號中國石油大學（北京），102249