氣浮技術(shù)在海上平臺含油污水處理中的應(yīng)用

摘 要 文章主要介紹了海洋石油平臺含油污水處理工藝中氣浮凈化技術(shù)應(yīng)用的情況，簡要描述了微氣泡產(chǎn)生的過程和機(jī)理，并分別對常規(guī)氣浮和新氣浮技術(shù)作了描述，在常規(guī)氣浮技術(shù)方面著重介紹了噴射誘導(dǎo)氣浮和溶氣氣浮，在新氣浮技術(shù)方面著重對近年來出現(xiàn)的緊湊式旋流氣浮（C F U）、微氣泡發(fā)生裝置和緊湊式旋流溶氣氣浮（C D F U）等進(jìn)行詳細(xì)闡述。認(rèn)為新型氣浮技術(shù)是海洋平臺污水處理未來應(yīng)用不可抗拒的方向。

D OI：10．3969/j．issn．10053158．2015．04．007

文章編號：10053158（2015）04002202

韓旭，2006年畢業(yè)于沈陽航空工業(yè)學(xué)院熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)在中海油能源發(fā)展邊際油田開發(fā)項目組從事海洋石油工程設(shè)計工作。通信地址：天津市開發(fā)區(qū)第五大街51號，300457

0　引 言

氣浮凈化技術(shù)是在待處理水中通入大量高度分散的微氣泡，使之作為載體與懸浮在水中的雜質(zhì)絮粒相互黏附，形成整體密度小于水的浮體，依靠浮力作用一起上浮到水面，以完成固液、液液分離的凈水方法。

傳統(tǒng)的氣浮處理可分為溶氣氣浮法、誘導(dǎo)氣浮法、電解氣浮法和化學(xué)氣浮法等四類。在海上油田含油污水處理中應(yīng)用廣泛的氣浮方法主要有溶氣氣浮法和誘導(dǎo)氣浮法。隨著海洋石油開發(fā)的不斷深入和三次采油技術(shù)的應(yīng)用，開采的原油中含水率越來越高，海上的污水排放和注水標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，常規(guī)的溶氣氣浮和誘導(dǎo)氣浮凈化技術(shù)已很難適應(yīng)現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境。因此，油水分離效率高，占地面積小和質(zhì)量輕的高效氣浮處理技術(shù)是當(dāng)前海上氣浮處理技術(shù)的發(fā)展趨勢。近年來，以C F U技術(shù)發(fā)展最為迅速，關(guān)注度也最高。

1　氣浮分離原理

氣浮是利用高度分散的微小氣泡作為載體去黏附污水中的油污，使其隨氣泡浮升到水面，氣泡破裂后，油滴聚集、聚結(jié)后去除。氣浮分離分為三個過程：①氣泡產(chǎn)生，即在水中產(chǎn)生足夠數(shù)量的微小氣泡。②氣泡和懸浮物附著，氣泡與懸浮物碰撞、黏附后形成穩(wěn)定的氣固液三相接觸體。③分離，氣泡帶著懸浮物上升聚集，氣泡破裂，懸浮物聚集后排出。

各種氣浮處理方法最本質(zhì)的區(qū)別，在于水中形成氣泡的方式選擇、氣泡的大小控制、強(qiáng)化浮選過程中微氣泡與油滴碰撞等。

2　常規(guī)氣浮方法

2．1噴射誘導(dǎo)氣浮

噴射誘導(dǎo)氣浮在現(xiàn)今的海洋平臺油田含油污水處理當(dāng)中已得到了廣泛的應(yīng)用。它采用四個噴射器及對應(yīng)的四級浮選腔，來水經(jīng)過浮選腔時，噴射器利用高速噴射的水流吸入氣體，氣體在噴射器內(nèi)形成微細(xì)氣泡。氣泡在浮選腔內(nèi)上升過程中黏附油珠和固相顆粒，升至液面，由撇油器將其清除，達(dá)到除油渣的目的。噴射誘導(dǎo)氣浮的優(yōu)點在于動力設(shè)備少、結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)全封閉運行。

在實際應(yīng)用過程中，噴射誘導(dǎo)氣浮法暴露了許多問題：①返回20%～30%的水，占據(jù)浮選室體積，縮短了進(jìn)口來水的停留時間，不利于浮選。②文丘里管進(jìn)氣量難于調(diào)節(jié)，并且噴射速度很大，容易造成乳化。③如果循環(huán)泵選用離心泵，離心泵轉(zhuǎn)速在1 500～3 000 r/min，也容易造成乳化。④氣泡直徑通常在100μm以上。⑤運行中需使用大量化學(xué)藥劑。多個海洋平臺的使用情況表明，該氣浮裝置的處理效果欠佳。

2．2溶氣氣浮

溶氣氣浮根據(jù)加壓方式不同可分為四種：全流程溶氣氣浮法、部分溶氣氣浮法、部分回流溶氣氣浮法和加壓溶氣氣浮法。目前海上油田應(yīng)用最成熟、最廣泛的是加壓溶氣氣浮 ［1］。

加壓溶氣氣浮是依靠水泵將經(jīng)氣浮設(shè)備處理后的一部分凈水回流加壓進(jìn)入溶氣罐，同時通過空壓機(jī)的壓力將空氣壓入溶氣罐，空氣在一定的壓力下溶入水中，然后通過釋放器將溶氣水壓力恢復(fù)到常壓，釋放出大量的微氣泡。其特點為：氣泡直徑小（一般為20～100μm）；溶氣壓力高，溶氣量大；可人為控制氣泡與含油污水接觸時間。

溶氣氣浮的缺點是：①動力設(shè)備多，存在噪聲和油污等，能量消耗大。②返回20%～30%的水，同樣占據(jù)浮選室的體積。③運行過程中需要大量的藥劑。④停留時間長（15～30 min），占地面積大。據(jù)多個海洋平臺的使用情況反映，該氣浮裝置的處理效果尚可，但維修維護(hù)不方便，運維成本高。

3　新型氣浮技術(shù)

隨著對含油污水處理要求的提高，尤其是部分海洋區(qū)塊進(jìn)入高含水期，出現(xiàn)了多個含水率高達(dá)90%的油田區(qū)塊，常規(guī)氣浮裝置越來越難以滿足生產(chǎn)污水處理的要求，占地面積小的高效水處理設(shè)備的研制就顯得極為關(guān)鍵。

20世紀(jì)90年代以來，旋流氣浮技術(shù)得到越來越多的重視。1983年，J．D．Miller等設(shè)計第一臺用于油水分離的充氣水力旋流器 ［2］。國內(nèi)褚良銀、陳文敏等也對充氣水力旋流器進(jìn)行了相關(guān)研究 ［3］。近年來氣浮與低旋流離心力場組合技術(shù)得到很大的進(jìn)展，出現(xiàn)了一批緊湊型組合處理設(shè)備。如Epcon、Siemens、Veolia Cophase等公司的C F U裝置，Gibson的IG F旋流氣浮技術(shù)。

近年來國內(nèi)外以旋流氣浮為核心技術(shù)的氣浮凈化技術(shù)得到了長足的進(jìn)展，并有多個成功應(yīng)用案例，對如下幾種具有代表性的氣浮新技術(shù)進(jìn)行介紹。

3．1 C F U

目前在海上油田現(xiàn)場應(yīng)用業(yè)績最為突出的當(dāng)屬挪威Epcon ［4］公司的緊湊型氣浮裝置，該設(shè)備將旋流技術(shù)引入到氣浮中，大大提高了氣浮浮選、集聚效果，具有油水分離效率高，停留時間短等優(yōu)勢。

含油污水由罐體的切向入口進(jìn)入，經(jīng)由容器內(nèi)入口導(dǎo)片形成旋流并產(chǎn)生離心力作用，油滴和氣泡等較輕的成分將被甩向罐中間，因密度小于周圍的水而結(jié)合并上升，通過氣泡的上升對油滴進(jìn)行浮選；同時，砂子和其他較重顆粒將向管壁移動，并沿罐壁向罐底下沉，并從罐底部的油泥出口排出；氣泡吸附在較小油滴逐漸凝聚，結(jié)合產(chǎn)生較大的油滴，最終在氣浮室中液體的上層形成油或乳狀液的連續(xù)層，產(chǎn)生的油、氣通過分離管道出口連續(xù)不斷地被清除；處理過的水由入口導(dǎo)片與內(nèi)筒之間的間隙流至罐底部，經(jīng)過水平圓板的緩流后，由罐體底部的排水口排出。

該裝置在渤海某平臺上有過實際應(yīng)用，據(jù)現(xiàn)場實際反映，處理效果不太理想。究其原因主要是：該油田所產(chǎn)原油為重質(zhì)原油，密度接近于水，在分離過程中兩者所產(chǎn)生的離心力相差不大，導(dǎo)致入口處離心作用下降，進(jìn)而影響處理效果。但其在中國南海海域的部分輕質(zhì)原油油田的應(yīng)用中產(chǎn)生了很好的處理效果。

3．2微氣泡發(fā)生裝置

國內(nèi)某技術(shù)公司與美國多相流系統(tǒng)集成公司（M SI）合作開發(fā)了一種細(xì)微氣泡發(fā)生器和一種壓力式氣浮分離裝置 ［5］。首先，清水或凈化水進(jìn)入細(xì)微氣泡發(fā)生器的進(jìn)液腔，而氣體則進(jìn)入氣腔，在氣體內(nèi)外壓差和水流剪切的共同作用下利用中心的微孔管不斷產(chǎn)生出微氣泡。含有微氣泡的溶氣水通過出液腔被輸送到氣浮分離裝置的切向溶氣水進(jìn)管，為氣浮作用提供氣泡源。此裝置通過微孔布?xì)夂托髯饔媚軌虍a(chǎn)生大量直徑小于10μm的均勻微氣泡，具有更大的黏附能力，能更加有效地脫除污水中50μm以下的微小油滴。

目前在國內(nèi)已有多個海洋平臺和陸地終端成功應(yīng)用。該套裝置僅是通過旋流技術(shù)實現(xiàn)對微氣泡的制取，在實際應(yīng)用中需要與傳統(tǒng)的氣浮裝置相結(jié)合，進(jìn)而減小氣浮裝置的體積，加大處理效率。由于系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備繁多，造成處理工藝復(fù)雜、生產(chǎn)操作繁瑣。

3．3 C D F U

C D F U技術(shù)是溶氣浮選、旋流和絮凝等技術(shù)為一體的高效油水分離裝置 ［6］。具有代表性的是國內(nèi)某科研院所研制的新型復(fù)合高效油水分離裝置和某科技公司研制的溶氣旋流一體式氣浮。

3．3．1新型復(fù)合高效油水分離

新型復(fù)合高效油水分離技術(shù)裝置是由管道式導(dǎo)流片型分離器、一級立式筒形氣浮裝置和二級立式筒形氣浮裝置組成。其中：管道式導(dǎo)流片型分離器包括導(dǎo)流片、旋流腔體、開孔錐段、積液腔室和導(dǎo)流彎頭；一級立式筒形氣浮裝置包括氣浮筒體、清水出口管、油氣出口管、氣浮循環(huán)管路；二級立式筒形氣浮裝置包括氣浮筒體、水平側(cè)面進(jìn)液管、清水出口管、油氣出口管和氣浮發(fā)生器。該裝置利用了高速旋流原理和氣泡吸附作用。該套裝置正處于實驗中試階段，并有良好的效果，但需要在運行過程中加入大量的化學(xué)藥劑。3．3．2溶氣旋流一體式氣浮

該科技公司研制的溶氣旋流一體式氣浮通過采用先進(jìn)的流體仿真技術(shù)合理組織旋流場，提高離心力

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