自升式生產平臺小型化污水處理裝置淺析

韓 旭，李 勇，谷 偉

(中海油能源發展邊際油田開發項目組 天津300457)

自升式生產平臺小型化污水處理裝置淺析

韓 旭，李 勇，谷 偉

(中海油能源發展邊際油田開發項目組 天津300457)

根據自升式生產處理平臺空間的自身特點，著重研究了污水處理工藝中高效小型化氣浮處理裝置；簡單介紹了氣浮凈化技術的概況，并對氣浮產生的過程進行了概述。根據海洋固定生產平臺的含油污水處理工藝，對常規氣浮技術做出了介紹，如誘導氣浮、射流氣浮和溶氣氣浮；針對近年來氣浮新技術的進展，著重介紹了緊湊式旋流氣浮(CFU)，并與常規氣浮做了綜合對比。

自升式 氣浮技術 污水 CFU

0 引 言

自升式生產處理平臺是中海油針對邊際油田開發而設計的可移動式生產設施(集處理動力、儲油、外輸、生活為一體的小型裝置)，可降低油田的開發成本。其中含油污水處理系統是平臺非常重要的一環，高效、小型化對空間非常有限的自升式生產處理平臺非常重要。

含油污水是一種量大且面廣的污染源，如果不經處理就直接排放，會造成污染環境，破壞生態平衡，以及大量的水資源浪費。氣浮凈化技術是油田海上含油污水處理工藝流程上的重要一環，直接影響著后端設備的處理水質。

氣浮凈化技術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絮粒相互粘附，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。氣浮法最早開始應用于選礦工業。[1]20世紀70年代，氣浮凈化技術得到快速發展，并得到國內外的高度重視，現已廣泛應用于石油、化工、造紙、印染、電鍍、化纖、毛紡、皮革、機械等行業的工業廢水和城市生活污水處理中。[2]

1 常規氣浮方法

常規氣浮依進氣方式不同，可分為誘導氣浮選、射流氣浮選和溶氣氣浮選。這 3種形式的浮選機在我國海上平臺上均有應用，以誘導氣浮選使用較早和較多，如埕北油田 A、B平臺，潿 10-3油田希望號，潿 11-4油田中心處理平臺均采用了誘導氣浮選。[3]

1.1 誘導氣浮選

誘導氣浮選由4個標準的浮選室組成，[4]每個室配有1臺轉速為200～600 r/min的旋轉機械，它像泵一樣，將水推入擴散器，并在立管處建立真空，真空會吸進液面上的氣體進入立管，并與水形成混合物，氣水混合物以較高的速度通過擴散器，氣體形成許多小氣泡，油和固體懸浮物會附著到氣泡上，上浮至浮選室表面將油污回收。誘導氣浮選室橫截面如圖 1所示。

圖1 誘導氣浮選室橫截面Fig.1 Crosssection of induced air flotation chamber

誘導氣浮選有溶氣量大、停留時間短、造價低等特點。但在實際應用中，誘導氣浮動設備存在不易維修、耗電量高、設備尺寸大等缺點。

1.2 射流氣浮選

射流氣浮選是將浮選機的排出水用泵返回 20%,，返回水通過文丘利管吸入氣體并同水混合形成氣泡，再返回浮選室浮選。此種浮選有如下問題：①返回水占據浮選室體積不利浮選；②現場反應過程中，文丘利管進氣難于調節；③文丘利管噴射速度快，容易造成乳化。

1.3 溶氣氣浮選

溶氣氣浮選是目前油田應用最成熟、最廣泛，效果最有保證的一種。溶氣氣浮選在浮選機外部配有1臺壓力罐，將要處理水的20%,打入壓力罐，同時也向壓力罐壓入氣體，使處理水成為氣體飽和的液體。經氣體飽和后的液體被連續釋放到浮選機中，由于減壓，溶解氣會形成小氣泡，攜帶油和固體上浮。溶氣氣浮具有氣泡直徑小、溶氣量大的優點。

根據現場應用情況，處理達標率較高，但溶氣氣浮存在動設備多、動力消耗大、維護和運維成本較高等缺點。

2 氣浮新進展——旋流一體化設備

隨著海上油田中后期開發，原油含水率不斷上升，油田的注水指標越來越高(部分低滲油田要求含油量≤5,mg/L)，[4]油田的現有設施處理難度加大，嚴重影響到油田的開發生產。國外近些年來在低強度旋流離心力場與氣浮組合應用方面取得了較大進展，如美國Natco Group的VersaFloTM、M-I SWACO公司的 Epcon緊湊型氣浮裝置(CFU)、美國 CETCO Oilfield Services 公司的 CrudeSep?、英國 Cyclotech 公司的DeepSweepTM、英國 OpusMaxim公司的緊湊型氣浮裝置、德國Siemens水務公司的CyclosepTM等產品。其中誕生于挪威的 Epcon緊湊型氣浮裝置已在歐亞許多海上石油平臺、油田和煉化項目上運行，并在世界知名的海洋石油工程技術年會上獲獎(OTC)，引起國內外同行的關注。[5]

2.1 CFU(緊湊式旋流氣浮)

2.1.1 工作原理[6]

Epcon緊湊型氣浮裝置工作原理如圖2所示，整個裝置包括為上部的油相和氣相積聚區、中部的分離區以及下部的處理水積聚區。中部的分離區主要位于罐和內筒之間，是實現旋流、釋氣和氣浮作用的關鍵場所。含油污水從切向入口進入罐內，入口接管的直徑逐漸減小以提高流動速度，在入口螺旋導片的引導下形成較為柔和的旋流運動，離心加速度一般為 8～10 倍的重力加速度；與此同時，由于流體流速升高致使流體壓力下降，含油污水中殘留的部分溶解氣以氣泡的形式釋放處理。在旋轉離心力作用下，密度較大的水將向罐壁移動，而油滴和氣泡等較輕成分將向內筒外壁附近運移，在此過程中油滴與氣泡發生粘附，形成密度更小的組合體而在內筒附近區域上升，在罐內上部水面形成一層連續的油和氣泡浮渣層，分離出來的氣體、油和水在壓力作用下，將通過頂部懸伸到罐內的接管連續排出罐外。

圖2 Epcon CFU裝置工作原理示意圖Fig.2 Work principle of the Epcon CFU

2.1.2 與常規氣浮對比

Epcon緊湊型氣浮裝置與常規氣浮在處理要求完全一致的情況下，得到表1的結果。

表1 Epcon緊湊型氣浮裝置與常規氣浮的性能對比Tab.1 Performance comparison of Epcon CFU and conventional air flotation

由表 1可見，海上油田常用的氣浮選裝置在重量和占地面積上遠大于 Epcon 緊湊型氣浮裝置。這種結構尺寸和占地面積的緊湊氣浮并不是以犧牲工作性能為代價的。

2.1.3 現場應用情況分析

2007年M-I EPCON AS公司應中海油西江30-2油田生產方的邀請，在西江 30-2平臺上完成了現場樣機試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 現場樣機測試結果Fig.3 Prototype test results

測試結果非常理想，并于 2008年第3季度安裝全尺寸CFU 裝置，項目總投資在 800萬美元左右，至今運行性能良好。

2011年南海番禺4-2和5-1平臺也成功運行了兩套挪威TST公司的一罐三級緊湊式旋流氣浮，處理量為525 m3/h，運行至今，污水的處理效果十分明顯。[7]

2.2 國內旋流氣浮一體化設備的現狀

由于國內在該方面的研究起步較晚，迄今已有 10多家企業單位申請了專利，現有巨濤、寧波威瑞泰默賽、江蘇亞洲環保和中科院等單位和研究機構處在研究開發過程中，[8]結構方案總體上可以分為不設內筒式、內筒內旋式、內筒外旋式氣旋浮 3大類，但提出采用內筒外旋流式氣旋浮結構方案占絕大多數。現在整體上處于小型樣機現場試驗或放大試驗階段。真正投入生產實際使用的裝置，迄今為止全部是耗巨資進口。

3 結 語

緊湊式旋流氣浮裝置屬高技術、高附加值產品，具有除油效率高、停留時間短、占地面積小等特點，在未來海洋石油平臺的開發應用中將會得到廣泛的使用，對于空間相對有限的自升式生產處理平臺來說更加適合。現階段國內技術還處于起步階段，油田開發應用需耗巨資進口，后期的保養維護和配件購買都成了很大的制約因素。因此，國內油田應給這類研究型企業更多的試驗機會，使國產的緊湊式旋流技術快速發展。緊湊式旋流氣浮的開發應用，將極大地提高我國海洋石油含油污水處理工藝的技術水平，具有十分顯著的社會效益和經濟效益。

［1］ Edzwald J K. Principles and applications of dissolved air flotation [J]. Wat. Sci. Tech. ，1995，31(3/4)：1-23.

［2］ 徐振華，趙衛紅，方為茂，等. 氣浮凈水技術的理論及應用[J]. 化工與環保，2005，8(4)：49-51.

［3］ 《海洋石油工程設計指南》編委會. 海洋工程設計指南第一分冊：設計概論與工藝設計[M]. 北京：石油工程出版社，2007：327-329.

［4］ 國家能源局. 碎屑巖油藏注水水質指標及分析方法[S]. SY/T 5329—2012. 北京：石油工業出版社.

［5］ 陳家慶，韓旭，梁存珍，等. 海上油田含油污水旋流氣浮一體化處理設備及其應用[J]. 環境工程學報，2012，1(6)：81-93.

［6］ M-I EPCON AS. Combine Degassing and Flotation Tank[P]：US：7144503B2. 2006-12-05.

［7］ 施書定，歐陽雄，楊天笑，等. CFU在海上油田處理中的技術創新和應用[J]. 工業水處理，2013，8(33)：90-92.

［8］ 陳濤濤，邵天洋，陳家慶，等. 緊湊型旋流氣浮一體化技術的國產化研究進展與主體結構淺析[J]. 北京石油化工學院學報，2014，2(22)：59-65.

Analysis of a Miniaturized Sewage Treatment Unit for Jack-up Production Processing Platform

HAN Xu，LI Yong，GU Wei
(CNOOC Energy Technology & Services-Marginal Oil Fields Development Project Group，Tianjin 300457，China)

This paper studies the effective wastewater treatment process of miniaturized gas float processing unit according to the production processing jack-up platform’s space characteristics and introduces the process of gas float. According to the marine fixed production platform of oil-bearing wastewater treatment process, traditional air flotation was introduced, including induced air flotation, jet flotation and dissolved air flotation. In view of new air flotation technologies, compact flotation unit (CFU) was expounded and compared with traditional air flotation techniques.

jack-up；air floatation technology；wastewater；CFU

X703.3

A

1006-8945(2015)11-0018-02

2015-10-05