煤層氣田含乳化油污水聚結法處理技術研究

王景悅 梅永貴 屈麗彬 薛占新 張景輝 殷偉光

(1. 中國石油華北油田公司山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000;2. 中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導試驗基地，山西 048000)

華北油田山西煤層氣分公司建有集氣站11座、煤層氣處理中心1座，集氣管道共計8條。其中，煤層氣處理中心擔負著沁南盆地各排采井采出煤層氣收集、脫水、過濾、分離及增壓外輸的任務?，F有2臺50×104m3/d和4臺150×104m3/d往復式增壓機組，在壓縮過程中高溫高壓環境下潤滑油改性，并與煤層氣中水份、粉煤灰混合排出而形成乳化油。每年消耗大量的潤滑油，隨污水進入生產廢水處理系統。乳化油與管線中粉煤灰混合后形成了“水+乳化油+煤粉”的高乳化混合濁液，廠區原有斜板沉降法工藝及設備無法實現達標污水就地外排。

圖3 廢水從底部向上流動過程中濾芯底部、中間、頂部電鏡圖

隨著聚結纖維材質的改性與進步，聚結分離方法成為一種高效率、低成本的油水分離技術，并得到了廣泛的研究和應用。由于聚結技術采用物理破乳方式，對于后續油品回收、廢油再生不產生任何影響而廣泛應用于油水分離領域，聚結除油技術因設備結構簡單、易操作、污染少、除油效率高等優點而備受青睞。

1 聚結技術簡介

1.1 聚結分離原理

所謂聚結又稱粗粒化，就是有針對性的對材料表面進行改性，使水中分散、乳化油滴在流經材料表面時直徑變大(粗?；?，根據Stock’s定律上浮從而達到油水分離目的。大多數觀點認為，油滴的聚結有兩種不同的機理存在：一是“潤濕聚結”；二是“碰撞聚結”。

碰撞聚結是通過油滴的物理碰撞，產生更大的油滴。例如將含油的水加熱使油分子熱運動加快，發生碰撞而聚結長大。

潤濕聚結是當含油污水流經由親油性材料組成的粗?；矔r，分散油珠便在材料表面潤濕附著，這樣材料表面幾乎全被油包住，再流來的油珠也更容易潤濕附著在上面，因而附著的油珠不斷聚結擴大并形成油膜。由于浮力和反向水流沖擊作用，油膜開始脫落，于是材料表面得到一定更新。脫落的油膜到水相中仍形成油珠，該油珠粒徑比聚結前的油珠粒徑要大，從而達到粗粒化的目的，原理如圖1所示。

圖1 油、水兩相于改性材料表面潤濕原理圖

根據兩相液體在固體材料的潤濕角不同理論，兩相在接觸面體現出不同的潤濕角，當液體中的兩相在同一表面潤濕角之差大于70°時(α-β>70°)，兩相可以分離。親油疏水改性材料表面使得油水兩相潤濕角大于70°，水相穿過材料表面而油相在材料表面大量聚集，最終得以粗粒化。

1.2 改性聚結材料

通過纖維材料的分子改性技術，使纖維經過改性之后具有親油疏水的表面特性。

可通過觀察改性前與改性后纖維在不同進水情況下表面的變化情況來說明纖維的吸油性能(應用OLYMPUS BX41光學纖維鏡觀察纖維表面的變化情況)。圖2為改性前纖維與改性后纖維原狀的比較。

圖2 改性前纖維(左)與改性后纖維(右)對比

圖4 纖維捕獲油珠過程電鏡示意圖

圖3是將改性纖維做成聚結芯用于50mg/L含油廢水處理，觀察一級過濾后的聚結芯。

圖4為處理濃度為100mg/L含油廢水，運行2.5h后穩定，取聚結芯進行觀察。

由圖4可看出，纖維先捕獲油珠(圖4-左、4-中)，然后油珠在纖維表面聚結，聚結到一定程度，在纖維表面形成一層油膜(圖4-右)。

由此得到以下結論：

(1)改性后的聚結材料具有親油疏水的表面特性。

(2)油膜優先潤濕在纖維表面，當遇到兩個纖維交叉時，油膜上的油粒長大脫離纖維表面上浮。

2 聚結法污水處理系統

2.1 水質分析

煤層氣處理中心含油污水主要來自F4、F5、F9等各條集氣管線清管作業接收污水，水質分析結果如表1。

表1 含油廢水成分分析結果

從表1中的分析結果可以看出，處理中心含油污水屬于低礦化度、高鐵含量、高潤滑油含量的清洗工業污水。

綜上所述,處理中心水樣懸浮物與潤滑油為污水處理的重點，其中潤滑油絕大部分以懸浮狀態與乳化狀態形式存在。

2.2 實驗室測試

通過研究分析圖5和圖6電鏡拍照含油污水中油、懸浮物存在狀態后，采用室內小型聚結設備對含油污水進行除油實驗(試驗機由二級聚結式高精度油水分離器組成，流速120L/h)。小試結果表明：實驗設備除油、除懸效果顯著，出水石油類0.6mg/L、懸浮物7.2mg/L為工業化裝置設計提供基礎數據，實驗結果詳見表2。

表2 實驗結果檢測表

圖5 電鏡50μm下油、懸浮物水中狀態

圖6 電鏡20μm下油、懸浮物水中狀態

由檢測結果可以看出，油水分離試驗機除油和懸浮物效果明顯，設計采用將原水去浮油后過快速過濾裝置(減輕油水分離機負荷保證除油效率)，然后過油水分離裝置后進入下一步處理。

2.3 工藝路線

根據以上對廢水的分析及其自身的特點，經過認真分析，本著投資少、占地小、運行費用低、處理效果好、管理方便、自動化程度高的宗旨，對煤層氣處理中心污水處理系統工藝進行優化設計，工程設計的主體工藝流程見圖7。

圖7 含污水處理工藝流程示意圖

2.4 工業裝置

以實驗室實驗處理效果為基礎設計制造，并于煤層氣處理中心安裝了工業化裝置，整個聚結系統由一個快速過濾器、二級聚結高精度油水分離器、活性炭過濾器和清水儲罐組成。工作過程中PLC控制系統能實現全自動及手動控制，自動化程度高。

聚結裝置設計額定處理量為5m3/h，工作壓力為0.3～0.4MPa，工作溫度：25～90℃，整體撬塊占地6000mm(L)×2300mm(W)×3300mm(H)，總功率5kW。安裝調試運行至今無運行故障，出水澄清透亮，達到《污水排放綜合標準》GB 8978—1996中懸浮物、石油類指標一級排放標準，且符合原生產廢水懸浮物設計處理出水≤70mg/L指標以及生活污水進水≤170mg/L懸浮物指標要求，水質送檢至當地環境保護監測站監測，并出具監測報告，檢測結果見表3。

表3 工藝裝置各單元處理效果數據表

從表3中可以看出，聚結裝置除油效果顯著，出口石油類指標大多在1mg/L之下，同時對水中的懸浮物去除也達到了排放標準。

3 應用效果評價

聚結除油裝置自運行之日起共計收集廢油20多桶，平均每月收集約2.5t廢潤滑油，設備出口水質均達標，徹底解決困擾處理中心已久的環保問題，物理除油所收集油品可回收，使油品資源合理化利用，得到廠家一致認可，概述其特點包括分離速度快、分離精度高、過濾阻力小、節能、分離油品使用范圍廣、設備體積小、結構簡單、模塊化、占地小、分離效率高、自動運行、操作簡便、維護方便、運行可靠，無需動力和添加化學助劑，利用材料為微表面的聚合原理，安全的物理分離，無任何有害副產品和衍生物。由于為物理分離原理，故改性材料使用壽命極長。