旋流氣浮一體化技術在油田污水處理中的應用

馬 強，程 濤 ，朱夢影 ，郭奕杉

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300459；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

渤海油田海上平臺含油污水處理一般選用斜板隔油器＋氣浮選＋核桃殼濾器＋雙介質濾器常規四級處理流程，該技術在渤海油田廣泛應用[1]。某FPSO設計之初，由于污水處理量大，如按常規四級處理設計，所需要的設備較多，需要平臺空間較大，經過比選，選擇離心機進行油田含油污水處理[2]。使用過程中，由于上游原油流程改變、沖砂影響等原因，離心機處理效果達不到預期要求。為了在FPSO有限空間的前提下對生產水流程進行相應改造，提高生產水處理效果，進行了旋流氣浮一體化技術試驗。

基于低強度旋流離心力場和氣浮組合原理，某公司推出緊湊型氣浮裝置（Compact Flotation Unit，CFU），該裝置具有成本低、效率高、易于操作、適應性強等特點[3]。用來分離油、氣、水，從而達到生產水處理標準。它不需要額外的能量，同時，CFU也具有更小的體積、質量，跟傳統氣浮裝置相比更小的停留時間等優點[3，4]。相比于傳統分離技術，CFU在更低的花費同時，表現了更高的處理量和更好的性能[5]。

1 緊湊型氣浮裝置介紹

1.1 設備結構

CFU從外形上看是一個圓柱形容器，主要由圓柱容器、圓柱內筒、螺旋導片、水平圓板、切向入口以及油氣出口、處理水出口、泥砂出口等組成[4]（見圖1）。圓柱內筒在圓柱容器中心同軸中上部，目的是為旋轉提供環形旋流空間，同時為水和油氣提供通道；螺旋導片是CFU的核心部件，引導含油污水流螺旋流動；水平圓板安裝在圓柱容器下方，主要作用是防止渦流并可以起到一定的緩流作用；油氣出口位于圓柱容器頂部，油氣通過接入罐內的短管排出，處理水和泥砂出口位于圓柱容器底部，其中泥砂出口可以連續或間歇排出罐內泥砂，也可以作為維修時的排污口。

圖1 緊湊型氣浮裝置結構圖

1.2 工作原理

CFU是一種基于低強度旋流離心力場和氣浮組合原理的裝置，含油污水在容器內運移過程中，油和浮渣等聚結凝聚，從而從水中分離出來[6]。CFU運行原理（見圖2），罐體入口前有一個氣液混合器，含油污水進入罐體前按約0.1 m3/m3原水比例注入氮氣，注氣污水首先進入混合器，使氣體均勻分散在污水中。含氣污水從切向入口進入罐內，入口管道逐漸減小從而提高流速，流體沿著罐外壁水平方向正切進入罐內，在螺旋導片作用下形成旋流運動，此時離心加速度為8～10倍重力加速度，流速增大導致流體壓力減小，污水中溶解氣和先前注入的氮氣變成較大氣泡釋放出來，與油、小顆粒浮渣等向旋流中心運移上升，在罐內水面形成一層油和浮渣層，在壓力作用下通過罐體頂部油氣出口排出，頂部排液含油0.5%～10%，流量約在液體總量的1%。處理后的水由旋流導片和內筒之間的通道流向罐底，經水平圓板防渦緩沖之后排出罐外，流體在罐內停留時間約為30 s。為了提高處理效果，CFU使用中常常配合注入混凝劑進行水處理[7，8]。

圖2 CFU運行原理圖

2 CFU現場試驗

2.1 流程介紹

某FPSO水處理流程（見圖3），來自分離器和砂系統的含油污水進入閃蒸罐，低壓閃蒸脫出一部分氣并簡單撇油之后，經雙螺桿水泵增壓、自動反洗濾器過濾后進入水處理核心設備水離心機，經過離心機離心作用，除去油、小顆粒浮渣等雜質后進入緩沖罐緩沖，后經注水增壓泵增壓后與處理后的海水混合進入下游平臺深入處理后增壓回注。

運行期間，由于上游原油流程改變和分離器沖砂等原因，分離器來液含油量和含砂量波動較大，導致水離心機故障率高，處理常常達不到處理要求（水中含油率不大于30 mg/L、固體懸浮物濃度不大于10 mg/L，粒徑中值不大于4 μm）。為了尋找適合油田生產水處理的方法，進行CFU試驗。

2.2 試驗設施

該試驗設備由一個兩級CFU組成，設計容量20m3/h，在流程生產水濾器下游和注水增壓泵下游分別接入流程測試（見圖3），生產水濾器下游注入到CFU的壓力是0.35 MPa，生產水注水增壓泵注入到CFU的壓力是1.2 MPa。每個CFU上游注入氮氣保證氣浮效果，注氣量0.1 m3/m3原水，在CFU入口和一、二級出口設置取樣點。在CFU試驗前，開展了絮凝劑陸地上化學藥劑篩選，選擇最合適的絮凝劑。絮凝劑能增加油滴尺寸中值，增大CFU除油效果。

3 現場試驗

3.1 生產水濾器下游

將CFU接入生產水濾器下游試驗期間，每4小時對進口、一、二級出口取樣化驗，共化驗32次，化學藥劑注入濃度為10 mg/L。試驗中觀察到生產水中含有乳化油，具有相當高的水中含油率，而且變化范圍比較大；試驗期間在CFU入口處也發現砂，由于沒有試驗裝備可用來標定砂的尺寸或含量，很難確定砂對乳狀液穩定性的影響。由于砂、閃蒸罐生產水界面不穩定等條件使生產水濾器下游水質量變化很大，生產水入口含油率高，但CFU持續表現出一個很好的除油效果（見圖4、圖5）。

圖3 生產水系統示意圖

圖4 生產水濾器下游CFU試驗中各取樣點水中含油率

圖5 生產水濾器下游CFU測試各測試點除油率

從試驗結果可以看出，生產水濾器下游CFU入口最高水中含油率變化很大，最大含量達3 900 mg/L，最低含油率410 mg/L；經過兩級CFU處理，水中含油率最低可以處理到10 mg/L。試驗過程中，平均除油率97.5%，最大除油率99.5%，最低除油率93.3%。CFU處理效果照片（見圖6），其中圖6（a）展示低含油率情況下CFU處理效果，入口水中含油率為410 mg/L，二級出口水中含油率為29 mg/L，圖6（b）展示高含油率情況下CFU處理效果，入口水中含油率為2 500 mg/L，二級出口水中含油率為16 mg/L。

圖6 CFU處理效果圖

圖7 生產水注水增壓泵下游CFU試驗中各取樣點水中含油率

圖8 生產水注水增壓泵下游CFU測試各測試點除油率

分離器沖砂是該FPSO每天日常工作的一部分，分離器沖砂會導致生產水中油包砂型浮渣增多、水中含油率增大。觀察沖砂后CFU運行狀況也表明，沖砂對CFU運行影響很小，CFU仍能有效降低入口水中含油率至30 mg/L以下，這充分證明了CFU的適用性。

3.2 生產水注水增壓泵下游

與在生產水濾器下游試驗相似，生產水注水增壓泵下游試驗期間，每4小時對進口、一、二級出口取樣化驗，共化驗6次。試驗過程中觀察到，相比較于生產水濾器下游水質，生產水注水增壓泵下游水質含油量比較低，而且含油量變化范圍相對小，但是經過水離心機和離心式生產水注水增壓泵的剪切力作用，生產水注水增壓泵下游生產水中含有更多穩定的乳化油，處理難度增大。預選的化學藥劑在不同速度下測試之后，微調CFU處理設備，化學藥劑注入濃度為5 mg/L時處理效果最好。化學藥劑破壞乳化液穩定性，提高了處理效果，但是CFU出口水仍舊有棕色的環。試驗結果（見圖7、圖8）。

生產水注水增壓泵下游水中含油率相對穩定，最大含量460 mg/L，最小含量380 mg/L，平均含油量427 mg/L；經過兩級CFU處理，優化化學藥劑注入量后水中含油率最低可以處理到90 mg/L，最大除油率80%，平均除油率67.2%，表現出較好的除油效果。

通過觀察CFU試驗，可以明顯看出，由于上游流程條件原因，蓬勃FPSO生產水質量變化比較大，比較兩個測試點可以看出，上游條件對水處理效果影響比較大，尤其是注水泵下游注入點，由于離心機、離心式注水增壓泵的剪切力作用，微小的油包砂在水中變成穩定乳化油，使油水分離復雜化。

4 結論

（1）由于上游流程條件原因，蓬勃FPSO生產水質量變化比較大，相比較于離心機，旋流氣浮一體化CFU有更好的除油效率，同等工況下，CFU平均除油效率97.2%，處理后水中含油率小于30 mg/L。

（2）使用旋流氣浮一體化CFU解決生產水問題靠近上游相比靠近下游更有效，可以避免泵等設備的剪切力作用下增加水中含油的穩定性，從而增大處理難度。

（3）試驗期間，尤其是生產水濾器試驗期間，使用旋流氣浮一體化CFU表現出較好的除油效果，而且在沖砂等導致上游流程變化時仍能表現出較高除油率，有很好的穩定性和適用性。

［1］周建.渤海油田生產污水處理問題及改進措施研究［J］.石油和化工設備，2016，19（12）：100-101.

［2］劉富山，崔磊，張虹.離心機在蓬萊19-3油田上的應用［J］.石油天然氣學報，2010，（5）：620-622.

［3］陳家慶，蔡小壘，尚超，等.旋流氣浮一體化技術在低含油污水處理中的應用［J］.石油機械，2013，41（9）：62-66.

［4］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，2012，6（1）：87-93.

［5］馬兆峰，許建軍，鄧常紅，等.旋流氣浮+雙介質過濾技術應用于渤海油田污水處理［J］.工業水處理，2016，36（5）：87-89.

［6］王波，陳家慶，翟戰臏.EPCON緊湊型氣浮裝置及其在采油廢水處理中的應用［J］.北京石油化工學院學報，2007，15（3）：47-51.

［7］Chen J.Compact flotation unit and its application in offshore produced water treatment［J］.Chinese Journal of Environmental Engineering，2012，22（6）：9.

［8］Maelum M，Rabe K.Improving Oil Separation From Produced Water Using new Compact Flotation Unit Design［C］.SPE Production and Operations Symposium，2015.