海上平臺含油污泥減量化處理工藝設計及應用

王巖松 張子臣 陳衛江

中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司

目前，國內擁有海洋石油平臺205座、浮式平臺15個，鉆井平臺每年都會產生大量的含油污泥，作業公司要投入大量的人力、物力去運送這些含油固廢污泥至陸地處理，因此，污泥處理逐漸成為國內外關注的焦點[1-2]。含油污泥脫水效果差，污泥成分和物理性質受污水水質、處理工藝、加注藥劑等因素影響，差異性大，處理難度高；且有些含油污泥含有重金屬等有害物質，對周圍環境具有放射性污染[1-2]。含油污泥被劃定為危險廢物，需送到有資質的公司處理，其處理費用在3 000元/t以上，有些地區已經達到5 000元/t，這對企業是一個很大的負擔。污泥經過減量后，能減到之前的十分之一到十五分之一，可顯著減少處理量和處置費用。針對上述問題，開發適應海上平臺，且能在海上平臺對固廢污泥進行初步減量化和無害化處理的工藝設備已迫在眉睫。產出的含油污水直接輸送至海上平臺氣浮選裝置進行處理，產出的濃縮含油污泥（含水率降至80%以下）運回陸地，再通過超臨界水氧化等工藝設備進行二次處理。根據臥螺壓濾機自身的特點和要求，通過添加復合型污泥脫水藥劑和減量化處理設計，降低固廢污泥含水率，減少污泥運輸風險，同時節約大量成本，有助于陸地二次處理含油污泥[3-4]。

臥螺壓濾機具有結構簡單、運行穩定、運行費用低、便于維護管理等特點[5]。基于臥螺壓濾機研發了1套以生物處理工藝為核心的濃縮處理技術成套機械設備，并且初步用于海上平臺。

1 臥螺壓濾機污泥濃縮處理技術

臥螺壓濾機污泥濃縮處理技術主要包含以下4個單元模塊，即加藥箱及加藥附屬系統、加藥泵及附屬系統、給料泵及附屬系統、污泥脫水橇及附屬系統，如圖1所示。

圖1 污泥濃縮處理技術工藝示意圖Fig.1 Schematic diagram of sludge concentration treatment technology

2 污泥濃縮橇單元模塊

2.1 加藥箱及加藥附屬系統

含油污泥成分極其復雜，其呈現乳化充分、黏度大、難脫水等特點[6]，同時也充分考慮到海上平臺處于高鹽霧、高濕度的周圍環境。因此，加藥箱材質選擇316L不銹鋼，加藥箱外形尺寸為1.2 m（長）×1.1 m（寬）×1.2 m（高），加藥箱容積為1 m3；接法蘭采用標準的ASME B16.5，設計條件為2.7 kPa(G)/60℃，操作條件為ATM/AMB；磁翻板液位計實時顯示液位情況，同時設有低液位開關，罐體開孔位置為300 mm。為了與平臺上加藥系統保持良好連接，加藥箱采用快速接頭方式。加藥箱接口代號分別標記為N1（溢流）、N2（放空）、N3（進口）、N4（出口）、N5（排放）、K1AB（磁翻板液位計）、K2（低液位儀表）、MW（檢修口）；法蘭為對焊法蘭，其接口類型為RF（表1）。

表1 加藥箱接口Tab.1 Connector of dosing tank

2.2 加藥泵及附屬系統

通過工藝計算，最終確定加藥泵流量0.075 m3/h、揚程120 m、進出口尺寸0.5 in（1 in=25.4 mm），壓力等級與加藥箱接口一致，計量泵電動機的功率為1.5 kW。考慮到設備布置在高鹽霧和高潮濕的油氣工作場所，電動機等設備均采用Exd IIB T4/IP56防護防爆等級，管線及相關閥門的材質均采用316L不銹鋼，其設計壽命為20年。

2.3 給料泵及附屬系統

通過工藝計算，最終確定給料泵流量2 m3/h、揚程20 m、進口尺寸0.5 in、出口尺寸1.5 in，壓力等級與加藥箱接口一致，離心泵電動機的功率為1.5 kW。考慮到設備布置在高鹽霧和高潮濕的油氣工作場所，電動機等設備均采用Exd IIB T4/IP56防護防爆等級，閥門閥芯材質均采用316L不銹鋼，管線及閥門外殼均采用Q235鑄鐵鍍鋅防腐處理，其設計壽命20年。

2.4 污泥脫水橇及附屬系統

臥螺壓濾機是整個污泥脫水橇的核心裝置，為了保證壓濾機和其他橇塊以及附屬設備的連接，完成污泥有序進出和壓榨離心的功能，對離心基本參數做了如下規定：進口污泥含水率達98%左右，經臥螺壓濾機處理后出口含水率可達80%以下；進口污泥量為2 m3/h，出泥量為200 kg/h；加藥箱中藥劑的質量分數為1.5‰～2‰，污泥中藥劑的質量分數為50×10-6～80×10-6；防靜電沉淀反應器容積2 m3。加藥箱容積1 m3即可滿足工藝要求。轉鼓直徑250 mm，長度1 000 mm，轉速5 400 r/min，螺旋差速2～20 r/min，電動機功率7.5 kW+3 kW+1.1 kW。由于機械設備制造的工藝因素故選擇日本NSK的軸承。鑒于物料腐蝕原因所有與物料接觸的部件均采用316L不銹鋼。螺旋葉在設備運轉過程中不斷磨損，螺旋葉片推料部位選用噴焊Gni-W2C65%耐磨硬質合金，厚度≥3 mm。設備驅動方式采用雙電動機雙變頻器控制，以增加設備運行的可靠性，變頻器采用日本三墾品牌。設備放置于室內，平均噪聲≤85 dB(A)，空載振動≤4.5 mm/s，單機干重約1 t。

3 海上平臺成套裝置

3.1 三維模型成橇設計

臥螺壓濾機三維模型成橇設計是以“海上固定平臺安全規則”為設計依據，開發出1套滿足海上平臺安裝要求，并且適用于高鹽霧、高相對濕度環境條件下的成套裝置。電纜管和儀器及其接管均應與設備在同一底橇上。為了便于人員操作及維修和保證人員安全，所有的設備都應安裝在橇塊上，設備的任何部分都不應懸于橇塊邊緣之外。對于橇塊底座有關的鋼結構和橇上設備的設計，都應考慮能夠承受各個方向的加速度為1.5 m/s2的作用力。最后經過計算和出于工藝流程以及設備選型參數的考慮，對緊湊型臥螺壓濾機污泥脫水橇塊進行三維設計，確定整個橇塊尺寸控制在3.8 m（長）×2.0 m（寬）×2.2 m（高）范圍內，它包括加藥裝置、給料裝置、臥螺壓濾機、電控部分和設備底座。

3.2 裝置的初步應用

臥螺壓濾式污泥脫水單元是整個預處理工藝的核心部位，對含油污泥進行壓榨、濃縮以實現減量化處理。臥螺壓濾式污泥脫水單元由1個防靜電沉淀反應容器、1個往復旋轉的螺旋輸送器和1組往復移動壓濾機組成。

防靜電沉淀反應容器通過工藝計算保證具有足夠大的容積，尤其是有足夠的深度。為了提高處理效率，在容器上增加液位變送器，設有高高、高、中、低和低低5個液位點，其中高高液位點為冒罐報警點，低低液位點為空罐報警點。通過工藝計算保證最大限度地利用容器的物理空間，保證液位的沉淀、絮凝、氧化中和反應以及藥劑吸油時間。經過藥劑反應后的含油污泥具有一定潤滑作用，保證設備運送過程中的流暢性。防靜電沉淀反應容器的上清液直接輸送至海上平臺的氣浮選裝置進行處理，沉淀絮凝產生的污泥需要進一步壓榨、濃縮處理。

螺旋部分主要由差速器、螺旋、轉鼓、壓濾器、機罩、機座、潤滑系統、主副電動機等組成。其工作原理是：懸浮液經進料管、螺旋出料口進入轉鼓，在高速旋轉產生的離心力作用下，密度較大的固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓做相對運動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉鼓內壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口；分離后的清液經堰板開口流出轉鼓，螺旋與轉鼓之間的相對運動靠差速器來實現。差速器的外殼與轉鼓相接，輸出軸與螺旋相接。電動機帶動轉鼓旋轉的同時也帶動了差速器外殼的旋轉，由于輸入軸被控制，故驅動行星輪帶動輸出軸旋轉，并按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，使含油污泥含固量不斷提高，污泥不斷受擠壓脫水排出，從而實現了對含油污泥初步壓榨的效果。

經過初步壓濾的含油污泥含水率大大降低，再通過螺旋輸送機將其運送至深度壓濾裝置中進行最終壓濾脫水。壓濾容器設有液位變送器，控制出口泵將壓濾液輸送回防靜電沉淀反應容器中。壓榨后的濾餅會在濾餅器中釋放，裝袋船運至陸地，如圖2所示。

試驗地點為渤海地區某鉆井平臺，處理規模為2 m3/h，出泥200 kg/h左右，處理后污泥含水率由98%降至80%以下。基本符合裝置的設計要求，有機絮凝劑加藥濃度為8 mg/L。處理后液相含油量一般在500 mg/L，固體懸浮濃度在200 mg/L左右，滿足海上平臺氣浮處理單元的進口指標要求。緊湊型臥螺壓濾機污泥脫水橇具有占地面積小、系統結構簡單、故障率低、設備運行噪聲低和無振動等特點。

圖2 臥螺壓濾示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal screw filter

4 結束語

隨著污泥處理技術的不斷進步和深入研究，國家對環保產業的要求不斷提高，海上平臺固廢處理工藝將會日趨完善，未來先進的污泥脫水技術用于海上平臺將成為必然。目前開發的臥螺壓濾機對藥劑的依賴程度太大，需要針對不同的污泥成分篩選合理的藥劑種類和投加量，增加了設備運行的復雜化和成本。未來努力的方向就是如何減少藥劑投放量和開發出通用型藥劑，機械設備設計方面仍以緊湊型占地面積小為目標，拓展出系列化產品，研制出不同類型的污泥脫水工藝處理裝置，以適合不同類型的海上作業平臺。

我國對含油污泥處理的理論研究起步較晚，在含油污泥的綜合處理技術和水平上與發達國家有一定差距，相信通過科研人員不斷的努力和研究，污泥處理最終會實現其穩定化、減量化、無害化和資源化的目標。