新疆油田壓力式連續流過濾器工業性試驗

付 蕾 劉建超 韓麗艷 李本雙 吳倩怡

(1.中油(新疆)石油工程有限公司設計分公司；2.新疆油田公司工程技術研究院)

0 引 言

目前國內油田采出水處理常用于一級過濾的過濾設備主要是雙濾料過濾器，過濾機理是水中的油和懸浮固體顆粒在不同孔隙率、不同顆粒粒徑以及不同吸附特性的濾層中進行接觸吸附、機械篩除和接觸絮凝等被攔截，濾層一般上層采用無煙煤或核桃殼等輕質濾料，下層采用石英砂、金鋼砂或磁鐵礦等重質濾料[1]。雙濾料過濾器因具有抗沖擊負荷能力強、處理量大、處理水質穩定等優點成為油田采出水處理主流過濾器[2-3]。

處理水質在來水含油20 mg/L、懸浮物20 mg/L情況下，出水含油≤3 mg/L，出水懸浮物≤5 mg/L。但雙濾料過濾器存在反洗強度高，產生的反洗排污水量大，大大增加采出水處理站污水回收池(罐)容積的問題[4]，例如雙濾料過濾器反洗強度為15 L/s·m2，24 h反洗一次，每次15 min，直徑1.2 m過濾器反洗水量為61.04 m3/h，反洗排污量為15.3 m3/d；直徑3.2 m過濾器，反洗水量為432 m3/h，反洗排污水量為108 m3/d，大量回收水對采出水系統形成沖擊，影響裝置平穩運行[5-6]。為此，新疆油田公司于2017年8月-11月在風城1號稠油聯合站污水系統進行了壓力式連續流過濾器工業性試驗，以論證壓力式連續流過濾器用于油田采出水的技術可行性和經濟適用性。

1 工作原理

壓力式連續流過濾器是在常壓流砂過濾器基礎上演變而成的，屬于流動床過濾器，設備主要是由一個主罐體與清洗筒組成，主罐體位于下部，上圓下錐，便于濾料下滑，起過濾的容器。清洗筒位于上部，上圓下錐，設備結構見圖1。

圖1 壓力式連續流過濾器結構

1)過濾。過濾方式采用的是逆向流過濾方式，正常過濾時，原水由過濾器底部進入濾床，并向上流與濾床充分接觸，所含懸浮物被截留在濾床上，凈化后的過濾水從上部排走，完成過濾流程。當經過短時間過濾后濾床污染，這時需要清洗污染的濾料，但過濾不間斷。

2)反洗。反洗時，主罐體與上部清洗筒連通的反洗閥打開，清洗筒瞬間失壓，壓力水從下部主罐體涌進清洗筒，同時壓力水帶動主罐體與清洗筒之間的浮筒(等同于單向閥)上浮，這時主罐體與清洗筒在內部隔離開來，由于上部排污口不間斷排污使得上部壓力小，主罐體壓力大，這時連接主罐體與清洗筒之間的提砂管開始工作，截留污染物的石英砂依靠壓力差作用被提升到頂部的清洗筒中進行清洗，通過機械摩擦作用和紊流作用使污染物從濾砂表面分離出來，含有懸浮物的反洗水通過反洗水排放口排放，濾料較重下沉堆積在清洗筒內，當到達設定時間時，反洗閥關閉，上下罐體壓力平衡，濾料自重推開浮筒下落到下罐體內，又形成新的濾床，從而完成反洗過程。由于主罐體下部為錐形結構，因此反洗時濾料和截留物會源源不斷的沿主罐下錐下滑至錐體底部。反洗時同時輔以氣洗，反洗更徹底。

2 試驗目的與試驗參數

2.1 試驗目的

1)通過試驗論證壓力式連續流過濾器用于油田采出水一級過濾或二級過濾的可行性。

2)通過試驗獲得最佳濾料結構。

3)通過試驗取得過濾器最佳工作參數，為產品工業化應用提供依據。

2.2 試驗流程

試驗選用1臺處理量12 m3/h的壓力式連續流過濾器，配套供水泵、空壓機及管路閥件。

風城1號稠油聯合站脫出的稠油污水經重力除油、旋流反應、混凝沉降后除去大部分油、懸浮物，出水進入過濾緩沖罐，本次試驗的壓力式連續流過濾器來水就由過濾緩沖罐提供水源，經提升泵提升送至過濾器處理，過濾器反洗排水去污水回收池。

2.3 試驗參數

試驗進水指標參數見表1。壓力式連續流過濾器技術參數見表2。

表1 試驗進水指標參數

表2 過濾器技術參數

3 試驗結果及分析

試驗分兩個階段進行，試驗內容以濾料變化為主，檢測不同濾料過濾效果。

第一階段：采用0.8～1.2 mm的石英砂為濾料。

第二階段：采用0.5～0.8 mm的金剛砂為濾料。

3.1 第一階段試驗結果

3.1.1 油、懸浮物去除效果

過濾器進出口懸浮物、含油指標監測結果見圖2、圖3。

圖2 進出口懸浮物監測結果

圖3 出口含油監測結果

由圖2、圖3可以看出：

1)過濾器進口懸浮物含量基本在10～20 mg/L、出口懸浮物在2～5 mg/L；進口含油基本在5～10 mg/L，出口含油在2～5 mg/L。

2)處理后的水質懸浮物、含油均達到設計指標≤5 mg/L要求。

3)9月1日之前出水懸浮物含量較高，為3～5 mg/L，這主要是試驗初期反洗后浮筒位置位于下端，使主罐體與清洗筒連通，使得上部未能在反洗時排走的懸浮物及油進入下部過濾出水區隨出水排出，影響出水水質，因此9月2日-11日廠家重新設置調整控制程序，期間水質未監測。9月2日按重新調整的程序運行，使浮筒在反洗后提到上端，阻止了懸浮物及油進入下部過濾出水區，提高了出水效果。說明該過濾器在浮筒結構設計上存在缺陷，如果要達到工業化應用需要進行改進。

3.1.2 反洗周期對出水水質影響

為判斷反洗周期對過濾器出水水質的影響，現場進行了每隔2，5，10，15，30 min反洗的對比試驗，試驗結果見圖4。

圖4 反洗周期與過濾水質關系

由圖4可以看出：

1)反洗周期10 min時，出水水質最好，懸浮物在2 mg/L以下。

2)反洗周期2 min時，出水水質最差，懸浮物在3.5 mg/L左右。據了解，過濾器反洗一次需要1.5 min，說明此階段過濾器基本處于邊過濾邊反洗狀態，濾料層連續移動而形成移動床，使濾料間孔隙率增大，濾層截留懸浮物的能力下降，出水水質變差。

3)反洗周期5，15，30 min時，出水懸浮物含量約2～3 mg/L，說明反洗周期過短或過長，過濾效果都不好。分析這可能是反洗周期過短，濾床不能形成良好的過濾工作層；而反洗周期過長，濾層底部積聚的較多較臟的懸浮雜質。

3.1.3 反洗方式對出水水質影響

由于壓力式連續流過濾器反洗與過濾過程是在同一罐內進行的，因此反洗效果好壞直接影響過濾效果，現場進行了單獨水沖洗和氣水聯合沖洗試驗，其中單獨水沖強度為14 L/s·m2；氣水聯合沖洗時水沖強度為12 L/s·m2、氣沖洗強度為10 L/s·m2，試驗結果見圖5。

由圖5看出，氣水聯合反洗效果要明顯好于單獨水沖洗效果，這是因為氣體輔助擦洗的水沖洗，濾料顆粒間互相沖撞和摩擦作用強烈而使石英砂清洗效果好，使處理水質可以達到比較好的處理效果。

圖5 不同反洗方式對出水水質的影響

反洗水量為3 m3/h，10 min反洗一次，每次1.5 min，每小時反洗時間累積9 min，濾罐每小時產生反洗排污水量為0.45 m3，反洗排污水量為10.8 m3/d，較同直徑的雙濾料過濾器反洗排污量減少29.4%。

3.2 第二階段試驗結果

過濾器進出口懸浮物、含油指標監測結果見圖6、圖7。

圖6 進出口懸浮物監測結果

圖7 進出口含油監測結果

由圖6、圖7可以看出：

1)過濾器進口來水水質波動較大，進口懸浮物含量在4～13 mg/L時，出口懸浮物含量在5～6 mg/L；進口含油在1～7 mg/L時，出口含油基本在1 mg/L以下。

2)處理后的水質含油可達到設計指標≤5 mg/L要求，但懸浮物不能穩定達標。

3)根據了解11月5-6日由于反洗水量較大，存在跑砂現象，11月6日開始調整反洗水量，但仍然存在跑砂現象，造成反洗不徹底，濾床污染物積壓太多，出水水質變差。說明過濾器清洗筒結構設計不適合粒徑0.5～0.8 mm的金剛砂濾料。

4 與常規雙濾料過濾器對比

針對本次試驗，對壓力式連續流過濾器與雙濾料過濾器從過濾水質、反洗特性、出水率及能耗等方面進行對比分析，見表3。

表3 兩種過濾器技術經濟對比

5 結 論

壓力式連續流過濾器是在常壓流砂過濾器基礎上改進而成的，常壓流砂過濾器目前在石化系統廢水及循環水處理應用較廣泛，壓力式連續流過濾器在油田采出水中應用較少，通過在風城1號稠油聯合站現場試驗，可得出以下結論：

1)0.8～1.2 mm石英砂處理水質滿足一級過濾含油、懸浮物設計指標≤5 mg/L要求，水質較雙濾料過濾器出水水質好。

2)0.5～0.8 mm金剛砂處理水質含油可達到設計指標≤5 mg/L要求，但懸浮物不能穩定達標。過濾器清洗筒結構設計存在缺陷，造成金剛砂這種粒徑小的濾料容易跑砂。

3)氣水聯合反洗效果要明顯好于單獨水沖洗效果；反洗對出水水質沒有影響，反洗周期10 min時，出水水質最佳，懸浮物在2 mg/L以下。

4)本次試驗污水水溫高，濾料再生效果好，出水水質好，但尚不能以本次試驗結果判斷壓力式連續流過濾器過濾性能，建議在水溫比較低的稀油污水站進行試驗驗證，考察濾料耐污能力、反洗再生效果及水質穩定性。

5)設備自身存在一些缺陷，如關鍵部件提砂管道和浮筒密封磨損嚴重、0.5～0.8 mm金剛砂存在跑砂等問題，需針對油田采出水特點在材料選擇、防腐措施等方面進行改進，才能在油田進行推廣。