委內瑞拉油田污泥脫水橇設計

中國寰球工程有限公司北京分公司

污泥處理是油田污水處理中非常關鍵的部分，隨著環保要求日趨嚴格，污泥處理的無害化和高效化成為必然趨勢。污泥脫水是污泥處理的前提，降低污泥的含水率可以有效降低后續污泥處理設備的負荷和處理難度，顯著降低污泥處理成本[2]。奧蘭治環保部門的研究表明，污泥含水率在78%以下時，含水率每降低一個百分點，每噸污泥的后續處理費用減少US$1以上[3]。

1 工藝流程分析

污泥脫水橇用于處理原油經過脫鹽脫水工藝后產生的污泥，處理前污泥含水率為98%、密度為1 050 kg/m3，處理后污泥含水率≤75%，設計流量為25～30 m3/h，操作溫度為78 ℃，Cl-質量濃度為29 000 mg/L。

污泥在脫水前需要添加化學藥劑絮凝劑來增強脫水效果，絮凝劑與污泥充分反應需要一定時間，出于對系統穩定性和安全性考慮，將污泥脫水橇工藝流程設計為對置布置的可以相互備用的兩條線，工藝流程如圖1所示。兩條線交替工作，一條線的污泥脫水機工作時，另一條線的污泥在污泥混合罐內反應，保證污泥在脫水前有充分的反應時間和總脫水過程的連續性，而且可以保證某條線在檢修或故障時系統仍可不間斷運行。

圖1 污泥脫水橇工藝流程Fig.1 Process flow of skid-mounted sludge dehydration

污泥通過系統上游的泥漿泵加壓后進入界區，污泥和化學藥劑通過在線快速混合器進行混合，之后進入污泥混合罐。化學藥劑選用AC1305MH絮凝劑，使用前需稀釋到0.8%～1.0%（質量分數）。AC1305MH絮凝劑是一種中相對分子質量、陽離子高分子絮凝劑，主要通過絮凝劑中帶正電荷的基團和污泥中帶負電荷的難于分離的粒子相互靠近，降低其電勢，使其處于不穩定狀態，通過聚合性質使得這些粒子集中成較大的團塊，再通過物理方法將團塊分離出來[4]。

在污泥混合罐內，混合后的污泥和絮凝劑發生絮凝反應，同質固體懸浮物和膠質聚合成大團塊，并釋放出吸附的水分。污泥混合罐配置槳葉式攪拌器，使反應更均勻，并加快反應速率。

反應后的污泥，進入污泥脫水機進行脫水。脫出的水分從污泥脫水機底部排出，匯總后排出界區；脫除水分后的污泥形成泥餅，從污泥脫水機的機筒尾部出口排出，通過滑槽進入料斗，然后從料斗底部排出進入水平螺旋輸送機，最后通過傾斜螺旋輸送機輸送到卡車料斗中，由卡車運走。

新鮮水通過氣動控制閥后進入污泥脫水機機筒上部的分配流道，經流道分配到機筒內均布的5個噴嘴，按設定程序定期對污泥脫水機內部進行清洗。

2 主要設備及元件

動設備：污泥脫水機、槳葉式攪拌器、螺旋輸送機、在線快速混合器等。

(10)狀態10(t8～t9)：在t8時刻，uC1減小至零，此刻開通S1，可實現零電壓開通.從t8時刻開始，Lr釋放剩余電能，iLr處于恒速減小狀態，iLr在t9時刻變化為零時，關斷Sa4，可實現零電流關斷，本狀態結束.然后電路返回狀態1，進入下一個開關周期的工作.

檢測儀表：渦流流量計、流量變送器、超聲波液位計、液位變送器等。

管路和閥門：閘閥、氣動控制閥、止逆閥、球閥等。

儀表及電路系統：電源分配箱、信號接線箱、變壓器、防爆穿線管、穿線盒等。

控制系統：PLC、就地控制盤等。

其他設備：污泥混合罐、齒輪減速箱、滑槽、料斗等。

2.1 在線快速混合器

在線快速混合器是藥劑加注和混合的關鍵部件。如果沒有在線快速混合器，由于加藥量相比含水污泥量來說很小，加藥時藥劑僅與部分污泥接觸，局部藥劑濃度較高引發局部劇烈反應，通過反應藥劑被快速稀釋，大部分污泥無法參與同藥劑的反應，導致總體反應慢、反應效果差，進而導致需要過量添加藥劑才能達到要求的反應效果。在線快速混合器可以使化學藥劑和污泥連續、瞬時混合，在毫秒級的時間內完成摻混過程，使后續化學反應效果達到最佳，極大提升化學藥劑使用的經濟性。

在線快速混合器根據是否需要外部供能分為靜態式和動態式。靜態式混合器是通過混合器特殊的管路結構使液流通過時產生分流、交叉混合和反向旋流三種作用，使加注藥劑迅速、均勻地擴散到整個液流中，達到瞬時混合的目的[5]。動態式混合器是通過電動機帶動槳葉轉動形成攪拌作用，使加注藥劑與液流快速混合。

本項目選用兩套DYMIX 型在線快速混合器，DYMIX 型在線快速混合器為動靜態結合式在線快速混合器，即在混合器內既有靜態的管路內件又有動態的轉動機構，使混合過程迅速且達到最佳效果。在線快速混合器具體結構見圖2。由于污泥中Cl-質量濃度較高，設備本體與污泥接觸部分和內件的材質均選用雙相鋼，其他部分材質選用304 不銹鋼。

2.2 污泥脫水機

污泥脫水機是污泥脫水橇的核心設備，用于降低污泥的含水率，常用的污泥脫水機類型有帶式壓濾機、板框式壓濾機、疊螺式脫水機和離心式脫水機[6]。本項目選用疊螺式污泥脫水機，其具有可自清潔、不易堵塞，封閉式、無異味，操作時間短，維護簡單，噪音振動小，可連續運行，綜合運行成本低等優點。

圖2 在線快速混合器Fig.2 On-line flash mixer

疊螺式污泥脫水機主要由機筒、螺旋、疊片組成，疊片分為定環和動環[7]。如圖3 所示，粉色部分為定環，綠色部分為固定定環的墊圈，藍色部分為動環，中間為螺旋。當螺旋轉動時，動環被螺旋推動不斷與定環咬合和脫開，從而形成對污泥的擠壓作用，濾液從疊片間隙形成的濾縫流出，動、靜環的相對運動對靜環間隙形成連續清潔作用，可有效防止堵塞；污泥被螺旋不斷向前推進，隨著濾縫和螺距逐漸變小，濾腔內空間不斷縮小，污泥的內壓不斷增強，水分不斷脫出，污泥脫水后形成泥餅從機筒尾部出口排出[8]。螺旋在低轉速下運行，引起的噪音和振動較小，磨損也較小，設備使用壽命較長。本項目選用兩套相同的DYLT 型污泥脫水機，單機設計流量為25～30 m3/h，平均固體回收率23%，操作液位1 m，新鮮水注入消耗量為0.23 m3/h，單機功率為11.2 kW。由于污泥中Cl-質量濃度較高，污泥脫水機與污泥接觸部分的材質均選用雙相鋼，其他部分材質選用304不銹鋼，密封墊圈材質選用PTFE。

圖3 污泥脫水機內部組成Fig.3 Internal composition of sludge dehydrator

3 自動化設計

污泥脫水橇自動化設計的關鍵是可以滿足無人值守管理[9]。具體做法是整個系統由PLC 控制，PLC 可以通過以太網通信模塊上傳全廠DCS 顯示；在污泥混合罐上安裝液位變送器，在污泥入口管線安裝渦流流量計和流量變送器；在加藥管線和新鮮水管線上安裝氣動控制閥。根據控制點和I/O口數量，選擇西門子S7-200型號PLC，SIPLUS CPU226主機，EM221 數字量拓展模塊，以及EM231 模擬量拓展模塊。液位變送器采集的液位以4～20 mA的標準信號和流量變送器采集的4～20 mA的標準信號一起輸送給PLC。

PLC根據渦流流量計的流量信號和污泥混合罐的液位信號對加藥管線上的氣動控制閥開度進行PID控制，進而實時控制加藥量；污泥脫水機、在線快速混合器、槳葉式攪拌器和螺旋輸送機的電動機狀態均上傳PLC顯示和監控；污泥脫水機的電動機狀態與系統上游的泥漿泵和加藥泵聯鎖，當污泥脫水機故障時，由PLC控制泥漿泵和加藥泵停機并報警和顯示故障時間；污泥脫水機的起停均在PLC上操作；槳葉式攪拌器與污泥混合罐的液位信號聯鎖，當罐內液位位于920～1 030 mm 之間時，槳葉式攪拌器開啟，當罐內液位大于1 030 mm 或者小于920 mm時，槳葉式攪拌器關閉；污泥脫水機的清洗程序提前設定在PLC中，PLC控制機筒內的噴嘴依次進行清洗，清洗間隔根據現場調試確定后在PLC中設定。

4 一體化設計

一體化設計的成套設備是將設備、管道、閥門、容器、儀表、電氣和梯子平臺等在鋼結構上成橇，綜合成能夠實現某種特定工藝要求的獨立單元，具有結構緊湊、接口較少、施工簡便、售后完善等優點[10]。

本項目中污泥脫水橇采用一體化設計，如圖4所示，整個系統被規劃為5個部分，每部分的設備和元件集成安裝在1個鋼結構橇座上，橇座在現場進行拼接成為一個完整的系統。其中，橇座1和橇座2為污泥脫水部分，尺寸均為9 300 mm×4 350 mm；橇座3為電氣儀表部分，尺寸為2 200 mm×4 350 mm；橇座4為螺旋輸送機區域，尺寸為8 700 mm×900 mm；橇座5 為螺旋輸送機區域，尺寸為6 700 mm×900 mm；并通過布置預留出和污泥脫水橇配套的加藥系統區域和預留檢修區域，系統結構緊湊，實現總占地面積最小。鋼結構橇座在現場采用地腳螺栓固定，現場需要按照定位尺寸預留地腳螺栓孔，現場施工界面只有鋼結構橇座地腳螺栓固定、灌漿和5個界區管口的連接配管工作。

圖4 一體化設計示意圖Fig.3 Integrated design diagram

該污泥脫水橇投入使用后，污泥經處理形成泥餅且含水率≤75%，每小時可產生泥餅1.9～2.5 t，脫出污水的水質澄清透明且不存在乳化泥層，系統工作時絮凝劑平均消耗量為0.82～1 kg/h，每季度絮凝劑消耗量約為588～719 kg，系統運行效果良好，達到設計要求。

5 結束語

污泥脫水橇是油氣田項目中十分典型的成套設備，通過化學藥劑絮凝和疊螺式脫水，可以有效降低污泥含水率，形成澄清濾液，進而有效降低后續污泥處理設備和污水處理設備的負荷和處理難度。通過合理設計，污泥脫水橇采用可互為備用的兩條線交替工作，可保證污泥在脫水前與化學藥劑有充分的反應時間和總脫水過程的連續性，并可保證某條線在檢修或故障時系統仍可不間斷運行，系統具有良好的穩定性和自動化性能。通過一體化設計，污泥脫水橇具有集成化、成橇化和高度預制化的特點，實現系統功能區劃分合理，占地面積最小，現場施工界面最簡和施工量最小。本文總結和分析了污泥脫水橇的設計方法與要點，為同類型項目的執行和相似設備的設計提供了借鑒和參考。