油罐機械清洗耦合油泥資源回收技術與應用

衣桂米，祁傳磊，肖 超，王聰毛

（杰瑞環(huán)保科技有限公司，山東煙臺 264000）

油罐在儲運生產(chǎn)中形成油罐底泥，會嚴重影響油罐的儲運生產(chǎn)，必須定期進行清除[1]。我國石化化工業(yè)的油罐一般要求每五、六年檢查清洗一次[2]。

目前國內(nèi)常用的油罐清洗方法有人工清洗和機械清洗法[3]。機械清洗較人工清洗具有效率高、對人員健康影響小、資源節(jié)約、安全環(huán)保的優(yōu)勢，隨著我國石油化工行業(yè)法規(guī)的健全，人工清罐已不符合環(huán)境和發(fā)展的客觀要求。2014 年中國石油天然氣股份有限公司發(fā)出《關于做好油氣田油品儲罐清洗工作的通知》，要求容積在1 000 m3以上的原油、成品油儲罐必須進行機械清洗。傳統(tǒng)的人工清洗逐漸被機械清洗所取代[4]。

目前國內(nèi)通用的油罐機械清洗技術為從日本引進的COWS[5]原油清洗系統(tǒng)（Crude Oil Washing System）。

傳統(tǒng)的COWS 油罐機械清洗只關注油罐的清洗效果，不考慮清洗過程中回收油的品質(zhì)，會把原來油罐底部部分水、機械雜質(zhì)、沙粒、泥土等雜物轉移到其他油罐，對其他油罐內(nèi)部的優(yōu)質(zhì)油品造成污染。隨著技術的發(fā)展，國內(nèi)外油公司對油罐機械清洗的回收油品質(zhì)有了越來越高的要求，對回收油BS&W（原油中水和沉淀物）提出了嚴格的要求，傳統(tǒng)COWS 油罐機械清洗技術受到很大的挑戰(zhàn)，急需與之相配合的油品凈化技術的誕生。

目前，國內(nèi)外比較成熟的油泥處理方法主要有：萃取法、離心分離法、干燥燃燒法、生物處理、高溫處理、調(diào)剖處理法等[6]。丹麥泰福德（Toftejory）公司研制的BLABO 系統(tǒng)，利用離心分離的方法來實現(xiàn)油罐清洗污油的在線凈化。而國內(nèi)廣泛應用離心分離技術對人工清罐產(chǎn)生的油罐底泥進行減量處理[7]。

本研究采用COWS 油罐機械清洗設備耦合油泥資源回收設備，結合在某石油公司進行現(xiàn)場應用，從設備投入、施工工藝、離心分離效果等多方面進行綜合分析，以期為油罐機械清洗耦合油泥資源回收技術的工業(yè)化應用提供參考。同時，結合在某石油公司進行現(xiàn)場應用提供的數(shù)據(jù)，分析BS&W 指標與離心機轉鼓轉速、轉速差和進料量之間的關系。

1 工藝、設備和現(xiàn)場應用

1.1 技術介紹

COWS 油罐機械清洗技術是利用噴射清洗機將清洗介質(zhì)在一定溫度、壓力和流量下噴射到被清洗表面，除去被清洗表面的凝結物和淤渣，并進行回收的一種工藝方法[8]，機械清洗結束后油罐滿足動火作業(yè)標準。

油泥資源回收技術：是通過換熱器使污油升溫降黏，由離心機對污油進行離心分離，以降低污油BS&W，提升回收油品質(zhì)，實現(xiàn)石油資源回收利用的工藝方法。油罐機械清洗耦合油泥資源回收技術即將上述兩種技術通過緩存設備結合在一起，在油罐機械清洗的同時實現(xiàn)石油資源的凈化回收。

1.2 油罐機械清洗和油泥資源回收系統(tǒng)設備

該技術應用于某煉油公司100 000 m3外浮頂原油儲罐的機械清洗和油回收，油罐內(nèi)油泥約2 000 m3，清洗介質(zhì)為同種油。項目所用設備有循環(huán)泵送設備、油水分離設備、制氮設備、緩存設備、換熱設備、臥式離心分離設備、碟式離心分離設備。

1.3 施工工藝流程

用臨時鋪設的管道，將清洗裝置與待清洗油罐以及提供清潔原油的油罐連接在一起，用安裝在清洗油罐上的清洗機，將清洗介質(zhì)噴射到待清洗油罐內(nèi)表面，對油罐內(nèi)表面的附著物進行沖洗。經(jīng)過沖洗，油泥中部分水、機械雜質(zhì)、沙粒、泥土等雜質(zhì)進入油中，將該部分污油移送至緩存設備，經(jīng)過換熱器加熱后采用兩級離心分離進行凈化，兩相臥式離心設備為第一級分離，實現(xiàn)固相和液相的分離；三相碟式離心設備為第二級分離，處理兩相臥式離心設備分離的液相，分離出固、水，實現(xiàn)油的凈化。同種油清洗和離心分離環(huán)節(jié)同時進行，完成后進行溫水清洗，進一步回收罐內(nèi)的石油組分。溫水清洗完畢后，油罐通風，進行最終的人工清渣，工藝流程圖（見圖1）。

圖1 工藝流程圖

1.3.1 氮氣注入 可燃物、助燃物、點火源是燃燒和爆炸的三要素，制氮設備通過與油罐頂部的呼吸閥連接的管線向油罐內(nèi)注入氮氣，控制油罐內(nèi)氧氣（助燃物）含量在8 %以下[9]，控制油罐內(nèi)部達到防火、防爆的安全條件。

1.3.2 同種油清洗 循環(huán)泵送設備通過回收流程和清洗流程分別與油罐底部切水口和油罐頂部安裝的清洗機連接，回收油罐內(nèi)的原油，加壓加溫后通過清洗流程泵送到清洗機，壓力沖擊罐底油泥，利用相似相溶原理溶解回收油泥中的重油組分，溫度升高有助于提升重油的溶解度；同時，油泥中的固相、水分等雜質(zhì)會進入同種油當中，清潔油變?yōu)槲塾汀ＭǔＶ睆?0 m 的油罐需要安裝25～27 支清洗機，清洗機由氣源控制能夠實現(xiàn)水平方向0°～360°、豎直方向0°～140°自動旋轉，每2 h～3 h 更換清洗機。

隨著同種油清洗的進行，污油中的雜質(zhì)會逐漸增加。在循環(huán)泵送設備取樣口進行取樣檢測，當污油含固率達到10 %～15 %，從清洗流程分流污油至緩存設備，啟動油泥資源回收系統(tǒng)。

當油罐內(nèi)的油含量不足以滿足同種油清洗的要求時，需要從供油罐提供清潔原油，并重復上述過程，持續(xù)進行石油資源回收。

1.3.3 污油初級分離 緩存設備內(nèi)的污油，經(jīng)以蒸汽為熱源的換熱設備進行加熱，控制溫度在70 ℃～80 ℃，利用油品的黏溫性能，提升污油的溫度進而降低黏度，提高分離效果；由兩相臥式離心設備進行固液分離，利用固液兩相的密度差，在離心機轉鼓高速旋轉產(chǎn)生的離心力作用下，加快固相顆粒的沉降速度來實現(xiàn)固液分離。所采用的離心機分離因數(shù)（物質(zhì)所受離心力與重力比值）高達3 000。

污油初級分離的關鍵是通過對進料量、轉鼓轉速、轉速差的調(diào)整，以實現(xiàn)離心機排液含固率＜2 %的目的，滿足進入碟式離心機的要求（注：兩相臥式離心機停機前需要采用熱水或柴油進行沖洗，以免油泥粘結在轉鼓內(nèi)壁，造成離心機振動）。

1.3.4 污油的二級分離 兩相臥式離心設備分離出的液相由三相碟式離心設備進行處理，碟式離心機分離因數(shù)高達7 000，能夠將污油中的固相、水分離出來，實現(xiàn)污油的提純，按照項目要求，經(jīng)過處理后的回收油BS&W＜2 %。

二級離心分離的關鍵是進料量和污油黏度，進料量太大、污油黏度太高都會影響分離效果。施工過程中需要保持作業(yè)的連續(xù)性和保溫。

1.3.5 溫水清洗 同種油清洗和離心分離環(huán)節(jié)完成后開始進行油罐溫水清洗，將清水通入油水分離設備，通過蒸汽將油水分離設備內(nèi)清水加熱至60 ℃～70 ℃，通過清洗流程注入到油罐，沖擊罐體內(nèi)壁及罐內(nèi)附件。同時，通過回收流程抽吸油罐內(nèi)油水混合物，泵送至油水分離設備進行油水簡單分離，溫水循環(huán)使用，浮油送至接收點。隨著溫水清洗的不斷進行，回收介質(zhì)內(nèi)不含明顯油分時，結束溫水清洗。

溫度對清洗效果的影響較大，溫度升高，原油黏度降低，熱膨脹使油膜黏附能力減弱，在水洗中油越易于與泥沙分離，水洗效果好[10]。

溫水清洗環(huán)節(jié)需要不間斷的補充清水，以滿足循環(huán)的要求；并且每2 h～3 h 更換清洗機以保證對罐內(nèi)的全面清洗。

1.3.6 油渣清理 溫水清洗結束后，油罐內(nèi)會剩余少部分泥沙雜質(zhì)，油罐通風并進行氣體檢測后需要人工進罐清理。

2 油泥資源回收工藝現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)分析

2.1 離心機進料屬性及進料量確定說明

該油泥資源回收技術應用于油罐機械清洗作業(yè)現(xiàn)場，設備的連續(xù)運行是設計的主要內(nèi)容。由于機械性能的限制，碟式離心機的進料要求是含固率＜2 %，超過上述數(shù)值容易導致碟式離心機堵塞，進而要求兩相臥式離心機處理后的污油含固率＜2 %。

兩相臥式離心機進料有一定的固相含量，固相排出效果就會好，所以對于含固率很低的物料，直接進入臥式離心機排出固相很難、分離效果差[11]。根據(jù)兩相臥式離心機實驗總結，當兩相臥式離心機含固率在10 %～15 %范圍時，通過加溫降黏、調(diào)整離心機參數(shù)能夠達到液相含固率＜2 %的要求。若污油含固率＜10 %，雖然可以保證凈化過程的連續(xù)進行，但是產(chǎn)泥量小，會導致能耗高，凈化成本增加。

油泥資源回收工藝選用處理量為10 m3/h～12 m3/h的兩相臥式離心機，匹配兩臺處理量為4 m3/h～5 m3/h的三相碟式離心機，構成一個連續(xù)、穩(wěn)定運行的分離系統(tǒng)。

現(xiàn)場維持污油屬性相對穩(wěn)定，通過對離心機的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，對比在不同參數(shù)下分離效果。液相含固率檢測參照GB/T 6533-2012《原油中水和沉淀物的測定（離心法）》[12]標準要求進行。

2.2 兩相臥式離心機現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

影響臥式離心機分離效果的因素包括工藝參數(shù)和機械參數(shù)。

工藝參數(shù)包括進料量、油水固含量、污油黏度。

機械參數(shù)有分離因數(shù)和轉鼓轉速、轉速差、轉鼓長徑比、轉鼓半錐角、溢流內(nèi)徑、沉降區(qū)長度和干燥區(qū)長度、液環(huán)層厚度。其中，分離因數(shù)、轉速差能夠在設備運行時進行調(diào)整。

應用現(xiàn)場在維持污油工藝參數(shù)穩(wěn)定的前提下，分別以轉鼓轉速、轉速差為變量參數(shù)對離心機進行調(diào)節(jié)，以期獲得最優(yōu)轉鼓轉速和轉速差。

2.2.1 轉鼓轉速調(diào)整數(shù)據(jù)分析 污油屬性：含固率=13 %～14 %，BS&W=27 %～35 %，動力黏度=25 mPa·s～35 mPa·s。

臥式離心機進料量設定為10 m3/h，設定轉速差為10 r/min，測試轉鼓轉速分別為1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min、3 500 r/min 時，液體BS&W 與轉鼓轉速的關系。具體規(guī)律（見圖2）。在進料量、轉速差不變的情況下，隨著轉鼓轉速的增加，離心機分離出的液相BS&W 和含固率逐漸降低，當轉鼓轉速達到3 000 r/min 時，液相指標基本趨于穩(wěn)定，且較3 500 r/min時能耗更低、噪聲更低、磨損更小，因此選擇轉鼓轉速3 000 r/min 作為最佳轉速。

圖2 液相含固率、BS&W 和轉速的關系曲線

理論分析：

分離因數(shù)是表示離心機分離能力的主要指標，分離因數(shù)值愈大，物料受的離心力愈大，分離效果也就愈好[13]。

其中：m-顆粒質(zhì)量，kg；ω-回轉角速度；r-離心機轉鼓半徑，m；n-離心機轉鼓轉速，r/s；g-重力加速度，m/s2。從式（1）、（2）中可以看出，在離心機轉鼓半徑不變的前提下，離心機轉鼓轉速n 愈大，分離因數(shù)Fr愈大，即分離效果愈好。

2.2.2 轉速差調(diào)整數(shù)據(jù)分析 在上述參數(shù)不變的情況下，設定轉速為3 000 r/min，分析轉速差對液相含固率、BS&W 的影響，具體規(guī)律（見圖3）。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在轉速差為6 r/min 時，含固率和BS&W 均最低。轉速差超過6 r/min 時，轉速差愈大，液相含固率和BS&W愈高；轉速低于6 r/min 時，轉速差愈低，液相含固率和BS&W 也愈高。

理論分析：轉速差是轉鼓與螺旋輸送器的絕對轉速之差。轉速差大，固相排量大，但也帶來轉鼓內(nèi)流體攪動量大，固相停留時間短，排液中含固量增加，固相含液率增大的問題。轉速差太小，會使螺旋的固相排量降低，導致固相不能及時排出，進而導致BS&W 升高[14]。

綜上所述，針對本應用現(xiàn)場的污油屬性，當兩相臥式離心機轉速為3 000 r/min、轉速差為6 r/min 時，離心機的分離效果最優(yōu)（注：離心機在調(diào)整參數(shù)后，需要穩(wěn)定運轉1 h 才能達到理想分離效果，本節(jié)圖表數(shù)據(jù)為離心機穩(wěn)定運行期間測得的數(shù)據(jù)的平均數(shù)值）。

圖3 液相含固率、BS&W 和差速的關系曲線

2.3 三相碟式離心機現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

三相碟式離心機分離效果主要受進料量和油品黏度影響。兩相臥式離心機分離出的液相，在輸送到三相碟式離心機過程中，由于保溫作用并未產(chǎn)生熱量散失，污油的黏度維持在30 mPa·s～40 mPa·s，本研究主要關注進料量對三相碟式離心機分離效果的影響。根據(jù)現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)分析，二者之間關系呈正相關，規(guī)律（見圖4）。隨著進料量的增加，油中BS&W 升高，當進料量達到離心機最大處理量4 m3/h 時，BS&W＜2 %，滿足本項目的處理要求。

圖4 BS&W 與進料量關系曲線

3 結論

本研究通過現(xiàn)場應用及數(shù)據(jù)分析得出以下結論：

（1）通過現(xiàn)場應用，證明本文油泥資源回收技術能夠與COWS 油罐機械清洗技術相互匹配，在不影響油罐機械清洗效率的同時實現(xiàn)清洗過程中的污油凈化，滿足油罐機械清洗和能源回用的需求。

（2）在保證油泥資源回收系統(tǒng)進料屬性不變的前提下，通過調(diào)整兩相臥式離心機轉速差、轉鼓轉速兩個重要參數(shù)，實現(xiàn)污油固液分離；在轉速為3 000 r/min、轉速差為6 r/min 時，分離效果最優(yōu)，分離出的液相含固率＜2 %，滿足進入三相碟式離心機的要求；分離出的液相BS&W 由原來的30 %降低到5.3 %。

（3）本項目三相碟式離心機能夠實現(xiàn)油的提純，處理后的污油BS&W＜2 %滿足項目指標要求。

（4）離心機的分離效果受到進料屬性、溫度、設備參數(shù)等因素的影響，在進料屬性發(fā)生變化時需要反復摸索離心機的運行參數(shù)，以期達到最佳分離效果；分離因數(shù)和處理量是離心機選型的重要參數(shù)，需要根據(jù)項目對回收油BS&W 和處理量的要求進行選擇。