旋流氣浮分離器在含聚污水中的試驗研究

劉 杰，劉紅纓，李 磊，何林杰

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083）

在油田污水處理工藝選擇總體上，主要包括除油、過濾兩級處理工藝，通過選擇不同的設(shè)備組合實現(xiàn)污水的合格排放和達標回注。如自然沉降過濾流程、旋流分離過濾流程、斜板沉降氣浮浮選過濾流程、聚結(jié)分離氣浮浮選過濾流程等[1-4]。過濾段一般采用石英砂過濾[5]、核桃殼過濾[6]、雙層及多層濾料過濾器[7]等以膜[8]為代表深度過濾工藝。目前，聚合物驅(qū)油是三次采油的重要技術(shù)措施之一[9,10]，大慶油田已經(jīng)普遍采用聚合物驅(qū)油的方式，渤海油田從2003年單井試注至今也已經(jīng)大范圍應(yīng)用注聚技術(shù)，中海油在渤海地區(qū)應(yīng)用該項技術(shù)的油田有：SZ36-1、J29-3、LD10-1等3個油田，多口井在實施注聚作業(yè)，聚合物驅(qū)累積增油效果顯著，初步建成了海上稠油油田化學(xué)驅(qū)高效開發(fā)示范基地。

但是，隨著聚合物大量注入地層，不可避免的要隨流體產(chǎn)出，相比常規(guī)開采油田產(chǎn)出液，聚驅(qū)油圍采出液成分更為復(fù)雜，油水分離及污水處理難度陡增。中海油3個注聚油田均有較高濃度的聚合物產(chǎn)出，均面臨著聚驅(qū)采出液處理難和處理成本增加的現(xiàn)狀。具體問題如下：原油脫水難度加大，導(dǎo)致破乳劑用量顯著增加；原油系統(tǒng)各設(shè)備污油泥堵塞嚴重，影響了油水分離處理效果，也因為聚合物的附著或沉積進一步降低了各設(shè)備的處理能力及脫水效果，造成處理流程非常脆弱，脫水后原油含水率和污水含油均大幅度提高，污水處理流程問題凸顯。

為了提高降低含聚污水的處理成本并滿足環(huán)保要求，確保污水處理后達到注水水質(zhì)標準，設(shè)計了一套改進型旋流氣浮分離裝置，并在含聚海上油田進行了試驗。試驗結(jié)果表明，在含聚污水處理量為7m3·h-1，回流比20%，分流比11%，較大氣泡粒徑工況條件下，處理后的污水含油量從500.6mg·L-1下降至45.75mg·L-1，懸浮物含量從601.7mg·L-1下降至206.1mg·L-1，達到了進入下一級過濾流程要求。

1 工藝流程

某注聚海上油田污水處理工藝為：采出液采用一二級三相分離器分離→斜板隔油→混凝沉降/傳統(tǒng)氣浮→壓力過濾（核桃殼）的處理工藝。

旋流氣浮分離器撬裝裝置取代了“斜板隔油和混凝沉降/傳統(tǒng)氣浮”污水處理工藝中的設(shè)備，通過有限元CFD技術(shù)對微氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場和氣泡運行規(guī)律模擬基礎(chǔ)上，開發(fā)的改進型旋流氣浮專用處理含聚污水，該裝置具有油、懸浮固體快速分離，能保護過濾段穩(wěn)定工作，同時防止濾料污堵、頻繁沖洗作用。經(jīng)過一級、二級分離器和電脫水裝置的含聚污水進入斜板隔油器進行初步的除油沉降。再進入混合處理裝置，在此加入降解藥劑和清水劑沉降，在氣泡油滴結(jié)合區(qū)域進行催化氧化聚合物降解處理。污水再進入一體化撬裝新型旋流氣浮裝置，其主要作用是脫除含聚污水中攜帶的小油滴和乳化油。最終污水進入含油水輸送泵，進入核桃殼過濾器然后排海或者做注水。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Sewage treatment process flow chart

2 核心技術(shù)

2.1 旋流氣浮技術(shù)應(yīng)用

改進型旋流氣浮技術(shù)，以降低含聚污水粘度為主要目標，首先，使用CFD有限元模擬含聚污水氣泡運動的規(guī)律，具體如下：采用商業(yè)軟件ANSYS中Fluent組件對旋流微氣泡氣浮裝置進行數(shù)值模擬，主要對旋流微氣泡氣浮裝置中油滴粒子的運動軌跡及內(nèi)部流場，考察進口流量、微氣泡粒徑對裝置的影響。該過程數(shù)值模擬氣-液兩相流，使用MESH組件對其進行網(wǎng)格劃分，并對入口處的網(wǎng)格加密處理。結(jié)合實際工況設(shè)置模型參數(shù)及邊界條件，采用Euler-Euler方法即雙流體模型對旋流微氣泡氣浮裝置中的氣、液兩相流進行數(shù)值模擬；采用Euler-Lagrange離散相模型對油滴粒子的運動軌跡進行模擬，湍流模型選用RNG K-ε模型流場計算，離散相通過Lagrange坐標下的運動軌跡模型以單個油滴粒子為計算對象進行模擬計算。模型利用Fluent軟件進行求解。模擬后得到含聚污水粘度、聚合物降解、旋流器內(nèi)件設(shè)計的多項參數(shù)，開發(fā)實驗室設(shè)備并測試性能。掌握不同的結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)對微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣泡尺寸的影響。在實驗室設(shè)備試驗成功后，按照試驗技術(shù)參數(shù)設(shè)計制造了一體化撬裝旋流氣浮裝置，在油田安裝并開展中試。旋流氣浮原理示意圖見圖2。

圖2 氣浮旋流原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of swirl air flotation

2.2 溶氣系統(tǒng)和釋放系統(tǒng)特點

在多相流泵溶氣系統(tǒng)中，氣泡粒徑與飽和壓力有關(guān)，在氣泡粒徑分布一定的情況下，隨氣量增加，氣泡數(shù)密度增大，但是多相流溶氣泵存在占地大，利用壓力調(diào)節(jié)氣泡粒徑操作復(fù)雜且不可控的問題。因此，本實驗裝置未采用溶氣泵，而是采用一種微氣泡發(fā)生器，該發(fā)生器可以使大量微細氣泡溶入含油污水中，結(jié)構(gòu)見圖3。溶氣水發(fā)生管是由圓柱形密封管、圓錐形密封管和微孔管共同構(gòu)成。

圖3 微氣泡發(fā)生器示意圖Fig.3 Schematic of microbubble generator

該發(fā)生器可以預(yù)先根據(jù)浮選目標物的需要選擇合適粒徑的微氣泡。微氣泡粒徑大小由內(nèi)部微孔管的濾孔尺寸決定，可以在使用過程中調(diào)整不同的氣泡粒徑。當壓縮空氣透過微孔管的濾孔，在高速水流的切割之下，大部分形成所需粒徑大小的微氣泡，相對于已有氣浮溶氣系統(tǒng)產(chǎn)生大量無效的大氣泡，微氣泡發(fā)生器的微氣泡分布密度更大，氣體利用率更高，捕捉含聚污水中浮選物效率更高。該結(jié)構(gòu)充分考慮了含聚污水粘度較大、油水難分離并含有聚合物易產(chǎn)生油泥的特性。首先，使微氣泡溶氣水相對于含油水有一個可控的速度差，并且溶氣水的釋放點處于含油水的下方，以一種相對穩(wěn)定的托舉速度捕捉黏附油滴，同時平穩(wěn)地將微小油滴浮托至水面，避免由于紊流擾動影響浮選的效果。其次，這樣的釋放口尺寸不會因聚合物和油滴黏附堵塞，解決了含聚污水聚合物長期聚集而導(dǎo)致的釋放口尺寸縮小或堵塞的問題。

3 處理效果分析

將藥劑預(yù)處理和旋流氣浮技術(shù)設(shè)計的改進型旋流氣浮分離裝置應(yīng)用于中海油某注聚油田污水處理站，進行污水處理工業(yè)化試驗，設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運行后發(fā)現(xiàn)，初始水樣粘稠，且顏色較深，出水水質(zhì)透明，較為清澈。分別對初始水樣、設(shè)備進入口水樣、設(shè)備出水口水樣取樣測試，得到含油量、懸浮固體含量、粒徑中值等水質(zhì)指標。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 一體化撬裝旋流氣浮裝置Tab.1 Integrated skid-mounted swirl air flotation device

由表1可以看出，經(jīng)一體化撬裝旋流氣浮裝置處理后的油田污水的懸浮物顆粒粒徑中值16.3μm，懸浮固體含量不大于206.1mg·L-1，污水含油量不大于45.75mg·L-1。藥劑預(yù)處理和旋流氣浮技術(shù)去除效果優(yōu)良，各項指標基本達到了該進入過濾階段要求。由設(shè)備出水水樣可以看出，出水含油量不高，該裝置采用的藥劑絮凝沉降-旋流氣浮分離的預(yù)處理流程，不僅起到了良好的除油效果，而且對后續(xù)的核桃殼過濾效果起到了關(guān)鍵的作用。

4 氣浮旋流影響效果分析

影響氣浮旋流效果的主要因素有污水處理量、回流比、分流比和氣浮氣泡粒徑。

4.1 處理量對氣浮旋流效果的影響

圖4 為污水處理量與分離效率的關(guān)系圖。在不加藥劑，水樣聚丙烯酰胺含量為312mg·L-1，水樣來樣溫度75℃，斜板隔油器進口污水含油濃度不變的情況下，固定回流比（18.8%）調(diào)節(jié)不同入口流量（5～10m3·h-1），觀察不同處理量對于出口含油值的影響。如圖4所示，隨著流量從5m3·h-1增加到7m3·h-1的過程中，分離效率不斷升高，由70.7%升高至73.2%，當處理量由7m3·h-1繼續(xù)增加時，分離效率急劇下滑。此試驗選用氣泡平均粒徑為17.52μm，在此條件下最適宜的處理量為7m3·h-1。

圖4 污水處理量與分離效率關(guān)系圖Fig.4 Relationship between processing capacity of sewage and separation efficiency

處理量的不同會在氣泡與油滴的碰撞接觸、表面滑移、液膜破裂粘附以及氣泡-油滴粘附體的破碎等層面產(chǎn)生影響，處理量增加所需水樣入口流速也相應(yīng)增加，流速增加帶來的湍流強度增加有利于氣泡與油滴的碰撞、聚并，同時流速增加帶來的旋流強度增加有利于低密度油相快速匯集在中心匯集區(qū)，便于及時排出。然而，處理量過大帶來的大湍流強度會引起較大的剪切應(yīng)力，油滴-氣泡粘附體在此剪切力的作用下會快速的破裂分離，反而不利于粘附體的形成、運移、排出，因此在氣泡粒徑等工藝條件一定的情況下，可以確定最適宜的處理量為7m3·h-1。

4.2 回流比對氣浮旋流效果的影響

試驗固定處理量7m3·h-1,球閥調(diào)節(jié)流量，選取自動流量計計量，穩(wěn)定入口含聚污水流速。回流比增加，即增大回流水進入系統(tǒng)的比例，回流水作為補充水源通過射流器進入氣浮旋流系統(tǒng)。圖5為污水處理量與分離效率的關(guān)系圖。

圖5 回流比與分離效率關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of reflux ratio and separation efficiency

由圖5可見，回流比從8%增加至20%的過程中，分離效率從82%增加至91%，增長顯著。回流比從20%增加至30%的過程中，分離效率從91%增加至92%，增長很小。雖然回流比越大，分離效率越高，但從能耗經(jīng)濟角度考慮，20%為最佳回流比。

4.3 分流比對氣浮旋流效果的影響

為確定分流比增加對分離效率的影響，試驗測定了無回流情況下的分流比與除油率的變化關(guān)系。結(jié)果見圖6。

圖6 分流比與分離效率關(guān)系圖Fig.6 Relationship between split ratio and separation efficiency

由圖6可見，在進口含油量相當?shù)那闆r下，分流比從8%增加到11%的過程中，分離效率從75.5%提升至82.7%；分流比從11%增加到15.6%的過程中，分離效率從82.7%提升至83.9%。從分離效果與能耗關(guān)系綜合考慮，確定11%為該工作條件下的最佳分流比。

4.4 氣泡粒徑對氣浮旋流效果的影響

圖7 為氣泡粒徑與含油量和出油率的關(guān)系圖。

圖7 氣泡粒徑對分離效率的影響Fig.7 Influence of bubble size on separation efficiency

由圖7可見，顯示出口含油量隨著氣泡粒徑增加持續(xù)減小，當氣泡粒徑超過20μm后，出口含油量有所升高。這表明較大直徑的氣泡能夠防止氣泡從底部流出，但氣泡直徑過大（超過30μm）時無法獲得較好的氣泡分布，這將不利于氣浮分離，又考慮到氣含量一定時，小氣泡擁有更大的氣泡群數(shù)量和表面積，因此，可以認為，較小的氣泡將有利于除油分離過程，但是小于10μm氣泡很難有動力將體系脫除，因為含聚污水粘度大，形成的水包油乳化狀態(tài)更穩(wěn)定，小氣泡反而不利于油滴的聚集。根據(jù)旋流氣浮原理，相鄰氣泡會互相促使流線向氣泡表面靠近，使粒子與氣泡觸碰的機會增大，碰撞效率提高，但是根據(jù)CFD對于含聚污水的模擬結(jié)果，在含聚丙烯酰胺油田污水中，當氣量持續(xù)增加，氣泡密度過大時，反而影響流場內(nèi)氣泡和油滴運動狀態(tài)，使浮選效果惡化，所以不同的含聚污水特性需要不同合理的氣泡粒徑，本次含聚污水濃度下處理效果最好的粒徑是20μm左右，實驗結(jié)果也證明了模型的準確性。

5 結(jié)論與建議

（1）旋流氣浮分離對去除含聚污水中的聚合物起到了關(guān)鍵作用，與傳統(tǒng)的“斜板隔油和混凝沉降”傳統(tǒng)氣浮含聚污水處理流程相比，該一體化撬裝旋流氣浮裝置采用藥劑絮凝處理-旋流氣浮處理-過濾流程，保證了含聚污水的處理過濾效果。

（2）氣浮裝置中微氣泡發(fā)生器相比溶氣泵制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，且氣泡粒徑可調(diào)，處理不同的含油污水根據(jù)其自身特性需要合適粒徑的氣泡進行處理。

（3）在含聚污水處理量為7m3·h-1，回流比20%，分流比11%，較大氣泡粒徑工況條件下，一體化撬裝旋流氣浮裝置處理的污水分離效果最佳。