氣浮選器升級改造研究與應用

張 寧

氣浮選器升級改造研究與應用

張 寧

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452）

從海上油田水處理系統氣浮選器原理和結構出發，分析了氣浮選器的運行現狀和氣浮裝置的缺點，利用了氣泡粒徑對除油效率的影響，優化了浮選器的氣泡發生裝置，同時加以內部結構改造，成功在現場應用。氣浮選器升級改造后，處理后水質提升50%，改善明顯，同時降低了水質達標成本，對其他油田設施污水處理系統的提質增效具有指導意義。

氣浮選器；微氣泡；結構改造；水質提升

在海上油氣田，氣體浮選除油技術通常被選擇作為生產污水處理系統的二級設備。對于一些密度接近水的油品，采用自然重力沉降法很難從水中除去，尤其是海上平臺要求設備體積小，面積有限，采用氣浮法則特別有效。

油田現有浮選器為誘導噴射氣浮，由于其產生氣泡不均勻，且氣泡體積較大，在運行過程中，出現處理水質變差，液位計受氣泡影響波動明顯。嚴重影響氣浮處理效果，加氣浮選功能一直未能較好實現，浮選器處理后水質較高，導致下游核桃殼過濾器處理壓力增加，注水水質不理想。為了進一步提升水處理系統水質，計劃對浮選器進行升級改造，提高氣浮處理效果，首先是對外部的氣泡發生裝置進行優化，再根據歷史經驗的總結和摸索對內部結構進行優化，達到進一步提升氣浮選處理效果的目的。

1 氣浮選器簡介

1.1 氣浮選器原理

氣浮處理法就是向廢水中通入空氣，并以微小氣泡形式從水中析出成為載體，使廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物質黏附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成泡沫一氣、水、顆粒（油）三相混合體，通過收集泡沫或浮渣達到分離雜質、凈化廢水的目的[1]。浮選法主要用來處理廢水中靠自然沉降或上浮難以去除的乳化油或相對密度接近于1的微小懸浮顆粒

1.2 氣浮選器運行現狀

投產初期，浮選器投用以后的使用狀況跟設計要求差別較大，氣浮循環泵上線后，液位計數值很不穩定，從而影響到了液位的控制。浮選器自動除油功能在實際使用中不理想，達不到及時除油的效果，后改為每天2次手動提升液位排油。很長一段時間，由于從撇油器來的液體含油比設計要求的少很多，而且水系統化學藥劑注入量多，再經過下游核桃殼過濾器的處理，氣浮循環泵不投用也可以達到標準，故實際運行中基本把浮選器當作一個重力沉降的油水分離器使用，處理效果一般，浮選器入口水質與出口水質相差無幾。目前由于注水水質要求提高，核桃殼過濾器處理壓力較大，濾料更換頻繁，且化學藥劑費用高，急需對氣浮選器進行升級改造，提升處理效果。

2 改造升級

通過對氣浮選器的原理研究可以知道：

1）當微氣泡粒徑越小，單位體積的溶氣水中的微氣泡比表面積越大，比表面積越大，所具有的黏附能力更強[2]。

2）當粒徑越大時，具有相同粒徑的油滴和氣泡上浮速度相差越大，兩者產生黏附的概率越小。所以，要提高對水中難以分離的微小油滴的氣浮分離效率，應將微氣泡粒徑控制在較小的范圍。

為了最多地俘獲懸浮物，氣浮中的氣泡應盡可能小，并分布均勻。根據實驗顯示了減壓釋放后的氣泡大小和飽和壓力的關系，在壓力大于0.45 MPa后進行減壓釋放時，氣泡直徑可小于30μm。

改造技術要點如下：

圖1 氣泡直徑和絕對壓力關系曲線

1）懸浮絮體（分散相）可以被氣泡黏附，黏附是決定氣浮法成敗的關鍵[3]；

2）采用微氣泡去黏附微小懸浮顆粒；

3）利用水力旋流的浮選作用使懸浮物從水中被分離出來。

2.1 罐外改造

現有浮選器罐外設置有200 m3·h-1的循環泵，將出水的30%左右返回至罐內，返回水通過文丘里管吸入氣體并同水混合，形成氣泡，再返回浮選器浮選。這種浮選器屬于射流浮選的類型，存在以下幾個問題：

1）返回30%左右的水，占據了浮選器的體積，縮短了進口來水的停留時間，不利于浮選；

2）文丘里管進氣難以調節；

3）文丘里管的噴射速度很大，容易造成乳化。

為了解決射流浮選存在的問題，在罐外新增一套注氣式溶氣水制備裝置，將其改為溶氣式浮選器。新增注氣式溶氣水制備裝置包括：氣體過濾器、氣體注入器、微氣泡篩分器、循環水泵[4]。

罐外改造原理：以0.6～0.8 MPaG天然氣作為氣源，用氣量為回收水流的6%～10%，經過氣體過濾器后制備微氣泡。循環水泵將系統處理水量的5%～10%，加壓循環回流，總溶氣水生成量約為

80 m3·h-1，天然氣用量為8 m3·h-1（0.8 MPaG壓力下）。高效旋流微氣泡篩分器將未溶解氣和大氣泡分出，生產微氣泡，粒徑均勻細膩[5]。其技術特點如下：

1）過飽和溶氣高效切割技術制備微氣泡；

2）高效旋流分離大氣泡，生成微氣泡粒徑均勻、細膩；

3）穩定釋放技術，不會堵塞，提供穩定的分離場；

4）回流比小于10%；

5）浮選氣可以為：可燃氣、氮氣、空氣。

圖2 濃濃的微氣泡“云層”均勻上升，黏附捕捉能力強，與清水界面清晰

2.2 罐內改造

現有浮選器罐內進水為“豐”字形布液裝置，帶壓溶氣水釋放后，易對水流產生攪動，影響油滴的聚集效果[6]。改造原理：

1)進水管: 增加彎管使罐內產生弱旋流，增加入口溶氣水釋放口；進水管改造為切向進水型式，增加彎管，產生弱旋流場，提高油滴與氣泡的碰撞概率，并且切向進液，油滴在中間聚集，提高收油效率；

2)收油槽：利用原環狀收油槽，收油區增加導流片，使中間收油區浮油更易進入收油槽；

3)溶氣水釋放管：底部增加8根微氣泡釋放管，使同一平面釋放的微細氣泡分布更均勻；

4)增加出水擋板：底部增加出水擋板建立清水緩沖區域，與出水口形成緩沖空間；

5)出水管路：出水管和循環水出水管向內延長，使出水口位于清水區上層，避免與排污口干擾。

圖3 改造前后罐內結構示意圖

圖4 改造后收油擋板

3 改造后現場應用效果

3.1 處理效果

改造后，浮選C處理水質明顯改善，由之前的40 mg·L-1降至20 mg·L-1左右，選取浮選器C與未改造的浮選A/B處理水質對比。

圖5 浮選器A/B/C水質對比

由圖可知, 改造后，同等工況下，浮選C處理后水質明顯比浮選A/B低，水中含油降低50%左右。水質提升明顯。

3.2 藥劑加注情況

改造前生產水系統絮凝劑加注量為200 mL·min-1,清水劑加注量為100 mL·min-1,浮選器C出口水質40 mg·L-1左右，升級改造后，處理水質改善的情況下，絮凝劑注入量下降至150 mL·min-1，每年節約絮凝劑注入量25%。

3.3 核桃殼過濾器壓差變化

生產水處理系統為三級處理，先經過撇油器處理，再到氣浮選器，經注水增壓泵加壓，最后到核桃殼過濾器處理成合格的生產水[7]。持續監測改造后核桃殼濾器水質變化，結果如圖6所示。

注：8月17日改造完成

由圖可知：改造前，核桃殼過濾器F-2650/2654出口水中含油值為15 mg·L-1，且隨來液波動較大；改造后，出口含油均值降低為6.8 mg·L-1，降低幅度為51.8%。表明改造后，有更好的出口水質。

3.4 經濟效益分析

氣浮選器升級改造后處理能力提升，核桃殼濾料更換頻率由1年1.5次降低到1年1次，核桃殼過濾器濾料成本約為10萬元，更換濾料人工成本6萬元，目前油田共6個核桃殼濾器，若全部更換濾料，則成本為（10+6）×6=96萬元[8]。改造前每年更換核桃殼濾料費用為96×1.5=144萬元，改造后為96萬元，每年節省費用48萬元。同時還節省了大量的人力物力，降低了高風險進限作業的次數。

絮凝劑注入量由200 mL·min-1降低至150 m L·min-1, 每年節省藥劑26.28方，節省藥劑費用：26.8×0.8=24.4萬元，大大降低了生產水質達標的成本。

4 結束語

氣浮選器的升級改造提升了立式氣浮的處理效果[9]，恢復了氣浮設計能力，減輕了核桃殼處理壓力，增強了抗波動能力，提升了處理系統水質，同時減少了化學藥劑使用量。保障了油田實現“注好水、注夠水、優質注水，滿足了油田提液穩產”的應用目標[10]，對其他油田氣浮選器的升級改造具有指導意義。

[1] 谷玉洪，劉凱，周光元．3 種氣浮設備處理油田污水的試驗［J］．油氣地面工程，2000，19 (4): 21-22．

[2] 孫為志. 適用于渤海邊際油田生產水處理方案研究［J］．遼寧化工，2019，48（3）：284-286.

[3] 謝濤. 緊湊型氣浮選裝置除油效率提升改造與清洗優化設計 ［J］．技術研究，2021，9：73-74

[4] 劉星，萬泊宏，李強，等．加氣浮選器除油率提升措施及應用［J］．油氣地面工程，2019，23:29-30．

[5] 王金鑫，王鑫，同航，等. 延長油田聯合站污水處理工藝改造［J］．遼寧化工，2021，50（7）：1029-1031

[6] 廖維平. 氣浮選器水相含油量高的解決方法探析［J］．天津科技，2021，48（3）：32-34

[7] 余炯．旋流分離/氣浮技術在某采油平臺生產水處理中的應用［J］．油氣地面工程，2000，47( 10):133-135

[8] 王立秋. 海上油田生產水核桃殼過濾器濾料的清洗再生探究［J］．石油化工應用，2019，38（3）：49-53

[9] 方健. 旋流加氣浮選器處理渤海 S油田含聚污水造［J］．集輸處理，2021，50（3）：21-24

[10] 梁波. 氣浮選器溶氣裝置升級改造［J］．船海工程，2021，50（3）：21-24.

Research and Application of Upgrading of Air Flotation Separator

（CNOOC Energy Technology &Oil Production Service Co. Tianjin 30045, China）

Starting from the principle and structure of air flotation separator in offshore oilfield water treatment system, the operation status of air flotation separator and the shortcomings of air flotation device were analyzed. Making use of the influence of bubble particle size on oil removal efficiency, the bubble generator of flotation device was optimized, and internal structure transformation was carried out, which was successfully applied in field. After the upgrading of the air flotation separator, the treated water quality was improved by 50%, and the cost of meeting the water quality standard was reduced. The paper has guiding significance for improving the quality and efficiency of the sewage treatment system of other oilfield facilities.

Air flotation separator; Microbubbles; Structural transformation; Water quality improvement

TQ028.9+4

A

1004-0935（2022）03-0364-04

2021-11-23

張寧（1989-），男，工程師，江蘇徐州人，2012年畢業于東北石油大學石油工程專業，研究方向：海上油田油氣水處理、油氣輸送以及提高采收率等油田開發開采研究。