軟化器控水氣擦洗方法與試驗論證

閻美軍

（新疆油田公司風城油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000）

油田采出液經(jīng)油水分離后產(chǎn)生大量的含油污水，從國內(nèi)外油田生產(chǎn)情況來看，油田含油污水經(jīng)處理后的出路一般有3種：回注、回用及外排。根據(jù)《SY/T 6086-2019油田注汽鍋爐及配套水處理系統(tǒng)運行技術(shù)規(guī)程》中指標要求，回用軟化器的給水含油量≤2mg/l、懸浮物≤5mg/l，殘留的含油及懸浮物進入軟化器被離子交換樹脂攔截，在時間的積累下，含油會在樹脂表面形成油膜，嚴重時使樹脂及懸浮物粘結(jié)成樹脂團，且污染程度隨時間而疊加，樹脂受污染后有如下危害：（1）油膜阻礙樹脂交換通道，無法實現(xiàn)離子交換；（2）樹脂團內(nèi)未被污染的樹脂無法與再生液接觸；（3）樹脂團占據(jù)原樹脂空間，致使樹脂在反洗過程的不正常流失，以上危害均導致離子交換樹脂未能與再生液充分接觸，是處理油田凈化污水的軟化器，實際周期制水量低于理論周期制水量的主要原因之一。而現(xiàn)有的軟化器再生工藝中只有水反洗工序，只有將樹脂疏松、排出部分懸浮物及破碎樹脂的功能，無法解決含油及懸浮物積累后產(chǎn)生的一系列問題，導致軟化器工作效率逐漸變低，維修工作量增加，運行成本增加。

1 基本概念

1.1 油田凈化污水含油、懸浮物及其指標

含油：在規(guī)定條件下每單位體積的油田采出水中所含烴類物質(zhì)的質(zhì)量。

懸浮物：水樣通過孔徑為0.45μm的濾膜，截流在濾膜上并于103～105℃烘干至恒重的固體物質(zhì)。

軟化器進口給水指標執(zhí)行《SY/T 6086-2019油田注汽鍋爐及配套水處理系統(tǒng)運行技術(shù)規(guī)程》標準，含油量≤2mg/l、懸浮物控制指標≤5mg/l。

1.2 軟化器

為離子交換劑提供離子交換工作場所的設(shè)備稱為離子交換器，根據(jù)離子交換劑的工作狀態(tài)和所處的位置，可分為固定床、移動床和流化床三種類型。離子交換劑失效后需再生操作，再生方式有順流再生及逆流再生兩種，離子交換器用于水質(zhì)軟化處理工藝，定義為“軟化器”。本文所述的軟化器為順流再生固定床軟化器。

1.3 軟化工藝簡介

軟化器的工作過程分為運行、再生及停止3個部分。

（1）運行是指原水經(jīng)過軟化器進行離子交換后，將給水中的Ga2+、Mg2+去除達到水質(zhì)軟化效果的過程，離子交換劑以鈉離子交樹脂為例，為方便起見鈉離子交換樹脂復雜部分用R來表示，其軟化過程化學反應(yīng)式如下：

（2）再生是指離子交換樹脂失效后，通過再生液使其重新恢復交換能力的過程，以NaCl為再生液，其還原過程化學反應(yīng)式如下：

軟化器的再生的過程分為反洗、再生、置換及正洗四個步驟。

2 軟化器反洗及影響因素

2.1 反洗的目的及意義

反洗即水流按照與運行過程相反的流向通過樹脂層使之膨脹，其目的：（1）翻松被壓實的樹脂；（2）通過水流的沖刷和樹脂顆粒的摩擦，除去附著在樹脂表面及頂部的懸浮雜質(zhì)；（3）排除破碎樹脂和樹脂層中間寄存的氣泡。反洗的意義是為離子交換樹脂提供更好的再生環(huán)境，使再生液與樹脂充分接觸。

2.2 反洗效果的影響因素

一般而言，反洗效果取決于反洗水在軟化器截面分布的均勻性和樹脂層的膨脹率，反洗時布水越均勻，樹脂沖刷的越全面，樹脂層膨脹率越大，反洗越徹底。樹脂層膨脹率的大小取決于軟化器反洗強度，反洗強度是指單位截面積通過的水流量，反洗強度的選擇與樹脂的粒徑、密度和反洗水的溫度有關(guān)，反洗的終點以出水澄清為止，但上述要求對于使用清水的軟化器適用性較好，對于使用油田凈化污水的軟化器，根據(jù)相似相溶的原理，殘留的含油聚集在一起；其次油具有一定的粘性，軟化器在運行過程中，油及懸浮物在水流的壓力作用下與離子交換樹脂黏附在一起，然而油水不相溶，反洗水無法將樹脂表面附著的含油及雜質(zhì)有效去除，軟化器運行周期越久，反洗效果越差，有以下后果：（1）包裹成團的樹脂改變了反洗水方向，反洗水分布不均勻，甚至形成固定流道，樹脂不能實現(xiàn)有效疏松，樹脂膨脹率差。（2）反洗水只能帶走樹脂間隙內(nèi)的懸浮物和雜質(zhì)，無法去除樹脂表面的油膜，樹脂無法參與離子交換。（3）對于反洗強度而言，固定流道的形成，使水流通過的單位截面積相對減少，反洗強度局部增大，樹脂流失量增大。（4）集水器附近聚集的樹脂團影響集水器的工作，造成軟化器生產(chǎn)能力不足。

3 控水氣擦洗理論的建立

水反洗時可產(chǎn)生水力剪切力，由于剪切力方向的不均性，會引起樹脂不定向的移動，樹脂顆粒間發(fā)生碰撞摩擦，在水流與相鄰顆粒的共同作用下，樹脂表面的懸浮物會剝離脫落。對于使用油田凈化污水的軟化器，因含油及懸浮的影響，反洗效果差，單方面增加水洗強度會造成樹脂的量流失增大，水洗強度不變的情況下，可加入一定量的壓縮空氣，氣泡上升時，處于氣泡上部的樹脂顆粒被擠壓到氣泡的兩側(cè)，氣泡下部樹脂顆粒因尾渦的作用劇烈翻滾，氣泡下部周圍的樹脂顆粒與之不斷進行循環(huán)補充，因此樹脂不發(fā)生膨脹。氣泡在上升過程中受到的壓力逐漸減小，氣泡體積逐漸增大，對樹脂層的擾動作用逐漸增大，樹脂表面的擾動作用更大，截污量較大的樹脂顆粒表層上的雜質(zhì)及懸浮物更容易脫落，但通氣量和反洗強度會隨著樹脂層疏松的情況發(fā)生變化，總體而言反洗強度相對變大，樹脂的流失量會隨之增大，因此提出了控水氣擦洗方法，在提高反洗效果的同時，避免樹脂流失。

4 控水氣擦洗方法的相關(guān)因素

4.1 氣擦洗前提條件

（1）樹脂疏松。為保證樹脂更好的氣洗效果，首先要對樹脂進行疏松，由于氣體的流動性強，所以選擇用水洗疏松樹脂，區(qū)別以往的水反洗方式，氣擦洗前只將疏松樹脂層即可，水反洗終點不做要求，以此可節(jié)約反洗水用量，降低排污量。可通過反洗水的流量和軟化器進出口壓差來判斷樹脂層疏松的效果。

（2）水位控制。若不降水直接加入壓縮空氣進行氣擦洗時，因軟化器內(nèi)水位較高，氣擦洗時對氣洗強度要求相對較高，氣洗強度過大會也會造成樹脂的流失。若軟化器內(nèi)水位低于樹脂層高度，會導致樹脂在空氣的作用下快速脫水，在氣擦洗的過程中也會增加樹脂的破碎率，所以水位的控制尤為重要。因氣擦洗前樹脂層已經(jīng)過疏松，樹脂膨脹率以達到合適指標，建議水位控制在樹脂層以上10cm位置即可。

4.2 氣擦洗的過程控制

（1）有效進氣量。氣體流動性強，為保證好的氣擦洗效果，應(yīng)避免閘門不嚴造成的氣體漏失或誤操作造成進氣量不足，影響氣擦洗效果。有效進氣量為氣擦洗過程中排出的空氣總量，應(yīng)不低于空氣壓縮機理論排氣量的80%，此數(shù)據(jù)為軟化器氣擦洗理論的初步理想設(shè)定值，后期會進一步開展研究論證。

（2）氣擦洗強度相關(guān)計算。反洗時產(chǎn)生的剪切力作用于樹脂表面，剪切力越大樹脂越容易變干凈，剪切力與速度梯度成正比關(guān)系，速度梯度越大，施加于樹脂表面的剪切力越大，反洗效果越好。氣擦洗時，樹脂完全浸泡在水中，總速度梯度應(yīng)為水洗速度梯度與空氣沖洗速度梯度的之和。

水洗產(chǎn)生的速度梯度Gl：

空氣沖洗產(chǎn)生的速度梯度Gg：

總速度梯度為G總：

式中，Wg為氣洗時輸入系統(tǒng)的能量，J；μ為水的動力粘度，kg.m/s；P為平均單位體積所消耗的動力，kg.m2/sg為重力加速度，m/s2；V為軟化器內(nèi)樹脂與水的視體積，m3。

氣洗時輸入系統(tǒng)的能量包括氣泡膨脹的體積功及氣泡在樹脂中上升克服重力所做的功，由于克服重力做功數(shù)值較小，可忽略不計。因此

式中，vg為氣洗流速，m/s；A為濾床表面積，m2；P1、P2為始末態(tài)氣體壓力，Pa。

4.3 氣擦洗的方式及終點控制

氣擦洗時可使用連續(xù)式氣擦洗、脈沖式氣擦洗以及漸變式氣擦洗，氣擦洗結(jié)束后還應(yīng)對樹脂進行水漂洗，將氣擦洗產(chǎn)物帶出軟化器，達到反洗的最佳效果。因控水氣擦洗理論首次應(yīng)用于污水軟化器再生反洗工藝，氣擦洗時間與氣擦洗終點均屬于探索實驗階段，本文定義氣擦洗終點應(yīng)為水漂洗出水澄清，再次進行氣擦洗后，漂洗水初期仍然澄清為氣擦洗終點，氣擦洗的次數(shù)與強度應(yīng)根據(jù)樹脂污染程度來調(diào)整。

5 控水氣擦洗方法應(yīng)用效果

控水氣擦洗方法在新疆某油田某廠軟化器進行了現(xiàn)場試驗，該軟化器為油田注汽鍋爐配套的軟化裝置，軟化器正常運行壓力0.5MPa，反洗水壓力0.55MPa，壓縮空氣壓力0.7MPa。

5.1 控水必要性驗證

軟化器進行常規(guī)反洗操作，反洗水壓力0.55MPa，程序設(shè)定反洗時間25min，現(xiàn)場實際反洗18min出水澄清，停止反洗進水通入0.7MPa壓縮空氣，反洗水出口有樹脂帶出，停止進氣，將水位控制在樹脂層以上10cm處，再次通氣，軟化器反洗水出口有大量氣體及少量水汽，無樹脂因通氣后流失現(xiàn)象。

5.2 氣擦洗工藝應(yīng)用效果

軟化器通氣5min，結(jié)束氣擦洗進入水漂洗部分，漂洗水初期、中期取樣中均有大量懸浮物及含油洗出，水樣靜置沉淀后在取樣瓶中進行了分層，上部有2mm厚的油膜，中部為水，下部為沉淀物，漂洗45min后出水有微量懸浮物及含油，證實氣擦洗將水反洗工藝無法去除的含油及懸浮雜質(zhì)有效剝離，氣擦洗有效性得以驗證。

5.3 效果評價

采用2種工藝再生的軟化器，在給水硬度分別為62mg/l、78mg/l、51mg/l相同工況條件下，完成了3個運行周期數(shù)據(jù)對比，軟化器投運初期及末期的流速遞減平均縮小7.2%，周期制水量平均上升309.8方，漲幅13.1%。

6 結(jié)語

油田凈化污水回用軟化器后，配套的水反洗工藝的不適應(yīng)性得以證實，控水氣擦洗方法能將樹脂間及表面附著的含油及懸浮物有效去除，改善了樹脂再生環(huán)境，為油田凈化污水回用軟化器提供了工藝改進思路。