酸性水旋流-聚結除油脫固中試研究

王 剛，孫立梅，谷麗梅，于 濱，代品一，吳和平，盧 浩

(1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000；2.華東理工大學機械與動力工程學院)

石化企業產生的酸性水主要來自常減壓蒸餾、延遲焦化、催化裂化、加氫精制、加氫裂化等工藝裝置[1],由于酸性水中含有較多硫、氮、酚、氰化物和污油等成分而不能直接排入污水處理場,一般常用汽提法對酸性水進行凈化處理[2]。為保障汽提工藝的效率及穩定性,需要在酸性水進入汽提塔前進行除油脫固預處理。隨著高硫原油加工比例及加工深度的提高,酸性水中油類和懸浮物等雜質含量不斷增加;同時,油類污染物乳化嚴重、懸浮物以細小焦粉顆粒為主的特點導致酸性水預處理難度大大提高[3-4]。近年來,隨著國家對環保重視程度的增加,各石化企業對酸性水的除油脫固處理都非常重視[5-8]。

針對酸性水的除油脫固處理,傳統的“雙儲罐”僅是利用沉降作用對油進行分離去除,其沉降時間長,但對乳化油的分離效果不明顯[9];“罐中罐”、旋流除油器以及除焦粉系統均是利用離心作用對酸性水中的油或固體懸浮物進行去除,但是旋流分離器的高速轉動會造成油的二次乳化,不利于乳化油的去除[10-12];增設砂石過濾器僅能去除0.15 mm以上的大顆粒焦粉,對于粒徑較小的焦粉并沒有明顯的過濾效果[13];采用絮凝、氣浮法除油脫固效果較好,但是需要用到化學藥劑輔助,成本高且會產生溶氣、浮渣等二次污染問題[14-15];采用膜過濾等精密去除方法對雜質較多的酸性水進行處理時,過濾膜容易堵塞,使用壽命較短[16-17]。

圖1為某石化企業酸性水進入汽提塔前的預處理工藝。酸性水首先進入沉降罐對較大粒徑的固體顆粒以及懸浮油進行沉降分離,隨后利用旋流除油器和沉降罐進一步去除油和固體顆粒,再將處理后相對潔凈的酸性水送至酸性水罐,由增壓泵將酸性水送入過濾器進行深度分離,分離后的酸性水通過換熱器換熱后進入汽提塔。由于處理原油性質的劣化,酸性水中乳化油及小粒徑焦粉顆粒含量增加,經過當前沉降、旋流、過濾的預處理工藝處理后的效果較差,酸性水進入汽提塔后對其工藝穩定及設備安全產生了較大影響。鑒于此,本研究提出了旋流-聚結組合技術方法,在實驗室測試分析水質的基礎上,開展酸性水進入汽提塔前除油脫固的中型試驗,考察技術裝備對酸性水的凈化效果。

圖1 酸性水進入汽提塔前預處理工藝流程示意

1 實 驗

1.1 酸性水水質分析

試驗酸性水由某石化企業延遲焦化、加氫精制、加氫裂化等裝置產生的酸性水匯聚而成,成分較為復雜。對該混合酸性水的水質進行分析,其中石油類物質質量濃度為300～800 mg/L,懸浮物質量濃度為400～2 500 mg/L,波動較大。酸性水中大量的乳化油滴及小粒徑焦粉顆粒易與表面活性劑作用,形成難以通過重力沉降分離的穩定狀態,導致沉降罐分離效率很低;旋流除油器內部旋流攪動,加劇了酸性水中油滴的乳化。為了明確樣品所含油類成分,通過氣相色譜-質譜聯用(GC-MS)技術檢測酸性水中污染物組分含量,結果見圖2。

圖2 水質污染物GC-MS分析結果

由圖2可見,酸性水中所含油類主要為烷烴、多環芳烴和苯系物(BTEX),總質量分數為95.76%,本研究主要考慮石油類物質和懸浮物雜質的去除[18]。

1.2 試驗裝置及流程

1.2.1裝置流程

旋流-聚結除油脫固設備設置在沉降罐A與酸性水罐之間(圖1),考慮設備入口酸性水油含量較高,同時大量的固體懸浮物易被精密分離內件攔截,可能造成設備堵塞,為了保證設備的分離效率及其安全穩定運行,試驗采用三級設備串聯的形式進行酸性水的除油脫固處理,其裝置流程及現場照片如圖3所示。第一級為自適應旋流分離器,第二級為顆粒脫固除油器,第三級為纖維聚結器。由沉降罐A引出的酸性水依次進入三級設備進行深度除油脫固處理,凈化后的酸性水接入酸性水罐,三級設備分離出的油類和懸浮物雜質從油相出口流出,經由管道匯集到收油罐中回收。

圖3 試驗裝置流程及現場照片

1.2.2技術原理

自適應旋流分離器內部旋流芯管由1根主管和直徑較小的3根副管組成,副管之間呈120°分布,主管與副管用切向矩形流道連接,主副管產生梯級旋流場,快速分離水中的懸浮態油滴[19]。顆粒脫固除油器內布有散堆異性分散顆粒床層,利用親疏水顆粒將小油滴聚并成大油滴,并通過攔截作用對水中懸浮物進行分離[20]。纖維聚結器中主要起分離作用的是纖維聚結床層,由異質纖維以特定形式編織而成,能夠提供較高的比表面積及填充密度,利用液滴在親水和親油纖維上的極性受力差異,迫使酸性水乳液在異質纖維的交叉節點破乳分離[21]。三級設備內部均設有波紋板結構的強化沉降內件,油滴在流動過程中能夠在波紋板表面聚集形成油膜,油膜脫離后形成大油滴。

2 結果與討論

酸性水除油脫固試驗周期為28 d,期間分別選取了懸浮物含量較低(質量濃度小于1 000 mg/L)的混合酸性水和懸浮物含量較高(質量濃度大于1 000 mg/L)的罐區切水,每種工況下各進行14 d連續分離試驗,進料量為2.5～3.0 m3/h。

2.1 混合酸性水工況

圖4為混合酸性水工況下石油類物質及懸浮物濃度變化情況,圖5為石油類物質及懸浮物去除率。酸性水進入第一級設備后,其石油類物質質量濃度平均由582.69 mg/L降為243.58 mg/L,懸浮物質量濃度平均由518.54 mg/L降為302.61 mg/L;經過第二級設備后,酸性水中大部分石油類物質及懸浮物雜質被去除,石油類物質及懸浮物質量濃度平均分別降為10.69 mg/L和118.64 mg/L;經過第三級設備處理后,酸性水中石油類物質及懸浮物質量濃度平均分別降為7.10 mg/L和64.27 mg/L,其平均除油率為98.78%,懸浮物平均去除率(除懸效率)為87.61%。

圖4 混合酸性水工況下石油類物質及懸浮物濃度變化

圖5 混合酸性水工況下石油類物質及懸浮物去除率

由以上結果可知,酸性水進入第一級設備后,在旋流芯管的離心作用下,粒徑較大的油滴與水分離,同時,粘附在大油滴中的部分懸浮物顆粒被排出設備;經過第二級設備顆粒床層后,酸性水中大量懸浮物被攔截,且異質顆粒床層的聚結與強化沉降內件共同作用能夠去除酸性水中剩余的大部分油滴;最后,第三級設備中的異質纖維能夠通過聚結作用對酸性水進行深度除油脫固。

通過進一步測試發現,伴隨石油類物質和懸浮物的分離,此套設備對酸性水的化學需氧量(COD)也有一定的影響,COD從4 780 mg/L降至2 918 mg/L。圖6為混合酸性水工況下各級設備處理后酸性水的照片。由圖6可見,經過三級設備凈化分離后的酸性水由黑色轉變為黃色澄清透明,設備處理效果明顯。

圖6 混合酸性水工況下各級設備處理后酸性水的照片

2.2 罐區切水工況

圖7為罐區切水工況下石油類物質及懸浮物濃度變化情況,圖8為石油類物質及懸浮物去除率。酸性水進入第一級設備后,其石油類物質質量濃度平均由373.60 mg/L降為213.83 mg/L,懸浮物質量濃度平均由1 600.57 mg/L降為802.61 mg/L;經過第二級設備后,酸性水中石油類物質及懸浮物質量濃度平均分別降為31.35 mg/L和201.55 mg/L;經過第三級設備處理后,酸性水中石油類物質及懸浮物質量濃度平均分別降為20.46 mg/L和162.22 mg/L,其平均除油率為94.52%,懸浮物平均去除率為89.87%。

圖7 罐區切水工況下石油類物質及懸浮物濃度變化

圖8 罐區切水工況下石油類物質及懸浮物去除率

與混合酸性水工況類似的是,第一級設備能夠初步對罐區切水中的油和固體物質進行粗分離,第二級設備作為主要的分離設備能夠分離罐區切水中的大部分石油類物質及懸浮物雜質,第三級設備則是進一步去除罐區切水中的油和固體物質,實現對罐區切水的除油脫固深度處理。對比圖8和圖5發現,在懸浮物含量較高的罐區切水工況下,第一級和第二級設備的除懸效率提高。

經測定,經設備分離后,罐區切水的COD由7 300 mg/L降為4 914 mg/L。圖9為罐區切水工況下各級設備處理后酸性水的照片。由圖9可見,經過三級設備處理后,罐區切水被凈化為黃色澄清透明狀態,表明對油和固體物質的分離效果良好。

圖9 罐區切水工況下各級設備處理后酸性水的照片

3 結束語

基于當前酸性水進入汽提塔前預處理工藝效果差的問題,提出了旋流-聚結組合的預處理技術方法,并對不同懸浮物含量工況混合酸性水和罐區切水的處理情況進行了考察。結果表明,旋流-聚結除油脫固技術對酸性水的平均除油率可達98.78%,懸浮物去除率可達89.87%,同時還能降低酸性水的COD。該技術及裝備適用于含油含懸乳化的酸性水處理,且無需額外增加化學藥劑即可實現酸性水中石油類物質和懸浮物雜質的高效分離,為酸性水進入汽提塔前除油脫固預處理方法的改進提供了新思路。