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海上生產(chǎn)廢水處理工藝

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隨著海上油田開(kāi)發(fā)力度的加大,生產(chǎn)水量不斷攀升,對(duì)生產(chǎn)水的處理提出挑戰(zhàn),然而海上平臺(tái)空間極為有限,僅依靠增加常規(guī)處理設(shè)施來(lái)滿足生產(chǎn)需要十分困難。為解決此局面,一種新型緊湊、**的生產(chǎn)水處理設(shè)備——緊湊型氣浮裝置(CFU)得到大力研發(fā)。迄今國(guó)外共有近10個(gè)公司先后推出了緊湊型氣浮裝置,如挪威M-I SWACO公司的緊湊型氣浮裝置、挪威Sorbwater Technology AS公司的Sorbsep、英國(guó)Opus Maxim公司的緊湊型氣浮裝置、美國(guó)Natco集團(tuán)的VersaFloTM、美國(guó)CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep?、法國(guó)Veolia Water Solutions & Technologies(VWS)下屬Westgarth公司的CophaseTM、德國(guó)Siemens水務(wù)公司的VorsepTM等,部分產(chǎn)品已有多個(gè)成功應(yīng)用案例〔1, 2, 3〕。針對(duì)該類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)也有多家單位開(kāi)展研究,為共同推動(dòng)國(guó)內(nèi)緊湊型氣浮技術(shù)的發(fā)展,中海油研究總院與北京石油化工學(xué)院合作開(kāi)發(fā)了一種新型CFU,并在秦皇島32-6(QHD32-6)油田進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。筆者對(duì)相關(guān)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析,并提出工程放大設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意的關(guān)鍵因素,為相關(guān)技術(shù)人員提供一定參考。

1 CFU工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工作原理
CFU工作原理如圖 1所示。采出水主體水流先經(jīng)自制的微氣泡發(fā)生器注入大量的微氣泡,然后沿切向入口進(jìn)入浮選罐,在罐壁與內(nèi)部穩(wěn)流筒之間形成的環(huán)形空間內(nèi)產(chǎn)生旋流,旋流引起的離心力場(chǎng)驅(qū)使氣泡與油滴**黏附,黏附氣泡后的油滴與水的密度差進(jìn)一步加大,進(jìn)而加速浮升,提高了油水分離效率,實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)水的**處理,同時(shí)大大縮短水力停留時(shí)間,減小了處理設(shè)備的尺寸。其中,自行研制的微氣泡發(fā)生器利用微孔發(fā)泡機(jī)理,通過(guò)微孔對(duì)氣流進(jìn)行連續(xù)剪切后經(jīng)水流沖刷而形成微氣泡,有效規(guī)避了常規(guī)氣泡發(fā)生方式能耗高、產(chǎn)生氣泡性能差、剪切乳化程度高等不足〔4, 5, 6〕,微氣泡發(fā)生器的優(yōu)越性能也為CFU除油效率的提高提供了保障

圖 1 CFU原理示意

1.2 CFU的主要技術(shù)參數(shù)
CFU的浮選罐外形尺寸為D 0.4 m×1.7 m,微氣泡發(fā)生器外形尺寸為D 76 mm×700 mm?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)CFU采用2個(gè)立式氣浮罐串聯(lián)成撬,總體尺寸為1 430 mm×1 200 mm×2 370 mm,凈重≤1.5 t。其他參數(shù)如表 1所示。

其中微氣泡發(fā)生器的內(nèi)部多孔管為燒結(jié)而成的多孔材料,微孔管內(nèi)徑D 30 mm,微孔孔徑0.1 μm,氣孔率為50%,透氣度為0.02 (m3·cm)/m2。

2 測(cè)試結(jié)果與分析
目前秦皇島32-6油田的FPSO上水系統(tǒng)處理流程為:自由水分離器的水相出口→水工藝艙→斜板除油器(CPI)→加氣浮選機(jī)→核桃殼過(guò)濾器→排?;蚧刈ⅰ?〕。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分別以水工藝艙出口與斜板除油器沖洗口混合后的生產(chǎn)水(含油約50~100 mg/L)、自由水分離器水相出口生產(chǎn)水(含油約1 200~2 500 mg/L)作為測(cè)試水源。部分試驗(yàn)結(jié)果如下:(1)試驗(yàn)之初,當(dāng)測(cè)試水源入口僅為水工藝艙的1個(gè)采樣口時(shí),由于供水量和壓力不足,入口流量?jī)H為1.8 m3/h,其測(cè)試結(jié)果如圖 2所示。油質(zhì)量濃度在51~66 mg/L之間,單級(jí)CFU水力停留時(shí)間為5.5 min情況下,CFU出水口的油質(zhì)量濃度在12 mg/L以下,除油率在78.4%~87.1%

圖2 單級(jí)CFU的除油效果
(入口流量1.8 m3/h、入口含油51~66 mg/L)

(2)后續(xù)采用增加接入斜板除油器沖洗口處水源以及降低**級(jí)CFU出口背壓的方式,使入口流量達(dá)到額定處理量4 m3/h,此時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖 3 單級(jí)CFU除油效果
(入口流量4 m3/h、入口含油52~95 mg/L)

入口污水的油質(zhì)量濃度在52~95 mg/L時(shí),單級(jí)CFU水力停留時(shí)間為2.5 min,單級(jí)CFU出水口的油質(zhì)量濃度在10 mg/L以下,可低至6 mg/L,除油率保持在88.5%以上。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)處理量較小達(dá)不到額定處理量時(shí),雖然水力停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),但CFU的除油率整體卻較低。究其原因,在單級(jí)CFU有效容積和入口管徑一定的情況下,處理量越低旋流強(qiáng)度越弱,微細(xì)氣泡與分散相油滴徑向遷移引起的碰撞黏附機(jī)率也越小,除油率會(huì)相對(duì)下降。此范圍內(nèi)旋流強(qiáng)度對(duì)除油率的影響程度要大于水力停留時(shí)間的影響程度,這也證實(shí)了旋流強(qiáng)度對(duì)除油效果的重要性。因此在設(shè)備的工程放大設(shè)計(jì)中,需要注意旋流強(qiáng)度的合理取值。

(3)當(dāng)測(cè)試水源為自由水分離器水相出口生產(chǎn)水時(shí),此時(shí)供水量和壓力得到保證,入口流量達(dá)到額定處理量4 m3/h,除油效果如圖 4所示。

圖 4 兩級(jí)串聯(lián)CFU除油效果
(入口流量4 m3/h、入口含油1 453~1 753 mg/L)

入口含油在1 453~1 753 mg/L,兩級(jí)串聯(lián)CFU,各單級(jí)CFU的水力停留時(shí)間均為2.5 min時(shí),一級(jí)出水口的油質(zhì)量濃度在200~400 mg/L,單級(jí)除油率基本維持在83%以上,二級(jí)出水口的油質(zhì)量濃度在20 mg/L以下,總除油率保持在98%以上。

將研制的CFU與秦皇島32-6油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的常規(guī)處理設(shè)備進(jìn)行處理效果對(duì)比,結(jié)果如圖5所示。

圖 5 CFU與現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)處理設(shè)備的處理效果對(duì)比

由圖5可以看出,單級(jí)CFU在入口含油50~100 mg/L、水力停留時(shí)間2.5 min時(shí)的處理效果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用氣浮選+核桃殼過(guò)濾相當(dāng),設(shè)備體積可減少50%以上;采用兩級(jí)CFU串聯(lián),在入口含油1 350~ 2 300 mg/L、總水力停留時(shí)間為5 min時(shí)的處理效果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用水工藝艙+斜板除油器+氣浮選+核桃殼過(guò)濾的效果相當(dāng),設(shè)備體積可減少50%以上。顯然,采用CFU可以減少水處理設(shè)施的串聯(lián)級(jí)數(shù)或大大減小設(shè)備體積,這對(duì)于海上油田而言極具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

試驗(yàn)采用的氣浮旋流一體化水處理技術(shù)小型樣機(jī)處理優(yōu)勢(shì)明顯。然而對(duì)于水處理等流程工業(yè)而言,開(kāi)發(fā)任何一個(gè)新的處理設(shè)備**后涉及到的問(wèn)題一定是工程放大。結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及可能的工程需求,氣浮旋流一體化水處理技術(shù)在從小試樣機(jī)到工程放大過(guò)程中,需要注重以下兩個(gè)方面:

(1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)已證明小型樣機(jī)使用的微氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)可行,但隨著水處理量的增大,勢(shì)必要進(jìn)行放大設(shè)計(jì),但是僅等比例擴(kuò)大微氣泡發(fā)生器內(nèi)部微孔管管徑無(wú)法滿足注氣均勻性的要求;若通過(guò)多個(gè)單體的簡(jiǎn)單并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)大處理量的需求,不僅會(huì)增大占地面積,還會(huì)帶來(lái)操作和控制異常復(fù)雜的麻煩。因此需要開(kāi)展大處理量微氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,以適應(yīng)工程需要。

(2)設(shè)備放大過(guò)程中,如何在切向入口流速難以大幅提升的情況下在大處理量罐體內(nèi)產(chǎn)生足夠的旋流強(qiáng)度,是必須考慮的問(wèn)題,上述試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了旋流強(qiáng)度對(duì)處理效果的重要性。因此,需要進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu),為大處理量下的高處理性能提供保障。

3 總結(jié)
(1)將弱離心力場(chǎng)同氣浮技術(shù)有效結(jié)合而研制的緊湊型氣浮裝置(CFU)具有水力停留時(shí)間短、處理效率高、占地面積小和能量消耗低等優(yōu)勢(shì),在生產(chǎn)水及其他含油污水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)秦皇島32-6油田的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明, CFU能夠適用不同油質(zhì)量濃度(50~2 500 mg/L)的生產(chǎn)水處理,且具有較高的處理效率,對(duì)于不同含油污水分別采用單級(jí)或兩級(jí)串聯(lián)可將油質(zhì)量濃度控制在20 mg/L以下,**低可至6 mg/L。水力停留時(shí)間較常規(guī)水處理設(shè)備大大縮短,設(shè)備體積可減少至少50%。

(3)CFU現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的良好表現(xiàn)為緊湊型氣浮技術(shù)的自主研發(fā)奠定了基礎(chǔ),可從內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、放大設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立等方面著手進(jìn)行工程放大及產(chǎn)品系列化研發(fā)工作,為海上石油生產(chǎn)水的**處理助力,尤其為邊際油田開(kāi)發(fā)、高含水油田開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持。


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