气浮技术在海洋石油含油污水处理中的应用及发展趋势

气浮技术在海洋石油含油污水处理中的应用及发展趋势韩旭罗立臣许瑞杰(中海油能源发展油田建设工程设计研发中心，天津300452)摘要：目前在海上采油平台和陆地油田的生产含油污水处理工艺中，经常采用气浮装置作为中间处理单元。本文主要介绍了海洋石油平台气浮净化技术应用的情况，简要描述了微气泡产生的过程和机理，并对常规气浮和新气浮技术做了分别的描述，在常规气浮技术方面着重介绍了诱导气浮和溶气气浮，在新气浮技术方面着重对近年来出现紧凑式旋流气浮（CFU）、微气泡发生装置和旋流容器气浮（CDFU）等进行详细阐述。关键词：海洋石油；气浮技术；溶气气浮；诱导气浮；CFU；CDFU1.引言气浮净化技术是在待处理水中通入大量的、高度分散的微气泡，使之作为载体与悬浮在水中的杂质絮粒相互粘附,形成整体密度小于水的浮体，依靠浮力作用一起上浮到水面，以完成固-液、液-液分离的净水方法。传统的气浮处理可分为溶气气浮法、诱导气浮法、电解气浮法和化学气浮法等四大类。在海上油田含油污水处理中应用广泛的气浮方法主要有溶气气浮法和诱导气浮法。随着海洋石油开发的不断深入和三次采油技术的应用，开采的原油中含水率越来越高，海上的污水排放和注水标准也在不断的提高，常规的溶气气浮和诱导气浮净化技术已很难适应现有的生产环境。因此，油水分离效率高，占地面积小和质量轻的高效气浮处理技术是当前海上气浮处理技术的发展趋势。近年来，以旋流紧凑式气浮技术发展最为迅速，关注度也最高。2.气浮分离原理气浮是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附污水中的油污，使其随气泡浮升到水面，气泡破裂后，油滴聚集、聚结后去除。气浮的分离分为三个过程：1）、气泡产生的过程。即在水中产生足够数量的微小气泡。2）、气泡和悬浮物附着过程。气泡与悬浮物碰撞、粘附后形成稳定的气固液三相接触体。3）、分离过程。气泡带着悬浮物上升聚集，气泡破裂，悬浮物聚集然后排出。各种气浮处理方法最本质的区别，在于水中形成气泡的方式选择、气泡的大小控制、强化浮选过程中微气泡与油滴碰撞等。3.常规气浮方法目前在海洋平台含油污水处理当中应用最广泛的气浮净化方法有：喷射诱导气浮法、溶气气浮法。3.1.喷射诱导气浮喷射诱导气浮在现今的海洋平台油田含油污水处理当中已得到了广泛的应用。它采用四个喷射器及对应的四级浮选腔，来水经过浮选腔时，喷射器利用高速喷射的水流来吸入气体，气体在喷射器内形成微细气泡。气泡在浮选腔内上升过程中粘附油珠和固相颗粒，升至液面，由撇油器将其清除，达到除油渣的目的。喷射诱导气浮的的优点是在于动力设备少、结构简单，可实现全封闭运行。图1喷射诱导气浮工作原理在实际应用过程中，也暴露了许多问题：1）返回20~30%的水，占据浮选室体积，缩短了进口来水的停留时间，不利浮选。2）文丘里管进气量难于调节，并且喷射速度很大，容易造成乳化3）如果循环泵选用离心泵，离心泵转速在1500r/min~3000r/min，也容易造成乳化4）气泡直径通常在100μm以上5）运行中需大量使用化学药剂。据多个海洋平台的使用情况反映，该气浮装置的处理效果欠佳。3.2.溶气气浮溶气气浮根据加压方式不同可分为四种：全流程溶气气浮法、部分溶气气浮法、部分回流溶气气浮法和加压溶气气浮法。目前海上油田应用最成熟、最广泛的是加压溶气气浮。加压溶气气浮是依靠水泵将经气浮设备处理后的一部分净水回流加压进入溶气罐，同时通过空压机的压力将空气压入溶气罐，空气在一定的压力下溶入水中，然后通过释放器将溶气水压力恢复到常压，释放出大量的微气泡。其特点为：气泡直径小（一般为20~100μm）；溶气压力高，溶气量大；可人为控制气泡与含油污水接触时间。如图2所示溶气气浮工艺流程图。1-溶气泵2-空压机3-通气阀4-放净阀5-溶气罐6-控制阀8-污水进口9-稳流区放空口10-释放器11-接触区放空口12-分离区放空口13-气浮池(①稳流区②接触区③分离区④收污区⑤清水区)14-排污口15-清水出口16-刮渣机17-溢流口18-液位传感器19-电磁阀图2.溶气气浮工艺原理图溶气气浮的缺点是：1）动设备多，存在噪音和油污等，动力消耗大2）返回20~30%的水，同样占据浮选室的体积，3）运行过程中需要大量的药剂。4）停留时间长（15~30min），占地面积大。据多个海洋平台的使用情况反映，该气浮装置的处理效果尚可，但维修维护不方便，运维成本高。4.新型气浮技术随着对含油污水处理要求的提高，尤其是部分海洋区块进入高含水期，出现了多个含水率高达90%的油田区块，常规气浮装置越来越难以满足生产污水处理的要求，占地面积小的高效水处理设备的研制就显得极为关键。从20世纪90年代以来，旋流气浮技术得到越来越多的重视。1983年，J.D.Miller等设计第一台用于油水分离的充气水力旋流器[1]。国内褚良银，陈文敏等也对充气水力旋流器进行了相关研究[2]。近年来气浮与低旋流离心力场组合技术得到很大的进展，出现了一批紧凑型组合处理设备。如Epcon、Siemens、VeoliaCophase等公司的紧凑型气浮装置CFU，Gibson的IGF旋流气浮技术。近年来国内外以旋流气浮为核心技术的气浮净化技术得到了长足的进展，并有多处的成功应用案例，并对如下几种具有代表性的气浮新技术进行介绍。4.1.CFU（紧凑式旋流气浮）目前在海上油田现场应用业绩最为突出的当属挪威Epcon[3]公司的紧凑型气浮装置，该设备将旋流技术引入到气浮中，大大提高了气浮浮选、集聚效果，具有油水分离效率高，停留时间短等优势。图3为Epcon公司CFU结构简图。含油污水由罐体的切向入口进入，经由容器内入口导片形成旋流并产生离心力作用，油滴和气泡等较轻的成分将被甩向罐中间，到达内同心筒壁，油滴和气泡因密度小于周围的水而结合并上升，通过气泡的上升对油滴进行浮选；同时，砂子和其他较重颗粒将向管壁移动，并沿罐壁向罐底下沉，并从罐底部的油泥出口排出；气泡吸附在较小油滴逐渐凝聚，结合产生较大的油滴，最终在气浮室中液体的上层形成油或乳状液的连续层，产生的油气堆积物通过分离管道出口连续不断地被清除；处理过的水由入口导片与内筒之间的间隙流至罐底部，经过水平圆板的缓流后，由罐体底部的排水口排出。图3.EpconCFU装置和二级CFU串联工艺流程图该装置在渤海某平台上有过实际应用，据现场实际反映，处理效果不太理想。究其原因主要是：该油田所产原油为重质原油，密度接近于水，在分离过程中两者所产生的离心力相差不大，导致入口处离心作用下降，进而影响处理效果。但在中国南海海域的部分轻质原油油田的应用中产生了很好的处理效果。4.2.微气泡发生装置国内某公司合作开发了一种细微气泡发生器和一种压力式气浮分离装置[4]，如图4所示，首先，清水或净化水进入到细微气泡发生器的进液腔，而气体则进入气腔，在气体内外压差和水流剪切的共同作用下利用中心的微孔管不断产生出微气泡。含有微气泡的溶气水通过出液腔被输送到气浮分离装置的切向溶气水进管，为气浮作用提供气泡源。据厂家提供的资料显示，此装置通过微孔布气和旋流作用能够产生大量直径小于10μm的均匀微气泡，具有更大的粘附能力，能更有效的脱除污水中50um以下的微小油滴。图4.微气泡发生装置以及气浮工艺流程图该套装置仅是通过旋流技术实现对微气泡的制取，在实际应用中需要与传统的气浮装置相结合，进而减小气浮装置的体积，加大处理效率。由于系统内设备繁多，也产生了处理工艺复杂，生产操作繁琐的缺点。4.3.紧凑式旋流溶器气浮（CDFU）CDFU技术是基于溶气浮选、旋流和絮凝等技术为一体的高效油水分离装装置。具有代表性的是深圳科力迩科技公司研制的紧凑式旋流溶器气浮。1）紧凑式旋流溶气气浮（CDFU）科力迩公司研制的CDFU通过采用先进的流体仿真技术来合理组织旋流场，提高离心力作用，优化结构，来强化气浮效果，缩短停留时间，减小容器尺寸。该结构主要采用双向切口和双区域气浮设计，其结构工艺原理如下图所示。图5结构工艺原理图该套设备具有油水分离效果好，结构紧凑优势，已经在陆地针对海上部分油田水质进行了多次中试试验，并取得了不错的应用效果。如下图所示。现已进行商业推广应用。图6某炼化电脱盐含油污水处理效果（单级无药剂）图7新疆某蒸汽驱稠油油田乳化废水处理效果（单级无药剂）CDFU进口CDFU出口CDFU进口CDFU出口图8某油田含聚污水处理效果（单级无药剂）CDFU出水CDFU进水CDFU出水CDFU进水图9渤海某平台生产水处理效果（单级无药剂）5.结束语气浮净化设备属高技术、高附加值的产品，其除油效率高，停留时间短，占地面积小，在海洋石油平台中得到了广泛的使用。新型气浮装置的开发应用，将极大地提高我国含油污水处理工艺的技术水平，具有十分显著的社会效益和经济效益，对海洋平台建造和运行期间的降本增效起着极为关键的作用。紧凑式旋流气浮装置在海洋平台上的应用可以用举步维艰来形容，尤其是渤海油田（含聚污水和稠油污水等都是污水处理的难点），但其占地面积小重量轻的特点是海洋平台未来应用不可抗拒的方向，随着紧凑式旋流气浮技术的不断完善发展，紧凑式旋流气浮技术将会在海洋平台上得到广泛的应用。参考文献[1]王波，陈家庆等.含油废水气浮旋流组合处理技术浅析.工业水处理，2008，28（4）：87-92.[2]马自骏.乳状液与含油污水处理技术，215-233，中国石化出版社[3]CombineDegassingandFlotationTank.UnitedStatesPatent.US7,144,503B22006-10-5.[4]马立峰；樊燕；王守波.一种微气泡发生装置，中华人民共和国国家知识产权局，200820163997.2[5]桑义敏，陈家庆，韩严和，刘美丽等.气浮工艺中气泡-颗粒碰撞效率和理论计算模型研究，工业水处理，2014，34（2）CDFU进口CDFU出口[6]海洋工程设计指南第一分册设计概论与工艺设计，石油工程出版社2007.6作者简介：韩旭，男，生于1981年10月，2006年毕业于沈阳航空工业学院，热能与动力工程专业，中级工程师，主要从事海洋石油工程设计工作。联系方式：天津市塘沽区东沽石油新村539信箱电话：[phone]手机：[phone]E-mail:[e-mail]