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海上生产废水处理工艺

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随着海上油田开发力度的加大,生产水量不断攀升,对生产水的处理提出挑战,然而海上平台空间极为有限,仅依靠增加常规处理设施来满足生产需要十分困难。为解决此局面,一种新型紧凑、高效的生产水处理设备——紧凑型气浮装置(CFU)得到大力研发。迄今国外共有近10个公司先后推出了紧凑型气浮装置,如挪威M-I SWACO公司的紧凑型气浮装置、挪威Sorbwater Technology AS公司的Sorbsep、英国Opus Maxim公司的紧凑型气浮装置、美国Natco集团的VersaFloTM、美国CETCO Oilfield Services公司的CrudeSep、法国Veolia Water Solutions & Technologies(VWS)下属Westgarth公司的CophaseTM、德国Siemens水务公司的VorsepTM等,部分产品已有多个成功应用案例〔1, 2, 3〕。针对该类产品国内也有多家单位开展研究,为共同推动国内紧凑型气浮技术的发展,中海油研究总院与北京石油化工学院合作开发了一种新型CFU,并在秦皇岛32-6(QHD32-6)油田进行了现场测试。笔者对相关测试结果进行分析,并提出工程放大设计过程中需注意的关键因素,为相关技术人员提供一定参考。

1 CFU工作原理及主要技术参数

1.1 工作原理
CFU工作原理如图 1所示。采出水主体水流先经自制的微气泡发生器注入大量的微气泡,然后沿切向入口进入浮选罐,在罐壁与内部稳流筒之间形成的环形空间内产生旋流,旋流引起的离心力场驱使气泡与油滴高效黏附,黏附气泡后的油滴与水的密度差进一步加大,进而加速浮升,提高了油水分离效率,实现对生产水的高效处理,同时大大缩短水力停留时间,减小了处理设备的尺寸。其中,自行研制的微气泡发生器利用微孔发泡机理,通过微孔对气流进行连续剪切后经水流冲刷而形成微气泡,有效规避了常规气泡发生方式能耗高、产生气泡性能差、剪切乳化程度高等不足〔4, 5, 6〕,微气泡发生器的优越性能也为CFU除油效率的提高提供了保障

图 1 CFU原理示意

1.2 CFU的主要技术参数
CFU的浮选罐外形尺寸为D 0.4 m×1.7 m,微气泡发生器外形尺寸为D 76 mm×700 mm。现场试验时CFU采用2个立式气浮罐串联成撬,总体尺寸为1 430 mm×1 200 mm×2 370 mm,净重≤1.5 t。其他参数如表 1所示。

其中微气泡发生器的内部多孔管为烧结而成的多孔材料,微孔管内径D 30 mm,微孔孔径0.1 μm,气孔率为50%,透气度为0.02 (m3·cm)/m2。

2 测试结果与分析
目前秦皇岛32-6油田的FPSO上水系统处理流程为:自由水分离器的水相出口→水工艺舱→斜板除油器(CPI)→加气浮选机→核桃壳过滤器→排海或回注〔7〕。本次现场试验分别以水工艺舱出口与斜板除油器冲洗口混合后的生产水(含油约50~100 mg/L)、自由水分离器水相出口生产水(含油约1 200~2 500 mg/L)作为测试水源。部分试验结果如下:(1)试验之初,当测试水源入口仅为水工艺舱的1个采样口时,由于供水量和压力不足,入口流量仅为1.8 m3/h,其测试结果如图 2所示。油质量浓度在51~66 mg/L之间,单级CFU水力停留时间为5.5 min情况下,CFU出水口的油质量浓度在12 mg/L以下,除油率在78.4%~87.1%

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

(2)后续采用增加接入斜板除油器冲洗口处水源以及降低第一级CFU出口背压的方式,使入口流量达到额定处理量4 m3/h,此时测试结果如图3所示。

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

入口污水的油质量浓度在52~95 mg/L时,单级CFU水力停留时间为2.5 min,单级CFU出水口的油质量浓度在10 mg/L以下,可低至6 mg/L,除油率保持在88.5%以上。

通过对比发现,当处理量较小达不到额定处理量时,虽然水力停留时间相对较长,但CFU的除油率整体却较低。究其原因,在单级CFU有效容积和入口管径一定的情况下,处理量越低旋流强度越弱,微细气泡与分散相油滴径向迁移引起的碰撞黏附机率也越小,除油率会相对下降。此范围内旋流强度对除油率的影响程度要大于水力停留时间的影响程度,这也证实了旋流强度对除油效果的重要性。因此在设备的工程放大设计中,需要注意旋流强度的合理取值。

(3)当测试水源为自由水分离器水相出口生产水时,此时供水量和压力得到保证,入口流量达到额定处理量4 m3/h,除油效果如图 4所示。

图 4 两级串联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,两级串联CFU,各单级CFU的水力停留时间均为2.5 min时,一级出水口的油质量浓度在200~400 mg/L,单级除油率基本维持在83%以上,二级出水口的油质量浓度在20 mg/L以下,总除油率保持在98%以上。

将研制的CFU与秦皇岛32-6油田现场应用的常规处理设备进行处理效果对比,结果如图5所示。

图 5 CFU与现场常规处理设备的处理效果对比

由图5可以看出,单级CFU在入口含油50~100 mg/L、水力停留时间2.5 min时的处理效果与现场应用气浮选+核桃壳过滤相当,设备体积可减少50%以上;采用两级CFU串联,在入口含油1 350~ 2 300 mg/L、总水力停留时间为5 min时的处理效果与现场应用水工艺舱+斜板除油器+气浮选+核桃壳过滤的效果相当,设备体积可减少50%以上。显然,采用CFU可以减少水处理设施的串联级数或大大减小设备体积,这对于海上油田而言极具应用优势。

试验采用的气浮旋流一体化水处理技术小型样机处理优势明显。然而对于水处理等流程工业而言,开发任何一个新的处理设备最后涉及到的问题一定是工程放大。结合试验过程中遇到的问题及可能的工程需求,气浮旋流一体化水处理技术在从小试样机到工程放大过程中,需要注重以下两个方面:

(1)现场试验已证明小型样机使用的微气泡发生器结构可行,但随着水处理量的增大,势必要进行放大设计,但是仅等比例扩大微气泡发生器内部微孔管管径无法满足注气均匀性的要求;若通过多个单体的简单并联来实现大处理量的需求,不仅会增大占地面积,还会带来操作和控制异常复杂的麻烦。因此需要开展大处理量微气泡发生器的结构设计研究,以适应工程需要。

(2)设备放大过程中,如何在切向入口流速难以大幅提升的情况下在大处理量罐体内产生足够的旋流强度,是必须考虑的问题,上述试验结果也验证了旋流强度对处理效果的重要性。因此,需要进一步优化内部结构,为大处理量下的高处理性能提供保障。

3 总结
(1)将弱离心力场同气浮技术有效结合而研制的紧凑型气浮装置(CFU)具有水力停留时间短、处理效率高、占地面积小和能量消耗低等优势,在生产水及其他含油污水处理领域具有广阔的应用前景。

(2)秦皇岛32-6油田的现场试验结果表明, CFU能够适用不同油质量浓度(50~2 500 mg/L)的生产水处理,且具有较高的处理效率,对于不同含油污水分别采用单级或两级串联可将油质量浓度控制在20 mg/L以下,最低可至6 mg/L。水力停留时间较常规水处理设备大大缩短,设备体积可减少至少50%。

(3)CFU现场试验的良好表现为紧凑型气浮技术的自主研发奠定了基础,可从内部结构优化设计、放大设计准则建立等方面着手进行工程放大及产品系列化研发工作,为海上石油生产水的高效处理助力,尤其为边际油田开发、高含水油田开发提供技术支持。


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