原油電脫鹽脫水技術發(fā)展現狀與展望

趙 茅，崔新安

(1.中國石油大學(北京)化學工程學院，北京 102249;2.中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003)

1 概述

如圖1所示，隨著石油資源的不斷消耗，大多數油田進入開采后期，原油重質化、劣質化趨勢愈加明顯，重稠油、高含鹽油及高金屬油等不斷增加，使煉油企業(yè)面臨加工越來越劣質原油的趨勢[1]，加之煉廠原油品種的頻繁更換，給現有的電脫鹽裝置帶來極大的沖擊，經常會出現脫后原油不達標現象，嚴重影響煉廠后續(xù)裝置的高效生產[2-4]。因此，總結和展望原油電脫鹽脫水技術的發(fā)展對于煉廠電脫鹽裝置的改進和開發(fā)新型高效脫鹽脫水技術都十分有益[5-6]。

圖1 全球原油質量趨勢Fig.1 Quality trend of global crude oil

2 原油電脫鹽脫水設備現狀

2.1 原油電脫鹽罐

原油電脫鹽罐作為原油電脫鹽裝置的核心設備，其形狀和結構隨電脫鹽工藝的不斷發(fā)展而變化，罐體結構依次經歷了立式罐、球型罐、臥式罐三個階段。電脫鹽罐的選擇與電脫鹽的工藝要求密切相關，臥式罐具有耗材少、直徑小、延長設備長度即可滿足生產能力要求、可與原油常減壓裝置合并建立等優(yōu)點，目前在電脫罐選用中占主導地位。

原油電脫鹽罐主要包括罐體、電極板、分配器、收集器、污水排放設施和罐底反沖洗系統(tǒng)等。影響電脫鹽罐尺寸的主要因素是原油的處理量和原油在罐內的停留時間，現今我國煉廠電脫鹽罐體直徑一般約為3～5 m，長度約20～30 m，較長的如惠州煉油廠，長度可達45 m。大多數煉廠目前采用的是電極板分二層或三層的臥式電脫鹽罐。由中石化洛陽工程有限公司(簡稱洛陽工程公司)研發(fā)設計的中間通電，上下兩層接地的三層極板雙電場電脫鹽罐，罐內具有穩(wěn)定的強電場和弱電場區(qū)，為電脫鹽提供了穩(wěn)定的電流，使得供電變壓器的輸出也相對穩(wěn)定，在國內的應用最為廣泛[7]。

2.2 電脫鹽電極

原油電脫鹽罐內的電極結構多種多樣，主要有:水平式電極、垂直懸掛式電極、鼠籠式電極和復合式電極四種形式，其中水平式電極和垂直懸掛式電極最為常用。

(1)水平式電極

水平式電極是國內最早采用的電極形式，分兩層極板式和三層極板式，供電方式為交流電，罐內電場區(qū)存在于極板之間，約僅占整個罐體區(qū)域的30%左右。當油水界面高低波動時，易影響到弱電場的穩(wěn)定性，對原油的脫鹽脫水很不利。

(2)垂直懸掛式電極

垂直式電極是將格柵狀的電極板垂直懸掛在電脫鹽罐內，可以根據電場需要設計電極的位置和間距(如圖2)。垂直極板間形成的半波直流強電場和極板頂端與油水界面之間形成的正負交變電場共同組成了交直流雙重電場。經罐底進油分配器進入下層水相的含水原油，上升過程中先進入交流弱電場，在弱電場作用下脫除大部分的水，緊接著進入直流弱電場和強電場進行深度脫水[8]。垂直式電極可獲得較大的電場容量，很好的發(fā)揮了弱電場的作用，其脫鹽效率高、耗電量小、有利于稠油的破乳與分離，所以在煉廠新建和擴能改造的項目中被廣泛應用[9]，但垂直懸掛電極電脫鹽設備結構較復雜、整流設備易出故障。

圖2 垂直式電極Fig.2 Vertical electric plate

(3)鼠籠式電極

鼠籠式電極是由洛陽工程公司開發(fā)設計的[10]，起初是單層雛形鼠籠結構(如圖3)，逐漸發(fā)展為分段多層偏心鼠籠結構(如圖4)。相鄰圓環(huán)形電極之間所形成的環(huán)形電場，既能最大限度地增加有效電場的空間，又可消除電場死角，使得電場利用率提高，裝置的處理量加大。相鄰電極之間的間距從頂部到底部逐漸增大的空間結構使得電極之間可形成強度不均勻的環(huán)形電場，呈“電極頂部場強大，底部場強小”分布。罐體內油料含水量較小的上部區(qū)域為強電場，中間為過渡電場，油料含水量較大的下部區(qū)域為弱電場，電場布置十分合理。該技術電耗低，效率高，油水返混小，很適合用于高含鹽含水原油的處理[11]。

圖3 鼠籠式電脫鹽罐內電極結構Fig.3 Squirrel-cage electrode structure in electrical desaltinger

圖4 偏心結構鼠籠電極板Fig.4 Squirrel-cage electric plates with eccentric structure

(4)復合板式電極

復合板式電極可以有效地避免由于含水過高電極之間出現短路(放電)或金屬電極邊緣尖角部位產生高梯度畸變電場等不利現象的發(fā)生。復合板式電極與常規(guī)電極的最大不同是在金屬極板的表面多加了一層絕緣材料(如圖5)。所選材料(如環(huán)氧樹脂、丁鈉橡膠、聚四氟乙烯等)的介電常數基本等于油相或者乳化液的介電常數，以此保證他們之間的電壓梯度相等。復合板式電極利用材料導電性的不同，在通電后產生不同強度的電場區(qū)域，實現了可根據原油導電性的不同隨時對電場強度進行調整。

2.3 電脫鹽供電系統(tǒng)

電脫鹽供電系統(tǒng)主要包括專用防爆變壓器、電控柜、高壓電極棒、柔性引入設備等。目前煉油廠廣泛應用的是交流變壓器和直流變壓器。隨著電脫鹽技術的發(fā)展，也出現了電脫鹽專用脈沖電源和高頻電源[12]。

圖5 帶有親水材料的復合電極板原理Fig.5 Principle of composite electrode plate with a hydrophilic material

2.4 其他輔助設備

原油電脫鹽設備中除了上述設備外，一些輔助設備也是相當重要的，如:油水界面控制設備、油水混合設備、脫鹽污水分離設備、低液位開關、藥劑自動注入設備、采樣器等。目前油水界面控制較多采用美國DE公司研發(fā)的射頻導納界位儀。油水混合設備主要采用SV與SS型靜態(tài)混合器和ZSHV氣動式或ZKRV電動式V型混合球閥，利用混合設備來調節(jié)原油與洗滌水、破乳劑及助劑的混合強度。

3 新型原油電脫鹽脫水技術

3.1 高速電脫鹽脫水技術

美國Petrolite公司于20世紀90年代為了提高電脫鹽脫水裝置的處理量，適應煉油廠大型化的發(fā)展需要，研發(fā)出了高速電脫鹽脫水技術。該技術的關鍵在于首先其不設弱電場區(qū)，上、中、下層極板間距均相等，且都為強電場，其次是改變了常規(guī)電脫鹽裝置的進油方式，特殊結構的進油分配器將乳化液直接送入強電場區(qū)，而不是按照傳統(tǒng)方法進入水相，兩個強電場同時作用，以加速油中水滴的聚結。該高速電脫鹽設備較常規(guī)電脫鹽設備處理能力可提高50%～100%。具體電脫鹽罐結構示意圖如圖6所示。

高速電脫鹽技術的顯著特點是單罐處理能力大、油流路徑與停留時間短、脫鹽脫水效率高、電耗低、占地面積小，對煉油廠常減壓裝置擴建非常有用。

圖6 Petrolite公司高速電脫鹽罐結構Fig.6 High-speed electrical desaltinger structure of Petrolite Co.

3.2 原油脈沖電脫鹽脫水技術

脈沖電脫鹽脫水技術采用專業(yè)脈沖電源供電，可形成高壓、高頻脈沖電場，瞬間獲得的電場力通常是普通電場力的2～5倍，根據聚結公式，電場作用下液滴之間的聚結力與電場強度的平方成正比，這就意味著乳化液滴間的聚集力可提高4～25倍。專業(yè)脈沖電源的另一大特點是可通過調節(jié)脈沖頻率和占空比(脈沖輸出時間與脈沖周期之比)，有效杜絕罐內電極間的短路現象和電分散現象[13]。英國BP石油公司于1992年率先在Ware-hm油田采用了脈沖電脫鹽技術進行油田油水分離[14]。國內勝利油田設計院在20世紀90年代中期研制成功5 kV高壓脈沖電脫水技術用于油田三采原油破乳脫水。高頻脈沖振蕩頻率更高，能促進乳化膜的破裂，較傳統(tǒng)的電脫鹽技術更節(jié)約電能和破乳劑[15]。脈沖電脫鹽脫水技術在油田聯(lián)合站、煉油廠優(yōu)化、海上油田結構優(yōu)化等方面具有明顯優(yōu)勢，但由于脈沖電脫鹽要采用大功率脈沖電源，成本較高，該技術尚未得到大規(guī)模推廣應用。

3.3 雙進油-雙電場電脫鹽脫水技術

雙進油雙電場電脫鹽技術的設計思路:充分利用原有電脫鹽罐的上部空間，在電脫鹽罐內將原有的一套重油深度脫鹽設備改造成兩套重油深度脫鹽設備，它能在原有電脫鹽罐容積不變的情況下，通過改變內外部結構，使原油處理量達到原處理量的1.5～2倍，一般原油通過此技術的兩級處理便能達到脫后鹽質量濃度小于3 mg/L、含水不大于0.3%的技術指標。

3.4 超聲波強化原油電脫鹽脫水技術

國內在超聲波強化原油電脫鹽脫水方面的研究相比國外起步較晚，于2000年前后才開始有相關的研究報道。超聲波強化原油電脫鹽技術主要是利用超聲波的機械振動作用對原油進行破乳，促使水滴凝聚，達到破乳脫水效果。當含有懸浮水滴的原油中通入超聲波時，會引起懸浮水滴與原油介質一起振動，水珠在超聲波輻射下產生“位移效應”，不斷向波腹或波節(jié)運動，并發(fā)生碰撞與聚結，使得體積不斷增大，最后借助重力作用沉降[16]。另外，石蠟、膠質及瀝青質等天然乳化劑的在超聲波的機械作用、空化作用和熱作用下會逐漸分散得更均勻，溶解度更大，界面膜強度更低，有利于水相的沉降分離。中石化齊魯石化研發(fā)的“超聲波強化勝利混輸原油(平均鹽質量濃度為50 mg/L，平均水質量分數為0.5% ～1.0%)電脫鹽技術”于2003年在勝利煉油廠進行了電脫鹽中試實驗，在無破乳劑作用時，借助超聲波強化破乳，便可達到脫后原油鹽質量濃度不大于3 mg/L，水質量分數不大于0.3%的指標。目前超聲波破乳機理還不十分清楚，理論分析較困難，還需進一步深入研究。

4 展望

未來伴隨著原油質量的不斷下降，能夠高效脫除無機鹽，并逐漸通過反應、吸附、過濾等方法脫除有機鹽的深度脫鹽脫水技術將會是科研工作者研究與工業(yè)應用的重點。主要可體現在以下幾個方面:

(1)繼續(xù)致力于開發(fā)先進高效的原油電脫鹽脫水設備。如更為大型的電脫鹽罐體;可以提供高頻、高壓的新型變壓器及電極結構;高效的混合器和混合閥、精確實時的油水界面控制儀;優(yōu)質的進油分配器與反沖洗系統(tǒng)等都將是電脫鹽脫水設備未來發(fā)展的重點。

(2)復配、開發(fā)更為高效的電脫鹽稀釋劑、破乳劑和助劑。

(3)重、輕質原油混合摻煉的同時，逐步提高對原油的實時監(jiān)控，加強生產管理，適時根據進廠原油性質調整優(yōu)化工藝參數，實現動態(tài)調控。

(4)加速現有電脫鹽脫水技術的更新?lián)Q代以滿足日趨嚴格的指標要求，同時，加強新型非電脫鹽技術的開發(fā)與研究。據報道，磁處理、動態(tài)旋流分離、微生物破乳及冷凍解凍破乳等原油破乳脫鹽技術已經有所應用。可以預見的是，高效穩(wěn)定、處理量大、低耗環(huán)保將成為未來原油脫鹽脫水技術發(fā)展的主導方向。

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