氣旋浮高效除油技術及其在電脫鹽切水預處理中的應用

陳家慶，蔡小壘，譚德寬，潘澤昊

(1.北京石油化工學院，北京 102617；2.中國石化滄州分公司)

氣旋浮高效除油技術及其在電脫鹽切水預處理中的應用

陳家慶1，蔡小壘1，譚德寬2，潘澤昊1

(1.北京石油化工學院，北京 102617；2.中國石化滄州分公司)

原油電脫鹽切水除油預處理是當前煉油行業普遍面臨的一個技術難題。利用自主研發的BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機(CFU)在中國石化滄州分公司首次進行了非常態下電脫鹽切水除油預處理的現場試驗研究。結果表明：入口含油濃度在7 632.8～10 658.0 mg/L之間波動時，單級CFU穩定運行時的除油率可達95%，兩級CFU穩定運行時的除油率保持在95.6%～98.6%，CFU出水含油濃度可以穩定在131.8～263.5 mg/L之間，完全滿足后續污水處理流程的進水要求，而且具有密閉運行、水力停留時間短等優勢。氣旋浮含油污水復合處理技術為電脫鹽切水分級達標處理提供了一條切實可行的技術解決方案，值得進一步開展工程放大應用研究。

電脫鹽切水 除油預處理 氣旋浮 除油率

原油電脫鹽是為滿足下游常減壓蒸餾裝置加工要求所進行的必不可少的原油預處理工藝，也是煉油企業降低能耗、減輕設備結垢和腐蝕、防止催化劑中毒的重要過程[1]。該過程首先向煉制原油中注入一定比例的稀釋水，形成W/O型乳化液，然后借助高壓電場和重力場的作用使溶解有鹽分的分散相水顆粒聚結并從連續油相中分離，從而實現原油脫鹽的目的，相應產生的污水即為電脫鹽切水(或稱電脫鹽污水)[2]。近年來，隨著原油劣質化以及強化采油技術的普遍應用，煉油企業加工重質、劣質原油的比例不斷增加，導致電脫鹽切水的復雜程度和分離難度不斷增大。目前國內外大部分煉油企業都增設了電脫鹽切水除油預處理設備，藉此將切水中的含油濃度控制在200～550 mg/L，以降低對隔油池、氣浮池等后續污水處理流程的沖擊，同時回收大部分的原油，避免資源浪費。

從切水除油預處理技術來看，國內外煉油企業先后采用過加藥絮凝、重力沉降、粗粒化、射流氣浮、旋流分離等技術，但普遍存在諸如水力停留時間長、除油效率低和運行成本高等不足；且裝置多為敞開式結構，容易產生大量揮發輕烴，污染周邊大氣環境[3-6]。隨著“清污分流、污污分流、污污分治”的逐步實施，迫切需要緊湊、高效、密閉的切水除油預處理技術。雖然國內外學者還圍繞膜分離、離心萃取、ELECO電化學除油、超聲波破乳等單元技術開展了針對性的應用研究，但迄今尚缺乏工業應用案例[7-11]。近十多年來，在“單元技術高效化、常規技術復合化”等研發理念的指引下，含油污水除油處理技術領域出現了將分散相油滴粗粒化與水力旋流分離技術復合、超聲波輔助沉降分離和水力旋流分離技術復合、氣浮分離與低強度水力旋流分離技術復合、水力旋流分離技術與錯流過濾技術復合等一體化技術[12]。最為成功且最為引人矚目的當推氣浮分離與低強度水力旋流分離復合一體化技術，該技術是20世紀90年代末期西方石油大國針對海上油田采出水處理提出的、近五年來在國內外得到廣泛關注的一種緊湊高效含油污水處理新技術，相應的設備被稱為緊湊型氣浮裝置(Compact Flotation Unit，CFU)、氣旋浮裝置、旋流氣浮一體化裝置等。美國Schlumberger公司、美國Cameron公司、美國CETCO Oilfield Services公司、英國Opus Maxim公司、德國Siemens Water公司、法國Veolia Water Solutions & Technologies(VWS)公司等十多家水處理設備供應商先后推出了相應的工業化產品，部分產品迄今已經取得了巨大的商業化成功[13]。在上述背景下，利用自主研發的BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機首次在國內外進行了氣旋浮含油污水復合處理技術應用于電脫鹽切水除油預處理的研究，以期為電脫鹽切水分級達標處理提供一條切實可行的技術解決方案。

1 氣旋浮含油污水復合處理技術簡介

1.1 技術研發理念

氣旋浮含油污水復合處理技術并非將常規氣浮分離設備與水力旋流器相對獨立地串聯組合，也不是在常規水力旋流器單體入口污水中注氣或在旋流器腔體上打孔注氣，而是基于對湍流場和離心場內微氣泡與油滴顆粒碰撞、黏附和分離過程全新認識的結果[14-15]。該技術在常規氣浮分離設備的設計基礎上，將分離區的表面水力負荷率由2～7 m3/(m2·h)提高到20～40 m3/(m2·h)，利用適當的湍流作用促進油滴與微氣泡之間碰撞黏附形成“微氣泡-油滴黏附體”的幾率，同時利用低強度旋轉離心力場(弱旋流)加速“微氣泡-油滴黏附體”的分離，以此來有效提高設備的分離性能，使最初的大容積、低表面水力負荷氣浮分離池型逐漸向集成、緊湊型立式結構方向發展，更能滿足陸上各類已建裝置區以及海洋石油平臺等環境空間受限場合后期增配相關處理設備的需要。

以美國Schlumberger公司的氣旋浮裝置(第一代產品為Epcon CFU，第二代產品為Epcon Dual CFU)為例，該公司聲稱設備分離區的水力停留時間最低可至30 s，有效容積僅2 m3左右的設備處理量可達250 m3/h；當入口含油濃度低于100 mg/L且原油密度較小時，單級CFU運行可使出水口含油濃度低于20 mg/L，兩級CFU串聯運行可使出水口含油濃度低至10 mg/L[16-17]。截止到2009年10月，Epcon CFU共在歐美近40個海上油田的采出水處理流程中得到安裝使用，中國海油西江(XJ)30-2油田于2008年第三季度耗資800多萬美元引進了總處理量為3 600 m3/h的Epcon CFU[18]。但由于技術保密等方面的原因，國內目前很難從公開的科技文獻查閱渠道獲取國外各種氣旋浮裝置的技術研發細節，只能從一些公開的產品樣本和現場使用性能描述大致了解其研究動向和技術發展水平，導致迄今仍然缺乏大處理量自主品牌的工業化產品。另一方面，國內外煉油企業一直未能對該技術予以必要關注，致使迄今尚沒有在該領域相關的工程應用案例。

1.2 工藝流程與工作原理

北京石油化工學院多相流高效分離技術與設備研究所自2005年以來在國內率先關注并著手自主研究氣旋浮含油污水復合處理技術，在推出BIPTCFU-Ⅰ型、BIPTCFU-Ⅱ型可視化樣機的基礎上，自主研發的BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機在中國石化中原油田、中國海油秦皇島(QHD)32-6油田和流花(LH)11-1油田等地成功進行了現場試驗，且在水力停留時間、除油率等性能指標方面位居國內前列。圖1為BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機的工藝流程示意。樣機主要包括微氣泡發生器、氣液混合泵、氣旋浮罐等；采用撬裝模塊化設計，總體上采用兩級CFU串聯且各級可相對獨立運行。核心設備氣旋浮罐主要由立式壓力容器罐體、內部穩流筒、污水切向入口、頂部排氣口、頂部排油口、底部排水口等組成，有效容積為0.17 m3，內徑為Ф400 mm，高度為1 675 mm。樣機的設計處理量為4 m3/h，設計水力停留時間為2.5 min，旋流強度為35 g，設計處理量下的表面水力負荷率為32.65 m3/(m2·h)。

圖1 BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機工藝流程示意

工作過程中，首先利用微氣泡發生器向待處理含油污水中混入大量微氣泡。微氣泡與污水中的分散相油顆粒在入口管路內進行一定程度的碰撞黏附后，從罐體上部切向進入氣旋浮罐內的旋流區。在該區域內一方面利用中低湍流作用促進油滴與微氣泡的碰撞黏附，另一方面利用弱旋流促進輕質油相和微氣泡向罐中心運移，該過程稱為“一次氣浮作用”。浮升到上部液面的“油-氣泡-水”多相混合物(或稱“富油相排出物”)自罐頂部出油口依靠壓力排出，處理后的水從罐底部排出[19-20]。為進一步改善氣浮分離效果，將部分處理后的排出水回流，利用氣液混合泵抽吸罐內頂部氣相空間的氣體，產生帶有大量微氣泡的回流水并經罐內中下部的布氣中排均勻分布，產生“二次氣浮作用”。總的來看，含油污水相當于在氣旋浮罐內進行了一次旋流分離與兩次氣浮分離，因此除油率較常規旋流分離設備和常規氣浮分離設備有較大幅度的提升。

2 電脫鹽切水除油預處理現場試驗

2.1 現場試驗情況

2013年5月，自主研發的BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機在中國石化滄州分公司(簡稱滄州分公司)煉油一部進行了現場試驗。該公司采用兩級電脫鹽，一級為2臺交流電場電脫鹽罐，二級為1臺交直流混合電場脫鹽罐。采用一點注入除鹽工藝以節約用水，電脫鹽的注水在二級電脫鹽進行，出水作為一級電脫鹽的注水，一級電脫鹽的出水即為電脫鹽切水。2013年上半年，由于滄州分公司加工“機會原油”較多，原油類型變化較為頻繁且多為劣質原油，給電脫鹽裝置的正常運行帶來了極大挑戰，容易出現某些時段電脫鹽切水含油濃度過高的情況(現場取樣切水目測呈褐色)，這也為測試惡劣工況下BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機的運行效果提供了機會。樣機的現場安放場景照片如圖2所示，在不影響正常生產的情況下，電脫鹽切水依靠齒輪泵泵送至樣機入口。試驗過程中，氣旋浮罐頂部依靠壓力排出的“富油相排出物”和底部凈化處理后的出水，都進入煉油一部已有的開式油槽；微氣泡發生器氣源采用煉油一部現有的“管線風”，供氣壓力為0.6 MPa。測量含油濃度的儀器為JDS-Q10U型紅外分光測油儀，萃取劑為四氯化碳。

圖2 BIPTCFU-Ⅲ-4型氣旋浮含油污水處理樣機在現場的安放場景照片

2.2 現場試驗

現場試驗分為單級CFU正交試驗、單級CFU單因素試驗和連續運行試驗(包括單級CFU連續運行和兩級CFU串聯連續運行)3部分。為保證試驗結果的準確性和可靠性，每次取樣間隔不小于20 min；同時以入口含油濃度作為參照，若單次檢測數據出現明顯反常，則補測1次。試驗過程中記錄如下數據：入口污水流量、壓力、溫度、含油濃度；微氣泡發生器進氣壓力和進氣量；頂部壓力排油口的流量；處理后出水的含油濃度。在此基礎上計算除油率。

2.2.1 正交試驗結果 影響CFU除油率的主要因素包括處理水壓力、處理量、分流比(頂部排油口與處理水流量之比)、微氣泡發生器的注氣比(微氣泡發生器注氣量與處理水流量之比)、微氣泡發生器的注氣壓差(處理水壓力與微氣泡發生器注氣壓力之差)等。結合現場的實際情況，在保持入口切水壓力不變、不添加任何水處理藥劑和不開啟回流的情況下，根據正交試驗設計軟件Design-Expert 8.0進行3因素(處理量、分流比、微氣泡發生器注氣比)、5水平的單級CFU正交試驗方案設計，總因素組合數為25組。相關影響因素的變化參數取值見表1，試驗結果見圖3。

表1 現場試驗所考慮影響因素的變化參數

圖3 單級CFU正交試驗運行效果■—入口含油濃度； ■—出口含油濃度

對單級CFU正交試驗結果分析可得：①正交試驗期間，樣機入口切水含油濃度在7 476.5～26 975.2 mg/L之間波動，處理后出水含油濃度在151.1～7 575.6 mg/L之間波動，除油率在39.1%～99.2%之間變化，說明處理量、分流比和微氣泡發生器注氣比3個因素的不同取值搭配組合會直接影響除油率，同時也體現了尋找合理參數搭配組合以取得較好除油率的必要性；②在處理量為3 m3/h、分流比為5%(對應罐頂排油口流量0.15 m3/h)、微氣泡發生器注氣比為10%(對應微氣泡發生器注氣量0.30 m3/h)工況下，樣機的除油率可達96.1%，雖然此組參數下的除油率并非最高，但考慮到所采用的回流比和分流比都較小，且處理量也較大，因此可視為本次正交試驗的最優運行參數組合；③利用Design-Expert 8.0軟件進行正交因素分析可知，處理量對除油率的影響最高，其次為分流比，注氣比對除油率的影響最低。

2.2.2 單級CFU單因素試驗結果 在單級CFU正交試驗所得最優運行參數組合的基礎上，保持其它因素的取值不變，不添加任何處理藥劑和不開啟回流，研究單一因素變化對單級CFU除油率的影響，并根據結果調整確定最終的樣機最優運行參數組合。

結果表明，隨分流比的增大，除油率呈逐漸升高趨勢，當分流比超過5%后除油率趨于平穩(保持在94%左右)。考慮到過高的分流比會帶來二次處理的麻煩，因此將最優分流比選取為5%。隨著微氣泡發生器注氣比的提高，除油率的變化呈單峰趨勢，且注氣比為3% (此時注氣量為0.09 m3/h)時設備的除油率達到峰值(95.9%)。主要原因在于，注氣比的增加有效提高了分散油滴與微氣泡黏附的幾率，但過大的注氣比會產生大量大氣泡，反而導致除油率有所下降，因此選取最優注氣比為3%。圖4所示為單級CFU流量單因素試驗運行效果。從圖4可以看出，隨著處理量的增加，尤其是當處理量超過3 m3/h時(此時除油率為94.0%)，除油率下降趨勢明顯。主要原因在于電脫鹽切水乳化程度較為嚴重，過高的湍流作用容易對微氣泡與分散相油滴的碰撞黏附產生影響，而且較短的水力停留時間也不利于“微氣泡+分散相油滴”復合體的上浮，因此選取3 m3/h為最優流量。

圖4 單級CFU流量單因素試驗運行效果■—入口含油濃度； ●—出口含油濃度； ▲—除油率。 圖5同

圖5 單級CFU連續運行試驗的相關測試數據

2.2.3 連續穩定試驗結果 基于最終得到的最優運行參數組合(處理量為3 m3/h，微氣泡發生器注氣比為3%，分流比為5%)，首先開展單級CFU的連續運行試驗，相關測試結果如圖5所示。從圖5可以看出，入口切水的含油濃度在7 773.8～12 836.8 mg/L之間波動時，出水含油濃度在388.2～1 917.0 mg/L之間波動，除油率在78.5%～96.6%之間波動。除油率波動較大的主要原因在于，連續運行期間入口切水中的含氣量較高，齒輪泵出現抽空現象，樣機入口切水流量很不穩定，導致系統的除油率下降。入口流量穩定期間(9：00—10：00之間)，樣機入口流量、壓力和含油濃度均較穩定，系統的除油率也逐漸穩定在95%以上，說明單級CFU對入口污水含油濃度的變化具有較好的穩定性和良好的適應性。

基于最終得到的最優運行參數組合，給出兩級CFU串聯連續穩定運行時的數據，如圖6所示。從圖6可以看出：①入口切水的含油濃度在7 632.8～10 658.0 mg/L之間波動時，出水含油濃度在131.8～239.5 mg/L之間波動，除油率穩定在95.6%～98.6%，平均除油率達到97.7%，樣機顯示出極高的除油性能和極強的穩定性；②第一級CFU出水含油濃度在257.1～506.4 mg/L之間波動，除油率穩定在90%以上，第二級CFU出水含油濃度在131.8～263.5 mg/L之間波動，除油率相對較低(平均除油率為45.0%)。可見在兩級CFU串聯連續穩定運行時第一級CFU可以保證大部分的油被除去，第二級CFU可以使排出水的含油濃度進一步降低并穩定在一個范圍內。現場應用時可以考慮采用兩級CFU串聯使用，實現將切水的含油濃度控制在200～550 mg/L之間的目標，降低對后續水處理流程的沖擊。同時對分離后的“富油相排出物”進行進一步的處理，可以回收大部分的原油，避免資源浪費。

圖6 兩級CFU串聯連續運行試驗的相關測試數據■—入口含油濃度； ●—一級出口含油濃度； ▲—二級出口含油濃度； 除油率

3 結束語

(1) 針對非常態工況下電脫鹽切水除油預處理的現場試驗結果表明：BIPTCFU-Ⅲ-4型氣浮選含油污水處理樣機對入口切水含油濃度和流量波動具有很強的適應性，在不添加任何處理藥劑的工況下，單級CFU的除油率可達95%，兩級穩定運行時的除油率保持在95.6%～98.6%。同時具有水力停留時間短、占地面積小、處理效率高、易于操作維護和運行成本低等優點。

(2) 國內外氣旋浮除油技術的設計研發初衷主要是針對石油工業上游行業乳化程度較低的油田采出水，本次現場試驗系在國內外首次將該技術拓展應用于石油工業下游行業乳化程度較高的電脫鹽切水除油預處理。雖然受現場試驗期間所煉制劣質原油的影響，致使電脫鹽切水的溫度較高(接近90 ℃)、固體雜質含量較高，但樣機經受了高溫、高含油、高含固、高乳化程度的考驗，極大地豐富了氣旋浮含油污水處理技術的研究內涵。

(3) 可以結合電脫鹽切水的具體理化特性進行氣旋浮含油污水處理樣機的放大設計研制，同時通過現場側線試驗進一步探究回流比、入口污水處理量、藥劑種類和藥劑投加濃度等因素對除油率的影響，以便使得氣旋浮含油污水處理技術能夠有效應對原油重質化、劣質化趨勢下電脫鹽切水的除油預處理難題，并為實現煉油污水處理的“樣機化、密閉化和高效化”提供一條切實可行的技術解決途徑。

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CYCLONE-AIR FLOTATION TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN OIL REMOVAL PRE-TREATMENT FOR ELECTRIC DESALTING WASTEWATER

Chen Jiaqing1， Cai Xiaolei1， Tan Dekuan2， Pan Zehao1

(1.BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology，Beijing， 102617； 2.SINOPECCangzhouCompany)

Deoil pre-treatment of electric desalting wastewater is a difficult technical problem for crude oil refining industry. The field tests of the electric desalting wastewater treatment under harsh conditions were conducted in SINOPEC Cangzhou Company using the independent R&D BIPTCFU-Ⅲ-4 type cyclone-air flotation unit (CFU) for the first time. The field tests demonstrate that when the oil content in the wastewater fluctuates between 7 632.8—10 658.0 mg/L， the oil removal efficiency can reach 95% with single-stage CFU and 95.6%—98.6% with two-stage CFUs in series. The oil content at outlet can be controlled between 131.8—263.5 mg/L， and can meet the quality requirements of the following processes. The cyclone-air flotation technology also has some advantages such as enclosed operation， short hydraulic retention time. The technology can provide a feasible scheme for treating electric desalting wastewater， and the further exploration in engineering scale-up and application is necessary.

electric desalting wastewater； deoil pre-treatment； cyclone-air flotation； oil removal efficiency

2015-10-8； 修改稿收到日期：2015-12-25。

陳家慶，教授，博士生導師，從事石油石化領域油氣水多相流高效分離技術與設備等方面的教學科研工作。

陳家慶，E-mail：Jiaqing@bipt.edu.cn。

北京市屬高等學校“長城學者”培養計劃資助項目(CIT&TCD20150317)。