電磁流體薄油膜回收分離系統的改進設計

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(1.中海石油環保服務(天津)有限公司，天津 300457；2.中國科學院電工研究所，北京 100190)

在海上油污染事故中，輕質油、凝析油及含油污水等在海面擴散速度快，容易形成厚度極小的油膜，這類油膜稱之為薄油膜。海面薄油膜的存在，不僅阻礙水氣界面交換，對海洋生態環境造成一定的影響，而且在較好天氣和海況條件下，微米級油膜形成的彩虹色十分明顯，雖然量不大，但很容易造成事故嚴重的錯覺，影響對事故評估和后期處理。此外，如不及時處理海面薄油膜，使其滯留在海洋中，不但會給海洋溢油的預報和監測帶來困難，而且會凝聚成黑斑，造成更大的污染[1]。

為了有效地處置薄油膜，國內外科研機構都做了很多嘗試。美國萊斯大學和賓夕法尼亞州立大學研制的硼碳納米管具有親油疏水性，對油膜吸附具有一定的效果[2]。LAMOR公司開發了一種環保高效的吸油粉末，試驗研究表明：該粉末對毫米級的油膜具有非常好的效果，而對于微米級、納米級油膜卻沒有顯著作用，且吸油粉末如果不能全部回收，對海洋環境也會造成污染。北京大學、清華大學和中山大學聯合研發的碳納米管海綿可以主動、快速吸收各種有機溶劑和油類，并將吸附物儲存在海綿體內[3-4]，但該材料造價高、回收困難，要想投入實際應用還有待進一步開發。

中科院電工所最早提出用電磁流體技術解決海面薄油膜的回收分離問題，并完成了電磁流體海面浮油回收分離裝置1 m3/h實驗樣機的研制。試驗結果表明，該裝置回收分離效果明顯，處理后的海水達到國標第四類海水水質無明顯油膜的標準[6-8]。上述實驗樣機回收分離效果雖然較好，但是沒有考慮在實際海況下的應用條件，為此，考慮對該實驗樣機進行改進設計，以使其分離效率更高，環境適應性更好。

1 回收分離系統實驗樣機介紹

電磁流體海面浮油回收分離系統模型見圖1[9]。

圖1 EMHD海面浮油回收分離系統示意

1)磁流體通道。磁流體通道是電磁流體薄油膜回收分離裝置的關鍵部件，置于磁體氣隙內，內部為電磁流體作用區域，對裝置的運行性能起決定性作用。

2)永磁體。海水流速對上層浮油的拖帶效果有較大影響，流速與電磁力密切相關。電磁力密度f=BJ(B為外加磁場強度，J為海水中的電流密度)，隨磁場強度的增大而增大。電磁力是體積力，隨有效段空間尺寸的增大而增大[10]。

3)油水分離箱。采用陣列梳柱式阻流結構，增大阻流裝置的作用范圍，使分離通道的出流受到均勻阻力，特別是使油水分離箱的進口和出口之間流速較高的流體核心區域得以分散、流速降低，進而大大增加油水分離箱內油水分離的時間、提高油相的上浮時間和回收效率。

2 改進設計

電磁流體海面浮油回收分離過程為電磁場作用下的多相流流動過程，容易受到海面風浪的實時隨機作用，進而影響進入磁流體通道的海水、浮油和空氣的初始體積份額。此外，對于海面薄油膜，由于受風浪影響很大，很容易隨波逐流，給回收工作帶來比較大的困難，因此需要在入口處增加適波性裝置。

2.1 適波性入口

為解決在海上環境下磁流體通道入口液面隨波浪波動的問題，采用適波性入口[11]見圖2。

圖2 適波性入口

適波性入口的關鍵部件為滾輪裝置。滾輪裝置是一種大輪轂矮葉片并帶有側板的葉輪，主要由葉片、滾輪轂、滾輪外殼和側板等組成。由于葉片角度(葉片與輪轂切線方向的夾角)對油水的分離效果具有重要影響，所以需要對不同葉片角度的滾輪進行仿真和實驗研究。

氣泡在滾輪內的分布情況見圖3。

圖3 滾輪槽斗內氣泡

油的密度介于海水和空氣之間，當滾輪裝置內存在油、海水和空氣時，豎直方向上，從上到下必然依次為空氣、油和海水。由圖3可知，氣泡能夠填充到葉片與輪轂夾角的根部，從而阻礙油組分的進入，為油組分進入磁流體通道減小了阻力，即增加一定量的氣泡對油組分進入磁流體通道是有利的。

隨著滾輪的轉動，轉到如圖4所示位置時，氣泡和油組分要向上運動，氣泡對油組分具有向上的帶動作用，且角度越小，越有利于氣泡和油組分的向上運動，從而更有利于油組分進入到磁流體通道，更有助于提高系統的分離效率。

圖4 油相體積分數分布

選用30°、45°和60°三個角度的葉片進行實驗，通過改變轉速，觀察氣泡的運動狀況，同時測量磁流體通道的電流、電壓、流量以及進口水箱和油水分離箱的水位，記錄數據見表1。

表1 不同葉片角度實驗記錄

由表1可見，隨著葉片角度的增大，進入磁流體通道的氣泡減少，電流增加致使電磁力增加，流量和壓升不斷增加。即葉片角度增大，更有利于加快系統的分離速度，但不利于油組分進入磁流體通道。

通過以上分析可知，葉片角度減小，有助于油組分進入磁流體通道，有利于系統分離效率的提高，但使得系統分離速度下降。因此，綜合分離效率和分離速度兩個因素，選用葉片角度為30°的滾輪。

2.2 磁流體通道優化

氣相組分在電磁流體回收分離系統中分布見圖5。對于水平布置的磁流體通道(圖5a)，由于壓力呈上升分布，氣體不能順利地通過，導致磁流體通道的上部被空氣占據，海水只分布在磁流體通道的下部空間。如果將磁流體通道傾斜一定角度(圖5b)，海水和油幾乎充滿了整個磁流體通道，只有極少量的空氣存在于磁流體通道的上方[12]。由此可見，使用傾斜的磁流體通道有利于提高磁流體通道的利用率，同樣條件下可以獲得更大的油污海水處理量，提高系統的處置效率。

圖5 氣相體積分數分布

2.3 改進后系統整體性能模擬

在電磁流體回收分離系統中增加適波性裝置，并將磁流體通道傾斜后，電磁流體回收分離系統的壓力分布模擬見圖6[13]。

圖6 XZ平面壓力分布

由圖6可見，在流體流經的通道中，滾輪裝置底部尤其是磁流體通道入口處的壓力最大。從磁流體通道入口到出口，壓力逐漸減小。對于同一高度，由于電磁力作用，磁流體通道內的壓力大于滾輪處的壓力。因此，對于整個系統來說，適波性入口不僅解決了海上環境磁流體通道入口液面隨波浪波動的問題，而且也能夠為流體在磁流體通道中的流動提供額外的動力，提高系統的油水分離速度。

3 樣機實驗

實驗測試包括靜態收油試驗和動態收油試驗，試驗用油選用柴油。采用體積比方法檢測回收物中的含油量的方法是，將集油井回收物的取樣樣品放置燒杯中靜置12 h以上，待油水分層后，測量水和油的高度h1、h2，則回收物中純油所占的百分比為h2/(h1+h2)×100%。

3.1 靜態收油試驗

靜態收油試驗主要是測試裝置的油污水處理量和收油效果。加入一定體積的柴油，水面上油膜情況見圖7a)，開啟油水分離裝置，運行35 min后，水面上油膜情況見圖7b)。

圖7 入口水箱水面油膜情況

回收物靜止18 h后，采用體積比方法估算油所占百分比為84.29%，外排水取樣肉眼看不到油花。

3.2 動態收油試驗

動態收油試驗主要是測試適波性入口在波浪環境下的性能。開啟造波裝置，波高0.2 m，觀察適波性入口流動情況。見圖8。由于沒有消波裝置以及入口水箱寬度有限，一部分油污水在入口處反射回來，收油效果不如靜態時明顯，但分離效率也達到了75%以上。

圖8 波浪作用下入口情況

不論是靜態收油還是在有波浪狀態下收油，輸入功率30.4 kW，油污海水處理量35 m3/h，分離效率75%以上，外排水取樣肉眼看不到油花。

4 結論

1)通過增加適波性入口裝置，解決了海上環境磁流體通道入口液面隨波浪波動的問題；

2)通過模擬回收分離裝置中的氣相分布，運用傾斜磁流體通道的辦法提高了磁流體通道的利用率。改進后的油水分離系統的壓力數值模擬結果表明，其更符合流體的運動規律，提高了系統的油水分離速度。

最后試制了一套35 m3/h電磁流體薄油膜回收分離工程樣機,對其性能進行試驗檢驗，結果表明,該工程樣機在有波浪條件下，仍能正常地進行油水分離作業，因此更適用于在真實海況下油膜的回收分離。

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