罐底油泥油—水分離特性分析

齊加勝， 趙建平

(南京理工大學 紫金學院微波熱解研究所，江蘇 南京 210023)

在原油儲運過程中，由于自然沉降，沉積在油罐底部的一種由水、原油和固體顆粒組成的危險廢棄物稱為罐底油泥，屬于危廢(HW08)行列。國內外主要處理方法：萃取分離法[1]、熱解分離法[2-8]、生物處理法[9]、超聲波脫油技術[10，11]、熱水洗處理技術[12-13]，均有工程應用案例，同時也存在一定局限性[14-16]。

調質—機械分離技術主要通過破乳劑改變油泥砂的顆粒結構、破壞膠體穩定性，以提高油泥砂的脫水性能，然后對處理后的油泥進行油、水、泥三相分離。本文建立油—水兩相分離數學模型，通過試驗數據論證了模型的可行性，并成功用于長慶油田罐底油泥處理，日處理量達到30～40m3。

1 油泥成分分析

取長慶油田罐底油泥為樣品，黑色黏稠狀流態液體，有刺鼻的氣味。選取罐底油泥上部、中部、下部各100mL，代號1號油泥、2號油泥、3號油泥，參照GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》，測定油水渣三組份含量，參照《SY/T 5119-2008巖石中可溶有機物及原油族組分分析》，測定油相中飽和烴(saturates)、芳香烴(aromatics)、膠質(resins)、瀝青質(asphaltenes)4組分含量數據；參照GB/T 31391-2015《煤的元素分析》進行油泥的元素分析，見表1。

表1 油泥三組份含量、SARA4、元素分析

從表1可知，長慶油田罐底油泥以飽和烴、芳香烴為主，C、H元素總量超過60%，其含油率達到15%。每年約有5萬噸罐底油泥，年收集油量可達7500噸，具有很大的市場價值。

2 油泥處理原理

2.1 油泥微觀分析及粘度測定

常溫下，含油污泥為黑色粘稠液體如圖1(左)，流動性差。將油泥樣品均勻地涂于載玻片上，利用顯微鏡觀察其微觀結構，見圖1(右)。

從圖中可以看出，油泥是以油相為連續相，乳化水和固體顆粒分散其中的形式，即油包水型乳液，油相中還存在著一部分泥的顆粒以及大分子的瀝青質顆粒。通過對顯微圖像進行放大對比，其中水滴長度大于10μm近55%，泥渣長度大于10μm近40%。

油泥黏度大，影響油泥管道運輸和油、泥、水的三相分離，在油包水混合物體系中，顆?！w粒之間和顆?！椭g緊密雜亂地纏繞在一起，形成充滿整個空間的連續網架結構，這種結構與膠質、瀝青質等重質分子之間形成的纏繞卷曲結構，一起促成了罐底油泥的高黏特性。黏度是影響油—水分離的關鍵參數之一，采用旋轉黏度計在25℃測定黏度為11.3Pa.s。

2.2 油—水分離數學模型

圖2 水滴受力分析

油泥三相分離的實質是油—泥、油—水兩項分離，其中水—泥兩項結構非常少，一般通過攪拌即被打開，形成油—泥、油—水結構。本文分析油—水分離，水的驅動力為離心機高速旋轉時油水之間因密度不同而產生的離心力差，阻力則主要是兩相之間的粘滯力，其力學分析模型如圖2。

為了建立油—水分離模型，解析不同粒徑的水滴在離心場中的運動情況，首先將對單個水滴在離心場中的受力進行分析。假設油為連續均勻物質，各處壓力相同，水滴穿過油時受力均勻，為直線運動。單個分散項水滴分析，不考慮離心過程中水滴合并，水滴為球狀，半徑r。水、油為牛頓流體，密度分別為w和o，油、水之間無相對運動。根據Navier-Stokes方程[17]，水滴受力F分析如下：

F=(Fa+Fb)-(Fc+Fd)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中為Fa離心力，Fb為浮力，Fc為阻力，Fd為重力。ω(r/min)為離心機角速度，L為水滴中心到離心機轉子中心間的距離，η為油的粘度。水滴直徑較小，忽略浮力、重力影響，水滴受力F=Fa-Fc。根據牛頓第二定律F=Fa-Fc=ma，上述演變為：

(6)

移項，可得：

(7)

該微分通解：

L=C1er1t+C2er2t

(8)

(9)

2.3 油—水分離試驗

采用管式離心機離心實驗對模型結果進行分析，對油—水分離進行論證。分別取1號、2號、3號油泥15g放入40mL離心管中，進行多組離心試驗。罐底油泥具有很強的流動性，含水率70%～95%之間，本文選擇長慶油田的罐底油泥為研究對象，含水率75%～80%，詳細數據見表2～表5。

工況一：油泥不進行任何降黏措施，黏度為11.3Pa.s，離心轉速3000r/min，離心半徑11cm，離心時間30min，結果如表2所示。表2數據說明，出料含水率降低了4.3%～8.4%，分離效果不明顯。罐底泥三個不同部位油泥，分離出來的水都很少，都是游離水，即底部油泥游離態水最少，頂部油泥其次，中部油泥最多，工程中該工藝不適用。對比試驗前后油泥微觀結構，發現粒徑大于40μm水滴基本消除，取處理前油泥微觀結構圖不同部分進行粒徑統計，大于40μm占比較低，符合分離規律。

工況二：油泥不進行任何降黏措施，黏度為11.3Pa.s，離心轉速3000r/min，離心半徑11cm，離心時間由30min增加到60min，結果如表3所示。表3數據說明，出料含水率降低了5.1%～9.5%，分離效果不明顯。增加離心時間，單個水滴獲得的總的離心能增加，單位時間內獲得的能量沒有變化，分離效率基本不變，僅有游離態水分離出來，符合分離規律，工程中該工藝不適用。

表2 油—水離心分離率——水滴半徑分析

表3 油—水離心分離——離心時間分析

工況三：油泥不進行任何降粘措施，黏度為11.3Pa.s，離心轉速由3000r/min逐步增加到5000r/min、7000r/min、9000r/min、11000r/min，離心半徑11cm，離心時間30min，結果如表4所示。表4數據說明，出料含水率降低了9.4%～55.1%，分離跨度大，即離心轉速是影響分離率的主要影響因素之一。罐底泥三個不同部位油泥，水的分離效率趨勢相同，近似冪函數，在7000r/min時，差距最大，主要是油泥中水的粒徑分布細微區別，即中部油泥粒徑在10μm分布較密集。離心轉速小于5000r/min時，分離效率較低，以游離態水分離為主，轉速達到7000r/min，藏于絮體網絡內部的絮體水開始分離，轉速達到11000r/min，絮體水全部分離，因毛細作用保持在油泥的毛細空隙中的毛細水，部分分離，由公式(8)理論推導，進一步加大離心轉速，毛細水可以全部分離。在顯微鏡下觀察分離后的油項中水滴，粒徑小于5μm，即5μm以下的水滴離心力分離較困難。離心速度提高，大部分水滴在離心力作用下可以分離，但目前市場成熟的用于油泥的臥式離心設備，轉速2000-4500r/min，離心轉速受困于機械材料、機械結構、機械穩定性等因素影響，暫時無法提高，需要進一步努力，所以工程中該工藝不具備通用性。

工況四：油泥進行降黏措施，離心轉速3000r/min，離心半徑11cm，離心時間30min。采用的降黏技術主要有加熱降黏、乳化降黏和溶劑降黏等，本文通過溫度從25℃逐步升高至80℃，同時添加輕質油、煤油、甲苯等，選測不同黏度油泥離心分析，具體試驗方法，見參考文獻[7]。結果如表5所示。

表4 油—水離心分離——離心轉速分析

表5 油—水離心分離——黏度分析

表5數據說明，出料含水率降低了12.5%～62.4%，分離跨度大，即黏度也是影響分離率的主要影響因素之一。罐底泥三個不同部位油泥，水分離效率趨勢相同，近似線性關系，特別是黏度下降后，三種油泥水分離效果非常接近，即水分子團在離心力作用下，逐步聚合，內部水分子通道逐步建成。通過降低黏度，分離效率大幅提高，降黏措施較易實現，是目前油泥研究熱點，具備工程通用性。降粘措施非常多，升溫、加藥劑均有一定局限性，特別是針對油泥的復雜性、多樣性，需要多種工藝手段聯合使用和新工藝的研究，如超聲降黏、微波降黏、電磁場降黏等。

3 油泥處理工程論證

為實現高效率、低成本、大規模處理油泥，從2015年開始，我校聯合長慶油田開展了共同研究，最終設計出含油污泥分離處理系統，如圖3和圖4所示。

圖3 含油污泥分離處理系統

圖4 長慶油田現場處理圖片

含油污泥處理系統包括加藥裝置、調制收集撬、離心分離裝置。加藥裝置負責將各種藥劑按照配方調制均勻，由定量泵輸送至調制收集撬。調制收集撬包括氣浮裝置、曝氣裝置、收油裝置、攪拌裝置、加熱裝置、收油箱等組成。氣浮裝置、曝氣裝置產生大量微小氣泡，穿過油泥，形成很多微小通道，便于水滴聚合，同時降低油泥黏度。加熱裝置通過導熱油對油泥進行加熱，一般加熱至70℃。攪拌裝置通過電機帶動槳葉進行勻速攪拌，使油泥各向同性。油泥在撬內均勻攪拌、加熱，與藥劑均勻混合，實現破乳降粘，部分輕質油浮出水面，通過收油裝置將油收集至收油箱，剩下物料輸送至離心分離裝置。抽取樣品進行黏度測試，匹配合適的離心機離心轉速，進行分離，油進入收油箱，水進入污水箱，實現油—水分離。底部油—泥進入固液離心機，分離原理相同。工程中考慮到離心機連續工作，一般調制收油撬為兩個，交錯使用。

進入離心機前，將油泥在撬內加熱至70℃，曝氣裝置、氣浮裝置正常開啟，攪拌槳葉750～1200r/min，開始攪拌速度750r/min，逐步升高至1200r/min，根據油泥特性添加不同藥劑及比例，攪拌30min，收集表層浮油，一般比例3%～10%。取樣測黏度，黏度2Pa.s以下，進入離心機。離心機選擇650系列，即轉鼓內徑650mm，轉速2500～3500r/min，工程一般選擇3000r/min，進行離心分離，生成油和水，其中油進行深度加工，生成汽油、柴油、煤油、瀝青等，水進行過濾、絮凝沉降、化學綜合等方法循環使用。日處理量30～40m3，穩定運行時間2年，說明該原理正確、工藝合理可行，具有普適性。

4 結 論

油泥三相分離工藝方法很多，本文采用調質—機械分離技術，主要觀點如下：

(1)對油泥成分進行分析，確定油泥含水率、含油率，油中各組分比例，為后期油水分離提供基礎數據，特別是飽和烴、芳香烴容易實現油水分離。

(2)建立油—水分離數學模型，并通過試驗論證了模型的可靠，為后期工程處理油泥提供理論基礎。

(3)在長慶油田進行了大量工程試驗，確定了工藝參數，建立了日處理量30-40m3生產線，并穩定運行了2年，論證了數學模型和實驗數據的可行性。

油泥三相分離取得了一定的成績，得到了行業認可，但距離全面工程化還需繼續完善，主要如下：

(1)物料來源不同，形態有一定區別，降低黏度很困難，特別是老化油、聚合物，效果不理想；

(2)數學模型建立過程中，忽略了調制處理中油泥內部形成的通道，水滴運行過程中的合并長大等因數；

(3)本文僅針對長慶油田罐底油泥進行全面研究，落地油泥等不適用該工藝，全國推廣仍需大量試驗工作；

(4)油泥處理相關標準嚴重缺失，需要相關管理部門、企業、高?？蒲性核餐鸩?，引領行業健康發展。