水力旋流分離技術處理稠油采出水現場試驗

中油遼河油田特種油開發公司

稠油污水通常是指從熱采稠油中分離排出的含油污水，因其具有黏度大、油水密度差小、乳化嚴重、溫度高且成分復雜的特點，處理難度往往高于普通含油污水。遼河油田作為中國最大的稠油生產基地，各類稠油污水產量達8×104m3/d，占據污水總產量的65%[1-3]。隨著社會對保護生態環境認識的加強，國內各大油田在結束污水外排歷史的同時，相繼加大污水處理技術的攻關力度，全面塑造更加清潔、高效、可循環的企業新形象。為此，開展了水力旋流分離技術處理稠油污水的現場試驗研究。

1 稠油污水水質

稠油的物性體現了“三高一低”的特點，即：重度高、黏度高、瀝青及膠質含量高，含蠟量低。稠油污水受稠油開采過程影響，具有含油量高、含雜質多、油水密度差小、乳化嚴重且黏滯性強等特點[4-5]。遼河油田某脫水站采用兩段式熱化學沉降對稠油進行脫水處理，污水產生量約1.8×104m3/d，主要來源為兩段沉降罐底部排出水，其中二段沉降罐排出水直接回摻一段沉降罐，一段沉降罐排出水與凈水劑混合后進入污水罐進行除油、除懸浮物處理，處理后合格水全部作為注汽鍋爐原料水使用。現場分別對兩段沉降罐底部排出水進行取樣化驗，其水質特征見表1。

表1 稠油污水水質特征Tab.1 Quality characteristics of heavy oil sewage

2 旋流分離裝置

2.1 技術原理

水力旋流分離技術以離心分離原理作為基礎，利用流體壓力產生旋轉運行，使不同密度差的介質實現分離。旋流分離器工作時，待分離混合液從裝置進口沿切向流入，高速旋轉產生強烈渦流，由于混合液中輕重組分的密度不同，在離心力作用下，輕組分（油、懸浮物）將向裝置回轉壁面處運動，并在壁面附近聚集，在旋流過程中，逐漸向底流出口運動，最終排出裝置[6-7]。同時，重組分（水）將向旋流器中心軸處運動，形成中心核并向裝置入口方向運動，經溢流口排出裝置。旋流分離裝置結構如圖1所示。

圖1 水力旋流分離裝置結構Fig.1 Structure of hydrocyclone separation device

2.2 裝置流程及參數

中試階段，兩臺旋流分離器安裝地點選在上述脫水站轉水泵房外，采用可切換的并聯（單級旋流分離）與串聯（雙級旋流分離）安裝方式，裝置前端混合液進口管線分別與一段沉降罐、二段沉降罐排出水匯管相連，并設置入料變頻控制泵1臺（額定排量20 m3/h，揚程23 m），破乳藥劑投加點1處，溢流出口管線與污水處理罐進液匯管相連，底流出口管線與二段沉降罐進液匯管相連。旋流分離器中試流程如圖2所示。

中試設計參數：一級旋流分離器入口壓力≤1.2 MPa、溢流出口壓力≤0.6 MPa、底流出口壓力≤0.3 MPa；二級旋流分離器入口壓力≤0.35 MPa、溢流出口壓力≤0.2 MPa、底流出口壓力≤0.2 MPa；處理量1.5～5 m3/h。

3 現場應用效果

為保證污水處理效果，旋流分離器嚴格按照中試設計參數運行，當設備狀態平穩后可切換至自動運行模式。現場應用期間，人工每隔30 min分別對旋流分離器入口、一級溢流出口、二級溢流出口進行取樣，同時調節旋流分離器處理量、分流比、加藥量及旋流分離級數，對比分析處理后水體含油量及懸浮物含量變化情況[8]。

3.1 一段沉降罐污水處理效果

一段沉降罐底部排出水含油質量濃度范圍15 259～17 346 mg/L，懸浮物質量濃度范圍23 241～26 523 mg/L，中試運行參數見表2，處理效果如圖3、圖4所示。

表2 一段沉降罐污水處理中試參數Tab.2 Pilot test parameters of sewage treatment in the first section settling tank

圖2 水力旋流分離器現場流程Fig.2 Field flow of hydrocyclone separation

圖3 一段沉降罐污水含油量變化曲線Fig.3 Change curve of oil content of sewage in the first section settling tank

圖4 一段沉降罐污水懸浮物含量變化曲線Fig.4 Change curve of suspended solids content of sewage in the first section settling tank

不投加破乳劑，污水經單級旋流分離處理后含油質量濃度降至9 086～9 993 mg/L，懸浮物質量濃度降至20 896～23 662 mg/L，除油效率達40.45%～43.74%，除懸浮物效率7.01%～18.04%；污水經雙級旋流分離處理后含油質量濃度降至5124～8168mg/L，懸浮物質量濃度降至14 887～15 307mg/L，除油效率提高至52.28%～59.56%，除懸浮物效率提高至34.14%～43.87%。由于旋流分離器進液含油量、懸浮物含量較高，除油、除懸浮物效率并未隨旋流分流比的提高出現明顯增加。

投加TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳劑，保持分流比10.87%，污水經單級旋流分離處理后含油質量濃度降至7 007～9 421 mg/L，懸浮物質量濃度降至20 157～21 918 mg/L，除油效率達44.03%～58.33%，除懸浮物效率達11.96%～20.08%；污水經雙級旋流分離處理后含油質量濃度降至5 214～7 010 mg/L，懸浮物質量濃度降至12 211～13 896 mg/L，除油效率提高至58.31%～68.99%，除懸浮物效率提高至44.68%～50.95%。污水除油、除懸浮物效率隨破乳劑投加濃度增加而逐步提高，在破乳劑質量濃度為350 mg/L時達到最佳。以一段污水旋流處理量108 m3/d、破乳劑加藥量0.015 t/d計算，全年產生藥劑費用約4.2萬元，電費約1.2萬元。

3.2 二段沉降罐污水處理效果

二段沉降罐底部排出水含油質量濃度范圍為1 987～2 389 mg/L，懸浮物質量濃度范圍為777～906 mg/L，中試運行參數見表3，處理效果如圖5、圖6所示。

表3 二段沉降罐污水處理中試參數Tab.3 Pilot test parameters of sewage treatment in the second section settling tank

圖5 二段沉降罐污水含油量變化曲線Fig.5 Change curve of oil content of sewage in the second section settling tank

圖6 二段沉降罐污水懸浮物含量變化曲線Fig.6 Change curve of suspended solids content of sewage in the second section settling tank

不投加破乳劑，污水經單級旋流分離處理后含油質量濃度降至1 772～2 021 mg/L，懸浮物質量濃度降至691～894 mg/L，除油效率達5.86%～13.52%，除懸浮物效率達1.32%～23.15%；污水經雙級旋流分離處理后含油質量濃度降至786～942 mg/L、懸浮物濃度降至684～854 mg/L，除油效率提高至53.2%～63.1%，除懸浮物效率提高至5.74%～23.48%。雙級旋流分離下，除油效率較除懸浮物效率提升較為明顯，且分流比大于15%時分離效率更佳。

投加TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳劑，保持分流比21.88%，污水經單級旋流分離處理后含油質量濃度降至145～334 mg/L，懸浮物質量濃度降至145～157 mg/L，除油效率達86.02%～92.7%，除懸浮物效率達79.79%～82.51%；污水經雙級旋流分離處理后含油質量濃度降至36～57 mg/L，懸浮物質量濃度降至128～135 mg/L，除油效率提高至97.61%～98.19%，除懸浮物效率提高至82.63%～84.98%。破乳劑的加入使污水除油、除懸浮物效率大幅提高，當破乳劑質量濃度達到200 mg/L時便可獲得高效的油水分離效果。以二段污水旋流處理量76.8 m3/d、破乳劑加藥量0.015 t/d計算，全年產生藥劑費用約4.2萬元，電費約0.75萬元。

4 結論

（1）對于稠油污水，旋流分離技術能夠提供較好的除油、除懸浮物效果，且性能穩定。從處理后的污水水質來看，雙級旋流分離效果優于單級旋流分離效果，此外，TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳劑的加入使雙級旋流分離后的污水除油效率提升35.09%，除懸浮物效率提升61.5%。

（2）由于旋流分離器依靠機械結構分離去除污水中的原油及懸浮物，分離效果與污水本身含油量、含懸浮物量緊密相關。在不投加破乳藥劑前提下，針對含油質量濃度大于15 000 mg/L稠油污水的單級、雙級旋流分離除油率均能夠保持40%以上，分離效果優于含油質量濃度小于2 500 mg/L的低含油污水。

（3）旋流分離裝置安裝相對獨立，對已建稠油脫水及其他水處理工藝不會產生影響。裝置可根據現場生產需要，在單級、多級旋流分離模式間任意切換，操作過程具有較好密閉性，防止了高溫污水中的可揮發性氣體擴散對環境造成污染。

（4）在投加破乳藥劑前提下，水力旋流分離器有效增加了污水中油的回收量，減少了浮渣產生量。經現場應用，該脫水站全年可回收原油約380 t，直接效益達84.62萬元。隨著旋流分離技術投入工業規模化應用，稠油污水處理量將逐年增加，該技術在經濟效益上的優勢將會更加突出。