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

在海上油污染事故中，輕質(zhì)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(tài)環(huán)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(yù)報和監(jiān)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(nèi)外科研機構(gòu)都做了很多嘗試。美國萊斯大學(xué)和賓夕法尼亞州立大學(xué)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(fā)了一種環(huán)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(huán)境也會造成污染。北京大學(xué)、清華大學(xué)和中山大學(xué)聯(lián)合研發(fā)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(nèi)[3-4]，但該材料造價高、回收困難，要想投入實際應(yīng)用還有待進一步開發(fā)。

中科院電工所最早提出用電磁流體技術(shù)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(jié)果表明，該裝置回收分離效果明顯，處理后的海水達到國標(biāo)第四類海水水質(zhì)無明顯油膜的標(biāo)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(yīng)用條件，為此，考慮對該實驗樣機進行改進設(shè)計，以使其分離效率更高，環(huán)境適應(yīng)性更好。

1 回收分離系統(tǒng)實驗樣機介紹

電磁流體海面浮油回收分離系統(tǒng)模型見圖1[9]。

圖1 EMHD海面浮油回收分離系統(tǒng)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(guān)鍵部件，置于磁體氣隙內(nèi)，內(nèi)部為電磁流體作用區(qū)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(guān)。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(jié)構(gòu)，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(qū)域得以分散、流速降低，進而大大增加油水分離箱內(nèi)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(shè)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(fēng)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(fēng)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(huán)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(guān)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(cè)板的葉輪，主要由葉片、滾輪轂、滾輪外殼和側(cè)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(nèi)的分布情況見圖3。

圖3 滾輪槽斗內(nèi)氣泡

油的密度介于海水和空氣之間，當(dāng)滾輪裝置內(nèi)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(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)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(tǒng)的分離效率。

圖4 油相體積分數(shù)分布

選用30°、45°和60°三個角度的葉片進行實驗，通過改變轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)分離效率的提高，但使得系統(tǒng)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(yōu)化

氣相組分在電磁流體回收分離系統(tǒng)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(dǎo)致磁流體通道的上部被空氣占據(jù)，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(tǒng)的處置效率。

圖5 氣相體積分數(shù)分布

2.3 改進后系統(tǒng)整體性能模擬

在電磁流體回收分離系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(nèi)的壓力大于滾輪處的壓力。因此，對于整個系統(tǒng)來說，適波性入口不僅解決了海上環(huán)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(tǒng)的油水分離速度。

3 樣機實驗

實驗測試包括靜態(tài)收油試驗和動態(tài)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(tài)收油試驗

靜態(tài)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(tài)收油試驗

動態(tài)收油試驗主要是測試適波性入口在波浪環(huán)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(tài)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(tài)收油還是在有波浪狀態(tài)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(jié)論

1)通過增加適波性入口裝置，解決了海上環(huán)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(tǒng)的壓力數(shù)值模擬結(jié)果表明，其更符合流體的運動規(guī)律，提高了系統(tǒng)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(jié)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(yè)，因此更適用于在真實海況下油膜的回收分離。

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