張 寧

氣浮選器升級(jí)改造研究與應(yīng)用

張 寧

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

從海上油田水處理系統(tǒng)氣浮選器原理和結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了氣浮選器的運(yùn)行現(xiàn)狀和氣浮裝置的缺點(diǎn)，利用了氣泡粒徑對(duì)除油效率的影響，優(yōu)化了浮選器的氣泡發(fā)生裝置，同時(shí)加以內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造，成功在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。氣浮選器升級(jí)改造后，處理后水質(zhì)提升50%，改善明顯，同時(shí)降低了水質(zhì)達(dá)標(biāo)成本，對(duì)其他油田設(shè)施污水處理系統(tǒng)的提質(zhì)增效具有指導(dǎo)意義。

氣浮選器；微氣泡；結(jié)構(gòu)改造；水質(zhì)提升

在海上油氣田，氣體浮選除油技術(shù)通常被選擇作為生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)的二級(jí)設(shè)備。對(duì)于一些密度接近水的油品，采用自然重力沉降法很難從水中除去，尤其是海上平臺(tái)要求設(shè)備體積小，面積有限，采用氣浮法則特別有效。

油田現(xiàn)有浮選器為誘導(dǎo)噴射氣浮，由于其產(chǎn)生氣泡不均勻，且氣泡體積較大，在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)處理水質(zhì)變差，液位計(jì)受氣泡影響波動(dòng)明顯。嚴(yán)重影響氣浮處理效果，加氣浮選功能一直未能較好實(shí)現(xiàn)，浮選器處理后水質(zhì)較高，導(dǎo)致下游核桃殼過(guò)濾器處理壓力增加，注水水質(zhì)不理想。為了進(jìn)一步提升水處理系統(tǒng)水質(zhì)，計(jì)劃對(duì)浮選器進(jìn)行升級(jí)改造，提高氣浮處理效果，首先是對(duì)外部的氣泡發(fā)生裝置進(jìn)行優(yōu)化，再根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和摸索對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到進(jìn)一步提升氣浮選處理效果的目的。

1 氣浮選器簡(jiǎn)介

1.1 氣浮選器原理

氣浮處理法就是向廢水中通入空氣，并以微小氣泡形式從水中析出成為載體，使廢水中的乳化油、微小懸浮顆粒等污染物質(zhì)黏附在氣泡上，隨氣泡一起上浮到水面，形成泡沫一氣、水、顆粒（油）三相混合體，通過(guò)收集泡沫或浮渣達(dá)到分離雜質(zhì)、凈化廢水的目的[1]。浮選法主要用來(lái)處理廢水中靠自然沉降或上浮難以去除的乳化油或相對(duì)密度接近于1的微小懸浮顆粒

1.2 氣浮選器運(yùn)行現(xiàn)狀

投產(chǎn)初期，浮選器投用以后的使用狀況跟設(shè)計(jì)要求差別較大，氣浮循環(huán)泵上線后，液位計(jì)數(shù)值很不穩(wěn)定，從而影響到了液位的控制。浮選器自動(dòng)除油功能在實(shí)際使用中不理想，達(dá)不到及時(shí)除油的效果，后改為每天2次手動(dòng)提升液位排油。很長(zhǎng)一段時(shí)間，由于從撇油器來(lái)的液體含油比設(shè)計(jì)要求的少很多，而且水系統(tǒng)化學(xué)藥劑注入量多，再經(jīng)過(guò)下游核桃殼過(guò)濾器的處理，氣浮循環(huán)泵不投用也可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，故實(shí)際運(yùn)行中基本把浮選器當(dāng)作一個(gè)重力沉降的油水分離器使用，處理效果一般，浮選器入口水質(zhì)與出口水質(zhì)相差無(wú)幾。目前由于注水水質(zhì)要求提高，核桃殼過(guò)濾器處理壓力較大，濾料更換頻繁，且化學(xué)藥劑費(fèi)用高，急需對(duì)氣浮選器進(jìn)行升級(jí)改造，提升處理效果。

2 改造升級(jí)

通過(guò)對(duì)氣浮選器的原理研究可以知道：

1）當(dāng)微氣泡粒徑越小，單位體積的溶氣水中的微氣泡比表面積越大，比表面積越大，所具有的黏附能力更強(qiáng)[2]。

2）當(dāng)粒徑越大時(shí)，具有相同粒徑的油滴和氣泡上浮速度相差越大，兩者產(chǎn)生黏附的概率越小。所以，要提高對(duì)水中難以分離的微小油滴的氣浮分離效率，應(yīng)將微氣泡粒徑控制在較小的范圍。

為了最多地俘獲懸浮物，氣浮中的氣泡應(yīng)盡可能小，并分布均勻。根據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示了減壓釋放后的氣泡大小和飽和壓力的關(guān)系，在壓力大于0.45 MPa后進(jìn)行減壓釋放時(shí)，氣泡直徑可小于30μm。

改造技術(shù)要點(diǎn)如下：

圖1 氣泡直徑和絕對(duì)壓力關(guān)系曲線

1）懸浮絮體（分散相）可以被氣泡黏附，黏附是決定氣浮法成敗的關(guān)鍵[3]；

2）采用微氣泡去黏附微小懸浮顆粒；

3）利用水力旋流的浮選作用使懸浮物從水中被分離出來(lái)。

2.1 罐外改造

現(xiàn)有浮選器罐外設(shè)置有200 m3·h-1的循環(huán)泵，將出水的30%左右返回至罐內(nèi)，返回水通過(guò)文丘里管吸入氣體并同水混合，形成氣泡，再返回浮選器浮選。這種浮選器屬于射流浮選的類型，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）返回30%左右的水，占據(jù)了浮選器的體積，縮短了進(jìn)口來(lái)水的停留時(shí)間，不利于浮選；

2）文丘里管進(jìn)氣難以調(diào)節(jié)；

3）文丘里管的噴射速度很大，容易造成乳化。

為了解決射流浮選存在的問(wèn)題，在罐外新增一套注氣式溶氣水制備裝置，將其改為溶氣式浮選器。新增注氣式溶氣水制備裝置包括：氣體過(guò)濾器、氣體注入器、微氣泡篩分器、循環(huán)水泵[4]。

罐外改造原理：以0.6～0.8 MPaG天然氣作為氣源，用氣量為回收水流的6%～10%，經(jīng)過(guò)氣體過(guò)濾器后制備微氣泡。循環(huán)水泵將系統(tǒng)處理水量的5%～10%，加壓循環(huán)回流，總?cè)軞馑闪考s為

80 m3·h-1，天然氣用量為8 m3·h-1（0.8 MPaG壓力下）。高效旋流微氣泡篩分器將未溶解氣和大氣泡分出，生產(chǎn)微氣泡，粒徑均勻細(xì)膩[5]。其技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）過(guò)飽和溶氣高效切割技術(shù)制備微氣泡；

2）高效旋流分離大氣泡，生成微氣泡粒徑均勻、細(xì)膩；

3）穩(wěn)定釋放技術(shù)，不會(huì)堵塞，提供穩(wěn)定的分離場(chǎng)；

4）回流比小于10%；

5）浮選氣可以為：可燃?xì)?、氮?dú)?、空氣?/p>

圖2 濃濃的微氣泡“云層”均勻上升，黏附捕捉能力強(qiáng)，與清水界面清晰

2.2 罐內(nèi)改造

現(xiàn)有浮選器罐內(nèi)進(jìn)水為“豐”字形布液裝置，帶壓溶氣水釋放后，易對(duì)水流產(chǎn)生攪動(dòng)，影響油滴的聚集效果[6]。改造原理：

1)進(jìn)水管: 增加彎管使罐內(nèi)產(chǎn)生弱旋流，增加入口溶氣水釋放口；進(jìn)水管改造為切向進(jìn)水型式，增加彎管，產(chǎn)生弱旋流場(chǎng)，提高油滴與氣泡的碰撞概率，并且切向進(jìn)液，油滴在中間聚集，提高收油效率；

2)收油槽：利用原環(huán)狀收油槽，收油區(qū)增加導(dǎo)流片，使中間收油區(qū)浮油更易進(jìn)入收油槽；

3)溶氣水釋放管：底部增加8根微氣泡釋放管，使同一平面釋放的微細(xì)氣泡分布更均勻；

4)增加出水擋板：底部增加出水擋板建立清水緩沖區(qū)域，與出水口形成緩沖空間；

5)出水管路：出水管和循環(huán)水出水管向內(nèi)延長(zhǎng)，使出水口位于清水區(qū)上層，避免與排污口干擾。

圖3 改造前后罐內(nèi)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 改造后收油擋板

3 改造后現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

3.1 處理效果

改造后，浮選C處理水質(zhì)明顯改善，由之前的40 mg·L-1降至20 mg·L-1左右，選取浮選器C與未改造的浮選A/B處理水質(zhì)對(duì)比。

圖5 浮選器A/B/C水質(zhì)對(duì)比

由圖可知, 改造后，同等工況下，浮選C處理后水質(zhì)明顯比浮選A/B低，水中含油降低50%左右。水質(zhì)提升明顯。

3.2 藥劑加注情況

改造前生產(chǎn)水系統(tǒng)絮凝劑加注量為200 mL·min-1,清水劑加注量為100 mL·min-1,浮選器C出口水質(zhì)40 mg·L-1左右，升級(jí)改造后，處理水質(zhì)改善的情況下，絮凝劑注入量下降至150 mL·min-1，每年節(jié)約絮凝劑注入量25%。

3.3 核桃殼過(guò)濾器壓差變化

生產(chǎn)水處理系統(tǒng)為三級(jí)處理，先經(jīng)過(guò)撇油器處理，再到氣浮選器，經(jīng)注水增壓泵加壓，最后到核桃殼過(guò)濾器處理成合格的生產(chǎn)水[7]。持續(xù)監(jiān)測(cè)改造后核桃殼濾器水質(zhì)變化，結(jié)果如圖6所示。

注：8月17日改造完成

由圖可知：改造前，核桃殼過(guò)濾器F-2650/2654出口水中含油值為15 mg·L-1，且隨來(lái)液波動(dòng)較大；改造后，出口含油均值降低為6.8 mg·L-1，降低幅度為51.8%。表明改造后，有更好的出口水質(zhì)。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

氣浮選器升級(jí)改造后處理能力提升，核桃殼濾料更換頻率由1年1.5次降低到1年1次，核桃殼過(guò)濾器濾料成本約為10萬(wàn)元，更換濾料人工成本6萬(wàn)元，目前油田共6個(gè)核桃殼濾器，若全部更換濾料，則成本為（10+6）×6=96萬(wàn)元[8]。改造前每年更換核桃殼濾料費(fèi)用為96×1.5=144萬(wàn)元，改造后為96萬(wàn)元，每年節(jié)省費(fèi)用48萬(wàn)元。同時(shí)還節(jié)省了大量的人力物力，降低了高風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)限作業(yè)的次數(shù)。

絮凝劑注入量由200 mL·min-1降低至150 m L·min-1, 每年節(jié)省藥劑26.28方，節(jié)省藥劑費(fèi)用：26.8×0.8=24.4萬(wàn)元，大大降低了生產(chǎn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)的成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

氣浮選器的升級(jí)改造提升了立式氣浮的處理效果[9]，恢復(fù)了氣浮設(shè)計(jì)能力，減輕了核桃殼處理壓力，增強(qiáng)了抗波動(dòng)能力，提升了處理系統(tǒng)水質(zhì)，同時(shí)減少了化學(xué)藥劑使用量。保障了油田實(shí)現(xiàn)“注好水、注夠水、優(yōu)質(zhì)注水，滿足了油田提液穩(wěn)產(chǎn)”的應(yīng)用目標(biāo)[10]，對(duì)其他油田氣浮選器的升級(jí)改造具有指導(dǎo)意義。

[1] 谷玉洪，劉凱，周光元．3 種氣浮設(shè)備處理油田污水的試驗(yàn)［J］．油氣地面工程，2000，19 (4): 21-22．

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[3] 謝濤. 緊湊型氣浮選裝置除油效率提升改造與清洗優(yōu)化設(shè)計(jì) ［J］．技術(shù)研究，2021，9：73-74

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[7] 余炯．旋流分離/氣浮技術(shù)在某采油平臺(tái)生產(chǎn)水處理中的應(yīng)用［J］．油氣地面工程，2000，47( 10):133-135

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Research and Application of Upgrading of Air Flotation Separator

（CNOOC Energy Technology &Oil Production Service Co. Tianjin 30045, China）

Starting from the principle and structure of air flotation separator in offshore oilfield water treatment system, the operation status of air flotation separator and the shortcomings of air flotation device were analyzed. Making use of the influence of bubble particle size on oil removal efficiency, the bubble generator of flotation device was optimized, and internal structure transformation was carried out, which was successfully applied in field. After the upgrading of the air flotation separator, the treated water quality was improved by 50%, and the cost of meeting the water quality standard was reduced. The paper has guiding significance for improving the quality and efficiency of the sewage treatment system of other oilfield facilities.

Air flotation separator; Microbubbles; Structural transformation; Water quality improvement

TQ028.9+4

A

1004-0935（2022）03-0364-04

2021-11-23

張寧（1989-），男，工程師，江蘇徐州人，2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：海上油田油氣水處理、油氣輸送以及提高采收率等油田開(kāi)發(fā)開(kāi)采研究。