含油污泥-石英砂颗粒混合物的混合分离特性

徐明明，刘会娥，陈 爽，邹兆双，夏 雪

(1.中国石油大学（华东），重质油国家重点实验室，山东 青岛 266555；2.胜利油田现河采油厂，山东 东营 257000)

含油污泥-石英砂颗粒混合物的混合分离特性

徐明明1，刘会娥1，陈 爽1，邹兆双2，夏 雪1

(1.中国石油大学（华东），重质油国家重点实验室，山东 青岛 266555；2.胜利油田现河采油厂，山东 东营 257000)

在内径60 mm、高1 000 mm的冷态气固流化床实验装置上，研究了含油污泥-石英砂混合颗粒的流化特性。实验结果表明，对于含油污泥含量较高的混合颗粒，随着气速由高到低，含油污泥颗粒与石英砂的流化行为可以分为四个阶段，双组分完全流化、石英砂流化-油泥趋于静止、石英砂趋于静止和固定床阶段；通过两组份分层填装流化实验，发现仅通过气流的作用实现颗粒之间的良好混合较为困难；测量了不同气速下体系的混合指数，在较高的含油污泥含量下，含油污泥颗粒的粘性作用较强，较低气速下石英砂表现为浮升组分，随着气速的升高，石英砂出现了由浮升组分向沉积组分的转变。

含油污泥 颗粒 流态化 混合 分离

含油污泥[1]一般指由各种原因造成的落地原油与泥土混合形成的污泥，或是在油田生产过程中排出的含油泥砂，是一种富含矿物油的固体废物，主要成分为原油、泥砂和水。研究表明：含油污泥中含有大量老化原油及有毒有害物质[2-5]，若不加以处理，不仅污染环境，而且影响人类健康。由于含油污泥的来源众多、性质不同，因此处理技术也多种多样，比如干燥焚烧法、焦化法、热解法、溶剂萃取法、生物法等。

热解法是指含油污泥在绝氧条件下加热到一定温度，使烃类物质通过复杂的裂化反应从含油污泥中分离出来，并冷凝回收，该工艺对含油污泥处理得比较彻底[6-8]。由于含油污泥的强粘性，不能单独流化，需添加惰性组分（如石英砂等）。本实验拟对含油污泥-石英砂混合颗粒的冷态混合分离行为进行系统研究，以期为含油污泥的流化床热处理工艺提供基本依据。

1 实验部分

1.1 实验物料

实验物料为干燥后的含油污泥颗粒（OS）以及石英砂颗粒（QS）。含油污泥来自于胜利油田某联合站，在恒温鼓风干燥箱内于105 ℃下干燥至恒重，然后采用索氏提取法测得干燥含油污泥的含油率，而含砂率由减量法测得。筛分得到一定粒径的含油污泥颗粒，然后和不同粒径范围的石英砂按照不同比例混合，形成双组份混合物料，进行流化实验。实验物料性质如表1。

表1 实验物料性质Table 1 Properties of materials

1.2 实验装置

实验装置如图1所示，主要由气源、干燥器、流量计、玻璃流化床和压差计等构成，流化床内径60 mm，高1 000 mm。底部安装法兰与基座，法兰和基座间设置橡胶圈强化密封效果。采用厚0.001 m、开孔率1.0%的不锈钢板作为分布板，设置三层300 目的金属丝网保证气体分布均匀。床层压降由U型管压差计测量；床层高度的测量采用目测法，由流化床底部的标尺读出。

图1 实验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus

1.3 实验方法

首先将石英砂和含油污泥颗粒按不同的质量比例分别在天平上称量好后加入流化床中，保持物料高度一定，随后打开气源通入气体，采用降速法或升速法进行流化实验。在降速法流化中：首先在一定的气速下使床层流化，观察床层的流化状态，待流化稳定后，逐渐减小气体流量，在每一气速下待状态稳定后记录相应的室温、床层压降和气体流量，直至流量降到零。在升速法流化中：首先在床层中加入物料，逐渐增大气体流量，在不同气量下待状态稳定后记录相应的室温、床层压降和气体流量，直至物料完全流化。在上述两种方法中，需要校正气体流量，计算出床层表观气速，做出压降与表观气速的关系曲线。

2 结果与讨论

2.1 降速法测定混合颗粒的最小流化特性

将颗粒混合均匀后从床层顶部加入流化床，打开气源流化10 min，使颗粒进一步混合，之后采用降速法测量床层压降，将床层压降与表观气速的关系作图，可得混合颗粒的流化曲线图，即△P-u曲线。图 2是油泥质量分率分别为5%（a）、25%（b）和30%（c）时混合颗粒的流化曲线。

图2 混合物的床层压降-流化速度曲线Fig.2 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity

结合图2和所观察到的实验现象，在不同的含油率下，可将混合物流化过程分为不同的阶段。

在低含油率下，随着气速的降低，混合物经历由完全流化向逐渐静止的转变，其分别对应流化床和固定床阶段。

在高含油率下，可将曲线可以分为四个阶段：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

在较高气速下，混合颗粒完全流化，处于Ⅳ区，床层压降基本不随表观气速的变化而变化；

随着表观气速的降低至低于完全流化速度uff时，曲线进入Ⅲ区。虽然油泥密度较小，但是部分油泥颗粒受到粘性的影响，气体曳力不足以保证其流动，会逐渐向床层底部沉积，部分油泥颗粒和石英砂颗粒在气体曳力作用下保持流化状态。

表观气速进一步降低，进入Ⅱ区，此区域内可观察到油泥颗粒和石英砂颗粒发生明显的分层，即大部分油泥颗粒沉积在床层底部处于非流化状态，石英砂颗粒随着气速的降低也逐渐趋于静止。

当u低于起始流化速度uif后，即至I区，床层压降曲线出现转折，转折点即为混合颗粒的起始流化状态，此时石英砂颗粒受到的气体曳力也小于自身重力，亦转变为非流化状态，整个床处于固定床状态。

根据上述分析，将高含油污泥含量条件下，混合颗粒运动行为随着气速降低的变化过程示意于图3，

图3 降速时颗粒流化图示Fig.3 Fluidization phenomenology

2.2 升速法测定二组份分层填装实验

为了验证含油污泥和石英砂双组份在流化过程中的混合性能，将此二组分分层填装，如图4所示，并采用升速法测量床层压降，同时观察床层的运动状态，油泥的质量分率取10%。

图4 油泥在上时的分层填装实验现象Fig.4 The fluidization phenomenon with oil sludge on the top

当石英砂在下层时，缓慢增大气速，石英砂慢慢膨胀，而油泥仍呈固定床状态，类似活塞状被推起，床层高度增加。当表观气速进一步增大，石英砂和油泥完全分开，如图4（b）所示。然后，石英砂在下部处于流态化，而油泥在上部仍呈活塞状上下剧烈波动，少部分颗粒冲出玻璃床，如图 4（c、d）所示；气速继续增大，上部油泥床层被冲破，和石英砂一起流化，如图4（e）所示，但由于油泥的强粘性，油泥粘结现象严重，二组分混合效果较差，图4（f）所示为停止流化将物料卸出时的状态，可明显观察到油泥聚团。

流化曲线如图5所示，当气速小于0.04 m/s时，为固定床阶段，分层填装压降基本和混合均匀时的压降相同；当气速进一步增大，石英砂已在底部流化流化且油泥整体被浮起，压降存在一段水平段；当气速进一步升高，气流逐渐开始克服油泥颗粒之间的粘性作用，压降随之上升，但该气速还是不能完全破坏油泥颗粒之间的粘性；气速进一步增大时，油泥剧烈上下运动，部分石英砂扬析出床层，导致压降剧烈波动。

图5 油泥在上时的床层压降-气速曲线Fig.5 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity with oil sludge on the top

当油泥在下层时，随着表观气速增大，可观察到上部石英砂颗粒逐渐完全流化，如图6（a）所示。流化曲线如图7所示，压降曲线分为压降随气速线性增大的固定床段和压降大体平稳的阶段，但后一阶段压降明显低于颗粒预先混合均匀时的水平段压降。停止实验将颗粒卸出，发现油泥在下部呈柱状堆积，证明这部分油泥颗粒未能流化。所观察到的压降主要是由于气流通过油泥之间的缝隙向上流动使上部的石英砂流化所造成的，并非全部颗粒被浮起，这是导致流化曲线平稳段压降明显低于颗粒混合均匀时压降的主要原因，在实验气速范围内，大部分油泥颗粒之间的粘性作用未能被克服。

图6 油泥在下时的分层填装实验现象Fig.6 The fluidization phenomenon when oil sludge is at bottom

图7 油泥在下时的床层压降-气速曲线Fig.7 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity with oil sludge at bottom

由上述实验可以看出，当油泥和石英砂分层填时，仅靠气流的作用实现颗粒之间的良好混合较为困难，两种颗粒预先的均匀混合较为重要。

2.3 混合分离行为

根据颗粒密度和粒度等物性的不同及其在床层中分离行为的差异，Rowe et al[9]将双组份归结为等密度与非等密度混合物两大体系，前者是指同一颗粒、不同粒径的组合，而后者是指两种颗粒密度不同、粒径相同或不同，并定义在低气速操作中最终下沉底部的颗粒为沉积组分，另一种向顶部上浮的颗粒为浮升组分。油泥和石英砂是属于非等密度体系，从密度上看，密度小的油泥应为浮升组分，密度大的石英砂应为沉积组分，但是由于油泥颗粒的强粘性，在流化过程中出现了一些特殊现象。

为了定量描述沉积组分在床中的分布状态，Rowe et al[9]定义了一个混合指数M，即：

式中x为沉积组分在床层顶部的浓度，xj为沉积组分在床层中的平均浓度。M=0时，体系完全分离；M=1时，体系完全混合；0＜M＜1时，体系部分混合，大多数分离操作均介于两者之间。

实验中，取油泥颗粒（粒径0.45～0.7 mm）、和石英砂颗粒（粒径0.105～0.154 mm），按照不同的配比人工混合均匀后从床层顶部加入流化床，再通入空气使床层处于完全流化状态10 min，使床内物料完全混合，然后减速至某一数值，保持此气速5 min后，突然关闭气源，从床层上部的取样口取出床层顶部物料筛分，称量筛分所得石英砂组分的重量，假定石英砂为沉积组分，通过公式（1）计算混合指数M的值。M值随气速变化的情况如图8所示。

图8 混合指数M随气速的变化关系Fig.8 The mixing index curves for different mass fraction of oil sludge in the particle mixture with quartz sand

从图 8中可以看出，当含油污泥的质量分率在5%～15%的范围内时，M值小于 1，说明石英砂确实表现为沉积组分，且随含油污泥质量分率的增加出现下了降趋势；同时在一定的含油污泥质量分率下，随着气速的提高，M值略有上升。当含油污泥的质量分率在5%～15%范围内时，含油污泥颗粒间的粘性作用相对较弱，由于含油污泥颗粒密度小，油泥呈浮升组分特性。二组分混合物的混合分离程度主要取决于它们的密度差别，粒径仅有较小的影响[9，10]，而气体速度却直接影响着沉积组分分散于床层上部的比例与床层中的混合程度；从微观研究粒子与气泡运动状态出发[9-11]，气泡的上升运动乃是引起颗粒混合与分离的唯一原因；气泡及其尾涡夹带的沉积组分在上升过程造成床层扰动与混合；与此同时，床内所残存的局部空穴立即为其上部的颗粒所填充，这些颗粒将由于密度与粒径差别而呈现不同的下降距离，从而发生分离。高气速时，气泡引起床层大量扰动，混合占优势；低气速时，气泡与空穴的交换占优势，更易产生分离。当含油污泥质量分率增加时，由于密度差的作用，作为浮升组分的油泥颗粒更容易在顶部沉积，导致M值随着含油污泥质量分率的提高而减小，同时在一定含油污泥质量分率下气速增加有助于两组份的混合，M值有所增加。

但是当油泥质量分率为20%时，M值更接近于1，分析应是因此时含油污泥颗粒间的粘性作用增强，恰好和体系密度差作用相平衡，混合情况转好。油泥质量分率继续增加，低气速(u/umf≤1.2)时M值出现大于1的情况，表明低油泥质量分率下作为沉积组分的石英砂在此时转变为了浮升组分，随气速的增加，M明显下降，原因是此时含油污泥颗粒粘性作用大大增强，颗粒难于流化，低气速时大部分石英砂和极少部分油泥颗粒率先发生流化，随着气泡的上升，油泥颗粒填充到局部空穴中而下降，从而使顶部石英砂居多；气速增加，油泥颗粒之间的粘性作用得到一定程度的克服，双组份完全流化，M逐渐降低至小于1，表明石英砂向沉积组分转变。表观气速继续增大，M值略有上升，表明气速增大利于双组份的混合。

从油泥和石英砂的密度对比来看，油泥应该是浮升组分。在实验过程中发现，低含油污泥含量时，符合以上推断，但当含油污泥含量较高时，由于体系粘性作用增强导致油泥颗粒聚并，在低气速下油泥颗粒却作为沉积组分在床层底部沉积。先前很多学者在液固流化床中也发现过这种现象[12-14]，并定义为逆转现象。对于气固流化双组份体系，Chiba等[12]发生该现象的条件为小颗粒粒径与大颗粒粒径之比小于0.35且表观气速小于最小流化速度，即当重而小的颗粒足够小且浓度较低时，它才有可能穿过大而轻颗粒间的空隙到床层顶部，实现逆转；气速高于umf时，床层扰动增加，会使重而小的颗粒重新沉积到底部，逆转现象消失。本实验中，含油污泥的粘性作用是导致逆转现象发生的主要原因，且逆转现象发生在体系起始流化速度和完全流化速度之间，若气速继续增大，逆转现象消失。

3 结 论

通过对油泥石英砂双组分混合颗粒最小流化特性的实验研究，得到如下结论：

a）随着气速的降低，高含油污泥含量的油泥-石英砂双组分混合颗粒的流化过程可以分为4个阶段，分别是双组分完全流化、石英砂流化-油泥趋于静止、石英砂趋于静止、固定床阶段。

b）当油泥和石英砂分层填装再进行流化实验时，仅靠气体的扰动的作用使两种颗粒混合较为困难。

c）从密度上分析，石英砂应是沉积组分，但是在高油泥含量下，由于油泥颗粒的强粘性，起始流化阶段，石英砂是作为浮升组分的，二组分完全流化之后，石英砂又转变为沉积组分。

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Investigation on Mixing/Segregation Behavior of Oil Sludge-Sand Particle Mixtures

Xu Mingming1，Liu Huie1，Chen Shuang1，Zou Zhaoshuang2，Xia Xue1
(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, China;2.Xianhe Oil Production Plant of Shengli Oil Field, Dongying 257000, China)

The fluidization behavior of particle mixtures (PMs) of oil sludge and sand was investigated in a cold model glass fluidized bed, with 60 mm in I.D. and 1 200 mm in height.The experimental demonstrates that，for the PMs of high oily sludge content，with the decrease of gas velocity, the fluidization process can be divided into four periods, complete fluidizing of both particles, sand fluidizing-oily sludge tending to be static, sand tending to be static and finally fixed bed. If the oily sludge and sand particles were charged into the bed separately, it was difficult for the two kinds of particles to mix adequately merely by the disturbing of gas. The mixing index was investigated under different velocities. Because the adherence among oily sludge particles is strong under high oil sludge content，and the sand behaved as flotsam component under low gas velocity and it changed to jetsam component gradually with the increase of gas velocity.

oil sludge; particle; fluidization; mixing; segregation

TQ051.7 文献标识码：A

1001—7631 ( 2011 ) 05—0460—07

2011-09-06;

2011-10-11

徐明明(1988-)，男，硕士研究生；刘会娥(1972-)，女，副教授，通讯联系人。E-mail:liuhuie@upc.edu.cn

中央高校基本科研业务费专项资金资助（10CX04015A）；国家自然科学青年基金(21106187)；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（BS2011NJ0210）