气浮技术在海上平台含油污水处理中的应用

摘 要 文章主要介绍了海洋石油平台含油污水处理工艺中气浮净化技术应用的情况，简要描述了微气泡产生的过程和机理，并分别对常规气浮和新气浮技术作了描述，在常规气浮技术方面着重介绍了喷射诱导气浮和溶气气浮，在新气浮技术方面着重对近年来出现的紧凑式旋流气浮（C F U）、微气泡发生装置和紧凑式旋流溶气气浮（C D F U）等进行详细阐述。认为新型气浮技术是海洋平台污水处理未来应用不可抗拒的方向。

D OI：10．3969/j．issn．10053158．2015．04．007

文章编号：10053158（2015）04002202

韩旭，2006年毕业于沈阳航空工业学院热能与动力工程专业，现在中海油能源发展边际油田开发项目组从事海洋石油工程设计工作。通信地址：天津市开发区第五大街51号，300457

0　引 言

气浮净化技术是在待处理水中通入大量高度分散的微气泡，使之作为载体与悬浮在水中的杂质絮粒相互黏附，形成整体密度小于水的浮体，依靠浮力作用一起上浮到水面，以完成固液、液液分离的净水方法。

传统的气浮处理可分为溶气气浮法、诱导气浮法、电解气浮法和化学气浮法等四类。在海上油田含油污水处理中应用广泛的气浮方法主要有溶气气浮法和诱导气浮法。随着海洋石油开发的不断深入和三次采油技术的应用，开采的原油中含水率越来越高，海上的污水排放和注水标准也在不断提高，常规的溶气气浮和诱导气浮净化技术已很难适应现有的生产环境。因此，油水分离效率高，占地面积小和质量轻的高效气浮处理技术是当前海上气浮处理技术的发展趋势。近年来，以C F U技术发展最为迅速，关注度也最高。

1　气浮分离原理

气浮是利用高度分散的微小气泡作为载体去黏附污水中的油污，使其随气泡浮升到水面，气泡破裂后，油滴聚集、聚结后去除。气浮分离分为三个过程：①气泡产生，即在水中产生足够数量的微小气泡。②气泡和悬浮物附着，气泡与悬浮物碰撞、黏附后形成稳定的气固液三相接触体。③分离，气泡带着悬浮物上升聚集，气泡破裂，悬浮物聚集后排出。

各种气浮处理方法最本质的区别，在于水中形成气泡的方式选择、气泡的大小控制、强化浮选过程中微气泡与油滴碰撞等。

2　常规气浮方法

2．1喷射诱导气浮

喷射诱导气浮在现今的海洋平台油田含油污水处理当中已得到了广泛的应用。它采用四个喷射器及对应的四级浮选腔，来水经过浮选腔时，喷射器利用高速喷射的水流吸入气体，气体在喷射器内形成微细气泡。气泡在浮选腔内上升过程中黏附油珠和固相颗粒，升至液面，由撇油器将其清除，达到除油渣的目的。喷射诱导气浮的优点在于动力设备少、结构简单，可实现全封闭运行。

在实际应用过程中，喷射诱导气浮法暴露了许多问题：①返回20%～30%的水，占据浮选室体积，缩短了进口来水的停留时间，不利于浮选。②文丘里管进气量难于调节，并且喷射速度很大，容易造成乳化。③如果循环泵选用离心泵，离心泵转速在1 500～3 000 r/min，也容易造成乳化。④气泡直径通常在100μm以上。⑤运行中需使用大量化学药剂。多个海洋平台的使用情况表明，该气浮装置的处理效果欠佳。

2．2溶气气浮

溶气气浮根据加压方式不同可分为四种：全流程溶气气浮法、部分溶气气浮法、部分回流溶气气浮法和加压溶气气浮法。目前海上油田应用最成熟、最广泛的是加压溶气气浮 ［1］。

加压溶气气浮是依靠水泵将经气浮设备处理后的一部分净水回流加压进入溶气罐，同时通过空压机的压力将空气压入溶气罐，空气在一定的压力下溶入水中，然后通过释放器将溶气水压力恢复到常压，释放出大量的微气泡。其特点为：气泡直径小（一般为20～100μm）；溶气压力高，溶气量大；可人为控制气泡与含油污水接触时间。

溶气气浮的缺点是：①动力设备多，存在噪声和油污等，能量消耗大。②返回20%～30%的水，同样占据浮选室的体积。③运行过程中需要大量的药剂。④停留时间长（15～30 min），占地面积大。据多个海洋平台的使用情况反映，该气浮装置的处理效果尚可，但维修维护不方便，运维成本高。

3　新型气浮技术

随着对含油污水处理要求的提高，尤其是部分海洋区块进入高含水期，出现了多个含水率高达90%的油田区块，常规气浮装置越来越难以满足生产污水处理的要求，占地面积小的高效水处理设备的研制就显得极为关键。

20世纪90年代以来，旋流气浮技术得到越来越多的重视。1983年，J．D．Miller等设计第一台用于油水分离的充气水力旋流器 ［2］。国内褚良银、陈文敏等也对充气水力旋流器进行了相关研究 ［3］。近年来气浮与低旋流离心力场组合技术得到很大的进展，出现了一批紧凑型组合处理设备。如Epcon、Siemens、Veolia Cophase等公司的C F U装置，Gibson的IG F旋流气浮技术。

近年来国内外以旋流气浮为核心技术的气浮净化技术得到了长足的进展，并有多个成功应用案例，对如下几种具有代表性的气浮新技术进行介绍。

3．1 C F U

目前在海上油田现场应用业绩最为突出的当属挪威Epcon ［4］公司的紧凑型气浮装置，该设备将旋流技术引入到气浮中，大大提高了气浮浮选、集聚效果，具有油水分离效率高，停留时间短等优势。

含油污水由罐体的切向入口进入，经由容器内入口导片形成旋流并产生离心力作用，油滴和气泡等较轻的成分将被甩向罐中间，因密度小于周围的水而结合并上升，通过气泡的上升对油滴进行浮选；同时，砂子和其他较重颗粒将向管壁移动，并沿罐壁向罐底下沉，并从罐底部的油泥出口排出；气泡吸附在较小油滴逐渐凝聚，结合产生较大的油滴，最终在气浮室中液体的上层形成油或乳状液的连续层，产生的油、气通过分离管道出口连续不断地被清除；处理过的水由入口导片与内筒之间的间隙流至罐底部，经过水平圆板的缓流后，由罐体底部的排水口排出。

该装置在渤海某平台上有过实际应用，据现场实际反映，处理效果不太理想。究其原因主要是：该油田所产原油为重质原油，密度接近于水，在分离过程中两者所产生的离心力相差不大，导致入口处离心作用下降，进而影响处理效果。但其在中国南海海域的部分轻质原油油田的应用中产生了很好的处理效果。

3．2微气泡发生装置

国内某技术公司与美国多相流系统集成公司（M SI）合作开发了一种细微气泡发生器和一种压力式气浮分离装置 ［5］。首先，清水或净化水进入细微气泡发生器的进液腔，而气体则进入气腔，在气体内外压差和水流剪切的共同作用下利用中心的微孔管不断产生出微气泡。含有微气泡的溶气水通过出液腔被输送到气浮分离装置的切向溶气水进管，为气浮作用提供气泡源。此装置通过微孔布气和旋流作用能够产生大量直径小于10μm的均匀微气泡，具有更大的黏附能力，能更加有效地脱除污水中50μm以下的微小油滴。

目前在国内已有多个海洋平台和陆地终端成功应用。该套装置仅是通过旋流技术实现对微气泡的制取，在实际应用中需要与传统的气浮装置相结合，进而减小气浮装置的体积，加大处理效率。由于系统内设备繁多，造成处理工艺复杂、生产操作繁琐。

3．3 C D F U

C D F U技术是溶气浮选、旋流和絮凝等技术为一体的高效油水分离装置 ［6］。具有代表性的是国内某科研院所研制的新型复合高效油水分离装置和某科技公司研制的溶气旋流一体式气浮。

3．3．1新型复合高效油水分离

新型复合高效油水分离技术装置是由管道式导流片型分离器、一级立式筒形气浮装置和二级立式筒形气浮装置组成。其中：管道式导流片型分离器包括导流片、旋流腔体、开孔锥段、积液腔室和导流弯头；一级立式筒形气浮装置包括气浮筒体、清水出口管、油气出口管、气浮循环管路；二级立式筒形气浮装置包括气浮筒体、水平侧面进液管、清水出口管、油气出口管和气浮发生器。该装置利用了高速旋流原理和气泡吸附作用。该套装置正处于实验中试阶段，并有良好的效果，但需要在运行过程中加入大量的化学药剂。3．3．2溶气旋流一体式气浮

该科技公司研制的溶气旋流一体式气浮通过采用先进的流体仿真技术合理组织旋流场，提高离心力

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