委内瑞拉油田污泥脱水橇设计

中国寰球工程有限公司北京分公司

污泥处理是油田污水处理中非常关键的部分，随着环保要求日趋严格，污泥处理的无害化和高效化成为必然趋势。污泥脱水是污泥处理的前提，降低污泥的含水率可以有效降低后续污泥处理设备的负荷和处理难度，显著降低污泥处理成本[2]。奥兰治环保部门的研究表明，污泥含水率在78%以下时，含水率每降低一个百分点，每吨污泥的后续处理费用减少US$1以上[3]。

1 工艺流程分析

污泥脱水橇用于处理原油经过脱盐脱水工艺后产生的污泥，处理前污泥含水率为98%、密度为1 050 kg/m3，处理后污泥含水率≤75%，设计流量为25～30 m3/h，操作温度为78 ℃，Cl-质量浓度为29 000 mg/L。

污泥在脱水前需要添加化学药剂絮凝剂来增强脱水效果，絮凝剂与污泥充分反应需要一定时间，出于对系统稳定性和安全性考虑，将污泥脱水橇工艺流程设计为对置布置的可以相互备用的两条线，工艺流程如图1所示。两条线交替工作，一条线的污泥脱水机工作时，另一条线的污泥在污泥混合罐内反应，保证污泥在脱水前有充分的反应时间和总脱水过程的连续性，而且可以保证某条线在检修或故障时系统仍可不间断运行。

图1 污泥脱水橇工艺流程Fig.1 Process flow of skid-mounted sludge dehydration

污泥通过系统上游的泥浆泵加压后进入界区，污泥和化学药剂通过在线快速混合器进行混合，之后进入污泥混合罐。化学药剂选用AC1305MH絮凝剂，使用前需稀释到0.8%～1.0%（质量分数）。AC1305MH絮凝剂是一种中相对分子质量、阳离子高分子絮凝剂，主要通过絮凝剂中带正电荷的基团和污泥中带负电荷的难于分离的粒子相互靠近，降低其电势，使其处于不稳定状态，通过聚合性质使得这些粒子集中成较大的团块，再通过物理方法将团块分离出来[4]。

在污泥混合罐内，混合后的污泥和絮凝剂发生絮凝反应，同质固体悬浮物和胶质聚合成大团块，并释放出吸附的水分。污泥混合罐配置桨叶式搅拌器，使反应更均匀，并加快反应速率。

反应后的污泥，进入污泥脱水机进行脱水。脱出的水分从污泥脱水机底部排出，汇总后排出界区；脱除水分后的污泥形成泥饼，从污泥脱水机的机筒尾部出口排出，通过滑槽进入料斗，然后从料斗底部排出进入水平螺旋输送机，最后通过倾斜螺旋输送机输送到卡车料斗中，由卡车运走。

新鲜水通过气动控制阀后进入污泥脱水机机筒上部的分配流道，经流道分配到机筒内均布的5个喷嘴，按设定程序定期对污泥脱水机内部进行清洗。

2 主要设备及元件

动设备：污泥脱水机、桨叶式搅拌器、螺旋输送机、在线快速混合器等。

(10)状态10(t8～t9)：在t8时刻，uC1减小至零，此刻开通S1，可实现零电压开通.从t8时刻开始，Lr释放剩余电能，iLr处于恒速减小状态，iLr在t9时刻变化为零时，关断Sa4，可实现零电流关断，本状态结束.然后电路返回状态1，进入下一个开关周期的工作.

检测仪表：涡流流量计、流量变送器、超声波液位计、液位变送器等。

管路和阀门：闸阀、气动控制阀、止逆阀、球阀等。

仪表及电路系统：电源分配箱、信号接线箱、变压器、防爆穿线管、穿线盒等。

控制系统：PLC、就地控制盘等。

其他设备：污泥混合罐、齿轮减速箱、滑槽、料斗等。

2.1 在线快速混合器

在线快速混合器是药剂加注和混合的关键部件。如果没有在线快速混合器，由于加药量相比含水污泥量来说很小，加药时药剂仅与部分污泥接触，局部药剂浓度较高引发局部剧烈反应，通过反应药剂被快速稀释，大部分污泥无法参与同药剂的反应，导致总体反应慢、反应效果差，进而导致需要过量添加药剂才能达到要求的反应效果。在线快速混合器可以使化学药剂和污泥连续、瞬时混合，在毫秒级的时间内完成掺混过程，使后续化学反应效果达到最佳，极大提升化学药剂使用的经济性。

在线快速混合器根据是否需要外部供能分为静态式和动态式。静态式混合器是通过混合器特殊的管路结构使液流通过时产生分流、交叉混合和反向旋流三种作用，使加注药剂迅速、均匀地扩散到整个液流中，达到瞬时混合的目的[5]。动态式混合器是通过电动机带动桨叶转动形成搅拌作用，使加注药剂与液流快速混合。

本项目选用两套DYMIX 型在线快速混合器，DYMIX 型在线快速混合器为动静态结合式在线快速混合器，即在混合器内既有静态的管路内件又有动态的转动机构，使混合过程迅速且达到最佳效果。在线快速混合器具体结构见图2。由于污泥中Cl-质量浓度较高，设备本体与污泥接触部分和内件的材质均选用双相钢，其他部分材质选用304 不锈钢。

2.2 污泥脱水机

污泥脱水机是污泥脱水橇的核心设备，用于降低污泥的含水率，常用的污泥脱水机类型有带式压滤机、板框式压滤机、叠螺式脱水机和离心式脱水机[6]。本项目选用叠螺式污泥脱水机，其具有可自清洁、不易堵塞，封闭式、无异味，操作时间短，维护简单，噪音振动小，可连续运行，综合运行成本低等优点。

图2 在线快速混合器Fig.2 On-line flash mixer

叠螺式污泥脱水机主要由机筒、螺旋、叠片组成，叠片分为定环和动环[7]。如图3 所示，粉色部分为定环，绿色部分为固定定环的垫圈，蓝色部分为动环，中间为螺旋。当螺旋转动时，动环被螺旋推动不断与定环咬合和脱开，从而形成对污泥的挤压作用，滤液从叠片间隙形成的滤缝流出，动、静环的相对运动对静环间隙形成连续清洁作用，可有效防止堵塞；污泥被螺旋不断向前推进，随着滤缝和螺距逐渐变小，滤腔内空间不断缩小，污泥的内压不断增强，水分不断脱出，污泥脱水后形成泥饼从机筒尾部出口排出[8]。螺旋在低转速下运行，引起的噪音和振动较小，磨损也较小，设备使用寿命较长。本项目选用两套相同的DYLT 型污泥脱水机，单机设计流量为25～30 m3/h，平均固体回收率23%，操作液位1 m，新鲜水注入消耗量为0.23 m3/h，单机功率为11.2 kW。由于污泥中Cl-质量浓度较高，污泥脱水机与污泥接触部分的材质均选用双相钢，其他部分材质选用304不锈钢，密封垫圈材质选用PTFE。

图3 污泥脱水机内部组成Fig.3 Internal composition of sludge dehydrator

3 自动化设计

污泥脱水橇自动化设计的关键是可以满足无人值守管理[9]。具体做法是整个系统由PLC 控制，PLC 可以通过以太网通信模块上传全厂DCS 显示；在污泥混合罐上安装液位变送器，在污泥入口管线安装涡流流量计和流量变送器；在加药管线和新鲜水管线上安装气动控制阀。根据控制点和I/O口数量，选择西门子S7-200型号PLC，SIPLUS CPU226主机，EM221 数字量拓展模块，以及EM231 模拟量拓展模块。液位变送器采集的液位以4～20 mA的标准信号和流量变送器采集的4～20 mA的标准信号一起输送给PLC。

PLC根据涡流流量计的流量信号和污泥混合罐的液位信号对加药管线上的气动控制阀开度进行PID控制，进而实时控制加药量；污泥脱水机、在线快速混合器、桨叶式搅拌器和螺旋输送机的电动机状态均上传PLC显示和监控；污泥脱水机的电动机状态与系统上游的泥浆泵和加药泵联锁，当污泥脱水机故障时，由PLC控制泥浆泵和加药泵停机并报警和显示故障时间；污泥脱水机的起停均在PLC上操作；桨叶式搅拌器与污泥混合罐的液位信号联锁，当罐内液位位于920～1 030 mm 之间时，桨叶式搅拌器开启，当罐内液位大于1 030 mm 或者小于920 mm时，桨叶式搅拌器关闭；污泥脱水机的清洗程序提前设定在PLC中，PLC控制机筒内的喷嘴依次进行清洗，清洗间隔根据现场调试确定后在PLC中设定。

4 一体化设计

一体化设计的成套设备是将设备、管道、阀门、容器、仪表、电气和梯子平台等在钢结构上成橇，综合成能够实现某种特定工艺要求的独立单元，具有结构紧凑、接口较少、施工简便、售后完善等优点[10]。

本项目中污泥脱水橇采用一体化设计，如图4所示，整个系统被规划为5个部分，每部分的设备和元件集成安装在1个钢结构橇座上，橇座在现场进行拼接成为一个完整的系统。其中，橇座1和橇座2为污泥脱水部分，尺寸均为9 300 mm×4 350 mm；橇座3为电气仪表部分，尺寸为2 200 mm×4 350 mm；橇座4为螺旋输送机区域，尺寸为8 700 mm×900 mm；橇座5 为螺旋输送机区域，尺寸为6 700 mm×900 mm；并通过布置预留出和污泥脱水橇配套的加药系统区域和预留检修区域，系统结构紧凑，实现总占地面积最小。钢结构橇座在现场采用地脚螺栓固定，现场需要按照定位尺寸预留地脚螺栓孔，现场施工界面只有钢结构橇座地脚螺栓固定、灌浆和5个界区管口的连接配管工作。

图4 一体化设计示意图Fig.3 Integrated design diagram

该污泥脱水橇投入使用后，污泥经处理形成泥饼且含水率≤75%，每小时可产生泥饼1.9～2.5 t，脱出污水的水质澄清透明且不存在乳化泥层，系统工作时絮凝剂平均消耗量为0.82～1 kg/h，每季度絮凝剂消耗量约为588～719 kg，系统运行效果良好，达到设计要求。

5 结束语

污泥脱水橇是油气田项目中十分典型的成套设备，通过化学药剂絮凝和叠螺式脱水，可以有效降低污泥含水率，形成澄清滤液，进而有效降低后续污泥处理设备和污水处理设备的负荷和处理难度。通过合理设计，污泥脱水橇采用可互为备用的两条线交替工作，可保证污泥在脱水前与化学药剂有充分的反应时间和总脱水过程的连续性，并可保证某条线在检修或故障时系统仍可不间断运行，系统具有良好的稳定性和自动化性能。通过一体化设计，污泥脱水橇具有集成化、成橇化和高度预制化的特点，实现系统功能区划分合理，占地面积最小，现场施工界面最简和施工量最小。本文总结和分析了污泥脱水橇的设计方法与要点，为同类型项目的执行和相似设备的设计提供了借鉴和参考。