旋流气浮装置试验对比分析

朱梦影　程涛　孔冰　王越淇　郭奕杉

摘      要：某油田为了紧凑高效解决油田污水处理难题，对A厂家CFU和B厂家CFU样机进行试验对比分析。A厂家CFU和B厂家 CFU原理类似，均是基于低强度旋流和气浮，A厂家CFU内部设计相对简单。油田根据生产水处理流程特点，选择水离心机上游和注水增压泵下游进行试验。这两次CFU测试结果表明，该油田生产水质量变化很大，通过离心机、注水增压泵等设备剪切作用后，会增加水中含油的稳定性，增大水中含油处理难度，CFU设置在上游处理效果优于下游;该油田生产水处理的主要问题是小颗粒油滴为主的水包油乳化液和含油固体悬浮物较多，全尺寸设计时需要添加反相破乳剂和适当增加停留时间。

关  键  词：旋流气浮;低强度旋流分离;油田污水处理;海上油田

中图分类号：TE953       文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）07-1468-04

Test and Comparative Analysis of CFU Devices

ZHU Meng-ying1， CHENG Tao2， KONG Bing1， WANG Yue-qi1， GUO Yi-shan1

（1. Bohai Oilfield Research Institute of CNOOC Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. CNOOC Pengbo Operating Company， Tianjin 300459， China）

Abstract： In order to solve the problem of oilfield sewage treatment compactly and efficiently， A CFU and B CFU prototype were tested and compared. The principle of A CFU is similar to that of B CFU. Based on low intensity cyclone and air flotation， the internal design of A CFU is relatively simple. According to the characteristics of production water treatment process， the upstream of water centrifuge and downstream of water injection booster pump are selected for testing. The two CFU tests show that the quality of produced water varies greatly in this oilfield. After shearing by centrifuges and water injection booster pumps， the stability of oil content in water will be increased， and the difficulty of oil treatment in water will be increased. The effect of compact air flotation device installed in the upstream is better than that in the downstream. The main problem of water treatment in this oilfield is oil-in-water emulsion with small oil droplets as the main part. For oil-bearing solid suspension， reverse demulsifier and residence time should be added in full-scale design.

Key words： Swirl air flotation; Low-intensity swirl separation; Oilfield wastewater treatment; Offshore oilfield

油田含油污水具有含油量高、溫度高、含盐量大等特点，而且开采过程中为增加产量而大量注入的各种药剂，也会增加污水处理的难度^[1]。对于海上平台而言，由于空间、承重等原因，陆地油田所采用的成熟的污水处理技术无法直接在海上平台应用，目前常用的斜板隔油器+气浮选器+核桃壳过滤器无法应对污水处理量增大的难题^[2]。由于常规污水处理技术难以有较大突破，研究人员基于低强度旋流和气浮原理推出了紧凑型气浮装置（Compact Flotation Unit，CFU），希望达到紧凑、高效处理油田含油污水的目的^[3]。

国外早在20世纪就开始旋流气浮装置（CFU，下同），以A厂家CFU最为成熟、应用最为广泛，国内研究多始于2007年之后，其中B厂家CFU，北京石油化工学院BIPTCFU曾在渤海地区进行试验^[3]。为了解决海上某油田面临的含油污水处理难题，对A厂家CFU和B厂家CFU试验机进行试验对比，研究污水处理难点，寻找合适的处理工艺。

1  旋流气浮装置介绍

1.1  A厂家 CFU工作原理

A厂家CFU是一款内筒外旋式旋流气浮装置，罐内主要装置有中空整流桶、螺旋导片等。含油污水注入氮气和化学药剂之后，经混合器充分混合、入口管道加速后沿切向进入罐内，在螺旋导片作用下形成弱旋流，浮油等轻组分由于旋流和气浮作用沿整流桶外壁上升，在罐中心聚集后排出，水相经整流桶从罐底排出^[5]。

1.2  B厂家CFU工作原理

B厂家CFU是一款内筒内旋的旋流气浮装置，见图1，主要由圆柱-圆锥罐体、切向水入口、内筒等组成，含油污水从CFU底部的两个切向入口进入容器，产生旋流和离心力，在气浮和离心力作用下，密度较小的油聚集在中间，随着整体向上运动从容器顶部中间撇油短管被排出。当流体流至容器中上部时，水慢慢向外流动流向外环腔室，细小油滴和气泡进一步被分离，处理后的水向下排出容器^[4]。

1.3  两种CFU比较

对两种CFU运行参数等进行比较，如表1所示。

2  CFU现场试验

某油田进入高含水期，油田产水量逐年增加，含油污水的性质也发生了变化，固体悬浮物含量增多、乳化程度加重等导致污水处理难度加大，需要对现有的污水处理工艺进行改造和优化。该油田FPSO水处理流程如图2所示，来自各生产分离器和砂处理系统的含油污水进入闪蒸罐，经闪蒸罐脱气撇油处理之后通过双螺杆式水泵增压、滤器过滤掉较大颗粒物质之后进入碟片式水离心机进行处理，在离心机中除去油和悬浮物之后进入缓冲罐，经离心式注水泵增压后与海水混合进入下游平台。

不同厂家的CFU装置分别在FPSO上试验，试验点选择如图2所示，分别为生产水滤器下游（0.35 MPa，87 ℃）和注水增压泵下游（0.12 MPa，85 ℃），每4 h对入口和出口取样做水中含油化验，使用Turner Designs（特纳）500D便携式紫外荧光水中油测定仪，利用异己烷作为萃取物。

3  试验结果

3.1  A厂家CFU测试结果

A厂家CFU在第一个接入点试验结果如图3所示，可以看出CUF入口污水含油较多，而且变化较大，测试期间最大含油率3 900 μg·g^-1，最小含油率410 μg·g^-1。A厂家CFU一级处理之后含油率降至300 μg·g^-1左右，经过第二级处理，出口含油率能稳定在25 μg·g^-1左右。A厂家CFU除油率经过前期调整，能稳定在98%左右。测试期间由于分离器冲砂，污水含油率增至3 900 μg·g^-1，该CFU仍保持良好的处理效果，出口水中含油率稳定在25 μg·g^-1左右。

A厂家CFU在第二个接入点试验结果如图4所示，经过水离心机处理，水中含油相对稳定，最大质量分数460 μg·g^-1，最小质量分数380 μg·g^-1，平均含油质量分数427 μg·g^-1;经过两级CFU处理，优化化学药剂注入量后水中含油质量分数最低可以处理到90 μg·g^-1，最大除油率80%，平均除油率67.2%，表现出较好的除油效果。

3.2  B厂家CFU测试结果

该油田在A厂家CFU测试之后对闪蒸罐进行了改造，增强了其撇油功能，污水中无明显浮油，改造之后对B厂家CFU性能进行测试，其注入氮气但上游不注入化学药剂，测试结果如图5所示。入口含油率由于上游流程进行了改造，含油质量分数比较稳定，最大317 μg·g^-1，最小157 μg·g^-1，平均含油质量分数197 μg·g^-1，经过B厂家CFU一级处理，流程稳定之后含油质量分数能稳定在60 μg·g^-1左右，除油率也能稳定在60%左右。

由于上游流程改造优化，第二个接入口水中含油质量分数也显著降低，最高112  μg·g^-1，最低34 μg·g^-1，平均含油質量分数60 μg·g^-1。与A厂家CFU表现类似，B厂家CFU在改点表现不如第一个接入点，最低除油率6%，最高除油率43%，平均除油率21%，见图6。

4  结果分析

4.1  水包油乳化液

通过两组试验可知，油田采出水中没有严重的水包油乳化液问题，B厂家CFU在不添加化学药剂的基础上，在第一个接入点通过一级处理水中含油率能稳定在60 μg·g^-1左右，A厂家CFU通过添加化学药剂，一级处理之后含油率降至300 μg·g^-1左右，经过第二级处理，出口含油率能稳定在25 μg·g^-1左右。

生产水闪蒸罐改造之后，CFU入口水质取样可以看出，水中的油悬浮物由非常细小的液滴组成，这些油滴无法自主漂浮液面从而被撇除。无色CFU出口样品表明，该悬浮液中的游离油滴大多数被CFU去除了，两种CFU出口排放管线取样表明，排管管线内含油量较大，油在排放口管线高度浓缩。

4.2  反向破乳剂注入

通过试验也证明，注入反乳化剂可以明显去除水中的乳化油。反向破乳剂是带有小电荷的极性化合物，其目的是中和油滴的电荷并促进聚结^[6]。生产过程中由于各种药剂和阀门节流等共同作用形成稳定的小液滴乳化液，小液滴比大液滴更具极性，因此增加了水处理难度，由于小液滴存在，通过CFU或者离心机处理，残余油浓度保持在一定的位置。

如果已知乳状液只能通过剪切形成非聚结和高能液滴而产生细液滴从而保持物理稳定，那么反向破乳剂化学物质可能能够破坏界面并促使液滴聚结。

4.3  含油固体

细颗粒作用于油/水界面，阻碍油滴的沉降，由于砂粒、粉砂、黏土以及水垢等细小固体的存在，油性物质覆盖在固体颗粒表面，从而使乳化油更加稳定，更加难以处理^[7]。通常，如果油覆盖在悬浮固体表面，表面油具有高密度、大分子或者高黏度，聚结这些油性固体可导致油和固体混合物形成大团块，从而堵塞工艺设备，而这种固体悬浮物在油田的采出水中很明显。

在第一个接入点，CFU主要问题是含油固体的存在，A厂家CFU第20个测试点时，由于分离器冲砂，进口污水中含油固体增多，导致一级出口含油率明显增多，通过二级处理之后含油率基本符合要求。B厂家CFU测试期间也遇到类似问题，该CFU第5个测试点入口含油固体增多，导致分离器除油率只有8%。这表明尽管CFU技术能除去大部分细小的游离油，但高密度的固体不能被去除，其中很大一部分在水相中离开了容器。

在样品中观察到的大部分固体呈不规则形状，这表明它们可能不仅仅包含沙子，一些可能是重烃相某些组分的结垢或沉淀的结果。在油水分析过程中，溶剂萃取之后，溶剂相包含大量可能沉淀的重烃化合物。

降低通过容器的流速可使含油固体有足够的停留时间被去除。出口样品的外观与较高流速下的样品相比差异很大。大部分悬浮的含油固体已被移入油相，并通过排出口从容器中排出。总之，尽可能为含油固体的漂浮提供足够的停留时间，并使其远离容器出口，然而这需要一个更大的容器来获得额外的时间。

5  结 论

1）通过观察这两次CFU测试可以看出，该油田生产水质量变化很大。CFU在生产水滤器下游的表现优于其在生产水注水增压泵下游的表现。两个测试点试验表明：通过离心机、注水增压泵的混合作用，生产水中的乳化液在第二个测试点变成稳定的乳化液，只是通过调节化学药剂和氮气的注入量，CFU很难将其分离出来。所以全尺寸的CFU最好安装在生产水滤器下游，这样不仅有更好的CFU除油率，而且为水离心机提供更好的水质保障。

2）通过比较这些CFU的测试结果，A厂家表现出最好的除油率和稳定性。冲砂作业是蓬勃的一项日常工作，冲砂期间，生产水中含油砂量快速增长，使水中含油率增长至3 000 μg·g^-1，比平时条件高得多。

3）通过比较这些CFU技术，两个厂家的原理是类似的，基于气液比重不同的机械分离、结合气浮和诱发性离心力这些原理作用在流体上，停留时间大概为30 s。A厂家的CFU内部设计最简单，B厂家的CUF有油水分离复杂的环空。A厂家CFU有两个相同的一级容器，一个序列有两级，内部空间包括一个叶轮来引导水在一个可控的油气界面，气液界面通过排放管线保持稳定。

4）通过试验表明，该油田生产水处理的主要问题是小颗粒油滴为主的水包油乳化液和含油固体悬浮物，全尺寸设计时需要添加反向破乳剂和增加停留时间。

参考文献：

[1]马强，程涛，朱梦影，等.旋流气浮一体化技术在油田污水处理中的应用[J]. 石油化工应用，2018（5）：47-52.

[2]姜东方，刘德俊，邓宗竹，等.油水旋流分离器研究方法分析[J].当代化工，2011，40（5）：502-504.

[3]马兆峰， 许建军，邓常红，等. 旋流气浮+双介质过滤技术应用于渤海油田污水处理[J]. 工业水处理，2016，36（5）：87-89.

[4]陈涛涛. 含油污水处理用立式多级气旋浮装置的理论与实验研究[D].北京：北京化工大学，2015.

[5]陈家庆，韩旭，梁存珍，等.海上油田含油污水旋流气浮一体化处理设备及其应用[J]. 环境工程学报，2012，6（1）：87-93.

[6]EFTEKHARDADKHAH M， AANESEN S V， RABE K， et al. Oil Removal from Produced Water during Laboratory- and Pilot-Scale Gas Flotation： The Influence of Interfacial Adsorption and Induction Times[J]. Energy & Fuels， 2015， 29（11）：7734-7740.

[7]祝威. 固体颗粒对油田采出水性质的影响[J].中国石油大学学报（自然科学版），2008，32（5）：126-131.

基金项目：国家科技重大专项，渤海油田高效开发示范工程（项目编号：2016ZX05058004-003）。

收稿日期：2020-03-16

作者簡介：朱梦影（1990-），女，天津市人，工程师，硕士学位，2015年毕业于中国石油大学（北京）石油与天然气工程专业，研究方向：海上平台工艺及海管设计。E-mail：zhumy6@cnooc.com.cn。