油田污水气浮选沉降罐溶气单元工艺结构优化*

叶 帆 黎志敏 张 菁 赵德银 周 楠

(1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技术研究院 2.中国石化缝洞型油藏提高采收率重点实验室 3.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室)

0 引 言

气浮选工艺用于油田污水处理，其基本原理是向污水中通入空气，经过释放形成大量微小气泡，将这些气泡作为载体，黏附油田污水中的油珠和悬浮絮粒等杂质，形成体相密度低于水相的絮体浮升至水面，分离出油珠和悬浮物，进而达到处理污水的目的[1]。

油田常用的气浮选工艺技术包括射流气浮、加压溶气气浮和溶气泵气浮[2]。射流气浮基于射流喷射器，当污水从喷射器中高速喷出时，在喷射室内形成负压，气体被吸入室内，在气水混合体高速通过混合段时，污水携带的气体被剪切成微小气泡。加压溶气气浮利用空气压缩机和溶气罐将污水加压至300～400 kPa，同时压入空气，使空气溶解于水中，然后骤然减至常压，溶解于水中的空气以微小气泡的形式析出。溶气泵气浮则利用多相溶气泵将空气和污水一并吸入，溶气泵的叶轮将污水和空气旋切成细小泡沫，使其充分混合，同时叶轮高速旋转产生的高压也促使吸入的气体充分溶入到水中，共同作用使其形成稳定的溶气水，当这些溶气水经过减压阀在常压下释放时，便产生微小气泡[3-4]。

尽管已有研究表明污水气浮选处理效果既与污水水质特性相关，又与气浮选工艺运行特征参数相关[5-7]，然而，以溶气泵气浮为例，其溶气单元工艺结构也无疑是影响污水处理效果的一个关键，对于溶气单元的选择与设计，在实践中仍主要集中于对多相溶气泵和管式反应器等外部设施的选型与组合优化，关于溶气单元在气浮选沉降罐内的布气工艺结构对污水分离特性的影响并未形成充分的理解和规律性认识，制约了气浮选工艺从气水混合溶解、微小气泡释放形成到气泡载体作用发挥的一体化优化[8-9]。为此，本文突破对气浮选工艺运行参数优化及溶气设施选型的局限，创新性考虑溶气单元布气工艺控制面积与布气工艺控制液位高度的内在影响，以油田聚合物驱产出污水为对象，兼顾配水单元压力场分布、分离流场中油珠和悬浮物的运动迹线特征及污水中含油、悬浮物的去除效果，进行溶气单元布气工艺结构优化，形成适宜气体释放头数量、适合布气环布局模式及合理布气液位高度的溶气单元工艺改进方案，以期为溶气气浮沉降罐的结构改进与油田污水提效处理提供依据和支持。

1 模型建立

1.1 物理模型

气浮选沉降罐主要由配水单元、布气结构、集水单元、进出水系统和集油系统等构成[2,10]。以1 200 m3罐容规格的气浮选沉降罐为原型，省去沉降罐内的集油系统等辅助部件及加强结构，并省去中心反应筒，来水从沉降罐中心柱管依次流入配水干管和配水支管，再由配水口布于沉降罐内。溶气单元外置溶气设施形成的溶气水回流到内置布气结构，通过布气结构的气体释放头完成对溶气水释放，继而与沉降罐内布水混合，发挥气浮选功能，处理后的污水则从集水口依次进入集水支管和集水干管排出。分别建立以布气环气体释放头布置优化、布气环结构优化及布气结构高度优化的简化物理模型，如图1所示。

图1 简化物理模型

涉及的几何参数汇总如下：罐总容积1 200 m3，罐总高度15 476 mm，罐壁板高度14 350 mm，罐内径10 310 mm，配水干管直径219 mm，配水干管距离罐底高度10 950 mm，配水口距离罐底高度11 100 mm，中心柱管直径1 500 mm，集水干管直径219 mm，集水干管距离罐底高度2 270 mm，集水口距离罐底高度1 400 mm，配水口数量24个，布气环外径6 000 mm，布气环内径5 200 mm，气体释放头间距1 046、942、856及785 mm，气体释放头数量18、20、22及24个，布气结构距罐底高度10 200 mm，双环结构内、外布气环外径4 000及8 000 mm，内、外布气环内径3 200及7 200 mm，内布气环气体释放头间距1 570 mm，外布气环气体释放头间距1 794 mm，内、外布气环气体释放头数量分别为8和14个，布气结构距罐底高度分别为10 600、10 200、9 700和8 700 mm。

1.2 数学模型

由于多相流混合模型(Mixture Model)考虑了相间扩散作用与脉冲作用，且允许各相以不同的速度运动[11]，故在气浮选沉降罐溶气单元工艺结构优化数值模拟研究中选择多相流混合模型，湍流模型选择RNGk-ε模型[12]。控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程[11,13-14]。

质量守恒方程为：

(1)

动量守恒方程为:

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为污水密度，kg/m3；u为污水在x方向的速度，m/s；v为污水在y方向的速度，m/s；w为污水在z方向的速度，m/s；τxx、τyy和τzz为作用于污水微元上的正应力，Pa；τij为作用于污水微元上的切应力，Pa；Fx、Fy和Fz为作用于污水微元上的质量力，N；p为污水微元上的压力，Pa。

2 数值计算

在数值计算中进行以下假设：①污水视为不可压缩流体，是油、悬浮固体和水的三相混合物；②沉降分离过程中沉降罐内油水界面维持在同一高度；③沉降分离过程中污水的温度恒定；④溶气水中溶气量达到饱和，且能够在对应释放压差下获得最完全释放。

2.1 网格剖分及边界条件

利用Gambit生成所建立的简化物理模型的非结构化网格，以不同网格密度按照配水口附近布水区域、布气区域、沉降罐中部自由沉降区域和集水口附近集水区域等4个空间进行剖分[10]。选择沉降罐物理模型壁面为静止状态，沉降罐壁面边界考虑黏性的影响，分别定义并设置沉降罐壁面边界、污水入口边界、污水出口边界、配水口边界及气体释放头边界，同时，给定污水的入口速度，污水出口边界则采用自由出口。

2.2 计算参数

依据油田聚合物驱产出污水水质特性进行含油质量浓度和悬浮物质量浓度取值，聚合物质量浓度取500 mg/L，对应含油质量浓度和悬浮物质量浓度分别取为210和180 mg/L，依据原型气浮选沉降罐的设计规范与生产运行实践，选择100 m3/h的处理量、25%的回流比及0.6 MPa的溶气释放压差[2,8]。

3 布气环气体释放头布置优化

通过改变单环形工艺布气环上均匀分布的气体释放头间距来控制溶气气浮作用面积，并优化布气环上气体释放头的布置。

3.1 配水单元压力场分布

为了考察与布水区域相接的布气区域布气环气体释放头布置差异对沉降罐配水均匀性的影响，取沉降罐上部配水支管位置的横截面，分析污水沉降分离中配水单元的压力场分布，结果如图2所示，其中L表示气体释放头间距。沉降罐配水单元布水的均匀性直接影响沉降分离流场的稳定性及其分离效果。

图2 不同间距气体释放头布置对配水单元压力场分布的影响

从图2可以看出，从中心柱管口位置延伸至配水干管区域，布气环气体释放头在不同间距布置时，均保持较高的压力分布，进入配水支管后压力则明显降低，至配水口时压力降到最低，但在相同处理水质、相同处理量、相同溶气气浮运行工况参数及相同的配水单元结构下，当布气环气体释放头间距为856 mm，也就是布气环气体释放头数量为22个时，布水截面的压力整体降低，尤其在配水支管至配水口的区域，相对于布气环气体释放头其他布置间距，此布置间距下的压力场分布相对更为均衡，这一压力场分布特征将提高沉降处理来水布水的均匀性，改善沉降分离流场的稳定性与污水沉降分离效果。

3.2 粒子迹线特征

图3和图4分别为相同污水在相同溶气气浮运行工况参数下，改变布气环气体释放头布置时沉降分离流场中油珠粒子与悬浮物粒子的迹线特征。由图3和图4可以看出，当布气环气体释放头间距缩小，也就是布气环气体释放头数量增多时，布气区域及以上单位面积内呈抛物线形轨迹向上运动的油珠粒子和悬浮物粒子数量均明显增多，反映出对溶气气浮作用面积的更有效控制，同时，粒子迹线向更为稳定有序的特征演变，揭示出更为均匀稳定分离流场的构建，进而促进布气环气体释放头所释放气泡附着、载体作用的发挥。然而，当布气环气体释放头间距从1 046 mm缩小到856 mm，并继续缩小时，由于相同的回流比和溶气释放压差，使得单位时间、单位气浮作用面积上释放形成的气泡相对增多，气泡间合并的概率便增大，造成连续性大尺寸气泡的产生，在微小气泡发挥浮选效应的同时，有不同连续程度的气相以非混合的状态参与到污水体系混合物的沉降过程中，使得自沉降罐布气区域到沉降区域，粒子轨迹又向混乱特征发展，且有显著的涡流形成，分离流场的稳定性受到冲击，必将影响气浮选效应的发挥。因此，布气环上气体释放头间距为856 mm时，在模拟工况下的溶气气浮运行中能够获得油珠粒子和悬浮物粒子较为稳定有序的运动轨迹。

图4 不同间距气体释放头布置对悬浮物粒子迹线的影响

3.3 沉降分离效果

为了定量衡量布气环气体释放头布置对分离效果的影响，在模拟工况运行稳定后，在气浮选沉降罐集水口高度处取横截面，追踪提取截面上油珠粒子和悬浮物粒子的体积分数分布，并据式(5)计算截面上水质的含油质量浓度和悬浮物质量浓度，将其平均值作为沉降分离出水水质的特性参数[13-16]，从而计算除油率和悬浮物去除率。

cp=1 000ρVf

(5)

式中：cp为沉降分离流场中任一区域位置处污水的含油质量浓度(或悬浮物质量浓度)，mg/L；ρ为污水中油珠粒子(或悬浮物粒子)的密度，kg/m3；Vf为沉降分离流场中任一位置处油珠粒子(或悬浮物粒子)的体积分数。

计算结果反映出在布气环气体释放头间距缩小到856 mm后，继续改变布气环气体释放头布置，除油率和悬浮物去除率不再提高，反而有小幅降低的特征，揭示出此布置下溶气气浮作用面积的控制程度达到极限，这与粒子迹线特征的描述相吻合。模拟工况下，布气环上均匀分布气体释放头间距为1 046、942、856和785 mm(相当于气体释放头数量为18、20、22和24个)时的除油率依次分别为59.89%、61.10%、65.08%和64.32%，悬浮物去除率依次分别为30.76%、31.80%、35.03%和33.77%。

4 布气环结构优化

采用气体释放头总数量为22个的布气工艺模式，通过改变布气环数量(如单环和双环)来控制溶气气浮作用面积，优化布气环结构，以此提高除油率和悬浮物去除率。

4.1 配水单元压力场分布

取沉降罐上部配水支管位置的横截面，分析在不同布气环结构下，污水沉降分离中配水单元的压力场分布，如图5所示。

由图5可以看出：单环形和双环形2种布气环结构下，配水单元具有相似的压力场分布特征，从中心柱管口位置延伸至配水干管的区域，均保持有较高的压力分布，进入配水支管后压力开始下降，至配水口时压力进一步降低；相比之下，双环形布气环结构下配水单元流场压力整体低于单环形布气环结构，压力场分布的均衡性增强，有益于布水均匀性的改善，从配水环节上保证污水分离流场的稳定性和分离效果。

图5 布气环结构对配水单元压力场分布的影响

4.2 粒子迹线特征

图6和图7分别为相同污水在相同运行工况参数时，单环形布气环结构与双环形布气环结构下沉降分离流场中油珠粒子与悬浮物粒子的迹线特征。

图6 布气环结构对油珠粒子迹线的影响

图7 布气环结构对悬浮物粒子迹线的影响

由图6和图7可以看出，相比于单环形布气环结构，双环形布气环结构在布气区域及以上，油珠粒子和悬浮物粒子呈抛物线形轨迹向上运动的特征更剧烈，反映出对溶气气浮作用面积的更有效控制，气泡的载体作用发挥更显著，且在自由沉降区域和集水区域，明显呈现更为稳定有序的粒子运动轨迹，展现了双环形布气环结构在控制溶气气浮作用面积和稳定分离流场方面的优势。

4.3 沉降分离效果

追踪提取不同布气环结构时，气浮选沉降罐集水口高度处截面上油珠粒子和悬浮物粒子的体积分数分布，确定截面上水质的含油和悬浮物含量，计算除油率和悬浮物去除率。可以看出，模拟工况下，单环形布气环结构和双环形布气环结构下的除油率分别为65.08%和66.71%，悬浮物去除率分别为35.03%和36.48%。

5 双环形布气结构高度优化

采用双环形布气结构，内、外布气环上气体释放头均均匀分布，且总数量为22个，共同控制溶气气浮作用面积，通过改变并优化其高度，控制溶气气浮作用液位高度。

5.1 配水单元压力场分布

取沉降罐上部配水支管位置的横截面，分析在双环形布气结构不同下，污水沉降分离中配水单元的压力场分布，结果如图8所示，其中h表示布气结构高度。

图8 双环形布气结构高度对配水单元压力场分布的影响

由图8可以看出，在双环形布气结构不同高度下，配水单元均具有中心柱管口至配水干管区域压力高、配水支管至配水口区域压力低的压力场分布特征，但随着高度的降低，配水单元流场压力整体增大，压力场分布的均衡性下降。如布气结构高度为10.6 m时，配水单元的流场压力更小、分布更不均衡；而布气结构高度为8.7 m时，配水单元的流场压力更大、分布均衡性增强。这种配水单元的压力场分布特征表明，沉降罐溶气单元布气工艺控制液位高度过低时，不利于发挥其对布水均匀性的促进作用，进而也会影响分离流场的稳定性及污水沉降分离的效果[17]。

5.2 粒子迹线特征

图9和图10分别为相同污水在相同溶气气浮运行工况参数下，改变双环形布气结构高度时沉降分离流场中油珠粒子与悬浮物粒子的迹线特征。由图9和图10可以看出：溶气单元中布气工艺双环形布气结构高度在沉降罐内10.6～9.7 m的区域内改变时，分离流场中粒子迹线相似且稳定有序，反映出溶气气浮作用与控制液位高度的有效契合；而当双环形布气结构高度降低到8.7 m时，由于布气区域占据了自由沉降区域，气泡释放形成、气泡附着浮升而带来的扰动使得尤其在自由沉降区域和集水区域，粒子轨迹呈现杂乱特征，冲击分离流场的稳定性，进而将影响出水水质及其波动。因此，10.6～9.7 m的溶气气浮作用液位控制高度，也就是双环形布气结构高度，在模拟工况下油珠粒子与悬浮物粒子能够获得较为稳定有序的运动轨迹和均匀的分离流场。

图9 双环形布气结构高度对油珠粒子迹线的影响

图10 双环形布气结构高度对悬浮物粒子迹线的影响

5.3 沉降分离效果

追踪提取双环形布气结构不同高度条件时，气浮选沉降罐集水口高度处截面上油珠粒子和悬浮物粒子的体积分数分布，确定截面上水质的含油和悬浮物质量浓度，进而计算除油率和悬浮物去除率。表1为溶气单元不同工艺结构下污水的沉降分离效果，其中1 570/1 794表示内环L=1 570 mm，外环L=1 794 mm，余下类同。

表1 溶气单元不同工艺结构下污水的沉降分离效果

从表1可以看出，模拟工况下，双环形布气结构高度为10.6、10.2、9.7和8.7 m时，除油率依次分别为68.29%、66.71%、67.14%和61.94%，悬浮物去除率依次分别为37.59%、36.48%、36.65%和29.96%。

6 结 论

(1)考虑溶气单元布气工艺控制面积及布气工艺控制液位高度的改变，基于多相流混合模型，模拟研究了溶气气浮沉降罐溶气单元工艺结构对油田污水分离的影响，反映出合理的布气环气体释放头布置、布气环布局及布气液位高度是获得高效气浮选的关键。

(2)在模拟工况下，优化确定溶气单元布气环上均匀分布的气体释放头间距为856 mm，气体释放头数量为22个，布气环布局采用双环形布气结构，其高度控制在沉降罐内10.6～9.7 m的区域。溶气单元在此优化工艺结构下，可使油田污水沉降处理的除油率和悬浮物去除率分别达到65%以上和35%以上。