溶氣式浮選機排污流程改造與運行參數優(yōu)選

郭奕杉 李耀全 張大釬 王超 朱夢(mèng)影 周薛

（1.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司 天津 300459；
2.中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300459；
3.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452）

氣浮選裝置主要用于去除水中懸浮物質(zhì)，在油田污水處理系統中應用廣泛［1］。按照供氣方式的不同，可將氣浮選裝置分為溶氣氣浮、電解凝聚氣浮和引氣氣浮等三類(lèi)［2-3］。目前國內外對溶氣氣浮的研究大多集中在如何提高其去除固體雜質(zhì)的效率，但在選擇和評價(jià)不同廠(chǎng)家的氣浮選裝置時(shí)，往往忽視了設備在含硫油田應用的安全性［4-5］，且相關(guān)處理能效提升的研究多基于數值模擬或室內試驗，缺乏油田現場(chǎng)實(shí)際數據的支持。渤海油田某中心平臺CEPX所處理的生產(chǎn)水中，硫化氫濃度可達300 mg／L以上，但該平臺所使用的溶氣式浮選機底部排污管線(xiàn)初始設計為開(kāi)放式對空排放，排污過(guò)程給人員安全和環(huán)境污染帶來(lái)了較大隱患，為降低隱患而降低排污頻次又會(huì )使注水水質(zhì)產(chǎn)生波動(dòng)，對油田生產(chǎn)不利。為從根本上解決該設備的排污隱患，提高處理能效，本研究基于現有排污流程對該氣浮選設備的排放管線(xiàn)進(jìn)行改造，并分析現場(chǎng)設備在不同工況下的處理效果，優(yōu)選出最佳運行參數，為該設備的安全、高效、穩定運行提供參考。

1.1 工藝流程

位于渤海油田某中心平臺CEPX主甲板的ADNF-550型氣浮選機，溶氣氣源為氮氣，設備主體材料為Q345R鋼，設備相關(guān)參數見(jiàn)表1。該設備主要由進(jìn)水室、斜板區（氣浮區）、收油槽、清水室、氣浮循環(huán)泵、溶氣罐等組成（圖1）。上一級設備處理后的生產(chǎn)水進(jìn)入溶氣式浮選機前，水中含油濃度為130～180 mg／L。生產(chǎn)水通過(guò)進(jìn)水室到達浮選設備斜板區，與溶氣罐出口的氣水混合物所釋放的微小氣泡（粒徑范圍30～50μm）混合，微小氣泡進(jìn)入絮體內部與其緊密結合，粘附水中的油滴和絮體［6-7］，比重較輕的油滴和絮體上浮至水面凝聚成浮油和浮渣，通過(guò)刮渣機刮至收油槽后，排放至下游污油罐，比重較重的固體顆粒在斜板區沉降至罐底形成污泥層，由操作人員定期手動(dòng)排污，以保持進(jìn)水室和設備內部整體清潔［8-9］。經(jīng)處理后的生產(chǎn)水進(jìn)入清水室，再通過(guò)重力作用去往下一級設備。

表1 ADNF-550溶氣式浮選機技術(shù)參數Table 1 Technical parameters of ADNF-550 dissolved gas floatation machine

圖1 溶氣式浮選機工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of dissolved gas floatation machine

1.2 排污問(wèn)題分析

設備運行時(shí)，CEPX平臺溶氣式浮選機內的有毒害氣體硫化氫濃度可達300 mg／L，如此高濃度的硫化氫如被人員吸入會(huì )造成嚴重后果?？梢?jiàn)設備初始設計的開(kāi)放式對地漏排污方式（圖2）難以適用于平臺的日常安全生產(chǎn)。平臺投產(chǎn)之初，采取了降低氣浮選機底部排放頻次的方式以降低排污帶來(lái)的安全生產(chǎn)風(fēng)險。但隨著(zhù)設備運行時(shí)間的增加，污泥等雜質(zhì)的積累及其對水質(zhì)的影響也日益增加。此外，出口懸浮物總量的超標也增大了下游核桃殼過(guò)濾器的處理壓力［1］。在此情況下，現場(chǎng)采用提高清水劑和絮凝劑注入濃度的方式以確保整體流程的水質(zhì)達標，但顯著(zhù)增加了處理成本。為從根本上解決該平臺生產(chǎn)水處理問(wèn)題，需對溶氣式浮選機工藝流程進(jìn)行改造，實(shí)現設備隨時(shí)、定量地進(jìn)行安全排放。

圖2 CEPX平臺溶氣式浮選機底部開(kāi)放式排污管線(xiàn)Fig.2 Bottom open sludge discharge pipe of dissolved gas floatation machine in CEPX platform

2.1 改造可行性分析

改造的最終目的是將開(kāi)式排放改造為安全、可靠的閉式排放。對已有流程管線(xiàn)布置進(jìn)行了分析，計劃將氣浮選機底部開(kāi)放式排污管線(xiàn)連接至收油槽的閉式排放垂直管段下游（圖3），改造后底部雜質(zhì)與頂部油渣將利用設備之間的高度差，通過(guò)重力作用排放至污油罐。當污油罐中的污泥沉積到一定量后，利用外接污泥泵將底部泥質(zhì)抽出，返陸地處理，使雜質(zhì)徹底轉出生產(chǎn)流程。

圖3 溶氣式浮選機排污管線(xiàn)改造示意圖Fig.3 Schematic diagram of sludge discharge pipe transformation of dissolved gas floatation machine

為確保改造后的排污流程能夠滿(mǎn)足現場(chǎng)應用，須對收油槽至污油罐管線(xiàn)的流量進(jìn)行分析計算。氣浮選機收油出口距離污油罐的高度為17 m，氣浮選機收油出口到污油罐入口距離為53 m，收油管內徑為0.101 m。利用列賓宗公式［10］，計算可得該收油管線(xiàn)最大通過(guò)量為169.5 m3／h，大于設備頂部最大收油量（27.21 m3／h）與底部最大排污量（34.05 m3／h）之和（61.26 m3／h）?？梢?jiàn)設備底部排污時(shí)不會(huì )影響頂部正常收油流程，改造后的流程可以實(shí)現頂部收油與底部排污作業(yè)同時(shí)進(jìn)行［11-12］。

2.2 溶氣式浮選機底部排污管線(xiàn)改造

首臺溶氣式浮選機改造目標為CEPX平臺上4臺浮選機中最常用的D機。施工準備工作完成后，將生產(chǎn)水處理系統切換至備用的A系列后將氣浮選機D下線(xiàn)。選擇距離污油槽排放管線(xiàn)最近的底部排泥管段盲板處，按照實(shí)施方案進(jìn)行現場(chǎng)管線(xiàn)開(kāi)孔、打磨焊接、管線(xiàn)連接工作。氣浮設備排污管線(xiàn)改造后，原開(kāi)放式地漏排污口棄用，將對地漏排放閥門(mén)V1進(jìn)行隔離上鎖，污泥和雜質(zhì)通過(guò)閉式排污管線(xiàn)安全地從溶氣式浮選機處理流程中流出（圖4），有效地降低了生產(chǎn)水中懸浮顆粒的含量，并從根本上消除了高含硫化氫介質(zhì)排污產(chǎn)生的安全隱患。

圖4 溶氣式浮選機排污管線(xiàn)改造前后設備對比Fig.4 Comparison of dissolved gas floatation machine before and after sludge discharge pipe transformation

3.1 排污頻次

定期開(kāi)啟手動(dòng)排放閥進(jìn)行排污作業(yè)過(guò)程中，排污頻次的確定尤為關(guān)鍵，頻率過(guò)高會(huì )導致污油罐液位波動(dòng)大，過(guò)低則造成雜質(zhì)的持續積累。經(jīng)過(guò)對現場(chǎng)水質(zhì)的取樣化驗對比，確定了每日4次、每次排污5 min為合理排放頻次。與改造前相比，氣浮選機清水室出口水質(zhì)得到了明顯改善，固體懸浮物總量平均值由55 mg／L降低至35 mg／L，水中含油量平均值也下降了10 mg／L。經(jīng)過(guò)定期排污，氣浮選機下一級設備生產(chǎn)水緩沖罐出口至最后一級生產(chǎn)水處理設備核桃殼過(guò)濾器入口含油污水的固體懸浮物總量穩定在30 mg／L以下，水中含油量穩定在40 mg／L以下（圖5），大大降低了核桃殼過(guò)濾器的處理壓力，確保了最終注水水質(zhì)的全面達標。

圖5 改造前與改造完成并按最優(yōu)頻次排污后氣浮選機出口水樣對比Fig.5 Comparison of gas floatation machine outlet water samples before and after transformation completed and selecting appropriate frequency of sludge discharge

3.2 進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力和回流水比例

流程改造完成后，為進(jìn)一步使設備發(fā)揮良好處理能效，操作人員通過(guò)調整微氣泡發(fā)生裝置的進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力和進(jìn)入氣浮循環(huán)泵的回流生產(chǎn)水比例，對比不同工況下溶氣式浮選機的出口水質(zhì)。

現場(chǎng)試驗中選擇上游來(lái)液水質(zhì)穩定、入口化驗結果一致的時(shí)間段，在3種變量發(fā)生改變的不同工況下，分別保持3 h以上，每30 min取樣一次，將3 h內多次化驗結果的平均值作為該工況下氣浮選設備的出口水質(zhì)進(jìn)行記錄（表2），對比分析并優(yōu)選出除油效果最優(yōu)的設備運行工況參數。

對試驗數據（表2）進(jìn)行分析：當入口水量不變時(shí)，過(guò)低的進(jìn)氣量會(huì )導致溶氣水里微氣泡的濃度不足，不能夠將油滴和雜質(zhì)全部“捕捉”，或無(wú)法形成足夠的浮力帶動(dòng)雜質(zhì)上浮，使得出口水中含油量偏高；
而當進(jìn)氣量高于合理范圍，會(huì )使溶氣罐內的微氣泡濃度過(guò)大，增大了微氣泡之間的碰撞，形成體積過(guò)大的氣泡，此時(shí)氣泡相應的比表面積減小，無(wú)法有效發(fā)揮其作用帶動(dòng)浮油和雜質(zhì)上?。?3］?；诒?數據，當進(jìn)氣量作為唯一變量時(shí)，10 m3／h是設備的最佳進(jìn)氣量。

表2 不同運行參數下氣浮選機出口水中含油量Table 2 Outlet oil in water of dissolved gas floatation machine under different parameters

根據溶氣原理和實(shí)際取樣判斷，當溶氣效果達到理想狀態(tài)時(shí)，氣浮循環(huán)泵出口流體應呈現乳白色，這是大量細密的微氣泡均勻溶于水中，在水流急速狀態(tài)下所呈現出的顏色。過(guò)低的進(jìn)氣壓力會(huì )致使生產(chǎn)水與氣體無(wú)法充分混合，影響氣泡的形成；
過(guò)高的進(jìn)氣壓力則導致溶氣罐中旋流擠壓作用增強，影響微氣泡的穩定存在，進(jìn)而導致氣泡無(wú)法有效地與水中油滴結合。試驗結果表明，當進(jìn)氣壓力在600 kPaG時(shí)，設備出口水質(zhì)最優(yōu)。

回流水的比例過(guò)高或過(guò)低都會(huì )導致微氣泡濃度無(wú)法達到合理范圍，不能處于穩定的溶氣水狀態(tài)，影響處理效果［14-15］。氣浮循環(huán)泵出口沒(méi)有流量計，在實(shí)際生產(chǎn)中需要根據泵特性曲線(xiàn)調節出口壓力來(lái)判斷泵的排量，確保溶氣水量大于設備實(shí)際處理量的10%。試驗中根據實(shí)際情況調整循環(huán)水量，達到貼合實(shí)際工況的最佳比值。通過(guò)結果觀(guān)察，回流水比例為13%時(shí)設備處理效能最佳。

綜上，當進(jìn)氣量為10 m3／h、進(jìn)氣壓力為600 kPaG、回流水比例為13%時(shí)可以達到相對理想的處理效果，以上數據可作為溶氣式浮選機的最優(yōu)工藝參數。

3.3 藥劑注入量

在出口水質(zhì)達標的前提下進(jìn)行試驗，逐步降低生產(chǎn)水系統清水劑與絮凝劑注入濃度，以期減少藥劑成本。氣浮選機出口生產(chǎn)水固體懸浮物總量和水中含油達標值均為50 mg／L，通過(guò)反復摸索和試驗，最終在絮凝劑完全停注、清水劑注入濃度由40 mg／L下調至15 mg／L后，仍可保證處理效果達標并優(yōu)于改造前水質(zhì)（圖6）。經(jīng)過(guò)計算，藥劑注入量調整后每年可節約絮凝劑182.5 m3、清水劑110 m3，一年累計節省化學(xué)藥劑費用達200萬(wàn)元。同時(shí)，從上游源頭將水中雜質(zhì)去除，確保注水水質(zhì)的嚴格達標，減少了井口平臺注水井的酸化頻率。2021年全年，由CEPX平臺獨立注水的下游井口平臺12口注水井中僅有4口進(jìn)行了酸化作業(yè)。本次改造完成后，預計將下游每口注水井平均1次／年的酸化作業(yè)頻次降低至原來(lái)的1／3以下。

圖6 逐步降低化學(xué)藥劑注入量后水質(zhì)的變化Fig.6 Change trend of water quality after gradually reducing the injection amount of chemical agents

1）將中心平臺CEPX溶氣式浮選機底部開(kāi)放式排污管線(xiàn)連接至頂部收油槽的閉式排放垂直管段下游，從而將開(kāi)放式排污改為閉式排污，從根本上消除了高含硫化氫介質(zhì)排污時(shí)產(chǎn)生的安全隱患。

2）通過(guò)確定合理的排污頻次（每日4次、每次排污5 min）、進(jìn)氣量（10 m3／h）、進(jìn)氣壓力（600 kPaG）和回流水比例（13%）及藥劑注入量（絮凝劑停注、清水劑注入濃度15 mg／L），在水質(zhì)處理達標的前提下，每年可節約絮凝劑182.5 m3、清水劑110 m3，下游平臺每口注水井酸化頻次降低至原計劃的1／3以下，降本增效成果顯著(zhù)。

3）對于不同項目，溶氣式浮選機處理的生產(chǎn)水存在物性差異，在不同階段的實(shí)際生產(chǎn)水處理量也存在變化，建議通過(guò)多次試驗摸索適宜現場(chǎng)情況的進(jìn)氣量、進(jìn)氣壓力和回流水比例，以達到良好的浮選設備處理效果，節省藥劑用量。