（化工过程机械专业论文）重污油脱水技术的研究.pdf

摘要 旋流斜板沉降组合分离器是种多机理、多功能化的新型液一液分离设备。它将旋流 与沉降结合一个有机的整体，兼具了普通旋流器的无运动部件、操作方便等优点，同时 又引入了沉降机理，使旋流器的分离性能得到了有效的改善，应用的领域更加广阔。作 为旋流器来看，它增加了一股沉降分离流，处理量更大，分离的效果更好；作为斜板沉 降器来看，由于经过旋流器的高速剪切力作用以后，使后面斜板沉降的处理负荷得到减 轻。 本论文根据轴流导叶式水力旋流器和斜板沉降器的基本结构，设计和制造了几组旋 流沉降样机，在室内实验室对其进行了分离脱水性能的研究，并在实验中对旋流器的叶 片、锥角、分离直径以及斜板沉降的结构尺寸、板长、倾角、布液板等主要结构参数进 行优化匹配。在实验的基础上，通过实验数据的整理，结合理论分析，确定合理的结构 方案，同时分析了进料初始含水量c i 、入口流量q i 、溢流率f 、取样时间t 的影响，确 定合理的操作参数，最后建立了斜板沉降的分离模型。实验表明，该旋流沉降组合分离 器能够有效的降低能耗，提高处理量，并能在高进料量下达到良好的分离效果。 关键词：水力旋流器，斜板沉降器，结构设计，分离脱水性能 s t u d yo ft h eh e a v y o i ld e h y d r a t i o nt e c h n o l o g y w uc u n x i a n ( m e c h a n i c so fc h e m i c a le n g i n e e r i n gp r o c e s s ) d i t e c t e db yp r o f j i ny o u h a i a b s t r a c t t h ec o m b i n i n go fh y d r o c y c l o n ea n ds e t t l e ri san e wl i q u i d - l i q u i dd e v i c ew i t hm u l t i m e c h a n i s m sa n df u n c t i o n s f o ri t si n t e g r a t i no fh y d r o c y c l o n ea n ds e t t l e m e n t , t h ee q u i p m e n t n o to n l yh a st h ea d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a lh y d r o c y c l o n e sw h i c hd o n tp r e s e n tm o v i n gp a r t s a n da l es i m p l et oo p e r a t e ，b u ta l s op o s s e s s e st h es e t t l e m e n ta b i l i t yw h i c hi se x p e c t e dt o i m p r o v et h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo fc y c l o n e sa n de n l a r g et h e i ra p p l i c a t i o nf i e l d a sa h y d r o c y c l o n e ，i ti n e a s e db yas e t t l e m e n to fs e p a r a t e df l o w , t h ev o l u m ed e a lw i t hl a r g e r , b e t t e rs e p a r a t i o n a sas e t t l e r ，a f t e rh y d r o c y c l o n eb e c a u s eo ft h es h e a rs t r e s sa f t e r m g h - s p e e d ，s ot h a tb e h i n dt h es e t t l e r ，r e c e i v e dt r e a t m e n t t oa l l e v i a t et h el o a d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h ea x i a l f l o wh y d r o c y c l o n ea n dt h es e t t l e r ，a s e r i e so fh y d r o c y c l o n e sa n ds e t t l e rw e r ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h er e s e a r c ho f s e p a r a t i o no fd e h y d r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw a sc a r r i e do u t t h ei m p o r t a n ts t r u c t u r e s l i k e l e a v e s ，c o n i c a la n g l ea n dl e n g t ha n di n c l i n a t i o no fp l a t e w e r ec h o s e nt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t c o m b i n e dw i t ht h e o d ra n a l y s i sa n da r r a n g e dd a t a , t h er e a s o n a b l es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h e n e w - s t y l eh y d r o c y c l o n ea n ds e t t l e rw e r ed e t e r m i n e d m e a n w h i l e ，t h ee f f e c to fi n i t i a lw a t e r c o n t e n tc ，e n t r a n c ef l o w9 ，o v e r f l o wr a t ees a m p l i n gt i m et w a sa n a l y z e di no r d e rt o d e t e r m i n et h er e a s o n a b l eo p e r a t i o np a r a m e t e r s t h e ns e tu pas e p a r a t i o nm o d e l t h e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h i sc o m p o s i t e s t r u c t u r ec o u l dr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i n c r e a s e t h ev o l u m e t r i cc a p a c i t ya n dr e a c hf a v o r a b l es e p a r a t i o ne f f e c t i o n k e y w o r d s ：h y d r o c y c l o n e ，s e t t l e r , s t r u c t u r ed e s i g n ，s e p a r a t i o nd e w a t e r i n gp e r f o r m a n c e 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 是杰2 幽 日期： 学位论文使用授权书 冲岁月弓j 日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 是盔2 1 l 指导教师签名： 日期：砷年多月弓】日 日期： 年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 含油废水对环境的污染主要表现在对生态环境及自然环境的严重影响。流到自然 水体中的可浮油，形成油膜后会阻碍大气复氧。断绝水体氧的来源；而水中的乳化油和 溶解油，由于需氧微生物的作用，再分解过程中消耗水中溶解氧，水体形成缺氧状态， 以致鱼类和水生生物难以生存。含油废水排入城市排水管道，对排水设备和城市污水处 理厂都会造成影响，流入到生物处理构筑物的混合污水的含油浓度，通常不能大于 3 0 - - - 5 0 m g l 。否则将影响活性污泥和生物的正常代谢过程，所以必须对含油废水，特别 是重污油废水加以处理，达到标准后才能排放。 1 1 重污油的来源及其特征 含油废水的来源很广，石油工业的采油、炼油、贮油运输及石油化学工业都产生 含油废水，油轮压舱水、洗舱水、机械工业的冷却润滑液、轧钢水，以及食品工业等的 废水中都含大量的油。含油废水中的含油量及其特征，随工业种类不同而不同，同一种 工业也因生产工艺流程、设备和操作条件等不同而相差较大。 污水中不同形态的油有着不同的物理化学性质，在很大程度上决定了相应的不同 的处理方法。通常油类在水中的主要形态有以下几种【i l 。 ( 1 ) 浮油：这种油在水中分散颗粒较大，油粒径一般大于1 0 0 1 x m ，静止后能较快 上浮，连续相的油膜漂浮在水面。 ( 2 ) 分散油：油在水中的分散粒径为1 0 - - - 1 0 0 1 a m ，一微小油珠悬浮于水中，不稳 定，静止一定时间后往往形成浮油。 ( 3 ) 乳化油：油珠粒径小于l o t u n ，一般为0 小一2 p , m 。往往因水中含有表面活性 剂使油珠形成稳定的乳化液。乳化油的稳定性取决于废水的性质及油滴在水中分散度， 分散度越大越稳定。 ( 4 ) 溶解油：油以分子状态或化学方式分散于水体中，形成稳定的均相体系，粒 径一般小于几微米。 ( 5 ) 固体附着油：吸附于废水中固体颗粒表面的油。 1 2 重污油油液的危害 由重污油废水的特点可知，大量的污油废水若不经过处理而任意排放，必将带来 严重的后果。废水排入水体后，漂浮在水面上的原油会隔绝空气，降低水中的溶解氧， 并粘附于水生生物体表及呼吸系统，致使其死亡；溶解于水中的油份，鱼类摄入后会导 l 第l 章绪论 致中毒影响其生长并有异味，不能食用；沉积于水底的油，经过厌氧水解后将产生硫化 氢等有毒气体；重质油品将粘附于泥沙上，会影响水生生物的繁殖。 重污油废水的任意排放，不仅会破坏环境，而且会对油田的安全生产造成威胁。 在1 9 8 0 年以前，大庆油田石油废水处理站的建设速度一直低于石油废水外排的增长速 度，因此不少石油废水外排至附近的水塘内，出现了水塘水位上涨，淹没公路及油井的 现象，由于水塘表面布满原油，还曾发生过两起污油着火事故，其中一次危机滨州铁路， 造成停车2 0 多小时的重大事故。而与此同时，随着采出液含水率的不断增加，回注油 层的生产用水量也日益增加，这又导致了水资源缺乏的问题，进而形成了石油工业生产 用水量大，生产污水排放量亦大的特点。为了节省原油和水资源，保护环境不受破坏， 保证油田的安全生产不会受到石油废水的威胁，就必须对其进行合理的处理利用。 1 3 石油废水水质的分析 为了选择最佳的处理工艺及处理方法，使石油废水在处理后能满足回注地层的要 求，就必须对原水进行水质分析，了解原水的各项污染指标对处理工艺及注水水质的影 响。需对原水进行分析的项目可分为物理性质、化学性质及细菌等几类，现具体分析如 下【2 】【3 】【4 】： ( 1 ) 含油量。含油量是石油废水的主要污染指标，也是污水处理过程中的主要去 除对象，其是堵塞地层的主要因素。 ( 2 ) 悬浮固体。悬浮固体是引起油层堵塞的重要因素，当其颗粒直径大于油层吼 道直径时更易引起堵塞，因此也是处理过程中的主要去除对象。 ( 3 ) 总矿化度。矿化度高对抑制油层粘土膨胀有利，但容易结垢，更容易引起腐 蚀。高矿化度废水对水中溶解氧含量敏感，即使是微量的氧也会引起腐蚀 ( 4 ) 钙离子( c a 2 + ) 。在适宜的条件下( 如水温升高、p h 值增加、c 0 2 减少等) ， c e + 可以与c 0 3 玉、h c 0 3 、s 0 4 2 。、等阴离子结合生成c a c 0 3 垢及难溶解的c a s 0 4 垢或 悬浮物。 ( 5 ) 钡离子( b a 2 + ) 。其可与水中s 0 4 2 结合生成难溶的b a s 0 4 。 ( 6 ) 温度。水温低，则不易处理，水温升高又易出现结垢现象。 ( 7 ) 溶解氧。其是引起腐蚀现象的主要因素之一，而且其腐蚀产物可增加水中的 悬浮物含量。 ( 8 ) 硫化氢。其也是引起腐蚀现象的主要原因之一，而且可与f e 2 + 生成f e s 沉淀。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 此外水中h 2 s 的增加还是硫酸盐还原菌( s r b ) 大量繁殖的标志。 ( 9 ) 二氧化碳。水中游离c 0 2 含量高时，会使p h 值降低而引起腐蚀，系统压力 降低时，c 0 2 会从水中逸出，使碳酸钙的平衡被破坏，从而引起结垢。 ( 1 0 ) 细菌总数( t g b ) 。原水中的细菌以腐生菌为主体，在水中有氧又有养料及 适宜的温度时，会大量繁殖，形成灰白色的絮状物，可引起地层堵塞。 ( 1 1 ) 硫酸盐还原菌( s r b ) 。其大量繁殖可将水中s 0 4 2 还原成h 2 s 造成腐蚀，而 且菌体长度可达5 1 0 9 i n 时易引起地层堵塞。 ( 1 2 ) p h 值。p h 值升高会引起结垢，p h 值降低会引起腐蚀。 1 4 油田回注水的水质要求和水质标准 注水采油时，一般使用河水、海水、江湖水或浅井水与处理后的石油废水混合注 入油层。这几种水都含有不同程度的机械杂质，在处理后的石油废水中除含有一定数量 的机械杂质外，尚含有少量的石油，而且大多数是以微细的乳化油粒的形式存在于水中。 注入水中如含有油，特别是乳化油，就可能与硫化铁之类的固体粒子结合在一起形成乳 化块而堵塞地层。因此，在注水之前，必须对注入水进行相应的处理，使之减少或避免 油层堵塞和油层污染。 由于各油田或区块油藏孔隙结构和吼道直径不同，其相应的渗透率也不相同，因 此注水水质标准也不相同。目前全国各主要油田都制定了适于本油田的注水水质标准， 国家能源部也于1 9 9 6 年颁布了碎屑岩油藏注水水质推荐标准( s y 5 3 2 9 9 6 ) 作为部 级标准，尽管各标准差异较大，但都要符合注入水质的基本要求。当然，不论哪级标准 都不是始终不变的，执行一段时间后在实际的试验经验的基础上要适当的修改。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油水处理的方法及现状 油水分离处理的难易程度随其来源及油污的状态和组成不同而有差异。其处理方 法按原理可分为物理法( 沉降、机械、离心、粗粒化、过滤、膜分离等) ；物理化学法( 浮 选、吸附、离子交换、电解等) ；化学法( 凝聚、酸化、盐析等) ；生物化学法( 活性污泥、 生物滤池、氧化塘等) 1 5 l 。下面介绍几种国内外常见的处理方法【6 1 1 7 1 1 8 1 9 1 。 2 1 物理法 2 1 1 重力分离法 重力分离法【1 0 】是典型的初级处理方法，是利用油和水的密度差及油和水的不相溶 性，在静止或流动状态下实现油珠、悬浮物与水分离。分散在水中的油珠在浮力作用下 缓慢上浮、分层，油珠上浮速度取决于油珠颗粒的大小，油与水的密度差，流动状态及 流体的粘度。它们之间的关系可用s t o k e s 和n e w t o n 等定律来描述。重力分离法的特点 是：能接受任何浓度的含油废水，同时除去大量的污油和悬浮固体等杂质，但处理出 水往往达不到排放标准。在稳定的流速和油含量的特定条件下，可作为二级处理的预处 理。常用的设备是隔油池，包括平流隔油池( a p i ) 、斜板隔油池( p p i ) 、波纹斜板隔 油池【1 1 j 【1 2 】【1 3 1 或称高效除油器( c p i ) 、小型隔油池以及用于收集来自家庭、汽车库、饭 店、医院等的废水油脂的简易隔油井。隔油池水面的浮油可利用集油管排出或采用撇渣 机等专用机械撇出，而小隔油池也可进行人工撇油。重力分离技术是应用最广泛、最实 用的一种油水分离技术。通过对几种重力油水分离设备的比较，h n s i i - i 型分离性能最 优，油中含水质量分数仅为1 5 6 。2 0 世纪7 0 年代中期出现的立式斜板除油罐集立式 除油罐与斜板隔油池的优点于一体，大大提高了除油效率，可基本去除水中的浮油和分 散油。该法适用于除去废水中的浮油、部分分散油、重油以及油固体物等不与水溶解 的有害物质，但不能除去废水中的溶解油和乳化油【1 4 】【1 5 】。 2 1 2 过滤法 过滤法是将废水通过设有孔眼的装置或通过由某种颗粒介质组成的滤层，利用其 截留、筛分、惯性碰撞等作用使废水中的悬浮物和油分等有害物质得以去除【1 6 1 。常用的 过滤方法有3 种【1 7 】【1 8 】【1 9 1 ：分层过滤、隔膜过滤和纤维介质过滤。含油废水经过隔油、 气浮或混凝沉淀一气浮处理后，再用过滤法处理，可使废水中的含油量降到1 0 m g l 以 下或更低。常用的层滤工艺是硅藻土过滤( d e f ) 和砂滤( s f ) ，一般作为深度处 理的预处理。用砂滤池过滤时要求废水中不含重油，以免堵塞砂滤层。膜过滤法又称为 4 第2 章油水处理的方法及现状 膜分离法，是利用微孔膜将油珠和表面活性剂截留，主要用于除去乳化油和某些溶解油。 滤膜包括超滤膜、反渗透膜和混合滤膜等。膜材料包括有机膜和无机膜两种，常见的有 机膜有醋酸纤维膜、聚砜膜、聚丙烯膜等，常用的无机膜有陶瓷膜、氧化铝、氧化钴、 氧化钛等。采用膜分离法处理乳化油废水具有不需加混凝剂、不产生含油污泥、浓缩液 可焚烧处理、透过量和出水水质稳定等优越性，特别适合高浓度乳化油废水的处理。但 采用膜分离前必须先对含油废水预处理，降低进水的污染物含量，使进水水质能够保证 膜元件在一定时间内稳定运行，不产生膜污染。膜使用一定时间后必须采取适当清洗方 法再生。 2 1 3 离心分离法 离心分离法是使装有含油废水的容器高速旋转，形成离心力场，因固体颗粒、油 珠与废水的密度不同，受到的离心力也不同，达到从废水中去除固体颗粒、油珠的方法。 常用的设备是水力旋流分离器。旋流分离器在液固分离方面的应用始于1 9 世纪4 0 年代， 现在较为成熟，但在油水分离领域的研究要晚得多。虽然液固分离与液液分离的基本 原理相同，但二者设备的几何结构却差别较大。脱油型旋流分离器起源于英国。从2 0 世纪6 0 年代末开始，由英国南安普顿大学m a r t i n t h e w 教授领导的多相流与机械分离 研究室开始水中除油旋流分离器的研究，发明了双锥双入口型液液旋流分离器，在试验 过程中取得满意效果。随后，y o u n g g a b 等人设计出的与双锥型旋流器具有相同分离性 能但处理量要高出1 倍的单锥型旋流分离器。经过几何优化设计，c o n o c o 公司提出了 k 型旋流分离器，对于直径小于l o t m 的油滴分离性能提高更加明显。由于旋流分离器 具有许多独特的优点，旋流脱油技术在发达国家含油废水处理特别是在海上石油开采平 台上已成为不可替代的标准设备。该法常用来分离分散油，对乳化油的去除效果不太好。 离心分离法设备体积小、除油效率高，但高流速产生的紊流容易将部分分散油剪碎，而 且运行费用高，因此常用于处理水量少，占地受限制的场合，如海上采油平台、油船等。 2 2 浮选法 浮选法又称气浮法，气浮技术【2 0 】是使大量微细气泡吸附在欲去除的颗粒( 油粒) 上， 利用浮力将污染物带出水面，达到分离目的的技术。因为微细气泡由非极性分子组成， 能与疏水性的油粒结合在一起，带着油粒一起上升，上浮速度可提高近千倍，所以油水 分离效率很高。含油废水中的油，按其表面性质是完全疏水的，且密度比水小，从理论 上讲，应该能互相吸聚、兼并成较大的油粒，借其密度差自行上浮到水面，但由于水中 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 含有由两亲分子组成的表面活性物质，它的非极性端吸附在油粒内，极性端则伸向水中， 在水中的极性端进一步电离，导致油粒表面包围了一层负电荷，从而影响了油粒向气泡 表面的扩散。因此，在气浮前必须先采取失稳措施，通常的方法是投加混凝剂。其作用 一是中和或改变胶体粒子表面的电荷，以破坏使乳化油稳定的乳化剂，提高气浮效果； 二是形成絮凝体，吸附油粒和悬浮物共同上浮，增强泡沫的稳定性。 目前使用的气浮技术包括加压气浮、变压气浮、叶轮气浮、扩散板气浮和电解气 浮等1 2 1 1 瞄l ，其中常用的是加压气浮技术。加压气浮工艺是用加压泵将加有混凝剂的含 油废水打入加压溶气罐中，同时与注入溶气罐的压缩空气混合后上浮；其缺点是絮凝剂 用量大、能耗高且占地面积大。变压气浮装置由气浮装置、浮选装置和溶气系统组成。 它集凝聚、气浮、撇油、沉淀和刮泥为一体，是适宜于含油废水深度处理的水质净化设 备，但工艺还不成熟。 电解气浮技术是利用不溶性电极电解含有乳化油和溶解油的废水，利用电解氧化 还原作用和初生态微小气泡的上浮作用，使乳化油破坏，并使油粒附着在气泡上而去除 油粒的方法。电解产生的气泡捕获杂质的能力较强，去除固体杂质和油粒的效果较好， 缺点是电耗大、电极损耗大，单独使用时不能满足要求。 2 3 生化法 生物氧化法是利用微生物的生物化学作用使废水得到净化的一种方法。 油类是一种烃类有机物，可以利用微生物的新陈代谢等生命活动将其分解为二氧 化碳和水。含油废水中的有机物多以溶解态和乳化态存在，b o d 5 较高，利于生物的氧 化作用。 对于含油质量浓度在3 0 - - 5 0 m g l 以下，同时还含有其他可生物降解的有害物质 的废水，常用生化法处理，主要用于去除废水中的溶解油。含油废水常见的生化处理法 有活性污泥法、生物过滤法、生物转盘法等【2 3 】【2 4 】【2 5 1 。相对来说，活性污泥法处理效果 好，主要用于处理要求高而水质稳定的废水。生物膜法与活性污泥法相比，生物膜附着 于填料载体表面，使繁殖速度慢的微生物也能存在，从而构成了稳定的生态系统。但是， 由于附着在载体表面的微生物量较难控制，因而在运转操作上灵活性差，而且容积负荷 有限。在石化工业炼油厂，含油废水处理常用的工艺流程是隔油一气浮一生化。该工艺 基建费用低，出水水质好，但运行费用较高，特别是当b o d 5 浓度较低时，活性污泥对 油的降解速度很低，系统常在高泥龄( 污泥常量少、更新速度慢) 下运行，泥龄一般在 5 0 、- 1 0 0 d 。b o d 5 低意味着活性污泥菌体养料不足，菌体因内源呼吸而自我消耗，使活 6 第2 章油水处理的方法及现状 性污泥减量而且过于分散、沉降性差，达不到曝气池所需正常的污泥浓度，这种问题课 通过与生活污水等b o d 5 高的污水一起处理而得到解决。 2 4 化学法 2 4 1 药剂法 药剂法，是投加药剂由化学作用将废水中的污染物成分转化为无害物质，使废水 得到净化的一种方法。常用的化学方法有中和、沉淀、混凝、氧化还原等。对含油废水 主要用混凝法。混凝法是向含油废水中加入一定比例的絮凝剂，在水中水解后形成带正 电荷的胶团与带负电荷的乳化油产生电中和，油粒聚集，粒径变大，同时生成絮状物吸 附细小油滴，然后通过沉降或气浮的方法实现油水分离。常见的絮凝剂有聚合氯化铝 ( p a c ) 、三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁等无机絮凝剂和丙烯酰胺、聚丙烯酰胺( p a m ) 等有机高分子絮凝剂，不同的絮凝剂的投加量和p h 值适用范围不同。此法适合于靠重 力沉降不能分离的乳化状态的油滴和其他细小悬浮物。 2 4 2 电化学法 电化学法包括电解法、电火花法、电磁吸附分离法和电泳法。电解法包括电凝聚 和电气浮，电凝聚是利用溶解性电极电解乳化油废水，从溶解性阳极溶解出金属离子( 一 般用作阳极) ，金属离子发生水解作用生成氢氧化物吸附凝聚废水中的乳化油和溶 解油，然后沉淀除去油分【2 7 1 。 电解凝聚与投加化学絮凝剂相比，具有一些独特的优点：可去除的污染物种类广 泛，反应速度快，适用的p h 范围宽，所形成的沉渣密实，澄清效果好，占地面积小， 操作方便。但是电解凝聚也存在阳极消耗量大、阳极钝化、耗电量高等缺点。前苏联一 炼油厂用三相交流电电凝聚法处理高浓度含油废水，效果很好。电解气浮法是利用不溶 性电极电解含有乳化油和溶解油的废水，利用电解分解作用和初生成的微小气泡的上浮 作用，使乳化油破坏，油珠附着于气泡上浮形成浮渣而除去。电解产生的气泡细小均匀 因而捕获杂质的能力强，去除固体杂质和油滴效果较好，缺点是电耗大、电极损耗大， 单独使用时不能达到排放要求。电火花法是利用交流电来去除废水中乳化油和溶解油的 方法。装置由两根同心排列的圆筒组成，内圆筒同时兼作电极，另一电极是一根金属棒， 电极间填充微粒导电材料，废水和压缩空气同时送入反应器下部的混合器，再经多孔筛 板进入电极间的内圆筒。筒内的导电颗粒呈翻腾床状态，在电场作用下，颗粒间产生电 火花，在电火花和废水中均匀分布的氧作用下，油分被氧化和燃烧分解。净化后的废水 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由内部经多孔项板进入外圆筒并由此排出。电磁吸附分离法是使磁性颗粒与油水乳状 液废水相掺混，再其吸附过程中，利用油珠的磁化效应，再通过磁性过滤装置将油分去 除。高梯度磁性分离器用于炼油厂含油废水处理的分离效果很好。电泳法分离乳化油是 利用废水中油珠表面所带的负电荷在电场的作用下定向移动从而实现油水分离，不管是 外加电场还是具有不同电极电位的材料放在一起自然形成的电场都可以达到目的【2 8 】。 2 5 其他方法 2 5 1 超声波分离法 超声波( 频率一般2 x1 0 4 - - 一5 x1 0 9 h e ) 在水中发生凝聚、空穴或空化效应。当超声 波通过含油废水时，造成微小油滴与水一起振动。但由于大小不同的粒子具有不同的相 对振动速度，油滴将会互相碰撞、粘合，使油滴的体积增大，最后水中小油滴凝聚并上 浮。超声波法油水分离效果良好。利用该方法处理含乳化油废水时，必须先通过试验确 定最佳的声波频率，否则可能出现超声粉碎效应，影响处理效果【2 9 1 。 2 5 2 吸附法 吸附法是利用亲油或亲水性材料，吸附污油中的溶解油及其他溶解性有机物。最 常用的吸油材料是活性炭，可吸附污油中的分散油、乳化油和溶解油。由于活性炭的吸 附容量有限( 对油一般为3 0 - 8 0 m g g ) ，成本高，再生困难，一般只用于含油污油多 级处理的最后一级处理，出水含油质量浓度可降至0 卜一0 2 m g l 。1 9 7 6 年湖南长岭炼 油厂在污油处理中就采用了活性炭吸附进行深度处理。国内外对于新型吸附剂的研制也 取得了一些有益的成果。研究发现，片状石墨能吸附由海上油轮漏油事件释放的重油并 易于与水分离。 吸附树脂使近年来发展起来的一种新型有机吸附材料，吸附性能好，再生容易， 有逐步取代活性炭的趋势，有越来越多的业内人士研究高效吸附油树脂的合成和应用。 有研究表明，采用丙纶吸油材料从含油工业污油中吸附分离和回收油类物质，可根据污 油的初始状况、最终要求、水流流量等因素，选用合适的净化方法。此外，煤灰、改性 膨润土、磺化煤、碎焦炭、有机纤维、吸油毡、陶粒、石英砂、木屑、稻草等也可用作 吸油材料。吸油材料吸油饱和后，根据具体情况，再生重复使用或直接用作燃料【3 0 l 。 2 5 3 粗粒化法 粗粒化法又称聚结法。该法是利用油、水两相对聚结材料亲和力相差悬殊的特性。 油粒被材料捕获而滞留于材料表面和孔隙内形成油膜，油膜增大到定厚度时，在水力 8 第2 章油水处理的方法及现状 和浮力等作用下油膜脱落合并聚结成较大的油粒。由斯托克斯公式可知，油粒在水中的 浮升速度与油粒直径的平方成正比。聚结后粒径较大的油珠则易于从水中被分离。经过 粗粒化的污油，其含油量及污油性质并无变化，只是更容易用重力分离法将油除去。粗 粒化处理的对象主要是水中的分散油和非表面活性剂稳定的乳化油，粗粒化除油是粗粒 化及相应的沉降过程的总称。粗粒化技术在1 9 世纪初美国有了第一项专利，2 0 世纪4 0 年代有了除去油中水分的应用报道，7 0 年代才应用于含油废水的处理上。该法的关键是 聚结材料，一般主张用亲油疏水性材料。常见的聚结材料有聚丙烯、陶粒等。粗粒化法 设备占地面积小，基建费用低，不需投加药剂，无二次污染，一般作为含油废水处理工 艺流程的中间处理单元。 2 5 4 盐析法 盐析法是当向污油废水中投加无机盐类电解质达一定浓度时，油珠扩散层中阳离 子由于排斥作用被赶到吸附层中，导致双电层破坏，油珠变成中性而相互合并成更大油 珠，从而达到破乳的目的。常用的电解质是钙、镁、铝的盐类，它既可中和电荷，又可 置换表面活性剂的金属皂，处理效果较好。盐析法投加盐量一般控制在1 5 之间， 处理出水达不到排放标准，多用作初级处理。该法油水分离时间长，设备占地面积大， 而且对由表面活性剂稳定的油水乳状液的处理效果不理想。 另外还有一些处于研发阶段的油水分离技术，例如加热、萃取、特种技术等。 2 6 重污油处理技术的现状 重污油的形式比较复杂，在常温下，一般以w o 或o 删o 型乳化液的形式存在， 加之，各油田对重污油的处理站不仅水质差异大，而且油田污水的水质变化也大，所有 这些给重污油的处理带来了困难。 目前对重污油的处理主要有以下几种方法： 2 6 1 利用加热静止沉降法进行分离 该方法主要对重污油进行两次处理，一次处理时只加入污油处理剂，二次处理时 须加入清水、处理剂和沉降剂。其工艺流程图如图2 1 所示。 这种处理方法的优点是：流程简捷便于操作、投资少，其缺点是回收周期长( 一 般沉降在2 4 小时以上) ，蒸汽耗量大，回收油中含有较多的水和絮状有机污泥，不利于 回收油重新回炼。所以这种方法一般用于重污油的预分离，为后续处理减少了一定的难 度 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 - 1 加热静止沉降工艺流程图 f i 9 2 - 1 s t a t i ch e a t i n gp r o c e s so fs e t t l e m e n tp l a n s 2 6 2 离心分离技术 离心分离其主要是利用油一水一固三相离心机进行分离。其工艺流程图如图2 2 所示。 此技术的使用效果，排水系统回收的重污油组成复杂，质量较差。重污油在油罐 中经加湿沉降后，其中部分污水通过脱水管排出，而油中的乳化水和污泥却无法去除。 但是，经离心分离之后，重污油中的水分和机械杂质明显减小，能充分回收炼油生产中 图2 - 2 为离心分离工艺流程图 f i 9 2 - 2c e n t r i f u g a ls e p a r a t i o np r o c e s sm a p 产生的重污油，并避免了重污油在生产中的恶性循环和二次加工过程中对装置产生影 1 0 第2 章油水处理的方法及现状 响。 2 6 3 超声波对重污油进行处理 超声波可使介质产生机械振动、空化作用和热作用。 ( 1 ) 机械振动作用可促使重污油中的水“粒子”产生位移效应，然后根据碰撞效应 使小水滴凝聚成大水滴，在重力作用下沉降分离。 ( 2 ) 降低油水界面膜强度和污油粘度。一方面，界面摩擦使油水分界面处温度升 高，使得界面膜容易破裂；另一方面，污油吸收部分声能转换成热能，降低了污油的粘 度从而有利于水滴的聚并，使油水分离。 超声波对重污油脱水的作用相当明显，在同等条件下( 温度，破乳剂等) ，脱水量 可提高2 倍左右，但是，在超声波进行脱水的过程中，温度、超声波的声强、破乳剂的 用量对脱水的效果有很大的影响，对不同的重污油，这些参数的作适当的改变，其脱水 效果很好。目前，超声波技术在石化行业中广泛的应用。 2 6 4 聚结法分离技术 聚结的原理使利用含油污水流经聚结材料时，小油滴和聚结材料碰撞，吸附在聚 结材料表面，逐渐增大。当吸附力小于水流牵引力时，这些聚结的大油滴从聚结材料上 脱落，上浮至集油槽中而去除。从原理可以看出影响聚结效果的因素包括来水油滴的大 小、聚结材料的空隙大小、水流速度等。而当前主要有三种形式的聚结分离技术【3 1 1 1 3 2 1 【3 3 1 。 ( 1 ) 斜板式聚结分离。其主要是在壳体内安装各种斜板，斜板的下表面为亲油疏 水的聚结材料。当污油流经斜板间隙时，细小的油滴和斜板上表面接触，聚结形成油膜， 在重力作用下上浮至水面去除。此处理技术优点是：投资小，操作稳定，维护方便；缺 点是：当油水密度差较小时，处理精度低，此时只能用于分离预处理。 ( 2 ) 堆积填料式聚结分离技术。此技术拥有较大的流动通道，较能容忍悬浮物。 当污油中存在大量的悬浮物时，系统就会发生堵塞，而且流动通到较大，降低了油滴与 聚结材料发生碰撞的机会，分离的效率就比较低。 ( 3 ) 滤芯式聚结分离技术。这里的滤芯具有特殊的微滤，聚结油份的双重功效。 一方面靠高精度微滤，有效拦住水质中的颗粒杂质，尤其是对稳定乳化状态明显的污泥 杂质，有利于后续破乳及聚结功能；另一方面破乳聚结是靠特殊材料对油有强烈的亲和 力及憎水性进行破乳，将水质中微小的，游离的油份聚结出来，在其表面形成大的油珠， 在自身重力的作用下浮到集油槽，以便达到深度油水分离。其缺点是当流速过高时，会 产生滤芯的变形，影响聚结效果。 1 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 新型波纹板式。波纹板油水分离器为一放置的卧式容器，主要由进水部分、 图2 - 3 滤芯式聚结分离器结构示意图 f i 9 2 - 3c o a l e s c e n e e - s e p a r a t i o n - t y p ef i l t e rs t r u c t u r ed i a g r a m l 上浮分离区2 一过滤聚结区坤气口蝴油入口 埘污口础放口7 l 静水出口8 _ 卅f 油口啡气口l 憔油口 出水部分、集油室和内部板组构件组成，结构图如2 4 所示，其特点主要有以下几点： 波纹板是正反交错叠置放入设备内，不需内部固定支撑，使板距尽可能小，提 高脱油效率 进 水 口 图2 - 4 新型波纹板式结构不恿图 f i 9 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h en e ws t r u c t u r eo fe o r r u g a t e e dp l a t e 波纹板是正反交错叠置放入设备内，不需内部固定支撑，使板距尽可能小，提 高脱油效率； 在进水端加装一段垂直放置的波纹板，有利于液流分布均匀； 采用表面疏水的塑料或玻璃钢制作的波纹板； 1 2 第2 章油水处理的方法及现状 采用波高较小的波纹板，板组当量直径小，能在较大处理量、较短停留时间下， 保持层流状态： 液流在波纹板组通道内呈“之”字形流动，流向和流动截面不断变化，为油滴在 波纹板表面的粘附聚结和油滴之间的碰撞聚结提供了更多的机会，油滴在浮升过程中聚 结，在聚结过程中浮升，从而有效的提高了脱油效率； 对固体悬浮物也有一定的脱除作用； 2 7 利用水力旋流器进行污油脱水 水力旋流器也是一种离心分离设备，不过本文把它单独出来说明，因为它是不同 于一般的离心分离设备，一般的水力旋流器主要用于除油设备，而这里介绍的一种用于 从油中脱水的设备，即脱水型旋流器，其基本结构如2 5 图所示。 由其基本结构可以看出，该结构具有两级锥段器壁结构，上面锥体的锥角大的多， 有一个合适的逐渐变细的锥体。大锥段是旋流器实现分离的前提，主要对液流起预旋转 加速作用，还可以加速溢流的排出；小锥段则是旋流器实现分离的核心部位，主要起分 离作用。目前，国内外用于液液分离的旋流器锥体段均是由大、小两个直线锥体构成。 这是目前液一液分离用水力旋流器公认的经典结构。直线双锥体的水力旋流器可使进入 其内部的流体较好地保持动量矩守恒【8 】，但这种结构会使液体流经圆柱段的旋流腔与大 锥段结合处及两个锥体结合处产生局部涡流，从而影响分离效果【9 1 。采用了两个环形的 切向进料口，与普通的单向进口设计相比提高了漩涡轴向平衡。溢流管插入旋流器内， 图2 - 5 脱水型旋流器的示意图 f i 9 2 - 5d e h y d r a t i o n - t y p eb a s i cs t r u c t u r eo fc y c l o n e 以防止短路流直接进入溢流。 为此，研究人员设计了几种大、小锥段光滑连接的过渡段结构形式，引用如下： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一种是在结合处用圆弧过渡代替直线段直接连接，改进后的这种结构会在一定程度上 消除了局部涡流的影响。第二种是旋流器大、小锥段的内腔由直线锥体改为正切余切光 滑过渡，这种过渡更趋平稳，从而保证其内部液流的稳定和补偿动量矩损失，较好地消 除局部涡流的存在 3 4 1 ，以提高水力旋流器分离效率。 2 8 课题的来源和本文研究的内容 由于国内炼油企业原料油重质化、劣质化特 j j - * l 化问题，使得原油预处理难度增加， 现有的原油预处理设施和污水处理工艺已不能满足要求，炼油装置保持平稳操作的难度 加大，越来越多的重污油由于得不到及时有效的处理而积存在污油罐中，有的炼厂甚至 出现因重污油积存量太大而占用原料储罐的问题。重污油的产生大大增加了原料油损 失、动力消耗和运行成本。 重污油的有效处理问题一成为国内炼油企业所面临的一大难题，开展重污油综合处 理及回用工艺技术研究，可以消除回炼污油对生产装置造成的冲击，有效回收利用油资 源、降低加工损失，同时可以减少污染物的排放和二次污染，经济效益和社会效益将十 分显著，所以本文就以下几个方面进行研究： ( 1 ) 对重污油的化学组分和物性参数进行分析，对重质污油的来源进行调查。 ( 2 ) 根据轴向旋流器的特点，对旋流器的结构参数和操作参数进行优化设计，进 行旋流预分离。 ( 3 ) 在对重污油理化特性分析的基础上，对重污油进行破乳的基础上，进行聚结 材料和聚结板形式的选择，并进行实验研究。 ( 4 ) 在2 、3 的基础筛选的基础上，设计小型的聚结分离模型，初步进行结构参 数和操作参数的筛选。 ( 5 ) 在重污油破乳，聚结技术的基础上，进行重污油组合分离技术的探索性研究， 优化分离设备的结构参数和工艺操作参数。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第三章斜板沉降分离模型的设计 3 1 斜板沉降的原理 斜板沉降分离油水的过程中，分散在连续相水中的油滴由于浮力作用不断上浮， 当油滴浮升到上层聚结板的下表面时，通过吸附、润湿、碰撞、聚结等作用，形成油膜， 沿聚结板表面移动，脱落；连续相的水在重力作用下下沉，最后到达下层聚结板的上表 面，实现油水分离。由此可知，理想聚结板应该具备两个基本特性，即上表面具有亲水 疏油性，有利于水相润湿、吸附和聚结，形成稳定的水膜，并阻止油滴随流体流动而被 水相夹带；下表面具有亲油疏水性有助于油相的聚结，并防止水滴受流动过程扰动混入 油膜中。 3 2 设计最小上浮速度 为了尽可能保证分离器的水利力条件与实际相符，设备的实验规模不能太小，因 此首先确定设计流量：0 8 m 3 h ，设计除去最小油珠粒径2 0 # r n ，温度为：2 0 0 c 。 已知参数：2 0 0 c 时，水的密度p 。= 0 9 9 8 9 c m 3 ；油的密度风= o 9 0 2 9 9 c m 3 ：水动力 粘性系数= 1 0 0 5 x 1 0 一n s m 2 ，运动粘性系数v = 1 0 0 7 # m2 s ，根据s t o c k s 公式可计 算其上浮速度甜： 甜= 击( p w - - p o ) d 。2 = 9 8 1 ( 0 9 9 8 0 9 0 2 9 ) 1 0 3 ( 2 0 x1 0 。6 ) 2 1 8 x1 0 0 5 1 0 3 = 0 0 2 0 6 m m s 由计算可知，在2 0 。c 时油珠的上浮速度为0 0 2 0 6 m m s ，此即为设计计算最小上浮 速度，但s t o c k s 公式的应用，是在一定温度下，假设油珠为球形的情况下推导出来的， 同时还受水力条件的限制。因此在试验中，随实际条件的变化，粒径为2 0 # r n 的油珠 上浮速度不一定就是0 0 2 0 6 m m s ，在此最小上浮速度0 0 2 0 6 m m s 只作为理想条件下的 设计参数。 3 3 斜板板间距的设计 从理论上讲，板间距越小，油珠的浮升高度越小，处理效果越好。但同时考虑到 安装的问题，从文献查阅中，板间距的最佳距离在4 - - - 1 0 m m ，过小，则易于堵塞；过 第3 章斜板聚结分离模型的设计 大，则无法分离细微油珠。因设计出去油珠最小粒径为2 0 pn l ，较难去除，所以我们选 择了l o m r n ，1 5 m m ，2 0 m m 进行分析比较。 3 4 斜板沉降分离器板长的计算 根据斜板内水流的方向，常用的斜板分离装置分为下向流、上向流和横向流三种。 下向流的水流方向与油滴颗粒浮升方向相反，故又称异相流；上向流的水流方向与油滴 颗粒浮升方向相同，故又称同向流；横向流的水流方向是水平流动的，从平行于斜板的 一侧流入，从另一侧流出，水流方向与油滴颗粒浮升方向垂直，也称侧向流。