（环境工程专业论文）集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用.pdf

r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fo i ls a n dt e c h n o l o g yi nt h e c e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o n a b s t r a c t r e s e a r c ho fo i ls a n dt e c h n o l o g yi nt h ec e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o ni sa i m e da t s o l v i n gt h ep r o b l e mt h a tt h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g y c a nh a r d l ys a t i s f y c o u n t r y e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nd e m a n d f o rt h i sr e a s o n , t h eg a t h e r i n gs y s t e ms y n t h e s i s b e n e f i ti st o ob a d t h i sp r o j e c tc a i la p p l yc e n t r a lg a t h e r i n gs t a t i o no fo i lf i e l d d e v e l o p m e n ts y s t e ma n d t h ef o r e g r o u n di ss ow i d e t h et e c h n o l o g ya i m sa to i ls a n dc o m p r e h e n s i v er e g u l a t i o na n dt h el a r g e s t e c o n o m i cb e n e f i t b ym e a n so fo p t i m i z ep h y s i c a ld e s i g no fw h i r l i n gc u r r e n ts e p a r a t o r a n dr e s e a r c hn e c e s s a r ys a n d w a s h i n gt e c h n o l o g ya n do i ls a n ds o l i d i f i c a t i o n ，t h e y s o l v et h ep r o b l e mo fm a n yy e a r si nt h eo i lf i e l d 1 1 1 e ya c h i e v et h eo p t i m i z a t i o no f w a s t et r e a t m e n ta n dp u m ps t a t i o nc l e a r i n g t h ei n n o v a t i o no ft h et e c h n o l o g yi s ：o p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f w h i r l i n gc u r r e n ts e p a r a t or a n dd e v e l o p i n gh i g ha u t o m a t i o nw i t hg r e a th a n d l i n ge f f e c t s y s t e m 。 t h et e c h n o l o g yb e g a nf r o mt h es e p t e m b e ro f2 0 0 3 t h et o t a lh a n d l e i n go i ls a n d a b o u t1 8 7t o n a f t e rt r e a t m e n t t h eo i ls a n dc o n t a i n so 3 8p e r c e n to i lj e c o v e r l n gc r u d e o n3 6 2t o na n ds a v i n g0 2 7 5m i l l i o ny u a n t h et e c h n o l o g yi st h el e a d i n gl e v e li nt h eh o m e , t o t a la t t a i n si n t e r n a t i o n a ll e v e l t h et e c h n o l o g yh a sr e p o r tg o r d i a nt e c h n i q u ea n ds u p p l ym a t u r e ，f a i t h f u lt e c h n i c a l s u p p o r t k e yw o r d ：o i 卜s l u d g e s a n d h a n d li n g 砷ir ii n go u r r e n ts e o a r a t o r p o ll u t i o n t r e a t m e n t ，w a s c es o li dh a n d ij n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国海洋大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：加年月弓日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国海洋大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：翌竺盏 导师签名：金盔巫。导师签名： 筮金鱼。 6 晕6a 季黾 抄占年石月3 e 1 曩输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 l 绪论 1 1 课题提出 油田开发生产过程中，伴随油水生产产出的油砂，沉积在泵站和各种容器储 罐中，该类油砂由于含油高，经人工清理后不能直接利用或外排，只能堆放于各 站存砂池或散落于施工井场。目前各站的存砂池不具备防渗、防漏条件，长期沉 积堆放呈油、泥、砂、水多相混合状态，属危险固体废物，对环境造成了严重影 响，浪费了越来越多的土地资源。 国家环保法规建设的日趋完善和环保执法力度的逐年加大，对危险废物排放 的要求也逐步严格，目前油砂污染已经给企业带来了严重的环境问题和巨大的成 本损失。 研制开发先进、经济的工艺技术与装备，解决大罐油砂脱油及综合利用问题， 是企业实现达标排放和清洁生产的追切要求。油、砂治理工艺装备的开发与研制 对减少污染，促进固废综合利用，减少企业经济损失，提高现场管理水平具有重 大的经济、环境和社会意义。 目前，国外在油田油砂处理方面虽有一些专利技术和成套设备，但在价格、 技术配套等方面要求高，不适宜国内油田应用。本次研究的目的就在于：全面了 解油砂分离处理技术和油砂污染物去除及固化工艺，论证油砂处理及综合利用的 主要途径，提出适合胜坨油田乃至胜利油田实际需要的油砂治理，实现清洁生产， 改善油区环境面貌，达到环境保护和生产经营双赢的目的。 1 2 采油厂油砂现状分析 夺采出液量大，含砂率高 胜利采油厂管辖的胜坨和宁海两油田已进入三高开发阶段，采出液综合含水 高达9 4 5 ，平均日产液1 4 万n 1 3 。油田属疏松的砂岩油藏，经过几十年的开采， 采出液携砂现象非常严重，目前砂液比已高达0 0 6 ，年产生油砂3 0 0 0 0 吨。 夺油砂占地多，存放困难”1 采油厂每年都需对集输泵站大罐、分离器等设备进行清砂，而清出的油砂未 经处理全部堆置在存砂池内，经过多年积累，有少量油砂被村民拉走垫房基、路 基，但全厂仍有近2 万i n 3 油砂存放在集输泵站的存砂池内( 表1 1 ) ，部分油砂 只能是临时占地存放。由于各泵站场地有限，征地困难，致使新清出的油砂无处 存放。如坨四站东西各有四个存砂池，形成了油砂池包围联合站的局面，坨六站 北侧也有l 万m 2 的油砂场地，严重影响了油区环境质量的提高据统计，采油 厂每年大罐产生的油砂大约3 万吨，修井作业和管线穿孔等落地油产生的油砂每 年约5 0 0 0 吨。 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 表1 1 胜利采油厂油砂产生量统计表单位：吨，年 序号 油砂来源 油砂产生量 沉砂池存量备注 0 l 宁海站 8 0 11 3 0 0 0 2 坨一站 1 5 1 52 5 ( ) 0 0 3 坨二站 2 5 6 1 2 0 ( 】0 0 4 坨三站 3 8 8 31 0 0 0 临时占地 0 5 坨四站 4 3 4 33 0 0 0 临时占地 0 6 坨五站 2 8 3 1l0 ( 】o 0 7 坨六站2 0 7 5 9 【) 0 0 临时占地 0 8合计1 8 0 ( ) 91 9 8 0 0 夺对环境危害严重 采油厂现有清砂池7 个，全部为露天土池子，总面积约为1 1 6 7 6 m 2 ，有效容 积为1 7 5 1 4 m 3 ，另有l 谥时占地清砂池5 个，面积约为4 0 0 0 1 1 1 2 ，容积约为5 0 0 0 m 3 ， 1 2 个清砂池均无防渗漏措施。全厂现有油砂约为1 9 8 0 0 吨( 表1 1 ) ，每年清罐 产生的新油砂也未采取任何处理措施，只是简单的露天存放，作业施工和管线穿 孔产生的油砂也仅采取简单的就地填埋。这种处置方式并未消除或减少对环境的 污染危害程度，达不到国家规定的“防渗漏、防流失、防扬敬”的要求。尤其到 雨季，雨水冲淋和渗出的污油到处漂溢，对上壤、水体和大气都造成了二次环境 污染。今后，随着进入油田开发后期，砂液比逐年增大，油砂产生量增加，由此 造成的环境污染将会进一步加剧。 1 。3 油砂综合治理的意义x u 已经产生和伴随着油田生产开发即将产生的大量油砂，对油区自然环境都构 成了巨大威胁。寻找一种可行的油砂综合处理方法，去除油砂污染物，回收油砂 中的原油，使处理后的油砂达到国家排放标准并综合利用，已经成为油田开发长 期降本增效和可持续发展的必由之路。 回收油砂中的原油可产生巨大的经济效益 据统计，胜利采油厂每年产生油砂量约为3 0 0 0 0 吨，油砂平均含油量在1 0 3 0 之间，每年因泵站清砂而损失的原油约为9 0 0 0 吨，造成了大量的资源 浪费。此外，每年大罐清砂需要支付劳务费用6 0 万元，占地存放年需支付1 5 万 元，占地污染缴费1 5 3 9 万元，共计2 2 8 9 万元。对油砂进行综合治理，既能回 收大量的原油资源，又能减少其它间接经济损失。 油砂综合治理是国家环保攻策的强制要求 油砂作为一种国家名录中规定的危险废物，严禁随意排放2 0 0 3 年7 月1 日实行的排污费征收使用管理规定要求，未经处理的油砂直接外排征费标准 为1 0 0 0 元吨，按上述油砂量估算，胜利采油厂每年需缴纳3 0 0 0 万元的油砂排 舞输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 污费。 夺对油砂进行综合治理具备技术保证 根据最新的调研，国外在油田产生的油砂治理方面已经有了相对成熟的技术 工艺，如在大庆等油田已从国外引进了关键技术设备近年来石油大学油气储运 研究所也致力于该类课题的相关研究，已经取得了认识，并积累了一些试验数据， 对研制开发出油砂治理成套设备有了一些初步设想，如能深入的、系统的研究， 可望解决油砂达标排放，实现废物的再利用 1 4 国内外油砂治理技术现状 1 4 1 油砂治理技术简介“棚 目前国内外的油砂治理技术有：生物降解、固化、焚烧、溶剂萃取、离心分 离等方法，下面对主要方法做一简介。 1 4 1 1 生物降解法 生物降解法是种生物处理技术，靠微生物对石油类等有机物进行分解，达 到油砂无害化处理的目的。根据有关资料：生物降解周期大约在7 6 0 天，有的 降解时间甚至更长，降解受油砂的含油璧、原油的物性、石油菌的生长和繁殖的 条件( 如温度、湿度等) 多种因素的影响和制约，处理时还需较大的生化降解场 地。该法技术和管理难度大、占地面积大、处理费用高、处理周期长。目前难以 - 推广应用。 1 4 1 2 固化法蛳 油砂固化法是在油砂中添加固化剂，以改变油砂的物性，使原油不渗出或不 被淋浸出来。固化后的油砂综合利用率目前较低，处理后必须征用土地进行卫生 填埋，土地的再利用价值低，该法并没有从根本上对油砂进行无害化处理，反而 增加了一些固化药剂费用。该法处理成本高、占地面积大，污染隐患未根本消除。 处理少量油砂时可考虑选用。 1 4 1 3 焚烧法“w 焚烧法是一种简单而较实用的处理方法，该法在国外也有应用，如果油砂含 油量高，其燃烧热能还能回收利用，具有一定的经济价值和实用性。但焚烧法需 对油砂进行脱水干化预处理，以利于油砂的引燃和焚烧，减少因含水率高而损耗 热能。目前油砂脱水效果受多种因素的制约，脱水后的油砂含水率大约在5 0 左右，其物性仍为粘稠状、块状，加之自然干化难度大( 受油砂的形状、干化场 地、气候等影响) ，如含油量低于燃烧值，不但没有余热回收价值，还须添加燃 料，同时还须对排放烟尘进行除尘治理。 1 4 1 4 溶剂萃取法“” 溶剂萃取法是用有机溶剂对油砂进行清洗，萃取出原油，液相进炼化系统， 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 或对液相进行溶剂和油的分离，回收有机溶剂循环使用，起到油、砂分离的目的。 该法技术可行，但受萃取溶剂的需用量大、处理费用高，萃取剂回收循环利用操 作难度大等制约，其推广应用受到一定局限。 1 4 1 5 离心分离法” 离心分离法是在离心力的作用下，利用密度差实现两种或多种物流分离的一 种物理方法。该法能回收部分原油，可产生一定的效益，抵扣运行成本。目前在 炼化行业主要用于对炼化过程中产生的油砂和浮渣进行脱水浓缩领域，国外已运 用于油砂分离领域，国内尚处于研究开发阶段。 离心分离设备包括机身固定的水力旋流器和机身旋转的离心机两类。两者的 区别在于获得离心力的方法不同。 夺旋流器。1 按其功能一般可分为固液，液液，气液分离三种旋流器。用于固液分离的 旋流器1 8 9 7 年获得了美国专利，二战后应用于选矿。作为一种在工程实际中广 泛应用的分离设备，旋流器具有其它类似设备无可比拟的优点： 分离效率高，即使油水比或流量变化较大时，仍能保持较高的分离 效果； 结构简单，体积小、无活动部件、造价低、节能； 处理能力大，可节约现场空间： 安装方便； 工作连续可靠： 成本低，包括制造、安装空间、运行、维护等方面的费用低，几乎 不需要维护和附属设备： 应用范围广，可完成液体澄清、料浆浓缩、固体颗粒分级、分类与 洗涤； 适应性好； 具有剪切、洗涤作用，可破坏颗粒间的凝聚，有利于固相颗粒的分 离与洗涤； 易于清洗； 易于实现自动控制 其不足之处在于： 分离能力较小，可分离粒度有限； 由于剪切作用，对某些絮凝或聚凝性物料有时不适合； 4 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 受流动性限制，增浓或脱水操作时底流浓度不能太高； 通用性较差 、 膏心机 离心机的主要部件为快速旋转的转鼓。转鼓安装在竖直或水平轴上，由电机 带动，来液通过中心降液管进入转鼓，油、水、砂混合物在转鼓中依靠离心力分 离，油经环形空间向上从出油口流出，水，砂从转鼓底部的的开口甩出。水进入 敞口储罐从出水口流出，砂等固体杂质沉积在储水罐底从沉砂排放口排出。按分 离方式不同，离心机可分为过滤式离心机、沉降式离心机和分离机。 油田采用离心机除砂、洗砂，国内外文献报道不多，原因：一是各出砂油田 的砂子粒径较大，一般用重力沉降和旋流分离都能够达到除砂的目的；二是离心 机有运动部件，制作，操作管理要求比较高，限制了它在油田上的应用。 1 4 2 国内外油砂治理工业技术应用“ 胜利油田设计院在孤岛采油厂建设了一套旋流分离装置，它在分离器前旋流 除砂，但存在运行过程中回压高，提砂泵质量也不过关等问题，因此该装置投产 后基本没有运行。胜利油田孤东采油厂在计量站安装了旋流分离器，减少进入泵 站的油砂垦，但是分离效果不理想，只有2 0 。3 0 油砂分离出来，而且分离出来 的油砂仍需贮存在清砂池里，不能根治油砂污染，产生了二次污染。大庆油田油 砂治理研究起步较早，1 9 9 6 年从国外引进一套设备，在采油二厂进行了国内设 备配套试验。大港油田在这方面也进行了长期深入的研究和探讨。 为了研制一种适合油田生产实际的油砂治理工艺技术，借鉴己有的油砂治理 技术可以取长补短，课题组赴大庆、大港进行了情报调研。 1 4 2 1 大庆采油二厂油砂分离技术 大庆采油二厂投资4 0 万美元，于1 9 9 6 年从英国引进关键技术和设备，建设 了南6 - 4 油砂处理站，对泵站和井场产生的油砂进行治理。该装置将穿孔、作业 散落在井场的油砂及泵站产生的的油砂集中回收处理。 夺基本原理 在一定温度条件下，采用表面活性剂将油砂中的泥砂絮凝沉淀，经离心分离 后，油水混合液回收，油砂达标排放。 夺工艺流程 搅拌液化一加温匀化一加药一离心分离，实现固液两相分离。流程示意图见 图l 一1 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 外来油砂 士 夺系统设计处理工艺参数 表1 2 大庆油田油砂分离工艺参数 油水 序号项目 达到指标 l 处理能力( m a x ) 1 5 n ，l l 2沉砂粒径2 5 m m 3处理温度6 0 7 0 4 加药量 5 0 2 0 0 p p | i l 5添加药荆类型阳离子聚合物( 聚丙t 烯酰胺) 6液态含砂量 分离效果较好，处理后油砂达到欧洲排放标准，实现了三相分离， 即油、水、砂的分离。 缺点； 该工艺需要建设专门的油砂处理站，配套建设相关厂房、办公等场 所，配各一定数量的专职干部职工，一次性投资大，约1 0 0 0 万元； 穿孔、作业、井口等产生的油砂要运到油砂站，需要一定的运输费 用，而这部分油砂含油较少，经济效益较差； 油砂加热到7 0 左右，需专门建设锅炉房，消耗大量能源； 处理过程要投放大量药剂，增加了处理成本 因此，该工艺投资大，效益低，不是理想的处理工艺。 1 4 2 2 大港油田油砂分离技术“n 大港油田针对原油集输系统的油砂问题，于1 9 9 0 年组织了相关研究和试验， 经过反复的试验和改进，取得了一些效果。现有二种除砂工艺，分别是卧式容器 除砂和大罐不停产清砂。 夺运行情况 两种工艺应用的评价 旋流离心器材质的选择 含砂液体在旋流器中高速旋转对旋流器材质的抗磨性能有特殊要求，大港西 三转和马西油田旋流离心器材质的选择最终确定为k i r l t b c r l 5 m 0 2 - g t ，寿命在 十年以上。 洗砂泵的选择 在西三转试验时采用常规的卧式渣浆泵，每天运行一次，每次l 小时，泵运 行2 3 小时，因盘根磨损而泄漏需更换，泵的叶轮运行8 0 9 0 小时因严重磨损 而报废。后更换石家庄水泵厂和澳大利亚合作生产的立式液下渣浆泵，使用效果 良好，连续使用三年运行正常。 大罐自动清砂装置中铺设的冲砂孔、吸砂孔易被砂堵，罐体改造尚需相关安 全、消防等单位认可，且施工工作量大，安全性能待进一步检验。 总体评价 大港西三转和马西油站的考察发现，其设备的操作非常简便，站内不设专门 的岗位、不配备专职工作人员，定时开启、关闭设备西三转每天运行l 小时左 右，马西油站则是隔天运行。 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 除砂洗砂装置能够及时清除油中的砂粒，除砂率在7 0 9 0 之间，除砂粒 度细，可达o 0 7 6 m m ，排砂含油接近国际规定的含油量，分离出来的砂经过一段 时间的晾晒之后，其颜色基本上与正常的砂子感官接近。 除砂装置采用自动控制，可以保证装置的安全运行和装置的除砂、洗砂的效 果，减轻操作人员的劳动强度。 以上两种工艺虽都有一定的优势，但存在三个问题。一是需要对原有设备进 行大规模改造，一次性投资大；二是改造同时影响生产，外接设备需挤占站内大 量场地；三是安全性能待进一步检验。 1 5 研究内容、技术关键及指标 1 5 1 研究目的与工艺路线 “集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用”课题的目的在于寻找一种切实可 行的工艺技术对集输泵站产生的油砂进行处理，提高油砂中原油的回收率和油砂 中污染物的去除率，对油砂进行固化，实现废物的再利用，取得最佳的经济效益、 环境效益和社会效益。综合各种洗砂方法特点及国内外工业应用情况，确定工艺 路线为旋流洗砂与药剂除油和固化相结合。 1 5 2 研究内容 旋流洗砂室内试验研究 建造室内试验装置 对不同的砂样进行室内试验，测试洗砂的效果。 夺油砂污染物去除及固化研究 研究清罐油砂中原油的物性参数、组分含量以及油砂中主要污染物 含量； 研究清罐油砂在不同洗砂剂、不同洗砂剂加入量、不同环境温度下 的除油效果以及污染物的去除效果，找到效果最好的洗砂剂，确定 洗砂剂最佳的使用温度、最佳的投加工况比例； 研究清罐油砂在不同配比的固化剂、固化辅料下的固化效果，找到 最佳的油砂固化配比。 开发可移动式洗砂、固化一体化装置，配套致据采集系统进行现场试 验 1 5 3 技术关键 旋流器结构尺寸优化 洗砂工艺配套技术 一 叁竺墨苎塑竺竺堡三苎茎查! 塞皇皇里 油，水、砂分离工艺技术和固化配方研究 1 5 4 技术指标 夺整套洗砂工艺先进 洗后砂含油 1 0 0 0 0 小时 夺油砂固化率8 0 以上 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 2 洗砂用旋流器设计及室内试验研究 本章旨在通过对各种洗砂方法的对比与比较，在对旋流器结构筛选和尺寸优 化的基础上，进行试验如下： 进行洗砂旋流器设计。 针对胜和j 采油厂的原油，试验自制旋流器的分离性能； 通过交叉试验，筛选出具有最佳分离性能的试验工况，这些工况条件包 括：流量、温度、砂浓度、油砂的特性如粒径分布情况等。 夺筛选出清洗效果较好的清洗剂。 冷根据最佳分离性能的试验工况，检验旋流器的洗砂效果，以及各种因素 对洗砂效果的影响，这些因素包括：含油浓度、串并联、温度、清洗剂 等。 夺对现场的油砂进行试验，检验清洗效果。 2 1 洗砂用旋流器结构设计 我国现有离心分离法使用的旋流器、厂商、科研部门研制的和引进的国外旋 流器长径比一般较小，锥角大，底部排砂中含水量大，一般为两段式：即由入口 圆筒段和用于流体加速的锥段组成。研究中发现，上述旋流器不能够充分清洗含 油砂，分离效率低。由于长径比较小，锥角大，使油砂赖以分离的离心力减小。 针对上述常规旋流器的缺点，本旋流器结构和以往我国生产的旋流分离器相 比采用以下技术降低能耗、提高分离效率： 夺增加大锥段的长度，减小锥角的大小 。 夺底部排砂口采用周向切向排出 夺采用直径较小的旋流器 下面结合附图详细介绍本实用新型设备： 旋流器内腔图( 图2 - 1 ) 夺旋流器底部出口部件图( 图2 2 ) 旋流器入口部件图( 图2 - 3 ) 整个壳体由圆筒部分和锥筒部分相接组成壳体上有三个开口，即切向进科 口( 简体靠近顶部处) 、底流口( 底部) 、溢流口( 简体顶部中央) 悬浮液从进料口切向进入旋流器，在旋流器内部产生很高的角速度物料由 上而下随着壳体半径的减少，旋转速度越来越大，固体和液体因密度差产生的惯 集输泵站油砂处理工艺技术研究与戌用 性离心力不同，密度大的固体颗粒被甩向旋流器内壁，密度小的液体则靠近旋流 器中心固体颗粒被甩向旋流器内壁的同时，还沿着壳体壁螺旋式向下运动，最 后由底流口排出。在旋流器中心处，因液体高速旋转而形成低压的螺旋形上升流。 大部分液体及少量的固相颗粒随此上升由溢流管排出，从而达到固液分离和清洗 砂颗粒表面油的目的( 外层为下降旋流，内层为上升旋流) 。 室内试验表明：适当增加大锥段的长度，减小旋流器的直径，可提高旋流器 的分离效率，增强洗砂的效果，并不会增大分离器的能耗。 性能指标如下： 旋流器的压降小于0 2 m p a ； 砂中含油量在o 4 0 ( w ) 之间； 洗砂后的含油浓度小于0 5 ； 处理能力：l o m 3 h 。 该旋流器的主要结构尺寸如下图所示。 图2 - 1 旋流器结构图 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应胃 图2 - 2 底流部件图 2 2 试验装置简介 试验装置如图2 - 4 所示。 图2 3 入口部件结构图 图2 4 旋氚器洗砂试验装置图 2 2 1 主要设备 试验装置的主要设备有： 储液 - i 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 规格为中0 8 m ，高1 2 m ，底部开有泄流口用以排出试验后的污水。 夺供料泵 考虑到要供给油砂混合物，为防止过早的被磨蚀，借鉴大港油田的经验，采 用石家庄水泵厂生产的渣浆泵，扬程3 2 r m 流量2 5 m 3 h ，转速2 9 0 0r p m ，配套电 机型号y - 1 3 2 s l - 2 ，功率7 5 k w 。 搅拌器 为保证油砂能够充分混合，在罐的上方装有速度可以调节的搅拌装置( 波轮 叶片式搅拌器) 。双层叶片形式，配搅拌电机：交流电磁调速电动机，型号为 j z t y 2 1 - 4 ，转速调节范围为1 2 0 1 2 0 0 r p m ，由一台j q 2 - 2 1 4 三相异步电动机带 动，功率为l 。l k w 。 夺同液分离设备 海王牌旋流器 蓝色，山东省威海市海王旋流器厂制，型号规格：c s ，内径d = 1 0 0 m m , 锥角 0 = 1 8 0 ，柱体高h ：1 1 1 5 m m 进科n 当量直径42 2 4 m m ，溢流管直径d o = 3 0 m m , 入口压力o 3 饥伸a 处理量：1 0 m 3 h 。 自制旋流器 绿色，结构图见2 1 ，2 - 2 及2 3 。 流量计 试验中所用的介质为水和砂组成的悬浮液，由于油砂具有磨蚀性，试验中未 采用孔板、涡轮等传统流量仪表，而采用了两套精度较高的l d - 4 0 电磁流量计 ( 为防磨损带内衬) ，各配l d z 一5 0 型电磁流量转换器，分别用于两条回路( 两 个旋流器) 的流量计量。 2 2 2 流程简介 装置流程见示意图2 - 5 。 1 3 集输泵站油砂处理工艺技米研究与应用 图2 - 5 旋流器洗砂试验流程示意图 流程说明：试验中的油水砂混合物从水箱由泵6 增压后，经阀门5 、1 0 、电 磁流量计8 进入旋流器9 ，分离后大部分砂粒和少量液体从底流口阀门1 3 流出， 旋流器顶部流出的溢流，经阀门1 1 、电磁流量计8 返回水箱。试验过程中，旋 流器的进料压力和溢流压力由标准压力表测定，进料流星和溢流流量由电磁流星 计计量。取样口1 2 用来提取旋流器进料和溢流的样品，底流样品可直接用烧杯 从底流口提取。泵l 用来带动搅拌器2 搅拌水箱内悬浮液，使砂粒分布均匀。 溢流管线和回流管线的末端靠近水箱的底部，管壁上分两排打有孔径不相同 的孔，两排间夹角为1 2 0 0 ，打孔的原则是等阻流动，打孔的目的是对箱底沉积的 砂子进行冲洗，使油水砂混合物混合均匀，搅拌泵的搅拌作用也是通过回流管线 末端的孔实现的。 2 3 试验准备工作 2 3 1 供料泵特性研究 试验过程中，采用泵作为装置的动力源，由于介质是水砂悬浮液混合物，因 而采用耐磨的渣浆泵。泵的特性曲线是泵性能的重要标志，测量泵的性能曲线是 对泵的特性研究的重要内容，对试验过程中所采用的渣浆泵进行了标定所得的 数据见表2 - 1 表2 - 1 供料渣浆泵特性关系表 流量( - 3 h )1 7 0 8 41 6 1 6 81 5 1 4 2 1 4 1 3 81 3 1 91 2 1 9 6i o 8 8 69 6 4 6 出口压力( x 1 0 5 p a ) 2 82 93 o3 2 3 33 43 53 6 流量( - h ) 8 7 3 27 7 9 26 7 95 4 l 4 5 4 43 1 8 62 4 4 4 出口压力( 1 0 5 p a ) 3 73 7 53 93 9 5 444 0 5 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 以流量为横坐标、扬程为纵坐标，可绘出泵的特性曲线见图2 6 。 图2 - 6 供料泵特性曲线 对上图曲线采用多项式拟合，拟合的函数如下： p = 4 1 0 3 0 0 1 0 7 5 q o 0 0 3 9 3 q 2 2 3 2 取样方法的选定m 实践表明，取样方式对水力旋流器性能的正确标定具有重大影响，直接关系 着试验的成败，为此采用多种方法进行尝试，对取样口位置、取样方式、取样时 间进行了选择。 2 3 2 1 取样口位置的确定 水平管内流动的是处于紊流状态下的悬浊液，考虑到其中的固体砂粒成分可 能在重力的影响下，在管子截面上分布不均匀，并防止管流冲击作用的影响，故 开设取样口时考虑在于管路流向垂直方向上，下偏一定角度开口，以保证取样的 正确性。角度的大小可根据实际情况在0 0 到3 0 0 之间具体考虑，本次试验中采 取的是在管路偏下位置的水平取样。 2 3 2 2 取样方式的选取 从流动的悬浮液中提取样品时，当取样速度大于管道取样处速度时，大颗粒 由于受惯性的影响，有一部分不能随液流进入取样口，导致样品中大颗粒的比例 偏低。相反，取样速度小于管道速度时，部分小颗粒绕过取样口，而大颗粒由于 惯性作用进入取样1 2 1 ，导致测定的粒度偏高。只有在两个速度相等时即等速取样 时，才能取出具有代表性的悬浮液的样品，这是正确确定固体浓度和粒度分布的 基础，故选择等速取样 本次试验的取样为水平垂直取样，由于试验中，砂不断被分离出来，管路中 砂的浓度会不断降低，为了减小浓度变化对试验结果的影响，试验时先把底流的 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 砂倒入罐内，过上一会儿后开始取样，这样得到的样才会和配的样比较一致。在 试验初期，用量筒取样，由于溢流浓度小，为了减小误差，采用多取样的方法， 使用1 0 0 0 m l 的量筒取样，入口采用5 0 0 m l 的量筒取样，试验后期都采用5 0 0 m l 的烧杯取样。 2 3 3 悬浮液的配制 为研究不同浓度情况下旋流器的特性，试验中共配制了四种不同浓度的悬浮 液进行试验研究，具体的配制情况如下表所示： 表2 - 2 水力旋流器试验悬浮液配制表 序号清水高度-清水莺k g砂重k g 浓度 l0 7 03 5 1 77 0 3 42 20 7 23 6 1 71 6 2 7 6 54 5 30 7 23 6 1 72 8 9 3 68 40 7 53 7 6 83 9 1 3 7 21 0 4 将不同浓度的悬浮液样品进行处理，发现浓度不同，旋流器的处理效果也有 一定的差别，在试验过程中针对这一情况对旋流器最佳的处理浓度进行了筛选。 需要注意的是： 悬浮液中所含的固体浓度为质量浓度，即每千克液体中颗粒的质量。 由于水罐底部搅拌死角处存在积砂，故测定的进料取样浓度未达到表中数 值，而是存在一定的误差。 2 3 4 油砂特性研究 对于旋流器洗砂试验，砂表面原油物性研究极为重要，本试验主要研究了油 的密度和粘度等特点，得到了密度、粘度随温度变化曲线或方程。 2 3 4 1 原油密度的测定 对于本次试验采用的是比重测量的方法。然后根据比重的定义 尸tp 换算出油的密度值；( 其中7 为通过比重计读取的对应温度下的比重值，p w 为1 标准大气压下4 c 时纯水的密度，是比重计密度的标准，p 为对应温度下 被测量液体的密度，为换算的结果) ； 试验过程中测得的比重值和换算出的密度值如表2 - 3 所示： 表2 - 3 原油密度与温度对应关系表 温度( ) 3 0 4 05 06 0 比重0 8 9 4 50 8 8 9 2o 8 8 3 00 8 7 8 5 密度( k g - 3 ) 8 9 4 58 8 9 28 8 3 08 7 8 5 舞输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 根据试验数据利用o r i g i n 软件绘出了原油温度和密度之间的关系曲线( 图 2 - 7 ) ，并用一次曲线进行拟合，得出了温度和密度两者之间的关系式。 矿 釜 v 世 铂 温度( ) 原油温度与密度关系曲线图 图2 - 7 原油密度与温度关系 拟合方程形式为： p = 9 1 0 6 9 0 5 4 2 t 图2 - 7 即为原油密度和温度之间的关系图，由图上可以看出在一定的温度范 围内原油的温度和密度之间是里线性关系变化的，拟合的关系式同样也说明了这 一点。 2 3 4 2 原油粘度的测量： 利用旋转粘度计对原油的粘度进行了测量，得到了纯油的粘温曲线和方程， 确定了牛顿与非牛顿流体的转折温度点 量 e 、一 r 型 基 豁 剪切速率( a c a s ， 图2 - 8 原油应力变化图 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 利用上述测得的数据绘得粘温关系曲线如下图所示： 温度( ) 图2 - 9 原油粘温关系囤 从图2 8 和图2 - 9 可以看出，胜利原油在温度低于4 0 时，表现为非牛顿流 体，粘度与剪切速率有关，当温度高于4 0 c 时，粘度与剪切速率无关，表现为 牛顿流体。在温度较低的情况下，原油的粘度较大，这时不容易清洗砂表面的原 油，因此，在试验和现场运行中要求温度不低于4 0 。 2 3 4 3 砂的密度测量 油砂是由具有一定粒度的固体颗睾立组成的。对于固体颗粒的密度可以根据密 度的定义式来测定计算，即先测得其总体质量和体积，然后计算质量和体积的比 值，即为真密度。质量的测定可以用天平测得。 所测得的数据结果如下表： 表2 - 4 砂样密度计算表 m t o ( g )m z ( g ) v 。( m 1 )v t ( 岫1 ) u ( 1 )l 1 9 9 9 7 8 03 5 4 5 5 8 6 9 9 7 1 2 11 8 1 i 1 9 6 5 8 43 5 2 3 6 6 2 t o o 1 3 61 9 7 m z 为量筒中加砂后量简和砂的总质量； v s 为砂的填充体积； u 为所取的水的体积； v z 为将水注入砂中充分震荡后的体积。 密度的计算过程 试验中砂样密度计算的过程如下： 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 填充密度的计算公式为p r c ；m z - m z o ，根据公式计算：( 计算过程 以第一组数据为例) 胪气粤=3545矿586-1999780-15505倒 即所得的砂的填充密度为1 5 5 0 5 9 m 1 真密度的计算公式为p 。= 罢哗，根据公式进行计算： r z v w 鼬= 等等= 半= 2 , 5 7 6 s 4 9 r i d 即所得的砂的真密度为2 5 7 6 3 4 9 m 1 2 3 4 4 砂样粒度测定 砂颗粒的粒度特性是工程实际中人们普遍关心的问题，它可以作为选择分离 技术和设备的指南。粒度的表示法有当量球径、当量圆径和统计学直径等多种方 法，根据本试验的实际要求采用的是当量球径的方法。旋流器进料、底流、溢流 中的颗粒粒度分布，是评价水力旋流器性能的一个重要指标，砂样粒度测定是计 算水力旋流器分级效率不可或缺的条件。试验中测定砂粒的粒度采用的设备是英 国m a l v e m 设备有限公司生产的激光粒度仪。 2 4 旋流器分离性能试验 2 4 1 试验目的与方法 本阶段试验的目的是测定两个旋流器的分离性能，并进行比较，主要测定的 性能包括：旋流器的分级效率及总效率与流量及混合物浓度的关系。同时还测定 旋流器的能耗特性，即通过旋流器的流量与压降的关系。 在试验过程中，配制从小到大不同浓度的悬浮液。在每一个浓度下分别单独 运行一个旋流器，从大到小调定几个流量值，进行计量和取样。本试验共配制了 4 种浓度的悬浮液，每个浓度下测定5 个流量。试验中各个浓度情况如下表所示： 表2 - 5 试验配制悬浮液浓度表 试验序号 含砂浓度( )流量( m 3 h ) l2 6 - 1 3 5 24 5 6 - 1 3 5 38 6 一1 3 5 4 1 0 4 6 - 1 3 5 集输泵站油砂处理工艺技术研究与癌用 2 4 2 试验过程 2 4 2 1 注水加热 首先检查试验装置的完好情况，尤其是加热器的接头是否有破损，泵是否有 损坏或者卡死现象、阀门是否完好，然后在储水罐中注入自来水要求没过加热器 的弯管部分( 防止加热器烧坏) ，启动两个3 k w 的加热器将罐中的水加热到4 0 左右( 当时室温为8 c 左右，完成加热大约需要3 4 小时时间，在此过程中 一直不能离人，以免发生意外造成危险) 。 2 4 2 2 试验步骤与内容 打循环在加热到4 0 以后开启循环泵打循环，此时要注意阀的状 态，将所有的阀打开，必须至少有一个回路是打开的防止憋压，检查阀、 泵、流量计等本身及法栏是否有漏液现象，有异常应及时处理。压力表 要关闭防止在泵开始运行时管路压力波动太大损坏压力表，待平稳后再 打开压力表的开关，观察压力情况以及纯水的流量情况。 开动搅拌器首先打开搅拌器的控制器，调节旋钮使搅拌器的转速为 零，合上搅拌器开关，然后调节控制器旋钮使搅拌器转速逐渐上升到 1 5 0 2 0 0 转分之间，要注意搅拌器叶轮的转动情况，避免发生搅拌器 严重摆动，在储罐中形成液体旋涡。( 要在加砂之前开动搅拌器，防止 加入的油砂沉积到罐底死角，不利于砂的清除，造成沉积) 加砂试验将油砂混合物用水搅拌开后倒入罐中，形成油砂和水的混 合物。在泵的带动下混合物通过入口管路进入旋流器，在其中旋流分离 后液体从溢流口排出经回路返回大罐，而固体和- - d , 部分液体则沉积在 旋流器底部的集砂包中，要经常打开底流出口阀排砂。在底流中取样， 以备分析。此时要注意保持砂包上的排空管的常开，防止憋压，影响旋 流器的分离效率。 首先开动蓝色的旋流器对混合物进行处理，然后切换到自制旋流器来进行相 同的步骤。试验中两个旋流器分别运行取样，将取样贴上标签以备分析用( 以后 试验中两旋流器分别简称为海王旋流器、自制旋流器) 。试验过程中要经常打开 旋流器的底流阀排砂，以降低内部压力，保证旋流器的正常工作和保持稳定的分 离效率 待将加入罐中的砂基本除净，则可结束试验这时首先要关掉搅拌器，继续 用泵打循环清洗旋流器防止旋流器沉砂堵塞旋流器锥顶，然后再关泵，旋流器的 底流要放净，不要让砂沉积在旋流器之中关闭搅拌器的操作顺序为先通过搅拌 2 0 - 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 器的控制器将搅拌器的转速逐渐降低到零，然后再切断电源。 2 4 3 取样 取样方法是关系着试验结果的重要因素，因而选择合理的取样方法就显得尤 为重要。本次试验初期的取样方法为水平取样，由于试验过程中，砂不断被分离 出来，循环回路中的砂的浓度会不断减小，为了减小此影响，试验时先把底流的 砂倒入罐内，过上一会儿后开始取样，这样得到的样才会和配的样比较一致。并 且在试验初期采用的取样工具是量简，由于溢流浓度小，为了减小误差，采用多 次取样的方法，使用1 0 0 0 m l 的量筒取样，入口采用5 0 0 m l 的量筒。到试验后期 为减小试验误差，增强结果的可比性，都采用5 0 0 r a l 的烧杯取样。同时尝试采用 下倾3 0 0 取样，发现取样效果有所改善。 2 4 4 粒度分析 试验中采用激光粒度仪测定砂粒的粒度，此次试验并没有将砂分级，为防止 有过大的砂粒损坏粒度仪，在对砂样测定前用6 0 0 岫的筛子对砂样进行了过滤处 理。由于所采用砂子里面含有大量的泥，使所取得入口和溢流的样中含有大量的 泥而不是砂子，烘干后泥砂板结，难以彻底地把它给捣碎，因此所测得的粒度大 都偏大，并不是砂的真实粒度。而底流出来的全是纯砂，所测得的粒度比较的真 实，并且非常的稳定大都在6 0 1 2 0 啪之间。本试验用的粒度仪可测定的最大的 粒径为9 0 0 衄。 在试验过程中发现，现场取得的砂样由于弃置时间过久，产生了许多与现实 不符的特性，经有效地试验研究，确定采取其他方法进行试验。筛取砂样配油试 验是一种较为理想的方法，并且经对比研究发现所配油砂与现场所取得的油砂性 质十分相近，并且配砂所得的油砂样品性质稳定，易于进行分析，因而采用配砂 方法进行试验是合理的也是可行的。 2 4 5 悬浮液的沉降 试验初期，采用量筒取样，沉淀几分钟后倒去上面的清水，然后将剩下的水 砂移入小烧杯中沉淀烘烤，后来发现这种方法沉淀时间过短，倒出清液时油一定 量的固体成分随液体流出造成测量时误差较大，因此在后期试验过程中直接采用 5 0 0 r a l 的烧杯取样，然后长时间静置沉淀( 至少1 2 h ) 然后再倒去上层的水获取 砂样。 2 4 6 取样浓度的测定 此次试验中采用称重法测定浓度：首先计量混合物的体积，然后再倒去水， 烘干称量得到砂的质量，再用砂的质量除以总质量，从而得到流体的质量浓度。 在数据中发现了一些问题： 集输泵站油砂处理工艺技术研究与应用 问题一：实际测得的浓度和配的浓度差距甚大，实际配砂比例比记录 的比例还要大些； 分析原因主要有以下三点： 砂没有完全搅起来，管道中的砂浓度本身就不大，试验中也取了罐内 浓度，但也很低。这种情况可