（石油与天然气工程专业论文）陶瓷颗粒滤料过滤油田污水技术研究.pdf

摘要 进入高含水开发期的油田，为解决采出水的处理和回注问题，研究开发了多项油田 采出水处理工艺技术，建成了庞大的采出水处理与回注工程系统。国内油田般采用除 油混凝过滤的“三段式”采出水处理流程。其中，过滤设备是油田采出水处理 中的关键设备，直接影响着采出水的净化处理效果。论文对目前油田采出水过滤设备存 在的问题进行深入解剖分析，从理论、试验和工业化应用三个方面对采出水过滤技术进 行研究。对新型陶瓷滤料的性能、应用效果进行研究分析，对开发设计和改造现有过滤 器提出新思路。论文对颗粒过滤介质的过滤理论进行探讨和研究，从理论上对影响过滤 效率的因素进行分析，提出油田污水滤料过滤器设计和改造的理论基础。通过实验研究 影响过滤过程的主要参数及各参数间的相互关系，为新型陶瓷滤料过滤器的设计和改造 提供实验依据。通过对过滤器陶瓷滤料配方、制造工艺和性能的实验研究，确定适合油 田采出水净化处理的滤料材料、粒径、比重和滤床深度，提出油田专用陶瓷滤料过滤器 的设计及改造方法。在辛一污水站，利用研究成果，成功完成了四台核桃壳过滤器的技 术改造，应用表明，陶瓷滤料过滤器与其它滤料过滤器相比，具有滤料抗污染能力强、 不易污染板结、再生性能好、耐腐蚀、耐磨损、过滤阻力小、使用寿命长等优点，极大 地改善了外输水质。陶瓷滤料过滤器在油田采出水处理系统，有较高的经济效益和推广 价值。 关键词：污水处理，过滤，陶瓷，油田 t b c h n o i o g yr e s e a r c ho ns e w a g et r e a t m e n t u s i n gc e r a m i cp a r t i c l ef i l t e r ( o i la n dg a sd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o gh a i w e n a b s t r a c t f o rt h eo i lf i e l di nt h es t a g eo fh i g hw a t e rc u td e v e i o p m e n tp e r i o d ，i no r d e rt 0s o l v et h ep r o b l e m so f w a t e r 仃e a t m e n ta n dr e j e c t i o n ，s e v e r a lt r e a t m e n tt e c h n o l o 舀e so fo i l6 e l dp r o d u c e d w a t e ra r ed e v e l o p e d ，a n d h u g ep r o d u c e d w a t c rn e 咖e ma n dr e j e c t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d d o m e s t i co i lf i e l d sg e n e r a l l yu s e “t h r e e s t e p ”p f o d u c e d - w a t e rt r e a c m e n ts c h e m eo f o i lr e m o v 翻c o a g u l a t i o n - f i l t r a t i o n o f t h e m ，矗l t e rp l a n t s a r et h ek e ye q u i p m e n t si nt h eo i l f i e l dp r o d u c e d - w a t e rn e a t m e n t ，w h i c hh a v ed i r e c ti m p a c to nt h ep u r i f i e d e f 俺c to fp m d u c e d - wa _ t e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e m si no i h l e j dp r o d u c e d w a t e rf i h e rp l a n t s ， a n ds t u d i e st h ep r o d u c e d w a t e rf i l t r a t i o nt e c h n o l o g yf b mt h ea s p e c t so ft h e o r y t e s t 锄di n d u s t r i a l 印p l i c a t i o n p e 晌丌n a n c ea n d 印p l i c a t i o ne 艉c t so fn e wc e 姗i cf i l t e r i n gm a t e r a la r ea n a i y z e d ，a n dn e w i d e a sa r ep r o p o s e df o rd e s i 印i n ga n dr e d e v e 】o p i n gt h ee x j s t i n gf j 】t e r s t h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h ep a n i c l e f i i t e rm e d i af i i t r a t i o nt h e o r y ，t h e o r e t i c a l l yi n f l u e n c ef i i t r a t i o ne 衔c i e n c yo ft h ef a c t o r sa r ea n a l y z e d ， p r o p o s e dt h et h e o 巧b a s i so fo i lf i l t e r ss e w a g ef i l t e rd e s i g n e x p e r i m e n t a l l ys t u d yo nt h em a i np a r a m e t e r s t h a ti n f l u e n c ef i l t r a t i o np r o c e s sa i l dt h em u t u a ir e l a t i o n so ft h ep a r a m e t e r s i tc 硼p r o v i d ee x p e r i m e n t a l b a s i sf o rt h en e wc e r a m i cf i l t e rd e s i g n t h r o u 曲t h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ec e m m i cf i l t e rt r a p sf o r m u l 丑 m a n u f a c t u r i n gp f o c e s s e sa n dp e r f o m l a n c et 0d e t e m l i n es u i t a b i eo i i f i e i dp r o d u c e dw a t e rp u r i f i c a t i o n t r e a m l e n tf i l t e rm a t e r i a l ，s i z ea n df i l t e rb e dd e p t h a c c o r d i n gt ot h et h e o 叮a n de x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h e p a p e r s ，t h ed e s i g na n dt r a n s f o m a t i o nm e t h o d so fo i l f i e i dc e r a m i cf i l t e ra r ep r o p o s e d t h es u c c e s s f u l c o m p l e t i o no ft h et e c h n o l o g i c a l t r 锄s f o r m a t i o n 卸d 印p l i c a t i o no ft h ef o u rw a l n u ts h e i lf i l t e r0 nt h ex i n y l 鸵w a g es t a t i o nb yt h eu s eo fr e s e a r c hr e s u l t ss h o w st h a t ，c o m p a r e dt o0 t h e rm e d i af i l t e r s ，c e r a m i cf i j t e ri s m o r er e s i s t 柚tt op o l l u t i o n ， r e n e w a b l eg o o dp e r f o m l a n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，a b r 弱i o nr e s i s t a n c e ， r e s i s t a n c et of i l t e rs m a l l ，l o n gl i f ea n do t h e ra d v a n t a g e sa n di tg r e a t l yi m p r o v e dt h ew a t e rq u a l i t y ，c e r a r n i c f i l t e rh a sh i 曲e c o n o m i cb e n e f i t sa n dp r o m o t ev a l u e si nt h eo i l f i e l dp r o d u c e dw a t e rt r e a t m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：s e w a g et r e a t m e 鸭f i i t r a t i o n ，c e r 锄i c s ，o i if i e l d 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己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：密露日期：刀书年多月 学位论文使用授权书 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；垂盥 指导教师签名：墨i 鱼圣 日期：刀口8 年6 月7 日 日期：厶”缉6 月日 中国石油人学( 华东) t 程硕i j 学位论文 1 1 引言 第一章油田污水过滤技术的现状和发展方向 在油田中高含水开发阶段，油田注水是保持地层压力、保证油田长期稳产高产和提 高油田采收率的重要措施。根据国内外的实践和研究发现，注入水质的优劣对顺利注水 影响很大。注入水中如果存在悬浮颗粒，随水注入地层后，大颗粒以泥饼的形式注入地 层孔隙喉头处，形成桥接，从而将井筒中地层的渗水通道堵住，小于地层孔喉的颗粒进 入地层孔隙中，以沉积的形式堵塞孔道。除悬浮颗粒外，进入地层的油、腐蚀产物、水 垢、细菌都将损伤地层。此外，由于水不配伍引起的地层粘土膨胀也同样对地层产生不 良影响。水敏、速敏、酸敏损害是油藏储层的主要损害因素，并且随渗透率的降低损害 程度增加，所以需要加强储层保护工作。低渗透、超低渗透油层的有效孔隙度低，孔喉 半径小，注水过程中容易被堵塞，致使注水压力不断升高，注水量降低，吸水指数下降， 注水井井况变差，甚至报废，因此对注入水水质要求更高。 针对目前油田注水标准要求严格的特点，为保证在确定的注水压力和必须的流量 下，所注的水能自由地流经地层，而不引起油层孔隙、孔喉的堵塞，需要对注入水进行 达标处理。油田注水及水处理是一项复杂的系统工程，注入水质的优劣直接影响油田的 开发水平和油田二次采油的开发效果，各大油田在开发过程中出现的许多问题多数与注 水水质有关。因此如何处理采油污水和改善回注水水质问题亟待解决。 随着油田开发的不断进行，采出液含水量逐年大幅度提高。油田采出水经处理达标 后作为油田注入水的主要水源是一项化害为利、经济环保，提高驱油开发效果的重要工 作。采出水的主要污染物为颗粒状杂质和石油类，这部分废水量大，若直接外排将对环 境造成很大影响，而处理后回注油层具有表面活性强、温度高、与地层配伍性好、驱油 效果好的特殊优点，因此，油田采出水是理想的回注水水源。油田采出水以其复杂的组 成和复杂的物理化学特性，决定了其处理达标的难度较大，目前的主要处理手段为除油、 沉降分离、过滤工艺等。其中过滤技术虽经多年的研究改进，仍难以满足生产需要。 胜利油田已进入高含水开采期，采出水量大幅度增长，由于油田注水开发的需要， 油田采出水需经过处理达标后回注地层，以恢复地层能量，提高油田采收率。在采出水 处理过程的过滤环节上，集中表现在滤罐出水水质难以达标；自动反冲洗不彻底，滤料 污染周期大大缩短，新滤罐投产不久即出现水质逐渐变差，滤料污染板结，阻力增大， 第一章油污水过滤技术的现状和发展方向 最终停用。在这种情况下，寻求一种过滤效果好、性能稳定、适应性强的过滤技术己成 为当务之急。 1 2 油田采出水处理技术及国内外现状 随着注水开发的大规模开展，国内油田普遍己进入高含水( 特高含水) 开发期，以胜 利油田为例，目前原油综合含水率己达9 0 ，某些区块综合含水率甚至高达9 5 以上， 同产污水7 1 9 万吨，采出水的处理和出路问题表现的日益尖锐。油田进入开发中、后期， 向地层注水、补充地层能量，实现注水开发，是提高采收率最重要的方法。因此以采出 水作为油田注水的首选水源，将采出水处理后用于油田开发注水是唯一既可避免污水外 排，保护环境，又可提供注水水源、节约基建投资的工艺思路，从而获得良好的社会、 经济和环境效益。 油田采出水不仅为原油所污染，而且在高温、高压的油层中溶解了地层中的各种盐 类和气体；在采油过程中，从油层里携带许多悬浮固体；在油气集输过程中掺进了各类 化学药剂；采出水中又含有大量有机物，有适宜微生物生存的环境，助长了细菌的繁殖。 油田采出水是含有多种杂质、难以处理的污水。油田采出水处理技术在我国起步于五十 年代，历经多年的研究应用和发展，现己形成了较为配套的技术体系，目前胜利油田己 建有数十座采出水处理站，根据胜利油田采出水水质特点和注水水质要求，已经逐步形 成了为中、高渗透油田注入水水质处理的三段处理工艺，即第一段为缓冲调节段：主要 构筑物是调储罐，它不但对来水进行均匀处理为后续段提供稳定的水质、均衡的水量， 而且对来水的浮油和大颗粒的悬浮物进行初步分离；第二段为沉降分离除油段：按其设 备不同又分为重力沉降除油( 混凝沉降罐、斜管沉降罐等) 、压力沉降除油( 粗粒化罐、压 力斜板除油罐及二者组合装置等) 、气浮选除油及旋流分离除油等；第三段为压力过滤 段：它将沉降分离段不能截流的微粒杂质、乳化油分离出来，是常规处理流程的关键环 节，也是水质能否达标的主要设备。 国外油田含油污水处理工艺与我国大体相同，主要是除油净化和过滤净化两个阶 段。对于渗透性好的注入层，采用除油、过滤的常规处理工艺，对渗透性差的注入层， 则在常规处理的基础上进行深度处理，即采用预过滤和精细过滤。 1 3 国内外过滤器的发展状况 在1 0 0 多年前的美国宾西法尼亚的某油田，水从浅井渗漏到的含油层，使邻近的油 2 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 井产量增加，这个偶然的机遇给人们一个启示：“看来，注水可以增加油田的最终采收 率”。因此，诞生了最初的注水技术。早期注水未考虑水对地层的副作用，以致对地层 造成了无可补救的损害。人们逐步认识到，不能野蛮注水，应科学开采，净化注入水水 质，保护地层。 1 ) 国外过滤器的发展状况【1 】 从上世纪四十年代开始，注水作业迅速发展，最初注入水是清水，过滤设备采用的 也是粗滤器，过滤精度不高，只能满足中、高渗透油层需要。 ( 1 ) 清水型粗过滤器 美国s e r c kb a k e r 公司粗滤器为多层滤料过滤器，采用多层滤料可充分发挥滤 料截污能力，减小过滤阻力。它所采用各层滤料密度不一，细颗粒滤料一般为石榴石， 粗颗粒滤料采用无烟煤等，在反洗时各种滤料按滤料密度大小自动进行水力分级。在不 加任何辅助药剂时，过滤精度可达7 1 0 岬；加絮凝剂后，滤后精度可达1 2 “m 。但在 实际应用中，这种过滤器暴露出一些缺点，反洗不彻底、滤料分层不明显，因此会逐渐 降低过滤精度。 此后，美国p a l l 公司和h y d r o m a t i o a 公司分别研制出了核桃壳过滤器，它是 一种滤料可以充分反洗的过滤器，它借助于一个能将滤料吸入的特种泵和一个特殊的筛 管，对滤料进行反洗。这两种过滤器所使用的滤料是经过特殊处理的山核桃壳，使用时 滤料磨损减少后可酌情添加。 ( 2 ) 清水型精过滤器 国外精细过滤器，均为套筒式滤芯过滤器【9 】【l o 】【i l 】【1 2 】【1 3 】。滤后水中悬浮物粒径可达 0 5 岬，滤芯是使用聚丙烯或玻璃纤维丝制成的，结构形式有两种：一种为折叠式滤芯， 一种为缠绕式滤芯。折叠式滤芯的材料一般为耐水滤纸或无纺布，厚度在0 2 0 3 岬左 右。缠绕式滤芯有两种缠绕方法：一种是直接喷丝缠绕，另一种是纱线蜂房缠绕。缠绕 式滤芯因滤层厚度大，截污能力强，使用周期也较长。但是两种滤芯相同缺点：一旦滤 芯被污染就不能反洗再生，必须更换。 2 ) 国内油田过滤器的发展状况【2 】 在我国，由建国初期的玉门油田，克拉玛依油田，到以大庆油f f j 为首的东部油田的 开发，基本采用了前苏联四十年代砂滤技术与多层滤料技术。随着油田的开发逐渐发现 砂滤技术与多层滤料技术有很多缺点。例如：砂滤滤速低，设备庞大；砂滤料比重大， 3 第一章油田污水过滤技术的现状和发展方向 不适用于机械反洗，只能用气吹，因此，反洗不彻底，滤料再生能力差；过滤后水质精 度不高，不能满足低渗透油层注水要求。对于多层过滤器，除砂滤料过滤器的诸多缺点 外，还存在着反洗后分层不明显，达不到设计要求。 随着油田的开发，长期注水后，采出液含水量逐年提高，含油污水回注势在必行。 用含油污水进行回注好处很多，它与地层有较好的配伍，能防止油层中粘土堵塞地层的 孔隙，但含油污水的过滤技术难度很大，它不但要控制污水中悬浮物含量及粒径，还要 解决污水中油对过滤器的污染。 目前，国内油田采出水处理过滤器按精度由低到高排列，主要有以下几种： ( 1 ) 核桃壳过滤器。核桃壳过滤器最早由江汉机械研究所开发并成功地应用于大港油 田的污水精细过滤，并逐步完善各种配套设施。污水中含油过高时，污油易将滤料污染 使其板结而失去效果，必须配套高效除油清洗剂定期搅拌清洗滤料。 ( 2 ) 双层滤料过滤器。早期的单一石英砂过滤己被淘汰。采用无烟煤、磁铁、石英砂 滤料的深床过滤技术，目前已应用于油田采出水处理中。近年来发展起来的全自动双滤 料过滤器，在胜利、青海、辽河等油田也得到应用。 ( 3 ) 纤维过滤器。这类装置采用多种纤维，易堵塞。 ( 4 ) 微孔过滤器。国内开发这类产品最初用于清水处理中，后应用于油田注清水过滤 中，可控制悬浮固体颗粒直径达到2 m 以下，目前有桂林、吉林等厂家生产此类设备。 ( 5 ) 滤芯过滤器。这类装置多用于注水井口滤，是控制水质的最后一关。中原文南、 胜利渤南等油田引进了这种装置。其缺点是滤芯价格过高，不能再生，易污染，影响了 这种过滤器的推广。 ( 6 ) 陶瓷膜过滤装置。这类装置主要应用于低渗透油田注清水的处理过程中，用于处 理油田采出水尚没有成功的报道。 1 4 油田污水过滤技术现状及生产中存在的主要问题 粗过滤器是中、高渗透油藏注水水质保证的把关设备和低渗透油田重要预处理设 备。为保证油田采出水处理后达到不同的回注要求，各油田和设计生产单位都把粗过滤 技术和设备作为研究重点。 在油田污水粗过滤中，早期的石英砂滤料因空隙率低，滤速不高，产水量低，过滤 周期短，反洗不易彻底，再生能力差，难以适应组成复杂的油田污水处理的要求，现已 4 中国石油大学( 华东) 丁程硕f j 学位论文 基本被淘汰。 工程技术人员和研究人员经过多年不断地努力和探索，先后成功地开发了核桃壳粗 过滤器和双滤料精细过滤器。与石英砂滤罐相比，核桃壳过滤器的过滤性能有很大改善。 但目前国内生产核桃壳滤料的厂家繁多，没有统一的生产规范，工艺落后，质量良莠不 齐。另外，核桃壳过滤器在使用过程中，滤料易破碎，易泥化，损耗大，影响过滤器的 过滤效果和滤料的使用寿命。核桃壳滤料在生产过程中，国内一般采用机械粉碎、筛选 加工工艺，生产出的滤料形状多为六面体，难以达到理想的球形。且单颗滤料的形状无 法控制，随机性大，致使滤罐装填滤料后形成的滤床由于滤料形状在层位上产生差异， 影响过滤的均匀性，并影响最终出水水质。此外，在滤料反洗时，大小不一、形状各异 的核桃壳滤料极易堵塞筛管，局部筛管堵塞又导致不均匀过滤、穿透、走旁通，从而影 响除油、除悬浮物的效率。此外，由于生产制造，设备故障，滤料板结无法反洗等原因， 改造后的滤罐停运率一直居高不下。 目前，根据对东辛厂各大污水处理站及全局使用的各种过滤器的调研，综合起来主 要存在下列主要问题： ( 1 ) 滤料形状不规则，粗细不均，细颗粒滤料极易堵塞配水和集水筛管，导致过滤阻 力和反洗压力升高，影响过滤和反洗效果。 ( 2 ) 现有过滤器使用的滤料全部为天然滤料，材料的吸附性和空隙率固定，一旦污染 后必须更换新的滤料。 ( 3 ) 滤料磨损和损耗严重，易污染，再生困难，一般使用周期1 2 年，滤料更换频繁。 ( 4 ) 东辛厂大部分污水站的污水经过滤器处理后，出水水质含油和悬浮物都在 3 0 m g l 左右，处理效果比较差且使用寿命不足1 年。 ( 5 ) 在用的核桃壳过滤器都存在搅拌器，在使用过程中，经常出现搅拌轴脱落和浆片 扭曲、断裂现象，影响过滤器生产。设备维修量和费用大。 1 5 油田污水过滤技术的研究方向 ( 1 ) 研究方向 尽管目前其它滤料过滤器存在上述三个方面的问题，但最主要的问题均与滤料再生 密切相关。根据过滤理论，最有效提高过滤器性能的途径是改善滤料性能。滤料的综合 性能评定主要表现在过滤效果和再生性能两个方面。因此，开展新型滤料的研制是解决 油田污水过滤的根本途径【4 】【5 1 。 第一章油污水过滤技术的现状和发展方向 ( 2 ) 滤料及其发展 随着油田注水开发的不断深入，油田污水处理达标回注已成为一项关系到能否油田 稳产、上产的非常重要工作【6 】。油田大量的应用结果表明目前采用传统的常规过滤处理 工艺已无法有效去除油田污水中的原油、悬浮物。因此发展新型高效经济的过滤处理工 艺和过滤材料是油田污水过滤领域研究的新课题。 污水过滤的核心是过滤介质滤料。作为滤料的介质，一般必须满足下列要求： 1 ) 具有足够的机械强度。以免反冲洗的过程中，滤料出现明显的磨损和破碎。磨损 和破碎一方面使滤料粒径变小，增加滤层的水头损失；另一方面破碎的细粒还可能堵塞 筛管或进入滤后水中污染水质。 2 ) 具有足够的化学稳定性。使过滤时滤料不致发生溶解现象。 3 ) 外形接近于球状。 早期的滤料主要是天然石英砂，石英砂有足够的机械强度，并且在中性水及p h 值 在2 1 6 5 范围内的酸性水中都很稳定，但在碱性水中，石英砂有溶解性。后来有了无 烟煤，无烟煤的化学稳定性比较高，在一般碱性、中性、酸性水中都不溶解，粒径和破 损率都比较小i 引。 1 9 6 8 年，前苏联就丌始将破碎的烧岩颗粒加工成滤料，其颗粒本身带有数目极大的 微开孔和微闭孔，具有较高的孔隙率，去污能力也很大，可用作净化污水、工业废水； 另外，其稳定性好，其磨损率为0 4 8 ，可磨损度为0 0 7 ，在各种新滤料中都是名列 前茅的，是一种优于石英砂、煤等天然滤料的人工轻质滤料。 自1 9 9 7 年以来，国内重庆建筑工程学院姚阿霖分别对陶粒滤料、烧岩滤料、石磨 滤料、轻瓷滤料和堇青石滤料进行了比较系统的研究【l4 1 。经性能测试和过滤试验表明， 这五种人工合成轻质滤料在比表面积、孔隙率及过滤性能等主要指标上均优于石英砂。 滤料的基本功能是提供吸附水中悬浮物所需要的面积，悬浮物的可吸附性则主要依赖于 滤料的孔隙率和比表面积。如果滤料的孔隙率大，则滤层过水能力强、去污能力高、运 行周期长。但孔隙率大，杂质易于穿透。要避免杂质穿透现象，就必须强化滤料对絮凝 胶体的吸附能力，提高滤料的吸附比表面积。但传统的天然滤料如石英砂等很难达到高 孔隙率、高比表面积的要求，只有人工滤料才能达到。因此研究孔隙率高、比表面积大、 表面特性好的人工滤料及其过滤技术已引起国内外的极大关注。 目前，人工滤料总的发展动向是研究物理性能好、原材料化学稳定性好、孔隙率高、 机械强度好、比表面积大、形状系数大、表面特性好、吸附能力强的人工滤料。现己开 6 中国石油大学( 华东) 工程硕寸：学位论文 发的人工滤料有纤维球滤料、泡沫塑料珠、氢化无烟煤、橡胶粒、浮石、珍珠岩、次石 墨滤料、带电滤料等。此外，还有采用无机材料经成型、烧结的陶粒滤料。 陶粒滤料属人工轻质滤料，是一种较新型的净水给水过滤材料。它是将具有膨胀性 能的页岩或贫瘠粘土粉碎均化，添加活化剂和水搅拌，造粒成球型，然后入窑高温烧涨 成陶粒，再将其破碎筛分、水洗烘干而制成。与目前用于给水的石英砂相比，陶粒滤料 具有孔隙率高和比表面积大等特点，而且其孔隙率随粒径减小而增大，这对形成沿水流 方向孔隙由大到小的所谓滤层具有现实意义。由于陶粒具有良好的物理、化学和水力性 能，较好的机械强度，比表面积、孔隙率高、吸附能力强、截污能力大。因此，陶粒滤 料滤池具有过滤水质好、水头损失小、产水量高、工作周期长以及反冲洗水量小等特点。 目f j 陶粒滤料技术已在国内五十多个城镇、厂矿企业的给水中得到应用。 目前已有的陶粒滤料主要用于净水给水处理，不适合污水处理。为适应油田污水腐 蚀性强、易污染滤料的恶劣环境，本研究吸取陶粒滤料等人工滤料的优点，从原料配方 和烧制工艺上加以改进和优选，研制出一种新型的陶瓷球形颗粒滤料。新型陶瓷颗粒滤 料比陶粒滤料性能更为优越，具有更高的孔隙率、比表面积，更好的机械性能、吸附能 力、化学稳定性等，满足油田污水处理的特殊需要。 7 第二章颗粒滤料过滤器理论 2 1 引言 第二章颗粒滤料过滤器理论 在油田采出水处理中，过滤是一项重要的过程。过滤技术是利用多孔介质从水中分 离不溶解固体的技术。过滤的关键技术在于滤料的选择。滤料具有吸附悬浮物的表面积， 过滤器依靠滤料使水澄清。油田现在常用的滤料有核桃壳、石英砂，此外，石榴石、锰 铁矿砂、金刚砂等也可使用。近年来还研究出了轻质滤料，例如聚苯乙烯球粒、聚氯乙 烯球粒等。研究和实验表明，作为滤料固体颗粒，必须满足下列条件： ( 1 ) 有足够的机械强度。在冲洗过程中，强度低的颗粒由于摩擦会破碎，破碎的细粒 容易进入过滤水中，磨损与破碎使颗粒粒径变小，这样更增加了滤层的水头损失，增加 了滤料的损耗。所以，滤料必须具有足够的机械强度。 ( 2 ) 具有足够的化学稳定性。在过滤的过程中，滤料与水产生化学反应会恶化水质。 滤料尤其不能含有对人体健康和生产有害的物质。严格说来，水是万能溶剂，对一切固 体物质都有极微量的溶解现象，滤料也不例外，但一般不会影响用户对水质的要求。例 如最常用的石英砂滤料有微量溶解于水，但生活用水对s i 0 ，含量没有严格的要求，所以 作为滤料是没有问题的。但某些工业用水( 如锅炉补充用水) ，对s i o ，的含量有严格要求 时，用无烟煤代替石英砂作为滤料比较合适一些。 ( 3 ) 能就地取材，货源充足，价格合理。 ( 4 ) 具有一定的颗粒级配和适当的孑l 隙度。 ( 5 ) 外形接近于球形，表面比较粗糙而有棱角。因为球状颗粒间的孔隙比较大，表面 粗糙的颗粒，其比表面积较大，棱角处吸附力最强。 开展新型滤料过滤器的研究，必须首先对其过滤机理进行透彻的分析。 过滤的理论可以用来指导计算过滤器的尺寸，确定反冲洗的频率以及评价过滤器操 作的方法和效果。 良好的过滤过程，需要达到下列要求： ( 1 ) 过滤的时间尽可能短； ( 2 ) 固液有良好的分离； ( 3 ) 较低的费用和经济成本。 中国石油大学( 华东) - 丁程硕上学位论文 2 2 过滤机理 深层过滤是一个包含有许多影响因素的复杂过程。深层过滤能够去除尺寸远小于滤 床孔隙的悬浮颗粒，滤床截留颗粒的过程可以分为三个阶段：迁移阶段、附着阶段和脱 落阶段，因而过滤机理就涉及到迁移机理、附着机理和脱落机理。 舂_ 布朗扩散 b 一惯| 生、扩散 c 一截管 d 一水力撞击 e 一脱附颗聿立 图2 1 过滤机理示意图 f i 9 2 - l s c h e m a t i cd i a g r a mo fn l t r a t i o nm e c h a n i s m 图2 1 显示了过滤的这几个过程机理，过滤器分离悬浮颗粒涉及多种因素和过程， 一般分为三类，即迁移过程，附着过程和脱离过程。 2 2 1 迁移机理 悬浮颗粒脱离流线而与滤料接触的过程，就是迁移过程。引起颗粒迁移的主要原因 有以下6 种： ( 1 ) 筛滤 比滤层孔隙大的颗粒被机械筛分，截留于过滤表面上，然后这些被截留的颗粒形成 孔隙更小的滤饼层，使过滤水头增加，甚至发生堵塞。显然，这种表面筛滤没能发挥整 个滤层的作用。在普通过滤器中，悬浮颗粒一般都比滤层孔隙小，因而筛滤对总去除率 贡献不大。但是，当悬浮颗粒浓度过高时，很多颗粒有可能同时到达一个孔隙，互相拱 接而被机械截留。 ( 2 ) 拦截 9 第- 二章颗粒滤料过滤器理论 随流线流动的小颗粒，在流线会聚处与滤料表面接触。其去除概率与颗粒直径的平 方成正比，与滤料粒径成反比，也是雷诺数的函数。 ( 3 ) 惯性 当流线绕过滤料表面时，具有较大动力和密度的颗粒因惯性冲击而脱离流线碰撞到 滤料表面上。 ( 4 ) 沉淀 如果悬浮物的粒径和密度较大，将存在一个沿重力方向相对沉淀速度。在重力作用 下，颗粒偏离流线沉淀到滤料表面上。沉淀效率取决于颗粒沉速和过滤水速的相对大小 和方向。此时，滤层中的每个小孔隙起着一个浅层沉淀池的作用。 ( 5 ) 布朗运动 对于粒径小于微米级的微小悬浮颗粒，由于布朗运动而扩散到滤料表面。 ( 6 ) 水力作用 由于滤层中的孔隙和悬浮颗粒的形状是极不规则的，在不均匀的剪切流场中，颗粒 受到不平衡力的作用不断地转动而偏离流线。 在实际过滤中，悬浮颗粒的迁移将受到上述各种机理的作用，它们的相对重要性取 决于水流状况、滤层孔隙形状及颗粒本身的性质( 粒度、形状、密度等) 。 2 2 2 附着机理 由于上述迁移过程而与滤料接触的悬浮空颗粒，附着在滤料表面上不足脱离，就是 附着过程。引起颗粒附着的因素主要有以下4 种： ( 1 ) 接触凝聚 在原水中投加凝聚剂，压缩悬浮颗粒和滤料颗粒表面的双电层后，但尚未生成微絮 凝体时，立即进行过滤。此时水中脱稳的胶体很容易与滤料表面凝聚，即发生接触凝聚 作用。快滤操作通常投加凝聚剂，因此，接触凝聚是主要附着机理。 ( 2 ) 静电引力 由于颗粒表面上的电荷和由此形成的双电层产生静电引力和斥力，当悬浮颗粒和滤 料颗粒带异号电荷则相吸，反之则相斥。 ( 3 ) 吸附 悬浮颗粒细小，具有很强的吸附趋势，吸附作用也可能通过絮凝剂的架桥作用实现。 絮凝物的一端附着在滤料表面，而另一端附着在悬浮颗粒上。某些聚合电解质能降低双 l o 中国石油大学( 华东) 工程硕j 二学位论文 电层的排斥力或者在两表面活性点间起键作用而改善附着性能。 ( 4 ) 分子引力 原子、分子间的引力在颗粒附着时起重要作用。万有引力可以叠加，其作用范围有 限，与两分子的间距的6 次方成反比。 2 2 - 3 脱离机理 过滤器通常用水进行反冲洗，有时先用或同时用压缩空气进行辅助表面冲洗。在反 冲洗时，滤层膨胀一定高度，滤料处于流化状态。截留和附着于滤料上悬浮物的受到高 速反洗水的冲刷而脱落；滤料颗粒在水流中旋转，碰撞和摩擦、也使悬浮物脱落。反冲 洗效果主要取决于冲洗强度和时间。当采用同向流冲洗时，还与冲洗速度的变动有关。 2 3 过滤过程理论 2 0 世纪3 0 年代有关过滤的研究成果主要分为两类，一类是研究过滤周期或者絮体 在滤层中的穿透等过滤性能指标与滤料的粒度、滤速等参数的关系，另一类是企图建立 整个过滤过程的数学模型。许多研究者都进行了通过建立某种数学模式来描述深层粒状 介质过滤。过滤理论的数学表示式主要有过滤方程式和滤层水头损失公式。 2 3 1 澄清方程式 1 9 3 7 年，日本t o m i n i s ai 、懈a k i ( 岩崎) 根据长期对过滤过程的研究，提出了下列关系 式： 箜：一肥 一= 一一j 苏 y 丝+ 箜：oy + = u 瓠8 t 五= 厶+ 6 万 式中，c 为滤层深度x 处的单位时间内的面积微粒浓度( 微粒数c m 2 h ) ；五为过滤系数， 为滤料粒径、滤速和微粒的函数；磊为清洁滤层过滤系数；，为过滤时间，h ；y 为滤 速，i i 儿；6 为常数，为滤料粒径、滤速和微粒的函数；万为比沉积量，微粒数c m 2 。 上述澄清方程式的物理意义是，当悬浮液通过滤层时，悬浮液浓度随其通过滤层的 深度而减小，并且悬浮液浓度减少的速度与该点的悬浮液浓度成比例。岩崎的动力学方 程和连续性方程式是以慢滤速过滤为对象提出来的，后来许多研究者研究发现在高滤速 第_ 二章颗粒滤料过滤器理论 中同样成立。 t o m i n i s ai 、a s a k i ( 岩崎) 的澄清方程式和连续性方程式得到后来的m i n t s 、i v e s 、 m a m d a s 的认同，只是在入函数的表达式上各人持不同意见。岩崎认为入的增量与d 成 反比；而i v e s 是用d 的二次式表示入，并且提出了在过滤初期增加，随后又减少的模式。 以下是他们提出的入的表示式： m i n t s 公式： m 旧 i v e s 公式： 见= 厶( 1 + 口。万一口：万2 ) 式中，口。、口：为有关滤料填充情况的系数；瓯为给定条件下的极限截污量，其余符号 意义同前。 2 3 2 滤层水头损失公式 滤层有大量滤料颗粒堆积而成，当水流通过时，滤料颗粒对水流运动产生了很大阻 力，在滤床层两端造成了很大的压降，称为过滤阻力，用水柱高度表示即为过滤的水头 损失。 水头损失无论在过滤器的设计和操作中都是重要参数，因此研究者们一直试图用数 学方法加以描述。目前，流体通过尚未截留污物的滤层水头损失常用利瓦( l e v a ) 公式和 费尔一哈奇( f a i r - h a t c h ) 公式进行计算，两公式都是康尼尔一卡曼( k o z e n y - c a m l a n ) 公式推 导出来的。特别是费尔一哈奇( f a i r - h a t c h ) 公式是以滤池为对象求出的，与实测值吻合， 但以雷诺数r = 1 为界，方程的形式有变化，因此在雷诺数r 。= 1 附近探讨过滤阻力有些 不便。然而利瓦( l e v a ) 公式适用于雷诺数尺。 1 0 ，所以是一个便于应用的公式。 康尼尔卡曼( k o z e n y - c a 咖a n ) 公式： 8 。詈学厶矿 g肌il 伽o 式中，为水流通过清洁滤层水头损失，m ；y 为水的运动粘度，m 2 s ；g 为重力加速 度，m s 2 ；聊。为滤料孔隙度；成为与滤料孔隙相同的球体直径，m ；为滤层厚度； 中国石油大学( 华东) t 程硕 ：学位论文 矿为滤速，州s ；缈为滤料颗粒球度系数。 上述公式只适用于均匀滤料过滤，而实际滤层是非均匀滤料，计算非均匀滤料层的 水头损失，可按筛分曲线分成若干层，取相邻两筛子的筛孔孔径的平均值作为各层的计 算粒径，则各层水头损失之和即为整个滤层总水头损失。设粒径为谚的滤料重量占全部 滤料重量之比为以，则清洁滤层总水头损失为： 锄划唾学嘶肌私 式中各符号意义同前。 利瓦( l e v a ) 公式：= 裂 费尔一哈奇( f a i rh a t c h ) 公式： 尺。：业 c a o m g o z n 0 f e 2 0 3 a 1 2 0 3 s i 0 2 即k 2 0 耐酸性最弱， s i o ，最强。所以如果坯体结构致密，含有a l ，o ，、s i o ，多，其化学稳定性就好。如果坯 体孔隙率高，含k ，o 、n a ，o 较多，其化学稳定性就差。 碱液对陶瓷的侵蚀过程比较复杂，先是碱液中的水与陶瓷中的玻璃相表面作用，生 成保护膜，然后是碱与保护膜反应，水解反应继续进行，所以玻璃相不断地受到破坏。 碱液中含有大量的o h ，它通过水侵蚀的玻璃相表面深入到玻璃相内部与玻璃网络反 应。o h 破坏了玻璃体的网络结构，使玻璃体瓦解。 从以上的论述来看，孔隙率与耐酸碱性有一定关系。陶瓷滤料样品的耐酸碱性与孔 隙率的关系如图3 7 所示。从图中可以看出，随着孔隙率的增大，滤料样品的耐酸碱性 降低。孔隙率最低的g ，耐酸性最好。孔隙率最高的g l i ，耐酸碱性最差。而其中e 的 第三章新型陶瓷滤料制备与性能分析 孔隙率比g 。高，但耐酸碱性却比g 。好，对比表3 8 和表3 9 中f 2 与g ，的化学成分，可 知g 。中含有的k ：o 、n a ：o 量比f 2 中多，可能生成的玻璃相较多所造成的。 图3 7 陶瓷滤料样品的耐酸碱性与孔隙率的关系 f i 9 3 7 r e l a t i o nc u r ，eb e t w e e na c r i da n da l k a nr e s i s t a n c ea n dp o r o s i t yo f c e r a m i c 行l t e rm a t e r i a is a m p i e 3 4 水质过滤和清洗优选试验 通过不同配方烧制出的陶瓷滤料，筛选出几种配方的滤料产品进行水质过滤和清洗 优选试验。根据试验结果，确定出用于辛一污水水质过滤处理的新型陶瓷滤料配方。 3 4 1 不同陶瓷滤料配方烧制滤料的水质过滤试验 选取了1 、2 撑、3 # 、4 样、5 撑不同配方滤料样品进行过滤水质对比试验，5 种滤料粒 径和填充高度一样，进水水质保持一致，其试验结果见图3 8 。 3 4 中国石油人学( 华东) t 程硕十：学位论文 过朗寸阍th ) 扣l 髫各一捌卜麓_ - 一删弘掰一进承 图3 8 不同陶瓷滤料样品的出水水质对比关系 f i 9 3 - 8o u t p u tw a t e rq u a l i t yc o r 他l a t i o no fv a r yc e r a m i c 丘i t e rm a t e r i a ls a m p i e 从图上曲线对比可以看出，5 群滤料样品的出水水质最好。 3 4 2 滤料的反洗性能对比试验 选取的1 拌、2 群、3 撑、4 撑、5 撑不同配方滤料样品进行反洗对比试验，在同等反沈强度 下，观察并记录5 种滤料滤层的膨胀高度，测定5 种滤料各自反洗时的排出水水质，进 行综合对比后发现，3 撑和5 撑滤料反洗时滤层膨胀高度相近，反洗时杂质脱附明显比其他 编号的滤料彻底( 可以从排出水水质进行判断) 。 综合评价后，选择5 群滤料的配方作为新型陶瓷滤料生产配方。 3 5 新型陶瓷滤料物化性能对比 新型陶瓷滤料是一种无机滤料，其主要化学成分见下表3 1 9 ： 表3 1 9 新型陶瓷滤料的化学组分 i i a b i e 3 - 1 9c h e m i c a ic o m p o s i t i o no fn e w - t y p ec e r a m i c6 i t e rm a t e r i a l 成分s i 0 2a 1 2 0 3 f e 2 0 3 c a om g o k 2 0 + n a 2 0少火量 含苗 4 0 5 02 0 2 58 1 0 1 0 1 3o 8 1 2 4 0 5 新型陶瓷滤料经检测，其各项性能指标见表3 1 9 。石英砂和核桃壳滤料主要性能指 标见表3 2 1 、表3 2 l 。 v 、 4 3 2 l ， 嘲知嚣驶峨 第三章新型陶瓷滤料制备与性能分析 表3 2 0 新型陶瓷滤料的主要性能指标 1 a b l e 3 - 2 0m a i np e r f o r m a n c ei n d e xo fn e w 一够p ec e 髓m i c6 l t e rm a t e r i a i 粒径( m m )容重( k g m 3 )气孔率( )吸水率( ) 压碎强度 o 2 3 08 2 0 2 7 0 02 0 6 02 5 5 58 1 5 2 1 4 9 孔径( m m )比表面积( c m 2 屈) 磨损率( )破碎率( )盐酸可溶率( ) 0 0