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含油污水过滤器喷动反冲洗技术研究 隋克鹏( 化工过程机械) 指导教师：刘国荣教授 摘要 本文根据油田现用深床过滤器的应用现状，在实验室建立了相关 实验装置，将喷动技术应用到核桃壳过滤器的反冲洗中，对反冲洗效 果进行了研究。首先模拟了核桃壳深床过滤器的过滤过程，对不同床 层高度随时问的污染情况进行了分析，分析了床层污染速度及机理。 确定1 2 m 为最优的床层厚度。然后，通过大量实验，采用喷动技术 对污染滤料进行反冲洗再生，分析了反冲洗强度、反冲洗时间等操作 参数对床层膨胀率、初始过滤压差的影响：并且对不同实验条件下的 反冲洗效果进行了分析。根据实验研究确定反冲洗强度1 2 l m 2 s ，反 冲沈时间1 2 r a i n 为最佳的反冲洗参数。 最后，以实验研究为基础，利用剪切理论和颗粒碰撞理论对滤料 的再生效果进行了预测，推导出基于两种理论的相对清洗效率计算式： 对反冲洗操作参数进行了优化，并且对基于喷动技术的核桃壳深床过 滤器反冲洗耗水量进行了计算。 关键词：含油污水，深床过滤，核桃壳，反冲洗，喷动技术 r e s e a r c ho ft h es p o u t e db a c kf l u s ht e c h n o l o g yu s e di n t h ef i l t e rr e g e n e r a t i o nf o ro i l yw a s t ew a t e r t r e a t m e n t s u ik e - p e n g ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e d b y p r o f e s s o r l l u g u o - r o n g a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lf a c i l i t yw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h es p o u t e db a c kf l u s h t e c h n o l o g yi no r d e rt os o l v et h ep r e s e n tp r o b l e m si nt h ed e e pb e df i l t e r s b a c kf l u s h t h ef i l t r a t i o np r o c e s sw a ss i m u l a t e d a n dt h e p r e s s u r e d i f f e r e n c ew a sm e a s u r e da td i f f e r e n td e p t ho ft h eb e ds o a st ow e l l u n d e r s t a n dt h ef i l t e rm a t e r i a l sc o n t a m i n a t i o np r i n c i p l e t h e n ，o p e r a t i o n p a r a m e t e r s ，s u c ha sb a c kf l u s hi n t e n s i t y , b a c kf l u s hd u r a t i o na n ds oo n ， w h i c hh a v ei n f l u e n c eo nt h ef i l t e rm a t e r i a lr e g e n e r a t i o n ，a r ed e e p l y d i s c u s s e d f u r t h e rm o r e ，t h ee x p a n s i o nr a t i oa r e a l s od i s c u s s e da n d d e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ee f f e c t f i n a l l y , t h eo p t i m a lo p e r a t i o n p a r a m e t e r sa r ea s c e r t a i n e db y t h ee x p e r i m e n tw i t ht h eb a c kf l u s hi n t e n s i t y 1 2l m 2 sa n db a c kf l u s ht i m e1 2m i n u t e s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d ya n dc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h e s h e a r i n gt h e o r ya n dc o l l i d i n gt h e o r y , o p t i m a l c o m b i n a t i o no ft h e o p e r a t i o np a r a m e t e r si sd e t e r m i n e d ，a n dt h er e l a t i v ee f f i c i e n c yo f t h e t w o d i f f e r e n tt h e o r i e sc a nb ec a l c u l a t e db yt h ee q u a t i o n sd e d u c e d a tl a s t ，w a t e rc o n s u m p t i o ni sc a l c u l a t e df o rt h en u t s h e l ld e e pb e d f i l t e ra tt h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：o i l yw a s t ew a t e r ，d e e pb e df i l t e r , n u t s h e l l ，b a c kf l u s h ， s p o u t i n gt e c h n o l o g y 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 获得石油大学或其他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。 始硒堑遂双j ，月湘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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 导师签名 、i l 磁涮 夕识年，月勿日 知易年f 月孑7 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 课题来源 中石化胜利油田有限责任公司某采油厂技术改造项目。 1 2 课题背景、意义 目前，我国大部分油田已进入石油开发的中期和后期，采出油中 的含水量为7 0 8 0 ，有的油田甚至已高达9 0 ，日产含油污水量非 常大。掘统计我国国内油田采出的含油污水达1 4 2 5 万m 3 d 。如果这 些污水不经处理而直接排放，不仅造成了水资源的大量浪费，而且会 污染水体、污染环境，破坏生态平衡。油田采出水的妥善处理和管理 对于减少其对环境的影响和控制开采成本至关重要。如果对采出水进 行处理，并用于回注，则不仅可满足油田开采过程中注水量日益增长 的要求，同时也可以节省水资源，为油田带来经济效益。油田污水的 处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式，主要有重力除油、 压力除油、气浮法除油除悬浮物、精细过滤处理等方式，但在绝大部 分的工艺中都要存在过滤。当前各主要油田大多采用石英砂、核桃壳 或纤维球等深床滤料过滤器进行处理，油田深床过滤器滤料性能的稳 定和维持依靠反冲洗得以实现。 对于大多数的石英砂、核桃壳和纤维球过滤器而言，由于滤床在 反冲洗时膨胀率是有限的，属于固定孔隙过滤器。对于筛除作用的截 留物，只用过滤水流的逆向流动使其流态化就可以清除：但对于吸附 作用的截留物，则没有这么简单，因为即使反洗强度很大，逆向水流 在孔隙内仍处于层流状态，曳力的大小受到一定限制，并不能完全改 变吸附状态，因此用通常的反洗方式来恢复过滤性能的效果有限。滤 料使用一段时间后过滤性能会严重下降，造成水质不达标，往往需要 更换滤料。一般说来，产生吸附作用的过滤介质的材料因素是不易改 变的，只能通过改变过滤介质所形成的结构因素，通常是通过解除其 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 所形成的微小孔隙来脱附。因而，能否解除滤层的孔隙是决定反洗效 果的关键。如果能利用喷动流化技术使滤料在过滤器内达至q 流化状 态，则不仅可以增大液体对固体颗粒的曳力，更加彻底的清除筛除截 留物，还可以利用滤床颗粒的周期性循环流动，使其在反冲洗过程中 充分碰撞摩擦，大大强化脱附的效果：再辅以超声波清洗手段，清除 粘附在滤料颗粒表面的稠油类物质，确保滤料的再生性得到提高。如 果试验成功，可以在保留原有水处理设备的基础上，改善反冲洗管路 入口结构，增强滤料再生性能，不仅可以使出水水质达标，同时也减 少了更换滤料的人力、物力。 1 3 油田用过滤器的原理 过滤是用过滤介质( 滤料) 对作为分散相的悬浮物进行拦截而允 许作为连续相的水通过来实现两相分离的过程。典型过滤设备的结构 包括滤层和承托层。过滤介质对悬浮物的拦截作用可分为筛除作用和 吸附作用。图卜1 为抽象的过滤原理示意图。筛除作用是针对较大 的悬浮颗粒，由于不能通过滤层而被截留在滤层的表层；而较小的悬 浮颗粒尽管可以进入滤层，但这些颗粒在通过滤层时与过滤介质接触 而被吸附在滤层中被滤除，这就是吸附作用。 对于像砂滤池等深床过滤器，可以滤除的颗粒远小于滤层的孔 隙，说明其工作机理主要是吸附作用而不是筛除作用。吸附的发生机 理也便成了工作者的研究方向。简单地说，当过滤介质对悬浮颗粒的 吸力大于水流对悬浮颗粒的曳力时将发生吸附。过滤介质对悬浮颗粒 的吸力主要取决于过滤介质的材料性质和结构两个因素。材料性质因 素是由于其化学、物理性质产生的表面吸力；结构因素是由于多孔结 构会强化吸附作用。当材料相同时，颗粒与介质表面接触面积越大则 吸力越强，而过滤介质所形成的微孔，一方面迫使细小悬浮颗粒获得 与过滤介质接触的机会，另一方面也使其接触面积成倍增加，如图卜2 所示【2 】。这样，在过滤介质的孔隙内悬浮颗粒会受到足够大吸力，而 同时孔隙内的水流一般处于层流状态，流速不会很大，对悬浮颗粒的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 i a 一滤饼过滤：b 一深层过滤 l 一滤饼；2 一过滤介质 图1 - 1 两种不同过滤方式示意图 曳力也就不大。这样就会产生较强的吸附作用。因此，滤层孔隙的吸 附作用对过滤性能的影响是很大的，制造更多更小的滤层孔隙会有效 地提高过滤精度。 图卜2 吸附作用示意图 1 4 常用过滤器特点及存在的问题 1 4 ，1 石英砂过滤器 石英砂过滤器是一种典型的深床过滤器，其结构特点是滤层较 厚，过滤介质石英砂的密度较大，滤床比较稳定。石英砂过滤器工作 的机理主要是吸附作用，而筛除作用是次要的。由于滤床在反冲洗时 是固定的，属于固定孔隙过滤器，被吸附在滤层中的微小颗粒脱附比 较困难，因此用反洗来恢复过滤性能的效果有限，使用一段时间后过 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 滤性能会严重下降，往往需要更换滤料。这种过滤器一般应用在对水 质要求相对不高的清水过滤。 1 4 2 核桃壳过滤器 核桃壳过滤器是油田使用的轻质滤料过滤器，这种过滤器的基本 结构和过滤原理与石英砂过滤器相同，区别是作为滤料的核桃壳密度 较小，一般在1 4 9 m 3 左右。由于滤料较轻，反冲洗时在水流作用下 滤层成为沸腾床，由滤料间隙形成的微孔被解除，吸附的悬浮物得以 脱附。因此，这种过滤器属于非固定孔隙过滤器，反洗再生能力较强， 过滤性能稳定，适合于中高渗透率地层水质要求的采出水过滤f 3 1 。 1 4 3 微孔陶瓷过滤器 这种过滤器的过滤元件是烧结而成的多孔陶瓷管，它的本体既作 为滤层也作为承托层。这种过滤介质的特点是孔隙均匀且稳定，对较 大的悬浮物有筛除作用，而对较小的悬浮物有吸附作用。反冲洗是通 过逆向流和横向流对过滤介质进行冲刷，对筛除物的清除效果较好， 而对吸附物的清除效果则不明显，因而容易造成堵塞。这种过滤器适 合中等渗透率地层水质的清水过滤。用于含油的采出水过滤时，过滤 元件的反沈再生比较困难，需要加入清洗剂并采用气吹等办法，反洗 工艺非常复杂【4 】o 1 4 4 纤维介质过滤器 这也是一种深床过滤器，滤层介质采用纤维材料，一般为合成纤 维，常用的有纤维球和纤维束。这种过滤器的过滤机理是纤维介质在 外力( 水力或机械力) 作用下被压紧后形成微小的孔隙，主要产生吸 附作用，将水中的悬浮物滤除。反洗时，解除压紧力使纤维滤材蓬松， 被吸附的悬浮物脱附并在反洗水流的冲洗下被清除。由于纤维材料非 常细，压紧后形成的孔隙也就非常小，因此过滤精度非常高，是比较 理想的精细过滤器。不过，如果水中含油，则会非常麻烦。因为一般 合成纤维都是亲油的，对油会有很强的吸附力，而油被吸附到纤维滤 材上之后作为粘结剂将纤维滤材粘在一起，很难松开，反洗非常困难。 这种过滤器适用于以清水作为水源的低渗透地层注水水质过滤。目前 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 己得到比较成功的应用。此外，国内一些研究单位( 如江汉机械研究 所) 正在研究不亲油纤维以及纤维改性技术，目的是将这种过滤器用 于含油的采出水过滤，目前已取得了很大的进展。如果能将纤维材料 本身对油的吸附力减小到足够的程度，纤维介质过滤器，尤其是纤维 束过滤器将会成为低渗透油田采出水回注水质过滤的理想设备【5 1 。 1 4 5 膜过滤器 这种过滤器的核心元件是滤膜，是一种制备在微孔承托层( 支撑 体) 上的布满更微小孔隙的薄膜。制作滤膜的材料有很多，分为有机 膜( 如聚砜中空纤维膜) 和无机膜( 如陶瓷膜) 。滤膜作为过滤元件 其结构特点是滤层非常薄，因而它的过滤机理主要是筛除作用，吸附 效应很小。因此，膜过滤器的过滤精度较高，粒径控制比较稳定，而 且反冲洗容易恢复性能。不过如果水中含有油的话，则很容易堵塞而 且不易反洗。国内外许多研究者曾基于陶瓷材料的亲水性质而寄希望 于用陶瓷膜处理采出水，但经过研究后，普遍认为膜污染问题仍然很 难解决。膜污染是非常复杂的问题，但有一点是可以肯定的，即污染 物中有机物的大量存在是确定无疑的，不过一般往往关注膜本身而较 少考虑承托层。按照吸附机理并结合膜层和承托层的孔隙特征来分 析，可以解释为什么膜过滤针对清水不易堵塞而对于含油污水极易堵 塞。对于一般固体悬浮物来说，大于膜孔的颗粒被截留( 筛除) 在膜 的表面，小于膜孔的颗粒通过膜孔，由于作为滤层的膜很薄，而不能 对这些颗粒产生吸附，虽然承托层相对较厚，但其孔隙相对于膜孔较 大，不足以产生吸附。这样只有筛除作用，所以很容易反洗清除。而 对于水中的油来说，由于油滴的不稳定性，大于膜孔的油滴不一定被 筛除，因为可能分裂成小于膜孔的油滴而通过膜孔，尽管它们能穿过 膜本身，但在承托层中可以聚结成大的油滴而被承托层的微孔吸附， 而且无法脱附。因此，含油污水会对膜过滤器形成堵塞，并且反洗困 难。因而这种过滤器适合于低渗透率地层水质要求的清水过滤，而不 适用于含油采出水的过滤。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 5 反冲洗机理与方式 1 5 1 反冲洗机理 自1 8 4 0 年快滤池问世以来，各国的水处理工作者针对反冲洗的 机理及其效果作了大量的研究。 在单独水冲洗过程中，对于截留杂质从滤料上脱落的机理，目前 国内外学者主要持三种观点： ( 1 ) 剪切理论 该理论以c a m p 7 】等为主，认为杂质脱落的原因主要是水流剪切 力的作用。至于颗粒的碰撞摩擦作用可以忽略不计。提出这种观点的 理由是： 全部冲洗能量被用来保持颗粒悬浮： 颗粒表面的水膜防止了颗粒问的表面摩擦： 无实验证实颗粒的碰撞摩擦发生。 ( 2 ) 碰撞理论1 8 i 另外一种观点认为，杂质脱落主要是滤料颗粒碰撞摩擦作用，水 流剪切力也具有一定的作用。持这种观点的学者有b a y l i s 、f a i r 和藤 田贤二等。 ( 3 ) 剪切与碰撞综合作用机理 国内著名教授李圭白等在“水力剪切”和“颗粒碰撞”两者理论 的基础上，提出了使滤料表面污泥脱落是“水流剪切”和“颗粒碰撞” 两者综合作用的结果。在不同的冲洗条件下，有可能剪切起主要作用， 也有可能是碰撞起主要作用。 在进行单独水反冲洗时，在滤料层被托起、完全流化之前，反冲 洗效果主要是靠水流剪切力作用，但剪切力去除的主要是滤料间隙内 的污物，不足以完全清除滤料颗粒表面的杂质；在从滤层开始流化至 膨胀期| 日】，剪切作用与碰撞均随反冲沈强度的增大而增大，杂质去除 率很快增加。但当滤料层的膨胀率超过某一数值时，剪切作用仍有增 加，但碰撞摩擦作用却逐渐减弱，故冲洗效果趋于稳定，随着冲洗强 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 度的继续增大，滤层过度膨胀，滤料颗粒问的碰撞摩擦作用几乎消失， 尽管水流剪切作用略有增加，但整体冲洗效果反而下降。 对有一定浸水深度的滤层进行单气反冲洗时，不会使滤料层发生 流化现象，但仍存在一定的水流剪切作用。在气泡不断克服滤料间摩 擦阻力上升的过程中，其周围发生微振现象，使滤料颗粒彼此碰撞摩 擦。气泡直径越大则周围的振动越大，对滤层的搅拌就越激烈。在接 近表层滤料时，气泡直径因压力减小而变大，因而振动加强，摩擦碰 撞更加剧烈。但单气反冲洗时仅部分滤料经过通气区，需经多次冲洗 才能使全部滤料都经过通气区。 在进行气水同时反冲洗时，滤料由于反冲洗水的作用而略有流 化，滤料间摩擦阻力减小，使得由滤层底部进入的小气泡更易合成大 气泡，对周围滤料的扰动更强，从而更有利于滤料问的摩擦碰撞。另 外它还实现了通气区与非通气区滤料快速充分的混合交换，使整个滤 层在短时间内即可得到彻底清洁。据计算，在同样强度条件下，气水 同时反冲洗的速度梯度g 值比单水或单气反冲洗时的g 值都大。剪切 力和碰撞摩擦次数都与g 值成正比。因此，气水同时反冲洗时的剪切 力和颗粒碰撞摩擦作用比单水或单气反冲洗时的剪切力都大，从而气 水反冲洗的效果比单水或单气冲洗要好f ”】。 1 5 2 反冲洗方式及特点 1 5 2 1 高速水流反冲洗 当利用流速较大的反向水流冲沈滤料层时，可使整个滤层达到流 态化状态，且具有一定的膨胀度。截留于滤层中的污物，在水流剪力 和滤料颗粒碰撞摩擦的共同作用下，从滤料表面脱落下来，然后被冲 洗水带出滤池，从而使滤料得到清洗。对水反冲洗滤池而言，冲洗效 果决定于冲洗强度。水反冲洗强度一般为1 2 1 5 i j m 2 - s ，冲洗历时5 7 m i n 。许多学者认为滤层膨胀度为2 0 3 0 时为最佳膨胀度1 1 ”。虹 吸滤池和移动罩滤池某一格的冲洗水均由其他几格滤后水提供，只要 滤后水有效静水压稍有变动，就会大大影响反冲洗强度，达不到预期 的反冲洗效果，使滤池出水水质有所波动i l3 1 。其他形式滤池的反冲洗 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 水一般由反冲洗水泵提供，处理规模较小的滤池反冲洗水也可由冲洗 水塔或冲洗水箱提供。 传统的高速水流反冲洗技术尽管已沿用多年，但实践证明该技术 是一种弱反冲洗方式。该法耗水量较大，剪切、碰撞及摩擦作用较弱， 难以完全消除滤料上的泥球及结块现象；同时，滤床的膨胀造成反冲 洗后滤料的水力分级，也给过滤带来许多弊端；高速反冲洗时，细滤 料易被冲走：有时还可能产生砾石承托层移动，导致漏砂等事故1 1 0 】。 常规的水反冲洗滤池，滤床表面会逐渐形成一层柔软的絮体覆盖层， 覆盖层使滤床形成一个过滤的整体，过滤中的水头损失则变成作用于 整个滤床垂直向下的压力，使原来松散接触的沙粒进一步压实，滤床 表面出现下沉现象。据实测，当水头损失达2 7 m 时，滤床下沉量为 2 3 c m “i 。滤层孔隙率的降低会导致过滤水头损失剧增，缩短过滤周 期。 针对传统水反冲洗技术所面临的严重问题，许多研究者通过不断 探索研究和生产实践，在原有冲洗工艺基础上提出了一些改进措施。 增加表面冲洗装置1 1 4 】；脉冲式水反冲洗【15 1 。 1 5 2 2 气水联合反冲洗 由于传统的水反冲洗技术存在一些问题，众多学者通过不断探索 和研究，开发了气水反冲洗技术，目前该技术在我国也得到了较广泛 的应用。 单独采用空气进行摩擦冲洗时，滤层并不膨胀。滤料间摩擦阻力 较大，在滤层内小气泡合成大气泡的机会较少。气泡通过滤料表层时， 表层滤料强烈翻卷。随着气流速度的增加，由于气泡克服了滤料颗粒 间的摩擦阻力，使得深层滤料的扰动作用增强，气泡尾迹使滤料层产 生循环混合，在滤料间相互拥挤填充而产生的摩擦力以及气泡上升时 与滤料颗粒间的摩擦力的共同作用下，滤料上截留的杂质被剥落去 除。采用气水联合反冲洗时，当空气流速大于由滤料特性决定的最小 空气流速值，则只要冲洗水流速达到最小流态化冲洗流速的4 0 5 0 ，滤床内就会产生强烈的搅动和环流作用，冲洗一开始整个滤床 r 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 就产生扰动，气泡在上升过程中所形成的气流涡区内，滤料翻卷滚动 引起滤料颗粒剧烈的碰撞摩擦。同时，由于滤料环流，所有滤料均受 到水流剪切力的作用。在水流剪切力和滤料间的剧烈碰撞摩擦作用 下，滤料颗粒表面的杂质被充分剥落、击碎。因此杂质更容易被水清 洗掉，抑制了泥球的形成【l ”。 通过分析反冲洗过程中气泡的特性及其对滤料层产生的影响试 验研究成果说明，气水联合反冲洗的机理是主要体现在以下四个方 面：( 1 ) 压力气的加入增大了混合反洗介质的总g 值：( 2 ) 气泡在滤床 中运动使滤床产生混合，改善了过滤性能；( 3 ) 空气的加入强化了水 洗作用；( 4 ) 空气的加入减小了反洗时颗粒相互碰撞的阻力。 综上所述，气水反冲洗效果好于单纯水反冲洗的原因，在于它具 有较高的g 值以剥落污物和较高的能量利用率。单纯水反冲洗的能量 利用率为4 5 左右，而气水反冲洗的总能量利用率多在5 5 7 5 之 间【1 7 i 。但气水反冲洗工艺目前仍存在一些有待解决的问题： ( 1 ) 采用高气冲强度势必导致配气系统的尺寸和设备容量增大，能 耗增加，提高制水成本。 ( 2 ) 采用高气冲、低水冲工艺对滤池进行冲洗时，滤池仍存在跑沙 现象。 ( 3 ) 采用长柄滤头小阻力配水、配气系统，不仅增加了工程造价， 而且滤池面积过大易造成配水、配气不均现象，影响冲洗效果。同时， 在实际运行中常常发生长柄滤头堵塞，导致冲洗效果欠佳，甚至局部 滤料产生积泥现象。 ( 4 ) 反冲洗结束后，残留在滤层中的空气不能全部被排出，滤层初 期的过滤阻力有所增加。 ( 5 ) 采用气水同时反冲洗后，需对滤池进行单一水漂洗，气水同时 反冲洗时水冲强度与单一水漂洗时的水冲强度大小不同，增加了操作 管理的复杂性。 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 6 新式反冲洗结构应用 1 6 1 过滤器体内循环流态化再生 由沈阳大学的孙荣权、郭易、田畅三人设计的滤料流态化再生式 过滤机( 以下简称过滤机) 在除油、滤料再生方面达到了国际领先的 水平。其工作原理见图1 - 3 。该过滤机由罐体1 ，离心式渣浆泵2 ，流 态化喷嘴3 等主要零部件组成。外接2 个电接点压力表( p i ，p 2 ) 及 5 个电控截止阀( f d r f d 5 ) 。反冲洗时，渣浆泵将滤料吸入，然后将 其排至流态化喷嘴处，此时滤料与污水混合液进行能量交换，滤料在 这种能量交换过程中彼此之间相互碰撞，吸附在其上面的异物得以脱 离。其最大特点是改变了以往用清水沿污水流动的逆方向进行清洗的 方法，不耗清水，靠颗粒间的碰撞使滤料得以再生。 其处理后的水质量指标见表1 1 ： f d | 图卜3 滤料流态化再生过滤器 回污永池 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 处理水龟( 矗m ) 过滤周期( h ) 过滤后水质主要指标 滤料再生时间( m i n ) 滤速( m h ) 床层阻力( m h 2 0 ) 1 0 2 5 固含量一 5 m g l ( 滤前2 0 0 r a g l ) 油含量7 m g l ( 滤前1 8 0 m g l ) 1 5 4 0 1 0 1 6 2 体外循环反冲洗再生 胜利油田桩西联合站由于超负荷运行，致使污水处理的质量不 高，远远不能满足油田注水对注入水质的要求。王玉江、李伟等人对 设备进行改造，提出了“体外循环”进行滤料清洗再生的设想。结构 如图1 - 4 所示： 清洗时利用系统压力将滤料从需要清洗的过滤罐排放到清洗罐 中，在水流冲击下形成旋涡状，悬浮的机械杂质就漂浮在水的表面， 圈i 4滤料“体外循环”示意图 再通过搅拌机的搅拌，将滤料充分翻动；同时往清洗罐中投加清洗剂， l l 中国l i 油火学( 华东) 硕士论文第1 章前言 这样经过反复的搅拌、搓洗、清洗，使污油和悬浮物从溢流口排放到 污泥浓缩罐；然后再用清水对滤料进行充分的洗涤，使其达到接近新 滤料的程度：最后用杂质离心泵将干净的滤料打回滤罐。 改造完成以来，该联合站水处理效果明显提高，污水水质达到含 油 4m g l ，机械杂质 8 m g l ，达到了注水对水质的要求。 1 7 喷动床基础理论及目前研究状况 1 7 1 喷动床基础理论 喷动床是2 0 世纪5 0 年代中期发展起来的一种处理粗大窄筛分颗 粒的流态化技术。流体经由位于圆锥底部中心处的一个小孔( 喷嘴或 孔板) 垂直向上射入，形成一个随流体流速的增高而逐渐向上延伸的 射流区。当流体喷射速率足够高时，该射流区将穿透床层而形成一个 向上运动的流栓，成为喷射区。当这些被流体射流夹带而高速向上运 动的粒子，通过环绕其四周缓慢向下移动的颗粒床层( 环隙区) ，升 高过床层表面一定高度时，由于流体速度的骤然降低，颗粒会像喷泉 一样因重力而回落到环隙区表面，形成喷泉区。这些回落的颗粒沿环 隙区缓慢向下移动至床层底部，然后，又渗入喷射区被重新夹带上来， 从而形成颗粒的极有规律的循环。图1 - 5 为喷动床三区流动示意图： 嚣拄霾 饲摊嚣 气雄嚷臻 图卜5 喷动床三区流动结构示意图 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 喷动床的几个重要参数的定义【2 2 】 ( 1 ) 最大喷动高度日。：当起始静床床层高于某一临界值时，由于 喷动的堵塞、环隙区物料的流态化、喷射床与环隙区界面的不稳定等 原因，无论如何调节气流速度或压降，都不能形成稳定的喷动。这一 临界静床层高度称为日。对常温下不规则颗粒的气固喷动床的最大 喷动床高，m c n a b 和b r i d g w a t e r 提出以下被认为是与实验数据吻合最 好的关联式 2 0 】： 即丢鼢了5 6 8 b 2 畸丽而一) ! m - ， 式中6 = 1 1 1 ，a r = d p 3 ( 以- p ) g p l l l 2 ( 2 ) 最大喷动压降巴：p 卅与最小喷动速度【，。喷动床从静态到 动态需要一个过程，它需要有一定的压差来使床层松动和冲破床层， 该压差即为起始喷动压强只，它远远大于正常喷动时所需压差。最 小喷动速度【，即为能维持喷动的最小气流速度。匕、u 。，决定了 该喷动床所需风机的型号。 ( 3 ) 喷口直径见与床径见：d s 、见与物料尺寸是互相制约的。 对于给定的见，见降低时可使日m 和颗粒循环时间增加，但是由于需 较高的流体能量，会使所用风机的投资和操作费用增加，气体利用率 降低：d ，增大，则日m 降低，甚至导致无法正常喷动。同时，见也受 颗粒大小制约。 1 7 2 液固喷动床研究现状 浙江大学的王樟茂、许国军对液固喷动流化床的膨胀特性做了一 定的研究，发现床层孔隙率主要与流体速度、颗粒粒径、颗粒密度、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 流化床结构有一定关系：轴向扩散系数主要与流体速度、床层孔隙率、 喷嘴直径、流体物性、颗粒密度和尺寸等因素有关1 2 6 1 。对4 种不同粒 径的玻璃珠和3 种粒径的分子筛的实验数据进行关联，在实验范围为 0 3 9 s 0 8 3 ；1 0 g k 。， 3 0 0 ：1 2 9 p e p 2 9 2 ；喷嘴圆 嘴角6 0 。时进行实验：得到喷动床床层孔隙率关联式为：其平均相 对误差为8 1 。 占= 1 5 l ，) ”b 户) ”佴d ) ” ( 1 - 2 1 得到轴向扩散系数e z 的无因次准数关联式为：其平均相对误差 为1 3 1 。 e z i r = 2 2 5 0 r e ，“”占”6 0 ，p ) ”7 。( d 皿广7 “ ( 卜3 ) 青岛大学的李宝霞、王士才，福州大学张济宇等人对循环喷动流 化床固体循环速率做了一定的研究。循环喷动流化床中固体循环速率 的大小主要取决于两个重要因素：一是循环管底部入口与锥形分布板 之问间隙的垂直距离r ；二是循环管底部入口的气体速度，它决定着 中心循环管的气体输送量。此二控制因素可看作是固体循环速率的两 个控制阀。双阀控制模型示意图如图卜6 所示：【2 7 1 对( b ) 图卜6 双阀控制模型示意 循环管底部入口气速的大小为阀1 的开度，垂直距离r 的大小相 当于阀2 的开度，阀l 和阀2 的开度及其相互对比决定了固体循环速 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 率的大小。 他们还制作了与不同的r 相对应的非圆形孔口，采用与实验相同 的物料，在相同的操作条件下做颗粒重力流过非圆形孔口的实验，发 现对于任意给定操作尺寸的循环喷动流化床，其最大固体循环速率值 可通过计算相同物料重力垂直流过孔口的流率来预测，即约为其值的 0 2 倍。以下为其采用小米和玻璃珠为颗粒，针对不同r 值所做实验 图像： 羹 蠡 小米的阡职。随叫珥变化关系曲线玻璃株的阡y 职。随研珥变化关系曲线 图卜7 阡睨。随叫以变化关系曲线 通过文献的查阅可以发现，伴随着喷动流态化理论的发展，喷动 床结构的改进，将喷动技术应用于反冲洗工艺从理论上是完全可行 的。当然，由于应用领域不同，不可能照搬其它行业的经验，只有通 过大量的试验，进行摸索总结，才能对课题的研究做出一定的贡献。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 第2 章实验装置及研究内容 根据过滤基本理论可知，过滤操作中涉及许多复杂的、随机的因 素，而深层过滤更是涉及到阻力截留、重力沉降、接触吸附等众多机 理的复杂过程，因此，油田含油污水的深层过滤及其滤料反冲洗再生 技术是一个依赖于实验，而不能仅仅靠理论研究来解决的工程问题。 到目前为止，指导该领域的研究基本上都是以实验为主，而且油 田含油污水组成比一般污水更为复杂，污水中除了固体颗粒，胶体类 杂质外，还含有大量的浮浊、分散浊、乳化油以及溶解性物质，再加 上由于每个油田的地层情况不同，采油工艺流程，污水输送系统也不 尽相同，这不仅对含油污水处理工艺和设备提出了急待解决的问题， 同时也对某些关键设备运行情况，比如深床过滤器等精细过滤设备的 滤料再生性能有了更高的要求。 ， 本实验的主要内容是采用核桃壳深床过滤器模拟油田现用过滤 器，探讨滤料污染后的喷动反冲洗再生工艺，优化各操作参数，达到 最佳操作方案。在此过程中，实验装置应具有如下功能： ( 1 ) 能够完成污水的配置、添加，保证滤料污染过程( 过滤过程) 的连续进行； ( 2 ) 能够对添加污染物后的料浆进行搅拌，并且尽可能的保证污 油、固体颗粒能够与水混合均匀，以便真实的模拟现场污水情况； ( 3 ) 滤料添加方便，可以研究不同床层高度下滤料的再生效果； ( 4 ) 由于试验装置设计过滤流量较大( 3 m 3 h ) ，因此需要滤后水 回流管路，以便节约水资源； ( 5 ) 床层的不同深度留有测压1 ：3 ，可以对过滤过程和反冲洗过程 的压差进行测量，并且在需要的时候可以进行取样。对水样进行分析。 2 1 实验装置设计 根据实验装置应该具备的功能，本实验装置可分为污水制备系统、 污水过滤系统、滤料反冲洗再生系统三个部分。实验装置流程如图2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 所不。 为了清楚的观察滤料的喷动碰撞以及滤料再生情况，本实验采用 透明的有机玻璃加工过滤器，简体直径为3 8 0 m m ，滤料填充高度范围 为0 8 1 2 m 。考虑到配水区高度、承托层高度、喷动反冲洗所需的 高度以及配套管道的安装等因素，最后确定过滤器的高度为2 5 m 。过 滤器反冲洗水入口处采用圆锥型结构。采用体积为3 0 0 l 的污水罐配 置实验污水，污水罐内装有搅拌机构，对配制的实验污水搅拌均匀， 罐底通过管线连接污水泵。由于实验用水量较大，需要将滤后水引入 到污水罐中重新配置污水，进行循环利用。 2 2 实验操作流程 2 2 1 污水配置过程 ( 1 ) 油田上经沉降之后的污水油污含量为1 0 0 m g l 左右、悬浮 物含量为l o o m g l 左右，过滤器的过滤周期为十几个小时：但由于实 验室中混合罐的储水量只有3 0 0 l ，并且实验周期不可能长达十几个小 时，所以污水配置过程中，提高了油污和悬浮物含量：油污含量 3 0 0 m g l ，悬浮物含量3 0 0 m g l 。控制污水过滤流量为3 m ，通过估 算，需要每隔6 m i n 加一次油污和固体颗粒： ( 2 ) 用天平称取9 0 9 粉煤灰颗粒、9 0 9 克废弃润滑油： ( 3 ) 量取少许乳化剂，将其置于盛有润滑油的烧杯中，添加少量 热水，搅拌均匀。 2 2 2 污水过滤过程 ( 1 ) 打开混合罐的进水阀，将配置好的含固体颗粒和润滑油的污 水添加到混合罐中，并打开搅拌器，进行搅拌，以保证固体颗粒和油 滴能够分布均匀； ( 2 ) 混合罐中污水量达到3 0 0 l 时，关闭进水阀门。添加滤料至 设定厚度，并将反冲洗系统阀门关闭； 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 图2 一l 实验装置流程图 蝶塥1右蛔婶蒜1警n_案繁罂粥暑岖2口恹韶宴嘴_i_i 口娑辞口_鄙雄燃埘6凄熙岛卜碡噻捌h辎蝎翳9基蛹婶嘴埘n垛丰辎t 辩* 犍矗 己宴最“雄毒丰霉_ 螺惜甜雌髫青哒宴璐 螺皤鹊捌* 蚜 蠕峨婚暴长鱼c 8 中国石油火学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 ( 3 ) 打开污水泵前的截止阀、过滤罐的污水进入阀和滤后水流 出阀； ( 4 ) 开启污水泵，通过泵前的截止阀调节泵的流量至设定值 3 m 3 h ，利用滤料添加口将过滤器顶部的空气排空： ( 5 ) 每隔6 m i n 向污水罐中添加一次悬浮物和润滑油；观察u 型 管压差计示数的变化，并每隔1 0 分钟记录一次压差读数，如此循环下 去直到滤床上下压差达到7 6 0 m m h g ； ( 6 ) 关闭污水泵和配料搅拌器，关闭滤后水流出阀和污水进入 阀，准备进入反冲洗阶段。 2 2 3 滤料反冲洗再生过程 ( 1 ) 将反冲洗罐储满水，然后关闭与u 型管压差计相连的取样 阀，以免在反冲洗初期压差过大，导致水银喷出，打开反冲洗的进水 阀、出水阀，检查反冲洗管路是否畅通； ( 2 ) 打开反冲洗泵，调节流量到设定值，利用电磁流量计记录 瞬时流量和反冲洗耗水量；打开超声波电源，强化反冲洗效果； ( 3 ) 打开与u 型管压差计相连的取样阀，读取反冲洗水头损失； ( 4 ) 当反冲洗时间达到设定时间，关闭泵的电源和反冲洗的进 水阀、出水阀。 2 3 滤料的选择 滤料是深层床过滤器的核心，在深层床过滤器中起着不可替代的 作用。滤料性能的好坏，决定着过滤器处理效果的好坏。 选用滤料时，一般要综合考虑以下几点： ( 1 ) 滤料要有足够的机械强度，以防在冲洗时引起磨损和破碎 ( 要求磨损率在3 以下) ： ( 2 ) 滤料要有足够的化学稳定性( 不能溶于水) ，否则影响过滤 水质，同时滤料也不能向水中释放出其它有害物质： ( 3 ) 滤料价格要尽量便宜，货源充足，能就地取材： ( 4 ) 滤料要有适当的孔隙率和粒度； 中国7 i 油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 ( 5 ) 滤料的形状以球形或基本球形为好，具有最大的表面积， 其表面粗糙度尽量大： ( 6 ) 滤料如果是无烟煤，则要求在酸性和碱性中性能稳定：石 英砂滤料要求耐酸，在碱溶液中有极微量的溶解。 实验中采用的核桃壳滤料物理性质如表2 - 1 所列： 表2 - 1核桃壳滤料参数 滤料的真实密度的测定：首先称量一定质量的干燥滤料，利用排 水法测量出其真实体积，可以计算出滤料的真实密度。 滤料等体积球体直径测定：取滤料颗粒数量为，利用分析天平 称出其质量肌，根据计算出的滤料真实密度，利用下式计算滤料颗粒 的等体积球体直径。 ( 2 1 ) 2 4 实验注意事项 ( 1 ) 实验过程中不能颠倒各阀的开启顺序，以免出现系统压力 过大，甚至造成装置泄漏或爆裂； ( 2 ) 不能空泵运行，以免轴摩擦生热而损坏轴流泵； ( 3 ) 反冲洗时，需要缓慢减小泵的回流阀，直到设定的流量为 止。防止瞬时压强过大而使滤料冲出： ( 4 ) 先关闭泵的电源，再关闭反冲洗阀门，避免憋压而烧坏电 机。 焉 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验装置及研究内容 2 5 实验参数测量 在实验过程中需要直接测量的有床层高度亿过滤流量乏k 过滤 时间加过滤差压4 易反冲压差z i p 、反冲洗流量q 、反冲洗时间t 等物理量。此外，还需要测量过滤、反冲洗温度a 水中固含量册、 水中油含量实验所用的测量仪器、仪表见表2 2 。 表2 - 2 实验测量参数与所用仪器仪表 2 l 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验数据分析 第3 章实验数据分析 3 1 过滤实验数据分析 虽然本课题是对核桃壳深床过滤器的反冲洗再生情况进行研究， 但由于含油污水对滤料的污染情况比较复杂，所截留的污染物质可能 是由于阻力截留、重力沉降、接触吸附等众多机理的一种或多种共同 作用的结果，因此必须进行过滤实验，真实模拟滤料的污染过程。 3 1 1 床层高度的确定 深床过滤器的床层高度对过滤器的过滤精度、处理能力和反冲洗 周期具有很大的影响。合理的床层高度对过滤工艺的发展和实际工程 应用有着非常重要的意义。床层高度过低，将会导致污水容易穿透床 层，造成出水水质恶化，缩短反冲洗周期：而床层高度过高，虽然可 以保证出水水质，提高反冲洗周期长度，但由于过滤时间增长，容易 在床层表面形成粘性絮体层，造成过滤推动力增加，能耗增大，而床 层整个高度还未充分利用。 实验过程中，配置悬浮物含量为3 0 0 m g l ，油含量为3 0 0 m g l 的 污水，利用不同高度的床层进行过滤实验，每隔1 0 分钟记录一次床 层压差，并且对滤后水取样分析，确定悬浮物含量。图3 1 为床层高 度等于0 8 m 时，过滤压差、悬浮物去除率随过滤时间的变化规律。 根据床层压差与过滤时问的关系，我们可以看出过滤开始后，床 层压差随过滤时间呈缓慢、稳定的增长趋势，主要是因为随着过滤的 进行，核桃壳深床过滤器截留了污水中的悬浮物，造成床层的孔隙率 下降，流体通道因发生堵塞而变得狭窄，因而造成流体摩擦损失而引 起压差增大。但此阶段( 过滤时间l o o m i n ) ，虽然床层孔隙率降低， 但并没有完全堵塞，所以压差增长缓慢，基本呈线性关系，为正常过 滤区域；随着过滤时间的增加，在某一时刻( 1 0 0 m i n 左右) 之后， 过滤过程进入末期，其主要特征为床层压差陡然增加，引起床层压差 梯度增大，进而引起悬浮物和油污的穿透能力增强，导致出水水质超 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验数据分析 标。 瞽 篮 粕 嚣 灶 拍 弋、 7 ，? ， 01 02 0 3 04 05 0 6 07 0 8 0 9 01 0 0 1 1 0 1 2 0 过滤时问( m i n ) 图3 - 1 床层厚度为0 b m 对，床层压差、悬浮物去除率与 过滤时问的关系 + 悬浮物去除率与过滤时问的关系 + 床层压差与过滤时间的关系 翼茎 这种现象主要是因为在过滤过程中，床层表面几乎截留了所有的 大颗粒悬浮物，与水中的油污一同形成了油污层，类似于在床层表面 形成一层“毯”状物。这层“毯”状物致密、粘性大，“毯”状物中 的孔隙几乎被完全堵塞，不容易被污水中杂质所穿透，同时，也是造 成压差上升迅速的原因。 根据床层高度为0 8 m 时，床层压差、悬浮物去除率与过滤时间 的关系，我们不难发现：虽然悬浮物在8 0 r a i n 时，已经穿透床层，但 同时床层压差仅为2 1 4 m m h g 。从优化组合的角度来讲，由于床层高 度较低，造成床层压差虽然比较低，但出水水质已经超标，因此试验 中的各个工艺参数并没有达到最优化组合。实验过程中，通过增加床 层高度，延长悬浮物的穿透时间，使其与整个床层压差在时闻上比较 接近或者同时达到需要反冲洗的条件，也可以有效的延长深床过滤器 的过滤周期。 图3 - 2 ，图3 3 分别为床层高度为1 0 m 和1 2 m 时，床层压差、 悬浮物去除率与过滤时间的关系。 咖瑚鼢垂；枷姗枷伽o 寻 。 一墨一 抟 婚 鑫 粕 嚣 毖 罢瀑爱一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章实验数据分析 床层高度为1 2 m 时，悬浮物穿透床层的时间需要1 2 0 m i n ：同时，根 扼床层压差与过滤时间的关系，我们可以发现，当过滤时问达到 1 2 0 m i n 时，床层压差剧增到7 2 0 m m h g 。因此，对于0 8 m 、1 0 m 、1 2 m 的床层高度，只有第三种情况，实现了床层压差和悬浮物穿透床层时 间的优化组合，有效的利用了整个床层高度，增加了过滤