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过滤与分离技术在油田含油污水处理中的应用现状与发展

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过滤 分离 技术 油田 含油 污水处理 中的 应用 现状 发展
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2013. 6能源与环境科学昊华工程有限公司 , 北京 100143)摘 要 : 过滤与分离技术是处理油田含油污水的一项重要工艺 。本文综述了几种常用的高效过滤与分离技术包括漩流分离技术 , 膜分离技术及过滤与分离设备 , 分析了国内外过滤与分离技术发展的动态及目前的应用现状 , 并对过滤与分离技术在含油污水处理中的应用进行了前景展望 , 分析了当前需要重点研究开发的技术环节 , 提出了当前应当主要抓住材料 、设计 、工艺 、经验等者面的研究 , 开发出优质 、高效 、廉价的过滤设备 , 以加快该领域的发展步伐 , 尽快缩短与国外的差距 。关键词 : 过滤与分离 ; 膜分离 ; 液 - 液漩流 ; 过滤器 ; 应用现状中图分类号 : 献标识码 : A 文章编号 : 1003 -5168( 2013) 12 -0185 -04目前国内大部分油田进入了三次采油期 , 油田含油污水的产生量增多 。据统计 , 1999 年仅中油集团所属陆上油气田的含油污水产生量就达到 46248 吨 。油田生产过程中的含油污水主要来源于原油脱水站 , 其次是各种原油储罐的罐底水 、将含盐量较高的原油用清水洗盐后的污水 、进入污水处理站的洗井废水等[ 1]。1996 年第四次全国环境保护大会期间 , 明确了 2000 年所有排放的工业废水必须全部达到国家标准 。这对许多油气田采油污水的排放提出了更高要求 。油田采出水是随原油一起从油层中开采出来 , 又经原油初加工将原油脱除后而得到的液体废弃物 。就其化学组成来看 , 这部分废水不仅携带有原油 , 而且在高温高压的油层中还溶进了地层中的一些盐类和气体 ; 在采油过程中 , 从地层中携带出许多固体悬浮物 ; 在油气集输过程中 , 还会掺进一些化学药剂 ; 由于采出水中含有大量有机物 , 又有适宜微生物生存的环境 , 因此废水中还会繁殖大量的细菌 。因此 , 油田采出水是一种典型的多杂质共存的工业污水 。以前 , 由于油田含油污水处理以后主要用于回注 , 因此 ,含油污水处理的主要目标污染物为油类物质和悬浮物 。常规的油田含油污水处理方法主要是除油 、砂滤 , 采取的工艺流程一般为沉降 - 过滤 - 注水 , 其中油水分离技术和过滤技术构成了常规处理流程的主体 , 同时辅以防垢 、缓蚀 、杀菌等化学处理措施 , 在去除油类物质的同时使污水中的固体悬浮物得到不同程度的去除 , 因此 , 对于油含量在 1000mg/l 以下 、悬浮固体在 300mg/l 左右的含油污水 , 经常规的分离与过滤技术处理后能达到中 、高渗透率油层所需的注水水质要求[ 2]。但现阶段 , 随着油田综合含水率的提高 , 采油污水的产生量不断增加 , 已超过了注水量的需求 , 有一部分要排放到环境中 。对于外排污水 , 要达到 1996《污水综合排放标准 》的要求 , 这样就对处理后污水中的 标提出了更高的要求 。可是 , 现有设备和流程已明显不能满足油田中 、低渗透率地层注水水质的要求 , 从一定程度上制约着油田的 “稳产 , 上产 ”。这就给许多油田的采油污水处理提出了新的课题 。过滤与分离技术是处理油田含油污水过程中的最后一个环节 , 其效果的好坏直接关系到出水水质是否能达到标准要求 , 因此成为解决油田含油污水处理问题的一个关键环节 。过滤与分离技术的发展既包括新型高效过滤分离设备的开发与设计 , 又包括各种高效油水分离设备如水力漩流分离器的研制 。我国各油田早期使用的过渡设备多为重力式下向流石英砂过滤器 , 由于其过滤效率很低 , 现已基本不使用 。目前在各油田应用较广泛的过滤器有核桃壳过滤器 、双层滤料过滤器 、多层滤料过滤器[ 3]及双向过滤器[ 4], 大多为压力式 。国内外研究开发出一些高效除油 、过滤设备 , 如液 - 液旋流分离器 、超精细过滤器 、横向流过滤技术等 , 在油田应用后效果非常明显 , 并愈来愈引起国内外的普遍重视 。下面主要介绍几种高效的 、先进的过滤与分离技术 。1 液 -液漩流分离技术1.1 液 - 液漩流分离技术简介目前 , 含油污水的处理方法多种多样 , 有物理法 、物理化学法 、生化法等[ 5]。各种方法有其独到的优势及不足 , 因此通常分别应用在不同场合处理不同的对象 。从表 1 中可以看到 , 漩流器能有效去除水中的浮油 、分散油 , 而且体积小 、质量轻 、分离效率高 、工作可靠 、停留时间短等特点 , 液 - 液分离用水力旋流器可用于分离油水密度差大于 50kg/粒粒径大于 5μm 的含油污水[ 6]。到 1992 年 , 美国 司生产地300 多套漩流器 , 就应用到 18 个国家 , 处理能力达到 5. 3 ×104m3/h。目前我国已有 9% 的油田采出水用水力旋流器进行处理 , 它正在成为油田污水除油的一种常用设备[ 7]。表 1 漩流器技术与二级浮选技术比较项目除油效率 %一次性投资 %占地面积 %动力消耗h/渣 维修漩流器 60 -70 48. 8 4 0. 2 无 无 无 小二级浮选 约 60 100 100 0. 1 22. 5 -52. 5 有 有 大漩流分离技术在油水分离中可用于油污水去油和含水油脱水 , 被认为是一种高效节能型分离技术 , 它具有如下优点[ 8]: 结构简单 , 成本低 , 能耗低 , 无需任何帮助分离的介质 ;安装灵活方便 , 可以在任何角度安装 ; 工作连续 、可靠 , 操作维护方便 , 一旦设计 、调定好 , 就可以自动 、稳定的工作 ; 效率高 ,适应性好 , 并联可增加生产能力 , 串联可提高产品质量 ; 操作温度及压力不受限制 , 仅决定于漩流器的结构材料 。但是漩流分离也有不足之处 : ( 1) 由于漩流器内的流体的流动产生一定的剪切作用 , 如果参数设计不当 , 容易将液滴打碎乳化而恶化分离效果 。( 2) 通用性差 。处理不同性质的物料往往需要不同结构尺寸或操作条件的漩流器 。不同油田的油水混合物往往有不同的物性 , 因此 , 用于不同油田的漩流器往往不能互换使用 。( 3) 它对于乳化油的去除效果差 。1.2 国内应用研究现状早在 1993 年石油大学与九江石油化工厂联合开发的漩流分离器于 1999 年通过了中石化集团公司组织的鉴定 。河南油田自 1993 年以局级立项形式开展液 - 液旋流技术研究以来 , 先后在结构选型研究 、旋流管外特性研究 、旋流管内流场研究 、旋流分离过程的数值模拟研究等方面取得了较大的突破 , 并开展了现场单管旋流器的考核试验 , 使这项研究逐步走向系统化 、正规化 , 目前正着手把初步的研究成果转向产品化 。而江汉机械研究所 、航天部沈阳新阳河南江汉机械研究所 、航天部沈阳新阳机器公司 、胜利油田等几家单位已经开发出液 - 液漩流产品 , 并推广到国内的大庆 、胜利 、长581书书书河南科技2013. 6 如下是国内部分在用漩流器的应用情况[ 9]。从表中不难看出 , 国内用的液 - 液漩流器在一些地方取得了在一些地方取得了很好的应用效果 , 而在其它地方 , 液 —液旋流器出口水中含油指标远远超出产品所提交的技术标准 。这些都说明 , 液 —液旋流器在理论与实践方面存在着严重脱节 。总体来说 , 国内在此方面起步较晚 , 人员 、条件及组织形式比较松散 。其研究对象目前主要集中在静态液 - 液漩流分离技术方面 , 研究方法则表现为对 学 F 型漩流管的仿制和对其外特性的现场宏观测试上 , 研究的深度与水平都有待进一步提高[ 10]。1.3 未来研究发展趋势如果要在液 —液旋流设备的应用中得到好的使用效果 ,除了在介质特性 、设备特性 、操作特性及加工安装等方面进行研究之外 , 还要对系统进行统盘的设计 。开发低阻高效的新设备是液 —液旋流技术研究的主要方向 。研究新型的漩流管 : 自 1968 年英国南安普吨大学研究的A 型旋流管问世以来 , 经 8 年的研究攻关 , 在参数优化和结构改进方面取得了连续的进展 , 相继推出了 旋流管结构 , 近期又研制成功了 G 型和 K 型旋流管 。尤其是 80 年代 ,旋流管出现了多种多样的结构形式 , 由早期的双锥形旋流器发展出单锥形旋流器 、放大水出口水力旋流器 、弯尾式水力旋流器 、加设第三低密相出口的水力旋流器和动态水力旋流器等变形结构 , 这些工作的主要目的是在低阻高效方面取得新的突破 。( 2) 加强对动态液 - 液漩流分离技术的研究 : 国外开展的动态与静态水力旋流器的对比研究表明 , 动态水力旋流器的除油效率更高 , 对小于 15μm 的油滴 , 其脱除效果更加显著 , 下图是[ 11]两种旋流器分离性能的对比 。在能耗方面 , 最大流量为 11. 355m3/h 的静态旋流器 , 所需泵的驱动功率最高为 15.67而动态水力旋流器只需 8. 952电机 , 就可满足额定设计处理量 15.897m3/h 的需要 。如果以我国年产原油 1. 4×108t, 综合含水平均 86% 计算 , 则处理的污水量约为 8. 6 ×108t, 对小于 15μm 的油滴 , 其脱除效果更加显著 。2 膜分离技术处理采油污水膜分离技术[ 12]是利用膜的选择透过性进行分离和提纯的技术 。当采油污水中油粒子粒径为微米量级时 , 可用机械方法进行前处理 。膜法处理可根据废水中油粒子的大小 , 合理地确定膜截留分子量 , 且处理过程中一般无相的变化 , 常温下操作 , 有高效 、节能 、投资少 、污染小的特点 。常应用于采油污水处理的 5 种膜分离技术为反渗透 ( 、超滤 ( 、微滤( 、电渗析 ( 和纳滤 ( 。膜分离技术已对传统的分离技术产生了冲击 。据引 ,览会报道 , 近年来发展最快的过滤与分离技术就是膜分离 。膜分离技术的发展 , 首先体现在膜制造技术的高速发展 , 国外现已开发出了多孔微孔无机陶瓷膜 、空心纤维膜 、金属材倒膜 、无孔均匀膜 、吸附扩散膜和液膜等工业用膜结构 ; 同时开发出一系列有机聚合材料 , 如聚乙烯 、聚丙烯 、聚酞胺 、聚矾 、聚丙烯睛等 ; 同时还有将上述两者结合起来的复合膜 。2.1 超滤膜的研究应用现状超滤膜法应用于处理乳化油废水的历史已有 20 多年 。早在 1979 年 , 在西德已有超过 250 个超滤膜也理设备被应用于浓缩乳化油 , 每套设备处理含油乳状液的能力是 l - 20m3/d。所用膜组件为管式 、卷式和板框式 。1989 年 , 膜生产单位已能够提供处理乳化液废水的系列膜设备 , 对乳化油废水配处理能力为 20 -250L/h。目前 , 上海宝钢采用 司的管状膜的大型超滤设备来处理乳化油废水 。中科院生态环境研究中心等单位进行了超滤法处理含油污水研究 , 取得了满意的效果果[ 13]。现场采用 9 根直径 7. 62滤组件的聚砜中空纤 维 式 超 滤 器 , 膜 面 积 约 22可 将 含 油 量 100 ~1000 的污水处理至 10 以下 。1997 年张玉忠[ 14]等将自行研制的 I 型耐温中空纤维膜与 加拿大的中空纤维膜的处理效果进行了对比 , 发现这种超滤膜在处理经过预处理的含油量低的污水较为理想 , 而对未经处理的含油率高的污水处理效果较好 , 与国外产品还存在一定的差距 。王静荣等[ 15]采用不同材料的中空纤维超滤膜对油田含油污水进行了处理并确定了适宜的操作条件 : 温度 55 度以上 , 进口压力 0.16出口压力为 0.08含油水水通量可达 15 -25. h-1, 1998 年天津纺织工学院研制的聚偏氟乙烯中空纤维微孔膜[ 16], 可用于含油回注水的深度处理 , 此膜精度 1 微米 , 高于 精度 2 微米 , 而且比聚砜超滤膜的超滤器价格便宜 , 可以选择全自动操作 , 但是膜组件通量衰减较快 。尹赐禹等[ 17]也利用 板框式超滤器 , 配用 滤膜将含油污水的含油量由 500 - 6000mg/l 降至 100mg/l 以下 , 油分截留率大于 99%、对 留率大于 90%。近年来各式各样的膜材料如雨后春笋般层出不穷 , 李永发等[ 18]利用磺化聚砜膜处理油田含油污水取得了良好的效果 。谷玉洪等[ 19]利用陶瓷微滤膜对油田采出水进行了处理 ,处理后水含油 <3mg/l, 悬浮物含量 < 1, 效果非常好 , 但是其制造成本 , 运行费用高 、膜的污染问题还没有得到很好的解决 , 但是勿庸置疑 , 陶瓷膜处理含油污水具有广阔的发展应用前景 , 总之超滤法处理含油污水有二个问题需要解决 : 其一是超滤膜组件耐温问题 , 料液温度一般为 65 -90 度 , 其二超滤组件使用寿命 , 既膜的清洗方法 。2.2 膜器的研究进展状况除了对过滤膜材料的研究 , 进行新型膜器的研究也是提高过滤效率的有效途径 。国内外开展了大量对新型膜器的研究 , 传统的静态十字流膜滤技术存在的最大问题是通量小 、浓差极化和膜污染 , 需要改进[ 20 -22]。一般采用 3 种方式强化静态十字流膜滤[ 23]: 改变流动状态或设置流道障碍 、利用膜运动施加离心力 、外加场力 , 其中后两种方式是目前研究的热点 。P. F. [ 24]对比了旋转管式膜滤与静态十字流膜滤的效果 , 指出前者在分离过程中具有后者无法相比的优越性 。G. . M. 飞虎和杨柳等[ 25 -28]通过试验认为 : 悬浮液以一定速度流经环隙时 , 由于 的作用 , 料液在过滤室内停留的时间得以延长 , 使过滤过程更加充分 , 且高速剪切流动产生的旋转剪切力对消除颗粒在膜表面的沉积 、6812013. 6能源与环境科学与此同时 , 环隙间轴向流的剪切力和颗粒所受离心力也使得颗粒不易在膜表面沉积 , 有效防止了滤饼层的形成 。因此 , 旋转管式膜器在形成 后有利于过滤分离过程 , 实践上应予高度重视 。T. 29]等研究了旋转管式膜滤处理含油污水 , 但由于膜器设计问题较多 , 效果不很理想 。近年来 , 发展了膜生物反应器污水处理技术[ 30], 它是将膜分离技术中的超滤组件与污水生物处理工程中的生物反应器相互结合而成的新型技术 。这种技术综合了膜分离和生物处理技术带来的优点 , 它高效 、低能耗倍受国内外专家学者的重视 , 是一种发展前景较好的含油污水处理系统 。针对油田污水难以深度处理的难题 , 研制一种多强化方式的新型膜滤设备 , 建立相应的过滤理论模型 , 探讨分离机理 , 具有较大的理论价值和实践意义 。近年来 , 虽然越来越多的膜分离技术开始用于油田采出水处理 。膜分离技术具有精度高 、易实现自控化的优点 , 但限于现行工艺和资金原因 , 目前大型工业化规模使用的条件还不成熟 。膜分离法的关键是寻找高效高渗透性膜和提高处理量 , 这两方面目前都存在许多问题 。随着国内外对膜法处理油田采出水的研究的重视和深入 , 以及膜材料的不断更新 , 膜成本的逐渐降低 , 膜分离技术用于油田采出水的处理将成为未来的重要发展方向 。3 其他过滤器与过滤罐的研究进展常见的颗粒介质过滤技术有多层滤料过滤技术 、双向过滤技术 、移动床过滤技术等 , 该技术出水水质好 , 设备投资小 ,操作方便但是反冲洗操作要求高 。美国 司生产的双向过滤器具有过滤速度高 、处理水质好 、自动化程度高等特点 , 但该设备主要用在处理地面水和地下水中的悬浮物 。单层滤料罐在反冲洗过程中受水力分级影响 , 形成上细下粗分布 , 使过滤阻力增大 , 滤床穿透深度减小 , 而且易发生水的脱气 , 造成滤料板结 , 缩短过滤周期 , 引起滤料流失 。双层滤料过滤器是一种新型高效 、低耗的水处理过滤设备 , 与常规过滤技术相比 , 具有滤速高 、处理水质好 、自耗水量小 、运行费用低 , 自动化程度高等特点 。任彦中等[ 31]利用双向过滤技术对大庆油田的含油污水进行了处理 , 不但出水水质达到了要求 , 而且工程投资节省率为 51%, 钢材节省率为 51%。虽然双层滤料罐克服了单滤料罐的某些缺点 , 但是净化水质仍不能实现稳定达标 。张国华等[ 32]人最近研究了三滤料罐 , 并对中原油田含油污水进行了处理 , 出水水质好 , 而且减少了水头损失 , 避免了气泡在反冲洗状态下对滤层的搅动 , 保护了滤层表面 , 减少了滤料流失 。欧美国家把能够滤除 98%以上的 ≤2μm 固体颗粒的装置称为精细过滤器 。近年来在国内低渗透油田注入水处理中研究和应用的精细过滤器 , 主要涉及双滤料过滤器 、纤维球过滤器 、微孔管过滤器 、中空纤维过滤器 、滤芯过滤器 、陶瓷膜过滤器[ 33]等 。伍远平等[ 34]研制开发了 0. 6 型含油污水超精细过滤器 , 在江汉油田沙 27 注水站取得良好实验效果 。李淑华等[ 35]研制了改性纤维球过滤器 ( 分为压紧式和非压紧式 ) , 适用于聚驱油田含油污水深度处理 , 出水达到低渗透层注水水质标准 。在这些技术和设备中 , 有机材料制成的微孔管过滤器 、滤芯过滤器及中空纤维过滤器 , 因不可再生或材料承受污物能力有限 , 其应用前景并不乐观 。纤维球深床过滤器 , 由于在过滤时可以形成上大下小的理想滤料孔隙分布 , 纳污能力大 、去除悬浮物效果好 , 在一些低渗透油田已有应用 , 只是滤料亲油性带来的反冲洗较难的问题亟待解决 。金属网滤芯过滤器采用永久滤芯 , 从而避免了滤芯的更换费用 , 但不宜在特高矿化度含量的油田含油污水精细过滤中应用 。陶瓷膜亲水不亲油 、不易被污染 、再生周期和使用寿命长 , 且陶瓷膜耐高温 , 耐稀酸 、稀碱 , 可用水蒸汽 、酸液 、碱液进行较为彻底的再生[ 36],谷玉洪等[ 19]利用陶瓷微滤膜对油田采出水的处理取得了良好的效果 , 陶瓷膜过滤技术有望在油田含油污水处理中得到广泛的应用 。4 过滤分离技术的展望过滤分离技术研究的成果 , 集中在研制出满足流体系统发展需要的各种过滤器和过滤装置 , 以净化流体系统 , 保证其正常工作 。发达国家早已高度重视这一领域的开拓 , 投入大量的人力 、物力和财力 , 形成了基础研究与应用技术相配套的具有相当规模的工业门类 。除了有为航天 、航空配套生产各种过滤器的公司 , 还为工业设备 、医药卫生 、饮食行业等研制各种高档过滤器和过滤装置 。他们拥有强大的科研生产手段 , 领导若过滤器生产的技术发展 。他们的产品遍及全世界 。此外美国还有万余家为各种工程机械和各型汽车研制生产过滤器 , 年产量都在数千万件以上 。由此可见 , 过滤器行业的发展前景十分广阔 , 社会需求十分巨大同技术发达国家相比 , 在这一领域我国的差距甚远 . 我们还没有建立起一整套过滤分离技术的科研生产体系 ; 在大学或研究所里还没有开设这个专业 , 对其进行理论研究 ; 过滤材料还没有列入研制计划 ; 技术标准 、制作工艺 、测试设备和质量控制等均不完善 、不配套 。未来的研究方向主要集中在以下几个方面 :4.1 过滤材料的研究过滤是处理油田含油污水的最后一个环节 , 直接关系到水质是否达标 。而过滤的有效性主要取决于滤材的性能 。因此 , 滤材研究主产是过滤分离技术发展应用的关键 。发达的工业国家都有许多滤材生产厂家生产各种滤材供选用 。一些著名的过滤器公司都建立了自己的滤材生产研究机构 , 并以此作为生存 、发展利竞争的手段 。可以说过滤器行业的发展与竞争 , 主要是滤材的发展与竟争 。4.2 对过滤器结构设计的研究30 多年来 , 我们对过滤器结构设计从按国外原文复制 , 按样品测绘仿制到自行设计 , 已经是一个飞跃 。但是为了适应科学技术的飞速发展 , 开展预先研制 、型号研制 , 不断推出供用户选用的优质 , 廉价 、适用的新型产品 , 并使之标准化 、规范化 、系列化 , 这将是这个行业兴旺发达的必由之路 。过滤器的技术性能和结构设计都面临新的挑战 。小型化 、高精度 、集成化 、组合化 、多功能是过滤器发展的必然趋势 。从过滤元件到过滤器装置的设计与研究 , 并开展 研究应用 , 将会使我们的设计更加优化 , 更加规范化 。参考文献 :[ 1] 李化民 , 苏显举 , 马文铁等 . 油田含油污水处理 [ M] .北京 : 石油工艺出版社 .1992: 1 -3.[ 2] 彭忠勋 . 油田采出水回用处理常规流程探讨 [ J] . 石油规划设计 .1998, 9( 5) : 8 -11.[ 3] 张瑾 . 油田注水过滤器的选用 [ J] . 油田地面工程 .1989, 8( 5) : 25 -26.[ 4] 任彦中 . 高效双向过滤器 [ J] . 油田地面工程 . 1995, 14( 1) : 44 -45.[ 5] 汪华林等 . 油 - 水漩流分离技术及其在含油污水处理中的应用 . 石油化工环境保护 .1998( 3) : 8 -17.[ 6] 王勇 . 用水力旋流器净化采出水 [ J] . 油气田环境保护 .1994, 1: 25 -29.781河南科技2013. 67] 陆耀军 . 油田地面分离旋流化技术展望 [ J] . 石油学报 .1998, 19( 3) : 110 -115[ 8] 袁惠新等 . 漩流分离技术在石油 、石化工业中的应用 .过滤与分离 .2002, 12( 3) : 33 -36.[ 9] 刘磊等 . 水力旋流污水除油技术 . 石油矿场机械 .1995, 24( 3) : 42 -47.[ 10] 陆耀军 . 液 - 液漩流分离技术综述 . 石油学报 . 1997,18( 1) : 97 -103.[ 11] P. 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