基于微泡浮选的多流态强化油水分离研究

发布时间：2020-09-17 13:31

　　油田采出水处理是矿场油田开发利用和环境保护面临的重要课题,是油田开采必不可少的生产环节。随着三次采油技术的广泛应用,油田采出污水产出量大,水质复杂且难处理问题突出,现有技术已经无法满足油田正常生产的要求。因此,迫切需要开发与三次采油技术配套的采出水处理技术,开发无药剂添加、不产生含聚油泥、操作简单、能耗低的物理除油工艺及设备。旋流静态微泡浮选分离是将常规旋流器和常规泡沫柱分离结合起来,集旋流分离、气浮与聚结分离于一体的高效分离方法。旋流静态微泡浮选柱在煤炭分选、有色金属选矿、铁矿提质降杂、油水分离等领域得到了广泛应用。本论文从基于微泡浮选的旋流分离强化除油、聚结分离强化除油等方面开展研究,对于油水分离用浮选柱的开发和工业应用提供理论指导。主要研究内容包括以下几个方面: 研究了基于微泡浮选的旋流分离强化除油机理。分析了旋流器中油滴的受力情况,描述了浮选柱内置旋流器油水旋流分离过程。研究了起泡剂浓度,给料速度,循环压力,充气速率等操作参数对脱油率的影响规律。建立了旋流分离脱油率的数学模型。采用PIV粒子成像测速仪测试了浮选柱内置旋流器速度场分布。研究了基于微泡浮选多元聚结强化除油机理。深入分析基于浮选柱内旋流段、管流段和气浮段的流体行为和油滴聚结、破碎过程,提出了旋流静态微泡浮选柱中旋流聚结(90o碰撞聚结)、管流聚结(0o碰撞聚结)、层流聚结(180o碰撞聚结)机制。考察了充气速率、温度、给料速度、循环压力以及粘度等操作条件对旋流聚结效果的影响规律,充气速率、温度、给料速度以及粘度等操作参数对层流聚结效果的影响规律,充气速率、循环压力、粘度、管段长度、管段直径以及含油浓度等操作参数对管流聚结效果的影响规律。建立了旋流聚结、层流聚结和管流聚结的数学模型。明确了旋流聚结、管流聚结与层流聚结过程能有效处理粒径范围。利用流体力学软件Fluent对浮选柱内的两相流场进行数值模拟,获得了浮选柱旋流段、管流段和气浮段三部分经过旋流聚结、管流聚结和层流聚结后油相的浓度场分布和油滴粒径分布云图。模拟结果和试验结果相吻合。研究了基于射流的气含率调控强化除油机理。分析了喷嘴口径、充气速率、起泡剂用量、循环压力四个参数对气含率的影响规律。确定了适合于油水分离的气含率不应低于10%最佳范围。建立了基于操作参数影响预测气含率的数学模型,以及基于BP神经网络和基于GRNN神经网络的气含率预测模型。通过静态实验,研究了吸附时间、投放煤种、煤粉颗粒粒径、含油污水pH值、含油浓度等因素对原油在煤粉颗粒表面的吸附规律。实验结果表明,随着吸附时间的延长,石油类物质在煤粉颗粒表面吸附量先增加而后趋于平衡;同一粒级下无烟煤对石油类物质的吸附量大于贫(瘦)煤及褐煤,同一煤种下细粒级吸附量大于粗粒级的吸附量;石油类物质在无烟煤表面吸附量随pH值增加缓慢减少,pH值对吸附量的影响不大。石油类物质在+0.046mm粒级煤粉表面吸附符合Freundlich等温吸附规律,在-0.046mm粒径煤粉表面吸附符合Langmuir吸附等温规律。吸附过程符合二级吸附动力学模型,吸附形式为物理吸附与化学吸附共存的吸附过程,物理吸附为主,化学吸附为辅。认识到聚合物驱采出水处理过程实质是两种生产(采油生产、采出水处理)、两种循环(水循环、聚合物循环)的采出水循环体系,应进行进行适度处理,既要使出水达到回注要求,同时使聚合物最大限度的保留。在此原则下,以旋流静态微泡浮选柱为主要分离设备,利用煤的天然吸附性,以煤粉作为吸附剂,选择性吸附采油污水中原油,保留聚合物,开发了聚合物驱采油污水浮选柱选择性吸附气浮工艺。结合浮选柱多元聚结作用和充填材料聚结作用,开发浮选柱聚结气浮工艺,配套开发油煤基吸附料资源化回收利用技术。通过浮选柱聚结气浮载体选择性吸附气浮工艺集成,在胜利油田孤六联建设了2000m3/d“浮选柱聚结气浮选择性吸附气浮”工业系统。工业试验结果表明,该技术具有工艺独特、指标先进、无底泥产生等特点。针对含油浓度1000 mg/L~2000mg/L、悬浮物120mg/L左右的进水,处理后出水含油浓度为23.39 mg/L,总脱油率为97.70%。同时,每处理1m3水可减少污泥排放量1.87Kg,污泥量减少,既简化了整体处理工艺,又降低了处理成本。该论文有图143幅,表15个,参考文献139篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2011
【中图分类】：X741
【部分图文】：

叶轮,液气射流泵,叶轮浮选,喷射浮选

2.1.1.2 喷射浮选机[47-49]图2 1叶轮吸气浮选机图2 2 喷射吸气浮选机Fig. 2 1 Breathe in impeller flotation machine Fig. 2 2 Jet inspiratory flotation machine由于叶轮浮选机存在制造、维护工作量大，能耗高等缺点，又出现了喷射浮选机（图2 2）。喷射浮选是指在浮选系统中采用液气射流泵，利用加压后的污水或处理后的循环水作工作介质，通过液气射流泵时，由于高速射流的负压作用，吸人气体并在液气射流泵的喉管中混合，气体被粉碎成泡，经液气射流泵扩散管增压后排出，均匀地分散到含油污水中，使气泡与水中的油滴充分接触粘附，形成气泡油滴聚合体，从而

喷射式浮选机,气浮机,出水,浮选机

2.1.1.3 改进的喷射式浮选机[14]这种改进的喷射式浮选机（图2 3），含油污水和空气均从浮选机上部设置的下导管给入，油滴和气泡混合后，形成油滴气泡复合体一同进入分选槽中分离。经分离后出水从分离室底部排出，含油泡沫从浮选槽顶部经收集后排出。试验结果表明，这种浮选机除油效率高，在含油高达603mg/L的乳浊液经它处理，除油率高达80%以上。2.1.1.4 离心气浮机[50]巴西LTM实验室采用改进型的离心浮选机（图2 4）分离絮凝过的含油污水，其槽体部分由溢流管、空气罐及筒体支架组成。进水通过喷嘴进入静态混合器经过气水混合后进入浮选机中，气泡携带的浮渣从溢流管上端流出，处理后的出水从槽体底部流出。该浮选机已安装在巴西近海平台上运行。试验结果表明

过程图,原理,浓度图,分离效率

油泡沫从浮选柱顶部排出，出水从底部排出。该种类型浮选柱生产效率高，可不断提高的离心力场强度来强化了浮选效果。图2 5 FF型絮凝浮选机图2 6 加拿大CPT浮选柱Fig. 2 5 FF flocculation flotation machine Fig. 2 6 Canada CPT floatation column2.1.2 油水分离气浮设备研究新进展2.1.2.1 FXP150喷射式自控密闭气浮机[55]这种喷射式浮选机主要由罐体、4个喷射器、1台离心泵和2套刮油机构等组成，具有分离效率高、能耗低、占地面积小、转动部件少和操作维护费用低等优点。FXP150喷射式浮选机于2005年5月在中国石油天然气集团公司与NELSON投资公司共同开发的哈萨克斯坦共和国西部北布扎齐油田投入运行，运行表明，在进口含油质量浓度低于300 mg/L，悬浮物质量浓度低于400mg/L时，出口含油质量浓度低于30mg/L，悬浮物质量浓度低于50mg/L。2.1.2.2 JHX新型高效射流气浮机[56]JHX型浮选机（图2 8）是利用射流原理将空气溶入水中，通过释放头产生大量微泡。具体过程是通过循环泵将处理后的部分净化污水加压，通过水射器高速射流产生负压吸入罐体内循环释放气体或补充的新空气

【参考文献】