水力旋流分离技术处理稠油采出水现场试验

中油辽河油田特种油开发公司

稠油污水通常是指从热采稠油中分离排出的含油污水，因其具有黏度大、油水密度差小、乳化严重、温度高且成分复杂的特点，处理难度往往高于普通含油污水。辽河油田作为中国最大的稠油生产基地，各类稠油污水产量达8×104m3/d，占据污水总产量的65%[1-3]。随着社会对保护生态环境认识的加强，国内各大油田在结束污水外排历史的同时，相继加大污水处理技术的攻关力度，全面塑造更加清洁、高效、可循环的企业新形象。为此，开展了水力旋流分离技术处理稠油污水的现场试验研究。

1 稠油污水水质

稠油的物性体现了“三高一低”的特点，即：重度高、黏度高、沥青及胶质含量高，含蜡量低。稠油污水受稠油开采过程影响，具有含油量高、含杂质多、油水密度差小、乳化严重且黏滞性强等特点[4-5]。辽河油田某脱水站采用两段式热化学沉降对稠油进行脱水处理，污水产生量约1.8×104m3/d，主要来源为两段沉降罐底部排出水，其中二段沉降罐排出水直接回掺一段沉降罐，一段沉降罐排出水与净水剂混合后进入污水罐进行除油、除悬浮物处理，处理后合格水全部作为注汽锅炉原料水使用。现场分别对两段沉降罐底部排出水进行取样化验，其水质特征见表1。

表1 稠油污水水质特征Tab.1 Quality characteristics of heavy oil sewage

2 旋流分离装置

2.1 技术原理

水力旋流分离技术以离心分离原理作为基础，利用流体压力产生旋转运行，使不同密度差的介质实现分离。旋流分离器工作时，待分离混合液从装置进口沿切向流入，高速旋转产生强烈涡流，由于混合液中轻重组分的密度不同，在离心力作用下，轻组分（油、悬浮物）将向装置回转壁面处运动，并在壁面附近聚集，在旋流过程中，逐渐向底流出口运动，最终排出装置[6-7]。同时，重组分（水）将向旋流器中心轴处运动，形成中心核并向装置入口方向运动，经溢流口排出装置。旋流分离装置结构如图1所示。

图1 水力旋流分离装置结构Fig.1 Structure of hydrocyclone separation device

2.2 装置流程及参数

中试阶段，两台旋流分离器安装地点选在上述脱水站转水泵房外，采用可切换的并联（单级旋流分离）与串联（双级旋流分离）安装方式，装置前端混合液进口管线分别与一段沉降罐、二段沉降罐排出水汇管相连，并设置入料变频控制泵1台（额定排量20 m3/h，扬程23 m），破乳药剂投加点1处，溢流出口管线与污水处理罐进液汇管相连，底流出口管线与二段沉降罐进液汇管相连。旋流分离器中试流程如图2所示。

中试设计参数：一级旋流分离器入口压力≤1.2 MPa、溢流出口压力≤0.6 MPa、底流出口压力≤0.3 MPa；二级旋流分离器入口压力≤0.35 MPa、溢流出口压力≤0.2 MPa、底流出口压力≤0.2 MPa；处理量1.5～5 m3/h。

3 现场应用效果

为保证污水处理效果，旋流分离器严格按照中试设计参数运行，当设备状态平稳后可切换至自动运行模式。现场应用期间，人工每隔30 min分别对旋流分离器入口、一级溢流出口、二级溢流出口进行取样，同时调节旋流分离器处理量、分流比、加药量及旋流分离级数，对比分析处理后水体含油量及悬浮物含量变化情况[8]。

3.1 一段沉降罐污水处理效果

一段沉降罐底部排出水含油质量浓度范围15 259～17 346 mg/L，悬浮物质量浓度范围23 241～26 523 mg/L，中试运行参数见表2，处理效果如图3、图4所示。

表2 一段沉降罐污水处理中试参数Tab.2 Pilot test parameters of sewage treatment in the first section settling tank

图2 水力旋流分离器现场流程Fig.2 Field flow of hydrocyclone separation

图3 一段沉降罐污水含油量变化曲线Fig.3 Change curve of oil content of sewage in the first section settling tank

图4 一段沉降罐污水悬浮物含量变化曲线Fig.4 Change curve of suspended solids content of sewage in the first section settling tank

不投加破乳剂，污水经单级旋流分离处理后含油质量浓度降至9 086～9 993 mg/L，悬浮物质量浓度降至20 896～23 662 mg/L，除油效率达40.45%～43.74%，除悬浮物效率7.01%～18.04%；污水经双级旋流分离处理后含油质量浓度降至5124～8168mg/L，悬浮物质量浓度降至14 887～15 307mg/L，除油效率提高至52.28%～59.56%，除悬浮物效率提高至34.14%～43.87%。由于旋流分离器进液含油量、悬浮物含量较高，除油、除悬浮物效率并未随旋流分流比的提高出现明显增加。

投加TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳剂，保持分流比10.87%，污水经单级旋流分离处理后含油质量浓度降至7 007～9 421 mg/L，悬浮物质量浓度降至20 157～21 918 mg/L，除油效率达44.03%～58.33%，除悬浮物效率达11.96%～20.08%；污水经双级旋流分离处理后含油质量浓度降至5 214～7 010 mg/L，悬浮物质量浓度降至12 211～13 896 mg/L，除油效率提高至58.31%～68.99%，除悬浮物效率提高至44.68%～50.95%。污水除油、除悬浮物效率随破乳剂投加浓度增加而逐步提高，在破乳剂质量浓度为350 mg/L时达到最佳。以一段污水旋流处理量108 m3/d、破乳剂加药量0.015 t/d计算，全年产生药剂费用约4.2万元，电费约1.2万元。

3.2 二段沉降罐污水处理效果

二段沉降罐底部排出水含油质量浓度范围为1 987～2 389 mg/L，悬浮物质量浓度范围为777～906 mg/L，中试运行参数见表3，处理效果如图5、图6所示。

表3 二段沉降罐污水处理中试参数Tab.3 Pilot test parameters of sewage treatment in the second section settling tank

图5 二段沉降罐污水含油量变化曲线Fig.5 Change curve of oil content of sewage in the second section settling tank

图6 二段沉降罐污水悬浮物含量变化曲线Fig.6 Change curve of suspended solids content of sewage in the second section settling tank

不投加破乳剂，污水经单级旋流分离处理后含油质量浓度降至1 772～2 021 mg/L，悬浮物质量浓度降至691～894 mg/L，除油效率达5.86%～13.52%，除悬浮物效率达1.32%～23.15%；污水经双级旋流分离处理后含油质量浓度降至786～942 mg/L、悬浮物浓度降至684～854 mg/L，除油效率提高至53.2%～63.1%，除悬浮物效率提高至5.74%～23.48%。双级旋流分离下，除油效率较除悬浮物效率提升较为明显，且分流比大于15%时分离效率更佳。

投加TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳剂，保持分流比21.88%，污水经单级旋流分离处理后含油质量浓度降至145～334 mg/L，悬浮物质量浓度降至145～157 mg/L，除油效率达86.02%～92.7%，除悬浮物效率达79.79%～82.51%；污水经双级旋流分离处理后含油质量浓度降至36～57 mg/L，悬浮物质量浓度降至128～135 mg/L，除油效率提高至97.61%～98.19%，除悬浮物效率提高至82.63%～84.98%。破乳剂的加入使污水除油、除悬浮物效率大幅提高，当破乳剂质量浓度达到200 mg/L时便可获得高效的油水分离效果。以二段污水旋流处理量76.8 m3/d、破乳剂加药量0.015 t/d计算，全年产生药剂费用约4.2万元，电费约0.75万元。

4 结论

（1）对于稠油污水，旋流分离技术能够提供较好的除油、除悬浮物效果，且性能稳定。从处理后的污水水质来看，双级旋流分离效果优于单级旋流分离效果，此外，TR-DEM/ZD-Ⅰ型破乳剂的加入使双级旋流分离后的污水除油效率提升35.09%，除悬浮物效率提升61.5%。

（2）由于旋流分离器依靠机械结构分离去除污水中的原油及悬浮物，分离效果与污水本身含油量、含悬浮物量紧密相关。在不投加破乳药剂前提下，针对含油质量浓度大于15 000 mg/L稠油污水的单级、双级旋流分离除油率均能够保持40%以上，分离效果优于含油质量浓度小于2 500 mg/L的低含油污水。

（3）旋流分离装置安装相对独立，对已建稠油脱水及其他水处理工艺不会产生影响。装置可根据现场生产需要，在单级、多级旋流分离模式间任意切换，操作过程具有较好密闭性，防止了高温污水中的可挥发性气体扩散对环境造成污染。

（4）在投加破乳药剂前提下，水力旋流分离器有效增加了污水中油的回收量，减少了浮渣产生量。经现场应用，该脱水站全年可回收原油约380 t，直接效益达84.62万元。随着旋流分离技术投入工业规模化应用，稠油污水处理量将逐年增加，该技术在经济效益上的优势将会更加突出。