气浮选器升级改造研究与应用

张 宁

气浮选器升级改造研究与应用

张 宁

（中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452）

从海上油田水处理系统气浮选器原理和结构出发，分析了气浮选器的运行现状和气浮装置的缺点，利用了气泡粒径对除油效率的影响，优化了浮选器的气泡发生装置，同时加以内部结构改造，成功在现场应用。气浮选器升级改造后，处理后水质提升50%，改善明显，同时降低了水质达标成本，对其他油田设施污水处理系统的提质增效具有指导意义。

气浮选器；微气泡；结构改造；水质提升

在海上油气田，气体浮选除油技术通常被选择作为生产污水处理系统的二级设备。对于一些密度接近水的油品，采用自然重力沉降法很难从水中除去，尤其是海上平台要求设备体积小，面积有限，采用气浮法则特别有效。

油田现有浮选器为诱导喷射气浮，由于其产生气泡不均匀，且气泡体积较大，在运行过程中，出现处理水质变差，液位计受气泡影响波动明显。严重影响气浮处理效果，加气浮选功能一直未能较好实现，浮选器处理后水质较高，导致下游核桃壳过滤器处理压力增加，注水水质不理想。为了进一步提升水处理系统水质，计划对浮选器进行升级改造，提高气浮处理效果，首先是对外部的气泡发生装置进行优化，再根据历史经验的总结和摸索对内部结构进行优化，达到进一步提升气浮选处理效果的目的。

1 气浮选器简介

1.1 气浮选器原理

气浮处理法就是向废水中通入空气，并以微小气泡形式从水中析出成为载体，使废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质黏附在气泡上，随气泡一起上浮到水面，形成泡沫一气、水、颗粒（油）三相混合体，通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的[1]。浮选法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度接近于1的微小悬浮颗粒

1.2 气浮选器运行现状

投产初期，浮选器投用以后的使用状况跟设计要求差别较大，气浮循环泵上线后，液位计数值很不稳定，从而影响到了液位的控制。浮选器自动除油功能在实际使用中不理想，达不到及时除油的效果，后改为每天2次手动提升液位排油。很长一段时间，由于从撇油器来的液体含油比设计要求的少很多，而且水系统化学药剂注入量多，再经过下游核桃壳过滤器的处理，气浮循环泵不投用也可以达到标准，故实际运行中基本把浮选器当作一个重力沉降的油水分离器使用，处理效果一般，浮选器入口水质与出口水质相差无几。目前由于注水水质要求提高，核桃壳过滤器处理压力较大，滤料更换频繁，且化学药剂费用高，急需对气浮选器进行升级改造，提升处理效果。

2 改造升级

通过对气浮选器的原理研究可以知道：

1）当微气泡粒径越小，单位体积的溶气水中的微气泡比表面积越大，比表面积越大，所具有的黏附能力更强[2]。

2）当粒径越大时，具有相同粒径的油滴和气泡上浮速度相差越大，两者产生黏附的概率越小。所以，要提高对水中难以分离的微小油滴的气浮分离效率，应将微气泡粒径控制在较小的范围。

为了最多地俘获悬浮物，气浮中的气泡应尽可能小，并分布均匀。根据实验显示了减压释放后的气泡大小和饱和压力的关系，在压力大于0.45 MPa后进行减压释放时，气泡直径可小于30μm。

改造技术要点如下：

图1 气泡直径和绝对压力关系曲线

1）悬浮絮体（分散相）可以被气泡黏附，黏附是决定气浮法成败的关键[3]；

2）采用微气泡去黏附微小悬浮颗粒；

3）利用水力旋流的浮选作用使悬浮物从水中被分离出来。

2.1 罐外改造

现有浮选器罐外设置有200 m3·h-1的循环泵，将出水的30%左右返回至罐内，返回水通过文丘里管吸入气体并同水混合，形成气泡，再返回浮选器浮选。这种浮选器属于射流浮选的类型，存在以下几个问题：

1）返回30%左右的水，占据了浮选器的体积，缩短了进口来水的停留时间，不利于浮选；

2）文丘里管进气难以调节；

3）文丘里管的喷射速度很大，容易造成乳化。

为了解决射流浮选存在的问题，在罐外新增一套注气式溶气水制备装置，将其改为溶气式浮选器。新增注气式溶气水制备装置包括：气体过滤器、气体注入器、微气泡筛分器、循环水泵[4]。

罐外改造原理：以0.6～0.8 MPaG天然气作为气源，用气量为回收水流的6%～10%，经过气体过滤器后制备微气泡。循环水泵将系统处理水量的5%～10%，加压循环回流，总溶气水生成量约为

80 m3·h-1，天然气用量为8 m3·h-1（0.8 MPaG压力下）。高效旋流微气泡筛分器将未溶解气和大气泡分出，生产微气泡，粒径均匀细腻[5]。其技术特点如下：

1）过饱和溶气高效切割技术制备微气泡；

2）高效旋流分离大气泡，生成微气泡粒径均匀、细腻；

3）稳定释放技术，不会堵塞，提供稳定的分离场；

4）回流比小于10%；

5）浮选气可以为：可燃气、氮气、空气。

图2 浓浓的微气泡“云层”均匀上升，黏附捕捉能力强，与清水界面清晰

2.2 罐内改造

现有浮选器罐内进水为“丰”字形布液装置，带压溶气水释放后，易对水流产生搅动，影响油滴的聚集效果[6]。改造原理：

1)进水管: 增加弯管使罐内产生弱旋流，增加入口溶气水释放口；进水管改造为切向进水型式，增加弯管，产生弱旋流场，提高油滴与气泡的碰撞概率，并且切向进液，油滴在中间聚集，提高收油效率；

2)收油槽：利用原环状收油槽，收油区增加导流片，使中间收油区浮油更易进入收油槽；

3)溶气水释放管：底部增加8根微气泡释放管，使同一平面释放的微细气泡分布更均匀；

4)增加出水挡板：底部增加出水挡板建立清水缓冲区域，与出水口形成缓冲空间；

5)出水管路：出水管和循环水出水管向内延长，使出水口位于清水区上层，避免与排污口干扰。

图3 改造前后罐内结构示意图

图4 改造后收油挡板

3 改造后现场应用效果

3.1 处理效果

改造后，浮选C处理水质明显改善，由之前的40 mg·L-1降至20 mg·L-1左右，选取浮选器C与未改造的浮选A/B处理水质对比。

图5 浮选器A/B/C水质对比

由图可知, 改造后，同等工况下，浮选C处理后水质明显比浮选A/B低，水中含油降低50%左右。水质提升明显。

3.2 药剂加注情况

改造前生产水系统絮凝剂加注量为200 mL·min-1,清水剂加注量为100 mL·min-1,浮选器C出口水质40 mg·L-1左右，升级改造后，处理水质改善的情况下，絮凝剂注入量下降至150 mL·min-1，每年节约絮凝剂注入量25%。

3.3 核桃壳过滤器压差变化

生产水处理系统为三级处理，先经过撇油器处理，再到气浮选器，经注水增压泵加压，最后到核桃壳过滤器处理成合格的生产水[7]。持续监测改造后核桃壳滤器水质变化，结果如图6所示。

注：8月17日改造完成

由图可知：改造前，核桃壳过滤器F-2650/2654出口水中含油值为15 mg·L-1，且随来液波动较大；改造后，出口含油均值降低为6.8 mg·L-1，降低幅度为51.8%。表明改造后，有更好的出口水质。

3.4 经济效益分析

气浮选器升级改造后处理能力提升，核桃壳滤料更换频率由1年1.5次降低到1年1次，核桃壳过滤器滤料成本约为10万元，更换滤料人工成本6万元，目前油田共6个核桃壳滤器，若全部更换滤料，则成本为（10+6）×6=96万元[8]。改造前每年更换核桃壳滤料费用为96×1.5=144万元，改造后为96万元，每年节省费用48万元。同时还节省了大量的人力物力，降低了高风险进限作业的次数。

絮凝剂注入量由200 mL·min-1降低至150 m L·min-1, 每年节省药剂26.28方，节省药剂费用：26.8×0.8=24.4万元，大大降低了生产水质达标的成本。

4 结束语

气浮选器的升级改造提升了立式气浮的处理效果[9]，恢复了气浮设计能力，减轻了核桃壳处理压力，增强了抗波动能力，提升了处理系统水质，同时减少了化学药剂使用量。保障了油田实现“注好水、注够水、优质注水，满足了油田提液稳产”的应用目标[10]，对其他油田气浮选器的升级改造具有指导意义。

[1] 谷玉洪，刘凯，周光元．3 种气浮设备处理油田污水的试验［J］．油气地面工程，2000，19 (4): 21-22．

[2] 孙为志. 适用于渤海边际油田生产水处理方案研究［J］．辽宁化工，2019，48（3）：284-286.

[3] 谢涛. 紧凑型气浮选装置除油效率提升改造与清洗优化设计 ［J］．技术研究，2021，9：73-74

[4] 刘星，万泊宏，李强，等．加气浮选器除油率提升措施及应用［J］．油气地面工程，2019，23:29-30．

[5] 王金鑫，王鑫，同航，等. 延长油田联合站污水处理工艺改造［J］．辽宁化工，2021，50（7）：1029-1031

[6] 廖维平. 气浮选器水相含油量高的解决方法探析［J］．天津科技，2021，48（3）：32-34

[7] 余炯．旋流分离/气浮技术在某采油平台生产水处理中的应用［J］．油气地面工程，2000，47( 10):133-135

[8] 王立秋. 海上油田生产水核桃壳过滤器滤料的清洗再生探究［J］．石油化工应用，2019，38（3）：49-53

[9] 方健. 旋流加气浮选器处理渤海 S油田含聚污水造［J］．集输处理，2021，50（3）：21-24

[10] 梁波. 气浮选器溶气装置升级改造［J］．船海工程，2021，50（3）：21-24.

Research and Application of Upgrading of Air Flotation Separator

（CNOOC Energy Technology &Oil Production Service Co. Tianjin 30045, China）

Starting from the principle and structure of air flotation separator in offshore oilfield water treatment system, the operation status of air flotation separator and the shortcomings of air flotation device were analyzed. Making use of the influence of bubble particle size on oil removal efficiency, the bubble generator of flotation device was optimized, and internal structure transformation was carried out, which was successfully applied in field. After the upgrading of the air flotation separator, the treated water quality was improved by 50%, and the cost of meeting the water quality standard was reduced. The paper has guiding significance for improving the quality and efficiency of the sewage treatment system of other oilfield facilities.

Air flotation separator; Microbubbles; Structural transformation; Water quality improvement

TQ028.9+4

A

1004-0935（2022）03-0364-04

2021-11-23

张宁（1989-），男，工程师，江苏徐州人，2012年毕业于东北石油大学石油工程专业，研究方向：海上油田油气水处理、油气输送以及提高采收率等油田开发开采研究。