中海油能源發(fā)展股份有限公司

旋流氣浮水處理裝置用氣泡發(fā)生器室內(nèi)實驗

李永豐 盧大艷

中海油能源發(fā)展股份有限公司

使用攝像氣泡檢測技術(shù)，對旋流氣浮用射流、微孔兩種氣泡發(fā)生裝置進行室內(nèi)實驗。對兩種氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣泡直徑分布進行了檢測，對氣泡在上升過程中聚并過程進行研究。在室內(nèi)最佳工況條件下，微孔氣泡發(fā)生器產(chǎn)生氣泡粒徑較好，是較為理想的氣泡發(fā)生裝置。射流發(fā)生器的最佳運行參數(shù)：入口水流量為1.28 m3/h，壓力為4.0 b ar；入口氣體流量為0.253 m3/h（標(biāo)況），壓力為3.0 bar；喉嘴距離定為15 mm。微孔發(fā)生器的最佳運行參數(shù)：入口水流量為5.1 m3/h，壓力為3.7 bar；入口氣體流量為1.165 m3/h（標(biāo)況），壓力為4.4 bar。

射流氣泡發(fā)生器；微孔氣泡發(fā)生器；旋流氣浮；氣泡粒徑；實驗

隨著油田開發(fā)進入后期，采出液中含水率升高，致使需要處理的含油污水量大大增加，現(xiàn)有的污水處理系統(tǒng)處理量無法滿足要求，尤其是海上采油平臺空間有限，對處理設(shè)備的占地面積要求嚴(yán)格。自2001年EPCON公司研發(fā)第1臺緊湊型立式氣浮裝置（Compact Flotation Unit，CFU）在海上油田得到成功應(yīng)用以來，先后有Siemens水務(wù)、Veolia水務(wù)、Cameron集團等10多家公司推出了相關(guān)產(chǎn)品，油田現(xiàn)場安裝總數(shù)超過了50臺（套）。CFU技術(shù)所取得的巨大成功也引起了國內(nèi)企業(yè)的重視，迄今已有10多家單位申請了專利，部分單位還推出了現(xiàn)場試驗樣機。但總體來看，由于起步較晚或缺乏系統(tǒng)深入研究等原因，目前國內(nèi)CFU技術(shù)尚處于放大試驗階段，離工業(yè)化推廣應(yīng)用還有距離[1]。

旋流氣浮一體化技術(shù)的最大特點就是在預(yù)分離區(qū)充分發(fā)揮氣浮分離和離心分離的協(xié)同作用，大幅度提高預(yù)分離區(qū)中微細(xì)氣泡與分散相油顆粒的碰撞黏附概率，促進其形成“微氣泡－油滴黏附體”，加速其分離過程[2]。顯然，CFU設(shè)備中微氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣泡大小對設(shè)備的運行效果有直接的影響。本文對射流氣泡發(fā)生器、微孔氣泡發(fā)生器兩種微氣泡發(fā)生裝置進行了室內(nèi)實驗研究，檢測了兩種發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡粒徑，統(tǒng)計氣泡粒徑分布規(guī)律，以推動CFU技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化進程。

1 實驗系統(tǒng)及組成

1.1 射流氣泡發(fā)生器

射流氣泡發(fā)生器由噴嘴、吸入室、收縮管、喉管、擴散管五部分組成[3]，結(jié)構(gòu)見圖1。其工作原理是：加壓液體由噴嘴噴入形成高速射流，通過射流的脈動湍流作用，吸入室形成負(fù)壓，空氣吸入后與液體混合，液體與氣體發(fā)生碰撞產(chǎn)生微小氣泡，氣泡通過擴張管分散到容器中。氣泡發(fā)生裝置的原理見圖2。

圖1 射流氣泡發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 射流氣泡發(fā)生裝置原理

根據(jù)實驗條件，射流氣泡發(fā)生器水相流量調(diào)節(jié)范圍限定為0.5～1.5 m3/h，氣相流量調(diào)節(jié)范圍限定為0.5～1.5 m3/h（標(biāo)況），發(fā)生器最高出口壓力限定為2.0 bar（1 bar=0.1 MPa），喉嘴距離的調(diào)節(jié)范圍限定為15～25 mm。射流氣泡發(fā)生器實物見圖3。

1.2 微孔氣泡發(fā)生器

這種氣泡發(fā)生方法是讓氣體在一定壓差下，通過微孔或微小空隙來制造微小氣泡。此方法結(jié)構(gòu)簡單、能耗小，但存在微孔易堵的缺點。本次實驗為獲得好的氣泡發(fā)生效果，微孔氣泡發(fā)生器與水流采取“T”型安裝，安裝示意見圖4。

根據(jù)實驗條件以及微孔氣泡發(fā)生器及相關(guān)設(shè)備的要求，發(fā)生器水相流量設(shè)定為5 m3/h，氣相流量調(diào)節(jié)范圍限定為1.1～1.6 m3/h（標(biāo)況），發(fā)生器出口壓力為2.4 bar。

圖3 射流氣泡發(fā)生器實物

圖4 微孔氣泡發(fā)生裝置安裝示意圖

1.3 氣泡檢測環(huán)路

為檢測射流發(fā)生器及微孔發(fā)生器的氣泡粒徑，搭建氣泡檢測環(huán)路，如圖5所示。發(fā)生器由水泵提供水源，依靠負(fù)壓自吸供氣或壓縮機提供氣源。氣泡由發(fā)生器釋放入有機玻璃槽內(nèi)，并在玻璃槽內(nèi)浮升。有機玻璃屬于透明材料，便于高速攝像儀拍攝玻璃槽內(nèi)的氣泡，從而獲得氣泡照片并統(tǒng)計氣泡粒徑。

圖5 氣泡檢測環(huán)路示意圖

實驗采用照相法檢測氣泡粒徑，使用高速攝像儀拍攝玻璃槽內(nèi)的氣泡。圖片處理軟件ImageJ具備多種圖像處理和分析功能[4]，可以測量照片中氣泡尺寸，在處理照片時將形狀不規(guī)則氣泡轉(zhuǎn)換為球形，以球體直徑等效氣泡尺寸。拍攝系統(tǒng)由冷光源（型號DCI-575，功率575 W，顏色Ra92，光強可調(diào)節(jié)）、高速攝像儀（NAC HOTSHOT 1280）、變焦與定焦鏡頭組成。拍攝方法見圖6。高速攝像儀最大快門為20萬幀/s，選用的鏡頭為10倍變焦鏡頭（射流發(fā)生器）和30倍定焦鏡頭（微孔發(fā)生器）。

圖6 拍攝方法示意圖

1.4 氣泡檢測方法

自氣泡發(fā)生器出口以上間隔100 mm依次選擇7個拍攝位置，采用拍攝方法檢測氣泡在浮升過程中粒徑分布變化規(guī)律。

2 射流氣泡發(fā)生器實驗

2.1 實驗調(diào)試

為便于檢測氣泡大小，采用清水進行實驗。實驗設(shè)定的初始工作參數(shù)見表1，射流氣泡發(fā)生器水入口壓力3.5 bar，氣相入口壓力2.4 bar，有機玻璃管內(nèi)壓力2.0 bar，噴嘴—喉管距離暫設(shè)為20 mm。

通過有機玻璃管直接觀察氣泡結(jié)果：發(fā)生器釋放的氣泡粒徑超過1 mm；氣泡密集，重疊嚴(yán)重；氣泡變形明顯，類似橢球形，且出現(xiàn)大量氣團。高速攝像儀拍攝的發(fā)生器出口處氣泡粒徑大于3 mm。

表1 射流氣泡發(fā)生器初始工作參數(shù)

由測得的氣泡粒徑可知：調(diào)試工況并不是最佳工況。分析其原因：設(shè)定的氣水比不合適，氣體流量過大；設(shè)定的喉嘴距離20 mm不是最佳值；釋放的氣泡在有機玻璃管管徑100 mm的空間不足以充分?jǐn)U散，產(chǎn)生了聚并。

2.2 最佳工況調(diào)整

針對上述問題進行工況調(diào)整：①降低氣體流量；②調(diào)整噴嘴與喉管距離。首先保持喉嘴距離20 mm不變，降低氣量［由于氣量的計量精度限制，氣量的調(diào)節(jié)下限設(shè)置為0.253 m3/h（標(biāo)況）］，調(diào)整后的運行參數(shù)見表2。發(fā)生器釋放的氣泡距出口上方200 mm，氣泡的尺寸隨氣量下降呈減小趨勢。氣量為0.275 m3/h（標(biāo)況）時，照片中大氣泡個數(shù)減小，且氣泡重疊減弱；當(dāng)氣量降至0.253 m3/h（標(biāo)況），氣泡個數(shù)明顯減少，重疊現(xiàn)象幾乎消失。故選用工況5作為氣泡檢測的運行參數(shù)。

表2 調(diào)整后射流氣泡發(fā)生器運行參數(shù)

在工況5條件下，調(diào)整噴嘴與喉管距離，觀察發(fā)生器釋放的氣泡大小變化：當(dāng)兩者距離逐漸降低，大氣泡數(shù)量減小，小氣泡密度增加；噴嘴與喉管距離為15 mm時效果最佳。

2.3 檢測結(jié)果

在工況5及調(diào)整噴嘴與喉管距離為15 mm條件下，高速攝像儀對有機玻璃管內(nèi)7個不同液位處拍攝的照片示例見圖7，圖8。

圖7 發(fā)生器出口處氣泡

圖8 發(fā)生器出口上方100 mm處氣泡

對比不同液位處拍攝的氣泡照片：除發(fā)生器釋放口處氣泡密集且粒徑偏大，其他位置氣泡的粒徑與分布密度基本相同。氣泡分布稀疏，重疊現(xiàn)象減弱，小氣泡中分散著大氣泡。使用ImageJ軟件處理、分析照片中氣泡粒徑，各液位處氣泡的粒徑分布結(jié)果見表3、表4。

表3 各液位粒徑為100～1 500μm的氣泡比例%

表4 各液位粒徑為50～450μm的氣泡比例%

2.4 小結(jié)

本實驗通過調(diào)試氣泡發(fā)生器的運行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)使其發(fā)揮最佳的工作性能。檢測了氣泡發(fā)生器釋放的氣泡在上浮過程中粒徑的變化，得出以下結(jié)論：

（1）射流氣泡發(fā)生器制作的氣泡粒徑集中在100～600μm、900～1 500μm范圍內(nèi)，發(fā)生器出口上方100～600μm的氣泡比例為80.906%，900～1 500μm的氣泡比例為10.371%。

（2）高速攝像儀景深限制有機玻璃管內(nèi)徑尺寸不能太大，導(dǎo)致氣泡發(fā)生器出口附近的氣泡聚并劇烈，影響了對氣泡測量的準(zhǔn)確性。

（3）氣泡上浮過程中，隨著液位上升，壓力下降，氣泡粒徑呈增加趨勢，壓力下降到一定值時，氣泡開始破碎，致使氣泡粒徑呈下降趨勢。

3 微孔氣泡發(fā)生器實驗

3.1 實驗調(diào)試

參考射流氣泡發(fā)生器檢測環(huán)路的運行參數(shù)設(shè)置，通過調(diào)試實驗工況以確定微孔氣泡發(fā)生器運行參數(shù)，結(jié)果見表5。水的流量控制在5 m3/h，氣量由1.6 m3/h（標(biāo)況）逐漸下調(diào)，有機玻璃管內(nèi)壓力為2.4 bar。

隨著氣量的降低，氣泡的尺寸和密度也隨之減小。氣量減小，氣體壓力下降，發(fā)生器出口氣泡間歇性釋放。通過不斷摸索，最終選定工況4測定微孔氣泡發(fā)生器氣泡大小。

表5 微孔氣泡發(fā)生器運行參數(shù)

3.2 檢測結(jié)果

與射流氣泡發(fā)生器氣泡釋放口處的氣泡狀況相似，微孔氣泡發(fā)生器氣泡釋放口附近氣泡分布密集。取微孔發(fā)生器氣泡釋放口上方100 mm以上的6個液位作為拍攝位置，應(yīng)用ImageJ軟件處理各液位拍攝的氣泡照片，檢測結(jié)果見表6、表7。

表6 各液位粒徑為50～300μm的氣泡比例%

表7 各液粒徑為50～350μm的氣泡比例%

3.3 小結(jié)

微孔氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡直徑約為50～300μm，其比例為88.372%。與射流氣泡發(fā)生器相比（300～600μm的氣泡比例為60.893%，900～1 500μm的氣泡比例為38.06%），微孔氣泡發(fā)生器性能較好。對比不同液位氣泡粒徑，500μm以下的氣泡在600 mm液位時所占比例約為60%，且氣泡越大粒徑對液位變化越敏感。

4 實驗結(jié)論

通過氣泡檢測實驗完成了射流氣泡發(fā)生器和微孔氣泡發(fā)生器運行參數(shù)的調(diào)試，并確定了發(fā)生器的最佳運行工況。射流發(fā)生器的最佳運行參數(shù)：入口水流量為1.28 m3/h，壓力為4.0 bar；入口氣流量為0.253 m3/h（標(biāo)況），壓力為3.0 bar；喉嘴距離定為15 mm。微孔發(fā)生器的最佳運行參數(shù)：入口水流量為5.1 m3/h，壓力為3.7 bar；入口氣體流量為1.165 m3/h（標(biāo)況），壓力4.4 bar。

采用高速攝像法測定了兩種發(fā)生器在最佳運行工況下的氣泡粒徑分布，得到以下結(jié)論：

（1）微孔氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡粒徑較小。

（2）射流氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡粒徑集中在100～600μm、900～1 500μm范圍內(nèi)，100～600 μm的氣泡比例為80.906%，900～1 500μm的氣泡比例為10.371%。

（3）發(fā)生器出口處氣泡密集嚴(yán)重干擾了高速攝像儀的精確拍攝，導(dǎo)致測得的50～250μm的氣泡比例接近為零；出口上方100 mm處測得50～150μm、150～250μm的氣泡比例分別為26.278%、14.598%。

（4）氣泡浮升過程中，壓力下降，氣泡膨脹的同時氣泡聚并導(dǎo)致氣泡尺寸變大，氣泡聚并的過程伴隨氣泡的破碎，導(dǎo)致氣泡粒徑減小。研究結(jié)果顯示，粒徑隨著液位上升而增大，當(dāng)液位達到500 mm時，氣泡尺寸有所下降，50～150μm的氣泡比例依次為26.278%、10.582%、14.695%、14.728%、10.484%、17.026%。

（5）微孔氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的氣泡粒徑集中在50～300μm內(nèi)，其比例為88.372%。與射流發(fā)生器相同，出口處氣泡密集干擾了高速攝像儀的精確拍攝，出口上方10 mm測得的50～150μm氣泡比例為47.841%；150～250μm的氣泡比例為32.059%，明顯高于射流發(fā)生器。

（6）氣泡浮升過程中，氣泡的破碎強度不足以使氣泡尺寸下降，當(dāng)液位達到200 mm位置時，氣泡的聚并強度明顯上升，致使其尺寸突然變大。隨著液位的上升，50～150μm的氣泡比例依次為47.841%、32.059%、3.665%、3.049%、1.605%。

[1]陳濤濤，邵天澤，陳家慶，等．緊湊型旋流氣浮一體化技術(shù)的國產(chǎn)化研究進展與主體結(jié)構(gòu)淺析[J]．北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2014，6（2）：59-66.

[2]王波，陳家慶，梁存珍．含油廢水氣浮旋流組合處理技術(shù)淺析[J]．工業(yè)水處理，2008，28（4）：87-92.

[3]惠恒雷．射流發(fā)泡制造微氣泡技術(shù)試驗研究[D]．北京：中國石油大學(xué)（北京），2011.

[4]陳家樹．淺談在Image J下的數(shù)字圖像處理[J]．廣西輕工業(yè)，2006（11）：96-97.

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.007

李永豐：工程師，2003年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)任中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司產(chǎn)出液處理主管。

2015-05-06

15522737972、liyf59@126.com。