孫晁，任增珺，李官政，程中海，張逾，李國勇，徐靖巖

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油田污泥離心減量處理工藝研究

孫晁，任增珺，李官政，程中海，張逾，李國勇，徐靖巖

（中石油山東輸油有限公司，山東 日照 276800）

在油田的開采過程中，會產(chǎn)生大量的油田污泥，造成運輸費用及后續(xù)無害化處理費用的增加。因此需要進(jìn)行污泥的濃縮減量處理。以臥螺離心機為關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)計了一套離心式污泥減量化處理工藝。通過現(xiàn)場試驗得到轉(zhuǎn)速、差速、進(jìn)泥量、絮凝劑投加量四個影響因素對減量效果的作用規(guī)律。在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高、差速越低、進(jìn)泥量越少、絮凝劑投加量越大，被處理的污泥含水量就越少。利用單因素方法，優(yōu)化得到的最佳工藝參數(shù)為進(jìn)泥量6 m3/h、轉(zhuǎn)速2 450 r/min、差速8 r/min時，加藥量大小350 g/m3，污泥含水率由離心機入口的87.15%下降到離心機出口的46.37%。

油田污泥；臥螺離心機；減量處理；工藝設(shè)計

隨著水驅(qū)、聚驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等采油技術(shù)不斷應(yīng)用在油田，大量的水、化學(xué)助劑和微生物菌劑注入到油田的地下，并且油田地面也建造起數(shù)量龐大的井、站系統(tǒng)。這些污水和藥劑的注入，伴隨著生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的油田污泥。油田含油污泥中的石油包括烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等，《國家危險廢物名錄》中明確規(guī)定含油污泥屬于危險廢物，若不進(jìn)行及時處理，會威脅周圍環(huán)境，還需繳納1 000元/t的危險廢物排污費，給企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

現(xiàn)階段超聲波預(yù)處理法、焚燒法、熱解法、萃取法等為處理油田污泥的主要無害化方法[1-5]。超聲波預(yù)處理法會使污泥產(chǎn)生海綿效應(yīng)，并且局部發(fā)熱，從而提高污泥的脫水能力。僅利用強度低和時間短的超聲波，能夠使被處理的污泥含水率降到85%以下，并且減少絮凝劑用量達(dá)25%～50%。焚燒法具有減容效果顯著，消滅病原菌，處理比較安全的優(yōu)點，是含油污泥處理的主流工藝，焚燒每噸污泥耗油18.5kg，處理成本高。熱解法是在缺氧狀態(tài)，利用熱解把含油污泥的重質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)組分，回收揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機物組分。萃取法利用溶質(zhì)在溶劑中的不同溶解度，可以較好的抽提較輕的油組分，遺留重油組分，需要結(jié)合其他工藝處理泥渣。以上幾種污泥無害化處理方法產(chǎn)生的運輸成本高和后續(xù)處理難度大，為保障無害化處理裝置的處理效率，需要提前對油田污泥進(jìn)行脫水處理，從而降低成本。

由于油田井站大多分布距離較遠(yuǎn)且數(shù)量居多，運用調(diào)質(zhì)-機械分離法對油田污泥進(jìn)行減量化處理，要綜合考慮處理量、能耗、費用等因素[6-8]。本文考慮以上因素優(yōu)化設(shè)計一套油田污泥離心減量工藝，并且利用現(xiàn)場試驗，分析不同因素對減量效果的影響規(guī)律，得到含油污泥最佳處理參數(shù)。

1 臥螺離心機的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為臥螺離心機的結(jié)構(gòu)圖。圖中無孔轉(zhuǎn)鼓7和輸送器4為兩個同心回轉(zhuǎn)部件，分別裝在機殼6內(nèi)的主軸承3和8上。轉(zhuǎn)鼓由主電動機通過三角皮帶輪2帶動旋轉(zhuǎn)。左軸承處的空心軸與行星差速器9的外殼將轉(zhuǎn)鼓連接，螺旋輸送器在行星差速器的輸出軸的作用下與轉(zhuǎn)鼓同向旋轉(zhuǎn)。

1-進(jìn)泥管入口；2-三角皮帶輪；3-前端軸承；4-螺旋輸送器；5-進(jìn)泥孔；6-機殼；7-轉(zhuǎn)鼓；8-尾端軸承；9-行星差速器；10-過載保護(hù)裝置；11-溢流堰板；12-排渣孔；13-主電動機

污泥懸浮液首先經(jīng)過中心進(jìn)泥管1進(jìn)入螺旋輸送器內(nèi)筒，然后經(jīng)過加料隔倉的進(jìn)泥孔5進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。通過離心力的作用，污泥懸浮液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成環(huán)形液池，受重力的影響，質(zhì)量較大的固體粒子離心沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面，形成沉渣，在螺旋葉片和轉(zhuǎn)鼓的相對運動下，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓小端的干燥區(qū)，通過排渣孔12被排出。溢流堰板11在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋邊緣，分離出污泥固體粒子的液體便從此處溢流而出，經(jīng)機殼的排液室排出。

2 含油污泥離心減量處理工藝

圖2所示為綜合考慮臥螺離心機的性能結(jié)構(gòu)、工作原理及處理效率的影響因素，優(yōu)化設(shè)計的油田污泥離心減量處理工藝。從圖中可知，含油污泥首先要進(jìn)行人工清淤，利用鍋爐中的熱水，通過射流將其剝離，然后排放至沉降罐外的緩沖水池，通過沉沒泵含水污泥被泵送進(jìn)入調(diào)質(zhì)攪拌罐內(nèi)加熱、攪拌，污泥被攪拌均勻后，再在攪拌罐內(nèi)加入絮凝劑，污泥中的懸浮物及固體顆粒便開始絮凝，在離心運動中被分散破碎的固體顆粒進(jìn)行聚結(jié)沉淀，由于調(diào)質(zhì)攪拌罐的攪拌作用，絮凝劑的用量被大大降低。最后通過離心減量處理，從污泥中脫掉的水進(jìn)入回收水池，濃縮減量后的污泥則被裝車外運。

圖2 污泥離心減量處理工藝流程圖

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

污泥在離心處理前后的含水量是現(xiàn)場試驗效果的評價指標(biāo)，借鑒中國石油大學(xué)公開的測定樣品中油或水含量的裝置及方法[9]，采用萃取、分餾、烘干的方法對污泥進(jìn)行檢測，得到含水量和含固量，通過做差得到含油量?；灥玫秸{(diào)質(zhì)罐內(nèi)的污泥含水率為87.15%。利用單因素優(yōu)化方法，依次針對轉(zhuǎn)速、差速、進(jìn)泥量、加藥量四個因素對處理效果的影響進(jìn)行研究，并優(yōu)化得到現(xiàn)場最佳運行工藝參數(shù)。

3.1 轉(zhuǎn)速

調(diào)整離心機的轉(zhuǎn)速，對污泥在不同轉(zhuǎn)速下的處理效果進(jìn)行研究。以處理后污泥含水率為評價指標(biāo)，優(yōu)化得到離心機的最佳轉(zhuǎn)數(shù)。為保證轉(zhuǎn)速與樣品的一致對應(yīng)，取樣時間控制在轉(zhuǎn)數(shù)被調(diào)整10 min后。當(dāng)取轉(zhuǎn)速為2 000~2 800 r/min，差速為8 r/min、進(jìn)泥量為7 m3/h、加藥量為200 g/m3時，污泥的含水率與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速對處理效果的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速在2 000 ~2 450 r/min的范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，污泥含水率降低，分離效果越好。但隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，超過2 450 r/min后，污泥的含水率反而增高，含油污泥不易沉降。這是因為含油污泥通過絮凝作用形成的膠合物不是很穩(wěn)定，在一定的外力作用下又會分開。含油污泥內(nèi)部由架橋作用和范德華力牽引結(jié)合在一起，包括高分子絮凝劑、固相和含油膠粒。雖然高分子絮凝劑、固相和含油膠粒作為整體看待后，其密度比油水混合物的密度略大，但三者又是相互獨立的個體，相比而言，較大含油率的膠粒密度比高分子絮凝劑的密度要小，存在密度差。因此，當(dāng)離心機轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，由于密度差的影響，離心力也隨之增大，當(dāng)該離心力大到超過于相對穩(wěn)定的膠合物內(nèi)部組成之間的架橋作用和范德華力合力時，絮凝作用被破壞，膠合物穩(wěn)定性變差，因而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過2 450 r/min后，轉(zhuǎn)速增加，處理效果反而變差的現(xiàn)象。所以，需選定2 450 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行接下來的現(xiàn)場試驗。

3.2 差速

離心機主要通過轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器的差速推動固體實現(xiàn)固液分離。差速的大小對處理效果具有重要的影響。在轉(zhuǎn)速2 450 r/min，差速8~12 r/min、進(jìn)泥量7 m3/h、加藥量200 g/m3的工藝參數(shù)下進(jìn)行現(xiàn)場試驗。得到差速和處理效果之間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 差速對處理效果的影響

在試驗中，隨著差速的增加，污泥的含水率逐漸增加，當(dāng)差速控制在8~10 r/min范圍內(nèi)，污泥含水率增速較緩，當(dāng)差速超過10 r/min后，污泥含水率增速較快。出現(xiàn)此情況，主要因為離心機排固量受差速的影響，污泥脫水時，應(yīng)控制差速在較低范圍內(nèi)，否則差速過高，會加大轉(zhuǎn)鼓內(nèi)流體的擾動作用，流體對轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁沉積固相的沖刷也會加劇，從而影響分離效果。但并非差速越低越好，差速過低，污泥的輸送效率又會明顯降低，差速器容易扭矩過大而被損壞，因此，選定差速8 r/min進(jìn)行接下來的試驗。

3.3 進(jìn)泥量

污泥的進(jìn)入量決定了整套工藝的處理負(fù)荷，進(jìn)泥量增加，工藝的處理負(fù)荷也隨之增加，污泥在離心機內(nèi)的停留時間便長，從而影響污泥的處理效果。在轉(zhuǎn)速2 450 r/min、差速8 r/min、進(jìn)泥量6~10 m3/h，加藥量200 g/m3時，得到污泥含水率隨進(jìn)泥量變化的規(guī)律如圖5。

圖5 進(jìn)泥量對處理效果的影響

由圖5可知，脫水后的污泥含水率隨著進(jìn)泥量的增加而增大。因為轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力迫使固相緊貼轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁，液相次之。在螺旋輸送器螺旋葉片軸向力的作用下，把污泥緊緊壓在轉(zhuǎn)鼓錐段處，在堆積擠壓的作用力下，固相隨著螺旋輸送器的螺旋流道從出泥口排出，液相從出水口排出。進(jìn)泥量的增加，降低了單位體積污泥在離心機內(nèi)的停留時間，導(dǎo)致處理效果變差。因此，污泥進(jìn)量保持在較低水平有助于提高處理效果，選定進(jìn)泥量6 m3/h進(jìn)行接下來的加藥量試驗。

3.4 加藥量

絮凝劑的投加可以使污泥中分散的物質(zhì)絮凝，增強離心作用下的液固分離效果。在臥螺離心機的轉(zhuǎn)速為2 450 r/min、差速為8 r/min、進(jìn)泥量為6 m3/h時，加藥量控制在200~450 g/m3范圍內(nèi)，獲得加藥量與處理效果之間的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 加藥量對減量效果的影響

加入絮凝劑前，污泥顆粒帶有負(fù)電荷，電位相同，彼此排斥，加入絮凝劑后，能夠使污泥顆粒電位降低，致使污泥顆粒相互吸引，加之絮凝劑自身的吸附架橋作用，能夠吸附許多絮狀物，形成較大絮團(tuán)，這些絮團(tuán)在離心力和重力的作用下分離沉降。由圖6可知，污泥的含水率隨著絮凝劑加入量的增加而降低。當(dāng)加藥量在200~350 g/m3區(qū)間內(nèi)逐漸增加時，污泥含水率的下降速率相對較快。當(dāng)加藥量在350~450 g/m3范圍內(nèi)逐漸增加時，污泥含水率的下降速率相對較慢。此外，試驗中調(diào)質(zhì)裝置將污泥維溫在60 ℃，這有助于藥劑絮凝作用的更好發(fā)揮。因為水的粘度與溫度有關(guān)，溫度處于較高水平則降低了水的粘度，增強了水中固相和含油膠粒的布朗運動，使其碰撞幾率增加，加速了固相與含油膠粒的脫穩(wěn)凝聚。綜合考慮加藥的經(jīng)濟(jì)成本和處理效果，選定加藥量為350 g/m3。

最終得到的最佳的工藝參數(shù)為轉(zhuǎn)速2 450 r/min、差速8 r/min、進(jìn)泥量6 m3/h時，加藥量大小350 g/m3，在該工藝參數(shù)下，污泥含水率由離心機入口的87.15%下降到離心機出口的46.37%。

4 結(jié)論

（1）以臥螺離心機為關(guān)鍵設(shè)備，在污水站原有設(shè)備設(shè)施基礎(chǔ)上，提出一套油田污泥離心減量處理工藝。

（2）通過應(yīng)用污泥離心減量處理工藝，利用單因素方法試驗分析影響油田污泥含水率的轉(zhuǎn)速、差速、進(jìn)泥量、加藥量等工藝參數(shù)。得出，在一定范圍內(nèi)，離心機的轉(zhuǎn)速越高、差速越低、進(jìn)泥量保持在較低水平、絮凝劑的加入量越大，有利于降低出泥口的污泥含水率。

（3）油田污泥減量工藝的最優(yōu)參數(shù)為轉(zhuǎn)速2 450 r/min、差速8 r/min、進(jìn)泥量6 m3/h時，加藥量大小350 g/m3，在該工藝參數(shù)下，污泥含水率由離心機入口的87.15%下降到離心機出口的46.37%，脫水效果最佳。

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Study on Concentration of Oilfield Sludge by Centrifugal Reduction Treatment

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（PetroChina Shandong Oil Transportation Co.,Ltd.,Shandong Rizhao 276800, China）

In the process of oil field exploitation, a large amount of oil sludge will be produced, which will result in the increase of transportation cost and the cost of subsequent harmless treatment. So it is necessary to carry out sludge concentration reduction treatment. In this paper, a set of centrifugal sludge reduction treatment process was designed with the horizontal screw centrifuge as the key equipment. Through the field test, the effect of four factors including rotational speed, differential speed, amount of sludge and flocculant dosage on the reduction effect wasinvestigated. The results showed that, within a certain range, the higher the rotational speed and the lower the differential speed and the less the amount of sludge and the greater the amount of flocculant, the lower the water content of treated sludge. By single factor optimization method, the optimal parameters were obtained as follows: the rotational speed 2450r/min, the differential speed 8 r/min, the feeding quantity of sludge 6 m3/h, the flocculant dosage 350 g/m3. Underabove conditions, the average water content of sludge was decreased from 87.15% to 46.37%.

oilfield sludge; horizontal screw centrifuge; reduction treatment; process design

2017-11-02

孫晁（1988-），男，助理工程師，碩士研究生，河北省廊坊市人，2015年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油與天然氣工程專業(yè)，研究方向：長輸管道摻混輸送與風(fēng)險評價、油氣集輸與采出液處理。E-mail: sunchaosky@163.com。

TE97

A

1004-0935（2017）12-1213-04