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(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457；2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

電磁流體技術(shù)在海面薄油層回收中的應(yīng)用

張慶范1*，趙建平1，安偉1，趙凌志2，彭愛武2

(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457；2.中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190)

針對(duì)海面薄油層的回收問題，利用不同導(dǎo)電性能的流體在電磁場中因受力而分層的原理，提出將電磁流體技術(shù)應(yīng)用于海面薄油層處置中，設(shè)計(jì)開發(fā)電磁流體海面薄油層回收系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，為電磁流體技術(shù)在海面油層回收中的應(yīng)用提供支撐。

溢油應(yīng)急；薄油膜；電磁流體技術(shù)

已有的機(jī)械回收、消油劑噴灑、吸附回收及原位燃燒等處置方法[1]對(duì)于海面油層較薄時(shí)的溢油回收通常難以湊效。海面薄油層主要由輕質(zhì)油/凝析油及船舶壓艙水在水面泄露后快速擴(kuò)散造成，其厚度通常處于微米級(jí)，擴(kuò)散面積大且連續(xù)性極差。同時(shí)，在較好天氣和海況條件下，海面薄油層會(huì)呈現(xiàn)出非常鮮艷的彩虹色亮帶，給人們造成事故十分嚴(yán)重的錯(cuò)覺，對(duì)事故評(píng)估和后期處理帶來不良影響。

電磁流體處置技術(shù)主要基于油、海水在磁場中的受力不同，在油污回收過程中使油水自動(dòng)分層，達(dá)到提升處置效果的目的[2]。雖然該技術(shù)早在2002年已被提出，但人們的研究重點(diǎn)一直都集中于通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)理研究，未見實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。為此，根據(jù)溢油應(yīng)急的實(shí)際需求，基于電磁流體技術(shù)，設(shè)計(jì)一套海面薄油層回收分離系統(tǒng)。

1 電磁流體技術(shù)原理

由于油和海水的導(dǎo)電性不同，當(dāng)其通過電磁場時(shí)會(huì)因?yàn)槭芰Σ煌铀俜謱?，如圖1所示。由于油水的密度差，油漂浮在海面上。磁流體通道中，導(dǎo)電海水受到水平方向的電磁力(洛侖茲力)，在磁流體(MHD)通道的入口附近產(chǎn)生真空吸力、出口產(chǎn)生壓升；油污海水從入口吸入磁流體通道，海水向著受力方向帶動(dòng)油層一起平行流動(dòng)。磁流體通道出口設(shè)有油水分離箱，油層在上部不斷積聚，潔凈海水從其下部排出，從而實(shí)現(xiàn)海面浮油的回收分離。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)溢油處置中回收分離過程的同步進(jìn)行，無須向海水中投入任何親油的或磁性的其他物質(zhì)，可降低對(duì)海洋環(huán)境的二次污染。

圖1 EMHD海面浮油回收分離原理示意

2 回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

由于油膜厚度較薄，回收中風(fēng)浪的擾動(dòng)對(duì)其效率影響極大，為降低風(fēng)浪的影響，提出圖2所示的結(jié)構(gòu)方式。整個(gè)系統(tǒng)主要由適波性入口(滾輪裝置和鴨嘴形吸管)，磁流體通道，磁體和油水分離箱組成。磁體斜置、與海平面有一夾角α，磁流體通道平行穿過磁體工作氣隙分別與鴨嘴型吸管和油水分離箱連接。滾輪裝置是一種大輪轂矮葉片并帶有側(cè)板的葉輪，葉輪的輪轂面上由相鄰葉片和2側(cè)板構(gòu)成2側(cè)封閉的長槽斗；當(dāng)葉輪向前滾動(dòng)時(shí)，這些槽斗能有效地把海面上的浮油扣在槽斗內(nèi)，并隨葉輪的滾動(dòng)送至鴨嘴型吸管的入口；因磁流體通道內(nèi)電磁力的作用，鴨嘴型吸管的入口處產(chǎn)生真空吸力將油污海水吸入鴨嘴型吸管、進(jìn)而進(jìn)入磁流體通道，在電磁力的作用下進(jìn)入油水分離箱；油水分離箱內(nèi)，在磁流體壓升和重力的作用下，油積聚在油水分離箱上部的集油井，潔凈海水從下部排出。

圖2 電磁流體薄油膜回收分離裝置示意

磁流體通道內(nèi)，壓力從入口到出口逐漸降低。由于氣泡和油都往低壓處流動(dòng)，所以，充分發(fā)揮了電磁力和電解氣泡及海水之間的相間作用力，促使磁流體通道內(nèi)的油及油珠順利進(jìn)入油水分離箱，同時(shí)解決了停止工作后油水分離箱內(nèi)油的倒流問題。只要海面液位在入口法蘭的高度范圍，油污海水就能進(jìn)入電磁流體薄油膜處置裝置，提高了裝置的適波性。此外，磁流體通道內(nèi)充滿油污海水，提高了磁場利用率。

2.2 部件設(shè)計(jì)

2.2.1 適波性入口

為解決磁流體通道入口液面隨海洋風(fēng)浪波動(dòng)，致使回收效率降低的問題，在系統(tǒng)前端增加適波性入口裝置，如圖3所示，主要由滾輪裝置[3]和鴨嘴形吸管組成。

圖3 適波性入口

滾輪裝置是一種大輪轂矮葉片并帶有側(cè)板的葉輪，主要由葉片、滾輪轂、滾輪外殼和側(cè)板等組成。滾輪轂的下部浸入海水中，通過調(diào)速電機(jī)控制其轉(zhuǎn)速。隨著滾輪裝置的旋轉(zhuǎn)，葉片將油污海水送入鴨嘴型吸管，在電磁力的作用下，進(jìn)入油水分離箱。從而保證在不同海況條件下，油污海水的有效回收分離。滾輪采用玻璃鋼一體成型加工工藝，直徑為1.2 m，適用波高0.2 m的海況條件，主要參數(shù)見表1。

表1 適波性入口主要參數(shù)

2.2.2 磁流體通道

磁流體通道是電磁流體薄油膜回收分離裝置的關(guān)鍵部件，置于磁體氣隙內(nèi)，內(nèi)部為電磁流體作用區(qū)域，對(duì)裝置的運(yùn)行性能起決定性作用。通道的過流表面應(yīng)盡可能光滑，以減小流動(dòng)阻力；同時(shí)通道中除電極外的其他材料還需滿足絕緣、非導(dǎo)磁的要求?？紤]到裝置的運(yùn)行環(huán)境，通道需具備一定的強(qiáng)度和韌性、良好的密封性和耐海水腐蝕性。結(jié)合磁體技術(shù)和前期研究[4-6]，磁流體通道采用圖4所示的矩形截面直線通道，主要由進(jìn)口漸縮段、進(jìn)口導(dǎo)流段、有效段、出口導(dǎo)流段和出口漸擴(kuò)段組成。

圖4 磁流體直線通道結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 磁體

磁體[7]作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要用來為磁流體通道提供磁場。永磁體一般分為2大類：開放式和封閉式。與開放式永磁體相比，封閉式永磁體存在磁場穩(wěn)定性好、均勻度高、漏磁小以及安裝制作簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此，本系統(tǒng)選擇封閉式磁路結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 多邊形框架磁路結(jié)構(gòu)(1/4)

影響永磁體外部磁場的不均勻性有多種因素,如外形設(shè)計(jì)、退磁場、工藝等, 并存在共性的基本規(guī)律[8]。采用數(shù)學(xué)計(jì)算[9]和3D有限元方法對(duì)2極永磁磁體進(jìn)行設(shè)計(jì)，見圖6，其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)見表2。除主磁路采用圖5所示的堵漏磁塊和側(cè)磁塊外，在軸向2端也采用了4個(gè)堵漏端磁塊，可進(jìn)一步提高氣隙磁場強(qiáng)度和軸向分布的均勻性，降低端部漏磁。永磁材料采用釹鐵硼N42M，表面鍍銅+鎳，以適用海上工作環(huán)境并保證外觀與內(nèi)在性能的長期穩(wěn)定。

圖6 2極永磁磁體

表2 兩極永磁體主要參數(shù)

2.2.4 電極

電磁流體薄油膜回收分離裝置的工作液體為油污海水，存在電化學(xué)反應(yīng)和電極腐蝕問題[10-11]。此外，電流引線與電極接線柱之間的導(dǎo)電性、以及與周圍環(huán)境的電氣絕緣也是要考慮的問題。根據(jù)磁流體通道結(jié)構(gòu)，電極設(shè)計(jì)為平板型。電極的過流面需平滑光潔，耐海水和電化學(xué)腐蝕，盡量抑制氣泡的生成，且電極壓降小。非過流面需要絕緣，與MHD通道的電極壁之間需要密封。電極與電極接線柱之間接觸良好，以減少接觸電阻和發(fā)熱。

2.2.5 油水分離箱

油水分離箱采用上、下分體結(jié)構(gòu)，中間通過法蘭連接。上箱體設(shè)有入口漸擴(kuò)段、入口擋板、集油井和觀察窗；下箱體內(nèi)置交錯(cuò)排布的阻油梳柱陣列，底部設(shè)置出口與噴管連接。箱體長1.5 m，寬約0.9 m、高約1.05 m，采用船用鋁合金材質(zhì)。根據(jù)多相流數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果，油水分離箱入口擋板長400 mm、入口漸擴(kuò)段的出口截面為電磁流體通道截面的2～3倍以提高油水分離效果、減小外排海水含油量。

集油井位于油水分離箱的上部，與觀察窗相對(duì)應(yīng)。集油井的上部設(shè)有排氣口，內(nèi)部垂直設(shè)置排油管和油位檢測計(jì)。排油管底部的側(cè)圓周面均布吸油口，排油管的深度可根據(jù)油層厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。觀察窗上用明顯顏色標(biāo)注出設(shè)計(jì)水位和額定工況水位位置。整個(gè)分離過程通過傳感器和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)的控制原理如圖7所示。

圖7 油水分離箱控制原理圖

3 實(shí)驗(yàn)

基于設(shè)計(jì)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建回路測試樣機(jī)，開展測試實(shí)驗(yàn)，整個(gè)系統(tǒng)如圖8所示。滾輪裝置葉片攻角為60°，入口水箱初始水位269 mm。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片

用電導(dǎo)率為7.83 S/m的氯化鈉溶液來模擬海水，在入口水箱圍油欄內(nèi)注入250 mL柴油以在水面形成油層。開啟滾輪裝置并設(shè)置其轉(zhuǎn)速為4 r/min，測量不同時(shí)刻(運(yùn)行5 min、30 min和1 h)入口水箱內(nèi)油層厚度變化，不同時(shí)刻電流、電壓、流量、油水分離箱和進(jìn)口水箱液位及外排水含油量，并記錄。為運(yùn)行過程中不同時(shí)刻MHD通道的工作電流、電壓及壓升。運(yùn)行5 min后，入口水箱表面的油層變?yōu)槲ⅫS色的油膜，運(yùn)行30 min后，為燈光下的彩虹油膜，運(yùn)行60 min后，肉眼基本看不到入口水箱表面油膜的存在，外排水含油量經(jīng)監(jiān)測均低于2 mg/L。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的整體性能，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行放大，在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套35 m3/h電磁流體薄油膜回收分離裝置整機(jī)，見圖9。實(shí)驗(yàn)過程中首先設(shè)置滾輪轉(zhuǎn)速5 r/min，并在自來水的電導(dǎo)率用氯化鈉調(diào)至3.5 S/m以模擬海水，隨后在水中加入柴油形成厚度2 mm的油膜。接著開啟電磁流體系統(tǒng)，設(shè)置磁流體通道工作電流117 A，記錄回路流量Qs和一定時(shí)間t內(nèi)集油井油層厚度變化hy。單位時(shí)間內(nèi)油回收量(Q0)及系統(tǒng)整體回收效率(Q)計(jì)算如下。

(1)

Q=Q0+Qs

(2)

式中：S為集油井截面積；Qs為回路流量；t為運(yùn)行時(shí)間。

圖9 35 m3/h電磁流體薄油膜回收分離裝置整機(jī)

采用體積比方法檢測回收物中的含油量，即集油井回收物的取樣樣品放置燒杯中靜置12 h以上，待油水分層后，測量水和油的高度h1、h2，則回收物中純油所占的百分比η為

(3)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水面的薄油層可以順利通過適波性入口并最終匯集至油水分離箱的集油井。系統(tǒng)運(yùn)行35 min后，入口水箱表面的油膜明顯減少，外排水取樣經(jīng)測試含油量小于15 mg/L。將集油槽中的回收物靜置18 h后，采用體積比方法估算回收混合物中油所占百分比為84.29%。流量監(jiān)控裝置顯示，當(dāng)適波性入口滾輪裝置轉(zhuǎn)速為5 r/min，磁流體通道輸入功率11.46 kW時(shí)，系統(tǒng)處理量達(dá)18 m3/h；磁流體輸入功率為30.4 kW時(shí)，系統(tǒng)處理量可達(dá)35 m3/h。

4 結(jié)論

在海面油層回收過程中，進(jìn)入磁流體通道的油、海水會(huì)因受力不同而自動(dòng)分層，從而實(shí)現(xiàn)油層的回收和分離過程同步進(jìn)行。基于電磁流體基本原理，設(shè)計(jì)開發(fā)的電磁流體海面油膜回收系統(tǒng)，所有性能滿足溢油應(yīng)急需求，適合在海面薄油膜處置中應(yīng)用推廣。

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Application of Electromagnetic Fluid Technology in Thin Oil Layer Recovery on the Sea

ZHANGQing-fan1,ZHAOJian-ping1,ANWei1,ZHAOLing-zhi2,PENGAi-wu2

(1.China Offshore Environmental Service Ltd., Tianjin 300457, China;2.Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100191, China)

Because of the force difference between oil and sea water in the electromagnetic field, the electromagnetic fluid technology could be applied in oil spill response. A thin oil film recovery system based on electromagnetic fluid principle was designed. The performance of the system was also studied experimentally. This research can give a strong support for the generalization and application of electromagnetic fluid technology in the oil spill recovery.

oil spill response; thin oil film; electromagnetic fluid technology

U664.9

A

1671-7953(2017)05-0130-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.035

2017-07-12

修回日期：2017-08-31

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1402306)；天津市海洋局科技興海項(xiàng)目(KJXH2015-05)；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目(15YFYSGX00010)

張慶范(1987—)，男，博士，工程師

研究方向：海面溢油應(yīng)急處置