安永峰，付滿平，司春旭，張安寧

（中國石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

常壓蒸餾裝置，是原油加工的第一道工序，也是煉油廠的龍頭裝置。原油可經(jīng)蒸餾裝置分離出各種油品和其他原料，其平穩(wěn)運行和高精度分離都會影響到原油的有效利用率和下游裝置的長周期平穩(wěn)運行。原油電脫鹽工藝是常壓蒸餾裝置中的預處理工藝，主要任務是初步脫除原油中的無機鹽、水和機械雜質(zhì)。它不僅對本裝置的平穩(wěn)操作、降低能耗和設備防腐起著十分重要的作用，還對下游裝置的原料性質(zhì)、設備防腐防堵及產(chǎn)品質(zhì)量和分布等都發(fā)揮著很重要的影響。

1 電脫鹽系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析及改造方案比選

1.1 電脫鹽系統(tǒng)運行現(xiàn)狀分析

原油電脫鹽工藝的核心裝置是常壓裝置電脫鹽罐，原油中攜帶的少量泥沙、無機鹽等雜質(zhì)，都會有部分在電脫鹽罐中緩慢沉積。為了清除沉積物，電脫鹽罐需要定時進行反沖洗操作將罐中的沉積物沖洗出來，同時罐中有大量黑色的含鹽污水排出。因此，在電脫鹽罐反沖洗操作時脫鹽污水的COD 含量（化學需氧量）、含油量和固體顆粒物較平時更高，增加了下游污水處理裝置的處理難度和處理成本。

為了降低常壓電脫鹽罐排污雜質(zhì)的含量，目前在脫鹽罐污水出口安裝了常壓排污除油罐（D-110）裝置，它主要是依靠重力自然沉降來實現(xiàn)油水分離的。為了提高分離效果，常壓排污罐往往需要加注清油劑，若要清油劑達到較好的油水分離效果，則需要較長的沉降時間。而目前的常壓排污除油罐（D-110）容積偏小，污水沉降時間不夠充足，所以含鹽污水和油渣的分離不夠徹底，高含油量又導致了污水的COD 含量偏高，因此下游污水處理裝置的運行難度增加，外排含鹽污水的合格率下降，對節(jié)能環(huán)保不利。

1.2 改造方案的提出和比選

為了解決此問題，本廠急需探索新技術、新工藝，力求提高常壓含鹽污水的潔凈度，從根本上保證電脫鹽外排污水合格率，并以此為出發(fā)點，提出以下兩個方案：

方案一：對現(xiàn)有的常壓排污除油罐（D-110）進行擴大改造。經(jīng)討論，常壓排污除油罐因其分離原理主要為重力分離，若要提高其分離能力，則需要擴大體積并增加內(nèi)件層數(shù)，增加沉降時間的同時提高沉降效率。但生產(chǎn)現(xiàn)場空間狹小，無法滿足擴建條件，并且此方法所能提高的分離效率有限，故此方案未予采納。

方案二：引進水力旋流分離技術，此技術只需在電脫鹽罐后用一組水力旋流分離器來代替常壓排污除油罐，其設備占地空間很小，甚至無需將原除油罐拆除，而分離效率高、速度快、分離效果好。此方案可行性較強，擬采用此方案改造。

2 水力旋流分離技術介紹[1，2]

2.1 理論基礎

水力旋流技術是從提高水與雜質(zhì)物質(zhì)的分離速度為出發(fā)點來提高排放污水的潔凈度的，依據(jù)STOKS 理論，兩相物質(zhì)的分離速度與介質(zhì)的粒徑、密度差和重力加速度均存在一定的函數(shù)關系。在一倍重力環(huán)境下，只有兩相密度差超過50%，才有可能完全依靠自然沉降來實現(xiàn)分離。對于既有的電脫鹽污水系統(tǒng)來說，油滴、懸浮物和固體顆粒它們的粒徑范圍大致固定在10～50 μm，它們各自與水的密度差也固定不變。因此，若要提高分離速度，只有提高分離系統(tǒng)中的重力加速度才有可能實現(xiàn)。水力旋流器就是將分離系統(tǒng)中的重力加速度提高到1 500 倍以上，以此來實現(xiàn)水與其他雜質(zhì)快速而良好的分離，在大部分實際應用中，分離速度只需要2～3 s。

2.2 工藝與技術原理

本廠常壓裝置中擬引進的水力旋流設備包括除固水力旋流器和除油水力旋流器兩部分，為了減少固體顆粒物對下游裝置的磨損，常壓電脫鹽罐污水排出后，首先經(jīng)除固水力旋流器除去固體顆粒物后，再進入除油水力旋流器去除殘余油分，最后排放至下游污水處理裝置（見圖1）。

圖1 水力旋流設備工藝流程示意圖

2.2.1 除固水力旋流設備 在除固水力旋流器中，含固體顆粒物的污水進入旋流器腔體后以設定的壓力由切向進料口進入每根旋流管中。旋流管中的流體混合物在壓力作用下高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了很強的離心力場，密度較大的固體顆粒物在重力作用下向下外旋流進入腔體底部的集塵斗中；密度較小的含油水部分向上內(nèi)旋流經(jīng)凈水出口排出。

除固水力旋流設備是通過“壓差比”來維持恒定的分離效率的。所謂“壓差比”是指污水入口壓力和凈水出口壓力的比值，即：

除固水力旋流器擁有一套可以監(jiān)測污水入口密度并根據(jù)此密度變化來調(diào)節(jié)自身入口壓力的自控系統(tǒng)。它包括傳感、計算和控制三大模塊，當污水入口的固體顆粒物含量發(fā)生變化時，入口污水的密度也會隨之變化，傳感模塊中的密度傳感器可以將污水入口的密度信息傳輸至計算模塊，計算模塊依據(jù)入口密度和設定的“壓差比”計算出相應的凈水出口壓力，并將計算出的出口壓力數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊，由控制模塊的執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)裝置出口的閥門開度，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。

2.2.2 除油水力旋流設備 除油旋流器工作時與除固旋流器類似，將含油污水由入口管以設定的壓力切向進入并聯(lián)的旋流管中。在錐形旋流管內(nèi)部，密度較大的水和少量固體顆粒物部分在離心力的作用下，向下外旋流進入污水出口管，從底流口排出；密度較小的油滴部分向上內(nèi)旋流進入污油出口管后，經(jīng)溢流口排出。

除油水力旋流器的自控部分也與除固水力旋流器相似，只是壓差比不同：除油水力旋流器的“壓差比”是指污水入口與污油出口的壓差和污水入口與凈水出口的壓差比值，即：

當污水入口的含油量發(fā)生變化時，自控系統(tǒng)中的密度傳感器將污水入口的密度數(shù)據(jù)采集并傳輸至計算模塊，根據(jù)入口密度分別計算出相應的污油出口壓力和凈水出口壓力，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制模塊，由控制模塊的控制單元分別調(diào)節(jié)污油出口閥門和凈水出口閥門的開度，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。

2.3 水力旋流器的優(yōu)點

（1）分離效率高。高效水力旋流器能夠產(chǎn)生大于1 500 倍重力加速度的離心力，使介質(zhì)的相間分離在2～3 s 內(nèi)即可實現(xiàn)，并且分離效率高達99%。

（2）所占空間小。撬裝設計，需1.8 m×1.5 m×1.2 m的安裝空間。

（3）結(jié)構(gòu)簡單。水力旋流器既不需要濾料也沒有任何需要維修的運動件、易損件和支撐件，降低了設備運行維護的成本。

（4）運行費用很低。僅需1.2 MPa 以內(nèi)的壓力即可作為水力旋流器的驅(qū)動動力，其污水進口壓力自身滿足此壓力要求，無需增設加壓設備。運行中也不需要任何增效劑，很大程度上降低了生產(chǎn)成本。

（5）適用范圍廣。每個水力旋流器元件都可以單獨使用，如需要加大處理量，僅需將多個元件并聯(lián)使用，可以滿足絕大多數(shù)污水預處理工藝的需要。

（6）工藝操作簡單。水力旋流技術實現(xiàn)了壓力調(diào)節(jié)操作的自動化，運行參數(shù)確定后能夠長期地穩(wěn)定運行，工藝操作非常簡單，操作人員可以輕松掌握操作技能而無需經(jīng)過復雜的培訓過程。

（7）不產(chǎn)生二次污染。水力旋流器的分離過程是全封閉式的，分離出的和介質(zhì)凈化后的液體均由管道輸送回收再利用或者再處理，不會產(chǎn)生二次污染。

3 廠內(nèi)生產(chǎn)試驗過程及效果評價

為進一步驗證水力旋流器的分離效果，項目進入試驗分析階段。

3.1 試驗目的

驗證水力旋流器在本廠電脫鹽污水環(huán)境中的使用效果。

3.2 試驗介質(zhì)

常壓電脫鹽含鹽污水（污水外排流量約40 t/h，壓力約1.1 MPa，溫度約120 ℃）。

3.3 試驗位置

將試驗用水力旋流設備接入常壓一級電脫鹽罐外排污水管線排放口處（見圖2）。

圖2 水力旋流器安裝位置示意圖

3.4 試驗安排

考慮生產(chǎn)現(xiàn)場的有限條件和試驗結(jié)果對比的方便，將水力旋流設備的油水力旋流器（稱為：“除油試驗”）和除固水力旋流器（稱為：“除固試驗”）分別進行。因為污水的預處理效果與電脫鹽罐的反沖洗操作息息相關，為了全面地分析旋流器在各種工況下的分離效果是否能夠符合要求。試驗過程安排如下：

除固試驗安排在電脫鹽罐反沖洗操作的同時進行，此時是脫鹽罐出口污水的固體顆粒物達到峰值時間。

因工藝流程上除油設備在除固設備之后，實際生產(chǎn)中不大可能受到大量固體顆粒物的沖刷，同時除油設備在結(jié)構(gòu)上也不允許大量固體顆粒的磨損和腐蝕，故除油試驗不可與脫鹽罐反沖洗操作同時安排，因此只在反沖洗操作前后各做一次，供對比分析。

綜上，此次共安排三組試驗，試驗順序為：第一次除油試驗—除固試驗（同時進行脫鹽罐反沖洗操作）—第二次除油試驗。

3.5 除油試驗[3]

3.5.1 試驗過程 第一次除油試驗：在電脫鹽系統(tǒng)正常運行的工況下，投用除油水力旋流器，使其平穩(wěn)運行15 min 后采第一組樣品。采樣結(jié)束后，水力除油器停運。

第二次除油試驗：在末端電脫鹽罐反沖洗操作和除固試驗均結(jié)束后，再次投用除油水力旋流器平穩(wěn)運行15 min 后采第二組樣品。采樣結(jié)束后，水力除油器停運。

3.5.2 觀感檢驗 兩組除油試驗中采集到的樣品（見圖3）。

圖3 除油試驗兩組樣品

從表1、表2 試驗樣品可以看出，兩組試驗的凈水出口水質(zhì)相較于污水入口的水質(zhì)均有明顯改善。由于沒有除固環(huán)節(jié)，第一組試驗電脫鹽罐D(zhuǎn)-101 反沖洗前的凈水出口帶有少量懸浮物和沉淀物（固體顆粒）；而電脫鹽罐反沖洗后，污水入口水質(zhì)相對于第一次試驗更好，凈水出口樣品的透明度很高，體現(xiàn)出較好的脫油效果。

表1 第一組除油試驗觀感檢驗結(jié)果

表2 第二組除油試驗觀感檢驗結(jié)果

3.5.3 數(shù)據(jù)分析 將兩組樣品送試驗中心進行油類和COD 數(shù)據(jù)檢測，結(jié)果（見表3、表4）。

表3 第一組除油試驗油類和COD 檢驗數(shù)據(jù)

表4 第二組除油試驗油類和COD 檢驗數(shù)據(jù)

從表3、表4 試驗數(shù)據(jù)可以看出，兩組數(shù)據(jù)的凈水出口均可達到油含量≤30 mg/L、COD 含量≤1 000 mg/L，試驗結(jié)果均能達到下游工藝的接受標準。電脫鹽罐反沖洗后的第二次試驗，凈水出口的試驗數(shù)據(jù)更加理想。

3.6 除固試驗

除固試驗選擇在電脫鹽罐反沖洗的工況下進行，因為在電脫鹽罐反沖洗的過程中，會沖洗出罐內(nèi)沉積的大量油泥，此時外排污水顏色顯著變黑，油、COD、固體顆粒等雜質(zhì)的含量均嚴重超標，對下游污水處理裝置造成較大的沖擊，所以此時是除固設備發(fā)揮效用的關鍵時間，也是驗證設備除固效果的最佳時間。

3.6.1 試驗過程 除固試驗的試驗過程安排如下：電脫鹽罐反沖洗全過程需要30 min，電脫鹽罐反沖洗過程運行15 min 后，排出污水中的固體顆粒含量達到最大值，此時開始投用除固水力旋流器。15 min 后，電脫鹽罐沖洗完畢，除固水力旋流器繼續(xù)運行15 min 后進行采樣，此時除固水力旋流器已平穩(wěn)運行30 min（見圖4）。

圖4 試驗設備運行時間示意圖

觀感檢驗和數(shù)據(jù)分析結(jié)果（見表5）。觀感檢驗：由于試驗過程沒有除油步驟，凈水出口尚存部分油脂，嚴重渾濁的進口污水經(jīng)除固處理后轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微渾濁的出口凈水，大部分固體顆粒物伴隨油泥被分離出來。污水出口樣品靜置24 h 后無明顯固體沉淀，固體顆粒物含量可滿足下游水處理接受標準。此次試驗共收集到的固體顆粒質(zhì)量為520 g（見圖5）。

表5 除固試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖5 除固試驗中收集的泥沙

試驗數(shù)據(jù)分析：凈水出口的油含量為46.5 mg/L（油含量≤30 mg/L 為合格），COD 含量為1 355 mg/L（COD含量≤1 000 mg/L 為合格），油含量與COD 含量存在同向增減的正相關關系，從前面的試驗結(jié)果可以看出，此兩項指標超標量均在除油旋流單元的處理能力之內(nèi)，實際應用中不影響排出污水的合格率。

4 經(jīng)濟效益核算

水力旋流設備投用后，電脫鹽外排污水質(zhì)量即可達到下游裝置的接受標準，原有排污除油罐可停運或拆除。

（1）原有除油罐需添加清油劑，其用量約600 t/a，價格約3 000 元/噸，所需費用約180 萬元/年。而水力旋流設備無需增加藥劑，也不需要額外動力，因此每年可節(jié)約運行費用180 萬元。

（2）原有除油罐中的部分污油會流入下游水處理系統(tǒng)中，因而增加下游水系統(tǒng)的處理難度和排放水超標的風險，同時也造成了較大的浪費。而除油水力旋流器所收集的污油可以回煉再利用，其收集量約為總處理量的1%，按照污水處理量40 t/h 計算，每小時可收集污油約0.4 t，一年可收集污油約3 500 t 替代部分原材料。

（3）水力旋流設備結(jié)構(gòu)相對于排水除油罐更加簡單，維護也更加方便，代替排水除油罐后，可以節(jié)省除油罐內(nèi)配件更新及維修的費用。

（4）水力旋流器將污水中的顆粒物分離并收集排出系統(tǒng)，有效減緩了下游設備的磨損，降低了下游設備的維護和更新費用。除油罐則只能將固體顆粒物排入下游設備進行再處理，易形成對下游設備的磨損和腐蝕，增加了整套設備的維護費用。

（5）引入水力旋流設備后電脫鹽外排污水的COD含量從1 500 mg/L 左右降低至1 000 mg/L 以內(nèi)。經(jīng)核算，COD 年排放量減少約175 t，為下游工藝減輕運行負擔的同時也為滿足環(huán)保要求增加了一份保障。

5 結(jié)語

水力旋流設備在電脫鹽污水處理過程中有效降低了電脫鹽污水中的油、COD 和固體顆粒等雜質(zhì)，穩(wěn)定高效地將處理后的水質(zhì)控制在合格范圍內(nèi)。不僅減輕了下游污水處理設備的運行壓力，而且有效地減少了固體顆粒雜質(zhì)對下游設備的磨損，延長了下游設備的使用周期，降低了設備的運行費用，設備本身的自動化操作簡單易行。節(jié)約了運行成本，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，保障了達標排放，降低了操作難度，體現(xiàn)出很好的經(jīng)濟效益和社會效益。