王 剛，孫立梅，谷麗梅，于 濱，代品一，吳和平，盧 浩

(1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000；2.華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院)

石化企業(yè)產(chǎn)生的酸性水主要來自常減壓蒸餾、延遲焦化、催化裂化、加氫精制、加氫裂化等工藝裝置[1],由于酸性水中含有較多硫、氮、酚、氰化物和污油等成分而不能直接排入污水處理場,一般常用汽提法對酸性水進(jìn)行凈化處理[2]。為保障汽提工藝的效率及穩(wěn)定性,需要在酸性水進(jìn)入汽提塔前進(jìn)行除油脫固預(yù)處理。隨著高硫原油加工比例及加工深度的提高,酸性水中油類和懸浮物等雜質(zhì)含量不斷增加;同時,油類污染物乳化嚴(yán)重、懸浮物以細(xì)小焦粉顆粒為主的特點導(dǎo)致酸性水預(yù)處理難度大大提高[3-4]。近年來,隨著國家對環(huán)保重視程度的增加,各石化企業(yè)對酸性水的除油脫固處理都非常重視[5-8]。

針對酸性水的除油脫固處理,傳統(tǒng)的“雙儲罐”僅是利用沉降作用對油進(jìn)行分離去除,其沉降時間長,但對乳化油的分離效果不明顯[9];“罐中罐”、旋流除油器以及除焦粉系統(tǒng)均是利用離心作用對酸性水中的油或固體懸浮物進(jìn)行去除,但是旋流分離器的高速轉(zhuǎn)動會造成油的二次乳化,不利于乳化油的去除[10-12];增設(shè)砂石過濾器僅能去除0.15 mm以上的大顆粒焦粉,對于粒徑較小的焦粉并沒有明顯的過濾效果[13];采用絮凝、氣浮法除油脫固效果較好,但是需要用到化學(xué)藥劑輔助,成本高且會產(chǎn)生溶氣、浮渣等二次污染問題[14-15];采用膜過濾等精密去除方法對雜質(zhì)較多的酸性水進(jìn)行處理時,過濾膜容易堵塞,使用壽命較短[16-17]。

圖1為某石化企業(yè)酸性水進(jìn)入汽提塔前的預(yù)處理工藝。酸性水首先進(jìn)入沉降罐對較大粒徑的固體顆粒以及懸浮油進(jìn)行沉降分離,隨后利用旋流除油器和沉降罐進(jìn)一步去除油和固體顆粒,再將處理后相對潔凈的酸性水送至酸性水罐,由增壓泵將酸性水送入過濾器進(jìn)行深度分離,分離后的酸性水通過換熱器換熱后進(jìn)入汽提塔。由于處理原油性質(zhì)的劣化,酸性水中乳化油及小粒徑焦粉顆粒含量增加,經(jīng)過當(dāng)前沉降、旋流、過濾的預(yù)處理工藝處理后的效果較差,酸性水進(jìn)入汽提塔后對其工藝穩(wěn)定及設(shè)備安全產(chǎn)生了較大影響。鑒于此,本研究提出了旋流-聚結(jié)組合技術(shù)方法,在實驗室測試分析水質(zhì)的基礎(chǔ)上,開展酸性水進(jìn)入汽提塔前除油脫固的中型試驗,考察技術(shù)裝備對酸性水的凈化效果。

圖1 酸性水進(jìn)入汽提塔前預(yù)處理工藝流程示意

1 實 驗

1.1 酸性水水質(zhì)分析

試驗酸性水由某石化企業(yè)延遲焦化、加氫精制、加氫裂化等裝置產(chǎn)生的酸性水匯聚而成,成分較為復(fù)雜。對該混合酸性水的水質(zhì)進(jìn)行分析,其中石油類物質(zhì)質(zhì)量濃度為300～800 mg/L,懸浮物質(zhì)量濃度為400～2 500 mg/L,波動較大。酸性水中大量的乳化油滴及小粒徑焦粉顆粒易與表面活性劑作用,形成難以通過重力沉降分離的穩(wěn)定狀態(tài),導(dǎo)致沉降罐分離效率很低;旋流除油器內(nèi)部旋流攪動,加劇了酸性水中油滴的乳化。為了明確樣品所含油類成分,通過氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)技術(shù)檢測酸性水中污染物組分含量,結(jié)果見圖2。

圖2 水質(zhì)污染物GC-MS分析結(jié)果

由圖2可見,酸性水中所含油類主要為烷烴、多環(huán)芳烴和苯系物(BTEX),總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.76%,本研究主要考慮石油類物質(zhì)和懸浮物雜質(zhì)的去除[18]。

1.2 試驗裝置及流程

1.2.1裝置流程

旋流-聚結(jié)除油脫固設(shè)備設(shè)置在沉降罐A與酸性水罐之間(圖1),考慮設(shè)備入口酸性水油含量較高,同時大量的固體懸浮物易被精密分離內(nèi)件攔截,可能造成設(shè)備堵塞,為了保證設(shè)備的分離效率及其安全穩(wěn)定運行,試驗采用三級設(shè)備串聯(lián)的形式進(jìn)行酸性水的除油脫固處理,其裝置流程及現(xiàn)場照片如圖3所示。第一級為自適應(yīng)旋流分離器,第二級為顆粒脫固除油器,第三級為纖維聚結(jié)器。由沉降罐A引出的酸性水依次進(jìn)入三級設(shè)備進(jìn)行深度除油脫固處理,凈化后的酸性水接入酸性水罐,三級設(shè)備分離出的油類和懸浮物雜質(zhì)從油相出口流出,經(jīng)由管道匯集到收油罐中回收。

圖3 試驗裝置流程及現(xiàn)場照片

1.2.2技術(shù)原理

自適應(yīng)旋流分離器內(nèi)部旋流芯管由1根主管和直徑較小的3根副管組成,副管之間呈120°分布,主管與副管用切向矩形流道連接,主副管產(chǎn)生梯級旋流場,快速分離水中的懸浮態(tài)油滴[19]。顆粒脫固除油器內(nèi)布有散堆異性分散顆粒床層,利用親疏水顆粒將小油滴聚并成大油滴,并通過攔截作用對水中懸浮物進(jìn)行分離[20]。纖維聚結(jié)器中主要起分離作用的是纖維聚結(jié)床層,由異質(zhì)纖維以特定形式編織而成,能夠提供較高的比表面積及填充密度,利用液滴在親水和親油纖維上的極性受力差異,迫使酸性水乳液在異質(zhì)纖維的交叉節(jié)點破乳分離[21]。三級設(shè)備內(nèi)部均設(shè)有波紋板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化沉降內(nèi)件,油滴在流動過程中能夠在波紋板表面聚集形成油膜,油膜脫離后形成大油滴。

2 結(jié)果與討論

酸性水除油脫固試驗周期為28 d,期間分別選取了懸浮物含量較低(質(zhì)量濃度小于1 000 mg/L)的混合酸性水和懸浮物含量較高(質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L)的罐區(qū)切水,每種工況下各進(jìn)行14 d連續(xù)分離試驗,進(jìn)料量為2.5～3.0 m3/h。

2.1 混合酸性水工況

圖4為混合酸性水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物濃度變化情況,圖5為石油類物質(zhì)及懸浮物去除率。酸性水進(jìn)入第一級設(shè)備后,其石油類物質(zhì)質(zhì)量濃度平均由582.69 mg/L降為243.58 mg/L,懸浮物質(zhì)量濃度平均由518.54 mg/L降為302.61 mg/L;經(jīng)過第二級設(shè)備后,酸性水中大部分石油類物質(zhì)及懸浮物雜質(zhì)被去除,石油類物質(zhì)及懸浮物質(zhì)量濃度平均分別降為10.69 mg/L和118.64 mg/L;經(jīng)過第三級設(shè)備處理后,酸性水中石油類物質(zhì)及懸浮物質(zhì)量濃度平均分別降為7.10 mg/L和64.27 mg/L,其平均除油率為98.78%,懸浮物平均去除率(除懸效率)為87.61%。

圖4 混合酸性水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物濃度變化

圖5 混合酸性水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物去除率

由以上結(jié)果可知,酸性水進(jìn)入第一級設(shè)備后,在旋流芯管的離心作用下,粒徑較大的油滴與水分離,同時,粘附在大油滴中的部分懸浮物顆粒被排出設(shè)備;經(jīng)過第二級設(shè)備顆粒床層后,酸性水中大量懸浮物被攔截,且異質(zhì)顆粒床層的聚結(jié)與強(qiáng)化沉降內(nèi)件共同作用能夠去除酸性水中剩余的大部分油滴;最后,第三級設(shè)備中的異質(zhì)纖維能夠通過聚結(jié)作用對酸性水進(jìn)行深度除油脫固。

通過進(jìn)一步測試發(fā)現(xiàn),伴隨石油類物質(zhì)和懸浮物的分離,此套設(shè)備對酸性水的化學(xué)需氧量(COD)也有一定的影響,COD從4 780 mg/L降至2 918 mg/L。圖6為混合酸性水工況下各級設(shè)備處理后酸性水的照片。由圖6可見,經(jīng)過三級設(shè)備凈化分離后的酸性水由黑色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色澄清透明,設(shè)備處理效果明顯。

圖6 混合酸性水工況下各級設(shè)備處理后酸性水的照片

2.2 罐區(qū)切水工況

圖7為罐區(qū)切水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物濃度變化情況,圖8為石油類物質(zhì)及懸浮物去除率。酸性水進(jìn)入第一級設(shè)備后,其石油類物質(zhì)質(zhì)量濃度平均由373.60 mg/L降為213.83 mg/L,懸浮物質(zhì)量濃度平均由1 600.57 mg/L降為802.61 mg/L;經(jīng)過第二級設(shè)備后,酸性水中石油類物質(zhì)及懸浮物質(zhì)量濃度平均分別降為31.35 mg/L和201.55 mg/L;經(jīng)過第三級設(shè)備處理后,酸性水中石油類物質(zhì)及懸浮物質(zhì)量濃度平均分別降為20.46 mg/L和162.22 mg/L,其平均除油率為94.52%,懸浮物平均去除率為89.87%。

圖7 罐區(qū)切水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物濃度變化

圖8 罐區(qū)切水工況下石油類物質(zhì)及懸浮物去除率

與混合酸性水工況類似的是,第一級設(shè)備能夠初步對罐區(qū)切水中的油和固體物質(zhì)進(jìn)行粗分離,第二級設(shè)備作為主要的分離設(shè)備能夠分離罐區(qū)切水中的大部分石油類物質(zhì)及懸浮物雜質(zhì),第三級設(shè)備則是進(jìn)一步去除罐區(qū)切水中的油和固體物質(zhì),實現(xiàn)對罐區(qū)切水的除油脫固深度處理。對比圖8和圖5發(fā)現(xiàn),在懸浮物含量較高的罐區(qū)切水工況下,第一級和第二級設(shè)備的除懸效率提高。

經(jīng)測定,經(jīng)設(shè)備分離后,罐區(qū)切水的COD由7 300 mg/L降為4 914 mg/L。圖9為罐區(qū)切水工況下各級設(shè)備處理后酸性水的照片。由圖9可見,經(jīng)過三級設(shè)備處理后,罐區(qū)切水被凈化為黃色澄清透明狀態(tài),表明對油和固體物質(zhì)的分離效果良好。

圖9 罐區(qū)切水工況下各級設(shè)備處理后酸性水的照片

3 結(jié)束語

基于當(dāng)前酸性水進(jìn)入汽提塔前預(yù)處理工藝效果差的問題,提出了旋流-聚結(jié)組合的預(yù)處理技術(shù)方法,并對不同懸浮物含量工況混合酸性水和罐區(qū)切水的處理情況進(jìn)行了考察。結(jié)果表明,旋流-聚結(jié)除油脫固技術(shù)對酸性水的平均除油率可達(dá)98.78%,懸浮物去除率可達(dá)89.87%,同時還能降低酸性水的COD。該技術(shù)及裝備適用于含油含懸乳化的酸性水處理,且無需額外增加化學(xué)藥劑即可實現(xiàn)酸性水中石油類物質(zhì)和懸浮物雜質(zhì)的高效分離,為酸性水進(jìn)入汽提塔前除油脫固預(yù)處理方法的改進(jìn)提供了新思路。