葉 帆 黎志敏 張 菁 趙德銀 周 楠

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院 2.中國石化縫洞型油藏提高采收率重點實驗室 3.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室)

0 引 言

氣浮選工藝用于油田污水處理，其基本原理是向污水中通入空氣，經(jīng)過釋放形成大量微小氣泡，將這些氣泡作為載體，黏附油田污水中的油珠和懸浮絮粒等雜質(zhì)，形成體相密度低于水相的絮體浮升至水面，分離出油珠和懸浮物，進而達到處理污水的目的[1]。

油田常用的氣浮選工藝技術(shù)包括射流氣浮、加壓溶氣氣浮和溶氣泵氣浮[2]。射流氣浮基于射流噴射器，當污水從噴射器中高速噴出時，在噴射室內(nèi)形成負壓，氣體被吸入室內(nèi)，在氣水混合體高速通過混合段時，污水攜帶的氣體被剪切成微小氣泡。加壓溶氣氣浮利用空氣壓縮機和溶氣罐將污水加壓至300～400 kPa，同時壓入空氣，使空氣溶解于水中，然后驟然減至常壓，溶解于水中的空氣以微小氣泡的形式析出。溶氣泵氣浮則利用多相溶氣泵將空氣和污水一并吸入，溶氣泵的葉輪將污水和空氣旋切成細小泡沫，使其充分混合，同時葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高壓也促使吸入的氣體充分溶入到水中，共同作用使其形成穩(wěn)定的溶氣水，當這些溶氣水經(jīng)過減壓閥在常壓下釋放時，便產(chǎn)生微小氣泡[3-4]。

盡管已有研究表明污水氣浮選處理效果既與污水水質(zhì)特性相關(guān)，又與氣浮選工藝運行特征參數(shù)相關(guān)[5-7]，然而，以溶氣泵氣浮為例，其溶氣單元工藝結(jié)構(gòu)也無疑是影響污水處理效果的一個關(guān)鍵，對于溶氣單元的選擇與設(shè)計，在實踐中仍主要集中于對多相溶氣泵和管式反應(yīng)器等外部設(shè)施的選型與組合優(yōu)化，關(guān)于溶氣單元在氣浮選沉降罐內(nèi)的布氣工藝結(jié)構(gòu)對污水分離特性的影響并未形成充分的理解和規(guī)律性認識，制約了氣浮選工藝從氣水混合溶解、微小氣泡釋放形成到氣泡載體作用發(fā)揮的一體化優(yōu)化[8-9]。為此，本文突破對氣浮選工藝運行參數(shù)優(yōu)化及溶氣設(shè)施選型的局限，創(chuàng)新性考慮溶氣單元布氣工藝控制面積與布氣工藝控制液位高度的內(nèi)在影響，以油田聚合物驅(qū)產(chǎn)出污水為對象，兼顧配水單元壓力場分布、分離流場中油珠和懸浮物的運動跡線特征及污水中含油、懸浮物的去除效果，進行溶氣單元布氣工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，形成適宜氣體釋放頭數(shù)量、適合布氣環(huán)布局模式及合理布氣液位高度的溶氣單元工藝改進方案，以期為溶氣氣浮沉降罐的結(jié)構(gòu)改進與油田污水提效處理提供依據(jù)和支持。

1 模型建立

1.1 物理模型

氣浮選沉降罐主要由配水單元、布氣結(jié)構(gòu)、集水單元、進出水系統(tǒng)和集油系統(tǒng)等構(gòu)成[2,10]。以1 200 m3罐容規(guī)格的氣浮選沉降罐為原型，省去沉降罐內(nèi)的集油系統(tǒng)等輔助部件及加強結(jié)構(gòu)，并省去中心反應(yīng)筒，來水從沉降罐中心柱管依次流入配水干管和配水支管，再由配水口布于沉降罐內(nèi)。溶氣單元外置溶氣設(shè)施形成的溶氣水回流到內(nèi)置布氣結(jié)構(gòu)，通過布氣結(jié)構(gòu)的氣體釋放頭完成對溶氣水釋放，繼而與沉降罐內(nèi)布水混合，發(fā)揮氣浮選功能，處理后的污水則從集水口依次進入集水支管和集水干管排出。分別建立以布氣環(huán)氣體釋放頭布置優(yōu)化、布氣環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及布氣結(jié)構(gòu)高度優(yōu)化的簡化物理模型，如圖1所示。

圖1 簡化物理模型

涉及的幾何參數(shù)匯總?cè)缦拢汗蘅側(cè)莘e1 200 m3，罐總高度15 476 mm，罐壁板高度14 350 mm，罐內(nèi)徑10 310 mm，配水干管直徑219 mm，配水干管距離罐底高度10 950 mm，配水口距離罐底高度11 100 mm，中心柱管直徑1 500 mm，集水干管直徑219 mm，集水干管距離罐底高度2 270 mm，集水口距離罐底高度1 400 mm，配水口數(shù)量24個，布氣環(huán)外徑6 000 mm，布氣環(huán)內(nèi)徑5 200 mm，氣體釋放頭間距1 046、942、856及785 mm，氣體釋放頭數(shù)量18、20、22及24個，布氣結(jié)構(gòu)距罐底高度10 200 mm，雙環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外布氣環(huán)外徑4 000及8 000 mm，內(nèi)、外布氣環(huán)內(nèi)徑3 200及7 200 mm，內(nèi)布氣環(huán)氣體釋放頭間距1 570 mm，外布氣環(huán)氣體釋放頭間距1 794 mm，內(nèi)、外布氣環(huán)氣體釋放頭數(shù)量分別為8和14個，布氣結(jié)構(gòu)距罐底高度分別為10 600、10 200、9 700和8 700 mm。

1.2 數(shù)學模型

由于多相流混合模型(Mixture Model)考慮了相間擴散作用與脈沖作用，且允許各相以不同的速度運動[11]，故在氣浮選沉降罐溶氣單元工藝結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬研究中選擇多相流混合模型，湍流模型選擇RNGk-ε模型[12]?？刂品匠贪ㄙ|(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[11,13-14]。

質(zhì)量守恒方程為：

(1)

動量守恒方程為:

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為污水密度，kg/m3；u為污水在x方向的速度，m/s；v為污水在y方向的速度，m/s；w為污水在z方向的速度，m/s；τxx、τyy和τzz為作用于污水微元上的正應(yīng)力，Pa；τij為作用于污水微元上的切應(yīng)力，Pa；Fx、Fy和Fz為作用于污水微元上的質(zhì)量力，N；p為污水微元上的壓力，Pa。

2 數(shù)值計算

在數(shù)值計算中進行以下假設(shè)：①污水視為不可壓縮流體，是油、懸浮固體和水的三相混合物；②沉降分離過程中沉降罐內(nèi)油水界面維持在同一高度；③沉降分離過程中污水的溫度恒定；④溶氣水中溶氣量達到飽和，且能夠在對應(yīng)釋放壓差下獲得最完全釋放。

2.1 網(wǎng)格剖分及邊界條件

利用Gambit生成所建立的簡化物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以不同網(wǎng)格密度按照配水口附近布水區(qū)域、布氣區(qū)域、沉降罐中部自由沉降區(qū)域和集水口附近集水區(qū)域等4個空間進行剖分[10]。選擇沉降罐物理模型壁面為靜止狀態(tài)，沉降罐壁面邊界考慮黏性的影響，分別定義并設(shè)置沉降罐壁面邊界、污水入口邊界、污水出口邊界、配水口邊界及氣體釋放頭邊界，同時，給定污水的入口速度，污水出口邊界則采用自由出口。

2.2 計算參數(shù)

依據(jù)油田聚合物驅(qū)產(chǎn)出污水水質(zhì)特性進行含油質(zhì)量濃度和懸浮物質(zhì)量濃度取值，聚合物質(zhì)量濃度取500 mg/L，對應(yīng)含油質(zhì)量濃度和懸浮物質(zhì)量濃度分別取為210和180 mg/L，依據(jù)原型氣浮選沉降罐的設(shè)計規(guī)范與生產(chǎn)運行實踐，選擇100 m3/h的處理量、25%的回流比及0.6 MPa的溶氣釋放壓差[2,8]。

3 布氣環(huán)氣體釋放頭布置優(yōu)化

通過改變單環(huán)形工藝布氣環(huán)上均勻分布的氣體釋放頭間距來控制溶氣氣浮作用面積，并優(yōu)化布氣環(huán)上氣體釋放頭的布置。

3.1 配水單元壓力場分布

為了考察與布水區(qū)域相接的布氣區(qū)域布氣環(huán)氣體釋放頭布置差異對沉降罐配水均勻性的影響，取沉降罐上部配水支管位置的橫截面，分析污水沉降分離中配水單元的壓力場分布，結(jié)果如圖2所示，其中L表示氣體釋放頭間距。沉降罐配水單元布水的均勻性直接影響沉降分離流場的穩(wěn)定性及其分離效果。

圖2 不同間距氣體釋放頭布置對配水單元壓力場分布的影響

從圖2可以看出，從中心柱管口位置延伸至配水干管區(qū)域，布氣環(huán)氣體釋放頭在不同間距布置時，均保持較高的壓力分布，進入配水支管后壓力則明顯降低，至配水口時壓力降到最低，但在相同處理水質(zhì)、相同處理量、相同溶氣氣浮運行工況參數(shù)及相同的配水單元結(jié)構(gòu)下，當布氣環(huán)氣體釋放頭間距為856 mm，也就是布氣環(huán)氣體釋放頭數(shù)量為22個時，布水截面的壓力整體降低，尤其在配水支管至配水口的區(qū)域，相對于布氣環(huán)氣體釋放頭其他布置間距，此布置間距下的壓力場分布相對更為均衡，這一壓力場分布特征將提高沉降處理來水布水的均勻性，改善沉降分離流場的穩(wěn)定性與污水沉降分離效果。

3.2 粒子跡線特征

圖3和圖4分別為相同污水在相同溶氣氣浮運行工況參數(shù)下，改變布氣環(huán)氣體釋放頭布置時沉降分離流場中油珠粒子與懸浮物粒子的跡線特征。由圖3和圖4可以看出，當布氣環(huán)氣體釋放頭間距縮小，也就是布氣環(huán)氣體釋放頭數(shù)量增多時，布氣區(qū)域及以上單位面積內(nèi)呈拋物線形軌跡向上運動的油珠粒子和懸浮物粒子數(shù)量均明顯增多，反映出對溶氣氣浮作用面積的更有效控制，同時，粒子跡線向更為穩(wěn)定有序的特征演變，揭示出更為均勻穩(wěn)定分離流場的構(gòu)建，進而促進布氣環(huán)氣體釋放頭所釋放氣泡附著、載體作用的發(fā)揮。然而，當布氣環(huán)氣體釋放頭間距從1 046 mm縮小到856 mm，并繼續(xù)縮小時，由于相同的回流比和溶氣釋放壓差，使得單位時間、單位氣浮作用面積上釋放形成的氣泡相對增多，氣泡間合并的概率便增大，造成連續(xù)性大尺寸氣泡的產(chǎn)生，在微小氣泡發(fā)揮浮選效應(yīng)的同時，有不同連續(xù)程度的氣相以非混合的狀態(tài)參與到污水體系混合物的沉降過程中，使得自沉降罐布氣區(qū)域到沉降區(qū)域，粒子軌跡又向混亂特征發(fā)展，且有顯著的渦流形成，分離流場的穩(wěn)定性受到?jīng)_擊，必將影響氣浮選效應(yīng)的發(fā)揮。因此，布氣環(huán)上氣體釋放頭間距為856 mm時，在模擬工況下的溶氣氣浮運行中能夠獲得油珠粒子和懸浮物粒子較為穩(wěn)定有序的運動軌跡。

圖4 不同間距氣體釋放頭布置對懸浮物粒子跡線的影響

3.3 沉降分離效果

為了定量衡量布氣環(huán)氣體釋放頭布置對分離效果的影響，在模擬工況運行穩(wěn)定后，在氣浮選沉降罐集水口高度處取橫截面，追蹤提取截面上油珠粒子和懸浮物粒子的體積分數(shù)分布，并據(jù)式(5)計算截面上水質(zhì)的含油質(zhì)量濃度和懸浮物質(zhì)量濃度，將其平均值作為沉降分離出水水質(zhì)的特性參數(shù)[13-16]，從而計算除油率和懸浮物去除率。

cp=1 000ρVf

(5)

式中：cp為沉降分離流場中任一區(qū)域位置處污水的含油質(zhì)量濃度(或懸浮物質(zhì)量濃度)，mg/L；ρ為污水中油珠粒子(或懸浮物粒子)的密度，kg/m3；Vf為沉降分離流場中任一位置處油珠粒子(或懸浮物粒子)的體積分數(shù)。

計算結(jié)果反映出在布氣環(huán)氣體釋放頭間距縮小到856 mm后，繼續(xù)改變布氣環(huán)氣體釋放頭布置，除油率和懸浮物去除率不再提高，反而有小幅降低的特征，揭示出此布置下溶氣氣浮作用面積的控制程度達到極限，這與粒子跡線特征的描述相吻合。模擬工況下，布氣環(huán)上均勻分布氣體釋放頭間距為1 046、942、856和785 mm(相當于氣體釋放頭數(shù)量為18、20、22和24個)時的除油率依次分別為59.89%、61.10%、65.08%和64.32%，懸浮物去除率依次分別為30.76%、31.80%、35.03%和33.77%。

4 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用氣體釋放頭總數(shù)量為22個的布氣工藝模式，通過改變布氣環(huán)數(shù)量(如單環(huán)和雙環(huán))來控制溶氣氣浮作用面積，優(yōu)化布氣環(huán)結(jié)構(gòu)，以此提高除油率和懸浮物去除率。

4.1 配水單元壓力場分布

取沉降罐上部配水支管位置的橫截面，分析在不同布氣環(huán)結(jié)構(gòu)下，污水沉降分離中配水單元的壓力場分布，如圖5所示。

由圖5可以看出：單環(huán)形和雙環(huán)形2種布氣環(huán)結(jié)構(gòu)下，配水單元具有相似的壓力場分布特征，從中心柱管口位置延伸至配水干管的區(qū)域，均保持有較高的壓力分布，進入配水支管后壓力開始下降，至配水口時壓力進一步降低；相比之下，雙環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)下配水單元流場壓力整體低于單環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)，壓力場分布的均衡性增強，有益于布水均勻性的改善，從配水環(huán)節(jié)上保證污水分離流場的穩(wěn)定性和分離效果。

圖5 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)對配水單元壓力場分布的影響

4.2 粒子跡線特征

圖6和圖7分別為相同污水在相同運行工況參數(shù)時，單環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)與雙環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)下沉降分離流場中油珠粒子與懸浮物粒子的跡線特征。

圖6 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)對油珠粒子跡線的影響

圖7 布氣環(huán)結(jié)構(gòu)對懸浮物粒子跡線的影響

由圖6和圖7可以看出，相比于單環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)，雙環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)在布氣區(qū)域及以上，油珠粒子和懸浮物粒子呈拋物線形軌跡向上運動的特征更劇烈，反映出對溶氣氣浮作用面積的更有效控制，氣泡的載體作用發(fā)揮更顯著，且在自由沉降區(qū)域和集水區(qū)域，明顯呈現(xiàn)更為穩(wěn)定有序的粒子運動軌跡，展現(xiàn)了雙環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)在控制溶氣氣浮作用面積和穩(wěn)定分離流場方面的優(yōu)勢。

4.3 沉降分離效果

追蹤提取不同布氣環(huán)結(jié)構(gòu)時，氣浮選沉降罐集水口高度處截面上油珠粒子和懸浮物粒子的體積分數(shù)分布，確定截面上水質(zhì)的含油和懸浮物含量，計算除油率和懸浮物去除率?？梢钥闯觯M工況下，單環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)形布氣環(huán)結(jié)構(gòu)下的除油率分別為65.08%和66.71%，懸浮物去除率分別為35.03%和36.48%。

5 雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度優(yōu)化

采用雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外布氣環(huán)上氣體釋放頭均均勻分布，且總數(shù)量為22個，共同控制溶氣氣浮作用面積，通過改變并優(yōu)化其高度，控制溶氣氣浮作用液位高度。

5.1 配水單元壓力場分布

取沉降罐上部配水支管位置的橫截面，分析在雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)不同下，污水沉降分離中配水單元的壓力場分布，結(jié)果如圖8所示，其中h表示布氣結(jié)構(gòu)高度。

圖8 雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度對配水單元壓力場分布的影響

由圖8可以看出，在雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)不同高度下，配水單元均具有中心柱管口至配水干管區(qū)域壓力高、配水支管至配水口區(qū)域壓力低的壓力場分布特征，但隨著高度的降低，配水單元流場壓力整體增大，壓力場分布的均衡性下降。如布氣結(jié)構(gòu)高度為10.6 m時，配水單元的流場壓力更小、分布更不均衡；而布氣結(jié)構(gòu)高度為8.7 m時，配水單元的流場壓力更大、分布均衡性增強。這種配水單元的壓力場分布特征表明，沉降罐溶氣單元布氣工藝控制液位高度過低時，不利于發(fā)揮其對布水均勻性的促進作用，進而也會影響分離流場的穩(wěn)定性及污水沉降分離的效果[17]。

5.2 粒子跡線特征

圖9和圖10分別為相同污水在相同溶氣氣浮運行工況參數(shù)下，改變雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度時沉降分離流場中油珠粒子與懸浮物粒子的跡線特征。由圖9和圖10可以看出：溶氣單元中布氣工藝雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度在沉降罐內(nèi)10.6～9.7 m的區(qū)域內(nèi)改變時，分離流場中粒子跡線相似且穩(wěn)定有序，反映出溶氣氣浮作用與控制液位高度的有效契合；而當雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度降低到8.7 m時，由于布氣區(qū)域占據(jù)了自由沉降區(qū)域，氣泡釋放形成、氣泡附著浮升而帶來的擾動使得尤其在自由沉降區(qū)域和集水區(qū)域，粒子軌跡呈現(xiàn)雜亂特征，沖擊分離流場的穩(wěn)定性，進而將影響出水水質(zhì)及其波動。因此，10.6～9.7 m的溶氣氣浮作用液位控制高度，也就是雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度，在模擬工況下油珠粒子與懸浮物粒子能夠獲得較為穩(wěn)定有序的運動軌跡和均勻的分離流場。

圖9 雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度對油珠粒子跡線的影響

圖10 雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度對懸浮物粒子跡線的影響

5.3 沉降分離效果

追蹤提取雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)不同高度條件時，氣浮選沉降罐集水口高度處截面上油珠粒子和懸浮物粒子的體積分數(shù)分布，確定截面上水質(zhì)的含油和懸浮物質(zhì)量濃度，進而計算除油率和懸浮物去除率。表1為溶氣單元不同工藝結(jié)構(gòu)下污水的沉降分離效果，其中1 570/1 794表示內(nèi)環(huán)L=1 570 mm，外環(huán)L=1 794 mm，余下類同。

表1 溶氣單元不同工藝結(jié)構(gòu)下污水的沉降分離效果

從表1可以看出，模擬工況下，雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)高度為10.6、10.2、9.7和8.7 m時，除油率依次分別為68.29%、66.71%、67.14%和61.94%，懸浮物去除率依次分別為37.59%、36.48%、36.65%和29.96%。

6 結(jié) 論

(1)考慮溶氣單元布氣工藝控制面積及布氣工藝控制液位高度的改變，基于多相流混合模型，模擬研究了溶氣氣浮沉降罐溶氣單元工藝結(jié)構(gòu)對油田污水分離的影響，反映出合理的布氣環(huán)氣體釋放頭布置、布氣環(huán)布局及布氣液位高度是獲得高效氣浮選的關(guān)鍵。

(2)在模擬工況下，優(yōu)化確定溶氣單元布氣環(huán)上均勻分布的氣體釋放頭間距為856 mm，氣體釋放頭數(shù)量為22個，布氣環(huán)布局采用雙環(huán)形布氣結(jié)構(gòu)，其高度控制在沉降罐內(nèi)10.6～9.7 m的區(qū)域。溶氣單元在此優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)下，可使油田污水沉降處理的除油率和懸浮物去除率分別達到65%以上和35%以上。