徐明明，劉會(huì)娥，陳 爽，鄒兆雙，夏 雪

(1.中國石油大學(xué)（華東），重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266555；2.勝利油田現(xiàn)河采油廠，山東 東營 257000)

含油污泥-石英砂顆?；旌衔锏幕旌戏蛛x特性

徐明明1，劉會(huì)娥1，陳 爽1，鄒兆雙2，夏 雪1

(1.中國石油大學(xué)（華東），重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266555；2.勝利油田現(xiàn)河采油廠，山東 東營 257000)

在內(nèi)徑60 mm、高1 000 mm的冷態(tài)氣固流化床實(shí)驗(yàn)裝置上，研究了含油污泥-石英砂混合顆粒的流化特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于含油污泥含量較高的混合顆粒，隨著氣速由高到低，含油污泥顆粒與石英砂的流化行為可以分為四個(gè)階段，雙組分完全流化、石英砂流化-油泥趨于靜止、石英砂趨于靜止和固定床階段；通過兩組份分層填裝流化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)僅通過氣流的作用實(shí)現(xiàn)顆粒之間的良好混合較為困難；測量了不同氣速下體系的混合指數(shù)，在較高的含油污泥含量下，含油污泥顆粒的粘性作用較強(qiáng)，較低氣速下石英砂表現(xiàn)為浮升組分，隨著氣速的升高，石英砂出現(xiàn)了由浮升組分向沉積組分的轉(zhuǎn)變。

含油污泥 顆粒 流態(tài)化 混合 分離

含油污泥[1]一般指由各種原因造成的落地原油與泥土混合形成的污泥，或是在油田生產(chǎn)過程中排出的含油泥砂，是一種富含礦物油的固體廢物，主要成分為原油、泥砂和水。研究表明：含油污泥中含有大量老化原油及有毒有害物質(zhì)[2-5]，若不加以處理，不僅污染環(huán)境，而且影響人類健康。由于含油污泥的來源眾多、性質(zhì)不同，因此處理技術(shù)也多種多樣，比如干燥焚燒法、焦化法、熱解法、溶劑萃取法、生物法等。

熱解法是指含油污泥在絕氧條件下加熱到一定溫度，使烴類物質(zhì)通過復(fù)雜的裂化反應(yīng)從含油污泥中分離出來，并冷凝回收，該工藝對含油污泥處理得比較徹底[6-8]。由于含油污泥的強(qiáng)粘性，不能單獨(dú)流化，需添加惰性組分（如石英砂等）。本實(shí)驗(yàn)擬對含油污泥-石英砂混合顆粒的冷態(tài)混合分離行為進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期為含油污泥的流化床熱處理工藝提供基本依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)物料為干燥后的含油污泥顆粒（OS）以及石英砂顆粒（QS）。含油污泥來自于勝利油田某聯(lián)合站，在恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)于105 ℃下干燥至恒重，然后采用索氏提取法測得干燥含油污泥的含油率，而含砂率由減量法測得。篩分得到一定粒徑的含油污泥顆粒，然后和不同粒徑范圍的石英砂按照不同比例混合，形成雙組份混合物料，進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)物料性質(zhì)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)物料性質(zhì)Table 1 Properties of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由氣源、干燥器、流量計(jì)、玻璃流化床和壓差計(jì)等構(gòu)成，流化床內(nèi)徑60 mm，高1 000 mm。底部安裝法蘭與基座，法蘭和基座間設(shè)置橡膠圈強(qiáng)化密封效果。采用厚0.001 m、開孔率1.0%的不銹鋼板作為分布板，設(shè)置三層300 目的金屬絲網(wǎng)保證氣體分布均勻。床層壓降由U型管壓差計(jì)測量；床層高度的測量采用目測法，由流化床底部的標(biāo)尺讀出。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

首先將石英砂和含油污泥顆粒按不同的質(zhì)量比例分別在天平上稱量好后加入流化床中，保持物料高度一定，隨后打開氣源通入氣體，采用降速法或升速法進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)。在降速法流化中：首先在一定的氣速下使床層流化，觀察床層的流化狀態(tài)，待流化穩(wěn)定后，逐漸減小氣體流量，在每一氣速下待狀態(tài)穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的室溫、床層壓降和氣體流量，直至流量降到零。在升速法流化中：首先在床層中加入物料，逐漸增大氣體流量，在不同氣量下待狀態(tài)穩(wěn)定后記錄相應(yīng)的室溫、床層壓降和氣體流量，直至物料完全流化。在上述兩種方法中，需要校正氣體流量，計(jì)算出床層表觀氣速，做出壓降與表觀氣速的關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 降速法測定混合顆粒的最小流化特性

將顆?；旌暇鶆蚝髲拇矊禹敳考尤肓骰?，打開氣源流化10 min，使顆粒進(jìn)一步混合，之后采用降速法測量床層壓降，將床層壓降與表觀氣速的關(guān)系作圖，可得混合顆粒的流化曲線圖，即△P-u曲線。圖 2是油泥質(zhì)量分率分別為5%（a）、25%（b）和30%（c）時(shí)混合顆粒的流化曲線。

圖2 混合物的床層壓降-流化速度曲線Fig.2 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity

結(jié)合圖2和所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在不同的含油率下，可將混合物流化過程分為不同的階段。

在低含油率下，隨著氣速的降低，混合物經(jīng)歷由完全流化向逐漸靜止的轉(zhuǎn)變，其分別對應(yīng)流化床和固定床階段。

在高含油率下，可將曲線可以分為四個(gè)階段：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

在較高氣速下，混合顆粒完全流化，處于Ⅳ區(qū)，床層壓降基本不隨表觀氣速的變化而變化；

隨著表觀氣速的降低至低于完全流化速度uff時(shí)，曲線進(jìn)入Ⅲ區(qū)。雖然油泥密度較小，但是部分油泥顆粒受到粘性的影響，氣體曳力不足以保證其流動(dòng)，會(huì)逐漸向床層底部沉積，部分油泥顆粒和石英砂顆粒在氣體曳力作用下保持流化狀態(tài)。

表觀氣速進(jìn)一步降低，進(jìn)入Ⅱ區(qū)，此區(qū)域內(nèi)可觀察到油泥顆粒和石英砂顆粒發(fā)生明顯的分層，即大部分油泥顆粒沉積在床層底部處于非流化狀態(tài)，石英砂顆粒隨著氣速的降低也逐漸趨于靜止。

當(dāng)u低于起始流化速度uif后，即至I區(qū)，床層壓降曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為混合顆粒的起始流化狀態(tài)，此時(shí)石英砂顆粒受到的氣體曳力也小于自身重力，亦轉(zhuǎn)變?yōu)榉橇骰癄顟B(tài)，整個(gè)床處于固定床狀態(tài)。

根據(jù)上述分析，將高含油污泥含量條件下，混合顆粒運(yùn)動(dòng)行為隨著氣速降低的變化過程示意于圖3，

圖3 降速時(shí)顆粒流化圖示Fig.3 Fluidization phenomenology

2.2 升速法測定二組份分層填裝實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證含油污泥和石英砂雙組份在流化過程中的混合性能，將此二組分分層填裝，如圖4所示，并采用升速法測量床層壓降，同時(shí)觀察床層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，油泥的質(zhì)量分率取10%。

圖4 油泥在上時(shí)的分層填裝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 The fluidization phenomenon with oil sludge on the top

當(dāng)石英砂在下層時(shí)，緩慢增大氣速，石英砂慢慢膨脹，而油泥仍呈固定床狀態(tài)，類似活塞狀被推起，床層高度增加。當(dāng)表觀氣速進(jìn)一步增大，石英砂和油泥完全分開，如圖4（b）所示。然后，石英砂在下部處于流態(tài)化，而油泥在上部仍呈活塞狀上下劇烈波動(dòng)，少部分顆粒沖出玻璃床，如圖 4（c、d）所示；氣速繼續(xù)增大，上部油泥床層被沖破，和石英砂一起流化，如圖4（e）所示，但由于油泥的強(qiáng)粘性，油泥粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重，二組分混合效果較差，圖4（f）所示為停止流化將物料卸出時(shí)的狀態(tài)，可明顯觀察到油泥聚團(tuán)。

流化曲線如圖5所示，當(dāng)氣速小于0.04 m/s時(shí)，為固定床階段，分層填裝壓降基本和混合均勻時(shí)的壓降相同；當(dāng)氣速進(jìn)一步增大，石英砂已在底部流化流化且油泥整體被浮起，壓降存在一段水平段；當(dāng)氣速進(jìn)一步升高，氣流逐漸開始克服油泥顆粒之間的粘性作用，壓降隨之上升，但該氣速還是不能完全破壞油泥顆粒之間的粘性；氣速進(jìn)一步增大時(shí)，油泥劇烈上下運(yùn)動(dòng)，部分石英砂揚(yáng)析出床層，導(dǎo)致壓降劇烈波動(dòng)。

圖5 油泥在上時(shí)的床層壓降-氣速曲線Fig.5 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity with oil sludge on the top

當(dāng)油泥在下層時(shí)，隨著表觀氣速增大，可觀察到上部石英砂顆粒逐漸完全流化，如圖6（a）所示。流化曲線如圖7所示，壓降曲線分為壓降隨氣速線性增大的固定床段和壓降大體平穩(wěn)的階段，但后一階段壓降明顯低于顆粒預(yù)先混合均勻時(shí)的水平段壓降。停止實(shí)驗(yàn)將顆粒卸出，發(fā)現(xiàn)油泥在下部呈柱狀堆積，證明這部分油泥顆粒未能流化。所觀察到的壓降主要是由于氣流通過油泥之間的縫隙向上流動(dòng)使上部的石英砂流化所造成的，并非全部顆粒被浮起，這是導(dǎo)致流化曲線平穩(wěn)段壓降明顯低于顆粒混合均勻時(shí)壓降的主要原因，在實(shí)驗(yàn)氣速范圍內(nèi)，大部分油泥顆粒之間的粘性作用未能被克服。

圖6 油泥在下時(shí)的分層填裝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象Fig.6 The fluidization phenomenon when oil sludge is at bottom

圖7 油泥在下時(shí)的床層壓降-氣速曲線Fig.7 Fluidization curve of bed pressure vs. superficial velocity with oil sludge at bottom

由上述實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)油泥和石英砂分層填時(shí)，僅靠氣流的作用實(shí)現(xiàn)顆粒之間的良好混合較為困難，兩種顆粒預(yù)先的均勻混合較為重要。

2.3 混合分離行為

根據(jù)顆粒密度和粒度等物性的不同及其在床層中分離行為的差異，Rowe et al[9]將雙組份歸結(jié)為等密度與非等密度混合物兩大體系，前者是指同一顆粒、不同粒徑的組合，而后者是指兩種顆粒密度不同、粒徑相同或不同，并定義在低氣速操作中最終下沉底部的顆粒為沉積組分，另一種向頂部上浮的顆粒為浮升組分。油泥和石英砂是屬于非等密度體系，從密度上看，密度小的油泥應(yīng)為浮升組分，密度大的石英砂應(yīng)為沉積組分，但是由于油泥顆粒的強(qiáng)粘性，在流化過程中出現(xiàn)了一些特殊現(xiàn)象。

為了定量描述沉積組分在床中的分布狀態(tài)，Rowe et al[9]定義了一個(gè)混合指數(shù)M，即：

式中x為沉積組分在床層頂部的濃度，xj為沉積組分在床層中的平均濃度。M=0時(shí)，體系完全分離；M=1時(shí)，體系完全混合；0＜M＜1時(shí)，體系部分混合，大多數(shù)分離操作均介于兩者之間。

實(shí)驗(yàn)中，取油泥顆粒（粒徑0.45～0.7 mm）、和石英砂顆粒（粒徑0.105～0.154 mm），按照不同的配比人工混合均勻后從床層頂部加入流化床，再通入空氣使床層處于完全流化狀態(tài)10 min，使床內(nèi)物料完全混合，然后減速至某一數(shù)值，保持此氣速5 min后，突然關(guān)閉氣源，從床層上部的取樣口取出床層頂部物料篩分，稱量篩分所得石英砂組分的重量，假定石英砂為沉積組分，通過公式（1）計(jì)算混合指數(shù)M的值。M值隨氣速變化的情況如圖8所示。

圖8 混合指數(shù)M隨氣速的變化關(guān)系Fig.8 The mixing index curves for different mass fraction of oil sludge in the particle mixture with quartz sand

從圖 8中可以看出，當(dāng)含油污泥的質(zhì)量分率在5%～15%的范圍內(nèi)時(shí)，M值小于 1，說明石英砂確實(shí)表現(xiàn)為沉積組分，且隨含油污泥質(zhì)量分率的增加出現(xiàn)下了降趨勢；同時(shí)在一定的含油污泥質(zhì)量分率下，隨著氣速的提高，M值略有上升。當(dāng)含油污泥的質(zhì)量分率在5%～15%范圍內(nèi)時(shí)，含油污泥顆粒間的粘性作用相對較弱，由于含油污泥顆粒密度小，油泥呈浮升組分特性。二組分混合物的混合分離程度主要取決于它們的密度差別，粒徑僅有較小的影響[9，10]，而氣體速度卻直接影響著沉積組分分散于床層上部的比例與床層中的混合程度；從微觀研究粒子與氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)出發(fā)[9-11]，氣泡的上升運(yùn)動(dòng)乃是引起顆?；旌吓c分離的唯一原因；氣泡及其尾渦夾帶的沉積組分在上升過程造成床層擾動(dòng)與混合；與此同時(shí)，床內(nèi)所殘存的局部空穴立即為其上部的顆粒所填充，這些顆粒將由于密度與粒徑差別而呈現(xiàn)不同的下降距離，從而發(fā)生分離。高氣速時(shí)，氣泡引起床層大量擾動(dòng)，混合占優(yōu)勢；低氣速時(shí)，氣泡與空穴的交換占優(yōu)勢，更易產(chǎn)生分離。當(dāng)含油污泥質(zhì)量分率增加時(shí)，由于密度差的作用，作為浮升組分的油泥顆粒更容易在頂部沉積，導(dǎo)致M值隨著含油污泥質(zhì)量分率的提高而減小，同時(shí)在一定含油污泥質(zhì)量分率下氣速增加有助于兩組份的混合，M值有所增加。

但是當(dāng)油泥質(zhì)量分率為20%時(shí)，M值更接近于1，分析應(yīng)是因此時(shí)含油污泥顆粒間的粘性作用增強(qiáng)，恰好和體系密度差作用相平衡，混合情況轉(zhuǎn)好。油泥質(zhì)量分率繼續(xù)增加，低氣速(u/umf≤1.2)時(shí)M值出現(xiàn)大于1的情況，表明低油泥質(zhì)量分率下作為沉積組分的石英砂在此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱烁∩M分，隨氣速的增加，M明顯下降，原因是此時(shí)含油污泥顆粒粘性作用大大增強(qiáng)，顆粒難于流化，低氣速時(shí)大部分石英砂和極少部分油泥顆粒率先發(fā)生流化，隨著氣泡的上升，油泥顆粒填充到局部空穴中而下降，從而使頂部石英砂居多；氣速增加，油泥顆粒之間的粘性作用得到一定程度的克服，雙組份完全流化，M逐漸降低至小于1，表明石英砂向沉積組分轉(zhuǎn)變。表觀氣速繼續(xù)增大，M值略有上升，表明氣速增大利于雙組份的混合。

從油泥和石英砂的密度對比來看，油泥應(yīng)該是浮升組分。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，低含油污泥含量時(shí)，符合以上推斷，但當(dāng)含油污泥含量較高時(shí)，由于體系粘性作用增強(qiáng)導(dǎo)致油泥顆粒聚并，在低氣速下油泥顆粒卻作為沉積組分在床層底部沉積。先前很多學(xué)者在液固流化床中也發(fā)現(xiàn)過這種現(xiàn)象[12-14]，并定義為逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。對于氣固流化雙組份體系，Chiba等[12]發(fā)生該現(xiàn)象的條件為小顆粒粒徑與大顆粒粒徑之比小于0.35且表觀氣速小于最小流化速度，即當(dāng)重而小的顆粒足夠小且濃度較低時(shí)，它才有可能穿過大而輕顆粒間的空隙到床層頂部，實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)；氣速高于umf時(shí)，床層擾動(dòng)增加，會(huì)使重而小的顆粒重新沉積到底部，逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失。本實(shí)驗(yàn)中，含油污泥的粘性作用是導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的主要原因，且逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生在體系起始流化速度和完全流化速度之間，若氣速繼續(xù)增大，逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象消失。

3 結(jié) 論

通過對油泥石英砂雙組分混合顆粒最小流化特性的實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

a）隨著氣速的降低，高含油污泥含量的油泥-石英砂雙組分混合顆粒的流化過程可以分為4個(gè)階段，分別是雙組分完全流化、石英砂流化-油泥趨于靜止、石英砂趨于靜止、固定床階段。

b）當(dāng)油泥和石英砂分層填裝再進(jìn)行流化實(shí)驗(yàn)時(shí)，僅靠氣體的擾動(dòng)的作用使兩種顆?；旌陷^為困難。

c）從密度上分析，石英砂應(yīng)是沉積組分，但是在高油泥含量下，由于油泥顆粒的強(qiáng)粘性，起始流化階段，石英砂是作為浮升組分的，二組分完全流化之后，石英砂又轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e組分。

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Investigation on Mixing/Segregation Behavior of Oil Sludge-Sand Particle Mixtures

Xu Mingming1，Liu Huie1，Chen Shuang1，Zou Zhaoshuang2，Xia Xue1
(1.State Key Laboratory of Heavy Oil Processing, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266555, China;2.Xianhe Oil Production Plant of Shengli Oil Field, Dongying 257000, China)

The fluidization behavior of particle mixtures (PMs) of oil sludge and sand was investigated in a cold model glass fluidized bed, with 60 mm in I.D. and 1 200 mm in height.The experimental demonstrates that，for the PMs of high oily sludge content，with the decrease of gas velocity, the fluidization process can be divided into four periods, complete fluidizing of both particles, sand fluidizing-oily sludge tending to be static, sand tending to be static and finally fixed bed. If the oily sludge and sand particles were charged into the bed separately, it was difficult for the two kinds of particles to mix adequately merely by the disturbing of gas. The mixing index was investigated under different velocities. Because the adherence among oily sludge particles is strong under high oil sludge content，and the sand behaved as flotsam component under low gas velocity and it changed to jetsam component gradually with the increase of gas velocity.

oil sludge; particle; fluidization; mixing; segregation

TQ051.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1001—7631 ( 2011 ) 05—0460—07

2011-09-06;

2011-10-11

徐明明(1988-)，男，碩士研究生；劉會(huì)娥(1972-)，女，副教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:liuhuie@upc.edu.cn

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（10CX04015A）；國家自然科學(xué)青年基金(21106187)；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金（BS2011NJ0210）