付 蕾 劉建超 韓麗艷 李本雙 吳倩怡

(1.中油(新疆)石油工程有限公司設(shè)計(jì)分公司；2.新疆油田公司工程技術(shù)研究院)

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)油田采出水處理常用于一級(jí)過(guò)濾的過(guò)濾設(shè)備主要是雙濾料過(guò)濾器，過(guò)濾機(jī)理是水中的油和懸浮固體顆粒在不同孔隙率、不同顆粒粒徑以及不同吸附特性的濾層中進(jìn)行接觸吸附、機(jī)械篩除和接觸絮凝等被攔截，濾層一般上層采用無(wú)煙煤或核桃殼等輕質(zhì)濾料，下層采用石英砂、金鋼砂或磁鐵礦等重質(zhì)濾料[1]。雙濾料過(guò)濾器因具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、處理量大、處理水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為油田采出水處理主流過(guò)濾器[2-3]。

處理水質(zhì)在來(lái)水含油20 mg/L、懸浮物20 mg/L情況下，出水含油≤3 mg/L，出水懸浮物≤5 mg/L。但雙濾料過(guò)濾器存在反洗強(qiáng)度高，產(chǎn)生的反洗排污水量大，大大增加采出水處理站污水回收池(罐)容積的問(wèn)題[4]，例如雙濾料過(guò)濾器反洗強(qiáng)度為15 L/s·m2，24 h反洗一次，每次15 min，直徑1.2 m過(guò)濾器反洗水量為61.04 m3/h，反洗排污量為15.3 m3/d；直徑3.2 m過(guò)濾器，反洗水量為432 m3/h，反洗排污水量為108 m3/d，大量回收水對(duì)采出水系統(tǒng)形成沖擊，影響裝置平穩(wěn)運(yùn)行[5-6]。為此，新疆油田公司于2017年8月-11月在風(fēng)城1號(hào)稠油聯(lián)合站污水系統(tǒng)進(jìn)行了壓力式連續(xù)流過(guò)濾器工業(yè)性試驗(yàn)，以論證壓力式連續(xù)流過(guò)濾器用于油田采出水的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)適用性。

1 工作原理

壓力式連續(xù)流過(guò)濾器是在常壓流砂過(guò)濾器基礎(chǔ)上演變而成的，屬于流動(dòng)床過(guò)濾器，設(shè)備主要是由一個(gè)主罐體與清洗筒組成，主罐體位于下部，上圓下錐，便于濾料下滑，起過(guò)濾的容器。清洗筒位于上部，上圓下錐，設(shè)備結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 壓力式連續(xù)流過(guò)濾器結(jié)構(gòu)

1)過(guò)濾。過(guò)濾方式采用的是逆向流過(guò)濾方式，正常過(guò)濾時(shí)，原水由過(guò)濾器底部進(jìn)入濾床，并向上流與濾床充分接觸，所含懸浮物被截留在濾床上，凈化后的過(guò)濾水從上部排走，完成過(guò)濾流程。當(dāng)經(jīng)過(guò)短時(shí)間過(guò)濾后濾床污染，這時(shí)需要清洗污染的濾料，但過(guò)濾不間斷。

2)反洗。反洗時(shí)，主罐體與上部清洗筒連通的反洗閥打開(kāi)，清洗筒瞬間失壓，壓力水從下部主罐體涌進(jìn)清洗筒，同時(shí)壓力水帶動(dòng)主罐體與清洗筒之間的浮筒(等同于單向閥)上浮，這時(shí)主罐體與清洗筒在內(nèi)部隔離開(kāi)來(lái)，由于上部排污口不間斷排污使得上部壓力小，主罐體壓力大，這時(shí)連接主罐體與清洗筒之間的提砂管開(kāi)始工作，截留污染物的石英砂依靠壓力差作用被提升到頂部的清洗筒中進(jìn)行清洗，通過(guò)機(jī)械摩擦作用和紊流作用使污染物從濾砂表面分離出來(lái)，含有懸浮物的反洗水通過(guò)反洗水排放口排放，濾料較重下沉堆積在清洗筒內(nèi)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，反洗閥關(guān)閉，上下罐體壓力平衡，濾料自重推開(kāi)浮筒下落到下罐體內(nèi)，又形成新的濾床，從而完成反洗過(guò)程。由于主罐體下部為錐形結(jié)構(gòu)，因此反洗時(shí)濾料和截留物會(huì)源源不斷的沿主罐下錐下滑至錐體底部。反洗時(shí)同時(shí)輔以氣洗，反洗更徹底。

2 試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)參數(shù)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

1)通過(guò)試驗(yàn)論證壓力式連續(xù)流過(guò)濾器用于油田采出水一級(jí)過(guò)濾或二級(jí)過(guò)濾的可行性。

2)通過(guò)試驗(yàn)獲得最佳濾料結(jié)構(gòu)。

3)通過(guò)試驗(yàn)取得過(guò)濾器最佳工作參數(shù)，為產(chǎn)品工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)選用1臺(tái)處理量12 m3/h的壓力式連續(xù)流過(guò)濾器，配套供水泵、空壓機(jī)及管路閥件。

風(fēng)城1號(hào)稠油聯(lián)合站脫出的稠油污水經(jīng)重力除油、旋流反應(yīng)、混凝沉降后除去大部分油、懸浮物，出水進(jìn)入過(guò)濾緩沖罐，本次試驗(yàn)的壓力式連續(xù)流過(guò)濾器來(lái)水就由過(guò)濾緩沖罐提供水源，經(jīng)提升泵提升送至過(guò)濾器處理，過(guò)濾器反洗排水去污水回收池。

2.3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)進(jìn)水指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。壓力式連續(xù)流過(guò)濾器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)進(jìn)水指標(biāo)參數(shù)

表2 過(guò)濾器技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容以濾料變化為主，檢測(cè)不同濾料過(guò)濾效果。

第一階段：采用0.8～1.2 mm的石英砂為濾料。

第二階段：采用0.5～0.8 mm的金剛砂為濾料。

3.1 第一階段試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 油、懸浮物去除效果

過(guò)濾器進(jìn)出口懸浮物、含油指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 進(jìn)出口懸浮物監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3 出口含油監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖2、圖3可以看出：

1)過(guò)濾器進(jìn)口懸浮物含量基本在10～20 mg/L、出口懸浮物在2～5 mg/L；進(jìn)口含油基本在5～10 mg/L，出口含油在2～5 mg/L。

2)處理后的水質(zhì)懸浮物、含油均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)≤5 mg/L要求。

3)9月1日之前出水懸浮物含量較高，為3～5 mg/L，這主要是試驗(yàn)初期反洗后浮筒位置位于下端，使主罐體與清洗筒連通，使得上部未能在反洗時(shí)排走的懸浮物及油進(jìn)入下部過(guò)濾出水區(qū)隨出水排出，影響出水水質(zhì)，因此9月2日-11日廠家重新設(shè)置調(diào)整控制程序，期間水質(zhì)未監(jiān)測(cè)。9月2日按重新調(diào)整的程序運(yùn)行，使浮筒在反洗后提到上端，阻止了懸浮物及油進(jìn)入下部過(guò)濾出水區(qū)，提高了出水效果。說(shuō)明該過(guò)濾器在浮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在缺陷，如果要達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用需要進(jìn)行改進(jìn)。

3.1.2 反洗周期對(duì)出水水質(zhì)影響

為判斷反洗周期對(duì)過(guò)濾器出水水質(zhì)的影響，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了每隔2，5，10，15，30 min反洗的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 反洗周期與過(guò)濾水質(zhì)關(guān)系

由圖4可以看出：

1)反洗周期10 min時(shí)，出水水質(zhì)最好，懸浮物在2 mg/L以下。

2)反洗周期2 min時(shí)，出水水質(zhì)最差，懸浮物在3.5 mg/L左右。據(jù)了解，過(guò)濾器反洗一次需要1.5 min，說(shuō)明此階段過(guò)濾器基本處于邊過(guò)濾邊反洗狀態(tài)，濾料層連續(xù)移動(dòng)而形成移動(dòng)床，使濾料間孔隙率增大，濾層截留懸浮物的能力下降，出水水質(zhì)變差。

3)反洗周期5，15，30 min時(shí)，出水懸浮物含量約2～3 mg/L，說(shuō)明反洗周期過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，過(guò)濾效果都不好。分析這可能是反洗周期過(guò)短，濾床不能形成良好的過(guò)濾工作層；而反洗周期過(guò)長(zhǎng)，濾層底部積聚的較多較臟的懸浮雜質(zhì)。

3.1.3 反洗方式對(duì)出水水質(zhì)影響

由于壓力式連續(xù)流過(guò)濾器反洗與過(guò)濾過(guò)程是在同一罐內(nèi)進(jìn)行的，因此反洗效果好壞直接影響過(guò)濾效果，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了單獨(dú)水沖洗和氣水聯(lián)合沖洗試驗(yàn)，其中單獨(dú)水沖強(qiáng)度為14 L/s·m2；氣水聯(lián)合沖洗時(shí)水沖強(qiáng)度為12 L/s·m2、氣沖洗強(qiáng)度為10 L/s·m2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5看出，氣水聯(lián)合反洗效果要明顯好于單獨(dú)水沖洗效果，這是因?yàn)闅怏w輔助擦洗的水沖洗，濾料顆粒間互相沖撞和摩擦作用強(qiáng)烈而使石英砂清洗效果好，使處理水質(zhì)可以達(dá)到比較好的處理效果。

圖5 不同反洗方式對(duì)出水水質(zhì)的影響

反洗水量為3 m3/h，10 min反洗一次，每次1.5 min，每小時(shí)反洗時(shí)間累積9 min，濾罐每小時(shí)產(chǎn)生反洗排污水量為0.45 m3，反洗排污水量為10.8 m3/d，較同直徑的雙濾料過(guò)濾器反洗排污量減少29.4%。

3.2 第二階段試驗(yàn)結(jié)果

過(guò)濾器進(jìn)出口懸浮物、含油指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 進(jìn)出口懸浮物監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 進(jìn)出口含油監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖6、圖7可以看出：

1)過(guò)濾器進(jìn)口來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)較大，進(jìn)口懸浮物含量在4～13 mg/L時(shí)，出口懸浮物含量在5～6 mg/L；進(jìn)口含油在1～7 mg/L時(shí)，出口含油基本在1 mg/L以下。

2)處理后的水質(zhì)含油可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)≤5 mg/L要求，但懸浮物不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3)根據(jù)了解11月5-6日由于反洗水量較大，存在跑砂現(xiàn)象，11月6日開(kāi)始調(diào)整反洗水量，但仍然存在跑砂現(xiàn)象，造成反洗不徹底，濾床污染物積壓太多，出水水質(zhì)變差。說(shuō)明過(guò)濾器清洗筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適合粒徑0.5～0.8 mm的金剛砂濾料。

4 與常規(guī)雙濾料過(guò)濾器對(duì)比

針對(duì)本次試驗(yàn)，對(duì)壓力式連續(xù)流過(guò)濾器與雙濾料過(guò)濾器從過(guò)濾水質(zhì)、反洗特性、出水率及能耗等方面進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3。

表3 兩種過(guò)濾器技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

5 結(jié) 論

壓力式連續(xù)流過(guò)濾器是在常壓流砂過(guò)濾器基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，常壓流砂過(guò)濾器目前在石化系統(tǒng)廢水及循環(huán)水處理應(yīng)用較廣泛，壓力式連續(xù)流過(guò)濾器在油田采出水中應(yīng)用較少，通過(guò)在風(fēng)城1號(hào)稠油聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

1)0.8～1.2 mm石英砂處理水質(zhì)滿足一級(jí)過(guò)濾含油、懸浮物設(shè)計(jì)指標(biāo)≤5 mg/L要求，水質(zhì)較雙濾料過(guò)濾器出水水質(zhì)好。

2)0.5～0.8 mm金剛砂處理水質(zhì)含油可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)≤5 mg/L要求，但懸浮物不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。過(guò)濾器清洗筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，造成金剛砂這種粒徑小的濾料容易跑砂。

3)氣水聯(lián)合反洗效果要明顯好于單獨(dú)水沖洗效果；反洗對(duì)出水水質(zhì)沒(méi)有影響，反洗周期10 min時(shí)，出水水質(zhì)最佳，懸浮物在2 mg/L以下。

4)本次試驗(yàn)污水水溫高，濾料再生效果好，出水水質(zhì)好，但尚不能以本次試驗(yàn)結(jié)果判斷壓力式連續(xù)流過(guò)濾器過(guò)濾性能，建議在水溫比較低的稀油污水站進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，考察濾料耐污能力、反洗再生效果及水質(zhì)穩(wěn)定性。

5)設(shè)備自身存在一些缺陷，如關(guān)鍵部件提砂管道和浮筒密封磨損嚴(yán)重、0.5～0.8 mm金剛砂存在跑砂等問(wèn)題，需針對(duì)油田采出水特點(diǎn)在材料選擇、防腐措施等方面進(jìn)行改進(jìn)，才能在油田進(jìn)行推廣。