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一种用于油田水处理的新型溶气设备的研究 赵步超 北京盛源水沃环境工程有限公司， 北京 100020 摘要 为了提高油田水处理中气浮溶气设备的溶气效率， 通过对三种传质理论和溶气效率公式的分析， 提出一种高效 旋流溶气技术并研发了相应设备， 对此设备的工作原理、 构造、 特点进行阐述。通过中试表明了该设备的高效性和经 济性。此设备具有溶气效率高、 占地小、 调节灵活、 能耗低等优点， 可同时进行溶气和絮凝。 关键词 油田水处理; 气浮; 溶气设备; 双膜理论; 溶质渗透理论; 表面更新理论; 溶气效率 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201401015 收稿日期 2013 －03 －28 STUDY ON A NEW AIＲ- DISSOLVING DEVICE FOＲ OILFIELD WATEＲ TＲEATMENT Zhao Buchao Beijing Shengwo Environmental Engineering Co． ，Ltd， Beijing 100020， China AbstractIn order to improve the the air- dissolving device’ s efficiency， based on three kinds of mass transfer theory and the ula of gas solution efficiency， a new technology of high- efficiency swirling air- dissolving was developed and a new device was carried out． The work principle， structure， characteristics of the device were elaborated． And a pilot scale test of this device tested and verified that it was efficient and economical． This device has advantages of high efficiency of air- dissolving， small land occupation， flexible adjustment and low energy consumption． Furthermore，it can be used simultaneously for air- dissolving and coagulation． Keywordsoilfield water treatment;air- floatation; air- dissolving device;the double- film theory;the penetration theory;the surface renewal theory;air- dissolving efficiency 气浮法在油田水处理中比较常见， 目前常用的 方法是加压溶气气浮和散气气浮。加压溶气气浮溶 气量大， 除油效果稳定。该系统是利用空压机提供的 压缩空气和高扬程水泵提供的循环水流在溶气罐内 形成高压， 使空气以溶解态气体分子和非溶解态微小 气核的形式分散在溶气水中， 溶气水在经过系统末端 的释放器时以微气泡的形式释放， 参与目标去除物的 分离去除 ［1 ］。溶气罐中气体的溶解度容易控制， 释 放出的气泡直径小于30 μm［2 ］， 但在进水悬浮物高和 前端投加絮凝剂的情况下填料式溶气罐容易堵塞， 使 溶气效率降低。回流溶气的方式又增加了回流泵的 设备成本和动力成本。所以急需研发一种可避免溶 气罐堵塞， 具有高溶气速度、 高溶气效率、 低运行成本 的新型溶气设备。 1传质理论与溶气效率 1. 1传统双膜理论 根据 Whitman［3］的双膜理论， 气液两相接触面 的两侧存在稳定静止的气膜和液膜， 不管气液两相 主体内的湍流程度如何， 两层膜始终保持层流状 态， 气液两相界面上不存在传质阻力。气体溶质以 稳定的分子扩散方式从气相主体连续通过此两层 膜进入液相主体， 见图 1。每一相的传质分系数正 比于传递组分在该相中的分子扩散系数， 反比于该 相等效膜层厚度。对于难溶气体决定传质过程的 主要阻力来自液膜， 而气膜中的传质阻力与之相 比， 可以忽略不计。 此理论的液相传质系数见式 1 KL DAB δL 1 式中 KL为气体溶质 A 在液膜中的传质系数， m/s; DAB为扩散系数， m2/s; δL为液膜厚度， m。 从式 1 可以看出 液相传质系数主要受扩散系 数 DAB和液膜等效厚度 δL的影响。 1. 2溶质渗透理论 根据 Higble［4 ］的溶质渗透理论， 气体溶质以分子 06 环境工程 Environmental Engineering 图 1双膜模型示意 Fig．1Schematic diagram of the double- film theory model 扩散形式由液体表面不断地向液体主体渗透， 每一瞬 间均有不同的瞬间浓度分布和与之对应的界面瞬间 扩散速率 与界面上的浓度梯度成正比 。流体表面 暴露的时间越长， 膜内气体浓度分布曲线就越平缓， 界面上气体溶质扩散速率越小， 见图 2。在实际工业 设备中进行的气液传质过程中， 相界面上的流体总是 不断地与主流混合而暴露出新的接触表面。 图 2液相中气体溶质浓度随气、 液接触时间变化 Fig．2Change of gas concentration in liquid phase by contacting time of gas and liquid 此理论的液相传质系数的计算见式 2 KL 2 DAB πθ 槡 c 2 式中 θc为气、 液接触时间或气体溶质渗透时间， s。 从式 2 可以看出 气体在液相的传质系数主要 受扩散系数 DAB和气、 液接触时间 θc的影响。 1. 3表面更新理论 根据 Danckwerts［5 ］的表面更新理论， 气液接触表 面总在连续不断地更新， 而不是每隔一定的周期 θc 才发生一次。湍流液体中的某些旋涡能直接在界面 与湍流液体主体之间移动， 使液体表面能够不断地为 液相湍流区移来的一个个微小液体旋涡单元所更新。 界面附近的气体溶质 A 则源源不断地被微小液体旋 涡卷入液相并溶解到液相中， 见图 3。 图 3表面更新模型示意 Fig．3Schematic diagram of the surface renewal theory model 此理论的液相传质系数见式 3 KLSD 槡 AB 3 式中 S 为任何龄期的液体表面单元被更新的频率， s －1。 从式 3 可以看出 气体在液相的传质系数主要 受流体表面单元被更新的频率 S 和扩散系数 DAB的 影响。 1. 4溶气效率 溶气效率见式 4 ［6 ］。  Cout－ Cin C*－ Cin 1 － e －α L KL t 4 式中  为溶气水的相对饱和度， ; Cout为溶气水实 际的溶解度， kg/m3; Cin为溶气水在溶气设备入口处 的溶解度，kg/m3; C*为溶气水在一定温度和压力下 的饱和溶解度， kg/m3; α 为气液界面交换系数， 即单 位体积水和气相接触的相界面总面积， m2/m3; t 为溶 气时间， s。 从式 4 可以看出 溶气效率主要受气液界面交 换系数 α、 传质系数 KL、 溶气时间 t 的影响。 2新型溶气设备介绍 2. 1技术原理 根据双膜理论， 难溶空气向水中的传质属于液膜 控制过程， 若采用水力旋流的方式则可以增加液相表 面流速降低液膜厚度， 从而提高气体溶质在液相的传 质系数。根据溶质渗透理论， 若采用低的气液接触时 间， 可以提高液相传质系数。根据表面更新理论， 若采 用具有一定雷诺数的旋流则可增加液相表面更新频 率， 从而提高液相传质系数。根据溶气效率公式， 增加 液相表面更新频率并提高传质系数可提高溶气效率。 本技术将三个传质理论中可增加传质效率和溶 气量的措施全部集中在了一个设备中。具体是将溶 气时间 t 分成多个短的接触时间 θc， 加大溶质 空气 在液相中的传质系数。并利用进水势能和注入的空 16 水污染防治 Water Pollution Control 气势能创造并维持具有一定雷诺数的水的旋流态。 这个旋流态即减薄了水膜厚度， 又增大了气液接触表 面更新频率， 最终加大了空气溶质在液相中的传质系 数和溶气效率。 2. 2结构 传统的压力溶气罐是靠延长加压水在溶气罐中 的停留时间 t 来保证溶气效率， 增加填料分散进水即 加大 KL来保证传质速率， 如图 4 所示。填料溶气罐 一般高 2 m 以上， 体积大， 采用高 SS 进水全流溶气时 容易堵。另外， 溶气罐进水中若加入混凝剂和絮凝 剂， 则形成的絮体经填料时容易破碎， 影响出水水质。 图 4传统全流加压溶气气浮流程示意 Fig．4Schematic diagram of the traditional pressurized dissolved air- flotation process with all inlet water 新型压力溶气设备如图 5 所示， 其核心为多个串 联布置的旋流压力溶气罐。高压进水从溶气罐上方切 向进入罐内， 并沿内壁形成具有一定雷诺数的螺旋流 运动， 这种特殊的流态减薄了液膜的厚度， 大大提高了 传质系数。同时， 压缩空气垂直从溶气罐顶部注入， 在 罐内形成倒锥形气顶， 锥形气顶的底部越接近罐底， 和 水的接触面越大。进入溶气罐内的流体旋转多次才流 出罐外， 相当于增大了气液接触频率和接触面， 传质系 数和溶气效率都大大提高。溶气罐的上方设置有自动 排气阀， 可及时排除未溶解的空气， 并控制溶气罐中的 压力和倒锥体气顶的厚度。由于每个溶气罐有效容积 都较小， 相当于缩短了气液接触时间， 避免了流体表面 长时间暴露， 增加了传质系数。本溶气设备综合考虑 了影响传质效率和溶气效率的多方面因素， 在传质系 数和溶气效率上都比传统的压力溶气罐大。 2. 3技术特点 1溶气速率快。每个溶气罐中的水流和空气的 接触时间都很短， 传质浓度梯度大。罐内液面更新频 率快， 气液传质系数大。大的传质浓度梯度和传质系 数都加大了溶气速率。 2溶气效率高。液面的更新相当于增加和空气 的接触面积， 溶气量大。另外， 接近溶气罐底部的漩 图 5新型旋流加压溶气气浮流程示意 Fig．5Schematic diagram of the novel pressurized swirling dissolved air- flotation process 涡中心可以卷入大气泡， 在水力剪切作用下， 形成气 核 微小气泡 。旋流环液层表面的微小涡流也可卷 入一定量的小气泡， 在水力剪切作用下， 形成气核 微小气泡 。气核形式增大了溶解量。 3溶释气效率高， 释放的气泡有效利用率高。 溶释气效率可达 90以上， 释放的气泡直径小， 数量 多， 和污染颗粒的粘附机率大。 4形成的浮渣稳定， 含固率高， 可达 10。 5溶气稳定。气泡的分散度和泡沫的稳定性是 影响气浮效果的主要因素， 气泡细小， 分散均匀， 则吸 附表面积大， 气泡与絮粒接合的机会增多， 气浮效果 好 ［7 ］。分级溶入空气的方式比集中溶入空气的方式 如利用填料式压力溶气罐溶气 更能提高微气泡与 污染物颗粒的碰撞效率和粘附效率［8 ］。 6节能。空压机供气可以防止水泵的压力有大 的损失 ［9 ］。该新型设备是压缩空气分别注入每个旋 流溶气罐， 罐中空气势能传给进水， 这样不仅利于溶 气， 还对每级的进水进行保压和增压， 进水泵的功率 可以减小。本设备可全流溶气， 节省了回流溶气中设 备的动力费用。 7不堵塞溶气罐、 水头损失小， 设备流道通畅， 适用于高 SS 进水。 8可回收高品质“油泥” 。可在不添加混凝剂、 絮凝剂的条件下全流溶气， 使油田废水中的乳化油等 颗粒脱稳、 絮凝， 节省了化学药剂费用， 出来的油泥 浮渣 品质好， 可回收。 9出水水质好。当出水水质要求高时， 可在每 个溶气罐前加入不同的混凝剂、 絮凝剂， 如图 5 所示。 同时完成乳化油的脱稳、 凝聚和溶气， 相当于气核 － 嵌合絮凝设备， 但明显不同于共凝聚气浮 ［10 ］设备和 气浮与絮凝组合技术［11 ］中的设备。 10设备紧凑， 占地小。 11适用于含聚含油的油田水处理。油田聚驱 26 环境工程 Environmental Engineering 采出水中由于 HPAM 的存在使含油污水的黏度增 大， 必须增加沉降罐的沉降时间， 降低过滤罐的过 滤速度， 才能达到处理要求［12］。另外用传统粗粒化 斜板除油罐由于油聚体黏度大而容易堵塞除油罐 的粗粒化滤料、 斜板。本反应器设备全通道式设 计， 和后续气浮机组合可以取代原来的粗粒化斜板 除油罐， 并可降低后续过滤罐的负荷， 减少过滤罐 的反冲周期。 3中试情况 大庆油田某注水站采出水， 原处理工艺为重力沉 降 粗粒化斜板除油 过滤。中试装置为旋流溶气罐 和气浮机的组合， 配备有 PAC、 PAS、 PAM 等化学药剂投 加设备。整套装置处理能力3 ～4 m3/h。进水采自原设 施中的沉降罐出水， 其中含油150 mg/L， SS 为50 mg/L。 1 不加化学药剂条件下 只用旋流溶气罐对全流 进行溶气， 气浮池出水含油量为 90 mg/L， SS 为 30 mg/L， 去除率均为40， 只产生电费0. 25 元/m3 ， 浮 渣为稠厚的油泥， 含固率在9 ～10， 可回收利用。 2 加化学药 剂 条 件 下 气 浮 池 出 水 油 可 达 20 mg/L， SS 为 20 mg/L， 去除率分别为 87、 60， 产生药剂费 0. 8 元/m3， 电费 0. 25 元/m3。若控制好 化学配比和投加量， 出水油可达 10 mg/L、 SS 为 5 mg/L， 去 除 率 分 别 为 93、90，出 水 满 足 Q/SYDQ06052006大庆油田油藏水驱注水水质指 标及分析方法 中 0. 1 ～0. 3 μm2空气渗透率对应的 油含量 10 mg/L、 SS 含量 5 mg/L 的指标限值。 4结论 该新型压力溶气设备溶气速率快、 溶气效率高、 释放气效率高、 溶气利用率高。该设备无机械部件， 维护容易， 组合方便。可完成溶气、 混凝、 絮凝， 出水 水质好， 不会堵塞， 节省化学药剂、 节能高效。适用于 油田含油废水和同时含油含聚的废水。 参考文献 ［1］时玉龙， 王三反， 武广， 等． 加压溶气气浮微气泡产生机理及工 程应用研究［J］． 工业水处理， 2012， 32 2 20- 23. ［2］吴琦． 气浮选含油污水处理技术［J］． 油气田地面工程， 2010， 29 3 53- 55. ［3］Whitman W G． The two- film theory of gas absorption［J］． Chem ＆ Met Eng， 1923， 29 146- 148. ［4］Higble Ｒ． The rate of absorption of a pure gas into a still liquid during short periods of exposure［J］． Trans Am Inst Chem Eng， 1935， 31 365- 389. ［5］Danckwerts P V．Significance of liquid- film coefficients in gas absorption［J］． Ind Eng Chem， 1951， 43 1460- 1469. ［6］王广丰， 张国忠， 李文华． 溶气水饱和度对气浮净水溶气效率的 影响［J］． 青岛建筑工程学院学报， 2002， 23 3 45- 48. ［7］程祥． 浅谈涡流泵溶气气浮及应用［J］． 企业技术开发， 2012， 31 10 66- 67. ［8］涂华， 余录， 周锡兰． 含油废水气浮技术的应用现状及展望 ［J］． 广东化工， 2012， 39 7 154- 155. ［9］于锋， 范益恒． 加压溶气气浮技术在印染废水活性污泥处理后 的应用［J］． 广东化工， 2012， 39 1 201- 202. ［ 10］马骏， 杨昆， 张学发， 等． 应用于含油废水处理的新型加压溶气 气浮技术［C］∥中国化工学会． 第三届全国石油与化工节能 节水技术交流会暨化工节水与膜应用研讨会论文集． 大连 中国化工学会， 2011 208- 213. ［ 11］简小文， 郭勇， 郝海保， 等． 气浮水处理技术新进展［J］． 集输处 理， 2012， 31 3 49- 50. ［ 12］乔攀尧． 气浮 － 淹没式滤池法处理含聚污水［J］． 集输处理， 2012， 31 6 46- 47. 第一作者 赵步超 1982 － ， 男， 工程师， 主要研究方向为工业水处理 技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 zhaobuchao163． com 上接第 83 页 参考文献 ［1］张相亮，沈恒根， 周睿， 等． 袋式除尘器进风均布结构参数对气 流分布的影响分析［ J］ ． 环境工程， 2012， 30 4 76- 79． ［2］赵美丽， 周睿， 沈恒根． 袋式除尘器喷吹管设计参数对喷吹气量 影响的计量分析［ J］ ． 环境工程， 2012， 30 3 63- 66． ［3］栾昌才， 陈荣美． 国内外矿用湿式除尘器发展概况［J］． 煤矿安 全， 1994 6 22- 24． ［4］郭胜钧． 矿用气动湿式孔除尘器的研发与应用［J］ ． 煤炭科学 技术， 2012 5 31- 32． ［5］谭建华， 杨成全， 朱丰铃， 等． 抽放负压干式钻孔除尘器的研制 与应用［J］． 江西煤炭科技， 2013 3 41- 42． ［6］苖惠东， 邱光林． 矿用湿式过滤除尘器在综掘工作面上的应用 ［J］． 矿业安全与环保， 2001 3 32- 33． ［7］吕得明． 掘进工作面综合防尘技术与应用［J］． 中国新技术新 产品， 2010 12 12- 13． ［8］牛志文． 综掘工作面使用小型除尘器防尘的实践［J］． 煤矿安 全， 2010 12 10- 11． ［9］宋马骏． 国外煤矿粉尘控制新技术［J］． 湖南安全与防灾， 2007 1 32- 34． 第一作者 王加东 1966 － ， 男， 总工程师， 主要从事机械设计、 环保工 艺研究。wjd1008163． com 36 水污染防治 Water Pollution Control