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技術(shù)文章

改性纖維球過濾技術(shù)在油田回注水處理中的應(yīng)用

閱讀:3267發(fā)布時間:2007-4-19

   八十年代初,清華大學(xué)研制了新型纖維濾料,由于它具有可壓縮性及濾層可以形成理想的孔隙分布等特點,過濾性能優(yōu)于傳統(tǒng)的剛性濾料(石英砂、煤、磁鐵礦、核桃殼等),十幾來在國內(nèi)各行業(yè)水處理中得到廣泛得應(yīng)用。但是由于纖維濾料表面得親油性,粘附油后不能沖洗干凈,從而限制了該濾料在油田含油污水過濾處理中得應(yīng)用。為了克服纖維濾料的這一缺點,清華大學(xué)與清華同方股份有限公司繼續(xù)作了大量關(guān)于纖維濾料防油改性的研究,以及改性纖維球過濾系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)場試驗及工程應(yīng)用等方面的工作。本文主要從油田含油污水過濾除油、除懸浮物,滿足油田注入水質(zhì)達標(biāo)需要,對改性纖維球過濾技術(shù)、應(yīng)用方法及技術(shù)經(jīng)濟對比等方面進行了介紹。

  由于中國大部分油田已經(jīng)進入開發(fā)的中、后期,采出液中的含水量為60~80%,有的油田甚至高達90%。如果這些含油污水未經(jīng)處理直接排放,將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,也是水資源的極大浪費。因此,對油田含油污水必須進行處理回用,可以為油田帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。
  
  目前油田含油污水處理后的出路有三種。*種是處理后用于回注,此為目標(biāo),要求必須對水中的油、懸浮物及其顆粒粒徑進行控制;第二種主要是稠油污水,處理后用于熱采鍋爐的給水,要滿足熱采鍋爐給水的水質(zhì);第三種是多余污水處理后排放,按照中國綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn),除對含油及懸浮物等指標(biāo)進行控制外,還要對cod等排放指標(biāo)進行控制。綜上所述,油田含油污水必須進行處理,目前中國油田含油污水常規(guī)處理流程是:來水 → 緩沖調(diào)儲 → 除油、沉降 → 過濾 → 回注、回用或排放。
  緩沖調(diào)儲的目的是對來水進行均質(zhì)、均量,也兼有預(yù)處理目的。
  除油沉降的目的是去除水中大部分油和懸浮物。
  過濾是進一步去除水中細(xì)粒徑的油和懸浮物,起到水質(zhì)把關(guān)的作用。
  由于回注及鍋爐回用水對含油及懸浮物指標(biāo)要求都十分嚴(yán)格,因此油田含油污水處理工藝中的過濾技術(shù)也就成為整個工藝的關(guān)鍵和難點。

1 油田回注水指標(biāo)及水質(zhì)現(xiàn)狀
  自六十年代中國含油污水處理后用于回注至今,各油田污水處理及回注站已具很大的規(guī)模。隨著地層采出水量的不斷提高,注水量成倍增長,注水水質(zhì)要求也更加嚴(yán)格,目前執(zhí)行的是1995年中國石油天然氣總公司頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo) sy/t—5329—94》。
  該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定,從油層的地質(zhì)條件出發(fā),將水質(zhì)指標(biāo)按滲透率小于0.1、0.1~0.6、大于0.6μm2分為低(a)、中(b)、高(c)滲透三類。又將每類標(biāo)準(zhǔn)分3級要求。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中滲透的b1級及低滲透的a3級要求懸浮物顆粒粒徑控制≤2μm,低滲透的a2級、a1級要求懸浮物顆粒粒徑控制分別為≤1.5,≤1.0μm。這種精度是傳統(tǒng)多層濾料(石英砂、煤)和核桃殼濾料所無法達到的。

2 目前油田污水處理過濾技術(shù)存在的問題
  過濾器是油田污水處理zui后一道除油、除懸浮物的重要工序,目前油田普遍使用的過濾器有多層濾料(石英砂、無煙煤)過濾器和核桃殼過濾器等。核桃殼過濾器除油效果相對較好,但是控制懸浮物能力較差,多層濾料過濾器比核桃殼過濾器控制懸浮物能力稍好,但除油效果不佳,尤其濾速太低(一般選用12m/h左右),同等處理量選用設(shè)備數(shù)量太多,增加一次投資費用。核桃殼、煤、石英砂等顆粒濾料存在一些共同的缺點:
1)不能滿足低滲透油田回注水對懸浮物含量及顆粒直徑指標(biāo)的控制要求。
2)由于粒度?。?.6~1.8mm之間),易破碎,反沖洗時容易流失,需要經(jīng)常補充漏失的濾料。
3)對于稠油污水及原油中瀝青和膠質(zhì)含量較高的采出水,以上濾料容易出現(xiàn)板結(jié)問題,常使過濾無法進行,使整個過濾工藝癱瘓。

3 纖維球濾料的特點
  過濾是去除水中懸浮物的zui有效手段之一,在研究水的過濾方面,人類經(jīng)歷了漫長的過程。隨著科技的進步與人工合成新型材料的出現(xiàn),誘發(fā)人們用新的材料和新的工藝,對以石英砂為代表的傳統(tǒng)顆粒濾料提出挑戰(zhàn)。
  1982年日本尤尼奇卡公司(ュニチヵ)將人工合成纖維絲和用纖維絲制成的纖維塊作為濾料,分別用于水的凈化,取得了較好的效果。1983年,清華大學(xué)環(huán)境工程系在王占生教授的指導(dǎo)下,在國內(nèi)研制出新型的纖維球濾料,并取得了國家。
     
        
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圖1 日本尤尼奇卡公司卷曲纖維塊     


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圖2 清華大學(xué)研制的纖維球

  清華大學(xué)環(huán)境工程系在實驗室進行了研究,研制出不同型號規(guī)格的國產(chǎn)纖維球,采用小型試驗裝置(φ186mm×2500mm)及中試設(shè)備(φ1000mm×2500mm);在北京清河毛紡廠進行了沉淀池出水及接觸氧化池出水的過濾試驗,得出以下結(jié)論:
用纖維絲制成的纖維球濾料,空隙率高、比表面積大,吸附能力強,尤其是國產(chǎn)纖維球,是柔性可壓縮濾料,在過濾過程中,濾層空隙率沿水流方向由大變小,符合理想分布,是很好的過濾材料,主要特點如下:
1)濾速高。纖維球濾速可達40m/h,而砂濾濾速只有8~10 m/h。
2)出水水質(zhì)好。當(dāng)濾速為20~40 m/h時,國產(chǎn)纖維球可將沉淀池出水懸浮物由<20mg/l降到1.4~3mg/l,去除率85%左右,日本球出水懸浮物在3.2~3.4mg/l 左右。國產(chǎn)纖維球過濾接觸氧化池出水,懸浮物由20~80mg/l降到≤5mg/l。
3)截污量大。過濾沉淀池出水,纖維球濾層截污量為3~4.7kg/m2,為石英砂濾層的1.6~2.4倍;過濾接觸氧化池出水,截污量達4.5~9.4 kg/m2。
4)周期產(chǎn)水量大。過濾沉淀池出水時,纖維球過濾周期產(chǎn)水量為360~700m3/m2,是砂濾的3.6~7倍。
5)反沖洗水量少,約占過濾水量的2%左右,而砂濾反沖洗水量約占過濾水量的5%。
纖維球濾料過濾廢水試驗研究成果,于1986年通過了國家*組織的技術(shù)鑒定。清華大學(xué)還進行了纖維球壓縮過濾試驗,獲得了“可調(diào)節(jié)濾層的纖維球過濾方法"國家發(fā)明,采用該方法過濾一般水可得出水濁度<1(ntu)。

4 改性纖維球過濾技術(shù)的研制及現(xiàn)場試驗研究
  雖然纖維球過濾器的技術(shù)優(yōu)勢很大,但是普通纖維球由于具有非極性的親油表面,一旦吸附原油,根本無法反沖洗再生,因此限制了它在油田含油污水處理中的應(yīng)用。為了克服纖維濾料這一缺點,充分發(fā)揮其去除懸浮物的潛力,在王占生教授的組織指導(dǎo)下,清華同方股份有限公司環(huán)境事業(yè)部于2000年成功地開發(fā)了新型防油改性纖維球,申報“防油纖維濾料"和“扇形防油纖維濾料"國家實用新型,并在華北油田進行了現(xiàn)場試驗。研究成果綜述如下:
1)分析比較了各種不同纖維的綜合性能,研究了不同纖維的改性處理工藝,經(jīng)過比較篩選得知,滌綸纖維具有良好的耐熱性能,耐酸、耐堿和耐腐蝕性能,耐磨及耐微生物性能,適應(yīng)油田采出水的高溫、高腐蝕等特點。zui后選定以滌綸纖維作為改性對象,進行親水防油改性。
2)研究不同改性劑對滌綸纖維改性效果,篩選出*的防油改性藥劑,確定改性工藝參數(shù),得到理想的表面改性效果。由改性纖維球與原絲纖維球經(jīng)粘油洗滌后照片(圖3)對比可知,原絲纖維球經(jīng)粘油飽和后根本無法再生,而改性纖維球經(jīng)浸油飽和后用水沖洗時,能夠迅速恢復(fù)清潔的表面,從而得到再生。


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圖3 改性纖維球洗滌效果對比

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圖 4 原纖維絲的掃描電鏡圖片     
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圖5 防油改性纖維絲的掃描電鏡圖片


  對比改性前后纖維濾料的電鏡圖片(圖4、圖5),可見防油改性絲的表面已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化,防油改性藥劑一方面與表面非晶區(qū)中的自由基以及游離自由基發(fā)生化學(xué)接枝,另一方面通過物理吸附作用在纖維的表面。吸附時,由于纖維表面具有非極性,防油改性藥劑在上面吸附時,一般以親油基靠近固體表面,親水基朝外,這樣原來的非極性表面就變成親水的極性表面。
   3) 現(xiàn)場試驗研究
    現(xiàn)場試驗在中國某油田污水處理站進行,歷時2個月。試驗濾柱直徑164mm,柱高2.7m,改性纖維球裝高0.9m,來水為隔油罐后污水。試驗結(jié)果見圖6。

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圖6 現(xiàn)場試驗結(jié)果

  從圖6可知,改性纖維球的除油率及除懸浮物率均大于80%,來水含油<20mg/l,出水含油<5 mg/l,來水含油<10 mg/l左右,出水含油<2 mg/l。在去除懸浮物方面,更表現(xiàn)出非常好的控制能力,進水懸浮物10 mg/l左右,出水懸浮物≤2 mg/l,出水顆粒中值≤2μm,顆??倲?shù)去除率大于90%。
  反沖洗試驗結(jié)果表明:每個周期結(jié)束后,都要進行反沖洗,驗證防油改性纖維球濾料在實際水處理中的反沖洗效果。由現(xiàn)場觀測可知,2個月的運行期內(nèi),在進水含油量小于20 mg/l的情況下,每周期結(jié)束后反沖出水中瞬時含油量都高達2000 mg/l左右,為進水含油的100倍,這說明反沖洗效果很好,反沖洗后取纖維球分析其帶污率,結(jié)果見圖7。

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圖7 反沖洗實驗結(jié)果

  由圖7趨勢線可知,纖維球表面的帶污率在第6周期后上升趨勢變緩,到第21周期結(jié)束時纖維表面的帶污率≤5.0%。取現(xiàn)場試驗中的一枚纖維球繼續(xù)做浸油清洗試驗,總共試驗1000次,仍然可以使用。因此,不論是從現(xiàn)場試驗的結(jié)果以及相應(yīng)理論預(yù)測的結(jié)果,都說明防油改性纖維球濾料在用于實際油田采出水處理時,仍具有比較理想的反沖洗再生效果。由于反沖洗只能把過濾中截留超出平衡值油、泥洗凈,但不能使濾料回復(fù)到未投入使用的狀態(tài)。因此,經(jīng)過長期生產(chǎn)運行以后,由于纖維球還附有少量剩余油泥,球的顏色將由白色逐漸變成灰褐色,但不會影響處理效果。

    5 gql型系列改性纖維球過濾系統(tǒng)
  改性纖維球過濾系統(tǒng)是清華同方股份有限公司于2001年推出的一種新型過濾設(shè)備,是一種、高精度、耐油污的過濾系統(tǒng),含油污水的過濾處理。
    5.1. gql改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢
(1)該過濾系統(tǒng)的除油、除懸浮物效果*。除油效率比核桃殼高20%以上,更優(yōu)于雙濾料。按照中國石油天然氣總公司行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,gql過濾系統(tǒng)比核桃殼及雙濾料過濾器控制懸浮物顆粒的能力高1~2個等級。采用gql-a型(重力及水力壓縮濾層),出水可以滿足中、高滲透層要求,采用gql-b型(機械壓縮濾層),出水可以滿足低滲透層要求。
(2)gql過濾器的濾速是雙濾料過濾器的2倍;gql過濾器周期產(chǎn)水率是核桃殼過濾器的2倍,截污量是核桃殼過濾器的2.9倍。
(3)gql過濾系統(tǒng)濾料不會漏失,濾層不會板結(jié)。
5.2.改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)性能表(見表1)

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表1 改性纖維球過濾系統(tǒng)技術(shù)性能表

 
   5.3.適用范圍
★ 油田注水精細(xì)過濾、鍋爐回用水深度處理、外排水除油除懸浮物。
★ 煉油廠含油廢水深度處理。
★ 石油化工含油廢水深度處理。
    5.4.應(yīng)用方法
用于低滲透油田含油污水過濾處理典型工藝:
來水 → 除油、沉降 → gqla(一級或二級)過濾 → gqlb過濾 → 注水
目前,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國長慶油田回注水的處理工程中。
    5.5. 技術(shù)經(jīng)濟分析
gql改性纖維球過濾器與核桃殼及雙濾料過濾器技術(shù)經(jīng)濟對比見表2。

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表2 幾種過濾器技術(shù)經(jīng)濟分析

 
    6 應(yīng)用前景
    隨著中國水資源的日趨緊張,政府對各行業(yè)的水質(zhì)處理與排放指標(biāo)的要求日趨嚴(yán)格。隨著油田開發(fā)時間的延長,原油含水率不斷上升,采出水量也不斷增長,1995年以后,油田注水水質(zhì)執(zhí)行新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),要求注水水質(zhì)更嚴(yán),急需一種率、高精度、價格合理的新設(shè)備。新型改性纖維球過濾器的研究開發(fā),無疑適應(yīng)了這一市場需求,gql改性纖維球過濾系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,對于中國整個石油工業(yè)的污水處理具有十分重要的意義。

王同生:工程師,水務(wù)工程公司環(huán)境技術(shù)中心總工。
羅 敏 :工學(xué)博士,水務(wù)工程公司環(huán)境技術(shù)中心副主任。
邱福祥:工程師,水務(wù)工程公司產(chǎn)品部。

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