油气集输过程中含油污泥减量化

doi:10.16085/j.issn.1000-6613.2020-1317

摘要/Abstract

摘要：

集输过程中的含油污泥具有成分复杂、含液率高、乳化胶结稳定等特性，占油田危险废物新增量的约60%，是污染防治的重点。近年来，学者们开展了大量“调质-固液分离”减量化技术降低其环境风险和处置成本，但仍存在需要针对含油污泥不同来源优选相匹配的减量化调质方法和装置的难题。为此，本文回顾了氧化、破乳、絮凝、干化/半干、超声波、微波等化学与物理调质方法，离心机、叠螺机、压滤机3种固液分离装置研究进展，通过分别对各种调质方法及装置的对比分析，重点阐述了其作用机理、优缺点、适用对象。其中化学调质方法中破乳氧化、加酸更适用于高含聚油泥；表面活性剂破乳需加热，可与超声波相结合；有机和无机絮凝剂配合可提高罐底泥中油回收效果；干化/半干化法受经济效益制约。在文献基础上，认为未来应加强生物表面活性剂、生物电化学系统、椭圆叠螺机、基于固液分离装置数值模型基础上的设计与优化软件、多学科相结合的减量化耦合技术研究。

关键词: 含油污泥, 离心分离, 调质, 乳液, 胶体, 表面活性剂

Abstract:

The oily sludge in the process of gathering and transporting accounts for about 60% of the new increment of oilfield hazardous waste, which is the focus of pollution control. Oily sludge has the characteristics of complex composition, high liquid content, stable emulsification and cementation. In recent years, researchers have studied a large number of "conditioning solid-liquid separation" reduction technology to reduce the environmental risk and disposal cost of oily sludge. However, it is still a difficult problem to optimize and match the methods and devices for the reduction and conditioning of oily sludge from different sources. In this paper, the chemical and physical conditioning methods, such as oxidation, demulsification, flocculation, drying/semi drying, ultrasonic and microwave, and the research progress of three solid-liquid separation devices, such as centrifuge, screw stacking machine and filter press, are summarized. Through the comparison and analysis of various chemical conditioning methods and devices, the mechanism, advantages and disadvantages, and applicable objects are mainly elaborated. The analysis showed that: among the chemical conditioning methods, demulsification oxidation and acid addition are more suitable for high polymer oil sludge; surfactant demulsification needs heating, which can be combined with ultrasonic method; the combination of organic and inorganic flocculants can improve the recovery rate of oil in tank bottom sludge; to a certain extent, the drying/semi drying method is restricted by the economic benefits. On the basis of previous studies, the design of numerical models such as biosurfactant, bioelectrochemical system, elliptical helix machine and centrifuge should be strengthened. Furthermore, the software is further optimized, and the coupling technology of multi-disciplinary reduction is studied.

Key words: oily sludge, centrifugation, chemical conditioning, emulsions, colloid, surfactants

中图分类号:

X741

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图/表 5

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方法			作用机理	关键点	典型化学药剂	优点	缺点	发展趋势	备注
氧化法			剥离有机质与氢键吸附水，大分子亲水基团（物质）氧化为小分子亲油	氧化剂	H₂O₂/Fenton、ClO₂、KMnO₄、O₃、Na₂S₂O₈、K₂S₂O₈等	亲水基团被氧化断链	成本高，有安全环境风险	选用温和氧化剂并靶向氧化有机物	更适宜稠油、聚采油泥，可除硫^[4]
破乳法	物理破乳
	酸		压缩双电层，降低油泥中胶粒的ζ电位，破坏乳液结构	pH（常见为4）	H₂SO₄、HCl或其他固体酸	快速削弱或破坏乳液	易腐蚀设备，有安全风险	与其他技术耦合应用	更适宜于聚采油泥
	碱或盐		改变其表面极性和润湿状态，降低界面张力，剥离吸附油相	热碱液	NaOH、KOH、Na₄SiO₄、Na₂CO₃、Na₃PO₄等	脱出的水较澄清	分离率偏低，投药量大	与其他破乳剂结合应用	减量化不明显
	表面活性剂	常规	快速、有效地削弱或破坏油泥中的油-水界面膜，与乳化剂生成络合物或中和带电的油滴实现油泥脱稳	有机物的成分和电位	CTAB、DTAB、LAS、OP-10等	油回收率高，破乳速度快、效率高。	破乳剂及工艺广谱性差	优选低成本、环保型表面活性剂、助剂及油，研究循环使用	多用于罐底油泥，破乳-离心工艺
		生物	快速、有效地削弱或破坏油泥中的油-水界面膜，与乳化剂生成络合物或中和带电的油滴实现油泥脱稳	有机物的成分和电位	鼠李糖脂、棕榈基酯等	油回收率高，破乳速度快、效率高。	破乳剂及工艺广谱性差
		微乳	界面张力＜10^-4mN/m，乳化作用，破坏油水界面膜	界面张力	煤油（甲苯）+OP-10（NP-10、CTAB）+正丁醇	快速、高效	用量为油泥质量的数倍
	电化学破乳		在电渗析、电迁移和电泳等的联合作用下，低强度直流电使油泥中的水分、烃类和固体颗粒分别富集在两侧	电阻、pH、电势、电极间距等	增强材料：FeCl₃、鼠李糖脂、明矾等	回收轻质烃类效果好	受多因素影响，电阻、pH等，且成本较高	油泥储存池用作电破乳反应池	目前工业化应用尚不成熟
絮凝法	无机		压缩双电层及电中和作用，降低胶粒的ζ电位，使乳液外膜变薄，促进微粒碰撞吸附脱稳	絮凝剂/混凝剂	铝盐、铁盐系列和铁铝复合聚合物：AlCl₃、Al₂(SO₄)₃、FeCl₃及CaO等	工艺简单、投资和运行费用较低	胶质和沥青质高时，需要提高温度	据Cl^-和pH选择复配的混凝剂/助凝剂	无机和有机联合使用效果好
絮凝法	有机		在微粒间架桥、网捕等，促进液滴集聚	分子量	PAM、CPAM	工艺简单、投资和运行费用较低	投药量大	据Cl^-和pH选择复配的混凝剂/助凝剂	无机和有机联合使用效果好

方法			作用机理	关键点	典型化学药剂	优点	缺点	发展趋势	备注
氧化法			剥离有机质与氢键吸附水，大分子亲水基团（物质）氧化为小分子亲油	氧化剂	H₂O₂/Fenton、ClO₂、KMnO₄、O₃、Na₂S₂O₈、K₂S₂O₈等	亲水基团被氧化断链	成本高，有安全环境风险	选用温和氧化剂并靶向氧化有机物	更适宜稠油、聚采油泥，可除硫^[4]
破乳法	物理破乳
	酸		压缩双电层，降低油泥中胶粒的ζ电位，破坏乳液结构	pH（常见为4）	H₂SO₄、HCl或其他固体酸	快速削弱或破坏乳液	易腐蚀设备，有安全风险	与其他技术耦合应用	更适宜于聚采油泥
	碱或盐		改变其表面极性和润湿状态，降低界面张力，剥离吸附油相	热碱液	NaOH、KOH、Na₄SiO₄、Na₂CO₃、Na₃PO₄等	脱出的水较澄清	分离率偏低，投药量大	与其他破乳剂结合应用	减量化不明显
	表面活性剂	常规	快速、有效地削弱或破坏油泥中的油-水界面膜，与乳化剂生成络合物或中和带电的油滴实现油泥脱稳	有机物的成分和电位	CTAB、DTAB、LAS、OP-10等	油回收率高，破乳速度快、效率高。	破乳剂及工艺广谱性差	优选低成本、环保型表面活性剂、助剂及油，研究循环使用	多用于罐底油泥，破乳-离心工艺
		生物	快速、有效地削弱或破坏油泥中的油-水界面膜，与乳化剂生成络合物或中和带电的油滴实现油泥脱稳	有机物的成分和电位	鼠李糖脂、棕榈基酯等	油回收率高，破乳速度快、效率高。	破乳剂及工艺广谱性差
		微乳	界面张力＜10^-4mN/m，乳化作用，破坏油水界面膜	界面张力	煤油（甲苯）+OP-10（NP-10、CTAB）+正丁醇	快速、高效	用量为油泥质量的数倍
	电化学破乳		在电渗析、电迁移和电泳等的联合作用下，低强度直流电使油泥中的水分、烃类和固体颗粒分别富集在两侧	电阻、pH、电势、电极间距等	增强材料：FeCl₃、鼠李糖脂、明矾等	回收轻质烃类效果好	受多因素影响，电阻、pH等，且成本较高	油泥储存池用作电破乳反应池	目前工业化应用尚不成熟
絮凝法	无机		压缩双电层及电中和作用，降低胶粒的ζ电位，使乳液外膜变薄，促进微粒碰撞吸附脱稳	絮凝剂/混凝剂	铝盐、铁盐系列和铁铝复合聚合物：AlCl₃、Al₂(SO₄)₃、FeCl₃及CaO等	工艺简单、投资和运行费用较低	胶质和沥青质高时，需要提高温度	据Cl^-和pH选择复配的混凝剂/助凝剂	无机和有机联合使用效果好
絮凝法	有机		在微粒间架桥、网捕等，促进液滴集聚	分子量	PAM、CPAM	工艺简单、投资和运行费用较低	投药量大	据Cl^-和pH选择复配的混凝剂/助凝剂	无机和有机联合使用效果好

分类	作用机理	优点	缺点	备注
直接干化
压滤/离心半干化	离心密度、粒径差等在离心力或压力条件下物理分离	固液分离效果好，能耗相对较低、适用性强	需要对含油污泥预处理，单独使用效果差	工业化使用广，需要进一步提高机械装置性能
微波干化	增加介质分子的热运动，产生油水分子强烈的摩擦发热并破坏絮体	占地面积小，效果好	能耗高，存在微波对人体伤害的风险	频率300MHz～300GHz、波长0.001～1m的微波，有应用潜力
电渗透干化	含油污泥中水和颗粒在电场中呈正负电荷，水向阴极移动	脱水效率高，能耗相对较低	阳极易腐蚀，水减少效果降低	伴有扩散、电迁移和电泳等现象，有应用潜力
间接干化
桨叶式干化	热水、蒸汽或导热油分别进入壳体夹套和桨叶轴内腔，同时加热油泥	减量化效果好，根据需要可将含水率控制到15%以下	能耗高，单套装置处理能力低	干化速率10～35kg/(m²·h)，适合含油污泥产生量小且有余热可利用的油田
圆盘/薄层/带式干化	热水、蒸汽、高温烟气、电磁或导热油等高温介质对盛装油泥的腔体加热，蒸发使油水固分离	减量化效果好，根据需要可将含水率控制到15%以下		干化速率10～35kg/(m²·h)，适合含油污泥产生量小且有余热可利用的油田
双螺旋干化		黏度高油泥不易黏附、结焦		适用高胶质、沥青质、黏土矿物油泥
油炸干化	加热废油至100～180℃以上，将含油污泥直接放入“油炸”，水以蒸汽方式分离	脱水效率高、传热效率快、设备简单	处理能力小，反应过程激烈，存在安全隐患	未见相关反应装置，尚未工业化应用，不适合集输过程中含油污泥减量化工艺

分类	作用机理	优点	缺点	备注
直接干化
压滤/离心半干化	离心密度、粒径差等在离心力或压力条件下物理分离	固液分离效果好，能耗相对较低、适用性强	需要对含油污泥预处理，单独使用效果差	工业化使用广，需要进一步提高机械装置性能
微波干化	增加介质分子的热运动，产生油水分子强烈的摩擦发热并破坏絮体	占地面积小，效果好	能耗高，存在微波对人体伤害的风险	频率300MHz～300GHz、波长0.001～1m的微波，有应用潜力
电渗透干化	含油污泥中水和颗粒在电场中呈正负电荷，水向阴极移动	脱水效率高，能耗相对较低	阳极易腐蚀，水减少效果降低	伴有扩散、电迁移和电泳等现象，有应用潜力
间接干化
桨叶式干化	热水、蒸汽或导热油分别进入壳体夹套和桨叶轴内腔，同时加热油泥	减量化效果好，根据需要可将含水率控制到15%以下	能耗高，单套装置处理能力低	干化速率10～35kg/(m²·h)，适合含油污泥产生量小且有余热可利用的油田
圆盘/薄层/带式干化	热水、蒸汽、高温烟气、电磁或导热油等高温介质对盛装油泥的腔体加热，蒸发使油水固分离	减量化效果好，根据需要可将含水率控制到15%以下		干化速率10～35kg/(m²·h)，适合含油污泥产生量小且有余热可利用的油田
双螺旋干化		黏度高油泥不易黏附、结焦		适用高胶质、沥青质、黏土矿物油泥
油炸干化	加热废油至100～180℃以上，将含油污泥直接放入“油炸”，水以蒸汽方式分离	脱水效率高、传热效率快、设备简单	处理能力小，反应过程激烈，存在安全隐患	未见相关反应装置，尚未工业化应用，不适合集输过程中含油污泥减量化工艺

油田/联合站	工艺+装置	化学药剂及加量	设计能力 /m^3.h^-1	年份	处置前含水率 /%	处置后含水率 /%	其他
大庆葡萄花油^[21]	污泥浓缩罐+两级旋流+离心机	阳离子聚丙烯酰胺，17～40mg·L^-1	6	2009	93.7～97.2	67.9～73.9	旋流受限于离心原理^[22]，总功率52.5kW
	污泥浓缩罐+叠螺机	阳离子聚丙烯酰胺，20~24mg·L^-1	10	2011—2013	95.4～98.7	58～67.3	总功率8.5kW
辽河曙光油田^[23]	絮凝-浓缩-压滤	0.5%反絮凝剂	—	2018	98.25	75	浮渣处理成本约9.5CNY/t，体积减量6～8倍
华北车城油田^[24]	絮凝-浓缩-叠螺机	15～20mg·L^-1（1g·L^-1）阳离子PAM	—	2016	98.30	80.75	体积缩小至原体积的1/11