多功能超细化污水处理装置的研制及应用

第15卷第13期2015年5月1671—1815(2015)13-0067-05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.15No.13May20152015Sci.Tech.Engrg.多功能超细化污水处理装置的研制及应用刘静静(中石化胜利油田滨南采油厂工艺所，滨州256601)摘要针对平方王油田污水特点，设计了一套多功能超细化污水处理装置，该装置通过在污水中混入一定量空气，利用多相流中气液分布与传质原理，可同时解决污水水质改性、预氧化脱硫脱铁等问题，将腐蚀与水质不稳定性问题，在站内的预氧化过程中一并加以解决;现场试验结果表明，CO2去除率65%以上，预氧化脱硫率100%，二价铁、总铁脱除率大于90%，污水pH值提高0.9左右，效果明显。具有较广的推广价值。关键词酸性污水多功能污水处理装置现场试验中图法分类号TE357.61;文献标志码B2014年11月26日收到作者简介:刘静静(1981—)，女，工程师，硕士研究生。研究方向:油田化学。E-mail:ljjw199@163.com。胜利油田滨南采油厂的平方王油田生产井伴生气即为CO2，造成该油田采出水中富含CO2，(污水中游离CO2含量在200～400mg/L，HCO3－在3240mg/L左右)，污水pH值低5.9～6.4，腐蚀速率高(空白污水腐蚀速率0.6mm/a左右)，设备流程、注水管网腐蚀严重，沿程水质不稳定。为解决平方王油田污水的腐蚀问题，曾进行过化学改性试验，但效果不理想，试验期间加碱量最高至8t/d时，pH仅升至6.8，腐蚀仍不达标，由于加碱量大，现场结垢严重，污泥量大。试验结果表明，依靠化学药剂进行水质改性，不适合这种高含CO2的酸性油田污水。目前平方王油田污水依靠投加大量的缓蚀剂来抑制腐蚀，但引起腐蚀的根本因素———CO2并没有消除，注水流程末端腐蚀现象依然存在。因此，探索利用其他有效方法，去除CO2、提高污水的pH值，解决腐蚀与水质不稳定等问题，实现井口水质达标十分必要［1］。1多功能超细化污水处理装置研制1.1高效超细化气液混合反应技术的理论基础CO2在水溶液中的气液平衡符合亨利定律，CO2在水溶液中的亨利常数比CH4和O2小，其溶解能力远大于CH4和O2，故可通过空气与污水的快速混合，达到去除CO2的目的［2—5］。通过空气与污水的快速超细化混合，CO2从污水中快速解吸，引发的化学反应有:CO2+H2→OH2CO→3H++HCO3－(pH↓6.5)(1)HCO3－+H2→OH2CO3+OH→－CO2↑+H2O(pH↑7.5)(2)体系中有CO2存在时，反应式(1)起主导作用，H+使水呈酸性，当CO2去除后反应式(2)起主导作用，水呈碱性。水由酸性转为碱性后，还会伴随发生沉淀反应式(3)和式(4):Fe2++2OH→－Fe(OH)2↓Fe3++3OH→－Fe(OH)3↓(3)HCO3－+OH→－CO32－+H2OCa2++CO3→2－CaCO3↓Mg2++CO3→2－MgCO3↓(4)另外，空气中的O2进入污水形成溶解氧，引发氧化反应，起到脱硫除铁和杀菌作用，反应式(3)和式(5)。S2－+1/2O2+H2→OS↓(除硫)+2OH－(5)依据麻省理工学院Lewis和Whitman的双膜理论，假定气液相界面两侧各存在一个静止的膜，即气膜和液膜，两相间的物质传递速率取决于通过气膜与液膜的分子扩散速率。其传质速率的经典公式为传质速率=KgA(pg－p*g)=KlA(c*l－cl)。式中K为与温度有关的速度常数，压差(Pg－P*)或浓度差(C*－C)为推动力，但对油田污水来说该差值变化很小，A为气液相接触面积。在三因素中，增大常数K和压差的可能性小，而只有提高气液两相接触面积A，是加快CO2传质(解吸)速度的最有效方法，当气泡达到微米级时，图1气液相反应双模示意图Fig.1TheSchematicdiagramofgas-liquidphasereaction气液可达到超细化混合，接触面积显著提升，CO2解吸速率大幅提高，反应时间缩短。设计的多功能超细化污水处理装置的出发点就是通过设计特殊的内部构造，实现气液超细化混合、提高气液两相界面，从而达到快速解吸CO2、提高pH值的目的。1.2快速多功能预氧化反应器设计及优化研究目前工业中常见的气液混合反应器有填料塔、鼓泡塔、揽拌反应器［3，4］，其中鼓泡塔、揽拌反应器的气液接触面积小，无法做到快速传质;填料塔接触面积相对较大，可借鉴，但若要实现形成微米级的气泡，技术能耗太高，无法实现大规模的工业化运用，因此需要研制新型的反应器。1.2.1流体力学组件的选用为实现高效超细化气液混合反应，需要研究设计快速气液混合装置。通过静态混合原理与填料气提塔的