电脱盐污水处理技术改造方案分析

安永峰，付满平，司春旭，张安宁

（中国石油宁夏石化公司，宁夏银川 750026）

常压蒸馏装置，是原油加工的第一道工序，也是炼油厂的龙头装置。原油可经蒸馏装置分离出各种油品和其他原料，其平稳运行和高精度分离都会影响到原油的有效利用率和下游装置的长周期平稳运行。原油电脱盐工艺是常压蒸馏装置中的预处理工艺，主要任务是初步脱除原油中的无机盐、水和机械杂质。它不仅对本装置的平稳操作、降低能耗和设备防腐起着十分重要的作用，还对下游装置的原料性质、设备防腐防堵及产品质量和分布等都发挥着很重要的影响。

1 电脱盐系统运行现状分析及改造方案比选

1.1 电脱盐系统运行现状分析

原油电脱盐工艺的核心装置是常压装置电脱盐罐，原油中携带的少量泥沙、无机盐等杂质，都会有部分在电脱盐罐中缓慢沉积。为了清除沉积物，电脱盐罐需要定时进行反冲洗操作将罐中的沉积物冲洗出来，同时罐中有大量黑色的含盐污水排出。因此，在电脱盐罐反冲洗操作时脱盐污水的COD 含量（化学需氧量）、含油量和固体颗粒物较平时更高，增加了下游污水处理装置的处理难度和处理成本。

为了降低常压电脱盐罐排污杂质的含量，目前在脱盐罐污水出口安装了常压排污除油罐（D-110）装置，它主要是依靠重力自然沉降来实现油水分离的。为了提高分离效果，常压排污罐往往需要加注清油剂，若要清油剂达到较好的油水分离效果，则需要较长的沉降时间。而目前的常压排污除油罐（D-110）容积偏小，污水沉降时间不够充足，所以含盐污水和油渣的分离不够彻底，高含油量又导致了污水的COD 含量偏高，因此下游污水处理装置的运行难度增加，外排含盐污水的合格率下降，对节能环保不利。

1.2 改造方案的提出和比选

为了解决此问题，本厂急需探索新技术、新工艺，力求提高常压含盐污水的洁净度，从根本上保证电脱盐外排污水合格率，并以此为出发点，提出以下两个方案：

方案一：对现有的常压排污除油罐（D-110）进行扩大改造。经讨论，常压排污除油罐因其分离原理主要为重力分离，若要提高其分离能力，则需要扩大体积并增加内件层数，增加沉降时间的同时提高沉降效率。但生产现场空间狭小，无法满足扩建条件，并且此方法所能提高的分离效率有限，故此方案未予采纳。

方案二：引进水力旋流分离技术，此技术只需在电脱盐罐后用一组水力旋流分离器来代替常压排污除油罐，其设备占地空间很小，甚至无需将原除油罐拆除，而分离效率高、速度快、分离效果好。此方案可行性较强，拟采用此方案改造。

2 水力旋流分离技术介绍[1，2]

2.1 理论基础

水力旋流技术是从提高水与杂质物质的分离速度为出发点来提高排放污水的洁净度的，依据STOKS 理论，两相物质的分离速度与介质的粒径、密度差和重力加速度均存在一定的函数关系。在一倍重力环境下，只有两相密度差超过50%，才有可能完全依靠自然沉降来实现分离。对于既有的电脱盐污水系统来说，油滴、悬浮物和固体颗粒它们的粒径范围大致固定在10～50 μm，它们各自与水的密度差也固定不变。因此，若要提高分离速度，只有提高分离系统中的重力加速度才有可能实现。水力旋流器就是将分离系统中的重力加速度提高到1 500 倍以上，以此来实现水与其他杂质快速而良好的分离，在大部分实际应用中，分离速度只需要2～3 s。

2.2 工艺与技术原理

本厂常压装置中拟引进的水力旋流设备包括除固水力旋流器和除油水力旋流器两部分，为了减少固体颗粒物对下游装置的磨损，常压电脱盐罐污水排出后，首先经除固水力旋流器除去固体颗粒物后，再进入除油水力旋流器去除残余油分，最后排放至下游污水处理装置（见图1）。

图1 水力旋流设备工艺流程示意图

2.2.1 除固水力旋流设备 在除固水力旋流器中，含固体颗粒物的污水进入旋流器腔体后以设定的压力由切向进料口进入每根旋流管中。旋流管中的流体混合物在压力作用下高速旋转，产生了很强的离心力场，密度较大的固体颗粒物在重力作用下向下外旋流进入腔体底部的集尘斗中；密度较小的含油水部分向上内旋流经净水出口排出。

除固水力旋流设备是通过“压差比”来维持恒定的分离效率的。所谓“压差比”是指污水入口压力和净水出口压力的比值，即：

除固水力旋流器拥有一套可以监测污水入口密度并根据此密度变化来调节自身入口压力的自控系统。它包括传感、计算和控制三大模块，当污水入口的固体颗粒物含量发生变化时，入口污水的密度也会随之变化，传感模块中的密度传感器可以将污水入口的密度信息传输至计算模块，计算模块依据入口密度和设定的“压差比”计算出相应的净水出口压力，并将计算出的出口压力数据传输至控制模块，由控制模块的执行机构调节装置出口的阀门开度，使整个系统实现自动控制。

2.2.2 除油水力旋流设备 除油旋流器工作时与除固旋流器类似，将含油污水由入口管以设定的压力切向进入并联的旋流管中。在锥形旋流管内部，密度较大的水和少量固体颗粒物部分在离心力的作用下，向下外旋流进入污水出口管，从底流口排出；密度较小的油滴部分向上内旋流进入污油出口管后，经溢流口排出。

除油水力旋流器的自控部分也与除固水力旋流器相似，只是压差比不同：除油水力旋流器的“压差比”是指污水入口与污油出口的压差和污水入口与净水出口的压差比值，即：

当污水入口的含油量发生变化时，自控系统中的密度传感器将污水入口的密度数据采集并传输至计算模块，根据入口密度分别计算出相应的污油出口压力和净水出口压力，并将数据传输至控制模块，由控制模块的控制单元分别调节污油出口阀门和净水出口阀门的开度，使整个系统实现自动控制。

2.3 水力旋流器的优点

（1）分离效率高。高效水力旋流器能够产生大于1 500 倍重力加速度的离心力，使介质的相间分离在2～3 s 内即可实现，并且分离效率高达99%。

（2）所占空间小。撬装设计，需1.8 m×1.5 m×1.2 m的安装空间。

（3）结构简单。水力旋流器既不需要滤料也没有任何需要维修的运动件、易损件和支撑件，降低了设备运行维护的成本。

（4）运行费用很低。仅需1.2 MPa 以内的压力即可作为水力旋流器的驱动动力，其污水进口压力自身满足此压力要求，无需增设加压设备。运行中也不需要任何增效剂，很大程度上降低了生产成本。

（5）适用范围广。每个水力旋流器元件都可以单独使用，如需要加大处理量，仅需将多个元件并联使用，可以满足绝大多数污水预处理工艺的需要。

（6）工艺操作简单。水力旋流技术实现了压力调节操作的自动化，运行参数确定后能够长期地稳定运行，工艺操作非常简单，操作人员可以轻松掌握操作技能而无需经过复杂的培训过程。

（7）不产生二次污染。水力旋流器的分离过程是全封闭式的，分离出的和介质净化后的液体均由管道输送回收再利用或者再处理，不会产生二次污染。

3 厂内生产试验过程及效果评价

为进一步验证水力旋流器的分离效果，项目进入试验分析阶段。

3.1 试验目的

验证水力旋流器在本厂电脱盐污水环境中的使用效果。

3.2 试验介质

常压电脱盐含盐污水（污水外排流量约40 t/h，压力约1.1 MPa，温度约120 ℃）。

3.3 试验位置

将试验用水力旋流设备接入常压一级电脱盐罐外排污水管线排放口处（见图2）。

图2 水力旋流器安装位置示意图

3.4 试验安排

考虑生产现场的有限条件和试验结果对比的方便，将水力旋流设备的油水力旋流器（称为：“除油试验”）和除固水力旋流器（称为：“除固试验”）分别进行。因为污水的预处理效果与电脱盐罐的反冲洗操作息息相关，为了全面地分析旋流器在各种工况下的分离效果是否能够符合要求。试验过程安排如下：

除固试验安排在电脱盐罐反冲洗操作的同时进行，此时是脱盐罐出口污水的固体颗粒物达到峰值时间。

因工艺流程上除油设备在除固设备之后，实际生产中不大可能受到大量固体颗粒物的冲刷，同时除油设备在结构上也不允许大量固体颗粒的磨损和腐蚀，故除油试验不可与脱盐罐反冲洗操作同时安排，因此只在反冲洗操作前后各做一次，供对比分析。

综上，此次共安排三组试验，试验顺序为：第一次除油试验—除固试验（同时进行脱盐罐反冲洗操作）—第二次除油试验。

3.5 除油试验[3]

3.5.1 试验过程 第一次除油试验：在电脱盐系统正常运行的工况下，投用除油水力旋流器，使其平稳运行15 min 后采第一组样品。采样结束后，水力除油器停运。

第二次除油试验：在末端电脱盐罐反冲洗操作和除固试验均结束后，再次投用除油水力旋流器平稳运行15 min 后采第二组样品。采样结束后，水力除油器停运。

3.5.2 观感检验 两组除油试验中采集到的样品（见图3）。

图3 除油试验两组样品

从表1、表2 试验样品可以看出，两组试验的净水出口水质相较于污水入口的水质均有明显改善。由于没有除固环节，第一组试验电脱盐罐D-101 反冲洗前的净水出口带有少量悬浮物和沉淀物（固体颗粒）；而电脱盐罐反冲洗后，污水入口水质相对于第一次试验更好，净水出口样品的透明度很高，体现出较好的脱油效果。

表1 第一组除油试验观感检验结果

表2 第二组除油试验观感检验结果

3.5.3 数据分析 将两组样品送试验中心进行油类和COD 数据检测，结果（见表3、表4）。

表3 第一组除油试验油类和COD 检验数据

表4 第二组除油试验油类和COD 检验数据

从表3、表4 试验数据可以看出，两组数据的净水出口均可达到油含量≤30 mg/L、COD 含量≤1 000 mg/L，试验结果均能达到下游工艺的接受标准。电脱盐罐反冲洗后的第二次试验，净水出口的试验数据更加理想。

3.6 除固试验

除固试验选择在电脱盐罐反冲洗的工况下进行，因为在电脱盐罐反冲洗的过程中，会冲洗出罐内沉积的大量油泥，此时外排污水颜色显著变黑，油、COD、固体颗粒等杂质的含量均严重超标，对下游污水处理装置造成较大的冲击，所以此时是除固设备发挥效用的关键时间，也是验证设备除固效果的最佳时间。

3.6.1 试验过程 除固试验的试验过程安排如下：电脱盐罐反冲洗全过程需要30 min，电脱盐罐反冲洗过程运行15 min 后，排出污水中的固体颗粒含量达到最大值，此时开始投用除固水力旋流器。15 min 后，电脱盐罐冲洗完毕，除固水力旋流器继续运行15 min 后进行采样，此时除固水力旋流器已平稳运行30 min（见图4）。

图4 试验设备运行时间示意图

观感检验和数据分析结果（见表5）。观感检验：由于试验过程没有除油步骤，净水出口尚存部分油脂，严重浑浊的进口污水经除固处理后转变为轻微浑浊的出口净水，大部分固体颗粒物伴随油泥被分离出来。污水出口样品静置24 h 后无明显固体沉淀，固体颗粒物含量可满足下游水处理接受标准。此次试验共收集到的固体颗粒质量为520 g（见图5）。

表5 除固试验数据分析结果

图5 除固试验中收集的泥沙

试验数据分析：净水出口的油含量为46.5 mg/L（油含量≤30 mg/L 为合格），COD 含量为1 355 mg/L（COD含量≤1 000 mg/L 为合格），油含量与COD 含量存在同向增减的正相关关系，从前面的试验结果可以看出，此两项指标超标量均在除油旋流单元的处理能力之内，实际应用中不影响排出污水的合格率。

4 经济效益核算

水力旋流设备投用后，电脱盐外排污水质量即可达到下游装置的接受标准，原有排污除油罐可停运或拆除。

（1）原有除油罐需添加清油剂，其用量约600 t/a，价格约3 000 元/吨，所需费用约180 万元/年。而水力旋流设备无需增加药剂，也不需要额外动力，因此每年可节约运行费用180 万元。

（2）原有除油罐中的部分污油会流入下游水处理系统中，因而增加下游水系统的处理难度和排放水超标的风险，同时也造成了较大的浪费。而除油水力旋流器所收集的污油可以回炼再利用，其收集量约为总处理量的1%，按照污水处理量40 t/h 计算，每小时可收集污油约0.4 t，一年可收集污油约3 500 t 替代部分原材料。

（3）水力旋流设备结构相对于排水除油罐更加简单，维护也更加方便，代替排水除油罐后，可以节省除油罐内配件更新及维修的费用。

（4）水力旋流器将污水中的颗粒物分离并收集排出系统，有效减缓了下游设备的磨损，降低了下游设备的维护和更新费用。除油罐则只能将固体颗粒物排入下游设备进行再处理，易形成对下游设备的磨损和腐蚀，增加了整套设备的维护费用。

（5）引入水力旋流设备后电脱盐外排污水的COD含量从1 500 mg/L 左右降低至1 000 mg/L 以内。经核算，COD 年排放量减少约175 t，为下游工艺减轻运行负担的同时也为满足环保要求增加了一份保障。

5 结语

水力旋流设备在电脱盐污水处理过程中有效降低了电脱盐污水中的油、COD 和固体颗粒等杂质，稳定高效地将处理后的水质控制在合格范围内。不仅减轻了下游污水处理设备的运行压力，而且有效地减少了固体颗粒杂质对下游设备的磨损，延长了下游设备的使用周期，降低了设备的运行费用，设备本身的自动化操作简单易行。节约了运行成本，实现了节能降耗，保障了达标排放，降低了操作难度，体现出很好的经济效益和社会效益。