CN114426321A

CN114426321A - 一种油田采出水管式电絮凝破乳装置及方法

Info

Publication number: CN114426321A
Application number: CN202011009016.0A
Authority: CN
Inventors: 王刚; 肖建洪; 安申法; 龚山峻; 栾智勇; 于滨; 徐传雨; 刘正; 马继良; 陈玲
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering Shengli Co
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Sinopec Research Institute of Petroleum Engineering Shengli Co
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-05-03

Abstract

本发明公开了一种用于油田采出水处理的管式电絮凝破乳装置，该装置包括管式电絮凝反应器筒体、破乳电极板、U型绝缘电极套、电极接线柱、电极金属垫圈、电极绝缘垫圈、极板支撑套筒。管式电絮凝反应器筒体为空心圆柱管状结构，上下分布进出水口；破乳电极板上设置有出水孔，接线柱孔；U型绝缘电极套环形嵌套在破乳电极板的外周；电极接线柱穿过破乳电极板上的接线柱孔；电极金属垫圈位于电极接线柱与电极之间，电极绝缘垫圈位于电极接线柱与电极之间，极板支撑套筒位于上下两块相邻的极板之间。该装置有效实现采出水中乳化油滴的破乳聚结，提高采出水的油水分离效率，具有破乳效率高、加工维护方便、占地面积小等优点，具有广阔的推广应用前景。

Description

一种油田采出水管式电絮凝破乳装置及方法

技术领域

本发明主要涉及一种污水处理设备领域，具体涉及一种油田采出水管式电絮凝破乳装置及方法。

背景技术

近年来，随着国内外各大主力油田逐步进入高含水开发中后期，以化学驱(聚合物驱、三元复合驱等)为代表的强化采油(EOR)及压裂酸化技术被大量使用，使油田采出水的组分变得更为复杂，使油颗粒表面的界面膜强度增大，油颗粒表面被表面活性剂分子包裹，造成油颗粒之间难以相互聚并，油水分离难度加大。为了有针对性地处理高乳化含油污水，人们尝试采用了化学破乳、生物破乳、膜分离、微波、超声波、石墨烯等方法或手段，虽然取得了一定效果，但从成本投入、运行费用、设备紧凑性、有无二次污染和副产物等方面衡量，都存在各自的缺点和不足，与日益严格的油田现场工程应用需求尚有不小差距，为此迫切需要设法强化含油污水的破乳技术，并研制开发新型高效的油田采出水处理设备。电絮凝技术基于电化学理论，以铁、铝等可溶性金属作电极，在外部电场作用下阳极金属溶解氧化，产生铁、铝等金属阳离子，通过其混凝作用产生絮体，促进油滴聚结，同时阴极产生氢气泡与絮体结合，使其上浮，促进其油水分离。由于其适用范围广泛、处理效果好、产生污泥量少、操作简单方便等特点，电絮凝技术得到业界的广泛关注。

US2009/008269AL公布了一种环形开孔卷状电极结构的管式电絮凝反应器。该发明采用环形卷状的电极结构，阴阳电极通过顺逆时针的方式缠绕配合，二者形成的中间流道通过环形隔离板支撑，在外加电场作用下，阴阳电极已既定的配合方式，形成稳定的电场区域，对来液进行电场破乳，实现油水分离。但该发明的核心部件环形开孔卷状电极结构，实际生产中存在加工制造难度大，且污水中的油类污染物、悬浮物等极易堵塞电极，影响其长期稳定运行。

US2014/0027271AL公布了一种螺旋电极结构的管式套筒电絮凝反应器。该发明的阳极采用螺旋电极的设计结构，阴极采用空心环状电极套筒，阳极位于阴极套筒的中心，在外加电场的作用下，二者形成稳定的电场区域。但该发明中螺旋电极的结构设计，在实际生产中存在一定的加工难度，不利于该结构的工业化应用推广。此外，该结构中阴阳极板的间距分布不均匀，使得电场强度在管内存在较大差异，易导致局部电压/电流过高的现象，不利于发挥电极的整体破乳作用。

US2016/01019961AL公布了一种水平折流板电极结构的管式电絮凝反应器。该发明中平板电极水平放置，以固定的间隔插入半圆弧形的电极安装插座内，污水在水平方向上在反应器两端往返折流。该发明半圆弧电极安装插座，需要使用模具加工，加工不方便，实际加工制造过程存在难度。半圆弧的电极安装插座会占据管式电絮凝内部有效电极区域的部分空间，降低设备的空间利用效率。

CN209853807U公布了一种同心柱状结构的管式电絮凝反应器，阳极极板紧密贴合在绝缘筒体内壁，阴极极板布置在绝缘筒体内部圆心处，阳极极板与阴极极板之间安装三块中间极板(极板一端带有开孔)，且在阴极极板与阳极极板之间设置有一块绝缘挡板，在外加电场的条件下，形成稳定的电场区域。该发明中空环状的电极结构，存在电极加工制造复杂，安装固定困难，电极后期的更换与维护工作量大等问题。

对于油田采出水而言，由于水中油滴乳化严重，且水中油类污染物、悬浮物、硬度等浓度相对较高，这些水质特征决定了采出水电絮凝破乳设备需要有明显的抗污堵、防钝化、易加工维护等特点，以满足采出水连续稳定破乳的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田采出水管式电絮凝破乳装置。通过该装置能够有效实现采出水中高乳化油滴的破乳，促进采出水的油水分离，显著降低化学破乳的油泥产量，降低采出水处理的投资与运行成本。

本发明的目的之一公开了一种油田采出水管式电絮凝破乳装置，包括：管式电絮凝反应器筒体、破乳电极板、U型绝缘电极套、电极接线柱、电极金属垫圈、电极绝缘垫圈、极板支撑套筒。

其中，管式电絮凝反应器筒体为空心圆柱管状结构，上下分布进出水口；破乳电极板上设置有出水孔，接线柱孔；U型绝缘电极套环形嵌套在破乳电极板的外周；电极接线柱穿过破乳电极板上的接线柱孔；电极金属垫圈位于电极接线柱与电极之间，电极绝缘垫圈位于电极接线柱与电极之间，极板支撑套筒位于上下两块相邻的极板之间。

本发明另一个目的一种油田采出水管式电絮凝破乳的方法，具体过程如下：首先待处理的油田采出水由装置上端进水口进入管式电絮凝破乳装置内部上层电极板区域，采出水的流速得到减小，然后由电极板上的极板出水孔，依次交错通过电场破乳区域，上下相邻破乳电极极板上的出水孔位置对称交错分布，最大程度防止反应器内采出水短流；外部脉冲电源通过电极接线柱将电场传递至破乳电极板；在极板间的高频脉冲电场作用下，阳极板溶解释放出铁、铝等金属阳离子，被吸附在乳化油滴的油水界面后，能显著降低乳化油滴的Zeta电位，降低油滴聚结的斥力，同时阴极板产生少量氢气泡，粘附在油滴表面，提升油滴的浮力，有助于实现油水分离；经过电场区域后，采出水中小粒径乳化油滴粒径得到显著增长，实现电场聚结，能有效提高后端气浮等物理分离工序的处理效率；电场破乳后的出水由出水口排出反应器；根据采出水水质、水量波动，对脉冲电源的电压、频率、占空比等参数进行调整，以获得最佳的电场破乳效果。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过在同一破乳电极板上对称布置的电极金属垫圈与电极绝缘垫圈，可实现阳极与阴极电极接线柱在同一破乳电极板上的接通或绝缘，在同一电极接线柱交替布置电极金属垫圈与电极绝缘垫圈，即可实现阴阳极板在管式电絮凝破乳装置内部的交替布置。极板支撑套筒在支撑阴阳极板的同时，将电极接线柱之间的电场隔绝。采出水通过破乳电极板上的出水口在反应器内来回折流，通过其对极板的冲刷作用，防止极板的钝化与污堵。该装置在不添加化学药剂的条件下，能有限实现采出水中乳化油滴的破乳，此外其占地面积相对较小，投资及运行成本较低，油泥产量显著低于化学破乳工艺，是一种绿色、高效、环保的采出水破乳装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明管式电絮凝破乳装置的纵向剖面示意图；

图2为本发明破乳电极板示意图；

图3为本发明U型绝缘电极套与破乳电极板配合示意图；

图4为本发明管式电絮凝破乳装置的爆炸示意图。

图中：1-接线柱保护盖、2-接线柱固定座、3-反应器上端法兰、4-进水口、5—管式电絮凝反应器筒体、6-出水口、7-反应器下端法兰、8-极板支撑套筒、9-破乳电极板、10-极板出水孔、11-电极金属垫圈、12-电极绝缘垫圈、13-电极接线柱、14-U型绝缘电极套。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如附图1-4所示，一种油田采出水管式电絮凝破乳装置，包括：管式电絮凝反应器筒体5、破乳电极板9、U型绝缘电极套14、电极接线柱13、电极金属垫圈11、电极绝缘垫圈12、极板支撑套筒8。

在本发明中，优选地，所述的管式电絮凝反应器筒体5为空心圆柱管状结构，材质为不锈钢，筒体内壁涂装防腐绝缘涂料层，上下分布进出水口。

优选地，所述的破乳电极板9为圆盘结构，材质为铁、不锈钢或铝，极板上设置有出水孔，接线柱孔。

优选情况下，所述的U型绝缘电极套14，环形嵌套在破乳电极板9的外周。

优选地，所述的电极接线柱13穿过破乳电极板上的接线柱孔，用于将外部电源与破乳电极板9导通。

优选情况下，所述的电极金属垫圈11位于电极接线柱与电极之间，用于将接线柱与电极导通。

优选地，所述的电极绝缘垫圈12位于电极接线柱与电极之间，用于将接线柱与电极隔绝。

优选情况下，所述的极板支撑套筒位8于上下两块相邻的极板之间，用于保持极板之间的间距，并起到隔绝电极接线柱之间电场的作用。

优选地，本发明所述的管式电絮凝反应器筒体5的内壁防腐绝缘材料涂层，喷涂防腐绝缘材料之前，先对反应器筒体的内壁进行喷砂处理，处理后表面粗糙度50-100μm，涂层材料可采用高分子酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等高分子绝缘树脂材料，涂层厚度500-800μm，涂层固化时间大于7d。内壁经绝缘涂层处理后，能维持阴阳极板之间电场的均匀性，提高电场破乳效果。

优选地，本发明所述破乳电极板9的阴阳极板采用上下交替的方式排布，极板间距为10-50mm，极板上圆形出水孔的直径大小与电絮凝反应器筒体的进出水口内径大小相同。两个接线柱孔距极板圆心的距离相同。

优选情况下，本发明所述U型绝缘电极套14采用柔性的绝缘橡胶的材料，在保证电极与反应器筒体绝缘接触的同时，防止水流通过极板与反应器管壁之间的间隙，发生短流穿透。

优选地，本发明所述的电极金属垫圈11安装在电极接线柱上，将其位置固定在极板上的接线柱孔内，用于将电极接线柱与破乳电极板9连接，将接线柱上的电场与极板连通。同一极板上的另一个电极接线柱孔位置则对称安装电极绝缘垫圈12，用于将接线柱与电极隔绝。电极绝缘垫圈12安装在与极板上电极金属垫圈11相对称的电极接线柱孔内，用于将电极接线柱与破乳电极板9隔绝，通过连接方式的交替布置，实现极板阴阳极的交错布置。极板接线柱孔的直径可以采用16-30mm。电极接线柱上端位置带螺纹结构，配合反应器上端法兰，固定电极组件的位置，同时防止采出水的泄露。

具体而言，第一层阳极极板上的阳极接线柱与金属垫圈配合使用，在外接电源条件下，通过阳极接线柱将电流传递给极板，而一侧的阴极接线柱与绝缘垫圈配合，在阴极外接电源时，由于绝缘垫圈的存在，使得阴极端的极板不带电，所以接电条件下，第一层电极为阳极，同样的结构下，在第二层极板接电的情况下，调换第二层极板接线孔内金属垫圈与绝缘垫圈的位置，这样就使得第二层极板为阴极，上下两个极板之间可以形成相对稳定的破乳电场。后续的每一层电极上间隔都采用上述的方法布置，使得整个电极板组件见带有稳定的工作电场。

优选情况下，本发明所述的极板支撑套筒8可以采用聚乙烯或聚氯乙烯材质，其内径比电极接线柱的直径尺寸大约1-5mm，其外径比电极板上的电极接线柱孔大约5-10mm。也可以选用其他强度较高的支撑套筒材料，但其绝缘性能应不低于聚乙烯或聚氯乙烯材料。

本发明的所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置与低压高频脉冲电源配套使用，在低压高频脉冲电场下，能增加采出水中油滴的碰撞聚结机率，提高聚结破乳效果。此外，在高频脉冲电场作用下，能有效抑制电极板的钝化与结垢现象，提高设备的使用寿命，降低处理的投资与运行成本。

本发明另一个目的一种油田采出水管式电絮凝破乳的方法，具体过程如下：油田采出水由装置上端进水口4进入管式电絮凝破乳装置内部上层电极板区域，采出水的流速得到减小，然后由电极板上的极板出水孔10，依次交错通过电场破乳区域；上下相邻破乳电极极板9上的出水孔位置对称交错分布，最大程度防止反应器内采出水短流。外部脉冲电源通过电极接线柱13将电场传递至破乳电极板9；在极板间的高频脉冲电场作用下，阳极板溶解释放出铁、铝等金属阳离子，被吸附在乳化油滴的油水界面后，能显著降低乳化油滴的Zeta电位，降低油滴聚结的斥力，同时阴极板产生少量氢气泡，粘附在油滴表面，提升油滴的浮力，有助于实现油水分离；经过电场区域后，采出水中小粒径乳化油滴粒径得到显著增长，实现电场聚结，能有效提高后端气浮等物理分离工序的处理效率；电场破乳后的出水由出水口6排出反应器；根据采出水水质、水量波动，对脉冲电源的电压、频率、占空比等参数进行调整，以获得最佳的电场破乳效果。

本发明所设计的管式电絮凝破乳装置，通过破乳电极板组件所构成的稳定电场，采出水在流经相关电场区域时，水中的乳化油滴破乳效果聚结，提高采出水的油水分离效果。相较于市面上大部分以平板电极为设计的管式电絮凝装置而言，该结构的优势主要包括如下几点。一是来回往复的循环折流设计，保证了水流对极板的强冲刷能力，降低了极板钝化程度，延长了极板的工作寿命。二是可以最大程度上的利用管内的有效空间，最大限度的提高电场破乳效率。三是电极的拆装方便维护简单，对坏损的电极板可以方便更换，减轻管式电絮凝破乳装置的日常运行维护工作量。

实施例1

实验室模配制含油污水与O/W型乳化液水质指标如表1所示。

表1原水水质指标

类别	石油类(mg/L)	浊度(NUT)	导电率(μs/cm)
				含油污水	650	523	164.4
O/W型乳化液	1460	2488	4.5

管式电絮凝破乳装置的破乳实验条件：待处理油田采出水或O/W型乳化液进入本发明所公开的管式电絮凝破乳装置，所用电极为不锈钢电极，极板间距为5cm；加电时间30min，电场参数为：电压10—50V，频率为1000—5000Hz，占空比为10-100％。处理出水水质如表2所示。

表2处理后出水水质参数

类别	石油类(mg/L)	浊度(NUT)
			含油污水	60-110	30-80
O/W型乳化液	100-150	60-110

从表2可见，采用本发明所公布的管式电絮凝破乳装置处理后，含油污水和O/W型乳化液的除油效率分别可达到91％和93％，浊度去除率分别达到93％和97％，反映出本发明设计的管式电絮凝破乳装置对含油污水与O/W型乳化液具有较高的破乳效率，在油田采出水等含油污水破乳领域具有广阔的前景。

实施例2

实验污水为某油田三次采油含油污水处理站出水，水样中石油类含量约为400mg/L、COD含量约为7600～14600mg/L，浊度为110.5～550.5NTU，pH为8.4。该废水成分复杂，除含有高浓度的聚丙烯酰胺聚合物、氨氮等成分外，还含有大量难降解的有机污染物。

采用该管式电絮凝反应器对上述三次采油含油污水处理站出水进行处理，设定反应器运行相关参数，电压30V，频率为2000Hz，占空比为50％，运行时间60min，经反应器作用后，平均出水油去除率达87％，COD去除率为80％，浊度去除率在85％以上。

实施例3

实验所用水样来自某油田联合站化学驱采出水，废水中主要污染物包括油、碱、表面活性剂等。取少量水样，测得具体水质指标情况如表3所示。

表3原水水质指标

水质指标	数值
		石油类(mg/L)	427
COD(mg/L)	731
		pH	8.84
SS(mg/L)	195
		浊度(NTU)	12.67

实验运行过程中的具体参数条件设置为：极板间距3.5cm、加电时间30min，电场参数为：电压20V，频率为2000Hz，占空比为50％。运行过程中测得的油、COD、浊度去除率分别达到88％、84％、85％。

实施例4

实验所用水样来自某炼油企业污水处理厂，该污水中主要含有石油类、难降解有机物、氨氮等污染物。取少量水样，测得具体水质指标情况如表4所示。

表4原水水质指标

水质指标	数值
		石油类(mg/L)	325
COD(mg/L)	972
		pH	7.58
氨氮(mg/L)	43

实验运行过程中的具体参数条件设置为：极板间距2.0cm、加电时间30min，电场参数为：电压25V，频率为3000Hz，占空比为50％。运行过程中测得的石油类、COD、氨氮去除率分别达到92％、87％、85％。

实施例5

实验污水为某电镀企业车间生产电镀废水，其中水质情况如下，金属镍含量201mg/L、石油类350mg/L、pH 5.1。采用该管式电絮凝反应器对上述车间生产电镀废水进行处理，设定反应器运行相关参数：电压20V，频率为2000Hz，占空比为50％，运行时间30min。实测该管式电絮凝反应器对废水中金属镍以及油的去除率达75％和80％，处理效果显著。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，该装置包括：管式电絮凝反应器筒体、破乳电极板、U型绝缘电极套、电极接线柱、电极金属垫圈、电极绝缘垫圈、极板支撑套筒；

2.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述管式电絮凝反应器筒体的材料为材质为不锈钢，筒体内壁设有防腐绝缘涂料层。

3.根据权利要求2所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述防腐绝缘涂料的材料为高分子酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂中的一种。

4.根据权利要求2所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述防腐绝缘涂料层的厚度500-800μm，涂层固化时间大于7d。

5.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述的破乳电极板为圆盘结构，材质为铁、不锈钢或铝。

6.根据权利要求1或5所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述破乳电极板的阴阳极板采用上下交替的方式排布，极板间距为10-50mm，极板上圆形出水孔的直径大小与电絮凝反应器筒体的进出水口内径大小相同，两个接线柱孔距极板圆心的距离相同。

7.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述U型绝缘电极套采用柔性绝缘橡胶材料，在保证电极与反应器筒体绝缘接触的同时，防止水流通过极板与反应器管壁之间的间隙，发生短流穿透。

8.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述电极金属垫圈安装在电极接线柱上，将其位置固定在极板上的接线柱孔内，用于将电极接线柱与破乳电极板连接，将接线柱上的电场与极板连通。

9.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述电极绝缘垫圈安装在与极板上电极金属垫圈相对称的电极接线柱孔内，用于将电极接线柱与破乳电极板隔绝，通过连接方式的交替布置，实现极板阴阳极的交错布置。

10.根据权利要求1所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述极板支撑套筒包括采用聚乙烯、聚氯乙烯材质或其他强度较高的支撑套筒材料，其他材料绝缘性能应不低于聚乙烯或聚氯乙烯材料。

11.根据权利要求1或10所述的油田采出水管式电絮凝破乳装置，其特征在于，所述极板支撑套筒的内径比电极接线柱的直径尺寸大约1-5mm，其外径比电极板上的电极接线柱孔大约5-10mm。

12.根据权利要求1-11任一项权利要求所述装置的破乳方法，其特征在于，所述破乳方法具体包括以下步骤：首先待处理的油田采出水由装置上端进水口进入管式电絮凝破乳装置内部上层电极板区域，采出水的流速得到减小，然后由电极板上的极板出水孔，依次交错通过电场破乳区域，上下相邻破乳电极极板上的出水孔位置对称交错分布，最大程度防止反应器内采出水短流；外部脉冲电源通过电极接线柱将电场传递至破乳电极板；在极板间的高频脉冲电场作用下，阳极板溶解释放出铁、铝等金属阳离子，被吸附在乳化油滴的油水界面后，能显著降低乳化油滴的Zeta电位，降低油滴聚结的斥力，同时阴极板产生少量氢气泡，粘附在油滴表面，提升油滴的浮力，有助于实现油水分离；经过电场区域后，采出水中小粒径乳化油滴粒径得到显著增长，实现电场聚结，能有效提高后端气浮等物理分离工序的处理效率；电场破乳后的出水由出水口排出反应器；根据采出水水质、水量波动，对脉冲电源的电压、频率、占空比等参数进行调整，以获得最佳的电场破乳效果。