申请日2010.03.26
公开(公告)日2010.11.24
IPC分类号C02F9/02; C02F101/32; C02F1/38; C02F1/24
摘要
一种含油废水处理用多相分离系统，利用湍流气浮机理一体化集成了旋流分离、气浮分离单元处理技术;主要由旋流气浮一体化分离器、含油废水入口处气液混合用多相流泵、部分循环回流净化水与循环气体混合用多相流泵以及相关的管线和阀门等组成;当含有大量微气泡的含油废水从罐体下部进入锥形旋流筒形成旋流，完成旋流分离，同时含油废水中微气泡释放对含油废水进行初次气浮，粘附有油粒的气泡等较轻物质向锥形旋流筒顶部移动，固相颗粒等较重物质向锥形旋流筒底部移动，含油废水从锥形旋流筒上部溢出后进入二次气浮区，一部分用于循环回流的净水与循环气在多相流泵内剪切混合后，通过环状布水器上布水孔发出的气-液混合液对含油废水进行二次气浮处理，含油废水在分离器内进行了一次旋流分离和两次气浮分离。本实用新型结构紧凑、简单，工作效率高，占地小，造价低廉，使用维护修理简易，适用于含有微小分散油粒含油废水的净化处理。
权利要求书
1.一种含油废水处理用多相分离系统，主要由旋流气浮一体化分离器(10)、含油废水入口处气液混合用多相流泵(64)、部分循环回流净化水与循环气体混合用多相流泵(42)以及必要的管线和阀门组成，其特征在于：旋流气浮一体化分离器(10)通过三个支腿(55)固定在地面上，其上部设置椭圆形上封头(48)，中部设置圆筒壳体(49)，下部设置椭圆形下封头(53)，其内设置有弧形集油罩(43)、锥形旋流筒(11)、防涡导气管(37)、环形布水器(40)和环形挡板(35)，弧形集油罩(43)位于分离器上部而环形布水器(40)和环形挡板(35)位于分离器下部，整个多相分离区域分为旋流分离和初次气浮区(12)、二次气浮区(13)、浮渣收集和气体积聚区(14)。
2.根据权利要求1所述的含油废水处理用多相分离系统，其特征在于：锥形旋流筒(11)分为小正锥段(111)、大正锥段(112)和倒锥段(113)，倒锥段(113)底部的短直颈与分离器下封头(53)固定连接，大正锥段(112)的内壁安装有自下而上、旋转上升的螺旋导片(39)，位于锥形旋流筒(11)中心轴线上的防涡导气管(37)由锥形旋流筒(11)底端和顶端的各四根径向支撑肋条(38)固定，防涡导气管(37)的管壁均匀开设有若干个微孔(371)，其顶部高出锥形旋流筒(11)约10cm，锥形旋流筒(11)的高度为分离器总高的3/5～3/4，三个锥段的最大直径比为0.6∶1∶1，锥形旋流筒最大直径与反应器直径比值控制在1/3～1/2。
3.根据权利要求1所述的含油废水处理用多相分离系统，其特征在于：二次气浮区(13)底部设有截面为圆管状的环形布水器(40)，并在其水平圆周方向均匀开设有向下的布水孔(401)，周向间隔为10°～30°，环形布水器(40)水平放置在固定于圆筒壳体(49)内壁的四个径向支撑耳片(41)上，径向支撑耳片(41)末端贴靠在锥形旋流筒(11)的筒壁(101)上，径向支撑耳片(41)的下部固定有与环形布水器(40)平行布置的环形挡板(35)。
4.根据权利要求1所述的含油废水处理用多相分离系统，其特征在于：弧形集油罩(43)上部为浮渣收集和气体积聚区(14)，弧形集油罩(43)中间凸起的圆筒形出口(44)为气泡--油粒粘附体从气浮区上升到浮渣收集和气体积聚区(14)的通道，弧形集油罩(43)主体圆弧部分的半径一般大于椭圆形上封头(48)的最大曲率半径，弧形集油罩(43)外圆周环状平直部分，均匀分布有4个圆孔(431)，并与圆筒壳体(49)的内壁螺接，在圆筒壳体(49)上部设置排油口(23)。
5.根据权利要求1所述的含油废水处理用多相分离系统，其特征在于：椭圆形上封头(48)通过螺栓(50)与圆筒壳体(49)螺接，并在其上设置吊耳(51)，排气道(36)和出气孔(34)，椭圆形下封头(53)通过螺栓(54)与圆筒壳体(49)螺接，其上设置清水出口(30)，备用清水出口(65)和油泥排放口(26)。
6.根据权利要求1所述的含油废水处理用多相分离系统，其特征在于：根据水质情况和净化要求，在二次气浮区(13)中部增设微小油粒粗粒化聚结填料层(66)，聚结填料层的厚度一般不低于100mm，并在圆筒壳体(49)的相应处设置手孔(67)。
说明书
含油废水处理用多相分离系统
技术领域
本实用新型涉及一种油、气、水、固体悬浮物甚至是砂粒等多相混合介质的分离设备，特别适用于含有微小分散油粒的含油废水净化处理。
背景技术
含油废水在石油石化工业、机械制造、城市生活中等经常遇到，去除其中的油分往往是面临的首要处理任务。油水分离的方法很多，常用的方法有重力沉降法、离心沉降法、气浮法、凝聚过滤法、吸附法、膜分离法等，各种处理方法都有各自的优缺点和特定的适用范围。其中气浮法工艺成熟、成本低廉、处理量大，能够有效去除废水中粒径在0.1-10μm的乳化油和部分溶解性污染组分，因此而被广泛应用于石油开采、石油化工、机械制造和食品油生产等废水的处理中。其主要缺点是浮油难处理，水力停留时间较长;处理量大时必须建造大型的气浮设备，占地面积大，投资费用高。除气浮法外，基于离心分离技术的水力旋流器自20世纪90年代以来在含油废水处理中得到了越来越广泛的应用，该法利用油、水两相的密度差在旋流腔体中产生离心力而实施相分离，具有结构紧凑、占地面积小、运行维护简单等优点。但该法能够去除的油珠粒径范围不低于20μm，同时水力旋流器单体的处理能力非常有限，处理量大时需要将多根单体并联运行，加工制造难度较大，且不便于维修。
为了克服传统气浮和旋流处理技术的缺点，进一步强化气浮法的油水分离效果，近年来不少研究人员甚至是相关水处理设备生产厂家都提出了将气浮分离技术与离心分离技术相结合的新型处理方法，并取得了一些实质性的研究成果。尤其值得一提的是，随着欧盟防止海洋污染的《OSPAR公约》的签订，欧洲海洋石油大国环境保护和管理部门提出了采油废水零排放的处理目标，迫使相关石油公司和设备生产厂家研制开发新型的采油废水处理技术，有5-6家知名企业先后推出了基于气浮与低强度离心力场组合的紧凑型气浮装置(Compact Flotation Unit，CFU)，并在油田现场尤其是海洋石油开发采油废水处理中取得了很好的效果。
从知识产权保护的角度来看，在挪威M-I Epcon公司申请的美国专利US7144503中阐述了一种脱气气浮分离器，罐内上部中心处有一竖直圆筒，在罐体上部内壁上固定有螺旋状入口导片。含油废水经由罐体上部切向进入罐中后，在螺旋导片的引导下产生旋流运动，气泡和油粒在旋流作用下被压至锥形旋流筒壁，二者结合粘附后上升到罐顶，通过罐顶的油气出口排出。据专利权人的报道，此装置对含油废水的处理效果较好，并且成本及维护费用很低，比较适用于海上采油平台或者浮式生产储卸油轮(FPSO)等对空间要求比较严格的场合使用。但从该专利所附的结构图上来看，上升到罐内顶部的油和气泡浮渣的外排存在着一些问题。此外，海上采油平台或FPSO会因波、浪、流的作用而时常处于晃动状态，此时罐内部的液面难以保持稳定，从而致使该装置外排油和气泡浮渣中的含水量过高，从而严重影响了分离效果。
在美国Natco集团申请的美国专利US7157007中阐述了一种油、气、水三相分离装置，该装置为一个立式气浮分离罐，主要分为上、中、下三层，分别利用了离心分离、粗粒化和喷射气浮分离技术。位于罐体上部的中心位置安装有一个直径较小的内筒，含油废水从切向入口进入到内筒中产生旋流，在内筒中进行油水分离，油相直接进入撇油斗，由撇油斗底部直接排出。从内筒底部流出的水自上而下流动，经过位于罐体中部的聚结层时，分散的油粒在此聚集长大。部分大颗粒油粒会在浮力作用下，克服自身重力和主体相的下向流动而开始向上浮升，从而又去除了一部分油。在罐下部中心处安装有一个喷射器，利用罐内顶部的气体和回流净化水在喷射器内剪切混合后，产生微气泡，对从聚结层流下来的含油废水进行气浮处理。但由于油气从撇油斗中去除采用自由外排的方式，所以无法有效地控制罐内液面;同时聚结层的定期清理非常麻烦，整套设备的内部结构常复杂，加工制造的成本较高。
国内也有一些研究人员也提出了紧凑高效气浮装置的结构构想。例如，西安建筑科技大学王晓昌等人申请的专利CN 2401273Y中阐述了一种高效气浮装置，主要由气浮罐、高效溶气加压泵、混合区、清水区和集渣区组成。气浮罐由内外两个同形状的筒体构成，外筒和内筒之间为清水区，内筒作为气浮区;内筒下端连接有均匀布水的锥帽。原水和溶气水从气浮罐底部进入，混合并经锥帽均匀布水后进入内筒中的气浮区，水中较轻悬浮物附着在微气泡上，在浮力作用下向上移动，到达水面后，形成浮渣。浮渣则进入上端的集渣区，通过管路排出罐体;处理后的水由内筒顶端进入清水区，释放气泡的水通过内筒筒壁上部进入外筒。虽然该专利提出利用高效溶气泵代替溶气罐和水射器，从而使得整个工艺流程简化，但由于原水和溶气水在进入罐体时径向空间瞬间增大，流量压力减小，致使原水与溶气水的混合程度降低，影响处理效果。
为了进一步提高气浮分离装置的处理效率，国内研究人员也尝试着利用离心力场来强化气浮过程，但多数研究人员目前所关注的旋流气浮组合处理技术尚局限于将液-液分离用水力旋流器单体与气浮分离技术相结合，不仅处理能力有限，而且正处于实验室探索阶段。天津大学化工学院康勇等人申请的专利CN 2459311Y中提出了一种油水分离用水力旋流气浮器，由筒体、可拆式底流口和曝气头组成，筒体由圆柱和两级圆锥构成，上部设有溢流管，供轻质油相排出;筒体圆柱侧面设有进料管，筒体下端与可拆式底流口相接，供水和固相悬浮物排出。可拆式底流口通过螺纹与筒体下端相连，底流口内设有一螺纹套圈，与底流口通过四个筋板连接并固定。螺纹套圈用来固定曝气头并控制曝气头在底流口的插入深度，曝气头柱体部分的下部外侧开有小口，压缩空气等通过曝气头表面微孔以微细气泡的形式逸出后，弥散于沿筒体内壁旋转而下的乳化油、少量游离油和分散油等主体流中，从而将主体流中疏水的油相(包括乳化油、少量游离油和分散油)捕集到自身表面而从溢流管排出。但该方案存在处理能力有限、曝气头容易被堵塞等不足。江苏工业学院王树立等人申请的专利CN 101182080A中公开了一种水处理分离器装置，其中涉及到了旋流气浮分离器，所述旋流气浮分离器表面开有排渣口、下部设置成锥体结构且在锥体结构向外开有排污口，在气浮筒与排污锥体的连接处开有起旋入口，起旋入口连通引射器，引射器另一端连通位于进口处的污水泵;污水由泵经引射器掺入气，为旋流气浮分离器提供气源。进入气浮筒的污水形成互成120°的射流，形成旋转的圆而产生气浮旋流效应。在螺旋流离心力作用下，固体杂质沿壁面由排污口排出，带有大量微气泡的旋转气浮旋流将油污等带到液面，由排渣口排出。但该装置仅能用于固体杂质与液相的预分离，不能实现油、水等两相物质的预分离;同时，常规气浮引射器对于含有大量固体杂质混合流的适应能力较差，难以长时间稳定工作。
在申请人此前申请的专利CN201157703中阐述了一种紧凑型旋流气浮分离系统，其主体为立式紧凑型旋流气浮组合罐，组合罐内内上部中心处有一内筒，内筒上部带有下凹球冠状的溢流堰;组合罐上部内壁自切向入口处安装有向上的螺旋导片;组合罐内下部中心位置安装有一个气浮喷射器。气液混合泵将含油废水-微气泡的均匀混合液由位于罐上部的切向入口输入组合罐中，经由入口螺旋导片在组合罐内形成旋流，与此同时混合液中微气泡释放，在罐内壁与内筒间形成了旋流分离和气浮分离区;部分净化回流水在清水泵的作用下通过气浮喷射器抽吸来自顶部气体空间的循环气体，从而产生微细气泡，与自上而下流动废水中的分散相油粒逆向接触，并携带油粒上浮。组合罐内液面上部聚集的油水乳化液和气泡浮渣最终通过锯齿形的溢流堰汇集到内筒中，经油出口连续不断地被清除，较重的水相及固相最后分别由罐底部的出水口和油泥出口排出。该结构不仅对海洋环境波、浪、流所引起设备晃动工况的适应性较差，而且仅靠一个位于罐体下部中心的气浮喷射器产生微细气泡，气泡数量有限、气泡尺寸也较大，难以确保在整个径向方向上微细气泡的均匀分布，难免存在气浮死区，从而影响净化效果。
鉴于上述原因，有必要进一步研制开发新型的含油废水处理用旋流气浮分离系统来克服上述油水分离装置的不足。
发明内容
根据背景技术所述，本实用新型的目的在于克服传统水力旋流器难于对微小油粒进行有效分离和传统气浮设备占地面积大、停留时间长、结构复杂等缺点，提出一种充分利用湍流气浮的理论，将旋流、气浮两种油水分离单元技术有机结合起来，使水中的分散油粒能够得到高效分离，设备结构紧凑，油田应用达到初步分离处理甚至直接排放标准的新型旋流气浮一体化多相分离方法与系统。
为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：
一种含油废水处理用多相分离系统，主要由旋流气浮一体化分离器(10)、含油废水入口处气液混合用多相流泵(64)、部分循环回流净化水与循环气体混合用多相流泵(42)以及必要的管线和阀门组成，其中：旋流气浮一体化分离器(10)通过三个支腿(55)固定在地面上，其上部设置椭圆形上封头(48)，中部设置圆筒壳体(49)，下部设置椭圆形下封头(53)，其内设置有弧形集油罩(43)、锥形旋流筒(11)、防涡导气管(37)、环形布水器(40)和环形挡板(35)，弧形集油罩(43)位于分离器上部而环形布水器(40)和环形挡板(35)位于分离器下部，整个多相分离区域分为旋流分离和初次气浮区(12)、二次气浮区(13)、浮渣收集和气体积聚区(14)。
在多相流泵(64)的作用下，携带大量微气泡的含油废水经进水管(16)穿过圆筒壳体(49)后切向进入锥形旋流筒(11)中，在螺旋导片(39)的引流作用下旋转上升而产生旋转离心力场，含油废水中的微气泡得以释放并与分散相油粒发生粘附，气泡-油粒粘附体等轻组分因所受的离心力较小而存在向防涡导气管(37)周围运移的趋势，在旋转上升主体运动趋势的复合作用下，大部分的气体和气泡-油粒粘附体最终到达并积聚于锥形旋流筒(11)顶部的区域，少部分的气体和气泡-油粒粘附体通过防涡导气管(37)上的微孔进入其内，最终上升聚集在弧形集油罩(43)下方;密度较大的固体颗粒因所受的离心力较大而达到锥形旋流筒(11)的内壁，然后沿着内壁面下滑积聚在下部的倒锥段，并通过油泥排放口(26)定期排出;经过初步分离的含油废水从锥形旋流筒(11)溢出进入二次气浮区(13)自上而下流动，部分循环回流的净化水和循环气经多相流泵(42)剪切混合产后输入锥形旋流筒(11)外部的环形空间，在环形布水器(40)和环形挡板(35)的联合作用下产生大量均匀分布的微细气泡，微细气泡在自下而上的运动过程中与自上而下的含油废水逆向接触，其中的分散相油粒与微细气泡粘附后上升到弧形集油罩(43)下方，所聚集的大量油水乳化液和气泡浮渣最终通过弧形集油罩(43)上部出口(44)进入浮渣收集和气体积聚区(13)，并由出油管(22)排出;未用作循环回流的净化水由分离器底部的清水出口(30)排出。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下优点和效果：
1.本实用新型设备外形紧凑、简单，结构形式精巧，占地面积小，适用于油、气、水、固体悬浮物甚至是泥砂的多相分离，特别适用于含有微小分散油粒含油废水的净化处理。
2.本实用新型部分应用了湍流气浮的设计理论，可提高操作弹性，对处理流量、含油量和含气量波动的适应性较强。
3.本实用新型可用于对已建有的含油废水处理系统进行扩容改造，不需改动现有设备及管道，降低成本投入，做到了处理后清水的再利用，节约资源。
4.本实用新型应用范围广，既可应用在海洋石油工业上游领域的采油废水处理和石油化工领域的炼油废水处理，同时也可应用于其他行业含油废水的处理，如钢铁行业冷轧含油废水及脱脂液的处理，机加工行业研磨、切削、冷却等乳化油的排放处理，表面处理行业脱脂废水处理。
