原油電脫鹽脫水技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

趙 茅，崔新安

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院，北京 102249;2.中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

1 概述

如圖1所示，隨著石油資源的不斷消耗，大多數(shù)油田進(jìn)入開(kāi)采后期，原油重質(zhì)化、劣質(zhì)化趨勢(shì)愈加明顯，重稠油、高含鹽油及高金屬油等不斷增加，使煉油企業(yè)面臨加工越來(lái)越劣質(zhì)原油的趨勢(shì)[1]，加之煉廠原油品種的頻繁更換，給現(xiàn)有的電脫鹽裝置帶來(lái)極大的沖擊，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)脫后原油不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煉廠后續(xù)裝置的高效生產(chǎn)[2-4]。因此，總結(jié)和展望原油電脫鹽脫水技術(shù)的發(fā)展對(duì)于煉廠電脫鹽裝置的改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新型高效脫鹽脫水技術(shù)都十分有益[5-6]。

圖1 全球原油質(zhì)量趨勢(shì)Fig.1 Quality trend of global crude oil

2 原油電脫鹽脫水設(shè)備現(xiàn)狀

2.1 原油電脫鹽罐

原油電脫鹽罐作為原油電脫鹽裝置的核心設(shè)備，其形狀和結(jié)構(gòu)隨電脫鹽工藝的不斷發(fā)展而變化，罐體結(jié)構(gòu)依次經(jīng)歷了立式罐、球型罐、臥式罐三個(gè)階段。電脫鹽罐的選擇與電脫鹽的工藝要求密切相關(guān)，臥式罐具有耗材少、直徑小、延長(zhǎng)設(shè)備長(zhǎng)度即可滿足生產(chǎn)能力要求、可與原油常減壓裝置合并建立等優(yōu)點(diǎn)，目前在電脫罐選用中占主導(dǎo)地位。

原油電脫鹽罐主要包括罐體、電極板、分配器、收集器、污水排放設(shè)施和罐底反沖洗系統(tǒng)等。影響電脫鹽罐尺寸的主要因素是原油的處理量和原油在罐內(nèi)的停留時(shí)間，現(xiàn)今我國(guó)煉廠電脫鹽罐體直徑一般約為3～5 m，長(zhǎng)度約20～30 m，較長(zhǎng)的如惠州煉油廠，長(zhǎng)度可達(dá)45 m。大多數(shù)煉廠目前采用的是電極板分二層或三層的臥式電脫鹽罐。由中石化洛陽(yáng)工程有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)洛陽(yáng)工程公司)研發(fā)設(shè)計(jì)的中間通電，上下兩層接地的三層極板雙電場(chǎng)電脫鹽罐，罐內(nèi)具有穩(wěn)定的強(qiáng)電場(chǎng)和弱電場(chǎng)區(qū)，為電脫鹽提供了穩(wěn)定的電流，使得供電變壓器的輸出也相對(duì)穩(wěn)定，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用最為廣泛[7]。

2.2 電脫鹽電極

原油電脫鹽罐內(nèi)的電極結(jié)構(gòu)多種多樣，主要有:水平式電極、垂直懸掛式電極、鼠籠式電極和復(fù)合式電極四種形式，其中水平式電極和垂直懸掛式電極最為常用。

(1)水平式電極

水平式電極是國(guó)內(nèi)最早采用的電極形式，分兩層極板式和三層極板式，供電方式為交流電，罐內(nèi)電場(chǎng)區(qū)存在于極板之間，約僅占整個(gè)罐體區(qū)域的30%左右。當(dāng)油水界面高低波動(dòng)時(shí)，易影響到弱電場(chǎng)的穩(wěn)定性，對(duì)原油的脫鹽脫水很不利。

(2)垂直懸掛式電極

垂直式電極是將格柵狀的電極板垂直懸掛在電脫鹽罐內(nèi)，可以根據(jù)電場(chǎng)需要設(shè)計(jì)電極的位置和間距(如圖2)。垂直極板間形成的半波直流強(qiáng)電場(chǎng)和極板頂端與油水界面之間形成的正負(fù)交變電場(chǎng)共同組成了交直流雙重電場(chǎng)。經(jīng)罐底進(jìn)油分配器進(jìn)入下層水相的含水原油，上升過(guò)程中先進(jìn)入交流弱電場(chǎng)，在弱電場(chǎng)作用下脫除大部分的水，緊接著進(jìn)入直流弱電場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)進(jìn)行深度脫水[8]。垂直式電極可獲得較大的電場(chǎng)容量，很好的發(fā)揮了弱電場(chǎng)的作用，其脫鹽效率高、耗電量小、有利于稠油的破乳與分離，所以在煉廠新建和擴(kuò)能改造的項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用[9]，但垂直懸掛電極電脫鹽設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、整流設(shè)備易出故障。

圖2 垂直式電極Fig.2 Vertical electric plate

(3)鼠籠式電極

鼠籠式電極是由洛陽(yáng)工程公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的[10]，起初是單層雛形鼠籠結(jié)構(gòu)(如圖3)，逐漸發(fā)展為分段多層偏心鼠籠結(jié)構(gòu)(如圖4)。相鄰圓環(huán)形電極之間所形成的環(huán)形電場(chǎng)，既能最大限度地增加有效電場(chǎng)的空間，又可消除電場(chǎng)死角，使得電場(chǎng)利用率提高，裝置的處理量加大。相鄰電極之間的間距從頂部到底部逐漸增大的空間結(jié)構(gòu)使得電極之間可形成強(qiáng)度不均勻的環(huán)形電場(chǎng)，呈“電極頂部場(chǎng)強(qiáng)大，底部場(chǎng)強(qiáng)小”分布。罐體內(nèi)油料含水量較小的上部區(qū)域?yàn)閺?qiáng)電場(chǎng)，中間為過(guò)渡電場(chǎng)，油料含水量較大的下部區(qū)域?yàn)槿蹼妶?chǎng)，電場(chǎng)布置十分合理。該技術(shù)電耗低，效率高，油水返混小，很適合用于高含鹽含水原油的處理[11]。

圖3 鼠籠式電脫鹽罐內(nèi)電極結(jié)構(gòu)Fig.3 Squirrel-cage electrode structure in electrical desaltinger

圖4 偏心結(jié)構(gòu)鼠籠電極板Fig.4 Squirrel-cage electric plates with eccentric structure

(4)復(fù)合板式電極

復(fù)合板式電極可以有效地避免由于含水過(guò)高電極之間出現(xiàn)短路(放電)或金屬電極邊緣尖角部位產(chǎn)生高梯度畸變電場(chǎng)等不利現(xiàn)象的發(fā)生。復(fù)合板式電極與常規(guī)電極的最大不同是在金屬極板的表面多加了一層絕緣材料(如圖5)。所選材料(如環(huán)氧樹(shù)脂、丁鈉橡膠、聚四氟乙烯等)的介電常數(shù)基本等于油相或者乳化液的介電常數(shù)，以此保證他們之間的電壓梯度相等。復(fù)合板式電極利用材料導(dǎo)電性的不同，在通電后產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電場(chǎng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了可根據(jù)原油導(dǎo)電性的不同隨時(shí)對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

2.3 電脫鹽供電系統(tǒng)

電脫鹽供電系統(tǒng)主要包括專(zhuān)用防爆變壓器、電控柜、高壓電極棒、柔性引入設(shè)備等。目前煉油廠廣泛應(yīng)用的是交流變壓器和直流變壓器。隨著電脫鹽技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了電脫鹽專(zhuān)用脈沖電源和高頻電源[12]。

圖5 帶有親水材料的復(fù)合電極板原理Fig.5 Principle of composite electrode plate with a hydrophilic material

2.4 其他輔助設(shè)備

原油電脫鹽設(shè)備中除了上述設(shè)備外，一些輔助設(shè)備也是相當(dāng)重要的，如:油水界面控制設(shè)備、油水混合設(shè)備、脫鹽污水分離設(shè)備、低液位開(kāi)關(guān)、藥劑自動(dòng)注入設(shè)備、采樣器等。目前油水界面控制較多采用美國(guó)DE公司研發(fā)的射頻導(dǎo)納界位儀。油水混合設(shè)備主要采用SV與SS型靜態(tài)混合器和ZSHV氣動(dòng)式或ZKRV電動(dòng)式V型混合球閥，利用混合設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)原油與洗滌水、破乳劑及助劑的混合強(qiáng)度。

3 新型原油電脫鹽脫水技術(shù)

3.1 高速電脫鹽脫水技術(shù)

美國(guó)Petrolite公司于20世紀(jì)90年代為了提高電脫鹽脫水裝置的處理量，適應(yīng)煉油廠大型化的發(fā)展需要，研發(fā)出了高速電脫鹽脫水技術(shù)。該技術(shù)的關(guān)鍵在于首先其不設(shè)弱電場(chǎng)區(qū)，上、中、下層極板間距均相等，且都為強(qiáng)電場(chǎng)，其次是改變了常規(guī)電脫鹽裝置的進(jìn)油方式，特殊結(jié)構(gòu)的進(jìn)油分配器將乳化液直接送入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，而不是按照傳統(tǒng)方法進(jìn)入水相，兩個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)同時(shí)作用，以加速油中水滴的聚結(jié)。該高速電脫鹽設(shè)備較常規(guī)電脫鹽設(shè)備處理能力可提高50%～100%。具體電脫鹽罐結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

高速電脫鹽技術(shù)的顯著特點(diǎn)是單罐處理能力大、油流路徑與停留時(shí)間短、脫鹽脫水效率高、電耗低、占地面積小，對(duì)煉油廠常減壓裝置擴(kuò)建非常有用。

圖6 Petrolite公司高速電脫鹽罐結(jié)構(gòu)Fig.6 High-speed electrical desaltinger structure of Petrolite Co.

3.2 原油脈沖電脫鹽脫水技術(shù)

脈沖電脫鹽脫水技術(shù)采用專(zhuān)業(yè)脈沖電源供電，可形成高壓、高頻脈沖電場(chǎng)，瞬間獲得的電場(chǎng)力通常是普通電場(chǎng)力的2～5倍，根據(jù)聚結(jié)公式，電場(chǎng)作用下液滴之間的聚結(jié)力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，這就意味著乳化液滴間的聚集力可提高4～25倍。專(zhuān)業(yè)脈沖電源的另一大特點(diǎn)是可通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖頻率和占空比(脈沖輸出時(shí)間與脈沖周期之比)，有效杜絕罐內(nèi)電極間的短路現(xiàn)象和電分散現(xiàn)象[13]。英國(guó)BP石油公司于1992年率先在Ware-hm油田采用了脈沖電脫鹽技術(shù)進(jìn)行油田油水分離[14]。國(guó)內(nèi)勝利油田設(shè)計(jì)院在20世紀(jì)90年代中期研制成功5 kV高壓脈沖電脫水技術(shù)用于油田三采原油破乳脫水。高頻脈沖振蕩頻率更高，能促進(jìn)乳化膜的破裂，較傳統(tǒng)的電脫鹽技術(shù)更節(jié)約電能和破乳劑[15]。脈沖電脫鹽脫水技術(shù)在油田聯(lián)合站、煉油廠優(yōu)化、海上油田結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但由于脈沖電脫鹽要采用大功率脈沖電源，成本較高，該技術(shù)尚未得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.3 雙進(jìn)油-雙電場(chǎng)電脫鹽脫水技術(shù)

雙進(jìn)油雙電場(chǎng)電脫鹽技術(shù)的設(shè)計(jì)思路:充分利用原有電脫鹽罐的上部空間，在電脫鹽罐內(nèi)將原有的一套重油深度脫鹽設(shè)備改造成兩套重油深度脫鹽設(shè)備，它能在原有電脫鹽罐容積不變的情況下，通過(guò)改變內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，使原油處理量達(dá)到原處理量的1.5～2倍，一般原油通過(guò)此技術(shù)的兩級(jí)處理便能達(dá)到脫后鹽質(zhì)量濃度小于3 mg/L、含水不大于0.3%的技術(shù)指標(biāo)。

3.4 超聲波強(qiáng)化原油電脫鹽脫水技術(shù)

國(guó)內(nèi)在超聲波強(qiáng)化原油電脫鹽脫水方面的研究相比國(guó)外起步較晚，于2000年前后才開(kāi)始有相關(guān)的研究報(bào)道。超聲波強(qiáng)化原油電脫鹽技術(shù)主要是利用超聲波的機(jī)械振動(dòng)作用對(duì)原油進(jìn)行破乳，促使水滴凝聚，達(dá)到破乳脫水效果。當(dāng)含有懸浮水滴的原油中通入超聲波時(shí)，會(huì)引起懸浮水滴與原油介質(zhì)一起振動(dòng)，水珠在超聲波輻射下產(chǎn)生“位移效應(yīng)”，不斷向波腹或波節(jié)運(yùn)動(dòng)，并發(fā)生碰撞與聚結(jié)，使得體積不斷增大，最后借助重力作用沉降[16]。另外，石蠟、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)等天然乳化劑的在超聲波的機(jī)械作用、空化作用和熱作用下會(huì)逐漸分散得更均勻，溶解度更大，界面膜強(qiáng)度更低，有利于水相的沉降分離。中石化齊魯石化研發(fā)的“超聲波強(qiáng)化勝利混輸原油(平均鹽質(zhì)量濃度為50 mg/L，平均水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5% ～1.0%)電脫鹽技術(shù)”于2003年在勝利煉油廠進(jìn)行了電脫鹽中試實(shí)驗(yàn)，在無(wú)破乳劑作用時(shí)，借助超聲波強(qiáng)化破乳，便可達(dá)到脫后原油鹽質(zhì)量濃度不大于3 mg/L，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.3%的指標(biāo)。目前超聲波破乳機(jī)理還不十分清楚，理論分析較困難，還需進(jìn)一步深入研究。

4 展望

未來(lái)伴隨著原油質(zhì)量的不斷下降，能夠高效脫除無(wú)機(jī)鹽，并逐漸通過(guò)反應(yīng)、吸附、過(guò)濾等方法脫除有機(jī)鹽的深度脫鹽脫水技術(shù)將會(huì)是科研工作者研究與工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)。主要可體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)繼續(xù)致力于開(kāi)發(fā)先進(jìn)高效的原油電脫鹽脫水設(shè)備。如更為大型的電脫鹽罐體;可以提供高頻、高壓的新型變壓器及電極結(jié)構(gòu);高效的混合器和混合閥、精確實(shí)時(shí)的油水界面控制儀;優(yōu)質(zhì)的進(jìn)油分配器與反沖洗系統(tǒng)等都將是電脫鹽脫水設(shè)備未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

(2)復(fù)配、開(kāi)發(fā)更為高效的電脫鹽稀釋劑、破乳劑和助劑。

(3)重、輕質(zhì)原油混合摻煉的同時(shí)，逐步提高對(duì)原油的實(shí)時(shí)監(jiān)控，加強(qiáng)生產(chǎn)管理，適時(shí)根據(jù)進(jìn)廠原油性質(zhì)調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)控。

(4)加速現(xiàn)有電脫鹽脫水技術(shù)的更新?lián)Q代以滿足日趨嚴(yán)格的指標(biāo)要求，同時(shí)，加強(qiáng)新型非電脫鹽技術(shù)的開(kāi)發(fā)與研究。據(jù)報(bào)道，磁處理、動(dòng)態(tài)旋流分離、微生物破乳及冷凍解凍破乳等原油破乳脫鹽技術(shù)已經(jīng)有所應(yīng)用。可以預(yù)見(jiàn)的是，高效穩(wěn)定、處理量大、低耗環(huán)保將成為未來(lái)原油脫鹽脫水技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)方向。

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