含油污泥離心脫水關(guān)鍵影響因素分析
技術(shù)支持
含油污泥（以下簡稱油泥）是石油勘探、開采、煉制、加工、儲存、運(yùn)輸?shù)冗^程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物之一。據(jù)估計(jì)，每生產(chǎn)200t原油將會產(chǎn)生約1t油泥。根據(jù)近年來全球原油生產(chǎn)量估計(jì)，每年有2000萬t油泥產(chǎn)生。油泥中含有多種多環(huán)芳烴（PAHs）、重金屬等有毒有害物質(zhì)，屬于危險(xiǎn)廢棄物。油泥處置不當(dāng)會引發(fā)環(huán)境污染、生態(tài)破壞，危及人類健康。油泥中含有30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）～80%的碳?xì)浠衔?，具有很高的資源化利用價(jià)值。其中，油泥中水/油/固體顆粒三相分離是油泥資源化處置工程化應(yīng)用的發(fā)展趨勢。油泥中水/油/固體顆粒具有不同的密度，可以通過離心設(shè)備產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力實(shí)現(xiàn)三相分離。然而，油泥在形成過程中會收到剪切力作用，并且油泥中存在瀝青、膠質(zhì)、有機(jī)酸等天然乳化劑，這使得油與水形成十分穩(wěn)定的油包水（W/O）型乳化液，給油泥機(jī)械脫水以及后續(xù)的進(jìn)一步加工煉制帶來了很大困難。
目前，針對油泥離心脫水性能的研究，主要是通過對影響離心分離的各因素進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)，得到各因素對離心分離效率的影響。然而，針對油泥離心脫水的研究，存在以下不足：
（1）僅針對特定的油泥進(jìn)行離心影響參數(shù)實(shí)驗(yàn)，由于不同油泥水分分布差異很大，僅針對某一樣品的分析結(jié)果不具有代表性，得出的結(jié)論不具有通用性。
（2）缺乏對不同油泥脫水性能的關(guān)鍵影響因素分析，對具有不同水分分布的油泥無法指明制約脫水率提高的關(guān)鍵因素。
本研究著重討論了影響不同水分分布油泥脫水性能提高的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)評價(jià)了離心溫度、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間對油泥機(jī)械脫水的影響規(guī)律，以期為今后油泥資源化利用技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供支持。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)樣品
實(shí)驗(yàn)所用的3種油泥分別取自為浙江舟山地區(qū)原油儲罐清罐底泥（記為ZS油泥）、納海固體廢棄物處置有限公司隔油池底泥（記為NS油泥）和舟山益民固體廢棄物處置廠回收油船清艙油泥（YS油泥）。3種油泥的黏度及組成成分如下：
| 項(xiàng)目 | ZS油泥 | NS油泥 | YS油泥 |
25℃黏度（Pa·s） | 3.1 | 14.9 | 47.2 |
含水率（%） | 33.5 | 20.2 | 16.3 |
含油率（%） | 65.0 | 59.1 | 31.3 |
含渣率（%） | 1.5 | 20.7 | 52.4 |
黏度利用AR-G2型流變儀在室溫下測定；含水率采用蒸餾法測定；含油率采用索氏提取法測定，以甲苯為索提溶劑；含渣率通過差減法計(jì)算得到。
1.2 脫水率計(jì)算
取實(shí)驗(yàn)樣品30g于120mL離心管中，在設(shè)定離心時(shí)間、離心轉(zhuǎn)速及離心溫度條件下離心，離心實(shí)驗(yàn)均在Thermo Scientific ST40型離心機(jī)中進(jìn)行，脫水率（Dw，%）計(jì)算公式如下：
Dw=（ms-mc）/ms×100%，式中：ms和mc分別為油泥及離心后上層離心油中水分質(zhì)量，g。
1.3 水滴粒徑分布測量
油泥黏度高、不透光且含有固體顆粒，現(xiàn)有的光學(xué)粒度分析技術(shù)無法測量油泥中水滴的粒徑分布。在實(shí)驗(yàn)中，基于差示掃描量熱（DSC）法測量其粒徑分布。實(shí)驗(yàn)在Mettler-Toledo DSC1型DSC儀中進(jìn)行，采用氮?dú)庾鳛榇祾邭?，流?0ml/min，制冷系統(tǒng)采用與DSC儀相連接的機(jī)械制冷機(jī)。升降溫速率設(shè)定為5℃/min。
1.4 單因素實(shí)驗(yàn)
離心時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)：在25℃下，將3種油泥在3000r/min下分別離心5、10、15、20、25、30、35、40min，離心后從上層離心油取樣測定水分含量，并計(jì)算脫水率。
離心轉(zhuǎn)速影響實(shí)驗(yàn)：在25℃下，將3種油泥在不同離心轉(zhuǎn)速（1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500r/min）下離心20min，離心后從上層離心油取樣測定水分含量，并計(jì)算脫水率。
離心溫度影響實(shí)驗(yàn)：將3種油泥分別置于不同溫度的恒溫水浴中（25、30、35、40、45、50、55、60、65、70℃）直至油泥恒溫，恒溫油泥在3000r/min下離心20min，離心后從上層離心油取樣測定水分含量，并計(jì)算脫水率。
1.5 正交實(shí)驗(yàn)
在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，以離心時(shí)間、離心轉(zhuǎn)速、離心溫度為變量進(jìn)行3因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果
油泥離心脫水主要影響因素為離心時(shí)間、離心轉(zhuǎn)速和離心溫度，不同油泥在相同離心條件下的脫水率差異很大，這主要與油泥黏度和油泥中水滴的粒徑分布有關(guān)。
2.1.1 離心時(shí)間的影響
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，油泥脫水率隨離心時(shí)間增加而提高，不同油泥在相同離心條件下的脫水率差異很大。對于ZS油泥，在3000r/min轉(zhuǎn)速下的脫水率均未達(dá)到5%。ZS油泥中水滴基本為小顆粒（粒徑＜5um），且粒徑集中分布于3um附近，3000r/min提供的離心力不足以使如此小尺度的水滴在油相中發(fā)生遷移，即使離心時(shí)間足夠長，脫水率依然不高。對于YS油泥，離心時(shí)間從5min增加至25min，脫水率由4.5%上升至17.9%，隨后，脫水率隨時(shí)間增加幅度趨緩，在40min可達(dá)25.4%。YS油泥中水滴粒徑分布范圍較廣，在3000r/min的離心轉(zhuǎn)速下，YS中粒徑較大的水滴隨著離心時(shí)間的延長遷移距離增加，而YS中粒徑較小的水滴在此離心力作用下運(yùn)動速度很小，在給定的離心時(shí)間內(nèi)，無法從油相中分離。因此，YS油泥僅可以通過離心分離一部分的乳化水。對于NS油泥，水滴大多分布于10um以上，在3000r/min轉(zhuǎn)速下，開始啟動離心5min，就可以脫除10.4%的水分，隨著離心時(shí)間的增加，位于離心管上層的大顆粒（粒徑＞10um）水滴也逐步遷移至下層從油相中分離，實(shí)現(xiàn)85.9%的脫水率。
2.1.2 離心轉(zhuǎn)速的影響
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，油泥脫水率隨離心轉(zhuǎn)速的升高而增加。大于粒徑分布單一且乳化嚴(yán)重（水滴粒徑?。┑腪S油泥，在離心轉(zhuǎn)速小于2000r/min的條件下，ZS油泥的脫水率均不足1%，說明低轉(zhuǎn)速離心所產(chǎn)生的離心力無法將油包水的狀態(tài)打破，而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到4500r/min時(shí)，小顆粒水滴開始沉降，脫水率增加到20.8%。對于NS油泥，在離心轉(zhuǎn)速為1000～2500r/min時(shí)，曲線呈指數(shù)分布，脫水率隨離心轉(zhuǎn)速升高而明顯增加；離心轉(zhuǎn)速由2500r/min升高至4500r/min時(shí)，NS油泥脫水率呈線性增加但增加速率較小。在離心轉(zhuǎn)速為1000～2500r/min時(shí)，YS脫水率主要由大顆粒水滴貢獻(xiàn)，變化趨勢與NS油泥相似，在2500r/min時(shí)脫水率達(dá)到13.7%；離心轉(zhuǎn)速從2500r/min升高到4500r/min時(shí)，小顆粒水滴逐漸從油相分離，變化趨勢與ZS油泥相似，在4500r/min時(shí)脫水率達(dá)到36.5%。
2.1.3 離心溫度的影響
在離心轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間一定的情況下，離心溫度是影響油泥脫水效果的主要因素之一。隨著離心溫度的升高，水滴的熱運(yùn)動加劇，會增加水滴顆粒間的碰撞，致使油水相界面破裂，聚并形成具有更大粒徑的水滴。同時(shí)加熱可使油相黏度降低，有利于聚集的水滴沉降。隨著離心溫度的升高，NS油泥脫水率穩(wěn)步提高，這是因?yàn)镹S油泥中水滴粒徑較大，溫度升高，油泥黏度不再是制約脫水率提高的關(guān)鍵因素；YS油泥中含有52.4%的固體顆粒，且具有很高的黏度，因此YS油泥受離心溫度影響很大，在25～70℃，離心溫度—脫水率曲線幾乎呈線性關(guān)系。從25℃升至60℃時(shí)，ZS脫水率隨離心溫度升高呈指數(shù)增加，這是因?yàn)閆S油泥中水滴粒徑較小，在升溫過程中，小顆粒水滴由于熱運(yùn)動發(fā)生碰撞的概率增大，且升溫可以削弱油水界面膜強(qiáng)度，導(dǎo)致ZS油泥中一部分小水滴可以相互聚并形成大水滴，進(jìn)而在離心中從油相中分離；當(dāng)溫度從60℃繼續(xù)升高，ZS脫水率提高幅度減弱。
2.2 基于正交實(shí)驗(yàn)的油泥脫水性能關(guān)鍵影響因素分析
離心參數(shù)的選擇和優(yōu)化是提高脫水率的關(guān)鍵。為探明影響不同油泥脫水性能的關(guān)鍵因素，進(jìn)行了3因素4水平的正交實(shí)驗(yàn)。
2.2.1 極差分析
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在相同的離心條件下，3種油泥的脫水率相差較大，對正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，可以看出：對于ZS油泥而言，對脫水性能影響大小的影響因素表現(xiàn)為離心轉(zhuǎn)速＞離心溫度＞離心時(shí)間；而對于NS油泥，對脫水率影響明顯的因素是離心時(shí)間，隨后依次是離心溫度和離心轉(zhuǎn)速；對YS油泥脫水率影響順序?yàn)殡x心溫度＞離心轉(zhuǎn)速＞離心時(shí)間。因此，對于不同粒徑分布的水滴制約脫水率提高的關(guān)鍵因素不同。對于ZS油泥，提高脫水率需要提高離心轉(zhuǎn)速，在離心溫度45℃、離心轉(zhuǎn)速4500r/min條件下離心20min，脫水率較大。延長離心時(shí)間可以有效提高NS油泥的脫水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，NS油泥脫水條件為在55℃、1500r/min下離心40min。YS油泥的含渣率高，黏度大，提高離心溫度可以有效降低YS油泥的黏度致使脫水率大幅提高，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下，脫水率較大的操作條件為55℃、2500r/min下離心30min。
2.2.2 方差分析
離心溫度和離心時(shí)間對ZS油泥脫水率無顯著影響，而離心轉(zhuǎn)速對ZS油泥脫水率影響極顯著；方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致，說明對于粒徑微小的油泥，制約脫水率提高的關(guān)鍵因素是離心轉(zhuǎn)速，這表明，為了提高油泥機(jī)械脫水效率，ZS油泥應(yīng)經(jīng)破乳預(yù)處理以提高水滴粒徑。對于NS油泥，離心時(shí)間對脫水率影響極顯著，說明保證油泥在離心機(jī)內(nèi)有足夠的停留的時(shí)間可以顯著提高NS油泥脫水率，離心溫度和離心轉(zhuǎn)速兩個(gè)因素均對NS脫水率有明顯影響，說明即使油泥水滴粒徑較大，為了獲得較佳的脫水效果，油泥仍需進(jìn)行降黏預(yù)處理。YS油泥的方差分析表明，對于高黏度且粒徑分布較廣的油泥，制約脫水率提高的關(guān)鍵因素是離心溫度和離心轉(zhuǎn)速，離心溫度和離心轉(zhuǎn)速的提高可有效降低油泥的黏度及油泥中水滴的臨界分離粒徑。
3 結(jié)論
（1）油泥脫水率隨離心時(shí)間提高而提高，對于粒徑＞10um的大顆粒水滴，離心時(shí)間對脫水影響較大，對于粒徑小于5um的小顆粒水滴，離心時(shí)間的延長無法有效提高脫水率。
（2）油泥脫水率隨離心轉(zhuǎn)速提高而提高，且離心轉(zhuǎn)速對脫水率的影響也主要決定于油泥中水滴的粒徑分布。在低轉(zhuǎn)速區(qū)脫水率主要由大顆粒水滴貢獻(xiàn)，且油泥脫水率與離心轉(zhuǎn)速呈指數(shù)關(guān)系；高轉(zhuǎn)速區(qū)較小顆粒水滴開始沉降且油泥脫水率與離心轉(zhuǎn)速呈指數(shù)關(guān)系，而高離心轉(zhuǎn)速對大顆粒水滴影響不明顯。
（3）離心溫度對脫水率的影響主要通過影響油泥黏度和增加水滴聚并實(shí)現(xiàn)。對于黏度大的油泥，脫水率與離心溫度呈線性增加關(guān)系，對于粒徑較小的水滴，離心溫度從25℃提高至60℃可以顯著提高水滴碰撞聚并概率，從而提高脫水率。
