一种含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备和洗脱方法与流程

1.本发明属于泥沙洗脱技术领域，具体涉及一种含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备和洗脱方法。


背景技术：

2.含石油烃泥沙是指石油天然气勘探、开采、集输、废液处理过程中产生的石油烃与泥沙形成的混合物，及在钻井过程中使用油基泥浆产生的含石油烃岩屑。其体系非常稳定，具有数量多、危害大和处理难度大等特点。因此，迫切需要结合各地情况加强研究，积极采取有效措施，切实防治土壤石油污染。
3.目前国内外对含石油烃泥沙处理的分离技术主要有：萃取法、热洗法、破乳回收法、浮选除油法、离心分离法等，但存在着成本高、分离不彻底、周期长、环境条件影响大等不足。
4.其中，离心分离含石油烃泥沙是较为清洁、成熟的技术，该技术高效、简单、快捷、处理量大且无需大量化学试剂，设备占用空间小，适用于规模化处理含石油烃泥沙。但是为了提高离心分离效率，通常需要消耗大量能量来提供足够的离心力使得含石油烃泥沙中油相分离。另外，离心机运行会造成噪声污染，而且设备维护成本高。因此急需开发一种适合于我国石油烃污染的泥沙颗粒的高效且低耗的洗涤设备和方法。


技术实现要素：

5.为解决现有技术的不足，本发明提供了一种含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备和洗脱方法，采用旋流洗脱技术处理被石油烃污染的泥沙，并提供成套设备和洗脱方法。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备，所述成套设备包括颗粒分级器、搅拌混合器、下行式洗脱主容器和油水分离器，其中：
8.所述颗粒分级器内部设置过滤筛盘，其外缘与颗粒分级器的内壁连接，用于将含石油烃泥沙粒径分级为粗粒泥沙和细粒泥沙，且所述细粒泥沙通入所述搅拌混合器。
9.所述搅拌混合器上端设有细粒进料口、洗涤液进料口和循环水进料口，内部上方安装搅拌装置，用于将加入所述搅拌混合器内的细粒泥沙与洗涤液和循环水搅拌混合形成泥浆混合物，并通入所述下行式洗脱主容器。
10.所述下行式洗脱主容器的内部上方设置螺旋洗涤结构，所述螺旋洗涤结构包括若干并联的锥形螺旋洗涤管，用于旋流洗脱所述泥浆混合物中的细粒泥沙；所述螺旋洗涤结构下方设置导流结构和旋流分离结构，所述旋流分离结构包括若干并联的旋流分离器，用于将旋流洗脱后的泥浆混合物固液分离为洗脱后的泥沙颗粒和油水混合物。
11.所述油水分离器用于油水分离所述油水混合物，并回收油水分离后的油相和水相，或将水相作为循环水通入所述搅拌混合器循环利用。
12.本发明进一步设置为，所述过滤筛盘倾斜设置于所述颗粒分级器内，所述过滤筛
盘设置若干过滤孔，所述颗粒分级器与所述过滤筛盘最低点连接处的壁面的上端设置粗粒出口，所述颗粒分级器的底端设有细粒出口。
13.本发明进一步设置为，所述过滤孔的直径为2mm。
14.本发明进一步设置为，所述锥形螺旋洗涤管包括由上至下连接的螺旋洗涤段和文丘里强化段，所述螺旋洗涤段包括筒状的壳体和设置于所述壳体内的呈正反旋交替连接的正旋螺旋管和反旋螺旋管，所述正旋螺旋管和反旋螺旋管分别为螺旋回转直径逐渐减小的倒锥形结构和螺旋回转直径逐渐增大的正锥形结构，且旋向相反。
15.本发明进一步设置为，所述文丘里强化段包括由上至下依次连接的收缩段、喉管段和扩散段，所述文丘里强化段的长度与螺旋洗涤段的直径比为4
‑
5，所述扩散段的扩散角β为2
°‑5°
，用于进一步强化洗脱。
16.本发明进一步设置为，所述螺旋洗涤段的长度与螺旋洗涤段的直径比为6
‑
8，所述正旋螺旋管和反旋螺旋管的内径与螺旋洗涤段的直径比为0.2，螺旋圈数为3
‑
6圈，螺距与螺旋洗涤段的直径比为0.5，所述正旋螺旋管和反旋螺旋管连接处最小螺旋回转面积的直径与螺旋洗涤段的直径比为0.4，螺旋升角α为15
°‑
25
°
。
17.本发明进一步设置为，所述正旋螺旋管和反旋螺旋管的螺旋圈数均为4圈。
18.本发明进一步设置为，所述螺旋洗涤结构还包括用于支撑固定所述锥形螺旋洗涤管的支撑板，所述支撑板与所述下行式洗脱主容器的内壁连接固定；所述支撑板上设有若干与所述锥形螺旋洗涤管位置对应的圆形通孔，所述锥形螺旋洗涤管的上端与所述圆形通孔的侧壁连接从而实现固定。
19.本发明进一步设置为，所述导流结构包括从上至下依次连接于一体的导流锥筒段、导流圆筒段和导流分散段，所述导流锥筒段从下至上内径渐缩且上边缘与所述下行式洗脱主容器的内壁连接，所述导流分散段为与所述下行式洗脱主容器内壁连接的扁圆柱状结构，通过所述螺旋洗涤结构的泥浆混合物经所述导流锥筒段和导流圆筒段后均布分散于所述导流分散段内。
20.本发明进一步设置为，所述旋流分离器包括位于所述旋流分离器侧壁的旋流入口、顶端的溢流口和底端的底流口；所述旋流分离器穿过所述导流分散段设置且旋流入口与所述导流分散段连通，所述溢流口位于所述导流分散段上方，所述底流口位于所述导流分散段下方；与所述旋流分离结构的上端位置对应的所述下行式洗脱主容器的侧壁上设置液相排出口，所述下行式洗脱主容器的底端设置泥沙排出口，分别用于排放固液分离后的油水混合物和洗脱后的泥沙颗粒。
21.本发明还公开了一种利用上述成套设备洗脱含石油烃泥沙的方法，所述方法包括以下步骤：
22.(1)含石油烃泥沙通入所述颗粒分级器，通过所述过滤筛盘粒径分级，粒径分级后小粒径的细粒泥沙通入所述搅拌混合器；
23.(2)通入所述搅拌混合器内的细粒泥沙与通入的洗涤液和循环水经搅拌混合形成泥浆混合物，并通入所述下行式洗脱主容器；
24.(3)所述泥浆混合物经所述下行式洗脱主容器中螺旋洗涤结构的锥形螺旋洗涤管深度洗脱，并通过所述导流结构进入所述旋流分离结构内固液分离为油水混合物和洗脱后的泥沙颗粒；
25.(4)所述油水混合物通入所述油水分离器油水分离，分离后的水相从所述油水分离器排出或作为循环水通入搅拌混合器的循环水进料口循环利用，油相从所述油水分离器排出回收。
26.本发明进一步设置为，根据粒径分级后细粒泥沙中石油烃质量分数不同，通入所述搅拌混合器中泥沙与循环水的流量之比不同：
27.当石油烃质量分数≤20％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:2；
28.当石油烃质量分数>20％且≤30％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:4；
29.当石油烃质量分数>30％且<40％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:7；
30.当石油烃质量分数≥40％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:12。
31.本发明进一步设置为，所述经旋流分离结构固液分离的油水混合物中含油率低于8％时，直接通入搅拌混合器的循环水进料口作为循环水循环利用。
32.本发明进一步设置为，所述洗涤液通过表面活性剂和水以1:1比例混合配置；所述洗涤液添加量和所述泥沙与循环水混合的总质量比为5:1000。
33.本发明进一步设置为，所述表面活性剂为非离子表面活性剂柠檬酸钠。
34.本发明进一步设置为，所述循环水进料口同时通入蒸汽，提高泥浆混合物温度，强化旋流洗脱石油烃效果；所述蒸汽鼓入与所述搅拌混合器的泥沙进料的体积流量之比为1
‑
3。
35.本发明的有益效果在于：
36.本发明所提供的含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备和洗脱方法，实现了含石油烃泥沙粒径分级，泥沙颗粒深度洗脱分离和油水高效分离的目的，具有运行稳定，洗脱效率高，能耗低，结构紧凑，适应性广等优点。具体而言，
37.(1)本发明通过螺旋洗涤结构中并联的锥形螺旋洗涤管对泥沙颗粒进行洗脱，泥浆混合物在呈正反旋交替连接的正旋螺旋管和反旋螺旋管中发生旋流，由于固体颗粒与石油烃的密度差，在旋流的作用下两者之间的剪切力被增强，螺旋回转面积的减小使得流体运动的角速度增大，从而使两者之间的剪切力进一步变大，而洗涤液的加入降低了石油烃对固体颗粒的吸附力，使得泥沙中的石油烃与泥沙颗粒发生分离；进入反旋螺旋管后，螺旋回转面积的逐渐增大使得油相开始吸附于水相，保护固体颗粒不再被污染，使得泥沙颗粒深度洗脱。
38.(2)利用锥形螺旋洗涤管的文丘里强化段的水力空化现象引起的湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应，进而减薄边界层，提高微孔扩散，增大传质面积，从整体上强化了洗脱过程的传质效率和深度。
39.(3)洗脱分离后的油水混合物经油水分离器高效分离，回收油相并循环利用所述洗脱成套设备的水相，充分利用水资源，减少排放。
附图说明
40.图1为本发明所涉及的下行式旋流洗脱成套设备的结构示意图；
41.图2为本发明所涉及的下行式洗脱主容器的结构示意图；
42.图3为本发明所涉及的旋流分离器的结构示意图；
43.图4为本发明所涉及的锥形螺旋洗涤管的结构示意图；
44.图5为本发明所涉及的锥形螺旋洗涤管的螺旋管的结构示意图。
具体实施方式
45.以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。应理解，以下实施例仅用于对本发明作进一步说明，不应理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
46.本发明首先对被石油烃污染的泥沙颗粒进行粒径分级，将污染程度较低的大粒径的泥沙颗粒分离排出，经粒径分级的小粒径泥沙与洗涤用的水相和洗涤剂搅拌混合形成含石油烃泥沙浆，通过锥形螺旋洗涤管，在洗涤管内螺旋运动作用下深度脱附，接着通过固液旋流分离器固液分离；旋流分离后的泥沙颗粒即实现了泥沙的除油净化，旋流分离后的液相为油水混合物，进一步对其油水分离实现油相的回收和水相的循环利用。
47.实施例1
48.图1显示了本发明的一种含石油烃泥沙下行式旋流洗脱成套设备的示意图。由图1所示，所述旋流洗脱成套设备包括颗粒分级器1、搅拌混合器2、下行式洗脱主容器3和油水分离器4，其中：
49.所述颗粒分级器1上端设有物料进口11，用于待处理的泥沙的进料；内部设置过滤筛盘12，其外缘与颗粒分级器1的内壁连接，用于将待处理的泥沙粒径分级，所述颗粒分级器1的壁面与所述过滤筛盘12的连接处的上端向外设置粗粒出口13，所述颗粒分级器1的底端设有细粒出口14，待处理的泥沙通过所述过滤筛盘12粒径分级，大粒径的泥沙颗粒通过所述粗粒出口13排出，小粒径的泥沙颗粒通过所述细粒出口14排出。
50.所述搅拌混合器2上端设有细粒进料口21、洗涤液进料口22和循环水进料口23，所述细粒进料口21与所述细粒出口14通过管道连通，经细粒出口14排出的小粒径的泥沙颗粒通过所述细粒进料口21进入所述搅拌混合器2；所述搅拌混合器2的内部上方安装搅拌装置24，用于搅拌混合加入所述搅拌混合器2内的待处理的泥沙、洗涤液和循环水形成泥浆混合物；所述搅拌混合器2底端设有物料出口26。
51.所述下行式洗脱主容器3的侧壁上端设有泥浆混合物进口31，与所述物料出口26通过管道连通；所述下行式洗脱主容器3的内部上方设置螺旋洗涤结构32，所述螺旋洗涤结构32包括若干并联的锥形螺旋洗涤管321；所述螺旋洗涤结构32下方设置导流结构33和用于固液分离的旋流分离结构34，所述旋流分离结构34包括若干并联的旋流分离器341；与所述旋流分离结构34的上端位置对应的所述下行式洗脱主容器3的侧壁上设置液相排出口35，所述下行式洗脱主容器3的底端设置泥沙排出口36，分别用于排放旋流固液分离后的液相和泥沙颗粒。
52.所述油水分离器4的侧壁设有液相进口41，顶部设有油相出口42，底端设有水相出口43，所述油水分离器4内部设置用于油水分离的分离床层44，所述液相进口41与所述下行式洗脱主容器3的液相排出口35通过管道连通，所述水相出口43作为净化水出口，并通过管道与所述搅拌混合器2的循环水进料口23连通，经油水分离的水相排出收集或作为循环水通入所述搅拌混合器2循环利用，油相从所述油相出口42排出回收。
53.进一步的，所述过滤筛盘12倾斜设置于所述颗粒分级器1内，所述过滤筛盘12与颗粒分级器1的水平夹角优选为30
°
，所述粗粒出口13位于所述过滤筛盘12与所述颗粒分级器
1最低点连接处的壁面的上端，使得粒径分级无法通过所述过滤筛盘12的粗粒的泥沙颗粒在重力作用下运动至所述粗粒出口13向外排出。
54.进一步的，所述过滤筛盘12设置若干沿所述过滤筛盘12圆周分布的过滤孔(图中未示出)，所述过滤孔的直径优选为2mm。
55.进一步的，所述搅拌装置24包括搅拌叶241，由安装于所述搅拌混合器2顶端中心的电机25驱动，启动所述电机25带动所述搅拌叶241转动，搅拌混合水、洗涤液和待处理的泥沙。
56.进一步的，如图2所示，所述螺旋洗涤结构32还包括用于支撑固定所述锥形螺旋洗涤管321的支撑板322，所述支撑板322与所述下行式洗脱主容器3的内壁连接固定且位于所述泥浆混合物进口31的下方；所述支撑板322上设有若干与所述锥形螺旋洗涤管321位置一一对应的圆形通孔(图中未示出)，所述锥形螺旋洗涤管321的上端与所述圆形通孔的侧壁连接从而实现固定。从所述泥浆混合物进口31通入的泥浆混合物通过所述锥形螺旋洗涤管321，在螺旋运动作用下深度脱附，洗脱泥浆混合物中的泥沙颗粒。
57.进一步的，所述导流结构33包括从上至下依次连接于一体的导流锥筒段331、导流圆筒段332和导流分散段333，所述导流锥筒段331从下至上内径渐缩且上边缘与所述下行式洗脱主容器3的内壁连接，所述导流分散段333为与所述下行式洗脱主容器3内壁连接的扁圆柱状结构，通过所述螺旋洗涤结构32的泥浆混合物经所述导流锥筒段331和导流圆筒段332后均布分散于所述导流分散段333内。
58.进一步的，结合图3所示，所述旋流分离器341包括位于所述旋流分离器341侧壁的旋流入口342、位于所述旋流分离器341顶端的用于液相排出的溢流口343和位于所述旋流分离器341底端的用于固相排出的底流口344。所述旋流分离器341穿过所述导流分散段333设置，旋流入口342与所述导流分散段333连通，导流分散段333内的泥浆混合物经所述旋流入口342切向进入所述旋流分离器341内固液分离。所述溢流口343位于所述导流分散段333上方，经固液旋流分离的油水混合物从溢流口343流出后经所述液相排出口35排出；所述底流口344位于所述导流分散段333下方，经固液旋流分离的泥沙颗粒从所述底流口344排出后经所述泥沙排出口36排放，实现泥沙颗粒的出油洗脱净化。
59.进一步的，如图4所示，所述锥形螺旋洗涤管321包括由上至下连接的螺旋洗涤段323和文丘里强化段324，所述螺旋洗涤段323包括筒状的壳体326和设置于所述壳体326内的呈正反旋交替连接的正旋螺旋管324和反旋螺旋管325，所述正旋螺旋管324的上端口与所述壳体326连通且高于所述支撑板322，所述正旋螺旋管324和反旋螺旋管325分别为螺旋回转直径逐渐减小的倒锥形结构和螺旋回转直径逐渐增大的正锥形结构，且旋向相反。所述泥浆混合物从所述正旋螺旋管324的上端口进入所述锥形螺旋洗涤管321，在螺旋运动的作用下发生旋流，由于固体颗粒与石油烃的密度差，在旋流的作用下两者之间的剪切力被增强，螺旋回转面积的减小使得流体运动的角速度增大，从而使两者之间的剪切力进一步变大，而洗涤液的加入降低了石油烃对固体颗粒的吸附力，使得泥沙中的石油烃与泥沙颗粒发生分离；接着进入所述反旋螺旋管325，螺旋回转面积的逐渐增大使得油相开始吸附于水相，从而保护固体颗粒不再被污染。
60.进一步的，所述文丘里强化段324包括由上至下依次连接的收缩段327、喉管段328和扩散段329，所述喉管段328具有水力空化作用，即液体内局部压力降低，液体内部或液固
交界面上蒸汽或气体空穴的形成、发展和溃灭过程。产生的空化气泡溃灭时产生局部热点，引起湍流效应、微扰效应、界面效应和聚能效应，进而减薄边界层，提高微孔扩散，增大传质面积，从整体上强化了污染物脱附过程的传质效率和深度，实现高效洗脱目的。
61.进一步的，所述螺旋洗涤段323的长度与螺旋洗涤段323的直径比为6
‑
8，文丘里强化段324的长度与螺旋洗涤段323的直径比为4
‑
5，即所述的锥形螺旋洗涤管321的螺旋洗涤段323的直径为d时，螺旋洗涤段323的长度为6d
‑
8d，文丘里强化段324的长度为4d
‑
5d；所述扩散段329的扩散角β为2
°‑5°
。
62.进一步的，如图5所示，所述正旋螺旋管324和反旋螺旋管325的内径与螺旋洗涤段323的直径比为0.2，螺距与螺旋洗涤段323的直径比为0.5，所述正旋螺旋管324和反旋螺旋管325连接处最小螺旋回转面积的直径与螺旋洗涤段323的直径比为0.4，即正旋螺旋管324和反旋螺旋管325的内径为0.2d，螺距为0.5d，正旋螺旋管324和反旋螺旋管325连接处最小螺旋回转面积的直径为0.4d，螺旋圈数为3
‑
6圈，螺旋升角α，即所述正旋螺旋管324和反旋螺旋管325的渐缩或渐扩的锥面与竖直方向的夹角为15
°‑
25
°
。
63.优选的，所述正旋螺旋管324和反旋螺旋管325的螺旋圈数均为4圈。
64.进一步的，所述油水分离器4的用于油水分离的分离床层44可采用现有技术，如cn201910265653.5公开的一种海上油田生产水亲疏水颗粒组合聚结除油的装置中的亲疏水性颗粒组合床层。
65.利用上述下行式旋流洗脱成套设备洗脱含石油烃泥沙的方法，具体包括如下步骤：
66.(1)待处理的泥沙通过所述物料进口11通入所述颗粒分级器1，在所述过滤筛盘12作用下粒径分级，大粒径的泥沙颗粒通过所述粗粒出口13排出，小粒径的泥沙颗粒通过所述细粒出口14排出；
67.(2)小粒径的泥沙颗粒通过所述细粒进料口21进入所述搅拌混合器2，与所述洗涤液进料口22和循环水进料口23通入的洗涤液和循环水混合，经所述搅拌装置24搅拌形成泥浆混合物，并从所述物料出口26排出；
68.(3)泥浆混合物从所述泥浆混合物进口31通入所述下行式洗脱主容器3，经所述螺旋洗涤结构32的锥形螺旋洗涤管321深度洗脱，并通过所述导流结构33进入所述旋流分离结构34固液分离，分离后的油水混合物从所述液相排出口35排出，泥沙颗粒从所述泥沙排出口36排出；
69.(4)油水混合物从所述液相进口41通入所述油水分离器4，经油水分离的水相从所述水相出口43流出或作为循环水通入搅拌混合器2的循环水进料口23循环利用，油相从所述油相出口42排出回收。
70.进一步的，当所述下行式洗脱主容器3的液相排出口35排出的油水混合物含油率低时，优选含油率低于8％时，直接通入搅拌混合器2的循环水进料口23内作为循环水循环利用。
71.进一步的，根据粒径分级后泥沙中石油烃质量分数不同，所述搅拌混合器2中泥沙与循环水的流量之比不同：
72.当石油烃质量分数≤20％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:2；当石油烃质量分数>20％且≤30％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:4；当石油烃质量分数>30％且<
40％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:7；当石油烃质量分数≥40％时，泥沙与循环水的质量流量之比为1:12。
73.进一步的，所述洗涤液通过表面活性剂和水以1:1比例混合配置；所述表面活性剂优选为非离子表面活性剂柠檬酸钠。
74.进一步的，所述洗涤液添加量和所述泥沙与循环水混合的总质量比为5:1000。
75.进一步的，所述循环水进料口23同时通入适量蒸汽，提高泥浆混合物温度，强化旋流洗脱石油烃效果；所述蒸汽鼓入与所述搅拌混合器的泥沙进料的体积流量之比优选为1
‑
3，维持搅拌混合器2内泥浆混合物的温度在45
‑
50℃。
76.实施例2
77.处理样品取自某焦化炼油厂的含石油烃泥沙，经风干后过5mm筛，再通过实施例1所述的下行式旋流洗脱成套设备洗脱。经检测，所述粒径分离后的泥沙中石油烃含量为93g/kg，洗脱处理后泥沙中石油烃含量为19g/kg，去除率为79.6％；再将此泥沙重新通入所述搅拌混合器重复洗脱流程，洗脱处理后泥沙中石油烃含量为11g/kg，则经过两次循环去除率为88.2％；再次重复此过程，泥沙中石油烃含量为9g/kg，则经过三次循环去除率为90.3％，去除效果明显，达到排放要求。
78.实施例3
79.某石化厂采用实施例1所述下行式旋流洗脱成套设备洗脱含石油烃泥沙，所述搅拌混合器的泥沙进料流量为20m3/h，其中含石油烃的质量分数为25％；所述搅拌混合器内泥沙与循环水的质量流量之比为1:4；所述搅拌混合器内蒸汽的通入流量为50m3/h；所述下行式洗脱主容器的公称直径dn为1000mm。
80.经所述洗脱成套设备洗脱后的泥沙中石油烃的质量分数低于1.25％，去油率达到95％以上。
81.实施例4
82.某石化厂采用实施例1所述下行式旋流洗脱成套设备洗脱含石油烃泥沙，所述搅拌混合器的泥沙进料流量为35m3/h，其中含石油烃的质量分数为15％；所述搅拌混合器内泥沙与循环水的质量流量之比为1:2；所述搅拌混合器内蒸汽的通入流量为60m3/h；所述下行式洗脱主容器的公称直径dn为1400mm。
83.经所述洗脱成套设备洗脱后的泥沙中石油烃的质量分数低于1.5％，去油率达到90％以上。