适用于放射性油水混合液的浮油分离装置设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：苏志勇（1985），男，汉族，河北衡水人，高级工程师，中国核动力研究设计院。-6-适用于放射性油水混合液的浮油分离装置设计 苏志勇 苏志伟 路迎新 陈浩森 张义科 中国核动力研究设计院，四川 乐山 614200 摘要：摘要：针对工程中少量放射性含油废液处理问题，设计了一套针对放射性集水池中的油水混合液浮油分离的装置。本设计主要基于油水密度差原理，依靠多层稳流板、挡流板、导流管等结构进行缓冲稳流，同时采用通过在挡板上设置的不同孔径挡板的结构设计，最大限度的减小了油水混合液在分离装置中的液体流动，创造了重力法油水重力分离所需的油水混合液相对静止的基本条件，实现油水初步分离的目的。该设计采用纯机械结构，有效解决了高放射性环境下的稳定性要求；采用小型化、可移动式结构，有效解决了集水池空间狭小的可达性及便携式性要求；采用放射性物质“零”外溢的全封闭性结构设计，有效解决了防止放射性废液泄漏到外部环境中的要求；采用独立法兰连接的结构，有效解决了对原系统“零”损伤的设备安全性的要求。关键词：关键词：放射性废液；油水分离；密度差；纯机械 中图分类号：中图分类号：TG5 1 研究背景 随着现代工业的快速发展，含油污水的来源也越来越广泛，对生态环境和人类健康造成了一定的危害。现阶段石油化工行业对含油污水的处理主要是根据实际需求选择不同的油水分离方法，如重力分离法。重力分离法是一种最简单、最常用的油水分离方法，由于油水两相之间具有不相容性且两相的密度存在一定差值，所以在静止或流动过程中，密度小的油相会上浮、密度大的水相则下沉，从而达到了油水两相分离的目的。重力分离法因具有成本低、操作简单、无二次污染以及除油效果稳定等优点，所以是目前工业上最常用的油水分离方法。这种分离方法通常在油水分离池中进行1。核工业产生的大量放射性废水对人类和生态环境构成潜在危害，需要及时的减容和深度净化处理。目前已经开发了各种化学、物理、生物和组合的方法，用于放射性废水的净化处理；如沉淀、离子交换、蒸发浓缩、生物处理、膜分离法等。膜蒸馏技术是以疏水性微孔薄膜为界限,膜两侧水蒸气分压差为驱动力的一种膜分离过程。传统膜蒸馏根据透过疏水膜后水蒸气冷凝方式不同可分为，直接接触式膜蒸馏(DCMD)、气隙式膜蒸馏(AGMD)、真空式膜蒸馏(VMD)、气扫式膜蒸馏(SGMD)。无论何种处理方式，必须对放射性废液进行油水分离，否则会极大降低放射性废水处理设备的寿命2。集水池为理论上核岛最低点，其主要功能是收集核岛放射性废液，集水池底部设有废水泵，定期将放射性废水输送至废物处理系统。工程实践反馈，在核岛相关机械及系统的调试、运行、检修等过程产生漏油、渗油或人为释放污油问题，该油污流动并汇集到集水池中，最终在集水池产生含有 1%-5%体积的废油的油水混合物。根据废物处理系统的处理废水工艺及技术要求，待处理废水中若含有浮油，不仅易于损坏或堵塞废水处理系统的设备或管道，还严重影响废水处理的质量及效果3-6。针对以上技术背景，目前主要采用人工深入到放射性环境的集水池中，借助吸油纸等吸油物质进行人工吸附浮油，待含油量满足要求后再排放到放射性废水系统中。该方式不仅增加工作人员受照射水平，还存在工业安全隐患、除油不彻底、不间断人工处理、产生新的放射性废物等缺点。结合工程特点，该油水混合物处理存在以下特殊性：工作介质（油水混合物）具有放射性；不得对现有设备及管道进行改造；工作空间狭小，工作环境恶劣；产生的油水混合物总量较小但连续产生；油水混合物的油的比例较小；集水池的面积较大且形状不规则。目前市场上的油水分离技术主要针对油水混合液体积较多、工作空间大及非放射性环境等使用条件下7。因此，需要设计一种针对放射性环境下的油水混中国科技期刊数据库 工业 A-7-合液浮油分离装置，以解决上述核岛产生的油水混合液初效分离的问题。2 结构设计 2.1 结构组成简介 本油水分离装置原理采用成熟的重力分离原理基础，根据重力分离法的基本原理，依据油水密度不同的特点，设计了一套纯机械式的油水分离装置，该装置主要应用于小量的油水混合物初级油水分离。该装置采用纯机械式结构，整套油水分离装置充分考虑放射性环境下考虑设备的整套性问题（避免零部件脱落，造成放射性环境下的小零部件的打捞），整套油水分离装置整套采用焊接固定的方式，与泵接口采用传统的法兰螺栓连接，在保证快速拆装的基础上，尽量避免了小零部件的脱落，极大降低了放射性环境中的异物引入。该油水混合液浮油分离装置结构设计主要采用逐级递减的挡板结构，侧板安装有一定倾斜角度的导水管，挡板背面安装有一定倾斜角度的导油槽。该油水分离装置主要包括以下结构（如图 1 所示）：过滤器入水管（1）、连接法兰（2）、稳流板（3）、污油导流管（4）、挡流板 A（5）、挡流板 B（6）、挡流板 C（7）、溢流口（8）、过滤器外壳（9）、清水导流管（10）、调节支脚（11）。图 1 油水分离装置结构图 该油水分离装置充分利用油水两相之间具有不相容性且两相的密度存在一定差值，在静止或缓慢流动过程中，密度小的油相会上浮、密度大的水相则下沉，从而达到了油水两相分离的目的的原理。设置了第一道挡板，该挡板可以将相对快速流入的油水混合物进行缓冲挡流，实现混合液的相对缓慢地流动；设置的第二道挡板高度略低于第一道挡板，最大限制的实现上层浮油的流出，同时部分水被第二道挡板挡住，从下管道流出；后端挡板同样的原理及实施方式。2.2 连接方式 考虑到放射性金属去污及降低流动阻力等因素，该装置整体采用不锈钢材质。不锈钢材质具有良好的耐腐蚀性及底流阻性，不会引入新的物质进入油水混合物中。过滤器外壳的一端安装有过滤器入水管，入水管与过滤器外壳焊接固定；过滤器内部分别焊接有稳流板、挡流板 A、挡流板 B 和挡流板 C，稳流板、挡流板 A、挡流板 B 和挡流板 C 之间两两平行焊接设置，稳流板流孔内径根据计算结果非规则布置，挡流板 A、挡流板 B 和挡流板 C 的上部均焊接有导油槽（5倾斜）且挡流板 A、B、C 高度依次递减；过滤器外壳下端开设有 3 个清水出口，每个清水出口均与清水导流管（10倾斜）焊接连接；污油导流管与外壳焊接固定；溢流口与过滤器外壳焊接固定；4 个调节支脚以螺栓连接方式进行过滤器箱体的平度调节。3 使用方法及工艺 设备使用前，先将外置废水泵出口与过滤器入水管螺栓的法兰进行连接，该法兰连接具有安装拆卸方便、适用范围广等优点。高流速的含油废水混合液经过管道冲击到稳流板上，根据前文描述，稳流板对急速的油水混合液进行缓冲，随着油水混合液逐渐增多，含油废水经过稳流板上的孔洞流入由稳流板与挡流板A 在过滤器外壳的独立空间。经过稳流板稳流作用后，流入挡流板A侧的油水混合液流速得到较大程度降低，形成相对稳定的油水分离环境。在该独立空间内，放射性含油废水缓慢上涨，将费油漂浮在该整个独立空间内。随着挡流板 A 后侧的含油废水不断流入，含油废水逐渐充满挡流板 A 前端的独立空间，浮油漂浮在水面上端，当浮油流过挡流板 A 后，浮油会缓慢流过挡流板 A 顶部，进入挡流板 A 上的导油槽，随着流入导中国科技期刊数据库 工业 A-8-油槽的废油增多，在导油槽倾斜角度下汇总流入导油总管，该空间内的底层清水经过清水出口导流到清水导流管。油水混合液填充满挡流板 A 前端的独立空间后，因为流过挡流板 A 顶部的液体流量较大，部分废油会越过挡流板 A 后端的导油槽，进入挡流板 A 与挡流板 B之间的独立空间。经过挡流板 A 溢流入下一个由挡流板 B 焊接成的独立空间（该空间结构与挡流板 A 前端结构类似，尺寸存在一定差异）。流入挡流板 B 端的放射性含油废液，以与前面相同的工作流程进行第二次油水分离，流出挡流板 B 的放射性含油废液最后溢流到与挡流板 C 焊接成的独立空间。经过三层初级过滤，完成初级的油水分离，剩余未完成分离的含少量油的放射性废液最终经过溢流口流出，经过溢流口流出的油水混合液再次流入集水池，再次被手记后进入下一次油水分离循环，直至满足初级分离要求。多次重复该过滤流程，直至满足含油废水排放要求后，将废液排放至废水处理系统。本研究涉及的挡板高度、清水导流管及污油槽、挡板数量、挡板高度等可根据实际工程中油水混合比例、分离精度及油水混合液体积进行针对性调整，具有较好的推广性。使用注意事项：该装置主要应用对象为放射性油水混合物，因此整个操作过程中严格遵守辐射防护规定，避免对人员造成意外辐射伤害。使用过程前，需认真检查设备的整体密封性，若出现可能造成整体外漏风险的损伤，需修补后再进行作业。因为入水管与泵端为法兰连接，切泵端压力较大，安装好连接法兰后必须点动泵，试验无泄漏后方可正常工作。因每个挡板之间高度差较小，使用前需对整体设备进行调平，避免因不平造成过多的水经过挡板上端流出，从而降低油水分离效果。使用结束后，专业人员先停止泵端的动力输入，然后手动缓慢调低远离泵端的两个调节螺栓，降低溢流口相对高度，让残余的油水混合液充分流入到溢流口，当调节螺栓调至最低点后，手动抬高泵端，让残余油水混合液充分流入溢流口。溢流结束后方可拆卸泵端的法兰，将整套过滤设备妥善保存。4 工程应用创新点 该装置充分考虑放射性含油废液的工程特点，针对放射性含油废水需处理量小、剂量高、产量不定时、工作空间小等特点，在不更改原设备布局、不破坏核心或放射性管路的基础上，采用内部重复循环的初效过滤形式，将部分表面浮油或少量含水的浮油分离，无油或含有少量浮油的水再次流回集水池，往复循环，完成初步的油水分离，实现放射性废物最小化的要求，减少最终过滤器的过滤负荷及废物产生量。该设计采用全机械结构，主体材料采用易去污、不亲油、不亲水的不锈钢制作，采用稳流板缓冲了废水泵进入过滤器的水流冲力，平稳了水流速度；采用挡流板逐级溢流的原理，利用油水重力差将浮油或含油量较高的油水混合物导流到总汇油管，通过挡板底部的孔洞，将密度较大的水汇入导水管，实现油水分离。5 结论 该油水分离设备依据重力分离原理，通过多层挡板设计，将高速的油水混合液的流速进行降速，形成相对静止分离条件。利用油水密度差原理，通过设置不同高度的挡板，将上层浮油进行初级分离，后端挡板多次重复该原理，最大限度的实现油水初级分离。该过滤设备实现了对现有管路及设备“零”修改条件下的使用，采用全封闭式过滤结构，避免了放射性物质外散；通过含油废水的连续内循环，解决了小容积下、持续小水流汇入废水池的使用工况；采用增加该初效过滤结构，缓解了终极过滤的废物产生量；采用该初级过滤结构，对不同废水的含油量进行了分类，便于后期油废物及水废物的处理。基于以上设计原理及结构方式，该设计可对相应部分结构进行修改，可应用于其他油水分离工作中，对设备尺寸进行针对性调整，可应用于石油行业等大范围的油水初级分离，具有成本低、设备稳定、易于清洁等优点。为油水分离装置的研究提供一定的参考价值。参考文献 1张鹏.斜板式聚结构件的油水分离性能研究D.西安:石油大学,2022.2黎世铖.放射性废水处理的非接触式膜蒸馏方法D.衡阳:南华大学,2023.3段铮,李锋,邹信波,高晓飞.井下油水分离的国内外研究现状J.机械工程师,2021(06):59-62.中国科技期刊数据库 工业 A-9-4夏治元,贺杰,蒋明虎.新型油水分离装置水力旋流器的试验研究J.机械工程师,1995(01):11-12.5邱天明,徐敬华.“华龙一号”常规岛废液收集系统改进项设计研究J.中国核电,2021,14(02):168-170.6张强,任世军,胡昌贤等.岭澳核电站非放射性油水分离系统改造J.中国给水排水,2006(12):30-33.7皮煜鑫.放射性有机废液处理系统工艺运行安全研究D.衡阳:南华大学,2021.