200 MW燃气流风洞降温水除油技术研究与实践.pdf

总第2 1 3 期2023年第8 期专题讨论200MW燃气流风洞降温水除油技术研究与实践曹知红，李彦良，张凯，田宁（北京航天长征飞行器研究所，北京1 0 0 0 7 6）摘要：2 0 0 MW燃气流风洞试验后产生数吨含油、含悬浮物污水，针对污水处理技术及设备开展研究，对比了阻截吸附、化学分解、沉淀等多种除油技术，结合风洞系统实际情况选择适宜的除油技术，设计并建成了相应的除油系统。研究发现基于新理念、新材料开发的阻截吸附除油技术与传统的除油技术有着本质的区别,所采用的HK阻截膜产生的动态选择阻截膜效应能够实现水过油不过。基于阻截吸附技术的除油系统简洁明了、成本低廉、效果突出，与燃气风洞系统或其他类似有除油需求的场景极为贴切。关键词：阻截吸附；油水分离；前置沉淀；燃气流风洞中图分类号：TE9770引言200MW燃气流风洞试验系统采用氧气和煤油作为燃料，为了防止氧腔进油造成设备烧损，在每次关车阶段通过氮气吹除保护喷注器，将残留的煤油吹向下游。此部分残油会附着在试验舱、扩压器等设备表面。为了保证试验安全，试验后需要将试验舱扩压器表面附着的煤油冲洗排出，因此形成油水混合物，每次试验形成的混合物量约为5t，其中含煤油量约为5kg。油水混合物沉积在扩压器扩张段下游,风洞系统示意如图1 所示。试验后清理产生的油水混合物不满足污水排放标准，吨箱存放后集中处理等临时措施不能满足高频次试验的需求，吨箱等耗材消耗量较大，且存在运输、储存等一系列问题，因此，需要研究高效且成本低廉的油水分离方案。喷管扩压器试验舱收缩段第二喉道图1 风洞系统示意图油水分离主要是根据水和油的密度差或者化学性质不同,利用重力沉降原理或者其他物化反应去除杂质或完成油份和水份的分离。已知的油水分离方法主要有重力式分离、离心式分离、电分离、吸附分离、气浮分离等，上述方法可以分为物理法和化学法两类。重力式分离是典型的物理油水分离技术,由于油、气、水的相对密度不同,组分一定的油水混合物在一定的压力和温度下，当系统处于平衡时就会形成一定比例的油、气、水相。当相对较轻的组分处于层流状态时，较重组分液滴根据斯托克斯公式的运动规律沉降，重力式沉降分离设备即根据这一基本原理进行设计。王国栋等研究了卧式油水分离器的分离特性和流动规律。阻截吸附除油是一种新型的除油技术,属收稿日期：2 0 2 2-1 0-2 6作者简介：曹知红，男，1 9 8 9 年出生，毕业于哈尔滨工业大学，硕士学位，高级工程师，研究方向为燃气流风洞试验技术、热防护技术等。山西化工Shanxi Chemical Industry文献标识码：A于化学除油技术。不同于“吸附除油 的油水分离技术理念，阻截吸附技术立足于用化学方法研发出的一种复合改性“HK”特材，这种空间态阻截膜处于水饱和的工况下，具有对油和水具有极为敏感的鉴别区分、拒绝油料粘附的反弹、向阻截膜施以单向水压时能让水粒有导向地置换通过等能力，从而表现出“水过油不过”的特殊功能屏障效应。本文针对2 0 0 MW燃气流风洞产生的油水混合物除油的需求,对比了阻截吸附、化学分解、沉淀池等多种油水分离技术,结合风洞系统实际情况提出了适宜的解决方案。1需求分析目前国内污水排放主要参照GB89781996污水综合排放标准，按照标准分级，试验厂区污水排放为排人设置二级污水处理厂的城镇排水系统污水，宜执行三级标准，石油等二类污染物最高允许排放浓度见表1。扩张段表1 第二类污染物最高允许排放浓度污染物排序号适用范围一级标准二级标准三级标准放指标1悬浮物质其他排污单位量浓度2五日生化其他排污单位需氧量化学需3其他排污单位氧量4总锌质量浓度氨氮质量5其他排污单位浓度6总铜质量浓度7石油类质一切排污单位量浓度200MW燃气流风洞单次试验产生油水混合物为5t，其中含煤油量为5kg，因此初期排放石油类质Total 213No.8,2023D0I:10.16525/14-1109/tq.2023.08.026文章编号：1 0 0 4-7 0 50(2 0 2 3)0 8-0 0 7 0-0 5单位:mg/L7015020301001502.05.015250.51.05104003005005.0一一2.0202023年第8 期曹知红，等：2 0 0 MW燃气流风洞降温水除油技术研究与实践71中间储罐量浓度约为1 0 0 0 mg/L，超出石油类三类标准排放限值2 0 mg/L较多。除煤油外,其他污染物取样检测结果见表2，检测水样为试验后扩压器下游积水上、中、下三层取样。对比国标可见，下层水悬浮物也不达标。表2 水样污染物质量浓度检测结果序号污染物排放指标1悬浮物质量浓度2五日生化需氧量3化学需氧量4氨氮质量浓度5总铜质量浓度6总锌质量浓度因此,风洞试验系统污水处理的需求为在试验周期(通常为5d)内完成5t污水油水分离,并降低水中悬浮物的含量，达到可排放标准。2方案选择2.1气浮法气浮法除油技术多用于油库含油污水处理。油库含油污水日排放量较大，达到2 50 m左右，其处理措施为静置至油水分离后进人污水处理系统。油水分离经过三个步骤，首先经过油水分离池静置不少于5h，之后收集浮在水面的油污,将水排入滤水池,再由滤水池排入净水池，最后在净水池中静置不少于3 h后，排入污水处理系统。污水处理系统包括调节池、气浮池、核桃壳过滤器、CASS(周期循环活性污泥系统)池、清水池。油污水经管道自流进入调节池，均衡水量水质后经泵进人气浮池浮选分离，将破乳后的油及悬浮物通过气浮原理从水中分离出来。气浮池出水由提升泵提升至核桃壳过滤器进行过滤处理,之后进人CASS池去除污水中的有机物,出水由加压泵提升压力进人多介质过滤器，达到排放标准。污水处理工艺流程如图2 所示。2.2阻截吸附技术阻截吸附除油系统由阻截除油罐和扫描凝聚罐组成，阻截除油罐通过膜分离原理实现油水分离，扫描凝聚罐通过活性炭吸附水中的溶解油,并再次通过HKA膜进行油隔离。其工艺原理图如图3 所示。含油废水首先进人富集阻截除油罐，该罐具有高效率油水分离性能的HKB-Z型管式阻截膜除油单元,利用该HK阻截膜“水过油不过”的选择性阻截分离特性，高效阻截分离去除来水中的油等憎水性杂质，水则置换渗透过膜，被阻截在除油膜单元外的油微粒经过一段时间的富集、凝聚增长成大油粒后按罐含油污水调节池泵+PACPAM单位：mg/L上层水中层水285224.426.474801.62.60.050.050.050.05废油池管道混合器上层污油收集下层水气浮池640中间池32.3泵丁98办公区生活污水2.8泵0.05空气3.42图例污水空气污泥废水收集罐来水内设计的水力通道汇集于罐顶的集油器中适时排出。富集阻截除油罐出水自压进人扫描凝聚阻截禁油罐,该罐为双室结构，上室装有炭基扫描凝聚填料，其经过功能化改性的颗粒表面能够高选择性吸附凝聚水中的“溶解油”,流经该填料层的水中分散的石油类分子被捕捉吸附在填料颗粒表面并累积凝聚成油膜，当油膜生长到一定厚度时在水流冲刷下变形、脱落成油粒回到水中，使“溶解油”转化成易于阻截分离的油粒。下室装有高阻截精度的HKA-Z型管式阻截除油膜单元,高精度阻截去除经上室扫描凝聚填料表面凝聚富集后再被水流冲脱又回到水中的油粒，分离出的油从中间排油通道排除。扫描凝聚阻截禁油罐出水即可稳定满足出水水质要求。实现阻截除油的物质基础是一种特殊功能纤维一一HK纤维，该种双层结构功能纤维的表面功能结构中有序密布着丰富的强极性官能基团。当HK纤维遇水时,极性的水分子即与纤维表层的官能基团发上清液回调节池核桃壳过滤器个CASS 池清水池多介质过滤器泵+达标排放图2 气浮法流程图DN15DN15DN15富集阻截除油罐181.5SSDN15t山SINC18 1.5-SS图3 阻截吸附法工艺原理图污泥池-污泥定期外运含油储罐扫描凝聚阻截禁油罐PGDN15SINd山西化工第43 卷生强电性缔合（键能高于水分子间的氢键）,从而在纤维表面形成较稳定的缔合水膜。将HK纤维以足够的密度组织成膜型材料一HK阻截膜，当该HK阻截膜浸人水中时,渗入膜结构空隙中的水分子即与纤维上的官能基团形成键缔合，这个过程叫做HK膜的水合活化。当含油的水要透过这层水合活化的HK阻截膜时,来水一侧的水分子必须与膜结构中的缔合水分子发生置换透过,而油等憎水性分散质则不能与膜内缔合水发生置换而被阻截在膜外，从而成功地实现了油水分离，这种效应被定义为动态选择阻截膜效应，也就是“水过油不过”。2.3化学分解技术化学分解技术采用化学絮凝法，通过无机絮凝剂对水中的油进行絮凝沉淀，,利用无机胶体和有机聚合物之间进行架桥，形成复合胶体网链并产生黏结、吸附和卷扫等作用,从而使有机质中的活性基、有机物得以去除。通常采用聚硫酸铁、聚氯化铝等作为絮凝剂。该方案一般包括沉砂池、絮凝池、药剂池、压滤机、清水池，污水进人沉砂池进行沉砂处理，去除粗大颗粒物,之后进入絮凝池，在污水中加人絮凝剂,并通过机械设备搅拌，产生絮凝状污泥，通过沉淀实现固液分离，之后将液体排出至清水池，污泥则通过压滤机和污泥泵排出。工艺流程如图4所示。污水流人排出泥饼压滤机玺凝池沉砂池药剂油药剂泵图4絮凝法流程图2.4油水分离器技术市面上常见的油水分离器（工业隔油器)的原理一般采用微气泡发生器产生气浮分离油脂,或采用振动膜分离原理分离油脂，是一种初级分离技术，单独使用难以达到GB8978一1 9 9 6 污水综合排放标准。2.5沉淀池技术由于2 0 0 MW燃气流风洞试验系统所产生的油水混合物在静置48 h后的检测结果显示已达到排放标准（检测结果见表3）,故可设置容积3 0 m左右的沉淀池，通过静置沉淀，待池中间高度层水质达标后排放,顶层浮油及底层沉淀通过晾晒或回收处理。方案流程见图5。3对比分析对上述五种技术方案从处理效果、土建工程量、成本等方面进行对比如表4所示。综合来看，阻截吸表3 静置48 h后水质检测结果序号污染物排放指标1悬浮物质量浓度2五日生化需氧量3化学需氧量4氨氮质量浓度5石油类质量浓度用排污泵将水静置48 h抽到沉淀池图5沉淀池方案处理流程附方案和沉淀池方案较好,阻截吸附方案在效果和成本上更优，为油水分离最佳方案。考虑到污水中还有悬浮物，可设计简易的沉淀池作为前置处理设备。表4方案对比序号方案效果很好，可达一建设五个水1气浮方案类排放标准，处理能力可达日百方好，可达三类排放阻截吸附2标准，处理后的水方案可循环使用建设四个水化学分解一般，会引人新的3方案4油水分离器5沉淀池好，可达三类排放一个水池约2 0标准4方案设计压滤机清水池污泥泵清水排出单位:mg/L检测结果3124540.4580.311排出中间晾晒后层水处理效果土建情况预估成本/结论万元池，工程量约1 50不建议大无污染物池，工程量约1 2 0不建议较大不好无4.1总体方案按照试验污水处理的需求分析，设计了污水处理方案，主要以静置分离和油分离两个工艺为主要处理流程，处理过程示意见图6。分离出的油单独油分离装置处理分离油中层清水排入已用泵将污水抽至在水箱中水箱沉淀分层图6 污水处理总体流程具体处理过程为：1)用小型离心泵将污水从风洞的喷水降温装置抽至沉淀水箱；2)在沉淀水箱中静置48 h,使污水分层，油等轻组分浮于上层,添加絮凝剂使碳黑等重组分悬浮物沉于箱底，中间为清水；3)用小型离心泵将顶层含油水加压送入油分离装置,进行油分离，分离出的油单独收集作为危废物单约1 8约7不建议建议上层水进人有6 0 0 0 m水池循环利用下层沉淀物作为固体废弃物处理建议2023年第8 期曹知红，等：2 0 0 MW燃气流风洞降温水除油技术研究与实践73独处理,分离出的清水排入6 0 0 0 m水池，作为设备冷却水循环利用；全油度水大水4)将沉淀水箱中层清水利用重力自流放入6 0 0 0 m3水池，作为设备冷却水循环利用。4.2前置沉淀系统设计前置沉淀系统包括泵、阀、管路及沉淀水箱等设备。污水处理泵阀管系统原理如图7 所示。处理流程为：先用小型水泵将污水抽至沉淀水箱，在水箱中静置，添加絮凝剂使碳黑等悬浮物沉淀，而后将沉清后的水抽入油水分离器将煤油分离,最后将完成油分离的水排人2 0 0 MW燃气流风洞已建的6 0 0 0 m水池，作为风洞冷却水实现循环利用。沉淀于沉淀水箱底的碳黑人工收集，作为固体废弃物另行处理。系统各部分具体功能为：1)加压排污管：在两个试验台下方分别加装一台小型离心水泵，将台内污水抽出，经过管道送人沉淀水箱。2)油分离管系：使用一台小型离心泵将沉淀水箱上层的含油污水加压送入油分离装置进行处理,并将处理后的清水送回水箱中，将分离出的油收集至暂存桶。3)自来水管系：从车间上方引一路DN15自来水管至油分离装置，用于反洗。4)沉淀水箱：在车间北侧空地放置一长3.5m、宽1m、高4.5m的水箱,用于静置污水，使污水中的粒物悬浮物沉淀，油上浮。5）在沉淀箱距箱底1 50 mm处设一DN100排污口，通过软管将沉淀和去油后的水排入已有的回水池中循环利用。1200图7 系统原理图（单位：mm）4.3油分离系统设计本方案中油水分离装置选用阻截吸附法油水混合物处理方案。此装置原理如图8 所示。具体工艺流程见图9。5处理效果建成后的污水处理系统如图1 0 所示，图中左侧为沉淀水箱,右侧为油水分离设备。根据实际使用情?区自来水图8 油水分离装置原理图含油废水来水富集阻截除油罐一扫描凝聚阻截禁油罐中间储罐分离出的油1分离出的油1含油储罐图9 工艺流程图1 0 污水处理系统况，污水处理效果如下：1)处理后含油量为0.0 3 8 6 mg/L,远小于5mg/L，满足一级排放标准，可循环使用；2)悬浮物质量浓度小于7 0 mg/L,满足一级排放标准，可循环使用；3)每小时处理污水0.5m,单次试验产生污水处理总耗时为1 0 h,满足使用要求。6结论针对2 0 0 MW燃气流风洞试验产生污水处理需求,进行了多方案对比选择、细化设计和建设调试,得到以下结论：140121)试验系统产生的污水除含油外,悬浮物也超D标,需要一并处理;水馆2)阻截吸附作为新型油水分离分案,处理效果优油分膏异,成本低廉,效率较高，特别适合污水量不是特别大的场景；3)静置分离阻截吸附的污水处理工艺能够将污水中的油处理至低于国家一级排放标准的水平，下层碳黑等凝聚物（按国标属于悬浮物)通过晾晒后作固废处理，污水处理方案效果较好。参考文献1王国栋，何利民，吕宇玲，等.重力式油水分离器的分离特性研究J.石油学报,2 0 0 6,2 7(6):1 1 2-1 1 5.0572-55中闯山西化工第43 卷Research and Practice on Desuperheating Water and Oil Removal Technology in 200 MWGas Flow Wind TunnelCao Zhihong,Li Yanliang,Zhang Kai,Tian Ning(Beijing Aerospace Long March Aircraft Research Institute,Beijing 100076,China)Abstract:After the 200 MW gas flow wind tunnel test,several tons of oily and suspended wastewater were generated.Research wasconducted on sewage treatment technology and equipment,and various oil removal technologies such as interception adsorption,chemicaldecomposition,and sedimentation were compared.Based on the actual situation of the wind tunnel system,suitable oil removal technologieswere selected,and corresponding oil removal systems were designed and built.Research has found that there is a fundamental differencebetween the interception adsorption oil removal technology based on new concepts and new material development and traditional oil removaltechnology.The dynamic selective interception membrane effect generated by the HK interception membrane used can achieve water overoil.The oil removal system based on interception and adsorption technology is concise,low-cost,and effective,which is extremely suitablefor gas wind tunnel systems or other similar scenarios with oil removal needs.Key words:interception adsorption;oil water separation;pre-precipitation;gas flow wind tunnel(上接第 6 6 页)2220181614121086420斗数一测点平均值/m19.418.818.217.717.116.315.514.814.013.312.511.711.310.910.7装填高度/m0.140.140.240.230.390.400.380.380.380.380.370.390.410.380.25+堆密度/（t/m)2.812.813.213.323.02.893.153.103.103.083.182.962.823.04.23+测点平均值/m装填高度/m堆密度/（/m）图6 第3 床层装填数据统计表用内部床层间换热器结构形式，具有热回收效率高、氨净值高的工艺流程。从氨合成塔催化剂装填数据统计表中可以看出,此次催化剂装填堆密度平均值满足供货方催化剂堆密度控制值要求。托普索S-300型氨合成工艺内件安装、催化剂的顺利装填安装将对后期液氨日产量、合成塔系统压降、吨氨耗有效气、吨氨耗蒸汽等控制指标有显著的优化。参考文献1马文柱.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势分析 J.化工管理,2 0 1 9(2 6):2 0 1-2 0 2.2李永强.合成氨催化技术与工艺发展探究 J.中国石油和化工标准与质量,2 0 1 9,3 9(7):2 0 1-2 0 2.Application of S-300 Ammonia Synthesis Tower Catalyst Unloading(Guizhou Tianfu Chemical Co.,Ltd.,Fuquan Guizhou 550501,China)Abstract:This article introduces the safety and quality management measures for the unloading and disassembly of S300 ammoniasynthesis tower catalyst and internal components.In response to the problem of damage to the internal components of the ammoniasynthesis tower due to oxidation of the catalyst in the air during the catalyst unloading process,as well as unexpected events such aspoisoning,suffocation,and fire caused by loading and unloading of the catalyst in a nitrogen environment,this paper proposes feasiblequality and safety management measures during the unloading process of the ammonia synthesis tower to ensure efficient,high-quality,andstable operation of the catalyst.Key words:catalyst;synthetic gas;net ammonia value;synthesis tower;management measures4.03.53.02.52.01.51.00.52531374349 555101419表1 氨合成塔催化剂装填数据统计表催化剂催化剂氨合成过筛质粉尘过装填质桶数/高度体积密度/堆密度控制塔量/kg筛率1%一床层84.50.3921.56983.019.32.36640616770Wan Qiqi,Yuan Renhua装填装填平均堆桶/m二床层100.70.1953.071835.8517.82.92三床层198.60.2099.473438.8532.53.04总计383.80.22173.7262417.7159.63王鑫.合成氨工艺技术的现状及其发展趋势 J.黑龙江科学，2014,5(8):242.4刘永华.合成氨工艺技术的现状分析及其发展探讨 J.化学工程与装备,2 0 1 2(7):1 48-1 49.5张占一.新型氨合成工艺技术的特点及比较 J.化肥设计,2 0 1 1,49(6):48-5.6周铭新，张结喜.托普索S-200型氨合成塔催化剂装填 J.化学工业与工程设计,2 0 0 1(4):43-44.(t/m)值（t/m）2.22.52.83.02.83.0