作业八区板三注污水回注处理系统改造管线除防垢.docx
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作业八区板三注污水回注处理系统改造管线除防垢
大功率超声波油田污水回注处理系统除防垢装置
一、油田污水回注处理面临的挑战
注水水质问题是长期困绕油田开发的老大难问题。
虽然围绕提高注水水质做了大量艰苦的工作，注入水的水质状况不断改善。
但受客观条件制约，油田注入污水的水质离油田开发注水水质的要求还有一定的差距。
水质标准达不到《碎屑岩油藏注水水质推荐指标SY/T5329-94》的要求，会导致严重的管线结垢和储层污染堵塞，注水管线和注水井压力上升。
造成系统效率下降和完不成配注指标。
水质不合格原因主要是：
（1）污水处理设施老化；
（2）污水处理能力已不能满足油田生产的变化要求；（3）污水处理药剂成本高、加量不足；（4）污水处理技术难度大。
结垢以及由微生物引起的腐蚀广泛地存在于地下管道、矿井、海港、水坝以及循环冷却系统的金属构件和设备中，给冶金、电力、航海、石油及化工等行业带来极大的损失。
因此,近十多年来,利用物理和物理化学方法控制结垢和微生物腐蚀的研究日益引起有关部门的高度重视，越来越多的人从事这方面的考察与研究，已取得了可喜的进展。
功率超声波具有强烈物理学作用，已经在工业各个领域中取得了显著的应用效果，并且它不象其他物理除防垢技术，在使用及安装上没有任何限制。
含有成垢离子的溶液经超声波辐照后，溶解物平衡遭到破坏，瞬间就有大量微晶析出，破坏垢在管线上的生成。
国内外已经成功地将功率超声技术应用在污水处理以及工业循环冷却水系统除防垢中，甚至达到了不用加药使污水排放达标和直接使用海水作为工业循环冷却水系统永久无垢低成本运行的水平。
并且，不会产生二次污染，成本远远低于化学方法。
二、超声波除防垢装置
1．工作原理
根据晶体生长动力学理论，可把晶体生长划分为四个步骤：
（1）溶液中晶体析出，并产生拟稳态晶胚；
（2）壁面上形成稳定的晶核；（3）晶核生长；（4）连片成垢。
上述步骤是一个连续的过程，其中任何一个环节受到阻滞都会引起结垢过程的延缓，达到阻垢、除垢的效果。
超声波装置的构成，主要由超声波发生器、传声系统和置于管道内的压电换能器或磁致伸缩换能器组成。
超声波发生器产生25±3kHz的超声波电功率信号，经传声系统至管道内的换能器，将交变的电信号转换成相应的机械振动，产生定向传播的纵波，使流体介质受到定向传播的纵波作用，各质点沿着波的传播方向在自己的平衡位置附近振动，但不随波前进，形成稠密与稀疏相间的交变波形，波形的变化，促进介质中的分子距离一会被拉大，一会被缩小，分子间原有的引力被破坏而下降。
超声波作用于流体产生三方面作用而具有防垢功能。
超声波传播速度随着介质的变化而产生速度差，从而在界面上形成剪切应力，导致分子与分子间、分子与管壁间结合力减弱，阻止垢晶体附着在管壁上。
超声波对流体介质的空化作用。
当超声波作用于流体时，流体内产生空穴和气泡，当其破裂时，在一定范围内产生强大的压力峰，加速Ca2+、Mg2+析出，并且能够将已析出的碳酸盐垢及颗粒杂质击成细小颗粒悬浮于流体介质中，从而起到防垢效果。
超声波由于频率高，因此具有：
（1）频率高，波长短，不易发生衍射；
（2）频率高，即使振幅很小，加速度也非常大，单位体积能量密度是低频振动的两个数量级；（3）高频波具有很强的穿透能力。
图1（a）未经超声处理的垢微观形貌（b）经超声处理的垢微观形貌
在施加超声波处理时，根据超声的空化理论，稳态空化和微声流可以在壁面上提供一种溶解机制。
微射流和微声流，可使脉动气泡表面处存在很高的速度梯度和粘滞应力，这种应力有时高达1000dyn/cm2以上。
可以使拟稳态晶胚生长阻滞，使晶胚生长不能超过临界尺度，不能生成稳定生长源，或使稳定生长源数量大大减少，诱导期延长。
提高功率或处理时间，则可将垢层击碎，从壁面脱落。
碳酸钙垢的电镜观察表明（图1），未经超声处理的垢微观形貌呈细小的颗粒和棒状的结晶状态，并紧密交织在一起，颗粒粒度在几个微米以下。
该颗粒是由过饱和的钙离子生成的结晶核心和固相晶胚。
他们之间相互聚集交织形成垢，这种垢均匀细密，不易溶解。
经过超声处理后可以看出，垢的微观垢层较疏松，颗粒和棒状结晶尺寸变小，结合不紧密。
图2（a）未经超声处理（b）经超声处理
光学显微镜下可以看到（图2），超声波作用后的溶液在混合瞬间就有大量微晶析出，晶粒比较均匀；未经超声波作用的溶液在混合后耍经过一定时间才有晶体析出，晶体颗粒大小不均，比经过超声波作用的要大，但颗粒数目明显减少。
利用扫描电子显微镜观察自制真空蒸发器中积垢的微观结构，发现未经超声波处理的积垢颗粒粗大，大部分都聚集在一起，呈菊花状；而经过超声波处理的积垢颗粒细小且较分散，只有部分发生聚集现象。
图3超声波在固、液两相中的作用方式
2．超声波在固、液两相中的作用方式
主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。
超声波的主要作用有：
（1）“空化”作用：
超声辐射能被处理物料液体内产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使成垢杂质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎，易于脱落。
理论和实践测算，对1cm3液体施以20KHz/cm3的超声波时，可发生空化的气泡数为50×103/s，其局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。
（2）“活化”作用：
超声波能提高水和成垢杂质的活性，增大被水分子包裹着的成垢杂质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积的条件，使成垢杂质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。
（3）“剪切”作用：
由于超声波辐射在垢层和管壁，加热管上的吸收和传播速度不同，产生速度差，形成垢层与管壁界面上的剪切力，从而导致垢层产生疲劳而松脱。
此外，超声辐射压力、声学毛细管现象和声流对积垢生成也有直接的防除效应。
当声学防垢装置发生器的输入端接通220V/50Hz电源时，发生器即产生脉冲电流，脉冲电流传至换能器两极上，转变成超声波机械震荡，此震荡波沿管道传播，从而产生防垢、除垢效应。
简而言之，在声学防垢装置的作用下产生三方面效果：
其一，管束上的旧积垢能不断剥落；其二，能减缓管束结垢的速度；最后，部分硬度盐在水中生成粥样沉淀。
除垢和结垢形成某种程度的动态平衡。
因此，这是一项通过对积垢持续不断的剥落来达到防垢效果的前所未有的尖端技术。
三、超声波除防垢装置的工业应用
1、“硬水”除防垢
当污水通过大功率超声波换能器装置时，溶解物平衡遭到破坏，瞬间就有大量微晶析出，晶粒比较均匀，其形状不是易于聚结的菊花状，而是不易聚结的微球状，与此同时，强烈的空化作用使析出的碳酸钙晶体无法相互吸附，从而，以微细颗粒的游离状态悬浮在水中，晶形和粒度决定了它们很难相互聚集交织形成垢，这种游离态非常稳定，即使经过几十至上百小时也不会产生聚结。
超声波除防垢种类几乎包括油田所有常见垢，如：
碳酸钙、硫酸钡、硫酸锶、石膏（CaSO4）、Fe2S3等。
2、污泥脱水减量
超声波用于水工业较早，然而将超声波用于污泥减量是一个全新的领域。
超声波通过交替的压缩和扩张作用产生空穴作用，在溶液中这个作用以微气泡的形成、生长和破裂来体现，以此压碎细胞释放出细胞内所含的成分和细胞质，以便进一步降解。
超声波装置能加快细胞溶解，用于污泥回流系统时，可强化细胞的可降解性，减少了污泥的产量；用于污泥脱水设备时，有利于污泥脱水和污泥减量。
附录：
功率超声技术在除防垢、除垢和杀菌、灭藻污泥减量中相关应用实例分析
全新的应用超声波除防垢尖端技术从根本上消除工业循环冷却水污染，实现系统永久无垢地低成本运行的技术解决方案，甚至可以直接使用海水作为循环冷却液体。
超声波除防垢技术是在热交换设备内部激发和维持声频震荡，同时将声波传递到水介质，超声波（12kHz－25kHz）能使管束上的旧积垢逐渐剥落，并使硬度盐在水中结晶化，生成无粘性的粉未沉淀。
超声波除防垢技术具有物理水处理法的所有优点，同时又有应用范围极广，可直接使用高硬度原水（包括海水），以及耗电量极小，运行可靠，安装、维修、拆卸、操作管理极为方便等独特优势。
工业循环冷却水首要解决除防垢及杀菌灭藻两方面问题。
超声波除防垢技术在水处理法不可企及的非淡水介质甚至非水介质条件下的防结垢、结疤，本技术依然成效卓著。
因此，具有独特的、不可比拟的优越性：
●在符合超声波除防垢装置严格的工作条件的前提下，可直接使用未经软化处理的生水（地下水或自来水）。
●无须添加任何化学药剂，属环境清洁型处理方法。
●能高效地除防垢、除垢，避免水垢造成的系统效率损失，节能显著。
●锅炉（热交换设备）可免因化学清洗而遭受腐蚀，能减缓氧化锈蚀。
●安装维修简便，不改变或破坏管路和锅炉（热交换设备）结构。
●免维护程度高，不设专人操作管理，使用寿命长。
●耗电小，运行费用极低。
超声波除防垢杀菌装置较低的初装费用；非常低的运行和维护成本；显著的节能效果；节省的人工成本；以及在免于设备清洗除垢，锅炉（热交换设备）保修，和提高设备利用率等方面，都带来很大的效益，从而使用户能在短时间内收回安装本装置的投资。
实例1：
前苏联苏哈库姆油区
该地区油田水矿化度为137g/l，硬度为600mgN/1，结垢速度达1mm/d，4in的管道2—3个月后就被完全堵死，垢体为细碎碳酸盐晶体，成层状分布。
1974年，在达格斯坦动力科研处的实验室研究了一种脉冲超声波防垢声响器，这种设备的接通并不会影响计量装置的结构布局，也不会改变现有的采油工艺过程。
应用超声波除防垢装置后，管线一直保持畅通，油井生产正常。
实例2：
大庆采油三厂
目前在我国，超声波除防垢技术已经在大庆、新疆等油田推广应用。
下表是3座中转站掺水系统超声波管道除防垢的效果。
尽管这3座中转站的掺水水质不同，管径也不同（管径不同会引起平均声场强度的不同），但上述数据表明，超声波管道除防垢仪还是起到了较好的除防垢效果。
通过监测得出以下结论：
1．界面张力下降：
16号站取样，经超声波处理后流体介质的界面张力平均下降2MN/m2；
2．悬浮垢粒数量增多：
经超声波作用后，不仅水中的大垢粒被打碎而且管壁上的垢物也脱落、破碎，使悬浮垢粒数量增多。
3．垢晶疏松出现孔洞：
通过电镜观察，经超声波作用的水样中，垢质硫松，失去规则形状，且内部出现大量孔洞、破坏了垢晶粒子。
4．作用时间和距离：
经在大庆采油五厂取样监测可达到96小时甚至144小时尚未恢复原状。
中转站掺水系统超声波除防垢效果
站号
3
13
16
应用前年结垢（mm）
30
1.6
37.5
应用后年结垢（mm）
13.3
0.36
10.7
年结垢下降率（％）
55.7
77.5
71.5
经济效益，对大庆采油三厂16号站而言，因声波除防垢和化学除垢相结合的方法相比年可节省资金14.39万元，与单纯的化学除垢相比年可节省资金8.62万元，
实例3：
新疆油田
在3座计量站应用了超声波除防垢技术。
其中五2东一号站于1982年投产，到1989年因结垢严重，共更换5座水套炉和250m管线，1991年5月安装超声波除防垢仪时管道结垢5mm厚，一年后检查，管道内已经无垢，说明超声波除防垢不仅除防垢效果明显。
而且还能除垢。
新疆油田3个计量站两年可节省资金9万元。
实例4：
鞍钢给水厂
在鞍钢高炉洗涤塔循环水管应用中，有明显的去垢效果，垢厚度由15mm降到1.5mm。
管道内垢表面很丘突起宽度由15mm减为2-3mm甚至大部分呈平滑状态。
在Φ500mm管道中，近地点与700m远点效果无差异。
管道阻力减少近5％。
实例5：
沈阳张士分厂
地处沈阳市经济开发区，其生产循环水来自开发区深井水源，属于高盐地下水，在生产过程中，设备及管道（支管Φ25.4mm）因水质不好极易结垢。
尤其夏季温度较高，循环水管道水中铁细菌生长迅速，阻塞管路，严重影响循环水系统的正常使用，设备热交换效率低．为保证生产正常进行，需经常拆洗管道和冷凝器，并采用加入补充水以维持生产正常进行。
冷却设备结垢问题一直是困扰全厂水循环系统的一大难题，虽然多年来采用了不同的方式和方法如酸碱洗、蒸汽冲洗及加入除防垢剂等临时措施，但都没有真正解决问题。
为解决全厂生产循环水系统的难题，决定实施应用超声波除防垢、除垢新技术。
经过7个多月的连续运行和跟踪考查，效果明显（见下表），获得分厂和岗位领导及有关入员的肯定。
经过张士分厂现场运行，超声波不但有一定的除防垢效果，而且除垢效果也相当明显，尤其对夏季生产循环管道中铁细菌的生长起到显著的抑制作用。
使用仅一个多月时间，管路内壁垢层全部清除，冷凝器内壁只有2—3mm的散状物。
超声波除防垢效果对比表
使用前
使用2个月后
垢厚
平均5mm
O.5-1mm
颜色
黑色
黄色
形状
泥状
水状
气味
腥臭味
无
实例6：
金陵石化
炼厂循环水虽然经过沉淀、过滤、加药剂等处理，但在其实际使用过程中仍带有较多泥沙，同时，加上外界因素，滋生大量菌类、藻类，使管道、冷换设备的结垢与腐蚀不可避免。
管道、冷换设备一旦结垢，其影响是长期的、潜在的。
所结的垢物主要有硬垢（Ca2+、Mg2+）、软垢（各种微生物生成的垢或泥沙垢），其中以后者居多。
设备结垢有以下危害：
（1）堵塞管子，影响换热设备的换热效果。
冷换热设备结垢被堵塞后，导热系数变小，如炼厂二套车间的汽油冷却器的水入口温度与出口温度仅差2℃，汽油出口温度有时高达70℃，换热器几乎不起作用，严重影响车间的正常生产，不得不进行计划外检修，浪费了人力、财力和物力。
（2）影响装置生产效益，结垢严重可使装置生产能力下降从而影响经济效益。
（3）结垢会造成垢下腐蚀。
换热器管壁若被腐蚀穿孔，将会造成介质渗漏，影响装置平稳运行和安全生产。
针对石化系统普遍存在的管道结垢问题，人们采取了各种清垢方法。
传统的清垢方法不外乎两种：
在线清垢和停工清垢。
在线清垢的方法有：
注入阻垢剂、涂料法、电磁法、电极法及高频法。
其中注入阻垢剂，用量难以把握，清垢效果时好时坏；涂料法对涂料工艺要求高且价格昂贵，若达不到工艺要求，会造成涂料脱落，起不到除防垢作用。
后三种方法因成本高或实施困难很少使用。
停工清垢常常是计划外停工、装置局部停工或各设备切换条件下进行，不但给正常生产造成了影响，同时会增加计划外费用。
使用超声波除垢器后，管子内壁上结垢明显减少，原来因结垢影响换热效果的问题不再存在。
在投用八个月后，我们打开安装换热器的管道法兰，发现安装超声波除垢器前的管道壁上有一层10mm厚的软垢，最厚处达12mm，而超声波作用后的管壁则干干净净，防锈漆清晰可见。
使用超声波除垢器后冷—11的换热系数有明显提高。
按常规，冷却器在经过几个月的运行后，在相同气温条件下会因结垢而导致换热系数下降，但在这两个几乎相同的气温条件下，换热系数不但没有降低，而且还提高30％，这说明由于使用了超声波除垢器，冷却器内不仅没有结垢，反而有一部分老垢也被清除，使传热效果变好。
另外，超声波的“空化”作用能破坏管壁的层流层，加剧扰动，起到了一定的强化传热的作用，但这种作用比较微小，主要还是除防垢除垢的作用。
同时，我们在现场的小试装置的浮子流量计上看到，经过超声波处理的水流经的流量计浮子上没有结垢，而未经超声波的流量计的浮子上却结有软垢。
9个月小试结束，打开冷却器，看到超声波处理过的水所经管内壁光滑无垢，而未经超声波处理过的水所经管内壁前端有近50％被泥垢堵住，里面堵的更加厉害。
实例7：
四川峨眉山盐化集团股份有限公司，
超声波除防垢仪从1995年9月至1996年9月使用以来，设备运行正常，各种参数显示正常，没有发生过一次问题。
加热管同样的使用期比较，其结垢速率明显减缓，垢层疏松，同管壁的附着力弱，易于清洗，洗罐及除垢周期延长，焊于第III效加热管上的三根接管，内部只有少量点状垢粒，无明显结垢现象。
设备具有不需专人管理、自动化程度高、操作和维修简单方便等优点，设备运行期间对盐质化验分析表明，使用超声波除防垢仪后对产品质量无影响，同时还提高了设备的生产能力（由于结垢减少，相对延长了生产时间）。
实例8：
东北制药总厂
多年来，尽管普遍采用了化学药剂除垢，离子交换树脂除防垢等措施，但因为化学药剂除垢费用高，劳动强度大，操作工艺复杂。
污染环境，在使用上受到一定限制；而离子交换树脂软化水除防垢技术，水处理量有限，不适合大流量水处理系统。
经大量实验证明，超声波除防垢效果良好，对钙、镁垢类有良好的抑制作用，对钡、锶垢类也有较好的防治效果。
超声波除防垢、除垢，主要是利用超声波强声场处理介质而获得，成垢物质在强声场作用下，其物理和物化性能发生一系列变化，导致成垢物脱落，形成松散的粉末状沉淀物。
超声波除防垢仪作用后，提高分子活性，破坏垢类生成和器壁上板结的条件，使成垢物在溶液中呈分散的结晶物，而不在器壁上板结成硬垢。
超声波对液体的空化作用，使液体内产生大量空穴和汽泡，当其破裂时，在一定范围内产生强大的压力峰，能使成垢物质粉碎悬溶于液体中，并导致已形成的硬垢破碎。
实例9：
赤峰糖厂
超声波除防垢、除垢器安装在四效蒸发器糖汁进口Φ150管道上，使用一个榨期约5个月，蒸发糖浆锤度合格率比上年提高12％。
蒸发效率高，一效汽蒸汽压均降0.2kg/cm2，减少“高温汽”对糖浆色值、纯度、PH值的影响。
一个榨期处理甜菜15.9万吨，节约标准煤334t，折人民币8.35万元。
节约洗罐费用2.45万元（同上生产期相比）。
不需设轮洗罐，扩产2000t/日，仅此一项可节约资金40万元。
一个生产期节约“8501”除垢剂费用8.7万元。
实例10：
攀钢动力厂
攀钢动力厂5号浊水泵站主要供三座l20t氧气顶吹转炉炉气除尘洗涤用水,浊环水屑高碱度、高硬度水质，化学处理困难。
污环泵叶轮及泵腔平均7天必须停车检修、除垢。
水质成分（mg/L）
S.S
PH
水温
Ca2+（CaCO3）
M碱度（以CaCO3计）
Mg2+（以CaCO3计）
～150
9-11
～40℃
300～592
700～1397
50～94
Cl-
SO42-
P
K+
Na+
F
～160
～123
～0.14
～710
～160
～4.7
超声波防垢装置连续运行了38天对污环泵进行除防垢。
分解泵体后测定垢，叶轮外侧防垢率达到63.85%，超声波作用的晶体破碎、不规则、有孔洞，呈菜花状或乳石状，说明有明显冲刷侵蚀现象。
而无超声波作用的垢物则结晶排列整齐，致密规则，垢晶块大，面平棱直。
实例11：
广东江门甘蔗化工厂、广东英德市糖厂、广东紫金糖厂
糖厂使用的原水硬度高达5.7mg当量/L，各效罐加热管结垢直接影响了糖厂的正常生产，为解决此问题糖厂采用超声波除防垢使用后除垢效果显著。
启用除防垢器仅7天左右，各效罐加热管的平均积垢厚度已从原来的0.7mm减少至0.05mm，基本上可见铜管本色。
不少厚达3mm以上的罐底老垢亦成块大量脱落，脱落率达90％以上。
蒸发罐列的蒸发强度和传热系数明显提高。
使用除防垢器前各效蒸发强度都随使用时间的增长而下滑，当使用除防垢器后，蒸发强度则很快反弹回升，接近投入使用时的状态。
大量节约煮罐耗酸费用。
据统计每榨季可节约14.28万元。
超声波除防垢装置的应用，大大降低了洗罐的劳动强度，缩短了洗罐时间，加快了通洗速度。
过去每个罐需用磷酸煮洗5h，高压清洗泵使用压力500kg/cm2，也难通洗干净。
采用除防垢器后，只需用水浸泡1h，清洗泵使用压力300kg/cm2，即可通洗干净。
实例12：
南风集团元明粉公司
公司的生产装置上有一条250m长，273毫米口径的硝水管，结垢速度极快，一般两个来月就长满了垢，厚达100毫米以上。
结垢物是钙芒硝，不溶于水和酸，十分坚硬。
工人们只好在管道上每两米左右割开一个口子，用大铁锤砸小耙子掏，全车间得整整砸上一个星期。
为解决结垢问题，引进安装了声波除防垢装置，一举获得了成功。
从此，工人们便永远告别了持续多年的这种繁重、危险的劳动，厂方也因此每年节约十万元的维修费用。
实例13：
瑞士维尔污水处理场
超声波杀菌已经开始广泛应用于工业有机污水处理和食品加工、医药领域。
在液体中，当超声波强度超过某一空化阀值时，会产生空化现象，即液体中微小的泡核（气或汽泡核）在超声作用下被激活，它表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。
空化泡绝热收缩及崩溃的瞬间，泡内呈现5000℃以上的高温及109K/S的温度变化率，会产生峰值高达108N/m2的强大冲击波。
这样高的爆炸压力，将炸死液体中的某些细菌或某些病毒丧失其毒力，甚至会使细菌形态结构破裂和熔解，从而起到杀菌的作用。
实验证明：
细菌清洗消除率达到87%以上，超声波除具有较好的清洗作用之外，还有一定的杀菌作用。
对绿脓杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率分别为93.66％、87.50％和61.74％。
杀菌剂+超声波协同杀菌，杀灭率达到>99%，综合清除率接近100%。
负责处理维尔市与邻近地区2.2万居民的家庭、商业与工业污水，但在污水处理过程中，污泥无法有效地沉淀在处理场的池底。
传统方式解决此问题的唯一办法是在污水中添加化学剂，使污泥加重而能沉淀至池底。
然而，在置入废弃物焚化炉处理前需先进行干燥处理。
当提议建设一座超声波污水处理场而不需使用化学剂时，初期的反应并不热烈，只答应建一座实验厂。
实验结果震惊了该污水处理场场长，最后决定采购二座“超声波沉淀”污水处理场，自此以后，该污水处理场以20kHz的超声波进行24小时的污水处理作业。
“结果很理想，现在我们不需使用任何昂贵的化学剂将污泥予以沉淀处理而且可以将超声波处理过的污泥直接送至废弃物焚化炉处理。
”这是场长最后的评价。
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