电磁流体薄油膜回收分离系统的改进设计

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(1.中海石油环保服务(天津)有限公司，天津 300457；2.中国科学院电工研究所，北京 100190)

在海上油污染事故中，轻质油、凝析油及含油污水等在海面扩散速度快，容易形成厚度极小的油膜，这类油膜称之为薄油膜。海面薄油膜的存在，不仅阻碍水气界面交换，对海洋生态环境造成一定的影响，而且在较好天气和海况条件下，微米级油膜形成的彩虹色十分明显，虽然量不大，但很容易造成事故严重的错觉，影响对事故评估和后期处理。此外，如不及时处理海面薄油膜，使其滞留在海洋中，不但会给海洋溢油的预报和监测带来困难，而且会凝聚成黑斑，造成更大的污染[1]。

为了有效地处置薄油膜，国内外科研机构都做了很多尝试。美国莱斯大学和宾夕法尼亚州立大学研制的硼碳纳米管具有亲油疏水性，对油膜吸附具有一定的效果[2]。LAMOR公司开发了一种环保高效的吸油粉末，试验研究表明：该粉末对毫米级的油膜具有非常好的效果，而对于微米级、纳米级油膜却没有显著作用，且吸油粉末如果不能全部回收，对海洋环境也会造成污染。北京大学、清华大学和中山大学联合研发的碳纳米管海绵可以主动、快速吸收各种有机溶剂和油类，并将吸附物储存在海绵体内[3-4]，但该材料造价高、回收困难，要想投入实际应用还有待进一步开发。

中科院电工所最早提出用电磁流体技术解决海面薄油膜的回收分离问题，并完成了电磁流体海面浮油回收分离装置1 m3/h实验样机的研制。试验结果表明，该装置回收分离效果明显，处理后的海水达到国标第四类海水水质无明显油膜的标准[6-8]。上述实验样机回收分离效果虽然较好，但是没有考虑在实际海况下的应用条件，为此，考虑对该实验样机进行改进设计，以使其分离效率更高，环境适应性更好。

1 回收分离系统实验样机介绍

电磁流体海面浮油回收分离系统模型见图1[9]。

图1 EMHD海面浮油回收分离系统示意

1)磁流体通道。磁流体通道是电磁流体薄油膜回收分离装置的关键部件，置于磁体气隙内，内部为电磁流体作用区域，对装置的运行性能起决定性作用。

2)永磁体。海水流速对上层浮油的拖带效果有较大影响，流速与电磁力密切相关。电磁力密度f=BJ(B为外加磁场强度，J为海水中的电流密度)，随磁场强度的增大而增大。电磁力是体积力，随有效段空间尺寸的增大而增大[10]。

3)油水分离箱。采用阵列梳柱式阻流结构，增大阻流装置的作用范围，使分离通道的出流受到均匀阻力，特别是使油水分离箱的进口和出口之间流速较高的流体核心区域得以分散、流速降低，进而大大增加油水分离箱内油水分离的时间、提高油相的上浮时间和回收效率。

2 改进设计

电磁流体海面浮油回收分离过程为电磁场作用下的多相流流动过程，容易受到海面风浪的实时随机作用，进而影响进入磁流体通道的海水、浮油和空气的初始体积份额。此外，对于海面薄油膜，由于受风浪影响很大，很容易随波逐流，给回收工作带来比较大的困难，因此需要在入口处增加适波性装置。

2.1 适波性入口

为解决在海上环境下磁流体通道入口液面随波浪波动的问题，采用适波性入口[11]见图2。

图2 适波性入口

适波性入口的关键部件为滚轮装置。滚轮装置是一种大轮毂矮叶片并带有侧板的叶轮，主要由叶片、滚轮毂、滚轮外壳和侧板等组成。由于叶片角度(叶片与轮毂切线方向的夹角)对油水的分离效果具有重要影响，所以需要对不同叶片角度的滚轮进行仿真和实验研究。

气泡在滚轮内的分布情况见图3。

图3 滚轮槽斗内气泡

油的密度介于海水和空气之间，当滚轮装置内存在油、海水和空气时，竖直方向上，从上到下必然依次为空气、油和海水。由图3可知，气泡能够填充到叶片与轮毂夹角的根部，从而阻碍油组分的进入，为油组分进入磁流体通道减小了阻力，即增加一定量的气泡对油组分进入磁流体通道是有利的。

随着滚轮的转动，转到如图4所示位置时，气泡和油组分要向上运动，气泡对油组分具有向上的带动作用，且角度越小，越有利于气泡和油组分的向上运动，从而更有利于油组分进入到磁流体通道，更有助于提高系统的分离效率。

图4 油相体积分数分布

选用30°、45°和60°三个角度的叶片进行实验，通过改变转速，观察气泡的运动状况，同时测量磁流体通道的电流、电压、流量以及进口水箱和油水分离箱的水位，记录数据见表1。

表1 不同叶片角度实验记录

由表1可见，随着叶片角度的增大，进入磁流体通道的气泡减少，电流增加致使电磁力增加，流量和压升不断增加。即叶片角度增大，更有利于加快系统的分离速度，但不利于油组分进入磁流体通道。

通过以上分析可知，叶片角度减小，有助于油组分进入磁流体通道，有利于系统分离效率的提高，但使得系统分离速度下降。因此，综合分离效率和分离速度两个因素，选用叶片角度为30°的滚轮。

2.2 磁流体通道优化

气相组分在电磁流体回收分离系统中分布见图5。对于水平布置的磁流体通道(图5a)，由于压力呈上升分布，气体不能顺利地通过，导致磁流体通道的上部被空气占据，海水只分布在磁流体通道的下部空间。如果将磁流体通道倾斜一定角度(图5b)，海水和油几乎充满了整个磁流体通道，只有极少量的空气存在于磁流体通道的上方[12]。由此可见，使用倾斜的磁流体通道有利于提高磁流体通道的利用率，同样条件下可以获得更大的油污海水处理量，提高系统的处置效率。

图5 气相体积分数分布

2.3 改进后系统整体性能模拟

在电磁流体回收分离系统中增加适波性装置，并将磁流体通道倾斜后，电磁流体回收分离系统的压力分布模拟见图6[13]。

图6 XZ平面压力分布

由图6可见，在流体流经的通道中，滚轮装置底部尤其是磁流体通道入口处的压力最大。从磁流体通道入口到出口，压力逐渐减小。对于同一高度，由于电磁力作用，磁流体通道内的压力大于滚轮处的压力。因此，对于整个系统来说，适波性入口不仅解决了海上环境磁流体通道入口液面随波浪波动的问题，而且也能够为流体在磁流体通道中的流动提供额外的动力，提高系统的油水分离速度。

3 样机实验

实验测试包括静态收油试验和动态收油试验，试验用油选用柴油。采用体积比方法检测回收物中的含油量的方法是，将集油井回收物的取样样品放置烧杯中静置12 h以上，待油水分层后，测量水和油的高度h1、h2，则回收物中纯油所占的百分比为h2/(h1+h2)×100%。

3.1 静态收油试验

静态收油试验主要是测试装置的油污水处理量和收油效果。加入一定体积的柴油，水面上油膜情况见图7a)，开启油水分离装置，运行35 min后，水面上油膜情况见图7b)。

图7 入口水箱水面油膜情况

回收物静止18 h后，采用体积比方法估算油所占百分比为84.29%，外排水取样肉眼看不到油花。

3.2 动态收油试验

动态收油试验主要是测试适波性入口在波浪环境下的性能。开启造波装置，波高0.2 m，观察适波性入口流动情况。见图8。由于没有消波装置以及入口水箱宽度有限，一部分油污水在入口处反射回来，收油效果不如静态时明显，但分离效率也达到了75%以上。

图8 波浪作用下入口情况

不论是静态收油还是在有波浪状态下收油，输入功率30.4 kW，油污海水处理量35 m3/h，分离效率75%以上，外排水取样肉眼看不到油花。

4 结论

1)通过增加适波性入口装置，解决了海上环境磁流体通道入口液面随波浪波动的问题；

2)通过模拟回收分离装置中的气相分布，运用倾斜磁流体通道的办法提高了磁流体通道的利用率。改进后的油水分离系统的压力数值模拟结果表明，其更符合流体的运动规律，提高了系统的油水分离速度。

最后试制了一套35 m3/h电磁流体薄油膜回收分离工程样机,对其性能进行试验检验，结果表明,该工程样机在有波浪条件下，仍能正常地进行油水分离作业，因此更适用于在真实海况下油膜的回收分离。

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