（化工过程机械专业论文）工业油罐喷射清洗、底泥生成机理及其资源化研究.pdf

工业油罐喷射清洗、底泥生成机理及其资源化研究 摘要 本文针对工业油罐底泥脉冲喷射清洗、油泥生成机理及资源化综合处理进行研究。 首次提出利用自激脉冲射流的聚能效果进行油罐底泥清洗，通过建立非定常液汽两相流 空化模型，对白激喷嘴内部流场进行数值模拟，揭示了自激振荡腔的脉冲发生机理，进 而建立自激脉冲喷嘴数值优化理论，并通过自激喷嘴优化模型试验加以验证。针对油罐 油泥沉降、分离及资源化综合利用等工程问题，进行了相关理论和技术的试验研究，建 立了油泥沉降模型，通过试验总结出油泥分离及资源化综合利用的成套技术。 论文从工业应用背景出发，对油罐自动清洗技术及油泥分离技术的发展现状，以 及国内外相关研究理论尤其是射流清洗理论进行了综述。第二章建立了定常空化射流数 值模拟理论，主要讨论了利用双流体模型进行定常空化模拟的控制方程、方程离散、坐 标变换、液汽两相流s i m p l e 解法等，特别讨论了利用汽体密度分数进行相间压力分摊 的必要性。第三章针对所提出的低压大流量自激脉冲清洗方式及自激脉冲喷嘴，建立了 非定常二维空化数值模拟理论，对原空化模型进行了改进，通过对空化发生后腔内压力、 速度及体积分数场的分区，揭示了自激脉冲射流发生机理。第四章讨论空化发生前，喷 嘴结构参数及运行参数对激振效果的影响，提山自激喷嘴的数值优化理论。第五章通过 试验对自激喷嘴优化模型加以验证。第六章进行油泥沉降试验研究，建立油泥沉降模型， 揭示了油泥形成的层积机理。第七章深入探讨了油泥减量化的层次、内涵及其数学模型。 确立了以“罐内油泥减量化、清罐油泥燃料化及焦化处理技术”为主的资源化发展方向。 第八章总结了全文研究成果，并提出了进一步研究方向。 关键词：油泥、油罐、自激脉冲射流、清洗、空化模型、汽液两相流、沉降模型 s t u d i e so ht h et e c h n o l o g i e so fj e tc l e a n i n g ，s l u d g ef o r m i n ga n d r e s o u r c e f u lt r e a t m e n tf o rt h ei n d u s t r i a lo i lt a n k a b s t r a c t t h et e c h n o l o g i e so fp u l s ej e tc l e a n i n g ，s l u d g ef o r m i n ga n dr e s o u r c e f u lt r e a t m e n tf o r t h ei n d u s t r i a lo i lt a n kb o t t o ms l u d g eh a v eb e e ns t u d i e d ，an e wp u l s ej e tm e t h o do f c l e a n i n gb o t t o ms l u d g ei sf i r s tp r o p o s e d t h eu n s t e a d yc a v i t a t i o n sm o d e li ss e tu pa n dt h e s e l f - e x c i t e dp u l s ej e tc h a m b e ri ss i m u l a t e d t h em e c h a n i s mo fs e l f - e x c i t e dp u l s ea c t i o ni s d i s c o v e r e da n dt h en u m e r i c a lo p t i m i z ed e s i g n t h e o r yo ft h es e l f - e x c i t e dn o z z l et h e r e f o r ei s p r o m o t e d t h em o d e le x p e r i m e n to fs e l f - e x c i t e dn o z z l eh a sb e e nc o n d u c t e dt ov e r i f yt h e t h e o r i e s o t h e re x p e r i m e n t so ft h et h e o r i e sa n dt h et e c h n o l o 百e sh a v ea l s ob e e nd o n ef u r t h ep r o p o s a lo fs e t t l e m e n t ，s e p a r a t i n ga n ds y n t h e s i z e du t i l i z i n gt h ei n d u s t r i a lo i lt a n k b o t t o ms l u d g e t h es e t t l e m e n tm o d e lo f t h eo i lt a n ki ss e t ac o m p l e t es e to ft e c h n o l o g yo f t h eb o t t o mo i ls l u d g et r e a t m e n ti sp r o p o s e d t h ei n t r o d u c t i o ni nc h a p t e r1c o n c l u d e st h et e c t a l o l o g i e so ft h et r e a t m e n to fb o t t o m o i ls l u d g e ，t h el a t e s td e v e l o p m e n to i li th a sb e e ns u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，t h en u m e r i c a l t h e o r yo fs t e a d yc a v i t a t i o n sh a sb e e ns e tu pb yt h es t u d y i n go ft h et w o f l u i dm o d e lo f l i q u i da n dv a p o nt h ec o n t r o le q u a t i o n sa r ep u tf o r w a r da n dt h em e t h o do fe q u a t i o n s s e g r e g a t i n g ，t h em e s hg r i dt r a n s f o r m a t i o na n ds i m p l ef o rt w o - p h a s ef l u i di sp r o m o t e d t h em e t h o do fs h a r i n gp r e s s u r eb ym a s sf r a c t i o ni sd i s c u s s e de s p e c i a l l y i nc h a p t e r3 ， u n s t e a d yc a v i t a t i o n sm o d e li sp r e s e n t e da n di m p r o v e da l s o t h em e c h a n i s mo ft h e s e l f - e x c i t e dp u l s ei so p e n e dt k r o u 幽t h ed i v i d i n gt h ep r e s s u r ez o n e ，v e l o c i t ya n dt h e v o l u m ef r a c t i o nz o n e i nc h a p t e r4 ，t h ee f f e c t so f t h en o z z l ec o n s t r u c t i o nm a dt h eo p e r a t i n g p a r a m e t e r st ot h es e l fe x c i t a t i o nb e f o r et h ec a v i t a t i o n sa c t i o n sh a v eb e e nd i s c u s s e d i n c h a p t e r5 ，t h ev e r i f i c a t i o nh a sb e e nm a d eb yt h ee x p e r i m e n t ，i nc h a p t e r6 ，t h es e t t l e m e n t e x p e r i m e n to ft h eo i lt a n kh a sb e e nd o n ea n dt h em e c h a n i s mo fl a y e rs e t t l e m e n ti s p r o m o t e d i nc h a p t e r7 ，t h es t e p so f t h eo i ls l u d g er e u s e ，t h ec o n t e n to f e a c hr e u s es t e pa n d t h em o d e lo fr e d u c t i o no fo i ls l u d g eh a v eb e e nd e e p l ys t u d i e s t h es e r i a l l yr e u s a b l e d i r e c t i o nb yt h em a i nw a yo f r e d u c t i o no fo i ls l u d g ew i t h i nt a n k s ，t h ef n e l i z a t i o no fo i l t t s l u d g ef r o mt a n kc l e a n i n g ，a n dc o k i n gt r e a t m e n tt e c h n o l o g y h a sb e e ns e t i nc h a p t e r8 ， t h es u m m a r i z a t i o no f t h ed i s s e r t a t i o ni sg i y e na n dt h es u g g e s t i o n so f f u r t h e rr e s e a r c h e sa r e p r o m o t e d k e y w o r d s ：o i ls l u d g e ，o i l t a n k ，s e l f - e x c i t e dp u l s ej e t ，c l e a n i n g ，c a v i t a t i o n sm o d e l ， l i q u i d - v a p o rt w op h a s ef l o w , s e f f i e m e n tm o d e l i i i 第一章绪论 第一节工业应用背景 一、战略石油储备的重要意义 石油作为。i 业的“血液”具有其特殊的性质，它不仅是国民经济的支柱能源，而且 是国防战略的能源。2 0 世纪9 ( ) 年代以来，随着国民经济持续快速发展，我国石油消费 量年均增长6 7 ，已成为继美圈、日本之后世界第三大石油消费国。预测2 0 0 5 年我国 原油消费需求约为2 7 亿吨左右，2 0l 0 年为3 3 亿吨左右，将超过日本成为继美国之 后世界第二大石油消费围。 战略石油储备是防止石油供应中断，保障国家石油安全的重要手段，在世界主要石 油进口大国当中，中国是惟一没有石油战略储备的国家，仅为生产性周转性库存。其中， 长输管线的储存量为2 5 天，铁路运输存量为7 1 5 天，水路运输储存量1 5 2 5 天， 石油系统内部原油的综合储备天数为2 1 6 天，相对于美国、日本可以维持长达1 1 8 天 和1 6 9 天的储备而言，作为第三大石油消费国的中国却仅有两至三周的商业储各。国际 能源机构认为，石油供应中断量达到需求量的7 ，即为能源安全警戒线。为应付石油 供应中断的突发事件，石油进口大国将9 0 天【： 勺进口量定为应急战略石油储备的目标。 因此，如果圈际石油市场暂时或局部出现短缺，世界油价出现异常波动，以及出现战争 等大的事件，都将对我国石油供给和国民经济的持续发展产生重大的影响和严重冲击， 其形势十分严峻。 为了保障石油资源安全和国民经济的快速发展，建立国家石油储备体系和建立大型 石油储备基地势在必行。我国有关专家建议在未来十年内，应该把国家的石油安全储备 逐步提高到4 0 6 0 天左存。预测2 0 1 0 年我国国民经济对石油的年需求量约为2 7 3 亿吨，所需进口量约1 1 ： 亿吨，储备天数若按4 0 6 0 天计算，预测安全储各量大约 为1 i 0 0 2 1 0 0 万吨，若按9 0 天计算，安全储备则需2 5 0 0 3 2 0 0 万吨，需建设1 5 个 5 0 0 万吨的石油战略储备库。由此推断，我国最大石油安全储备量将达2 5 0 0 4 5 0 0 万 吨。掘了解，目前国内最大单罐罐容已达1 j 万m 3 1 1 。 随着庞大的石油储备体系的建立，大型石油储罐的清洗和油泥的处置问题将f j 益突 出，从现代【业对生产自动化程度的要求，h s e 管理体系倡导的安全、健康环保理念， 本论文为浙江省自然科学基金2 0 0 2 年重大资助项目( n 0 ：2 e 0 2 0 8 浙江大学博士学位论文 国家推行可持续发展战略等各个层面分析，现行传统落后的储罐清洗和油泥处理方法已 远远不能适应形势发展的需要，研究开发一套安全、自动、高效的“储罐自动清洗一油 泥无害化资源化处理”技术来替代传统的劳动密集的人工清洗方法，具有十分重要的意 义。 二、大型工业油罐储备技术 石油储备有陆上储罐、海上储罐、地下储罐、地下盐穴、地下坑道等多种储备形式。 我国石油主要储备方式为陆上大型工业油罐储备。 1 、油罐大型化发展趋势 增大油罐容积是增加油库储备能力最经济、最有效的途径，自1 9 6 2 年美国芝加哥 桥梁公司首先建成1 0 万m 3 浮顶罐以来，储罐向大型化迅速发展，1 9 6 7 年委内瑞拉建 成1 5 万聊浮顶罐，1 9 7 1 年日本建成1 6 万浮顶罐，沙特阿拉伯建成2 0 万埘3 的巨型 储罐，其直径达1 1 0 埘，高2 2 5 m 2 j 。 我国于1 9 8 5 年从日本引进- 1 0 万浮顶罐的设计和施工技术，并在秦皇岛建造了 1 0 万埘单盘浮顶罐，其后十余年间已建造5 万m 3 、1 0 万m 3 大型储罐近百台。“十五” 期间，我国石油储备基地将兴建数百台1 0 万以上的大型储罐【2 】。根据中国石化集团 公司的总体规划，“十五”期间将在浙江宁波建造近1 0 0 0 万m 3 的石油战略储备，同时 铺设宁波至南京原油管道，在上海、南京建造原油集散基地，其储备油罐基本上采用 1 0 万搬3 大型浮顶罐。 2 、发展大型油罐的优势和亟待解决的问题 ( 1 ) 发展大型油罐的优势 采用大型油罐具有节省工程造价、降低操作费用、减少有关呼吸损耗、减少占地 面积等优点。 油罐投资主要由油罐本体和基础两部分组成，油罐的工程造价主要表现为制作安装 费用。油库的容量是储油区内各油罐容积之和，就单台油罐来说，容积越大，表面积相 对越小，单位容积用钢也就越省，大型油罐无论是吨钢造价指标，还是容积指标，都是 比较低的。在总罐容一定的情况下，增大单台罐容可减少油罐台数，并相应减少管道、 阀门、控制仪表、消防设施和配套油泵用量。从而降低辅助工程费。 第一章绪论 储存原油或凝点和粘度较高的其它油品时，为了保持最佳的储存温度，满足输送 的要求，罐内需进行加热，以降低粘度，提高流动性，减少管内流动阻力。罐的热损耗 主要表现在浮盘和罐壁上，总罐容一定时，浮盘与罐壁的表面积越小，热损耗越少，大 型油罐的热容量大，相对散热面积小，热损失少，加之库区管网相应的缩减，都为降低 动力费用和燃料费用刨造了良好的条件。 油罐的呼吸损耗主要在浮盘与罐壁的密封处。在总罐容一定的条件下，单台罐容增 大，油罐台数减少，密封带的总长度缩短，泄漏点就会减少。另外，大型油罐对外界环 境温度反应迟缓，有利于降低油罐的呼吸损耗，抑制油品质量下降，减少大气污染，对 保护环境和减少火灾危险都具有现实意义。 ( 2 ) 发展大型油罐中的技术难题 大型油罐具有可观的经济效益，但它所面临的危险性也随着容量的增大而加重。 在大型j r 业油罐的建设及实际运用中，存在着多项技术难题。例如，安全问题，随着油 罐罐径增大，油罐基础产生不均匀沉降的可能性增大，导致油罐的壁板变形和底板破坏 的可能性增大；随着油罐壁板的加厚，选用钏材屈服极限的提高，将使材料的高冲击韧 性下降，从而增加了罐壁板及其切口的脆性和产生破坏的可能性。另外，大型油罐的抗 震性能、抗风性能、1 0 缸工技术保障措施等问题，都比小型油罐复杂得多。本论文将涉及 大型工业油罐的另一关键性问题，即油罐底泥的自动清洗及油泥资源化巾的综合应用问 颢。 第二节油罐清洗技术及基础理论 原油在储存过程中，原油中的高熔点蜡、沥青赝、胶质和所夹带的泥砂等无机杂质 便会和水起沉淀下来，在油罐底部形成油泥，减少油罐的有效容积，带盐水的油泥可 使罐内壁的腐蚀加剧，原油经过长期的储存后，还会由于空，溽口光的作用产生氧化、缩 合等反应，使油泥量增加，并损失一部分原油，所以油泥必须予以定期清除。 一、开发油罐自动清洗技术的必要- i 生 1 、工业生产自动化的要求 油罐储运作业的特殊性促使清罐工作向自动化、高效化、便携化发展。油罐清沈时 间上的不定期性，位置的分散性，都要求清罐及其油泥处理系统必须是自动化程度高、 装拆简单、移动便利的设备。 浙江大学博士学位论文 安全高效的生产经营势必要求整个清罐工作在尽可能短的时间内完成，人工清罐为 了达到人员进罐所具备的安全条件，准备工作时间长，操作复杂，若储存介质为高含硫 原油( 硫含量大于0 5 ) ，清罐准备工作所需的时间将更长。而自动清罐由于不用人员 入罐，就可节省这一宝贵时间。 我国建造大型油罐主要引进日本的技术。根据日本消防法以及j i sb 8 5 0 1 标准不允 许设置齐平型清扫孔，这样，对油罐在停用处理过程中，给传统清扫造成很大的麻烦， 势必增加停用时间，减少油罐的f 常运行时间。 2 、实施h s e 管理要求 健康、安全、环境( h s e ) 管理体系，是国际上石油化工企业普遍推行的、先进的 一体化管理模式。推行t i s e 管理体系，对于消除和减轻石油石化企业生产过程中存在的 风险和危害，保护员工的健康和生命财产专牟【3 】【4 l 【5 】【6 1 。维护，丰杰环墙且有特碟重尊 的意义。根据h s e 危害识别和风险评估，清罐作业县一项箭除的t 作作、i p 讨；i 旱存存一 系列安全隐患：爆炸和火灾、硫化氢中毒、过量的烃蒸汽和缺氧、放射性、高温作业危 害以及其它人身伤害等。因此，开发油罐自动清洗技术显得十分迫切和必要。 二、国、内外油罐自动清洗方法 l 、国外油罐自动清洗技术综述 ( 1 ) 整体加热法 将储罐的油泥整体加热到一定温度，加入稀释剂( 原油或同种汽油) ，用搅拌机连 续搅拌辅助稀释剂溶解油泥，然后将稀释的油泥泵出罐外，转运到收集罐中处理。该法 具有不受油泥量影响的优点，其缺点是能耗大，挥发性油品蒸发，周期长。加拿大新斯 科舍省的s t a t i a6 座容积为7 1 5 4 4 m 3 的原油储罐淤积了大量的风化石蜡基油泥，采用 热气浸管式加热器，向罐中液体提供大量的热量，对储罐进行整体加热，取得了良好的 效果7 g 9 。 ( 2 ) 化学清洗法 化学清洗 1 1 是向油泥中投加化学品溶剂以降低油泥倾点，使油泥液化并达到 泵抽要求。利用非离子型表面活性剂，可将沉积在储油罐中的废渣分为烃、水和固体物。 首先将一种非离子型表面活性剂( i ) 加在水溶液中，使其数量足以在沉渣上面形成一 第一章绪 论 个溶液层，并从沉渣层中分离出烃，而不会形成乳化液；再加入一种与水层不相溶的稀 释剂( i i ) 以抽提烃，分别从罐中排出稀释层和水层。 埃及t t s 公司研制的一种t t $ 7 5 0 化学制剂，可将油泥中的水分离出来，并使烃类 永远溶解在原油中。a lf u r a t 石油公司在叙利亚的b a n i a s 原油储罐清洗中应用此种药 剂获得成功。 化学清洗的最大缺点是分离效果受化学品在油泥中的均化和温度的影响很大，受储 罐大小和油泥量的影响。而且只能泵抽7 5 8 0 的油泥，剩余油泥则需增加化学品量， 且化学品在该含沙量较多的剩余油泥之间不能很好分解，过剩的化学品还会对下游炼制 设备造成消极影响。 ( 3 ) 热油( 水) 循环法 热油( y g ) 循环法系将原油( 水) 注入油罐，加热搅拌，溶解油渣，在温度降低 之前抽出。 美国n a l c o 公司 ”1 用轻质馏份油如轻柴油、煤油为溶剂溶解石蜡，同时加入油泥 分散剂使油泥悬浮流动，并配合搅拌和油循环、加热，最后可使油携带全部油泥被泵抽 出，送至回收油装罨。日本新曰化公司的吉村德男等( 1 9 8 0 ) 在热油循环清洗中用6 0 8 0 热原油作循环，并采用美国大西洋富田公司( a r c o ) 的复合添加剂用于大罐的清 洗。由日本公司开发的热水循环清洗法，用添加有分散剂的：l 业用淡水，在搅拌和蒸汽 加热下，进行水循环清洗，维持水温在4 9 6 5 。c ，直至油泥完全分散于原油中。罐内 液体静止分成四层：最上层为原油；第二层为含水的乳化油层( 油包水) ，包括一部分 悬浮的油泥，泵至油水分离设备回收油；第三层含油的乳化水层( 水包油) ，加入破乳 剂分离出油后送至废水处理装置：第四层为少量清洗不掉的油泥，仍需用水力冲洗或人 工清除。 该方法存在的主要问题是，需要大容量热源，投资大、加热时间长，寒冷地区加热 效率低，需保温输送管，温度降低期问易再固化( 沉积、淤积) ，挥发性油在加热中蒸 发，造成资源浪费、污染大气、并使复原原油品质降低，产生大量含油废水、沉淀物等。 ( 4 ) 原油喷射清洗 原油喷射清洗工作原理为：利用同种类型的原油通过清洗设备注入储油罐进行封闭 式清洗，首先将油泥搅拌均质化、分解油泥，原油全部同收，固液分离过滤，油水分离， 清洗前及清洗过程中向罐内注入惰性气体。喷射清洗的核心技术是喷头技术，世界上许 多公司都在深入研究，已经出现了一些高效专用的油罐清洗喷头f 1 5 】【1 6 】f 1 7 。 丹麦t o f t e j o r y 公司在清罐、油泥分离领域处理于世界领先地位。该公司研究开发 的油罐自动清洗和油泥分离系统r 简称b i j a b o 系统) 已经在世界多个国家建立了专 业油罐清洗公司，有很好的经济效益。b i ，a b o 系统的处理流程为( 如图1 2 1 ) ：清洗泵 浙江大学博士学位论文 直接从罐内抽取油泥浆通过旋转式喷头对油罐的顶部、侧壁以及底部油泥进行封闭式喷 射清洗，污泥最终被分离成回收油、水和无机的固体物。该设备主要有以下技术特点： 一是模块化，整套系统可以分为几个单元模块，根据不同油罐的清洗要求，可把几个模 块的设备分开或串起来灵活使用，以满足不同的需要；二是自动化，全套清洗、分离设 施实现p l c 控制；三是密闭化，清罐前不需要蒸罐、通风、开人孔等一系列繁琐又耗时 的准备工作，整个清罐、油泥处理过程无需人员进入罐内，无恶臭污染；四是专业化， 利用其专利喷头和交替使用的容积泵和离心泵，建立其特有的油罐体外油循环，来实现 自动清洗油罐，自动清出罐底油泥的目的；五是便捷化，全套清罐、油泥分离系统均可 以分装在若干个集装箱内，安装移动较为便利。应用该系统不但可以大大压缩清罐全过 程所需的时间，一般比我国传统的人工清罐时间缩短6 0 以上，而且油泥中所含的石油 物质的回收率可以达到9 5 9 8 ，最终需要处置的泥砂量只占很少的一部分，并能够达 到直接填埋的要求，真正实现自动清罐和油泥的减量化、无害化和资源化。 图1 2 1 丹麦t o f t e j o r y 公司自动清罐及油泥综合处理( b l a b 0 系统) 原则流程图 日本t a t h o 株式会社开发了油罐清洗的t a i h oc o w s 和t a i h ot a m s 系统 2 0 1 1 2 ”1 2 2 。该技术系利用特殊的液体喷射装置，采用“同种类油品、全封闭、机械自动 循环”的物理清洗技术，罐底有机沉积物经过喷射、击碎、溶解后完全复原成标准质量 的原油。如图1 2 2 ，c o w s 系统主要有以下技术特点：一是罐底有机沉积物全部回收； 二是清洗工期短，固定化，据资料介绍，1 0 万立方米油罐的清洗作业时间为1 5 天；三 是全封闭式清洗，无需人员进入罐内作业，惰性控制罐内可燃气体，安全有保障；四是 无环境污染；五是清洗效果好，清洗后罐内表面可现出金属本色；六是9 8 沉积物复 原成原油，回收率高，综合经济效益明显。该系统已经引入我国，两套已安装完毕并投 入运行，清洗效果与经济效益良好。 第一章绪 论 图1 2 21 3 本太凤公司c o w s 系统流程图 2 、国内油罐清洗作业现状 国内普遍采用传统的人工清洗法：在罐中原油尽可能抽出后，泵入适量清水并通蒸 汽加热，即所谓的“蒸罐”，加热到一定温度后，部分油品就从乳状底泥中上浮至水层 上，然后用泵将表层油品抽取，完成次“蒸罐”处理，一般情况下，为了尽可能多地 回收底泥中的油品，经常采用两次“蒸罐”处理。经过两次“蒸罐”处理后，将油罐底 部人孔和底阀打开，让能流动的油水和部分底泥自动流至油罐旁的集泥井，并由人孔自 然通风，同时，由油罐车及时将油泥从集泥井送外处理。待自流结束，并从罐中采集气 样安全化验合格后，作业人员从人孔进入，进行清泥洗罐工作。人工清挖劳动极其繁重， 为易于清挖油泥，清罐常常在夏季进行，工人要遭受油汽的蒸薰和中毒的危险，存在人 身伤害的严重安全隐患；人工清挖时间长，大油罐甚至要停用3 4 个月；由于“蒸罐” 要加入清水，这不仅人为地增加了油泥总量，而且还给油泥处理增加了破乳难度和能耗。 正是由于这些弊端，我国的一些石化企业已经开始偿试应用国外较为成熟的自动清罐及 油罐底泥处理系统n ”o “。 3 、新型油罐自动清洗技术的开发 本文在充分吸收国外先进清罐技术的基础上，针对油泥特性和清罐工艺，首次提出 用于油罐清洗的脉冲射流方式，并i h 行开发了新型自激脉冲喷射油罐自动清洗技术及配 套设备。脉冲清洗方式是利用不连续射流团的聚能作用产生比定压连续射流大的冲量， 降低了管道工作压力以及清洗原油的温度，加速罐底油泥的液化，大大提高油泥清洗效 果。该系统利用喷嘴前的自激振荡腔，产生脉冲源，将泵压提供的连续射流束自动变为 脉冲射流束，该喷嘴被称为自激脉冲喷嘴( 如图1 2 3 ) 。 浙江大学博士学位论文 图1 2 3 自激脉冲喷嘴内部结构图 国内外喷射技术理论综述 1 、高压水射流研究概况 2 0 世纪5 0 年代，前苏联、中国和美国就开始利用低压大流量的水射流进行水力采 煤的试验和应用。高压水射流是近三、四十年来发展起来的一门新技术，广泛应用于切 割、表面清洗、挖掘钻探以及材料破碎等方面。 2 0 世纪6 0 至7 0 年代初，大批高压柱塞泵和增压器问世，使射流工作压力最高可 达1 7 0 0 m p a ( 日本) ，同时也出现了脉冲射流发生器，最高压力可达5 6 0 0 m p a ( 前苏联、 美国) 。 2 0 世纪7 0 年代初至8 0 年代初，人们把注意力从片面的追求高压力转向如何在水 射流作用效果相同的前提下，降低工作压力上来。该阶段主要是工业试验和工业应用。 2 0 世纪8 0 年代以来，是高压水射流技术迅速发展的阶段。用于切割( c u t t i n g ) 的 高压水射流与传统工具相比具有操作灵活，易于控制，切缝小而且整齐光滑，工作时无 火花、热量产生，不会造成切口附近的烧灼、氧化、变形及金相组织的变化，也不会产 生有害的挥发物，适用于各种材料的加工，尤其适合于脆性材料，软质材料等特点。 高压水射流的另一个重要应用是清洗( c l e a n i n g ) ，压力从几个兆帕到几十甚至上百 兆帕，都被广泛应用于各种物体表面、管道的清洗。国际上将高压水射流清洗压力分为 四类，即低压：o 5 2 0 m p a ，中压：2 0 1 4 0 m p a ，高压：1 4 0 4 0 0 m p a ，以及超高压： 4 0 0 m p a 。过去由于片面追求高压，使水射流清洗对高压泵、管路附件、设备材料、 制造加工及安全生产等方面的要求十分苛刻，大大提高了工程成本，因此限制了高压水 第一章绪论 射流的工程应用。2 0 世纪8 0 年代后期，设计者开始从射流形式、喷嘴设计等途径着手 寻找提高射流效果的方法，以期在满足工程要求的前提下- ，尽可能降低喷射工作压力， 射流形式也从单一的定压射流发展到多孔射流、磨料射流f a b r a l v ew a t e rj e t ) 、气蚀射流 ( c a v i t a t i n gj e t ) 以及脉冲射流( p u l s ej e t ) 或打击射流( p e r c u s s i v ej e t ) 。 2 、定压水射流理论和试验研究 有代表性的论文主要有，y a n a i d a 等( 1 9 7 4 ，1 9 8 0 ) 先后研究了无限空间淹没射流 及无限空间非淹没射流的流场，根据试验得出水射入水中和水射入空气中的流速、压力、 扩展宽度的经验公式。k i n o s h i t a 等( 1 9 7 4 ，1 9 7 6 ) ，对超音速射流进行了理论和试验研 究。l o h n 等( 1 9 7 6 ) 、钟声玉( 1 9 8 7 ) 研究了喷嘴结构对高压水射流性能的影响，其结 论是，在无分离流动的前提下，喷嘴锥角( 或收缩角) 越大越好，喷嘴出口直段不能省 去，喷嘴的粗糙表面会影响射流密集性及其作用效果。j a c k s o n ( 1 9 8 3 ) 对喷嘴的流场 进行了数值模拟，蒋旭平等( 1 9 9 6 ) 对高压水射流的冲击特性进行了理论分析和试验研 究，绪论是冲击压力与泵压和靶距有关，且泵压一定的情况下，靶距越大，冲击压力越 小。 ( 1 ) 脉冲水射流装置的理论分析和试验研究 p a t e r 等例州( 1 9 9 8 ) ，研究了挤压式脉冲水射流装置( e x t r u s i o n t 押ep u l s e dj e t d e v i c e ) ，这种脉冲水劓流是通过气动锤推动柱寒产生加速运动，柱塞的动能迅速传给 水流，进液控制阀关闭，水压力急剧上升，并发射出去。气锤通过周期性的往复运动， 造成水流的周期性蓄能和释放能量，从而形成脉冲射流。这种装置噪声大、寿命短、高 压密封困难，因此未见关于实际应用的报道。l i c h i t a r o w i c z 等册( 1 9 9 8 ) ，研究了机械 外部遮断式脉冲射流，这种装置是通过外部旋转的带孔圆盘来周期性的遮断连续射流， 如果改变转盘的转速及盘上的孔距就可改变单个水柱长度，从而改变冲击作用时间或冲 击频率，它虽然制造简单、易调节，但噪音火，网盘易被高速水流冲击破坏。 m a z u r k i e w i c z 【，7 1 ( 1 9 9 8 ) ，研究了用间断激光束来汽化水射流的脉冲水射流，当激光发 生装置发出的激光对准射流时，剁流中间的一部分水汽化，使射流变为间断流，其后的 射流中产生空化现象，增加了射流对标的物的破环作用，其打击力为水锤压力 ( p = , t x l v ，式巾p 为水的密度，a 为水锤波速，而v 水射流速度) ，该值比水射流的滞 浙江大学博士学位论文 止压力( 只，：当2 ) 大得多。g u s t a f s s o n 7 司( 1 9 9 8 ) 提出利用淹没电极和一种带有锥 2 形喷嘴的充水容器来产生脉冲射流的试验装置，该装置脉冲频率相当稳定，但由于形成 喷嘴的锥形体易磨损，且电极腐蚀相当快，因此至今未见工程应用。w y l i ( 1 9 7 2 ) 研究 了调制脉冲射流，它是在喷嘴入口前用一个小柱塞的往复运动来产生叠加在稳定流上的 小脉动，当其频率于喷嘴管系的固有频率一致时，管系产生共振，在喷嘴出口处形成脉 冲射流。c h a h i n e ( 1 9 8 3 ) ，研究了亥母霍兹自振腔式脉冲水射流装置，它是利用射流本 身的脉动特性，当射流通过亥母霍兹自振腔时，若射流脉动频率与腔体固有频率一致， 则产生共振，形成脉冲射流。n e b e k e r f 7 9 ( 1 9 8 4 ) 提出可明显提高切割和破碎能力的打 击射流( p e r c u s s i v ej e t ) ，打击射流是通过喷嘴里的一个做绝对位移( p o s i t i v e - d i s p l a c e m e n t ) 的调节器( m o d u l a t o r ) 发出的。他主要通过试验研究指出了工作喷嘴直径、形状尺寸 搭配及工作压力、流量、打击频率以及靶距等对工作效果的影响。其用于岩石破碎的打 击射流试验装置，调节频率2 0 0 0 2 0 0 0 0 赫兹，喷嘴出口压力1 6 1 5 1 3 m p a ，结论是 更大压力意味着更大的射流速度和更高的频率，在不影响作用效果的前提下，更大的喷 嘴口径意味着更大的靶距和作用范围，以及更高的工作效率。 ( 2 ) 气蚀射流研究 空化是一种复杂的流体动力现象，一般认为水在高速运动中，沿物体某处的局部 压力低于该处的饱和蒸汽压时，水自身开始汽化并形成空泡，这些空泡到达高压区后崩 溃，同时产生的压缩波或微射流，对附近固体表面进行剥蚀，气蚀射流利用这种空化作 用加强其清洗和破碎能力。气蚀射流的研究即是如何实现在射流中的空化现象。 j o l l n s o n 吲( 1 9 8 2 ) 研究了中心体式气蚀水射流装置，该装置在喷嘴出口前装上一中心 体，射流经过该中心体时，其表面形成脱壁旋涡区，产生气蚀空泡，合理调整靶距可有 效地将气蚀空泡带至目标表面并爆破。v i j a y 等【7 1 l ( 19 9 8 ) 研究了非淹没气体保护装置， 在喷嘴外部套上一个同心的套筒，高速射流射出后，带走套筒低速气体在射流边界层形 成气蚀空泡。p e a r c e ( 1 9 8 3 ) 研究了气蚀喷嘴装置，通过合理选择喷嘴出口直段长度与 喷嘴直径之比，使射流产生气蚀空泡。试验结果表明淹没气蚀射流的效率大大高于非淹 没射流7 7 】 7 8 1 。 1 0 第一章绪 论 3 、自激脉冲射流中相变理论的研究 本文研究的新型脉冲清洗喷嘴的关键部件是喷嘴入f 1 处的自激振荡腔。连续射流 从上游喷嘴进入腔内后，由于不稳定剪切层的作用，在射流轴心四周形成同轴涡环，且 在涡环中心出现大小周期性变化的低压区，当压力低于介质的汽化蒸汽压时，涡环中心 液体汽化，低压区压力在蒸汽压刚近周期性变化，涡环中心气穴的体积也呈现周期性的 变化，即在振荡腔内发生了周期性的气液相变。本文数值模拟及试验研究结论均证实， 周期性出现的气穴犹如气体弹簧能对中心射流造成t ) n 期性激励l ，“。 关于汽液相变的数值模拟问题，国内外学者从上世纪九十年代开始研究，一些大 型的计算流体动力学( c f d ) 软件如f l u e n t ( 1 9 9 6 ) ，采用了基于多相流的气蚀模型 ( a c h e n b a c h 和m u l l e r , 1 9 8 5 ) ，该模型将汽液两栩流看作是包括了不同密度的单相混合 介质，文献中的气蚀模型大多基于气泡生长模型( b u b b l eg r o w t hm o d e l s ) ( s a u e r , 2 0 0 0 ) ”l 或全空化模型( f u l lc a v i t a t i o nm o d e l ) ( a k s i n g h a le t a l ，2 0 0 1 ) 7 7 1 ，该模型为等温模型， 介质密度只与压力相关。在理想状态下，只要压力下降到汽化压力之下，介质立刻发生 相变。为保证计算稳定，发生汽化的区域常出现压力的间断，该物理模型比较粗糙，且 有待改进，将相变看作是分子在规定时间内发生的交换过程。所以，当压力降为饱和蒸 汽压后，液体将不会立刻汽化，而是进入与时间有关的汽化过程，这种动态平衡的模型 由l a m d u a 和g i n z b 喂提出，并由b a d u r 和b a n a s z k i e w i c z ( 1 9 9 8 ) 实际应用。 第三节油泥综合处理技术研究 一、油泥产生机理 油品储罐在储存油品特别是原油时，在长时间的存放过程中，油品中的少量机械 杂质、沙粒、泥土、重金属盐类以及石蜡和沥青质等重油性组分会因比重差而自然沉 降积累在油罐底部，形成又黑又稠的胶状物质层t ”1 ，其数量一般高达该储罐容量的1 。 一般而言，低硫原油或轻质原油储存的油罐底泥相对较少，而商硫原油或重质原油储 存的油罐底泥相对较多，据有关文献介绍：以平均值来说，油罐储运中未经炼制之原 油中平均油泥达2 2 2 ”。这些油泥基本上是在原油井中自然渗入的，采取原油时随之 一起被泵送、储存，最后被运至原油罐中，据统计，每储运9 0 0 0 0 立方米的原油，平 浙江大学博士学位论文 均会产生2 0 0 0 立方米的油泥。对某一个大型油罐，储存哪些品种原油是不确定的，这 取决于业主的生产经营方式。若是一个石油化工生产企业，它主要储存其加工原油， 按照其生产装置总流程来组织生产，采购那些适合其装置加工的油种；若是一个原油 中转基地，它主要是按照不同业主的需求，来组织储运、中转等经营业务。 油泥成份一般由碳氢化合物( 7 0 ) 、成水( 2 5 ) 以及无机物质( 5 ) 2 6 o 而据试 验分析得知，其中沥青质占油泥总体积的1 5 1 27 1 。笔者在2 0 0 1 年对某炼油厂的码头原 油储罐中的油罐底泥成份分析如表1 3 1 。 表1 3 1 油罐底泥分析( 贮用5 年贮量为3 万吨的原油罐，经过二次蒸罐拔油) 注：1 、有机物是指含油污泥中除水与灰分以外的物质，即l o o 一含水率一灰分所得之值。 2 、低沸点油测定方法为用氟利昂f 1 1 3 萃取并能在红外光谱仅定量的物质总量。 二、油泥综合处理的必要性 l 、企业承担社会环保责任的要求 油罐底泥中，富含有机物，成份十分复杂，含有苯系物、酚类、蒽、芘等有毒有害 物质。随意堆放，将严重污染周边环境，盲接填埤，将对撤下7 k 浩成严重污粱。目前 一些企业将难以处理的含油污泥，花钱送交个体小业主处理，由于这牡个体小业主根本 没有有效的污泥无害化处理手段和设施，只是将其中有用的部分有机物提取，把剩渣随 意倾倒，以致污染环境。 随着人们生活质量的不断提高和环境意识的不断增强，公众对危险废物影响人体 健康与生存环境日益关注。油泥转移或随意处理造成的污染，极易引发厂群纠纷，干 扰企业的正常生产，影响企业形象，危及企业的生存和发展。因此，污泥的无害化处 理是企业维护自身社会形象、保证企业有序生产、拓展发展空问的需要。 2 、企业效益最大化的需要 油泥中可回收有机物( 油) 的含量高达9 8 以上，而目前国内低水平的油泥处理 方法无法将其回收，这些剩余油泥的排放不但造成了严重的环境污染，而且造成了大 量石油资源的流失。据悉，我国至“十五”末的石油储存总量将达到6 0 0 0 万吨，按当 第一章绪论 前的原油价格计算，仅由于清罐而造成的原油损失资金将达到5 2 5 0 万元年以上。 三、国外含油污泥处理现状及综合利用 1 、生物降解法 1 9 9 6 年n i mj s hd h u l d h o y a 介绍了一种采用高效生物反应器( h r b ) 处理炼厂含油污 泥的处理技术吲【2 9 3 0 1 。该技术的形成是从炼厂污泥实施土地耕作过程中发展起来的， 因为实施土地耕作是一个开放的体系，阴雨天和冬季的低温天气火大降低了生物氧化效 率。为此t e x a o oi n c 提出室内耢作的新概念并进行尝试，取得了较好的试验结果。8 0 年代后期土地禁令法规的出台，使浚技术得到进一步发展，并申请了三项专利。为了满 足土地禁令提出对地下和空气没有污染物转移的要求，t e x a o o 公司重新修改设计，用 计算机系统控制生物反应器的空气进量、固体循环量、污泥进料量以及混合系统，并就 此形成了比较完善的处理炼厂污泥的i t r b 技术。反应器是该技术的核心，反应器上部为 反应段，污泥在此进行脱水，固体废物保留在反应器床层的介质上，通过微生物作用使 之转化为c ( ) ：和i i ：0 。反应器卜部是气液分离段，反应器的流出物经d e c a n t e r 沉析分离， 液体物流可根据要求直接排入公共处理中心( p o t w s ) 或排入本厂的污水处理场，固 体物一部分循环返回进料罐再处理，部分待各项指标符合要求时排放。操作过程分三 步完成。第一步离心回收油并减少污泥体积，炼厂污泥首先进入离心机进行三相分离， 出来的闽体物流含水约5 0 。第二步生物消解有毒有害物质，将固体物泵入生物反应器 并吹入空气或氧气，同时还要连续加入氨和磷酸作为生物营养液培育出生物菌靠微生 物作用使固体物中的有机组份转化为二氧化碳和水。第三步再进行离心脱水，进一步减 少废物体积。从反应器中排出的残余物浓缩后贮存在中间罐中，如果需要稳定重金耩则 加入一定量的石灰，反应后的污泥再次进入d e c a n t e r 离心机脱水，从而使污泥残渣体 积大大减少。整个过程的流出物返回炼油厂重新加l ，水进污水处理场，满足排放标准 的少量残渣物实施土地填埋。 2 、溶剂萃取法 溶剂萃取法处理含油废物与生物法相比较其技术要求高，一次性投资赀用高，但 也有其技术特t i 。主要包括设汁、管理和操作易于纳入炼油j 标准化运作，并可从待处 理的炼厂污泥中回收大量的碳氢化