电磁流体海面浮油回收研究范文

《海洋环境科学杂志》2014年第四期

1电磁流体海面浮油回收分离技术的基本原理及特点

如图1所示，由于油和海水的密度差，油漂浮在海面上。分离通道中，导电海水受到水平方向电磁力(洛仑兹力)FEMHD作用，在分离通道的入口附近产生吸力、出口产生磁流体压升;油污海水从堰口吸进分离通道，海水向着受力方向带动油层一起平行流动，而不会将油层搅拌。分离通道出口设有油水分离箱，在磁流体压升的作用下，油层在上部不断积聚，洁净海水从下部排出，从而实现海面浮油的回收分离。该技术具有如下特点:回收比较彻底，回收油的含水率低，小于5%;回收分离过程同时进行，无须二次处理;适用中、低粘度油及化工原料;特别适用于厚度为毫米级和微米级的薄油膜回收分离;无须向海水中投入任何亲油的或磁性的其它物质，无二次污染;设备简单，无旋转部件，可靠性好，零部件可靠耐用，维修简单、保养方便;易于实现自动化控制和规模化生产。

2电磁流体海面浮油回收分离系统的三维数值模拟

电磁流体海面浮油回收过程为电磁场作用下的油水气多相流流动过程。本文采用有限体积法(volumeoffluid，VOF)对电磁流体海水浮油回收分离装置内电磁场作用下油水气三相流流动进行了三维数值模拟，重点研究了电磁场作用下，静压、流速的空间分布以及相界面的变化。电磁流体海面浮油回收分离系统的物理模型如图2所示，包括入口水箱、分离通道、油水分离箱、喷管和连接管路。分离通道中，分别施加Z方向的磁场和Y方向的电场，X方向为流动方向。入口水箱和油水分离箱均为开口容器、与大气相通，且其开口截面面积远远大于通道的流动截面面积;入口水箱内注入一定量的轻质油、如柴油，模拟油污海面。分离通道的流动截面面积为36mm×46mm，流动方向的长度340mm，外加磁场强度为0．9T。笛卡尔坐标原点设在分离通道中心。图3a和图3b给出了XZ中心面上的流场分布。可以看出，分离通道内受到电磁力作用的海水相的流速最大，达到0．85m/s;此外，分离通道的进口以及油水分离箱的上部空间，流体也具有较高的速度。从图3b可以看出，分离通道内，海水在电磁力的作用下向油水分离箱加速加压流动;从入口水箱到分离通道有效段(电磁力作用区域)的入口，海水液面逐渐下降，静压逐渐降低，直至有效段的某一位置(有效段起始点往后一些)达到最低;而后海水液面逐渐升高，静压逐渐增大，直至油水分离箱内海水液面达到最高，且高于入口水箱，形成磁流体压升。由于分离通道入口的低压作用以及相间摩擦力，入口水箱表面的浮油被吸入分离通道，在海水的带动下向油水分离箱流动，同时由于分离通道出口具有高的压力，使油漂浮在油水分离箱上部且越积越多，从而实现浮油的回收分离。图3c为整个系统的流线分布，其中颜色表示相对静压。可以看出，入口水箱内的流动相对简单;而分离通道和油水分离箱内的流动复杂。分离通道上部空间发生回流，使油水气三相发生掺混。油水分离箱的中上部区域，流体的流速较高，形成明显的回流;而其中下部区域，产生湍流。流场分布表明，分离通道的出口以及油水分离箱中上部的流动不利于油相的分离以及油珠的上浮回收。今后将进一步改进分离通道以及油水分离箱的结构。图4为油相体积分数随时间的变化。可以看出，随着时间的增加，入口水箱上层浮油的体积分数从1逐渐减小，即入口水箱海水表面的浮油逐渐减小;而油水分离箱上表面油相的体积分数在不断地增加。

3电磁流体海面浮油回收分离系统的性能分析

回收分离装置的主要性能指标包括油污海水处理量(油的流量和海水流量)、收油率、输入电功率、压升等参数。图5为工作电流I、工作电压U和输入电功率P随磁场强度B的变化曲线。可以看出，U、I、P随B的增大呈二次曲线减小。在条件允许的情况下，应尽可能提高磁场强度。图6为油污海水处理量Q和压升H随电流密度J的变化。可以看出，在入口液位H0和系统结构参数(K1、K2)一定的情况下，随着电流密度的增大，流量和压升增加。

4电磁流体海面浮油回收分离装置实验室样机的研制

样机总体布置如图7所示，主要包括船体、堰口、电磁流体回收分离装置、海水喷口，以及电源和控制测量系统;总长1．9m，宽0．57m，高(型深)0．48m;主要性能参数如表1所示。置于船体内的电磁流体回收分离装置由两极永磁磁体(图8)，矩形截面的分离通道(图9)，平板型电极，油水分离箱，以及油位检测系统所组成。两极永磁磁体，采用“汇聚主磁通，减少漏磁通”的设计原则，采用软铁极靴聚磁和同极性磁钢堵住漏磁的结构。磁体有效气隙为矩形，磁极间距48mm，中心场1．0T，分离通道内平均磁场强度0．9T。平板型电极长宽比9．4，电极间距46mm;阳极采用钛铂复合电极，阴极为纯钛电极。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。分离箱上部的集油井采用半斗式结构，以便使集油井外下面流体中的油珠能更快更顺畅地上浮至上层液面，提高油水分离效果。

5水槽油污海水处理试验

样机于2012年10月完成了水槽油污海水处理试验。如图10所示，水槽长约3m，宽1．1m，深约0．6m，由不锈钢焊接而成，内装NaCl溶液模拟海水。电磁流体海面浮油回收分离装置安装固定在船体内，分离通道进口与嵌装在船头的堰口连接，出口连接油水分离箱;喷管穿过船尾，口在船体外，其进口连接油水分离箱。船体漂浮在水槽内，围油栏与船头连接，将水槽内的海水分为油污海水区和无油海水区。围油栏内注入一定量的柴油，模拟油污海域。先后进行了毫米级薄油层以及微米级油膜的回收分离试验。试验结果表明:(1)油层厚度在3mm～4mm、工作电流密度2300A/m2时，油污海水处理量为1100L/h，平均收油量(32～56)L/h。(2)油膜厚度小于1mm，甚至是微米级油膜，回收分离效果明显;试验过程中观察到围油栏内的油花逐渐变薄，呈现彩虹色油膜(油膜的厚度为微米级)，然后逐渐消失，处理后的海水经检测达到国标第四类海水标准。(3)回收油含水量很低，长时间静置后，肉眼观察无分层。

6结论

电磁流体海面浮油回收分离技术是一种新型的海面薄油层/油膜污染处置技术，目前已完成油污海水处理量1000L/h实验室样机研制和水槽油污水处理试验。试验研究表明，油层厚度在3mm～4mm、工作电流密度2300A/m2时，油污海水处理量为1100L/h，平均收油量(32～56)L/h;油膜厚度小于1mm，甚至是微米级油膜，回收分离效果明显，试验过程中观察到彩虹油膜消失。今后将进一步改进分离通道以及油水分离箱的结构，以提高回收分离效果和回收效率，并开展适宜海洋现场环境的应用研究，重点解决实海况环境下，装置高效、可靠运行的相关理论和技术问题，为该项研究的产业化奠定良好的技术基础。

作者：彭燕王兆连赵凌志刘风亮单位：中国科学院电工研究所海洋能发电技术与应用研究部山东华特磁电科技股份有限公司