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《海洋環(huán)境科學雜志》2014年第四期

1電磁流體海面浮油回收分離技術的基本原理及特點

如圖1所示，由于油和海水的密度差，油漂浮在海面上。分離通道中，導電海水受到水平方向電磁力(洛侖茲力)FEMHD作用，在分離通道的入口附近產(chǎn)生吸力、出口產(chǎn)生磁流體壓升;油污海水從堰口吸進分離通道，海水向著受力方向帶動油層一起平行流動，而不會將油層攪拌。分離通道出口設有油水分離箱，在磁流體壓升的作用下，油層在上部不斷積聚，潔凈海水從下部排出，從而實現(xiàn)海面浮油的回收分離。該技術具有如下特點:回收比較徹底，回收油的含水率低，小于5%;回收分離過程同時進行，無須二次處理;適用中、低粘度油及化工原料;特別適用于厚度為毫米級和微米級的薄油膜回收分離;無須向海水中投入任何親油的或磁性的其它物質，無二次污染;設備簡單，無旋轉部件，可靠性好，零部件可靠耐用，維修簡單、保養(yǎng)方便;易于實現(xiàn)自動化控制和規(guī)模化生產(chǎn)。

2電磁流體海面浮油回收分離系統(tǒng)的三維數(shù)值模擬

電磁流體海面浮油回收過程為電磁場作用下的油水氣多相流流動過程。本文采用有限體積法(volumeoffluid，VOF)對電磁流體海水浮油回收分離裝置內電磁場作用下油水氣三相流流動進行了三維數(shù)值模擬，重點研究了電磁場作用下，靜壓、流速的空間分布以及相界面的變化。電磁流體海面浮油回收分離系統(tǒng)的物理模型如圖2所示，包括入口水箱、分離通道、油水分離箱、噴管和連接管路。分離通道中，分別施加Z方向的磁場和Y方向的電場，X方向為流動方向。入口水箱和油水分離箱均為開口容器、與大氣相通，且其開口截面面積遠遠大于通道的流動截面面積;入口水箱內注入一定量的輕質油、如柴油，模擬油污海面。分離通道的流動截面面積為36mm×46mm，流動方向的長度340mm，外加磁場強度為0．9T。笛卡爾坐標原點設在分離通道中心。圖3a和圖3b給出了XZ中心面上的流場分布。可以看出，分離通道內受到電磁力作用的海水相的流速最大，達到0．85m/s;此外，分離通道的進口以及油水分離箱的上部空間，流體也具有較高的速度。從圖3b可以看出，分離通道內，海水在電磁力的作用下向油水分離箱加速加壓流動;從入口水箱到分離通道有效段(電磁力作用區(qū)域)的入口，海水液面逐漸下降，靜壓逐漸降低，直至有效段的某一位置(有效段起始點往后一些)達到最低;而后海水液面逐漸升高，靜壓逐漸增大，直至油水分離箱內海水液面達到最高，且高于入口水箱，形成磁流體壓升。由于分離通道入口的低壓作用以及相間摩擦力，入口水箱表面的浮油被吸入分離通道，在海水的帶動下向油水分離箱流動，同時由于分離通道出口具有高的壓力，使油漂浮在油水分離箱上部且越積越多，從而實現(xiàn)浮油的回收分離。圖3c為整個系統(tǒng)的流線分布，其中顏色表示相對靜壓。可以看出，入口水箱內的流動相對簡單;而分離通道和油水分離箱內的流動復雜。分離通道上部空間發(fā)生回流，使油水氣三相發(fā)生摻混。油水分離箱的中上部區(qū)域，流體的流速較高，形成明顯的回流;而其中下部區(qū)域，產(chǎn)生湍流。流場分布表明，分離通道的出口以及油水分離箱中上部的流動不利于油相的分離以及油珠的上浮回收。今后將進一步改進分離通道以及油水分離箱的結構。圖4為油相體積分數(shù)隨時間的變化。可以看出，隨著時間的增加，入口水箱上層浮油的體積分數(shù)從1逐漸減小，即入口水箱海水表面的浮油逐漸減小;而油水分離箱上表面油相的體積分數(shù)在不斷地增加。

3電磁流體海面浮油回收分離系統(tǒng)的性能分析

回收分離裝置的主要性能指標包括油污海水處理量(油的流量和海水流量)、收油率、輸入電功率、壓升等參數(shù)。圖5為工作電流I、工作電壓U和輸入電功率P隨磁場強度B的變化曲線。可以看出，U、I、P隨B的增大呈二次曲線減小。在條件允許的情況下，應盡可能提高磁場強度。圖6為油污海水處理量Q和壓升H隨電流密度J的變化。可以看出，在入口液位H0和系統(tǒng)結構參數(shù)(K1、K2)一定的情況下，隨著電流密度的增大，流量和壓升增加。

4電磁流體海面浮油回收分離裝置實驗室樣機的研制

樣機總體布置如圖7所示，主要包括船體、堰口、電磁流體回收分離裝置、海水噴口，以及電源和控制測量系統(tǒng);總長1．9m，寬0．57m，高(型深)0．48m;主要性能參數(shù)如表1所示。置于船體內的電磁流體回收分離裝置由兩極永磁磁體(圖8)，矩形截面的分離通道(圖9)，平板型電極，油水分離箱，以及油位檢測系統(tǒng)所組成。兩極永磁磁體，采用“匯聚主磁通，減少漏磁通”的設計原則，采用軟鐵極靴聚磁和同極性磁鋼堵住漏磁的結構。磁體有效氣隙為矩形，磁極間距48mm，中心場1．0T，分離通道內平均磁場強度0．9T。平板型電極長寬比9．4，電極間距46mm;陽極采用鈦鉑復合電極，陰極為純鈦電極。油水分離箱采用陣列梳柱式阻流結構，增大阻流裝置的作用范圍，使分離通道的出流受到均勻阻力，特別是使油水分離箱的進口和出口之間流速較高的流體核心區(qū)域得以分散、流速降低，進而大大增加油水分離箱內油水分離的時間、提高油相的上浮時間和回收效率。分離箱上部的集油井采用半斗式結構，以便使集油井外下面流體中的油珠能更快更順暢地上浮至上層液面，提高油水分離效果。

5水槽油污海水處理試驗

樣機于2012年10月完成了水槽油污海水處理試驗。如圖10所示，水槽長約3m，寬1．1m，深約0．6m，由不銹鋼焊接而成，內裝NaCl溶液模擬海水。電磁流體海面浮油回收分離裝置安裝固定在船體內，分離通道進口與嵌裝在船頭的堰口連接，出口連接油水分離箱;噴管穿過船尾，口在船體外，其進口連接油水分離箱。船體漂浮在水槽內，圍油欄與船頭連接，將水槽內的海水分為油污海水區(qū)和無油海水區(qū)。圍油欄內注入一定量的柴油，模擬油污海域。先后進行了毫米級薄油層以及微米級油膜的回收分離試驗。試驗結果表明:(1)油層厚度在3mm～4mm、工作電流密度2300A/m2時，油污海水處理量為1100L/h，平均收油量(32～56)L/h。(2)油膜厚度小于1mm，甚至是微米級油膜，回收分離效果明顯;試驗過程中觀察到圍油欄內的油花逐漸變薄，呈現(xiàn)彩虹色油膜(油膜的厚度為微米級)，然后逐漸消失，處理后的海水經(jīng)檢測達到國標第四類海水標準。(3)回收油含水量很低，長時間靜置后，肉眼觀察無分層。

6結論

電磁流體海面浮油回收分離技術是一種新型的海面薄油層/油膜污染處置技術，目前已完成油污海水處理量1000L/h實驗室樣機研制和水槽油污水處理試驗。試驗研究表明，油層厚度在3mm～4mm、工作電流密度2300A/m2時，油污海水處理量為1100L/h，平均收油量(32～56)L/h;油膜厚度小于1mm，甚至是微米級油膜，回收分離效果明顯，試驗過程中觀察到彩虹油膜消失。今后將進一步改進分離通道以及油水分離箱的結構，以提高回收分離效果和回收效率，并開展適宜海洋現(xiàn)場環(huán)境的應用研究，重點解決實海況環(huán)境下，裝置高效、可靠運行的相關理論和技術問題，為該項研究的產(chǎn)業(yè)化奠定良好的技術基礎。

作者：彭燕王兆連趙凌志劉風亮單位：中國科學院電工研究所海洋能發(fā)電技術與應用研究部山東華特磁電科技股份有限公司