壓裂返排液處理小氣量、高濃度VOCs回收工藝研究

楊肇琰，，葛勁風，申瑩，李朋

（1.中油（新疆）石油工程有限公司，新疆克拉瑪依，834000；2.新疆油田公司呼圖壁儲氣庫作業(yè)區(qū)，新疆昌吉，831100）

VOCs（Volatile Organic Compounds）指常溫下飽和蒸汽壓大于133.32 Pa、常壓下沸點在50~260℃以下的有機化合物；或在常溫常壓下任何能揮發(fā)的有機固體或液體。油氣田生產(chǎn)過程中VOCs主要成分為烷烴、烯烴和芳烴類。VOCs大多數(shù)有毒、有惡臭。在陽光作用下，氮氧化物、碳氫化合物與氧化劑發(fā)生光化學反應，生成光化學煙霧，在大氣中形成微小粒子、PM2.5，對人類健康危害極大[1]，是導致大氣污染的重要原因之一。

油田開發(fā)和生產(chǎn)過程中，VOCs來源主要包括鉆井過程無組織廢氣排放[2]、柴油機燃燒煙氣、燃氣燃燒煙氣、火炬排放、設備泄漏、井（站）事故排放、含油污水收集和處理過程逸散[3]、常壓設備（敞口池）逸散、檢維修過程泄漏、采樣過程損失等。

隨著“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念不斷深入人心，打造綠色生態(tài)油田已刻不容緩，秉承綠色開發(fā)原則，應做到無地面污染、無油氣泄漏、無廢料垃圾。因此，在滿足生產(chǎn)需要的前提下，如何解決油田開發(fā)生產(chǎn)過程中VOCs廢氣治理問題已被提上了日程。

1 VOCs治理方法

根據(jù)VOCs產(chǎn)生原理和性質，其處理方法主要可分為過程治理和末端治理。過程治理是在生產(chǎn)全過程中，加速各生產(chǎn)單元釋放后集中處理，一般可通過工藝提升、技術改造來實現(xiàn)。末端治理是針對VOCs的化學特性，著力于VOCs廢氣治理，利用燃燒、分解、吸附[4]、吸收、膜分離[5]、冷凝、光催化等方法實現(xiàn)。結合工程實際特點以及項目所在地環(huán)境敏感區(qū)排放限制要求，選擇VOCs過程治理，采用加速釋放后集中回收工藝。國內(nèi)小氣量VOCs廢氣治理常用技術對比見表1。

表1 國內(nèi)小氣量VOCs廢氣治理常用技術對比

2 VOCs回收工藝

2.1 工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反饋，生產(chǎn)過程中VOCs主要來源為壓裂返排液降壓釋放的溶解氣，組分為油田伴生氣。為確保后端返排液存儲池VOCs達標排放，前端工藝應盡可能促進廢氣釋放。根據(jù)其物理性質，加速返排液VOCs釋放措施有負壓、氣提、升溫等。以100 m3/h壓裂返排液流量為基礎，計算各措施VOCs釋放增量。

1）負壓措施。主要是利用其真空度降低水體中VOCs溶解度，不同負壓值對應VOCs釋放量見表2。

表2 不同負壓值對應VOCs釋放量（25℃）

2）氣提措施。氣提是以站場凈化后燃料氣為氣源，通入返排液水體，破壞原氣液兩相平衡而建立的一種新平衡狀態(tài)，用以促進VOCs釋放。不同氣提氣量下VOCs凈增量模擬計算結果見表3。

表3 不同氣提氣量下VOCs凈增量模擬計算結果（常壓、25℃）

3）升溫措施。升溫是利用液體溫升而降低氣體溶解度的原理促進VOCs釋放。不同溫度對應VOCs釋放量見表4。

表4 不同溫度對應VOCs釋放量

不同措施VOCs釋放增量匯總見表5。考慮到油田生產(chǎn)過程中返排液產(chǎn)量較大（一般1 000~5 000 m3/d），若采用升溫措施能耗較高（流量100 m3/h每升溫5℃所需熱能約580 kW），不利于節(jié)能和生產(chǎn)管理。因此，加速VOCs釋放以負壓措施為主，配合氣提工藝（有氣源時），并在分離設備內(nèi)部設置跌水或攪拌等擾動措施。VOCs回收工藝流程見圖1。

圖1 VOCs回收工藝流程

表5 加速VOCs釋放措施效果匯總

轉油站三相分離器來水節(jié)流至常壓后，進入VOCs回收塔，塔頂由壓縮機抽負壓，氣量不足時由壓縮機循環(huán)回流進行補氣，確保機組穩(wěn)定生產(chǎn)；塔頂VOCs經(jīng)增壓后輸送至轉油站氣系統(tǒng)。

負壓塔預留氣提接口（轉油站有凈化燃料氣時使用），塔內(nèi)設置跌水和溢流收油內(nèi)件，溢流油品回收至原油系統(tǒng)；負壓塔設置微正壓安全閥組，防止液量波動較大時，排液不及時影響壓縮機平穩(wěn)運行。主要節(jié)點工藝參數(shù)見表6。

表6 節(jié)點工藝參數(shù)

2.2 設備選型

1）VOCs壓縮機。考慮壓縮機增壓后端壓力不高（一般≤0.4 MPa），且組分為飽和濕氣，VOCs壓縮機選型推薦采用橇裝無油濕式螺桿壓縮機，機組自帶出口分離器、空冷器、循環(huán)回流閥、變頻器等必要組件，機組采用防爆設計。

2）負壓塔。為避免常壓設備抽真空時的安全隱患，選用負壓塔作為存儲和分離設備。設備材質及結構選型應通過經(jīng)濟、技術比選綜合確定，并結合設備制造、檢維修、平穩(wěn)生產(chǎn)等因素統(tǒng)籌考慮，當返排液量不大于5 000 m3/d時，建議尺寸為φ1 m×12 m，塔內(nèi)設跌水（H≥1.5 m）和溢流收油內(nèi)件。

VOCs回收裝置一次投資及能耗見表7。

表7 投資及能耗

3 結論

采用VOCs回收工藝，既提高了資源的利用效率；又切實有效地解決了工程實際問題，為打造綠色油田奠定了基礎?；厥展に嚐o其他物料損耗，并避免了吸附工藝中對危廢的二次處理以及焚燒工藝中氮氧化物排放超標等問題。設備選型可采用橇裝化結構，模塊化布局，實現(xiàn)重復利用。整體工藝設計可實現(xiàn)全密閉流程生產(chǎn)，全過程自動控制，確保連續(xù)生產(chǎn)作業(yè)，減少員工勞動強度。