應(yīng)用空氣蒸發(fā)技術(shù)處理超稠油油田凈化污水試驗(yàn)

鐘良 馬占江 竇玉明 趙建華 楊宇堯 閆海龍 蘇立輝

新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)

稠油開發(fā)采出水中含有油、固體雜質(zhì)、不凝氣體和可溶性鹽類以及化學(xué)助劑等多種組分，普遍存在有機(jī)物種類雜、礦化度高、含油量高、成垢離子含量高等特征，水質(zhì)特性主要表現(xiàn)為“高溫度、高硬度、高含硅、高含鹽”的特點(diǎn)[1]。新疆某稠油油田采出水經(jīng)“除油—混凝沉降—除硅—二級(jí)過濾—軟化除氧”處理后回用注汽鍋爐。隨著稠油開發(fā)逐步進(jìn)入后期，采出液含水率大幅提高，僅通過回用鍋爐或回注地層的手段以期達(dá)到注采平衡目標(biāo)已不切實(shí)際。同時(shí)，在超稠油熱采過程中，以SAGD開采為例，地面系統(tǒng)能耗大、余熱資源利用能力低、水—熱不平衡嚴(yán)重。一方面在各采油站相繼建立了大量空氣冷卻器對多余廢熱蒸汽進(jìn)行冷凝，不但耗資、耗能，且致使大量熱能未得到有效利用；另一方面待處理高鹽廢水量逐年累積并增大，鍋爐卻因給水含鹽制約仍需要引入大量清水做補(bǔ)充。

面對上述矛盾，采用高過熱度鍋爐，采取無鹽或低鹽水供給鍋爐，科學(xué)控制注汽過熱度，在提高超稠油開采油-汽比的同時(shí)致使采出污水大幅減量，是提升注采效率、減少外排污水的有效方法之一。正是基于超稠油熱采綜合效益考慮，多效蒸發(fā)技術(shù)[2]、MVR/MVC蒸發(fā)技術(shù)近年來在油田采出水處理中方才逐步得到推廣應(yīng)用。

鑒于上述認(rèn)識(shí)，在新疆某超稠油開發(fā)油田開展了空氣蒸發(fā)科研試驗(yàn)。利用原本利用價(jià)值甚微的采出液攜帶的低品質(zhì)蒸汽（溫度≤110 ℃），對高含硅、高含硬的凈化污水進(jìn)行處理，在回收部分廢熱的同時(shí)，低成本生產(chǎn)冷凝水替代清水補(bǔ)水供給鍋爐。

1 蒸發(fā)技術(shù)對比分析

1.1 MVC蒸發(fā)技術(shù)

MVR 蒸發(fā)技術(shù)（也稱蒸汽機(jī)械再壓縮MVC 蒸發(fā)技術(shù)[3]）原理是利用機(jī)械式壓縮機(jī)（或風(fēng)機(jī)）將循環(huán)濃縮液蒸發(fā)出的二次蒸汽再壓縮，該壓縮過程可視同等熵壓縮過程，壓縮后的蒸汽得以升溫。升溫后的蒸汽與循環(huán)濃縮液存在一定換熱溫差，作為熱源進(jìn)入熱交換室加熱循環(huán)濃縮液，蒸汽放熱相變成冷凝水排出。被加熱的濃縮循環(huán)液經(jīng)換熱、吸收汽化潛熱后大部分汽化，汽化出的二次蒸汽再次進(jìn)入壓縮機(jī)，小部分濃縮液進(jìn)入排污系統(tǒng)。

壓縮機(jī)功耗可視為等于提高蒸汽溫升所需要的焓值，在常規(guī)壓縮溫升范圍內(nèi)，該部分能量僅為系統(tǒng)中因蒸汽升溫而被利用的汽化潛熱的2‰～5‰。如果在工藝設(shè)計(jì)合理的條件下，系統(tǒng)不需要補(bǔ)充蒸汽，因此在計(jì)入蒸汽費(fèi)用的前提下，相比傳統(tǒng)多效蒸發(fā)工藝，運(yùn)行成本較低。新疆油田公司2013 年在風(fēng)城油田開展了10 t/h MVC 蒸發(fā)的中試項(xiàng)目，2020 年9 月，新建國內(nèi)最大的利用MVC 降膜板式蒸發(fā)工藝處理油田凈化污水項(xiàng)目投產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)水量為3 500 t/d，產(chǎn)水率90%。

MVR 對進(jìn)水有一定要求，最基本的要求是進(jìn)水須為軟化凈化水，但可以適量含硅。該技術(shù)處理污水的主要成本由折舊和電費(fèi)構(gòu)成，因此該技術(shù)在電價(jià)相對低廉的地區(qū)更適合推廣應(yīng)用。在新疆地區(qū)，單臺(tái)處理量為2 000 m3/d 時(shí)，經(jīng)濟(jì)性價(jià)比接近曲線最低點(diǎn)。

在稠油油田已有的各類污水處理工藝中，MVR 技術(shù)能最大程度地利用超稠油油田凈化污水自身的顯熱，成為提高鍋爐供水水質(zhì)的最有效技術(shù)之一，可大幅度提高稠油開采油汽比。

1.2 多效蒸發(fā)技術(shù)

多效蒸發(fā)技術(shù)[4]是一種以蒸汽為熱源，且蒸汽可以多次（效）重復(fù)利用的傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝。就某一特定效數(shù)的多效蒸發(fā)裝置而言，其各單效的蒸汽利用效率隨效數(shù)次序的增大而減??；多效蒸發(fā)裝置的效數(shù)在一定程度上決定了蒸汽總體利用效率的高低，效數(shù)越多蒸汽利用效率越高，多效蒸發(fā)產(chǎn)水單位耗汽量隨效數(shù)增多而減少，單位電耗隨效數(shù)增多而加大。綜合考慮總體效率與投資之間的關(guān)系，通常蒸汽耗量與冷凝水的比值為1∶3～1∶2.5。此外，蒸發(fā)效數(shù)越多，最終乏汽溫度越低，即需要更多量的冷卻水。多效蒸發(fā)的特性決定了該技術(shù)不適合于蒸汽價(jià)格較高地區(qū)以及水資源緊缺的地區(qū)。新疆油田由于水資源匱乏，加之需要冷卻的廢熱量巨大，常規(guī)的多效蒸發(fā)無法替代MVR 蒸發(fā)工藝[5-6]。對于存在大量高品質(zhì)廢蒸汽且又有豐富水資源的地區(qū)，多效蒸發(fā)技術(shù)仍然有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

1.3 空氣蒸發(fā)技術(shù)

空氣蒸發(fā)技術(shù)是基于道爾頓分壓定律，在特定工況下，通過氣體的“升溫增濕-降溫減濕”過程，從而實(shí)現(xiàn)污水蒸發(fā)濃縮及冷凝水析出，原理見圖1[7]。空氣蒸發(fā)技術(shù)本質(zhì)上是利用空氣在不同溫度下飽和含濕量不同的特性（圖2），通過熱水和空氣的直接接觸交換熱量，氣液界面兩側(cè)的分壓隨空氣溫度變化而變化，這一變化的壓差是水分子向空氣中運(yùn)移即傳質(zhì)的動(dòng)力。在空氣蒸發(fā)過程中，空氣和水之間建立起的“傳熱→傳質(zhì)”的關(guān)系沿蒸發(fā)塔豎向是一個(gè)變量，過程較為復(fù)雜[8]。雖然空氣蒸發(fā)技術(shù)的基本原理、工藝流程都較為簡單，但也只是近幾年才在國外特定行業(yè)興起，在國內(nèi)應(yīng)用更是甚少。其原因有二：一是在沒有廢熱的情況下，空氣蒸發(fā)相對于其他形式的蒸發(fā)成本要高；二是一直以來人們對空氣蒸發(fā)特性認(rèn)識(shí)不足，沒有發(fā)現(xiàn)其廣泛適宜于水質(zhì)復(fù)雜、容易結(jié)垢、沸點(diǎn)溫升大等特殊污水的減排處理這一優(yōu)勢。

圖1 空氣蒸發(fā)原理Fig.1 Principle of air evaporation

圖2 飽和含濕量溫度-含水曲線Fig.2 Saturated moisture content temperature-water content curve

目前國內(nèi)空氣蒸發(fā)技術(shù)主要應(yīng)用于海水淡化，通過將蒸發(fā)與冷凝過程耦合，提高海水淡化工藝的整體熱效率。空氣從蒸發(fā)器冷端進(jìn)入，鹽水發(fā)生汽化，空氣增濕[9-10]；然后濕熱的空氣進(jìn)入冷凝器發(fā)生冷凝；最后去濕的空氣和凝結(jié)產(chǎn)生的淡水排出冷凝器[11]。

1.4 蒸發(fā)工藝對比

多效蒸發(fā)、MVR、空氣蒸發(fā)的各項(xiàng)性能指標(biāo)對比如表1所示。由于影響具體性能指標(biāo)的參數(shù)很多、且交織作用，因此表中只作定性說明。

從表1 對比可知：空氣蒸發(fā)主要優(yōu)點(diǎn)是投資低、電耗低，對污水適應(yīng)性強(qiáng)，不會(huì)因沸點(diǎn)溫升而增大投資或電耗；缺點(diǎn)是同樣蒸發(fā)量的條件下，需要蒸汽消耗量大，乏汽冷量需求大。而在超稠油油田開發(fā)過程中，低品質(zhì)蒸汽（≤110 ℃）數(shù)量巨大，且這些低品質(zhì)蒸汽本身也是通過空冷系統(tǒng)提供的冷源進(jìn)行冷卻。因此，在超稠油油田利用已有的蒸汽資源與空冷設(shè)施進(jìn)行空氣蒸發(fā)水處理，既充分地發(fā)揮了空氣蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，又避開了空氣蒸發(fā)的缺點(diǎn)，是一舉多得的挖潛增效措施。

表1 蒸發(fā)工藝原理及適用特點(diǎn)對比Tab.1 Comparison of evaporation process principle and applicable characteristics

2 空氣蒸發(fā)試驗(yàn)工藝流程

空氣蒸發(fā)工藝流程如圖3 所示。溫度為10～25 ℃的凈化污水由進(jìn)料泵進(jìn)入系統(tǒng)與循環(huán)液摻混后，再經(jīng)過板式換熱器與蒸汽換熱升溫至85～90 ℃，升溫的污水進(jìn)入蒸發(fā)塔上部，在蒸發(fā)塔內(nèi)與底部吹入的空氣進(jìn)行“傳熱→傳質(zhì)”，從而實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)濃縮，濃縮到設(shè)計(jì)濃度之后排出。加熱蒸汽在板式換熱器內(nèi)與濃水換熱之后凝結(jié)為冷凝水排出。與蒸發(fā)量成一定比例的干燥空氣由風(fēng)機(jī)從蒸發(fā)塔底部吹入，在蒸發(fā)塔內(nèi)逆流而上，完成“傳熱→傳質(zhì)”之后到達(dá)塔項(xiàng)的濕空氣溫度為80～85 ℃，濕度為95%～100%。

圖3 空氣蒸發(fā)工藝流程Fig.3 Air evaporation process flow

高溫濕空氣從蒸發(fā)塔頂排出后進(jìn)入噴淋冷凝塔下部，在噴淋冷凝塔中與循環(huán)冷源換熱，得到冷卻的濕空氣經(jīng)過相變之后析出冷凝水，溫度為45～50 ℃、濕度為100%的濕飽和空氣最終由冷凝塔塔頂排出。在工業(yè)應(yīng)用中，冷凝塔排出的濕飽和空氣可作為空氣源循環(huán)利用。

試驗(yàn)中，考慮節(jié)約投資，并考慮空冷器應(yīng)用在油田屬于成熟技術(shù)，噴淋冷凝塔所用循環(huán)冷卻水由冷水塔提供，因此空氣蒸發(fā)收集到的冷凝水又通過涼水塔排出，沒有進(jìn)行回收。

試驗(yàn)中的主要計(jì)量監(jiān)測儀表有空氣濕度測試儀、流量計(jì)、循環(huán)水流量計(jì)、濃水外排流量計(jì)、蒸汽冷凝水流量計(jì)，進(jìn)風(fēng)溫度計(jì)、蒸發(fā)塔和冷凝塔各部位溫度及壓力計(jì)，風(fēng)機(jī)及各類機(jī)泵進(jìn)出口壓力計(jì)、蒸發(fā)塔冷凝塔液位計(jì)等。后期試驗(yàn)中，在蒸發(fā)塔頂部的出風(fēng)管上加裝了閉式空氣濕度檢測取樣器（圖4），其主要由空氣體積流量計(jì)、空冷器、壓力表、溫度計(jì)以及量杯組成。

圖4 空氣濕度檢測取樣裝置Fig.4 Air humidity detection and sampling device

3 空氣蒸發(fā)設(shè)備選型

空氣蒸發(fā)技術(shù)在國外已有成熟應(yīng)用，通過合理的參數(shù)匹配，可實(shí)現(xiàn)良好的蒸發(fā)效果。影響空氣蒸發(fā)量的因素很多，如塔直徑、塔填料選擇及有效換熱高程、噴淋水溫度、進(jìn)氣量、循環(huán)量等，上述所有因素對蒸發(fā)量的最終影響體現(xiàn)在蒸發(fā)塔出氣溫度和濕度上。在諸多影響因素中，塔直徑、塔填料選型及有效換熱高程稱之為“不變影響因素”，裝置一旦建成，這些因素對蒸發(fā)的影響即已確定。進(jìn)氣量、進(jìn)氣溫度、循環(huán)量、循環(huán)溫度等因素稱之為“可變影響因素”，這些參數(shù)在實(shí)踐過程中是可以調(diào)節(jié)匹配，以得到單位塔截面積下最大蒸發(fā)量（t/m2·h）。因此，采用空氣蒸發(fā)技術(shù)處理污水在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)設(shè)備的選型均至關(guān)重要。試驗(yàn)所用工藝中的各個(gè)設(shè)備選擇參數(shù)見表2。

表2 空氣蒸發(fā)試驗(yàn)工藝所用主要設(shè)備Tab.2 Main equipment for air evaporation test process

4 空氣蒸發(fā)試驗(yàn)

空氣蒸發(fā)試驗(yàn)歷時(shí)2 年，共分為3 個(gè)階段，分別選擇在夏、秋、冬三季進(jìn)行。夏季試驗(yàn)期最高溫度39 ℃，冬季試驗(yàn)期最低溫度-14 ℃。整個(gè)試驗(yàn)內(nèi)容包括不同運(yùn)行參數(shù)對蒸發(fā)效率的影響、不同進(jìn)水水質(zhì)（含鹽量與硬度不同）對蒸發(fā)效率的影響、不同試驗(yàn)條件下出水水質(zhì)與出水量的監(jiān)測分析等三個(gè)方面的研究。

空氣蒸發(fā)在油田、化工水處理應(yīng)用尚處摸索階段，目前還沒有一個(gè)系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，很多設(shè)計(jì)參數(shù)系數(shù)尚待在試驗(yàn)中總結(jié)歸納。為此，試驗(yàn)期間，項(xiàng)目組分別開展了環(huán)境空氣溫度對蒸發(fā)量的影響、蒸發(fā)塔噴淋口出水溫度對蒸發(fā)量的影響、循環(huán)水沸點(diǎn)溫升對空氣蒸發(fā)的影響、風(fēng)量與塔頂空氣溫度之間的關(guān)系、循環(huán)量與塔頂空氣溫度之間的關(guān)系、風(fēng)量與塔頂濕度的關(guān)系、風(fēng)量-循環(huán)量-噴淋溫度之間的最佳匹配原則、蒸發(fā)塔與填料抗結(jié)垢堵塞試驗(yàn)等方面的試驗(yàn)研究。

在空氣蒸發(fā)試驗(yàn)過程中，最初試驗(yàn)進(jìn)水為鍋爐排污水與高溫RO膜濃水的混合水（表3），后續(xù)幾個(gè)階段的試驗(yàn)中分別針對MVR 濃水、未除硅高含硬的凈化污水進(jìn)行了蒸發(fā)試驗(yàn)。試驗(yàn)研究過程中，產(chǎn)水量與產(chǎn)水水質(zhì)的變化一直作為試驗(yàn)的監(jiān)測核心，試驗(yàn)研究分析數(shù)據(jù)見表4和表5。

表3 空氣蒸發(fā)項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)Tab.3 Influent water quality of air evaporation project mg/L

表4 產(chǎn)水量及能耗數(shù)據(jù)Tab.4 Water production amount and energy consumption data

表5 產(chǎn)水水質(zhì)參數(shù)Tab.5 Water production quality parameters mg/L

通過對MVR 進(jìn)水、出水以及采出液凈化污水三種水進(jìn)行試驗(yàn)，該試驗(yàn)裝置產(chǎn)水指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于過熱鍋爐進(jìn)水指標(biāo)，目前試驗(yàn)所在油田過熱鍋爐過熱段進(jìn)口蒸汽礦化度約250 mg/L 左右。在最佳工況下，空氣蒸發(fā)試驗(yàn)裝置最大產(chǎn)冷凝水量均可達(dá)到2.5 t/h，單位蒸發(fā)塔截面積的蒸發(fā)量為1.25 t/m2·h。

通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可總結(jié)出影響蒸發(fā)效率的因素由大到小排序?yàn)椋簢娏艹隹跍囟?、風(fēng)量、循環(huán)量、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣溫度。影響單位投資成本的主要因素依次為：塔高、塔截面積、填料。影響產(chǎn)水單位能耗的主要因素為：風(fēng)量與循環(huán)量。

通過對空氣蒸發(fā)試驗(yàn)獲得其他突破性認(rèn)識(shí)包括：風(fēng)機(jī)頻率一定時(shí)進(jìn)氣溫度變化對蒸發(fā)影響不大，循環(huán)水沸點(diǎn)溫升對空氣蒸發(fā)影響甚微等。此外，還總結(jié)出了在采用空氣蒸發(fā)技術(shù)時(shí)的設(shè)計(jì)原則：首先優(yōu)選填料、優(yōu)化填料分級(jí)及蒸發(fā)塔的高徑比，其次在蒸發(fā)塔尺寸和填料確定的情況下，根據(jù)蒸汽量確定最佳循環(huán)量與塔頂溫度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步選擇合適的風(fēng)量。

試驗(yàn)期間，除了常規(guī)性能試驗(yàn)，還針對一些特殊特性污水進(jìn)行了試驗(yàn)。通過對強(qiáng)發(fā)泡性污水試驗(yàn)篩選出了抗高強(qiáng)度循環(huán)的消泡劑品種；通過對高含鹽（≥15 000 mg/L）、高含硬（≥40 mg/L）污水試驗(yàn)，其出水水質(zhì)、蒸發(fā)效率與采出液凈化軟化污水一致（含鹽≤5 000 mg/L，含硬≤1 mg/L），證明了空氣蒸發(fā)工藝對MVR 外排濃鹽水及高含硅凈化污水的適用性。

5 結(jié)論

（1）通過空氣蒸發(fā)在油田的系統(tǒng)性試驗(yàn)研究，證明了充分利用超稠油油田低品質(zhì)廢熱量大的特點(diǎn)，應(yīng)用空氣蒸發(fā)技術(shù)處理超稠油油田凈化污水，技術(shù)可行且具有較高的性價(jià)比。其投資約為MVR的30%左右，單位電耗為多效蒸發(fā)的33%～50%。

（2）面對處理量等運(yùn)行參數(shù)變化時(shí)，空氣蒸發(fā)具有操作彈性大、對進(jìn)水物料濃度及物料成分變化適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。且空氣蒸發(fā)基本不受沸點(diǎn)溫升影響，能夠以相對低的成本處理濃鹽水。單套裝置規(guī)?？纱罂尚。m合熱能分布較分散的工況下應(yīng)用。

（3）工程應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先優(yōu)選填料、優(yōu)化填料分級(jí)及蒸發(fā)塔的高徑比；其次在蒸發(fā)塔尺寸和填料確定的情況下，根據(jù)蒸汽量確定最佳循環(huán)量與塔頂溫度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步選擇合適的風(fēng)量。

（4）在進(jìn)行空氣蒸發(fā)可行性研究或經(jīng)濟(jì)性評估時(shí)，建議汽水采出比按1∶0.95、電耗按6 kWh/t考慮；其他相關(guān)參數(shù)推薦如下：循環(huán)倍數(shù)40 左右，蒸發(fā)塔高徑比3～8，填料以親水性改性PC 材料最佳。