国产降膜蒸发器在加拿大油砂开发中的应用可行性研究

吴凯锋，曾树兵，李黎霞，张巍伟，赵辰

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

加拿大油砂资源丰富，市场规模巨大，且其中分散着总储量约1亿桶的边际油田（“甜点”），这些甜点储量及开采年限低，开采经济性差，在加拿大市场中难以得到有效的开发。随着油砂开发进程的推进，在油砂开发的SAGD含油污水处理工艺中，一项新技术已经逐渐在许多重油开采中得到推广应用。这项技术就是将石灰软化（WLS）+过滤（Filtration）+弱酸离子交换（WAC）的重油开采污水处理传统工艺转变为降膜蒸发压缩（MVC）技术的新工艺[1]。

受限于油砂开发成本及开发环境的影响，降膜蒸发器在油砂开发中的使用还很受限。目前在加拿大油砂SAGD开发中应用中的降膜蒸发器均是由国外公司（法国Veolia、美国GE、Aquatech、以色列IDE等等）提供的[2]，国产的降膜蒸发器尚未得到其认可和应用。

本文介绍的降膜蒸发系统，将主要针对某加拿大边际油田的油砂开发项目拟设计的小型油砂中心处理设施，通过优化工艺流程设计一套降膜蒸发器装置工艺，并通过国产样机实验验证其可行性。

1 降膜蒸发器简介

降膜蒸发器是一种高效的蒸发设备，具有温差小、滞留时间短、工作寿命长、结构紧凑、效数不受限制等优点。用来将经过除油处理的地下产出水进行处理，去除水中的溶解性固体和其他杂质，最终产出的蒸馏水达到锅炉给水的要求。

降膜蒸发系统的性能示意图如图1。降膜蒸发器进口为经过上游除油处理的含油污水，其产出的蒸馏水用于锅炉给水，产生的蒸汽重新注入地下，用于油砂开采，并最终以油水混合的形式返回到地面，其排出的浓盐水将会送给第三方进行进一步的处理。

图1 降膜蒸发器性能示意图

2 针对加拿大某项目的降膜蒸发器主要设计工艺原理

根据加拿大某项目要求，满足其小型化处理厂处理要求，考虑国内运输到加拿大，需满足运输尺寸限制，设计了一套双效MVR（蒸汽机械再压缩）竖管降膜蒸发系统，原理示意图见图2：

图2 降膜蒸发器原理示意图

主要工艺流程说明：除油污水在经过脱气塔后进入1效蒸发器，蒸发的蒸馏水输出，1效二次蒸汽进入2效蒸发器进行加热，其余污水进入2效蒸发器进行二次蒸发，蒸发的蒸馏水输出，2效二次蒸汽经过MVR压缩机压缩后输入1效蒸发器进行利用，蒸发后的浓盐水外排储存，进行后续处理。

图3 降膜蒸发器3D模型图

3 国产化降膜蒸发器加拿大应用主要技术要求

国产降膜蒸发器的设计、材料、制造以及所有的设备、系统检验等环节只有都满足相关加拿大工业标准、安全规则和CSA B51要求，才能正常在加拿大油砂项目中运行使用[3]。主要关注点：

1）降膜蒸发器中所有压力部件需要能够在ABSA（Alberta Boilers Safety Association）注册，并获得相应的CRN（Canadian Registration Number）码；

2）特别是压力容器和换热器应按照ASME Sec Ⅷ Div1标准设计，图纸设计完成后需要有加拿大注册资质的工程师进行预审和签字盖章；

3）所有需要ASME盖章的设备必须在National Board Boiler注册。压力容器必须被National Board Boiler认可的检查员进行检查，且应能够在ABSA注册。

4）所有使用的电气设备必须带有被加拿大标准委员会（Standard Council of Canada）认可的相关组织颁发的证书或检测标识。

本文主要针对设计涉及压力容器和电气设备的降膜蒸发器，若有详细需求，则需详细查询其他相关工作标准。

4 降膜蒸发器原理样机实验验证

为验证优化设计的降膜蒸发器对稠油含油污水处理的可行性，我们专门选择国产厂家试制降膜蒸发器原理样机，见图5，验证其系统性能及系统处理后的出水是否达到设计指标要求。

图4 预实验结垢情况

图5 试制原理样机图

在正式实验之前，使用配置盐水进行了一次系统运行预实验。通过预实验发现样机系统设计浓缩性能达到要求（浓缩30倍），同时在试验后，发现设备内有结垢产生。

为使实验用废水更贴合实际油砂开发产生的含油污水工况，专门购置了某油田产出的含油污水，对含油污水成分进行化验，经加水稀释，再在稀释水中添加SiO2,Ca2+,Mg2+，NaCL等离子成分，使实验用水贴合样机系统设计进水的水质要求。配置调整后进行实验验证，同时在配置水中加入阻垢剂、消泡剂、碱液等，调整期PH值，预防结垢的生成，如图6。

图6 配置完成后含油污水

根据设计，验证此工艺的可行性，其实验出蒸馏水的关键控制指标如下表1：

表1 关键指标

样机试验运行约50小时，根据现场流量计观测，含油污水浓缩倍数超过30倍，样机运行实时监测界面如图7：

图7 监测显示界面

实验过程中，间隔一定时间，对蒸馏水进行取样，并将水样交由专门检测机构协助进行水质分析，从而验证样机处理性能是否符合要求。

图8 现场取样检监测

检测机构对水样检测结果如下表2：

检测结果水样编号矿化度TDS，mg/L悬浮物含量，mg/L 油含量，mg/L实验指标 ≤18 ≤1 ≤1水样1 4.86 0 0水样2 5.13 0 0水样3 6.21 0 0水样4 3.77 0 0水样5 6.07 0 1水样6 4.95 0 0水样7 3.8 0 0水样8 4.21 0 0水样9 6.52 0 0水样10 4.73 0 0水样11 6.01 0 0水样12 4.38 0 0水样13 6.19 1 1

实验结果分析：

1）蒸发器出水TDS与测试时间对应关系

从以上趋势图可知，整个测试周期中，冷凝水TDS基本维持在3-7之间，呈周期波动状，经分析主要是因为蒸发器液位波动导致蒸发时汽液分离空间变化，从而导致冷凝水TDS有所波动，但此波动范围完全满足出水TDS＜18mg/L的实验目标要求，实验结果仍符合指标要求。

2）蒸发器出水悬浮物含量

根据蒸发器出水化验结果，蒸发器出水中的悬浮物大部分为0，有1个水样为1mg/L,且都满足出水悬浮物≤1mg/L的实验目标要求，实验结果完全符合要求。

3）蒸发器出水油含量

根据蒸发器出水化验结果，蒸发器出水中的油含量大部分为0，有2个水样为1mg/L, 且都满足出水油含量≤1mg/L的实验目标要求，实验结果完全符合要求。

停止实验后，设备用清水清洗完成，观察蒸发器内部，发现在液体冲刷面金属壁比较干净，液体滞留区出现了一些结垢，结垢情况较预运行试验有了明显的改善。总体结垢情况在可接受范围，选用的阻垢方法也起到了明显的效果。

综上所述，设计的降膜蒸发器样机的处理效果达到了对含油污水处理再利用的设计要求，同时也通过原理样机实验证明了国产降膜蒸发器应用于油砂开发含油污水的技术性能可行性。

后续将根据研究进展，进一步考虑现场验证的工作计划，同时要想将国产降膜蒸发器应用于加拿大油砂开发，则需要进一步深入探讨其在加拿大的认证和注册等工作要求。

5 降膜蒸发器在油砂开发中的应用前景

基于目前油砂开发的成本居高不下的窘境，以及加拿大油砂储量高，但油砂“甜点”分散的现状。怎样能够设计开发一套国产化、可移动、可多次利用、且建造成本合理的油砂开采处理设施将是一种受到关注的视角。降膜蒸发器作为油砂开采过程中的重要设备之一，其国产化应用将会对降低油砂开发成本起到重要的作用，加拿大某项目的优化设计及国产烟机试制研究为油砂低成本开发做出了一次开拓性的尝试。