应用空气蒸发技术处理超稠油油田净化污水试验

2023-02-16钟良马占江窦玉明赵建华杨宇尧闫海龙苏立辉

油气田地面工程 2023年1期

钟良马占江窦玉明赵建华杨宇尧闫海龙苏立辉

新疆油田风城作业区

稠油开发采出水中含有油、固体杂质、不凝气体和可溶性盐类以及化学助剂等多种组分，普遍存在有机物种类杂、矿化度高、含油量高、成垢离子含量高等特征，水质特性主要表现为“高温度、高硬度、高含硅、高含盐”的特点[1]。新疆某稠油油田采出水经“除油—混凝沉降—除硅—二级过滤—软化除氧”处理后回用注汽锅炉。随着稠油开发逐步进入后期，采出液含水率大幅提高，仅通过回用锅炉或回注地层的手段以期达到注采平衡目标已不切实际。同时，在超稠油热采过程中，以SAGD开采为例，地面系统能耗大、余热资源利用能力低、水—热不平衡严重。一方面在各采油站相继建立了大量空气冷却器对多余废热蒸汽进行冷凝，不但耗资、耗能，且致使大量热能未得到有效利用；另一方面待处理高盐废水量逐年累积并增大，锅炉却因给水含盐制约仍需要引入大量清水做补充。

面对上述矛盾，采用高过热度锅炉，采取无盐或低盐水供给锅炉，科学控制注汽过热度，在提高超稠油开采油-汽比的同时致使采出污水大幅减量，是提升注采效率、减少外排污水的有效方法之一。正是基于超稠油热采综合效益考虑，多效蒸发技术[2]、MVR/MVC蒸发技术近年来在油田采出水处理中方才逐步得到推广应用。

鉴于上述认识，在新疆某超稠油开发油田开展了空气蒸发科研试验。利用原本利用价值甚微的采出液携带的低品质蒸汽（温度≤110 ℃），对高含硅、高含硬的净化污水进行处理，在回收部分废热的同时，低成本生产冷凝水替代清水补水供给锅炉。

1 蒸发技术对比分析

1.1 MVC蒸发技术

MVR 蒸发技术（也称蒸汽机械再压缩MVC 蒸发技术[3]）原理是利用机械式压缩机（或风机）将循环浓缩液蒸发出的二次蒸汽再压缩，该压缩过程可视同等熵压缩过程，压缩后的蒸汽得以升温。升温后的蒸汽与循环浓缩液存在一定换热温差，作为热源进入热交换室加热循环浓缩液，蒸汽放热相变成冷凝水排出。被加热的浓缩循环液经换热、吸收汽化潜热后大部分汽化，汽化出的二次蒸汽再次进入压缩机，小部分浓缩液进入排污系统。

压缩机功耗可视为等于提高蒸汽温升所需要的焓值，在常规压缩温升范围内，该部分能量仅为系统中因蒸汽升温而被利用的汽化潜热的2‰～5‰。如果在工艺设计合理的条件下，系统不需要补充蒸汽，因此在计入蒸汽费用的前提下，相比传统多效蒸发工艺，运行成本较低。新疆油田公司2013 年在风城油田开展了10 t/h MVC 蒸发的中试项目，2020 年9 月，新建国内最大的利用MVC 降膜板式蒸发工艺处理油田净化污水项目投产运行，产水量为3 500 t/d，产水率90%。

MVR 对进水有一定要求，最基本的要求是进水须为软化净化水，但可以适量含硅。该技术处理污水的主要成本由折旧和电费构成，因此该技术在电价相对低廉的地区更适合推广应用。在新疆地区，单台处理量为2 000 m3/d 时，经济性价比接近曲线最低点。

在稠油油田已有的各类污水处理工艺中，MVR 技术能最大程度地利用超稠油油田净化污水自身的显热，成为提高锅炉供水水质的最有效技术之一，可大幅度提高稠油开采油汽比。

1.2 多效蒸发技术

多效蒸发技术[4]是一种以蒸汽为热源，且蒸汽可以多次（效）重复利用的传统蒸发工艺。就某一特定效数的多效蒸发装置而言，其各单效的蒸汽利用效率随效数次序的增大而减小；多效蒸发装置的效数在一定程度上决定了蒸汽总体利用效率的高低，效数越多蒸汽利用效率越高，多效蒸发产水单位耗汽量随效数增多而减少，单位电耗随效数增多而加大。综合考虑总体效率与投资之间的关系，通常蒸汽耗量与冷凝水的比值为1∶3～1∶2.5。此外，蒸发效数越多，最终乏汽温度越低，即需要更多量的冷却水。多效蒸发的特性决定了该技术不适合于蒸汽价格较高地区以及水资源紧缺的地区。新疆油田由于水资源匮乏，加之需要冷却的废热量巨大，常规的多效蒸发无法替代MVR 蒸发工艺[5-6]。对于存在大量高品质废蒸汽且又有丰富水资源的地区，多效蒸发技术仍然有巨大的应用价值。

1.3 空气蒸发技术

空气蒸发技术是基于道尔顿分压定律，在特定工况下，通过气体的“升温增湿-降温减湿”过程，从而实现污水蒸发浓缩及冷凝水析出，原理见图1[7]。空气蒸发技术本质上是利用空气在不同温度下饱和含湿量不同的特性（图2），通过热水和空气的直接接触交换热量，气液界面两侧的分压随空气温度变化而变化，这一变化的压差是水分子向空气中运移即传质的动力。在空气蒸发过程中，空气和水之间建立起的“传热→传质”的关系沿蒸发塔竖向是一个变量，过程较为复杂[8]。虽然空气蒸发技术的基本原理、工艺流程都较为简单，但也只是近几年才在国外特定行业兴起，在国内应用更是甚少。其原因有二：一是在没有废热的情况下，空气蒸发相对于其他形式的蒸发成本要高；二是一直以来人们对空气蒸发特性认识不足，没有发现其广泛适宜于水质复杂、容易结垢、沸点温升大等特殊污水的减排处理这一优势。

图1 空气蒸发原理Fig.1 Principle of air evaporation

图2 饱和含湿量温度-含水曲线Fig.2 Saturated moisture content temperature-water content curve

目前国内空气蒸发技术主要应用于海水淡化，通过将蒸发与冷凝过程耦合，提高海水淡化工艺的整体热效率。空气从蒸发器冷端进入，盐水发生汽化，空气增湿[9-10]；然后湿热的空气进入冷凝器发生冷凝；最后去湿的空气和凝结产生的淡水排出冷凝器[11]。

1.4 蒸发工艺对比

多效蒸发、MVR、空气蒸发的各项性能指标对比如表1所示。由于影响具体性能指标的参数很多、且交织作用，因此表中只作定性说明。

从表1 对比可知：空气蒸发主要优点是投资低、电耗低，对污水适应性强，不会因沸点温升而增大投资或电耗；缺点是同样蒸发量的条件下，需要蒸汽消耗量大，乏汽冷量需求大。而在超稠油油田开发过程中，低品质蒸汽（≤110 ℃）数量巨大，且这些低品质蒸汽本身也是通过空冷系统提供的冷源进行冷却。因此，在超稠油油田利用已有的蒸汽资源与空冷设施进行空气蒸发水处理，既充分地发挥了空气蒸发的优点，又避开了空气蒸发的缺点，是一举多得的挖潜增效措施。

表1 蒸发工艺原理及适用特点对比Tab.1 Comparison of evaporation process principle and applicable characteristics

2 空气蒸发试验工艺流程

空气蒸发工艺流程如图3 所示。温度为10～25 ℃的净化污水由进料泵进入系统与循环液掺混后，再经过板式换热器与蒸汽换热升温至85～90 ℃，升温的污水进入蒸发塔上部，在蒸发塔内与底部吹入的空气进行“传热→传质”，从而实现蒸发浓缩，浓缩到设计浓度之后排出。加热蒸汽在板式换热器内与浓水换热之后凝结为冷凝水排出。与蒸发量成一定比例的干燥空气由风机从蒸发塔底部吹入，在蒸发塔内逆流而上，完成“传热→传质”之后到达塔项的湿空气温度为80～85 ℃，湿度为95%～100%。

图3 空气蒸发工艺流程Fig.3 Air evaporation process flow

高温湿空气从蒸发塔顶排出后进入喷淋冷凝塔下部，在喷淋冷凝塔中与循环冷源换热，得到冷却的湿空气经过相变之后析出冷凝水，温度为45～50 ℃、湿度为100%的湿饱和空气最终由冷凝塔塔顶排出。在工业应用中，冷凝塔排出的湿饱和空气可作为空气源循环利用。

试验中，考虑节约投资，并考虑空冷器应用在油田属于成熟技术，喷淋冷凝塔所用循环冷却水由冷水塔提供，因此空气蒸发收集到的冷凝水又通过凉水塔排出，没有进行回收。

试验中的主要计量监测仪表有空气湿度测试仪、流量计、循环水流量计、浓水外排流量计、蒸汽冷凝水流量计，进风温度计、蒸发塔和冷凝塔各部位温度及压力计，风机及各类机泵进出口压力计、蒸发塔冷凝塔液位计等。后期试验中，在蒸发塔顶部的出风管上加装了闭式空气湿度检测取样器（图4），其主要由空气体积流量计、空冷器、压力表、温度计以及量杯组成。

图4 空气湿度检测取样装置Fig.4 Air humidity detection and sampling device

3 空气蒸发设备选型

空气蒸发技术在国外已有成熟应用，通过合理的参数匹配，可实现良好的蒸发效果。影响空气蒸发量的因素很多，如塔直径、塔填料选择及有效换热高程、喷淋水温度、进气量、循环量等，上述所有因素对蒸发量的最终影响体现在蒸发塔出气温度和湿度上。在诸多影响因素中，塔直径、塔填料选型及有效换热高程称之为“不变影响因素”，装置一旦建成，这些因素对蒸发的影响即已确定。进气量、进气温度、循环量、循环温度等因素称之为“可变影响因素”，这些参数在实践过程中是可以调节匹配，以得到单位塔截面积下最大蒸发量（t/m2·h）。因此，采用空气蒸发技术处理污水在工艺设计时，每个设备的选型均至关重要。试验所用工艺中的各个设备选择参数见表2。

表2 空气蒸发试验工艺所用主要设备Tab.2 Main equipment for air evaporation test process

4 空气蒸发试验

空气蒸发试验历时2 年，共分为3 个阶段，分别选择在夏、秋、冬三季进行。夏季试验期最高温度39 ℃，冬季试验期最低温度-14 ℃。整个试验内容包括不同运行参数对蒸发效率的影响、不同进水水质（含盐量与硬度不同）对蒸发效率的影响、不同试验条件下出水水质与出水量的监测分析等三个方面的研究。

空气蒸发在油田、化工水处理应用尚处摸索阶段，目前还没有一个系统性的设计规范及标准，很多设计参数系数尚待在试验中总结归纳。为此，试验期间，项目组分别开展了环境空气温度对蒸发量的影响、蒸发塔喷淋口出水温度对蒸发量的影响、循环水沸点温升对空气蒸发的影响、风量与塔顶空气温度之间的关系、循环量与塔顶空气温度之间的关系、风量与塔顶湿度的关系、风量-循环量-喷淋温度之间的最佳匹配原则、蒸发塔与填料抗结垢堵塞试验等方面的试验研究。

在空气蒸发试验过程中，最初试验进水为锅炉排污水与高温RO膜浓水的混合水（表3），后续几个阶段的试验中分别针对MVR 浓水、未除硅高含硬的净化污水进行了蒸发试验。试验研究过程中，产水量与产水水质的变化一直作为试验的监测核心，试验研究分析数据见表4和表5。

表3 空气蒸发项目进水水质Tab.3 Influent water quality of air evaporation project mg/L

表4 产水量及能耗数据Tab.4 Water production amount and energy consumption data

表5 产水水质参数Tab.5 Water production quality parameters mg/L

通过对MVR 进水、出水以及采出液净化污水三种水进行试验，该试验装置产水指标远优于过热锅炉进水指标，目前试验所在油田过热锅炉过热段进口蒸汽矿化度约250 mg/L 左右。在最佳工况下，空气蒸发试验装置最大产冷凝水量均可达到2.5 t/h，单位蒸发塔截面积的蒸发量为1.25 t/m2·h。

通过大量的试验数据可总结出影响蒸发效率的因素由大到小排序为：喷淋出口温度、风量、循环量、进气温度、进气温度。影响单位投资成本的主要因素依次为：塔高、塔截面积、填料。影响产水单位能耗的主要因素为：风量与循环量。

通过对空气蒸发试验获得其他突破性认识包括：风机频率一定时进气温度变化对蒸发影响不大，循环水沸点温升对空气蒸发影响甚微等。此外，还总结出了在采用空气蒸发技术时的设计原则：首先优选填料、优化填料分级及蒸发塔的高径比，其次在蒸发塔尺寸和填料确定的情况下，根据蒸汽量确定最佳循环量与塔顶温度，在此基础上进一步选择合适的风量。

试验期间，除了常规性能试验，还针对一些特殊特性污水进行了试验。通过对强发泡性污水试验筛选出了抗高强度循环的消泡剂品种；通过对高含盐（≥15 000 mg/L）、高含硬（≥40 mg/L）污水试验，其出水水质、蒸发效率与采出液净化软化污水一致（含盐≤5 000 mg/L，含硬≤1 mg/L），证明了空气蒸发工艺对MVR 外排浓盐水及高含硅净化污水的适用性。