高含盐气田采出水雾化蒸发减量现场试验

唐志伟

(中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引言

随着常规、非常规气田的大规模开发，由此产生了大量的气田采出水。气田采出水中含有二氧化硅、油、悬浮物和可溶性盐类等，因环保要求无法直接排放，一般对其进行回用处理，针对工业浓盐水处理工艺主要为膜法和热蒸馏法[1-2]。膜法脱盐具有效率高、能耗低的优点，但是对除油、悬浮物、钙镁等预处理效果要求较高；热蒸馏法最成熟、应用最广，但存在能耗高、腐蚀结垢严重等问题，因此提出雾化蒸发减量方法以减少热蒸馏法的处理水量，从而降低生产总成本[3-6]。

1 试验装置

雾化是利用动能将液体转变为小液滴的过程，以便小液滴与空气快速混合并蒸发[7-8]。综合分析现有技术的优缺点，探索将雾化蒸发应用于高含盐气田采出水减量处理。为了更好地设计计算蒸发装置的结构、工艺参数，需要掌握不同温度、风速、进液量、液滴直径、喷嘴结构条件下高含盐采出水液滴运动、雾化和盐分析出规律，分析雾化蒸发减量的可行性和主要影响因素，因此在某气田现场搭建小试试验装置开展试验[9-11]。

雾化蒸发试验装置结构示意图如图1所示，其设计思路和工作原理为：装置将采出水通过泵加压输送至空气雾化喷嘴，同时利用空气压缩机将空气输送至空气雾化喷嘴，采出水和空气两相在空气雾化喷嘴处混合，采出水雾化至50～100 μm的液滴，同时装置通过负压风机将装置外部空气吸入装置内部，空气与装置内部的雾团进行热量交换，将部分采出水雾团蒸发，最后装置将剩余未蒸发的采出水进行收集和计量。装置的其他功能为采出水温度、压力测量与控制，空气温度、湿度、风速测量与控制。

图1 雾化蒸发试验装置结构示意图

雾化蒸发试验装置主要装备部件为蒸发装置主体、采出水雾化装置、采出水温度控制装置、空气温度风量控制装置等。主体之外配备阀门、液体流量计、采出水泵和空压装置等。装置设计能力为采出水雾化能力30 L/h；空压机供气压力0.8 MPa、流量200 L/min；采出水泵供水压力为0.55 MPa、流量156 L/h。

装置核心部件空气雾化喷头的安装流程示意图如图2所示。空气从气体管路进入，依次经过空气开关阀、空气过滤器、空气调节器、压力表到达空气雾化喷嘴，试验水样从液体管路进入，依次经过液体开关阀、液体过滤器、液压调节器、压力表到达空气雾化喷嘴，空气和试验水样在空气雾化喷嘴处汇合，通过喷嘴的结构将连续液体雾化成液滴，可以通过调节、更换喷嘴得到所需直径的液滴。

图2 雾化喷嘴安装示意图

图3 为雾化蒸发试验装置实物图(3 m×3 m×4 m)，左上方和左侧分别布置负压引风机，右侧为门，打开敞口后，便于空气从右侧进入雾化蒸发器，与雾化喷头排出的液滴充分接触，实现换热蒸发，通过推拉窗户可以观看其雾化情况与液雾运动情况。没有完成蒸发的液滴落地后，通过向右的流水斜坡进入埋地水桶，实现测量，通过体积差值比例得到蒸发效率。

图3 雾化蒸发试验装置实物图

2 试验方案

(1)检测方法

蒸发速率：体积差；流场：烟痕法；水样：自来水+盐+葡萄糖(模拟COD)；装置内外定点温湿度：TSI多功能检测仪；雾滴直径：水敏纸法+显微镜。

(2)对不同运行参数进行试验

主要对不同的雾化液滴直径以及不同的风速进行试验，雾化液滴直径为50、100、150、200、300 μm，风速为0.4、0.6、0.8 m/s。

(3)对不同天气环境进行试验

气温：21～32 ℃；湿度：25%～81.5%；水温：30、40、50 ℃。

3 现场试验结果与认识

(1)对运行条件的认识

水温：蒸发所需的水温要求并不苛刻，不需要较高的水温就可以达到较好的蒸发效果。当水温在20～40 ℃范围内提升时，水温每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸发率提升10%，这是因为水温的提高给液滴提供了更多的热能，加快了分子热运动，有利于实现汽化过程，因此可以利用工业余热适当提高水温，为蒸发创造更有利的条件。

盐度：试验用水为自来水+盐+葡萄糖配制的模拟COD水样，考虑不同盐度对蒸发效果的影响，试验结果表明，当盐度从0 mg/L增加到7×104mg/L的过程中，不同工况下蒸发效果普遍变差，蒸发率下降约10%，同时也可以看出，即使盐度达到7×104mg/L的高值，蒸发率下降10%的幅度并不十分明显，完全可以通过提高空气温度、降低空气湿度、提高水温等措施弥补、改善总体的蒸发效果。

雾化液滴直径：当雾化液滴直径在150 μm以下时比直径处于200～300 μm的蒸发量提高30%，即相同时间内可以增加30%的蒸发量，因此获得最佳的雾化液滴直径范围为100～150 μm。

(2)获得防污染参数

图4为试验时现场的雾化蒸发效果图，试验用水经过充分雾化后，在引风机的作用下，比较均匀地分布在雾化蒸发器中，为液雾的充分蒸发打下基础。图5为引风机出口图，肉眼未见到明显的白色液雾被抽吸出雾化蒸发试验装置。

图4 雾化蒸发效果图

图5 引风机出口图

在不同空气温度、空气湿度、雾化液滴直径、水温的试验中，引风机出口气体中的VOCs含量都接近天然本底值，说明蒸发效果较好，也验证了装置在防雾滴漂移上的有效性，兼顾蒸发率和防雾滴漂移的最佳雾化液滴直径为100～150 μm，风速≤0.4 m/s。

(3)制作蒸发效果关系图版

图6为试验装置蒸发效果与空气温度、湿度的关系图版。从试验结果可知，当空气温度＞20 ℃、空气湿度在0～42%时，蒸发率＞88%；当环境温度＞20 ℃、空气湿度在0～81.5%时，蒸发率＞64%。也就是说，即使空气湿度处于较高水平，所设计搭建的雾化蒸发装置结构也可以为雾化液滴提供很好的流动效果，使其产生＞64%的蒸发效果，即减量效果＞64%，蒸发减量效果非常明显。

图6 试验装置蒸发效果关系图版

当冬天空气温度较低时(＜20 ℃)，为确保装置连续运行，可以通过换热器利用工业余热将空气升温至30～40 ℃进入雾化蒸发器中，以确保蒸发效果。

4 结论

本文搭建雾化蒸发试验装置，研究不同试验条件对蒸发效果的影响，结果表明水温每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸发效果提升10%；盐度从0 mg/L增加到7×104mg/L时，蒸发效果降低10%；雾化液滴直径在150 μm以下比200～300 μm范围蒸发量增加30%。验证了装置在防雾滴漂移上的有效性，兼顾蒸发率和防雾滴漂移的最佳直径为100～150 μm，最佳风速≤0.4 m/s。