王愛(ài)軍，周京都，賈彬彬，武文靜

(新疆石油工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆克拉瑪依834000)

摘要：采用單級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮+強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝處理循環(huán)流化床鍋爐排污水，產(chǎn)出的冷凝水礦化度＜50 mg/L，二氧化硅＜7 mg/L，回收水率達(dá)95%，水處理成本為18.36 元/m³。工業(yè)化試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝的應(yīng)用可使循環(huán)流化床鍋爐排污水實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，處理過(guò)程提取固體氯化鈉鹽后，可避免稠油生產(chǎn)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)結(jié)垢，并消除鹽在系統(tǒng)中循環(huán)累積的“鹽害”。

新疆油田超稠油采用SAGD開(kāi)采后，為降低開(kāi)發(fā)成本，研發(fā)了能部分摻加60%凈化采出水的循環(huán)流化床汽包鍋爐；該鍋爐利用了新疆低廉煤，特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可將60%凈化采出水與40%清水轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)蒸汽(混合后的水礦化度為2 000 mg/L左右)；該鍋爐排污量為進(jìn)水的10%，礦化度為2.0×10⁴ mg/L左右，溫度為95 ℃。此部分高溫水如直接排放會(huì)造成熱能浪費(fèi)，且可使土壤鹽漬化及水體富營(yíng)養(yǎng)化。另外由于高干度蒸汽的大量注入，超稠油采出液中的礦化度及二氧化硅含量逐漸增高，系統(tǒng)結(jié)垢嚴(yán)重，已極大影響油田生產(chǎn)，需要將鹽從系統(tǒng)提出。蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)(MVR技術(shù))目前已廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外海水淡化、制鹽及工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域，基于實(shí)際情況將該技術(shù)應(yīng)用于超稠油開(kāi)采系統(tǒng)的循環(huán)流化床鍋爐排濃鹽水的處理，取得了較好的效果。

1 水質(zhì)特性與工藝流程

1.1 循環(huán)流化床鍋爐排放高含鹽水水質(zhì)

對(duì)循環(huán)流化床鍋爐排放的高含鹽水進(jìn)行了3個(gè)輪次的取樣分析，水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出,循環(huán)流化床鍋爐排放的高含鹽水屬重碳酸鈉水型，腐蝕性較強(qiáng)，有一定結(jié)垢趨勢(shì)。

表1 水質(zhì)全分析

1.2 高含鹽水溶液的沸點(diǎn)溫升

溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為溶液的沸點(diǎn)溫升，沸點(diǎn)溫升是用于確定裝置蒸發(fā)溫度的重要數(shù)據(jù)。根據(jù)燃煤鍋爐進(jìn)水水質(zhì)全分析結(jié)果配置得到各種濃度飽和溶液的水樣，常壓下測(cè)定不同飽和溶液的沸點(diǎn)溫升、溶液的含鹽量，得出燃煤注汽鍋爐排放的高含鹽水的沸點(diǎn)升高為5.5 ℃。

1.3 工藝流程

經(jīng)分析后確定采用單級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮+強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶工藝處理油田循環(huán)流化床鍋爐排濃鹽水。設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)水規(guī)模為240 m³/d，處理能力為10 m³/h，總投資為2 970萬(wàn)元，主要設(shè)備除壓縮機(jī)為GE公司外，其余全為國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

進(jìn)料溫度：80～90 ℃；蒸發(fā)量：9.7 t/h；新蒸汽用量：0.712 t/h，158 ℃；閃蒸二次蒸汽溫度：101 ℃；壓縮后二次蒸汽溫度：111 ℃；離心機(jī)濾餅附液率：5%；冷卻水用量：8 m³/h，水溫≤20 ℃。

2 裝置運(yùn)行與分析

2.1 MVR運(yùn)行情況

① 不同含鹽量濃縮水的處理情況

為分析MVR運(yùn)行情況,考察了含鹽量分別為15%、20%及25%的濃縮水處理情況。其中循環(huán)流化床鍋爐排放高含鹽水(原液)、MVR濃縮水及MVR冷凝水分別呈現(xiàn)棕黃色、黑色、透明。水質(zhì)分析結(jié)果表明,MVR濃縮水是高堿度、高氯根、高COD、高二氧化硅及高礦化度水型，具有較強(qiáng)腐蝕性，含油量>15 mg/L、COD>14 000 mg/L，超過(guò)國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)不能外排；MVR冷凝水是離子含量較低的弱酸性純凈水，滿(mǎn)足《稠油注汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SY/T 0027—2007)中規(guī)定的熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)于《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB/T 1576—2008)只有pH值指標(biāo)需要微調(diào)，另外COD指標(biāo)接近國(guó)家二級(jí)排放指標(biāo)，可能是水中易揮發(fā)有機(jī)物冷凝所致。

② 運(yùn)行指標(biāo)及成本

產(chǎn)生不同含鹽量的濃縮液運(yùn)行電耗見(jiàn)表2。

表2 不同含鹽濃水的電耗分析

從表2可看出，隨著濃縮液含鹽量的升高，濃縮液沸點(diǎn)升高，蒸汽壓縮機(jī)的能耗隨之上升。實(shí)際運(yùn)行電耗高于設(shè)計(jì)值25 kW·h/m³，一方面是由于處理裝置規(guī)模小，僅為10 m³/h，噸水能耗高；另一方面是由于選擇了高溫升的羅茨壓縮機(jī)，增加了能耗。另驗(yàn)證了單效MVR蒸發(fā)的運(yùn)行費(fèi)用比雙效MVR蒸發(fā)低29.2%，能耗低42.2%。

③ 降膜蒸發(fā)板結(jié)垢情況

運(yùn)行3個(gè)月后停機(jī)檢修，MVR濃縮液中二氧化硅含量較高，蒸發(fā)濃縮后達(dá)到2 400 mg/L左右。打開(kāi)人孔觀(guān)察，鈦材降膜板光潔如新，未發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。分析MVR濃縮水pH值為10～12，此時(shí)二氧化硅以H₃SiO₄^-形式存在，NaH3SiO4為溶解狀態(tài)。

2.2 強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶運(yùn)行情況

前段MVR工藝經(jīng)過(guò)近10天的連續(xù)運(yùn)行后，試驗(yàn)后段強(qiáng)制循環(huán)結(jié)晶工藝，由于飽和鹽液輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及部分設(shè)備選擇問(wèn)題，不能正常運(yùn)行。

① 設(shè)備選擇問(wèn)題:工藝連續(xù)運(yùn)行時(shí)的進(jìn)料量?jī)H為0.2 t/h，市面上最小臥式活塞推料離心機(jī)處理量為2 t/h，因產(chǎn)出的鹽太少，在未被推出前就干結(jié)在推料器上。

② 系統(tǒng)鹽堵問(wèn)題:a.分離器圓錐段出鹽缺少緩沖設(shè)備，致使分離器出鹽不均勻，造成管線(xiàn)堵塞。b.分離器與離心機(jī)距離太遠(yuǎn)，鹽漿管線(xiàn)太長(zhǎng)易發(fā)生鹽堵。c.飽和鹽液輸送管線(xiàn)管徑細(xì)、存在90°彎頭，易發(fā)生鹽堵。

③ 改進(jìn)措施:a.增設(shè)飽和鹽液存儲(chǔ)罐，滿(mǎn)足臥式活塞推料離心機(jī)2 h運(yùn)行量。b.飽和鹽液輸送管線(xiàn)重新調(diào)整，確保有15°坡度及不大于45°的彎頭。

2.3 處理成本及效益分析

① 處理成本

單級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮只按耗電運(yùn)行成本分析，按風(fēng)城油田電價(jià)為0.6 元/(kW·h）計(jì)，噸水運(yùn)行成本為18.36元。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶按前段回收率為92%考慮，產(chǎn)生濃縮鹽水為0.8 m³/h，可蒸出約0.6 m³/h的冷凝水，消耗蒸汽量為產(chǎn)出水量的1.1倍，即消耗蒸汽0.66 t/h。蒸汽成本按90元/t計(jì),成本為7.42元/m³水。

② 效益分析

鍋爐排放高含鹽水溫度為98 ℃，噸水回收節(jié)約能耗為4.3 元/m³；節(jié)約了清水資源，節(jié)省清水資源及處理費(fèi)為4.5元/m³。同時(shí)節(jié)約了處理達(dá)標(biāo)外排費(fèi)為5.5元/m³。噸水產(chǎn)出2 kg鹽，以?xún)r(jià)值為300元/t計(jì)；噸水產(chǎn)生效益為0.6元/t。合計(jì)產(chǎn)生效益為14.9元/m³；除去處理達(dá)標(biāo)外排費(fèi)間接費(fèi)用也有9.4元/m³。

3 結(jié)論

① MVR工藝處理燃煤鍋爐排放高含鹽水，技術(shù)上可行，實(shí)現(xiàn)了高含鹽廢水的高效回收利用，水回收率≥90%，出水TDS≤50 mg/L。這對(duì)有效利用有限的水資源、避免污水外排，以及降低環(huán)境污染具有重要作用，有巨大的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

② MVR濃縮水是高堿度、高氯根、高COD、高二氧化硅及高礦化度水型，腐蝕性較強(qiáng)，水質(zhì)指標(biāo)超過(guò)國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)不能外排，有條件應(yīng)采用強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶將稠油開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中溶入的鹽分離出來(lái)，解決系統(tǒng)中的“鹽害”問(wèn)題。

③ MVR濃縮水pH值為10～12，此時(shí)二氧化硅以H₃SiO₄^-形式存在，設(shè)備板材、附件、管道、泵過(guò)流部件未發(fā)生腐蝕。主材可選擇普通耐氯根不銹鋼，以節(jié)省工程投資。

④ 單級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮沸點(diǎn)溫升較高，選擇大功率的蒸汽壓縮機(jī)能耗較大；建議低礦化度鹽水采用兩級(jí)蒸汽機(jī)械再壓縮，電耗將降低30%以上。

⑤ 試驗(yàn)工程電耗超出設(shè)計(jì)指標(biāo),分析表明電耗隨處理規(guī)模增大而降低。當(dāng)處理量為15 m³/h時(shí)，電耗<20 kW·h/m³水。

⑥ 根據(jù)來(lái)水水質(zhì)特點(diǎn)，通過(guò)控制濃縮液濃度，采用不加藥防垢工藝，有效避免蒸發(fā)器結(jié)垢、蒸汽起沫等問(wèn)題。

⑦ 優(yōu)化了脫氣工藝，MVR工藝前段為對(duì)來(lái)氣未進(jìn)行加酸脫氣處理，僅通過(guò)蒸發(fā)器外排不凝氣。試驗(yàn)結(jié)束后，降膜板未發(fā)生腐蝕。

⑧ 產(chǎn)水量的多少主要取決于蒸發(fā)量，即降膜蒸發(fā)器和蒸汽壓縮機(jī)的能力，原水含鹽及濃縮液濃度對(duì)產(chǎn)水量的影響不大，原水含鹽及濃縮液濃度對(duì)出水水質(zhì)沒(méi)有影響。隨著濃縮液含鹽量的降低，濃縮液沸點(diǎn)降低，蒸汽壓縮機(jī)的能耗降低。

（本文發(fā)表于《中國(guó)給水排水》雜志2015年第20期“工程實(shí)例”欄目）

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