稠油采出水蒸發(fā)除鹽防硅垢技術(shù)與應(yīng)用

周京都 王宏磊 王愛軍 武文靜 林雙

1中油（新疆）石油工程設(shè)計有限公司

2青海油田采油五廠技術(shù)研究中心

稠油開發(fā)過程中產(chǎn)生的采出水經(jīng)除油、除懸浮物、軟化后回用注汽鍋爐，使水資源循環(huán)利用。近年來稠油油田大量采用過熱注汽采油，過熱注汽鍋爐給水水質(zhì)指標(biāo)[1]要求總?cè)芙庑怨腆w濃度≤2 500 mg/L，而稠油采出水的總?cè)芙庑怨腆w濃度通常在3 500～6 000 mg/L。因此，需要對采出水進(jìn)行除鹽回用，通常采用“膜分離除鹽+蒸發(fā)除鹽”或“直接蒸發(fā)除鹽”的方法進(jìn)行處理。稠油采出水的蒸發(fā)除鹽工藝在新疆油田、遼河油田已開展了現(xiàn)場試驗，在勝利油田春風(fēng)采油廠進(jìn)行了工程應(yīng)用[2-5]。

稠油采出水含硅濃度在150～350 mg/L之間，蒸發(fā)濃縮后循環(huán)液中SiO2濃度在1 500～3 500 mg/L 之間，遠(yuǎn)超出SiO2在水中的溶解度。在蒸發(fā)過程中，隨著蒸發(fā)母液濃度上升，析出硅酸、硅酸鹽等物質(zhì)，堵塞蒸發(fā)器及工藝管道。

國內(nèi)通常采取先除硅，再蒸發(fā)的方式進(jìn)行此類水的處理[6]，但除硅工藝存在加藥量大、處理效率低、污泥產(chǎn)量大、增加水中的硬度等問題[7]。還有采用晶種法[8]處理，使硅垢沉淀到晶種上，避免蒸發(fā)器堵塞。此方法對蒸發(fā)方式（僅適用機(jī)械蒸汽壓縮）、蒸發(fā)器形式（僅適用管式降膜蒸發(fā)器）有限定要求，還存在控制操作要求高、成本高、固廢量大等問題。

本研究是在現(xiàn)有常規(guī)蒸發(fā)工藝（多效蒸發(fā)、機(jī)械蒸汽壓縮、熱力蒸汽壓縮等）的基礎(chǔ)上，采用pH 值調(diào)節(jié)工藝，實現(xiàn)蒸發(fā)原水不除硅，但是能夠阻止硅垢產(chǎn)生的目的。其工作原理是：利用SiO2在水中的溶解度隨pH 值上升而升高的特性，通過原水預(yù)軟化、提高蒸發(fā)母液的pH 值，將無定形SiO2全部溶解在蒸發(fā)母液中，避免硅垢產(chǎn)生。

新疆風(fēng)城油田高含鹽污水深度處理工程采用此項技術(shù)，使蒸發(fā)母液中含硅濃度達(dá)到3 000 mg/L時，沒有硅垢析出，裝置穩(wěn)定運行。

1 蒸發(fā)原水水質(zhì)分析

稠油采出水的常規(guī)處理流程為：采出水經(jīng)過混凝反應(yīng)或氣浮選工藝除油、除懸浮物→除硅（若硅超過100 mg/L，降至100 mg/L以下）→軟化后回用注汽鍋爐。

稠油采出水蒸發(fā)工藝通常處理凈化軟化后的采出水或反滲透膜分離出的濃水。新疆風(fēng)城油田凈化軟化水及反滲透濃水水質(zhì)全分析如表1所示。

表1 蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)全分析Tab.1 Overall analysis of inlet water quality of evaporation system

2 技術(shù)原理

2.1 SiO2成垢原理

影響SiO2結(jié)垢的因素主要有pH 值、溫度、多價陽離子等。pH值對硅垢形成的影響最大，高pH值(pH＞10.7)時，雖然硅酸根的穩(wěn)定性好，不易出現(xiàn)SiO2垢，但會促使Ca2+沉積為碳酸鈣垢，為硅酸鹽垢的形成提供附著點和晶核，從而促進(jìn)硅酸鹽垢的形成；當(dāng)pH值降低(pH＜10.7)時，硅酸沉淀，出現(xiàn)硅酸鹽垢，多價陽離子如Ca2+容易在高溫下產(chǎn)生碳酸鈣垢，為硅垢的產(chǎn)生提供晶核，水中二價陽離子與膠體硅微粒的架橋作用形成硅酸鹽沉淀。在50 ℃以下的低溫區(qū)，產(chǎn)生SiO2垢更嚴(yán)重[9]。

當(dāng)水中多價陽離子含量較低時，硅以單分子硅酸存在形式有三種：H2SiO32-，SiO(OH)3-和Si(OH)4，且pH值不同，其存在形式也不同。

在強(qiáng)堿體系中，當(dāng)pH 值＞13.4 時，發(fā)生如(1)式的反應(yīng)，體系中的硅主要以H2SiO32-存在；隨著溶液pH 值降低，發(fā)生(2)式反應(yīng)，體系中SiO(OH)3-增大；當(dāng)pH值=10.6時開始發(fā)生(3)式反應(yīng)，生成Si(OH)4，隨pH值降低，Si(OH)4生成量增加。

2.2 SiO2溶解度

根據(jù)GILL J.S.的研究[10]，常規(guī)水處理中溶解的SiO2為無定形SiO2，SiO2溶解度受pH 值的影響較大，無定形SiO2溶解度曲線如圖1所示。

圖1 無定形SiO2溶解度曲線Fig.1 Solubility curve of amorphous SiO2

利用SiO2溶解度隨pH 值上升的原理，可以實現(xiàn)在蒸發(fā)工藝過程中，通過調(diào)節(jié)pH 值避免硅垢產(chǎn)生。蒸發(fā)處理操作溫度越高，越利于SiO2溶解，當(dāng)蒸發(fā)溫度100 ℃時，蒸發(fā)母液SiO2濃度小于3 000 mg/L 時，將pH 值調(diào)整至10.6 以上可以保證避免硅垢析出。

3 工藝設(shè)計

蒸發(fā)除鹽防硅垢技術(shù)的工藝流程為：

含硅原水首先進(jìn)行軟化（去除Ca、Mg 等離子），對于硬度較高的原水先進(jìn)行化學(xué)軟化，再進(jìn)行離子交換軟化，原水硬度低于300 mg/L（以Ca-CO3計）時，可直接進(jìn)行離子交換軟化。水中硬度（以CaCO3計）＜5 mg/L 后，進(jìn)入進(jìn)料緩沖調(diào)節(jié)罐，此時SiO2溶解度＜380 mg/L（pH 值≈8，水溫90 ℃），在其進(jìn)水管線上投加pH 值調(diào)節(jié)劑。pH 值調(diào)節(jié)劑采用氫氧化鈉，直接購買濃度約30%的溶液存入儲罐，采用全密閉自動投加工藝，減少人員接觸，堿液區(qū)設(shè)置圍堰，避免堿液罐意外泄漏對人員造成傷害。通過設(shè)在進(jìn)料緩存調(diào)節(jié)罐上的pH 值計聯(lián)鎖控制pH 值調(diào)節(jié)劑的加藥量，控制原水的pH 值范圍在10～12，可以使硅的溶解度達(dá)到3 500 mg/L（水溫90 ℃），再進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)，避免在蒸發(fā)系統(tǒng)中形成硅垢。經(jīng)過蒸發(fā)裝置處理后的產(chǎn)品水（除鹽水）回收利用，濃水（高pH 值、高含硅水）占原廢水量的5%～20%，可進(jìn)一步處理，進(jìn)行制鹽、干燥等，也可回注鹽穴存儲、自然蒸發(fā)處理。本技術(shù)的核心是：通過對低硬度原水pH 值的調(diào)節(jié)，增加硅的溶解度，使蒸發(fā)過程不會受到硅垢的影響。

稠油采出水蒸發(fā)除鹽防硅垢技術(shù)的典型工藝流程如圖2所示。

圖2 典型工藝流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical process flow

4 工程應(yīng)用情況

為解決超稠油開發(fā)過程中高含鹽水處理回用問題，新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)新建1座高含鹽污水深度處理站，采用MVC蒸發(fā)除鹽技術(shù)，設(shè)計規(guī)模3 500 m3/d，處理原水為油田高溫反滲透濃水、燃煤鍋爐排污水及少量采出水（總?cè)芙庑怨腆w濃度＜16 000 mg/L），產(chǎn)水率90%，產(chǎn)生的除鹽水（總?cè)芙庑怨腆w濃度＜50 mg/L）回用風(fēng)城油田過熱注汽鍋爐。

4.1 運行情況

（1）裝置主要運行參數(shù)。目前運行3個月，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。產(chǎn)水率＞90%。主要運行參數(shù)如表2所示。

表2 蒸發(fā)除鹽工程主要運行參數(shù)Tab.2 Main operating parameters of evaporation desalting project

（2）結(jié)垢情況分析。在蒸發(fā)裝置母液循環(huán)系統(tǒng)中SiO2濃度高達(dá)2 800 mg/L 的生產(chǎn)條件下，運行3個月后，裝置運行正常，產(chǎn)品水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。降膜蒸發(fā)器布液器、管道、閥門等未發(fā)生堵塞，降膜蒸發(fā)器降膜板表面光潔如新，未發(fā)生結(jié)垢、硅酸鹽析出等現(xiàn)象。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用不除硅防硅垢蒸發(fā)除鹽技術(shù)與預(yù)除硅再蒸發(fā)除鹽技術(shù)對比，投資和運行成本都更低（表3）。

表3 防硅垢技術(shù)與化學(xué)除硅費用對比Tab.3 Cost comparison of anti-silicon scale technology and chemical silicon removal

5 結(jié)論

（1）蒸發(fā)除鹽防硅垢技術(shù)主要是通過自動調(diào)節(jié)，控制蒸發(fā)過程中母液的pH值，達(dá)到蒸發(fā)處理前不除硅，而能有效控制硅酸、硅酸鹽垢析出的目的。

（2）蒸發(fā)除鹽防硅垢技術(shù)主要適用于低硬度、高含硅廢水處理。當(dāng)原水硬度較高時，應(yīng)先進(jìn)行軟化，保證蒸發(fā)濃水硬度小于5 mg/L（以CaCO3計），避免隨著pH值的升高，會形成鈣鹽垢、鎂鹽垢。

（3）以風(fēng)城油田高含鹽污水深度處理工程為例，相比蒸發(fā)處理前進(jìn)行化學(xué)除硅，本技術(shù)噸水節(jié)約運行費用約1.91元，節(jié)約工程投資約4.7%。