澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法

任曉晶

中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司

澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法

任曉晶

中國(guó)石化集團(tuán)國(guó)際石油勘探開(kāi)發(fā)有限公司

任曉晶.澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法.天然氣工業(yè)，2012，32（6）：78-81.

煤層氣產(chǎn)出水通常伴有大量的固體雜質(zhì)和鹽類，必須經(jīng)過(guò)凈化及脫鹽處理，處理費(fèi)用在煤層氣的開(kāi)采作業(yè)成本中占有相當(dāng)大的比例，其處理方式在澳大利亞煤層氣開(kāi)發(fā)規(guī)劃及審批中已成為至關(guān)重要的因素。為此，介紹了目前煤層氣工業(yè)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平的澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法——蒸餾、膜分離或兩者結(jié)合的脫鹽方法：蒸餾脫鹽是利用設(shè)備提供能量使產(chǎn)出水蒸發(fā)，從而降低水蒸氣中化學(xué)鹽分含量的方法，以多效蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸為主要的2種選擇；膜分離脫鹽是利用原料水通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行除鹽的方法，主要采用反滲透膜裝置。根據(jù)澳大利亞煤層氣工業(yè)現(xiàn)階段的水處理情況，對(duì)比分析了幾種常用脫鹽方法的能耗、投資成本及適用范圍，并總結(jié)了澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)國(guó)內(nèi)煤層氣的開(kāi)發(fā)具有借鑒意義。

澳大利亞 煤層氣 水處理 脫鹽 蒸餾 多效蒸發(fā) 多級(jí)閃蒸 膜分離 反滲透膜

澳大利亞是世界上煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)較為成熟的國(guó)家之一，其煤層氣工業(yè)主要集中在東澳大利亞的新南威爾士州和昆士蘭州。煤層氣與常規(guī)油氣開(kāi)采方法不同，必須通過(guò)排水降壓才能獲得開(kāi)采。煤層氣開(kāi)采井的初始產(chǎn)水量是由煤層平均滲透率和含水層強(qiáng)度決定的，產(chǎn)水量在開(kāi)始的幾年內(nèi)達(dá)到頂峰，之后會(huì)逐漸下降至平穩(wěn)值。以昆士蘭州某煤層氣田為例，在氣田上產(chǎn)期，單井日產(chǎn)水量平均值可達(dá)39 m3，1年后到達(dá)穩(wěn)產(chǎn)期的日產(chǎn)水量平均值為14 m3。

煤層氣的商業(yè)開(kāi)發(fā)不僅需要考慮地質(zhì)和工程因素，還需要考慮環(huán)境保護(hù)因素。煤層氣的開(kāi)采必然伴隨水的大量產(chǎn)出，產(chǎn)出水的處理在煤層氣開(kāi)采作業(yè)成本中占有很大的比例。受公眾關(guān)系和昆士蘭州相關(guān)法律條款的制約，產(chǎn)出水的處理方式在澳大利亞煤層氣開(kāi)發(fā)規(guī)劃及審批中已成為至關(guān)重要的因素。煤層氣產(chǎn)出水通常伴有大量的固體雜質(zhì)和鹽類，水質(zhì)較差，無(wú)論最終的處理方式是進(jìn)行回注、作為灌溉用水或者直接排放到環(huán)境中，之前都必須經(jīng)過(guò)凈化以及脫鹽的處理過(guò)程。因此，在煤層氣開(kāi)發(fā)方式的設(shè)計(jì)中，必須充分考慮產(chǎn)出水脫鹽的方式和規(guī)模，才能保證經(jīng)濟(jì)、高效地進(jìn)行煤層氣資源的商業(yè)開(kāi)發(fā)。

1 澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)

現(xiàn)有的煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)可以分為蒸餾脫鹽和膜分離脫鹽2種。也有一些公司同時(shí)采用這2種方法進(jìn)行煤層氣產(chǎn)出水的脫鹽處理。

1.1 蒸餾脫鹽方法

當(dāng)水沸騰后，就會(huì)轉(zhuǎn)化為蒸汽，同時(shí)，蒸汽中的固體溶解雜質(zhì)總量（TDS）會(huì)大幅降低。蒸餾脫鹽就是利用設(shè)備提供能量使煤層氣產(chǎn)出水變?yōu)檎羝瑥亩档彤a(chǎn)出水中的化學(xué)鹽分含量。

煤層氣產(chǎn)出水蒸餾脫鹽處理裝置的基本原理就是加熱煤層氣產(chǎn)出水，使之產(chǎn)生大量蒸汽并進(jìn)行氣液分離。同時(shí)，利用原料水為分離出的蒸汽進(jìn)行冷卻。

蒸餾脫鹽一般包括多效蒸發(fā)（MED）、多級(jí)閃蒸（MSF）、蒸汽壓縮冷凝（VC）等方法。1.1.1 多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)裝置流程如圖1所示。多效蒸發(fā)是將加熱后的濃溶液在多個(gè)串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，利用減壓的方法，使后一蒸發(fā)器的操作壓力均比前一蒸發(fā)器低，從而降低溶液的沸點(diǎn)。前一蒸發(fā)器引出的二次蒸汽作為后一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，冷凝水中的鹽分含量大幅

降低。單個(gè)多效蒸發(fā)裝置的處理能力介于600～25 000 m3／d。通常在煤層氣產(chǎn)出水設(shè)備中，會(huì)有多個(gè)多效蒸發(fā)裝置平行運(yùn)轉(zhuǎn)以增大系統(tǒng)處理能力。

圖1 多效蒸發(fā)裝置流程圖

低溫多效蒸發(fā)是蒸餾脫鹽法中最節(jié)能的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)在于可以重復(fù)利用熱能、提高造水比，但存在設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重的缺點(diǎn)。低溫多效蒸發(fā)技術(shù)以其節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，近年在澳大利亞發(fā)展迅速，裝置的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，成本逐漸降低，其主要發(fā)展趨勢(shì)為：提高裝置單機(jī)造水能力、采用廉價(jià)材料降低工程造價(jià)、提高操作溫度、提高傳熱效率等［1］。

1.1.2 多級(jí)閃蒸

將原料水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，控制該閃蒸室中的壓力低于熱鹽水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓。因此，濃溶液進(jìn)入閃蒸室后即成為過(guò)熱水而急速部分汽化，從而使?jié)馊芤豪鋮s，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為完成液。多級(jí)閃蒸就是以此原理為基礎(chǔ)，使熱鹽水依次流經(jīng)若干個(gè)壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級(jí)蒸發(fā)降溫，同時(shí)鹽水也逐級(jí)增濃，直到其溫度接近（但高于）原料水溫度。多級(jí)閃蒸裝置流程如圖2所示。

圖2 多級(jí)閃蒸裝置流程圖

多級(jí)閃蒸是煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理較為成熟的技術(shù)之一，是針對(duì)多效蒸發(fā)結(jié)垢較嚴(yán)重的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的脫鹽技術(shù)。多級(jí)閃蒸技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世就得到應(yīng)用和發(fā)展，具有設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行安全性高、防垢性能好、操作彈性大、可利用低位熱能和廢熱等優(yōu)點(diǎn)，適合于大型和超大型煤層氣產(chǎn)出水脫鹽裝置［1－2］。1.1.3 蒸汽壓縮冷凝

蒸汽壓縮冷凝脫鹽技術(shù)是將鹽水預(yù)熱后，引入蒸發(fā)器并使之在蒸發(fā)器內(nèi)部分蒸發(fā)。蒸汽壓縮冷凝裝置流程如圖3所示，流程所產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側(cè)，蒸汽冷凝后作為完成液引出，如此實(shí)現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。蒸汽壓縮冷凝方法可使冷卻水中的有害成分得到濃縮排放，并使冷凝液作為循環(huán)水和鍋爐補(bǔ)充水返回系統(tǒng)，同時(shí)將低能量的蒸汽轉(zhuǎn)化為高能量的蒸汽用于后面裝置的加熱。單個(gè)蒸汽壓縮裝置的處理能力為250～3 000 m3／d。

圖3 蒸汽壓縮冷凝裝置流程圖

但這種工藝對(duì)設(shè)備材質(zhì)的要求極高，運(yùn)行中需消耗大量熱能，存在一次性投入和運(yùn)行費(fèi)用高的缺點(diǎn)［1－2］。

蒸餾脫鹽流程中通常會(huì)在流程最后安裝結(jié)晶裝置。結(jié)晶裝置的最終產(chǎn)品包括大部分的固體鹽分和蒸餾過(guò)的冷凝水。通過(guò)結(jié)晶裝置產(chǎn)出的固體鹽分比普通的固體雜質(zhì)更適于廢棄與運(yùn)輸。通常結(jié)晶系統(tǒng)包括1個(gè)分離固體結(jié)晶、水和蒸汽的三相分離器，還有通過(guò)熱交換進(jìn)行的再循環(huán)的流程裝置。

1.2 膜分離脫鹽方法

膜分離脫鹽方法主要包括電滲析（ED）、反滲透（RO）、微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和滲透汽化（PV）等膜技術(shù)。其中反滲透法是目前工業(yè)應(yīng)用的主要方法。

反滲透法的原理：對(duì)透過(guò)的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱為半透膜。在煤層氣產(chǎn)出水處理裝置中采用的半透膜具有分子尺寸限制，允許水分子通過(guò)，但阻止了鹽和其他大分子通過(guò)。把相同體積的稀溶液和濃溶液分別置于同一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，如沒(méi)有外界干預(yù)，則稀溶液中的水將穿過(guò)半透膜向濃溶液一側(cè)流動(dòng)，濃溶液側(cè)的液面會(huì)比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個(gè)壓力差，達(dá)到滲透平衡狀態(tài)，該壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓的壓力時(shí)，濃溶液中的水會(huì)向稀溶液側(cè)流動(dòng)，流動(dòng)方向與原來(lái)滲透的方向相反，這一過(guò)程稱為反滲透。

反滲透脫鹽裝置主要由過(guò)濾設(shè)備、加壓泵和反滲透膜裝置（中空纖維式或卷式的膜分離設(shè)備）組成。反滲透膜裝置流程如圖4所示。反滲透膜能截留水中的各種無(wú)機(jī)離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，從而取得凈化的水。反滲透膜的材料和規(guī)模根據(jù)煤層氣產(chǎn)出水水質(zhì)、運(yùn)輸方式和預(yù)處理方式的差異而有所不同。為了提高反滲透膜的脫鹽效率和使用壽命，必須對(duì)原料水進(jìn)行過(guò)濾等預(yù)處理。反滲透膜脫鹽率高，受p H值、溫度等因素影響較小，制膜原料來(lái)源廣、加工簡(jiǎn)便、成本低廉，在澳大利亞煤層氣工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。其缺點(diǎn)在于對(duì)采出水的水質(zhì)要求較高，預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜［3－4］。

圖4 反滲透膜裝置流程圖

1.3 增濕—去濕方法

增濕—去濕方法是將蒸發(fā)和冷凝完全分開(kāi)的水處理方法，通過(guò)太陽(yáng)能集熱器或者地?zé)崮茉刺峁崃?，利用噴霧或者表面濕潤(rùn)等方法將原料水蒸發(fā)，然后在冷凝器里對(duì)其進(jìn)行冷卻并分離。

這種方法可利用太陽(yáng)能等低位熱能，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低，但煤層氣采出水中的鎂離子和鈣離子會(huì)降低水蒸發(fā)的效率，從而增加能量消耗。增濕—去濕方法目前仍處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，實(shí)際應(yīng)用案例還不多［5］。

2 脫鹽技術(shù)的比較及優(yōu)選

目前澳大利亞煤層氣公司使用的水處理裝置通常采用熱力、膜分離的脫鹽方法。在熱力脫鹽方法中又以多效蒸發(fā)、多級(jí)閃蒸為主。膜分離脫鹽方法基本都采用反滲透膜方法。

影響煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理設(shè)計(jì)的因素很多，其中能耗問(wèn)題是論證經(jīng)濟(jì)可行性最重要的指標(biāo)之一。針對(duì)澳大利亞煤層氣工業(yè)現(xiàn)階段的水處理情況，對(duì)目前普遍采用的煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)比分析了幾種脫鹽方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。對(duì)幾種主要脫鹽方法的能耗、投資成本及適用范圍進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表1［2，6－7］。其中能耗和投資成本以每產(chǎn)出1 m3的淡水為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，成本計(jì)算單位為美元。

由表1可得到如下結(jié)論：

1）熱力脫鹽方法主要消耗熱能和少量電能，而膜分離方法只需要消耗電能。為此，需要以電量為基準(zhǔn)的統(tǒng)一性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將系統(tǒng)消耗的熱能按實(shí)際水平折算成為當(dāng)量電耗量，以單位產(chǎn)出淡水產(chǎn)量的當(dāng)量電耗量作為指標(biāo)進(jìn)行能耗的評(píng)價(jià)。從表1可以看出，膜分離方法的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱力脫鹽方法的能耗。

2）從設(shè)備投資來(lái)看，膜分離方法的投資成本最低。但清洗和更換反滲透膜需要持續(xù)的投資，因此，維護(hù)費(fèi)用在實(shí)際運(yùn)行中也占有一定的比例。多效蒸發(fā)方法因?yàn)槿菀捉Y(jié)垢，維持費(fèi)用比多級(jí)閃蒸方法高。

3）從對(duì)原料水的要求來(lái)看，膜分離方法對(duì)原料水水質(zhì)要求最高，原料水必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的預(yù)處理工序才能進(jìn)入膜分離裝置。一般采用多層過(guò)濾的方法對(duì)原料水進(jìn)行預(yù)處理。

4）從適用規(guī)模來(lái)看，多級(jí)閃蒸脫鹽方法主要適用于大型和超大型脫鹽裝置，單機(jī)容量高達(dá)50 000 m3／d。多效蒸發(fā)脫鹽方法的處理規(guī)模較小，一般為10 000 m3／d，單機(jī)生產(chǎn)力約為3 000 m3／d。膜分離法適用于從小型到超大型的各種脫鹽裝置。

表1 主要脫鹽方法能耗、投資成本與適用范圍比較表

對(duì)煤層氣產(chǎn)出水的處理水平是基于煤層氣產(chǎn)出水的水質(zhì)和產(chǎn)出水的再利用方式而進(jìn)行評(píng)價(jià)的。熱處理方法的最終水質(zhì)較好，經(jīng)再處理可制成飲用水和蒸餾水。膜分離法在降低固體雜質(zhì)含量上比較有效，但實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí)膜分離法容易滋生細(xì)菌，使得產(chǎn)品水中細(xì)菌量超標(biāo)，不宜用作飲用水［6］。同時(shí)，分離中產(chǎn)生的大量含鹽量過(guò)高的廢棄鹽水也可能造成環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

在澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水設(shè)備的設(shè)計(jì)和建設(shè)中，必須高度重視脫鹽過(guò)程的預(yù)處理工序。這是因?yàn)樵诿簩託猱a(chǎn)出水中所含的固體雜質(zhì)種類很多，而且在原料水的存儲(chǔ)池中容易生長(zhǎng)水藻。水質(zhì)的變化對(duì)處理裝置的運(yùn)行效果和維護(hù)費(fèi)用有直接的影響，進(jìn)而會(huì)影響到裝置的壽命［8］。

另外，需要注意的還有其他一些因素，如產(chǎn)出水能在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行處理，還是需要運(yùn)輸?shù)狡渌胤皆龠M(jìn)行處理。如需采用后者，則集輸流程和相關(guān)因素也必須做認(rèn)真的考慮和評(píng)估。

在澳大利亞，煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)已經(jīng)得到充分的發(fā)展，日趨成熟。在實(shí)際選用中，究竟哪種方法最好，何種脫鹽技術(shù)處理成本最低，均不是絕對(duì)的，要根據(jù)煤層氣產(chǎn)出水脫鹽規(guī)模大小、設(shè)備選材、當(dāng)?shù)啬茉磧r(jià)格、水質(zhì)要求、地理氣候條件、技術(shù)與安全性、投資來(lái)源與管理體制等實(shí)際條件而定。且煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)的選擇也不是僅僅局限于單個(gè)脫鹽技術(shù)，而是建立在多種脫鹽技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的集成之上。

從煤層氣產(chǎn)出水中脫除的鹽中可以提取出多種可以出售的副產(chǎn)品。但是，實(shí)踐證明，要使鹽能符合出售的標(biāo)準(zhǔn)，必須首先降低其中鎂元素的含量。這在工業(yè)設(shè)計(jì)中是很難實(shí)現(xiàn)的［8］。由于擔(dān)心煤層氣產(chǎn)出水中含有的大量鹽分和礦物質(zhì)對(duì)生態(tài)環(huán)境有潛在的長(zhǎng)期負(fù)面影響，在澳大利亞，傳統(tǒng)的大規(guī)模蒸發(fā)池脫鹽方式已經(jīng)漸漸被公眾質(zhì)疑。這種負(fù)面影響可作用于多個(gè)方面，如高濃度鹽水被注入地下時(shí)對(duì)地下水的影響以及產(chǎn)出水溢流入河流和地面水源對(duì)動(dòng)植物造成的危險(xiǎn)性。因此，澳大利亞煤層氣開(kāi)發(fā)中的產(chǎn)出水處理方法正在進(jìn)行技術(shù)上的革新。

一部分煤層氣產(chǎn)出水裝置中采用了加速蒸發(fā)和全部結(jié)晶的方法，以利于副產(chǎn)品的回收。同時(shí)，部分煤層氣生產(chǎn)商也在應(yīng)用新措施，以應(yīng)對(duì)環(huán)保方面的政府規(guī)定和公眾壓力。1座位于昆士蘭州煤礦的膜分離—熱力分離組合脫鹽裝置剛開(kāi)始投入使用時(shí)采用的是化學(xué)預(yù)處理技術(shù)，但現(xiàn)在采用的是比反滲透膜更加先進(jìn)的納米過(guò)濾技術(shù)以及結(jié)晶方法來(lái)生產(chǎn)蒸餾水和鹽分。這個(gè)裝置的生產(chǎn)能力為日產(chǎn)450×104L蒸餾水以及980×104L飲用水。同時(shí)，這項(xiàng)裝置每天還可以生產(chǎn)大約400 t的鹽和其他副產(chǎn)品［8］。

如果通過(guò)技術(shù)的發(fā)展，煤層氣產(chǎn)出水能夠獲得有效和低成本的處理，則它不僅不會(huì)成為被廢棄的副產(chǎn)品，而且可以成為能直接應(yīng)用的副產(chǎn)品，甚至可以直接出售以獲得利潤(rùn)。因此，隨著煤層氣產(chǎn)出水處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，將為煤層氣工業(yè)提供更加美好的前景。

3 結(jié)束語(yǔ)

澳大利亞煤層氣工業(yè)技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，煤層氣產(chǎn)出水的處理技術(shù)已非常成熟，一般使用蒸餾脫鹽、膜分離脫鹽或兩者結(jié)合的方式對(duì)產(chǎn)出水進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)煤層氣產(chǎn)出水處理規(guī)模、設(shè)備選材、水質(zhì)、地理、氣候、技術(shù)與安全性、投資來(lái)源與管理體制等方面的綜合考慮，設(shè)計(jì)安全、節(jié)能、高效的水處理裝置，是煤層氣開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié)。澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水處理的設(shè)計(jì)和工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)國(guó)內(nèi)煤層氣的開(kāi)發(fā)有借鑒意義。

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（修改回稿日期 2012-04-07 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.06.019

任曉晶，女，1985年生，工程師，博士；2010年畢業(yè)于香港大學(xué)并獲博士學(xué)位；主要從事海外非常規(guī)油氣研究工作。地址：（100029）北京市朝陽(yáng)區(qū)惠新東街甲6號(hào)中石化大廈1610房間。E-mail：xiaojingren＠sipc.cn