高鹽高硬稠油污水淡化工藝方案優(yōu)選

楊元亮，王　輝，張　建，龐會中，谷梅霞，宋文芳

（1.中石化勝利油田新春采油廠，山東東營257000；2.中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東東營257062；3.中石化勘探開發(fā)研究院，北京100083）

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油氣田水處理

高鹽高硬稠油污水淡化工藝方案優(yōu)選

楊元亮1，王輝2，張建2，龐會中2，谷梅霞2，宋文芳3

（1.中石化勝利油田新春采油廠，山東東營257000；2.中石化節(jié)能環(huán)保工程科技有限公司，山東東營257062；3.中石化勘探開發(fā)研究院，北京100083）

針對高鹽高硬稠油污水回用需求，結(jié)合注汽鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)，比選出蒸餾法作為污水脫鹽首選方案。根據(jù)同一水性和產(chǎn)水規(guī)模，分別采用機(jī)械壓縮、熱力壓縮、多效蒸發(fā)等蒸餾工藝進(jìn)行脫鹽裝置設(shè)計，從裝置規(guī)模、公用需求、產(chǎn)品能耗等方面進(jìn)行對比，并從投資和運(yùn)行成本角度進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明，在蒸汽昂貴，電價便宜地區(qū)，采用機(jī)械壓縮占絕對優(yōu)勢；廢蒸汽場合采用多效蒸發(fā)較為經(jīng)濟(jì)；廉價高壓蒸汽場合，宜采用熱力壓縮。

高鹽高硬；稠油污水；淡化工藝；機(jī)械壓縮；熱力壓縮；多效蒸發(fā)

將富余污水資源化處理后替代地下清水回用鍋爐，可以保護(hù)油區(qū)生態(tài)環(huán)境，保證油田節(jié)能降耗、用水平衡，滿足油田可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)建環(huán)境友好型、資源節(jié)約型企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，也符合油田循環(huán)注采理念。依據(jù)稠油采出污水的水質(zhì)特點(diǎn)以及熱采鍋爐用水的水質(zhì)要求，比較了不同工藝的技術(shù)特點(diǎn)、水質(zhì)適應(yīng)性、工藝可靠性以及投資及運(yùn)行成本，通過工藝設(shè)計計算，給出了在相同設(shè)計條件下不同工藝系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的關(guān)鍵工藝參數(shù)，得出了不同工藝所需要的設(shè)備投資和運(yùn)行成本，并進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性對比。提出了相應(yīng)的工藝方案，為油田選擇可行的污水資源化回用處理工藝提供參考。

1　稠油污水特點(diǎn)及資源化回用要求

選取了勝利油田幾個典型的稠油區(qū)塊的采出污水〔1-2〕進(jìn)行了水質(zhì)特性總結(jié)，并與注汽鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了資源化對比，如表1所示。

由表1可以看出，稠油污水中除了總堿度指標(biāo)滿足鍋爐回用標(biāo)準(zhǔn)，其他諸如含油、懸浮物、總硬度、礦化度等指標(biāo)均高于注汽鍋爐回用水質(zhì)要求。其中油脂和懸浮物容易影響傳熱、破壞設(shè)備，且容易堵塞管道，采用常規(guī)的預(yù)處理技術(shù)諸如化學(xué)、重力、絮凝沉降、氣浮、精細(xì)過濾等過程即可將其去除掉。而過高的礦化度和硬度則會使設(shè)備腐蝕、結(jié)垢、積鹽，從而降低鍋爐出力、縮短設(shè)備壽命。在國內(nèi)油田沒有采用常規(guī)工藝處理類似水質(zhì)并使污水資源化工程的案例，因此研究適于高鹽高硬稠油污水的脫鹽除硬工藝，成為稠油污水資源化回用的關(guān)鍵所在。

表1　稠油污水水質(zhì)及注汽鍋爐回用標(biāo)準(zhǔn)對比

2　稠油污水脫鹽除硬工藝及應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)常用脫鹽除硬工藝包括：離子交換法、電滲析法、雙膜法以及蒸餾法。其中離子交換法〔3〕僅適用于礦化度低于4 000mg/L，總硬度低于300mg/L的污水處理，可用于終端除硬。電滲析法〔4〕對于高礦化度（TDS＞10 g/L）油田污水除鹽率低，易出現(xiàn)濃差極化，因此適合于初步脫鹽工藝。雙膜法〔5〕除鹽率高、占地小、能耗低，但對于高鹽高硬污水，雙膜法產(chǎn)水率低、需深度預(yù)處理、污泥量大、易污染、膜要求高、高溫污水需要預(yù)先降溫處理，因此其更適用于低礦化（TDS＜10 g/L）的污水處理。針對上述處理困難，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出利用蒸餾法實(shí)現(xiàn)油田污水的脫鹽方法。蒸餾法是將污水加熱蒸發(fā)為蒸汽并冷凝為淡水的脫鹽工藝。該類工藝特點(diǎn)是對污水水質(zhì)預(yù)處理要求寬松，產(chǎn)出水水質(zhì)好，產(chǎn)率穩(wěn)定，不受含鹽量影響，同時可以充分利用污水余熱，產(chǎn)水溫度高，節(jié)約鍋爐加熱能耗，特別適合于高鹽高硬污水處理。因此優(yōu)先考慮采用蒸餾法處理油田污水。蒸餾法依據(jù)所用能源、設(shè)備和流程不同可分為3種：多效蒸發(fā)（MED）、機(jī)械壓縮蒸發(fā)（MVC）和熱力壓縮蒸發(fā)（TVC）。

2.1多效蒸發(fā)

多效蒸發(fā)是一種應(yīng)用較早的海水淡化工藝，采用逐級減壓蒸餾原理，由若干單元蒸發(fā)器串聯(lián)起來，除第1效的加熱蒸汽來自鍋爐外，后續(xù)各效的加熱蒸汽均來自前一效產(chǎn)生的二次蒸汽，因此效數(shù)越多，運(yùn)行能耗越低，但投資會增加〔6-9〕。

2.2壓縮蒸餾

壓縮蒸餾是利用壓縮機(jī)把蒸發(fā)過程所產(chǎn)生的二次蒸汽壓縮，使之增壓和升溫（溫升4～15℃左右），再作為加熱蒸汽使用，使自身冷凝為淡水，如此循環(huán)使得蒸汽潛熱被反復(fù)利用。根據(jù)壓縮能量來源不同將壓縮蒸餾分為機(jī)械壓縮（MVC）和熱力壓縮（TVC）。其中機(jī)械壓縮不需要外部蒸汽補(bǔ)汽〔10〕，僅靠機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，該類工藝過程效率高、能耗低、過程不需要冷卻水、結(jié)構(gòu)緊湊。TVC工藝與MVC工藝相比，它采用的是熱力學(xué)完善度相對較低的熱力壓縮機(jī)（蒸汽引射器），代替了熱力學(xué)完善度較高的機(jī)械壓縮機(jī)，除水泵外它不需要消耗電能，僅用高壓蒸汽的熱能驅(qū)動，可以直接利用生產(chǎn)中的富余熱能，節(jié)省了電能〔11〕。由于TVC工藝運(yùn)行簡單可靠，維護(hù)成本低，無運(yùn)動部件，受到人們的廣泛關(guān)注。

3　工藝方案比較及優(yōu)選

3.1技術(shù)性能比較

為進(jìn)一步對上述3種蒸餾工藝進(jìn)行比較分析，采用不同工藝設(shè)計了一套水產(chǎn)量不低于5 000 t/d油田污水資源化脫鹽裝置。其中污水處理量6 250 t/d、污水含鹽量0.015 kg/kg、污水溫度55℃、產(chǎn)水率80%。將單效MVC系統(tǒng)（污水蒸發(fā)溫度100℃，壓縮機(jī)出口蒸汽溫度為107℃，降膜蒸發(fā)器傳熱溫差為7℃）、單效TVC系統(tǒng)（主蒸汽壓強(qiáng)為1MPa，主蒸汽溫度為180℃，污水蒸發(fā)溫度為100℃，熱力壓縮機(jī)蒸汽出口溫度為120℃）及6效MED系統(tǒng)（第1效加熱蒸汽溫度為120℃，末效即第6效加熱蒸汽溫度為79℃）的工藝設(shè)計模擬計算結(jié)果一并列在表2。

從表2可以看出：

（1）裝置規(guī)模。在相同污水溫度、相同淡水產(chǎn)量的情況下，MED系統(tǒng)所需要的蒸發(fā)傳熱面積最小，而MVC系統(tǒng)和TVC系統(tǒng)的傳熱面積基本上相近。而系統(tǒng)預(yù)熱所需預(yù)熱傳熱面積MED最大，而MVC系統(tǒng)和TVC系統(tǒng)的預(yù)熱面積基本上相當(dāng)，而MED所需凝汽器傳熱面積較高?？傮w來說，MVC所需總換熱面積（7 509.3m2）最小，TVC（8 196.7m2）次之，MED所需換熱面積（8 272.87m2）最高，與TVC大致相近。

（2）基本能耗。由于3種系統(tǒng)的工作原理并不完全相同，很難用一個統(tǒng)一的參數(shù)進(jìn)行比較。MVC系統(tǒng)的單位電耗為21.06 kW·h/t，TVC系統(tǒng)的當(dāng)量耗熱為235 kW·h/t，6效MED系統(tǒng)的當(dāng)量耗熱為122.3 kW·h/t。從這一結(jié)果可以看出，即使在MVC系統(tǒng)保持較大傳熱溫差的前提下（計算時，考慮了壓縮機(jī)的效率為65%），仍然以MVC系統(tǒng)的能量消耗最小。當(dāng)然，MVC系統(tǒng)消耗的主要是電能，而TVC系統(tǒng)和MED系統(tǒng)消耗的主要是蒸汽的熱能。但這一事實(shí)不能改變上面的結(jié)論，因?yàn)?，即使考慮熱能到電能的轉(zhuǎn)換系數(shù)為1/3，MVC系統(tǒng)的等效能耗也只有63.18 kW·h/t，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MED系統(tǒng)和TVC系統(tǒng)的等效能耗。需要指出的是，盡管單效TVC系統(tǒng)的當(dāng)量耗熱明顯大于6效MED系統(tǒng)的，但MED系統(tǒng)付出的代價是傳熱面積的增大。

表2　 3種典型蒸餾工藝參數(shù)對比

（3）系統(tǒng)污水消耗量及其他。對蒸發(fā)法來說，往往需要大量的冷卻水來帶走系統(tǒng)過剩的熱量。顯然，系統(tǒng)所需要的冷卻水量越大，相應(yīng)地所消耗的泵功也就越大，當(dāng)然，導(dǎo)致系統(tǒng)的能量消耗也會增大。按表2給出的結(jié)果，6效MED系統(tǒng)、單效TVC系統(tǒng)和單效MVC系統(tǒng)水泵的總污水流量（包括處理污水量和冷卻污水量）依次為48 580、6 250、6 250 t/d。MED過大的冷卻水排放除了環(huán)境的因素外，如果假定水泵的效率完全相同，那么6效MED系統(tǒng)所消耗的泵功幾乎是MVC或TVC系統(tǒng)的7.77倍。還需要說明的是，根據(jù)表2給出的方案，不論是MVC系統(tǒng)還是TVC系統(tǒng)，都是正壓運(yùn)行的，不需要為維持系統(tǒng)的負(fù)壓狀態(tài)而付出額外的功。而6效MED系統(tǒng)必須在較高的負(fù)壓狀態(tài)下工作（末效即第6效的蒸發(fā)絕對壓強(qiáng)只有0.031 2MPa。顯然，為了維持系統(tǒng)的這一真空狀態(tài)，必須付出額外的電功。當(dāng)然，這3種系統(tǒng)的復(fù)雜程度也不一樣。MED系統(tǒng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其他兩個系統(tǒng)復(fù)雜。顯然，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也是在進(jìn)行工藝選擇時必須考慮的主要因素之一。根據(jù)以上技術(shù)特點(diǎn)最后將3種不同蒸發(fā)工藝和傳統(tǒng)蒸發(fā)器工藝特點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果如表3所示。

表3　 4種蒸發(fā)工藝性能對比

表3分析了能耗、占地面積、對產(chǎn)品質(zhì)量影響、利用能源種類、自動控制程度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，通過對比可以看出，MVC蒸發(fā)器在能耗方面和自動化程度以及穩(wěn)定性上，都占據(jù)絕對優(yōu)勢。

3.2經(jīng)濟(jì)評價

為了比較各個工藝運(yùn)行的成本及投資成本，按照設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了完備的經(jīng)濟(jì)性評價。主要包括設(shè)備投資，其中設(shè)備主要包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、蒸汽壓縮機(jī)、凈化水泵、循環(huán)水泵、噴射器。運(yùn)行成本主要包括用電、阻垢劑、人工費(fèi)用以及設(shè)備的維修折舊。其中工藝每年工作8 000 h。固定資產(chǎn)的折舊年限為15 a，職工福利費(fèi)用為工資的20%。固定資產(chǎn)殘值為4%，維修費(fèi)用為初投資5%。最后將各個工藝計算所得初投資及運(yùn)行成本列于表4。

可以看出：

（1）從初投資的角度考慮，MED系統(tǒng)耗資最多，MVC工藝次之，TVC系統(tǒng)投資最少，約為MED系統(tǒng)的一半左右。

（2）從運(yùn)行成本的角度出發(fā)，若考慮蒸汽成本，則TVC耗廢蒸汽最多，因此其運(yùn)行成本最高，MED系統(tǒng)耗汽約為TVC的一半左右，因此運(yùn)行費(fèi)用也為TVC工藝的一半左右，MVC系統(tǒng)耗費(fèi)電能少，總體運(yùn)行費(fèi)用也最低。若不考慮蒸汽的費(fèi)用，TVC成本最低（約為2.19元/t）；MED成本次之（約為3.78元/t），此時無論是投資成本還是運(yùn)行成本，MVC較之TVC都不占優(yōu)勢。

綜合上面的分析，根據(jù)油田污水淡化規(guī)模要求一般較小和必須分散布置的前提下，若不考慮設(shè)備投資成本，那么：（1）對于蒸汽資源緊張，價格昂貴，但是有充足電力供應(yīng)且電價便宜的場合，可以優(yōu)先選用MVC系統(tǒng)；（2）如果有大量廢棄的高參數(shù)蒸汽（壓強(qiáng)最好在1MPa左右），那么應(yīng)該優(yōu)先考慮選用TVC系統(tǒng)；（3）如果有足夠的廢蒸汽（壓強(qiáng)在0.2～0.3 MPa的蒸汽），那么可以考慮采用MED系統(tǒng)。

表4　不同工藝生產(chǎn)清水（5 000 t/d）設(shè)備投資及成本比較

4　結(jié)論

（1）通過對比分析指出，離子交換進(jìn)水要求高，適合作為終端除硬工藝；電滲析法除鹽不徹底，可作為初級脫鹽工藝；雙膜工藝對于能耗低、脫鹽效果好，但對于高鹽污水面臨生物活性低、易污染等特點(diǎn)。

（2）蒸餾工藝出水水質(zhì)好，產(chǎn)水率穩(wěn)定，不受含鹽量影響，同時可以充分利用污水自身余熱，特別適合高鹽高硬污水深度脫鹽處理。

（3）對于電價便宜的區(qū)塊，污水脫鹽優(yōu)先考慮MVC系統(tǒng)；對于現(xiàn)場有一定量廢蒸汽場合，可采用MED工藝；對于具有足夠高壓蒸汽的場合，采用TVC為首選方案。

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Optim ization of the projecton the desalination technology ofwastewater containing heavy oilw ith high salinity and high hardness

Yang Yuanliang1，Wang Hui2，Zhang Jian2，Pang Huizhong2，Gu Meixia2，SongWenfang3
（1.Sinopec ShengliOilfield Xin Chun Oil Production Plant，Dongying257000，China；2.Sinopec Energy and EnvironmentalEngineering Technology Co.，Ltd.，Dongying257062，China；3.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing100083，China）

Based on the demand for the recycling ofwastewater containing heavy oil with high salinity and high hardness，distillation methods have been compared and selected as the preferred project in consideration ofwater quality standard of steam injection boilers.According to the premise that the water quality and water production scale are the same，distillation technologies，such as MVC，TVC，MED，etc.，are used respectively in the desalination equipmentdesign.The equipmentsizes，public demands，power consumption，etc.are compared.In addition，investmentand running costsare evaluated comprehensively.The results show thatMVC isespecially suitable for the regionswhere electricity price is cheap and steam expensive，MED ismore economical for the regionswhere there is lotsofwaste steam，and TVC is suitable for the regionswhere high pressure steam is cheap.

high salinity and hardness；heavy oil-bearingwastewater；desalination technology；MVC；TVC；MED

X703

A

1005-829X（2016）07-0090-04

國家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05017-004-HZ01）；中石化集團(tuán)公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（JP13021）；中石化勝利油田博士后課題（GKB1301）。

楊元亮（1967—），博士，高級工程師。電話：15254646795，E-mail：jianxinxia@sina.com。

2016-05-24（修改稿）