低溫蒸餾應(yīng)用于油田采出水回用問(wèn)題的試驗(yàn)研究

尹立輝，邵天寶，張令品，韓克鑫，馮 濤，李 露

(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192)

1 前言

油田開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含油污水，原油綜合含水率一般高達(dá)80%[1]，國(guó)家對(duì)于環(huán)境保護(hù)工作日趨嚴(yán)格，采油污水治理工作形式嚴(yán)峻。油田采出水是一個(gè)多組分的復(fù)雜體系，雖然各個(gè)油田的油田采出水水質(zhì)不盡相同，但都有含多種有機(jī)物、礦化度高、含油量高、含微生物、含大量成垢離子、懸浮物含量高等特點(diǎn)[2]。含油污水經(jīng)過(guò)處理后用于地層回注、達(dá)標(biāo)排放[3-4]和回用，而隨著石油產(chǎn)量的提升，我國(guó)各油田逐步擴(kuò)大了稠油蒸汽采的規(guī)模，這意味著在油田開(kāi)采過(guò)程中需要大量消耗淡水資源，若大量使用地下水會(huì)造成地下水過(guò)度開(kāi)采，從環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)看，最有效的處置方法是將其處理后回送至熱采鍋爐，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用[5-7]。

經(jīng)過(guò)預(yù)處理的油田采出水為高含鹽廢水，回用處理的關(guān)鍵是脫鹽。對(duì)于礦化度在4 000 mg/L以下、總硬度300 mg/L以下的采出水適用于采用離子交換軟化技術(shù)[8]，而礦化度及總硬度較高的含油污水不適合采用該技術(shù)。有應(yīng)用表明高含鹽廢水經(jīng)過(guò)三效蒸發(fā)器濃縮結(jié)晶后，可處理含鹽量3.5%～25%、COD濃度在2 000 mg /L～300 000 mg /L的廢水，最終淡化水可返回生產(chǎn)系統(tǒng)替代軟化水加以利用[9]。勝利油田將采油污水采用機(jī)械壓縮蒸發(fā)技術(shù)處理的室內(nèi)試驗(yàn)，處理后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)可達(dá)到注汽鍋爐用水要求，產(chǎn)水率高達(dá)90%[10]。而低溫蒸餾工藝在海水淡化及高含鹽廢水方面應(yīng)用成熟，對(duì)進(jìn)水的預(yù)處理要求相對(duì)較低，產(chǎn)水水質(zhì)好且穩(wěn)定。豎管降膜蒸發(fā)的研究表明，采油污水的回收率可達(dá)98%，產(chǎn)水可回用于熱采鍋爐補(bǔ)水，經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行成本優(yōu)于傳統(tǒng)的軟化處理技術(shù)，更容易實(shí)現(xiàn)零液體排放[11]。通過(guò)低溫多效橫管降膜蒸發(fā)對(duì)采油污水進(jìn)入蒸發(fā)器的水質(zhì)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明進(jìn)入蒸發(fā)器經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的采油廢水含油量和懸浮物不超過(guò)5 mg/L，否則換熱器表面會(huì)粘掛污物[12]。

上述的研究成果表明，低溫蒸餾技術(shù)對(duì)采油污水的處理回用適應(yīng)性較強(qiáng)，但對(duì)采油高含鹽廢水采用低溫蒸餾技術(shù)回用的問(wèn)題探究較少。文章以新疆某油田經(jīng)過(guò)除油、除懸、化學(xué)改性等一系列預(yù)處理工藝后的三次采油采出水為研究對(duì)象(預(yù)處理后的水質(zhì)見(jiàn)表1)，通過(guò)低溫蒸餾工藝對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察了低溫蒸餾系統(tǒng)處理油田污水的穩(wěn)定性，對(duì)單效水平管降膜蒸發(fā)器的傳熱性能、水回收率以及傳熱管結(jié)垢情況進(jìn)行了分析，以期為采油污水采用低溫蒸餾技術(shù)回用的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考和借鑒。

表1 預(yù)處理后油田采出水水質(zhì)分析Tab.1 Analysis of produced water of oilfield after pretreatment

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及理論分析

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成及流程

預(yù)處理后油田采出水水質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可以得知預(yù)處理后的油田采出水具有高含鹽的特點(diǎn)，溶解性固體含量達(dá)23 150 mg/L。采出水中部分離子濃度較高，其中Cl-高達(dá)13 780 mg/L，其對(duì)金屬表面形成的保護(hù)膜穿透力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的腐蝕性。同時(shí)，其中含有大量的易結(jié)垢離子，如Ca2+、Mg2+、Ba2+、Sr2+等，其含量遠(yuǎn)高于采油鍋爐用水的水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，這些結(jié)垢離子的存在會(huì)使蒸發(fā)系統(tǒng)存在結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，且主要為以非碳酸鹽形式結(jié)垢析出，較難去除。為試驗(yàn)該油田采出水在低溫蒸發(fā)過(guò)程的傳熱特性及結(jié)垢趨勢(shì)，設(shè)計(jì)和搭建單效蒸發(fā)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成及流程圖如圖1所示。

試驗(yàn)平臺(tái)主要由一次蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、采油污水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)以及抽真空系統(tǒng)組成。一次蒸汽循環(huán)系統(tǒng)為蒸汽發(fā)生器(1)提供蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器傳熱管加熱管外污水料液薄膜，冷凝后經(jīng)計(jì)量裝置(12)后返回蒸汽發(fā)生器，而部分未凝結(jié)蒸汽則通過(guò)冷卻水系統(tǒng)換熱器(7)冷凝并計(jì)量(9)，冷凝后被真空泵(11)抽出；采油污水循環(huán)系統(tǒng)中污水通過(guò)循環(huán)水箱(3)被循環(huán)泵(4、5)送入蒸發(fā)器(2)，并在傳熱管外形成均勻液膜，蒸發(fā)產(chǎn)生二次的蒸汽進(jìn)入換熱器(6)冷凝并計(jì)量(8)被真空泵(10)抽出系統(tǒng)，而未蒸發(fā)的污水料液經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器底部返回循環(huán)水箱。

試驗(yàn)平臺(tái)采用水平管降膜蒸發(fā)器，外形為長(zhǎng)方臥式容器，傳熱管采用正三角形排列，共6層29支，以保證管外污水布液均勻，如圖2。試驗(yàn)采用316 L的薄壁不銹鋼管，規(guī)格為Φ25 mm×2.0 mm。蒸發(fā)器兩側(cè)均裝視窗，增強(qiáng)其可視性，可隨時(shí)對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)部的布液狀況、腐蝕及結(jié)垢情況進(jìn)行觀察與監(jiān)測(cè)。

圖2 水平管布置圖Fig.2 Layout of horizontal pipes

2.2 過(guò)程理論分析

在試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)中的溫度、流量及壓力等數(shù)據(jù)均通過(guò)遠(yuǎn)傳儀表采集，數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)保存，動(dòng)態(tài)顯示自動(dòng)保存。試驗(yàn)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器內(nèi)部蒸汽凝結(jié)放熱量Q0為：

Q0=G0γ

(1)

污水蒸發(fā)吸熱量Q1：

Q1=G1(hg-hw)

(2)

蒸發(fā)器傳熱溫差Δt：

Δt=T1-T2

(3)

污水噴淋密度Γ：

(4)

蒸發(fā)器傳熱系數(shù)K：

(5)

3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

水試驗(yàn)系統(tǒng)的污水噴淋密度和蒸發(fā)傳熱溫差都影響著平臺(tái)能否穩(wěn)定運(yùn)行，為確定合理的試驗(yàn)運(yùn)行工況條件，該試驗(yàn)先通過(guò)控制一次蒸汽及污水循環(huán)系統(tǒng)的真空度，得到不同的傳熱溫差工況，通過(guò)控制循環(huán)泵流量得到不同的噴淋密度，分析其對(duì)系統(tǒng)傳熱性能的影響，確定試驗(yàn)運(yùn)行工況條件。后在同一運(yùn)行工況條件下對(duì)采油污水低溫蒸發(fā)過(guò)程中的傳熱特性、回收率及結(jié)垢情況等進(jìn)行探討分析，過(guò)程中采用采油污水和超純水作為相應(yīng)試驗(yàn)的補(bǔ)水。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

單效水平管降膜蒸發(fā)的噴淋密度Γ和傳熱溫差Δt對(duì)傳熱系數(shù)K的影響關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.3 Effect of spray density on heat transfer coefficient

圖4 傳熱溫差對(duì)傳熱系數(shù)的影響Fig.4 Effect of heat transfer temperature difference on heat transfer coefficient

傳熱系數(shù)隨著污水噴淋密度的增加呈現(xiàn)先增大后減小又逐漸增大，待噴淋密度超過(guò)0.109 kg/m·s后，液體噴淋密度對(duì)傳熱系數(shù)的影響逐漸變小，傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。主要是由于污水噴淋量很小時(shí)，上下層傳熱管間呈現(xiàn)不連續(xù)液流，部分傳熱管存在干壁區(qū)域，換熱方式存在導(dǎo)熱傳熱方式，隨著液體負(fù)荷增加，傳熱管表面潤(rùn)濕逐漸充分，加劇相變傳熱，熱阻減小，傳熱系數(shù)隨之增加，而污水在換熱管外潤(rùn)濕充分后，在目前試驗(yàn)條件下噴淋量增加到0.152 kg/m·s前，傳熱系數(shù)變化已趨于穩(wěn)定。蒸發(fā)器傳熱系數(shù)隨著傳熱溫差的增大而下降，由于溫差的增大，傳熱管外壁面污水過(guò)熱度增加，降低傳熱效率，而管內(nèi)壁面由于溫差增大，一次蒸汽冷凝液增多，液膜增厚，同時(shí)傳熱管內(nèi)底部冷凝液占據(jù)傳熱面積增大，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)降低，因此蒸發(fā)器總體傳熱系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

試驗(yàn)過(guò)程中為確保低溫蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，平臺(tái)取用噴淋密度0.109 kg/m·s、蒸發(fā)溫度65 ℃、傳熱溫差3.5 ℃的操作條件下進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)的采油污水回收率為50%和67%時(shí)，系統(tǒng)分別連續(xù)運(yùn)行時(shí)間15 d，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，觀察傳熱管外無(wú)污物粘掛，沒(méi)有明顯結(jié)垢趨勢(shì)(圖5)，產(chǎn)水含鹽量介于8 mg/L～15 mg/L之間。

圖5 回收率50%和67%時(shí)傳熱管外結(jié)垢情況Fig.5 Fouling on the outer wall of the heat transfer tube when the recovery rate is 50% or 67%

當(dāng)系統(tǒng)的采油污水回收率調(diào)整到75%時(shí)，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)連續(xù)運(yùn)行，傳熱管外壁逐漸出現(xiàn)明顯的污垢(圖6)，在試驗(yàn)過(guò)程中受傳熱管外污垢附著的影響，產(chǎn)水量出現(xiàn)降低，表明蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)降低，如圖7所示，最后系統(tǒng)的傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，是由于在回收率提高后，采油污水中的結(jié)垢離子結(jié)垢析出在傳熱管外壁，傳熱系數(shù)出現(xiàn)降低，從最初運(yùn)行的3.25 kW/m2·℃降低到2.44 kW/m2·℃，下降了24.9%，隨著污水中結(jié)垢離子濃度的降低傳熱管外壁不再新增污垢，傳熱系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖6 回收率75%時(shí)傳熱管外結(jié)垢情況Fig.6 Fouling on the outer wall of the heat transfer tube when the recovery rate is 75%

圖7 傳熱系數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化情況Fig.7 Change of heat transfer coefficient with test time

3.3 腐蝕與結(jié)垢成分分析

采油污水低溫蒸發(fā)回收率為75%時(shí)，由于未蒸發(fā)部分污水為濃縮水，未能結(jié)垢析出的離子濃度升高，具有較強(qiáng)的腐蝕性。雖然試驗(yàn)平臺(tái)的蒸發(fā)器及傳熱管均為316 L材質(zhì)，但在蒸發(fā)器內(nèi)部焊接處、螺釘連接處發(fā)生了縫隙腐蝕，蒸發(fā)器和傳熱管的劃傷處有不同程度的點(diǎn)腐現(xiàn)象。

表2 污垢的元素組成Tab.2 Elemental composition of scale %

4 結(jié)論與展望

文章以單效低溫蒸發(fā)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的三次油田采出水進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

1)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的油田采出水屬于高含鹽污水，適合采用低溫蒸餾技術(shù)進(jìn)行處理，單效低溫蒸餾產(chǎn)水含鹽量在8 mg/L～15 mg/L，可回用于油田熱采鍋爐。

2)在噴淋密度0.109 kg/m·s、蒸發(fā)溫度65 ℃、傳熱溫差3.5 ℃的試驗(yàn)條件下，回收率為50%和67%時(shí)，系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；回收率提高到75%后，傳熱管外壁面產(chǎn)生含有鋇、鍶和鈣的硫酸鹽及碳酸鹽硬垢，元素分析顯示，其中以難去除的硫酸鹽硬垢為主，且使蒸發(fā)器傳熱系數(shù)降低24.9%，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

3)隨著采油污水回收率提高，未蒸發(fā)污水鹽度升高，體現(xiàn)出較強(qiáng)的腐蝕性，雖然設(shè)備及傳熱管為316 L材質(zhì)，但蒸發(fā)器焊接、螺釘連接處以及蒸發(fā)器和傳熱管的劃傷處均呈現(xiàn)出有不同程度的腐蝕現(xiàn)象。

試驗(yàn)表明低溫蒸發(fā)適用于采油采出水的回用，其產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定且滿足熱采鍋爐的回用要求。在今后的試驗(yàn)研究以及工程應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合油田采出水的水質(zhì)，在低溫蒸餾系統(tǒng)中投加適宜的阻垢劑，在實(shí)現(xiàn)抑制蒸發(fā)器結(jié)垢的同時(shí)提高采油廢水的蒸發(fā)回收率；對(duì)于蒸發(fā)器的腐蝕除了在運(yùn)行過(guò)程中投加緩蝕劑外，低溫蒸餾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選材以及加工制造過(guò)程應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施。蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免縫隙結(jié)構(gòu)和焊接，減少縫隙腐蝕、電化學(xué)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；選材時(shí)蒸發(fā)器本體選用雙相鋼、傳熱管選用鈦合金管材以及避免表面有缺陷的材料等。加工制造過(guò)程中嚴(yán)格酸洗鈍化工藝、保護(hù)不銹鋼表面鈍化膜完整、采用密封劑、減小焊縫熱影響區(qū)并對(duì)焊縫拋光鈍化處理。

符號(hào)說(shuō)明：G0——一次蒸汽凝結(jié)水量，kg/s;γ——一次飽和水蒸氣汽化潛熱，J/g;G1——二次蒸汽凝結(jié)水量，kg/s;hg——二次飽和水蒸汽比焓，J/g;hw——對(duì)應(yīng)溫度飽和水比焓，J/g;T1——一次蒸汽溫度，℃;T2——污水蒸發(fā)溫度，℃;G——傳熱管噴淋水量，kg/s;N——每層傳熱管數(shù)量，支；L——傳熱管有效傳熱長(zhǎng)度，m;A——傳熱面積，m2。