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摘要：采用單級蒸汽機械再壓縮+強制循環(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95%，水處理成本為18.36 元/m3。工業(yè)化試驗結(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現(xiàn)循環(huán)利用，處理過程提取固體氯化鈉鹽后，可避免稠油生產(chǎn)開發(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開采后，為降低開發(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造成熱能浪費，且可使土壤鹽漬化及水體富營養(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)垢嚴重，已極大影響油田生產(chǎn)，需要將鹽從系統(tǒng)提出。蒸汽機械再壓縮技術(shù)(MVR技術(shù))目前已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外海水淡化、制鹽及工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域，基于實際情況將該技術(shù)應(yīng)用于超稠油開采系統(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)
對循環(huán)流化床鍋爐排放的高含鹽水進行了3個輪次的取樣分析，水質(zhì)分析結(jié)果見表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，有一定結(jié)垢趨勢。
表1 水質(zhì)全分析
1.2 高含鹽水溶液的沸點溫升
溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c，這一現(xiàn)象稱為溶液的沸點溫升，沸點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，常壓下測定不同飽和溶液的沸點溫升、溶液的含鹽量，得出燃煤注汽鍋爐排放的高含鹽水的沸點升高為5.5 ℃。
1.3 工藝流程
經(jīng)分析后確定采用單級蒸汽機械再壓縮+強制循環(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)計試驗進水規(guī)模為240 m3/d，處理能力為10 m3/h，總投資為2 970萬元，主要設(shè)備除壓縮機為GE公司外，其余全為國產(chǎn)設(shè)備。
1.4 主要技術(shù)參數(shù)
進料溫度：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 ℃;離心機濾餅附液率：5%;冷卻水用量：8 m3/h，水溫≤20 ℃。
2 裝置運行與分析
2.1 MVR運行情況
① 不同含鹽量濃縮水的處理情況
為分析MVR運行情況,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，具有較強腐蝕性，含油量>15 mg/L、COD>14 000 mg/L，超過國家二級排放標準不能外排;MVR冷凝水是離子含量較低的弱酸性純凈水，滿足《稠油注汽系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(SY/T 0027—2007)中規(guī)定的熱采鍋爐給水的水質(zhì)指標，對于《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》(GB/T 1576—2008)只有pH值指標需要微調(diào)，另外COD指標接近國家二級排放指標，可能是水中易揮發(fā)有機物冷凝所致。
② 運行指標及成本
產(chǎn)生不同含鹽量的濃縮液運行電耗見表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，濃縮液沸點升高，蒸汽壓縮機的能耗隨之上升。實際運行電耗高于設(shè)計值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，增加了能耗。另驗證了單效MVR蒸發(fā)的運行費用比雙效MVR蒸發(fā)低29.2%，能耗低42.2%。
③ 降膜蒸發(fā)板結(jié)垢情況
運行3個月后停機檢修，MVR濃縮液中二氧化硅含量較高，蒸發(fā)濃縮后達到2 400 mg/L左右。打開人孔觀察，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，此時二氧化硅以H3SiO4-形式存在，NaH3SiO4為溶解狀態(tài)。
2.2 強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶運行情況
前段MVR工藝經(jīng)過近10天的連續(xù)運行后，試驗后段強制循環(huán)結(jié)晶工藝，由于飽和鹽液輸送系統(tǒng)設(shè)計及部分設(shè)備選擇問題，不能正常運行。
① 設(shè)備選擇問題:工藝連續(xù)運行時的進料量僅為0.2 t/h，市面上最小臥式活塞推料離心機處理量為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，造成管線堵塞。b.分離器與離心機距離太遠，鹽漿管線太長易發(fā)生鹽堵。c.飽和鹽液輸送管線管徑細、存在90°彎頭，易發(fā)生鹽堵。
③ 改進措施:a.增設(shè)飽和鹽液存儲罐，滿足臥式活塞推料離心機2 h運行量。b.飽和鹽液輸送管線重新調(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
單級蒸汽機械再壓縮只按耗電運行成本分析，按風城油田電價為0.6 元/(kW˙h)計，噸水運行成本為18.36元。強制循環(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,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為4.5元/m3。同時節(jié)約了處理達標外排費為5.5元/m3。噸水產(chǎn)出2 kg鹽，以價值為300元/t計;噸水產(chǎn)生效益為0.6元/t。合計產(chǎn)生效益為14.9元/m3;除去處理達標外排費間接費用也有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，水質(zhì)指標超過國家二級排放標準不能外排，有條件應(yīng)采用強制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶將稠油開發(fā)系統(tǒng)中溶入的鹽分離出來，解決系統(tǒng)中的“鹽害”問題。
③ MVR濃縮水pH值為10～12，此時二氧化硅以H3SiO4-形式存在，設(shè)備板材、附件、管道、泵過流部件未發(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 單級蒸汽機械再壓縮沸點溫升較高，選擇大功率的蒸汽壓縮機能耗較大;建議低礦化度鹽水采用兩級蒸汽機械再壓縮，電耗將降低30%以上。
⑤ 試驗工程電耗超出設(shè)計指標,分析表明電耗隨處理規(guī)模增大而降低。當處理量為15 m3/h時，電耗<20 kW˙h/m3水。
⑥ 根據(jù)來水水質(zhì)特點，通過控制濃縮液濃度，采用不加藥防垢工藝，有效避免蒸發(fā)器結(jié)垢、蒸汽起沫等問題。
⑦ 優(yōu)化了脫氣工藝，MVR工藝前段為對來氣未進行加酸脫氣處理，僅通過蒸發(fā)器外排不凝氣。試驗結(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)器和蒸汽壓縮機的能力，原水含鹽及濃縮液濃度對產(chǎn)水量的影響不大，原水含鹽及濃縮液濃度對出水水質(zhì)沒有影響。隨著濃縮液含鹽量的降低，濃縮液沸點降低，蒸汽壓縮機的能耗降低。
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