應用空氣蒸發技術處理超稠油油田凈化污水試驗

鐘良 馬占江 竇玉明 趙建華 楊宇堯 閆海龍 蘇立輝

新疆油田風城作業區

稠油開發采出水中含有油、固體雜質、不凝氣體和可溶性鹽類以及化學助劑等多種組分，普遍存在有機物種類雜、礦化度高、含油量高、成垢離子含量高等特征，水質特性主要表現為“高溫度、高硬度、高含硅、高含鹽”的特點[1]。新疆某稠油油田采出水經“除油—混凝沉降—除硅—二級過濾—軟化除氧”處理后回用注汽鍋爐。隨著稠油開發逐步進入后期，采出液含水率大幅提高，僅通過回用鍋爐或回注地層的手段以期達到注采平衡目標已不切實際。同時，在超稠油熱采過程中，以SAGD開采為例，地面系統能耗大、余熱資源利用能力低、水—熱不平衡嚴重。一方面在各采油站相繼建立了大量空氣冷卻器對多余廢熱蒸汽進行冷凝，不但耗資、耗能，且致使大量熱能未得到有效利用；另一方面待處理高鹽廢水量逐年累積并增大，鍋爐卻因給水含鹽制約仍需要引入大量清水做補充。

面對上述矛盾，采用高過熱度鍋爐，采取無鹽或低鹽水供給鍋爐，科學控制注汽過熱度，在提高超稠油開采油-汽比的同時致使采出污水大幅減量，是提升注采效率、減少外排污水的有效方法之一。正是基于超稠油熱采綜合效益考慮，多效蒸發技術[2]、MVR/MVC蒸發技術近年來在油田采出水處理中方才逐步得到推廣應用。

鑒于上述認識，在新疆某超稠油開發油田開展了空氣蒸發科研試驗。利用原本利用價值甚微的采出液攜帶的低品質蒸汽（溫度≤110 ℃），對高含硅、高含硬的凈化污水進行處理，在回收部分廢熱的同時，低成本生產冷凝水替代清水補水供給鍋爐。

1 蒸發技術對比分析

1.1 MVC蒸發技術

MVR 蒸發技術（也稱蒸汽機械再壓縮MVC 蒸發技術[3]）原理是利用機械式壓縮機（或風機）將循環濃縮液蒸發出的二次蒸汽再壓縮，該壓縮過程可視同等熵壓縮過程，壓縮后的蒸汽得以升溫。升溫后的蒸汽與循環濃縮液存在一定換熱溫差，作為熱源進入熱交換室加熱循環濃縮液，蒸汽放熱相變成冷凝水排出。被加熱的濃縮循環液經換熱、吸收汽化潛熱后大部分汽化，汽化出的二次蒸汽再次進入壓縮機，小部分濃縮液進入排污系統。

壓縮機功耗可視為等于提高蒸汽溫升所需要的焓值，在常規壓縮溫升范圍內，該部分能量僅為系統中因蒸汽升溫而被利用的汽化潛熱的2‰～5‰。如果在工藝設計合理的條件下，系統不需要補充蒸汽，因此在計入蒸汽費用的前提下，相比傳統多效蒸發工藝，運行成本較低。新疆油田公司2013 年在風城油田開展了10 t/h MVC 蒸發的中試項目，2020 年9 月，新建國內最大的利用MVC 降膜板式蒸發工藝處理油田凈化污水項目投產運行，產水量為3 500 t/d，產水率90%。

MVR 對進水有一定要求，最基本的要求是進水須為軟化凈化水，但可以適量含硅。該技術處理污水的主要成本由折舊和電費構成，因此該技術在電價相對低廉的地區更適合推廣應用。在新疆地區，單臺處理量為2 000 m3/d 時，經濟性價比接近曲線最低點。

在稠油油田已有的各類污水處理工藝中，MVR 技術能最大程度地利用超稠油油田凈化污水自身的顯熱，成為提高鍋爐供水水質的最有效技術之一，可大幅度提高稠油開采油汽比。

1.2 多效蒸發技術

多效蒸發技術[4]是一種以蒸汽為熱源，且蒸汽可以多次（效）重復利用的傳統蒸發工藝。就某一特定效數的多效蒸發裝置而言，其各單效的蒸汽利用效率隨效數次序的增大而減小；多效蒸發裝置的效數在一定程度上決定了蒸汽總體利用效率的高低，效數越多蒸汽利用效率越高，多效蒸發產水單位耗汽量隨效數增多而減少，單位電耗隨效數增多而加大。綜合考慮總體效率與投資之間的關系，通常蒸汽耗量與冷凝水的比值為1∶3～1∶2.5。此外，蒸發效數越多，最終乏汽溫度越低，即需要更多量的冷卻水。多效蒸發的特性決定了該技術不適合于蒸汽價格較高地區以及水資源緊缺的地區。新疆油田由于水資源匱乏，加之需要冷卻的廢熱量巨大，常規的多效蒸發無法替代MVR 蒸發工藝[5-6]。對于存在大量高品質廢蒸汽且又有豐富水資源的地區，多效蒸發技術仍然有巨大的應用價值。

1.3 空氣蒸發技術

空氣蒸發技術是基于道爾頓分壓定律，在特定工況下，通過氣體的“升溫增濕-降溫減濕”過程，從而實現污水蒸發濃縮及冷凝水析出，原理見圖1[7]。空氣蒸發技術本質上是利用空氣在不同溫度下飽和含濕量不同的特性（圖2），通過熱水和空氣的直接接觸交換熱量，氣液界面兩側的分壓隨空氣溫度變化而變化，這一變化的壓差是水分子向空氣中運移即傳質的動力。在空氣蒸發過程中，空氣和水之間建立起的“傳熱→傳質”的關系沿蒸發塔豎向是一個變量，過程較為復雜[8]。雖然空氣蒸發技術的基本原理、工藝流程都較為簡單，但也只是近幾年才在國外特定行業興起，在國內應用更是甚少。其原因有二：一是在沒有廢熱的情況下，空氣蒸發相對于其他形式的蒸發成本要高；二是一直以來人們對空氣蒸發特性認識不足，沒有發現其廣泛適宜于水質復雜、容易結垢、沸點溫升大等特殊污水的減排處理這一優勢。

圖1 空氣蒸發原理Fig.1 Principle of air evaporation

圖2 飽和含濕量溫度-含水曲線Fig.2 Saturated moisture content temperature-water content curve

目前國內空氣蒸發技術主要應用于海水淡化，通過將蒸發與冷凝過程耦合，提高海水淡化工藝的整體熱效率。空氣從蒸發器冷端進入，鹽水發生汽化，空氣增濕[9-10]；然后濕熱的空氣進入冷凝器發生冷凝；最后去濕的空氣和凝結產生的淡水排出冷凝器[11]。

1.4 蒸發工藝對比

多效蒸發、MVR、空氣蒸發的各項性能指標對比如表1所示。由于影響具體性能指標的參數很多、且交織作用，因此表中只作定性說明。

從表1 對比可知：空氣蒸發主要優點是投資低、電耗低，對污水適應性強，不會因沸點溫升而增大投資或電耗；缺點是同樣蒸發量的條件下，需要蒸汽消耗量大，乏汽冷量需求大。而在超稠油油田開發過程中，低品質蒸汽（≤110 ℃）數量巨大，且這些低品質蒸汽本身也是通過空冷系統提供的冷源進行冷卻。因此，在超稠油油田利用已有的蒸汽資源與空冷設施進行空氣蒸發水處理，既充分地發揮了空氣蒸發的優點，又避開了空氣蒸發的缺點，是一舉多得的挖潛增效措施。

表1 蒸發工藝原理及適用特點對比Tab.1 Comparison of evaporation process principle and applicable characteristics

2 空氣蒸發試驗工藝流程

空氣蒸發工藝流程如圖3 所示。溫度為10～25 ℃的凈化污水由進料泵進入系統與循環液摻混后，再經過板式換熱器與蒸汽換熱升溫至85～90 ℃，升溫的污水進入蒸發塔上部，在蒸發塔內與底部吹入的空氣進行“傳熱→傳質”，從而實現蒸發濃縮，濃縮到設計濃度之后排出。加熱蒸汽在板式換熱器內與濃水換熱之后凝結為冷凝水排出。與蒸發量成一定比例的干燥空氣由風機從蒸發塔底部吹入，在蒸發塔內逆流而上，完成“傳熱→傳質”之后到達塔項的濕空氣溫度為80～85 ℃，濕度為95%～100%。

圖3 空氣蒸發工藝流程Fig.3 Air evaporation process flow

高溫濕空氣從蒸發塔頂排出后進入噴淋冷凝塔下部，在噴淋冷凝塔中與循環冷源換熱，得到冷卻的濕空氣經過相變之后析出冷凝水，溫度為45～50 ℃、濕度為100%的濕飽和空氣最終由冷凝塔塔頂排出。在工業應用中，冷凝塔排出的濕飽和空氣可作為空氣源循環利用。

試驗中，考慮節約投資，并考慮空冷器應用在油田屬于成熟技術，噴淋冷凝塔所用循環冷卻水由冷水塔提供，因此空氣蒸發收集到的冷凝水又通過涼水塔排出，沒有進行回收。

試驗中的主要計量監測儀表有空氣濕度測試儀、流量計、循環水流量計、濃水外排流量計、蒸汽冷凝水流量計，進風溫度計、蒸發塔和冷凝塔各部位溫度及壓力計，風機及各類機泵進出口壓力計、蒸發塔冷凝塔液位計等。后期試驗中，在蒸發塔頂部的出風管上加裝了閉式空氣濕度檢測取樣器（圖4），其主要由空氣體積流量計、空冷器、壓力表、溫度計以及量杯組成。

圖4 空氣濕度檢測取樣裝置Fig.4 Air humidity detection and sampling device

3 空氣蒸發設備選型

空氣蒸發技術在國外已有成熟應用，通過合理的參數匹配，可實現良好的蒸發效果。影響空氣蒸發量的因素很多，如塔直徑、塔填料選擇及有效換熱高程、噴淋水溫度、進氣量、循環量等，上述所有因素對蒸發量的最終影響體現在蒸發塔出氣溫度和濕度上。在諸多影響因素中，塔直徑、塔填料選型及有效換熱高程稱之為“不變影響因素”，裝置一旦建成，這些因素對蒸發的影響即已確定。進氣量、進氣溫度、循環量、循環溫度等因素稱之為“可變影響因素”，這些參數在實踐過程中是可以調節匹配，以得到單位塔截面積下最大蒸發量（t/m2·h）。因此，采用空氣蒸發技術處理污水在工藝設計時，每個設備的選型均至關重要。試驗所用工藝中的各個設備選擇參數見表2。

表2 空氣蒸發試驗工藝所用主要設備Tab.2 Main equipment for air evaporation test process

4 空氣蒸發試驗

空氣蒸發試驗歷時2 年，共分為3 個階段，分別選擇在夏、秋、冬三季進行。夏季試驗期最高溫度39 ℃，冬季試驗期最低溫度-14 ℃。整個試驗內容包括不同運行參數對蒸發效率的影響、不同進水水質（含鹽量與硬度不同）對蒸發效率的影響、不同試驗條件下出水水質與出水量的監測分析等三個方面的研究。

空氣蒸發在油田、化工水處理應用尚處摸索階段，目前還沒有一個系統性的設計規范及標準，很多設計參數系數尚待在試驗中總結歸納。為此，試驗期間，項目組分別開展了環境空氣溫度對蒸發量的影響、蒸發塔噴淋口出水溫度對蒸發量的影響、循環水沸點溫升對空氣蒸發的影響、風量與塔頂空氣溫度之間的關系、循環量與塔頂空氣溫度之間的關系、風量與塔頂濕度的關系、風量-循環量-噴淋溫度之間的最佳匹配原則、蒸發塔與填料抗結垢堵塞試驗等方面的試驗研究。

在空氣蒸發試驗過程中，最初試驗進水為鍋爐排污水與高溫RO膜濃水的混合水（表3），后續幾個階段的試驗中分別針對MVR 濃水、未除硅高含硬的凈化污水進行了蒸發試驗。試驗研究過程中，產水量與產水水質的變化一直作為試驗的監測核心，試驗研究分析數據見表4和表5。

表3 空氣蒸發項目進水水質Tab.3 Influent water quality of air evaporation project mg/L

表4 產水量及能耗數據Tab.4 Water production amount and energy consumption data

表5 產水水質參數Tab.5 Water production quality parameters mg/L

通過對MVR 進水、出水以及采出液凈化污水三種水進行試驗，該試驗裝置產水指標遠優于過熱鍋爐進水指標，目前試驗所在油田過熱鍋爐過熱段進口蒸汽礦化度約250 mg/L 左右。在最佳工況下，空氣蒸發試驗裝置最大產冷凝水量均可達到2.5 t/h，單位蒸發塔截面積的蒸發量為1.25 t/m2·h。

通過大量的試驗數據可總結出影響蒸發效率的因素由大到小排序為：噴淋出口溫度、風量、循環量、進氣溫度、進氣溫度。影響單位投資成本的主要因素依次為：塔高、塔截面積、填料。影響產水單位能耗的主要因素為：風量與循環量。

通過對空氣蒸發試驗獲得其他突破性認識包括：風機頻率一定時進氣溫度變化對蒸發影響不大，循環水沸點溫升對空氣蒸發影響甚微等。此外，還總結出了在采用空氣蒸發技術時的設計原則：首先優選填料、優化填料分級及蒸發塔的高徑比，其次在蒸發塔尺寸和填料確定的情況下，根據蒸汽量確定最佳循環量與塔頂溫度，在此基礎上進一步選擇合適的風量。

試驗期間，除了常規性能試驗，還針對一些特殊特性污水進行了試驗。通過對強發泡性污水試驗篩選出了抗高強度循環的消泡劑品種；通過對高含鹽（≥15 000 mg/L）、高含硬（≥40 mg/L）污水試驗，其出水水質、蒸發效率與采出液凈化軟化污水一致（含鹽≤5 000 mg/L，含硬≤1 mg/L），證明了空氣蒸發工藝對MVR 外排濃鹽水及高含硅凈化污水的適用性。

5 結論

（1）通過空氣蒸發在油田的系統性試驗研究，證明了充分利用超稠油油田低品質廢熱量大的特點，應用空氣蒸發技術處理超稠油油田凈化污水，技術可行且具有較高的性價比。其投資約為MVR的30%左右，單位電耗為多效蒸發的33%～50%。

（2）面對處理量等運行參數變化時，空氣蒸發具有操作彈性大、對進水物料濃度及物料成分變化適應性強等特點。且空氣蒸發基本不受沸點溫升影響，能夠以相對低的成本處理濃鹽水。單套裝置規模可大可小，適合熱能分布較分散的工況下應用。

（3）工程應用設計時，應首先優選填料、優化填料分級及蒸發塔的高徑比；其次在蒸發塔尺寸和填料確定的情況下，根據蒸汽量確定最佳循環量與塔頂溫度，在此基礎上進一步選擇合適的風量。

（4）在進行空氣蒸發可行性研究或經濟性評估時，建議汽水采出比按1∶0.95、電耗按6 kWh/t考慮；其他相關參數推薦如下：循環倍數40 左右，蒸發塔高徑比3～8，填料以親水性改性PC 材料最佳。