高含鹽氣田采出水霧化蒸發減量現場試驗

唐志偉

(中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083)

0 引言

隨著常規、非常規氣田的大規模開發，由此產生了大量的氣田采出水。氣田采出水中含有二氧化硅、油、懸浮物和可溶性鹽類等，因環保要求無法直接排放，一般對其進行回用處理，針對工業濃鹽水處理工藝主要為膜法和熱蒸餾法[1-2]。膜法脫鹽具有效率高、能耗低的優點，但是對除油、懸浮物、鈣鎂等預處理效果要求較高；熱蒸餾法最成熟、應用最廣，但存在能耗高、腐蝕結垢嚴重等問題，因此提出霧化蒸發減量方法以減少熱蒸餾法的處理水量，從而降低生產總成本[3-6]。

1 試驗裝置

霧化是利用動能將液體轉變為小液滴的過程，以便小液滴與空氣快速混合并蒸發[7-8]。綜合分析現有技術的優缺點，探索將霧化蒸發應用于高含鹽氣田采出水減量處理。為了更好地設計計算蒸發裝置的結構、工藝參數，需要掌握不同溫度、風速、進液量、液滴直徑、噴嘴結構條件下高含鹽采出水液滴運動、霧化和鹽分析出規律，分析霧化蒸發減量的可行性和主要影響因素，因此在某氣田現場搭建小試試驗裝置開展試驗[9-11]。

霧化蒸發試驗裝置結構示意圖如圖1所示，其設計思路和工作原理為：裝置將采出水通過泵加壓輸送至空氣霧化噴嘴，同時利用空氣壓縮機將空氣輸送至空氣霧化噴嘴，采出水和空氣兩相在空氣霧化噴嘴處混合，采出水霧化至50～100 μm的液滴，同時裝置通過負壓風機將裝置外部空氣吸入裝置內部，空氣與裝置內部的霧團進行熱量交換，將部分采出水霧團蒸發，最后裝置將剩余未蒸發的采出水進行收集和計量。裝置的其他功能為采出水溫度、壓力測量與控制，空氣溫度、濕度、風速測量與控制。

圖1 霧化蒸發試驗裝置結構示意圖

霧化蒸發試驗裝置主要裝備部件為蒸發裝置主體、采出水霧化裝置、采出水溫度控制裝置、空氣溫度風量控制裝置等。主體之外配備閥門、液體流量計、采出水泵和空壓裝置等。裝置設計能力為采出水霧化能力30 L/h；空壓機供氣壓力0.8 MPa、流量200 L/min；采出水泵供水壓力為0.55 MPa、流量156 L/h。

裝置核心部件空氣霧化噴頭的安裝流程示意圖如圖2所示。空氣從氣體管路進入，依次經過空氣開關閥、空氣過濾器、空氣調節器、壓力表到達空氣霧化噴嘴，試驗水樣從液體管路進入，依次經過液體開關閥、液體過濾器、液壓調節器、壓力表到達空氣霧化噴嘴，空氣和試驗水樣在空氣霧化噴嘴處匯合，通過噴嘴的結構將連續液體霧化成液滴，可以通過調節、更換噴嘴得到所需直徑的液滴。

圖2 霧化噴嘴安裝示意圖

圖3 為霧化蒸發試驗裝置實物圖(3 m×3 m×4 m)，左上方和左側分別布置負壓引風機，右側為門，打開敞口后，便于空氣從右側進入霧化蒸發器，與霧化噴頭排出的液滴充分接觸，實現換熱蒸發，通過推拉窗戶可以觀看其霧化情況與液霧運動情況。沒有完成蒸發的液滴落地后，通過向右的流水斜坡進入埋地水桶，實現測量，通過體積差值比例得到蒸發效率。

圖3 霧化蒸發試驗裝置實物圖

2 試驗方案

(1)檢測方法

蒸發速率：體積差；流場：煙痕法；水樣：自來水+鹽+葡萄糖(模擬COD)；裝置內外定點溫濕度：TSI多功能檢測儀；霧滴直徑：水敏紙法+顯微鏡。

(2)對不同運行參數進行試驗

主要對不同的霧化液滴直徑以及不同的風速進行試驗，霧化液滴直徑為50、100、150、200、300 μm，風速為0.4、0.6、0.8 m/s。

(3)對不同天氣環境進行試驗

氣溫：21～32 ℃；濕度：25%～81.5%；水溫：30、40、50 ℃。

3 現場試驗結果與認識

(1)對運行條件的認識

水溫：蒸發所需的水溫要求并不苛刻，不需要較高的水溫就可以達到較好的蒸發效果。當水溫在20～40 ℃范圍內提升時，水溫每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸發率提升10%，這是因為水溫的提高給液滴提供了更多的熱能，加快了分子熱運動，有利于實現汽化過程，因此可以利用工業余熱適當提高水溫，為蒸發創造更有利的條件。

鹽度：試驗用水為自來水+鹽+葡萄糖配制的模擬COD水樣，考慮不同鹽度對蒸發效果的影響，試驗結果表明，當鹽度從0 mg/L增加到7×104mg/L的過程中，不同工況下蒸發效果普遍變差，蒸發率下降約10%，同時也可以看出，即使鹽度達到7×104mg/L的高值，蒸發率下降10%的幅度并不十分明顯，完全可以通過提高空氣溫度、降低空氣濕度、提高水溫等措施彌補、改善總體的蒸發效果。

霧化液滴直徑：當霧化液滴直徑在150 μm以下時比直徑處于200～300 μm的蒸發量提高30%，即相同時間內可以增加30%的蒸發量，因此獲得最佳的霧化液滴直徑范圍為100～150 μm。

(2)獲得防污染參數

圖4為試驗時現場的霧化蒸發效果圖，試驗用水經過充分霧化后，在引風機的作用下，比較均勻地分布在霧化蒸發器中，為液霧的充分蒸發打下基礎。圖5為引風機出口圖，肉眼未見到明顯的白色液霧被抽吸出霧化蒸發試驗裝置。

圖4 霧化蒸發效果圖

圖5 引風機出口圖

在不同空氣溫度、空氣濕度、霧化液滴直徑、水溫的試驗中，引風機出口氣體中的VOCs含量都接近天然本底值，說明蒸發效果較好，也驗證了裝置在防霧滴漂移上的有效性，兼顧蒸發率和防霧滴漂移的最佳霧化液滴直徑為100～150 μm，風速≤0.4 m/s。

(3)制作蒸發效果關系圖版

圖6為試驗裝置蒸發效果與空氣溫度、濕度的關系圖版。從試驗結果可知，當空氣溫度＞20 ℃、空氣濕度在0～42%時，蒸發率＞88%；當環境溫度＞20 ℃、空氣濕度在0～81.5%時，蒸發率＞64%。也就是說，即使空氣濕度處于較高水平，所設計搭建的霧化蒸發裝置結構也可以為霧化液滴提供很好的流動效果，使其產生＞64%的蒸發效果，即減量效果＞64%，蒸發減量效果非常明顯。

圖6 試驗裝置蒸發效果關系圖版

當冬天空氣溫度較低時(＜20 ℃)，為確保裝置連續運行，可以通過換熱器利用工業余熱將空氣升溫至30～40 ℃進入霧化蒸發器中，以確保蒸發效果。

4 結論

本文搭建霧化蒸發試驗裝置，研究不同試驗條件對蒸發效果的影響，結果表明水溫每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸發效果提升10%；鹽度從0 mg/L增加到7×104mg/L時，蒸發效果降低10%；霧化液滴直徑在150 μm以下比200～300 μm范圍蒸發量增加30%。驗證了裝置在防霧滴漂移上的有效性，兼顧蒸發率和防霧滴漂移的最佳直徑為100～150 μm，最佳風速≤0.4 m/s。