【干貨】高鹽高硬稠油污水淡化工藝方案優(yōu)選

將富余污水資源化處理后替代地下清水回用鍋爐，可以保護油區生態(tài)環(huán)境，保證油田節能降耗、用水平衡，滿(mǎn)足油田可持續發(fā)展和創(chuàng )建環(huán)境友好型、資源節約型企業(yè)的當務(wù)之急，也符合油田循環(huán)注采理念。依據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)適應性、工藝可靠性以及投資及運行成本，通過(guò)工藝設計計算，給出了在相同設計條件下不同工藝系統關(guān)鍵設備的關(guān)鍵工藝參數，得出了不同工藝所需要的設備投資和運行成本，并進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟性對比。提出了相應的工藝方案，為油田選擇可行的污水資源化回用處理工藝提供參考。

選取了勝利油田幾個(gè)典型的稠油區塊的采出污水進(jìn)行了水質(zhì)特性總結，并與注汽鍋爐用水標準進(jìn)行了資源化對比，如表 1所示。

表 1 稠油污水水質(zhì)及注汽鍋爐回用標準對比

由表 1可以看出，稠油污水中除了總堿度指標滿(mǎn)足鍋爐回用標準，其他諸如含油、懸浮物、總硬度、礦化度等指標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、破壞設備，且容易堵塞管道，采用常規的預處理技術(shù)諸如化學(xué)、重力、絮凝沉降、氣浮、精細過(guò)濾等過(guò)程即可將其去除掉。而過(guò)高的礦化度和硬度則會(huì )使設備腐蝕、結垢、積鹽，從而降低鍋爐出力、縮短設備壽命。在國內油田沒(méi)有采用常規工藝處理類(lèi)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。

目前國內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。其中離子交換法僅適用于礦化度低于4 000 mg/L，總硬度低于300 mg/L的污水處理，可用于終端除硬。電滲析法對于高礦化度（TDS>10 g/L）油田污水除鹽率低，易出現濃差極化，因此適合于初步脫鹽工藝。雙膜法除鹽率高、占地小、能耗低，但對于高鹽高硬污水，雙膜法產(chǎn)水率低、需深度預處理、污泥量大、易污染、膜要求高、高溫污水需要預先降溫處理，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，國內外的專(zhuān)家學(xué)者提出利用蒸餾法實(shí)現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(lèi)工藝特點(diǎn)是對污水水質(zhì)預處理要求寬松，產(chǎn)出水水質(zhì)好，產(chǎn)率穩定，不受含鹽量影響，同時(shí)可以充分利用污水余熱，產(chǎn)水溫度高，節約鍋爐加熱能耗，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。蒸餾法依據所用能源、設備和流程不同可分為3種：多效蒸發(fā)（MED）、機械壓縮蒸發(fā)（MVC）和熱力壓縮蒸發(fā)（TVC）。

多效蒸發(fā)是一種應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(lái)，除第1效的加熱蒸汽來(lái)自鍋爐外，后續各效的加熱蒸汽均來(lái)自前一效產(chǎn)生的二次蒸汽，因此效數越多，運行能耗越低，但投資會(huì )增加。

壓縮蒸餾是利用壓縮機把蒸發(fā)過(guò)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利用。根據壓縮能量來(lái)源不同將壓縮蒸餾分為機械壓縮（MVC）和熱力壓縮（TVC）。其中機械壓縮不需要外部蒸汽補汽，僅靠機械能轉化為熱能，該類(lèi)工藝過(guò)程效率高、能耗低、過(guò)程不需要冷卻水、結構緊湊。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（蒸汽引射器），代替了熱力學(xué)完善度較高的機械壓縮機，除水泵外它不需要消耗電能，僅用高壓蒸汽的熱能驅動(dòng)，可以直接利用生產(chǎn)中的富余熱能，節省了電能。由于TVC工藝運行簡(jiǎn)單可靠，維護成本低，無(wú)運動(dòng)部件，受到人們的廣泛關(guān)注。

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（污水蒸發(fā)溫度100℃，壓縮機出口蒸汽溫度為107℃，降膜蒸發(fā)器傳熱溫差為7℃）、單效TVC系統（主蒸汽壓強為1 MPa，主蒸汽溫度為180℃，污水蒸發(fā)溫度為100℃，熱力壓縮機蒸汽出口溫度為120℃）及6效MED系統（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℃）的工藝設計模擬計算結果一并列在表 2。

表 2 3種典型蒸餾工藝參數對比

從表 2可以看出：

（1）裝置規模。在相同污水溫度、相同淡水產(chǎn)量的情況下，MED系統所需要的蒸發(fā)傳熱面積最小，而MVC系統和TVC系統的傳熱面積基本上相近。而系統預熱所需預熱傳熱面積MED最大，而MVC系統和TVC系統的預熱面積基本上相當，而MED所需凝汽器傳熱面積較高。總體來(lái)說(shuō)，MVC所需總換熱面積（7 509.3 m2）最小，TVC（8 196.7 m2）次之，MED所需換熱面積（8 272.87 m2）最高，與TVC大致相近。

　　（2）基本能耗。由于3種系統的工作原理并不完全相同，很難用一個(gè)統一的參數進(jìn)行比較。MVC系統的單位電耗為21.06 kW·h/t，TVC系統的當量耗熱為235 kW·h/t，6效MED系統的當量耗熱為122.3 kW·h/t。從這一結果可以看出，即使在MVC系統保持較大傳熱溫差的前提下（計算時(shí)，考慮了壓縮機的效率為65%），仍然以MVC系統的能量消耗最小。當然，MVC系統消耗的主要是電能，而TVC系統和MED系統消耗的主要是蒸汽的熱能。但這一事實(shí)不能改變上面的結論，因為，即使考慮熱能到電能的轉換系數為1/3，MVC系統的等效能耗也只有63.18 kW·h/t，仍然遠遠小于MED系統和TVC系統的等效能耗。需要指出的是，盡管單效TVC系統的當量耗熱明顯大于6效MED系統的，但MED系統付出的代價(jià)是傳熱面積的增大。

（3）系統污水消耗量及其他。對蒸發(fā)法來(lái)說(shuō)，往往需要大量的冷卻水來(lái)帶走系統過(guò)剩的熱量。顯然，系統所需要的冷卻水量越大，相應地所消耗的泵功也就越大，當然，導致系統的能量消耗也會(huì )增大。按表 2給出的結果，6效MED系統、單效TVC系統和單效MVC系統水泵的總污水流量（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(guò)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系統所消耗的泵功幾乎是MVC或TVC系統的7.77倍。還需要說(shuō)明的是，根據表 2給出的方案，不論是MVC系統還是TVC系統，都是正壓運行的，不需要為維持系統的負壓狀態(tài)而付出額外的功。而6效MED系統必須在較高的負壓狀態(tài)下工作（末效即第6效的蒸發(fā)絕對壓強只有0.031 2 MPa。顯然，為了維持系統的這一真空狀態(tài)，必須付出額外的電功。當然，這3種系統的復雜程度也不一樣。MED系統要遠遠比其他兩個(gè)系統復雜。顯然，系統的復雜程度也是在進(jìn)行工藝選擇時(shí)必須考慮的主要因素之一。根據以上技術(shù)特點(diǎn)最后將3種不同蒸發(fā)工藝和傳統蒸發(fā)器工藝特點(diǎn)進(jìn)行對比，結果如表 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(lèi)、自動(dòng)控制程度和系統穩定性，通過(guò)對比可以看出，MVC蒸發(fā)器在能耗方面和自動(dòng)化程度以及穩定性上，都占據絕對優(yōu)勢。

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

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

可以看出：

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

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

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

（1）通過(guò)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)水率穩定，不受含鹽量影響，同時(shí)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(jià)便宜的區塊，污水脫鹽優(yōu)先考慮MVC系統；對于現場(chǎng)有一定量廢蒸汽場(chǎng)合，可采用MED工藝；對于具有足夠高壓蒸汽的場(chǎng)合，采用TVC為首選方案。