高盐高硬稠油污水淡化工艺方案优选

杨元亮，王　辉，张　建，庞会中，谷梅霞，宋文芳

（1.中石化胜利油田新春采油厂，山东东营257000；2.中石化节能环保工程科技有限公司，山东东营257062；3.中石化勘探开发研究院，北京100083）



油气田水处理

高盐高硬稠油污水淡化工艺方案优选

杨元亮1，王辉2，张建2，庞会中2，谷梅霞2，宋文芳3

（1.中石化胜利油田新春采油厂，山东东营257000；2.中石化节能环保工程科技有限公司，山东东营257062；3.中石化勘探开发研究院，北京100083）

针对高盐高硬稠油污水回用需求，结合注汽锅炉用水标准，比选出蒸馏法作为污水脱盐首选方案。根据同一水性和产水规模，分别采用机械压缩、热力压缩、多效蒸发等蒸馏工艺进行脱盐装置设计，从装置规模、公用需求、产品能耗等方面进行对比，并从投资和运行成本角度进行综合评价。结果表明，在蒸汽昂贵，电价便宜地区，采用机械压缩占绝对优势；废蒸汽场合采用多效蒸发较为经济；廉价高压蒸汽场合，宜采用热力压缩。

高盐高硬；稠油污水；淡化工艺；机械压缩；热力压缩；多效蒸发

将富余污水资源化处理后替代地下清水回用锅炉，可以保护油区生态环境，保证油田节能降耗、用水平衡，满足油田可持续发展和创建环境友好型、资源节约型企业的当务之急，也符合油田循环注采理念。依据稠油采出污水的水质特点以及热采锅炉用水的水质要求，比较了不同工艺的技术特点、水质适应性、工艺可靠性以及投资及运行成本，通过工艺设计计算，给出了在相同设计条件下不同工艺系统关键设备的关键工艺参数，得出了不同工艺所需要的设备投资和运行成本，并进行了技术和经济性对比。提出了相应的工艺方案，为油田选择可行的污水资源化回用处理工艺提供参考。

1　稠油污水特点及资源化回用要求

选取了胜利油田几个典型的稠油区块的采出污水〔1-2〕进行了水质特性总结，并与注汽锅炉用水标准进行了资源化对比，如表1所示。

由表1可以看出，稠油污水中除了总碱度指标满足锅炉回用标准，其他诸如含油、悬浮物、总硬度、矿化度等指标均高于注汽锅炉回用水质要求。其中油脂和悬浮物容易影响传热、破坏设备，且容易堵塞管道，采用常规的预处理技术诸如化学、重力、絮凝沉降、气浮、精细过滤等过程即可将其去除掉。而过高的矿化度和硬度则会使设备腐蚀、结垢、积盐，从而降低锅炉出力、缩短设备寿命。在国内油田没有采用常规工艺处理类似水质并使污水资源化工程的案例，因此研究适于高盐高硬稠油污水的脱盐除硬工艺，成为稠油污水资源化回用的关键所在。

表1　稠油污水水质及注汽锅炉回用标准对比

2　稠油污水脱盐除硬工艺及应用现状

目前国内常用脱盐除硬工艺包括：离子交换法、电渗析法、双膜法以及蒸馏法。其中离子交换法〔3〕仅适用于矿化度低于4 000mg/L，总硬度低于300mg/L的污水处理，可用于终端除硬。电渗析法〔4〕对于高矿化度（TDS＞10 g/L）油田污水除盐率低，易出现浓差极化，因此适合于初步脱盐工艺。双膜法〔5〕除盐率高、占地小、能耗低，但对于高盐高硬污水，双膜法产水率低、需深度预处理、污泥量大、易污染、膜要求高、高温污水需要预先降温处理，因此其更适用于低矿化（TDS＜10 g/L）的污水处理。针对上述处理困难，国内外的专家学者提出利用蒸馏法实现油田污水的脱盐方法。蒸馏法是将污水加热蒸发为蒸汽并冷凝为淡水的脱盐工艺。该类工艺特点是对污水水质预处理要求宽松，产出水水质好，产率稳定，不受含盐量影响，同时可以充分利用污水余热，产水温度高，节约锅炉加热能耗，特别适合于高盐高硬污水处理。因此优先考虑采用蒸馏法处理油田污水。蒸馏法依据所用能源、设备和流程不同可分为3种：多效蒸发（MED）、机械压缩蒸发（MVC）和热力压缩蒸发（TVC）。

2.1多效蒸发

多效蒸发是一种应用较早的海水淡化工艺，采用逐级减压蒸馏原理，由若干单元蒸发器串联起来，除第1效的加热蒸汽来自锅炉外，后续各效的加热蒸汽均来自前一效产生的二次蒸汽，因此效数越多，运行能耗越低，但投资会增加〔6-9〕。

2.2压缩蒸馏

压缩蒸馏是利用压缩机把蒸发过程所产生的二次蒸汽压缩，使之增压和升温（温升4～15℃左右），再作为加热蒸汽使用，使自身冷凝为淡水，如此循环使得蒸汽潜热被反复利用。根据压缩能量来源不同将压缩蒸馏分为机械压缩（MVC）和热力压缩（TVC）。其中机械压缩不需要外部蒸汽补汽〔10〕，仅靠机械能转化为热能，该类工艺过程效率高、能耗低、过程不需要冷却水、结构紧凑。TVC工艺与MVC工艺相比，它采用的是热力学完善度相对较低的热力压缩机（蒸汽引射器），代替了热力学完善度较高的机械压缩机，除水泵外它不需要消耗电能，仅用高压蒸汽的热能驱动，可以直接利用生产中的富余热能，节省了电能〔11〕。由于TVC工艺运行简单可靠，维护成本低，无运动部件，受到人们的广泛关注。

3　工艺方案比较及优选

3.1技术性能比较

为进一步对上述3种蒸馏工艺进行比较分析，采用不同工艺设计了一套水产量不低于5 000 t/d油田污水资源化脱盐装置。其中污水处理量6 250 t/d、污水含盐量0.015 kg/kg、污水温度55℃、产水率80%。将单效MVC系统（污水蒸发温度100℃，压缩机出口蒸汽温度为107℃，降膜蒸发器传热温差为7℃）、单效TVC系统（主蒸汽压强为1MPa，主蒸汽温度为180℃，污水蒸发温度为100℃，热力压缩机蒸汽出口温度为120℃）及6效MED系统（第1效加热蒸汽温度为120℃，末效即第6效加热蒸汽温度为79℃）的工艺设计模拟计算结果一并列在表2。

从表2可以看出：

（1）装置规模。在相同污水温度、相同淡水产量的情况下，MED系统所需要的蒸发传热面积最小，而MVC系统和TVC系统的传热面积基本上相近。而系统预热所需预热传热面积MED最大，而MVC系统和TVC系统的预热面积基本上相当，而MED所需凝汽器传热面积较高。总体来说，MVC所需总换热面积（7 509.3m2）最小，TVC（8 196.7m2）次之，MED所需换热面积（8 272.87m2）最高，与TVC大致相近。

（2）基本能耗。由于3种系统的工作原理并不完全相同，很难用一个统一的参数进行比较。MVC系统的单位电耗为21.06 kW·h/t，TVC系统的当量耗热为235 kW·h/t，6效MED系统的当量耗热为122.3 kW·h/t。从这一结果可以看出，即使在MVC系统保持较大传热温差的前提下（计算时，考虑了压缩机的效率为65%），仍然以MVC系统的能量消耗最小。当然，MVC系统消耗的主要是电能，而TVC系统和MED系统消耗的主要是蒸汽的热能。但这一事实不能改变上面的结论，因为，即使考虑热能到电能的转换系数为1/3，MVC系统的等效能耗也只有63.18 kW·h/t，仍然远远小于MED系统和TVC系统的等效能耗。需要指出的是，尽管单效TVC系统的当量耗热明显大于6效MED系统的，但MED系统付出的代价是传热面积的增大。

表2　 3种典型蒸馏工艺参数对比

（3）系统污水消耗量及其他。对蒸发法来说，往往需要大量的冷却水来带走系统过剩的热量。显然，系统所需要的冷却水量越大，相应地所消耗的泵功也就越大，当然，导致系统的能量消耗也会增大。按表2给出的结果，6效MED系统、单效TVC系统和单效MVC系统水泵的总污水流量（包括处理污水量和冷却污水量）依次为48 580、6 250、6 250 t/d。MED过大的冷却水排放除了环境的因素外，如果假定水泵的效率完全相同，那么6效MED系统所消耗的泵功几乎是MVC或TVC系统的7.77倍。还需要说明的是，根据表2给出的方案，不论是MVC系统还是TVC系统，都是正压运行的，不需要为维持系统的负压状态而付出额外的功。而6效MED系统必须在较高的负压状态下工作（末效即第6效的蒸发绝对压强只有0.031 2MPa。显然，为了维持系统的这一真空状态，必须付出额外的电功。当然，这3种系统的复杂程度也不一样。MED系统要远远比其他两个系统复杂。显然，系统的复杂程度也是在进行工艺选择时必须考虑的主要因素之一。根据以上技术特点最后将3种不同蒸发工艺和传统蒸发器工艺特点进行对比，结果如表3所示。

表3　 4种蒸发工艺性能对比

表3分析了能耗、占地面积、对产品质量影响、利用能源种类、自动控制程度和系统稳定性，通过对比可以看出，MVC蒸发器在能耗方面和自动化程度以及稳定性上，都占据绝对优势。

3.2经济评价

为了比较各个工艺运行的成本及投资成本，按照设计参数进行了完备的经济性评价。主要包括设备投资，其中设备主要包括预热器、蒸发器、蒸汽压缩机、净化水泵、循环水泵、喷射器。运行成本主要包括用电、阻垢剂、人工费用以及设备的维修折旧。其中工艺每年工作8 000 h。固定资产的折旧年限为15 a，职工福利费用为工资的20%。固定资产残值为4%，维修费用为初投资5%。最后将各个工艺计算所得初投资及运行成本列于表4。

可以看出：

（1）从初投资的角度考虑，MED系统耗资最多，MVC工艺次之，TVC系统投资最少，约为MED系统的一半左右。

（2）从运行成本的角度出发，若考虑蒸汽成本，则TVC耗废蒸汽最多，因此其运行成本最高，MED系统耗汽约为TVC的一半左右，因此运行费用也为TVC工艺的一半左右，MVC系统耗费电能少，总体运行费用也最低。若不考虑蒸汽的费用，TVC成本最低（约为2.19元/t）；MED成本次之（约为3.78元/t），此时无论是投资成本还是运行成本，MVC较之TVC都不占优势。

综合上面的分析，根据油田污水淡化规模要求一般较小和必须分散布置的前提下，若不考虑设备投资成本，那么：（1）对于蒸汽资源紧张，价格昂贵，但是有充足电力供应且电价便宜的场合，可以优先选用MVC系统；（2）如果有大量废弃的高参数蒸汽（压强最好在1MPa左右），那么应该优先考虑选用TVC系统；（3）如果有足够的废蒸汽（压强在0.2～0.3 MPa的蒸汽），那么可以考虑采用MED系统。

表4　不同工艺生产清水（5 000 t/d）设备投资及成本比较

4　结论

（1）通过对比分析指出，离子交换进水要求高，适合作为终端除硬工艺；电渗析法除盐不彻底，可作为初级脱盐工艺；双膜工艺对于能耗低、脱盐效果好，但对于高盐污水面临生物活性低、易污染等特点。

（2）蒸馏工艺出水水质好，产水率稳定，不受含盐量影响，同时可以充分利用污水自身余热，特别适合高盐高硬污水深度脱盐处理。

（3）对于电价便宜的区块，污水脱盐优先考虑MVC系统；对于现场有一定量废蒸汽场合，可采用MED工艺；对于具有足够高压蒸汽的场合，采用TVC为首选方案。

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Optim ization of the projecton the desalination technology ofwastewater containing heavy oilw ith high salinity and high hardness

Yang Yuanliang1，Wang Hui2，Zhang Jian2，Pang Huizhong2，Gu Meixia2，SongWenfang3
（1.Sinopec ShengliOilfield Xin Chun Oil Production Plant，Dongying257000，China；2.Sinopec Energy and EnvironmentalEngineering Technology Co.，Ltd.，Dongying257062，China；3.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing100083，China）

Based on the demand for the recycling ofwastewater containing heavy oil with high salinity and high hardness，distillation methods have been compared and selected as the preferred project in consideration ofwater quality standard of steam injection boilers.According to the premise that the water quality and water production scale are the same，distillation technologies，such as MVC，TVC，MED，etc.，are used respectively in the desalination equipmentdesign.The equipmentsizes，public demands，power consumption，etc.are compared.In addition，investmentand running costsare evaluated comprehensively.The results show thatMVC isespecially suitable for the regionswhere electricity price is cheap and steam expensive，MED ismore economical for the regionswhere there is lotsofwaste steam，and TVC is suitable for the regionswhere high pressure steam is cheap.

high salinity and hardness；heavy oil-bearingwastewater；desalination technology；MVC；TVC；MED

X703

A

1005-829X（2016）07-0090-04

国家科技重大专项（2011ZX05017-004-HZ01）；中石化集团公司科技攻关项目（JP13021）；中石化胜利油田博士后课题（GKB1301）。

杨元亮（1967—），博士，高级工程师。电话：15254646795，E-mail：jianxinxia@sina.com。

2016-05-24（修改稿）