MVR技術處理循環流化床鍋爐排濃鹽水
王愛軍，周京都，賈彬彬，武文靜
(新疆石油工程設計有限公司，新疆克拉瑪依834000)
摘要：采用單級蒸汽機械再壓縮+強制循環蒸發結晶工藝處理循環流化床鍋爐排污水，產出的冷凝水礦化度＜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。工業化試驗結果表明，該工藝的應用可使循環流化床鍋爐排污水實現循環利用，處理過程提取固體氯化鈉鹽后，可避免稠油生產開發系統結垢，并消除鹽在系統中循環累積的“鹽害”。
新疆油田超稠油采用SAGD開采后，為降低開發成本，研發了能部分摻加60%凈化采出水的循環流化床汽包鍋爐；該鍋爐利用了新疆低廉煤，特殊的結構設計可將60%凈化采出水與40%清水轉化成高品質蒸汽(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，系統結垢嚴重，已極大影響油田生產，需要將鹽從系統提出。蒸汽機械再壓縮技術(MVR技術)目前已廣泛應用在國內外海水淡化、制鹽及工業廢水處理等領域，基于實際情況將該技術應用于超稠油開采系統的循環流化床鍋爐排濃鹽水的處理，取得了較好的效果。
1 水質特性與工藝流程
1.1 循環流化床鍋爐排放高含鹽水水質
對循環流化床鍋爐排放的高含鹽水進行了3個輪次的取樣分析，水質分析結果見表1。可以看出,循環流化床鍋爐排放的高含鹽水屬重碳酸鈉水型，腐蝕性較強，有一定結垢趨勢。
表1 水質全分析
1.2 高含鹽水溶液的沸點溫升
溶液的沸點高于純溶劑的沸點，這一現象稱為溶液的沸點溫升，沸點溫升是用于確定裝置蒸發溫度的重要數據。根據燃煤鍋爐進水水質全分析結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
經分析后確定采用單級蒸汽機械再壓縮+強制循環蒸發結晶工藝處理油田循環流化床鍋爐排濃鹽水。設計試驗進水規模為240 m3/d，處理能力為10 m3/h，總投資為2 970萬元，主要設備除壓縮機為GE公司外，其余全為國產設備。
1.4 主要技術參數
進料溫度：80～90 ℃；蒸發量：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冷凝水分別呈現棕黃色、黑色、透明。水質分析結果表明,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《稠油注汽系統設計規范》(SY/T 0027—2007)中規定的熱采鍋爐給水的水質指標，對于《工業鍋爐水質》(GB/T 1576—2008)只有pH值指標需要微調，另外COD指標接近國家二級排放指標，可能是水中易揮發有機物冷凝所致。
② 運行指標及成本
產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計值25 kW·h/m3，一方面是由于處理裝置規模小，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蒸發的運行費用比雙效MVR蒸發低29.2%，能耗低42.2%。
③ 降膜蒸發板結垢情況
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，未發生結垢現象。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。
2.2 強制循環蒸發結晶運行情況
前段MVR工藝經過近10天的連續運行后，試驗后段強制循環結晶工藝，由于飽和鹽液輸送系統設計及部分設備選擇問題，不能正常運行。
① 設備選擇問題:工藝連續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，因產出的鹽太少，在未被推出前就干結在推料器上。
② 系統鹽堵問題:a.分離器圓錐段出鹽缺少緩沖設備，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，鹽漿管線太長易發生鹽堵。c.飽和鹽液輸送管線管徑細、存在90°彎頭，易發生鹽堵。
③ 改進措施:a.增設飽和鹽液存儲罐，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。強制循環蒸發結晶按前段回收率為92%考慮，產生濃縮鹽水為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 ℃，噸水回收節約能耗為4.3 元/m3；節約了清水資源，節省清水資源及處理費為4.5元/m3。同時節約了處理達標外排費為5.5元/m3。噸水產出2 kg鹽，以價值為300元/t計；噸水產生效益為0.6元/t。合計產生效益為14.9元/m3；除去處理達標外排費間接費用也有9.4元/m3。
3 結論
① MVR工藝處理燃煤鍋爐排放高含鹽水，技術上可行，實現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，以及降低環境污染具有重要作用，有巨大的社會效益和環保效益。
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，水質指標超過國家二級排放標準不能外排，有條件應采用強制循環蒸發結晶將稠油開發系統中溶入的鹽分離出來，解決系統中的“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，設備板材、附件、管道、泵過流部件未發生腐蝕。主材可選擇普通耐氯根不銹鋼，以節省工程投資。
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計指標,分析表明電耗隨處理規模增大而降低。當處理量為15 m3/h時，電耗<20 kW·h/m3水。
⑥ 根據來水水質特點，通過控制濃縮液濃度，采用不加藥防垢工藝，有效避免蒸發器結垢、蒸汽起沫等問題。
⑦ 優化了脫氣工藝，MVR工藝前段為對來氣未進行加酸脫氣處理，僅通過蒸發器外排不凝氣。試驗結束后，降膜板未發生腐蝕。
⑧ 產水量的多少主要取決于蒸發量，即降膜蒸發器和蒸汽壓縮機的能力，原水含鹽及濃縮液濃度對產水量的影響不大，原水含鹽及濃縮液濃度對出水水質沒有影響。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。
（本文發表于《中國給水排水》雜志2015年第20期“工程實例”欄目）
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