CN101547867A - 用于生产清洁水的新型增强系统、工艺和方法及其产品 - Google Patents

Abstract

使用基于AltelaRain^TM的工艺(运载气体增湿/除湿[HDH]或结露蒸发(dewvaporization))的改进方法能生产清洁水，这部分地源于用来自油气工业的产出水生成和测试的模型，其同样解决工业污水处理并且一般对有效处理来自多个行业的污水所需的时间和成本有利，行业范围从食品和酒类生产至具有新型提高效率的油气工业本身。在没有薄膜、处于大气压或近大气压下且不需要预处理或后处理的情况下，高效运载气体HDH热蒸馏起作用，并且规模经济影响基于塑料的处理平台。根据当前教导同样改良包括由食品、酒类和饮料行业生成的污水在内的工业污水。

Description

用于生产清洁水的新型增强系统、工艺和方法及其产品

技术领域

【001】本发明涉及水净化系统和方法，通过使用比当前生产清洁水所用的更低能量来进行现场测试和创造价值。本发明具体地提供了一系列技术系统改进，其基于改进技术模型来开发用于由工业水等产生清洁水的独占许可的技术。

【002】用于生产清洁水的现有系统由于若干显著的原因不能支持世界人口日益增长的需求，这在文献中已有记录。本发明人已经研究了这些问题并在新墨西哥州获得第一个许可证和产出水的地表排放。

【003】从负责生成可饮用水的行业到工业发电机行业均已表示出在这个领域的长期需求。在本教导出现之前，这些需求仍然未解决。

背景技术

【004】产出水是截留在地下岩层中且在油气勘探和生产过程中到达地表的水。它自然地出现在发现油气的岩层中，并且和油气在一起，均有几百万年之久。当生产油气时，二者均被带出地表成为产出流体。

【005】这种产出流体的成分包括以下各项的混合物：液态或气态碳氢化合物、产出水、溶解的或悬浮的固体、诸如沙或淤泥的产出固体以及由勘探和生产活动产生的、可能已经位于岩层中的新近注入的流体和添加物。研究表明与气体/冷凝物平台相关联的产出水的毒性是从传统石油平台排出的产出水的毒性大约10倍。

【006】煤层甲烷(CBM)的生产通常涉及大量的产出水。CBM操作者通常将地表井钻到煤层(coal seam)中。这些煤层一般包含深的底岩含水层和大量的水。CBM操作者将这些水抽出煤层而导致压力降低，由此将甲烷连同岩层(产出)水一起释放到地表。产出水几乎总是含有盐，因此是有盐味的或含盐的水。

【007】美国石油协会(API)将“产出水”定义为“和油气一起带到地表的含盐的水”。美国环保署(EPA)的指南将“产出水”定义为“在采掘油气的过程中从含碳氢化合物的地层中带出的水(卤水)，并且可以包括岩层水、注入水和在向下打眼或油/气分离过程中添加的任何化学制品”。

【008】一般地，在将产出水带到地表之前既不能预知该水的量，也不能预知该水的质量。产出水指标在岩层盆地两侧或甚至内部是变化的，这与井的深度、地质概况和沉淀物的环境有关。另外，岩层水文情况通常导致产出水的质量随着生产井的年龄增加而间歇性改变。

【009】来自油井和气井的产出水的量也不随时间保持恒定。传统上，当井是新井时，水油比是最低的。随着井老化，水油比增大，同时油和气的百分比类似地下降。对于接近其生产和/或经济寿命的末期的原油井，产出水可以包括差不多98％的泵出流体。相反，CBM井通常在井寿命的早期产生最多的产出水，而且水量随着井老化而下降。然而，在两种情况下，对于油和气，井的经济寿命一般用产出水的量以及其处理成本来指示，而不是由该井地下的油或气的真实末期来指示。也就是说，通过降低处理产出水的成本，美国的油气的经济储量将增加。

【010】到目前为止，产出水是在油气抽取操作中产生的最大量的废物。典型地，在美国，对于产出的每桶油，要泵出7到10桶的产出水。估计美国油气业每年产生200亿到300亿桶产出水。这等于科罗拉多河的全部流量的五分之一。经常在水源处将产出水流从油气中分离，并且必须以适当方式对其进行处理以保护人类健康和环境。

【011】在美国，产出水占油气业所产生的油气生产勘探废物的总量的大约80％。在天然气工业中，超过60％的所产生的产出水当时就被重新注回到地下。当考虑传统油气产出水量时，这一百分比上升到90％。虽然回注井在当前是规章批准的处理方法，但随着更严厉的环境条例的发展，某些多岩石山的州已经体验到受限制的回注能力。随着时间的推移，日益需要替代性的产出水处置和处理方法。

【012】简而言之，在本教导出现之前，生产清洁水的已知工艺还不能足够有效地满足在不使用极端条件和显著的能量输入的情况下再生可饮用水或有用水的长期需求，本教导解决和克服了所述长期需求。

发明内容

【013】简单地说，在此描述了新的系统、工艺和方法，使用基于AltelaRain^TM(可从Albuquerque，New Mexico 87106和Englewood，Colorado 80111的Altela公司获得)的工艺(运载气体增湿/除湿HDH或结露蒸发(dewvaporization))，该工艺能生产清洁水，这部分地源于通过来自油气业的产出水所生成和测试的模型。本发明同样解决工业污水处理并且一般对有效处理来自多个行业的污水所需的时间和成本有利，行业范围遍及食品和酒类生产至具有新型增强效率的油气工业本身。在没有薄膜、处于大气压或近大气压下且不需要预处理或后处理的情况下，高效运载气体HDH热蒸馏起作用，并且规模经济影响塑料或聚合物材料平台。根据当前教导同样改良包括由食品、酒类和饮料行业生成的污水在内的工业污水。

【014】根据本发明的特征，在此提供一种用于由污水生产清洁水的改进方法，其包括以下步骤的组合：确定具有水管理问题、约束或需求的市场；为天然气和石油及矿物行业、脱盐、食品、酒类和饮料行业以及其他工业污水处理等提供服务，所述服务涉及产出水处理、规章许可、处理方案中的至少一项；通过AltelaRain^TM技术工艺模仿自然降雨循环，以生产更清洁的水、与生产更清洁的水相关的最终数据和工业效率，因为所需的能量少于在已知的常压热蒸馏工艺中由污水生成清洁水所用的能量的至少大约一半。

【015】根据本发明的另一特征，在此提供一种使用运载气体增湿/除湿工艺的增强方法，其包括以下步骤的组合：提供一种从水中去除盐类、剩油和其他污染物以便作为水净化技术安装并运行的系统，所述系统能够每天运行24小时且每周运行7天；以比传统的产出水方法、脱盐方法、食品、酒类及饮料行业的去污方法和其他工业污水处理方法更低的成本运行所述系统；生产可用作分馏刺激材料及其他物件的净化水；以及使所得到的水能够现场使用，由此消除关于所得到的水的运输和远距离处理成本。

具体实施方式

【016】PCT/US00/20396(其被独占许可给本受让人)通过提出并批评根据本方法集和工艺的前身的水处理而使能显著的投资回报，这些方法集和工艺权衡(leverage off)关于蒸发海水并接着通过天气的力量将海水转化成降雨的自然教导，同时获取冷凝的热量来重新用于蒸发循环中。这通过减少的能量量来完成，从而它可以解决脱盐的问题，当前该问题困扰着世界且在很多情况下仍然太昂贵。

【017】微过滤(MF)、超细过滤(UF)、纳米过滤(NF)和反渗透(RO)已经被用于处理产出水并且代表着试图用于净化产出水的最常见技术。特别地，这些超过滤技术已经用作实现低TDS CBM产出水以及传统气井产出水的卤水减少的手段。每种技术使用穿过薄膜的高压来实现从产出水过滤污染物，将其浓缩成之后需要处理的废弃物流。

【018】MF、UF和NF抛弃比薄膜的孔尺寸大的污染物，而RO使用比水中存在的盐类的渗透压高的操作压力来驱动纯净水穿过薄膜，从而抛弃大多数盐类。通过薄膜的纯净水的流速与盐浓度、水温和净驱动压力(由高压泵提供)相关。

【019】在更高压力下，由于水通量的增加比溶质通量的增加更大，所以渗透物质量提高。薄膜和支撑材料的物理强度限制实际最大操作压力。所有的薄膜技术需要大量的电力，这在很多井站处通常不具备。

【020】在气液分离中，选择性薄膜两侧的压力差可处理(deal with)大约0.03微米(30nm)的孔尺寸。气体以基于分子的扩散率和溶解度的一定速率穿透进入薄膜，以获得气相和液体中溶质气体之间的平衡。该压力差是真空或气体顺利通过薄膜的结果。

【021】最近，已经有很多新的薄膜技术被应用于产出水处理。Osmonics公司已经开发出螺旋卷式薄膜。这些螺旋卷式薄膜在广告上声称提供最有效的薄膜面积填充，以在非常有限的空间内提供更大的薄膜接触面积。这些薄膜的性能会由于更高的温度(最佳温度在113-122℉之间)而降低。

【022】可以使用高达194℉的更高温度，但是需要更多的能量来实现期望的分离。Ionics公司已经开发出HERO薄膜来提供比传统RO处理更高的水回收率、更高的渗透品质和更高的运行流量。然而HERO薄膜仍然需要在RO操作之前预处理给水以升高给水的pH值，从而通过去除硼并减少薄膜污垢来获得最佳效率。

【023】新墨西哥州采矿技术研究所(New Mexico Institute of Mining andTechnology)的PRRC已经开发出无机薄膜用于处理圣胡安盆地/煤田(San Juan Basin)的高于50,000ppm的产出水以及二叠纪盆地/煤田(Permian basin)的高于100,000ppm的产出水。这些无机薄膜由沸石构成，并提供更高的流量、pH兼容性以及热稳定性和化学稳定性。最后，New Logic Research公司已经创造了振动薄膜(VSEP)以解决薄膜的污垢和水垢。在薄膜设计中持续和渐进式改进将很可能继续下去，然而，薄膜技术尚未克服完全产出水净化所需的昂贵的预处理工艺。

【024】离子交换工艺有效地从产出水中去除砷、重金属、硝酸盐、镭、盐类、铀和其他元素。离子交换是快速且可逆的过程，其中水中的杂质离子被离子交换树脂所释放的离子代替。杂质离子被树脂吸收，该树脂必须周期性地再生以将其恢复至初始离子形式。(离子是带有电荷的原子或原子团。正电离子被称为阳离子且通常为金属；负电离子被称为阴离子。)

【025】电渗析(ED)是电驱动工艺，通常工作在非常低的压降下，该压降在整个工艺过程中大约为25磅每平方英寸(psi)。与此形成对比的是RO平台两端的典型压降在400-1,400psi之间，这转化为更高的能量消耗和运行成本。电渗析通过在电势差的影响下从给水隔室转移离子穿过薄膜来降低盐度。

【026】含盐给水(feed-water)中的溶解盐的正带电离子和负带电离子将朝向浸没在溶液中的相反带电电极运动。电渗析“堆”由两个电极之间的多对薄膜组成，其中每对之间有间隔组件，以便收集稀释的溶液和浓缩的溶液。电渗析反转系统(EDR)周期性地反转极性。因此每个流动通道以低盐度的稀释流来冲刷掉由另一极性的高盐度流留下的任何水垢。

【027】电容性去离子技术与ED类似，区别之处在于没有采用薄膜。电容性去离子大致以多层电容器(通常被称为流通电容器(FTC))为中心。流通电容器技术的以下总结大部分取自于Biosource公司的技术说明书。Biosource已经开发并显示了这一工程技术的潜能。(Sandia国家实验室已经在实验室中用Biosource演示单元进一步研究了这一技术的前景。)

【028】流通电容器/电容性去离子仅仅是电双层类型的电容器，其被设计为提供水的流动通道。由于电容的原因，正好在导电表面处存在非常强的电场梯度。离子污染物被垂直于流动通道推出，向下进入目前由碳制成的电极。在施加DC电压后，离子污染物静电吸收到高导电表面碳，并带有等量的电荷。通过经由负载短接其引线并反转电压来使流通电容器再生。这中和电荷且然后反转电荷，将所吸收的污染物排斥到浓缩的废液流中。

【029】电子地将表面电荷关断的能力允许无化学的再生。为了防止结垢，可以在每个充电周期中反转流通电容器电极的极性。这易于去除可能易于很好地吸附在一个极性的电极上的污垢。当从电源断开时，流通电容器保持电荷并存储能量，正如普通电容器那样。与此同时，所存储的能量作为DC电流被释放。流通电容器的电荷不是固定的。它可以被打开或关断，或者进行电子调制。

【030】冻结融化蒸发(FTE)依赖于自然的冻结和蒸发循环。冻结融化背后的原理是基于以下事实：溶解在水里的盐将溶液的冰点降低到32℉以下。当溶液被冷却到32℉以下，但是保持在溶液的降低的冰点以上时，发生局部冻结。在该范围内，形成相对纯净的冰晶，且含有升高浓度的溶解盐的未冻结卤水溶液可以从冰中排出。当冰融化时，它基本上是纯净水。当冬季温度达到适当水平时，通过喷射到带纹线的池塘(冻结垫)来冻结产出水。在冻结循环过程中将浓缩的卤水排出该垫，而在解冻循环过程中收集被净化的融化水。

【031】本发明人已经发现新型的商业方法，这些方法包括在传统锅炉中使用天然气煮水(我们自己的蒸馏水“DW”)以制造常压蒸汽的工艺。该计算基于气体到热能(以BTU表示)的转化和水的已知水热容及水的(-1,050BTU/磅的水)的水汽相变中固有的蒸发潜热的直观工程考虑。

【032】如所述，结露蒸发代表去除所有产出水污染物的简单溶液，即使在非常复杂和极高TDS的条件下。和所有基于蒸馏的工艺相同，在换热器的冷凝侧上生成的水是纯净的且不包含溶解的或悬浮的固体。汽相水也不含化学成分，这些化学成分具有大于或等于水的沸点(大气压条件下)的沸点。作为热处理，蒸汽接着以非常高纯度的出水流的形式重新冷凝。与大多数热处理相同，水化学对系统性能仅有微弱的影响。最后，该技术的新近测试已经显示通常在产出水中出现的高挥发性成分(例如BTEX化合物)在蒸馏液流中不重新冷凝，这使得该工艺到目前为止能产生本报告中评估的9种技术的最高质量水。

【033】热处理的另一个主要优点是它们固有的灵活性和模块化。结露蒸发工艺在这一方面没有什么不同。用于制造结露蒸发塔的低成本且抗水垢的材料使得能够构建处理系统，这些处理系统是模块化和可移动的、易于维修并能够处理具有高度可变的流入成分的水。基于结露蒸发的系统的模块化设计使得安装者能够定制每个处理系统，而客户承担很少或零附加成本。例如，可以安装结露蒸发系统以仅通过将主要系统塔的物理布局重新配置成不同的串行/并行配置来最小化废盐水废弃物流。

【034】和其他热处理一样，结露蒸发是简单的，易于维持，且可以在长时间段内无人自动操作。然而，不像其他脱盐方法，主要处理部件整个由塑料加工而成。这消除了对昂贵的入流预处理部件(诸如过滤器、凝聚剂和抗密封剂添加物)的需求。这一技术在此处评估的九种技术中是独特的，原因在于不存在可能出现腐蚀和生水垢的金属。

【035】同时，类似于其他热处理，主要的操作花费是使流入水蒸发所需的能量。然而，结露蒸发具有另一个固有优势，即该工艺在低温下进行，通常为180℉或更低。这使得基于结露蒸发的产出水处理系统有可能使用废热的低级源。这种运行情况通过进一步降低运行成本而极大地提高运行效率，运行成本的降低依靠该技术的特有能力，即通过在连续回环处理中将冷凝(结露)的放热应用于蒸发的吸热来多次“重复使用”这一低级热量。

【036】基于结露蒸发的处理系统一般比可比较的RO系统需要更多的物理空间来处理给定体积的水(未考虑其他变量)。这是相对于金属的热导率的塑料的低热导率的函数。这一般是次要考虑，因为井站距离遥远，有充足的土地可用于系统的安装。此外，可以采用很多低成本构造技术来建立临时的或永久的结构。运行噪声是最小的。

【037】结露蒸发技术也能够按比例缩小到足够小以便在单独井站(wellsite)处操作。对于诸如RO或其他薄膜技术的高产量技术来说，仅生成10-20桶/天(BPD)的产出水的典型井是不实用的。结露蒸发的产物每天处理1,000加仑，这等效于24BPD——新墨西哥州的典型油气井站的理想情况。事实上，已经基于小体积的极复杂(大于120,000TDS)的产出水选择了在此推荐的Potential Project No.2。

【038】然后等式中仅有的两个变量是(i)首要的能量复用因子f，其在我们的AltelaRain^TM塔中是固有的，和(ii)我们的处理位置处的天然气成本C_NG(以美元/百万BTU(英制热单位)——$/MBTU表示)：

能量

【039】制作1加仑的清洁蒸馏水(DW)所需的蒸汽能量的量仅是f的函数(忽略盐度的影响)，并由下式给出：

1加仑DW×1/f[加仑DW/加仑BW]×8.345磅蒸汽/加仑BW×1,050BTU/磅蒸汽/＝BTU/加仑DW

或者，

BTU/加仑DW＝8,762/f

在f＝1且不使用AltelaRain^TM工艺时，其因此理论上[且在实际应用中为大约11,700BTU/加仑]花费8,762BTU/加仑的水来煮制清洁水(甚至花费更多来煮制盐水)——或者368,000BTU/桶(0.368MBTU/桶)。然而，在f＝3.0且使用AltelaRain^TM工艺时，其因此仅花费2,921BTU/加仑的水来煮制清洁水——或者122,670BTU/桶(0.123MBTU/桶)。

成本

【040】制作1加仑清洁DW的理论(最小)能量成本由下式给出：

1加仑DW×1/f[加仑DW/加仑BW]×8.345磅蒸汽//加仑BW×1,050BTU/磅蒸汽/×CNG[$/MBTU]×(1M/1,000,000)×1,000＝$/1,000加仑DW或者，

$/1,000加仑＝CNG×8.762/f

【041】也就是说，当我们必须为天然气付款时，在我们的操作中产生1,000加仑DW所需的天然气的理论成本与f成反比例，且与乘以8.762的天然气成本CNG呈线性关系。例如，如果我们在井站处要以批发价格(在将气体运输到零售市场之前)支付$2.50/MBTU(”$2.50/MCF)，且我们的塔在f＝3.0的条件下工作，则我们生产的每1,000加仑清洁水的能量成本将是$7.30。尽管这一成本比美国普通城市饮用水的价格高大约2倍，但是这一数字对于消除或处理工业污水的负债来说是相当低的。它也比简单煮水的成本要低很多——仅就能量来说，以当前的零售气价(-$5.00/MBTU)，煮水的成本将是$43.80/1,000加仑。

【042】类似地，在每桶的基础上，我们的主要能量源的成本是：

$/桶＝CNG×0.37/f

【043】也就是说，当我们必须为天然气付款时，在我们的操作中生产1桶DW的天然气的成本与f成反比例，且与乘以0.37的天然气成本CNG呈线性关系。例如，如果我们在井站处要以批发价格(零售价格的一半，在将气体运输到零售市场之前)支付$2.50/MBTU(-$2.50/MCF)，且我们的塔在f＝3.0的条件下工作，则我们生产的清洁水的能量成本将是$0.30/桶。尽管这一成本比美国普通城市饮用水的价格高大约2倍，但是这一数字仅是生产者在当前摆脱他们的PW负债所支付费用的7％(如果他们当前要支付$4.40/桶)。

【044】此外，快速“灵敏度分析”举例说明在这些更高PW负债价格下——特别是高于$5或$6每桶的价格——我们的ERF的改进即f因子不是那么关键。例如，在$6每桶的价格点，我们$0.30/桶以上的天然气操作成本将仅是操作者的当前成本的5％——并且如果将我们的f从3.0增加到例如4.0，则进一步下降到操作者的当前成本的仅仅4％——或对于气体为$0.23/桶。

【045】虽然已经通过在当前被认为是最实际和优选的实施例的形式描述了装置和方法，但应该理解本发明并不局限于所公开的实施例。其意欲覆盖包含在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似布置，权利要求的范围应与最广泛的解释相一致，从而包括所有这些修改和类似结构。本发明包括所附权利要求的任一个和所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于由污水生产清洁水的方法，其包括以下步骤的组合：

确定具有水管理问题、约束或需求的市场为目标；

为天然气和石油及采掘行业、脱盐、食品、酒类和饮料行业以及其他工业污水处理等提供服务，所述服务涉及产出水处理、规章许可、处理方案中的至少一项；

通过AltelaRain^TM技术工艺模仿自然降雨循环，以便

生产更清洁的水、与生产更清洁的水相关的最终数据和运行效率，因为所需的能量少于在已知的常压热蒸馏工艺中由污水生成清洁水所用能量的至少大约一半。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：以基于网络的格式在互联网上并通过无线和有线支持系统中的至少一个选择性地公布所述最终数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括产生收入和权益中的至少一个。

4.一种使用运载气体增湿/除湿工艺的方法，其包括以下步骤的组合：

提供一种从水中去除盐类、剩油和其他污染物以便作为水净化技术安装并运行的系统，所述系统能够每天运行24小时且每周运行7天；

以比传统的生产水方法、脱盐方法、食品、酒类及饮料行业的去污方法和其他工业废物处理方法等低的成本运行所述系统；

生产可用作分馏刺激材料及其他物件的净化水；以及

使所得到的水能够现场使用，由此消除所得到的水的运输和远距离处理成本。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括AltelaRain^TM技术工艺，根据该技术工艺通过蒸发和直接冷凝过程将产出水的负债转化成资产；并且

热交换热动地模仿来自海洋盐水的自然降雨的自然过程，从而利用在传统常压热蒸馏工艺下制造1加仑水所需的热能来制造至少2加仑的清洁水。

6.根据权利要求5所述的方法，进一步包括低等级废热和井源气体中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括塑料平台，其能够在大气压或近大气压下操作，而不需要高温或机械复杂的薄膜系统。

8.一种使用连续接触装置以从液体混合物中分离液体成分的工艺，其包括以下步骤的组合：

提供具有蒸发侧和结露侧的传热壁；

使所述液体混合物连续接触所述传热壁的所述蒸发侧；

使运载气体流过所述传热壁的所述蒸发侧，以提供可分离液体成分使其饱和的运载气体；

加热已饱和的运载气体；

使经加热的已饱和运载气体流过所述传热壁的所述结露侧，以提供来自经加热的已饱和运载气体的所述可分离液体成分的冷凝；

改进之处包括：

获取冷凝的热量来重新用于蒸发循环中，由此该工艺以低于传统工艺水方法的成本运行。

9.根据权利要求8所述的工艺，其中所述运载气体穿过所述传热壁的所述蒸发侧的流动与所述运载气体穿过所述传热壁的所述结露侧的流动方向相反；

其中所述传热壁的所述蒸发侧进一步包括置于该壁上的润湿材料；

其中通过选自由以下各项组成的群组的方法来加热所述已饱和气体：添加蒸汽；与热水流进行的气液接触；与和干燥剂接触的滑动运载气流进行热交换；和使所述运载气体与反应物发生反应；并且

所述工艺进一步包括在使所述液体混合物与所述传热壁的所述蒸发侧接触之前向所述液体混合物添加抗胶凝剂和抗絮凝剂。

10.根据权利要求9所述的工艺得到的产品。