CN102177310A - 由生产水制备高纯度馏出物用于生成高压蒸汽的方法 - Google Patents

Abstract

本文所示的实施方案提供了用于由重油生产工业中生产的水生成高达100％质量高压蒸汽的基于蒸发的零液体排放方法。将去油的水在蒸发系统中处理，制得馏出物，这使得能够用在较高压力下工作的鼓式锅炉或者在较高气化速率下工作的一次通过蒸汽发生器(OTSG)产生蒸汽。将蒸发器排污在强制循环蒸发器中处理，提供可以使＞98％的去油水再循环用于工业应用的零液体排放系统。本发明的例举的实施方案提供了至少一个“直集水槽”蒸发器和至少一个混合外部除雾器。通过在较高的焓下制得馏出物，这使高压锅炉预热要求最小化，本蒸发方法的实施方案在比现有技术的那些高的总效率下工作。

Description

由生产水制备高纯度馏出物用于生成高压蒸汽的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求了于2009年8月7日提交并且在此引入作为参考的美国临时专利申请号61/232,067的优先权。

技术领域

本发明的实施方案涉及用于由重油生产工业中生产的水生成高质量高压蒸汽的方法和设备。

背景技术

重油采收工艺采用“蒸汽驱油”技术，其中将蒸汽注入带有油的地层以改进重油的采收。一般而言，对于采收每个单位的油需要几个单位的蒸汽。重油是粘稠液体，来自蒸汽的热使油的粘度降低，使其流入生产井。在加热油的过程中，蒸汽冷凝。该冷凝的蒸汽被称为生产水。油和生产水的混合物通过生产井泵送到地面。油和生产水的混合物在油采收工作中典型的常规去油过程中分离成单独的馏分。

由于重油采收通常需要的大量蒸汽，因此希望使生产水再循环用于重新使用。这需要处理生产水以使得其适合作为蒸汽发生器或锅炉的进料水。一般而言，使用单个蒸发器和机械蒸气压缩机处理生产水，用于生产馏出物作为锅炉进料水。

不幸的是，生产水纯化和馏出物生产的现有方法具有缺陷和缺点，阻碍了以成本有效的方式实现所希望的馏出物纯度。通过在重油设备中注入深井地层处置废水的现有实践也不是非常环境节俭的方法。因此，需要更成本有效的用于处理生产水的系统，该系统可以生产用于蒸汽发生系统的相对纯的进料水流并且可以提供在重油设备中废物处置的环境友好的方法。

蒸发技术已用于重油砂处理以生成适用于蒸汽生成的馏出物。例如，通过蒸汽注射工艺使蒸汽用于增强的油采收装置，该工艺使重油液化并且将重油输送到地面，在那里其可与水分离并且进一步精炼。从油中分离的生产水通过蒸发器加工。这将水加工成适用于蒸汽生成的馏出物。蒸汽发生器可以是一次通过蒸汽发生器(OTSG)或高压鼓式锅炉。

传统机械蒸气压缩(MVC)蒸发技术使用垂直降膜蒸发器使生产水气化。夹带在该水蒸气中的液滴将保持夹带并且与冷凝的蒸气混合，污染馏出物质量。一般而言，这些液滴用位于蒸发器集水槽的环形区域中的除雾器除去。该内部除雾器仅提供了一个液滴消除阶段；因此，该工艺在可能实现的馏出物纯度方面有限。该不良方面限制了该馏出物的使用。由于该缺陷，必须设计鼓式锅炉并且在较低压力下工作。OTSG还在它们可以实现的气化速率方面受限。

由于蒸发器集水槽中的静态体积，因此另外的问题随着传统纯化技术发生。传统蒸发器具有显著大于热交换器管束的直径。因此当降膜落入集水槽中，其主要直接向下移动，伴随着圆柱形集水槽的环形体积相对极少的搅动。该区域中缺少混合使得一些组分例如油和油脂积聚在该静态体积中。该设计中有几个固有的缺陷，包括：a)在正常工作期间油和油脂积聚在蒸发器系统中，b)需要致力于宽集水槽蒸发器中积聚的油的额外油除去步骤，c)蒸发器中较高的油和油脂浓度造成纯化馏出物中较大的油和油脂浓度，这污染主产物。

传统处理方法的另一个显著缺陷是蒸发器系统在低于理想的热效率下工作。这要求从系统中除去过多的能量。传统方法通过从蒸发器系统中排出蒸汽实现能量平衡。由于该排出的蒸汽通常含有一定浓度的硫化氢和其它环境有害物质，因此排出的蒸汽是不适合于排入大气的废物流。相反，必须将其收集和处置在火炬、催化氧化器或其它处置系统中。该限制表现出显著的缺陷，因为其增加了资金成本和处置系统的工作成本。

发明内容

本文提供的实施方案可以克服由传统MVC蒸发系统生产的馏出物中溶解的固体造成的限制。制得高纯度馏出物，其可以允许鼓式锅炉较高的工作压力或者OTSG较高的气化速率。还减少或消除了井下(downbore)处置废水的需要。

该新蒸发方法还连续在大于可用传统技术实现的总效率下生产该馏出物。发明的方法的实施方案包括增加离开蒸发器系统进入锅炉系统的馏出物的焓的控制方法。该较高的焓降低了锅炉预热负荷，增加了锅炉效率，因为取决于锅炉的工作压力，将锅炉进料水带至沸腾温度所需的燃气量降低多达5-10％。这不需要将锅炉排污与蒸发器进料水混合(这将增加可用于转移至馏出物的能量)而实现。该较高的焓用自动的预热器旁通管实现，该旁通管同时增加馏出物焓并且降低排出蒸发器工艺的毒性排出蒸汽的流动速率。

本发明的实施方案可以包括一些或全部这些设计特征：

·在降膜蒸发容器外面进行的除雾；

·用多级：两级或更多级进行的除雾；

·使用凝聚技术进行除雾；

·用清洗溶液洗涤水蒸气以除去不希望的挥发性化合物；

·除雾器清洗以防止固体积聚；

·直集水槽垂直降膜蒸发器；

·蒸发器进料水与氢氧化钠反应，使蒸发容器的硬上游沉淀；

·蒸发器在高pH下工作。一般而言在25℃下测量，pH为9.5-13.0，以减少腐蚀潜在可能性和允许使用较贫的冶金。

·预热器部分旁通管，通过使到达锅炉系统的馏出物焓最大化增加总的设备效率；

·预热器部分旁通管，减少生成通常含有硫化氢和其它环境有害化合物的毒性排出蒸汽；

·双分布塔板以使盐水均匀分布在垂直管的管壁圆周的周围；和

·使用强制循环蒸发、干燥技术、旋转分离和/或过滤实现的零液体排放。

附图说明

图1提供了表示生成高压蒸汽同时实现零液体排放的蒸发系统的流程图。

图2是表示双分布塔板和粗滤器的蒸发器顶盖。

图3是传统的宽集水槽蒸发器与本发明实施方案中发现的直集水槽蒸发器的比较。

图4是直集水槽垂直管降膜蒸发器和外部除雾器。

图5是具有内部除雾器的传统宽集水槽降膜蒸发器。

图6是显示生产高纯度馏出物的高效率除雾和蒸气清洁系统的图。

图7显示强制循环蒸发器系统。

图8显示水平管降膜蒸发器。

图9显示流过蒸发器宽集水槽的流体的计算流体动力学研究的结果：显示通过内核的高向下流速和外环中大的静态体积。

具体实施方式

生产水是从油井生产液中提取的水。在本发明的实施方案中，该流体以去油状态送入蒸发器系统，所述蒸发器系统通过生成适用于再循环作为锅炉进料水的高纯度馏出物来处理生产水。将生产水送入具有或不具有补充水(新鲜或微咸)、锅炉排污和其它废水流的蒸发器系统。方块流程图(图1)显示进入蒸发器系统并且通过垂直降膜蒸发器系统和/或强制循环蒸发器系统加工实现零液体排放(ZLD)的这些物流。消泡剂、防垢剂、分散剂和强碱可以加入系统。系统使大于98％的进料水作为高纯度馏出物再循环。通过环境保护协会(EPA)油漆过滤器测试(“评价固体废物的测试方法，物理/化学方法”：美国政府公开SW846：方法9095B)的干燥固体与排出的蒸汽一起从系统排出。

进料流在反应釜中合并，在那里加入氢氧化钠(强碱)与进料水中的硬度反应以使进料水软化。在25℃下，反应室pH保持接近10.5。增加的进料水的高pH软化的优点在于盐水在蒸发器系统中在升高的pH(通常高于10.5的pH)下浓缩。在材料科学团体中公认的是在高pH下存在的脱气的高氯化物环境消除了腐蚀潜在可能性并且允许使用较贫的冶金用于构造蒸发器系统。这些较贫的冶金将通常包括等级316L SS、2304Duplex和2205Duplex。(316SS是一种常用的工业奥氏体不锈钢等级。Duplex不锈钢是用奥氏体和铁素体相的组合制成的钢。该组合相造成Duplex钢与简单的奥氏体等级相比具有优良的强度和耐腐蚀性。)这排除了使用高级冶金的需要，减少了系统的资金成本。

将进料水在热交换器(板框型、壳管型、螺旋型等)中预热并且脱气以除去氧和挥发性化合物例如轻质有机烃。从蒸发器的壳侧排出的蒸汽在脱气器中用作汽提蒸汽。将蒸汽从脱气器中排出、与其它蒸汽排出源一起收集在集管并且在催化氧化器、火炬烟囱或其它处置系统中加工，以防止有害化合物例如硫化氢和硫醇逃逸到环境中。

自动控制的预热器旁通管可以连续使流入锅炉系统的馏出物的焓最大化。该系统还可以使排出蒸汽速率最小化。该控制作用使排出处理系统的资金和工作成本最小化。

将脱气并且预热的进料流送入蒸发器系统，在那里垂直管降膜蒸发器使生产水预浓缩并且使送入强制循环蒸发器的废水体积最小化。VTFF蒸发器通过使盐水在高流动速率下循环到蒸发器顶盖而工作，在蒸发器顶盖中盐水均匀分布在垂直管的内圆周上。当盐水沿管内向下流时，蒸汽冷凝在管外面并且将热传给下降的盐水膜。该盐水在管内气化并且作为水蒸气流到蒸发器外。

可以使用双分布塔板技术(图2)实现盐水在蒸发器的顶盖中的分布。盐水通过两个水平塔板均匀级联。流动直接到达上管板上，在那里其均匀流入管壁的内圆周。该设计排除使用传统地插入管造成堵塞问题的螺旋管分布器。这些分布塔板使用相对宽的孔，允许任何悬浮固体通过而不会堵塞。另外，粗滤器可以在分布塔板上游使用以捕集较大的固体；这提供了对堵塞的另外保护。

用于本发明实施方案的垂直管蒸发器具有直集水槽设计(图3和4)，这是指较低的集水槽具有与垂直管束段相同的直径。这是显著的，因为从管中下落的高体积再循环盐水在集水槽中保持湍流和向下的移动流动模式，防止油和有机物积聚在集水槽中。这与宽集水槽蒸发器(图5)相比是优越的概念，因为宽集水槽具有静态体积，油、油脂和其它有机物通常积聚在其中，需要间歇的油除去系统。油和有机物积聚使馏出物纯度变差、对系统造成损坏并且增加停工时间。计算的流体动力学分析表明在高速内核与低速环形体积之间有非常少的混合(实施例3)。

在蒸发器管中生成的水蒸气向下流动、排出蒸发器并且流入蒸发器外部的除雾容器(图6)。除雾容器通过从蒸气流中除去甚至非常小的盐水液滴(直径小于5微米)使得馏出物纯度显著改进。该高效率除雾器采用多级设计保证馏出物的高纯度。除雾器具有至少两级除雾。级一由百叶板(chevron)组成。工业百叶板除雾器是以锯齿形排列的薄规格金属阵列，使得雾滴将接触金属表面并且从蒸气流中除去。这些百叶板可以除去超过95％的夹带盐水滴。该第一级被称为粗除去级并且担负捕集小、中等和大尺寸的液滴。包括百叶板的第二级以提供剩余夹带盐水滴更精细的除去。可以增加另外的级用于除去愈加更细的液滴。

这些非常细液滴的捕集保证了本发明将制得最高纯度的馏出物。该集成的第二和第三除雾级分别是筛网凝聚垫和抛光百叶板。筛网凝聚垫是固定的除雾元件，其由编织在一起形成垫的非常细直径的金属丝组成。凝聚垫迫使非常小的液滴碰撞并且聚并形成中等和大尺寸液滴。现已扩大成中等和大尺寸液滴的非常小的液滴重新夹带在蒸气中，从第二级排出并且进入第三级。重新夹带的液滴然后通过第三级抛光百叶板从蒸气中除去。

传统技术采用安装在蒸发器本身的内环中的设计用于垂直流动的除雾器。该设计容易遭受固体积聚，因为含固体的盐水液滴在低流速下排出，这归因于它们与蒸气的向上流动相反。混合除雾器设计通过使用设计用于水平流动并且位于容器外面的除雾器系统克服了该缺陷。水平流动设计允许优良的盐水滴除去，因为蒸气流(水平)不会与捕集的液滴的排出路径(垂直向下)相反。因此，水平除雾器设计自然地减轻传统技术经历的固体堵塞问题。

此外，第一级百叶板可以装有清洗系统以间歇清洁百叶板积聚的任何固体。使用的清洗溶液通常是用氢氧化钠制备的设计目的是除去硅酸盐固体的高pH洗涤溶液。第一级百叶板全部在规则的频率下清洗，确保固体不会高度积聚。百叶板清洗可以全部一次或依次进行。

第二级装有将清洗溶液连续喷入蒸气流的洗涤系统。这吸收了挥发性组分并且进一步增强馏出物纯度。

还可以通过将蒸发器排列成多效结构(图7)，使得由一个效产生的蒸气是在随后的蒸发器效中驱动蒸发的蒸汽来增强馏出物纯度。一般而言使用两个或更多个效，尽管如果希望可以包括更多。该设计提供了至少两个优于传统技术的关键优点。首先，功率消耗显著降低(仅对于MVC设计)，因为少于一半的产生的全部蒸气必须通过蒸气压缩机加工。该功率降低显著降低了蒸发器系统的工作成本。其次，超过一半的通过总系统制得的蒸气由较低总溶解固体(TDS)浓度的盐水制得。这是重要的，因为蒸气中夹带的细液滴将具有较低的TDS浓度(与最终盐水浓度相比)，这导致甚至更高纯度的馏出物。

将在VTFF蒸发器中预浓缩的盐水排放入强制循环蒸发器，该蒸发器完成浓缩并且允许整个系统再循环好于98％的全部进料水。通过采用干燥技术、离心分离技术或过滤以使固体脱水使得它们将通过EPA油漆过滤器测试而实现ZLD。

实施例

实施例1描述了通过生成高质量馏出物处理生产水的蒸发系统的性能。在得自SAGD工艺的代表性生产水样品上进行中试规模的测试以确定几种设计增强的有效性。目的是1)证实软化蒸发器上游的生产水的有效性，和2)证实直集水槽降膜蒸发器设计可以加工大量的油和油脂。当然，这些测试目的的符合不应该看作是对权利要求范围内的实施方案的要求。中试测试的总运行时间为972小时。蒸发器系统在26的富集系数下工作，净回收率96％。

加工阶段包括生产水软化反应器、生产水预热器、脱气器、垂直管降膜蒸发器(直集水槽)、多级除雾和最后的蒸气冷凝器。通过蒸汽发生器驱动中试规模的蒸发，使得工艺模拟多效降膜蒸发系统。

生产水含有15.0ppm油和油脂。对于具有直集水槽蒸发器的蒸发器系统工作而言，该油和油脂水平是可接受的。没有可见的在水相上方积聚在集水槽中的油或烃相的迹象。这是因为由直集水槽设计提供的连续湍流。油不会积聚在蒸发器系统中并且与离开蒸发器的盐水浓缩物(富集系数＝26)连续排放出。

在预热阶段前将生产水加入软化反应容器。在软化反应容器中，将氢氧化钠以500ppm-1,000ppm的浓度加入物流。随着钙和镁盐从溶液中沉淀出来，水软化。还将防垢化学物质以16mg/L的量加入进料水。沉淀的盐用混合器悬浮于溶液中并且移动通过系统剩余部分，并且最终与浓缩的盐水从蒸发器排放出。软化反应步骤中制得的平均固体尺寸为5.8微米，其是适用于移动通过蒸发器、没有显著积聚的尺寸。

实施例2报导了混合除雾器的效果。定量地，可以通过比较各个液滴尺寸下的液滴捕集效率观察混合除雾器的效果。在整个范围内，混合外部除雾器的液滴捕集优于传统的内部除雾器，但在细液滴的捕集效率方面更加显著。对于具有5.0微米直径的液滴，混合除雾器捕集比内部除雾器多6％的液滴。对于具有4.0微米直径的液滴，混合除雾器捕集多34％；在3.0微米，混合除雾器捕集惊人的多80％的液滴。在该工艺中通过制得具有优良馏出物质量的水物理观察改进的液滴除去效率，因为在除雾器后有显著较少的盐水滴仍然夹带在蒸气中。

实施例3报导了宽集水槽设计的缺陷在于产生静态体积，其导致油和烃停滞和积聚。采取计算流体动力学研究(图9)确定宽集水槽蒸发器提供优良混合和防止产生停滞袋的效果。研究结果表明实际上宽集水槽在集水槽的环形区域产生静态体积。该环形区域中的流体速度约为0英尺/秒-1英尺/秒。在隔室中，流体逆时针从底部循环到顶部。侧室内再循环流速非常小并且表明非常少的混合和非常少的新液体流进入釜(tank)的该区域。与宽集水槽相反，直集水槽蒸发器模拟管中的流体流动并且具有相对均匀的流速形态，这排除了停滞侧室的产生。

本文中引用或提及的专利、专利申请、公开物、科学论文、书籍、网址和其它文献以及材料是本发明所属的本领域那些技术人员到每一公开物被写出时为止的技能水平的标志，并且全部引入作为参考，就像在本文中完全重写那样。文献包含在本说明书中并不是允许该文献出于任何目的代表先有的发明或者是现有技术。

Claims (20)

1.一种由用于重油生产的生产水生产纯化馏出物的方法，包括：

(a)提供从重油生产井提取的生产水流；

(b)将所述生产水流去油，提供去油的水流；

(c)通过使钙和镁从去油的水流中沉淀提高所述去油的水流的pH，以提供软化的水流；

(d)在热交换器中将所述软化的水流预热；

(e)将所述软化的水流脱气；

(f)在第一蒸发阶段中通过生成水蒸气流使所述软化的水流预浓缩；

(g)在浓缩前在蒸发容器外面的除雾器中将所述水蒸气流除雾以减小固体含量，由此产生高纯度馏出物流，其中除雾步骤包括这些阶段：在至少一个粗除去百叶板中处理所述含盐水的水蒸气，用至少一个筛网凝聚垫处理所述含盐水的水蒸气，和在至少一个抛光百叶板中处理所述含盐水的水蒸气；

(h)将高纯度馏出物送入高压锅炉或蒸汽发生器用于生产蒸汽，并且随后通过注射井注入储层。

2.权利要求1的方法，通过将锅炉排污水、补充水和废水的至少一员加入生产水流进一步补充步骤(a)的生产水流。

3.权利要求1的方法，其中所述第一蒸发阶段是垂直降膜蒸发器。

4.权利要求3的方法，其中所述垂直降膜蒸发器是直集水槽垂直降膜蒸发器。

5.权利要求4的方法，其中所述去油的水流中油的浓度为小于约100份/百万份。

6.权利要求3的方法，其中再循环到蒸发器顶部的盐水在分布于上管板上之前级联通过多个水平分布塔板，并且随后均匀分布在蒸发器管上。

7.权利要求1的方法，其中所述第一蒸发阶段是水平喷膜蒸发器。

8.权利要求1的方法，其中所述第一蒸发阶段是多效蒸发器。

9.权利要求1的方法，其中所述第二蒸发阶段是强制循环蒸发器。

10.权利要求1的方法，其中在25℃下测量，所述pH增至9.5-13.0。

11.权利要求1的方法，其中通过加入氢氧化钠增加pH。

12.一种由用于重油生产的生产水生产锅炉水的方法，包括：

根据权利要求1的方法生产纯化馏出物；

使用预热器旁通管控制所述纯化馏出物的焓，由所述纯化馏出物生产锅炉水，其中所述焓控制使送入锅炉的水的焓最大化。

13.权利要求12的方法，其中所述脱气步骤产生具有低流动速率的蒸汽排空，因为过量的焓从馏出物流中的体系放出而不是作为另外的蒸汽排空放出，由此降低催化氧化器和火炬烟囱的至少一个的操作要求。

14.权利要求1的方法，包括在第二蒸发阶段中使所述软化水流进一步浓缩，这制得另一纯化馏出物流并且制得干燥固体产品，从而实现零液体排放。

15.权利要求1的方法，包括使从所述第一蒸发阶段排放出的所述盐水进一步浓缩，由此制得另一纯化馏出物流和减小体积的用于处置的浓缩盐水废水。

16.权利要求1的方法，包括使从所述第一蒸发阶段排放出的所述盐水进一步浓缩，由此制得另一纯化馏出物流和减小体积的浓缩盐水废水，从而使下游零液体排放结晶器的尺寸最小化。

17.权利要求1的方法，其中所述预热步骤在所述软化步骤的上游进行。

18.权利要求2的方法，其中用补充水补充生产水流并且在补充所述生产水之前，用隔膜系统和离子交换系统的一员将所述补充水软化。

19.权利要求2的方法，其中用补充水补充生产水流，进一步包括在所述补充水进入蒸发器之前将所述补充水与另外的蒸发器进料水流独立地加热。

20.权利要求19的方法，其中用补充水补充生产水流，进一步包括在所述补充水加入所述生产水流之前的以下步骤：通过将酸加入所述补充水降低所述补充水的pH，由此制得游离二氧化碳以从所述补充水中除去。

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