CN102834358B - 从来自天然气井的返排水浓缩并除去污染物的工艺和系统 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型便携式液体浓缩器和污染物洗涤器，其包括气体进口、气体出口以及连接所述气体进口与所述气体出口的流道，其中所述流道包括使通过所述流道的气体加速的狭窄部分。液体进口用于将液体在所述狭窄部分之前的某一点处注入到气体流中，使得气体-液体混合物在所述流道内充分混合，从而使一部分所述液体被蒸发。在所述狭窄部分下游的除雾器或流体洗涤器除去所述气体流中携带的液滴，并且使所除去的液体通过再循环回路再循环至所述液体进口。可以将试剂与所述液体混合，从而与所述液体中的污染物反应。

Description

从来自天然气井的返排水浓缩并除去污染物的工艺和系统

技术领域

本申请大体涉及液体浓缩器，更具体来说，涉及可以容易地连接到废热源并且使用废热源的紧凑型便携式成本有效的废水浓缩器，并且再具体来说，涉及在除去溶解在废水流中的污染物的同时浓缩废水的紧凑型便携式成本有效的废水浓缩器。

背景技术

浓缩可能是用于多种多样的废水流的有效处理或预处理形式，并且可以在各种类型的商业加工系统中进行。在高程度的浓缩下，许多废水流可以被缩减为呈浆液形式的残余物料，该浆液含有高含量的溶解和混悬的固体。这种浓缩残余物可以容易地通过常规技术来固化以便在填埋场内处置，或者在合适时，被输送到下游工艺中用于在最终处置之前做进一步处理。浓缩废水可以大大降低运输成本和所需的储存容量，并且可能对从废水中回收物料的下游工艺有益。

工业废水流的特征由于产生这些工业废水流的许多种工业过程而非常宽泛。管理废水的技术包括：直接排放到污水处理厂；预处理后排放到污水处理厂；利用现场或场外工艺来回收有价值的成分；以及进行现场或场外处理以便针对最终处置对废水做简单的准备。在废水源是不受控制的情况下，有效的防治与回收技术必须包括这些选择措施中的任何一种。

衡量废水浓缩工艺有效性的重要尺度是所产生的残余物体积与进入工艺的废水体积的比例。具体来说，残余物体积与进料体积的低比率（高程度的浓缩）是最理想的。当废水含有溶解和/或混悬的不挥发性物质时，可以在依靠蒸发挥发物的特定浓缩工艺中实现的体积减小在很大程度上会受到被选择来向工艺流体传热的方法的限制。

一般而言，通过蒸发水和其它挥发性物质来实现浓缩的常规工艺使用间接传热系统。间接传热系统一般包括容纳工艺流体的容器和浸入在工艺流体内的板式换热器、插管式换热器，或线圈型换热器。使诸如蒸汽或热油的介质通过换热器以便传递蒸发所需的热量。

依靠如板式换热器、插管式换热器或线圈型换热器的换热器的间接传热系统一般会受到固体沉积物在与工艺流体直接接触的换热器表面上堆积的限制。此外，由于需要独立的工艺来将热能传递至加热介质，诸如用以加热其它传热流体的蒸汽锅炉或设备如热油加热器，因而使得此类系统的设计复杂化。这种设计导致对用于支持浓缩工艺的两个间接传热系统产生依赖。

在换热器上产生沉积物同时经历加工的进料流被称为结垢流体。当进料流含有溶解度随着温度的升高而降低（即，逆溶解度）的某些化合物（如碳酸盐）时，由于换热器表面处的温度升高，一般称为锅炉水垢的沉积物将甚至在相当低的浓度下也会形成。进一步来说，当在高温具有高溶解度的化合物如氯化钠存在于废水进料中时，随着工艺流体达到高浓度（即，饱和），所述化合物也将会通过从溶液中沉淀析出而形成沉积物。固体层在换热表面上的堆积充当降低传热速率的隔热屏障。另外，固体沉积物具有磨蚀换热器内的某些材料的可能。此类沉积物使得需要频繁的换热表面清洁循环来维持工艺效率并降低磨蚀可能性，所述沉积物可以是随废水进料被携带到工艺中的悬浮固体与从工艺流体中沉淀析出的固体的任意组合。为了抵消效率损失并延长各次清洁之间的时间间隔，间接换热蒸发器的设计者一般会按比例扩大换热表面。换句话说，建造比减少清洁循环所需更大的间接换热表面。另外，为了抵消磨蚀可能性，设计者通常选择昂贵的高合金材料用于换热器。固体在间接换热器中堆积的影响对可被有效管理的废水范围带来实际的限制，尤其在废水范围包括结垢流体时更是如此。因此，依靠间接传热机制的工艺一般不适合于浓缩种类繁多的废水流并实现残余物体积与进料体积的低比率。

由于以上列举的因素，间接换热蒸发器的设计者在设计此类系统时必须在成本、清洁循环、耐磨蚀性以及效率之间获得平衡。为了延长清洁循环之间的时间，间接换热蒸发器经常受到差压的限制，该差压限制了工艺流体的最大浓度。因此，已知的间接换热蒸发器经常局限于总固体少于20%的最大浓度，以便降低换热表面上的固体堆积率。

已知的间接换热蒸发器的另一个缺点是蒸发废水中的水需要大量热量。在海平面处，一般需要1Btu/Lb/°F来将废水加热至其沸点（这种热量一般称为“显热”）。此后，需要大约1,000Btu/Lb来实现水的蒸发（这种热量一般称为“潜热”）。

一些间接换热蒸发器已试图减少蒸发水所需要的热能的量。具体来说，已开发出在部分真空下操作以致力于减少所需热能的多阶段间接蒸发工艺。虽然此类设计在减少所需热能的量方面有一定的效果，但是这些设计非常昂贵并且它们仍然存在以上讨论的缺点，特别是固体沉积物和浓度限制。

除了蒸发之外，一些传统废水处理系统包括一系列工艺步骤，或“单元操作”，它们相互作用来提供安全的最终处理产物。这些类型的废水处理系统的实例包括常规的污水处理系统。常规的污水处理系统包括诸如脱水、加热、微生物消化（需氧型和厌氧型）、pH调节、沉淀、污泥增稠、污泥干燥，以及经处理流出物的脱氮和过滤的工艺步骤。即使采用了针对清洁污水和产生安全产物的数个工艺步骤，常规污水处理系统的最终产物一般仍是某种污泥。一些由此产生的污泥可能含有在处理过程期间从溶液中沉淀析出的重金属。这些重金属可能是有毒的，并且该重金属很难从污泥中提取出来。

常规污水处理系统的另一个缺点是工艺流体对pH变化非常敏感。此外，工艺流体可能含有干扰微生物消化的化合物。换句话说，工艺流体可能含有对常规污水处理系统中使用的细菌有害的化合物。

处理污水的又一个常规方法是过滤系统。过滤系统可以使用多种多样的过滤方法来纯化废水。过滤方法的一些实例为反渗透、超滤，以及离子交换。这些过滤系统中的每一种系统都对系统内的膜上的污染物有某种程度的敏感性。因而，该膜必须定期反洗或清洁。此外，可能需要二级系统来除去这些污染物，从而导致更加昂贵和复杂的系统。

发明内容

紧凑型液体浓缩设备可以容易地连接至诸如天然气火炬或内燃机排气烟囱的废热源，并且使用这种废热源来执行直接传热浓缩和污染物除去工艺，而无需昂贵的大型密闭容器而且不会使用大量昂贵的耐高温材料。该紧凑型液体浓缩器包括气体进口、气体出口以及连接气体进口与气体出口的混合道或流道，其中该流道包括使通过所述流道的气体加速的狭窄部分。安置在气体进口与流道狭窄部分之间的液体进口将液体在狭窄部分之前的某一点处注入到气体流中，使得该气体-液体混合物在流道内充分混合，从而使一部分液体被蒸发或浓缩。在狭窄部分下游并且连接至气体出口的除雾器或流体洗涤器除去气体流中携带的液滴，并且使所除去的液体通过再循环回路再循环至液体进口。也以足以补偿在流道中蒸发的液体与从该工艺中抽出的任何经过浓缩的液体的总和的速率将要浓缩的新鲜液体引入再循环回路中。

本文描述的紧凑型液体浓缩器包括许多属性（attribute），所述属性起到成本有效地浓缩具有宽范围特征的废水流的作用。该浓缩器可在宽泛的进料特征范围内抵抗磨蚀影响，具有合理的制造和运转成本，能够以高程度的浓缩连续运转，并且高效地利用直接来自多种多样来源的热能。此外，该浓缩器足够紧凑以便于携带，并因此可以容易地运输到由不受控制的事件产生废水的场所，并且可以被安装在紧邻废热源如天然气井火炬的位置。因而，本文描述的浓缩器是成本有效的可靠且耐用的设备，该设备运转时连续地浓缩宽范围的不同类型的废水流，并且消除了常规间接传热系统中所见的常规固体表面换热器的使用，所述固体表面换热器的使用会导致堵塞和沉积物堆积。

紧凑型液体浓缩器有利地以直接换热进行运转，而无需固体换热表面。因此，该紧凑型液体浓缩器没有在换热表面上存在固体沉积物的缺点。此外，该紧凑型液体浓缩器能够在非常高的废水浓度水平下连续运转。浓缩器中的高湍流阻碍大晶体的形成并且保持固体混悬在溶液中。因此，在该紧凑型液体浓缩器中极少发生在表面上的固体堆积。沉淀的固体可以通过副工艺（side process）如沉降罐或真空带式过滤器从浓缩器中除去，而使液体部分返回至浓缩器。这样一来，该浓缩器在连续运转期间达到零液体排放。沉淀的固体通常可以存放在填埋场中以待处置。

在该浓缩器的一个实施方案中，可以在浓缩前或浓缩后将试剂添加到废水中。该试剂可以与废水的危险组分化学反应或机械反应从而产生无危险或不可溶的产物。因而，该浓缩器可用于除去废水流中的有害物质。

附图说明

图1是紧凑型液体浓缩器的透视图；

图2是图1中的紧凑型液体浓缩器的浓缩/蒸发段的特写透视图；

图3是图1中的紧凑型液体浓缩器的示意图；以及

图4是紧凑型液体浓缩器的另一个实施方案的透视图。

具体实施方式

图1示出紧凑型液体浓缩器110的一个具体实施方案，该紧凑型液体浓缩器连接至来自天然气井的天然气火炬形式的废热源。一般来说，紧凑型液体浓缩器110运转时使用天然气火炬内产生的排气或废热来浓缩废水，如来自天然气井的返排水（flowback water），所述天然气火炬以满足由美国环境保护署（EPA）和/或当地监管机构设定的标准的方式来燃烧天然气。众所周知，大部分天然气井都包括用来燃烧过量天然气的火炬。通常，离开火炬的气体处在1200华氏度与1500华氏度之间，并且可以达到1800华氏度。紧凑型液体浓缩器100在浓缩填埋场浸出液或其它所产生的水方面同样有效，并且可以以来自填埋场气体火炬、丙烷火炬的排气，或来自几乎任何其它来源的热量进行运转。

如图1所示，紧凑型液体浓缩器110一般包括或者连接至火炬组件115，并且包括传热组件117、空气预处理组件119、浓缩器组件120（在图2中更详细地示出）、流体洗涤器122以及排气段124。重要的是，火炬组件115包括根据任何已知原理来燃烧其中的天然气（或其它可燃性燃料）的火炬130，和火炬盖组件132。火炬盖组件132可以包括可移动盖134（例如，火炬盖、排气盖等），该可移动盖遮盖火炬130或其它类型的烟囱（例如，燃烧气体排气烟囱）的顶端，以便在火炬盖134处于关闭位置时封闭火炬130的顶端，或者在所述火炬盖处于部分关闭的位置时使一部分火炬气体转向，并且当火炬盖134处于打开或部分打开的位置时，允许在火炬130内产生的气体通过形成主燃料气体出口143的开口端逸出到大气中。火炬盖组件132还包括使火炬盖134在完全打开与完全关闭的位置之间移动的盖致动器如电动机135（参见图3）。火炬盖致动器可以利用连接至火炬盖134的链传动或任何其它类型的传动机构使火炬盖134围绕枢轴点移动。火炬盖组件132也可以包括平衡配重体（counter-weight）（参见图3），该平衡配重体设置在火炬盖134的枢轴点的相对侧上，用以在使火炬盖134围绕枢轴点移动时平衡或抵消火炬盖134的一部分重量。该平衡配重体使得该致动器的尺寸减小或功率（power）降低同时仍然能够使火炬盖134在打开位置与关闭位置之间移动或转动，处于打开位置时，火炬130的顶端（或主燃烧气体出口143）朝大气敞开，而处于关闭位置时，火炬盖134遮盖并基本上密封火炬130的顶端（或主燃烧气体出口143）。火炬盖134本身可以由耐高温材料如不锈钢或碳钢制成，并且所述火炬盖的底部可以用包括氧化铝和/或氧化锆的耐火材料进行内衬或者隔离，所述底部在火炬盖134处于关闭位置时将与热火炬气体直接接触。

如果需要，火炬130可以包括配接器段（adapter section）138，该配接器段包括主燃烧气体出口143和在主燃烧气体出口143的上游的次燃烧气体出口141。当火炬盖130处于关闭位置或者部分关闭的位置时，燃烧气体被转向通过次燃烧气体出口141。配接器段138可以包括使用90度弯管或弯转件（turn）将火炬130（或排气烟囱）连接至传热组件117的连接器段139。其它连接器布置也是可能的。例如，火炬130和传热组件117可以介于0度与180度之间的几乎任何角度来连接。在这种情况下，火炬盖组件132被固定在配接器段138的顶部上最邻近主燃烧气体出口143的位置处。

如图1所示，传热组件117包括传递管140，该传递管连接至空气预处理组件119的进口并连接至火炬130，更具体来说，连接至火炬130的配接器段138。呈竖直条棒或竖直杆形式的支撑构件142在高出地面的预定标高（level）或高度处将传热管140支撑在火炬130与空气预处理组件119之间。传热管140在次燃烧气体出口141处连接至连接器段139或配接器段138，该传递管形成介于配接器段138与二级工艺如流体浓缩工艺之间的流体通道的一部分。支撑构件142可能是必需的，因为传热管140一般由金属如碳钢或不锈钢制成，并且可以用诸如氧化铝和/或氧化锆的耐火材料进行内衬，从而经得住从火炬130向空气预处理组件119传递的气体温度。因而，传热管140通常是一种重型装备。然而，因为一侧的火炬130与另一侧的空气预处理组件119和浓缩器组件120是彼此十分紧邻地进行设置，所以传热管140一般只需要相对短的长度，由此降低浓缩器110中使用的材料成本，以及减少承受位于地面上的浓缩器110的重型零件重量所需的支撑结构的量。如图1所示，传热管140和空气预处理组件119形成倒置的U形结构。

空气预处理组件119包括竖直管道段150和设置在竖直管道段150顶部处的环境空气阀306（参见图3）。环境空气阀306（也称为气闸阀（damper valve）或放泄阀）形成介于传热管140（或空气预处理组件119）与大气之间的流体通道。环境空气阀306的运转允许环境空气流过网筛152（通常为线材或金属）并流入空气预处理组件119的内部，从而与来自火炬130的热气体混合。如果需要，空气预处理组件119可以包括最邻近环境空气阀306的永久敞开段，该永久敞开段始终允许一些量的放泄空气进入空气预处理组件119中，这对减小所需环境空气阀306的尺寸和对安全原因的考虑来说可能是理想的。如果需要，可以将压力鼓风机（未示出）连接至环境空气阀306的进口侧，从而迫使环境空气通过环境空气阀306。如果实施压力鼓风机，则网筛152和永久敞开段（如果实施）可以重新安置到压力鼓风机的进口侧。虽然后文将更详细地讨论环境空气阀306的控制，但环境空气阀306一般允许来自火炬130的气体在进入浓缩器组件120之前被冷却至较理想的温度。空气预处理组件119可以部分地由连接至支撑构件142的横向构件154支撑。横向构件154使空气预处理组件119稳定化，该空气预处理组件通常也由重型碳钢或不锈钢或其它金属制成，并且可以内衬耐火材料以便提高能量效率并经得住在浓缩器110的这个区段内的气体高温。如果需要，竖直管道段150可以是可延伸的从而适合于不同高度的火炬或者对应不同高度的火炬，以便使液体浓缩器110容易适合于许多不同的火炬或具有不同高度的火炬，同时也在架设（erecting）浓缩器时通过对各部件的竖直和/或水平的轻微错位（misalignment）进行校正来提高效率。竖直管道段150可以包括位于第二区段150B内部的第一区段150A（使用虚线示出），由此允许竖直管道段150的长度（高度）可被调节。

一般来说，空气预处理组件119的运转使通过在网筛152下方的环境空气阀306提供的环境空气与来自火炬130的通过传热管140的热气体混合，从而在浓缩器组件120的进口处产生所需温度的气体。

浓缩器组件120包括底部横截面减小的引入段156，该引入段使管道段150的底部与浓缩器组件120的急冷器159配合。浓缩器组件120还包括第一流体进口160，该第一流体进口将待浓缩的新或未处理液体如来自天然气井的返排水注入到急冷器159的内部。虽然在图1中没有示出，但是进口160可以包括具有用于将未处理液体喷洒到急冷器159中的大型喷嘴的粗喷洒器。因为在系统中的这个点处喷洒到急冷器159中的液体还未被浓缩，因而该液体中具有大量的水，并且因为该喷洒器是粗喷洒器，所以该喷洒器的喷嘴不会遭受结垢或者被液体内的小粒子堵塞。如可以理解的，急冷器159的运转使气体流的温度迅速降低（例如，从约900华氏度降低至低于200华氏度）同时对在进口160处注入的液体执行高程度的蒸发。如果需要，温度传感器308（参见图3）可以安置在管道段150的出口处或附近或者在急冷器159中，并且可以用来控制环境空气阀的位置从而控制存在于浓缩器组件120的进口处的气体温度。

如图1和图2中所示，急冷器159连接至液体注入室，该液体注入室连接至狭窄部分或文丘里段（venturi section）162，该狭窄部分或文丘里段具有相对于急冷器159的狭窄横截面并且具有设置在其中的文丘里板（venturi plate）163（用虚线示出）。文丘里板163构成了通过文丘里段162的狭窄通道，该狭窄通道产生了介于文丘里段162的入口与出口之间的大的压降。这种大的压降在急冷器159以及文丘里段162的顶部或入口内产生湍流气流和剪切力，并且产生离开文丘里段162的高速气流，这两者都导致文丘里段162中的气体与液体充分混合。文丘里板163的位置可以利用连接至文丘里板163的枢轴点的手动控制棒165（参见图2）加以控制，或者经由可以被电动机或气压缸驱动的自动定位器加以控制。

再循环管166在文丘里段162的入口的相对侧周围延伸，并且运转时将部分浓缩（即，再循环）的液体注入到文丘里段162中以进一步被浓缩，和/或以防止通过安置在流道的一侧或多侧上的多个流体入口在浓缩器组件120内形成干颗粒。虽然在图1和图2中没有明确示出，但是例如直径为1/2英寸的许多根管如三根管可以从部分围绕文丘里段162的管166的相对的支管（leg）中的每一个延伸，并穿过文丘里段162的壁并进入文丘里段162的内部。因为在这个点处喷射到浓缩器110中的液体是再循环液体，并因而被部分浓缩的或被维持在特定平衡浓度下，并且比在进口160处注入的浓缩程度较低的液体更易于阻塞喷嘴，所以这种液体可以在不使用喷洒器的情况下直接注入以便防止堵塞。然而，如果需要，平板形式的折流板（baffle）可以设置在直径1/2英寸的管的每个开口前方从而使在系统中这个点处注入的液体撞击折流板并以较小液滴形式分散到浓缩器组件120中。在任何情况下，这种再循环系统的构造都将再循环液体更佳地分配或分散在流过浓缩器120的气体流内。

合并的热气体和液体以湍流方式流过文丘里段162。如上所述，具有设置在浓缩器组件120整个宽度上的可移动文丘里板163的文丘里段162产生液体和气体的湍流和充分混合物，使得不连续液相迅速蒸发成连续的气相。因为文丘里段162产生的混合作用提供了高程度的蒸发，所以该气体在浓缩器组件120中大致冷却，并以高速率离开文丘里段162而进入溢流弯管（flooded elbow）164。实际上，在这个点处的气体-液体混合物的温度可以为约160华氏度。在一个实施方案中，该浓缩器组件的总长度可以为20英尺或更小，特别是约4英尺至约12英尺，更特别是约5英尺至约10英尺。在一个实施方案中，文丘里段162的最大横截面面积可以为约25平方英尺或更小，特别是约2平方英尺至约16平方英尺，更特别是约3平方英尺至约8平方英尺。上述尺寸产生高效而足够的量的气流/液流的湍流，该湍流增强了介于气体与液体粒子之间的热与质量传递，因为这些尺寸导致形成大数量的介于气相与液相之间的界面面积。在将8.75加仑/分钟的含有约26重量%的总固体的废水引入到浓缩器110中的一个实施方案中，当85加仑/分钟的浓缩废水从贮槽172（对于总共约93.75加仑/分钟的总流体而言），与约14,000立方英尺/分钟的燃烧气体一道不断地再循环时，产生了约5.26英亩/分钟的介于气相与液相之间的总界面面积（假定平均液体粒径为约110微米的直径）。这个界面面积量远远超过在已知的间接换热器蒸发系统中可获得的界面面积。

溢流弯管164底部内的堰布置（未示出）维持恒定水平的设置在其中的部分或完全浓缩的再循环液体。当该气体-液体混合物以高速率离开文丘里段162时，气相中会携带再循环液体的液滴，该再循环液体的液滴被该气体-液体混合物受迫转动90度从而流入液体洗涤器122中时产生的离心力向外抛到容纳在溢流弯管164底部内的再循环液体的表面上。携带在气相内的冲击容纳在溢流弯管164底部内的再循环液体表面的大量液滴聚结并与再循环液体结合，由此增加溢流弯管164底部中的再循环液体体积，从而使得等量的再循环液体从该堰布置溢出和靠重力流入在洗涤器122底部处的贮槽172中。因而，气体-液体流与溢流弯管164内的液体的相互作用除去了气体-液体流中的液滴，并且还防止了气体-液体流内的混悬粒子以高速度撞击溢流弯管164的底部，由此防止形成安置在堰布置水平面下方的侧壁的部分和溢流弯管164的底部的金属磨蚀。

离开溢流弯管164后，蒸发的液体和一些液体以及其它粒子仍然存在其中的气体-液体流流过流体洗涤器122，所述流体洗涤器在这种情况下为横流流体洗涤器。流体洗涤器122包括各种网筛或过滤器，这些网筛或过滤器用于除去气体-液体流中携带的液体和其它粒子。在一个特定实施例中，横流洗涤器122可以包括在其输入端处的初始粗冲击折流板169，该初始粗冲击折流板设计用于除去尺寸范围在50微米至100微米或尺寸更大的液滴。此后，可以将人字形板（chevron）170形式的两个可拆卸过滤器设置在通过流体洗涤器122的整个流体通路上，并且可以逐渐地调整人字形板170的尺寸或进行构造从而除去尺寸越来越小的液滴，如20-30微米和小于10微米的液滴。当然，可以使用更多或更少的过滤器或人字形板。

与在横流洗涤器中的典型情况一样，被折流板169和人字形板170以及溢流堰布置俘获在溢流弯管164底部内的液体靠重力排入安置在流体洗涤器122底部的储罐或贮槽172中。可容纳例如大约200加仑液体的贮槽172由此收集含有从气体-液体流中除去的溶解和悬浮固体的浓缩流体，并且充当供返回到浓缩器组件120中以进一步被处理和/或以防止在浓缩器组件120内形成干颗粒的再循环浓缩液体来源的储罐。在一个实施方案中，贮槽172可以包括倾斜的V形底部171，该底部具有从流体洗涤器122的背面（距离溢流弯管164最远）延伸至流体洗涤器122的前面（距离溢流弯管164最近）的V形沟槽175，其中V形沟槽175是倾斜的，这样使得V形沟槽175的底部在流体洗涤器122的最靠近溢流弯管164的一端低于距离溢流弯管164较远的一端。换句话说，可以V形底部171的最低点最邻近出口端口173和/或泵182的方式使V形底部171倾斜。另外，洗涤回路177（参见图3）可以泵送来自贮槽172的浓缩流体至横流洗涤器122内的喷洒器179，喷洒器179旨在喷洒在V形底部171处的液体。或者，喷洒器179可以喷洒在V形底部171处的未浓缩液体或干净的水。喷洒器179可以定期或不断地喷洒液体到V形底部171的表面上，从而洗涤固体并防止在V形底部171上或者在出口端口173和/或泵182处的固体堆积。由于这种V形倾斜底部171和洗涤回路177，收集在贮槽172中的液体被不断地搅动和更新，从而维持相对恒定的稠度并维持固体处于混悬状态。如果需要，喷洒回路177可以是使用具有例如位于贮槽172内部的进口的独立泵的独立回路，或者可以使用与以下描述的浓缩液体再循环回路关联的泵182以便将来自贮槽172的浓缩流体喷洒到V形底部171上。

如图1中所示，返回管路180以及泵182的运转使来自贮槽172的从气体-液体流除去的流体再循环回到浓缩器120中，并由此完成流体或液体再循环回路。同样地，泵184可以设置在输入管路186内从而泵送新或未处理液体如来自天然气井的返排水到浓缩器组件120的输入端160。此外，一个或多个喷洒器（未示出）可以设置在流体洗涤器122内邻近人字形板170，并且可被定期操作以在人字形板170上喷洒干净的水或一部分废水进料从而使所述人字形板保持干净。

浓缩液体也可以经由出口端口173从流体洗涤器122的底部除去，并且可以在侧臂（side-arm）工艺或二级再循环回路181中以任何合适的方式进行进一步加工或处置。具体来说，通过出口端口173除去的浓缩液体含有一定量的悬浮固体，优选该悬浮固体可以与浓缩液体的液体部分分离并且可以使用二级再循环回路181从系统中除去。在一个实施例中，浓缩流体可以包括约50%至约60%的总固体。从出口端口173除去的浓缩液体可以通过二级再循环回路181运输至一个或多个固体/液体分离设备183，如重力沉降罐、振动筛、旋转式真空过滤器、水平带式真空过滤器、压带机、压滤机，和/或液压旋流器。固体/液体分离设备183可以提供有利于沉淀物结晶的低湍流区域，该低湍流区域可以使悬浮固体的粒子扩大、更迅速地沉降和更容易分离。在浓缩废水的悬浮固体和液体部分被固体/液体分离设备183分离后，混悬粒子基本上被除去的浓缩废水的液体部分可以返回至贮槽172用于在连接至浓缩器的第一或一级再循环回路中进一步加工。浓缩废水的固体部分在一个实施方案中可包括大约80%的总固体或更多，该固体部分可以通过提取端口215从系统中除去，并且可以通过例如将固体部分存放在填埋场中来进行处置。或者，浓缩废水的固体部分可以经受进一步加工从而回收可出售的物料如道路盐，或用于钻井泥浆的成分。

在流过并流出流体洗涤器122后液体和悬浮固体被从中除去的气体离开在流体洗涤器122的背面（在人字形板170的下游）的管道或导管网（duckwork），并且流过排气组件124的抽风式风扇190，该气体以与蒸发的水蒸汽混合的冷却热进气形式从该抽风式风扇排出到大气中。当然，抽风式风扇电动机192连接至风扇190并且操控风扇190，使其在流体洗涤器122内产生负压，以便最终通过传递管140、空气预处理组件119以及浓缩器组件120从火炬130抽出气体。抽风式风扇190只需要在流体洗涤器122内提供轻微的负压以确保浓缩器110的适当运转。

虽然抽风式风扇190的速度可以被运转用以在流体洗涤器122内产生变化水平的负压的设备如变频驱动器改变，并因而可以经常在气体流量范围内运转从而确保来自火炬130的完整气流，但是如果火炬130产生的气体的量不足够，那么不一定能调节抽风式风扇190的运转来确保跨越流体洗涤器122本身的适当压降。也就是说，为了高效而适当地运转，流过流体洗涤器122的气体在流体洗涤器122的输入端必须具有足够（最低）的流速。通常，通过保持至少预先设定的跨越流体洗涤器122的最低压降来控制这种要求。然而，如果火炬130不能产生至少最低水平的气体，那么增加抽风式风扇190的速度将不能产生跨越流体洗涤器122的所需压降。

为了弥补这种情形，将横流洗涤器122设计成包括气体再循环回路，该气体再循环回路可以用来确保在流体洗涤器122的输入端处存在足够的气体，从而使得系统能够获得跨越流体洗涤器122的所需压降。具体来说，该气体再循环回路包括使排气组件124的高压侧（例如，在抽风式风扇190的下游）与流体洗涤器122的输入端（例如，流体洗涤器122的气体输入端）连接的气体返回管路或返回导管196，和设置在返回导管196中的折流板或控制机构198，该折流板或控制机构的运转打开和关闭返回导管196，由此使排气组件124的高压侧与流体洗涤器122的输入端流体连接。在运转期间，当进入流体洗涤器122的气体的量不足以获得跨越流体洗涤器122的最低所需压降时，折流板198（其可以是例如气体阀、诸如百叶窗式气闸阀的气闸阀，等）被打开，从而引导来自排气组件124的高压侧的气体（即，已通过抽风式风扇190传送的气体）回到流体洗涤器122的输入端。这种运转由此在流体洗涤器122的输入端处提供了足够量的气体，从而使得抽风式风扇190的运转能够获得跨越流体洗涤器122的最低所需压降。

再参考图2，可以看出，浓缩器组件120的溢流弯管164的前面还包括允许轻易进入溢流弯管164内部的快开式进入门200。然而，类似的快开式进入门可以安置在流体浓缩器110的任何所需零件上，因为浓缩器10的大多数元件都是在负压下运转。

图1和图2中示出的特征的组合构成紧凑型流体浓缩器110，所述紧凑型流体浓缩器使用由天然气火炬的运转产生的气体形式的废热，否则这种废热将会被直接排放到大气中。重要地，浓缩器110仅使用最低量的昂贵耐高温材料来提供使用离开火炬130的高温气体所需要的管道和结构装备。例如，将由最昂贵材料制成的很短的传递管140的长度减至最低，由此降低流体浓缩器110的成本和重量。此外，因为传热管140的尺寸小，所以仅需要单一支撑构件142，由此进一步降低建造浓缩器110的成本。再进一步来说，空气预处理组件119直接设置在流体浓缩器组件120顶部上，并且这些区段中的气体朝着地面向下流动的这一事实使得浓缩器110的这些区段能够直接被地面或安设这些构件的垫木（skid）所支撑。这种构造保持所设置的浓缩器110非常靠近火炬130，从而使得所述构造更紧凑。同样地，这种构造保持浓缩器110的高温部件（例如，火炬130的顶部、传热管140以及空气预处理组件119）高出地面并使其远离地面以避免人的意外接触，从而产生较安全的构造。实际上，由于在浓缩器组件120的文丘里段162中发生的迅速冷却，文丘里段162、溢流弯管164以及流体洗涤器122通常足够冷却，以便触摸后不会产生伤害（甚至当离开火炬130的气体为1800华氏度时也是如此）。气体-液体混合物的迅速冷却允许使用较容易制造并且耐磨蚀的成本一般较低的材料。此外，在溢流弯管164下游的零件，如流体洗涤器122、抽风式风扇190以及排气段124可以由诸如纤维玻璃的材料制造。

流体浓缩器110也是非常快速作用的浓缩器。因为浓缩器110是直接接触型浓缩器，所以不会遭受与大多数其它浓缩器相同程度上的沉积物堆积、堵塞和结垢。再进一步来说，取决于浓缩器110是否正在被使用或操作来控制火炬盖134打开和关闭的能力使得火炬130在启动和停止浓缩器110时能被用来燃烧气体而不会中断。更具体来说，火炬盖134可以在任何时间迅速打开，从而使得在浓缩器110停机时火炬130能如往常一样简单地燃烧气体。另一方面，当浓缩器110被启动时，火炬盖134可以迅速地关闭，由此使火炬130内产生的热气体转向至浓缩器110，并且允许浓缩器110运转，而无需中断火炬130的运转。在任一情况下，浓缩器110均可以基于火炬盖134的运转来启动和停止，而无需中断火炬130的运转。

如果需要，在浓缩器110运转期间可以将火炬盖134部分程度地打开，从而控制从火炬130传递到浓缩器110的气体量。这种操作连同环境空气阀的操作可以用于控制在文丘里段162的入口处的气体温度。

此外，由于空气预处理组件119、浓缩器组件120以及流体洗涤器122的紧凑型构造，浓缩器组件120、流体洗涤器122、抽风式风扇190以及排气段124的至少下部的各个零件可以永久地固定在垫木或垫板上（连接至垫木或垫板并由该垫木或垫板支撑）。浓缩器组件120、空气预处理组件119以及传热管140的上部零件，以及排气烟囱的顶部可以拆除并存放在垫木或垫板上以便运输，或者可以在单独的卡车中运输。由于浓缩器110的下部可以固定到垫木或垫板上的这一方式，浓缩器110容易移动和安装。具体来说，在装配浓缩器110期间，固定有流体洗涤器122、溢流弯管164以及抽风式风扇190的垫木可以通过简单地将垫木卸载到地面或将要组装浓缩器110的其它密闭区域上而在将要使用浓缩器110的场所处进行卸载。此后，文丘里段162、急冷器159以及空气预处理组件119可以被放置在溢流弯管164的顶部上并附连至溢流弯管164。然后，管道段150可以在高度上延伸从而与将连接浓缩器110的火炬130的高度匹配。在一些情况下，这可能首先需要将火炬盖组件132固定到预先存在的火炬130上。此后，可以将传热管140升高至适当的高度并附连在火炬130与空气预处理组件119之间，同时将支撑构件142设置在适当的位置。对于蒸发容量在10,000加仑/天至30,000加仑/天的范围内的浓缩器，整个火炬组件115可能可与浓缩器120固定在同一块垫木或垫板上。

因为泵、流体管路、传感器以及电子装备中的大部分被设置在流体浓缩器组件120、流体洗涤器122或抽风式风扇组件190上或者连接至流体浓缩器组件120、流体洗涤器122或抽风式风扇组件190，所以浓缩器110在特定场所的装配仅需要在该场所中进行最低量的管道安装（plumbing）、机械及电力作业。因此，浓缩器110可相对容易安装并装配在特定场所（以及相对容易从特定场所拆解和拆除）。此外，因为浓缩器110的大多数部件永久地固定到垫木上，所以浓缩器110可以容易地在卡车或其它输送车辆上运输，并且可以容易地卸下并被安装在特定场所，如紧靠填埋场火炬的场所。

图3示出可用来操作图1中的浓缩器110的控制系统300的示意图。如图3所示，控制系统300包括可以是数字信号处理器类型的控制器形式的控制器302、可以运行例如基于梯形逻辑的控制的可编程序逻辑控制器（PLC），或任何其它类型的控制器。当然，控制器302连接至浓缩器110内的各种组件。具体来说，控制器302连接至控制火炬盖134的打开和关闭的火炬盖驱动电动机135。电动机135可以被设定来控制火炬盖134在完全打开与完全关闭的位置之间移动。然而，如果需要，控制器302可以控制驱动电动机135将火炬盖134打开至介于完全打开与完全关闭的位置之间的一系列各种不同的可控位置中的任何位置。如果需要，电动机135可以是连续可变的，以便火炬盖134可以定位在介于完全打开与完全关闭之间的任何所需点处。

另外，控制器302连接至并控制位于文丘里段162的上游的、设置在图1中的空气预处理组件119中的环境空气进口阀306，并且可以用来控制泵182和184，这些泵控制注入的待处理新液体与在浓缩器110中被处理的再循环液体的量和比率。控制器302可以可操作地连接至贮槽液位传感器317（例如，浮子传感器、非接触式传感器，如雷达或声波装置，或差压传感器（differential pressure cell））。控制器302可以使用来自贮槽液位传感器317的信号来控制泵182和184，以便维持贮槽172内的浓缩流体液位在预定或所需液位下。此外，控制器302可以连接至抽风式风扇190从而控制风扇190的运转，该风扇可以是单速风扇、变速风扇或连续可控速风扇。在一个实施方案中，抽风式风扇190由变频电动机驱动，以便改变该电动机的频率来控制风扇的速度。此外，控制器302连接至设置在例如浓缩器组件120的进口处或者在文丘里段162的进口处的温度传感器308，并且接收由温度传感器308产生的温度信号。温度传感器308可以替代地安置在文丘里段162的下游，或者温度传感器308可以包括用于产生压力信号的压力传感器。

在操作期间和例如在启动浓缩器110时，当火炬130在实际运转并因而燃烧天然气时，控制器302可以首先接通抽风式风扇190从而在流体洗涤器122和浓缩器组件120内产生负压。控制器302可以随后或同时发送信号至电动机135以使火炬盖134部分或完全关闭，从而引导来自火炬130的废热进入传递管140并因而到达空气预处理组件119。基于来自温度传感器308的温度信号，控制器302可以控制环境空气阀306（通常通过部分或完全关闭这个阀门来进行控制）和/或火炬盖致动器，从而控制在浓缩器组件120的进口处的气体温度。一般来说，环境空气阀306可以由诸如弹簧的偏置元件偏置在完全打开的位置（即，可以正常地打开），并且控制器302可以开始关闭阀306从而控制转向到空气预处理组件119中（由于空气预处理组件119中的负压所引起）的环境空气量，以便使环境空气与来自火炬130的热气体的混合物达到所需温度。另外，如果需要，控制器302可以控制火炬盖134的位置（从完全打开至完全关闭的任一位置），并且可以控制抽风式风扇190的速度，从而控制从火炬130进入空气预处理组件119的气体量。如可以理解的，流过浓缩器110的气体量可能需要根据环境空气温度和湿度、火炬气体的温度、离开火炬130的气体量等而改变。控制器302因而可以控制流过浓缩器组件120的气体的温度和量，这是通过根据例如在浓缩器组件120的进口处的温度传感器308的测量值来控制环境空气控制阀306、火炬盖134的位置以及抽风式风扇190的速度中的一个或任何组合来实现。这种反馈系统是理想的，因为在许多情况下，从火炬130出来的空气处在1200华氏度与1800华氏度之间，这一温度可能太高，或者比浓缩器110高效及有效运转所需的温度要高。

在任何情况下，如图3所示，控制器302还可以连接至电动机310，该电动机驱动或控制文丘里板163在浓缩器组件120的狭窄部分内的位置，从而控制在浓缩器组件120内产生的湍流量。再进一步来说，控制器302可以控制泵182和184的运转，从而控制泵182和184向急冷器159和文丘里段162的输入端提供再循环液体和待处理新废液的速率（以及在该速率下所述再循环液体与待处理新废液的比率）。在一个实施方案中，控制器302可以控制再循环流体与新流体的比率为约10:1，以便在泵184向输入端160提供8加仑/分钟的新液体情况下，再循环泵182每分钟泵送80加仑。另外或以其它方式，控制器302可以通过使用例如液位传感器317将贮槽172中的浓缩液体维持在恒定或预定液位下来控制进入浓缩器（由泵184控制）中的待加工新液体的流量。当然，贮槽172中的液体量将取决于在浓缩器中的浓缩速率、浓缩液体经由二级再循环回路从贮槽172被泵送或以其它方式离开贮槽172的速率、将来自二级再循环回路的液体提供回贮槽172的速率，以及泵182经由一级再循环回路泵送来自贮槽172的液体以便输送至浓缩器的速率。

如果需要，环境空气阀306和火炬盖134中的一个或两个可以在故障安全打开位置下操作，使得火炬盖134和环境空气阀306在系统故障（例如，失去控制信号）或浓缩器110停机情况下打开。在一种情况下，火炬盖电动机135可以装载有弹簧或者用诸如弹簧的偏置元件进行偏置，从而在电动机135断电后打开火炬盖134或者从而使得火炬盖134能够打开。或者，该偏置元件可以是在火炬盖134上的平衡配重体137，该平衡配重体可经过定位使得当电动机135断电或失去控制信号时，火炬盖134自身能够在平衡配重体137的外加力下摆动至打开位置。当断电或者当控制器302打开火炬盖134时，这种操作使火炬盖134迅速打开，由此使得火炬130内的热气体能够从火炬130的顶部离开。当然，可以使用使火炬盖134在失去控制信号后打开的其它方式，包括使用在火炬盖134的枢轴点136上的扭力弹簧、加压气缸来使火炬盖134关闭而这个压力的损失使得火炬盖134在失去控制信号后打开的液压或加压空气系统，等。

因而，如可以从以上讨论注意到的，火炬盖134和环境空气阀306的组合协调一致地工作来保护掺入浓缩器110中的工程处理的物料，因为无论何时系统停机，该火炬盖和空气阀306都会自动立即打开，从而使在火炬130中产生的热气体与该工艺隔离，同时迅速地让环境空气进入来冷却该工艺。

此外，采用相同方式，环境空气阀306可以被弹簧偏置或以其它方式构造以便在浓缩器110停机或阀306的信号失去后打开。这种操作导致空气预处理组件119和浓缩器组件120在火炬盖134打开时迅速冷却。此外，由于环境空气阀306和火炬盖134的迅速打开性质，因此控制器302可以迅速地使浓缩器110停机，而不必关掉火炬130或影响火炬130的运转。

此外，如图3中所示，控制器302可以连接至文丘里板电动机310或其它致动器，其移动或致动在文丘里段162内设置文丘里板163的角度。使用电动机310，控制器302可以改变文丘里板163的所述角度从而更改通过浓缩器组件120的气流，由此改变通过浓缩器组件120的气体的湍流性质，这可以使浓缩器组件中的液体和气体更佳地混合并可以获得更好或更完全的液体蒸发。在这种情况下，控制器302可以操控泵182和184的速度连同文丘里板163的操作一起提供被处理废水的最佳浓缩。因而，如可以理解的，控制器302可以使文丘里板163的位置配合火炬盖134的运转、环境空气或放泄阀306的位置，以及抽风式风扇190的速度，从而使废水浓缩（湍流混合）最大化，而无需完全干燥废水以便防止干颗粒的形成。控制器302可以使用来自压力传感器的压力输入来定位文丘里板163。当然，文丘里板163可以手动控制或自动控制。

控制器302还可以连接至电动机312，该电动机控制气闸198在流体洗涤器312的气体再循环回路中的运转。控制器302可以根据例如分别设置在流体洗涤器122的气体出口和气体入口处的压力传感器313、315的信号，使电动机312或其它类型的致动器将气闸198从关闭位置移至打开或部分打开的位置。控制器302可以控制气闸198，使其迫使来自排气段124的高压侧（抽风式风扇190的下游）的气体进入流体洗涤器入口，从而维持介于两个压力传感器313、315之间的预定最低压差。维持这种最低压差确保了流体洗涤器122的适当运转。当然，气闸198可以替代地进行手动控制或者既可以手动控制又可以电控制。

如可以理解的，在热废气已被充分处理从而满足排放标准之后，本文描述的浓缩器110直接在工艺中利用该热废气，并因此将产生废热的工艺的操作要求与以简单、可靠和有效的方式利用废热的工艺的操作要求无缝地分开。

虽然液体浓缩器110已被描述为连接至天然气火炬从而使用在天然气火炬中产生的废热，但是液体浓缩器110可以容易地连接至其它废热源。例如，浓缩器110的另一个实施方案可以连接至内燃机厂的排气烟囱，并且使用来自发动机排气的废热来进行液体浓缩。在又一个实施方案中，虽然该厂内的发动机可以靠填埋场气体运转从而产生电，但是浓缩器110可经过连接以便利用来自其它类型的发动机的排气来运转，所述其它类型的发动机包括其它类型的内燃气，如靠汽油、柴油、丙烷、天然气等运转的内燃气。

从废水和/或燃烧气体中除去污染物

可以容易地修改以上描述的浓缩器和工艺的实施方案，以适合于除去来自被浓缩的废水以及来自用来浓缩该废水的燃烧气体中的污染物。预期此类修改将在如下情况下特别有利，即：试图除去的污染物属于其排放通常受到政府部门监管的那些污染物。此类污染物的实例包括溶解在来自天然气井的返排水中的钡和其它有害物质（例如，钙、铁、镁、钾、钠、锶、硫酸盐等）。另外，可以从返排水中除去诸如生水垢金属的结垢物质。以下描述了对以上描述的浓缩器和工艺的实施方案作出的修改方案，以便适合于除去钡或其它有害材料或生水垢金属，但是并不意图使描述限制于仅对此类污染物的除去。

例如，除去废水中的污染物的两种方法包括浓缩前处理和浓缩后处理。更具体来说，可以通过在废水浓缩前向废水中注入与污染物化学或机械反应的试剂或稳定化合物来洗涤污染物，或者可以通过在浓缩后将稳定化合物混合到浓缩废水中来洗涤污染物。

在浓缩前处理方法中，可以将污染物隔离或加以稳定化。在浓缩前隔离中，在浓缩前将试剂（例如，硫酸钠）与废水混合，该试剂与污染物化学反应从而形成从溶液中沉淀析出的不可溶化合物（例如，硫酸钡）。该不可溶化合物可以从例如沉降罐183（图1）中的浓缩废水中沉降析出。一旦不可溶化合物从沉降罐中的浓缩废水中沉降析出，就可以例如通过提取端口215将该不可溶化合物和其它固体一起抽出。

在浓缩前稳定化中，在浓缩前将稳定化合物与废水混合，该稳定化合物与污染物化学或机械反应从而使该污染物不危险或不可溶。例如，稳定化合物可以使污染物嵌入在不可溶结晶基体中。因而，也使得污染物不可溶。一旦稳定，类似于浓缩前隔离，可以例如从沉降罐183中提取污染物和稳定化合物。

浓缩后稳定化包括将稳定化合物与沉降罐183中的浓缩废水混合。与浓缩前稳定化类似，该稳定化合物化学或机械地反应从而使得该污染物无危险或不可溶。可以例如通过提取端口215从沉降罐183中除去稳定化污染物。

以上描述的浓缩前和浓缩后除去方法都可以用来从返排水中除去高含量的溶解钡（例如，氯化钡）。钡是一种已知的危险物质，其偶尔被发现溶解在来自天然气井的返排水中。来自马塞勒斯页岩床（Marcellus ShaleBed）（位于阿巴拉契亚山脉北部（northern Appalachian Mountains）一带）中的天然气井的返排水含有高含量的溶解钡。另外，这种返排水含有在百万分之250,000（ppm）或25重量%或更高的范围内的极高含量的总溶解固体。这种高含量的溶解固体极难通过常规方法浓缩。然而，这些高含量的溶解固体可利用本文公开的浓缩器处理。可溶性钡化合物，如在一些返排水中发现的可溶性钡化合物如果被摄入，将是剧毒的。因此，钡化合物的处置通常由州或联邦当局监管。

如上所述，使用所公开的浓缩器从返排水中除去钡的方法的两个实施例是浓缩前处理和浓缩后处理。在预处理隔离中，在将返排水注入到浓缩器中之前，将某些化学试剂加入到返排水中，引起与钡离子的化学反应从而形成不可溶的钡化合物。在浓缩前或浓缩后稳定化中，通过机械或化学方法阻止钡化合物与其它化合物反应产生不想要的钡化合物如可溶性钡化合物。

浓缩前钡隔离

如上所讨论，来自天然气井的返排水可以含有高含量的溶解钡化合物。一种此种溶解钡化合物是氯化钡。从返排水中除去钡的方法涉及使氯化钡与另一种物质化学反应从而产生相对不可溶的钡化合物。完成这种反应的一种方式是将包含硫酸根离子的试剂引入到返排水中。特别有用的试剂是硫酸钠。其它有用的试剂包括但不限于硫酸铝、硫酸铵、硫酸镁、硫酸钾以及硫酸。试剂中的硫酸根离子与钡离子反应从而形成硫酸钡（BaSO₄）。硫酸钡极不可溶并且会从溶液中迅速地沉淀析出。浓缩前通过沉淀硫酸钡来隔离钡的一个优点是硫酸钡的处置成本相对低廉，可以通过将硫酸钡存放在填埋场中来进行处置。

硫酸钡将不会从填埋场浸回地下水中，因为硫酸钡极不可溶，甚至在强酸的存在下也是如此。实际上，尽管钡对人有毒性，但是硫酸钡在医学界被用来诊断某些消化道疾病，因为硫酸钡可以在x射线下显像并且因为硫酸钡甚至在胃酸的存在下都不会溶解。因而，硫酸钡无害地通过消化道。硫酸钡的这种极不可溶性导致含有硫酸钡的固体废物通过了由环境保护局（Environmental Protection Agency）（EPA）实施的毒性特性浸出程序（toxicity characteristic leaching procedure）（TCLP）。EPA在批准将某些废物在填埋场中处置之前要求此类废物通过TCLP测试。钡是被要求要通过TCLP测试的一种废产物。TCLP是用来排除填埋场中可浸出的有毒物质的联邦EPA测试方法之一。TCLP测试概括在题目为“Test Methods forEvaluating Solid Waste,Physical/Chemical Methods,”的EPA刊物SW-846中，其内容据此以引用方式并入本文。如果某物质通过TCLP测试，则该物质被归类为无危险物质并且可以在填埋场中处置。用来排除填埋场中的潜在危险物质的另一种EPA测试是涂料过滤测试（Paint Filter Test）。

再次参考图1和图2，为了实施以上描述的钡除去方法之一，浓缩器段120可以包括试剂进口187，该试剂进口通过试剂供应管路189连接至罐193中的试剂供应源（例如，硫酸钠、硫酸、硫酸铝、硫酸铵、硫酸镁，或硫酸钾等）。试剂泵191可以加压具有来自罐193的试剂物料的试剂供应管路189，以便将试剂材料喷射到浓缩器段120（例如，在文丘里162上游，或最邻近文丘里162）中从而使该试剂材料与来自火炬130或发生器的排气以及通过进口160注入的返排水混合。试剂泵191可以可操作地连接至控制器302（参见图3），并且控制器302可以操控试剂泵191，使其基于气体和返排水流速来计量引入试剂，从而确保适当的比率和混合。当在浓缩器段120中与返排水混合时，该试剂与溶解的钡离子反应从而形成硫酸钡，该硫酸钡以固体形式从溶液中迅速地沉淀析出。由于浓缩器110处理极高含量的总固体的能力，沉淀的硫酸钡被维持成混悬状态并最终与构成浓缩返排水的固体部分的其它物料一起到达沉降罐183中。浓缩返排水的固体和液体部分在沉降罐183中彼此分离。如果可含有多达约20%液体的固体部分需要进一步分离，则一些固体部分可以通过管路221从沉降罐183中抽出并且被引导到另一分离设备如旋转带式真空过滤器223中。来自旋转带式真空过滤器223的液体可以经由管路225返回到浓缩器进入除雾器122的贮槽172中。固体可以通过出口管路227从旋转带式真空过滤器223中除去以便在例如填埋场中处置。或者，从旋转带式真空过滤器223除去的固体可以加以纯化并作为钻井泥浆出售给例如矿业公司。

或者，浓缩前隔离工艺可以涉及例如在连续混合沉降罐201（参见图4）中将试剂与返排水进口160上游的返排水进行混合。在这种情况下，可以经由试剂供应管路195从罐203中的试剂物料供应源向连续混合沉降罐201供应试剂物料。试剂供应泵205可以将在压力下的试剂物料供应至连续混合沉降罐201。试剂供应泵205可以可操作地连接至控制器302（参见图3），并且控制器302可以操控试剂供应泵205，使其基于气体和返排水流速来计量引入试剂，从而确保适当的比率和混合。如上所述，钡作为硫酸钡从溶液中沉淀析出，并且可以通过管路207从混合沉降罐201中抽出，然后才将该溶液引入到浓缩器中。可包括多达约20%液体的固体部分可以在固体/液体分离设备如旋转带式真空过滤器231或其它分离设备中加以进一步分离。此后，硫酸钡可以通过管路233抽出并且可以进一步被加工、纯化并出售给例如矿业公司用于钻井泥浆。

因为供应用于与溶解钡离子反应的试剂也可以与返排水中的其它溶解化合物如钙反应，所以可能需要比与单独钡反应所需试剂量的更大的试剂量。例如，在一些情况下，可以将比返排水中钡量的单独所需试剂量多约150%至600%的试剂与返排水混合。优选可以使用多200%至500%，更优选可以使用多约400%的试剂。通过提供过量的试剂，几乎所有的溶解钡都将从返排水中沉淀析出。可在返排水中发现的一些其它溶解反应物质包括钙、镁以及锶。在一些情况下，该试剂与这些其它金属反应的产物可以产生可商业出售的产品。因此，这些其它的产物也可以通过管路233抽出用于进一步加工。或者，这些其它的产物可以简单地馈入具有返排水的浓缩器中，因为如上所述，该浓缩器能够处理大量悬浮固体。

浓缩前或浓缩后稳定化

从返排水中除去钡的另一种方式是在浓缩返排水前或浓缩返排水后通过化学或机械方法使钡稳定化。如果钡在浓缩前没有加以处理，那么溶解钡离子可以与返排水中的其它化学物反应从而形成在化合物浓度达到饱和时将从溶液中沉淀析出的化合物。这些钡化合物中的一些是水溶性的并且必须在从浓缩器中提取前加以稳定化。这些钡化合物可以例如在沉降罐183中加以稳定化。钡化合物可以通过机械或化学方法加以稳定化。就机械稳定化而言，将钡化合物嵌入在玻璃或其它结晶结构中，以便钡化合物不能与其它物质反应或者不能溶解在溶液中。在化学稳定化中，在沉降罐中提供与钡化合物反应的试剂从而产生不可溶化合物。在任一情况下，例如，稳定化合物均可以从罐211（参见图1）经由管线213泵送到沉降罐183中。稳定化的化合物可以经由提取端口215从沉降罐183中抽出。在这种情况下，稳定化的钡化合物是不可溶的并且在强酸的存在下将不会浸出。因此，稳定化的钡化合物将会通过TCLP测试。

或者，可以使用例如图4中的浓缩器，通过将稳定剂从罐203泵送到混合沉降罐201中来向废水中加入稳定试剂，然后将该废水通过废水进口160引入到浓缩器110中。在这种情况下，稳定剂可以阻止会产生可溶性钡化合物的某些钡化学反应。可以使用例如图1中的浓缩器通过将稳定剂从罐197（图4）泵送到端口199中来将稳定剂与废水独立地引入到浓缩器110中，以便稳定剂与废水在浓缩器110的浓缩段120中混合。在这些情况下，由钡与稳定剂之间的反应形成的不可溶固体最终到达沉降罐183，在该沉降罐中不可溶钡化合物可以如上所述来进一步加工。

示例性测试结果

以下段落描述了使用所公开的浓缩器的一个实施方案浓缩含有溶解钡的返排水样品时的实际测试结果。这些测试结果仅为实例，并不意图以任何方式限制所公开的浓缩器，或所公开的浓缩器的操作。

在第一测试中，使用所公开的浓缩器浓缩来自位于Pennsylvania的天然气井的返排水。该返排水的化学分解在下表1中列出。

pH		4.85
			电导率	umohs/mm
TS（可过滤残渣）	mg/l	260,000
			SS	mg/l	790
溶解固体	mg/l	259,210
			碱度（以CaCO3计）
碳酸氢盐	mg/l	ND
			碳酸盐	mg/l	ND
氢氧化物	mg/l	ND
			总计	mg/l	ND
氨，以N计	mg/l
			总凯氏氮	mg/l
BOD（第5天）	mg/l	150
			COD	mg/l	20,000
TOC	mg/l	1,250
			阴离子
氯离子	mg/l	160,000
			氟离子	mg/l	0.22
氮硝酸根，以N计	mg/l
			总正磷酸根，以P计	mg/l
总磷	mg/l
			硫酸根	mg/l	ND
二价硫离子	mg/l
			金属（SW1311）
铝	mg/l
			锑	mg/l
砷	mg/l	0.022
			钡	mg/l	7,700
铍	mg/l

硼	mg/l
			镉	mg/l	0.0094
钙	mg/l
			铈	mg/l
铬	mg/l	0.036
			钴	mg/l
铜	mg/l
			铁	mg/l
铅	mg/l	0.025
			镁	mg/l
锰	mg/l
			钼	mg/l
镍	mg/l
			钾	mg/l
汞	mg/l	ND
			镭	mg/l
硒	mg/l	0.34
			硅	mg/l
银	mg/l	ND
			钠	mg/l
锶	mg/l	6,400
			铊	mg/l
锡	mg/l
			钛	mg/l

钨	mg/l
			钒	mg/l
锌	mg/l
			锆	mg/l

表1

如表1中所示，该返排样品包括约260,000mg/l总固体（参见表1中的第3行）。加工后，从重力沉降罐中提取出包括超过800,000mg/l总固体的重浆液。如上所述将重力沉降罐中的上清液再循环到浓缩器中。该浓缩器没有遭受生水垢或堵塞的有害影响。对排气烟囱的烟囱测试指示气体排放物仍然在由当地监管部门确立的许可范围内。换句话说，所公开的浓缩器没有显著改变现有排气烟囱中的气体排放物的化学组成。作为这个第一测试的结果，所公开的浓缩器加工含有极高含量的总固体的能力得到证明。

对表1中的废水样品进行了另外几个测试。两轮测试概括在下表2，测试2A和测试2B中。在测试2A中，废水用约45g/l的Na₂SO₄进行预处理。在测试2A期间，该废水的pH从约1变化至约4。在测试2B中，该废水用约22.5g/l的Na₂SO₄（或约一半量的测试2A中的Na₂SO₄）进行处理，并且该废水的pH从约1变化至约4。测试2A和测试2B的测试结果概括在下表2中。

表2

如表2中所示，该废水进料含有约11,000mg/l的钡（参见表2中的第5行）。在添加测试2A中的硫酸钠时，几乎所有的钡都从溶液中沉淀析出。更具体来说，在pH介于1与2之间时，仅0.5mg/l的钡仍然存在于溶液中，在pH介于2与3之间时，仅0.36mg/l的钡仍然存在于溶液中，以及在pH介于3与4之间时，仅160mg/l的钡仍然存在于溶液中（参见表2中的第5行）。将大约4倍理论量的硫酸钠与废水混合，因为硫酸根还与废水中的其它化合物反应。过量的硫酸钠确保几乎所有钡都从溶液中沉淀析出，尤其是在pH水平下较低的情况下。

在另一个测试期间，使用该浓缩器的一个实施方案浓缩来自已知很难处理的废水源的废水。该很难处理的废水包括下表3中给出的化学组成。

表3

该废水被处理成零液体排放，并且由该处理工艺产生的固体通过涂料过滤和TCLP测试。这个测试的结果概括在下表4中，该表中列出数个样品（例如，样品ID01-09）的结果。

表4

在这个测试中，再次使用硫酸钠作为预处理试剂。浓缩的废水被递送至重力沉降罐。将固体从重力沉降罐中抽出并在真空带式过滤系统中进一步分离。这个工艺产生浓缩器的零液体排放率。如上所述使所有上清液通过浓缩器再循环。所产生的固体通过涂料过滤测试和TCLP测试。表4概括了该固体在浓缩前和浓缩后的化学组成。如上所示，在这个测试中，钡含量没有减少至零。然而，当前规定允许多达100mg/l的可检出钡，因而所产生的固体通过TCLP测试。

预处理废水液体进料中的钡含量为46mg/l（参见表4的第6行），在该进料液体中沉降下来的固体以不可检出的钡含量通过TCLP。当使预处理进料通过浓缩器并且从真空带式过滤器中除去固体时，固体已被除去的液相含有220mg/l的钡（参见表4的第6行），而所收集的固体以不可检出的钡含量通过涂料过滤测试和TCLP测试。

虽然为了说明本发明示出某些代表性实施方案和细节，但是本领域技术将会明了，在不背离本发明的范围的情况下可以对本文所公开的方法和装置作出各种改变。例如，所公开的浓缩器可以用来洗涤废水中除钡以外的污染物。具体来说，可以通过如下方式从废水中洗涤其它污染物：在文丘里段中的废水注入点上游将来自试剂罐的试剂注入到废水中，或者将来自试剂罐的试剂与废水同时注入到文丘里段中。另外，可以通过如下方式用化学方法或机械方法使其它污染物稳定化：在文丘里段中的废水注入点上游将试剂或稳定物质注入废水中，或者将试剂或稳定物质注入沉降罐中。

Claims (18)

1.一种从来自天然气井的返排水中除去污染物的工艺，所述工艺使用废水浓缩器，所述废水浓缩器包括气体进口、气体出口、介于所述气体进口与所述气体出口之间的浓缩段，所述浓缩段具有狭窄部分，所述工艺包括：

将试剂与来自天然气井的液体返排水混合，所述试剂与所述液体返排水中的可溶性化合物反应从而形成不可溶化合物；

使气体与所述液体返排水在所述浓缩段中合并从而形成气体和携带的液体返排水的混合物，所述携带的液体返排水包括所述不可溶化合物；

将所述合并的气体和携带的液体返排水引导到除雾器中，在所述除雾器中，至少一些携带的液体返排水从所述气体中被除去并收集在所述除雾器的贮槽中；

除去所述除雾器的所述贮槽中的所述液体返排水的一部分并且将所述液体返排水的所述部分递送至沉降罐，在所述沉降罐中所述液体返排水中的悬浮固体和不可溶化合物与所述液体废水的液体部分分离；

从所述沉降罐中除去所述分离的固体部分并且使所述分离的液体部分返回至所述除雾器贮槽。

2.如权利要求1所述的工艺，其中所述试剂是硫酸钠。

3.如权利要求2所述的工艺，其中所述可溶性化合物是氯化钡。

4.如权利要求3所述的工艺，其中所述硫酸钠的硫酸根离子与所述氯化钡的钡离子反应从而形成极不可溶的硫酸钡。

5.如权利要求1所述的工艺，其中所述试剂储存在试剂罐中，所述试剂罐连接至用于将液体返排水注入到所述浓缩段中的液体返排水进口。

6.如权利要求1所述的工艺，其中所述试剂储存在试剂罐中，所述试剂罐连接至所述浓缩段并位于所述狭窄部分上游。

7.如权利要求1所述的工艺，其中从所述沉降罐中除去的所述分离的固体部分被递送至真空带式过滤系统，以进行进一步的固体/液体分离。

8.如权利要求1所述的工艺，其中将所述不可溶化合物在从所述沉降罐中除去后对所述不可溶化合物进行纯化。

9.如权利要求8所述的工艺，其中所述纯化的不可溶化合物被出售用于钻井泥浆。

10.如权利要求1所述的工艺，其中泵将试剂输送至所述浓缩段，所述泵输送与所述可溶性化合物完全反应所需试剂量的约150%至约600%之间的试剂量。

11.如权利要求10所述的工艺，其中所述泵输送与所述可溶性化合物完全反应所需试剂量的约200%至约500%之间的试剂量。

12.如权利要求11所述的工艺，其中所述泵输送与所述可溶性化合物完全反应所需试剂量的约400%的试剂量。

13.如权利要求1所述的工艺，其中所述液体废水含有多于约百万分之250,000的溶解固体。

14.一种用于来自天然气井的返排水的返排浓缩与污染物去除系统，所述系统包括：

气体进口；

气体出口；

浓缩段，其设置在所述气体进口与所述气体出口之间，所述浓缩段具有狭窄部分，所述浓缩段内的气流在所述狭窄部分中加速；

液体进口，通过所述液体进口返排水被注入到所述浓缩段中，所述液体进口设置在所述浓缩段的所述狭窄部分上游；

除雾器，其设置在所述狭窄部分下游，所述除雾器从所述气流中除去携带的液滴；以及

试剂罐，其用于容纳试剂供应源，所述试剂罐连接至所述浓缩段，从而将试剂注入到所述浓缩段中，

其中由所述除雾器除去的所述携带的液滴被收集在贮槽中，并且

其中所述贮槽连接至沉降罐，并且收集的所述携带的液滴的液体和固体部分在所述沉降罐中彼此分离。

15.如权利要求14所述的系统，其进一步包括连接至所述试剂罐的试剂泵。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述试剂罐连接至所述液体进口。

17.如权利要求15所述的系统，其中所述试剂罐连接至所述浓缩段并位于所述狭窄部分上游。

18.如权利要求14所述的系统，其中所述沉降罐连接至具有返回管路的所述贮槽，所述返回管路使所述收集的携带的液滴的液体部分返回至所述贮槽。

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