CN105121359A - 用于处理从煤层气操作回收的盐水的方法 - Google Patents

Abstract

提供用于处理从煤层气操作回收的盐水的方法。所述方法限定将从煤层气操作回收的盐水引导到混合反应器且将碱土试剂与所述盐水混合。这导致碱土盐和二氧化硅的沉淀，其形成具有吸附于其上的二氧化硅的碱土盐晶体。之后，将所述碱土盐晶体和吸附的二氧化硅引导到产生具有所述碱土盐晶体和吸附的二氧化硅的浓缩物的蒸发器。

Description

用于处理从煤层气操作回收的盐水的方法

发明领域

本发明涉及回收煤层气和处理所得的具有二氧化硅的盐水的方法。

背景

煤层气，也被称作煤床甲烷，为被吸附在煤床中的煤上的天然气且为有价值的天然资源。为了提取煤层气，被吸附的天然气必须从煤释放。为此，在煤层中钻井，这降低该层的压力且引起天然气被释放。天然气随后可以被收集。

通常，煤层气与水一道被收集，其被称作“盐水”或“产出水(producedwater)”。在提取之后，盐水可以在其他过程中利用或在释放或重新使用之前，盐水经受各种处理过程，例如用于除去污染物的那些。因为来自煤层气的盐水包含大量的悬浮和溶解的污染物，例如硬度物质(hardness)和二氧化硅，不降低这些物类的浓度的话，则在处理装备上可能将出现结垢或污垢。例如，在盐水中发现的一种特别有害的结垢污染物为二氧化硅。除非二氧化硅通过预处理过程除去，否则二氧化硅将在用于盐水处理的装备(例如蒸发器)上形成破坏性的结垢。一些煤层气盐水还包含大量的溶解的碱性物质(alkalinity)和氯化物。需要作为商品回收这些组分而不是使它们作为废物被处理掉。为了回收有用的产物建议除去二氧化硅。

发明概述

本发明涉及处理在煤层气操作中产生的盐水的方法。将盐水预处理且引导到混合反应器。在混合反应器中，将碱土试剂与盐水混合。这引起碱土氢氧化物、盐和二氧化硅的沉淀。将包含碱土氢氧化物、盐和二氧化硅的盐水引导到浓缩该盐水并产生具有碱土盐和二氧化硅沉淀物的浓缩物的蒸发器。

在一个实施方案中，将盐水预热且引导到混合反应器，在此将碱土试剂与盐水混合，导致碱土盐和二氧化硅从盐水共沉淀且其形成具有吸附于其上的二氧化硅的碱土晶体。将盐水引导到浓缩盐水的下游蒸发器，形成具有碱土盐晶体和吸附的二氧化硅的浓缩物。而且，将来自混合反应器的盐水循环穿过加热器，所述加热器加热盐水且在该过程中，降低CO₂在盐水中的浓度且从而提高盐水的pH以为碱土沉淀物贡献氢氧根(OH)。

在另一个实施方案中，本发明限定了从煤层气井回收煤层气-水混合物的方法。从也产生盐水的该混合物分离煤层气。从盐水除去硬度物质且之后将盐水引导到膜分离单元。在膜分离单元中，盐水被浓缩。在浓缩盐水之后，将盐水预热且将预热的盐水引导到混合反应器。在混合反应器中，将碱土试剂例如氧化镁或氯化镁与盐水混合，引起二氧化硅沉淀且形成晶体。之后，将具有沉淀的二氧化硅的盐水引导到进一步浓缩盐水的下游蒸发器以产生具有沉淀二氧化硅晶体的浓缩物。

本发明的其他目的和优点从以下说明书和附图的研究将变得显然且明显，说明书和附图只是阐述本发明。

附图简述

图1为用于回收煤层气和处理所得盐水的过程的示意图。

示例性实施方案描述

再看图1，在其中显示用于处理在煤层气回收过程中产生的盐水的方法。图1中该过程笼统地用数字10表示。如将在后面讨论，在一个优选的实施方案中，存在各种预处理过程，这些预处理过程发生在笼统地用数字10表示的虚线区域中描述的过程的上游。

来看盐水处理步骤10，将具有二氧化硅且通常具有碱性物质和氯化物的浓缩盐水引导到混合反应器12。在混合反应器12中，将碱土试剂例如氧化镁或氯化镁与盐水混合。这导致二氧化硅的沉淀。术语“二氧化硅”在文中用来笼统地指含二氧化硅的化合物，包括其上吸附二氧化硅的沉淀物。可以有各种形式的二氧化硅沉淀物。例如，混合氧化镁或氯化镁可以导致镁二氧化硅复合物的沉淀。另外，混合氧化镁或氯化镁可以导致氢氧化镁的沉淀，氢氧化镁的沉淀可以吸附二氧化硅且有效驱使二氧化硅从溶液出来。无论如何，碱土试剂引起二氧化硅沉淀且由于在混合反应器12中的混合行为，沉淀的二氧化硅会结晶且形成二氧化硅晶体。在使用氧化镁的情况下，将镁加入到混合反应器12中以保持在混合反应器内的镁对二氧化硅的大概约0.35∶1-4∶1的重量比率。可以使用其他的碱土试剂来沉淀包括二氧化硅的固体。例如，可以使用氧化钙、氢氧化钙和其他金属氧化物例如氧化铝或氧化铁。可选地，在混合反应器12中可以将其他试剂与盐水混合。例如，可以加入苛性碱以提高盐水的pH。

将混合反应器12中的盐水引导到蒸发器14。蒸发器14可以为多种类型。用于本过程中的合适的蒸发器的一个例子为降膜蒸发器。应该注意的是，在一个实施方案中，在混合反应器中的盐水在转移到蒸发器14中之前不经受固体分离过程。预期当盐水被转移到蒸发器14中时涉及碱土试剂的反应将继续。预期在一些实施方案中，当盐水在蒸发器14中时，二氧化硅将继续沉淀。

蒸发器14产生回收的水(蒸馏物)且产生浓缩盐水。在一个选择中，一部分浓缩盐水(如图1中所建议)可以循环到混合反应器12。因为该带有沉淀物的浓缩盐水被高度浓缩，该沉淀物能充当用于在混合反应器12中发生的结晶过程的种子。通过将浓缩物循环到混合反应器12，这有效降低排出的浓缩物的量，且最后可以提高通过蒸发器14产生的浓缩物的浓度。通过蒸发器14产生的浓缩盐水能以合适的方式来处置或能进一步处理。在一个步骤中，可以将浓缩盐水引导到盐回收过程，在此盐从浓缩盐水回收。例如，浓缩物可以经受例如在美国专利公开2012/0213689中公开的盐回收过程，其公开通过引用清楚地结合到本文中。

此外，蒸发器14产生蒸汽。将一些这种蒸汽(如图1中所示)引导到加热器16(在这个实施方案的情况下，其为直接接触加热器)。将来自混合反应器12的盐水循环穿过加热器16。在一个实施方案中，直接接触加热器在其上部接受盐水且盐水向下移动穿过接触加热器16。在一个实施例中，当盐水向下倾泄穿过接触加热器时，另一方面，将来自蒸发器的蒸汽引导到接触加热器的较低部分且向上移动穿过加热器并穿过向下倾泄的盐水。在这个过程中，蒸汽从盐水汽提CO₂且降低CO₂的浓度，其导致盐水的pH提高。在一个实施方案中，在混合反应器12中的盐水的pH为约9.5-11.0。

继续来看图1，以上讨论的盐水处理过程10通常在从气井回收煤层气的过程中实施。在一个典型的过程中，从气井回收气体、有机物和盐水的混合物。该混合物被分离成气体、有机物和还可以被称作“产出水”的盐水。参见图1。在盐水从气体和有机物分离之后，在以上讨论的盐水处理10之前，盐水可经受各种预处理过程。图1显示示例性预处理过程。各种预处理单元或多层可用来除去溶解的固体以及悬浮固体。从气体和有机物分离的盐水常常包含显著浓度的硬度物质。“硬度物质”是指二价阳离子，例如钡、钙、镁和锶。硬度物质离子可能与水中的其他污染物以离子方式结合，以在相对高的pH下形成结垢沉淀物。例如，在相对高的pH下，钙与碳酸根(CO₃ ^2-)以离子方式结合形成碳酸钙垢。

硬度物质可以通过许多步骤除去。除去硬度物质的一个方法为将盐水引导穿过离子交换单元。离子交换单元用非结垢组分置换水中的硬度物质。例如，在钠模式中操作的离子交换单元将用钠离子置换硬度物质离子。在氢模式中操作的离子交换单元将用氢离子置换硬度物质离子。该模式还可以降低在产出水中发现的碱性物质。除去硬度物质的另一个方法在于利用石灰软化。在石灰软化中，将石灰与产出水混合以形成硬度物质沉淀物。该沉淀的硬度化合物随后可以例如通过净化器除去。石灰软化还可以包括促进硬度物质沉淀的另外的试剂，例如苏打灰(Na₂CO₃)。

在硬度物质除去之后，将盐水送到膜分离单元。可以使用的膜分离单元的例子包括但不局限于纳滤单元和反渗透(“RO”)单元。优选地，膜分离单元为至少一个RO单元。膜分离单元通常在约90％的回收率下操作且产生渗透物流和高浓缩废物流。该废物流在储存之后将通常包含悬浮固体、含有二氧化硅的溶解固体和其他污染物。通常，废物流的二氧化硅浓度低至50ppm且可以高达250ppm。在一个替代的实施方案中，在膜分离单元(反渗透单元)和过程10之间可以使用蒸发步骤来处理盐水。也就是说，一个或多个中间蒸发器可战略性地安置在反渗透单元和混合反应器12之间以蒸发通过反渗透单元产生的浓缩盐水。还在一个替代的实施方案中，硬度物质和二氧化硅可以在反渗透单元和一个或多个中间蒸发器之间的合适点除去。通过蒸发到中间端点的另外的浓缩通常以不使一个或多个蒸发器中的二氧化硅沉淀的方式来操作。这些中间蒸发器可以为垂直降膜类型、水平降膜类型或替代的设置。在中间浓缩物中的二氧化硅浓度可以低至100ppm且常常超过550ppm。

将来自RO单元或中间蒸发器的浓缩盐水引导到浓缩盐水储存设施。盐水被储存的时间的数值变化。储存可以在一些情况下持续例如半天的周期。在其他操作中，存储可以持续超过一个月。来自存储设施的浓缩盐水经受过滤或净化。在一个实施方案中，将盐水引导到其中固体沉淀且从盐水分离的净化器。

在净化或过滤之后，将盐水引导到预加热单元20。在一个实施例中，在预热单元中，将盐水预热到约120°F-220°F的温度。这会减少试剂反应时间。通过直接接触加热器16进行的盐水的预热以及加热过程可以提高反应速度从而混合反应器12中的反应可以在小于1小时中、甚至在5分钟内出现。还有，如以上讨论，提高温度还可以降低混合反应器中的二氧化硅的浓度，导致提高的pH。

当然，在不偏离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以除了在文中明确陈述的那些的其他方式来进行。本实施方案在所有方面应当被认为阐述性而非限制性的。

Claims (19)

1.处理从煤层气操作回收的盐水的方法，其包括：

a.提供从煤层气操作回收的盐水，其中所述盐水包含二氧化硅；

b.将所述盐水引导到混合反应器；

c.在所述混合反应器中将碱土试剂与所述盐水混合；

d.从所述盐水沉淀碱土盐和二氧化硅且形成具有吸附于其上的二氧化硅的碱土盐晶体；且

e.将所述碱土盐晶体和吸附的二氧化硅引导到蒸发器且在所述蒸发器中浓缩所述盐水且产生蒸馏物和具有所述碱土盐晶体和吸附的二氧化硅的浓缩物。

2.权利要求1的方法，其中产生具有吸附于其上的二氧化硅的碱土盐晶体的反应在所述蒸发器中继续。

3.权利要求1的方法，其中所述碱土试剂为氧化镁、氢氧化镁或氯化镁。

4.权利要求1的方法，其包括预处理所述混合反应器上游的盐水和之后将所述盐水引导到反渗透单元以及浓缩所述盐水。

5.权利要求1的方法，其包括通过直接接触加热器使来自所述混合反应器的盐水循环。

6.权利要求5的方法，其包括通过由所述蒸发器产生的蒸汽来加热在所述直接接触加热器中的盐水。

7.权利要求1的方法，其包括通过用直接接触加热器使所述盐水循环来降低在所述盐水中的CO₂的浓度。

8.权利要求7的方法，其包括通过将来自所述蒸发器的蒸汽引导到所述直接接触加热器来将CO₂从所述盐水蒸汽汽提。

9.权利要求1的方法，其包括将来自所述混合反应器的盐水引导到直接接触加热器；将所述盐水向下引导通过一部分直接接触加热器；将来自所述蒸发器的蒸汽引导到所述直接接触加热器；且将所述蒸汽向上引导通过所述直接接触加热器，在此所述蒸汽接触向下移动的盐水且从所述盐水汽提CO₂。

10.权利要求1的方法，其包括将来自所述蒸发器的浓缩物引导到盐回收过程且在所述盐回收过程中从所述盐水回收盐。

11.权利要求1的方法，其包括在所述盐水到达所述混合反应器之前预热所述盐水。

12.权利要求1的方法，其包括通过将所述盐水循环通过直接接触加热器来提高在所述混合反应器中的盐水的pH，在此所述直接接触加热器从盐水除去CO₂，从而将所述盐水的pH提高到约9.5-11.0。

13.权利要求1的方法，其中所述方法不包括在所述混合反应器和所述蒸发器之间的任何固体分离过程。

14.权利要求1的方法，其包括通过将苛性碱与所述盐水混合来提高在所述混合反应器中的盐水的pH。

15.权利要求14的方法，其还包括通过将来自所述混合反应器的盐水循环通过加热器来提高所述盐水的pH，所述加热器从所述盐水除去CO₂，其继而有助于提高pH。

16.权利要求1的方法，其包括：

从煤层气井回收煤层气-水混合物；

从产生所述盐水的混合物分离煤层气；

从所述盐水除去硬度物质；

在从所述盐水除去硬度物质之后，将所述盐水引导到膜分离单元；

用所述膜分离单元过滤所述盐水以产生渗透物流和包含浓缩盐水的废物流；和

预热在所述废物流中的浓缩盐水；和

在预热所述浓缩盐水之后，将所述浓缩盐水引导到所述混合反应器。

17.权利要求1的方法，其包括将来自所述蒸发器的浓缩物的至少一部分循环返回到所述混合反应器。

18.权利要求4的方法，其包括将一个或多个中间蒸发器安置在所述反渗透单元和所述混合反应器之间以进一步浓缩所述盐水。

19.权利要求18的方法，其包括在所述反渗透单元和所述一个或多个中间蒸发器之间的某个点处从所述盐水除去硬度物质和二氧化硅。