CN111573948A - 一种零排放压裂返排液处理系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

一种零排放压裂返排液处理系统及其调节方法，属于页岩气废水处理和自控调节的技术领域。该系统依据压裂返排液的盐度，通过调节控制单元实现对正渗透膜法汲取液流量和蒸馏结晶装置加热蒸汽量的调节。当原料液侧压裂返排液盐度增大时，由于膜中的浓差极化造成膜的水通量降低，汲取液侧的汲取液出口浓度降低，膜的处理效率降低。为有效降低浓差极化对水通量的影响，增大汲取液进口流量，加大膜表面和汲取液间流体的扰动，降低膜支撑层侧的浓差极化，提高膜的水通量，部分抵消由于返排液盐度增大造成的水通量降低效应，实现返排液处理能力在两种汲取液正渗透膜法间的优化，提高在偏离设计工况时的处理效率，最大程度实现返排液的直接回用于压裂液。

Description

一种零排放压裂返排液处理系统及其调节方法

技术领域

本发明涉及一种零排放压裂返排液处理系统及其调节方法，属于页岩气废水处理和自控调节的技术领域。

背景技术

页岩气作为一种非常规清洁能源，在稳定我国能源供给和经济发展方面发挥将重要的作用。水力压裂开发页岩气技术在增产页岩气的同时，也带来了大量压裂返排液处理处理的问题。返排液回用的主要技术障碍是返排液中含有减阻剂、防垢剂、杀菌剂等化学物质、氯离子和金属离子等，返排液的处理回用已成为阻碍页岩气开采的关键因素。

对于高盐度压裂返排液回用处理的难点在于脱盐工艺，脱盐处理的成本随盐度的增加而增加。目前压裂返排液回用处理主要采用微滤、超滤和反渗透等膜法和机械压缩蒸馏。现有的膜技术基于压力过滤的原理，容易形成滤饼层，造成膜污染，并且外加驱动压力要消耗电能；机械压缩蒸馏技术是将蒸发生成的二次蒸汽压缩回用。这两项技术要消耗电能并且电耗高，而页岩气开采现场远离城市要燃烧天然气发电，造成返排液的处理成本过高。正渗透膜技术具有低能耗和高效率的特点，水从原料液侧通过渗透膜流向汲取液侧是自发过程，无需消耗外界的电能和热能，并且正渗透膜污染小不易结垢。

正渗透膜法目前在海水淡化和页岩气压裂返排液领域开展了探索性的应用。正渗透膜海水淡化主要是分离淡水，处理后的浓海水不回用而直接排放。压裂返排液处理要满足“节能减排”和“零排放”的要求，因此易采取正渗透膜法耦合蒸馏技术，正渗透处理后的浓返排液再经过结晶蒸馏，实现压裂返排液的零排放和汲取液的循环重复利用。

现有的技术只适用于设计条件下的返排液盐度，而实际返排液水质随开采周期的变化而发生较大变化，当返排液盐度增大时，正渗透膜法的水通量就会降低，进而使得汲取液的出口浓度和返排液的出口浓度降低，造成的结果是浓返排液蒸馏消耗的中压蒸汽大幅度增加，并且汲取液无法实现循环重复利用。因此有必要开发一种用于零排放压裂返排液处理系统的调节方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种用于零排放压裂返排液处理系统及其调节方法。该处理系统依据压裂返排液盐度的变化，对正渗透膜法与蒸馏结晶耦合的系统进行动态调节，实现了压裂返排液在全开采周期内的低能耗和零排放的处理。

本发明采用如下技术方案：一种零排放压裂返排液处理系统，它包括正渗透水处理单元、蒸发结晶单元、汲取液回用单元和调节控制单元，所述正渗透水处理单元中的汲取液自吸泵采用管道经前置汲取液入口连接至前置正渗透膜组件的汲取液侧，再由前置汲取液出口排出；返排液自吸泵采用管道经前置返排液入口连接至前置正渗透膜组件的原料液侧，再由前置返排液出口依次经过预处理装置、返排液提升泵后，从后置返排液入口连接至后置正渗透膜组件的原料液侧，再由后置返排液出口连接至蒸发结晶单元中竖管蒸发器的蒸发器返排液入口；汲取液提升泵经过汲取液提升管，从后置汲取液入口连接至后置正渗透膜组件的汲取液侧，再从后置汲取液出口连接至蒸发结晶单元中冷凝器的冷凝器汲取液入口；

所述蒸发结晶单元包括竖管蒸发器和冷凝器，蒸发器蒸馏水出口采用管道连接至蒸馏水管，蒸发器二次蒸汽出口连接至冷凝器蒸汽入口，冷凝器蒸馏水出口连接至蒸馏水管，冷凝器出气口连接至汲取液回用单元中吸收塔底部的吸收塔气体入口；

所述汲取液回用单元采用蒸馏水管通过吸收塔水管连接至吸收塔顶部的吸收塔蒸馏水入口；吸收塔汲取液出口采用管道经汲取液提升泵、汲取液回管连接至吸收塔中部的汲取液回液口；

所述调节控制单元采用PLC控制器，并与盐度信号检测控制器、前置正渗透汲取液调节阀、后置正渗透汲取液调节阀和中压加热蒸汽进口流量调节阀电连接；所述盐度信号检测控制器设置在返排液自吸泵与返排液入口之间的管道上，前置正渗透汲取液调节阀设置在汲取液自吸泵与前置汲取液入口之间的管道上，后置正渗透汲取液调节阀设置在汲取液提升泵与后置汲取液入口之间的管道上，中压加热蒸汽进口流量调节阀设置在蒸发器蒸汽入口之前；所述蒸馏水管经加料装置水管连接至汲取液自吸泵和加料装置。

所述的一种零排放压裂返排液处理系统的调节方法：依据所述压裂返排液盐度信号检测控制器的盐度测量值和预设值间的差值得到调节参量，根据所述调节参量和返排液盐度测量值间的变化关系，计算调节后的前置正渗透膜组件和后置正渗透膜组件的汲取液和竖管蒸发器的中压加热蒸汽流量，从而分别执行前置正渗透汲取液调节阀、后置正渗透汲取液调节阀和中压加热蒸汽进口流量调节阀的调节开启程度，调节直至满足以下条件：蒸发结晶单元中生成的蒸馏水量满足配置正渗透水处理单元中所需的NaCl和NH₄HCO₃汲取液的蒸馏水量需求；稀NH₄HCO₃汲取液在冷凝器中完全热分解所需热量与竖管蒸发器中生成的二次蒸汽冷凝释放的热量相平衡。

上述技术方案通过设置盐度信号控制器和调节阀元件，各元件之间独立又共联，可全自动检测运行，根据正渗透膜法装置的进口压裂返排液盐度与预设值间的差值，通过调节NaCl汲取液和NH₄HCO₃汲取液的进口流量和蒸馏结晶装置中压加热蒸汽流量，实现了返排液最大程度的直接回用于压裂液、NH₄HCO₃汲取液热分解回用所需热量与蒸馏单元提供热量间的匹配、蒸馏单元生成清水量与配置NaCl和NH₄HCO₃汲取液间的平衡。

本发明的有益效果是：这种用于零排放压裂返排液处理系统依据压裂返排液的盐度，通过调节装置实现对正渗透膜法汲取液流量和蒸馏结晶装置中压加热蒸汽流量的调节。当正渗透膜法原料液侧压裂返排液盐度增大时，由于正渗透膜中的浓差极化，造成正渗透膜的水通量降低，正渗透膜法汲取液侧的汲取液出口浓度降低，正渗透膜的处理效率降低。为有效降低浓差极化对水通量的影响，增大正渗透膜法汲取液进口流量，这样加大了正渗透膜表面和汲取液间流体的扰动，降低了正渗透膜支撑层侧的浓差极化，提高了正渗透膜的水通量，部分抵消了由于返排液盐度增大造成的水通量降低效应，实现了返排液处理能力在两种汲取液正渗透膜法间的优化，提高了在偏离设计工况时返排液正渗透膜法的处理效率，最大程度实现了返排液的直接回用于压裂液。

依据压裂液盐度信号，调节蒸发结晶单元中压加热蒸汽流量。中压加热蒸汽占零排放压裂返排液处理系统消耗能耗的75%以上，优化中压加热蒸汽流量能有效降低返排液处理成本；当正渗透膜法原料液侧压裂返排液盐度增大时，由于正渗透膜法处理后的浓返排液和汲取液的流量增加，要合理增大中压加热蒸汽流量，既要保证蒸发结晶单元蒸发生成的蒸馏水满足配置NaCl和NH₄HCO₃汲取液的要求，还要实现蒸发结晶单元的二次蒸汽在冷凝器中释放的余热与NH₄HCO₃汲取液热分解所需热量间的匹配，这样提高了返排液处理系统的热量利用效率，实现了汲取液和返排液在处理系统内的封闭循环，满足了对压裂返排液处理“节能减排”和“零排放”的要求。

附图说明

图1是一种用于零排放压裂返排液处理的系统图。

图中：1、正渗透水处理单元，2、蒸发结晶单元，3、汲取液回用单元，4、返排液自吸泵，5、前置正渗透膜组件，5a、前置返排液入口，5b、前置返排液出口，5c、前置汲取液入口，5d、前置汲取液出口，6、预处理装置，7、返排液提升泵，8、后置正渗透膜组件，8a、后置返排液入口，8b、后置返排液出口，8c、后置汲取液入口，8d、后置汲取液出口，9、竖管蒸发器，9a、蒸发器返排液入口，9b、蒸发器蒸汽入口，9c、蒸发器二次蒸汽出口，9d、蒸发器蒸馏水出口，9e、饱和溶液出口，10、冷凝器，10a、冷凝器汲取液入口，10b、冷凝器出气口，10c、冷凝器蒸馏水出口，10d、冷凝器蒸汽入口，11、吸收塔，11a、吸收塔气体入口，11b、吸收塔蒸馏水入口，11c、吸收塔汲取液出口，11d、汲取液回液口，11e、吸收塔水管，12、汲取液提升泵，12a、汲取液回管，12b、汲取液提升管，13、加料装置，13a、加料装置水管，14、汲取液自吸泵，15、盐度信号检测控制器，16、前置正渗透汲取液调节阀，17、后置正渗透汲取液调节阀，18、中压加热蒸汽进口流量调节阀，19、蒸馏水管，20、调节控制单元。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，设备之间的连接均指采用管道连接。

图1示出了一种用于零排放压裂返排液处理的系统图。图中该系统包括正渗透水处理单元1、蒸发结晶单元2、汲取液回用单元3和调节控制单元20。压裂返排液经由自吸泵4从返排液入口5a进入前置正渗透膜组件5原料液侧，前置正渗透膜组件5的NaCl汲取液由汲取液自吸泵14进入前置正渗透膜组件5的汲取液侧，在渗透压作用下，返排液中的清水透过正渗透膜进入汲取液中，稀释后的NaCl汲取液用于压裂液直接回用，浓缩后的返排液从返排液出口5b进入预处理装置6中，完成絮凝、沉淀、渗滤处理，预处理后的浓返排液进入经返排液提升泵7从后置返排液入口8a进入后置正渗透膜组件8原料液侧，NH₄HCO₃汲取液池经汲取液提升泵12从后置汲取液入口8c进入后置正渗透膜组件8汲取液侧，浓缩后的汲取液进入蒸发结晶单元2；后置正渗透膜组件8后置返排液出口8b的返排液进入竖管蒸发器9的管程受热蒸发，蒸发后的饱和溶液从竖管蒸发器9底部饱和液出口9e流出后完成结晶，实现返排液的零排放，中压蒸汽作为热源在竖管蒸发器9壳程中冷凝放热，竖管蒸发器9的管程生成的二次蒸汽在冷凝器10管程中冷凝，后置正渗透膜组件8后置汲取液出口8d的稀NH₄HCO₃汲取液在冷凝器10壳程中受热分解，分解生成的NH₃和CO₂气体从冷凝器10壳程的冷凝器出气口10b进入汲取液回用单元3，蒸发结晶单元2中生成的蒸馏水用于配置汲取液；一部分蒸馏水进入吸收塔11从顶部的吸收塔蒸馏水入口11b向下喷淋，喷淋液吸收从吸收塔11下部吸收塔气体入口11a进入的NH₃和CO₂气体，吸收塔11底部吸收塔汲取液出口11c排出的NH₄HCO₃水溶液经汲取液提升泵12从吸收塔11中部的汲取液回液口11d进入重复吸收气体过程，生成的浓汲取液经汲取液提升管12b返回后置正渗透膜组件8汲取液侧入口，剩余部分的蒸馏水经NaCl加料装置13后配置浓NaCl汲取液，生成的浓NaCl汲取液由汲取液自吸泵14进入前置正渗透膜组件5，完成NaCl和NH₄HCO₃汲取液的重复循环利用。调节控制单元20包括返排液原料的盐度信号检测控制器15、前置正渗透汲取液调节阀16、后置正渗透汲取液调节阀17和中压加热蒸汽进口流量调节阀18。调节控制单元20采用PLC控制器，S7-200 PLC控制器（型号为6ES7211-0BA23-0XB0，AC/DC/继电器，6点输入4点输出）是微型PLC，它适用于各种场合中的自动检测、监测及控制等。

返排液自吸泵4出口与前置正渗透膜组件5原料液入口间设有盐度信号检测控制器15，前置正渗透膜组件5汲取液入口和汲取液自吸泵14出口设有前置正渗透汲取液调节阀16，后置正渗透膜组件8汲取液入口和汲取液提升泵12出口设有流量后置正渗透汲取液调节阀17，竖管蒸发器9的蒸发器蒸汽入口9b之前设置中压加热蒸汽进口流量调节阀18，调节控制单元20依据压裂返排液盐度信号检测控制器15的盐度测量值和预设值间的差值产生调节参量，根据调节参量和返排液盐度测量值间的变化曲线，计算调节后的前置正渗透膜组件5和后置正渗透膜组件8的汲取液和竖管蒸发器9的中压加热蒸汽流量，从而执行前置正渗透汲取液调节阀16、后置正渗透汲取液调节阀17和中压加热蒸汽进口流量调节阀18的调节开启程度，调节直至满足以下条件：蒸发结晶单元2中生成的蒸馏水量满足配置正渗透水处理单元1中所需的NaCl和NH₄HCO₃汲取液的蒸馏水量需求；稀NH₄HCO₃汲取液在冷凝器10中完全热分解所需热量与竖管蒸发器9中生成的二次蒸汽冷凝释放的热量相平衡。

采用以上技术方案，当压裂返排液盐度由2-3%升高到5%时，依据返排液原料盐度信号检测控制器15的信号，调节正渗透水处理单元的汲取液进口调节阀开度，使得20-25%NaCl汲取液和15-18%NH₄HCO₃汲取液的进口流量增大35-45%，在渗透压的作用下，压裂返排液中清水的回用率由60-75%降低到55-70%，稀释后的NaCl汲取液直接用于配置新的压裂液，实现了大部分返排液的低成本高效回用，浓缩后的压裂返排液流量增大5-10%，稀释后的NH₄HCO₃汲取液流量增大30-40%。

依据返排液盐度信号以及盐度升高引起的浓缩返排液和稀释NH₄HCO₃汲取液的流量变化，中压加热蒸汽流量增大3-5%，再次浓缩后的返排液在蒸发结晶单元的蒸发器中完成蒸发结晶，实现了返排液的零排放；蒸发器生成的二次蒸汽在冷凝器中释放的余热与加热分解12-15%NH₄HCO₃汲取液所需热量相平衡；蒸发结晶单元中生成的蒸馏水量满足配置15-18%NH₄HCO₃汲取液和20-25%的NaCl汲取液所需的清水量，实现正渗透水处理单元汲取液的再生和重复利用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施事例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种零排放压裂返排液处理系统，它包括正渗透水处理单元（1）、蒸发结晶单元（2）、汲取液回用单元（3）和调节控制单元（20），其特征在于：所述正渗透水处理单元（1）中的汲取液自吸泵（14）采用管道经前置汲取液入口（5c）连接至前置正渗透膜组件（5）的汲取液侧，再由前置汲取液出口（5d）排出；返排液自吸泵（4）采用管道经前置返排液入口（5a）连接至前置正渗透膜组件（5）的原料液侧，再由前置返排液出口（5b）依次经过预处理装置（6）、返排液提升泵（7）后，从后置返排液入口（8a）连接至后置正渗透膜组件（8）的原料液侧，再由后置返排液出口（8b）连接至蒸发结晶单元（2）中竖管蒸发器（9）的蒸发器返排液入口（9a）；汲取液提升泵（12）经过汲取液提升管（12b），从后置汲取液入口（8c）连接至后置正渗透膜组件（8）的汲取液侧，再从后置汲取液出口（8d）连接至蒸发结晶单元（2）中冷凝器（10）的冷凝器汲取液入口（10a）；

所述蒸发结晶单元（2）包括竖管蒸发器（9）和冷凝器（10），蒸发器蒸馏水出口（9d）采用管道连接至蒸馏水管（19），蒸发器二次蒸汽出口（9c）连接至冷凝器蒸汽入口（10d），冷凝器蒸馏水出口（10c）连接至蒸馏水管（19），冷凝器出气口（10b）连接至汲取液回用单元（3）中吸收塔（11）底部的吸收塔气体入口（11a）；

所述汲取液回用单元（3）采用蒸馏水管（19）通过吸收塔水管（11e）连接至吸收塔（11）顶部的吸收塔蒸馏水入口（11b）；吸收塔汲取液出口（11c）采用管道经汲取液提升泵（12）、汲取液回管（12a）连接至吸收塔（11）中部的汲取液回液口（11d）；

所述调节控制单元（20）采用PLC控制器，并与盐度信号检测控制器（15）、前置正渗透汲取液调节阀（16）、后置正渗透汲取液调节阀（17）和中压加热蒸汽进口流量调节阀（18）电连接；所述盐度信号检测控制器（15）设置在返排液自吸泵（4）与返排液入口（5a）之间的管道上，前置正渗透汲取液调节阀（16）设置在汲取液自吸泵（14）与前置汲取液入口（5c）之间的管道上，后置正渗透汲取液调节阀（17）设置在汲取液提升泵（12）与后置汲取液入口（8c）之间的管道上，中压加热蒸汽进口流量调节阀（18）设置在蒸发器蒸汽入口（9b）之前；所述蒸馏水管（19）经加料装置水管（13a）连接至汲取液自吸泵（14）和加料装置（13）。

2.根据权利要求1所述的一种零排放压裂返排液处理系统的调节方法，其特征在于：依据所述压裂返排液盐度信号检测控制器（15）的盐度测量值和预设值间的差值得到调节参量，根据所述调节参量和返排液盐度测量值间的变化关系，计算调节后的前置正渗透膜组件（5）和后置正渗透膜组件（8）的汲取液和竖管蒸发器（9）的中压加热蒸汽流量，从而分别执行前置正渗透汲取液调节阀（16）、后置正渗透汲取液调节阀（17）和中压加热蒸汽进口流量调节阀（18）的调节开启程度，调节直至满足以下条件：蒸发结晶单元（2）中生成的蒸馏水量满足配置正渗透水处理单元（1）中所需的NaCl和NH₄HCO₃汲取液的蒸馏水量需求；稀NH₄HCO₃汲取液在冷凝器（10）中完全热分解所需热量与竖管蒸发器（9）中生成的二次蒸汽冷凝释放的热量相平衡。

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