CN111573949B - 一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统和工作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统和工作方法，属于页岩气开发技术领域。正渗透膜技术无需外界提供的热量或压力作为驱动力，利用原料液和汲取液间的渗透压实现对返排液的处理，节省了生产热量和电能消耗的天然气，大幅度降低了返排液的处理成本；依据返排液处理回用的要求合理选择正渗透组合流程，返排液无需预处理直接作为前端NaCl汲取液正渗透方法的原料液，处理后的稀释NaCl汲取液直接回用于压裂液，利用NH₄HCO₃汲取液正渗透方法适用于处理高盐度返排液的特点，将前端正渗透浓缩后的返排液进一步浓缩；正渗透单元浓缩后的返排液在蒸馏单元蒸发结晶，利用蒸馏单元的余热回用了NH₄HCO₃汲取液，实现了返排液的零排放和汲取液的循环重复利用。

Description

一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统和工作 方法

技术领域

本发明涉及一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统和工作方法，属于页岩气开发技术领域。

背景技术

在页岩气资源开发过程中，水力压裂技术是目前主要依靠的储层改造手段，提高了人们对非常规能源的开发热情，但开采过程中随之而来的水资源消耗和返排液处理的问题也愈加显著。依据地域不同，单口页岩气水平井耗水量一般在7600-19000m³，压裂过程完成后有15％-80％压裂液返排至地面，压裂返排液中含有固体悬浮物、油类、有机物、无机盐等，是一种复杂的多项分散体系，具有悬浮物多、总溶解固体含量高和成分复杂等特点。受压裂返排液中大量的污染物以及巨大的处理规模的限制，对压裂液管理不善会对环境造成极大的危害。

目前压裂返排液的处理方法逐渐由市政污水处理转向重复利用，重复利用的工艺主要有深井灌注和现场处理后回用。由于对回注井的选择性强，地下灌注能力明显不足，现场处理后回用成为处理压裂返排液的主要方式。传统化学、生物和机械的返排液处理回用工艺主要有生化、絮凝、沉淀、固液分离、调节pH 值、氧化、微电解等，这些工艺可除去压裂返排液中的大部分污染物，但是处理过程存在如下问题：1）难以除去水中溶解的盐分；2）返排液可生化性差，投资大，时间长；3）氧化法需要外加药剂，处理成本高，有机污染物处理不彻底。为了解决上述问题，选用膜分离和蒸馏工艺处理返排液。适用于返排液处理的商业化蒸馏技术主要有多效蒸馏和机械蒸汽压缩蒸馏，由于页岩气开采现场无余热热源，因此要消耗天然气提供蒸汽热量或发电，造成返排液处理的能耗成本过高。传统膜分离技术中的微滤、超滤、纳滤和反渗透都要在外界水力压力驱动下实现清水的分离，这些传统膜法技术对返排液中的酸、碱、油污、微生物、硫酸盐、钙离子等极其敏感，要采取复杂的预处理过程来保证膜的分离性能和使用寿命；受渗透压的限制，传统膜法可处理的含盐量最高不超过70000mg/L，并且膜法驱动要消耗天然气用于发电，造成的结果是膜法系统复杂，预处理投资大，处理成本高。由于返排液水量大，并且处理后的水绝大部分重新用作压裂配置用水，而压裂配置用水的水质远低于采用传统的膜分离和蒸馏工艺处理后的清水水质，造成了返排液水处理技术与压裂液回用需求间的不匹配。因此开发适合于压裂返排液回用的水处理方法成为一个迫切需要解决的难题。

公布号为CN104445778A、CN109111002A和CN106946304A的中国专利公开了一种采用蒸汽压缩机（MVR）的页岩气废水处理装置或系统，采用天然气发电用于驱动MVR，通过蒸馏法处理返排液，但处理1吨废水要消耗10nm³天然气，废水处理成本过高；尽管采用了换热装置来降低废水处理的能耗，但造成装置系统复杂，压降过大泵功耗高。

公布号为CN110482754A和CN106746033A的中国专利公开了一种基于膜技术的页岩气压裂返排液处理工艺，采用传统的纳滤膜、超滤膜和反渗透膜对返排液逐级处理和分级利用，由于传统膜法需要外界水力压力的作用，返排液中的无机水垢、生物和有机水垢等容易在膜表面形成难以清除的致密层，引起膜的水通量降低，而且膜法处理后的浓水还需要采用蒸馏法处理，进一步增加了水处理的成本。

正渗透技术作为一种新型的过滤水处理技术，与传统的压力驱动膜分离技术相比，正渗透不需要额外的压力来克服渗透压，靠溶液自身的渗透压差推动分离过程，可处理高含盐量的原料液，正渗透具有能耗低、膜污染小、水回收率高等特点。目前正渗透主要应用于海水淡化、生活污水等领域，如何选择合适的汲取液和合理的流程用于压裂返排液处理回用成为一个亟待解决的难题。

公布号为CN104591457A和CN102745776A的中国专利公开了一种正渗透耦合膜法处理废水的方法，将膜蒸馏和反渗透浓缩处理后浓盐废水作为正渗透的汲取液，再将稀释后的汲取液返回膜法处理单元重复浓缩处理。页岩气开采现场没有余热和电源分别用作膜蒸馏的热源和反渗透消耗的泵功，需要消耗天然气来加热和发电，受现场锅炉和发电装置容量的限制，装置热效率低，水处理的能耗成本高；膜法水处理效率随盐度的升高而降低，高盐度压裂液对应膜法的低处理效率，而耦合膜法处理废水造成膜法进料原水浓度进一步升高，相应膜法废水处理效率进一步降低；在原水中加入新的药剂与蒸馏水配置正渗透的汲取液，不仅药剂增加了原水的盐度且不能循环使用，而且还需要额外制备高品质的蒸馏水。

《石油化工应用》2016年36卷2期中的《正渗透压裂返排液处理技术研究进展》介绍了两种采用正渗透技术处理压裂返排液的方法，这两种基于正渗透技术的方法可有效降低返排液的处理成本。采用NaCl水溶液作为汲取液的正渗透方法中，返排液的盐度不能过高，而返排液的盐度随返排时间而增加，因此该方法通常只适用于页岩气开采初期的返排液；稀释的汲取液用于配置压裂液，缺少汲取液循环利用的环节。采用NH₄HCO₃水溶液作为汲取液的正渗透方法，由于增加了预处理过程，对于高盐度的返排液处理效率高，而对于低盐度返排液由于预处理成本增加，降低了返排液处理的经济性；对于小型装置，稀释后的汲取液经受热分解后的清水用于生活，对于大型装置，处理后的清水主要用于配置压裂液，而配置的压裂液对水质的要求远低于处理后的清水，并且配置的压裂液中含有一定比例的NaCl，这也造成了处理后的清水与配置压裂液间水质的不匹配。

页岩气压裂返排液的回用处理方法上存在的问题如下：

（1）现有的蒸馏法和传统膜法需要外界提供热能和电能作为驱动力，页岩气开采现场需要燃烧天然气提供热量和电能，造成水处理能耗高；膜法对返排液预处理要求高，使得成分复杂的返排液处理成本高；

（2）正渗透耦合传统膜法处理返排液方法存在电耗高、膜法处理效率低、汲取液无法回用等技术问题；

（3）采用NaCl水溶液作为汲取液的正渗透方法存在进口原料液最大盐度要求低于页岩气开采中后期返排液盐度、汲取液难以循环利用等问题，采用NH₄HCO₃水溶液作为汲取液的正渗透技术不适用于低盐度的返排液处理，处理后的清水水质远高于配置压裂液的要求，降低了系统的经济性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统和工作方法。该处理系统将NaCl水溶液和NH₄HCO₃水溶液作为汲取液的正渗透方法耦合，依据返排液盐度组合处理废水，既实现了两种汲取液的重复循环利用，又实现了正渗透处理后的汲取液直接用于配置压裂液，实现了返排液的高效零排放。

本发明采用如下技术方案：一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统，它包括前端NaCl汲取液正渗透单元、后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元、蒸馏单元和汲取液配置单元；所述前端NaCl汲取液正渗透单元中的返排液原水池采用管道经原水泵、返排液入口连接至NaCl汲取液正渗透膜组件的原料液侧，再从返排液出口经返排液管连接至后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元；NaCl汲取液池采用管道经NaCl汲取液泵、NaCl汲取液入口连接至NaCl汲取液正渗透膜组件的汲取液侧，再由NaCl汲取液出口连接至压裂液配浆罐；

所述后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元采用返排液管连接絮凝加药装置和絮凝反应器，絮凝反应器再采用管道依次连接固液分离器、渗滤池和浓缩返排液泵后，由浓缩返排液入口连接至NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件的原料液侧，再从浓缩返排液出口连接至蒸馏单元中的第二效竖管蒸发器；

NH₄HCO₃汲取液池采用管道由NH₄HCO₃汲取液入口连接至NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件的汲取液侧，再由NH₄HCO₃汲取液出口连接至蒸馏单元中水平管降膜冷凝器；

所述蒸馏单元包含蒸汽从第一蒸发器蒸汽入口进入的第一效竖管蒸发器、第二效竖管蒸发器和水平管降膜冷凝器，第一效竖管蒸发器的第一效蒸发器蒸汽出口采用管道连接至第二效蒸发器蒸汽入口，经第二效竖管蒸发器后由第二效蒸发器蒸汽出口连接至冷凝器蒸汽入口，再经过水平管降膜冷凝器后由冷凝器蒸馏水出口连接至蒸馏水管；第一效竖管蒸发器的第一效蒸发器蒸馏水出口采用管道连接至第二效蒸发器蒸馏水入口，经第二效竖管蒸发器后由第二效蒸发器蒸馏水出口连接至蒸馏水管；第二效竖管蒸发器的第二效蒸发器盐水出口采用管道连接至第一效蒸发器盐水入口，经第一效竖管蒸发器后由第一效蒸发器盐水出口连接至离心分离机；

所述后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元中的NH₄HCO₃汲取液出口采用管道连接水平管降膜冷凝器的冷凝器汲取液入口，冷凝器气体出口连接至汲取液配置 单元；后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元中的浓缩返排液出口采用管道连接至第二效蒸发器返排液入口；

所述汲取液配置 单元采用与蒸馏水管相连的吸收塔水管连接至NH₄HCO₃吸收塔顶部的吸收塔蒸馏水入口，冷凝器气体出口连接NH₄HCO₃吸收塔底部的吸收塔气体入口，NH₄HCO₃吸收塔的浓缩NH₄HCO₃汲取液出口采用管道依次经NH₄HCO₃汲取液泵、NH₄HCO₃汲取液管连接至NH₄HCO₃汲取液池；NH₄HCO₃汲取液泵经NH₄HCO₃汲取液回管连接至NH₄HCO₃吸收塔的NH₄HCO₃汲取液回液入口；蒸馏水管经NaCl汲取池水管连接至NaCl汲取液 池。

所述的一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统的工作方法，包括以下步骤：

（a）前端NaCl汲取液正渗透单元中，进入返排液原水池中盐度为2-3%的压裂返排液无需预处理直接泵入NaCl汲取液正渗透膜组件原料液侧，NaCl汲取液池中NaCl浓度为20-25%的汲取液泵入NaCl汲取液正渗透膜组件汲取液侧，在正渗透压的作用下，返排液中的水分子透过渗透膜进入汲取液，返排液被浓缩到7-10%，NaCl汲取液被稀释到5-7%，稀释后的NaCl汲取液直接进入压裂液配浆罐中用于配置循环利用的压裂液，浓缩后的返排液作为后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元的进料液继续处理；；

（b）在后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元中，盐度为7-10%的浓返排液经过絮凝加药装置和絮凝反应器处理后，在固液分离器中完成絮凝沉淀，在渗滤池中去除浓返排液中的悬浮小颗粒，预处理后返排液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件的原料液侧，NH₄HCO₃浓度为15-18%的汲取液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件的汲取液侧，水从渗透压较低的返排液侧通过渗透膜流向渗透压较高的NH₄HCO₃汲取液侧，返排液再次被浓缩到18-20%，NH₄HCO₃汲取液被稀释到11-14%，稀释后的NH₄HCO₃汲取液进入蒸馏单元回用，浓缩后的返排液作为蒸馏单元的进料液进行零排放处理；

（c）0.5Mpa/150℃的蒸汽作为蒸馏单元中二效蒸发器的加热热源，加热蒸汽在第一效竖管蒸发器的壳程冷凝放热，浓缩后的返排液在第二效竖管蒸发器的管程受热蒸发，第二效竖管蒸发器生成的50-55℃二次蒸汽在水平管降膜冷凝器的管程冷凝为蒸馏水，第一效竖管蒸发器、第二效竖管蒸发器以及水平管降膜冷凝器中冷凝生成的蒸馏水一部分在NaCl汲取液池中用于配置20-25%的NaCl汲取液，实现NaCl汲取液的重复利用，其余部分在汲取液配置单元中的NH₄HCO₃吸收塔中配置NH₄HCO₃汲取液；未蒸发的返排液浓缩为饱和盐水，饱和盐水由第一效竖管蒸发器下部进入离心分离机实现固液分离，获得结晶盐，稀释NH₄HCO₃汲取液在水平管降膜冷凝器的壳程受热分解为NH₃和CO₂气体，分解的气体从水平管降膜冷凝器壳程上部冷凝器气体出口流出进入NH₄HCO₃吸收塔下部吸收塔气体入口, 释放NH₃和CO₂气体后的NH₄HCO₃汲取液成为蒸馏水并汇集到蒸馏水管，用于重新制备NH₄HCO₃汲取液；

（d）蒸馏水从NH₄HCO₃吸收塔上部喷淋，NH₃和CO₂气体从NH₄HCO₃吸收塔下部进口进入后上升，蒸馏水吸收NH₃和CO₂气体生成15-18%的NH₄HCO₃汲取液，浓NH₄HCO₃汲取液进入NH₄HCO₃汲取液池重复循环利用。

上述技术方案的特点是：NaCl汲取液正渗透作为返排液的前端处理，实现了压裂返排液无需预处理即可回用于配置压裂液；浓缩后的返排液经NH₄HCO₃水溶液为汲取液的正渗透后端处理，再次浓缩的返排液中的盐分在蒸馏系统结晶，稀释后汲取液中的NH₄HCO₃在蒸馏系统的冷凝器中受热分解后回用，去除NH₄HCO₃后得到的产出水用于重新制备NaCl和NH₄HCO₃水溶液的汲取液。

本发明的有益效果是：这种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液的处理系统和工作方法，正渗透膜技术无需外界提供的热量或压力作为驱动力，利用原料液和汲取液间的渗透压实现对返排液的处理，节省了生产热量和电能消耗的天然气，大幅度降低了返排液的处理成本；依据返排液处理回用的要求合理选择正渗透组合流程，返排液无需预处理直接作为前端NaCl汲取液正渗透方法的原料液，处理后的稀释NaCl汲取液直接回用于压裂液，利用NH₄HCO₃汲取液正渗透方法适用于处理高盐度返排液的特点，将前端正渗透浓缩后的返排液进一步浓缩；正渗透单元浓缩后的返排液在蒸馏单元蒸发结晶，利用蒸馏单元的余热回用了NH₄HCO₃汲取液，实现了返排液的零排放和汲取液的循环重复利用。

附图说明

图1是一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统图。

图中：1、前端NaCl汲取液正渗透单元，2、后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元，3、蒸馏单元，4、汲取液配置单元，5、返排液原水池，6、原水泵，7、NaCl汲取液正渗透膜组件，7a、返排液入口，7b、返排液出口，7c、NaCl汲取液入口，7d、NaCl汲取液出口，7e、返排液管，8、NaCl汲取液泵，9、NaCl汲取液池，9a、NaCl汲取池水管，10、压裂液配浆罐，11、絮凝加药装置，12、絮凝反应器,13、固液分离器，14、渗滤池，15、浓缩返排液泵，16、NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件，16a、浓缩返排液入口，16b、浓缩返排液出口，16c、NH₄HCO₃汲取液入口，16d、NH₄HCO₃汲取液出口，17、NH₄HCO₃汲取液池，17a、NH₄HCO₃汲取液管， 18、第一效竖管蒸发器，18a、第一效蒸发器蒸汽入口，18b、第一效蒸发器蒸汽出口，18c、第一效蒸发器盐水入口，18d、第一效蒸发器蒸馏水出口，18e、第一效蒸发器盐水出口，19、第二效竖管蒸发器，19a、第二效蒸发器返排液入口，19b、第二效蒸发器蒸汽入口，19c、第二效蒸发器蒸汽出口，19d、第二效蒸发器蒸馏水出口，19e、第二效蒸发器盐水出口，19f、第二效蒸发器蒸馏水入口，20、离心分离机，21、水平管降膜冷凝器，21a、冷凝器汲取液入口，21b、冷凝器气体出口，21c、冷凝器蒸馏水出口，21d、冷凝器蒸汽入口，22、NH₄HCO₃吸收塔，22a、吸收塔蒸馏水入口，22b、吸收塔气体入口，22c、吸收塔水管，22d、浓缩NH₄HCO₃汲取液出口，22e、NH₄HCO₃汲取液入口、23、NH₄HCO₃汲取液泵，23a、NH₄HCO₃汲取液回管，24、蒸馏水管。

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，浓度除特殊说明外采用的为质量百分数。

图1示出了一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统图。图中，该系统包括前端NaCl汲取液正渗透单元1、后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2、蒸馏单元3和汲取液配置单元4。

前端NaCl汲取液正渗透单元包含返排液原水池5、原水泵6、NaCl 汲取液 正渗透膜组件7、汲取液泵8、NaCl汲取液池9和压裂液配浆罐10。返排液原水池5中的压裂返排液采用管道经原水泵6直接通入NaCl汲取液正渗透膜组件7的返排液入口7a，同时NaCl汲取液池9中的NaCl汲取液通过管道经汲取液泵8通入NaCl汲取液正渗透膜组件7的NaCl汲取液入口7c，稀释后的NaCl汲取液从NaCl汲取液正渗透膜组件7的NaCl汲取液出口7d通过管道连接压裂液配浆罐10，浓缩后的返排液从NaCl汲取液正渗透膜组件7的返排液出口7b经返排液管7e连接后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2入口。

后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2包含絮凝加药装置11、絮凝反应器12、固液分离器13、渗滤池14、浓缩返排液泵15、NH₄HCO₃ 汲取液 正渗透膜组件16和NH₄HCO₃汲取液池17。前端正渗透处理后的浓缩返排液经返排液管7e依次连接絮凝加药装置11、絮凝反应器12、固液分离器13和渗滤池14，预处理后的返排液经浓缩返排液泵15进入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的浓缩返排液入口16a，NH₄HCO₃汲取液从NH₄HCO₃汲取液池17中泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的NH₄HCO₃汲取液入口16c，稀释后的NH₄HCO₃汲取液从NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的浓缩返排液出口16b通过管道连接水平管降膜冷凝器21的汲取液入口21a，浓缩后的返排液从NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的NH₄HCO₃汲取液出口16d经管道连接第二效竖管蒸发器19。

蒸馏单元3包括第一效竖管蒸发器18、第二效竖管蒸发器19、离心分离机20和水平管降膜冷凝器21，加热蒸汽经管道从第一效蒸发器蒸汽入口18a进入第一效竖管蒸发器18的壳程，后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2再浓缩后的返排液进入第二效竖管蒸发器19的管程，第二效竖管蒸发器19的第二效蒸发器蒸汽出口19c经管道连接水平管降膜冷凝器21的冷凝器蒸汽入口21d，水平管降膜冷凝器21壳程上部的冷凝器气体出口21b连接NH₄HCO₃吸收塔22下部的吸收塔气体入口22b，第一效竖管蒸发器18、第二效竖管蒸发器19和水平管降膜冷凝器21的蒸馏水出口通过蒸馏水管24后，一支管通过吸收塔水管22c连接NH₄HCO₃吸收塔22的吸收塔蒸馏水入口22a，另一支管为NaCl汲取池水管9a连接至NaCl汲取液池9的入口，第一效竖管蒸发器18下部的第一蒸发器盐水出口18e经管道连接离心分离机20入口。

汲取液配置单元4包括NH₄HCO₃吸收塔22和汲取液泵23，蒸馏水经吸收塔水管22c连接至NH₄HCO₃吸收塔22的吸收塔蒸馏水入口22a，水平管降膜冷凝器21中热分解的气体经管道进入NH₄HCO₃吸收塔22的吸收塔气体入口22b，吸收塔的浓缩NH₄HCO₃汲取液出口22d经汲取液泵23连接至NH₄HCO₃汲取液池17。

该系统的处理方法，采用下列步骤：

（a）前端NaCl汲取液正渗透单元1中，返排液原水池5中盐度为2-3%的压裂返排液无需预处理直接泵入NaCl汲取液正渗透膜组件7原料液侧，NaCl汲取液池9中NaCl浓度为20-25%的汲取液泵入NaCl汲取液正渗透膜组件7汲取液侧，在正渗透压的作用下，返排液中的水分子透过渗透膜进入汲取液，返排液被浓缩到7-10%，NaCl汲取液被稀释到5-7%，稀释后的NaCl汲取液直接进入压裂液配浆罐10中用于配置压裂液，循环利用压裂液，浓缩后的返排液作为后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2的进料液继续处理；

（b）在后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元2中，盐度为7-10%的浓返排液经过絮凝加药装置11和絮凝反应器12处理后，在固液分离器13中完成絮凝沉淀，在渗滤池14中去除返浓排液中的悬浮小颗粒，预处理后返排液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的原料液侧，NH₄HCO₃浓度为15-18%的汲取液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件16的汲取液侧，水从渗透压较低的返排液侧通过渗透膜流向渗透压较高的NH₄HCO₃汲取液侧，返排液再次被浓缩到18-20%，NH₄HCO₃汲取液被稀释到11-14%，稀释后的NH₄HCO₃汲取液进入蒸馏单元3回用，浓缩后的返排液作为蒸馏单元3的进料液进行零排放处理；

（c）0.5Mpa/150℃的蒸汽作为蒸馏单元3中二效蒸发器的加热热源，加热蒸汽在第一效竖管蒸发器18的壳程冷凝放热，浓缩后的返排液在第二效竖管蒸发器19的管程受热蒸发，第二效竖管蒸发器19生成的50-55℃二次蒸汽在水平管降膜冷凝器21的管程冷凝为蒸馏水，第一效竖管蒸发器、第二效竖管蒸发器以及水平管降膜冷凝器冷凝生成的蒸馏水中一部分在NaCl汲取液池9用于中配置20-25%的NaCl汲取液，实现NaCl汲取液的重复利用，其余部分在汲取液配置单元4中的NH₄HCO₃吸收塔22中配置NH₄HCO₃汲取液；未蒸发的返排液浓缩为饱和盐水，饱和盐水由第一效竖管蒸发器18下部进入离心分离机20实现固液分离，获得结晶盐，稀释NH₄HCO₃汲取液在水平管降膜冷凝器21的壳程受热分解为NH₃和CO₂气体，分解的气体从水平管降膜冷凝器21壳程上部冷凝器气体出口21b流出进入NH₄HCO₃吸收塔22下部吸收塔气体入口22b，释放NH₃和CO₂气体后的NH₄HCO₃汲取液成为蒸馏水并汇集到蒸馏水管24，用于重新制备NH₄HCO₃汲取液；

（d）蒸馏水从NH₄HCO₃吸收塔22上部喷淋，NH₃和CO₂气体从NH₄HCO₃吸收塔22下部进口进入后上升，蒸馏水吸收NH₃和CO₂气体生成15-18%的NH₄HCO₃汲取液，浓NH₄HCO₃汲取液进入NH₄HCO₃汲取液池17重复循环利用。

采用以上技术方案，无需预处理盐度为2-3%的压裂返排液进入前端NaCl汲取液正渗透单元过滤，在渗透压的作用下60-75%返排液被回用，压裂液中的水进入浓度为20-25%的NaCl汲取液中，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。在后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元中，采用预处理工艺和NH₄HCO₃作为汲取液，有利于处理高盐度返排液，再次浓缩后的返排液在蒸馏单元蒸发器中完成蒸发结晶，实现了返排液的零排放，利用蒸馏单元冷凝器中的余热加热分解浓度为11-14%NH₄HCO₃汲取液，蒸馏单元生成的蒸馏水和分解得到的NH₃和CO₂气体在吸收塔内生成15-18%的浓NH₄HCO₃汲取液，实现了NH₄HCO₃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)

1.一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统，它包括前端NaCl汲取液正渗透单元（1）、后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）、蒸馏单元（3）和汲取液配置单元（4）；其特在于：所述前端NaCl汲取液正渗透单元（1）中的返排液原水池（5）采用管道经原水泵（6）、返排液入口（7a）连接至NaCl汲取液正渗透膜组件（7）的原料液侧，再从返排液出口（7b）经返排液管（7e）连接至后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）；NaCl汲取液池（9）采用管道经NaCl汲取液泵（8）、NaCl汲取液入口（7c）连接至NaCl汲取液正渗透膜组件（7）的汲取液侧，再由NaCl汲取液出口（7d）连接至压裂液配浆罐（10）；

所述后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）采用返排液管（7e）连接絮凝加药装置（11）和絮凝反应器（12），絮凝反应器（12）再采用管道依次连接固液分离器（13）、渗滤池（14）和浓缩返排液泵（15）后，由浓缩返排液入口（16a）连接至NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件（16）的原料液侧，再从浓缩返排液出口（16b）连接至蒸馏单元（3）中的第二效竖管蒸发器（19）；

NH₄HCO₃汲取液池（17）采用管道由NH₄HCO₃汲取液入口（16c）连接至NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件（16）的汲取液侧，再由NH₄HCO₃汲取液出口（16d）连接至蒸馏单元（3）中水平管降膜冷凝器（21）；

所述蒸馏单元（3）包含蒸汽从第一效蒸发器蒸汽入口（18a）进入的第一效竖管蒸发器（18）、第二效竖管蒸发器（19）和水平管降膜冷凝器（21），第一效竖管蒸发器（18）的第一效蒸发器蒸汽出口（18b）采用管道连接至第二效蒸发器蒸汽入口（19b），经第二效竖管蒸发器（19）后由第二效蒸发器蒸汽出口（19c）连接至冷凝器蒸汽入口（21d），再经过水平管降膜冷凝器（21）后由冷凝器蒸馏水出口（21c）连接至蒸馏水管（24）；第一效竖管蒸发器（18）的第一效蒸发器蒸馏水出口（18d）采用管道连接至第二效蒸发器蒸馏水入口（19f），经第二效竖管蒸发器（19）后由第二效蒸发器蒸馏水出口（19d）连接至蒸馏水管（24）；第二效竖管蒸发器（19）的第二效蒸发器盐水出口（19e）采用管道连接至第一效蒸发器盐水入口（18c），经第一效竖管蒸发器（18）后由第一效蒸发器盐水出口（18e）连接至离心分离机（20）；

所述后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）中的NH₄HCO₃汲取液出口（16d）采用管道连接水平管降膜冷凝器（21）的冷凝器汲取液入口（21a），冷凝器气体出口（21b）连接至汲取液配置单元（4）；

所述汲取液配置 单元（4）采用与蒸馏水管（24）相连的吸收塔水管（22c）连接至NH₄HCO₃吸收塔（22）顶部的吸收塔蒸馏水入口（22a），冷凝器气体出口（21b）连接NH₄HCO₃吸收塔（22）底部的吸收塔气体入口（22b），NH₄HCO₃吸收塔（22）的浓缩NH₄HCO₃汲取液出口（22d）采用管道依次经NH₄HCO₃汲取液泵（23）、NH₄HCO₃汲取液管（17a）连接至NH₄HCO₃汲取液池（17）；NH₄HCO₃汲取液泵（23）经NH₄HCO₃汲取液回管（23a）连接至NH₄HCO₃吸收塔（22）的NH₄HCO₃汲取液回液入口（22e）；蒸馏水管（24）经NaCl汲取池水管（9a）连接至NaCl汲取液 池（9）。

2.根据权利要求1所述的一种基于正渗透技术的页岩气压裂返排液处理系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）前端NaCl汲取液正渗透单元（1）中，进入返排液原水池（5）中盐度为2-3%的压裂返排液无需预处理直接泵入NaCl汲取液正渗透膜组件（7）原料液侧，NaCl汲取液池（9）中NaCl浓度为20-25%的汲取液泵入NaCl汲取液正渗透膜组件（7）汲取液侧，在正渗透压的作用下，返排液中的水分子透过渗透膜进入汲取液，返排液被浓缩到7-10%，NaCl汲取液被稀释到5-7%，稀释后的NaCl汲取液直接进入压裂液配浆罐（10）中用于配置循环利用的压裂液，浓缩后的返排液作为后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）的进料液继续处理；

（b）在后端NH₄HCO₃汲取液正渗透单元（2）中，盐度为7-10%的浓返排液经过絮凝加药装置（11）和絮凝反应器（12）处理后，在固液分离器（13）中完成絮凝沉淀，在渗滤池（14）中去除浓返排液中的悬浮小颗粒，预处理后返排液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件（16）的原料液侧，NH₄HCO₃浓度为15-18%的汲取液泵入NH₄HCO₃汲取液正渗透膜组件（16）的汲取液侧，水从渗透压较低的返排液侧通过渗透膜流向渗透压较高的NH₄HCO₃汲取液侧，返排液再次被浓缩到18-20%，NH₄HCO₃汲取液被稀释到11-14%，稀释后的NH₄HCO₃汲取液进入蒸馏单元（3）回用，浓缩后的返排液作为蒸馏单元（3）的进料液进行零排放处理；

（c）0.5Mpa/150℃的蒸汽作为蒸馏单元（3）中二效蒸发器的加热热源，加热蒸汽在第一效竖管蒸发器（18）的壳程冷凝放热，浓缩后的返排液在第二效竖管蒸发器（19）的管程受热蒸发，第二效竖管蒸发器（19）生成的50-55℃二次蒸汽在水平管降膜冷凝器（21）的管程冷凝为蒸馏水，第一效竖管蒸发器（18）、第二效竖管蒸发器（19）以及水平管降膜冷凝器（21）中冷凝生成的蒸馏水一部分在NaCl汲取液池（9）中用于配置20-25%的NaCl汲取液，实现NaCl汲取液的重复利用，其余部分在汲取液配置单元（4）中的NH₄HCO₃吸收塔（22）中配置NH₄HCO₃汲取液；未蒸发的返排液浓缩为饱和盐水，饱和盐水由第一效竖管蒸发器（18）下部进入离心分离机（20）实现固液分离，获得结晶盐，稀释NH₄HCO₃汲取液在水平管降膜冷凝器（21）的壳程受热分解为NH₃和CO₂气体，分解的气体从水平管降膜冷凝器（21）壳程上部冷凝器气体出口（21b）流出进入NH₄HCO₃吸收塔（22）下部吸收塔气体入口（22b），释放NH₃和CO₂气体后的NH₄HCO₃汲取液成为蒸馏水并汇集到蒸馏水管（24），用于重新制备NH₄HCO₃汲取液；

（d）蒸馏水从NH₄HCO₃吸收塔（22）上部喷淋，NH₃和CO₂气体从NH₄HCO₃吸收塔（22）下部进口进入后上升，蒸馏水吸收NH₃和CO₂气体生成15-18%的NH₄HCO₃汲取液，浓NH₄HCO₃汲取液进入NH₄HCO₃汲取液池（17）重复循环利用。

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