唐志偉

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

隨著常規(guī)、非常規(guī)氣田的大規(guī)模開發(fā)，由此產(chǎn)生了大量的氣田采出水。氣田采出水中含有二氧化硅、油、懸浮物和可溶性鹽類等，因環(huán)保要求無法直接排放，一般對其進行回用處理，針對工業(yè)濃鹽水處理工藝主要為膜法和熱蒸餾法[1-2]。膜法脫鹽具有效率高、能耗低的優(yōu)點，但是對除油、懸浮物、鈣鎂等預(yù)處理效果要求較高；熱蒸餾法最成熟、應(yīng)用最廣，但存在能耗高、腐蝕結(jié)垢嚴重等問題，因此提出霧化蒸發(fā)減量方法以減少熱蒸餾法的處理水量，從而降低生產(chǎn)總成本[3-6]。

1 試驗裝置

霧化是利用動能將液體轉(zhuǎn)變?yōu)樾∫旱蔚倪^程，以便小液滴與空氣快速混合并蒸發(fā)[7-8]。綜合分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)缺點，探索將霧化蒸發(fā)應(yīng)用于高含鹽氣田采出水減量處理。為了更好地設(shè)計計算蒸發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)，需要掌握不同溫度、風(fēng)速、進液量、液滴直徑、噴嘴結(jié)構(gòu)條件下高含鹽采出水液滴運動、霧化和鹽分析出規(guī)律，分析霧化蒸發(fā)減量的可行性和主要影響因素，因此在某氣田現(xiàn)場搭建小試試驗裝置開展試驗[9-11]。

霧化蒸發(fā)試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其設(shè)計思路和工作原理為：裝置將采出水通過泵加壓輸送至空氣霧化噴嘴，同時利用空氣壓縮機將空氣輸送至空氣霧化噴嘴，采出水和空氣兩相在空氣霧化噴嘴處混合，采出水霧化至50～100 μm的液滴，同時裝置通過負壓風(fēng)機將裝置外部空氣吸入裝置內(nèi)部，空氣與裝置內(nèi)部的霧團進行熱量交換，將部分采出水霧團蒸發(fā)，最后裝置將剩余未蒸發(fā)的采出水進行收集和計量。裝置的其他功能為采出水溫度、壓力測量與控制，空氣溫度、濕度、風(fēng)速測量與控制。

圖1 霧化蒸發(fā)試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

霧化蒸發(fā)試驗裝置主要裝備部件為蒸發(fā)裝置主體、采出水霧化裝置、采出水溫度控制裝置、空氣溫度風(fēng)量控制裝置等。主體之外配備閥門、液體流量計、采出水泵和空壓裝置等。裝置設(shè)計能力為采出水霧化能力30 L/h；空壓機供氣壓力0.8 MPa、流量200 L/min；采出水泵供水壓力為0.55 MPa、流量156 L/h。

裝置核心部件空氣霧化噴頭的安裝流程示意圖如圖2所示?？諝鈴臍怏w管路進入，依次經(jīng)過空氣開關(guān)閥、空氣過濾器、空氣調(diào)節(jié)器、壓力表到達空氣霧化噴嘴，試驗水樣從液體管路進入，依次經(jīng)過液體開關(guān)閥、液體過濾器、液壓調(diào)節(jié)器、壓力表到達空氣霧化噴嘴，空氣和試驗水樣在空氣霧化噴嘴處匯合，通過噴嘴的結(jié)構(gòu)將連續(xù)液體霧化成液滴，可以通過調(diào)節(jié)、更換噴嘴得到所需直徑的液滴。

圖2 霧化噴嘴安裝示意圖

圖3 為霧化蒸發(fā)試驗裝置實物圖(3 m×3 m×4 m)，左上方和左側(cè)分別布置負壓引風(fēng)機，右側(cè)為門，打開敞口后，便于空氣從右側(cè)進入霧化蒸發(fā)器，與霧化噴頭排出的液滴充分接觸，實現(xiàn)換熱蒸發(fā)，通過推拉窗戶可以觀看其霧化情況與液霧運動情況。沒有完成蒸發(fā)的液滴落地后，通過向右的流水斜坡進入埋地水桶，實現(xiàn)測量，通過體積差值比例得到蒸發(fā)效率。

圖3 霧化蒸發(fā)試驗裝置實物圖

2 試驗方案

(1)檢測方法

蒸發(fā)速率：體積差；流場：煙痕法；水樣：自來水+鹽+葡萄糖(模擬COD)；裝置內(nèi)外定點溫濕度：TSI多功能檢測儀；霧滴直徑：水敏紙法+顯微鏡。

(2)對不同運行參數(shù)進行試驗

主要對不同的霧化液滴直徑以及不同的風(fēng)速進行試驗，霧化液滴直徑為50、100、150、200、300 μm，風(fēng)速為0.4、0.6、0.8 m/s。

(3)對不同天氣環(huán)境進行試驗

氣溫：21～32 ℃；濕度：25%～81.5%；水溫：30、40、50 ℃。

3 現(xiàn)場試驗結(jié)果與認識

(1)對運行條件的認識

水溫：蒸發(fā)所需的水溫要求并不苛刻，不需要較高的水溫就可以達到較好的蒸發(fā)效果。當(dāng)水溫在20～40 ℃范圍內(nèi)提升時，水溫每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸發(fā)率提升10%，這是因為水溫的提高給液滴提供了更多的熱能，加快了分子熱運動，有利于實現(xiàn)汽化過程，因此可以利用工業(yè)余熱適當(dāng)提高水溫，為蒸發(fā)創(chuàng)造更有利的條件。

鹽度：試驗用水為自來水+鹽+葡萄糖配制的模擬COD水樣，考慮不同鹽度對蒸發(fā)效果的影響，試驗結(jié)果表明，當(dāng)鹽度從0 mg/L增加到7×104mg/L的過程中，不同工況下蒸發(fā)效果普遍變差，蒸發(fā)率下降約10%，同時也可以看出，即使鹽度達到7×104mg/L的高值，蒸發(fā)率下降10%的幅度并不十分明顯，完全可以通過提高空氣溫度、降低空氣濕度、提高水溫等措施彌補、改善總體的蒸發(fā)效果。

霧化液滴直徑：當(dāng)霧化液滴直徑在150 μm以下時比直徑處于200～300 μm的蒸發(fā)量提高30%，即相同時間內(nèi)可以增加30%的蒸發(fā)量，因此獲得最佳的霧化液滴直徑范圍為100～150 μm。

(2)獲得防污染參數(shù)

圖4為試驗時現(xiàn)場的霧化蒸發(fā)效果圖，試驗用水經(jīng)過充分霧化后，在引風(fēng)機的作用下，比較均勻地分布在霧化蒸發(fā)器中，為液霧的充分蒸發(fā)打下基礎(chǔ)。圖5為引風(fēng)機出口圖，肉眼未見到明顯的白色液霧被抽吸出霧化蒸發(fā)試驗裝置。

圖4 霧化蒸發(fā)效果圖

圖5 引風(fēng)機出口圖

在不同空氣溫度、空氣濕度、霧化液滴直徑、水溫的試驗中，引風(fēng)機出口氣體中的VOCs含量都接近天然本底值，說明蒸發(fā)效果較好，也驗證了裝置在防霧滴漂移上的有效性，兼顧蒸發(fā)率和防霧滴漂移的最佳霧化液滴直徑為100～150 μm，風(fēng)速≤0.4 m/s。

(3)制作蒸發(fā)效果關(guān)系圖版

圖6為試驗裝置蒸發(fā)效果與空氣溫度、濕度的關(guān)系圖版。從試驗結(jié)果可知，當(dāng)空氣溫度＞20 ℃、空氣濕度在0～42%時，蒸發(fā)率＞88%；當(dāng)環(huán)境溫度＞20 ℃、空氣濕度在0～81.5%時，蒸發(fā)率＞64%。也就是說，即使空氣濕度處于較高水平，所設(shè)計搭建的霧化蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)也可以為霧化液滴提供很好的流動效果，使其產(chǎn)生＞64%的蒸發(fā)效果，即減量效果＞64%，蒸發(fā)減量效果非常明顯。

圖6 試驗裝置蒸發(fā)效果關(guān)系圖版

當(dāng)冬天空氣溫度較低時(＜20 ℃)，為確保裝置連續(xù)運行，可以通過換熱器利用工業(yè)余熱將空氣升溫至30～40 ℃進入霧化蒸發(fā)器中，以確保蒸發(fā)效果。

4 結(jié)論

本文搭建霧化蒸發(fā)試驗裝置，研究不同試驗條件對蒸發(fā)效果的影響，結(jié)果表明水溫每提高10 ℃(20→30→40 ℃)，蒸發(fā)效果提升10%；鹽度從0 mg/L增加到7×104mg/L時，蒸發(fā)效果降低10%；霧化液滴直徑在150 μm以下比200～300 μm范圍蒸發(fā)量增加30%。驗證了裝置在防霧滴漂移上的有效性，兼顧蒸發(fā)率和防霧滴漂移的最佳直徑為100～150 μm，最佳風(fēng)速≤0.4 m/s。