澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法

摘 要

摘 要 煤層氣產(chǎn)出水通常伴有大量的固體雜質(zhì)和鹽類，必須經(jīng)過凈化及脫鹽處理，處理費用在煤層氣的開采作業(yè)成本中占有相當大的比例，其處理方式在澳大利亞煤層氣開發(fā)規(guī)劃及審
    摘  要 煤層氣產(chǎn)出水通常伴有大量的固體雜質(zhì)和鹽類，必須經(jīng)過凈化及脫鹽處理，處理費用在煤層氣的開采作業(yè)成本中占有相當大的比例，其處理方式在澳大利亞煤層氣開發(fā)規(guī)劃及審批中已成為至關(guān)重要的因素。為此，介紹了目前煤層氣工業(yè)技術(shù)處于國際領先水平的澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理方法——蒸餾、膜分離或兩者結(jié)合的脫鹽方法：蒸餾脫鹽是利用設備提供能量使產(chǎn)出水蒸發(fā)，從而降低水蒸氣中化學鹽分含量的方法，以多效蒸發(fā)、多級閃蒸為主要的2種選擇；膜分離脫鹽是利用原料水通過介質(zhì)進行除鹽的方法，主要采用反滲透膜裝置。根據(jù)澳大利亞煤層氣工業(yè)現(xiàn)階段的水處理情況，對比分析了幾種常用脫鹽方法的能耗、投資成本及適用范圍，并總結(jié)了澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水處理設備的設計理念和技術(shù)創(chuàng)新，對國內(nèi)煤層氣的開發(fā)具有借鑒意義。
    關(guān)鍵詞 澳大利亞 煤層氣 水處理 脫鹽 蒸餾 多效蒸發(fā) 多級閃蒸 膜分離 反滲透膜
    
    澳大利亞是世界上煤層氣開發(fā)技術(shù)較為成熟的國家之一，其煤層氣工業(yè)主要集中在東澳大利亞的新南威爾士州和昆士蘭州。煤層氣與常規(guī)油氣開采方法不同，必須通過排水降壓才能獲得開采。煤層氣開采井的初始產(chǎn)水量是由煤層平均滲透率和含水層強度決定的，產(chǎn)水量在開始的幾年內(nèi)達到頂峰，之后會逐漸下降至平穩(wěn)值。以昆士蘭州某煤層氣田為例，在氣田上產(chǎn)期，單井日產(chǎn)水量平均值可達39m3，1年后到達穩(wěn)產(chǎn)期的日產(chǎn)水量平均值為14m3。
煤層氣的商業(yè)開發(fā)不僅需要考慮地質(zhì)和工程因素，還需要考慮環(huán)境保護因素。煤層氣的開采必然伴隨水的大量產(chǎn)出，產(chǎn)出水的處理在煤層氣開采作業(yè)成本中占有很大的比例。受公眾關(guān)系和昆士蘭州相關(guān)法律條款的制約，產(chǎn)出水的處理方式在澳大利亞煤層氣開發(fā)規(guī)劃及審批中已成為至關(guān)重要的因素。煤層氣產(chǎn)出水通常伴有大量的固體雜質(zhì)和鹽類，水質(zhì)較差，無論最終的處理方式是進行回注、作為灌溉用水或者直接排放到環(huán)境中，之前都必須經(jīng)過凈化以及脫鹽的處理過程。因此，在煤層氣開發(fā)方式的設計中，必須充分考慮產(chǎn)出水脫鹽的方式和規(guī)模，才能保證經(jīng)濟、高效地行煤層氣資源的商業(yè)開發(fā)。
1 澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)
    現(xiàn)有的煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)可以分為蒸餾脫鹽和膜分離脫鹽2種。也有一些公司同時采用這2種方法進行煤層氣產(chǎn)出水的脫鹽處理。
1.1 蒸餾脫鹽方法
當水沸騰后，就會轉(zhuǎn)化為蒸汽，同時，蒸汽中的固體溶解雜質(zhì)總量(TDS)會大幅降低。蒸餾脫鹽就是利用設備提供能量使煤層氣產(chǎn)出水變?yōu)檎羝?，從而降低產(chǎn)出水中的化學鹽分含量。
煤層氣產(chǎn)出水蒸餾脫鹽處理裝置的基本原理就是加熱煤層氣產(chǎn)出水，使之產(chǎn)生大量蒸汽并進行氣液分離。同時，利用原料水為分離出的蒸汽進行冷卻。
    蒸餾脫鹽一般包括多效蒸發(fā)(MED)、多級閃蒸(MSF)、蒸汽壓縮冷凝(VC)等方法。
1.1.1 多效蒸發(fā)
    多效蒸發(fā)裝置流程如圖1所示。多效蒸發(fā)是將加熱后的濃溶液在多個串聯(lián)的蒸發(fā)器中蒸發(fā)，利用減壓的方法，使后一蒸發(fā)器的操作壓力均比前一蒸發(fā)器低，從而降低溶液的沸點。前一蒸發(fā)器引出的二次蒸汽作為后一蒸發(fā)器的加熱蒸汽，冷凝水中的鹽分含量大幅降低。單個多效蒸發(fā)裝置的處理能力介于600～25 000 m3/d。通常在煤層氣產(chǎn)出水設備中，會有多個多效蒸發(fā)裝置平行運轉(zhuǎn)以增大系統(tǒng)處理能力。
 

 
低溫多效蒸發(fā)是蒸餾脫鹽法中最節(jié)能的方法之一，其優(yōu)點在于可以重復利用熱能、提高造水比，但存在設備結(jié)垢嚴重的缺點。低溫多效蒸發(fā)技術(shù)以其節(jié)能的優(yōu)勢，近年在澳大利亞發(fā)展迅速，裝置的規(guī)模逐漸擴大，成本逐漸降低，其主要發(fā)展趨勢為：提高裝置單機造水能力、采用廉價材料降低工程造價、提高操作溫度、提高傳熱效率等[1]。
1.1.2 多級閃蒸
    將原料水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，控制該閃蒸室中的壓力低于熱鹽水溫度所對應的飽和蒸汽壓。因此，濃溶液進入閃蒸室后即成為過熱水而急速部分汽化，從而使?jié)馊芤豪鋮s，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為完成液。多級閃蒸就是以此原理為基礎，使熱鹽水依次流經(jīng)若干個壓力逐漸降低的閃蒸室，逐級蒸發(fā)降溫，同時鹽水也逐級增濃，直到其溫度接近(但高于)原料水溫度。多級閃蒸裝置流程如圖2所示。
 

 
多級閃蒸是煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理較為成熟的技術(shù)之一，是針對多效蒸發(fā)結(jié)垢較嚴重的缺點而發(fā)展起來的脫鹽技術(shù)。多級閃蒸技術(shù)一經(jīng)問世就得到應用和發(fā)展，具有設備簡單可靠、運行安全性高、防垢性能好、操作彈性大、可利用低位熱能和廢熱等優(yōu)點，適合于大型和超大型煤層氣產(chǎn)出水脫鹽裝置[1-2]。
1.1.3 蒸汽壓縮冷凝
    蒸汽壓縮冷凝脫鹽技術(shù)是將鹽水預熱后，引入蒸發(fā)器并使之在蒸發(fā)器內(nèi)部分蒸發(fā)。蒸汽壓縮冷凝裝置流程如圖3所示，流程所產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側(cè)，蒸汽冷凝后作為完成液引出，如此實現(xiàn)熱能的循環(huán)利用。蒸汽壓縮冷凝方法可使冷卻水中的有害成分得到濃縮排放，并使冷凝液作為循環(huán)水和鍋爐補充水返回系統(tǒng)，同時將低能量的蒸汽轉(zhuǎn)化為高能量的蒸汽用于后面裝置的加熱。單個蒸汽壓縮裝置的處理能力為250～3 000m3/d。
 

 
    但這種工藝對設備材質(zhì)的要求極高，運行中需消耗大量熱能，存在一次性投入和運行費用高的缺點[1-2]。
    蒸餾脫鹽流程中通常會在流程最后安裝結(jié)晶裝置。結(jié)晶裝置的最終產(chǎn)品包括大部分的固體鹽分和蒸餾過的冷凝水。通過結(jié)晶裝置產(chǎn)出的固體鹽分比普通的固體雜質(zhì)更適于廢棄與運輸。通常結(jié)晶系統(tǒng)包括1個分離固體結(jié)晶、水和蒸汽的三相分離器，還有通過熱交換進行的再循環(huán)的流程裝置。
1.2 膜分離脫鹽方法
    膜分離脫鹽方法主要包括電滲析(ED)、反滲透(RO)、微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和滲透汽化(PV)等膜技術(shù)。其中反滲透法是目前工業(yè)應用的主要方法。
    反滲透法的原理：對透過的物質(zhì)具有選擇性的薄膜稱為半透膜。在煤層氣產(chǎn)出水處理裝置中采用的半透膜具有分子尺寸限制，允許水分子通過，但阻止了鹽和其他大分子通過。把相同體積的稀溶液和濃溶液分別置于同一容器的兩側(cè)，中間用半透膜阻隔，如沒有外界干預，則稀溶液中的水將穿過半透膜向濃溶液一側(cè)流動，濃溶液側(cè)的液面會比稀溶液的液面高出一定高度，形成一個壓力差，達到滲透平衡狀態(tài)，該壓力差即為滲透壓。若在濃溶液側(cè)施加一個大于滲透壓的壓力時，濃溶液中的水會向稀溶液側(cè)流動，流動方向與原來滲透的方向相反，這一過程稱為反滲透。
    反滲透脫鹽裝置主要由過濾設備、加壓泵和反滲透膜裝置(中空纖維式或卷式的膜分離設備)組成。反滲透膜裝置流程如圖4所示。反滲透膜能截留水中的各種無機離子、膠體物質(zhì)和大分子溶質(zhì)，從而取得凈化的水。反滲透膜的材料和規(guī)模根據(jù)煤層氣產(chǎn)出水水質(zhì)、運輸方式和預處理方式的差異而有所不同。為了提高反滲透膜的脫鹽效率和使用壽命，必須對原料水進行過濾等預處理。反滲透膜脫鹽率高，受pH值、溫度等因素影響較小，制膜原料來源廣、加工簡便、成本低廉，在澳大利亞煤層氣工業(yè)中有著廣泛的應用。其缺點在于對采出水的水質(zhì)要求較高，預處理過程復雜[3-4]。
 

 
1.3 增濕—去濕方法
    增濕—去濕方法是將蒸發(fā)和冷凝完全分開的水處理方法，通過太陽能集熱器或者地熱能源提供熱量，利用噴霧或者表面濕潤等方法將原料水蒸發(fā)，然后在冷凝器里對其進行冷卻并分離。
    這種方法可利用太陽能等低位熱能，設備結(jié)構(gòu)簡單，維護費用低，但煤層氣采出水中的鎂離子和鈣離子會降低水蒸發(fā)的效率，從而增加能量消耗。增濕—去濕方法目前仍處于實驗研發(fā)階段，實際應用案例還不多[5]。
2 脫鹽技術(shù)的比較及優(yōu)選
    目前澳大利亞煤層氣公司使用的水處理裝置通常采用熱力、膜分離的脫鹽方法。在熱力脫鹽方法中又以多效蒸發(fā)、多級閃蒸為主。膜分離脫鹽方法基本都采用反滲透膜方法。
影響煤層氣產(chǎn)出水脫鹽處理設計的因素很多，其中能耗問題是論證經(jīng)濟可行性最重要的指標之一。針對澳大利亞煤層氣工業(yè)現(xiàn)階段的水處理情況，對目前普遍采用的煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)進行總結(jié)，對比分析了幾種脫鹽方法的優(yōu)缺點及適用范圍。對幾種主要脫鹽方法的能耗、投資成本及適用范圍進行比較，結(jié)果見表1[2,6-7]。其中能耗和投資成本以每產(chǎn)出1 m3的淡水為基準進行計算，成本計算單位為美元。
 

 
    由表1可得到如下結(jié)論：
    1)熱力脫鹽方法主要消耗熱能和少量電能，而膜分離方法只需要消耗電能。為此，需要以電量為基準的統(tǒng)一性能評價指標體系，將系統(tǒng)消耗的熱能按實際水平折算成為當量電耗量，以單位產(chǎn)出淡水產(chǎn)量的當量電耗量作為指標進行能耗的評價。從表1可以看出，膜分離方法的能耗遠遠小于熱力脫鹽方法的能耗。
    2)從設備投資來看，膜分離方法的投資成本最低。但清洗和更換反滲透膜需要持續(xù)的投資，因此，維護費用在實際運行中也占有一定的比例。多效蒸發(fā)方法因為容易結(jié)垢，維持費用比多級閃蒸方法高。
    3)從對原料水的要求來看，膜分離方法對原料水水質(zhì)要求最高，原料水必須經(jīng)過嚴格的預處理工序才能進入膜分離裝置。一般采用多層過濾的方法對原料水進行預處理。
    4)從適用規(guī)模來看，多級閃蒸脫鹽方法主要適用于大型和超大型脫鹽裝置，單機容量高達50 000 m3/d。多效蒸發(fā)脫鹽方法的處理規(guī)模較小，一般為10 000 m3/d，單機生產(chǎn)力約為3 000 m3/d。膜分離法適用于從小型到超大型的各種脫鹽裝置。
    對煤層氣產(chǎn)出水的處理水平是基于煤層氣產(chǎn)出水的水質(zhì)和產(chǎn)出水的再利用方式而進行評價的。熱處理方法的最終水質(zhì)較好，經(jīng)再處理可制成飲用水和蒸餾水。膜分離法在降低固體雜質(zhì)含量上比較有效，但實驗室研究證實膜分離法容易滋生細菌，使得產(chǎn)品水中細菌量超標，不宜用作飲用水[5]。同時，分離中產(chǎn)生的大量含鹽量過高的廢棄鹽水也可能造成環(huán)保風險。
    在澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水設備的設計和建設中，必須高度重視脫鹽過程的預處理工序。這是因為在煤層氣產(chǎn)出水中所含的固體雜質(zhì)種類很多，而且在原料水的存儲池中容易生長水藻。水質(zhì)的變化對處理裝置的運行效果和維護費用有直接的影響，進而會影響到裝置的壽命[8]。
    另外，需要注意的還有其他一些因素，如產(chǎn)出水能在當?shù)剡M行處理，還是需要運輸?shù)狡渌胤皆龠M行處理。如需采用后者，則集輸流程和相關(guān)因素也必須做認真的考慮和評估。
    在澳大利亞，煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)已經(jīng)得到充分的發(fā)展，日趨成熟。在實際選用中，究竟哪種方法最好，何種脫鹽技術(shù)處理成本最低，均不是絕對的，要根據(jù)煤層氣產(chǎn)出水脫鹽規(guī)模大小、設備選材、當?shù)啬茉磧r格、水質(zhì)要求、地理氣候條件、技術(shù)與安全性、投資來源
與管理體制等實際條件而定。且煤層氣產(chǎn)出水脫鹽技術(shù)的選擇也不是僅僅局限于單個脫鹽技術(shù)，而是建立在多種脫鹽技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的集成之上。
    從煤層氣產(chǎn)出水中脫除的鹽中可以提取出多種可以出售的副產(chǎn)品。但是，實踐證明，要使鹽能符合出售的標準，必須首先降低其中鎂元素的含量。這在工業(yè)設計中是很難實現(xiàn)的[8]。由于擔心煤層氣產(chǎn)出水中含有的大量鹽分和礦物質(zhì)對生態(tài)環(huán)境有潛在的長期負面影響，在澳大利亞，傳統(tǒng)的大規(guī)模蒸發(fā)池脫鹽方式已經(jīng)漸漸被公眾質(zhì)疑。這種負面影響可作用于多個方面，如高濃度鹽水被注入地下時對地下水的影響以及產(chǎn)出水溢流入河流和地面水源對動植物造成的危險性。因此，澳大利亞煤層氣開發(fā)中的產(chǎn)出水處理方法正在進行技術(shù)上的革新。
   一部分煤層氣產(chǎn)出水裝置中采用了加速蒸發(fā)和全部結(jié)晶的方法，以利于副產(chǎn)品的回收。同時，部分煤層氣生產(chǎn)商也在應用新措施，以應對環(huán)保方面的政府規(guī)定和公眾壓力。1座位于昆士蘭州煤礦的膜分離—熱力分離組合脫鹽裝置剛開始投入使用時采用的是化學預處理技術(shù)，但現(xiàn)在采用的是比反滲透膜更加先進的納米過濾技術(shù)以及結(jié)晶方法來生產(chǎn)蒸餾水和鹽分。這個裝置的生產(chǎn)能力為日產(chǎn)450×104 L蒸餾水以及980×104 L飲用水。同時，這項裝置每天還可以生產(chǎn)大約400 t的鹽和其他副產(chǎn)品[8]。
    如果通過技術(shù)的發(fā)展，煤層氣產(chǎn)出水能夠獲得有效和低成本的處理，則它不僅不會成為被廢棄的副產(chǎn)品，而且可以成為能直接應用的副產(chǎn)品，甚至可以直接出售以獲得利潤。因此，隨著煤層氣產(chǎn)出水處理技術(shù)的不斷進步，將為煤層氣工業(yè)提供更加美好的前景。
3 結(jié)束語
   澳大利亞煤層氣工業(yè)技術(shù)處于國際領先水平，煤層氣產(chǎn)出水的處理技術(shù)已非常成熟，一般使用蒸餾脫鹽、膜分離脫鹽或兩者結(jié)合的方式對產(chǎn)出水進行處理。通過對煤層氣產(chǎn)出水處理規(guī)模、設備選材、水質(zhì)、地理、氣候、技術(shù)與安全性、投資來源與管理體制等方面的綜合考慮，設計安全、節(jié)能、高效的水處理裝置，是煤層氣開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。澳大利亞煤層氣產(chǎn)出水處理的設計和工作經(jīng)驗對國內(nèi)煤層氣的開發(fā)有借鑒意義。
 
參考文獻
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本文作者：任曉晶
作者單位：中國石化集團國際石油勘探開發(fā)有限公司