採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統的製作方法
2023-06-26 05:59:01
本發明屬於油田深層稠油開採設備技術領域，特別涉及一種採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統。
背景技術：
全球已探明的稠油儲量達到了354億噸，我國已探明和控制的稠油儲量為16億噸，目前在12個盆地發現了70多個稠油油田，重點分布在塔河、勝利、遼河、河南、新疆等油田。其中，我國陸上原油中，稠油儲量佔20％，而海上原油中的稠油儲量所佔比例高達70％。稠油由於其粘度大、流動性差，進而大大增加了其開採難度。熱力開採技術是現有最常用的稠油開採技術之一，通過蒸汽(熱水)的加熱作用降粘改善原油流動性，並且熱介質具有動力驅油作用及溶解氣驅作用，能有效地提高原油採收率。注汽鍋爐是產生高溫高壓蒸汽最常用的設備，在重質高粘度稠油開採中發揮著不可替代的作用。然而，傳統的注汽鍋爐仍存在一些問題。首先，我國注汽鍋爐數量大，分布於我國各稠油開發油田，僅遼河油田一家，其現有的各種容量注汽鍋爐已達340臺；其次，注汽鍋爐的燃料多以重油為主，燃燒過程中會產生SOx、NOx、煙塵等汙染物。2012年，我國石油和天然氣開採業排放了2.5萬噸SOx、2.3萬噸NOx和1.7萬噸煙塵。
目前，我國已成為世界最大CO2和SO2排放國及世界三大酸雨區之一。燃煤和燃油過程所排放的煙塵是導致霧霾天氣的首要因素，嚴重危害人類健康。因此，常規燃煤和燃油技術需要配置末端脫硫、脫硝和除塵設備，投資巨大，運行費用很高。由於油田注汽鍋爐規模小，一般未設置昂貴的脫硫、脫硝和除塵裝置。此外，在常規燃油過程中實現CO2控制又是一個難點，若進行CO2分離，則設備投資高，脫碳能耗大，系統經濟性差。為此，發展一種不需要汙染物末端控制的新型高效、清潔燃燒技術是近年來的研究熱點。
將超臨界水熱燃燒技術應用於採油廢液的無害化處理及注汽領域，輔助燃料超臨界水熱燃燒後的高溫產物與冷的採油廢液直接混合，將廢液加熱至超臨界狀態，進而發生快速、高效的SCWO反應，實現廢液中汙染物的無害化處理的同時，最終產生由水、CO2、N2等組成的超臨界複合熱載體。將其注入地層後，其所攜帶的熱量對原油進行加熱，使原油粘性下降，流動性急劇增強，CO2、N2等氣體溶於原油，降低界面張力，進一步驅動了原油流動。除此之外，與常規注汽鍋爐熱力開採技術相比，超臨界水熱燃燒技術具有顯著優勢：(1)燃料中的硫主要以硫酸鹽的形式存在於液相產物中，不會向大氣中排放SOx；燃料中絕大部分的氮最終轉化為氮氣，幾乎無NOx向大氣排放；燃燒過程在水中進行，無煙塵和重金屬向大氣環境排放；燃料中碳的燃燒終產物為CO2，其完全溶解於超臨界水中，但當降溫後CO2很容易從水中分離，從而實現CO2的低成本減排。因此，超臨界水熱燃燒技術可以實現汙染物源頭控制，不需脫硫、脫硝、除塵的末端裝置，有效控制霧霾等大氣汙染。(2)燃料在超臨界水中的燃燒過程為體積放熱，是分子之間的直接傳熱，燃燒效率高。(3)反應後出水可達到水的臨界點以上，在加強熱力驅油作用的基礎上，超臨界水又是一種非極性溶劑，注入油層後可以實現類似於氣體混相驅的混相驅油，超臨界態的水可以溶解部分原油，從而增強原油的流動性，提高驅油效率。(4)無排煙損失，提高能量利用效率，減少燃料消耗。(5)將採油廢液作為給水，同時實現廢液的高效處理，降低水處理費用。(6)超臨界水熱燃燒裝置體積小、佔地面積少，適用於海上、井下等空間有限的情況。
然而，對弈超臨界水熱燃燒技術的開發還處於實驗室階段，還未被應用於實際工程中。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統，以甲醇作為輔助燃料，在實現高效、潔淨、低碳燃燒的基礎上，能無害化處理採油廢液的同時提供有效的注汽介質，提高稠油採收率。
本發明所採用技術方案是，採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統，包括混凝預處理單元，混凝預處理單元連接有物料輸運單元，物料輸運單元連接有超臨界水熱燃燒單元，超臨界水熱燃燒單元連接有啟動預熱單元，超臨界水熱燃燒單元連接有超臨界水氧化處理單元，超臨界水氧化處理單元連接有蒸汽後處理單元；
混凝預處理單元包括採油廢液儲料池，採油廢液儲料池的出口連通有低壓物料泵，低壓物料泵連通有混凝沉降池，混凝沉降池連通有筒式過濾器，筒式過濾器連通有儲料箱；
物料輸運單元包括高壓物料變頻泵、甲醇儲槽、液氧儲槽，儲料箱的出口連通高壓物料變頻泵，甲醇儲槽連通有高壓甲醇泵，液氧儲槽的出口依次連通有低溫液氧泵、氧化劑預熱器、緩衝器；
超臨界水熱燃燒單元包括超臨界水熱燃燒蒸汽發生器，高壓物料變頻泵、高壓甲醇泵及緩衝器均連接超臨界水熱燃燒蒸汽發生器；
啟動預熱單元包括軟化水箱，軟化水箱的出口依次連接有高壓軟化水變頻泵、軟化水電加熱器、三通，三通連通超臨界水熱燃燒蒸汽發生器；
超臨界水氧化處理單元包括超臨界水氧化管式反應器，超臨界水氧化管式反應器連接超臨界水熱燃燒蒸汽發生器，超臨界水氧化管式反應器還連接有蒸汽過濾器和備用蒸汽過濾器，蒸汽過濾器和備用蒸汽過濾器為並行設置，蒸汽過濾器和備用蒸汽過濾器還共同連接氧化劑預熱器；
蒸汽後處理單元包括CO2緩蝕劑儲罐，CO2緩蝕劑儲罐的出口連接有緩蝕劑計量泵，緩蝕劑計量泵連接有混合器，混合器還連接氧化劑預熱器。
超臨界水熱燃燒蒸汽發生器包括頂蓋和直筒體部分，頂蓋上設置有熱水進口、第二廢液進口、第三廢液進口、第一甲醇進口、第二甲醇進口、第三甲醇進口、第一氧化劑進口、第二氧化劑進口，直筒體部分包括承壓壁74、第一內筒、第二內筒，第一內筒位於第二內筒內，承壓壁的下部設置有氧化劑進口，氧化劑進口連通緩衝器的出口，承壓壁的上部設置有氧化劑出口，氧化劑出口連通第一氧化劑進口和第二氧化劑進口；
氧化劑預熱器設置為是套管式預熱器，氧化劑預熱器的內管的一端連接低溫液氧泵，氧化劑預熱器的內管的另一端連接緩衝器，蒸汽過濾器和備用蒸汽過濾器共同連接氧化劑預熱器外管的一端，氧化劑預熱器的外管的另一端連接混合器。
高壓物料變頻泵的出口並列設置有第一廢液管、第二廢液管、第三廢液管，第一廢液管連通三通，三通連通熱水進口，第二廢液管和第三廢液管分別連通第二廢液進口和第三廢液進口，高壓甲醇泵的出口並列設置有三個管道，三個管道分別連通第一甲醇進口、第二甲醇進口、第三甲醇進口。
第三廢液進口設置在第一內筒和第二內筒之間的頂蓋上，熱水進口、第二廢液進口、第一甲醇進口、第二甲醇進口、第三甲醇進口、第一氧化劑進口、第二氧化劑進口設置在第一內筒上部對應的頂蓋上，第一內筒壁上開設有若干小孔。
三通設置有第一進口和第二進口，軟化水電加熱器出口連通第一進口，第一廢液管連通第二進口。
筒式過濾器與儲料箱之間設置有電動截止閥，第一廢液管上設置有採油廢液流量調節閥，氧化劑預熱器的外管與混合器之間的管道上設置有壓力調節閥。
本發明的有益效果是：
(1)本發明採用以甲醇作為輔助燃料的超臨界水熱燃燒蒸汽發生器，可以實現汙染物源頭控制，不需脫硫、脫硝、除塵的末端裝置：燃料中的硫主要以硫酸鹽的形式存在於液相產物中，不會向大氣中排放SOX；燃料中絕大部分的氮最終轉化為氮氣，幾乎無NOX向大氣排放；燃燒過程在水中進行，無煙塵和重金屬向大氣環境排放；燃料中碳的燃燒終產物為CO2，其完全溶解於超臨界水中，但當降溫後CO2很容易從水中分離，從而實現CO2的低成本減排。另外，燃料在超臨界水中的燃燒過程為體積放熱，是分子之間的直接傳熱，燃燒效率高。超臨界水熱燃燒技術無排煙損失，提高能量利用效率，減少燃料消耗。超臨界水熱燃燒裝置體積小、佔地面積少，適用於海上、井下等空間有限的情況。
(2)將採油廢液作為給水，燃料超臨界水熱燃燒後的高溫產物與冷的採油廢液混合後，將其加熱至25MPa、420℃，之後進入超臨界水氧化管式反應器實現廢液中有機汙染物的快速、高效分解，生成CO2、N2等清潔產物，因而降低水處理費用。另外，結合混凝沉澱預處理、添加CO2緩蝕劑等後處理措施，去除採油廢液中的固體顆粒、結垢離子等引起採油管線腐蝕、地層堵塞的汙染物，保證系統出水油田注水水質指標。除此之外，系統所產生的25MPa、400℃高溫高壓蒸汽可達到水的臨界點以上，較高的溫度參數，有利於超稠油和深層稠油的開採，加強熱力驅油作用；而且超臨界水又是一種非極性溶劑，注入油層後可以實現類似於氣體混相驅的混相驅油，超臨界態的水可以溶解部分原油，從而增強原油的流動性，進一步提高驅油效率。
(3)系統啟動時，超臨界水熱燃燒蒸汽發生器採用三級甲醇逐級點燃，第一股小流量甲醇燃燒後放出的熱量用以提供第二股甲醇升溫至起燃溫度的熱量，第二股甲醇燃燒後的放熱量進一步加熱第三股甲醇至起燃溫度。在系統啟動階段，輔助燃料甲醇在超臨界水中起燃的起燃溫度為500℃，本系統是通過電加熱器產生600℃高溫蒸汽來加熱甲醇至起燃溫度。採用三級甲醇逐級點燃，目的就是為了減少啟動階段保證甲醇起燃所需外熱源，降低軟化水電加熱器的功率。根據計算結果，針對處理量為23t/h的採油廢液系統，若未採用逐級加熱，啟動所需的蒸汽流量為8.42t/h，而採用三級甲醇逐級加熱後，所需的蒸汽流量僅為0.23t/h。因此超臨界水熱燃燒蒸汽發生器採用三級甲醇逐級點燃，不僅可顯著減少啟動時軟化水電加熱器的功率，而且可降低該電加熱器的設備造價，減少系統初步投資。另外，本系統採用30％的甲醇作為超臨界水熱燃燒的輔助燃料，研究結果表明，運行過程中，無需對燃料進行預熱即可保證超臨界水燃燒室內穩定的燃燒，因而在系統運行過程中，可關閉軟化水電加熱器，減少系統運行費用。
附圖說明
圖1是本發明採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統的結構示意圖；
圖2是本發明採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統的超臨界水熱燃燒蒸汽發生器的結構示意圖；
圖3是本發明採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統的超臨界水熱燃燒蒸汽發生器的頂蓋的結構示意圖。
圖中，1.採油廢液儲料池，2.低壓物料泵，3.混凝沉降池，4.筒式過濾器，5.儲料箱，6.高壓物料變頻泵，7.超臨界水熱燃燒蒸汽發生器，8.超臨界水氧化管式反應器，9.甲醇儲槽，10.高壓甲醇泵，11.液氧儲槽，12.低溫液氧泵，13.氧化劑預熱器，14.緩衝器，15.CO2緩蝕劑儲罐，16.緩蝕劑計量泵，17.蒸汽過濾器，18.備用蒸汽過濾器，19.軟化水箱，20.高壓軟化水變頻泵，21.軟化水電加熱器，22.三通，23.混合器，24.採油廢液流量調節閥，25.電動截止閥，26.壓力調節閥；
61.第一廢液管，62.第二廢液管，63.第三廢液管；
71.第一內筒，72.第二內筒，73.頂蓋，74.承壓壁；
731.熱水進口，732.第二廢液進口，733第三廢液進口，734.第一甲醇進口，735.第二甲醇進口，736.第三甲醇進口，737.第一氧化劑進口，738.第二氧化劑進口，741.氧化劑出口，742.氧化劑進口；
221.第一進口，222第二進口；
281.溫度測量儀，282.壓力測量儀。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
本發明提供了一種採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統，其結構如圖1所示，包括混凝預處理單元，混凝預處理單元連接有物料輸運單元，物料輸運單元連接有超臨界水熱燃燒單元，超臨界水熱燃燒單元連接有啟動預熱單元，超臨界水熱燃燒單元連接有超臨界水氧化處理單元，超臨界水氧化處理單元連接有蒸汽後處理單元。
混凝預處理單元包括採油廢液儲料池1，採油廢液儲料池1的出口連通有低壓物料泵2，低壓物料泵2連通有混凝沉降池3，混凝沉降池3連通有筒式過濾器4，筒式過濾器4連通有儲料箱5；
物料輸運單元包括高壓物料變頻泵6、甲醇儲槽9、液氧儲槽11，儲料箱5的出口連通高壓物料變頻泵6，甲醇儲槽9連通有高壓甲醇泵10，液氧儲槽11的出口依次連通有低溫液氧泵12、氧化劑預熱器13、緩衝器14；
超臨界水熱燃燒單元包括超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7，高壓物料變頻泵6、高壓甲醇泵10及緩衝器14均連接超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7；
啟動預熱單元包括軟化水箱19，軟化水箱19的出口依次連接有高壓軟化水變頻泵20、軟化水電加熱器21、三通22，三通22連通超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7；
超臨界水氧化處理單元包括超臨界水氧化管式反應器8，超臨界水氧化管式反應器8連接超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7，超臨界水氧化管式反應器8還連接有蒸汽過濾器17和備用蒸汽過濾器18，蒸汽過濾器17和備用蒸汽過濾器18為並行設置，蒸汽過濾器17和備用蒸汽過濾器18還共同連接氧化劑預熱器13；
蒸汽後處理單元包括CO2緩蝕劑儲罐15，CO2緩蝕劑儲罐15的出口連接有緩蝕劑計量泵16，緩蝕劑計量泵16連接有混合器23，混合器23還連接氧化劑預熱器13。
如圖2所示，超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7包括頂蓋73和直筒體部分，頂蓋73上設置有熱水進口731、第二廢液進口732、第三廢液進口733、第一甲醇進口734、第二甲醇進口735、第三甲醇進口736、第一氧化劑進口737、第二氧化劑進口738，直筒體部分包括承壓壁74、第一內筒71、第二內筒72，第一內筒71位於第二內筒72內，承壓壁74的下部設置有氧化劑進口742，氧化劑進口742連通緩衝器14的出口，承壓壁74的上部設置有氧化劑出口741，氧化劑出口741連通第一氧化劑進口737和第二氧化劑進口738；
氧化劑預熱器13設置為是套管式預熱器，氧化劑預熱器13的內管的一端連接低溫液氧泵12，氧化劑預熱器13的內管的另一端連接緩衝器14，蒸汽過濾器17和備用蒸汽過濾器18共同連接氧化劑預熱器13外管的一端，氧化劑預熱器13的外管的另一端連接混合器23。
高壓物料變頻泵6的出口並列設置有第一廢液管61、第二廢液管62、第三廢液管63，第一廢液管61連通三通22，三通22連通熱水進口731，第二廢液管62和第三廢液管63分別連通第二廢液進口732和第三廢液進口733，高壓甲醇泵10的出口並列設置有三個管道，三個管道分別連通第一甲醇進口734、第二甲醇進口735、第三甲醇進口736。
如圖3所示，第三廢液進口733設置在第一內筒71和第二內筒72之間的頂蓋73上，熱水進口731、第二廢液進口732、第一甲醇進口734、第二甲醇進口735、第三甲醇進口736、第一氧化劑進口737、第二氧化劑進口738設置在第一內筒711上部對應的頂蓋73上，第一內筒711壁上開設有若干小孔。
三通22設置有第一進口221和第二進口222，軟化水電加熱器21出口連通第一進口221，第一廢液管61連通第二進口222。
筒式過濾器4與儲料箱5之間設置有電動截止閥25，第一廢液管61上設置有採油廢液流量調節閥24，氧化劑預熱器13的外管與混合器23之間的管道上設置有壓力調節閥26。
超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7的內腔71設置有壓力測量儀282和溫度測量儀281；
本發明的一種採油廢液的超臨界水熱燃燒處理、注汽系統的工作原理為：
系統啟動階段：給儲料箱5中加入清水，關閉筒式過濾器4與儲料箱5之間的電動截止閥25，並且關閉採油廢液流量調節閥24。啟動高壓物料變頻泵6，通過高壓物料變頻泵6將儲料箱5中的清水分流後，分別進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7的第二廢液進口732和第三廢液進口733。通過逐級調節壓力調節閥26的開度，使超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7出口的壓力逐步上升至25MPa；
啟動高壓軟化水變頻泵20和軟化水電加熱器21，通過高壓軟化水變頻泵20將軟化水箱19中的軟化水以0.23t/h的流量打入軟化水電加熱器21中加熱，加熱至600℃，進入三通22的第一進口221，從三通22流出後通過熱水進口731進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7內，預熱10min；
經預熱10min後，開啟高壓甲醇泵10，通過高壓甲醇泵10將甲醇儲槽9中的純甲醇以2.53t/h的流量升壓後，分為三股流量，分別從第一甲醇進口734，第二甲醇進口735，第三甲醇進口736進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7。其中第一股甲醇進入第一甲醇進口734後，與從熱水進口731進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7內的600℃熱水混合，被加熱至起燃溫度500℃。開啟高壓甲醇泵10的同時開啟低溫液氧泵12、氧化劑預熱器13，液氧儲槽11中的低溫液氧經低溫液氧泵12以4.14t/h的流量升壓後打入氧化劑預熱器13的內管內，經氧化劑預熱器13，從-183℃升溫至250℃後進入緩衝器14，之後經過超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7承壓壁74的下部氧化劑進口742進入由承壓壁74與第二內筒72之間的氧化劑通道中，由超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7內部熱流體對其進一步預熱，之後從承壓壁74的上部氧化劑出口741流出，被分流後分別通過第一氧化劑進口737和第二氧化劑進口738進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7，其中第一股氧氣用以提供第一股和第二股甲醇燃燒所需氧化劑，第二股氧氣用以提供第三股甲醇燃燒所需的氧化劑。第一股甲醇與第一股氧氣混合起燃，所產生的高溫燃燒後產物進一步加熱第二股甲醇，使其升溫至起燃溫度500℃而發生燃燒反應，第二股甲醇燃燒後的高溫產物又進一步加熱第三股甲醇至起燃溫度500℃而進行燃燒反應。三股甲醇都起燃後的高溫燃燒產物進一步對蒸汽發生器7進行預熱，直至超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7中出口流體溫度和壓力分別達到420℃、25MPa。打開電動截止閥25，將儲料箱5中的清水切換至採油廢液。關閉高壓軟化水變頻泵20和軟化水電加熱器21，打開採油廢液流量調節閥24，將0.23t/h、600℃的熱水切換為0.23t/h、15℃的採油廢液，與第一股甲醇混合後配製為30wt％的甲醇廢水混合溶液，系統正常運行。根據蘇黎世聯邦理工學院的研究結果表明，保證穩定水熱燃燒的燃料溶液熄火溫度隨著燃料甲醇溶液濃度的增加而降低，30～32wt％的甲醇溶液所對應的熄火溫度為常溫。因此，本系統採用30wt％的甲醇溶液，可以不對其進行預熱即可得到穩定的水熱火焰，超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7正常運行後，無需外熱源即可維持其可靠、連續的運行。
系統正常運行時：採油廢液儲存於採油廢液儲料池1中，23t/h的採油廢液經低壓物料泵2進入混凝沉澱池3，在混凝沉澱池3中加入絮凝劑分離廢水中的懸浮物，混凝沉澱池3中的固液混合物進入筒式過濾器4，實現固液分離，固相物質由筒式過濾器4底部定期排出，過濾後的上清液從過濾器上部出口流出，進入儲料箱5；
儲料箱5中的採油廢液的上清液通過高壓物料變頻泵6升壓後，分流為三股廢液，第一股廢液通過第一廢液管61經過採油廢液流量調節閥24進入三通22的第二進口222，然後通過熱水進口731進入超臨界水熱燃燒蒸汽發生器7，並與通過第一甲醇進口734的第一股甲醇混合成混合配製成濃度為30％的甲醇廢水混合溶液，再進入到第一內筒71內。第二股廢液經過第二廢液管62，通過第二廢液進口732進入到第一內筒71內，與甲醇燃燒反應產物混合。第三股廢液經過第三廢液管63，通過第三廢液進口733進入到第一內筒71和第二內筒72之間的環隙中，再通過第一內筒71上的若干孔進入到第一內筒71中，與第一內筒71中的甲醇水熱燃燒高溫產物，形成420℃的反應混合溶液。正常運行時，從第一氧化劑進口737進入蒸汽發生器7的第一股氧氣用以提供第一股甲醇和第二股甲醇燃燒所需氧化劑，從第二氧化劑進口738進入蒸汽發生器7的第二股氧氣用以提供第三股甲醇燃燒及採油廢液超臨界水氧化反應所需的氧化劑。
420℃的高壓流體從超臨界水熱燃燒發生器7中流出後，進入超臨界水氧化管式反應器8中進行超臨界水氧化反應，在反應器中廢液中的有機汙染物被快速、高效的分解，反應後產物進入蒸汽過濾器17或備用蒸汽過濾器18，由於超臨界水具有很低的介電常數，因而產物中的無機鹽離子(結垢離子、腐蝕離子等)在其中的溶解度很低，而以無機鹽固體顆粒的形式從中析出。流經蒸汽過濾器，可分離反應產物中的固體無機鹽顆粒。蒸汽過濾器17與備用蒸汽過濾器18採用並聯連接的方式，目的在於定期清理其中固體汙染物時可實現二者自動切換，保證系統連續運行。過濾分離後的高溫高壓流體進入氧化劑預熱器13外管進口對內管的氧化劑進行預熱，被冷卻至400℃後從氧化劑預熱器13外管出口流出後通過壓力調節閥25進入混合器23。壓力調節閥25用以調節閥前壓力，保證閥前壓力保持在25±1MPa。在混合器23中與CO2緩蝕劑混合，目的在於避免產物中的CO2對注汽管線的腐蝕。至此，符合注汽要求的400℃、25MPa的高溫高壓蒸汽即可被注入地層。