由生產水製備高純度餾出物用於生成高壓蒸汽的方法

2023-04-23 07:30:06 1

專利名稱：由生產水製備高純度餾出物用於生成高壓蒸汽的方法
技術領域：
本發明的實施方案涉及用於由重油生產工業中生產的水生成高質量高壓蒸汽的方法和設備。
背景技術：
重油採收工藝採用「蒸汽驅油」技術，其中將蒸汽注入帶有油的地層以改進重油的採收。一般而言，對於採收每個單位的油需要幾個單位的蒸汽。重油是粘稠液體，來自蒸汽的熱使油的粘度降低，使其流入生產井。在加熱油的過程中，蒸汽冷凝。該冷凝的蒸汽被稱為生產水。油和生產水的混合物通過生產井泵送到地面。油和生產水的混合物在油採收工作中典型的常規去油過程中分離成單獨的餾分。由於重油採收通常需要的大量蒸汽，因此希望使生產水再循環用於重新使用。這需要處理生產水以使得其適合作為蒸汽發生器或鍋爐的進料水。一般而言，使用單個蒸發器和機械蒸氣壓縮機處理生產水，用於生產餾出物作為鍋爐進料水。不幸的是，生產水純化和餾出物生產的現有方法具有缺陷和缺點，阻礙了以成本有效的方式實現所希望的餾出物純度。通過在重油設備中注入深井地層處置廢水的現有實踐也不是非常環境節儉的方法。因此，需要更成本有效的用於處理生產水的系統，該系統可以生產用於蒸汽發生系統的相對純的進料水流並且可以提供在重油設備中廢物處置的環境友好的方法。蒸發技術已用於重油砂處理以生成適用於蒸汽生成的餾出物。例如，通過蒸汽注射工藝使蒸汽用於增強的油採收裝置，該工藝使重油液化並且將重油輸送到地面，在那裡其可與水分離並且進一步精煉。從油中分離的生產水通過蒸發器加工。這將水加工成適用於蒸汽生成的餾出物。蒸汽發生器可以是一次通過蒸汽發生器(OTSG)或高壓鼓式鍋爐。傳統機械蒸氣壓縮(MVC)蒸發技術使用垂直降膜蒸發器使生產水氣化。夾帶在該水蒸氣中的液滴將保持夾帶並且與冷凝的蒸氣混合，汙染餾出物質量。一般而言，這些液滴用位於蒸發器集水槽的環形區域中的除霧器除去。該內部除霧器僅提供了一個液滴消除階段；因此，該工藝在可能實現的餾出物純度方面有限。該不良方面限制了該餾出物的使用。 由於該缺陷，必須設計鼓式鍋爐並且在較低壓力下工作。OTSG還在它們可以實現的氣化速率方面受限。由於蒸發器集水槽中的靜態體積，因此另外的問題隨著傳統純化技術發生。傳統蒸發器具有顯著大於熱交換器管束的直徑。因此當降膜落入集水槽中，其主要直接向下移動，伴隨著圓柱形集水槽的環形體積相對極少的攪動。該區域中缺少混合使得一些組分例如油和油脂積聚在該靜態體積中。該設計中有幾個固有的缺陷，包括a)在正常工作期間油和油脂積聚在蒸發器系統中，b)需要致力於寬集水槽蒸發器中積聚的油的額外油除去步驟，c)蒸發器中較高的油和油脂濃度造成純化餾出物中較大的油和油脂濃度，這汙染主產物。傳統處理方法的另一個顯著缺陷是蒸發器系統在低於理想的熱效率下工作。這要求從系統中除去過多的能量。傳統方法通過從蒸發器系統中排出蒸汽實現能量平衡。由於該排出的蒸汽通常含有一定濃度的硫化氫和其它環境有害物質，因此排出的蒸汽是不適合於排入大氣的廢物流。相反，必須將其收集和處置在火炬、催化氧化器或其它處置系統中。 該限制表現出顯著的缺陷，因為其增加了資金成本和處置系統的工作成本。

發明內容
本文提供的實施方案可以克服由傳統MVC蒸發系統生產的餾出物中溶解的固體造成的限制。製得高純度餾出物，其可以允許鼓式鍋爐較高的工作壓力或者OTSG較高的氣化速率。還減少或消除了井下(downbore)處置廢水的需要。該新蒸發方法還連續在大於可用傳統技術實現的總效率下生產該餾出物。發明的方法的實施方案包括增加離開蒸發器系統進入鍋爐系統的餾出物的焓的控制方法。該較高的焓降低了鍋爐預熱負荷，增加了鍋爐效率，因為取決於鍋爐的工作壓力，將鍋爐進料水帶至沸騰溫度所需的燃氣量降低多達5-10%。這不需要將鍋爐排汙與蒸發器進料水混合(這將增加可用於轉移至餾出物的能量)而實現。該較高的焓用自動的預熱器旁通管實現，該旁通管同時增加餾出物焓並且降低排出蒸發器工藝的毒性排出蒸汽的流動速率。本發明的實施方案可以包括一些或全部這些設計特徵·在降膜蒸發容器外面進行的除霧；·用多級兩級或更多級進行的除霧；·使用凝聚技術進行除霧；·用清洗溶液洗滌水蒸氣以除去不希望的揮發性化合物；·除霧器清洗以防止固體積聚；·直集水槽垂直降膜蒸發器；·蒸發器進料水與氫氧化鈉反應，使蒸發容器的硬上遊沉澱； 蒸發器在高pH下工作。一般而言在25°C下測量，pH為9. 5-13. 0，以減少腐蝕潛在可能性和允許使用較貧的冶金。·預熱器部分旁通管，通過使到達鍋爐系統的餾出物焓最大化增加總的設備效率；·預熱器部分旁通管，減少生成通常含有硫化氫和其它環境有害化合物的毒性排出蒸汽；·雙分布塔板以使鹽水均勻分布在垂直管的管壁圓周的周圍；和·使用強制循環蒸發、乾燥技術、旋轉分離和/或過濾實現的零液體排放。


圖1提供了表示生成高壓蒸汽同時實現零液體排放的蒸發系統的流程圖。圖2是表示雙分布塔板和粗濾器的蒸發器頂蓋。
圖3是傳統的寬集水槽蒸發器與本發明實施方案中發現的直集水槽蒸發器的比較。圖4是直集水槽垂直管降膜蒸發器和外部除霧器。圖5是具有內部除霧器的傳統寬集水槽降膜蒸發器。圖6是顯示生產高純度餾出物的高效率除霧和蒸氣清潔系統的圖。圖7顯示強制循環蒸發器系統。圖8顯示水平管降膜蒸發器。圖9顯示流過蒸發器寬集水槽的流體的計算流體動力學研究的結果顯示通過內核的高向下流速和外環中大的靜態體積。
具體實施例方式生產水是從油井生產液中提取的水。在本發明的實施方案中，該流體以去油狀態送入蒸發器系統，所述蒸發器系統通過生成適用於再循環作為鍋爐進料水的高純度餾出物來處理生產水。將生產水送入具有或不具有補充水(新鮮或微鹹)、鍋爐排汙和其它廢水流的蒸發器系統。方塊流程圖(圖1)顯示進入蒸發器系統並且通過垂直降膜蒸發器系統和 /或強制循環蒸發器系統加工實現零液體排放(ZLD)的這些物流。消泡劑、防垢劑、分散劑和強鹼可以加入系統。系統使大於98%的進料水作為高純度餾出物再循環。通過環境保護協會(EPA)油漆過濾器測試(「評價固體廢物的測試方法，物理/化學方法」:美國政府公開 SW846 方法9095B)的乾燥固體與排出的蒸汽一起從系統排出。進料流在反應釜中合併，在那裡加入氫氧化鈉(強鹼)與進料水中的硬度反應以使進料水軟化。在25°C下，反應室pH保持接近10. 5。增加的進料水的高pH軟化的優點在於鹽水在蒸發器系統中在升高的pH(通常高於10. 5的pH)下濃縮。在材料科學團體中公認的是在高PH下存在的脫氣的高氯化物環境消除了腐蝕潛在可能性並且允許使用較貧的冶金用於構造蒸發器系統。這些較貧的冶金將通常包括等級316L SS、2304DupleX和 2205Duplex。(316SS是一種常用的工業奧氏體不鏽鋼等級。Duplex不鏽鋼是用奧氏體和鐵素體相的組合製成的鋼。該組合相造成Duplex鋼與簡單的奧氏體等級相比具有優良的強度和耐腐蝕性。)這排除了使用高級冶金的需要，減少了系統的資金成本。將進料水在熱交換器(板框型、殼管型、螺旋型等)中預熱並且脫氣以除去氧和揮發性化合物例如輕質有機烴。從蒸發器的殼側排出的蒸汽在脫氣器中用作汽提蒸汽。將蒸汽從脫氣器中排出、與其它蒸汽排出源一起收集在集管並且在催化氧化器、火炬煙 或其它處置系統中加工，以防止有害化合物例如硫化氫和硫醇逃逸到環境中。自動控制的預熱器旁通管可以連續使流入鍋爐系統的餾出物的焓最大化。該系統還可以使排出蒸汽速率最小化。該控制作用使排出處理系統的資金和工作成本最小化。將脫氣並且預熱的進料流送入蒸發器系統，在那裡垂直管降膜蒸發器使生產水預濃縮並且使送入強制循環蒸發器的廢水體積最小化。VTFF蒸發器通過使鹽水在高流動速率下循環到蒸發器頂蓋而工作，在蒸發器頂蓋中鹽水均勻分布在垂直管的內圓周上。當鹽水沿管內向下流時，蒸汽冷凝在管外面並且將熱傳給下降的鹽水膜。該鹽水在管內氣化並且作為水蒸氣流到蒸發器外。可以使用雙分布塔板技術(圖實現鹽水在蒸發器的頂蓋中的分布。鹽水通過兩個水平塔板均勻級聯。流動直接到達上管板上，在那裡其均勻流入管壁的內圓周。該設計排除使用傳統地插入管造成堵塞問題的螺旋管分布器。這些分布塔板使用相對寬的孔， 允許任何懸浮固體通過而不會堵塞。另外，粗濾器可以在分布塔板上遊使用以捕集較大的固體；這提供了對堵塞的另外保護。用於本發明實施方案的垂直管蒸發器具有直集水槽設計(圖3和4)，這是指較低的集水槽具有與垂直管束段相同的直徑。這是顯著的，因為從管中下落的高體積再循環鹽水在集水槽中保持湍流和向下的移動流動模式，防止油和有機物積聚在集水槽中。這與寬集水槽蒸發器(圖幻相比是優越的概念，因為寬集水槽具有靜態體積，油、油脂和其它有機物通常積聚在其中，需要間歇的油除去系統。油和有機物積聚使餾出物純度變差、對系統造成損壞並且增加停工時間。計算的流體動力學分析表明在高速內核與低速環形體積之間有非常少的混合(實施例3)。在蒸發器管中生成的水蒸氣向下流動、排出蒸發器並且流入蒸發器外部的除霧容器(圖6)。除霧容器通過從蒸氣流中除去甚至非常小的鹽水液滴(直徑小於5微米)使得餾出物純度顯著改進。該高效率除霧器採用多級設計保證餾出物的高純度。除霧器具有至少兩級除霧。級一由百葉板(chevron)組成。工業百葉板除霧器是以鋸齒形排列的薄規格金屬陣列，使得霧滴將接觸金屬表面並且從蒸氣流中除去。這些百葉板可以除去超過95% 的夾帶鹽水滴。該第一級被稱為粗除去級並且擔負捕集小、中等和大尺寸的液滴。包括百葉板的第二級以提供剩餘夾帶鹽水滴更精細的除去。可以增加另外的級用於除去愈加更細的液滴。這些非常細液滴的捕集保證了本發明將製得最高純度的餾出物。該集成的第二和第三除霧級分別是篩網凝聚墊和拋光百葉板。篩網凝聚墊是固定的除霧元件，其由編織在一起形成墊的非常細直徑的金屬絲組成。凝聚墊迫使非常小的液滴碰撞並且聚並形成中等和大尺寸液滴。現已擴大成中等和大尺寸液滴的非常小的液滴重新夾帶在蒸氣中，從第二級排出並且進入第三級。重新夾帶的液滴然後通過第三級拋光百葉板從蒸氣中除去。傳統技術採用安裝在蒸發器本身的內環中的設計用於垂直流動的除霧器。該設計容易遭受固體積聚，因為含固體的鹽水液滴在低流速下排出，這歸因於它們與蒸氣的向上流動相反。混合除霧器設計通過使用設計用於水平流動並且位於容器外面的除霧器系統克服了該缺陷。水平流動設計允許優良的鹽水滴除去，因為蒸氣流(水平)不會與捕集的液滴的排出路徑(垂直向下)相反。因此，水平除霧器設計自然地減輕傳統技術經歷的固體堵塞問題。此外，第一級百葉板可以裝有清洗系統以間歇清潔百葉板積聚的任何固體。使用的清洗溶液通常是用氫氧化鈉製備的設計目的是除去矽酸鹽固體的高PH洗滌溶液。第一級百葉板全部在規則的頻率下清洗，確保固體不會高度積聚。百葉板清洗可以全部一次或依次進行。第二級裝有將清洗溶液連續噴入蒸氣流的洗滌系統。這吸收了揮發性組分並且進一步增強餾出物純度。還可以通過將蒸發器排列成多效結構(圖7)，使得由一個效產生的蒸氣是在隨後的蒸發器效中驅動蒸發的蒸汽來增強餾出物純度。一般而言使用兩個或更多個效，儘管如果希望可以包括更多。該設計提供了至少兩個優於傳統技術的關鍵優點。首先，功率消耗顯著降低(僅對於MVC設計)，因為少於一半的產生的全部蒸氣必須通過蒸氣壓縮機加工。 該功率降低顯著降低了蒸發器系統的工作成本。其次，超過一半的通過總系統製得的蒸氣由較低總溶解固體(TDQ濃度的鹽水製得。這是重要的，因為蒸氣中夾帶的細液滴將具有較低的TDS濃度(與最終鹽水濃度相比)，這導致甚至更高純度的餾出物。將在VTFF蒸發器中預濃縮的鹽水排放入強制循環蒸發器，該蒸發器完成濃縮並且允許整個系統再循環好於98%的全部進料水。通過採用乾燥技術、離心分離技術或過濾以使固體脫水使得它們將通過EPA油漆過濾器測試而實現ZLD。實施例實施例1描述了通過生成高質量餾出物處理生產水的蒸發系統的性能。在得自 SAGD工藝的代表性生產水樣品上進行中試規模的測試以確定幾種設計增強的有效性。目的是1)證實軟化蒸發器上遊的生產水的有效性，和i)證實直集水槽降膜蒸發器設計可以加工大量的油和油脂。當然，這些測試目的的符合不應該看作是對權利要求範圍內的實施方案的要求。中試測試的總運行時間為972小時。蒸發器系統在沈的富集係數下工作，淨回收率96%。加工階段包括生產水軟化反應器、生產水預熱器、脫氣器、垂直管降膜蒸發器(直集水槽)、多級除霧和最後的蒸氣冷凝器。通過蒸汽發生器驅動中試規模的蒸發，使得工藝模擬多效降膜蒸發系統。生產水含有15. Oppm油和油脂。對於具有直集水槽蒸發器的蒸發器系統工作而言，該油和油脂水平是可接受的。沒有可見的在水相上方積聚在集水槽中的油或烴相的跡象。這是因為由直集水槽設計提供的連續湍流。油不會積聚在蒸發器系統中並且與離開蒸發器的鹽水濃縮物(富集係數=26)連續排放出。在預熱階段前將生產水加入軟化反應容器。在軟化反應容器中，將氫氧化鈉以 500ppm-l, OOOppm的濃度加入物流。隨著鈣和鎂鹽從溶液中沉澱出來，水軟化。還將防垢化學物質以16mg/L的量加入進料水。沉澱的鹽用混合器懸浮於溶液中並且移動通過系統剩餘部分，並且最終與濃縮的鹽水從蒸發器排放出。軟化反應步驟中製得的平均固體尺寸為 5. 8微米，其是適用於移動通過蒸發器、沒有顯著積聚的尺寸。實施例2報導了混合除霧器的效果。定量地，可以通過比較各個液滴尺寸下的液滴捕集效率觀察混合除霧器的效果。在整個範圍內，混合外部除霧器的液滴捕集優於傳統的內部除霧器，但在細液滴的捕集效率方面更加顯著。對於具有5.0微米直徑的液滴，混合除霧器捕集比內部除霧器多6%的液滴。對於具有4. 0微米直徑的液滴，混合除霧器捕集多34% ；在3.0微米，混合除霧器捕集驚人的多80%的液滴。在該工藝中通過製得具有優良餾出物質量的水物理觀察改進的液滴除去效率，因為在除霧器後有顯著較少的鹽水滴仍然夾帶在蒸氣中。實施例3報導了寬集水槽設計的缺陷在於產生靜態體積，其導致油和烴停滯和積聚。採取計算流體動力學研究(圖9)確定寬集水槽蒸發器提供優良混合和防止產生停滯袋的效果。研究結果表明實際上寬集水槽在集水槽的環形區域產生靜態體積。該環形區域中的流體速度約為0英尺/秒-1英尺/秒。在隔室中，流體逆時針從底部循環到頂部。側室內再循環流速非常小並且表明非常少的混合和非常少的新液體流進入釜(tank)的該區域。與寬集水槽相反，直集水槽蒸發器模擬管中的流體流動並且具有相對均勻的流速形態，這排除了停滯側室的產生。 本文中引用或提及的專利、專利申請、公開物、科學論文、書籍、網址和其它文獻以及材料是本發明所屬的本領域那些技術人員到每一公開物被寫出時為止的技能水平的標誌，並且全部引入作為參考，就像在本文中完全重寫那樣。文獻包含在本說明書中並不是允許該文獻出於任何目的代表先有的發明或者是現有技術。
權利要求
1.一種由用於重油生產的生產水生產純化餾出物的方法，包括(a)提供從重油生產井提取的生產水流；(b)將所述生產水流去油，提供去油的水流；(c)通過使鈣和鎂從去油的水流中沉澱提高所述去油的水流的PH，以提供軟化的水流；(d)在熱交換器中將所述軟化的水流預熱；(e)將所述軟化的水流脫氣；(f)在第一蒸發階段中通過生成水蒸氣流使所述軟化的水流預濃縮；(g)在濃縮前在蒸發容器外面的除霧器中將所述水蒸氣流除霧以減小固體含量，由此產生高純度餾出物流，其中除霧步驟包括這些階段在至少一個粗除去百葉板中處理所述含鹽水的水蒸氣，用至少一個篩網凝聚墊處理所述含鹽水的水蒸氣，和在至少一個拋光百葉板中處理所述含鹽水的水蒸氣；(h)將高純度餾出物送入高壓鍋爐或蒸汽發生器用於生產蒸汽，並且隨後通過注射井注入儲層。
2.權利要求1的方法，通過將鍋爐排汙水、補充水和廢水的至少一員加入生產水流進一步補充步驟(a)的生產水流。
3.權利要求1的方法，其中所述第一蒸發階段是垂直降膜蒸發器。
4.權利要求3的方法，其中所述垂直降膜蒸發器是直集水槽垂直降膜蒸發器。
5.權利要求4的方法，其中所述去油的水流中油的濃度為小於約100份/百萬份。
6.權利要求3的方法，其中再循環到蒸發器頂部的鹽水在分布於上管板上之前級聯通過多個水平分布塔板，並且隨後均勻分布在蒸發器管上。
7.權利要求1的方法，其中所述第一蒸發階段是水平噴膜蒸發器。
8.權利要求1的方法，其中所述第一蒸發階段是多效蒸發器。
9.權利要求1的方法，其中所述第二蒸發階段是強制循環蒸發器。
10.權利要求1的方法，其中在25°C下測量，所述pH增至9.5-13. 0。
11.權利要求1的方法，其中通過加入氫氧化鈉增加PH。
12.一種由用於重油生產的生產水生產鍋爐水的方法，包括根據權利要求1的方法生產純化餾出物；使用預熱器旁通管控制所述純化餾出物的焓，由所述純化餾出物生產鍋爐水，其中所述焓控制使送入鍋爐的水的焓最大化。
13.權利要求12的方法，其中所述脫氣步驟產生具有低流動速率的蒸汽排空，因為過量的焓從餾出物流中的體系放出而不是作為另外的蒸汽排空放出，由此降低催化氧化器和火炬煙囪的至少一個的操作要求。
14.權利要求1的方法，包括在第二蒸發階段中使所述軟化水流進一步濃縮，這製得另一純化餾出物流並且製得乾燥固體產品，從而實現零液體排放。
15.權利要求1的方法，包括使從所述第一蒸發階段排放出的所述鹽水進一步濃縮，由此製得另一純化餾出物流和減小體積的用於處置的濃縮鹽水廢水。
16.權利要求1的方法，包括使從所述第一蒸發階段排放出的所述鹽水進一步濃縮，由此製得另一純化餾出物流和減小體積的濃縮鹽水廢水，從而使下遊零液體排放結晶器的尺寸最小化。
17.權利要求1的方法，其中所述預熱步驟在所述軟化步驟的上遊進行。
18.權利要求2的方法，其中用補充水補充生產水流並且在補充所述生產水之前，用隔膜系統和離子交換系統的一員將所述補充水軟化。
19.權利要求2的方法，其中用補充水補充生產水流，進一步包括在所述補充水進入蒸發器之前將所述補充水與另外的蒸發器進料水流獨立地加熱。
20.權利要求19的方法，其中用補充水補充生產水流，進一步包括在所述補充水加入所述生產水流之前的以下步驟通過將酸加入所述補充水降低所述補充水的PH，由此製得游離二氧化碳以從所述補充水中除去。
全文摘要
本文所示的實施方案提供了用於由重油生產工業中生產的水生成高達100％質量高壓蒸汽的基於蒸發的零液體排放方法。將去油的水在蒸發系統中處理，製得餾出物，這使得能夠用在較高壓力下工作的鼓式鍋爐或者在較高氣化速率下工作的一次通過蒸汽發生器(OTSG)產生蒸汽。將蒸發器排汙在強制循環蒸發器中處理，提供可以使＞98％的去油水再循環用於工業應用的零液體排放系統。本發明的例舉的實施方案提供了至少一個「直集水槽」蒸發器和至少一個混合外部除霧器。通過在較高的焓下製得餾出物，這使高壓鍋爐預熱要求最小化，本蒸發方法的實施方案在比現有技術的那些高的總效率下工作。
文檔編號E21B43/24GK102177310SQ201080001372
公開日2011年9月7日 申請日期2010年8月5日 優先權日2009年8月7日
發明者C·逖瓦利, D·P·比約克蘭德, G·J·曼迪格, J·M·馬雷特, R·M·肖恩 申請人:水技術國際公司