澳大利亞煤層氣產出水脫鹽處理方法

摘 要

摘 要 煤層氣產出水通常伴有大量的固體雜質和鹽類，必須經過凈化及脫鹽處理，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 煤層氣產出水通常伴有大量的固體雜質和鹽類，必須經過凈化及脫鹽處理，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重要的因素。為此，介紹了目前煤層氣工業(yè)技術處于國際領先水平的澳大利亞煤層氣產出水脫鹽處理方法——蒸餾、膜分離或兩者結合的脫鹽方法：蒸餾脫鹽是利用設備提供能量使產出水蒸發(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，并總結了澳大利亞煤層氣產出水處理設備的設計理念和技術創(chuàng)新，對國內煤層氣的開發(fā)具有借鑒意義。
    關鍵詞 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水量是由煤層平均滲透率和含水層強度決定的，產水量在開始的幾年內達到頂峰，之后會逐漸下降至平穩(wěn)值。以昆士蘭州某煤層氣田為例，在氣田上產期，單井日產水量平均值可達39m3，1年后到達穩(wěn)產期的日產水量平均值為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出，產出水的處理在煤層氣開采作業(yè)成本中占有很大的比例。受公眾關系和昆士蘭州相關法律條款的制約，產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重要的因素。煤層氣產出水通常伴有大量的固體雜質和鹽類，水質較差，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，必須充分考慮產出水脫鹽的方式和規(guī)模，才能保證經濟、高效地行煤層氣資源的商業(yè)開發(fā)。
1 澳大利亞煤層氣產出水脫鹽技術
    現(xiàn)有的煤層氣產出水脫鹽技術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出水的脫鹽處理。
1.1 蒸餾脫鹽方法
當水沸騰后，就會轉化為蒸汽，同時，蒸汽中的固體溶解雜質總量(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出水變?yōu)檎羝瑥亩档彤a出水中的化學鹽分含量。
煤層氣產出水蒸餾脫鹽處理裝置的基本原理就是加熱煤層氣產出水，使之產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。通常在煤層氣產出水設備中，會有多個多效蒸發(fā)裝置平行運轉以增大系統(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，但存在設備結垢嚴重的缺點。低溫多效蒸發(fā)技術以其節(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出水脫鹽處理較為成熟的技術之一，是針對多效蒸發(fā)結垢較嚴重的缺點而發(fā)展起來的脫鹽技術。多級閃蒸技術一經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是將鹽水預熱后，引入蒸發(fā)器并使之在蒸發(fā)器內部分蒸發(fā)。蒸汽壓縮冷凝裝置流程如圖3所示，流程所產生的二次蒸汽經壓縮機壓縮提高壓力后引入到蒸發(fā)器的加熱側，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晶裝置。結晶裝置的最終產品包括大部分的固體鹽分和蒸餾過的冷凝水。通過結晶裝置產出的固體鹽分比普通的固體雜質更適于廢棄與運輸。通常結晶系統(tǒng)包括1個分離固體結晶、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。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：對透過的物質具有選擇性的薄膜稱為半透膜。在煤層氣產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，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流動，濃溶液側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、膠體物質和大分子溶質，從而取得凈化的水。反滲透膜的材料和規(guī)模根據(jù)煤層氣產出水水質、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，設備結構簡單，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。
影響煤層氣產出水脫鹽處理設計的因素很多，其中能耗問題是論證經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出水脫鹽技術進行總結，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，結果見表1[2,6-7]。其中能耗和投資成本以每產出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，以單位產出淡水產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要求最高，原料水必須經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。
    對煤層氣產出水的處理水平是基于煤層氣產出水的水質和產出水的再利用方式而進行評價的。熱處理方法的最終水質較好，經再處理可制成飲用水和蒸餾水。膜分離法在降低固體雜質含量上比較有效，但實驗室研究證實膜分離法容易滋生細菌，使得產品水中細菌量超標，不宜用作飲用水[5]。同時，分離中產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出水中所含的固體雜質種類很多，而且在原料水的存儲池中容易生長水藻。水質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，則集輸流程和相關因素也必須做認真的考慮和評估。
    在澳大利亞，煤層氣產出水脫鹽技術已經得到充分的發(fā)展，日趨成熟。在實際選用中，究竟哪種方法最好，何種脫鹽技術處理成本最低，均不是絕對的，要根據(jù)煤層氣產出水脫鹽規(guī)模大小、設備選材、當?shù)啬茉磧r格、水質要求、地理氣候條件、技術與安全性、投資來源
與管理體制等實際條件而定。且煤層氣產出水脫鹽技術的選擇也不是僅僅局限于單個脫鹽技術，而是建立在多種脫鹽技術與傳統(tǒng)技術的集成之上。
    從煤層氣產出水中脫除的鹽中可以提取出多種可以出售的副產品。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]。由于擔心煤層氣產出水中含有的大量鹽分和礦物質對生態(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)池脫鹽方式已經漸漸被公眾質疑。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)中的產出水處理方法正在進行技術上的革新。
   一部分煤層氣產出水裝置中采用了加速蒸發(fā)和全部結晶的方法，以利于副產品的回收。同時，部分煤層氣生產商也在應用新措施，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，但現(xiàn)在采用的是比反滲透膜更加先進的納米過濾技術以及結晶方法來生產蒸餾水和鹽分。這個裝置的生產能力為日產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大約400 t的鹽和其他副產品[8]。
    如果通過技術的發(fā)展，煤層氣產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品，而且可以成為能直接應用的副產品，甚至可以直接出售以獲得利潤。因此，隨著煤層氣產出水處理技術的不斷進步，將為煤層氣工業(yè)提供更加美好的前景。
3 結束語
   澳大利亞煤層氣工業(yè)技術處于國際領先水平，煤層氣產出水的處理技術已非常成熟，一般使用蒸餾脫鹽、膜分離脫鹽或兩者結合的方式對產出水進行處理。通過對煤層氣產出水處理規(guī)模、設備選材、水質、地理、氣候、技術與安全性、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)。澳大利亞煤層氣產出水處理的設計和工作經驗對國內煤層氣的開發(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