稠油采出水蒸发除盐防硅垢技术与应用

周京都 王宏磊 王爱军 武文静 林双

1中油（新疆）石油工程设计有限公司

2青海油田采油五厂技术研究中心

稠油开发过程中产生的采出水经除油、除悬浮物、软化后回用注汽锅炉，使水资源循环利用。近年来稠油油田大量采用过热注汽采油，过热注汽锅炉给水水质指标[1]要求总溶解性固体浓度≤2 500 mg/L，而稠油采出水的总溶解性固体浓度通常在3 500～6 000 mg/L。因此，需要对采出水进行除盐回用，通常采用“膜分离除盐+蒸发除盐”或“直接蒸发除盐”的方法进行处理。稠油采出水的蒸发除盐工艺在新疆油田、辽河油田已开展了现场试验，在胜利油田春风采油厂进行了工程应用[2-5]。

稠油采出水含硅浓度在150～350 mg/L之间，蒸发浓缩后循环液中SiO2浓度在1 500～3 500 mg/L 之间，远超出SiO2在水中的溶解度。在蒸发过程中，随着蒸发母液浓度上升，析出硅酸、硅酸盐等物质，堵塞蒸发器及工艺管道。

国内通常采取先除硅，再蒸发的方式进行此类水的处理[6]，但除硅工艺存在加药量大、处理效率低、污泥产量大、增加水中的硬度等问题[7]。还有采用晶种法[8]处理，使硅垢沉淀到晶种上，避免蒸发器堵塞。此方法对蒸发方式（仅适用机械蒸汽压缩）、蒸发器形式（仅适用管式降膜蒸发器）有限定要求，还存在控制操作要求高、成本高、固废量大等问题。

本研究是在现有常规蒸发工艺（多效蒸发、机械蒸汽压缩、热力蒸汽压缩等）的基础上，采用pH 值调节工艺，实现蒸发原水不除硅，但是能够阻止硅垢产生的目的。其工作原理是：利用SiO2在水中的溶解度随pH 值上升而升高的特性，通过原水预软化、提高蒸发母液的pH 值，将无定形SiO2全部溶解在蒸发母液中，避免硅垢产生。

新疆风城油田高含盐污水深度处理工程采用此项技术，使蒸发母液中含硅浓度达到3 000 mg/L时，没有硅垢析出，装置稳定运行。

1 蒸发原水水质分析

稠油采出水的常规处理流程为：采出水经过混凝反应或气浮选工艺除油、除悬浮物→除硅（若硅超过100 mg/L，降至100 mg/L以下）→软化后回用注汽锅炉。

稠油采出水蒸发工艺通常处理净化软化后的采出水或反渗透膜分离出的浓水。新疆风城油田净化软化水及反渗透浓水水质全分析如表1所示。

表1 蒸发系统进水水质全分析Tab.1 Overall analysis of inlet water quality of evaporation system

2 技术原理

2.1 SiO2成垢原理

影响SiO2结垢的因素主要有pH 值、温度、多价阳离子等。pH值对硅垢形成的影响最大，高pH值(pH＞10.7)时，虽然硅酸根的稳定性好，不易出现SiO2垢，但会促使Ca2+沉积为碳酸钙垢，为硅酸盐垢的形成提供附着点和晶核，从而促进硅酸盐垢的形成；当pH值降低(pH＜10.7)时，硅酸沉淀，出现硅酸盐垢，多价阳离子如Ca2+容易在高温下产生碳酸钙垢，为硅垢的产生提供晶核，水中二价阳离子与胶体硅微粒的架桥作用形成硅酸盐沉淀。在50 ℃以下的低温区，产生SiO2垢更严重[9]。

当水中多价阳离子含量较低时，硅以单分子硅酸存在形式有三种：H2SiO32-，SiO(OH)3-和Si(OH)4，且pH值不同，其存在形式也不同。

在强碱体系中，当pH 值＞13.4 时，发生如(1)式的反应，体系中的硅主要以H2SiO32-存在；随着溶液pH 值降低，发生(2)式反应，体系中SiO(OH)3-增大；当pH值=10.6时开始发生(3)式反应，生成Si(OH)4，随pH值降低，Si(OH)4生成量增加。

2.2 SiO2溶解度

根据GILL J.S.的研究[10]，常规水处理中溶解的SiO2为无定形SiO2，SiO2溶解度受pH 值的影响较大，无定形SiO2溶解度曲线如图1所示。

图1 无定形SiO2溶解度曲线Fig.1 Solubility curve of amorphous SiO2

利用SiO2溶解度随pH 值上升的原理，可以实现在蒸发工艺过程中，通过调节pH 值避免硅垢产生。蒸发处理操作温度越高，越利于SiO2溶解，当蒸发温度100 ℃时，蒸发母液SiO2浓度小于3 000 mg/L 时，将pH 值调整至10.6 以上可以保证避免硅垢析出。

3 工艺设计

蒸发除盐防硅垢技术的工艺流程为：

含硅原水首先进行软化（去除Ca、Mg 等离子），对于硬度较高的原水先进行化学软化，再进行离子交换软化，原水硬度低于300 mg/L（以Ca-CO3计）时，可直接进行离子交换软化。水中硬度（以CaCO3计）＜5 mg/L 后，进入进料缓冲调节罐，此时SiO2溶解度＜380 mg/L（pH 值≈8，水温90 ℃），在其进水管线上投加pH 值调节剂。pH 值调节剂采用氢氧化钠，直接购买浓度约30%的溶液存入储罐，采用全密闭自动投加工艺，减少人员接触，碱液区设置围堰，避免碱液罐意外泄漏对人员造成伤害。通过设在进料缓存调节罐上的pH 值计联锁控制pH 值调节剂的加药量，控制原水的pH 值范围在10～12，可以使硅的溶解度达到3 500 mg/L（水温90 ℃），再进入蒸发系统，避免在蒸发系统中形成硅垢。经过蒸发装置处理后的产品水（除盐水）回收利用，浓水（高pH 值、高含硅水）占原废水量的5%～20%，可进一步处理，进行制盐、干燥等，也可回注盐穴存储、自然蒸发处理。本技术的核心是：通过对低硬度原水pH 值的调节，增加硅的溶解度，使蒸发过程不会受到硅垢的影响。

稠油采出水蒸发除盐防硅垢技术的典型工艺流程如图2所示。

图2 典型工艺流程示意图Fig.2 Schematic diagram of typical process flow

4 工程应用情况

为解决超稠油开发过程中高含盐水处理回用问题，新疆油田风城作业区新建1座高含盐污水深度处理站，采用MVC蒸发除盐技术，设计规模3 500 m3/d，处理原水为油田高温反渗透浓水、燃煤锅炉排污水及少量采出水（总溶解性固体浓度＜16 000 mg/L），产水率90%，产生的除盐水（总溶解性固体浓度＜50 mg/L）回用风城油田过热注汽锅炉。

4.1 运行情况

（1）装置主要运行参数。目前运行3个月，各项指标均达到设计要求。产水率＞90%。主要运行参数如表2所示。

表2 蒸发除盐工程主要运行参数Tab.2 Main operating parameters of evaporation desalting project

（2）结垢情况分析。在蒸发装置母液循环系统中SiO2浓度高达2 800 mg/L 的生产条件下，运行3个月后，装置运行正常，产品水稳定达标。降膜蒸发器布液器、管道、阀门等未发生堵塞，降膜蒸发器降膜板表面光洁如新，未发生结垢、硅酸盐析出等现象。

4.2 经济效益分析

采用不除硅防硅垢蒸发除盐技术与预除硅再蒸发除盐技术对比，投资和运行成本都更低（表3）。

表3 防硅垢技术与化学除硅费用对比Tab.3 Cost comparison of anti-silicon scale technology and chemical silicon removal

5 结论

（1）蒸发除盐防硅垢技术主要是通过自动调节，控制蒸发过程中母液的pH值，达到蒸发处理前不除硅，而能有效控制硅酸、硅酸盐垢析出的目的。

（2）蒸发除盐防硅垢技术主要适用于低硬度、高含硅废水处理。当原水硬度较高时，应先进行软化，保证蒸发浓水硬度小于5 mg/L（以CaCO3计），避免随着pH值的升高，会形成钙盐垢、镁盐垢。

（3）以风城油田高含盐污水深度处理工程为例，相比蒸发处理前进行化学除硅，本技术吨水节约运行费用约1.91元，节约工程投资约4.7%。