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高盐稠油污水热法脱盐资源化技术研究进展

文档作者：杨元亮王辉宋文芳张建徐明海王增林文档来源： 1．中国石化胜利油田新春采油厂 2．中国石化节能环保工程科技有限公司；3．中国石化勘探开发研究院油田开发研究所； 4．中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院 5．中国石化胜利油田分公司		更新日期： 2026年05月27日	点击数：
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油 气 田 环 境 保 护
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF OIL &amp;amp; GAS FIELDS
高盐稠油污水热法脱盐资源化技术研究进展呋
杨元亮 王辉 宋文芳。 张建。 徐明海 王增林。
(1．中国石化胜利油田新春采油厂；2．中国石化节能环保工程科技有限公司；3．中国石化勘探开发研究院油田开发研究所；
4．中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院；5．中国石化胜利油田分公司)
摘 要 对高盐稠油污水热法脱盐工艺的5种工艺：自然蒸发(NET)、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发
(MED)、机械压缩蒸馏(MVC)、热力压缩蒸馏(TVC)，从工艺技术特点、工艺流程、现场应用、处理效果、投资及
运行成本等方面综述了国内外稠油污水热法脱盐资源化回用锅炉技术的研究及应用情况，总结了各种工艺现
场应用中存在的问题，提出了改进或适用条件方面的建议。
关键词 高盐稠油污水；热法脱盐；资源化回用；研究进展
DOI：10．3969／j．issn．1005—3158．2016．03．002 文章编号：1005 3158(2016)03—0004—05
0 引 言
将富余污水资源化处理后替代清水回用注汽锅
炉，不仅符合油田循环注采理念，保护油区生态环境，
安全生产，还能实现油田可持续发展，是创建环境友
好型、资源节约型企业的有效举措之一。考虑到电渗
析法不适用于高盐污水，双膜工艺处理高盐污水时，
产水率低、易受污染、出水水质不稳定，不能有效缓解
污水富余的难题，制约了其在油田的推广应用。而热
法脱盐工艺对污水水质预处理要求宽松，产水率稳
定，不受含盐量影响，并能充分利用污水自身余热，产
水温度高(40～85。c)，可节约清水消耗，对于实现油
田污水资源化意义重大。本文综述了稠油污水热法
脱盐工艺国内外的研究进展，总结各种工艺现场应用
存在的问题，最后提出下一步研究方向。
1 高盐稠油污水热法脱盐工艺
稠油污水热法脱盐即污水被加热蒸发为水蒸汽，
水蒸汽经过换热之后又被冷凝为淡水，即通常所说的
蒸馏技术。由于蒸馏技术已广泛应用于化工、医药、
食品等工业领域和海水淡化领域，因此近几年在油田
污水处理的研究中也得到了较大发展。热法脱盐依
据所用能源、设备和流程不同可分为五种，包括：自然
蒸发(NET)、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)、机
械压缩蒸馏(MVC)、热力压缩蒸馏(TVC)。
1．1 自然蒸发
自然蒸发即依靠自然界的太阳光和风力对大空
间内的污水进行表面蒸发。2004年，大庆油田设计
院针对新疆塔里木油田高矿化度含油污水处理，介绍
了利用太阳能进行污水自然蒸发技术概况口]，得出了
污水含油量、矿化度、悬浮固体含量是影响蒸发量的
主要因素。并提出了可行的处理流程：来水一横向流
聚结除油器一核桃壳过滤一蒸发池，但该工艺未见工
程实例，且大规模的污水处理系统占地较大，技术有
待完善。
1．2 多级闪蒸
多级闪蒸工艺其原理是咸水经过加热器加热后，
依次进入多个压力连续降低的闪蒸室，其中每个闪蒸
室的压力都低于将要进入的盐水所对应的饱和蒸汽
压，这样盐水进入后即因过热而进行闪蒸，并且闪蒸
出的蒸汽通过对进入加热器盐水的预热冷却为淡水。
1984年陈文忠l2 等在四川石油管理局川西南矿区孔
开展了多级闪蒸法处理气田水的实验研究。该装置产
出的冷凝水水质为pH值7．13，悬浮物含量28 mg／L，
Cl一含量为7．94 mg／I ，硬度3．69 mg／L，吨水汽耗
0．4 t，吨水电耗14．87 kw ·h／t。其污染物含量远低
于国家排放标准，且满足锅炉回用标准，剩余的浓缩
液可满足制盐和综合利用的需要。但该工艺建厂投
资费用高，设备能耗较高，造水比较低，导致操作费用
居高不下，且参数不平稳，阻碍了其在油田的发展。
1．3 多效蒸发
多效蒸发是一种应用较早的海水淡化工艺，它采
★基金项目：国家科技重大专项(2011ZX05017-004一HZ01)；中石化集团公司科技攻关项目(JP13021)。
杨元亮，2009年毕业于中国科学院地质与地球物理研究所，地质学博士，高级工程师，副厂长，现在中国石化胜利油田新春采油厂从事油气田开发
研究和管理工作 通信地址：山东东营胜利油田新春采油厂，257000
2016年6月 杨元亮等：高盐稠油污水热法脱盐资源化技术研究进展
用逐级减压蒸馏原理，由若干个单元蒸发器串联起
来，除第一效的加热蒸汽来自锅炉外，后续各效的加
热蒸汽均来自前一效产生的二次蒸汽，因此效数越
多，运行能耗越低，但投资会增加。2004-2005年，
胜利油田与中国石油大学共同开展了多效蒸发处理
单家寺油田采油污水试验_3]，该方案采用4效低温多
效蒸发工艺，装置能力5 m。／h，投资150万元，处理流
程为来水一气浮一果壳过滤一石英砂过滤一多效蒸
发。稳定运行后系统造水比为3．5，产水率为60 ～
80 。产品水可满足锅炉用水标准。但该系统制水
廉价热源、回收尾效二次蒸汽等来提高经济性。
2006年，中国海洋大学蔡钊荣采用以低温多效
蒸发为核心的工艺，设计开展了郑王庄油田超稠油污
水深度处理先导试验[4]。试验工艺流程包含两部分：
净化部分与淡化部分。净化部分采用多相气浮一果
壳过滤一石英砂过滤的处理工艺。淡化部分采用多
效蒸发的处理工艺。试验装置处理能力5 m。／h，产
出水矿化度为150 mg／L。全流程如图1所示。试验
表明，该工艺对污水的适应能力强，产品水满足热采
锅炉供水标准，装置运行稳定可靠。但由于稠油污水
成本高达58．79元／t。需要通过增加系统效数、寻找 与海水水质差异较大，仍需对多效蒸发工艺深入优化。
一⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ● ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ‘ 。‘
i A剂B剂 i C D E 新鲜蒸汽 ：
原水
I l 剂l 剂 l剂l ■I
— — 体外反洗式 — — _I 自动反洗 j l 低温多效 — — —
气浮机 果壳过滤器 砂滤器 蒸发器
管道 多相
絮凝器
渣池 章
⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．鎏水_⋯
净化部分 淡化部分
图1 郑王庄油田稠油污水多效蒸馏处理流程
2010年，中科院物化所联合胜利油田工程设计
公司在胜利油田滨南采油厂单家寺稠油首站再次进
行了多效蒸发稠油污水深度处理试验 5]。试验流程
为：来水一管道混合器一浮选机一核桃壳过滤器一砂
滤过滤器一四效蒸发装置一软化水罐一出水。产出
水总矿化度小于700 mg／L，总硬度小于5 mg／L，可
以达到锅炉系统的进水指标。
2010年，中国石油大学于永辉等在胜利油田滨
南采油厂展了多效蒸发深度处理稠油污水回用热采
锅炉的中试研究 ]，预处理单元同样采用斜板式多相
气浮一体外反洗核桃壳过滤一自动连续反洗砂虑的
组合工艺，核心单元选用低温多效蒸发(LT_MED)处
理技术，工艺流程如图2所示。试验结果表明系统产
水总硬度0．1 mg／L，矿化度20 mg／L，水质达到热采
锅炉用水水质标准，表明采用LT—MED为处理稠油
污水回用于热采锅炉工艺可行。
2012年，大连理工大学的祝斯等 建立了完整
的多效蒸发物理模型和数学模型，并设开发了油田污
水多效蒸发脱盐处理实验装置。对系统热力性能进
行了模拟计算和实验研究。对比分析实验值和计算
值，实验过程中发现：① 蒸发器内不凝气的存在会严
重影响冷凝换热；② 实验值偏离设计值主要因素是末
效蒸发器的浓水不能外排，降膜蒸发变为浸没蒸发，
原水 H
反洗出水
沉降罐
素
阻垢剂消泡剂
低温湿蒸汽
冷却水进
冷却水出
浓水出
蒸汽冷凝水
图2 滨南采油厂稠油污水多效蒸馏法处理流程
需重新选泵；③应该用防腐蚀结垢性能比较好的材料
替代目前的碳钢管，以减轻腐蚀；④ 真空泵性能的好
坏，对系统实验的结果起着至关重要的影响。
2012年，李清方建立了基于多效蒸发的油田污
水集中脱盐系统的工艺流程设计计算模型_8]，并提出
增加效数是提高系统性能的有效途径，也是降低系统
能耗和运行成本最有效的方法。但增加效数会增加
传热面积导致初投资上升，增加效数有限度。牛帅
帅 利用多级蒸发系统的设备投资费用和年运行费
用与系统效数的关系，确定了总投资最小的系统
一南
一；核桃冗滤过器
一中问水池
油气田环境保护·技术研究
级数。
2013年，大连理工大学的姜凤银等El03建立了一
套处理量为100 kg／h的三效蒸发实验装置，对系统
热力性能进行了研究，产品水水质完全符合锅炉用水
标准。适当引入并调整蒸汽喷射器抽汽位置可以使
系统经济性得到较大提高。2014年，王宇楠等u 搭
建了六效蒸发塔式顺流进料污水脱盐系统；对所建立
的实验装置进行稳定性实验、变工况实验和NaC1溶
液水质分析实验，验证了系统的可靠性、高效性，产出
水满足锅炉进水要求，运行成本为17．37元／t产出
水。并指出通过廉价材料选择、紧凑结构设计、减少
用料减少初投资；运行时，其成本仅为水泵和真空泵
电费之和。
1．4机械压缩蒸馏
压汽蒸馏是利用压缩机把蒸发过程所产生的二
次蒸汽压缩，使之增压和升温(温升2～ 15℃左右)，
再作为加热蒸汽使用，使自身冷凝为淡水，如此循环
使得蒸汽潜热被反复利用。根据压缩能量来源不同
将压汽蒸馏分为热力压缩(TVC)和机械压缩
(MVC)。其中机械压缩不需要外部蒸汽补汽，仅靠
机械能转化为热能，这过程效率高，能耗低，过程不需
要冷却水，结构紧凑。
1996年，美国气体研究所和能源部在圣胡安盆
地合作安装了蒸发装置u ，该装置淡水回收率为
80 ，可将油田污水的含盐量从1．16×10 mg／L降
低到0．2×10 ～1_5×10。mg／I ，水质满足外排、回用
标准。1999年，加拿大阿尔伯达油田首次应用GE公
司的蒸发技术处理稠油污水[1 “]。采用蒸发的方法
试验处理直流锅炉从汽水分离器分出来的浓缩水，并
结合石灰石软化法、离子交换法结合来处理油田污
水，蒸发后的水进直流锅炉，并辅以结晶器使未蒸发
浓污水变为固体废料排出，实现污水零排放，产水规
模为40 m ／a。该系统如图3所示。装置的成功运行
说明利用压汽蒸馏处理稠油污水的技术方案是可行
的。2002年，阿尔伯达油田将压缩蒸发工艺的处理
规模扩大到849 m。／d，装置运行结果表明蒸发系统
的运行成本要低于传统石灰石软化+离子交换工艺。
2004年，Deer Creek能源公司在Joslyn油砂层项目
的第二期装置中采用蒸发系统+传统汽包锅炉的工
艺来代替直流蒸汽锅炉 ]，结果表明产出水满足汽
包锅炉给水要求，产生蒸汽干度为100 ，无需额外
添加气液分离器，同时锅炉的排污量减少。至今为
止，已有14个在建和投产的阿尔伯特SAGD工程采
用压缩蒸发工艺处理采出水。表1给出了国外MVC
处理SAGD采出水的工程实例。
蒸
图3 稠油污水蒸汽压缩零排放系统工艺流程
表1 国外压汽蒸馏法污水回用锅炉工程案例
固体
处理
国内对于压汽蒸馏处理稠油污水的研究起步较
晚，辽河油田、胜利油田、新疆油田等相继进行了
MVc处理油田污水的试验研究，为压汽蒸馏在油田
污水处理领域的工业化应用奠定了基础。
辽河油田于2007年提取12 t SAGD产出水，在
美国Rcc公司实验室MVC中试装置上进行中试试
验1] ，处理后污水含油0．2 mg／L，硬度达到0，为
MVC技术在国内SAGD项目中工业化试验提供了
坚实的理论基础。2010年，辽河油田孙绳昆等人借
鉴阿尔伯达经验，以重力沉降和浮选作为预处理设计
了油田污水深度处理工艺 ，图4即为先导试验装
置流程图。通过对产品水水质的分析知，产品水的二
氧化硅含量和pH值等尚不能满足国标要求，但鉴于
火力发电厂与汽包锅炉的不同，故可以认为产品水水
质满足注汽锅炉回用要求。由于未采用蒸汽压缩技
术，而是利用外部蒸汽开展试验，无法对其进行经济
技术评价。
2012年，邹龙生等人在辽河油田进行了竖管降
膜蒸发器处理辽河油田稠油污水的试验研究l】 ，试
验工艺流程图如图5所示。结果表明：系统传热系数
随着污水蒸发负荷、循环速率以及传热温差的增加而
2016年6月 杨元亮等：高盐稠油污水热法脱盐资源化技术研究进展
图4 孙绳昆超稠油污水降膜蒸发试验工艺流程
降低；蒸馏水的指标均满足注汽锅炉给水要求。表明
此种系统具有较好的应用价值。
稠油污水
pH调节剂
消泡剂
阻垢剂
图5 邹龙生超稠油污水降膜蒸发试验工艺流程
2013年，林冰研究了辽河油田废水的来源和水
质特征，建立了热泵蒸发浓缩系统的物理模型l1 。
分析了油田废水浓缩倍数、油田废水入口温度和油田
废水中油类质量含量的因素对热泵系统总耗电能的
影响，为节能减排提供了依据。
2008年3月，胜利油田选择孤五、孤六和垦西站
的3个水样送往美国Rcc公司实验室进行了机械压
缩蒸发技术处理采油污水的室内模拟试验_2 。试验
结果表明，含聚污水经该工艺处理后，除盐率达90
以上，淡水回收率82 ，处理后各项水质指标可达到
注汽锅炉用水要求。其中药剂成本0．75元／m。，吨水
耗电20 kW ·h。2011年胜利油田新春采油厂在排
601区块进行了产水规模5 m。／d稠油热采污水锅炉
回用小试试验 。试验中MVC产水率为83．3 ，处
理用电约100 kW ·h／m。。由于换热器、蒸发器和压
缩机效率低，导致循环比过大(40～50倍)，用电成本
高昂(50元／m 左右)，需进一步优化工艺，降低成本。
2011年，李清方建立了机械压缩蒸发MVC油田
污水深度脱盐处理工艺f2 的设计计算模型，并提出：
减小传热温差可以明显降低压缩机电耗；提高油田污
水温度可减小比传热面积；提高蒸发温度可改善系统
的性能。为MVC工程设计提供了一定的理论指导。
2013年，林冰针对油田废水的蒸发浓缩，计算和对比
了水平管和垂直管降膜蒸发器的特性瞳 ，并指出垂
直管降膜蒸发器传热性能比水平管降膜蒸发器低，且
水平管降膜蒸发器具有处理大流量、高温度废水的性
能，但未见工程报道，其结果有待实验验证。
2013年5月～2014年6月，胜利油田设计院联
合新春采油厂开展了产水规模达到5 t／h的稠油污水
MVC资源化工艺中试研究。试验工艺流程为污水一
陶瓷颗粒除杂一阻截膜除油一MVC。产水率为
8O ，工艺采用强制循环蒸发+离心式压缩机单级压
缩。处理用电约30 kW ·h／m。，进料污水TDS为
15 000 mg／L，产水水质TDS为113 mg／L，硬度
3．96 mg／L，满足注汽锅炉离子软化系统进水要求。
国内首次实现了中等规模的MVC处理稠油污水工
程实例。通过上述中试示范工程，初步形成稠油污水
MVC资源化成套技术，具备了产业化推广的条件，目
前正在进行技术完善和产业化推广。
1．5热力压缩蒸馏
TVC它采用的是热力学完善度相对较低的热力
压缩机(蒸汽引射器)代替了热力学完善度较高的机
械压缩机，除水泵外它不需要消耗电能，仅用高压蒸
汽的热能驱动，可以直接利用生产中的富余余热，节
省了电能。由于TVC工艺运行简单可靠，维护成本
低，无运动部件，受到人们的广泛关注。李清方基于
TVC建立了污水脱盐系统的工艺流程设计计算模
型_2 ，并指出系统造水比随蒸发温度的降低而增大，
降低蒸发温度有助于减少主蒸汽消耗。由于TVC系
统的热力学完善度相对较低，一般不单独使用，主要
与多效蒸发联合使用以改善系统性能。尽管如此，对
于油田生产来说，当存在合适的余热资源时，TVc系
统仍不失为合理的技术方案。
2 结 论
NET工艺思路简单，但技术还不完善。对于大
流量水处理占地面积大，处理周期长。
MSF工艺处理油田污水方案可行，但装置投资
大，运行能耗高，造水比低，操作费用居高不下，操作
参数不平稳。应从下述方面加以改进：① 降低能耗，
如取消锅炉供汽，采用废蒸汽资源；② 改善系统的严
密性，提高真空度；③ 采用常压循环罐并保温，减少热
损失；④蒸发室和加热器应采用耐蚀材料。
MED处理油田污水国外工程鲜有报道，国内已
经成功开展小试及中试，出水可回用锅炉。但该工艺
· 8 · 油气田环境保护·技术研究 Vol_26 No．3
需蒸汽来作为热源，对于蒸汽价格较高的地区或者缺
乏高品位热源地区难以推广，适合于火电厂的乏汽或
者便宜的汽机抽汽作为驱动热源的场合。对于使用
汽水分离器的现场，可以考虑利用废弃的高温高压分
离水闪蒸得到参数合适的蒸汽作为汽源。
MVC压缩工艺占地小，运行可靠，出水水质合
格、能耗低，用水量小等优点，在国外发展较早，技术
成熟，应用广泛。国内胜利油田已完成小试、中试研
究，准备进行推广。但该工艺需要注意的关键技术，
包括：① 高效传热、防腐防垢蒸发器的设计制造；② 大
流量、高参数的蒸汽压缩机的研发，包括耐疲劳损伤
的叶轮材料研发，压缩机高效轴封技术。
TVC工艺采用高压蒸汽驱动，节省了电能。但
是造水比不高，仅对有大量废弃高位热能的情况下，
才能展现出其经济性。若有合适的高压余热蒸汽，可
与MED或MVC配套使用。
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(收稿日期2O15—08—13)
(编辑 李娟)

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