申请日2013.04.09
公开(公告)日2014.10.15
IPC分类号C02F1/10
摘要
本发明公开了一种油气田废水处理装置及其废水处理方法，其包括蒸汽冷凝系统，所述油气田废水处理装置的特征在于：其还包括热媒加热系统、污水加热系统和常压蒸发系统。本发明所提供的一种油气田废水处理方法，其包括废水预热的步骤，其还包括热媒流体预热、废水与热媒流体换热和常压蒸发处理废水的步骤。本发明利用废热资源，通过高效浮动床直接接触废水加热系统，废水蒸发的效果更好，分离出的有效成分高度浓缩后可回用，实现“零排放”和资源最大限度地回收利用。
权利要求书
1.一种油气田废水处理系统，其特征在于：包括废水加热单元和废水蒸发浓缩单 元;
所述废水加热单元对待处理的废水进行加热，并将加热后的废水通过管道 输入废水蒸发浓缩单元，所述废水蒸发浓缩单元包括水膜蒸发器(13);经过所 述水膜蒸发器(13)后蒸汽从管道输出，而经水膜蒸发器(13)过滤的废水浓 缩液从浓缩液口排出;所述废水加热单元包括热媒热交换器(12)，采用热媒热 交换，通过热媒对废水进行充分加热。
2.根据权利要求1所述的一种油气田废水处理系统，其特征在于：
所述系统还包括热媒加热单元，所述热媒加热单元包括废热换热器(11)， 所述热媒通过所述热媒热交换器(12)中的热媒流体出口(6)输入所述废热换 热器(11)，经过加热后的热媒从热媒流体入口(5)注回所述热媒热交换器(12); 所述废热换热器(11)中注入废热流体为热源;所述废热流体通过所述废热换 热器(11)上的废热流体入口(3)注入，并由流体出口(4)排出。
3.根据权利要求1所述的一种油气田废水处理系统，其特征在于：
所述系统还包括冷凝换热器(10)，用于对初始废水进行预加热并对最终的 废水蒸汽进行冷凝处理;所述冷凝换热器(10)设置有冷凝器废水入口(2)， 冷凝器废水出口(17);冷凝器蒸汽入口(16)和冷凝器冷凝水出口(1);
初始废水经过所述的泠凝器废水入口(2)进入冷凝换热器(10)，经预加 热后从所述冷凝器废水出口(17)输出给热媒交换器(12);
所述水膜蒸发器(13)输出的废水蒸汽经蒸汽管道(15)和冷凝器蒸汽入 口(16)输入所述冷凝器换热器(10)，经冷凝处理后从所述冷凝器冷凝水出口 (1)排出。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述热媒热交换器(12)采用浮动床技术，在所述热媒热交换器(12)中 加入比重接近1，能在水中悬浮的细颗粒物质，所述热媒热交换器(12)采用比 热容大于水、与水不相容且密度小于水的流体作为热媒介质。
5.根据权利要求4所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述细颗粒物质为人工陶瓷颗粒或活性炭颗粒，所述热媒介质为氢气。
6.根据权利要求1-3之一所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述热媒热交换器(12)中包括穿孔管和穿孔钢板，所述热媒热交换器(12) 内壁铺设支架，所述穿孔管为环形穿孔钢管，该环形穿孔钢管与所述支架焊接 固定，所述穿孔钢板焊接在该热媒热交换器(12)的内壁上。
7.根据权利要求1或3所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述水膜蒸发器(13)的内壁焊接穿孔钢板，该穿孔钢板上固定安装柔性 纤维材料。
8.根据权利要求7所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述柔性纤维材料为的亲水型中空纤维。
9.根据权利要求3所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述冷凝换热器(10)采用螺旋扁管换热方式。
10.根据权利要求2所述的一种油气田废水处理装置，其特征在于：
所述废热换热器(11)采用管壳式换热方式。
11.采用权利要求1-10之一所述的废水处理装置对废水进行处理的方法，其特 征在于，废水处理方法包括，
A废水预热过程：待处理废水首先通过所述冷凝器废水入口(2)进入所述 冷凝换热器(10)预热，之后通过所述冷凝器废水出口(17)流出继而通过所 述交换器废水入口(18)进入所述热媒换热器(12);
B热媒流体加热过程：
b1注入热媒流体步骤：废水处理开始，热媒流体先通过热媒流体接入口 (22)注入所述热媒交换器(12);注入热媒结束后，关闭该热媒流体接入口(22);
b2热媒循环加热步骤：废热流体通过所述废热器废热流体入口(3)进入 所述废热换热器(11)，所述废热流体与所述热媒流体换热实现热媒流体的加热， 之后该废热流体通过所述废热器废热流体出口(4)排出;经加热的热媒流体通 过所述废热器热媒流体出口(20)和所述交换器热媒流体入口(5)进入所述热 媒热交换器(12);
C废水与热媒流体换热过程：所述经预热的待处理废水和所述经加热的热 媒流体在所述热媒换热器(12)中接触换热，经换热的高温废水通过交换器废 水出口(8)和蒸发器废水入口(21)进入所述水膜蒸发器(13);
所述热媒流体与废水换热后利用密度差自然分离后从交换器热媒流体出口 (6)和废热器热媒流体入口(19)流回所述废热换热器(11)，循环加热热媒 流体;
D蒸发处理废水过程：所述高温废水经柔性纤维以膜状水流缓慢流下，常 温空气通过所述空气入口(9)进入所述水膜蒸发器(13)，所述高温废水与自 下而上流动的空气逆流接触，自然蒸发生成水蒸汽，其经风机(14)抽吸进入 蒸汽管道(15);所述水膜蒸发器(13)下部收集的浓缩液通过所述浓缩液出口 (7)流出;
E冷凝预热过程：进入所述蒸汽管道(15)的废水蒸汽通过所述冷凝器蒸汽 入口(16)回到所述冷凝换热器(10)冷凝，所形成的清洁冷凝水通过所述冷 凝器冷凝水出口(1)流出待用;冷凝散热用于对待处理废水进行预加热。
12.根据权利要求11所述的一种废水处理方法，其特征在于：
步骤D中，通过所述浓缩液出口(7)流出的所述浓缩液，经沉淀分离后， 取其上清液从所述冷凝换热器(10)的冷凝器废水入口(2)与新进入的待处理 废水混合后进入冷凝换热器(10)，再次进行处理;所述流出的浓缩液其控制排 出比例为进水量的30%～50%。
13.根据权利要求11所述的一种废水处理方法，其特征在于：
步骤C中，废水在所述热媒换热器(12)中上升流速宜控制在0.1～0.3m/s， 以保证接触换热效果;
步骤D中，所述水膜蒸发器(13)中的废水沿柔性纤维的流速应控制在 1～2m/s。
说明书
一种油气田废水处理装置及其处理方法
技术领域
本发明涉及一种工业废水处理装置及其处理方法，具体而言，本发明涉及 一种采用生物技术较难处理的高浓度、难生物降解的油气田废水处理装置及其 处理方法。
背景技术
在目前处理的工业废水中，油气田废水的总量不多但污染物含量很大、浓 度很高，油气田废水所含有的污染物以高分子有机物为主，也含有各类重金属 盐，例如，油气行业大量的钻井井场产生的钻井废水和废弃泥浆，除了含有一 定量的矿物油，还有大量的配制钻井液用的添加剂;低渗透油气田储层改造一 般会采用水力压裂技术(即利用地面高压泵组将高粘液体以大大超过地层吸收 能力的排量注入井中，在井底憋起高压，当此压力大于井壁附近的地应力和地 层岩石抗张强度时，将会在地层产生裂缝;继续注入带有支撑剂的携砂液随裂 缝向前延伸并填以支撑剂，从而在一定范围的地层内形成具有一定几何尺寸和 导流能力的填砂裂缝，达到增产增注的目的)，其所采用的压裂液中也含有大量 高分子化合物及重金属物质，而所产生的压裂返排液，即地层压开、支撑剂运 送到位后返排出来的液体，其组分复杂且性质独特，主要具有以下特点：
(1)成分复杂、化学剂种类多、含量大，返排液主要成分是高浓度胍胶、 高分子聚合物等多种化学药剂，其次是SRB菌、硫化物和总铁等;
(2)压裂返排液的粘度大、乳化程度高，用手摸感觉像浆糊一样，对于采 用复合型压裂液的，返排液乳化严重乌黑、黏稠、静沉沥水困难;
(3)压裂液返排过程中混入大量无机悬浮固体颗粒物，固液分离异常困难， 是常规含油污水处理中最难达标的项目。
如上所述，油气田废水中，钻井井场产生的钻井废水和废弃泥浆，低渗透 油气田储层改造所产生的压裂返排液废水，组分复杂，尤其是压裂返排液废水 的性质更独特，其处理难度更大。
目前基于达标排放目的处理工艺主要以物理化学方法、电化学方法和少量 生物技术方法处理，但处理效率低、效果欠佳、处理工艺极其复杂、处理流程 长、投资及运行费用都很高且难以把握。目前的做法一般是掺入其它废水中处 理，借助稀释作用勉强处理，但对原来的易处理废水冲击很大，造成整体不合 格或处理成本的提高，而且其中非常贵重的化学助剂也白白流失，难以实现资 源回收再利用，造成环境污染和资源浪费。
中国实用新型专利CN202030559U公开了一种处理油气田废水用的蒸发浓 缩装置，采用中低温真空蒸发浓缩工艺，通过回收二次蒸汽利用和换热器等回 收能量，降低能耗，并使废水中的有机物和重金属等物质保持在浓缩后的废泥 中，产生的凝结水可以回收利用并能直接达标排放。但上述装置采用常规加热 蒸发技术，蒸发效果较低，难以实现资源的全面回收再利用。
综上所述，油气田废水组分复杂、性质独特、处理难度大，而现有的采用 蒸发技术的废水处理工艺基本采用低温真空蒸发技术，蒸发处理效果较差，因 此，开发出适合总量不大、浓度很高的难处理工业废水，尤其是油气田废水的 处理装置，实现废水资源化回收和污染物“零排放”，至关重要。
发明内容
为了解决现有的废水处理方法中，尤其是油气田废水蒸发处理方法中，蒸 发效果较低，难以实现资源的全面回收再利用等问题，本发明提供了一种油气 田废水处理装置及其处理方法，其利用废热资源，通过高效浮动床直接接触废 水加热系统，通过废水与空气逆流接触使其蒸发成水蒸汽，之后冷凝成净化水， 分离出的有效成分高度浓缩后可回用，是综合考虑了废水与空气的温度差、最 大气液接触面积和相对流动速度的水膜蒸发技术。本发明特别适用于大规模页 岩油气开发压裂返排液和钻井废水的处理，可实现“零排放”和资源最大限度 地回收利用。
本发明的一个发明点为：一种油气田废水处理系统，包括废水加热单元和 废水蒸发浓缩单元;
所述废水加热单元对待处理的废水进行加热，并将加热后的废水通过管道 输入废水蒸发浓缩单元，所述废水蒸发浓缩单元包括水膜蒸发器13;经过所述 水膜蒸发器13后蒸汽从管道输出，而经水膜蒸发器13过滤的废水浓缩液从浓 缩液口排出;所述废水加热单元包括热媒热交换器12，采用热媒热交换，通过 热媒对废水进行充分加热。
所述热媒热交换器12采用浮动床技术，在所述热媒热交换器12中加入比 重接近1，能在水中悬浮的细颗粒物质，所述热媒热交换器12采用比热容大于 水、与水不相容且密度小于水的流体作为热媒介质。所述细颗粒物质为人工陶 瓷颗粒或活性炭颗粒，所述热媒介质为氢气。
所述热媒热交换器12中包括穿孔管和穿孔钢板，所述热媒热交换器12内 壁铺设支架，所述穿孔管为环形穿孔钢管，该环形穿孔钢管与所述支架焊接固 定，所述穿孔钢板焊接在该热媒热交换器12的内壁上。
所述热媒热交换器12的下部侧壁设置交换器废水入口18和交换器热媒流 体入口5，所述交换器废水入口18与所述冷凝器废水出口17相连接，所述交换 器热媒流体入口5与所述废热器热媒流体出口20相连接，其顶部设置交换器热 媒流体出口6，其上部侧壁设置交换器废水出口8。在所述废热器热媒流体出口 20与所述交换器热媒流体入口5之间设置热媒流体接入口22。
所述水膜蒸发器13的内壁焊接穿孔钢板，该穿孔钢板上固定安装柔性纤维 材料。所述柔性纤维材料为亲水型中空纤维。
为了实现对废水加热的过程，需要对其中的热媒进行加热处理，因此所述 系统还包括热媒加热单元，所述热媒加热单元包括废热换热器11，所述热媒通 过所述热媒热交换器12中的热媒流体出口6输入所述废热换热器11，经过加热 后的热媒从热媒流体入口5注回所述热媒热交换器12;所述废热换热器11中注 入废热流体为热源;所述废热流体通过所述废热换热器11上的废热流体入口3 注入，并由流体出口4排出。
为了实现初始废水进行预加热并对最终的废水蒸汽进行冷凝处理，所述系 统还包括冷凝换热器10，所述冷凝换热器10设置有冷凝器废水入口2，冷凝器 废水出口17;冷凝器蒸汽入口16和冷凝器冷凝水出口1;
初始废水经过所述的冷凝器废水入口2进入泠凝换热器10，经预加热后从 所述冷凝器废水出口17输出给热媒交换器12;
所述水膜蒸发器13输出的废水蒸汽经蒸汽管道15和冷凝器蒸汽入口16输 入所述冷凝器换热器10，经冷凝处理后从所述冷凝器冷凝水出口1排出。
所述水膜蒸发器13的上部侧壁设置蒸发器废水入口21，所述蒸发器废水入 口21与所述交换器废水出口8相连接，所述水膜蒸发器13的底部设置浓缩液 出口7，所述水膜蒸发器13的筒体下部沿其外侧壁等高设置空气入口9。
所述风机14位于所述水膜蒸发器13的顶部，其通过蒸汽管道15与所述冷 凝器蒸汽入口16相连接。
所述冷凝换热器10采用螺旋扁管换热方式。
所述废热换热器11采用管壳式换热方式。所述废热换热器11内的废热流 体为直流式，从废热换热器11的废热器废热流体入口3流入，从其废热器废热 流体出口4流出，其中的热媒流体封闭循环，从废热换热器11中的废热器热媒 流体入口19流入，从其废热器热媒流体出口20流出，从所述热媒热交换器12 的交换器热媒流体入口5流入、交换器热媒流体出口6流出，在所述循环系统 中留有热媒流体的初次充注接口和中间补充接口，即所述热媒流体接入口22， 初次进入的热媒循环系统按一定压力充注，该压力应能保证热媒在循环系统的 正常循环流动，具体数值应根据具体系统情况通过严格的水力计算确定。正常 运行过程中保持系统完全封闭循环，将废热流体携带的热能传导给待处理废水， 热媒流体只起一个热媒的作用。
所述热媒热交换器12采用浮动床技术，浮动床直接接触废水，提高热交换 效率、防止作为床层的颗粒物板结、结垢。在所述热媒热交换器12中加入比重 接近1，能在水中悬浮的细颗粒物质，增大废水与热媒介质这两种流体的接触面 积，延缓热媒穿过速度、使热媒流体分布均匀，提高换热效率。所述热媒热交 换器12采用比热容大于水、与水不相容且密度小于水的流体作为热媒介质(该 流体与水存在一定密度差以便于自然分离)，与废水逆流接触以提高废水的温 度。所述细颗粒物质为人工陶瓷颗粒或活性炭颗粒，所述热媒介质为氢气，其 比热容是水的3.33倍。
所述热媒热交换器12中包括穿孔管和穿孔钢板，所述热媒热交换器12内 壁铺设支架，所述穿孔管为环形穿孔钢管，该环形穿孔钢管与该热媒热交换器 12内壁上的支架焊接固定，即本领域常规布管方式，以使液流在整个处理容器 内均匀分布，避免偏流。所述穿孔钢板焊接在该热媒热交换器12的内壁上，起 到均匀分布液流、稳定液流流态的作用。从交换器废水入口18和交换器热媒流 体入口5分别进入热媒热交换器12中的热媒流体和待处理废水，均通过所述穿 孔管流出，向上通过所述穿孔钢板与悬浮颗粒接触换热，最大限度地使待处理 废水与热媒均匀接触，避免出现窜流现象。
所述水膜蒸发器13的内壁焊接穿孔钢板，该穿孔钢板上固定安装柔性纤维 材料，自所述蒸发器废水入口21进入所述水膜蒸发器13的已加热过的废水， 通过所述穿孔钢板，均匀分布在其上的水流流向柔性纤维材料的表面，沿柔性 纤维材料的表面流下，形成水膜，在与自下而上的空气接触过程中自然蒸发， 在风机14的抽吸作用下以湿热蒸汽的形式流出该水膜蒸发器13，与自下而上的 空气逆流接触蒸发。
所述冷凝换热器10的主要作用是通过蒸汽与待处理水进行常规换热，实现 蒸汽冷凝，回收冷凝水，以便排放或回用，通常采用螺旋扁管换热方式。
所述废热换热器11的主要作用是利用低品质废热资源加热热媒介质，作为 应用之一，废热可采用压缩机废热、采出水废热等，通常采用管壳式换热方式。 具体实现方式为，将携带一定热能的废热流体通过管道引入废热换热器11的废 热器废热流体入口3，通过所述废热换热器11内部设置的盘管与走壳程的废水 换热后，由上述废热器废热流体出口4流出返回废热流体的原有系统或直接排 放。
本发明第二个发明点在于：采用所述的废水处理装置对废水进行处理的方 法，废水处理方法包括，
A废水预热过程：待处理废水首先通过所述冷凝器废水入口2进入所述冷 凝换热器10预热，之后通过所述冷凝器废水出口17流出继而通过所述交换器 废水入口18进入所述热媒换热器12;
B热媒流体加热过程：
b1注入热媒流体步骤：废水处理开始，热媒流体先通过热媒流体接入口 (22)注入所述热媒交换器12;注入热媒结束后，关闭该热媒流体接入口22;
b2热媒循环加热步骤：废热流体通过所述废热器废热流体入口3进入所述 废热换热器11，所述废热流体与所述热媒流体换热实现热媒流体的加热，之后 该废热流体通过所述废热器废热流体出口4排出;经加热的热媒流体通过所述 废热器热媒流体出口20和所述交换器热媒流体入口5进入所述热媒热交换器 12;
C废水与热媒流体换热过程：所述经预热的待处理废水和所述经加热的热 媒流体在所述热媒换热器12中接触换热，经换热的高温废水通过交换器废水出 口8和蒸发器废水入口21进入所述水膜蒸发器13;
所述热媒流体与废水换热后利用密度差自然分离后从交换器热媒流体出口 6和废热器热媒流体入口19流回所述废热换热器11，循环加热热媒流体;
D蒸发处理废水过程：所述高温废水经柔性纤维以膜状水流缓慢流下，常 温空气通过所述空气入口9进入所述水膜蒸发器13，所述高温废水与自下而上 流动的空气逆流接触，自然蒸发生成水蒸汽，其经风机14抽吸进入蒸汽管道15; 所述水膜蒸发器13下部收集的浓缩液通过所述浓缩液出口7流出;
E冷凝预热过程：进入所述蒸汽管道15的废水蒸汽通过所述冷凝器蒸汽入 口16回到所述冷凝换热器10冷凝，所形成的清洁冷凝水通过所述冷凝器冷凝 水出口1流出待用;冷凝散热用于对待处理废水进行预加热。
步骤D中，通过所述浓缩液出口7流出的所述浓缩液，经沉淀分离后，取 其上清液从所述冷凝换热器10的冷凝器废水入口2与新进入的待处理废水混合 后进入冷凝换热器10，再次进行处理;所述流出的浓缩液其控制排出比例为进 水量的30%～50%。
步骤C中，废水在所述热媒换热器12中上升流速宜控制在0.1～0.3m/s，以 保证接触换热效果;
步骤D中，所述水膜蒸发器13中的废水沿柔性纤维的流速应控制在1～2m/s。
本发明所提供的一种油气田废水处理装置及其处理方法，具有以下有益效 果：
(1)能够利用工业现场的低品质废热资源，通过高效换能实现能量的充分 利用，提高待处理水温度;
(2)利用浮动床技术和柔性纤维材料，使超薄水膜与自然流动的空气错流 接触，提高工业废水的蒸发效率;
(3)通过巧妙的流程设计，产生的蒸汽与水换热冷凝成对环境完全无害的 净化水，实现水资源的回收利用;
(4)原水中的有效成分高度浓缩后作为粗原料回用于化工行业或直接无害 化掩埋，实现污水的“零排放”和资源最大限度地回收利用。
