采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统的制作方法

本发明属于油田深层稠油开采设备技术领域，特别涉及一种采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统。

背景技术：

全球已探明的稠油储量达到了354亿吨，我国已探明和控制的稠油储量为16亿吨，目前在12个盆地发现了70多个稠油油田，重点分布在塔河、胜利、辽河、河南、新疆等油田。其中，我国陆上原油中，稠油储量占20％，而海上原油中的稠油储量所占比例高达70％。稠油由于其粘度大、流动性差，进而大大增加了其开采难度。热力开采技术是现有最常用的稠油开采技术之一，通过蒸汽(热水)的加热作用降粘改善原油流动性，并且热介质具有动力驱油作用及溶解气驱作用，能有效地提高原油采收率。注汽锅炉是产生高温高压蒸汽最常用的设备，在重质高粘度稠油开采中发挥着不可替代的作用。然而，传统的注汽锅炉仍存在一些问题。首先，我国注汽锅炉数量大，分布于我国各稠油开发油田，仅辽河油田一家，其现有的各种容量注汽锅炉已达340台；其次，注汽锅炉的燃料多以重油为主，燃烧过程中会产生SOx、NOx、烟尘等污染物。2012年，我国石油和天然气开采业排放了2.5万吨SOx、2.3万吨NOx和1.7万吨烟尘。

目前，我国已成为世界最大CO₂和SO₂排放国及世界三大酸雨区之一。燃煤和燃油过程所排放的烟尘是导致雾霾天气的首要因素，严重危害人类健康。因此，常规燃煤和燃油技术需要配置末端脱硫、脱硝和除尘设备，投资巨大，运行费用很高。由于油田注汽锅炉规模小，一般未设置昂贵的脱硫、脱硝和除尘装置。此外，在常规燃油过程中实现CO₂控制又是一个难点，若进行CO₂分离，则设备投资高，脱碳能耗大，系统经济性差。为此，发展一种不需要污染物末端控制的新型高效、清洁燃烧技术是近年来的研究热点。

将超临界水热燃烧技术应用于采油废液的无害化处理及注汽领域，辅助燃料超临界水热燃烧后的高温产物与冷的采油废液直接混合，将废液加热至超临界状态，进而发生快速、高效的SCWO反应，实现废液中污染物的无害化处理的同时，最终产生由水、CO₂、N₂等组成的超临界复合热载体。将其注入地层后，其所携带的热量对原油进行加热，使原油粘性下降，流动性急剧增强，CO₂、N₂等气体溶于原油，降低界面张力，进一步驱动了原油流动。除此之外，与常规注汽锅炉热力开采技术相比，超临界水热燃烧技术具有显著优势：(1)燃料中的硫主要以硫酸盐的形式存在于液相产物中，不会向大气中排放SOx；燃料中绝大部分的氮最终转化为氮气，几乎无NOx向大气排放；燃烧过程在水中进行，无烟尘和重金属向大气环境排放；燃料中碳的燃烧终产物为CO₂，其完全溶解于超临界水中，但当降温后CO₂很容易从水中分离，从而实现CO₂的低成本减排。因此，超临界水热燃烧技术可以实现污染物源头控制，不需脱硫、脱硝、除尘的末端装置，有效控制雾霾等大气污染。(2)燃料在超临界水中的燃烧过程为体积放热，是分子之间的直接传热，燃烧效率高。(3)反应后出水可达到水的临界点以上，在加强热力驱油作用的基础上，超临界水又是一种非极性溶剂，注入油层后可以实现类似于气体混相驱的混相驱油，超临界态的水可以溶解部分原油，从而增强原油的流动性，提高驱油效率。(4)无排烟损失，提高能量利用效率，减少燃料消耗。(5)将采油废液作为给水，同时实现废液的高效处理，降低水处理费用。(6)超临界水热燃烧装置体积小、占地面积少，适用于海上、井下等空间有限的情况。

然而，对弈超临界水热燃烧技术的开发还处于实验室阶段，还未被应用于实际工程中。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统，以甲醇作为辅助燃料，在实现高效、洁净、低碳燃烧的基础上，能无害化处理采油废液的同时提供有效的注汽介质，提高稠油采收率。

本发明所采用技术方案是，采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统，包括混凝预处理单元，混凝预处理单元连接有物料输运单元，物料输运单元连接有超临界水热燃烧单元，超临界水热燃烧单元连接有启动预热单元，超临界水热燃烧单元连接有超临界水氧化处理单元，超临界水氧化处理单元连接有蒸汽后处理单元；

混凝预处理单元包括采油废液储料池，采油废液储料池的出口连通有低压物料泵，低压物料泵连通有混凝沉降池，混凝沉降池连通有筒式过滤器，筒式过滤器连通有储料箱；

物料输运单元包括高压物料变频泵、甲醇储槽、液氧储槽，储料箱的出口连通高压物料变频泵，甲醇储槽连通有高压甲醇泵，液氧储槽的出口依次连通有低温液氧泵、氧化剂预热器、缓冲器；

超临界水热燃烧单元包括超临界水热燃烧蒸汽发生器，高压物料变频泵、高压甲醇泵及缓冲器均连接超临界水热燃烧蒸汽发生器；

启动预热单元包括软化水箱，软化水箱的出口依次连接有高压软化水变频泵、软化水电加热器、三通，三通连通超临界水热燃烧蒸汽发生器；

超临界水氧化处理单元包括超临界水氧化管式反应器，超临界水氧化管式反应器连接超临界水热燃烧蒸汽发生器，超临界水氧化管式反应器还连接有蒸汽过滤器和备用蒸汽过滤器，蒸汽过滤器和备用蒸汽过滤器为并行设置，蒸汽过滤器和备用蒸汽过滤器还共同连接氧化剂预热器；

蒸汽后处理单元包括CO₂缓蚀剂储罐，CO₂缓蚀剂储罐的出口连接有缓蚀剂计量泵，缓蚀剂计量泵连接有混合器，混合器还连接氧化剂预热器。

超临界水热燃烧蒸汽发生器包括顶盖和直筒体部分，顶盖上设置有热水进口、第二废液进口、第三废液进口、第一甲醇进口、第二甲醇进口、第三甲醇进口、第一氧化剂进口、第二氧化剂进口，直筒体部分包括承压壁74、第一内筒、第二内筒，第一内筒位于第二内筒内，承压壁的下部设置有氧化剂进口，氧化剂进口连通缓冲器的出口，承压壁的上部设置有氧化剂出口，氧化剂出口连通第一氧化剂进口和第二氧化剂进口；

氧化剂预热器设置为是套管式预热器，氧化剂预热器的内管的一端连接低温液氧泵，氧化剂预热器的内管的另一端连接缓冲器，蒸汽过滤器和备用蒸汽过滤器共同连接氧化剂预热器外管的一端，氧化剂预热器的外管的另一端连接混合器。

高压物料变频泵的出口并列设置有第一废液管、第二废液管、第三废液管，第一废液管连通三通，三通连通热水进口，第二废液管和第三废液管分别连通第二废液进口和第三废液进口，高压甲醇泵的出口并列设置有三个管道，三个管道分别连通第一甲醇进口、第二甲醇进口、第三甲醇进口。

第三废液进口设置在第一内筒和第二内筒之间的顶盖上，热水进口、第二废液进口、第一甲醇进口、第二甲醇进口、第三甲醇进口、第一氧化剂进口、第二氧化剂进口设置在第一内筒上部对应的顶盖上，第一内筒壁上开设有若干小孔。

三通设置有第一进口和第二进口，软化水电加热器出口连通第一进口，第一废液管连通第二进口。

筒式过滤器与储料箱之间设置有电动截止阀，第一废液管上设置有采油废液流量调节阀，氧化剂预热器的外管与混合器之间的管道上设置有压力调节阀。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用以甲醇作为辅助燃料的超临界水热燃烧蒸汽发生器，可以实现污染物源头控制，不需脱硫、脱硝、除尘的末端装置：燃料中的硫主要以硫酸盐的形式存在于液相产物中，不会向大气中排放SO_X；燃料中绝大部分的氮最终转化为氮气，几乎无NO_X向大气排放；燃烧过程在水中进行，无烟尘和重金属向大气环境排放；燃料中碳的燃烧终产物为CO₂，其完全溶解于超临界水中，但当降温后CO₂很容易从水中分离，从而实现CO₂的低成本减排。另外，燃料在超临界水中的燃烧过程为体积放热，是分子之间的直接传热，燃烧效率高。超临界水热燃烧技术无排烟损失，提高能量利用效率，减少燃料消耗。超临界水热燃烧装置体积小、占地面积少，适用于海上、井下等空间有限的情况。

(2)将采油废液作为给水，燃料超临界水热燃烧后的高温产物与冷的采油废液混合后，将其加热至25MPa、420℃，之后进入超临界水氧化管式反应器实现废液中有机污染物的快速、高效分解，生成CO₂、N₂等清洁产物，因而降低水处理费用。另外，结合混凝沉淀预处理、添加CO₂缓蚀剂等后处理措施，去除采油废液中的固体颗粒、结垢离子等引起采油管线腐蚀、地层堵塞的污染物，保证系统出水油田注水水质指标。除此之外，系统所产生的25MPa、400℃高温高压蒸汽可达到水的临界点以上，较高的温度参数，有利于超稠油和深层稠油的开采，加强热力驱油作用；而且超临界水又是一种非极性溶剂，注入油层后可以实现类似于气体混相驱的混相驱油，超临界态的水可以溶解部分原油，从而增强原油的流动性，进一步提高驱油效率。

(3)系统启动时，超临界水热燃烧蒸汽发生器采用三级甲醇逐级点燃，第一股小流量甲醇燃烧后放出的热量用以提供第二股甲醇升温至起燃温度的热量，第二股甲醇燃烧后的放热量进一步加热第三股甲醇至起燃温度。在系统启动阶段，辅助燃料甲醇在超临界水中起燃的起燃温度为500℃，本系统是通过电加热器产生600℃高温蒸汽来加热甲醇至起燃温度。采用三级甲醇逐级点燃，目的就是为了减少启动阶段保证甲醇起燃所需外热源，降低软化水电加热器的功率。根据计算结果，针对处理量为23t/h的采油废液系统，若未采用逐级加热，启动所需的蒸汽流量为8.42t/h，而采用三级甲醇逐级加热后，所需的蒸汽流量仅为0.23t/h。因此超临界水热燃烧蒸汽发生器采用三级甲醇逐级点燃，不仅可显著减少启动时软化水电加热器的功率，而且可降低该电加热器的设备造价，减少系统初步投资。另外，本系统采用30％的甲醇作为超临界水热燃烧的辅助燃料，研究结果表明，运行过程中，无需对燃料进行预热即可保证超临界水燃烧室内稳定的燃烧，因而在系统运行过程中，可关闭软化水电加热器，减少系统运行费用。

附图说明

图1是本发明采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统的结构示意图；

图2是本发明采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统的超临界水热燃烧蒸汽发生器的结构示意图；

图3是本发明采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统的超临界水热燃烧蒸汽发生器的顶盖的结构示意图。

图中，1.采油废液储料池，2.低压物料泵，3.混凝沉降池，4.筒式过滤器，5.储料箱，6.高压物料变频泵，7.超临界水热燃烧蒸汽发生器，8.超临界水氧化管式反应器，9.甲醇储槽，10.高压甲醇泵，11.液氧储槽，12.低温液氧泵，13.氧化剂预热器，14.缓冲器，15.CO₂缓蚀剂储罐，16.缓蚀剂计量泵，17.蒸汽过滤器，18.备用蒸汽过滤器，19.软化水箱，20.高压软化水变频泵，21.软化水电加热器，22.三通，23.混合器，24.采油废液流量调节阀，25.电动截止阀，26.压力调节阀；

61.第一废液管，62.第二废液管，63.第三废液管；

71.第一内筒，72.第二内筒，73.顶盖，74.承压壁；

731.热水进口，732.第二废液进口，733第三废液进口，734.第一甲醇进口，735.第二甲醇进口，736.第三甲醇进口，737.第一氧化剂进口，738.第二氧化剂进口，741.氧化剂出口，742.氧化剂进口；

221.第一进口，222第二进口；

281.温度测量仪，282.压力测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统，其结构如图1所示，包括混凝预处理单元，混凝预处理单元连接有物料输运单元，物料输运单元连接有超临界水热燃烧单元，超临界水热燃烧单元连接有启动预热单元，超临界水热燃烧单元连接有超临界水氧化处理单元，超临界水氧化处理单元连接有蒸汽后处理单元。

混凝预处理单元包括采油废液储料池1，采油废液储料池1的出口连通有低压物料泵2，低压物料泵2连通有混凝沉降池3，混凝沉降池3连通有筒式过滤器4，筒式过滤器4连通有储料箱5；

物料输运单元包括高压物料变频泵6、甲醇储槽9、液氧储槽11，储料箱5的出口连通高压物料变频泵6，甲醇储槽9连通有高压甲醇泵10，液氧储槽11的出口依次连通有低温液氧泵12、氧化剂预热器13、缓冲器14；

超临界水热燃烧单元包括超临界水热燃烧蒸汽发生器7，高压物料变频泵6、高压甲醇泵10及缓冲器14均连接超临界水热燃烧蒸汽发生器7；

启动预热单元包括软化水箱19，软化水箱19的出口依次连接有高压软化水变频泵20、软化水电加热器21、三通22，三通22连通超临界水热燃烧蒸汽发生器7；

超临界水氧化处理单元包括超临界水氧化管式反应器8，超临界水氧化管式反应器8连接超临界水热燃烧蒸汽发生器7，超临界水氧化管式反应器8还连接有蒸汽过滤器17和备用蒸汽过滤器18，蒸汽过滤器17和备用蒸汽过滤器18为并行设置，蒸汽过滤器17和备用蒸汽过滤器18还共同连接氧化剂预热器13；

蒸汽后处理单元包括CO₂缓蚀剂储罐15，CO₂缓蚀剂储罐15的出口连接有缓蚀剂计量泵16，缓蚀剂计量泵16连接有混合器23，混合器23还连接氧化剂预热器13。

如图2所示，超临界水热燃烧蒸汽发生器7包括顶盖73和直筒体部分，顶盖73上设置有热水进口731、第二废液进口732、第三废液进口733、第一甲醇进口734、第二甲醇进口735、第三甲醇进口736、第一氧化剂进口737、第二氧化剂进口738，直筒体部分包括承压壁74、第一内筒71、第二内筒72，第一内筒71位于第二内筒72内，承压壁74的下部设置有氧化剂进口742，氧化剂进口742连通缓冲器14的出口，承压壁74的上部设置有氧化剂出口741，氧化剂出口741连通第一氧化剂进口737和第二氧化剂进口738；

氧化剂预热器13设置为是套管式预热器，氧化剂预热器13的内管的一端连接低温液氧泵12，氧化剂预热器13的内管的另一端连接缓冲器14，蒸汽过滤器17和备用蒸汽过滤器18共同连接氧化剂预热器13外管的一端，氧化剂预热器13的外管的另一端连接混合器23。

高压物料变频泵6的出口并列设置有第一废液管61、第二废液管62、第三废液管63，第一废液管61连通三通22，三通22连通热水进口731，第二废液管62和第三废液管63分别连通第二废液进口732和第三废液进口733，高压甲醇泵10的出口并列设置有三个管道，三个管道分别连通第一甲醇进口734、第二甲醇进口735、第三甲醇进口736。

如图3所示，第三废液进口733设置在第一内筒71和第二内筒72之间的顶盖73上，热水进口731、第二废液进口732、第一甲醇进口734、第二甲醇进口735、第三甲醇进口736、第一氧化剂进口737、第二氧化剂进口738设置在第一内筒711上部对应的顶盖73上，第一内筒711壁上开设有若干小孔。

三通22设置有第一进口221和第二进口222，软化水电加热器21出口连通第一进口221，第一废液管61连通第二进口222。

筒式过滤器4与储料箱5之间设置有电动截止阀25，第一废液管61上设置有采油废液流量调节阀24，氧化剂预热器13的外管与混合器23之间的管道上设置有压力调节阀26。

超临界水热燃烧蒸汽发生器7的内腔71设置有压力测量仪282和温度测量仪281；

本发明的一种采油废液的超临界水热燃烧处理、注汽系统的工作原理为：

系统启动阶段：给储料箱5中加入清水，关闭筒式过滤器4与储料箱5之间的电动截止阀25，并且关闭采油废液流量调节阀24。启动高压物料变频泵6，通过高压物料变频泵6将储料箱5中的清水分流后，分别进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7的第二废液进口732和第三废液进口733。通过逐级调节压力调节阀26的开度，使超临界水热燃烧蒸汽发生器7出口的压力逐步上升至25MPa；

启动高压软化水变频泵20和软化水电加热器21，通过高压软化水变频泵20将软化水箱19中的软化水以0.23t/h的流量打入软化水电加热器21中加热，加热至600℃，进入三通22的第一进口221，从三通22流出后通过热水进口731进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7内，预热10min；

经预热10min后，开启高压甲醇泵10，通过高压甲醇泵10将甲醇储槽9中的纯甲醇以2.53t/h的流量升压后，分为三股流量，分别从第一甲醇进口734，第二甲醇进口735，第三甲醇进口736进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7。其中第一股甲醇进入第一甲醇进口734后，与从热水进口731进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7内的600℃热水混合，被加热至起燃温度500℃。开启高压甲醇泵10的同时开启低温液氧泵12、氧化剂预热器13，液氧储槽11中的低温液氧经低温液氧泵12以4.14t/h的流量升压后打入氧化剂预热器13的内管内，经氧化剂预热器13，从-183℃升温至250℃后进入缓冲器14，之后经过超临界水热燃烧蒸汽发生器7承压壁74的下部氧化剂进口742进入由承压壁74与第二内筒72之间的氧化剂通道中，由超临界水热燃烧蒸汽发生器7内部热流体对其进一步预热，之后从承压壁74的上部氧化剂出口741流出，被分流后分别通过第一氧化剂进口737和第二氧化剂进口738进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7，其中第一股氧气用以提供第一股和第二股甲醇燃烧所需氧化剂，第二股氧气用以提供第三股甲醇燃烧所需的氧化剂。第一股甲醇与第一股氧气混合起燃，所产生的高温燃烧后产物进一步加热第二股甲醇，使其升温至起燃温度500℃而发生燃烧反应，第二股甲醇燃烧后的高温产物又进一步加热第三股甲醇至起燃温度500℃而进行燃烧反应。三股甲醇都起燃后的高温燃烧产物进一步对蒸汽发生器7进行预热，直至超临界水热燃烧蒸汽发生器7中出口流体温度和压力分别达到420℃、25MPa。打开电动截止阀25，将储料箱5中的清水切换至采油废液。关闭高压软化水变频泵20和软化水电加热器21，打开采油废液流量调节阀24，将0.23t/h、600℃的热水切换为0.23t/h、15℃的采油废液，与第一股甲醇混合后配制为30wt％的甲醇废水混合溶液，系统正常运行。根据苏黎世联邦理工学院的研究结果表明，保证稳定水热燃烧的燃料溶液熄火温度随着燃料甲醇溶液浓度的增加而降低，30～32wt％的甲醇溶液所对应的熄火温度为常温。因此，本系统采用30wt％的甲醇溶液，可以不对其进行预热即可得到稳定的水热火焰，超临界水热燃烧蒸汽发生器7正常运行后，无需外热源即可维持其可靠、连续的运行。

系统正常运行时：采油废液储存于采油废液储料池1中，23t/h的采油废液经低压物料泵2进入混凝沉淀池3，在混凝沉淀池3中加入絮凝剂分离废水中的悬浮物，混凝沉淀池3中的固液混合物进入筒式过滤器4，实现固液分离，固相物质由筒式过滤器4底部定期排出，过滤后的上清液从过滤器上部出口流出，进入储料箱5；

储料箱5中的采油废液的上清液通过高压物料变频泵6升压后，分流为三股废液，第一股废液通过第一废液管61经过采油废液流量调节阀24进入三通22的第二进口222，然后通过热水进口731进入超临界水热燃烧蒸汽发生器7，并与通过第一甲醇进口734的第一股甲醇混合成混合配制成浓度为30％的甲醇废水混合溶液，再进入到第一内筒71内。第二股废液经过第二废液管62，通过第二废液进口732进入到第一内筒71内，与甲醇燃烧反应产物混合。第三股废液经过第三废液管63，通过第三废液进口733进入到第一内筒71和第二内筒72之间的环隙中，再通过第一内筒71上的若干孔进入到第一内筒71中，与第一内筒71中的甲醇水热燃烧高温产物，形成420℃的反应混合溶液。正常运行时，从第一氧化剂进口737进入蒸汽发生器7的第一股氧气用以提供第一股甲醇和第二股甲醇燃烧所需氧化剂，从第二氧化剂进口738进入蒸汽发生器7的第二股氧气用以提供第三股甲醇燃烧及采油废液超临界水氧化反应所需的氧化剂。

420℃的高压流体从超临界水热燃烧发生器7中流出后，进入超临界水氧化管式反应器8中进行超临界水氧化反应，在反应器中废液中的有机污染物被快速、高效的分解，反应后产物进入蒸汽过滤器17或备用蒸汽过滤器18，由于超临界水具有很低的介电常数，因而产物中的无机盐离子(结垢离子、腐蚀离子等)在其中的溶解度很低，而以无机盐固体颗粒的形式从中析出。流经蒸汽过滤器，可分离反应产物中的固体无机盐颗粒。蒸汽过滤器17与备用蒸汽过滤器18采用并联连接的方式，目的在于定期清理其中固体污染物时可实现二者自动切换，保证系统连续运行。过滤分离后的高温高压流体进入氧化剂预热器13外管进口对内管的氧化剂进行预热，被冷却至400℃后从氧化剂预热器13外管出口流出后通过压力调节阀25进入混合器23。压力调节阀25用以调节阀前压力，保证阀前压力保持在25±1MPa。在混合器23中与CO₂缓蚀剂混合，目的在于避免产物中的CO₂对注汽管线的腐蚀。至此，符合注汽要求的400℃、25MPa的高温高压蒸汽即可被注入地层。