长庆油田所辖的靖边气田、苏里格气田、榆林气田等均位于毛乌素沙漠南缘, 该区域内天然气开采过程中均使用甲醇来抑制天然气水合物的生成, 产生的气田甲醇污水“点多、面广、成分复杂”^[1]。气田分布范围约10万平方千米, 区域内生态环境脆弱, 虽然地表水较少, 但地下水资源丰富, 部分地区地下水位浅, 埋深在0.5 m~15 m不等, 含水层厚15 m~80 m, 为优质水源地。甲醇属中等毒性物质, 自然条件下化学性质稳定。长庆油田在气田开发初期就确定了“汽车拉运, 集中处理, 回收甲醇循环使用, 脱甲醇废水回注地层”的工艺路线, 最大限度地减轻了甲醇对地面生态环境的影响。截至2009年底, 在鄂尔多斯盆地已建成11处甲醇污水处理场, 共15套装置, 年总处理污水能力约50×10⁴ m³。2009年实际处理污水约30×10⁴ m³, 回收甲醇约8.0×10⁴ t (95%, w), 回注脱甲醇废水约22×10⁴ m³ (甲醇含量0.1%, w)。

靖边气田已开发十多年, 气井井口油套压力逐渐降低, 注醇量也在逐渐减少, 据统计每年的6~10月份气井产出污水中甲醇浓度多数低于3% (w, 下同), 该气田每天产水300 m³~500 m³。而新开发的苏里格气田由于采用了不同于靖边气田的开发工艺, 仅个别气井解堵时需要注醇, 大多数集气站产生的气田甲醇污水常年甲醇浓度低于5%, 2009年该气田每天产水1000 m³~1500 m³。众所周知, 精馏工程是耗能大户, 因此有必要从能耗角度对已建装置处理低浓度料液进行分析, 为决策者提供参考, 文献[2]对甲醇再生装置的能耗构成、节能措施已有较详实的介绍, 本文仅就原料及脱甲醇废水中甲醇浓度对装置能耗的影响加以分析。

1 脱甲醇废水甲醇含量对能耗的影响分析

长庆气田已建设的甲醇回收装置原设计进料污水中甲醇含量均不低于10%, 苏里格气田及靖边气田的装置在夏季运行时进料污水中甲醇含量均低于10%, 装置长期偏离设计负荷运行。利用UniSim Design R380软件建立了甲醇回收装置的模拟计算模型, 模拟计算模型见图 1, 对不同工况下的甲醇回收装置进行了物料、能耗等模拟计算。

图 1

图 1     甲醇回收装置的模拟计算模型图

1.1 原料甲醇浓度变化时的能耗分析

甲醇回收装置回收每标准立方米产品甲醇(浓度为95%~96%)时, 不同进料浓度、不同塔底脱甲醇废水甲醇浓度与再生能耗之间的关系见图 2。

图 2

图 2     不同进料浓度、不同塔底水中甲醇浓度与再生能耗之间的关系图

由图 2可以看出, 进料浓度相同, 甲醇回收装置的再生能耗随塔底脱甲醇废水中甲醇浓度的降低逐渐升高, 在进料浓度低于3.0%时能耗急剧上升。比较结果可看出, 对于甲醇含量在1%~3%的污水, 每回收1 t甲醇产品(塔底水中甲醇浓度为0.1%), 仅蒸汽消耗量就为33 t~10.5 t, 相对应的蒸汽费用为4000元~862元, 而粗甲醇产品的市场价格约1200元/t, 显然不经济。靖边气田夏季6月~10月处理能耗及费用测算见表 1 (按5个月150天, 每天处理300 m³计) :虽然回收甲醇产品913.5 t, 每吨产品甲醇耗能约3.6×10⁴ MJ, 比不回收甲醇多耗能3201.43×10⁴ MJ, 多支出成本约90.37万元, 因此, 从节能降耗、节约成本角度讲, 当污水中甲醇浓度≤3.0%时, 可考虑不回收甲醇, 直接回注。

表 1

表 1    低浓度甲醇污水回收甲醇与不回收甲醇的能耗对比

表 1    低浓度甲醇污水回收甲醇与不回收甲醇的能耗对比

1.2 塔底水中甲醇含量变化时的能耗分析

以处理量为80 m³/d, 进料浓度为10%, 稳定产品甲醇浓度95%~96%为例, 塔底脱甲醇废水中甲醇浓度与再生能耗之间的关系见图 3。

图 3

图 3     塔底水中甲醇浓度与再生能耗之间的关系图

由图 3可以看出, 在相同处理量、相同进料浓度的情况下, 甲醇回收装置的再生能耗随塔底脱甲醇废水中甲醇浓度的降低逐步升高, 塔底水中甲醇浓度在0.2%~3.0%时, 再生能耗增加平缓, 在塔底脱甲醇废水中甲醇浓度低于0.2%时再生能耗急剧上升。拐点0.2%时的能耗相比现在控制塔底脱甲醇废水甲醇含量小于0.1%的能耗, 节约蒸汽量约10%。长庆气田执行塔底脱甲醇废水甲醇含量≤0.1%已10年, 相比0.2%的控制指标, 每处理1×10³ m³约少回收1 t甲醇产品(95%), 按2010年年处理污水33×10⁴ m³测算, 少回收312 t甲醇产品(95%), 每吨产品甲醇耗能约0.3×10⁴ MJ, 总能耗多514.0×10⁴ MJ; 成本与收益基本持平, 说明控制脱甲醇废水甲醇含量≤0.1%在经济上是合理的, 但对于精馏塔实际操作难度远大于控制指标≤0.2%, 能耗及成本对比见表 2。

表 2

表 2    进料浓度按10%计不同塔底的能耗对比图

表 2    进料浓度按10%计不同塔底的能耗对比图

对比表 1及表 2, 由于进料浓度的不同, 单位甲醇产品能耗显著不同, 进料浓度3%时的能耗是10%时的7倍左右。

2 脱甲醇废水回注及安全

《气田水回注方法》 (SY/T6596-2004)中回注水指标没有单列“甲醇”, 从保护地下水资源的角度讲, 且不考虑甲醇的毒性影响, 即使水质达到规范所列项目要求, 如果其渗入地下水源层, 仍将被定性为污染事故。因此, 从环保角度讲不必将“甲醇”单列为控制指标。但是, 甲醇含量大于等于5%时, 溶液会发生闪燃^[2]。因此, 结合长庆气田实际情况, 建议控制回注水甲醇浓度不高于3%。

3 结论

(1) 通过能耗分析知, 现行企业标准控制塔底废水甲醇含量小于≤0.1%不合适;

(2) 通过能耗分析知, 控制塔底废水甲醇含量≤0.2%相比控制≤0.1%, 将节能最少5%;

(3) 通过能耗分析知, 当污水中甲醇浓度低于3.0%时, 可考虑不回收甲醇, 直接回注, 无安全隐患。

参考文献

[1]	李勇. 长庆气田含甲醇污水处理工艺技术[J]. 天然气工业, 2003, 4: 112-115. DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2003.04.035
[2]	单巧丽, 李勇, 王明军. 气田甲醇污水处理装置节能技术研究[J]. 石油化工安全技术, 2009, 6: 9-12.