超稠油采出水回用鍋爐結垢機理研究及優化*

楊長根 樊玉新 張鋒 胡遠遠

中國石油新疆油田分公司工程技術研究院

新疆油田某作業區超稠油資源豐富，由于超稠油開采過程中黏度較高（50 ℃時，平均15 000 mPa·s），使用過熱蒸汽可以取得較好的開采效果，因此過熱注汽鍋爐得到規模應用。某作業區鍋爐給水采用超稠油凈化軟化水，由于超稠油采出水具有高溫、高硅、高礦化度（溫度約90 ℃，硅以SiO2計約360 mg/L，礦化度約5 600 mg/L）的特點，鍋爐給水不能滿足過熱注汽鍋爐對水質的要求，造成鍋爐結垢頻繁，爐管爆管事故頻發，同時造成注采系統注汽閥門更換頻繁，井口泵卡次數多等一系列問題，影響鍋爐安全運行及油田正常生產，近年來，眾多學者對此展開研究。

隨著國內外稠油熱采技術的應用，注汽鍋爐被廣泛應用于油田開發[1-3]；袁鵬[4]通過建立鹽垢沉積模型來預測注汽鍋爐運行的安全性與經濟性；楊博文[5]針對油田注汽鍋爐能量損失的主要原因提出改進措施；叢彬龍等[6]分析了油田注汽鍋爐爐管結垢爆管的原因；吳麗萍等[7]分析了油田注汽鍋爐燃氣燃燒技術發展歷程及遠景；張亮等[8]通過爆管因素的定性與定量分析，指出注汽鍋爐發生過熱是爐管最終失效的根本原因；唐麗[9]針對六九區稠油污水回用鍋爐中SiO2含量超標的現象進行了研究；李漢卿等[10]通過CFD 數值模擬軟件對油田注汽鍋爐輻射段受熱面水冷壁溫度場進行優化研究；DONG 等[11]通過對過熱蒸汽管道的沉積物進行研究分析，證實因Na2CO3和Si(OH)4參與形成了鍋爐結垢，并且研究了深度軟化工藝帶硅運行的可能性；DAI 等[12]研究了過熱注汽鍋爐腐蝕結垢現象。

本文通過對鍋爐垢樣檢測分析，明確鍋爐結垢機理，針對結垢機理開展研究，進行超稠油采出水深度處理工藝實踐，指導過熱注汽鍋爐給水水質制定，確保過熱注汽鍋爐安全、經濟、高效運行。

1 過熱注汽鍋爐運行機理

鍋爐給水經柱塞泵強制升壓后，依次由預熱器、對流段、輻射段加熱汽化后形成約80%干度的濕蒸汽，進入到汽水分離裝置進行汽水分離。分離出干度達到99%以上的高干度蒸汽，高干度蒸汽進入過熱器加熱升溫后，與分離出的飽和水匯入噴水減溫器混合，形成具有一定過熱度的蒸汽（過熱度1～30 ℃）。

鍋爐給水采用超稠油凈化軟化水時，過熱注汽鍋爐主要表現為飽和運行頻繁，對流段、輻射段、過熱段和摻混段結垢腐蝕嚴重（結垢為主），壓降高。

2 結垢機理研究

2.1 爐管垢樣分析

選取新疆油田某作業區17-14-1#過熱鍋爐，爐管分別選取前端、中端、后端各長約30 cm，即第1、28、56 根爐管，依次定名為F1、F28、F56。將爐管切割為兩半，F1 垢層最薄，垢樣均勻，較易取下；F28 垢層稍厚，垢樣均勻、致密，較難取下；F56 垢層最厚，表層疏松、不均勻，下層垢樣非常堅硬、致密，較難與爐管壁分離。爐管垢樣檢測結果如表1 所示。分析可知，SiO2平均占47.8%（質量分數，下同），Ca、Mg、Na 鹽平均合計占25.1%。該結果表明Si 和鹽是造成結垢的主要因素；O 是造成腐蝕的主要因素。過熱注汽鍋爐以結垢為主，腐蝕為輔。

表1 爐管垢樣成分分析Tab.1 Composition analysis of furnace tube scale sample %

2.2 結垢機理

鍋爐爐管中積鹽垢宏觀和微觀形貌如圖1 所示。通過對鹽垢宏觀形貌的研究表明：鹽沉積量大、密實；積鹽的整體性強；鹽垢呈現明顯的3 層狀態，其厚度由大到小依次為2#、1#、3#。通過對鹽垢微觀形貌的研究表明：1#厚度大約為0.542 mm，2#厚度約為4.628 mm，3#基本沒有厚度。1#～3#垢樣的EDS 如圖2 所示，通過元素分析可知：1#垢樣主要元素組成為O、Na、Si、C，從摩爾百分比來看，其含量大小依次為O、Na、C、Si，并且比例近似為25∶10∶9∶6；2#垢樣主要元素組成為O、Na、Si、C，從摩爾百分比來看，其含量大小依次為O、Na、C、Si，并且比例近似為24∶10∶9∶9；3#垢樣主要元素組成為O、Na、Si、C，從摩爾百分比來看，其含量大小依次為O、Na、C、Si，并且比例近似為29∶10∶10∶1。

圖1 爐管中積鹽垢宏觀和微觀形貌Fig.1 Macro and micro morphology of salt deposits in furnace tube

圖2 1#～3#垢樣的EDSFig.2 EDS of 1#～3# scale sample

鹽垢主要元素電子結合能XPS 分峰分析如圖3所示。Na 結合的元素為O，Na2CO3含量（以Na計）在Na 元素的總量中占26%，Na2Si2O5含量（以Na 計）在Na 元素的總量中約占48.7%，Na 元素存在于Na-O-Si=O 的結構中；C 元素的化學態主要為有機物、碳酸鹽和硅碳鹽，以有機物形式存在的C占78%，以碳酸鹽形式存在的C 占10.9%，以硅碳化合物形式存在的C 占11.1%；Si 元素結合的主要為O，以Si-C 形式存在的硅占10.8%，以Si-O-Si形式存在的硅占22.5%，以O=Si=O 形式存在的硅占35.9%，以Si=O 形式存在的硅占30.8%。

圖3 鹽垢主要元素電子結合能XPS 分峰分析Fig.3 XPS peak analysis of main elements electron binding energy of salt scale

鹽垢形成機理如圖4 所示。該機理明確了有機/無機碳誘導Si、S、O 縮聚物的結垢。當鍋爐給水依次經過各受熱面時：水質中存在HCO3-、硅酸鹽，高溫、高壓下，NaHCO3易析出粘附在爐管壁，轉變為Na2CO3，成為晶體基質；高溫、高壓促進硅酸鹽轉向H2SiO3，分解為SiO2，SiO2與Na2CO3發生反應形成鹽垢。高溫高壓斷鍵+縮聚反應是鹽垢形成的主要機理，鹽垢中主要物質分子式為Na2Si2O5；垢的形成取決于Si 含量和碳酸氫鹽（碳酸鹽）含量；碳酸鹽和碳酸氫鹽作為鹽垢的晶體基質，誘導了鹽垢生長。

圖4 鹽垢形成機理Fig.4 Salt scale formation mechanism

3 除硅、除鹽優化研究

目前，除硅主要有石灰軟化法、化學除硅法、混凝劑除硅法、離子交換除硅法及膜除硅法等，針對新疆油田超稠油采出水具有高溫、高硅、高礦化度等特點，相比化學除硅法，石灰軟化法會產生大量污泥，混凝劑除硅法藥劑用量大、成本高，離子交換除硅法和膜除硅法很難達到相同的處理效果，故選擇化學除硅法。

除鹽主要是物理法，有雙膜法、離子交換法、電滲析法、電吸附法、蒸餾法（MVC、MED、TVC）等，但大部分技術都不適合高溫采出水除鹽，由于MVC 除鹽蒸發溫度高達103～106 ℃，適合處理高溫采出水，故選擇MVC 除鹽。

3.1 化學除硅

針對超稠油采出水高硅特點，研發了高效除硅反應器，并優選除硅劑1#和除硅劑2#。1#藥劑主要作用是調節pH 值，2#藥劑主要作用是反應絮凝作用，控制加藥量，使指標停留時間縮短60%，在除硅藥劑體系協同作用下，提高了除硅效果（表2）。通過控制加藥濃度和除硅時間，使得調儲罐出口SiO2濃度由249 mg/L 降至100 mg/L 以下，實現了除硅目的，確保了過熱鍋爐安全、穩定運行。從2016 年開始，化學除硅裝置投運后，鍋爐運行情況已有改善。2018 年，由于除硅反應器需要定期維修保養，造成2018 年鍋爐飽和運行臺數較2017年上升。正常運行期間，過熱注汽鍋爐飽和運行臺數由2014 年除硅裝置投運前的25 臺/周降低為2019年17臺/周，沖洗臺數由2014年35臺/日降低為2019 年12 臺/日。鍋爐運行情況如圖5 所示。

表2 除硅效果Tab.2 Silicon removal effect

圖5 鍋爐運行情況Fig.5 Boiler operation situation

3.2 MVC 除鹽

采用MVC 深度處理油田凈化水和高含鹽水。首先來液進入原液緩沖罐，由進料泵將原液提升至冷凝水預熱器，換熱后再進入降膜蒸發器，當達到循環水量后，蒸發器的循環系統便開始工作；循環的鹽水原液由蒸發器的頂部經布液器分布到換熱管的內部，均勻成膜，自上而下流動。殼程通入飽和蒸汽，加熱原液，原液被加熱汽化，產生濃縮液由底部進入循環泵，繼續循環濃縮；蒸汽進入到蒸發器的分離室，分離出來的二次蒸汽進入到蒸汽壓縮機，升壓增溫后對循環原液進行換熱；蒸汽的冷凝液由冷凝水罐收集回用，然后再給來液加熱，實現熱量循環利用。

MVC 除鹽實現產水礦化度≤50 mg/L，脫鹽率≥98%，MVC 產水指標情況如表3 所示。凈化水和高含鹽水經MVC 深度除鹽后鍋爐給水水質改善明顯，對油田外排水減量化和高效利用具有重要意義。

表3 MVC 產水指標情況Tab.3 MVC water production indicators

3.3 標準制定

現場運行結果表明，在鍋爐給水礦化度為2 500 mg/L、SiO2為100 mg/L 時，經現場分析，此時鍋爐結垢率≤5%，鍋爐轉輪沖洗周期為9 天，為最佳的運行時間。此時間內，鍋爐過熱器平均壓差為1.13 MPa，摻混器平均壓差為0.12 MPa，達到了經濟性與技術性的統一。

通過爐管垢樣分析及結垢機理，研究了鍋爐各項水質指標對鍋爐運行的影響，結合鍋爐運行情況等綜合考慮，制定新疆油田過熱注汽鍋爐給水水質指標標準（Q/SY XJ 0304—2019）如表4 所示（硬度和全堿度都以CaCO3計）。

表4 各項水質指標對鍋爐運行的影響Tab.4 Influence of various water quality indexes on boiler operation

4 結論

（1）Si 和鹽是造成過熱注汽鍋爐結垢的主要因素，高溫高壓斷鍵+縮聚反應是鹽垢形成的主要機理，鹽垢中主要物質為Na2Si2O5，鹽垢的形成取決于Si 含量和碳酸鹽含量，碳酸鹽和碳酸氫鹽作為鹽垢的晶體基質，誘導了鹽垢生長。

（2）化學除硅可以有效將鍋爐給水中SiO2濃度降至100 mg/L 以下，鍋爐飽和運行臺數由除硅裝置投運前的25 臺/周降低為17 臺/周，沖洗臺數由除硅裝置投運前35 臺/日降低為12 臺/日。

（3）MVC 除鹽可以實現產水礦化度≤50 mg/L，脫鹽率≥98%，明顯改善了鍋爐給水水質，對油田外排水減量化和高效利用具有重要意義。