页岩气产出水处理的成本和方法
25 March, 2018
关键要点
- 页岩废水有四种类型，每种都具有独特的性质，用途和处理方法。
- 开放式蒸发器为降低页岩气废水的体积提供了最经济的方案（总溶解固体含量（TDS）在100,000至200,000 mg/L之间）。但需要确保：挥发性有机化合物（VOC）的排放得到控制，可以获得低成本的热源，您的许可证允许，并且可以实现足够的减量（例如：生产固体）。
- 如果处理的页岩水浓度低于40,000 mg/L TDS（即约4％盐和96％水），则膜系统可以很经济地脱盐。如果您正在处理页岩产水，请确保您的膜系统能够承受有机物。虽然可以使用预处理来去除有机物，但是可能会增加成本。
- 页岩产水中的总溶解固体并不能被消除，因此需要考虑最终废料的处理方案，例如在工业上重复使用废盐。但由于废盐商业价值低，二次利用的经济可行度较低。
页岩气开采中不同类型的水
页岩气开采中使用的主要有四种水 ：
- 源水：来自附近的水源，如地表水或地下水，通常用于水力压裂（也称为“压裂”）。
- 盐水再利用水：是压裂过程后返回的水，盐度增加，但有时可以重新用作源水。在重复用于另一个压裂过程之前，可能需要略作处理。
- 压裂回返水（Frac Flowback）：是压裂过程后从地面返回的水。其中大部分在压裂过程后迅速返回，并且包含了用于压裂的化学品，这些化学品可以改变处理过程平衡等式。回流流速在第一（或几）周减慢，而总溶解固体浓度增加。如果需要用于后续的压裂应用，这些回流中的一部分可能成为盐水再利用水。
- 页岩产水：也会像回流水一样返回水面，但页岩产水很大程度上来源于处理过程。它会在更长的时间内更稳定地流动，并且具有更高的总溶解固体浓度。
水型 | 应用 | 特点 | 处理 | 体积（立方米/天） |
源水 | 压裂 | 分阶段蒸发到大气中，浓缩并生产锂。 本地取材，成本最低。 | 可以添加化学品和沙子。 | 在压裂过程中体积很高，然后逐渐减少到零。 |
盐水再利用水 | 水力压裂（重复使用） | 总固体溶解浓度：10,000至200,000 mg/L TDS. | 如果在压裂过程中重复使用，通常会过滤并偶尔软化（去除钡和钙）。 | 最大化处理以最大限度地减少未来的处理量。 |
压裂回返水 Frac Flowback | 如果需要水源，则重新使用，否则废弃或处理。 | 总固体溶解浓度在回流的第一周增加。 | 如下的膜技术。 | 压裂后立即升高（约有70％的注入水返回），流量在第一周逐渐减少。 |
页岩产水 | 如果需要水源，则重新使用，否则废弃或处理。 | 总固体溶解浓度变化，但通常可高达100,000至200,000 mg/L。 | 如下的开放式蒸发器。 | 每孔井 10-1000米 3 /天（63-6,300 桶（BBL） /天）。 |
页岩水处理方案
体积缩减 ：（100,000至200,000 mg/L总溶解固体浓度的产水 ）
技术：
- 开放式蒸发器：蒸发到大气中，将比使用封闭式蒸发器减少废水量的成本更低。但是，需要确认热源，空气排放，废液浓度和许可证方面的适用性。 总投资（资本成本+运行成本）的范围为$ USD 12 – 24/m3 （$ 2 – 4/BBL）。
注意事项：
- 空气排放：虽然水蒸气对环境无害，但产出水有可能包含随水蒸发的挥发性有机化合物（VOC）。苯是产出水中最常见的挥发性有机化合物VOC，是一种受管制的致癌物质。挥发性的有机化合物还可能包括砷和镭。请确保您提前计划好挥发性有机化合物的处理方案，因为监管机构和投资方都会对此有所要求。有相关案例，已经运行的大气开放式蒸发器由于挥发物而被投资者关停。建议进行风险评估，并在资本投入之前，进行中试测试。 Saltworks的开放式蒸发器 AirBreather 包括一种新型的VOC管理系统，可以清除排出的水蒸气中的有机化合物。现有的中试设备可以证明这一点，并可以进行空气扩散模型模拟，以帮助许可证申请。
- 能耗： 一立方米（6.3 BBLs）的水需要3.3 GJ（220万BTU）的能量才能蒸发。 然而，被称为“㶲”的能量值取决于其温度。如果可以获得余废热或低温热源，例如来自往复式发动机冷却的废热，排气或燃烧废气的废热，则将提供最佳经济性。水在100°C（212°F）沸腾，大多数发动机废热源为85-95°C，这不足以使水沸腾蒸发。 然而，Saltworks AirBreather不需要沸腾，而仅加湿空气。 从而能够使用温度低得多的热源。而其他开放式大气蒸发器则直接燃烧气体，例如天然气。 需要权衡的是，加湿需要较大的反应室，但可以使用较低温度热源，并且可以由工程塑料构造以抵抗腐蚀和结垢问题。
- 预处理：有些蒸发器不能承受引起结垢的化合物，因此请务必完成水质分析并与技术供应商核实。AirBreather 可用于处理任何未经预处理的水，并且在结垢不可逆之前，通过自清洁去除水垢。
- 浓度限制：大多数开放式蒸发器的总溶解固体浓度上限为150,000至250,000 mg/L，高于此值, 低溶解度固体可能积聚并开始堵塞。在投资之前，确定这些浓度限值是有必要的，因为它们直接影响设备的产能。如果您的进水为200,000 mg/L TDS，而设备只能浓缩至250,000 mg/L TDS，这意味着设备仅实现20％的体积缩减。 AirBreather没有总溶解固体浓度限制，并且可以产生固盐，并内置自清洁和防腐蚀结构。 这意味着您可以去除几乎所有水量，将产水的体积减少到任何所需的水平。 但是，残留固盐必须要加以处理。
工程塑料制成的模块化模块
- 腐蚀：继结垢之后，腐蚀是蒸发器的第二大杀手。当暴露在高氯化物的产水中时，不锈钢会迅速腐蚀。超级双相不锈钢提供更高的抗腐蚀性，但是比较不腐蚀的钛和哈氏合金等特殊金属的成本更高。 AirBreather的液体接液部件95％是凝胶涂覆的玻璃纤维和工程塑料，从而完全去除了腐蚀风险。热交换器由钛构成。但AirBreather在任何金属表面上都不会沸腾，从而降低了结垢的可能性。 AirBreather的智能控制装置可监控热交换器的性能，在发生任何不可逆转的性能衰减之前，自动清洁。
淡水生产： （ <40,000 mg/L 总溶解固体浓度的压裂回返水 ）
技术：
- 膜 ：反渗透（RO）和倒极电渗析（EDR）是最广泛使用的膜脱盐技术。 然而，这些方法对中等总溶解固体浓度（低于40,000 mg / L TDS）的水，其经济性有限。 此外，由于存在烃和溶剂，反渗透和倒极电渗析都可能发生膜污染损坏。 现代化的膜系统，如 Flex EDR Organix 由于采用了新一代高度交联的离子交换膜聚合物，从而可以耐受溶剂，在溶剂存在下不会损坏膜。 倒极电渗析（EDR）系统（150,000 mg/L）还可浓缩至高于反渗透系统（80,000 – 120,000 mg/L）的浓度水平，并且可以选择性地去除某些可导致热处理系统或处理井中结垢的离子。 膜系统（投资成本+运行成本）的总成本的范围是$ USD 3- 9/m3（$ 0.5-1.5/BBL），然而，反渗透若需预处理，则将大幅提高成本。
Saltworks的 Xtreme RO反渗透系统和Flex EDR倒极电渗析系统
废盐处理和锂回收
- 废盐处置方案：尽管可以从产水中分离出相对纯净的水，但总有废盐残留，包括有机物（石油副产品）和无机物（混合盐）。提前计划废盐处理非常重要。 排放井的一个优点是它们可以处理所有残留物，并且如上所述，处理成本和体积可以通过预浓缩处理来限制。 但是，也可以采用以下方案：（a）生产用于填埋处理的混合固废; （b）分离出有机物并生产用于工业再利用的精制盐。 这包括化学预处理和分阶段结晶的组合过程 。
- 如果要生产固盐，请务必研究和评估处理方案的使用寿命。 垃圾填埋场排放必须通过填埋油漆过滤，浸出和放射性测试。 Saltworks可以帮助评估您的产水是否可以通过这些测试。 Saltworks还可以审查您的水是否有可能生产有益的工业盐以供再利用-尽管不太可能通过盐的销售提供二次收入。大多数盐的价值很低，生产，处理和运输的成本几乎抵消了产生的任何收入。不过，工业再利用可以避免支付填埋处理费用也抵消了成本。
- 锂：一些油田盐水含有60-100毫克/升范围内的锂（0.006-0.01％），并且已经出现了从油田盐水中获取锂的一些潜在尝试。 Saltworks拥有锂提取专利，已经为锂公司建造设备 ，并且拥有通过离子交换膜选择性提取锂的技术。Saltworks拥有该领域的经验，并且了解相应的成本。通常，必须处理极大量的水以收集足够的锂，这意味着集中式系统和运输成本。 在作者看来，页岩产水处理的最佳经济效益是通过合理的水处理而不是锂提取来实现的，但是如果富含锂的盐水与集中的大量产水都存在，则可以评估这一解决方案的可行性。
总结
页岩气和页岩油的开采为现今社会提出了一种领先的能源解决方案，但它的未来前景和开采是与废水处理紧密相关的。 Saltworks的开放式蒸发器为减少页岩废水量提供了最佳经济效益的解决方案。