用于化石燃料开采站的废物处理方法 |
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| 申请号 | CN201580038027.2 | 申请日 | 2015-05-12 | 公开(公告)号 | CN107075395A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | DPS布里斯托尔(控股)有限公司; | 发明人 | 大卫·约翰·帕金森; 尼克·卢克·帕尔默; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于化石 燃料 开采站(18,40)的 废物处理 方法，其包括以下步骤：处理 化石燃料 开采过程中生成的开采废物，将其转化为具有比开采废物更高热值的一级废物；将一级废物和二级废物混合成 热解 原料，二级废物的热值比一级废物低；在热解单元(32)中将热解原料热解获得热解炭；以及在 气化 单元(36)中将热解炭气化，形成 合成气 和灰分。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于化石燃料开采站的废物处理方法，其包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于化石燃料开采站的废物处理方法技术领域背景技术[0003] 除了开采化石燃料之外，一些化石燃料的开采过程中会产生废物流，而其中至少一部分废物流含有高热值的材料。例如，钻井过程需要钻井液冲洗在钻井孔的钻井岩屑并将钻井岩屑保持在悬浮状态。常见的钻井液包括基于石油产品(例如柴油)的油基钻井液(OBMs)和基于合成油的合成油基钻井液(SBMs)。钻井液和钻井岩屑是需要处理的副产品。钻井液可被循环至一定程度，但是有必要处理不可再循环的钻井液和被钻井液污染的钻井岩屑。海上钻井站的钻井岩屑和钻井液的常规处理方法包括将这些废物排放到海底、重新注入钻井或运输至陆地进行填埋处理。陆上钻井站的钻井液和钻井岩屑则采用填埋处理。 但是，现有的处理方法可能对环境造成危害。 [0004] 强化采油回收(EOR)过程是化石燃料开采过程中另一个会产生含有高热值材料废物流的过程。EOR是一种通过将流体注入油田中来采收油田中更大比例的油的方法。一种常见的方法是聚合物驱油，将水和聚合物的混合液注入油田以将油驱向生产井，从生产井孔中开采的流体是含有聚合物的油和采出水(例如从生产井产生的副产物水)的混合物。油可以与采出水分离，在一些情况下，还可以分离出一部分水用于再利用(例如重新注入油田)。然而，剩余的采出水必须处理。由于采出水中含有高含量(通常200ppm～1000ppm，或者 200mg/kg～1000mg/kg)的聚合物，因此将采出水排放至海水中(海上油田开采站)或将其在蒸发池(陆上油田开采站)中蒸发的方法是不理想和/或违反环境法规的。 [0005] 化石燃料开采站通常位于世界的偏远地区，因此处理这些高热值材料是困难和/或高成本的。 [0006] 有鉴于此，确有必要提供一种用于化石燃料开采站的废物处理方法。 发明内容[0007] 根据本发明的一个方面，本发明提供了一种用于化石燃料开采站的废物处理方法，其包括以下步骤：处理化石燃料开采过程中生成的开采废物，将其转化为具有比开采废物更高热值的一级废物；将一级废物和二级废物混合成热解原料，二级废物的热值比一级废物低；在热解单元中将热解原料热解获得热解炭；以及在气化单元中将热解炭气化，形成合成气和灰分。 [0008] 所述一级废物为高热值废物，所述二级废物为低热值废物，所述一级废物的热值比所述二级废物的热值高。 [0009] 将高热值废物和低热值废物混合可以调节获得的热解原料的总热值，使其在热解和气化过程中可以被处理。将高热值废物与低热值废物混合还可以使低热值废物在自持性热解和气化过程中被处理，并且可调节热解原料的含水量。 [0010] 高热值废物，例如一级废物，具有大于30兆焦耳/千克(MJ/kg)的热值(CV)。低热值废物，例如二级废物，包括人类和/或消费者废物，具有小于20MJ/kg的热值，例如具有10MJ/kg～20MJ/kg的热值。 [0011] 热解原料可以是泥浆形式。 [0012] 处理开采废物包括干燥开采废物，废物处理方法还包括将混合后的一级废物和二级废物进行干燥。干燥可以在干燥器中进行，干燥器可以是真空干燥器。 [0013] 化石燃料开采过程可以是石油和/或天然气的开采过程。 [0014] 化石燃料开采过程是强化采油过程，开采废物包括强化采油过程中的采出水。强化采油过程包括聚合物驱油，采出水中含有聚合物。在聚合物驱油中，长链聚合物分子与水混合后注入油田，增加水的粘度，从而降低水/油迁移率，使得水和聚合物的混合物能有效地驱动油向生产井移动。 [0015] 采出水中聚合物含量为200ppm～1000ppm或200mg/kg～1000mg/kg。 [0016] 化石燃料开采过程中可以产生含有油和采出水的回收流体，采出水是油分离过程中产生的废物，油分离过程中石油从采出水中分离。 [0017] 采出水处理过程包括从采出水中沉淀和分离固体。可以通过调节采出水的pH将固体沉淀。从采出水中沉淀固体还可用电凝法。分离过程可以在沉降槽中进行。此外，还可以使用分离装置进行分离，分离装置包括一个或多个旋风分离器、过滤器和/或离心机。 [0018] 化石燃料开采过程可以为钻井过程，例如用于石油和/或天然气开采井的钻井过程，开采废物可以包括钻井岩屑和钻井液。石油和/或天然气开采井的钻井过程可以是钻井孔的钻井过程(即在该过程中不开采石油或天然气)。钻井液为油基钻井液(OBM)。油基钻井液具有优于其它类型钻井液的优点，尤其是油基钻井液可用于增强钻井过程的渗透速率。 [0019] 化石燃料开采过程还可以是产生可再循环钻井液以及不可再循环的钻井岩屑和钻井液的钻井过程。开采废物可以包括不可再循环的钻井岩屑和钻井液。可再循环的钻井岩屑和钻井液可以再循环至钻井过程。 [0020] 一级废物包括如本说明书所述的被处理的来自地下源的开采废物。二级废物包括从地表源产生的废物(即不是在地表下产生的废物，而是在地表上产生的废物)。二级废物与一级废物的来源不同。二级废物还包括人类废物和/或消费者废物，人类废物可以包括废水，消费者废物可包括产品包装、废弃消费品和食品废物。 [0021] 废物处理方法还可以包括燃烧热解气和/或在热解和/或气化时产生的合成气。废物处理方法还可以包括将热解气和/或合成气燃烧产生的热能用于化石燃料开采站。热能可用于产生电力，热能还可通过热泵(例如朗肯循环压缩机)提供给空调。 [0023] 下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明进行详细说明，其中： [0024] 图1为本发明用于化石燃料开采站的废物处理方法一个实施方式的示意图。 [0025] 图2为本发明用于化石燃料开采站的废物处理方法另一个实施方式的示意图。 具体实施方式[0026] 图1所示为油田18强化采油(EOR)的聚合物驱油方法和本发明用于处理来自EOR的采出水和油的废物处理方法。 [0027] 在聚合物驱油方法中，来自水源10的水和来自聚合物源12的聚合物在混合步骤14中混合，并经由注入井16注入油田18的油储层中。聚合物选自具有长链高分子的聚合物，其与水混合形成高粘度的溶液。图示实施方式中，聚合物为聚丙烯酰胺“PAM”(或可水解的聚丙烯酰胺HMPA)，但在其它实施方式中，可以选用任何合适的材料。在典型的强化采油(EOR)过程中，聚合物材料在溶液中的重量含量为5～10％。 [0028] 注入井16的下端位于油田18的油储层内，使得从注入井16注入油田的水和聚合物的溶液能将油储层内的油驱动到回收井孔20，并在回收井孔获得油。因为粘度的增加意味着水和聚合物的溶液不流过或通过油而是使其移动，所以高粘度的水和聚合物的溶液比单独的水能更好地将油驱向回收井孔。 [0029] 含有油和采出水(包括水和聚合物的溶液)的回收流体在回收井孔20中向上流动。回收流体还可以包括一定量的天然气以及一些产自油田18和/或回收井孔20的污染物。 [0030] 回收流体被处理，以将油和采出水分离。特别地，回收流体通过管线从回收井孔20输送到油分离器22。图示实施方式中，油分离器22包括一系列用于分离重水和固体，油和溶解在回收流体中的气体的三相分离器。三相分离器能够处理活塞流，其输入流包括单相离散部分。在三相分离器中，较重的水和回收流体内的固体沉降到底部，而较轻的油上升并在油分离器22内形成一层油。油分离器22将回收的油通过第一输油管输出，并输出采出水的回收废物流(即由回收流体剩余部分组成的开采废物)。 [0031] 回收废物流包括水和聚合物溶液以及油田开采的固体。回收废物流通过分离出水、聚合物和污染物处理，详细描述如下。 [0032] 回收废物流被输送到固体沉淀单元24，聚合物从回收废物流中分离出来。固体沉淀单元24可以选用任何合适的固体沉淀方法。图示实施方式中，固体沉淀单元是pH中和单元，其中升高回收废物流的pH，可以将溶解性固体包括聚合物从回收废物流中沉淀下来。在其它实施方式中，可以使用不同的沉淀方法作为pH中和的替代或补充方法。替代的沉淀方法是电凝，其中电解槽中的回收废物流为电解质。在电凝法中，回收废物流中悬浮固体上的电荷被中和，悬浮固体聚集成团，实现固体与溶液分离。 [0033] 将回收废物流从固体沉淀单元24输送至固液分离器26，固液分离器26将回收废物流中的沉淀固体和液体分离，产生含有固体和少量液体的泥浆。图示实施方式中，固液分离器26包括用于固液分离的多个旋流分离器、介质过滤器，以及用于处理介质过滤器反冲洗水的离心分离器，例如产自英国波蒂斯黑德DPS全球公司的Hydroloc五相分离器。离心分离器在离心负载下将回收废物流分成多个径向层，其中最重的组分形成径向外层，而较轻的组分形成径向内层。离心分离器具有多个径向堰，其将回收废物流的不同组分引导到相应的出口，包括用于天然气的气体出口、油出口、水出口，以及用于输出含有水、聚合物和沉淀固体的泥浆出口。在其它实施方式中，固液分离器26包括可作为介质过滤器补充或替代的膜过滤器。在小流量的实施方式中，固液分离器可以只包含离心分离器。 [0034] 泥浆从固液分离器26输送至干燥器28。图示实施方式中，干燥器28为真空干燥器，其使用过热蒸汽蒸发泥浆中的水，产生干燥或部分干燥的高热值一级废物。干燥器28从现场蒸汽源接收过热蒸汽，并且输出含有从泥浆中气化的蒸汽，其随后用于废物处理过程(见下文)。干燥器28输出具有高热值的一级废物，其包括回收井孔20中开采油后的残余烃、聚合物驱油水的沉淀聚合物和其它具有丙烷和丁烷等挥发性气体的有机化合物(VOC)。此外，一级废物的热值比油分离器22中的开采废物的热值高，部分因为一级废物从回收废物流中分离干燥后的水分含量降低。 [0036] 一级废物从干燥器28进入混合器30，并在混合器30中与较低热值的二级废物混合形成热解原料。图示实施方式中，低热值二级废物是从化石燃料开采站(即除井孔之外的来源)的地面产生的人类和消费者废物的混合物。 [0037] 将一级废物和二级废物混合，以获得在最佳热值范围内的用于下游热解和气化过程的原料，使得下游热解和气化过程产生足量的热解气和合成气用于维持产热，同时放热气化反应中产生的热量控制在合理的范围内，例如900℃～1200℃。图示实施方式中，热解原料的最佳热值范围为20MJ/kg～27MJ/kg，但在其它实施方式中，热解原料的最佳热值范围为10MJ/kg～30MJ/kg。此外，一级(高热值)和二级(低热值)废物混合后可将二级废物在现场处理。例如，不能使用热解和气化单独处理低热值的二级废物，但是可将二级废物与高热值的一级废物混合后进行后处理。 [0038] 此外，二级废物与一级废物混合后可调节每千克热解原料的水含量。例如，选择比来自干燥器28的一级废物含有更低的水含量的二级废物与一级废物混合。热解原料含水量的重量分数小于20％。 [0039] 热解原料从混合器30输送到热解器32中。热解原料通过热解室输送到热解器32中并加热至900℃～1200℃，并且与外部空气和氧气隔绝，使热解原料在热能作用下发生分解。当热解原料在热解器32中分解时，产生热解炭和热解气。热解气从热解器32中输出至燃烧器34中(见下文)。 [0040] 热解炭从热解器32输送到气化炉36。气化炉36包括气化室，热解炭放置于气化室中。气化室用来源于干燥器28和/或氧气(例如注入空气)的蒸汽加热至900℃～1200℃。在其它实施方式中，热解炭通过传送器，例如进料螺杆或螺旋推运器，输送至气化炉。在其它实施方式中，气化炉为上吸式或下吸式气化炉。当热解炭气化时，在气化室内产生合成气和灰分。合成气从气化室中输送至燃烧器34中。 [0041] 热解和气化过程会分解烃、VOCs和其它有害产物，例如PCBs(多氯联苯)，因此可以安全地处理从气化炉36输出的灰分。PCBs源自低热值废物，其可在热解和气化期间完全分解。此外，从热解和气化过程中输出的灰分体积和质量比输入的热解原料明显降低。因此，灰分可以容易和安全地在现场放置，并运输到垃圾填埋场处理或销售再利用。 [0042] 热解和气化过程产生的热解气和合成气在燃烧器34中燃烧产生热能。热能可被热解器32和气化炉36重新利用，以维持热解和气化过程本身需要的热量。热能还能用于生产干燥器28所需的过热蒸汽。多余的热能还能用于发电机38发电。图示实施方式中，发电机38为蒸汽循环发电机。或者，发电机38可由通过热解气和/或合成气燃烧运行的燃气发动机驱动，例如内燃机或工业燃气涡轮发动机。 [0043] 图2所示为本发明用于化石燃料开采站的废物处理方法的第二实施方式。图2所示为钻井站40的钻井过程和根据本发明的废物处理方法处理钻井过程中产生的钻井液和/或钻井岩屑的过程。 [0044] 在钻井过程中，钻头42用于钻井44，钻井液被注入井44中，将钻井岩屑从井44的底部携带至地面。图示实施方式中，钻井液为含有部分柴油的油基钻井液(OBM)。在地面接收使用过的钻井液和钻井岩屑，其从井44输送到分离器46，分离器46将可再循环的钻井液从不可再循环的钻井液和钻井岩屑中分离。可再循环的钻井液返回井44进行再利用。 [0045] 不可再循环的钻井岩屑和不可再循环的钻井液组成钻井废物(即开采废物)。钻井废物在处理之前需进行预处理，因为其包含柴油和/或其它来自钻井过程中的污染物，如下文所述。 [0046] 钻井废物从分离器46输送至干燥器28。图示实施方式中，干燥器28为真空干燥器，其使用过热蒸汽蒸发钻井废物中的水，产生干燥或部分干燥的高热值一级废物。干燥器28从现场蒸汽源接收过热蒸汽，并且输出含有从钻井废物中气化的水蒸气，其随后用于废物处理过程。干燥器28输出的一级废物具有高热值，其包括钻井液和钻井岩屑的残余烃以及在钻井过程中产生的挥发性有机化合物(VOC)，例如丙烷和丁烷。 [0047] 高热值一级废物从干燥器28输送至混合器30，与较低热值的二级废物混合形成热解原料。图示实施方式中，低热值二级废物为从化石燃料开采站产生的人类和消费者废物的混合物。 [0048] 如上文参照图1所描述，使用热解器32，气化炉36和燃烧器34在自持性热解和气化过程中处理热解原料。 [0049] 当钻探的岩层多孔疏松时，钻井岩屑还包含油基钻井液的油。这种油难以从钻井岩屑中移除或清洁。然而，通过热解和气化处理钻井岩屑的好处是将这种油在热解期间蒸发，并且所得的热解气和/或合成气被氧化，因此可从油中回收热能。 [0050] 在偏远化石燃料开采站，混合高热值一级废物和低热值二级废物是有利的，因为它将二级废物通过热解和气化分解。例如，不能使用自持性热解和气化单独处理低热值的二级废物，因为这样的方法可能产生不足量的热解气和合成气来供燃烧器燃烧并为热解器和/或气化炉产生热量。此外，通过在高热值的一级废物中添加低热值的二级废物，可以调节热解原料的热值，以将放热气化时产生的热量保持在最佳范围内(即相应的温度范围为900℃～1200℃)。 [0051] 此外，在偏远地区(例如海上平台)上分离和回收消费者废物在经济上是不可行的。因此，减少废物体积同时确保废物是惰性的(即通过分解形成灰分)是最主要的优点。申请人已经发现，消费者废物在热解和气化后的体积减少至原始体积的12％。此外，惰性废物可排放至海水中或用于陆地养护。 [0052] 热解和气化过程是WID兼容的(EC指令2000/76/EC和/或后续修订版本)。废物处理过程可以被配置为使得气化过程的输出是WAC兼容的。例如，根据WAC规则(EC第2003/33/EC号决定)，输出可被评为“稳定和非反应”。 |
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