现场工艺装置的规模为20 m³·h⁻¹，安装在某稠油废水的工作现场，工艺流程如图2所示，图3为实物图。稠油废水采用MVC工艺的详细步骤是：初步处理的稠油废水经过水泵输送到缓冲水箱，由换热器将水加热到合适温度送入降膜蒸发器，废水和蒸汽在降膜蒸发器完成热量的交换，产生二次蒸汽，分离后的二次蒸汽经压缩机压缩加压升温后，再次送入降膜蒸发器用于蒸发废水。稠油废水、浓缩液、阻垢剂、消泡剂、pH调节剂等混合物一起送入蒸发器，冷凝水换热以后收集起来作为产品，浓缩液留待后续处理，从而完成整个流程^[14]。

通过MVC工艺的作用，使稠油废水达到注汽锅炉给水质量的标准。MVC工艺的预期目标为总碱度≤200 mg·L⁻¹、SiO₂≤10 mg·L⁻¹、电导率≤60 μS·cm⁻¹、油和脂≤2 mg·L⁻¹、pH为8~10。

MVC工艺系统主要组成设备为换热器、降膜蒸发器、循环泵和压缩机等。

1)板式换热器：型号BR0.7CH-100-N-I 316L；体积流量21 m³·h⁻¹，总热负荷574 kW；装机面积和单板面积分别为99.4 m²和0.7 m²。

2)降膜蒸发器：为立式降膜蒸发器，蒸发室与分离室一体；布水蒸发器直径为2.5 m，总高约为23.6 m；额定蒸发出水量为20 m³·h⁻¹。

3)料液循环泵：为卧式离心热水泵；介质温度为105 ℃，材质316L，型号为RWZ300-32II，变频调速，规格为Q=700 m³·h⁻¹，H=30 m，N=110 kW。

本工艺设计处理容量为20 m³·h⁻¹，稠油废水进入蒸发器的起始温度为100 °C，密度为0.60 kg·m⁻³，蒸汽流量为9.29 m³·s⁻¹，要求二次蒸汽压缩后的温度为不超过115 °C。为此设蒸汽压缩机1台，系德国PILLER公司的离心蒸汽压缩机，型号为KKXGAE 80 355 GR360，吸入蒸汽压力为101.00 kPa，排出压力为121.00 kPa；吸入蒸汽温度为100 °C，排出温度为105 °C。压缩机轴功率计算方程^[15]如式(1)所示，当浓缩倍数为1、10、15、20和30时，压缩机消耗的功率分别是222.37、272.42、290.60、340.55和385.93 kW。由此可知，随着稠油废水沸点温度升高，导致压缩机出口温度升高，排气压力增加，功率也增加。

式中：$P$为压缩机轴功率，W；$n$为蒸汽绝热系数；${V_1}$为入口蒸汽体积，m³·s⁻¹；${p_1}$、${p_2}$分别为压缩机进、出口压力，kPa；$\eta$为压缩机机械效率。

溶液沸点是液体沸腾时的温度，也就是液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度。不同液体的沸点是不同的，而且溶液沸点会随着外部环境压力的变化而改变，压力低，沸点也低。稠油废水由于含有多种杂质，如石油、无机盐等物质，它的沸点会高于纯水的沸点，这种现象称为废水沸点的升高，其升高程度与含盐量、蒸发温度等因素直接相关^[16]。本研究分析了常压下稠油废水在不同浓缩倍数的沸点，得到浓缩倍数和沸点升高的变化，结果如图4所示。由图4可知，随着稠油废水浓缩倍数的增加，废水中无机盐离子的含量逐渐升高，导致溶液的沸点也跟着升高，将逐渐增加蒸发系统的能耗，提高压缩机的功率，不利于节能减排。因此，需要明确稠油废水沸点升高的程度来确定MVC工艺参数，同时须及时调整压缩机的功率，满足系统能量的需求。

稠油废水来自某油田，含有很多污染物，不但有许多无机离子，还含有不少的有机物，特别是石油类物质，而且有些污染物浓度高。分析得到稠油废水成分及含量如下：Mg²⁺为3.9 mg·L⁻¹、Ca²⁺为10.5 mg·L⁻¹、Cl⁻为97.2 mg·L⁻¹、${\rm{SO}}_4^{2 - }$为29.5 mg·L⁻¹、${\rm{HCO}}_3^ -$为315.9 mg·L⁻¹、SiO₂为565.7 mg·L⁻¹、油和脂为135 mg·L⁻¹、总硬度为1 157.7 mg·L⁻¹、电导率为1 621 μS·cm⁻¹。可知稠油废水含有不少的无机盐离子，容易形成污垢。一旦结垢，将降低设备的传热性能，增加系统的能耗。

油和脂的存在可能会降低冷凝水的质量。注汽锅炉给水质量标准^[17]要求：溶解氧<0.05 mg·L⁻¹、总硬度<0.1 mg·L⁻¹、总铁<0.05 mg·L⁻¹、SiO₂<50 mg·L⁻¹、悬浮物<2 mg·L⁻¹、总碱度<200 mg·L⁻¹、油和脂<2 mg·L⁻¹、可溶固体≤7 000 mg·L⁻¹、pH为7.5~11.0。回收的冷凝水要满足上述标准，才能直接回用，否则需要增加后处理工序。

现场设备安装就绪，开机运行，待MVC系统运行一段时间，即几个月之后，待设备一切正常，然后在稠油废水浓缩倍数为10倍的条件下，收集冷凝水进行检测，各成分含量如下：Mg²⁺为0.51 mg·L⁻¹、Ca²⁺为0.93 mg·L⁻¹、Cl⁻为7.28 mg·L⁻¹、${\rm{SO}}_4^{2 - }$为10.25 mg·L⁻¹、${\rm{HCO}}_3^ -$为9.15 mg·L⁻¹、SiO₂为3.5 mg·L⁻¹、油和脂为1.85 mg·L⁻¹、总硬度为182.3 mg·L⁻¹、电导率为58 μS·cm⁻¹。根据上述参数与注汽锅炉给水质量标准进行对照可知，冷凝水的水质满足注汽锅炉的给水要求，可以直接作为注气锅炉给水，实现了MVC工艺的预期目标。

冷凝水水质的影响因素比较多，如稠油废水的组成、浓缩倍数、质量流量、杂质含量和种类、汽提等，均可能影响其质量，本研究主要分析浓缩倍数、质量流量和汽提装置3个因素对冷凝水水质中的4个主要指标(如油和脂、SiO₂电导率和pH)的影响程度。

1)浓缩倍数。稠油废水随着蒸发过程的推移，蒸发器中盐的浓度逐渐升高，肯定会影响冷凝水的水质，具体参数如表1所示。可以看出，浓缩倍数对冷凝水的pH影响最大，其他指标影响不大。

2)质量流量。稠油废水的质量流量对冷凝水的水质影响不大，变化参数如表2所示。

3)汽提装置。MVC系统的汽提系统对水质影响如表3所示。由表3可知，汽提的数量直接影响冷凝水的含油量，也会降低水质的电导率。这说明汽提装置可以明显改变冷凝水的水质，值得进一步探索和研究。

实验完成后，采取措施清洗降膜管，经过一系列的操作才能收集污垢，进行SEM和XRD表征分析，图5和图6为污垢样品的取样和分析结果。在稠油蒸发回收冷凝水的过程中，溶液中的离子相互之间会发生化学反应^[1]，如式(2)~式(5)所示。

图5所示的污垢形貌单一，一旦黏附在管壁上，难以处理，因此，减缓污垢的形成是MVC系统推广应用的关键。而在高pH条件下，二氧化硅一部分直接与废水及投加的化学药剂中的钙镁离子反应，生成硅酸盐沉淀去除。此外，钙离子与氢氧根结合生成大量的碳酸钙絮体，其新生成活性表面能够吸附大量的硅，或者与硅离子结合生成钙硅酸盐，结果见图6。

1)针对某油田稠油废水所面临的困境，设计并安装一套MVC工艺系统，开展MVC处理稠油废水水回注汽包锅炉的现场实验。结果表明，工程可达到预期的设计指标，即蒸发量为20 m³·h⁻¹、出水总硬度≤182.30 mg·L⁻¹、Cl⁻≤10.00 mg·L⁻¹、Ca²⁺≤1.00 mg·L⁻¹、含油≤2.00 mg·L⁻¹、电导率(25 °C) ≤60.00 μS·cm⁻¹、二氧化硅≤3.50 mg·L⁻¹，能够满足注汽锅炉给水的质量要求。

2)提出了MVC工艺处理稠油废水系统的调节方法，达到系统最佳的运行状态，降低运行能耗；MVC工艺推广的障碍在于污垢问题的解决措施。

3)MVC工艺处理稠油废水回用可满足循环利用的要求，能够解决油田废水的难题，显著特点有废水处理比较彻底、能够满足稠油废水零排放的条件、工艺运行成本相对较低、技术可行、有推广的价值、整套系统操作简单、可以实现自动化控制。

4) MVC系统也存在一些不足：一是冷凝水的质量有待进一步的提高，才能发挥MVC系统的真正价值；二是换热设备特别是降膜蒸发管壁面形成的污垢，降低系统的传热效率，严重影响MVC工艺的适用领域和经济价值，这是后续研究的重点。

5)MVC系统利用稠油废水本身的余热，通过压缩机的作用，实现了低品位余热的价值，而且还使稠油废水循环利用，节约了水资源。系统达到了节能减排的效果，取得了经济和环保的双重效益。