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        油氣生產(chǎn)過程中放空燃燒氣的檢測與回收利用現(xiàn)狀

        2020-06-28 06:11:28范俊欣李興春崔翔宇吳百春
        化工環(huán)保 2020年3期
        關(guān)鍵詞:火炬氣量甲烷

        薛 明,范俊欣,李興春,崔翔宇 ,吳百春

        (1.石油石化污染物控制與處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司,北京 102206)

        油氣行業(yè)由于油氣生產(chǎn)過程中存在的甲烷與二氧化碳排放而成為全球應(yīng)對氣候變化的關(guān)注焦點(diǎn)[1]。我國油氣行業(yè)由于甲烷等溫室氣體排放底數(shù)不清,相應(yīng)減排技術(shù)缺乏大規(guī)模應(yīng)用,仍面臨著較大的減排壓力[2-3]。除了非正常工況產(chǎn)生的甲烷超級排放源之外,油氣生產(chǎn)過程中的放空燃燒(火炬)排放也是典型的甲烷排放源之一[1,4-5]。2017年全球放空燃燒氣量達(dá)到1.41×1011m3,CO2排放量達(dá)到3.5×109m3,等同于7.5×1011kW·h的發(fā)電量,超過了整個(gè)非洲的年電力消耗[6]。

        美國自2018年起加大了在二疊紀(jì)盆地的油氣開發(fā)力度。該區(qū)域伴生天然氣有近4%被放空燃燒;而在特拉華盆地,這一比例甚至達(dá)到8%[7]。在北達(dá)科他州頁巖氣生產(chǎn)區(qū),頁巖油生產(chǎn)過程中同樣伴隨著伴生氣放空燃燒氣量的增加[8]。放空燃燒氣不僅造成能源浪費(fèi),氣體燃燒過程中排放的非甲烷總烴、氮氧化物、硫氧化物還會對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量及人體健康產(chǎn)生影響,碳黑與甲烷的排放還會加劇溫室效應(yīng)[9]。

        近年來,隨著世界銀行資助的全球放空燃燒氣減排(Global Gas Flaring Reduction,GGFR)計(jì)劃的推進(jìn),全球主要能源公司都將減排的重點(diǎn)目標(biāo)放在放空燃燒氣的控制上,在放空燃燒氣的計(jì)量、檢測、組分分析、減排控制技術(shù)方面都有了顯著的提升。基于前期對我國13個(gè)油氣田的放空燃燒氣量的調(diào)查,日放空燃燒氣量達(dá)到3.33×106m3,折合年放空燃燒氣量1.1×109m3[10],存在著巨大的資源回收潛力。本文擬通過對國內(nèi)外放空燃燒氣計(jì)量與控制技術(shù)方面的總結(jié),為國內(nèi)油氣行業(yè)甲烷檢測與減排技術(shù)研究提供參考。

        1 放空燃燒氣的定義與檢測

        1.1 放空燃燒氣的定義

        參照GGFR的定義[6,11],放空燃燒包括兩類:一類為常規(guī)條件下出于安全、設(shè)備維護(hù)等原因進(jìn)行的放空燃燒;一類為異常工況條件下的燃燒,主要包括現(xiàn)場測試階段、管輸外運(yùn)條件不足及事故放空條件下采取的一種處理手段。大部分條件下,要求放空氣以98%左右的燃燒效率進(jìn)行完全燃燒,降低對生產(chǎn)區(qū)域周邊人口健康的影響。當(dāng)放空氣量達(dá)不到點(diǎn)火條件,如氣體濃度較低、含水率較高時(shí),現(xiàn)場會直接排放這一部分氣體,稱為冷放空(Cold Venting)。

        在我國油氣生產(chǎn)過程中,正常工況下的放空燃燒氣主要存在于部分油氣生產(chǎn)單井的套管氣排放,油氣處理站(轉(zhuǎn)油站、增壓站)等。部分零散、偏遠(yuǎn)井的套管氣排放,氣量較小,壓力較低,不具備經(jīng)濟(jì)回收價(jià)值,一般通過采用油氣混輸措施減少套管氣排放;而在油氣處理站,氣量相對較高,可以通過建設(shè)放空氣回收工程減少放空燃燒[12]。非正常工況下的放空燃燒主要存在于油氣井口試井、維修、事故等狀態(tài)下。

        1.2 放空燃燒氣的常規(guī)檢測方法

        ALLEN等[4]對美國油氣生產(chǎn)中的放空燃燒氣排放開展的現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn),小部分火炬的排放占放空燃燒總排放量的一半以上,當(dāng)98%的默認(rèn)燃燒效率提升至100%時(shí),二氧化碳排放量將減少14%。加拿大阿爾伯塔省建議在油氣處理站、管道集輸、天然氣處理站等有多股氣體放空的場所安裝流量計(jì)[13-15]。當(dāng)放空氣氣量波動較大、組分構(gòu)成復(fù)雜及測定難度較大時(shí),會對流量計(jì)的干濕氣耐受度、氣體流速、量程范圍等提出較高要求。滿足要求的流量計(jì)主要包括超聲流量計(jì)、插入式流速探針、光學(xué)式流量計(jì)等(見表1)[14,16-17]。

        表1 油氣行業(yè)使用的主要放空燃燒氣流量計(jì)一覽

        在場站沒有安裝流量計(jì)時(shí),還可以參照API 521標(biāo)準(zhǔn)[16],基于火炬照片估算放空燃燒氣量(見圖1)。使用的計(jì)算公式見式(1)~式(3)。

        式中:Lf為實(shí)際火焰長度,m;Lp為照片測量的火焰長度,cm;Dp為照片測量的燃燒管內(nèi)徑,cm;Df為燃燒管實(shí)際內(nèi)徑,m;Q為放空燃燒氣體能量流量,J/s;F為放空燃燒氣量,m3/s;Cg為結(jié)合氣體熱值,J/m3。

        圖1 利用火炬照片估算放空燃燒氣量示意

        1.3 遙感技術(shù)檢測放空燃燒氣中的甲烷排放量

        在GGFR的資助下,ELVIDGE等[18]自2009年起依托參與計(jì)劃的成員國與成員公司上報(bào)的放空燃燒氣量數(shù)據(jù),與來自美國國防氣象衛(wèi)星(DMSP)OLS系統(tǒng)可見光與熱輻射信號觀測數(shù)據(jù)建立相關(guān)性,并反演出1994年至2008年全球放空燃燒氣量。在反演過程中,部分冷凝氣提過程沒有上報(bào)、火炬燃燒波動、火炬燃燒錯(cuò)誤識別、不同區(qū)域氣象條件(干燥/濕潤氣候等)均有可能給估算結(jié)果帶來不確定性。

        此后,ANEJIONU等[19]使用美國大氣宇航局中等精度分光輻射成像遙感數(shù)據(jù)(MODIS)估算尼日利亞放空燃燒氣量,CASADIO等[20]使用短波紅外輻射數(shù)據(jù)(SWIR)對全球放空燃燒的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行估測,以及CHOWDHURY等[21-22]使用Landsat 8衛(wèi)星日間觀測數(shù)據(jù)對加拿大以及泰國灣、波斯灣、墨西哥灣等海上作業(yè)平臺的放空燃燒火炬位置進(jìn)行識別。

        2012年底,由于軌道降級引起DMSP光輻射污染,無法再進(jìn)行全球數(shù)據(jù)的跟蹤記錄,研究人員開始使用美國大氣海洋局可見紅外成像輻射檢測(VIIRS)的遙感數(shù)據(jù)。ELVIDGE等[23]利用VIIRS數(shù)據(jù)能夠覆蓋不同波長熱輻射信號的特點(diǎn),對放空燃燒氣夜間短波與近紅外輻射峰值信號進(jìn)行收集處理,得到全球放空燃燒氣的總量。VIIRS的空間分辨率達(dá)到417 m,能夠在城市燈光影響下實(shí)現(xiàn)對放空燃燒的識別;同時(shí),與DMSP只能識別燃燒火焰高溫點(diǎn)不同,VIIRS能夠?qū)崿F(xiàn)對放空燃燒火焰99%的溫度區(qū)間覆蓋,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對上游油氣生產(chǎn)、下游煉油化工、液化天然氣(LNG)處理終端等環(huán)節(jié)的區(qū)分。在獲得熱輻射數(shù)據(jù)后,利用每月平均熱輻射總量數(shù)據(jù),結(jié)合在尼日利亞、美國德克薩斯州、美國北達(dá)科他州油氣生產(chǎn)放空燃燒報(bào)告數(shù)據(jù),以及國際天然氣行業(yè)商業(yè)信息智庫(CEDIGAZ)在全球47個(gè)國家的放空燃燒氣量報(bào)告數(shù)據(jù)[24],可以得到輻射量與放空燃燒氣量之間的對數(shù)關(guān)系,并用于反演計(jì)算。

        除了針對放空燃燒氣量的遙感數(shù)據(jù)反演外,LI等[25]還利用臭氧層監(jiān)測設(shè)備(Ozone Monitoring Instrument,OMI)測定的氮氧化物濃度,結(jié)合MODIS數(shù)據(jù),對極地油氣生產(chǎn)過程對空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響進(jìn)行了討論,但并未進(jìn)行放空燃燒氣量的估算。ZHANG等[26]結(jié)合OMI以及VIIRS遙感數(shù)據(jù),對墨西哥海上油氣平臺放空燃燒的時(shí)空變化規(guī)律開展討論,分別采用了二氧化硫、氮氧化物的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了放空燃燒氣量的估算,使用空氣質(zhì)量因子對氮氧化物濃度的估算結(jié)果進(jìn)行了校正,并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。同油氣生產(chǎn)企業(yè)上報(bào)的放空燃燒氣量數(shù)據(jù)對比,遙感數(shù)據(jù)估算結(jié)果偏高。

        目前,利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣生產(chǎn)過程放空燃燒的監(jiān)控[27],但值得注意的是,當(dāng)前對于全球放空燃燒氣量的估算是基于伴生氣排放量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的,與實(shí)際的放空燃燒氣量相比還存在較大的不確定性,例如:由于缺乏相關(guān)報(bào)告數(shù)據(jù),致密氣等非常規(guī)能源開發(fā)過程中試采與測試階段的放空燃燒氣量無法通過熱輻射值進(jìn)行反演計(jì)算;國內(nèi)頁巖氣、煤層氣基本為干氣,硫、氮等組分的濃度基本為零,無法通過遙感獲得的二氧化硫、氮氧化物數(shù)據(jù)進(jìn)行放空燃燒氣量的估算。另外,地面放空燃燒火炬的統(tǒng)計(jì)范圍也將極大影響遙感數(shù)據(jù)的反演過程。我國油氣行業(yè)針對甲烷、二氧化碳等溫室氣體排放使用的核算指南采用了排放因子估算法進(jìn)行放空火炬燃燒量的核算[28],要求油氣生產(chǎn)企業(yè)上報(bào)放空燃燒氣流量、除CO2外的含碳化合物總含碳量等。然而,除規(guī)模較大的天然氣處理廠等能夠?qū)崿F(xiàn)98%的放空燃燒效率,或利用物質(zhì)平衡估算放空燃燒氣量外,油氣試采與生產(chǎn)過程的放空燃燒排放效率仍缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與支持,核算結(jié)果也存在較大的不確定性,亟待通過現(xiàn)場檢測、衛(wèi)星遙感等手段進(jìn)行核查與比對。

        1.4 全球放空燃燒氣減排計(jì)劃

        針對放空燃燒帶來的影響,世界銀行資助了GGFR,鼓勵(lì)能源公司利用回收措施減少放空燃燒,在2030年熄滅常規(guī)火炬。世界銀行認(rèn)為參與該計(jì)劃會使油氣公司在資源優(yōu)化管理、環(huán)境友好型油氣生產(chǎn)、全球商業(yè)品牌價(jià)值、作業(yè)區(qū)塊平衡、企業(yè)形象等方面受益。根據(jù)該計(jì)劃第一階段采用VIIRS數(shù)據(jù)對全球放空燃燒氣的摸底情況[29],俄羅斯、伊拉克、伊朗、美國及阿爾及利亞為放空燃燒氣量排名前5的國家(見圖2)。我國在2014~2016年的放空燃燒氣量基本保持在每年2×109m3左右水平,2017年降低至1.6×109m3。

        圖2 不同國家的放空燃燒氣量

        2 放空氣回收利用技術(shù)

        針對放空氣回收,LAYFIELD等[30]總結(jié)了15類回收利用技術(shù)(見表2),并以美國北達(dá)科他州等地的實(shí)際案例進(jìn)行了對比。除了針對甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等高附加值產(chǎn)品的催化劑研究[31-32]之外,作為放空燃燒氣大國的尼日利亞,還建設(shè)了1.4×104m3/d的小型氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)(GTL)回收裝置,將天然氣轉(zhuǎn)化為柴油、甲醇以及氨等產(chǎn)品[33]?;贕TL理念優(yōu)化后的STG+技術(shù)也在西非陸上油氣田以及海上浮動平臺進(jìn)行了應(yīng)用[34]。

        國內(nèi)對放空氣回收以液化天然氣、壓縮天然氣、發(fā)電等方式居多[35-37],在管道輸送過程中還有采用壓差回收天然氣等技術(shù)[38],井口或放空氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)未見相關(guān)應(yīng)用。

        塔里木油田是較早開展放空氣治理工作的區(qū)域之一,除了針對低壓放空氣采取增壓處理回收、部分氣體回注地層、高壓高產(chǎn)井放空氣進(jìn)行分離回收外,還針對邊遠(yuǎn)零散天然氣井以及試采井通過脫硫、增壓、脫水后開展壓縮天然氣技術(shù)回收,在天然氣處理站利用液化天然氣技術(shù)開展放空氣的回收[39-41],并在天然氣處理站檢維修期間通過增壓設(shè)備進(jìn)行放空氣的回收[42]。另外,針對海上油氣開發(fā),還有針對單個(gè)平臺的浮式天然氣液化(FLNG)技術(shù),以及針對平臺群的伴生氣管網(wǎng)循環(huán)利用優(yōu)化等方面的技術(shù)應(yīng)用[43-44]。

        表2 放空氣主要回收利用技術(shù)

        從當(dāng)前國內(nèi)外放空氣回收利用技術(shù)的應(yīng)用情況來看,適用于較高放空氣量(大于2×104m3/d)的天然氣壓縮、液化技術(shù)在國內(nèi)已得到普遍使用,然而在控制典型放空氣排放源的同時(shí),針對邊遠(yuǎn)零散井以及低壓、小氣量天然氣井的放空氣回收利用也應(yīng)提上日程。在建設(shè)成本合理、投資回報(bào)率較高的前提下,井口及處理站天然氣直接轉(zhuǎn)化為液態(tài)產(chǎn)品的技術(shù)路線將具有較大應(yīng)用潛力。

        3 結(jié)語

        油氣生產(chǎn)過程中的放空燃燒,不僅會帶來資源浪費(fèi)與環(huán)境污染,也會對全球氣候變化產(chǎn)生一定影響,通過利用經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)減少放空燃燒刻不容緩。我國油氣生產(chǎn)中的放空燃燒仍存在計(jì)量統(tǒng)計(jì)較少、估算較多、底數(shù)不清等問題。利用遙感數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對火炬燃燒點(diǎn)的定位識別,但在放空燃燒氣量的確定方面,除了進(jìn)一步提高遙感衛(wèi)星檢測精度及頻率以減少不良?xì)庀髼l件的影響之外,還需開展遙感數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際檢測數(shù)據(jù)的比對分析,提高反演模型估算的準(zhǔn)確性。

        在放空燃燒氣減排方面,建議各油氣生產(chǎn)區(qū)結(jié)合油氣盆地地質(zhì)情況、地面工程以及天然氣放空排放等特點(diǎn),優(yōu)化工藝流程,制定相應(yīng)的放空氣回收技術(shù)方案。各油氣田公司天然氣放空情況較為復(fù)雜,多數(shù)放空氣量小,分布分散,需要針對各油氣田天然氣放空特點(diǎn)及情況進(jìn)行具體分析,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)有效的回收利用。同時(shí),建議開展井口放空天然氣氣態(tài)轉(zhuǎn)液態(tài)化產(chǎn)品相關(guān)工業(yè)試驗(yàn)與應(yīng)用示范的研究。

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