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美國減排連打組合拳 欲給油氣行業帶來全新革命

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廢氣排放問題似乎每天都是新聞的頭條。無論是討論污染物對人體健康的影響,還是溫室氣體的排放對氣候變化的影響,又或是柴油汽車排放量作假等,總之,全世界的目光從來都沒有離開過“廢氣排放”這個問題。現在,廢氣排放問題仍是許多國家的油氣行業面臨的頭等大事。早在2012年,美國環境保護署(EPA)就針對油氣行業中的揮發性有機碳氫化合物(VOC)、有害空氣污染物(HAP)和甲烷(最近新加內容),制定了最新的廢氣排放標準。今年8月18號,為了對之前的規定進行補充,環境保護署還草擬了附加管制規定(EPA 2015),并聲明這是為了“共同應對氣候變化、減少排放危害公眾健康的空氣污染物,為油氣行業提出更明確的排放要求?!边@些規定明確了各種廢氣排放的標準。例如,如果廢氣無法進行收集,那么就需要將廢氣焚燒掉,焚燒效率這一指標的含義要嚴于燃燒效率,且焚燒效率不能低于95%。其實,對廢氣排放進行嚴格規定是建立法規的一大進步。毫無疑問,這將有助于提高空氣質量,改善油氣行業與公眾之間的關系。在美國,許多州都已經建立或者正在建立符合本州具體情況的相關法律法規,并聲明他們的規定將會比聯邦政府的更加嚴格。文章1插圖1
例如,在科羅拉多州,許多工業活動都位于居民區附近。因此該州的監管機構對燃燒設備都進行了強制規定,要求不僅要燃燒充分,還要求在封閉條件下燃燒廢氣的同時不能產生火花。該州通過安裝帶有特殊相機的監視設備來監測廢氣處理是否能夠達標,其中比較典型的不達標情況就是烴類燃燒不充分,對排放燃燒不完全烴類氣體的公司,會處以數額巨大的罰款。

美國北達科他州也頒布了法令,要求油氣行業必須找到一種能夠廣泛應用的方法,它不僅能夠處理掉大量的伴生氣,而且也能對采出的油品進行處理。

環境保護署新出臺的法規還對其他情況進行了規定,這些規定與各州法令相互結合以后,使得廢氣處理設備的完善迫在眉睫。

2012年頒布的環境保護法令的使用范圍包括天然氣井場、聯合增壓站、天然氣加工工廠和天然氣壓縮站。在草擬的EPA新法令中,對壓裂油井生產過程中產生的甲烷和揮發性碳氫化合物的排放量也進行了嚴格規定,并將減排的范圍延伸至下游產業——天然氣外輸。

從本項規定中可以看出,實施減排存在著兩個關鍵的問題:

1、是否存在這樣一項減排技術,既經濟有效,又能解決公眾對于廢氣排放的擔憂。

2、在目前油氣價格低迷的環境下,是否還能有效遵循這些新規定。

燃燒和排放

在早期的石油開采中,伴生氣由于運輸困難和價格低廉,并沒有被當作一種有用的產品。我們只是簡單地將伴生氣在井場燒掉或者直接排放到空氣中。這種燃燒處理手段延續使用了多年,直到1951年Exxon研究所公布了第一個關于火炬塔架的申請專利。

直到今天,一些地區仍采用這種原始的燃燒排放的方法,可能因為市場需求疲軟,或者氣體運輸設備不足,或者氣體產量過低,再或者是與不可燃的氣體混合在一起,導致其處理起來既不經濟也不現實。不幸的是,我們也正好處在低油氣價格的時期,所以任何技術方法都必須經濟可行。

天然氣的主要成分是甲烷,天然氣的排放對空氣質量和氣候變化都有著嚴重的印象。天然氣中含有的揮發性碳氫化合物(VOC)和有害空氣污染物(HAP)不僅影響空氣質量,還對人體健康有害。環保署稱,在美國,人類活動所排放的溫室氣體中排名第二的就是甲烷,而其中有近30%的甲烷排放量來自石油的開采和天然氣的生產、運輸及分輸過程。

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如上表所示,若以噸位計量的話,甲烷排放量是二氧化碳的9倍。并且甲烷的全球變暖潛能值(GWP)是二氧化碳的25倍。

同時,上表還體現了燃燒不完全時甲烷燃燒效率對溫室氣體排放量的影響。由于在燃燒效率的測量上存在許多問題,因此在氣體燃燒時定量監測溫室氣體排放量也是比較困難的。最終的燃燒效率取決于諸多因素:氣體的組成、焓值、風向(特別是當氣體被吹離打火點時)、 火炬頭處氣體的速度等等。由于這些因素都是不斷變化的,所以很難找到一個能夠普便適用的測量指標。

正因如此,為了能夠測量焚燒率95%這一指標,環境保護署采取了一系列措施,旨在鼓勵改進燃燒效率的測量技術。如果能夠定量地測量廢氣排放質量,將緩解公眾對排放油氣而影響健康的焦慮。

為使廢氣符合排放要求,一些油氣生產商還主動采用目前最好的技術和操作方法,還有一些企業高于法律所要求的水平。在所有的案例中,新技術是影響廢氣處理水平的重要因素,即用新技術逐步取代一些對油氣生產基地周圍環境和社區有負面影響的生產方法。

提高燃燒效率

燃燒效率主要用來衡量設備將烴類物質分解成二氧化碳和水蒸氣的能力。對廢氣和石油伴生氣進行存儲是不現實的,因此只能通過使其盡量充分燃燒,來最大程度地降低其對環境的影響。目前,我們已研發出能夠實現100%燃燒效率的處理技術,并且已經準備投入到生產中。

一般認為,由于廢氣的高燃燒效率,所以廢氣燃燒后只會產生無味無色的煙氣。當地的監管機構擁有一套定量檢測廢氣處理效果的技術。盡管廢氣排放處理看似是各個國家都要努力改進的地方,但卻只有美國將監測處理效果寫入到法令中。例如,如果2011年壓裂井完井時產生并隨意排放的62億立方英尺的甲烷能夠被100%的燃燒的話,那么可以減少89%由之而產生的溫室氣體,且每噸的處理成本低于0.4美元(數據來源2014年的EPA)。

除此之外,對有毒大氣污染物進行處理也是經濟可行的,這些污染物包括天然氣脫水過程中產生的笨、甲苯、乙苯和二甲苯。這些污染物通過清潔、高效燃燒技術轉變成無毒的二氧化碳和水蒸氣,而燃燒所需能源僅為傳統方法的60%至80%,因而大大地減少了溫室氣體的排放量和操作費用。經估算,節省的操作費用幾乎相當于近6個月的資產投資額。

分析指出,在全美,有近38000個脫水機在工作。它們在解決揮發性有機烴和苯系物的排放問題的同時,也可使溫室氣體的排放量在十年內減少34000萬噸,處理價格低于1.65美元/噸。除此之外,一些企業還利用燃燒過程中產生的熱量將水加熱至水蒸氣狀態排出,這樣就省去了壓縮設備以及水儲存、運輸、傾倒等產生的費用。

從整體來看,我們應該重視燃燒、建筑供暖或汽化水等過程中所產生的廢熱再利用問題。如果天然氣的質量足夠好,量也足夠多,那么就可以借助往復式發電機,利用天然氣發電。如果天然氣的量和質量都不夠,那么就可以借助Rankine循環發電機,利用清潔燃燒產生的廢熱來發電。

除此之外,還可以利用伴生氣燃燒產生的熱量對廢水進行熱處理。沒有安裝處理設施的油井每天可以產生50桶油、250桶水和150~200千標準立方英尺的伴生氣。在油價較高的時期,如何對這種井進行經濟有效的管理都是一個難題,在油價跌破50美元時,單單水處理這一項所需的費用就超過了原油的盈利,因此這也成為了人們考慮運輸和向深井灌注生產水的重要原因。

盡管目前已有多種對全部伴生氣進行脫鹽處理的成熟方法,但卻缺乏一定的經濟可行性。如果能夠在可控的條件下充分利用伴生氣燃燒產生的熱量,最多可以蒸發掉產水量的85%。將剩余15%的水量進行存儲,并向深井中灌注。由此就可以減少水處理量,該井就會逐漸產生經濟效益。但是這種方法需要一個能夠儲存熱量,并且能有效傳遞熱量的燃燒設備,這樣的話,85%的生產水都返還給了生態系統,只有15%的水進行深井灌注。

簡而言之,這種燃燒技術就是通過利用廢熱,將水這種珍貴的資源返還給自然界,重新成為水循環的一部分,以供未來使用。

當然,熱電聯供(CHP)這種既可以發電又可以控熱的技術已經被技術供應商們廣泛使用。更好的處理方法往往可以帶來更多積極有益的結果。

為了更好地說明這一點,我們假設現在貴公司正在燃燒伴生氣,而周圍的戶主們對貴公司所產生的黑煙和臭氣進行了投訴,由此決定買入一臺新的燃燒處理設備。3個月后,空氣質量變好了,投訴也消失了,這時候你就得考慮如何對生產水進行處理。在生產水的運輸和處理上,你的開支是每天2100美元,租用汽化器的費用是每天1100美元,你的油井每年的收入是90萬美元,則在沒有考慮過用熱電聯供來取代柴油發電機的情況下,就會將油井的年盈利底線增加了30萬美元。

隨著大家對廢氣影響人體健康的擔憂不斷加深,還會持續頒布廢氣排放相關的法規,這些規定將變得更加嚴格。對于油氣行業來說,主要的矛盾點在于如何既遵守了法律規定,又能創造經濟效益,特別是在當下這種低油價的環境中,這個問題則更為突出。我們堅信,法規會向油氣行業和公眾都做出具體負責的說明,并促進企業與公眾間進行良好的溝通交流。

總之,燃燒效率的提高會是改善廢氣排放的一個重要措施。提高效率就可以減少開支,同時,減少了公眾阻力,就可以順利推進項目進展,生成的油品就可以更快的流向市場。其實,這就是能夠符合法規要求、提高空氣質量、增加社會認同、實現經濟價值的廢氣處理技術。

英文原文 (展開/收縮)

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