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美国减排连打组合拳 欲给油气行业带来全新革命

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废气排放问题似乎每天都是新闻的头条。无论是讨论污染物对人体健康的影响,还是温室气体的排放对气候变化的影响,又或是柴油汽车排放量作假等,总之,全世界的目光从来都没有离开过“废气排放”这个问题。现在,废气排放问题仍是许多国家的油气行业面临的头等大事。早在2012年,美国环境保护署(EPA)就针对油气行业中的挥发性有机碳氢化合物(VOC)、有害空气污染物(HAP)和甲烷(最近新加内容),制定了最新的废气排放标准。今年8月18号,为了对之前的规定进行补充,环境保护署还草拟了附加管制规定(EPA 2015),并声明这是为了“共同应对气候变化、减少排放危害公众健康的空气污染物,为油气行业提出更明确的排放要求。”这些规定明确了各种废气排放的标准。例如,如果废气无法进行收集,那么就需要将废气焚烧掉,焚烧效率这一指标的含义要严于燃烧效率,且焚烧效率不能低于95%。其实,对废气排放进行严格规定是建立法规的一大进步。毫无疑问,这将有助于提高空气质量,改善油气行业与公众之间的关系。在美国,许多州都已经建立或者正在建立符合本州具体情况的相关法律法规,并声明他们的规定将会比联邦政府的更加严格。文章1插图1
例如,在科罗拉多州,许多工业活动都位于居民区附近。因此该州的监管机构对燃烧设备都进行了强制规定,要求不仅要燃烧充分,还要求在封闭条件下燃烧废气的同时不能产生火花。该州通过安装带有特殊相机的监视设备来监测废气处理是否能够达标,其中比较典型的不达标情况就是烃类燃烧不充分,对排放燃烧不完全烃类气体的公司,会处以数额巨大的罚款。

美国北达科他州也颁布了法令,要求油气行业必须找到一种能够广泛应用的方法,它不仅能够处理掉大量的伴生气,而且也能对采出的油品进行处理。

环境保护署新出台的法规还对其他情况进行了规定,这些规定与各州法令相互结合以后,使得废气处理设备的完善迫在眉睫。

2012年颁布的环境保护法令的使用范围包括天然气井场、联合增压站、天然气加工工厂和天然气压缩站。在草拟的EPA新法令中,对压裂油井生产过程中产生的甲烷和挥发性碳氢化合物的排放量也进行了严格规定,并将减排的范围延伸至下游产业——天然气外输。

从本项规定中可以看出,实施减排存在着两个关键的问题:

1、是否存在这样一项减排技术,既经济有效,又能解决公众对于废气排放的担忧。

2、在目前油气价格低迷的环境下,是否还能有效遵循这些新规定。

燃烧和排放

在早期的石油开采中,伴生气由于运输困难和价格低廉,并没有被当作一种有用的产品。我们只是简单地将伴生气在井场烧掉或者直接排放到空气中。这种燃烧处理手段延续使用了多年,直到1951年Exxon研究所公布了第一个关于火炬塔架的申请专利。

直到今天,一些地区仍采用这种原始的燃烧排放的方法,可能因为市场需求疲软,或者气体运输设备不足,或者气体产量过低,再或者是与不可燃的气体混合在一起,导致其处理起来既不经济也不现实。不幸的是,我们也正好处在低油气价格的时期,所以任何技术方法都必须经济可行。

天然气的主要成分是甲烷,天然气的排放对空气质量和气候变化都有着严重的印象。天然气中含有的挥发性碳氢化合物(VOC)和有害空气污染物(HAP)不仅影响空气质量,还对人体健康有害。环保署称,在美国,人类活动所排放的温室气体中排名第二的就是甲烷,而其中有近30%的甲烷排放量来自石油的开采和天然气的生产、运输及分输过程。

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如上表所示,若以吨位计量的话,甲烷排放量是二氧化碳的9倍。并且甲烷的全球变暖潜能值(GWP)是二氧化碳的25倍。

同时,上表还体现了燃烧不完全时甲烷燃烧效率对温室气体排放量的影响。由于在燃烧效率的测量上存在许多问题,因此在气体燃烧时定量监测温室气体排放量也是比较困难的。最终的燃烧效率取决于诸多因素:气体的组成、焓值、风向(特别是当气体被吹离打火点时)、 火炬头处气体的速度等等。由于这些因素都是不断变化的,所以很难找到一个能够普便适用的测量指标。

正因如此,为了能够测量焚烧率95%这一指标,环境保护署采取了一系列措施,旨在鼓励改进燃烧效率的测量技术。如果能够定量地测量废气排放质量,将缓解公众对排放油气而影响健康的焦虑。

为使废气符合排放要求,一些油气生产商还主动采用目前最好的技术和操作方法,还有一些企业高于法律所要求的水平。在所有的案例中,新技术是影响废气处理水平的重要因素,即用新技术逐步取代一些对油气生产基地周围环境和社区有负面影响的生产方法。

提高燃烧效率

燃烧效率主要用来衡量设备将烃类物质分解成二氧化碳和水蒸气的能力。对废气和石油伴生气进行存储是不现实的,因此只能通过使其尽量充分燃烧,来最大程度地降低其对环境的影响。目前,我们已研发出能够实现100%燃烧效率的处理技术,并且已经准备投入到生产中。

一般认为,由于废气的高燃烧效率,所以废气燃烧后只会产生无味无色的烟气。当地的监管机构拥有一套定量检测废气处理效果的技术。尽管废气排放处理看似是各个国家都要努力改进的地方,但却只有美国将监测处理效果写入到法令中。例如,如果2011年压裂井完井时产生并随意排放的62亿立方英尺的甲烷能够被100%的燃烧的话,那么可以减少89%由之而产生的温室气体,且每吨的处理成本低于0.4美元(数据来源2014年的EPA)。

除此之外,对有毒大气污染物进行处理也是经济可行的,这些污染物包括天然气脱水过程中产生的笨、甲苯、乙苯和二甲苯。这些污染物通过清洁、高效燃烧技术转变成无毒的二氧化碳和水蒸气,而燃烧所需能源仅为传统方法的60%至80%,因而大大地减少了温室气体的排放量和操作费用。经估算,节省的操作费用几乎相当于近6个月的资产投资额。

分析指出,在全美,有近38000个脱水机在工作。它们在解决挥发性有机烃和苯系物的排放问题的同时,也可使温室气体的排放量在十年内减少34000万吨,处理价格低于1.65美元/吨。除此之外,一些企业还利用燃烧过程中产生的热量将水加热至水蒸气状态排出,这样就省去了压缩设备以及水储存、运输、倾倒等产生的费用。

从整体来看,我们应该重视燃烧、建筑供暖或汽化水等过程中所产生的废热再利用问题。如果天然气的质量足够好,量也足够多,那么就可以借助往复式发电机,利用天然气发电。如果天然气的量和质量都不够,那么就可以借助Rankine循环发电机,利用清洁燃烧产生的废热来发电。

除此之外,还可以利用伴生气燃烧产生的热量对废水进行热处理。没有安装处理设施的油井每天可以产生50桶油、250桶水和150~200千标准立方英尺的伴生气。在油价较高的时期,如何对这种井进行经济有效的管理都是一个难题,在油价跌破50美元时,单单水处理这一项所需的费用就超过了原油的盈利,因此这也成为了人们考虑运输和向深井灌注生产水的重要原因。

尽管目前已有多种对全部伴生气进行脱盐处理的成熟方法,但却缺乏一定的经济可行性。如果能够在可控的条件下充分利用伴生气燃烧产生的热量,最多可以蒸发掉产水量的85%。将剩余15%的水量进行存储,并向深井中灌注。由此就可以减少水处理量,该井就会逐渐产生经济效益。但是这种方法需要一个能够储存热量,并且能有效传递热量的燃烧设备,这样的话,85%的生产水都返还给了生态系统,只有15%的水进行深井灌注。

简而言之,这种燃烧技术就是通过利用废热,将水这种珍贵的资源返还给自然界,重新成为水循环的一部分,以供未来使用。

当然,热电联供(CHP)这种既可以发电又可以控热的技术已经被技术供应商们广泛使用。更好的处理方法往往可以带来更多积极有益的结果。

为了更好地说明这一点,我们假设现在贵公司正在燃烧伴生气,而周围的户主们对贵公司所产生的黑烟和臭气进行了投诉,由此决定买入一台新的燃烧处理设备。3个月后,空气质量变好了,投诉也消失了,这时候你就得考虑如何对生产水进行处理。在生产水的运输和处理上,你的开支是每天2100美元,租用汽化器的费用是每天1100美元,你的油井每年的收入是90万美元,则在没有考虑过用热电联供来取代柴油发电机的情况下,就会将油井的年盈利底线增加了30万美元。

随着大家对废气影响人体健康的担忧不断加深,还会持续颁布废气排放相关的法规,这些规定将变得更加严格。对于油气行业来说,主要的矛盾点在于如何既遵守了法律规定,又能创造经济效益,特别是在当下这种低油价的环境中,这个问题则更为突出。我们坚信,法规会向油气行业和公众都做出具体负责的说明,并促进企业与公众间进行良好的沟通交流。

总之,燃烧效率的提高会是改善废气排放的一个重要措施。提高效率就可以减少开支,同时,减少了公众阻力,就可以顺利推进项目进展,生成的油品就可以更快的流向市场。其实,这就是能够符合法规要求、提高空气质量、增加社会认同、实现经济价值的废气处理技术。

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