我國石油天然氣行業(yè)大氣汞排放預(yù)測及減排

聶國欣,袁 博,王添顥

我國石油天然氣行業(yè)大氣汞排放預(yù)測及減排

聶國欣*,袁 博,王添顥

(華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京 102206)

基于2015年我國不同地區(qū)原油及天然氣產(chǎn)量和區(qū)域分布的統(tǒng)計數(shù)據(jù),利用聯(lián)合國環(huán)境署確定的汞輸入因子和輸出因子,估算了我國石油開采、煉制環(huán)節(jié)以及天然氣開采、燃燒環(huán)節(jié)中大氣汞的排放量.同時,依據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的石油天然氣發(fā)展"十三五"規(guī)劃中制定的預(yù)測性指標(biāo),以2015年為基準(zhǔn)年,針對2020~2030年期間的石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)大氣汞排放量設(shè)定了3個階段的減排目標(biāo),在此基礎(chǔ)上計算了不同階段內(nèi)兩大行業(yè)大氣汞的減排量和排放量,為國家實現(xiàn)履行《水俁公約》提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和參考.

石油；天然氣；汞排放預(yù)測；減排目標(biāo)

近年來,我國經(jīng)濟(jì)在“穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)”總基調(diào)的指導(dǎo)下,發(fā)展方式出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變,發(fā)展速度趨緩,國內(nèi)市場對石油和天然氣的需求量也發(fā)生變化.“十二五”期間,我國石油消耗總量和石油凈進(jìn)口量的年均增速均在降低[1-3].據(jù)統(tǒng)計,我國石油和天然氣的年消費(fèi)量分別占全球消費(fèi)總量的12.8%和5.9%[4].

天然氣和石油中所含汞的濃度主要取決于產(chǎn)地地理位置,且差異明顯,如印度尼西亞阿隆凝析氣田天然氣汞含量范圍為180~300μg/m3,而克羅地亞波德拉維納地區(qū)天然氣汞含量范圍為200~ 2500μg/m3.汞濃度還與天然氣類型相關(guān),我國煤型氣汞含量算數(shù)平均值約為30μg/m3,而油型氣汞含量算數(shù)平均值約為3μg/m3[5].石油中汞的主要形態(tài)以有機(jī)金屬化合物形式為主,經(jīng)過燃燒后這些含汞有機(jī)金屬化合物主要轉(zhuǎn)化為元素態(tài)汞[6],從而導(dǎo)致導(dǎo)致石油加工行業(yè)工作人員的職業(yè)暴露,即有可能吸入汞蒸氣或通過皮膚吸收有機(jī)汞[7],同時還會增加了大氣中汞的濃度.在石油加工過程中,一些痕量汞還會損壞低溫?fù)Q熱器等設(shè)備、降低催化劑活性和使用壽命等[8].此外,一部分汞還會隨著生產(chǎn)加工工藝形成含汞污泥和廢水,從而對環(huán)境造成"二次污染".天然氣中汞的存在形態(tài)主要為元素態(tài)汞,在天然氣處理過程,脫水和脫硫兩個工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量高濃度汞排放進(jìn)入大氣[9-10].

汞具有永久累積性,可通過食物鏈進(jìn)入人體,并且氣態(tài)汞因具有高度的擴(kuò)散性,在進(jìn)入人體后會嚴(yán)重?fù)p壞腦組織、腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)等,甚至存在基因突變和致癌等風(fēng)險[11].國際社會和我國政府對汞的污染均予以高度重視.2013年10月10日,86個國家在日本熊本市共同簽署了旨在全球范圍內(nèi)控制和減少汞排放的《水俁公約》,標(biāo)志著全球攜手共同減少汞污染邁出了重要的第一步.2017年8月16日,旨在控制和減少全球汞排放的國際公約《關(guān)于汞的水俁公約》正式生效.2011年7月,我國發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)[12],該排放標(biāo)準(zhǔn)首次規(guī)定了燃煤電廠汞及汞化合物的排放濃度不得高于0.03mg/m3,并已于2014年1月1日執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn).在此背景下,本文以2015年為基準(zhǔn)年,根據(jù)石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)發(fā)展規(guī)劃和排放因子等因素,估算我國石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)總汞的排放量;依據(jù)石油天然氣的總生產(chǎn)量、分區(qū)域產(chǎn)量、消費(fèi)總量和預(yù)測的總汞排放量,對2020、2025和2030年石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)大氣汞排放量和減排量進(jìn)行了情景分析和預(yù)測,并提出了石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)不同階段大氣汞減排目標(biāo),從而為我國大氣汞排放控制和國家實現(xiàn)履行《水俁公約》提供基礎(chǔ)支撐和參考.

1 石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)總汞排放量

1.1 石油天然氣的產(chǎn)量

根據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計,2015年國內(nèi)石油消費(fèi)總量約為54088.3萬t,其中輕質(zhì)油的消費(fèi)量約為31392.5萬t,重油及化工用油為22695.8萬t;2015年全國原油生產(chǎn)量為21455.6萬t,進(jìn)口量為33548.3萬t,出口量為286.6萬t.2015年全國天然氣消費(fèi)總量為1931.75億m3,國內(nèi)天然氣產(chǎn)量累計為1346.10億m3,進(jìn)口量為611億m3,出口量為33億m3[13-14].全國原油以及天然氣分區(qū)域產(chǎn)量結(jié)果見圖1.

圖1 2015年全國原油和天然氣產(chǎn)量分區(qū)域統(tǒng)計(不含港澳臺)

1.2 石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)總汞排放量的估算

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署確定的汞輸入因子和輸出因子,參照我國石油和天然氣生產(chǎn)和消費(fèi)量,可估算出我國石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)的汞排放量.以天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)的汞排放量的估算為例,其汞排放量的估算如下:

TMI=GP×DMIF×(1)

式中:TMI為總汞輸入量,kg;GP為天然氣生產(chǎn)量,108m3;DMIF為默認(rèn)汞輸入因子,μg/Nm3;為單位轉(zhuǎn)化因子,即10-1.

TMO=TMI×DMOF (2)

式中:TMO為總汞輸出量,kg; DMOF為默認(rèn)汞輸出因子,μg/Nm3.

聯(lián)合國環(huán)境署規(guī)定的石油和天然氣默認(rèn)汞輸入、輸出因子[15-18]分別見表1和表2.利用汞輸入和輸出因子,針對石油開采、冶煉、天然氣開采/加工過程等環(huán)節(jié),經(jīng)過一系列的計算,得到我國石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)在廢氣、廢水、廢渣及產(chǎn)品中汞的平均排放量及區(qū)域分布.

表1 石油和天然氣的默認(rèn)汞輸入因子

表2 石油和天然氣的默認(rèn)汞輸出因子

由表3可知,2015年我國石油開采廢水中汞的平均排放量約為16226.4kg,全國不同地區(qū)汞排放量由高至低依次為西北、東北、華北、華東、華南、華中和西南.石油煉制過程中廢氣、廢水、廢渣和產(chǎn)品中汞的平均排放量依次為8958.4,358.3,5359.6和21139.5kg.其中,廢氣中汞的排放量最高,其次為石油產(chǎn)品中汞的排放量,這意味著在重視石油開采和石油煉制過程汞減排的同時,應(yīng)高度關(guān)注由于石油產(chǎn)品利用過程中汞二次排放問題.

表3 2015年石油開采和煉制過程中汞的平均排放量

經(jīng)計算,2015年我國天然氣開采/處理過程中廢氣、廢水、廢渣和產(chǎn)品中汞的平均排放量依次為3849.8,3849.8,1924.9和9624.6kg(表4),其中大氣汞的排放總量和廢水中汞排放總量相同.另外按區(qū)域分布,其排放量規(guī)律與圖1數(shù)據(jù)一致.顯然,進(jìn)入產(chǎn)品中的汞排放量最高,其利用過程對環(huán)境的危害應(yīng)引起高度重視.同時,根據(jù)天然氣的消費(fèi)量分布,預(yù)測了2015年我國天然氣燃燒過程中大氣汞的平均排放量約為19.30kg,其值遠(yuǎn)低于開采/處理過程.

表4 2015年我國天然氣開采/處理以及燃燒過程中汞的平均排放量

2 石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)大氣汞減排方案

我國目前存在5個重點(diǎn)人為汞排放源,分別是燃煤電廠、燃煤工業(yè)鍋爐、有色金屬冶煉、水泥熟料生產(chǎn)和垃圾焚燒,在2015年,上述5種行業(yè)共排放的大氣汞達(dá)到371t,其中燃煤電廠貢獻(xiàn)了75.9t(占比20.5%),燃煤工業(yè)鍋爐貢獻(xiàn)了80.4t (占比21.7%),有色金屬冶煉貢獻(xiàn)了72.3t (占比19.5%),水泥熟料生產(chǎn)貢獻(xiàn)了12.0t (占比3.8%),垃圾焚燒貢獻(xiàn)了127.7t (占比34.5%)[19].目前《水俁公約》對以上5種行業(yè)的汞排放已經(jīng)展開了嚴(yán)苛的管控,盡管現(xiàn)有情況下石油和天然氣行業(yè)中汞的排放量相對于以上幾個行業(yè)其貢獻(xiàn)比例相對較低,但在未來情景中,隨著重點(diǎn)行業(yè)汞排放問題受到嚴(yán)格管控,石油和天然氣行業(yè)產(chǎn)生的汞排放問題會日益凸顯,也應(yīng)予以重視.

對于石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè),雖然已制定的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[20-21]對大氣和水污染物排放規(guī)定了相應(yīng)的排放限值,但存在大氣汞排放數(shù)據(jù)缺失、相關(guān)政策不健全、排放標(biāo)準(zhǔn)尚未制定等問題.因此石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)大氣汞減排目標(biāo)研究十分必要和緊迫.本文根據(jù)表3和表4,預(yù)測2015年我國石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)大氣總汞排放量分別為8958.4和3849.8kg (考慮天然氣燃燒過程大氣汞排放量遠(yuǎn)低于其開采/處理過程(表4數(shù)據(jù)),予以忽略),以2015年為基準(zhǔn)年,對2020~2030年期間的石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)大氣汞排放量進(jìn)行了3個階段的減排目標(biāo)設(shè)定.

2.1 消費(fèi)量預(yù)測

石油天然氣行業(yè)的"十三五"發(fā)展規(guī)劃顯示,隨著國內(nèi)產(chǎn)量的增加和進(jìn)口能力的增強(qiáng),石油天然氣供求總體上將進(jìn)入寬平衡狀態(tài).本文依據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布的石油天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃制定的預(yù)測性指標(biāo)[21],將2020年、2025年和2030年國內(nèi)石油天然氣消費(fèi)總量的預(yù)測值歸納如表5,數(shù)據(jù)顯示,在2015~2030年區(qū)間內(nèi),石油和天然氣年消費(fèi)量整體呈現(xiàn)遞增趨勢,但年增長率逐漸遞減,預(yù)測結(jié)果表明我國未來能源結(jié)構(gòu)中對于石油和天然氣的消費(fèi)需求增長逐步放緩.

表5 2020、2025和2030年石油天然氣消費(fèi)總量預(yù)測

2.2 情景設(shè)置及減排目標(biāo)

根據(jù)“十二五”期間石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)的裝備發(fā)展情況和協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展,設(shè)置了低減排、中減排、高減排3個情景方案,每種方案中設(shè)定了對應(yīng)于2020、2025、2030年的減排目標(biāo)并提出了具體的減排措施,如表6所示.

表6 2020年、2025年和2030年石油和天然氣行業(yè)大氣汞減排目標(biāo)及措施

2.3 汞減排量的估算

表7 3種情景方案中大氣汞的排放和減排量

基于表6中的情景設(shè)置和2015年石油天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)大氣汞排放量,將低減排、中減排和高減排3種情景中2020年、2025年和2030年大氣汞的減排量和排放量計算結(jié)果匯總于表7,數(shù)據(jù)顯示,至2030年,在低減排情景中,石油和天然氣行業(yè)大氣汞將分別減排5375.0和2309.7kg;在中減排情景中,石油和天然氣行業(yè)大氣汞將分別減排6270.9和2694.8kg;在高減排情景中,石油和天然氣行業(yè)大氣汞將分別減排7166.7和3079.8kg.兩大行業(yè)大氣汞在未來不同情景下均有明顯的減排效果,這也為我國實現(xiàn)履行《水俁公約》提供良好的支撐.

3 結(jié)論

3.1 根據(jù)2015年全國不同地區(qū)原油和天然氣的消費(fèi)總量、生產(chǎn)量、進(jìn)口量和出口量,利用聯(lián)合國環(huán)境署規(guī)定的汞輸入和輸出因子,估算了2015年我國石油開采廢水中汞平均排放量約為16226.4kg,石油煉制過程中廢氣、廢水、廢渣和產(chǎn)品中汞平均排放量分別為8958.4、358.3、5359.6和21139.5kg;2015年我國天然氣開采和處理過程產(chǎn)生的廢氣、廢水、廢渣和產(chǎn)品中汞平均排放量分別為3849.8、3849.8、1924.9和9624.6kg.

3.2 2015年我國不同地區(qū)石油開采及煉制過程中汞排放量由高至低依次為西北、東北、華北、華東、華南、華中和西南,我國不同地區(qū)天然氣開采、處理及燃燒過程中汞排放量由高至低依次為西北、西南、華南、華北、東北、華東、華中.

3.3 以2015年為基準(zhǔn)年,根據(jù)我國石油天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃制定的預(yù)測性指標(biāo),并結(jié)合“十二五”期間國內(nèi)石油天然氣生產(chǎn)和加工行業(yè)的裝備發(fā)展情況和協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展,針對2020~2030年我國石油和天然氣生產(chǎn)加工行業(yè)設(shè)定了低減排、中減排和高減排三種大氣汞減排情景,設(shè)置了對應(yīng)于每個年份和每種情景的減排目標(biāo),提出了相應(yīng)的具體減排措施,計算了每種減排目標(biāo)下的大氣汞減排量和排放量.

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Atmospheric mercury emission prediction and emission reduction in petroleum and natural gas industry for China.

NIE Guo-xin*, YUAN Bo, WANG Tian-hao

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2019,39(11)：4599~4603

The production and processing of petroleum and natural gas was one of the important sources of atmospheric mercury emission from anthropogenic sources. Based on the statistical data of crude oil and natural gas production and regional distribution in different regions of China in 2015, using the mercury input factor and output factor determined by the United Nations Environment Programme, the atmospheric mercury emissions in China's oil extraction, refining, natural gas extraction and combustion were estimated. Meanwhile, according to the predictive indicators of the 13th five-year plan for oil and gas development released by the national development and reform commission, taking 2015 as the base year, three emission reduction targets were set for the atmospheric mercury emission in the oil and gas production and processing industry from 2020 to 2030, and based on that, the emission and emission reduction of atmospheric mercury in the two major industries were calculated, which could provide basic support for the implementation of Minamata Convention.

oil；natural gas；mercury emission prediction；reduction target

TM62;X51

A

1000-6923(2019)11-4599-05

聶國欣(1972-),女,山東青州人,華北電力大學(xué)高級工程師,主要從事大氣污染控制研究.

2019-04-26

國家環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(201309018)

* 責(zé)任作者, 高級工程師, 122122770@qq.com