高含硫天然氣凈化廠環(huán)境影響評價

吳鵬斌，崔吉宏，曹文全，陳 鐳，李 思

（中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400）

加強污染防治和生態(tài)建設，扎實做好碳達峰碳中和各項工作，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構，建立資源消耗、環(huán)境承載力預警機制，已成為我國的重要發(fā)展方向。大力開發(fā)以天然氣為代表的清潔能源，是污染防治的一個重要措施。川渝地區(qū)海相天然氣儲量極其豐富，近十年先后開發(fā)了普光、元壩、龍王廟等大型酸性氣田。但該類氣田處理工藝復雜，生產(chǎn)過程消耗大量能源，外排煙氣和水量大，未建立有效的能源消耗和環(huán)境影響評價體系，對加強污染防治和生態(tài)建設缺乏具有指導性、操作性的研究成果。

某高含硫天然氣凈化廠共建設4列凈化處理裝置及配套的公用工程和輔助設施。凈化裝置以酸性天然氣為原料，采用UDS-2溶劑脫HS、CO、有機硫工藝，凈化氣經(jīng)三甘醇脫水后輸送至川氣東送管線，酸性氣則依次經(jīng)克勞斯、兩級催化轉(zhuǎn)化和SCOT尾氣處理工藝回收硫磺，酸性水采用單塔低壓汽提技術凈化。

本工作以該凈化廠2019年的生產(chǎn)運行為依托，定量核算各類資源消耗、碳排放和污染物排放，采用各污染物對不同環(huán)境影響的貢獻度計算方法建立環(huán)境影響評價模型，以實現(xiàn)對該凈化廠環(huán)境影響的綜合評價，并提出相應的減排措施，對高含硫天然氣凈化廠的環(huán)保發(fā)展具有一定指導意義。

1 研究對象與范圍界定

凈化裝置工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 高含硫天然氣凈化裝置工藝流程簡圖

1.1 研究對象

本工作選取某凈化廠日處理原料氣1 200×10m/d項目為研究對象，2019年共凈化原料氣404 945×10m，凈化氣產(chǎn)量為338 892×10m。

1.2 功能單位

以凈化廠每處理1×10m原料氣所造成的環(huán)境影響進行計算和分析，即該系統(tǒng)的功能單位為1×10m。

1.3 范圍界定

以凈化廠廠區(qū)和管理中心為界，對2019年凈化廠生產(chǎn)運行所涉及的基礎數(shù)據(jù)進行研究，具體數(shù)據(jù)包括凈化廠全年的各類資源消耗量、污染物排放量等，天然氣開采和消費階段對環(huán)境的影響暫不列入本評價范圍。

2 清單分析

2.1 數(shù)據(jù)收集

在凈化廠生產(chǎn)運行期間所需能源主要為自產(chǎn)天然氣（燃料氣）、外購電力，而所需水、氣和蒸汽均為所消耗天然氣和電力自產(chǎn)自用，在能耗體系中不單獨計算，避免能耗的疊加計算；同時消耗一定量的柴油和乙炔，分別用于廠區(qū)叉車和設備設施的焊割。主要的燃料氣消耗設備有凈化裝置工業(yè)爐和火炬長明燈，公用工程動力站高/中壓鍋爐，食堂灶爐等。凈化廠出現(xiàn)異常工況導致火炬放空的天然氣燃燒在本研究中被認為是企業(yè)耗能。耗電設備則是各類泵、風機、空冷器等生產(chǎn)用電，以及照明和生活等輔助用電。

排放的大氣污染物主要包括SO、CO、CO、NO（主要為NO和NO）、NO、VOCs、CH、粉塵等；廢水污染物包括氨氮、COD、總磷等；危廢主要考慮廢舊催化劑和活性炭，2019年無裝置檢修，故本次研究不考慮危廢排放。分析梳理該凈化廠的各類污染物排放源如下。

1）SO：原料氣中未被凈化裝置處理的含硫化合物，在尾氣焚燒爐焚燒后經(jīng)煙囪排放。

2）CO：凈化廠燃料氣和柴油等含碳化合物的燃燒或使用；原料氣凈化處理中CO的制程排放；外購電力消耗造成的CO間接排放；廠內(nèi)干粉滅火器的逸散。

3）CO、NO、NO、VOCs、CH和PM：工業(yè)爐燃燒后的煙氣排放。

4）氨氮、COD、總磷：監(jiān)護池外排水。

5）其他：廠區(qū)高壓開關SF的逸散，空調(diào)制冷劑的逸散，硫磺成型廠房S粉塵的逸散。

凈化廠資源消耗和污染物排放數(shù)據(jù)收集位置如圖2所示。

圖2 凈化廠主要數(shù)據(jù)收集位置

2.2 過程清單

2.2.1 資源消耗

根據(jù)凈化廠分散控制系統(tǒng)（DCS）對燃料氣和淡水消耗的統(tǒng)計，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（SCADA）系統(tǒng)對電力消耗的統(tǒng)計，以及各歸口部門對柴油、乙炔的統(tǒng)計，2019年的各類資源消耗量見表1～3。

表1 凈化廠燃料氣消耗量

表2 凈化廠電力消耗量

表3 凈化廠其他資源消耗量

2.2.2 環(huán)境排放

凈化廠各類污染物質(zhì)的排放量未進行完整的智能化統(tǒng)計。根據(jù)該項目的統(tǒng)計分析、標定報告、測試報告和監(jiān)測數(shù)據(jù)等，2019年原料氣中HS和CO的體積分數(shù)分別為6.25%和4.36%，產(chǎn)品氣中CO的體積分數(shù)為0.23%，硫磺回收率為99.94%，凈化裝置尾氣中NO與SO的質(zhì)量比為0.13，工業(yè)鍋爐尾氣中CO與CO的體積比為0.72%。根據(jù)中國石化碳排放盤查系統(tǒng)，標準體積天然氣輸入的CO，NO，CH的排放因子分別為2.184×10，3.9×10，3.89×10kg/m。VOCs和PM的排放量則根據(jù)我國天然氣工業(yè)鍋爐平均排放因子得出，1 GJ天然氣輸入的排放因子分別為3.094，2.849 g。全廠干粉滅火器干粉保有量為5.78 t，逸散系數(shù)為4%；全廠空調(diào)制冷劑R22，R407c，R410a保有量分別為0.99，0.95，0.24 t，逸散系數(shù)為5.5%；全廠SF保有量0.05 t，逸散系數(shù)為0.5%。電耗的間接排放量以四川省級電網(wǎng)溫室氣體排放因子為標準計算，為362 g/（kW·h）（以CO當量計）。監(jiān)護池外排生產(chǎn)廢水量為209 635 t，氨氮、總磷和COD質(zhì)量濃度分別為0.08，0.12，8.70 mg/L。

綜上，CO制程排放量和SO排放量依據(jù)元素守恒計算；NO和CO排放量根據(jù)比值法計算；其余污染物排放量的計算見式（1）和式（2）。

式中：Q為污染物的排放量；D為資源的消耗量；F為資源消耗后污染物的排放因子。

式中：Q為污染物的逸散量；A為物質(zhì)的保有量；C為物質(zhì)的逸散系數(shù)。

2019年凈化廠各污染物的環(huán)境排放量見表4。其中，固定源排放包括凈化裝置工業(yè)爐、高/低壓火炬長明燈、火炬放空、動力站鍋爐、食堂爐灶燃料氣消耗和乙炔消耗所造成的CO排放；制程排放是指原料氣中的CO組分在吸收塔內(nèi)由吸收劑吸收后，經(jīng)再生塔解吸釋放，隨凈化裝置流程通過煙囪排放；間接排放是指電力消耗造成的CO排放；其他排放包括柴油燃燒和滅火器干粉逸散所造成的CO排放。

表4 凈化廠的環(huán)境排放匯總

由表4可知：從排放的絕對量來看，2019年凈化廠在生產(chǎn)過程中共排放大氣污染物585 539.52 t，水體污染物1.87 t；從排放的成分來看，大氣污染物中CO的排放量最高，共584 042.46 t，占總排放量的99.74%，其中制程排放量又占CO排放量的56.76%，其次是CO、SO和NO，分別占0.17%、0.07%和0.01%。凈化廠目前采用國產(chǎn)化的UDS-2復合溶劑作為脫硫溶劑，主要由醇胺、環(huán)狀胺類化合物、氮氧雜環(huán)類化合物、消泡劑、緩蝕劑等組成，硫脫除率高，但由于環(huán)狀胺類化合物可顯著提高酸性組分在溶劑中的化學溶解性，CO的吸收效率達到95.59%，造成產(chǎn)品氣中CO濃度遠低于《天然氣》（GB 17820—2012）中一類氣指標，制程CO排放量顯著增加。

2.3 清單處理

凈化廠在生產(chǎn)運行過程中的資源消耗和污染物排放結(jié)果見表5～7。由表可知，在凈化廠生產(chǎn)運行中，每功能單位的能耗為9 624.85 MJ，燃料氣消耗占總能耗的91.25%，電力消耗占8.74%，淡水資源消耗約4.09 t。

表5 凈化廠每功能單位的資源消耗量

表6 凈化廠每功能單位的電力消耗量

3 環(huán)境影響評價

3.1 評價方法

根據(jù)中國科學院生態(tài)環(huán)境研究所楊建新等基于我國國情與發(fā)展提出的各污染物對不同環(huán)境影響的貢獻度計算方法建立評價模型，凈化廠污染物排放對環(huán)境的影響類型見表8。

表8 凈化廠環(huán)境影響類型

3.2 資源耗竭系數(shù)

通過一次性能源消耗對資源耗竭潛值進行計算，反映每功能單位所耗資源占人均資源消耗量的比重，資源耗竭潛值的計算見式（3）。從表9可知，凈化廠的運行主要是對天然氣耗竭，其潛值為463.44 mPE。

表9 凈化廠每功能單位的資源耗竭潛值和系數(shù)

式中：NEP為資源的耗竭潛值，PE（以2000年為基準年的標準人當量）；RC為資源的消耗量，kg；RR為資源的消耗標準化基準，kg/（人·a）。

為反映所消耗資源的稀缺性，按式（4）對資源耗竭潛值進一步加權分析，計算得出每功能單位的資源耗竭系數(shù)為7.73 mPR。

式中：為資源耗竭系數(shù)，PR（以2000年為基準年的加權后的標準人當量）；WF為資源的權重因子，此處為可供應期的倒數(shù)，1/a。

3.3 環(huán)境影響負荷

環(huán)境影響負荷反映研究對象在其生產(chǎn)運行中對環(huán)境系統(tǒng)的壓力大小，主要通過對各環(huán)境影響類型進行計算，得出一個具有可比性的數(shù)值，進而對企業(yè)或產(chǎn)品的環(huán)境效益做出評價。

3.3.1 環(huán)境影響潛值

對凈化廠排放的各污染物的環(huán)境影響進行歸類，并通過表7中污染物的排放量乘以對應的當量因子計算其環(huán)境影響潛值及影響類型潛值，結(jié)果見表10。

表7 凈化廠每功能單位的污染物排放量

表10 凈化廠每功能單位的環(huán)境影響潛值

由表10可知：每功能單位的全球變暖潛值為1 448.41 kg CO當量，以生產(chǎn)運行過程CO排放造成的溫室效應最多；富營養(yǎng)化潛值為0.19 kg NO當量，主要由NO的排放造成，經(jīng)監(jiān)護池處理后的外排污水中的總磷、COD、氨氮對富營養(yǎng)化影響較低；酸化潛值為1.15 kg SO當量，主要由凈化裝置煙氣中的SO排放造成，其次是NO的排放；光化學煙霧潛值為0.095 kg CH當量，主要由CO和VOCs的排放造成；氣溶膠潛值為0.19 kg PM當量，其主要來源為SO排放導致的二次氣溶膠生成，以及工業(yè)爐尾氣排放中的PM，而S粉塵逸散在硫磺成型廠房增設除塵系統(tǒng)后得到有效治理，對氣溶膠潛值的影響基本可忽略。

3.3.2 標準化及加權評估

環(huán)境影響潛值標準化是為了比較各種環(huán)境影響類型的相對大小，其計算見式（5），然后乘以相應的權重因子則可計算出其總環(huán)境影響負荷，如式（6）所示，計算結(jié)果見表11。

式中：NEP為類環(huán)境影響標準化后潛值，PE；EP為類環(huán)境影響總潛值，kg；ER為類環(huán)境影響標準化基準，kg/（人·a）。

式中：為總環(huán)境影響負荷（加權后的影響潛值之和），PE（以2010年為基準年）；WF為類環(huán)境影響的權重因子（以2010年為基準年），WF（根據(jù)2010年削減目標所確定的權重因子）。

由表11可知，在所評價的5種環(huán)境影響類型中，標準化后每功能單位的光化學煙霧影響潛值最大，為0.20 PE，其次是全球變暖，為0.17 PE，對富營養(yǎng)化的影響最小。針對光化學煙霧的治理需從提高工業(yè)爐的燃燒效率著手，降低煙氣中的CO濃度。根據(jù)凈化廠的能耗測試結(jié)果，凈化裝置尾氣焚燒爐的CO排放濃度遠高于《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020）中規(guī)定的80 mg/m限值，動力站高/中壓鍋爐的CO排放濃度遠高于《燃油（氣）燃燒器安全技術規(guī)則》（TSG ZB001—2008）中規(guī)定的95 mg/m限值。尾氣焚燒爐和高/中壓鍋爐存在明顯的燃燒不完全，工業(yè)爐熱效率均約為80%，故可通過提升其燃燒完全性降低CO排放。針對凈化廠制程CO排放量高，普光凈化廠采用甲基二乙醇胺（MDEA）做為脫硫溶劑，產(chǎn)品氣中CO摩爾分數(shù)為1.28%，CO吸收率低于90%，相比UDS-2，MDEA能有效降低凈化廠的碳排放量及其對全球變暖的影響。

表11 凈化廠每功能單位環(huán)境影響潛值的標準化和加權評估

加權后的評估數(shù)值客觀反映了2019年凈化廠各環(huán)境影響類型的嚴重性，其排序依次為全球變暖＞光化學煙霧＞酸化＞氣溶膠＞富營養(yǎng)化，每功能單位的總環(huán)境影響負荷為0.27 PE。加權后的影響潛值也可用于同類凈化廠之間生態(tài)形象的比較，但由于國內(nèi)外尚未見相關研究，目前無法進行比較。

4 結(jié)論

a）凈化廠2019年生產(chǎn)運行中每功能單位的能耗為9 624.85 MJ，燃料氣、柴油、淡水消耗分別為177.04，0.03，4 085.83 kg，資源耗竭系數(shù)為

7.73 mPR。

b）凈化廠共排放污染物585 541.39 t，CO的排放量最多，占總排放量的99.74%，其中制程排放量又占CO排放量的56.76%，其次是CO、SO和

NO。

c）從環(huán)境影響類型看，加權后的影響潛值排序依次為全球變暖＞光化學煙霧＞酸化＞氣溶膠＞富營養(yǎng)化，總環(huán)境影響負荷為0.27 PE，客觀反映了凈化廠生產(chǎn)運行對環(huán)境系統(tǒng)的壓力大小。

d）采用MDEA溶劑減少CO制程排放，提高工業(yè)爐的燃燒完全性減少CO排放，是分別降低凈化廠對全球變暖和光化學煙霧影響的重要方式。