我國石油天然氣行業大氣汞排放預測及減排

聶國欣,袁 博,王添顥

我國石油天然氣行業大氣汞排放預測及減排

聶國欣*,袁 博,王添顥

(華北電力大學環境科學與工程學院,北京 102206)

基于2015年我國不同地區原油及天然氣產量和區域分布的統計數據,利用聯合國環境署確定的汞輸入因子和輸出因子,估算了我國石油開采、煉制環節以及天然氣開采、燃燒環節中大氣汞的排放量.同時,依據國家發改委發布的石油天然氣發展"十三五"規劃中制定的預測性指標,以2015年為基準年,針對2020~2030年期間的石油天然氣生產加工行業大氣汞排放量設定了3個階段的減排目標,在此基礎上計算了不同階段內兩大行業大氣汞的減排量和排放量,為國家實現履行《水俁公約》提供基礎數據支撐和參考.

石油；天然氣；汞排放預測；減排目標

近年來,我國經濟在“穩增長、調結構”總基調的指導下,發展方式出現了轉變,發展速度趨緩,國內市場對石油和天然氣的需求量也發生變化.“十二五”期間,我國石油消耗總量和石油凈進口量的年均增速均在降低[1-3].據統計,我國石油和天然氣的年消費量分別占全球消費總量的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天然氣汞含量范圍為200~ 2500μg/m3.汞濃度還與天然氣類型相關,我國煤型氣汞含量算數平均值約為30μg/m3,而油型氣汞含量算數平均值約為3μg/m3[5].石油中汞的主要形態以有機金屬化合物形式為主,經過燃燒后這些含汞有機金屬化合物主要轉化為元素態汞[6],從而導致導致石油加工行業工作人員的職業暴露,即有可能吸入汞蒸氣或通過皮膚吸收有機汞[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換熱器等設備、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加工工藝形成含汞污泥和廢水,從而對環境造成"二次污染".天然氣中汞的存在形態主要為元素態汞,在天然氣處理過程,脫水和脫硫兩個工藝環節產生了大量高濃度汞排放進入大氣[9-10].

汞具有永久累積性,可通過食物鏈進入人體,并且氣態汞因具有高度的擴散性,在進入人體后會嚴重損壞腦組織、腎臟、神經系統等,甚至存在基因突變和致癌等風險[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控制和減少汞排放的《水俁公約》,標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《關于汞的水俁公約》正式生效.2011年7月,我國發布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)[12],該排放標準首次規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日執行此標準.在此背景下,本文以2015年為基準年,根據石油天然氣生產和加工行業發展規劃和排放因子等因素,估算我國石油天然氣生產和加工行業總汞的排放量;依據石油天然氣的總生產量、分區域產量、消費總量和預測的總汞排放量,對2020、2025和2030年石油天然氣生產和加工行業大氣汞排放量和減排量進行了情景分析和預測,并提出了石油天然氣生產和加工行業不同階段大氣汞減排目標,從而為我國大氣汞排放控制和國家實現履行《水俁公約》提供基礎支撐和參考.

1 石油天然氣生產和加工行業總汞排放量

1.1 石油天然氣的產量

根據中國產業信息網統計,2015年國內石油消費總量約為54088.3萬t,其中輕質油的消費量約為31392.5萬t,重油及化工用油為22695.8萬t;2015年全國原油生產量為21455.6萬t,進口量為33548.3萬t,出口量為286.6萬t.2015年全國天然氣消費總量為1931.75億m3,國內天然氣產量累計為1346.10億m3,進口量為611億m3,出口量為33億m3[13-14].全國原油以及天然氣分區域產量結果見圖1.

圖1 2015年全國原油和天然氣產量分區域統計(不含港澳臺)

1.2 石油天然氣生產加工行業總汞排放量的估算

根據聯合國環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和消費量,可估算出我國石油天然氣生產加工行業的汞排放量.以天然氣生產加工行業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為天然氣生產量,108m3;DMIF為默認汞輸入因子,μg/Nm3;為單位轉化因子,即10-1.

TMO=TMI×DMOF (2)

式中:TMO為總汞輸出量,kg; DMOF為默認汞輸出因子,μg/Nm3.

聯合國環境署規定的石油和天然氣默認汞輸入、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/加工過程等環節,經過一系列的計算,得到我國石油天然氣生產加工行業在廢氣、廢水、廢渣及產品中汞的平均排放量及區域分布.

表1 石油和天然氣的默認汞輸入因子

表2 石油和天然氣的默認汞輸出因子

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,應高度關注由于石油產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

經計算,2015年我國天然氣開采/處理過程中廢氣、廢水、廢渣和產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.另外按區域分布,其排放量規律與圖1數據一致.顯然,進入產品中的汞排放量最高,其利用過程對環境的危害應引起高度重視.同時,根據天然氣的消費量分布,預測了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 石油天然氣生產加工行業大氣汞減排方案

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

對于石油天然氣生產和加工行業,雖然已制定的有關標準[20-21]對大氣和水污染物排放規定了相應的排放限值,但存在大氣汞排放數據缺失、相關政策不健全、排放標準尚未制定等問題.因此石油天然氣生產加工行業大氣汞減排目標研究十分必要和緊迫.本文根據表3和表4,預測2015年我國石油天然氣生產和加工行業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低于其開采/處理過程(表4數據),予以忽略),以2015年為基準年,對2020~2030年期間的石油天然氣生產加工行業大氣汞排放量進行了3個階段的減排目標設定.

2.1 消費量預測

石油天然氣行業的"十三五"發展規劃顯示,隨著國內產量的增加和進口能力的增強,石油天然氣供求總體上將進入寬平衡狀態.本文依據國家發改委發布的石油天然氣發展“十三五”規劃制定的預測性指標[21],將2020年、2025年和2030年國內石油天然氣消費總量的預測值歸納如表5,數據顯示,在2015~2030年區間內,石油和天然氣年消費量整體呈現遞增趨勢,但年增長率逐漸遞減,預測結果表明我國未來能源結構中對于石油和天然氣的消費需求增長逐步放緩.

表5 2020、2025和2030年石油天然氣消費總量預測

2.2 情景設置及減排目標

根據“十二五”期間石油天然氣生產和加工行業的裝備發展情況和協同控制技術應用進展,設置了低減排、中減排、高減排3個情景方案,每種方案中設定了對應于2020、2025、2030年的減排目標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大氣汞減排目標及措施

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中的情景設置和2015年石油天然氣生產加工行業大氣汞排放量,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果匯總于表7,數據顯示,至2030年,在低減排情景中,石油和天然氣行業大氣汞將分別減排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,石油和天然氣行業大氣汞將分別減排7166.7和3079.8kg.兩大行業大氣汞在未來不同情景下均有明顯的減排效果,這也為我國實現履行《水俁公約》提供良好的支撐.

3 結論

3.1 根據2015年全國不同地區原油和天然氣的消費總量、生產量、進口量和出口量,利用聯合國環境署規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生的廢氣、廢水、廢渣和產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年為基準年,根據我國石油天然氣發展“十三五”規劃制定的預測性指標,并結合“十二五”期間國內石油天然氣生產和加工行業的裝備發展情況和協同控制技術應用進展,針對2020~2030年我國石油和天然氣生產加工行業設定了低減排、中減排和高減排三種大氣汞減排情景,設置了對應于每個年份和每種情景的減排目標,提出了相應的具體減排措施,計算了每種減排目標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,華北電力大學高級工程師,主要從事大氣污染控制研究.

2019-04-26

國家環境保護公益性行業科研專項(201309018)

* 責任作者, 高級工程師, 122122770@qq.com