基于頁巖氣返排液中污染氣體濃度及擴散模型研究*

成瀟瀟 劉建國 徐亮? 徐寒楊 金嶺 束勝全 薛明

1) (中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所, 合肥 230031)

2) (中國科學技術大學, 合肥 230026)

3) (中國石油集團安全環保技術研究院, 北京 102206)

針對頁巖氣開發過程中污染氣體濃度與擴散分布不確定性問題, 利用自主設計并搭建的開放光路傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測量系統, 對返排液中污染氣體進行濃度反演, 并通過返排液流速及污染源大小, 計算出污染源源強.結合現場環境, 建立參考坐標, 對高斯擴散模型進行數學推導, 構建污染源面源擴散模型并進行仿真分析.結果表明: 源強、距離、風速、大氣穩定度影響氣體濃度擴散.對返排液進行80 h連續測量,確定主要污染氣體濃度及面源源強.實驗結果表明: 返排液排放的主要污染氣體為丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫; 對應的最大濃度分別4.689, 25.494, 30.324, 0.656, 4.620 mg/m3.最大面源源強分別為1.9872,10.9750, 12.8513, 0.2707, 1.9064 g/s.結合風速及日間環境情況, 選取大氣穩定度, 將源強代入面源擴散模型,進行污染氣體擴散濃度構建, 實現對不同污染氣體不同位置上濃度分布的實時監測.相對于傳統測量方法,利用FTIR方法并結合面源擴散模型, 不僅能夠實現對污染源的非接觸遠距離在線測量, 還能對污染氣體分布進行安全區域劃分.

1 引 言

在過去的十幾年里, 基于水力壓裂的頁巖氣開采技術的發展使得美國的油氣產量大幅增加[1], 至2015年頁巖氣產量占美國天然氣總產量的56%.而我國作為頁巖氣儲量大國, 資源總量達到134.4萬億立方米, 可采資源量25.08萬億立方米, 探明儲量超過2萬億立方米, 預計2020年頁巖氣開采量達到200億立方米左右[2].但是, 在頁巖氣開采過程中, 隨著返排液帶出的氣體會影響當地區域的空氣質量[3,4].這些氣體以甲烷(CH4)為主[5,6], 同時包括揮發性有機化合物(VOCs)、硫化物等有毒有害污染氣體[7,8].大多數VOCs會在光照條件下發生光化學反應, 形成二次氣溶膠、酸雨、光化學煙霧等; 且高濃度的VOCs會導致阻塞性肺病(COPD)、呼吸短促和易感人群中的其他呼吸道疾病[9].同時,中國生態環保部頒布的《大氣污染物綜合排放標準》(GB16297-1996)明確規定了33種大氣污染物的排放限值, 對廠界濃度有著明確要求.中國國家衛生和計劃生育委員會發布《工業企業設計衛生標準》(TJ36-79)對居民區大氣中有害物質的最高容許濃度有著明確要求.因此, 對頁巖氣開采過程中污染氣體的濃度及擴散分布進行實時在線監測顯得尤為重要.

目前, 對于頁巖氣的VOCs及其他污染氣體的檢測手段主要是通過蘇瑪罐、固體吸附等傳統手段在現場收集空氣樣品[10,11], 然后在實驗室采用離子火焰燃燒(FID)[12]、光離子化檢測器(PID)[13]等技術進行測定; 或采取點式與手持式設備對頁巖氣開采周邊環境進行監測[14].傳統方法耗時較長, 且不同采樣方式受樣品保存時間等影響, 實驗室測定值與現場檢測值比對時存在較大差異.國家已出臺VOCs的在線監測標準, 但多針對非甲烷總烴測定, 無法實現原位組分分析, 且無法滿足區域內VOCs濃度分布監測.本文通過開放光路傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測量系統對頁巖氣污染氣體進行實時在線濃度監測, 利用FTIR測量具有速度快、精度高、分辨率高、測定波段寬、無需采樣及預處理等優點[15,16], 對返排液進行在線自動測量并根據高斯擴散模型, 通過理論分析與數值模擬, 建立實時污染氣體面源擴散模型.在此基礎上, 對污染氣體濃度分布進行可視化展示并依據國家標準確定動態廠界.該研究方法不僅能夠實現對頁巖氣返排液中污染氣體的定性定量分析, 同時能構建出污染氣體的濃度分布情況, 實現動態廠界的設置.

2 基本原理

2.1 高斯擴散模型

對于地面高度H處連續點源的煙羽模型為[17]

其中C(x,y,z) 表示 (x,y,z) 點的濃度;Q表示源強;μ表示風速;σy,σz分別為側風方向和垂直方向的擴散系數;H代表有效源高.

根據國家標準GB/T13201-91中規定, 當采樣時間為0.5 h時, 擴散系數為

其中,γ1表示橫向擴散參數回歸系數;γ2表示垂直擴散參數回歸系數;a1表示橫向擴散參數回歸指數;a2表示垂直擴散參數回歸指數[18,19].在下風1000 m以內, 各參數取值如表1所列.

表1 P-G擴散曲線冪函數數據參數表Table 1.Diffusion curve power function data of P-G.

大氣穩定度等級的劃分，按照Pasquill穩定度分類法, 可分為強不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、較穩定和穩定共六個等級, 分別由A, B, C, D,E, F表示.主要與太陽高度角、風速、高低空云量有關, 如表2所列.

表2 P-G擴散模型的大氣穩定度等級Table 2.Levels of atmospheric stability for diffusion models of P-G.

表中強光指的是夏至時正午光照強度, 弱光指的是冬至時正午光照強度, 主要受太陽高度角影響.根據高斯擴散模型, 高空排放氣體在風速、風向的作用下, 向下風口運動.圖1給出在風速為5與0 m/s時擴散情況.

圖1 氣體排放圖 (a)V = 5 m/s; (b)V = 0 m/sFig.1.Emission map of gas: (a) V = 5 m/s; (b) V = 0 m/s.

2.2 面源擴散模型

對于面源的擴散模型, 通過對其擴散參數進行修正, 添加初始擾動, 可采用虛擬點源來代替并計算[20], 虛擬點源遠離中心, 位于上風口.對于高度為0 m的面源擴散區域, 其原理圖如圖2所示.

圖2 面源擴散模式Fig.2.Diffusion pattern of area source.

Q為上風口的虛擬點源, 其在y軸的擴散模式為高斯擴散, 符合正態分布[21]:

其中,a為面源區域寬度,σy0為初始擴散參數.

通過(2)式, 可求出初始點源位置:

結合(1)式的點源高斯擴散模型, 可得面源高斯擴散模型為

當面源為地面排放區域時,H= 0, 則(6)式可轉變為

2.3 面源源強計算

在頁巖氣開采過程中, 由于水力壓裂, 污染氣體大多隨著甲烷氣體進入氣體管道.在高溫高壓的作用下, 部分氣體溶入返排液, 另一部分以游離態狀態隨著返排液排出.因此, 頁巖氣開采過程中,源強與水流速度成正比關系.面源源強為

其中,s為排放面源大小,μ為水流速度,Ci為每點濃度.

由于排放源為穩定的面源, 且FTIR測量的為線濃度, 可對(8)式進行轉化:

其中,c為FTIR測量濃度,l為FTIR光程,S為返排池面積,L為光路跨越面源的長度.

3 實驗系統及仿真分析

3.1 實驗系統

實驗場地選在四川威遠某頁巖氣井, 其返排池面積大小為13.86 m × 13.86 m, 深為5 m, 采用開放光路式FTIR測量系統對返排液進行測量.系統對返排池觀測從2020年9月6日持續到2020年9月9日, 現場情況與實驗設備布設情況如圖3所示.

圖3 實驗外場圖 (a)現場情況; (b)設備布設情況Fig.3.Experimental outfield diagram: (a) Environment;(b) system.

3.2 仿真分析

在不同的風速風向作用下, 面源擴散不同, 對外場防護廠界大小要求不同.設計仿真實驗, 分析在不同風速作用下, 氣體擴散濃度分布情況.參數設計如下: 面源大小為13.86 m × 13.86 m, 高度為0 m, 面源中心為0坐標點.假設初始源強為10 g/s, 風速分別為1 和3 m/s, 結合日間外場情況及表2, 可知大氣穩定度分別為B, C.由(5)式可得初始位置x0= 6.438 m.地面處, 氣體擴散濃度如圖4所示.

圖4 氣體仿真擴散分布圖 (a)V = 1 m/s; (b)V = 3 m/sFig.4.Simulation diffusion distribution diagram of gas: (a) V = 1 m/s; (b) V = 3 m/s.

當風速分別為1和3 m/s, 對下風50, 150, 300 m處的濃度進行仿真分析, 實驗結果如圖5所示.

仿真結果表明: 距離、風速、大氣穩定度影響污染氣體的濃度分布, 隨著距離增大, 濃度急劇下降; 風速越大, 污染氣體下降越快.通過仿真分析可知, 可以對實時污染氣體進行污染預估計, 實現對污染區域的動態設置, 進行安全分布劃分等.

4 測量結果與討論

系統對返排液進行80 h連續觀測, 結合現場環境, 對多種VOCs以及硫化物等污染氣體進行濃度反演, 確定主要污染物濃度, 實驗結果如圖6所示.

數據分析結果表明: 該返排液排放的VOCs氣體主要以戊烷(C5H12)、丙烯(C3H6)為主, 另包含少量丙烷(C3H8).同時包括其他非VOCs污染氣體, 主要為一氧化碳(CO)和二氧化硫(SO2).其中丙烷平均濃度為2.07 mg/m3, 最大濃度為4.689 mg/m3; 戊烷平均濃度為12.71 mg/m3, 最大濃度為25.494 mg/m3; 丙烯平均濃度為14.91 mg/m3, 最大濃度為30.324 mg/m3; 一氧化碳平均濃度為0.43 mg/m3, 最大濃度為0.656 mg/m3; 二氧化硫平均濃度為2.12 mg/m3, 最大濃度為4.620 mg/m3.由于二氧化硫易溶入水, 所以二氧化硫會殘留在返排液中, 隨著污水車運到污水廠, 因此在頁巖氣開采過程中, 二氧化硫排放量遠遠大于FTIR測量計算結果, 但對環境污染主要體現在揮發的二氧化硫上.

對污水排放量進行了統計, 結果如圖7所示.結合(9)式, 計算出丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫最大面源源強分別為1.9872, 10.9750,12.8513, 0.2707, 1.9064 g/s.風速為1 m/s, 結合日間外場環境及表2所列數據可知, 大氣穩定度為B.通過(7)式以及擴散模型, 對丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫進行擴散濃度構建, 日間擴散濃度分布如圖8所示.

圖7 污水排放實時圖Fig.7.Discharge real-time map of sewage.

圖8 污染氣體擴散濃度分布圖Fig.8.Distribution map of diffusion concentration in pollutant gas.

由圖8可以看出, 污染物排放進入大氣后, 急劇擴散, 由于風速的作用, 主要往下風口擴散.同時, 受污染物排放濃度、大氣穩定度、風速影響, 不同污染物在不同時間段擴散濃度不同.以該濃度擴散模型為基礎, 計算返排池下風口50, 100, 200和300 m處的濃度分布, 結果如圖9所示.

圖9 污染氣體濃度分布圖Fig.9.Distribution map of concentration in pollutant gas.

根據國家標準(GB16297-1996)及(TJ36-79)對污染源大氣污染物的排放限值可知, 我國對一氧化碳、二氧化硫、非甲烷總烴廠界或居民區濃度要求分別為3, 0.5和5.0 mg/m3.由濃度分布結果可知丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫在200和300 m處的最大濃度分別為0.7568與0.3650 mg/m3, 4.1780與2.0156 mg/m3, 4.8945與2.3602 mg/m3, 0.1031與0.0497 mg/m3, 0.7261與0.3501 mg/m3.則非甲烷總烴在200與300 m濃度約為9.8302與4.7408 mg/m3.

5 結 論

針對頁巖氣開采過程中污染氣體排放成分、濃度及擴散的不確定性, 以四川威遠某頁巖氣井返排液為研究對象, 通過FTIR濃度反演及面源擴散模型的搭建, 對污染氣體進行定性和定量分析, 構建濃度分布模型.對濃度分布模型進行仿真, 結果表明:源強、距離、風速、大氣穩定度影響氣體濃度擴散.通過返排池80 h連續測量, 對污染氣體進行定性定量分析并計算面源源強.實驗結果表明: 返排液主要排放的污染氣體為丙烷、戊烷、丙烯、一氧化碳、二氧化硫, 最大源強分別為1.9872, 10.9750, 12.8513,0.2707和1.9064 g/s.通過搭建的面源擴散模型,實現對不同污染氣體不同位置上的濃度監測.

本文從返排液污染氣體測量的角度出發, 針對傳統測量手段的難點, 結合FTIR儀器的優勢, 以高斯擴散模型為基礎, 構建面源高斯擴散模型, 從而達到對動態廠界的設置以及污染區域的劃分.為頁巖氣開采過程中污染氣體濃度、排放通量、區域濃度分布提供了有力的支撐.