油气田开发业挥发性有机物排放来源及控制措施

2015-02-03孟凡伟周学双童莉郭森崔积山

油气田环境保护 2015年3期

关键词：轻烃油气田储罐

孟凡伟周学双童莉郭森崔积山

（1.中华人民共和国环境保护部环境工程评估中心；2.青岛中油华东院安全环保有限公司）

油气田开发业挥发性有机物排放来源及控制措施

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（1.中华人民共和国环境保护部环境工程评估中心；2.青岛中油华东院安全环保有限公司）

文章从源强产生角度，重点研究了油气田行业挥发性有机物（VOCs）在项目开发建设期和油气生产期的排放来源，即开发建设期污染源主要为钻井过程中、柴油机燃烧产生及井喷事故排放的VOCs，油气生产期有组织排放及无组织挥发的VOCs。探讨了其源头控制、末端治理的措施，并针对目前存在的问题提出合理化建议，为提升我国挥发性有机物的治理水平提供技术支撑。

油气田；挥发性有机物；排放来源；控制措施

0 引言

当前我国大气环境形势十分严峻，以臭氧、细颗粒物（PM2.5）和酸雨为特征的区域性复合型污染日益突出，区域内大范围出现空气重污染现象的频次日益增多，严重制约了社会经济的可持续发展，威胁着人们的身体健康。VOCs作为促进臭氧和PM2.5形成的主要前体物，日益受到社会关注，有效控制VOCs已成为现阶段我国大气环境治理领域中的热点问题［1-2］。

2013年我国发布的《大气污染防治行动计划》明确要求，VOCs排放是否符合总量控制要求作为建设项目环境影响评价审批的前置条件，并将其纳入排污费征收范围，并计划对石化、有机化工、表面涂装、包装印刷等行业实施VOCs综合整治［3］。因此，在环境管理的各个环节都需对VOCs实行精细化管理。

目前我国对于油气田行业中VOCs的排放和控制的研究较少，对其排放环节、估算方法和污染控制措施缺乏系统的分析。为此，本文重点研究了油气田开发业VOCs排放来源，探讨了其控制措施，针对目前存在的问题提出了合理化建议。

1 油气田开发项目VOCs排放来源研究

油田开发建设项目主要包括开发建设期和油气生产期两个阶段。本文从源强产生的角度，对油气田开发项目VOCs污染源进行归类解析，具体分类情况见表1，基本涵盖VOCs的排放过程［4］。

表1 油气田开发项目VOCs污染源解析

1.1 开发建设期VOCs污染源解析

油气田开发建设期主要包括钻井工程和地面工程建设。其中，钻井工程主要包括井场基础施工、安装设备、钻井、完井、测井、固井、安装井口装置等；地面工程建设主要包括集输管线敷设、站场（集油／气站、联合站／天然气处理厂等）及辅助工程建设等。该过程VOCs排放源主要来自钻井过程中排放的无组织工艺废气、柴油机燃烧燃料产生的烟气和井喷事故排放的气体，均为短期无组织排放。

钻井过程中无组织工艺废气

在钻井过程中，含VOCs气体可能会自井眼渗出溶解或夹带在钻井液中，在泥浆脱气过程中会从泥浆中分离排入大气；如果使用油基泥浆，泥浆为油包水乳化液，泥浆经过振动筛时，含VOCs的油气会直接排放到大气中；另外，泥浆池由于可能存储含烃类的钻井岩屑，VOCs会从泥浆池中挥发进入大气。

柴油机燃烧产生的烟气

钻井过程中由于使用大功率柴油机驱动钻机，燃烧烟气中有少量的未经充分燃烧的VOCs排入大气。

井喷事故排放

井喷事故发生后会有大量油气喷出，短时间内会造成大量VOCs排放。

1.2 油气生产期VOCs污染源解析

油气生产期主要包括采油／气、油气集输至站场、油气初步加工处理、储存与外输等过程。该过程分为有组织排放和无组织挥发两类。

1.2.1 有组织排放

供热设施燃烧烟气

主要是指锅炉、加热炉、导热油炉等供热设施燃烧燃料过程排放的烟气，燃烧烟气中有少量的未经充分燃烧的VOCs排入大气。

非正常生产工况火炬燃烧排放

开、停工和故障时的泄压、吹扫气导入火炬系统，大多在燃料辅助下燃烧排放，燃烧烟气中有少量的未经充分燃烧的VOCs排入大气。

1.2.2 无组织挥发无组织工艺废气

①原油加工过程：原油初步加工处理主要包括三相分离、原油稳定和轻烃回收过程，正常情况下三相分离器和稳定塔等设施排放的含VOCs气体作为燃料燃烧，或送往轻烃回收装置回收，不直接外排。

②天然气初加工过程：天然气初步加工主要包括天然气初步分离、脱硫、脱水、脱烃和轻烃回收过程，凝析油气田还需设置凝析油稳定塔等装置。正常情况下初步分离、脱硫、稳定塔等设施排放的含VOCs气体送往轻烃回收装置回收，不直接外排。

天然气脱水通常采用分子筛脱水或甘醇脱水。当采用分子筛脱水时再生气进入管网，不外排；而采用甘醇脱水时，再生器会有少量含VOCs工艺废气放空排入大气。

设备泄漏

设备泄漏指从设备的密封表面泄漏出的气体。油气田开发项目典型的无组织排放设备包括机泵、阀门、法兰、连接器等，输送油气时这些设备的动、静密封处都可能会存在VOCs的泄漏。

储罐损失

油气田开发项目主要储罐包括原油储罐、甲醇、轻烃储罐等。储罐的油气损失形式主要包括呼吸损失和工作损失。其中，呼吸损耗指由于日常的温度和压力的变化导致的储存物料的蒸发损耗。工作损耗是指储罐在进料或出料的操作中物料蒸汽的损耗，进料损耗指随着物料注入，储罐内气相空间变小压力增大，VOCs等污染物随气相被排出罐外；出料损耗指随着物料输出，气相空间变大压力降低，则外部空气进入罐体，油气浓度降低导致更多的油气溢出进入气相。

装卸损失

经初步加工后的原油、天然气及少量轻烃主要通过管道、火车和汽车输送，在车辆装载过程中罐车在进料过程中物料蒸汽的损耗，随着物料注入，储罐内气相空间变小压力增大，VOCs等污染物随气相被排出罐外进入大气。

废水收集和处理过程逸散

油气初步加工过程中分离出的废水经收集后送污水处理场处理，在此过程中部分VOCs会从水中逸散出来进入大气。

采样过程损失

在采样管线内物料置换和置换出物料的收集储存过程中，部分VOCs从中逸散。

循环水冷却系统逸散

由于设备泄漏，导致有机物料和冷却水直接接触，冷却水将物料带出，冷却过程由于凉水塔的汽提作用和风吹逸散，VOCs从冷却水中排入大气。

开停工、检维修过程泄漏

一般情况下，设备在开、停工或检维修时的初期泄压、吹扫气首先导入火炬系统，最后设备泄压并吹扫气体放空，致使部分含VOCs气体排入大气。

2 油气田VOCs控制技术

2.1 源头控制

改进钻井工艺，用水基泥浆代替油基泥浆，从源头控制VOCs的产生。

选用高密封性设备，提高本质安全；或对设备进行改进，包括管线端口安装管帽、使用密封泵等，减少VOCs的排放。

储存过程选用浮顶式储罐，装卸过程采用液下装卸系统均能有效降低VOCs的产生量。

2.2 末端治理

油气开发项目主要的VOCs治理措施主要包括吸附法、吸收法和燃烧法［5-6］。

吸附法吸附法是利用活性炭、硅胶等具有吸附能力的物质，处理高、中、低浓度的含VOCs气体污染物，可用于处理原油、轻烃储存及装卸过程中产生的VOCs废气，吸附效果取决于吸附剂性质及吸附系统的操作温度、湿度、压力等因素，回收率通常可以达到95%左右。

吸收法吸收法是以柴油、煤油等低挥发或不挥发溶剂作为吸收剂，处理浓度较高、温度较低的含VOCs气体污染物，可用于处理原油储存及装卸过程产生的VOCs废气，吸收效果主要取决于吸收剂的性能和吸收设备的结构特征，回收率通常在80%左右。燃烧法燃烧法是利用VOCs易燃性质进行处理的一种方法，其目的是通过燃烧将废气中有机组分转化为CO2和H2O。油气田开发过程中事故状况排放的废气通常排往火炬燃烧，去除率通常可以达到98%以上。

3 存在的问题及建议

◆VOCs的管理控制理念落后，应从源头和末端同时治理

我国油气田开发行业起步较晚，大部分企业尚未考虑VOCs泄漏排放问题，在VOCs污染控制方面仍显被动。

建议从源头减少泄漏产生，在工艺选择、设备选型等方面提出严格要求，从根本上将VOCs排放最小化。对现有企业，联合站／天然气处理厂等重点区域采用泄漏检测和修复（LDAR）程序，对各类设备组件（如阀门、泵和法兰）动静密封点处进行动态监测，筛选出VOCs排放源，对超出设定浓度的泄漏点进行修复；同时增设VOCs末端治理措施，以便迅速地减少排放。

◆VOCs排放基数不清，应尽快开展估算方法研究工作

目前国内在油气田行业VOCs估算方法、排放基数等方面尚不清晰。建议尽快开展VOCs估算方法研究工作，为下一步确定VOCs污染物排放总量提供依据。

◆VOCs污染控制处于起步阶段，尽快开展污染减排控制工作

目前，国内油气田开发行业VOCs污染控制措施应用案例较少，整体处在污染治理的初级阶段。建议在参考国内石化企业VOCs污染控制技术基础上，深入研究发达国家和地区油气田行业VOCs污染控制方法，有针对性地推动VOCs治理措施的进步，为下一步推进污染减排奠定基础。