美国油气行业甲烷减排立法及技术

2020-11-18王颖凡徐先港董建锴解东来杨罕玲

煤气与热力 2020年11期

王颖凡，徐先港，董建锴，解东来，杨罕玲

(1.哈尔滨工业大学建筑学院，黑龙江哈尔滨150090；2. 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室，黑龙江哈尔滨150090；3. 美国环保协会，美国纽约10010)

1 概述

甲烷是具有快速增温效应的短寿命强势温室气体，虽然甲烷在大气中的寿命仅为12 a，但其在20 a尺度下的全球增温潜势(GWP)约为二氧化碳的84倍，在100 a尺度下的全球增温潜势为二氧化碳的28倍[1]。甲烷排放量在过去20 a以平均每年0.9%的惊人速度增长，远远高于二氧化碳[2]。根据荷兰环境保护署(PBL)2019年的报告《全球二氧化碳和温室气体排放趋势:2019年报告》(Trends in global CO2and total greenhouse gas emissions: 2019 Report)，甲烷排放量已占全球温室气体排放总量的28%。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的报告已明确指出，甲烷等非二氧化碳温室气体的深度减排是将全球升温控制在1.5 ℃以下的必要条件。

石油和天然气行业是甲烷的最大排放源之一。美国甲烷年排放量的30%来自于油气行业，相当于美国1.75×108辆汽车20 a排放的温室气体总量。据美国环保署(EPA)统计，2018年天然气系统是美国人为甲烷排放的第二大来源，占美国人为温室气体总排放量的22.06%[3]。从油气井口到天然气城市管网，美国油气公司每年排放约680×108kg天然气，这些排放的天然气足够为整个非洲提供2 a的电力[4]。根据美国环保协会(EDF)的最新研究得出的结论，油气行业整个供应链，从生产到集输、长输、储存、城镇燃气供应都存在甲烷排放，天然气系统在上游生产过程的排放尤为显著，主要排放源有井口和脱水器等；石油系统的主要排放源有井口、分离器和原油罐等。此外，设备故障、操作失误和设计不佳等都会造成很高的甲烷排放[5]。在美国油气生产领域中，生产环节甲烷的泄漏率高达2.3%，其年泄漏量达到了63×108kg，在总泄漏量中占比高达37%；收集过程泄漏量排名第2，占比27%；运输储存和加工处理过程泄漏量则分别占比16%和13%；其他泄漏量占比7%。

在油气行业甲烷减排领域，美国走在了世界前列。美国联邦政府制定了国家环境空气质量和国家排放源排放等相关标准。州政府拥有独立管理权，执行和强化联邦标准，同时联邦政府支持州政府创立自己的创新实验室，鼓励州政府研究有效的监测和减排技术。美国在油气行业已经取得了一定成效，2018年，美国天然气系统向大气中排放的甲烷(甲烷排放量以二氧化碳当量计，以下同)为1.4×108t，与1990年相比，甲烷排放量已经减少了0.43×108t[4]。正是联邦政府与州政府之间相互配合，使得美国的甲烷排放无论是监测还是减排技术都得到相当程度的发展。科罗拉多州(以下简称科州)最先响应并出台相关政策，在甲烷减排方面可以作为其他国家或地区学习的对象。本文将从甲烷排放的政策法规和减排措施等方面出发，介绍美国在油气行业甲烷减排方面的经验，并以科州为例，介绍美国在检测维修、运输环节等方面的具体法规和先进的减排技术，为我国在制定甲烷减排政策和技术措施等方面提供参考。

本文主要介绍美国相关法律法规，原文献中数据单位采用美国常用单位，在本文中均换算成了国际单位制单位，特此说明。

2 甲烷排放法律法规

2.1 联邦层面甲烷排放立法

美国从20世纪70年代开始开展油气行业的污染排放标准制定工作。1979年，EPA将油气生产列入《清洁空气法》(Clean Air Act)下的大气污染物重点排放源目录；1992年和1998年，油气生产及天然气运输被列入《清洁空气法》第112条下的有毒大气污染物重点排放源目录；1999年，油气生产及天然气运输、储存过程的有毒空气污染物国家排放标准(NESHAPs)出台[6]。

2004年，在新修订的《清洁空气法》中，美国规定各州政府2 a内提交天然气开采过程中的甲烷排放情况及采用减排措施的经济性分析报告。2007年，在《能源独立和安全法案》(Energy Independence and Security Act)中，美国规定各州政府将甲烷列为每年必须统计的对象。

在2008年的《综合拨款法案》(Consolidated Appropriations Act)中，美国政府提供了监管资金，规定了生产单位需要报告超额排放量。

2009年，美国正式出台了第一部温室气体减排法案——《美国清洁能源安全法案》(American Clean Energy Security Act)，建立了联邦温室气体统计系统，规定企业按季度向EPA提交温室气体排放数据，甲烷排放也囊括在内，例如，要求各企业向主管机关提交天然气燃烧导致的温室气体排放量，管理人员审核后要尽快把数据传输给各州环境保护部门。

2014年，美国向联合国呈交的国家自主贡献承诺涵盖了甲烷和油气行业减排，并提出要制定控制法规，走在了世界甲烷减排的前列。在同年《甲烷减排气候行动战略规划》(Climate Action Plan-Strategy to Cut Methane Emissions)中，EPA评估了石油和天然气行业中甲烷和其他排放物的几种潜在重要来源。并将一系列关于排放和控制的技术白皮书征求独立专家的意见，重点关注油气井和联产井、液体卸载、气动装置和压缩机的泄漏问题。EPA通过这些文件的执行旨在实现2020年全国温室气体排放量比2005年降低17%的目标。2015年，联邦政府设立了油气行业的甲烷减排目标：到2025年末，实现比2012年甲烷减排40%～50%。

2016年6月，EPA出台了第一个工业甲烷排放标准，覆盖了完井、气阀泄漏及逃逸泄漏等环节[7]。同年修订的《清洁空气法》(Clean Air Act)中，EPA的新规定修订了2012年《石油和天然气新能源性能标准》(New Source Performance Standards)，扩大了涵盖的排放源，并建立了温室气体的排放标准。同时EPA也制定了2012年《石油和天然气新能源性能标准》未规定的排放源和设备(包括水力压裂完井)的标准，包括气动泵以及从井场和压缩站排放的挥发性有机物(VOC)。据EPA估计，到2025年，新能源和改良能源标准预计将减少4.6×108kg甲烷排放，减排成本为5.3×108美元，气候效益能达到6.9×108美元。

2.2 州层面甲烷排放立法

2.2.1 科州甲烷减排立法概览

2000年，科州率先出台了《科州空气质量控制委员会的规定》(Colorado Air Quality Control Commission’s Regulations)，该法规主要涵盖了油气储罐、其他挥发性有机物(VOC)排放源以及各类引擎等的排放。

2014年，科州通过了美国首个州层面的甲烷法规《石油和天然气合规与记录保存》(Oil and Gas Compliance and Recordkeeping)，要求能源公司减少石油和天然气开采过程中的甲烷排放。根据EPA报告，这些规定比EPA所宣布的内容“更具保护作用”。

2019年，科州修订了《科州参议院法案19-181》(Colorado SENATE BILL 19-181)，涵盖了包括泄漏检测和维修、油气运输环节、新井或再完井、储罐、压缩机等方面和设施，其中受到排放约束的设备超过了总数的95%。

根据2020年最近的会议报告，科州在未来将继续保持对油气行业的排放和泄漏的持续监测，并进一步对火炬燃烧控制、集输管道、气动控制器、电气化设备以及涡轮机等其他尚未列入限制排放的设备设立法规和检查措施。

2.2.2 科州甲烷减排各环节立法介绍

在过去的10 a中，科州的油气行业历经了15次法规的出台和修订，科州的甲烷减排立法主要面向泄漏检测维修、油气行业的生产和运输环节、管井设备和储罐等方面。

① 泄漏检测和维修

在泄漏检测和维修(LDAR)方面科州规定，半年度LDAR应采用得到EPA认可的仪器检测方法(AIMM)，在2014年10月15日或之后建造的油气井生产设施，必须在设施开始运行后15～30 a内进行检查；且全州挥发性有机物(VOC)排放率超过1 814 kg/a(2 st/a，1 st=907.1 kg，以下同)的油气井生产设施需要进行检测。半年度的泄漏检测与维修应采用该仪器检测方法(AIMM)对天然气压缩站进行检测；对于月度或季度的泄漏检测与维修，则是根据设施大小，对距离住宅和学校304 m(1 000 ft，1 ft=0.304 m，以下同)的油气井场设施进行检测；该法规还要求各企业保留现存的其他季度和月度泄漏检测与维修的要求，同时允许运营人员利用新技术替代LDAR，但要保证新技术的有效性等同或超过法规指定的LDAR要求。科州政府根据排放量不同，规定了不同设施的检测频率：科州天然气压缩站检测频率见表1，科州生产设备部件检测频率见表2。

表1 科州天然气压缩站检测频率

表2 科州生产设备部件检测频率

② 运输环节

一方面，政府为科州天然气运输和储存部门建立了一个验证运输和储存是否合规的指导委员会，为相关企业和部门制定全系统排放强度的具体目标，并定期评估目标以实现持续减排。另一方面，也允许运输公司在全州范围内通过全公司的年度排放报告来制定和实施公司特定的最佳管理实践方案。

③ 管井设施

从2014年8月1日开始，科州发布的新规定要求，水力压裂、返工井或新建天然气设施中天然气到集气管道的输送量必须控制在95%以上(如果使用火炬装置，则必须实现98%的输送量)。科州也规定了离心式压缩机碳氢化合物排放量应比之前降低95%，从而最大限度地减少碳氢化合物排放，并在油井维护期间减少油井排气的需要。

④ 储罐方面

《储罐和蒸气控制系统指南》(Storage Tank and Vapor Control System Guidelines)法规要求，对VOC年排放量超过1 814 kg的储罐进行排放控制，并限制全州的新建油气设施中取样和测量活动所产生的碳氢化合物排放。对于至少每半年卸载重装1次的油罐，需要每月记录油罐液位，或者保留所有可用油罐的计量记录；对于不经常卸载的油罐，规定在每半年1次的检测时检查液位水平，以确定是否出现新的泄漏点。

该法规还对储罐的设计有所规定，一方面，要求尽量避免在储罐系统安装中出现液体分离器以外的低点，防止低点处流体积聚，阻碍蒸气流动，并对储罐造成反压力；要求安装足够多的管道支架，防止由于排气管道下垂形成低空区域。另一方面，要求安装大型蒸气收集管道，为排放控制装置提供更大的流量，并将储气罐上的背压降至最低，以免发生不必要的泄漏。在储罐装载方面，科州政府要求全州范围内使用新建和现有设施，控制从油箱装载到卡车等过程中的碳氢化合物排放。

⑤ 其他措施

从2020年7月1日起，天然气处理厂或其上游的石油天然气运营和设备的所有者或经营者，必须提交挥发性有机物(VOC)、氮氧化物、一氧化碳、甲烷和乙烷的年度排放报告。

在管理制度方面，科州还将组建空气质量管理委员会和科州油气开发保护委员会，并将对生产控制、集输管道、气动控制器等多方面法律法规进行完善。

在油气井排放方面，要求扩展全州最佳管理规范(BMP)要求，涵盖封井活动中的排放。在气动控制器方面，要求公司按泄漏检测和维修(LDAR)的检测频率，在全州范围内检查气动控制器是否正常运行，并推进有关天然气排放的气动装置的策略制定。

2.2.3 法规执行情况及效果

自2014年至2016年，科州已经使用红外摄像机执行泄漏检测和维修(LDAR)检查近150×104次。科州采用的分等级检测生产设施的泄漏方法，一方面能够尽可能地发现泄漏点，并统计泄漏量，为之后的减排打下基础；另一方面也避免了大量统计所造成的人员和时间浪费。

2018年科州井场检测和维修报告见表3，2018年科州井场平均每次检测发现的泄漏率总计达到了91.5%。2018年科州压缩站检测和维修报告见表4，2018年科州压缩站平均每次检测发现的泄漏率总计高达148.4%，这说明在同一处压缩站平均有1个以上的泄漏点。泄漏率是指在检查的井场(或压缩站)发现的泄漏点数量与所检查的井场(或压缩站)总数量之比。2018年科州检测到的元件泄漏点数量见表5，通过检测之后，技术人员发现在元件中连接器的泄漏点最多，高达9 694 个，其次是阀门和泄压装置，均在6 500个左右，最后则是泵密封装置和法兰。

表3 2018年科州井场检测和维修报告

表4 2018年科州压缩站检测和维修报告

表5 2018年科州检测到的元件泄漏点数量

以上这几项检测报告是科州实施新政策后取得的初步成果，检测到的泄漏点和泄漏率为科州今后开展甲烷立法和进一步采取减排措施提供了有价值的参考。

科州政府通过立法和执行，逐渐减少油气行业的各类泄漏和排放，取得了良好的环境效益：在过去的40 a里，虽然科州石油和天然气产量增加了10倍，但2017年科州的甲烷排放量相比2011年减少了45%，空气质量差的时间也从2000年至2014年期间平均每年130 d，到2018年下降到了只有83 d。

因此，科州在甲烷排放法规制定、政策施行与持续监测方面的经验及成果足以作为典范，为其他国家和地区的甲烷减排提供参考。

3 甲烷减排技术

甲烷是天然气的主要组分，从钻井生产到加工、储存和运输，甲烷存在于天然气生产的各个过程。目前，在众多技术中减排效果较好的10项甲烷减排技术成本与收益见表6[8]，其中，技术⑧管道维修技术是对于甲烷减排的一个十分重要的技术，但由于管道范围较大，因此，对其数据暂未完全统计；投资回收总收益是指在投资回收期内的收益；减排技术③三乙二醇脱水排放控制技术的甲烷回收量是指该技术使用1次后，可以使甲烷排放量每年减少的量，单位为m3/(次·a)，其他类似的量的单位以此类推。

这10项技术简介如下。

① 绿色完井技术：在井场使用临时处理设备，使液体和气体可以被输送到一个储罐进行分离，从而可以得到天然气和凝析油。

② 柱塞举升系统技术：液体在井筒内积聚时，使用时间较长的老气井就会逐渐减缓流动速度，当操作人员打开气井清理液体并恢复气体流动时，会释放出一定量的甲烷。柱塞举升系统是一种在不排放甲烷的情况下排除液体并保持气体流动的方法，可以延长气井的生产寿命。

③ 三乙二醇脱水排放控制技术：三乙二醇(TEG)脱水器，通常用于去除天然气中的水分，将甲烷排放到大气中。通过对TEG脱水系统进行改造，控制甲烷排放，优化脱水过程，可以将甲烷排放量降至最低。

④ 干燥剂脱水技术：为了在不排放甲烷的情况下去除气体中的湿气，干燥剂脱水器将气体通过吸水盐床(干燥剂)进行干燥。当水分被吸收时，只有少量的甲烷会间歇地释放出来。

⑤ 离心式压缩机干密封技术：在油气行业，干密封技术可以用于减少离心式压缩机的排放，从而有效地将气体通过管道输送。目前大多数新型离心式压缩机都配有干密封技术，使用气体来制造高压屏障，防止甲烷泄漏。

⑥ 活塞杆密封技术：活塞杆密封技术是通过更换磨损的填料，作为改进压缩机维护方式的一部分，以防止甲烷泄漏。

⑦ 气动控制器技术：气动控制器可以控制压力、气体流量、液位，自动操作阀门。气动控制器正常运行时会将部分甲烷释放到大气中。通过将高排气量控制器替换为低排气量控制器或无排气量控制器、采用减少排气量组件进行改造、将基于甲烷的气动系统转换为基于空气的气动系统等技术，可以减少甲烷的排放量。

⑧ 管道维修技术：当管道被修复、更换或切断以安装新的连接点时，通常会有部分甲烷释放到大气中。该技术是当系统仍在运行且发生管道破裂等情况时，可以通过连接一根新管道，减压将天然气输送到附近的低压燃料系统来减少甲烷的排放量。

⑨ 蒸气回收装置技术：含有天然气或气液(冷凝物)的原油有时储存在储罐中，在液体搅拌、运输或混合时，甲烷会从容器中逸出。蒸气回收装置由洗涤器、压缩机和阀门组成，可以将从液面挥发的甲烷重新回收，回收率可达95%。

⑩ 泄漏监测与修复技术：甲烷泄漏可能发生在油气设施的阀门、排水管、泵、连接处、减压装置等多个位置。因为甲烷是一种无色无味的气体，所以甲烷泄漏时通常不会被发现。一个良好的定期监测和修复的技术可以显著减少逸散性排放。

甲烷排放源与减排技术见表7[8]，其中，排放比例是指各个生产环节甲烷排放量与所统计的总甲烷排放量之比，减排比例是指应用甲烷减排技术之后的各个生产环节甲烷排放减少量与应用这些技术之前的甲烷排放量之比。这10项技术可以使生产、加工、储运、分销环节的甲烷排放量分别减少86.9%、77.6%、88.6%和97.1%，而这10项技术的综合使用则可以使整个天然气各生产环节的总甲烷减排比例达到89.1%[9]。

表7 甲烷排放源与减排技术[8]

4 讨论

自21世纪以来，中国的人为甲烷排放量占全球总人为甲烷排放量的14%～22%[10]。2014年中国甲烷排放量总计11.61×108t，占2014年中国温室气体总排放量的10.4%[11]。国际能源署(IEA)预测，在未来20 a里，中国将贡献全球天然气消费需求增长的25%。根据中国社科院的最新研究，中国天然气需求将从2018年的 3 000×108m3增长到2050年的8 000×108m3[12]。巨大的消费增长给我国的甲烷减排造成了极大压力。对中国而言，首先应建立甲烷监测的合理评估方式，掌握甲烷减排的重点和难点；其次加强相关法律法规的建设，构建从国家到地方层面的完整法律法规体系，从制度上要求企业和各组织采取减排措施；还应加强与科研机构、环保组织等部门的合作，加大减排技术研发投入；出台利好的减排政策，为企业减排提供一定补贴。只有全社会一起行动起来，增强减排意识，才能让中国的甲烷排放达到最优的效果。