美國油氣田VOCS排放估算方法分析

孫恩呈 劉 雪 陳孝彥 韓 卓 王永強

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術檢測中心；2.中國石油大學(華東)化學工程學院；3.中國石化能源管理與環境保護部)

0 引 言

揮發性有機物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指參與大氣光化學反應的有機化合物，或者根據規定的方法測量或核算確定的有機化合物。大氣污染防治“十三五”規劃中明確提出在重點區域、重點行業推進VOCs排放總量控制。有效控制VOCs已經成為現階段我國大氣環境治理領域中的重點問題。因此，在環境管理的各個環節都需對VOCs排放實行精細化管理[1]。國外對油氣田VOCs排放進行了廣泛深入的研究，出臺了一系列適用于油氣田企業的限制大氣污染物排放的法律法規和標準、相應的監測手段和評價方法。目前，國內對油氣田VOCs排放和控制尚處于摸索階段，對其排放環節、估算方法和污染控制措施缺乏系統的研究。本文重點解析油氣田VOCs排放來源，介紹美國油氣田企業常用的排放核算方法。在此基礎上，針對國內油氣田VOCs排放現狀，選擇可能適用于我國的估算方法，以期為我國油氣田VOCs排放核算提供借鑒。

1 油氣田VOCs排放源

油氣田企業油井、站點數量多，分布廣，導致VOCs排放點成千上萬，VOCs排放無規律，濃度變化較大，成分復雜，估算治理難度較大。

油氣田開發主要包括開發建設期和油氣生產期兩個階段，兩者均涉及VOCs排放問題。本文從源強產生的角度，對項目開發過程中主要VOCs污染源進行歸類解析[2-3]，見表1。

表1 油氣田開發主要VOCs污染源解析

由表1可知，在油氣田開發全過程中，各環節工作內容多、工序差別大、施工情況多樣、設備配置不同，VOCs排放情況復雜，儲罐損失、裝卸損失、設備泄漏、廢水收集和處理過程逸散等是重點排放源。

2 美國VOCs排放估算方法

VOCs的有效控制，其源項分析和排放量核算是關鍵。美國結合行業特點，總結了不同的VOCs核算方法[4]。本文主要介紹煙道取樣法、排放系數法、模型法及物料衡算法4種美國常用的估算方法，并比較其適用范圍及優劣性。

2.1 煙道取樣法

煙道取樣法可用于工藝廢氣和燃燒煙氣排放的估算。監測點位的選取要具有代表性(例如在設施的最大負荷工況時進行監測)。通過插入排氣筒壁監測孔中的探頭進行樣品采集，然后送入實驗室分析，依據污染物濃度和煙道煙氣量計算污染物的排放速率。該方法可以在給定的時間內對一個特定設備的大氣污染物排放量進行準確地計算，但僅能提供取樣時所在特定工況下排放情況的瞬時狀態，而不能反映其隨時間的變化[5]。

煙道取樣法VOCs排放速率計算見公式(1)。

EX=CX×Q/267 100

(1)

式中：EX為污染物X的排放量，mg/h；CX為污染物X煙道氣體濃度，mg/m3；Q為煙道氣體體積流量，m3/min。

2.2 排放系數法

排放系數是相對于污染源的活動水平而得出的污染物的排放速率[6]，通常這些系數僅是從測試數據中得出的平均數據?；谂欧畔禂捣?，美國環保署(EPA)提出了4種計算方法[7]：平均排放因子法、篩選范圍法、EPA 相關法及特定單元相關法。采用這4種方法計算，需要對待測裝置的所有設備元件進行分類統計，如：閥門、泵、壓縮機、泄壓閥、法蘭、開口管線、采樣口連接等的數量，以及設備中輸送或儲存介質的物性和操作條件等。

排放系數法排放量計算見公式(2)。

EX=EFX×Q

(2)

式中：EX為污染物X的排放量，mg/h；EFX為污染物X的排放系數；Q為產量，m3/min。

2.3 模型法

模型法適用于醇脫水裝置、儲罐、重油系統閃蒸損失、脫硫裝置VOCs和有害空氣污染物(Hazardous Air Pollutant，HAP)的排放量估算[8]。各種模型適用的場合見表2。

表2 各種模型的適用場合

模型的準確性和可靠性受所收集的數據的質量影響，在采用模型法進行計算時應注意輸入數據的準確性。同時，模型法在計算時輸入的是裝置的具體信息，因此，其計算結果能代表某個裝置的具體情況，較排放系數法更為準確。

2.4 物料衡算法

物料衡算法以物質守恒定律為基礎，根據詳細的工藝流程、設備特點及各物料之間的平衡關系來計算VOCs排放量。

1)取代方程

取代方程適用于估算緊急放空口、氣體驅動泵、壓力/液位控制器、吹掃、井噴和試井的VOCs排放量計算[14-15]，見公式(3)。

EX=Q×MW×XX×1/C

(3)

式中：MW為氣體摩爾質量，L/mol；XX為X的質量分數，%；C為理想氣體的摩爾體積，22.4 L/mol。

2)凝析氣系統閃蒸損失排放方程

EC/R算法[16]用于計算進入儲存容器時產生壓力降時的閃蒸損失以及流體組成和壓力的變化導致流體產生的閃蒸損失量，適用于估算蒸汽壓為162.1～516.8 kPa的液體，可按公式(4)計算排放量。

EX=KX×Q×δoil×XX×YV×D×42

(4)

式中：KX為VOCs的平衡率，%；Q為處理的冷凝液的體積，L；δoil為冷凝液的密度，g/m3；YV為閃蒸氣體的摩爾分數，%；D為年運行時間，h；42為系數，無量綱。

3)裝載損失方程

裝載損失方程適用于計算液體輸送到罐車過程的VOCs排放量，見公式(5)。

(5)

式中：EVOCs為VOCs排放量，mg/h；S為飽和系數，無量綱；PV為儲存溫度下儲罐內物料的實際蒸汽壓，kPa；MWV為蒸汽分子量，mol；Q為裝載物料的體積，m3；T為罐內儲存物料的溫度，℃。

4)火炬VOCs的排放

計算向火炬排放含VOCs廢氣的污染源的最終VOCs排放量，取決于氣體處理效率和火炬的去除效率(DRE)，見公式(6)。

(6)

式中：Q為氣體處理效率，m3/h；YX為出口氣體中污染物X的摩爾分數，%；MWX為污染物X的摩爾質量，g/mol；DRE為去除效率，%。

采用物料衡算法要對生產工藝過程等情況有比較深入的了解，并全面掌握所需的基礎數據，才能盡可能準確地計算出排放量。當具體數據缺失而采用假設數據時，該方法的準確度可能低于排放系數法。

分析比較上述4種美國常用的VOCs排放估算方法，可以得出：對于單一設備，煙道取樣法通常優于排放系數法；對一個污染源類別進行估算，或在污染源數量巨大且缺乏設備排放資料的情況下，通常采用排放系數法；模型法和物料衡算法的使用情況受方程的復雜性、所收集數據的類型以及設備中加工產品的多樣性影響，其準確性和可靠性取決于收集的數據的精準度。

3 國內油氣田VOCs排放估算現狀

《大氣污染防治行動計劃》中明確提出“加大綜合治理力度，減少污染物的排放”，其中VOCs是首要控制污染物。油氣田作為VOCs的重要排放源，國內對其VOCs的排放和控制研究較少，對排放環節、估算方法和污染控制缺乏系統的分析研究。

3.1 與石化企業比較

國內石化企業已經有比較成熟的VOCs污染源排查方法，國家先后出臺了《石化行業VOCs污染源排查工作指南》《石化企業泄漏檢測與修復工作指南》，明確了石化行業VOCs污染源的普查范圍及排放量估算方法。但石化企業與油氣田企業排放源在儲存介質、運行工藝、外界環境等方面存在一定差異，見表3。因此，財政部、環保部出臺的《石油化工行業VOCs排放量計算方法》不適用于油氣田各種排放源。為此，有必要結合油氣田排放源自身特點，開展VOCs排放量的核算研究。

表3 國內石化企業與油氣田企業排放源差異

3.2 與國外油氣田企業比較

國內外油氣田企業在來液含水、油品性質、工藝流程等方面差異較大[17]，見表4。

表4 國內外油氣田企業排放源差異

由表4可知，國外相關估算方法不能直接用于國內油氣田VOCs排放量的計算。在借鑒美國估算方法的實踐工作中，要以國內的實際情況為基礎，應進一步開展機理研究，修正損耗模型和系數，以期為國內油氣田企業VOCs的有效控制提供基礎數據。

4 結論與展望

1)油氣田VOCs排放源較多，儲罐損失、裝卸損失、設備泄漏、廢水收集和處理過程逸散等是重點排放源；油氣田開發涉及的工藝、設備較多，點多面廣，治理難度較大，選用合適的核算方法進行源頭和過程控制是治理的關鍵。

2)油氣田企業工藝流程、原料、產品及裝置設備同石化企業及其他企業有著很大的區別，應結合油氣田企業的特點，總結出適用于油氣田的核算方法。

3)本文總結了美國油氣田VOCs排放的4種估算方法，各有優劣，適用范圍也不同，在借鑒應用之前還需注意單位的轉化。

4)結合國內油氣田自身特點、可達到的監測手段等，選擇不同的方法，全面分析產生排放的工藝環節，找準排放源，再選用最適合的核算方法和模型，才能對國內油氣田排放源強進行科學、公正的核算。