美國油氣行業甲烷減排立法及技術

王穎凡， 徐先港， 董建鍇， 解東來， 楊罕玲

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，黑龍江哈爾濱150090；2. 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150090；3. 美國環保協會，美國紐約10010)

1 概述

甲烷是具有快速增溫效應的短壽命強勢溫室氣體，雖然甲烷在大氣中的壽命僅為12 a，但其在20 a尺度下的全球增溫潛勢(GWP)約為二氧化碳的84倍，在100 a尺度下的全球增溫潛勢為二氧化碳的28倍[1]。甲烷排放量在過去20 a以平均每年0.9%的驚人速度增長，遠遠高于二氧化碳[2]。根據荷蘭環境保護署(PBL)2019年的報告《全球二氧化碳和溫室氣體排放趨勢:2019年報告》(Trends in global CO2and total greenhouse gas emissions: 2019 Report)，甲烷排放量已占全球溫室氣體排放總量的28%。聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的報告已明確指出，甲烷等非二氧化碳溫室氣體的深度減排是將全球升溫控制在1.5 ℃以下的必要條件。

石油和天然氣行業是甲烷的最大排放源之一。美國甲烷年排放量的30%來自于油氣行業，相當于美國1.75×108輛汽車20 a排放的溫室氣體總量。據美國環保署(EPA)統計，2018年天然氣系統是美國人為甲烷排放的第二大來源，占美國人為溫室氣體總排放量的22.06%[3]。從油氣井口到天然氣城市管網，美國油氣公司每年排放約680×108kg天然氣，這些排放的天然氣足夠為整個非洲提供2 a的電力[4]。根據美國環保協會(EDF)的最新研究得出的結論，油氣行業整個供應鏈，從生產到集輸、長輸、儲存、城鎮燃氣供應都存在甲烷排放，天然氣系統在上游生產過程的排放尤為顯著，主要排放源有井口和脫水器等；石油系統的主要排放源有井口、分離器和原油罐等。此外，設備故障、操作失誤和設計不佳等都會造成很高的甲烷排放[5]。在美國油氣生產領域中，生產環節甲烷的泄漏率高達2.3%，其年泄漏量達到了63×108kg，在總泄漏量中占比高達37%；收集過程泄漏量排名第2，占比27%；運輸儲存和加工處理過程泄漏量則分別占比16%和13%；其他泄漏量占比7%。

在油氣行業甲烷減排領域，美國走在了世界前列。美國聯邦政府制定了國家環境空氣質量和國家排放源排放等相關標準。州政府擁有獨立管理權，執行和強化聯邦標準，同時聯邦政府支持州政府創立自己的創新實驗室，鼓勵州政府研究有效的監測和減排技術。美國在油氣行業已經取得了一定成效，2018年，美國天然氣系統向大氣中排放的甲烷(甲烷排放量以二氧化碳當量計，以下同)為1.4×108t，與1990年相比，甲烷排放量已經減少了0.43×108t[4]。正是聯邦政府與州政府之間相互配合，使得美國的甲烷排放無論是監測還是減排技術都得到相當程度的發展。科羅拉多州(以下簡稱科州)最先響應并出臺相關政策，在甲烷減排方面可以作為其他國家或地區學習的對象。本文將從甲烷排放的政策法規和減排措施等方面出發，介紹美國在油氣行業甲烷減排方面的經驗，并以科州為例，介紹美國在檢測維修、運輸環節等方面的具體法規和先進的減排技術，為我國在制定甲烷減排政策和技術措施等方面提供參考。

本文主要介紹美國相關法律法規，原文獻中數據單位采用美國常用單位，在本文中均換算成了國際單位制單位，特此說明。

2 甲烷排放法律法規

2.1 聯邦層面甲烷排放立法

美國從20世紀70年代開始開展油氣行業的污染排放標準制定工作。1979年，EPA將油氣生產列入《清潔空氣法》(Clean Air Act)下的大氣污染物重點排放源目錄；1992年和1998年，油氣生產及天然氣運輸被列入《清潔空氣法》第112條下的有毒大氣污染物重點排放源目錄；1999年，油氣生產及天然氣運輸、儲存過程的有毒空氣污染物國家排放標準(NESHAPs)出臺[6]。

2004年，在新修訂的《清潔空氣法》中，美國規定各州政府2 a內提交天然氣開采過程中的甲烷排放情況及采用減排措施的經濟性分析報告。2007年，在《能源獨立和安全法案》(Energy Independence and Security Act)中，美國規定各州政府將甲烷列為每年必須統計的對象。

在2008年的《綜合撥款法案》(Consolidated Appropriations Act)中，美國政府提供了監管資金，規定了生產單位需要報告超額排放量。

2009年，美國正式出臺了第一部溫室氣體減排法案——《美國清潔能源安全法案》(American Clean Energy Security Act)，建立了聯邦溫室氣體統計系統，規定企業按季度向EPA提交溫室氣體排放數據，甲烷排放也囊括在內，例如，要求各企業向主管機關提交天然氣燃燒導致的溫室氣體排放量，管理人員審核后要盡快把數據傳輸給各州環境保護部門。

2014年，美國向聯合國呈交的國家自主貢獻承諾涵蓋了甲烷和油氣行業減排，并提出要制定控制法規，走在了世界甲烷減排的前列。在同年《甲烷減排氣候行動戰略規劃》(Climate Action Plan-Strategy to Cut Methane Emissions)中，EPA評估了石油和天然氣行業中甲烷和其他排放物的幾種潛在重要來源。并將一系列關于排放和控制的技術白皮書征求獨立專家的意見，重點關注油氣井和聯產井、液體卸載、氣動裝置和壓縮機的泄漏問題。EPA通過這些文件的執行旨在實現2020年全國溫室氣體排放量比2005年降低17%的目標。2015年，聯邦政府設立了油氣行業的甲烷減排目標：到2025年末，實現比2012年甲烷減排40%～50%。

2016年6月，EPA出臺了第一個工業甲烷排放標準，覆蓋了完井、氣閥泄漏及逃逸泄漏等環節[7]。同年修訂的《清潔空氣法》(Clean Air Act)中，EPA的新規定修訂了2012年《石油和天然氣新能源性能標準》(New Source Performance Standards)，擴大了涵蓋的排放源，并建立了溫室氣體的排放標準。同時EPA也制定了2012年《石油和天然氣新能源性能標準》未規定的排放源和設備(包括水力壓裂完井)的標準，包括氣動泵以及從井場和壓縮站排放的揮發性有機物(VOC)。據EPA估計，到2025年，新能源和改良能源標準預計將減少4.6×108kg甲烷排放，減排成本為5.3×108美元，氣候效益能達到6.9×108美元。

2.2 州層面甲烷排放立法

2.2.1 科州甲烷減排立法概覽

2000年，科州率先出臺了《科州空氣質量控制委員會的規定》(Colorado Air Quality Control Commission’s Regulations)，該法規主要涵蓋了油氣儲罐、其他揮發性有機物(VOC)排放源以及各類引擎等的排放。

2014年，科州通過了美國首個州層面的甲烷法規《石油和天然氣合規與記錄保存》(Oil and Gas Compliance and Recordkeeping)，要求能源公司減少石油和天然氣開采過程中的甲烷排放。根據EPA報告，這些規定比EPA所宣布的內容“更具保護作用”。

2019年，科州修訂了《科州參議院法案19-181》(Colorado SENATE BILL 19-181)，涵蓋了包括泄漏檢測和維修、油氣運輸環節、新井或再完井、儲罐、壓縮機等方面和設施，其中受到排放約束的設備超過了總數的95%。

根據2020年最近的會議報告，科州在未來將繼續保持對油氣行業的排放和泄漏的持續監測，并進一步對火炬燃燒控制、集輸管道、氣動控制器、電氣化設備以及渦輪機等其他尚未列入限制排放的設備設立法規和檢查措施。

2.2.2 科州甲烷減排各環節立法介紹

在過去的10 a中，科州的油氣行業歷經了15次法規的出臺和修訂，科州的甲烷減排立法主要面向泄漏檢測維修、油氣行業的生產和運輸環節、管井設備和儲罐等方面。

① 泄漏檢測和維修

在泄漏檢測和維修(LDAR)方面科州規定，半年度LDAR應采用得到EPA認可的儀器檢測方法(AIMM)，在2014年10月15日或之后建造的油氣井生產設施，必須在設施開始運行后15～30 a內進行檢查；且全州揮發性有機物(VOC)排放率超過1 814 kg/a(2 st/a，1 st=907.1 kg，以下同)的油氣井生產設施需要進行檢測。半年度的泄漏檢測與維修應采用該儀器檢測方法(AIMM)對天然氣壓縮站進行檢測；對于月度或季度的泄漏檢測與維修，則是根據設施大小，對距離住宅和學校304 m(1 000 ft，1 ft=0.304 m，以下同)的油氣井場設施進行檢測；該法規還要求各企業保留現存的其他季度和月度泄漏檢測與維修的要求，同時允許運營人員利用新技術替代LDAR，但要保證新技術的有效性等同或超過法規指定的LDAR要求。科州政府根據排放量不同，規定了不同設施的檢測頻率：科州天然氣壓縮站檢測頻率見表1，科州生產設備部件檢測頻率見表2。

表1 科州天然氣壓縮站檢測頻率

表2 科州生產設備部件檢測頻率

② 運輸環節

一方面，政府為科州天然氣運輸和儲存部門建立了一個驗證運輸和儲存是否合規的指導委員會，為相關企業和部門制定全系統排放強度的具體目標，并定期評估目標以實現持續減排。另一方面，也允許運輸公司在全州范圍內通過全公司的年度排放報告來制定和實施公司特定的最佳管理實踐方案。

③ 管井設施

從2014年8月1日開始，科州發布的新規定要求，水力壓裂、返工井或新建天然氣設施中天然氣到集氣管道的輸送量必須控制在95%以上(如果使用火炬裝置，則必須實現98%的輸送量)。科州也規定了離心式壓縮機碳氫化合物排放量應比之前降低95%，從而最大限度地減少碳氫化合物排放，并在油井維護期間減少油井排氣的需要。

④ 儲罐方面

《儲罐和蒸氣控制系統指南》(Storage Tank and Vapor Control System Guidelines)法規要求，對VOC年排放量超過1 814 kg的儲罐進行排放控制，并限制全州的新建油氣設施中取樣和測量活動所產生的碳氫化合物排放。對于至少每半年卸載重裝1次的油罐，需要每月記錄油罐液位，或者保留所有可用油罐的計量記錄；對于不經常卸載的油罐，規定在每半年1次的檢測時檢查液位水平，以確定是否出現新的泄漏點。

該法規還對儲罐的設計有所規定，一方面，要求盡量避免在儲罐系統安裝中出現液體分離器以外的低點，防止低點處流體積聚，阻礙蒸氣流動，并對儲罐造成反壓力；要求安裝足夠多的管道支架，防止由于排氣管道下垂形成低空區域。另一方面，要求安裝大型蒸氣收集管道，為排放控制裝置提供更大的流量，并將儲氣罐上的背壓降至最低，以免發生不必要的泄漏。在儲罐裝載方面，科州政府要求全州范圍內使用新建和現有設施，控制從油箱裝載到卡車等過程中的碳氫化合物排放。

⑤ 其他措施

從2020年7月1日起，天然氣處理廠或其上游的石油天然氣運營和設備的所有者或經營者，必須提交揮發性有機物(VOC)、氮氧化物、一氧化碳、甲烷和乙烷的年度排放報告。

在管理制度方面，科州還將組建空氣質量管理委員會和科州油氣開發保護委員會，并將對生產控制、集輸管道、氣動控制器等多方面法律法規進行完善。

在油氣井排放方面，要求擴展全州最佳管理規范(BMP)要求，涵蓋封井活動中的排放。在氣動控制器方面，要求公司按泄漏檢測和維修(LDAR)的檢測頻率，在全州范圍內檢查氣動控制器是否正常運行，并推進有關天然氣排放的氣動裝置的策略制定。

2.2.3 法規執行情況及效果

自2014年至2016年，科州已經使用紅外攝像機執行泄漏檢測和維修(LDAR)檢查近150×104次。科州采用的分等級檢測生產設施的泄漏方法，一方面能夠盡可能地發現泄漏點，并統計泄漏量，為之后的減排打下基礎；另一方面也避免了大量統計所造成的人員和時間浪費。

2018年科州井場檢測和維修報告見表3，2018年科州井場平均每次檢測發現的泄漏率總計達到了91.5%。2018年科州壓縮站檢測和維修報告見表4，2018年科州壓縮站平均每次檢測發現的泄漏率總計高達148.4%，這說明在同一處壓縮站平均有1個以上的泄漏點。泄漏率是指在檢查的井場(或壓縮站)發現的泄漏點數量與所檢查的井場(或壓縮站)總數量之比。2018年科州檢測到的元件泄漏點數量見表5，通過檢測之后，技術人員發現在元件中連接器的泄漏點最多，高達9 694 個，其次是閥門和泄壓裝置，均在6 500個左右，最后則是泵密封裝置和法蘭。

表3 2018年科州井場檢測和維修報告

表4 2018年科州壓縮站檢測和維修報告

表5 2018年科州檢測到的元件泄漏點數量

以上這幾項檢測報告是科州實施新政策后取得的初步成果，檢測到的泄漏點和泄漏率為科州今后開展甲烷立法和進一步采取減排措施提供了有價值的參考。

科州政府通過立法和執行，逐漸減少油氣行業的各類泄漏和排放，取得了良好的環境效益：在過去的40 a里，雖然科州石油和天然氣產量增加了10倍，但2017年科州的甲烷排放量相比2011年減少了45%，空氣質量差的時間也從2000年至2014年期間平均每年130 d，到2018年下降到了只有83 d。

因此，科州在甲烷排放法規制定、政策施行與持續監測方面的經驗及成果足以作為典范，為其他國家和地區的甲烷減排提供參考。

3 甲烷減排技術

甲烷是天然氣的主要組分，從鉆井生產到加工、儲存和運輸，甲烷存在于天然氣生產的各個過程。目前，在眾多技術中減排效果較好的10項甲烷減排技術成本與收益見表6[8]，其中，技術⑧管道維修技術是對于甲烷減排的一個十分重要的技術，但由于管道范圍較大，因此，對其數據暫未完全統計；投資回收總收益是指在投資回收期內的收益；減排技術③三乙二醇脫水排放控制技術的甲烷回收量是指該技術使用1次后，可以使甲烷排放量每年減少的量，單位為m3/(次·a)，其他類似的量的單位以此類推。

這10項技術簡介如下。

① 綠色完井技術：在井場使用臨時處理設備，使液體和氣體可以被輸送到一個儲罐進行分離，從而可以得到天然氣和凝析油。

② 柱塞舉升系統技術：液體在井筒內積聚時，使用時間較長的老氣井就會逐漸減緩流動速度，當操作人員打開氣井清理液體并恢復氣體流動時，會釋放出一定量的甲烷。柱塞舉升系統是一種在不排放甲烷的情況下排除液體并保持氣體流動的方法，可以延長氣井的生產壽命。

③ 三乙二醇脫水排放控制技術：三乙二醇(TEG)脫水器，通常用于去除天然氣中的水分，將甲烷排放到大氣中。通過對TEG脫水系統進行改造，控制甲烷排放，優化脫水過程，可以將甲烷排放量降至最低。

④ 干燥劑脫水技術：為了在不排放甲烷的情況下去除氣體中的濕氣，干燥劑脫水器將氣體通過吸水鹽床(干燥劑)進行干燥。當水分被吸收時，只有少量的甲烷會間歇地釋放出來。

⑤ 離心式壓縮機干密封技術：在油氣行業，干密封技術可以用于減少離心式壓縮機的排放，從而有效地將氣體通過管道輸送。目前大多數新型離心式壓縮機都配有干密封技術，使用氣體來制造高壓屏障，防止甲烷泄漏。

⑥ 活塞桿密封技術：活塞桿密封技術是通過更換磨損的填料，作為改進壓縮機維護方式的一部分，以防止甲烷泄漏。

⑦ 氣動控制器技術：氣動控制器可以控制壓力、氣體流量、液位，自動操作閥門。氣動控制器正常運行時會將部分甲烷釋放到大氣中。通過將高排氣量控制器替換為低排氣量控制器或無排氣量控制器、采用減少排氣量組件進行改造、將基于甲烷的氣動系統轉換為基于空氣的氣動系統等技術，可以減少甲烷的排放量。

⑧ 管道維修技術：當管道被修復、更換或切斷以安裝新的連接點時，通常會有部分甲烷釋放到大氣中。該技術是當系統仍在運行且發生管道破裂等情況時，可以通過連接一根新管道，減壓將天然氣輸送到附近的低壓燃料系統來減少甲烷的排放量。

⑨ 蒸氣回收裝置技術：含有天然氣或氣液(冷凝物)的原油有時儲存在儲罐中，在液體攪拌、運輸或混合時，甲烷會從容器中逸出。蒸氣回收裝置由洗滌器、壓縮機和閥門組成，可以將從液面揮發的甲烷重新回收，回收率可達95%。

⑩ 泄漏監測與修復技術：甲烷泄漏可能發生在油氣設施的閥門、排水管、泵、連接處、減壓裝置等多個位置。因為甲烷是一種無色無味的氣體，所以甲烷泄漏時通常不會被發現。一個良好的定期監測和修復的技術可以顯著減少逸散性排放。

甲烷排放源與減排技術見表7[8]，其中，排放比例是指各個生產環節甲烷排放量與所統計的總甲烷排放量之比，減排比例是指應用甲烷減排技術之后的各個生產環節甲烷排放減少量與應用這些技術之前的甲烷排放量之比。這10項技術可以使生產、加工、儲運、分銷環節的甲烷排放量分別減少86.9%、77.6%、88.6%和97.1%，而這10項技術的綜合使用則可以使整個天然氣各生產環節的總甲烷減排比例達到89.1%[9]。

表7 甲烷排放源與減排技術[8]

4 討論

自21世紀以來，中國的人為甲烷排放量占全球總人為甲烷排放量的14%～22%[10]。2014年中國甲烷排放量總計11.61×108t，占2014年中國溫室氣體總排放量的10.4%[11]。國際能源署(IEA)預測，在未來20 a里，中國將貢獻全球天然氣消費需求增長的25%。根據中國社科院的最新研究，中國天然氣需求將從2018年的 3 000×108m3增長到2050年的8 000×108m3[12]。巨大的消費增長給我國的甲烷減排造成了極大壓力。對中國而言，首先應建立甲烷監測的合理評估方式，掌握甲烷減排的重點和難點；其次加強相關法律法規的建設，構建從國家到地方層面的完整法律法規體系，從制度上要求企業和各組織采取減排措施；還應加強與科研機構、環保組織等部門的合作，加大減排技術研發投入；出臺利好的減排政策，為企業減排提供一定補貼。只有全社會一起行動起來，增強減排意識，才能讓中國的甲烷排放達到最優的效果。

5 結論

對甲烷溫室效應的重要性和緊迫性的充分認識使美國大力發展減排技術，并實現了從淺層的甲烷減排創造環境效益到深層的回收成本并創造長遠的經濟價值過程的轉化。目前，甲烷排放已經納入了美國《清潔空氣法》的管制框架，美國的州、企業以及環保健康組織對減排工作進行支持和推進，公眾對甲烷的科學認知也已經建立。

從法律層面來看，科州已經建立起從州政府到企業比較健全的監測和減排體系，覆蓋了天然氣生產設施、運輸、泄漏檢測和維修等多個方面，并讓與天然氣相關的企業和機構參與進來，形成了自政府到企業的良好監管體系，并已經在油氣領域收到一定成效。

從措施層面來看，美國甲烷排放的相關減排技術與法律法規體系相得益彰，涵蓋了天然氣生產的各個環節和絕大多數設備，可以使天然氣各生產環節的總甲烷減排比例達到89.1%，取得了明顯的減排效益。

中國目前是全世界甲烷排放量最大的國家，在甲烷監測和減排領域剛剛起步，應該積極借鑒美國油氣行業的甲烷減排立法及措施，結合國內的實際情況，合理改善，為全球甲烷減排貢獻屬于中國的一份力量。