高含硫天然氣凈化廠環境影響評價

吳鵬斌，崔吉宏，曹文全，陳 鐳，李 思

（中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400）

加強污染防治和生態建設，扎實做好碳達峰碳中和各項工作，優化產業和能源結構，建立資源消耗、環境承載力預警機制，已成為我國的重要發展方向。大力開發以天然氣為代表的清潔能源，是污染防治的一個重要措施。川渝地區海相天然氣儲量極其豐富，近十年先后開發了普光、元壩、龍王廟等大型酸性氣田。但該類氣田處理工藝復雜，生產過程消耗大量能源，外排煙氣和水量大，未建立有效的能源消耗和環境影響評價體系，對加強污染防治和生態建設缺乏具有指導性、操作性的研究成果。

某高含硫天然氣凈化廠共建設4列凈化處理裝置及配套的公用工程和輔助設施。凈化裝置以酸性天然氣為原料，采用UDS-2溶劑脫HS、CO、有機硫工藝，凈化氣經三甘醇脫水后輸送至川氣東送管線，酸性氣則依次經克勞斯、兩級催化轉化和SCOT尾氣處理工藝回收硫磺，酸性水采用單塔低壓汽提技術凈化。

本工作以該凈化廠2019年的生產運行為依托，定量核算各類資源消耗、碳排放和污染物排放，采用各污染物對不同環境影響的貢獻度計算方法建立環境影響評價模型，以實現對該凈化廠環境影響的綜合評價，并提出相應的減排措施，對高含硫天然氣凈化廠的環保發展具有一定指導意義。

1 研究對象與范圍界定

凈化裝置工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 高含硫天然氣凈化裝置工藝流程簡圖

1.1 研究對象

本工作選取某凈化廠日處理原料氣1 200×10m/d項目為研究對象，2019年共凈化原料氣404 945×10m，凈化氣產量為338 892×10m。

1.2 功能單位

以凈化廠每處理1×10m原料氣所造成的環境影響進行計算和分析，即該系統的功能單位為1×10m。

1.3 范圍界定

以凈化廠廠區和管理中心為界，對2019年凈化廠生產運行所涉及的基礎數據進行研究，具體數據包括凈化廠全年的各類資源消耗量、污染物排放量等，天然氣開采和消費階段對環境的影響暫不列入本評價范圍。

2 清單分析

2.1 數據收集

在凈化廠生產運行期間所需能源主要為自產天然氣（燃料氣）、外購電力，而所需水、氣和蒸汽均為所消耗天然氣和電力自產自用，在能耗體系中不單獨計算，避免能耗的疊加計算；同時消耗一定量的柴油和乙炔，分別用于廠區叉車和設備設施的焊割。主要的燃料氣消耗設備有凈化裝置工業爐和火炬長明燈，公用工程動力站高/中壓鍋爐，食堂灶爐等。凈化廠出現異常工況導致火炬放空的天然氣燃燒在本研究中被認為是企業耗能。耗電設備則是各類泵、風機、空冷器等生產用電，以及照明和生活等輔助用電。

排放的大氣污染物主要包括SO、CO、CO、NO（主要為NO和NO）、NO、VOCs、CH、粉塵等；廢水污染物包括氨氮、COD、總磷等；危廢主要考慮廢舊催化劑和活性炭，2019年無裝置檢修，故本次研究不考慮危廢排放。分析梳理該凈化廠的各類污染物排放源如下。

1）SO：原料氣中未被凈化裝置處理的含硫化合物，在尾氣焚燒爐焚燒后經煙囪排放。

2）CO：凈化廠燃料氣和柴油等含碳化合物的燃燒或使用；原料氣凈化處理中CO的制程排放；外購電力消耗造成的CO間接排放；廠內干粉滅火器的逸散。

3）CO、NO、NO、VOCs、CH和PM：工業爐燃燒后的煙氣排放。

4）氨氮、COD、總磷：監護池外排水。

5）其他：廠區高壓開關SF的逸散，空調制冷劑的逸散，硫磺成型廠房S粉塵的逸散。

凈化廠資源消耗和污染物排放數據收集位置如圖2所示。

圖2 凈化廠主要數據收集位置

2.2 過程清單

2.2.1 資源消耗

根據凈化廠分散控制系統（DCS）對燃料氣和淡水消耗的統計，數據采集與監視控制（SCADA）系統對電力消耗的統計，以及各歸口部門對柴油、乙炔的統計，2019年的各類資源消耗量見表1～3。

表1 凈化廠燃料氣消耗量

表2 凈化廠電力消耗量

表3 凈化廠其他資源消耗量

2.2.2 環境排放

凈化廠各類污染物質的排放量未進行完整的智能化統計。根據該項目的統計分析、標定報告、測試報告和監測數據等，2019年原料氣中HS和CO的體積分數分別為6.25%和4.36%，產品氣中CO的體積分數為0.23%，硫磺回收率為99.94%，凈化裝置尾氣中NO與SO的質量比為0.13，工業鍋爐尾氣中CO與CO的體積比為0.72%。根據中國石化碳排放盤查系統，標準體積天然氣輸入的CO，NO，CH的排放因子分別為2.184×10，3.9×10，3.89×10kg/m。VOCs和PM的排放量則根據我國天然氣工業鍋爐平均排放因子得出，1 GJ天然氣輸入的排放因子分別為3.094，2.849 g。全廠干粉滅火器干粉保有量為5.78 t，逸散系數為4%；全廠空調制冷劑R22，R407c，R410a保有量分別為0.99，0.95，0.24 t，逸散系數為5.5%；全廠SF保有量0.05 t，逸散系數為0.5%。電耗的間接排放量以四川省級電網溫室氣體排放因子為標準計算，為362 g/（kW·h）（以CO當量計）。監護池外排生產廢水量為209 635 t，氨氮、總磷和COD質量濃度分別為0.08，0.12，8.70 mg/L。

綜上，CO制程排放量和SO排放量依據元素守恒計算；NO和CO排放量根據比值法計算；其余污染物排放量的計算見式（1）和式（2）。

式中：Q為污染物的排放量；D為資源的消耗量；F為資源消耗后污染物的排放因子。

式中：Q為污染物的逸散量；A為物質的保有量；C為物質的逸散系數。

2019年凈化廠各污染物的環境排放量見表4。其中，固定源排放包括凈化裝置工業爐、高/低壓火炬長明燈、火炬放空、動力站鍋爐、食堂爐灶燃料氣消耗和乙炔消耗所造成的CO排放；制程排放是指原料氣中的CO組分在吸收塔內由吸收劑吸收后，經再生塔解吸釋放，隨凈化裝置流程通過煙囪排放；間接排放是指電力消耗造成的CO排放；其他排放包括柴油燃燒和滅火器干粉逸散所造成的CO排放。

表4 凈化廠的環境排放匯總

由表4可知：從排放的絕對量來看，2019年凈化廠在生產過程中共排放大氣污染物585 539.52 t，水體污染物1.87 t；從排放的成分來看，大氣污染物中CO的排放量最高，共584 042.46 t，占總排放量的99.74%，其中制程排放量又占CO排放量的56.76%，其次是CO、SO和NO，分別占0.17%、0.07%和0.01%。凈化廠目前采用國產化的UDS-2復合溶劑作為脫硫溶劑，主要由醇胺、環狀胺類化合物、氮氧雜環類化合物、消泡劑、緩蝕劑等組成，硫脫除率高，但由于環狀胺類化合物可顯著提高酸性組分在溶劑中的化學溶解性，CO的吸收效率達到95.59%，造成產品氣中CO濃度遠低于《天然氣》（GB 17820—2012）中一類氣指標，制程CO排放量顯著增加。

2.3 清單處理

凈化廠在生產運行過程中的資源消耗和污染物排放結果見表5～7。由表可知，在凈化廠生產運行中，每功能單位的能耗為9 624.85 MJ，燃料氣消耗占總能耗的91.25%，電力消耗占8.74%，淡水資源消耗約4.09 t。

表5 凈化廠每功能單位的資源消耗量

表6 凈化廠每功能單位的電力消耗量

3 環境影響評價

3.1 評價方法

根據中國科學院生態環境研究所楊建新等基于我國國情與發展提出的各污染物對不同環境影響的貢獻度計算方法建立評價模型，凈化廠污染物排放對環境的影響類型見表8。

表8 凈化廠環境影響類型

3.2 資源耗竭系數

通過一次性能源消耗對資源耗竭潛值進行計算，反映每功能單位所耗資源占人均資源消耗量的比重，資源耗竭潛值的計算見式（3）。從表9可知，凈化廠的運行主要是對天然氣耗竭，其潛值為463.44 mPE。

表9 凈化廠每功能單位的資源耗竭潛值和系數

式中：NEP為資源的耗竭潛值，PE（以2000年為基準年的標準人當量）；RC為資源的消耗量，kg；RR為資源的消耗標準化基準，kg/（人·a）。

為反映所消耗資源的稀缺性，按式（4）對資源耗竭潛值進一步加權分析，計算得出每功能單位的資源耗竭系數為7.73 mPR。

式中：為資源耗竭系數，PR（以2000年為基準年的加權后的標準人當量）；WF為資源的權重因子，此處為可供應期的倒數，1/a。

3.3 環境影響負荷

環境影響負荷反映研究對象在其生產運行中對環境系統的壓力大小，主要通過對各環境影響類型進行計算，得出一個具有可比性的數值，進而對企業或產品的環境效益做出評價。

3.3.1 環境影響潛值

對凈化廠排放的各污染物的環境影響進行歸類，并通過表7中污染物的排放量乘以對應的當量因子計算其環境影響潛值及影響類型潛值，結果見表10。

表7 凈化廠每功能單位的污染物排放量

表10 凈化廠每功能單位的環境影響潛值

由表10可知：每功能單位的全球變暖潛值為1 448.41 kg CO當量，以生產運行過程CO排放造成的溫室效應最多；富營養化潛值為0.19 kg NO當量，主要由NO的排放造成，經監護池處理后的外排污水中的總磷、COD、氨氮對富營養化影響較低；酸化潛值為1.15 kg SO當量，主要由凈化裝置煙氣中的SO排放造成，其次是NO的排放；光化學煙霧潛值為0.095 kg CH當量，主要由CO和VOCs的排放造成；氣溶膠潛值為0.19 kg PM當量，其主要來源為SO排放導致的二次氣溶膠生成，以及工業爐尾氣排放中的PM，而S粉塵逸散在硫磺成型廠房增設除塵系統后得到有效治理，對氣溶膠潛值的影響基本可忽略。

3.3.2 標準化及加權評估

環境影響潛值標準化是為了比較各種環境影響類型的相對大小，其計算見式（5），然后乘以相應的權重因子則可計算出其總環境影響負荷，如式（6）所示，計算結果見表11。

式中：NEP為類環境影響標準化后潛值，PE；EP為類環境影響總潛值，kg；ER為類環境影響標準化基準，kg/（人·a）。

式中：為總環境影響負荷（加權后的影響潛值之和），PE（以2010年為基準年）；WF為類環境影響的權重因子（以2010年為基準年），WF（根據2010年削減目標所確定的權重因子）。

由表11可知，在所評價的5種環境影響類型中，標準化后每功能單位的光化學煙霧影響潛值最大，為0.20 PE，其次是全球變暖，為0.17 PE，對富營養化的影響最小。針對光化學煙霧的治理需從提高工業爐的燃燒效率著手，降低煙氣中的CO濃度。根據凈化廠的能耗測試結果，凈化裝置尾氣焚燒爐的CO排放濃度遠高于《危險廢物焚燒污染控制標準》（GB 18484—2020）中規定的80 mg/m限值，動力站高/中壓鍋爐的CO排放濃度遠高于《燃油（氣）燃燒器安全技術規則》（TSG ZB001—2008）中規定的95 mg/m限值。尾氣焚燒爐和高/中壓鍋爐存在明顯的燃燒不完全，工業爐熱效率均約為80%，故可通過提升其燃燒完全性降低CO排放。針對凈化廠制程CO排放量高，普光凈化廠采用甲基二乙醇胺（MDEA）做為脫硫溶劑，產品氣中CO摩爾分數為1.28%，CO吸收率低于90%，相比UDS-2，MDEA能有效降低凈化廠的碳排放量及其對全球變暖的影響。

表11 凈化廠每功能單位環境影響潛值的標準化和加權評估

加權后的評估數值客觀反映了2019年凈化廠各環境影響類型的嚴重性，其排序依次為全球變暖＞光化學煙霧＞酸化＞氣溶膠＞富營養化，每功能單位的總環境影響負荷為0.27 PE。加權后的影響潛值也可用于同類凈化廠之間生態形象的比較，但由于國內外尚未見相關研究，目前無法進行比較。

4 結論

a）凈化廠2019年生產運行中每功能單位的能耗為9 624.85 MJ，燃料氣、柴油、淡水消耗分別為177.04，0.03，4 085.83 kg，資源耗竭系數為

7.73 mPR。

b）凈化廠共排放污染物585 541.39 t，CO的排放量最多，占總排放量的99.74%，其中制程排放量又占CO排放量的56.76%，其次是CO、SO和

NO。

c）從環境影響類型看，加權后的影響潛值排序依次為全球變暖＞光化學煙霧＞酸化＞氣溶膠＞富營養化，總環境影響負荷為0.27 PE，客觀反映了凈化廠生產運行對環境系統的壓力大小。

d）采用MDEA溶劑減少CO制程排放，提高工業爐的燃燒完全性減少CO排放，是分別降低凈化廠對全球變暖和光化學煙霧影響的重要方式。