含硫氣田水除硫過程能耗及碳排放分析

饒冬 郭威 岳龍 張羽鑫 吳鵬斌 胡祥芳

1中國石化西南油氣分公司采氣二廠

2中國石油青海油田公司

3中石化廣元天然氣凈化有限公司

我國含硫天然氣資源豐富，在含硫天然氣開采過程中不可避免地產生大量含硫氣田水[1-2]。含硫氣田水目前主要有回注、外排和資源化回用三種處置方式[3]，這三種方式均需進行深度除硫處理。含硫氣田水具有高COD 值、高礦化度和懸浮物含量高等特點[4]，除硫工藝過程復雜，且需大量的能源和物質投入[5]，導致處理過程中能耗和碳排放量較高。因此，降低含硫氣田水除硫過程的能耗和碳排放量，對于含硫氣田的高效低碳開采具有重要意義。

物理氣提+化學氧化+絮凝沉降的三級除硫技術是應用較廣、工藝成熟度較高的含硫氣田水除硫工藝[6]。目前，關于該工藝主要集中于以提高除硫效率為目的的參數優化和除硫劑的研究。參數優化主要體現在物理氣提相關參數（pH 值、氣水比和塔壓等）優化[7-8]，除硫劑的研究主要體現在氧化除硫劑、混凝沉降劑的選擇和配比等[9]，關于該過程的能耗和碳排放的研究較少。因此，開展含硫氣田水除硫過程的能耗和碳排放分析，解析影響能耗和碳排放的關鍵因素和變化規律，對含硫氣田水處理節能減排具有重要意義，且可為同類含硫氣田開發提供一定的參考。

1 含硫氣田水處理工藝流程

某氣田含硫氣田水除硫裝置工藝流程如圖1 所示，采用物理氣提+化學氧化+絮凝沉降的三級除硫工藝。含硫氣田水管輸至緩沖罐，緩沖罐采用氮氣密閉補壓，緩沖罐出口污水添加HCl（氯化氫）調節pH值后進入氣提塔，采用氮氣進行氣提除硫，氣提塔出水加H2O2（過氧化氫）氧化除硫后再加注NaOH（氫氧化鈉）、PAC（聚合氯化鋁）和PAM（聚丙烯酰胺）進入密閉除硫罐進行混凝沉降，除硫后污水可直接輸至下游污水處理站，或者再經過濾后回注。緩沖罐、密閉除硫罐定期排泥至污泥池，進行初步泥水分離后，上層污水排至污水池，下層污泥外運處理；過濾器定期反沖洗的污水以及其他污水進入污水池，然后回收處理；污水污泥池尾氣經空間除硫裝置進行處理后外排。該裝置最大處理能力為180 m3/d，進水硫化物含量在500～1 200 mg/L，處理后回注水滿足SY/T 6596—2004《氣田水回注方法》中水質指標，主要為硫化物≤10 mg/L、懸浮物≤15 mg/L，外輸時滿足下游污水處理站進水水質要求（主要為硫化物≤5 mg/L）。該裝置的基本工藝、運行參數、能源和物質消耗種類等情況為含硫氣田水除硫過程的一般類型，具有一定代表性。

圖1 某含硫氣田水除硫工藝流程Fig.1 Desulfurization process flow of a sulfur-bearing gas field sour water

2 分析方法

污水進入污水處理系統到最終滿足出水指標要求，需經一系列物理和化學過程，會產生能源和物質消耗，也不可避免地會產生碳排放（圖2）。通過收集2021 年該污水處理裝置的相關基礎數據，包括全年逐日的污水處理量、硫化物含量、耗電量、藥劑消耗量等，再采用比能耗分析法[10]和碳排放系數法[11]對該過程能耗和碳排放量進行核算，并運用統計分析中的相關性分析、回歸分析和靈敏度分析，對數據進行處理，解析能耗和碳排放現狀以及找出能耗和碳排放熱點，提出節能降耗的有效措施。

圖2 能耗及碳排放分析Fig.2 Energy consumption and carbon emission analysis

2.1 能耗分析

一般水處理過程消耗的石油、天然氣、煤炭和電力等被稱為直接能耗[12]，所消耗耗能工質（新鮮水、軟化水、壓縮空氣等）和各部門產品（原材料、輔助材料等）中所包含的能源之和稱為間接能耗。

采用水處理領域常用的單位體積耗電（kWh/m3）作為比能耗分析指標。含硫污水除硫過程的直接能耗主要為電力和柴油，直接能耗用式（1）計算：

式中：Ed為直接能耗，kWh；Ei為消耗的第i種能源量；αi為第i種能源的折電系數。

含硫污水除硫過程間接能耗主要為消耗的化學藥劑、新鮮水等包含的能源之和，間接能耗用式（2）計算：

式中：Ein為間接能耗，kWh；mk為物質k（化學藥劑和新鮮水）的消耗量，kg；βk為k物質的能耗系數，kWh/kg。

化學藥劑能耗系數參照文獻[13-15]計算，HCl為4.36 kWh/kg，H2O2為3.10 kWh/kg，NaOH 為2.66 kWh/kg，PAC 為 0.17 kWh/kg，PAM 為10.93 kWh/kg。柴油和新鮮水能耗系數根據GB/T 2589—2020《綜合能耗計算通則》進行計算，柴油為11.97 kWh/kg，新鮮水為0.64 kWh/t。因此，含硫污水除硫過程總能耗及單位能耗[13-15]計算如式（3）、式（4）所示：

式中：E為含硫污水除硫過程總能耗，kWh；e為含硫污水除硫過程單位能耗，kWh/m3；V為含硫污水處理量，m3。

2.2 碳排放分析

污水處理系統的碳排放可分為直接碳排放和間接碳排放。直接碳排放指污水處理過程中直接向環境中排放的CO2等溫室氣體。間接碳排放又可分為能耗碳排放和物耗碳排放，其中能耗碳排放是指直接能源能耗造成的碳排放，物耗碳排放為污水處理過程消耗的其他部門產品所產生的碳排放。由于尾氣處理裝置僅在緩沖罐、除硫罐等排泥和反沖洗過程進行短暫運行，且空間除硫裝置（堿液吸收+雙氧水氧化）處理后排放的廢氣滿足GB 14554—1993《惡臭污染物排放標準》的要求[16]，溫室氣體含量極少，因此忽略尾氣的直接碳排放，僅考慮間接碳排放。按照排放系數法[11，17]計算含硫污水處理過程的碳排放，如式（5）所示：

式中：M為總碳排放，tCO2e；Qi為i物質或能源的數量，EFi為i物質的碳排系數。

因此，含硫污水除硫過程能耗碳排放(ME) 計算式如式（6）所示：

式中：EFi為能源i的碳排放系數。

物耗碳排放(Mm)計算式如式（7）所示：

式中：EFk為物質k的碳排放系數。

電力碳排放系數值根據《2019 中國區域電網基準線排放因子》[15]取四川地區值，柴油和新鮮水碳排放系數來源于省級溫室氣體排放清單進行換算，電力為0.858 7 kgCO2e/kWh，柴油為3.106 3 kgCO2e/kg，新鮮水為0.6 kgCO2e/kg。化學藥劑碳排放系數參照文獻[13-20]計算，HCl 為1.4 kgCO2e/kg，H2O2為0.491 kgCO2e/kg，NaOH 為0.244 kgCO2e/kg，PAC 為4.55 kgCO2e/kg，PAM 為13.54 kgCO2e/kg。

綜上，含硫氣田水除硫過程總碳排放和單位碳排放[13-20]計算如下：

式中：m為含硫污水除硫過程單位碳排放，kgCO2e/m3。

3 結果與討論

3.1 能耗及碳排放特征

污水處理裝置能耗情況和碳排放情況如圖3、圖4 和圖5 所示，年總能耗為646.28 MWh，總直接能耗為356.85 MWh，總間接能耗為289.43 MWh，月均能耗為53.86 MWh，月能耗最小值為46.92 MWh，最大值為61.41 MWh。總體月能耗隨著月水處理量的波動而波動，污水處理裝置直接能耗與間接能耗對總能耗的貢獻率分別為55.22%和44.78%。直接能耗中電力消耗占主導地位，同時藥劑和污泥運輸的能耗占直接能耗的比例達7.05%，不可忽視。間接能耗中藥劑消耗導致的能耗占主導地位，HCl 的貢獻率最大，H2O2次之，混凝沉降藥劑消耗引起的能耗相對較少。原因在于除硫裝置中各個機泵及氮氣生產過程消耗了大量電力，同時為提高氣提除硫效率，氣提進水pH 值一般需維持在4.5～5.5，HCl 消耗量大，且為保證出水硫化物達標，需使用大量的H2O2進行深度除硫，導致HCl和H2O2消耗較大，由此產生的間接能耗也相應較高。

圖3 總能耗變化Fig.3 Variations of total energy consumption

圖4 總碳排放變化Fig.4 Variations of total carbon emission

圖5 能耗及碳排放組成Fig.5 Component of energy consumption and carbon emission

含硫氣田水除硫過程年總碳排放為458.93 tCO2e，其中能耗碳排放為301.31 tCO2e，物耗碳排放為157.62 tCO2e。月均碳排放為38.24 tCO2e，月碳排放最小值為36.21 tCO2e，最大值為43.25 tCO2e。月碳排放變化趨勢與水處理量波動趨勢基本一致，污水處理過程不同環節的總碳排放差異較為明顯，能耗碳排占主導地位，貢獻率為65.66%，且能耗碳排中又以電力消耗導致的碳排放為主，原因在于該過程消耗了大量的電力，由此產生的間接能耗高。物耗碳排對總碳排放的貢獻率為34.34%，其中PAC 的貢獻率最大，HCl次之，其他藥劑和新鮮水消耗引起的碳排放相對較少。原因為該過程HCl 消耗量較大，且PAC 的碳排放系數較高，因此產生的碳排放較大。

含硫氣田水除硫過程單位能耗和碳排放如圖6所示，能耗均值為18.20 kWh/m3，其中直接能耗均值為10.06 kWh/m3，間接能耗均值為8.15 kWh/m3。碳排放均值為12.93 kgCO2e/m3，其中能耗碳排放均值為8.49 kgCO2e/m3，物耗碳排放均值為4.44 kgCO2e/m3。總體而言，受水處理量和進水硫化物變化的影響，能耗和碳排放波動幅度較大，單位能耗和碳排放變化趨勢與水處理量基本一致，表明水處理量對該過程能耗和碳排放具有較為顯著的影響。

圖6 能耗及碳排放曲線Fig.6 Energy consumption and carbon emission curves

3.2 能耗和碳排放動態變化的影響因素

為進一步分析能耗、碳排放與水處理量和進水硫化物之間的關系，根據計算能耗和碳排放數據，利用SPSS軟件進行相關性分析，相關性系數如表1所示。由計算結果可知，含硫氣田水除硫過程能耗、碳排放與水處理量和進水硫化物之間均通過了相關性檢驗。能耗和碳排放與處理量之間的相關性系數均為負數，說明水處理量增加能耗和碳排放均呈現下降趨勢，體現了一定的規模效應。但直接能耗與水處理量的相關系數為-0.506，呈中度負相關，表明水處理過程中存在未根據日水量變化及時優化裝置運行時間，增加了能耗。物耗碳排放與水處理量之間為低度相關，表明水處理過程中未隨水處理量的變化調整各種藥劑加注量，或者由于對水處理裝置操作的管控不強，未能對藥劑加注量進行精確標定，存在藥劑過量加注的情況。能耗和碳排放與進水硫化物含量之間相關性系數均為正，表明進水硫化物上升單位能耗和單位碳排放將增加，但相關性系數分別為0.243 和0.262，呈現極弱正相關，表明該過程能耗和碳排放的增減趨勢基本不受進水硫化物含量變化的影響，其可能的原因為水處理過程中，未根據進水硫化物含量的波動來調節藥劑加注量，且由于分析化驗數據的滯后性，導致無法及時調整相關藥劑參數。單位能耗與碳排放之間呈現高度的相關性，說明減少含硫氣田水除硫過程能耗，可大幅度降低碳排放。

表1 相關性分析結果Tab.1 Results of correlation analysis

綜上所述，影響含硫氣田水除硫過程能耗和碳排放增減趨勢的因子為水處理量，以月數據分別繪制散點如圖7 和圖8 所示，由回歸分析可以看出，能耗和碳排放與水處理量的擬合度較好，擬合度R2分別為0.54 和0.72，單位能耗與碳排放高度相關，R2為0.89。

圖7 能耗和碳排放與處理量之間的關系Fig.7 Relationship among energy consumption，carbon emission and water treatment volume

圖8 能耗與碳排放之間的關系Fig.8 Relationship between energy consumption and carbon emission

3.3 敏感性分析

含硫氣田水除硫過程藥劑的能耗系數、碳排放系數受到多種因素的影響，存在較大的不確定性[21]，且電網的CO2排放系數隨不同季節電網中火電、水電、風電等比例的變化而不同。因此，采用敏感性分析（各參數±30%），討論各個參數變化所引起的不確定性對該過程能耗和碳排放的影響（圖9、圖10）。耗電量對單位能耗的影響最大，HCl 的能耗系數變化對單位能耗影響次之，其降低30%，單位能耗下降至16.58 kWh/m3。同時該過程的直接能耗大于間接能耗，因此電網的碳排放系數變化對單位碳排放具有顯著影響，電網碳排放系數降低30%，單位碳排放下降18.72%，降至10.51 kg CO2e/m3。水處理藥劑中PAC 的碳排放系數遠大于其余藥劑，導致其值變化對單位碳排放影響最大。綜上分析，電網碳排放系數產生的不確定性對該過程碳排放的影響最大；藥劑中PAC 和鹽酸的能耗系數和碳排放系數的不確定性產生的影響最為顯著，表明由藥劑帶來的不確定性主要受到藥劑消耗量和該藥劑能耗或碳排放系數控制。

圖9 能耗敏感性分析Fig.9 Sensitivity analysis of energy consumption

圖10 碳排放敏感性分析Fig.10 Sensitivity analysis of carbon emission

3.4 節能減排措施

（1）含硫氣田開采過程中應合理規劃水處理站建設位置及規模，實現含硫氣田水的集中規模化處理，通過規模效應降低處理能耗及碳排放。

（2）直接能源消耗和化學藥劑消耗是含硫氣田水除硫過程節能減排的關鍵點。因此，可根據含硫氣田水產量的變化，在水量較少、污染物負荷較小的時期，減少水處理裝置運行負荷和藥劑消耗，從而達到節能減碳的目的。

（3）優化氣提工藝參數，提升氣提除硫效率，可降低后端氧化除硫藥劑消耗，且可有效減少污泥產量，對節能減排有益。

（4）進行水質快速/在線檢測，并與藥劑加注系統進行自動聯鎖控制，實現藥劑的精確加注，可減少藥劑消耗，從而降低間接能耗和碳排放。

4 結論

（1）含硫污水除硫過程能耗總體上隨著水處理量的波動而波動，以直接能耗為主，直接能耗與間接能耗貢獻率分別為55.22%和44.78%，單位能耗為18.20 kWh/m3；碳排放以能耗碳排放為主，單位碳排放為12.93 kg CO2e/m3，能耗和碳排放與水處理量之間均呈現一定的規模效應。

（2）含硫氣田水除硫過程直接能耗對整體能耗和碳排放影響最大，分別超過了55%和65%，可見直接能耗是該過程中最為關鍵的節能減排熱點。

（3）含硫氣田水除硫過程能耗與碳排放存在高度的正相關，表明該過程的節能與減排具有高度的統一性。可通過集中規模化處理、根據產水量與水質情況波動優化調整裝置運行負荷和藥劑加注、優化提升氣提除硫效率、精確化藥劑加注等措施達到節能減排的目的。