美国油气田VOCS排放估算方法分析

孙恩呈 刘 雪 陈孝彦 韩 卓 王永强

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司技术检测中心；2.中国石油大学(华东)化学工程学院；3.中国石化能源管理与环境保护部)

0 引 言

挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是指参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物。大气污染防治“十三五”规划中明确提出在重点区域、重点行业推进VOCs排放总量控制。有效控制VOCs已经成为现阶段我国大气环境治理领域中的重点问题。因此，在环境管理的各个环节都需对VOCs排放实行精细化管理[1]。国外对油气田VOCs排放进行了广泛深入的研究，出台了一系列适用于油气田企业的限制大气污染物排放的法律法规和标准、相应的监测手段和评价方法。目前，国内对油气田VOCs排放和控制尚处于摸索阶段，对其排放环节、估算方法和污染控制措施缺乏系统的研究。本文重点解析油气田VOCs排放来源，介绍美国油气田企业常用的排放核算方法。在此基础上，针对国内油气田VOCs排放现状，选择可能适用于我国的估算方法，以期为我国油气田VOCs排放核算提供借鉴。

1 油气田VOCs排放源

油气田企业油井、站点数量多，分布广，导致VOCs排放点成千上万，VOCs排放无规律，浓度变化较大，成分复杂，估算治理难度较大。

油气田开发主要包括开发建设期和油气生产期两个阶段，两者均涉及VOCs排放问题。本文从源强产生的角度，对项目开发过程中主要VOCs污染源进行归类解析[2-3]，见表1。

表1 油气田开发主要VOCs污染源解析

由表1可知，在油气田开发全过程中，各环节工作内容多、工序差别大、施工情况多样、设备配置不同，VOCs排放情况复杂，储罐损失、装卸损失、设备泄漏、废水收集和处理过程逸散等是重点排放源。

2 美国VOCs排放估算方法

VOCs的有效控制，其源项分析和排放量核算是关键。美国结合行业特点，总结了不同的VOCs核算方法[4]。本文主要介绍烟道取样法、排放系数法、模型法及物料衡算法4种美国常用的估算方法，并比较其适用范围及优劣性。

2.1 烟道取样法

烟道取样法可用于工艺废气和燃烧烟气排放的估算。监测点位的选取要具有代表性(例如在设施的最大负荷工况时进行监测)。通过插入排气筒壁监测孔中的探头进行样品采集，然后送入实验室分析，依据污染物浓度和烟道烟气量计算污染物的排放速率。该方法可以在给定的时间内对一个特定设备的大气污染物排放量进行准确地计算，但仅能提供取样时所在特定工况下排放情况的瞬时状态，而不能反映其随时间的变化[5]。

烟道取样法VOCs排放速率计算见公式(1)。

EX=CX×Q/267 100

(1)

式中：EX为污染物X的排放量，mg/h；CX为污染物X烟道气体浓度，mg/m3；Q为烟道气体体积流量，m3/min。

2.2 排放系数法

排放系数是相对于污染源的活动水平而得出的污染物的排放速率[6]，通常这些系数仅是从测试数据中得出的平均数据。基于排放系数法，美国环保署(EPA)提出了4种计算方法[7]：平均排放因子法、筛选范围法、EPA 相关法及特定单元相关法。采用这4种方法计算，需要对待测装置的所有设备元件进行分类统计，如：阀门、泵、压缩机、泄压阀、法兰、开口管线、采样口连接等的数量，以及设备中输送或储存介质的物性和操作条件等。

排放系数法排放量计算见公式(2)。

EX=EFX×Q

(2)

式中：EX为污染物X的排放量，mg/h；EFX为污染物X的排放系数；Q为产量，m3/min。

2.3 模型法

模型法适用于醇脱水装置、储罐、重油系统闪蒸损失、脱硫装置VOCs和有害空气污染物(Hazardous Air Pollutant，HAP)的排放量估算[8]。各种模型适用的场合见表2。

表2 各种模型的适用场合

模型的准确性和可靠性受所收集的数据的质量影响，在采用模型法进行计算时应注意输入数据的准确性。同时，模型法在计算时输入的是装置的具体信息，因此，其计算结果能代表某个装置的具体情况，较排放系数法更为准确。

2.4 物料衡算法

物料衡算法以物质守恒定律为基础，根据详细的工艺流程、设备特点及各物料之间的平衡关系来计算VOCs排放量。

1)取代方程

取代方程适用于估算紧急放空口、气体驱动泵、压力/液位控制器、吹扫、井喷和试井的VOCs排放量计算[14-15]，见公式(3)。

EX=Q×MW×XX×1/C

(3)

式中：MW为气体摩尔质量，L/mol；XX为X的质量分数，%；C为理想气体的摩尔体积，22.4 L/mol。

2)凝析气系统闪蒸损失排放方程

EC/R算法[16]用于计算进入储存容器时产生压力降时的闪蒸损失以及流体组成和压力的变化导致流体产生的闪蒸损失量，适用于估算蒸汽压为162.1～516.8 kPa的液体，可按公式(4)计算排放量。

EX=KX×Q×δoil×XX×YV×D×42

(4)

式中：KX为VOCs的平衡率，%；Q为处理的冷凝液的体积，L；δoil为冷凝液的密度，g/m3；YV为闪蒸气体的摩尔分数，%；D为年运行时间，h；42为系数，无量纲。

3)装载损失方程

装载损失方程适用于计算液体输送到罐车过程的VOCs排放量，见公式(5)。

(5)

式中：EVOCs为VOCs排放量，mg/h；S为饱和系数，无量纲；PV为储存温度下储罐内物料的实际蒸汽压，kPa；MWV为蒸汽分子量，mol；Q为装载物料的体积，m3；T为罐内储存物料的温度，℃。

4)火炬VOCs的排放

计算向火炬排放含VOCs废气的污染源的最终VOCs排放量，取决于气体处理效率和火炬的去除效率(DRE)，见公式(6)。

(6)

式中：Q为气体处理效率，m3/h；YX为出口气体中污染物X的摩尔分数，%；MWX为污染物X的摩尔质量，g/mol；DRE为去除效率，%。

采用物料衡算法要对生产工艺过程等情况有比较深入的了解，并全面掌握所需的基础数据，才能尽可能准确地计算出排放量。当具体数据缺失而采用假设数据时，该方法的准确度可能低于排放系数法。

分析比较上述4种美国常用的VOCs排放估算方法，可以得出：对于单一设备，烟道取样法通常优于排放系数法；对一个污染源类别进行估算，或在污染源数量巨大且缺乏设备排放资料的情况下，通常采用排放系数法；模型法和物料衡算法的使用情况受方程的复杂性、所收集数据的类型以及设备中加工产品的多样性影响，其准确性和可靠性取决于收集的数据的精准度。

3 国内油气田VOCs排放估算现状

《大气污染防治行动计划》中明确提出“加大综合治理力度，减少污染物的排放”，其中VOCs是首要控制污染物。油气田作为VOCs的重要排放源，国内对其VOCs的排放和控制研究较少，对排放环节、估算方法和污染控制缺乏系统的分析研究。

3.1 与石化企业比较

国内石化企业已经有比较成熟的VOCs污染源排查方法，国家先后出台了《石化行业VOCs污染源排查工作指南》《石化企业泄漏检测与修复工作指南》，明确了石化行业VOCs污染源的普查范围及排放量估算方法。但石化企业与油气田企业排放源在储存介质、运行工艺、外界环境等方面存在一定差异，见表3。因此，财政部、环保部出台的《石油化工行业VOCs排放量计算方法》不适用于油气田各种排放源。为此，有必要结合油气田排放源自身特点，开展VOCs排放量的核算研究。

表3 国内石化企业与油气田企业排放源差异

3.2 与国外油气田企业比较

国内外油气田企业在来液含水、油品性质、工艺流程等方面差异较大[17]，见表4。

表4 国内外油气田企业排放源差异

由表4可知，国外相关估算方法不能直接用于国内油气田VOCs排放量的计算。在借鉴美国估算方法的实践工作中，要以国内的实际情况为基础，应进一步开展机理研究，修正损耗模型和系数，以期为国内油气田企业VOCs的有效控制提供基础数据。

4 结论与展望

1)油气田VOCs排放源较多，储罐损失、装卸损失、设备泄漏、废水收集和处理过程逸散等是重点排放源；油气田开发涉及的工艺、设备较多，点多面广，治理难度较大，选用合适的核算方法进行源头和过程控制是治理的关键。

2)油气田企业工艺流程、原料、产品及装置设备同石化企业及其他企业有着很大的区别，应结合油气田企业的特点，总结出适用于油气田的核算方法。

3)本文总结了美国油气田VOCs排放的4种估算方法，各有优劣，适用范围也不同，在借鉴应用之前还需注意单位的转化。

4)结合国内油气田自身特点、可达到的监测手段等，选择不同的方法，全面分析产生排放的工艺环节，找准排放源，再选用最适合的核算方法和模型，才能对国内油气田排放源强进行科学、公正的核算。