我国石油天然气行业大气汞排放预测及减排

聂国欣,袁 博,王添颢

我国石油天然气行业大气汞排放预测及减排

聂国欣*,袁 博,王添颢

(华北电力大学环境科学与工程学院,北京 102206)

基于2015年我国不同地区原油及天然气产量和区域分布的统计数据,利用联合国环境署确定的汞输入因子和输出因子,估算了我国石油开采、炼制环节以及天然气开采、燃烧环节中大气汞的排放量.同时,依据国家发改委发布的石油天然气发展"十三五"规划中制定的预测性指标,以2015年为基准年,针对2020~2030年期间的石油天然气生产加工行业大气汞排放量设定了3个阶段的减排目标,在此基础上计算了不同阶段内两大行业大气汞的减排量和排放量,为国家实现履行《水俣公约》提供基础数据支撑和参考.

石油；天然气；汞排放预测；减排目标

近年来,我国经济在“稳增长、调结构”总基调的指导下,发展方式出现了转变,发展速度趋缓,国内市场对石油和天然气的需求量也发生变化.“十二五”期间,我国石油消耗总量和石油净进口量的年均增速均在降低[1-3].据统计,我国石油和天然气的年消费量分别占全球消费总量的12.8%和5.9%[4].

天然气和石油中所含汞的浓度主要取决于产地地理位置,且差异明显,如印度尼西亚阿隆凝析气田天然气汞含量范围为180~300μg/m3,而克罗地亚波德拉维纳地区天然气汞含量范围为200~ 2500μg/m3.汞浓度还与天然气类型相关,我国煤型气汞含量算数平均值约为30μg/m3,而油型气汞含量算数平均值约为3μg/m3[5].石油中汞的主要形态以有机金属化合物形式为主,经过燃烧后这些含汞有机金属化合物主要转化为元素态汞[6],从而导致导致石油加工行业工作人员的职业暴露,即有可能吸入汞蒸气或通过皮肤吸收有机汞[7],同时还会增加了大气中汞的浓度.在石油加工过程中,一些痕量汞还会损坏低温换热器等设备、降低催化剂活性和使用寿命等[8].此外,一部分汞还会随着生产加工工艺形成含汞污泥和废水,从而对环境造成"二次污染".天然气中汞的存在形态主要为元素态汞,在天然气处理过程,脱水和脱硫两个工艺环节产生了大量高浓度汞排放进入大气[9-10].

汞具有永久累积性,可通过食物链进入人体,并且气态汞因具有高度的扩散性,在进入人体后会严重损坏脑组织、肾脏、神经系统等,甚至存在基因突变和致癌等风险[11].国际社会和我国政府对汞的污染均予以高度重视.2013年10月10日,86个国家在日本熊本市共同签署了旨在全球范围内控制和减少汞排放的《水俣公约》,标志着全球携手共同减少汞污染迈出了重要的第一步.2017年8月16日,旨在控制和减少全球汞排放的国际公约《关于汞的水俣公约》正式生效.2011年7月,我国发布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)[12],该排放标准首次规定了燃煤电厂汞及汞化合物的排放浓度不得高于0.03mg/m3,并已于2014年1月1日执行此标准.在此背景下,本文以2015年为基准年,根据石油天然气生产和加工行业发展规划和排放因子等因素,估算我国石油天然气生产和加工行业总汞的排放量;依据石油天然气的总生产量、分区域产量、消费总量和预测的总汞排放量,对2020、2025和2030年石油天然气生产和加工行业大气汞排放量和减排量进行了情景分析和预测,并提出了石油天然气生产和加工行业不同阶段大气汞减排目标,从而为我国大气汞排放控制和国家实现履行《水俣公约》提供基础支撑和参考.

1 石油天然气生产和加工行业总汞排放量

1.1 石油天然气的产量

根据中国产业信息网统计,2015年国内石油消费总量约为54088.3万t,其中轻质油的消费量约为31392.5万t,重油及化工用油为22695.8万t;2015年全国原油生产量为21455.6万t,进口量为33548.3万t,出口量为286.6万t.2015年全国天然气消费总量为1931.75亿m3,国内天然气产量累计为1346.10亿m3,进口量为611亿m3,出口量为33亿m3[13-14].全国原油以及天然气分区域产量结果见图1.

图1 2015年全国原油和天然气产量分区域统计(不含港澳台)

1.2 石油天然气生产加工行业总汞排放量的估算

根据联合国环境署确定的汞输入因子和输出因子,参照我国石油和天然气生产和消费量,可估算出我国石油天然气生产加工行业的汞排放量.以天然气生产加工行业的汞排放量的估算为例,其汞排放量的估算如下:

TMI=GP×DMIF×(1)

式中:TMI为总汞输入量,kg;GP为天然气生产量,108m3;DMIF为默认汞输入因子,μg/Nm3;为单位转化因子,即10-1.

TMO=TMI×DMOF (2)

式中:TMO为总汞输出量,kg; DMOF为默认汞输出因子,μg/Nm3.

联合国环境署规定的石油和天然气默认汞输入、输出因子[15-18]分别见表1和表2.利用汞输入和输出因子,针对石油开采、冶炼、天然气开采/加工过程等环节,经过一系列的计算,得到我国石油天然气生产加工行业在废气、废水、废渣及产品中汞的平均排放量及区域分布.

表1 石油和天然气的默认汞输入因子

表2 石油和天然气的默认汞输出因子

由表3可知,2015年我国石油开采废水中汞的平均排放量约为16226.4kg,全国不同地区汞排放量由高至低依次为西北、东北、华北、华东、华南、华中和西南.石油炼制过程中废气、废水、废渣和产品中汞的平均排放量依次为8958.4,358.3,5359.6和21139.5kg.其中,废气中汞的排放量最高,其次为石油产品中汞的排放量,这意味着在重视石油开采和石油炼制过程汞减排的同时,应高度关注由于石油产品利用过程中汞二次排放问题.

表3 2015年石油开采和炼制过程中汞的平均排放量

经计算,2015年我国天然气开采/处理过程中废气、废水、废渣和产品中汞的平均排放量依次为3849.8,3849.8,1924.9和9624.6kg(表4),其中大气汞的排放总量和废水中汞排放总量相同.另外按区域分布,其排放量规律与图1数据一致.显然,进入产品中的汞排放量最高,其利用过程对环境的危害应引起高度重视.同时,根据天然气的消费量分布,预测了2015年我国天然气燃烧过程中大气汞的平均排放量约为19.30kg,其值远低于开采/处理过程.

表4 2015年我国天然气开采/处理以及燃烧过程中汞的平均排放量

2 石油天然气生产加工行业大气汞减排方案

我国目前存在5个重点人为汞排放源,分别是燃煤电厂、燃煤工业锅炉、有色金属冶炼、水泥熟料生产和垃圾焚烧,在2015年,上述5种行业共排放的大气汞达到371t,其中燃煤电厂贡献了75.9t(占比20.5%),燃煤工业锅炉贡献了80.4t (占比21.7%),有色金属冶炼贡献了72.3t (占比19.5%),水泥熟料生产贡献了12.0t (占比3.8%),垃圾焚烧贡献了127.7t (占比34.5%)[19].目前《水俣公约》对以上5种行业的汞排放已经展开了严苛的管控,尽管现有情况下石油和天然气行业中汞的排放量相对于以上几个行业其贡献比例相对较低,但在未来情景中,随着重点行业汞排放问题受到严格管控,石油和天然气行业产生的汞排放问题会日益凸显,也应予以重视.

对于石油天然气生产和加工行业,虽然已制定的有关标准[20-21]对大气和水污染物排放规定了相应的排放限值,但存在大气汞排放数据缺失、相关政策不健全、排放标准尚未制定等问题.因此石油天然气生产加工行业大气汞减排目标研究十分必要和紧迫.本文根据表3和表4,预测2015年我国石油天然气生产和加工行业大气总汞排放量分别为8958.4和3849.8kg (考虑天然气燃烧过程大气汞排放量远低于其开采/处理过程(表4数据),予以忽略),以2015年为基准年,对2020~2030年期间的石油天然气生产加工行业大气汞排放量进行了3个阶段的减排目标设定.

2.1 消费量预测

石油天然气行业的"十三五"发展规划显示,随着国内产量的增加和进口能力的增强,石油天然气供求总体上将进入宽平衡状态.本文依据国家发改委发布的石油天然气发展“十三五”规划制定的预测性指标[21],将2020年、2025年和2030年国内石油天然气消费总量的预测值归纳如表5,数据显示,在2015~2030年区间内,石油和天然气年消费量整体呈现递增趋势,但年增长率逐渐递减,预测结果表明我国未来能源结构中对于石油和天然气的消费需求增长逐步放缓.

表5 2020、2025和2030年石油天然气消费总量预测

2.2 情景设置及减排目标

根据“十二五”期间石油天然气生产和加工行业的装备发展情况和协同控制技术应用进展,设置了低减排、中减排、高减排3个情景方案,每种方案中设定了对应于2020、2025、2030年的减排目标并提出了具体的减排措施,如表6所示.

表6 2020年、2025年和2030年石油和天然气行业大气汞减排目标及措施

2.3 汞减排量的估算

表7 3种情景方案中大气汞的排放和减排量

基于表6中的情景设置和2015年石油天然气生产加工行业大气汞排放量,将低减排、中减排和高减排3种情景中2020年、2025年和2030年大气汞的减排量和排放量计算结果汇总于表7,数据显示,至2030年,在低减排情景中,石油和天然气行业大气汞将分别减排5375.0和2309.7kg;在中减排情景中,石油和天然气行业大气汞将分别减排6270.9和2694.8kg;在高减排情景中,石油和天然气行业大气汞将分别减排7166.7和3079.8kg.两大行业大气汞在未来不同情景下均有明显的减排效果,这也为我国实现履行《水俣公约》提供良好的支撑.

3 结论

3.1 根据2015年全国不同地区原油和天然气的消费总量、生产量、进口量和出口量,利用联合国环境署规定的汞输入和输出因子,估算了2015年我国石油开采废水中汞平均排放量约为16226.4kg,石油炼制过程中废气、废水、废渣和产品中汞平均排放量分别为8958.4、358.3、5359.6和21139.5kg;2015年我国天然气开采和处理过程产生的废气、废水、废渣和产品中汞平均排放量分别为3849.8、3849.8、1924.9和9624.6kg.

3.2 2015年我国不同地区石油开采及炼制过程中汞排放量由高至低依次为西北、东北、华北、华东、华南、华中和西南,我国不同地区天然气开采、处理及燃烧过程中汞排放量由高至低依次为西北、西南、华南、华北、东北、华东、华中.

3.3 以2015年为基准年,根据我国石油天然气发展“十三五”规划制定的预测性指标,并结合“十二五”期间国内石油天然气生产和加工行业的装备发展情况和协同控制技术应用进展,针对2020~2030年我国石油和天然气生产加工行业设定了低减排、中减排和高减排三种大气汞减排情景,设置了对应于每个年份和每种情景的减排目标,提出了相应的具体减排措施,计算了每种减排目标下的大气汞减排量和排放量.

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Atmospheric mercury emission prediction and emission reduction in petroleum and natural gas industry for China.

NIE Guo-xin*, YUAN Bo, WANG Tian-hao

(School of Environmental Science and Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)., 2019,39(11)：4599~4603

The production and processing of petroleum and natural gas was one of the important sources of atmospheric mercury emission from anthropogenic sources. Based on the statistical data of crude oil and natural gas production and regional distribution in different regions of China in 2015, using the mercury input factor and output factor determined by the United Nations Environment Programme, the atmospheric mercury emissions in China's oil extraction, refining, natural gas extraction and combustion were estimated. Meanwhile, according to the predictive indicators of the 13th five-year plan for oil and gas development released by the national development and reform commission, taking 2015 as the base year, three emission reduction targets were set for the atmospheric mercury emission in the oil and gas production and processing industry from 2020 to 2030, and based on that, the emission and emission reduction of atmospheric mercury in the two major industries were calculated, which could provide basic support for the implementation of Minamata Convention.

oil；natural gas；mercury emission prediction；reduction target

TM62;X51

A

1000-6923(2019)11-4599-05

聂国欣(1972-),女,山东青州人,华北电力大学高级工程师,主要从事大气污染控制研究.

2019-04-26

国家环境保护公益性行业科研专项(201309018)

* 责任作者, 高级工程师, 122122770@qq.com