含硫气田水除硫过程能耗及碳排放分析_饶冬.pdf

集输处理饶冬等：含硫气田水除硫过程能耗及碳排放分析油气田地面工程 https:/含硫气田水除硫过程能耗及碳排放分析饶冬1郭威1岳龙2张羽鑫1吴鹏斌3胡祥芳11中国石化西南油气分公司采气二厂2中国石油青海油田公司3中石化广元天然气净化有限公司摘要：为探究含硫气田水除硫过程能耗及碳排放的情况，以比能耗分析法和碳排放系数法为基础，采用单位能耗和单位碳排放为评价指标，结合相关性分析、敏感性分析和回归分析等统计学方法，分析了能耗、碳排放与水处理量和进水硫化物之间的关系。结果表明，含硫气田水除硫过程以直接能耗和能耗碳排放为主，单位能耗和碳排放分别为18.20 kWh/m3和12.93 kgCO2e/m3。能耗和碳排放与水处理量之间呈现一定的规模效应，且具有高度的相关性。敏感性分析表明节能减排须重点关注水处理能耗的降低，可采取集中规模化处理、根据产水量变化优化调整装置运行负荷和药剂加注、优化提升气提除硫效率等措施，以达到节能减排的目的。关键词：含硫气田水；除硫；能耗；碳排放；节能减排Energy Consumption and Carbon Emission Analysis of Sour Water Desulfurization Process in Sulfur-bearing Gas FieldsRAO Dong1，GUO Wei1，YUE Long2，ZHANG Yuxin1，WU Pengbin3，HU Xiangfang11No.2 Gas Production Plant of Southwest Oil and Gas Company，SINOPEC2Qinghai Oilfield Company，CNPC3Guangyuan Natural Gas Purification Co.，Ltd.，SINOPECAbstract：In order to analyze the energy consumption and carbon emission of sour water desulfuriza-tion process in sulfur-bearing gas fields，based on the specific energy consumption analysis method andcarbon emission coefficient method，and combining correlation analysis，sensitivity analysis，regressionanalysis，and other statistical methods,the relationship between energy consumption&carbon emissionand water treatment volume&the influent sulfide concentration are investigated by using the unit ener-gy consumption and unit carbon emission as the evaluation indicators.The results show that the sourwater desulfurization process in sulfur-bearing gas fields is dominated by direct energy consumption andenergy consumption carbon emission，with unit energy consumption and carbon emission of18.20 kWh/m3and 12.93 kgCO2e/m3respectively.Energy consumption and carbon emission have acertain scale effect with the water treatment volume，with a high degree of correlation.Sensitivity anal-ysis shows that energy conservation and emission reduction should focus on the reduction of water treat-ment energy consumption，and measures such as centralized and large-scale treatment，optimizing andadjusting the operating load and the reagent injection according to the change of water production，andoptimizing and improving the sulfur removal efficiency of gas stripping can be taken to achieve the pur-pose of energy conservation and emission reduction.Keywords：sulfur-bearing gas field sour water；desulfurization；energy consumption；carbon emis-sion；energy conservation and emission reduction我国含硫天然气资源丰富，在含硫天然气开采过程中不可避免地产生大量含硫气田水1-2。含硫气田水目前主要有回注、外排和资源化回用三种处置方式3，这三种方式均需进行深度除硫处理。含硫DOI:10.3969/j.issn.1006-6896.2023.02.00736第 42卷第 02期（2023-02）油气田地面工程 https:/集输处理气田水具有高 COD 值、高矿化度和悬浮物含量高等特点4，除硫工艺过程复杂，且需大量的能源和物质投入5，导致处理过程中能耗和碳排放量较高。因此，降低含硫气田水除硫过程的能耗和碳排放量，对于含硫气田的高效低碳开采具有重要意义。物理气提+化学氧化+絮凝沉降的三级除硫技术是应用较广、工艺成熟度较高的含硫气田水除硫工艺6。目前，关于该工艺主要集中于以提高除硫效率为目的的参数优化和除硫剂的研究。参数优化主要体现在物理气提相关参数（pH 值、气水比和塔压等）优化7-8，除硫剂的研究主要体现在氧化除硫剂、混凝沉降剂的选择和配比等9，关于该过程的能耗和碳排放的研究较少。因此，开展含硫气田水除硫过程的能耗和碳排放分析，解析影响能耗和碳排放的关键因素和变化规律，对含硫气田水处理节能减排具有重要意义，且可为同类含硫气田开发提供一定的参考。1含硫气田水处理工艺流程某气田含硫气田水除硫装置工艺流程如图 1所示，采用物理气提+化学氧化+絮凝沉降的三级除硫工艺。含硫气田水管输至缓冲罐，缓冲罐采用氮气密闭补压，缓冲罐出口污水添加 HCl（氯化氢）调节 pH 值后进入气提塔，采用氮气进行气提除硫，气提塔出水加 H2O2（过氧化氢）氧化除硫后再加注 NaOH（氢氧化钠）、PAC（聚合氯化铝）和PAM（聚丙烯酰胺）进入密闭除硫罐进行混凝沉降，除硫后污水可直接输至下游污水处理站，或者再经过滤后回注。缓冲罐、密闭除硫罐定期排泥至污泥池，进行初步泥水分离后，上层污水排至污水池，下层污泥外运处理；过滤器定期反冲洗的污水以及其他污水进入污水池，然后回收处理；污水污泥池尾气经空间除硫装置进行处理后外排。该装置最大处理能力为 180 m3/d，进水硫化物含量在 5001 200 mg/L，处理后回注水满足 SY/T 65962004气田水回注方法 中水质指标，主要为硫化物10 mg/L、悬浮物15 mg/L，外输时满足下游污水处理站进水水质要求（主要为硫化物5 mg/L）。该装置的基本工艺、运行参数、能源和物质消耗种类等情况为含硫气田水除硫过程的一般类型，具有一定代表性。2分析方法污水进入污水处理系统到最终满足出水指标要求，需经一系列物理和化学过程，会产生能源和物质消耗，也不可避免地会产生碳排放（图 2）。通过收集 2021 年该污水处理装置的相关基础数据，包括全年逐日的污水处理量、硫化物含量、耗电量、药剂消耗量等，再采用比能耗分析法10和碳排放系数法11对该过程能耗和碳排放量进行核算，并运用统计分析中的相关性分析、回归分析和灵敏度分析，对数据进行处理，解析能耗和碳排放现状以及找出能耗和碳排放热点，提出节能降耗的有效措施。2.1能耗分析一般水处理过程消耗的石油、天然气、煤炭和电力等被称为直接能耗12，所消耗耗能工质（新鲜水、软化水、压缩空气等）和各部门产品（原材图 1某含硫气田水除硫工艺流程Fig.1 Desulfurization process flow of a sulfur-bearing gas field sour water37集输处理饶冬等：含硫气田水除硫过程能耗及碳排放分析油气田地面工程 https:/料、辅助材料等）中所包含的能源之和称为间接能耗。采用水处理领域常用的单位体积耗电（kWh/m3）作为比能耗分析指标。含硫污水除硫过程的直接能耗主要为电力和柴油，直接能耗用式（1）计算：Ed=()Ei i（1）式中：Ed为直接能耗，kWh；Ei为消耗的第i种能源量；i为第i种能源的折电系数。含硫污水除硫过程间接能耗主要为消耗的化学药剂、新鲜水等包含的能源之和，间接能耗用式（2）计算：Ein=()mk k（2）式中：Ein为间接能耗，kWh；mk为物质k（化学药剂和新鲜水）的消耗量，kg；k为k物质的能耗系数，kWh/kg。化学药剂能耗系数参照文献13-15计算，HCl为 4.36 kWh/kg，H2O2为 3.10 kWh/kg，NaOH 为2.66kWh/kg，PAC 为 0.17kWh/kg，PAM 为10.93 kWh/kg。柴 油 和 新 鲜 水 能 耗 系 数 根 据GB/T 25892020 综 合 能 耗 计 算 通 则 进 行 计算，柴 油 为 11.97 kWh/kg，新 鲜 水 为 0.64 kWh/t。因此，含硫污水除硫过程总能耗及单位能耗13-15计算如式（3）、式（4）所示：E=Ed+Ein（3）e=EV（4）式中：E为含硫污水除硫过程总能耗，kWh；e为含硫污水除硫过程单位能耗，kWh/m3；V为含硫污水处理量，m3。2.2碳排放分析污水处理系统的碳排放可分为直接碳排放和间接碳排放。直接碳排放指污水处理过程中直接向环境中排放的 CO2等温室气体。间接碳排放又可分为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，物耗碳排放为污水处理过程消耗的其他部门产品所产生的碳排放。由于尾气处理装置仅在缓冲罐、除硫罐等排泥和反冲洗过程进行短暂运行，且空间除硫装置（碱液吸收+双氧 水 氧 化）处 理 后 排 放 的 废 气 满 足 GB 145541993恶臭污染物排放标准 的要求16，温室气体含量极少，因此忽略尾气的直接碳排放，仅考虑间接碳排放。按照排放系数法11，17计算含硫污水处理过程的碳排放，如式（5）所示：M=()Qi EFi（5）式中：M为总碳排放，tCO2e；Qi为i物质或能源的数量，EFi为i物质的碳排系数。因此，含硫污水除硫过程能耗碳排放()ME计算式如式（6）所示：ME=()Ei EFi（6）式中：EFi为能源i的碳排放系数。物耗碳排放()Mm计算式如式（7）所示：Mm=()mk EFk（7）式中：EFk为物质k的碳排放系数。电力碳排放系数值根据 2019 中国区域电网基准线排放因子15取四川地区值，柴油和新鲜水碳排放系数来源于省级 温 室 气 体 排 放 清 单 进 行换 算，电 力 为 0.858 7 kgCO2e/kWh，柴 油 为3.106 3 kg