含硫氣田水除硫過(guò)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(guó)石化西南油氣分公司采氣二廠

2中國(guó)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(guó)含硫天然氣資源豐富，在含硫天然氣開采過(guò)程中不可避免地產(chǎn)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(jìn)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(diǎn)[4]，除硫工藝過(guò)程復(fù)雜，且需大量的能源和物質(zhì)投入[5]，導(dǎo)致處理過(guò)程中能耗和碳排放量較高。因此，降低含硫氣田水除硫過(guò)程的能耗和碳排放量，對(duì)于含硫氣田的高效低碳開采具有重要意義。

物理氣提+化學(xué)氧化+絮凝沉降的三級(jí)除硫技術(shù)是應(yīng)用較廣、工藝成熟度較高的含硫氣田水除硫工藝[6]。目前，關(guān)于該工藝主要集中于以提高除硫效率為目的的參數(shù)優(yōu)化和除硫劑的研究。參數(shù)優(yōu)化主要體現(xiàn)在物理氣提相關(guān)參數(shù)（pH 值、氣水比和塔壓等）優(yōu)化[7-8]，除硫劑的研究主要體現(xiàn)在氧化除硫劑、混凝沉降劑的選擇和配比等[9]，關(guān)于該過(guò)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(guò)程的能耗和碳排放分析，解析影響能耗和碳排放的關(guān)鍵因素和變化規(guī)律，對(duì)含硫氣田水處理節(jié)能減排具有重要意義，且可為同類含硫氣田開發(fā)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(xué)氧化+絮凝沉降的三級(jí)除硫工藝。含硫氣田水管輸至緩沖罐，緩沖罐采用氮?dú)饷荛]補(bǔ)壓，緩沖罐出口污水添加HCl（氯化氫）調(diào)節(jié)pH值后進(jìn)入氣提塔，采用氮?dú)膺M(jìn)行氣提除硫，氣提塔出水加H2O2（過(guò)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(jìn)入密閉除硫罐進(jìn)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(jīng)過(guò)濾后回注。緩沖罐、密閉除硫罐定期排泥至污泥池，進(jìn)行初步泥水分離后，上層污水排至污水池，下層污泥外運(yùn)處理；過(guò)濾器定期反沖洗的污水以及其他污水進(jìn)入污水池，然后回收處理；污水污泥池尾氣經(jīng)空間除硫裝置進(jìn)行處理后外排。該裝置最大處理能力為180 m3/d，進(jìn)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(zhì)指標(biāo)，主要為硫化物≤10 mg/L、懸浮物≤15 mg/L，外輸時(shí)滿足下游污水處理站進(jìn)水水質(zhì)要求（主要為硫化物≤5 mg/L）。該裝置的基本工藝、運(yùn)行參數(shù)、能源和物質(zhì)消耗種類等情況為含硫氣田水除硫過(guò)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(jìn)入污水處理系統(tǒng)到最終滿足出水指標(biāo)要求，需經(jīng)一系列物理和化學(xué)過(guò)程，會(huì)產(chǎn)生能源和物質(zhì)消耗，也不可避免地會(huì)產(chǎn)生碳排放（圖2）。通過(guò)收集2021 年該污水處理裝置的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，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(shù)法[11]對(duì)該過(guò)程能耗和碳排放量進(jìn)行核算，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析中的相關(guān)性分析、回歸分析和靈敏度分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，解析能耗和碳排放現(xiàn)狀以及找出能耗和碳排放熱點(diǎn)，提出節(jié)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(guò)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(zhì)（新鮮水、軟化水、壓縮空氣等）和各部門產(chǎn)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(lǐng)域常用的單位體積耗電（kWh/m3）作為比能耗分析指標(biāo)。含硫污水除硫過(guò)程的直接能耗主要為電力和柴油，直接能耗用式（1）計(jì)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(shù)。

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

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

化學(xué)藥劑能耗系數(shù)參照文獻(xiàn)[13-15]計(jì)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(shù)根據(jù)GB/T 2589—2020《綜合能耗計(jì)算通則》進(jìn)行計(jì)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(guò)程總能耗及單位能耗[13-15]計(jì)算如式（3）、式（4）所示：

式中：E為含硫污水除硫過(guò)程總能耗，kWh；e為含硫污水除硫過(guò)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(tǒng)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(guò)程中直接向環(huán)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(guò)程消耗的其他部門產(chǎn)品所產(chǎn)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(guò)程進(jìn)行短暫運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)》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(shù)法[11，17]計(jì)算含硫污水處理過(guò)程的碳排放，如式（5）所示：

式中：M為總碳排放，tCO2e；Qi為i物質(zhì)或能源的數(shù)量，EFi為i物質(zhì)的碳排系數(shù)。

因此，含硫污水除硫過(guò)程能耗碳排放(ME) 計(jì)算式如式（6）所示：

式中：EFi為能源i的碳排放系數(shù)。

物耗碳排放(Mm)計(jì)算式如式（7）所示：

式中：EFk為物質(zhì)k的碳排放系數(shù)。

電力碳排放系數(shù)值根據(jù)《2019 中國(guó)區(qū)域電網(wǎng)基準(zhǔn)線排放因子》[15]取四川地區(qū)值，柴油和新鮮水碳排放系數(shù)來(lái)源于省級(jí)溫室氣體排放清單進(jìn)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?；瘜W(xué)藥劑碳排放系數(shù)參照文獻(xiàn)[13-20]計(jì)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(guò)程總碳排放和單位碳排放[13-20]計(jì)算如下：

式中：m為含硫污水除硫過(guò)程單位碳排放，kgCO2e/m3。

3 結(jié)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?？傮w月能耗隨著月水處理量的波動(dòng)而波動(dòng)，污水處理裝置直接能耗與間接能耗對(duì)總能耗的貢獻(xiàn)率分別為55.22%和44.78%。直接能耗中電力消耗占主導(dǎo)地位，同時(shí)藥劑和污泥運(yùn)輸?shù)哪芎恼贾苯幽芎牡谋壤_(dá)7.05%，不可忽視。間接能耗中藥劑消耗導(dǎo)致的能耗占主導(dǎo)地位，HCl 的貢獻(xiàn)率最大，H2O2次之，混凝沉降藥劑消耗引起的能耗相對(duì)較少。原因在于除硫裝置中各個(gè)機(jī)泵及氮?dú)馍a(chǎn)過(guò)程消耗了大量電力，同時(shí)為提高氣提除硫效率，氣提進(jìn)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(dá)標(biāo)，需使用大量的H2O2進(jìn)行深度除硫，導(dǎo)致HCl和H2O2消耗較大，由此產(chǎn)生的間接能耗也相應(yīng)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(guò)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(shì)與水處理量波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，污水處理過(guò)程不同環(huán)節(jié)的總碳排放差異較為明顯，能耗碳排占主導(dǎo)地位，貢獻(xiàn)率為65.66%，且能耗碳排中又以電力消耗導(dǎo)致的碳排放為主，原因在于該過(guò)程消耗了大量的電力，由此產(chǎn)生的間接能耗高。物耗碳排對(duì)總碳排放的貢獻(xiàn)率為34.34%，其中PAC 的貢獻(xiàn)率最大，HCl次之，其他藥劑和新鮮水消耗引起的碳排放相對(duì)較少。原因?yàn)樵撨^(guò)程HCl 消耗量較大，且PAC 的碳排放系數(shù)較高，因此產(chǎn)生的碳排放較大。

含硫氣田水除硫過(guò)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?？傮w而言，受水處理量和進(jìn)水硫化物變化的影響，能耗和碳排放波動(dòng)幅度較大，單位能耗和碳排放變化趨勢(shì)與水處理量基本一致，表明水處理量對(duì)該過(guò)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(dòng)態(tài)變化的影響因素

為進(jìn)一步分析能耗、碳排放與水處理量和進(jìn)水硫化物之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算能耗和碳排放數(shù)據(jù)，利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)如表1所示。由計(jì)算結(jié)果可知，含硫氣田水除硫過(guò)程能耗、碳排放與水處理量和進(jìn)水硫化物之間均通過(guò)了相關(guān)性檢驗(yàn)。能耗和碳排放與處理量之間的相關(guān)性系數(shù)均為負(fù)數(shù)，說(shuō)明水處理量增加能耗和碳排放均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了一定的規(guī)模效應(yīng)。但直接能耗與水處理量的相關(guān)系數(shù)為-0.506，呈中度負(fù)相關(guān)，表明水處理過(guò)程中存在未根據(jù)日水量變化及時(shí)優(yōu)化裝置運(yùn)行時(shí)間，增加了能耗。物耗碳排放與水處理量之間為低度相關(guān)，表明水處理過(guò)程中未隨水處理量的變化調(diào)整各種藥劑加注量，或者由于對(duì)水處理裝置操作的管控不強(qiáng)，未能對(duì)藥劑加注量進(jìn)行精確標(biāo)定，存在藥劑過(guò)量加注的情況。能耗和碳排放與進(jìn)水硫化物含量之間相關(guān)性系數(shù)均為正，表明進(jìn)水硫化物上升單位能耗和單位碳排放將增加，但相關(guān)性系數(shù)分別為0.243 和0.262，呈現(xiàn)極弱正相關(guān)，表明該過(guò)程能耗和碳排放的增減趨勢(shì)基本不受進(jìn)水硫化物含量變化的影響，其可能的原因?yàn)樗幚磉^(guò)程中，未根據(jù)進(jìn)水硫化物含量的波動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)藥劑加注量，且由于分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)的滯后性，導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)調(diào)整相關(guān)藥劑參數(shù)。單位能耗與碳排放之間呈現(xiàn)高度的相關(guān)性，說(shuō)明減少含硫氣田水除硫過(guò)程能耗，可大幅度降低碳排放。

表1 相關(guān)性分析結(jié)果Tab.1 Results of correlation analysis

綜上所述，影響含硫氣田水除硫過(guò)程能耗和碳排放增減趨勢(shì)的因子為水處理量，以月數(shù)據(jù)分別繪制散點(diǎn)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(guān)，R2為0.89。

圖7 能耗和碳排放與處理量之間的關(guān)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(guān)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(guò)程藥劑的能耗系數(shù)、碳排放系數(shù)受到多種因素的影響，存在較大的不確定性[21]，且電網(wǎng)的CO2排放系數(shù)隨不同季節(jié)電網(wǎng)中火電、水電、風(fēng)電等比例的變化而不同。因此，采用敏感性分析（各參數(shù)±30%），討論各個(gè)參數(shù)變化所引起的不確定性對(duì)該過(guò)程能耗和碳排放的影響（圖9、圖10）。耗電量對(duì)單位能耗的影響最大，HCl 的能耗系數(shù)變化對(duì)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(shí)該過(guò)程的直接能耗大于間接能耗，因此電網(wǎng)的碳排放系數(shù)變化對(duì)單位碳排放具有顯著影響，電網(wǎng)碳排放系數(shù)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(shù)遠(yuǎn)大于其余藥劑，導(dǎo)致其值變化對(duì)單位碳排放影響最大。綜上分析，電網(wǎng)碳排放系數(shù)產(chǎn)生的不確定性對(duì)該過(guò)程碳排放的影響最大；藥劑中PAC 和鹽酸的能耗系數(shù)和碳排放系數(shù)的不確定性產(chǎn)生的影響最為顯著，表明由藥劑帶來(lái)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(shù)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(jié)能減排措施

（1）含硫氣田開采過(guò)程中應(yīng)合理規(guī)劃水處理站建設(shè)位置及規(guī)模，實(shí)現(xiàn)含硫氣田水的集中規(guī)?；幚?，通過(guò)規(guī)模效應(yīng)降低處理能耗及碳排放。

（2）直接能源消耗和化學(xué)藥劑消耗是含硫氣田水除硫過(guò)程節(jié)能減排的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，可根據(jù)含硫氣田水產(chǎn)量的變化，在水量較少、污染物負(fù)荷較小的時(shí)期，減少水處理裝置運(yùn)行負(fù)荷和藥劑消耗，從而達(dá)到節(jié)能減碳的目的。

（3）優(yōu)化氣提工藝參數(shù)，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(chǎn)量，對(duì)節(jié)能減排有益。

（4）進(jìn)行水質(zhì)快速/在線檢測(cè)，并與藥劑加注系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)鎖控制，實(shí)現(xiàn)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(jié)論

（1）含硫污水除硫過(guò)程能耗總體上隨著水處理量的波動(dòng)而波動(dòng)，以直接能耗為主，直接能耗與間接能耗貢獻(xiàn)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(xiàn)一定的規(guī)模效應(yīng)。

（2）含硫氣田水除硫過(guò)程直接能耗對(duì)整體能耗和碳排放影響最大，分別超過(guò)了55%和65%，可見(jiàn)直接能耗是該過(guò)程中最為關(guān)鍵的節(jié)能減排熱點(diǎn)。

（3）含硫氣田水除硫過(guò)程能耗與碳排放存在高度的正相關(guān)，表明該過(guò)程的節(jié)能與減排具有高度的統(tǒng)一性?？赏ㄟ^(guò)集中規(guī)?；幚?、根據(jù)產(chǎn)水量與水質(zhì)情況波動(dòng)優(yōu)化調(diào)整裝置運(yùn)行負(fù)荷和藥劑加注、優(yōu)化提升氣提除硫效率、精確化藥劑加注等措施達(dá)到節(jié)能減排的目的。