火炬是排放控制设备，企业为避免向大气中排放过多有毒有害的易燃气体，会使用火炬对这些气体进行焚烧处理。据估计，在世界各地的油气供应链中，火炬焚烧气体产生的甲烷排放约为万吨，约占全球油气行业甲烷排放量的2％。
年1月-6月，因为将多余天然气送火炬焚烧处理，尼日利亚损失约7.80亿美元，在此期间燃烧的天然气相当于1,万吨二氧化碳，可生产出22,GWh电力。
焚烧的原因
天然气被送往火炬通常有三种不同原因：
在井站和天然气加工厂中出于安全原因，在诸如完井、常规维修、非常规维修、紧急停工等时期，可能需要使用火炬处理临时气体。
由于天然气产量远超出销售数量，多余的天然气就会被送往火炬焚烧处理。这可能是由于多种原因，包括缺乏收集气体的基础设施、供需压力不平衡、气体处理设备临时停工、天然气凝析气藏含量丰富。
火炬焚烧处理可以作为排放控制的常规手段，用于控制某些类型的排放，减少大气污染。
目前对火炬焚烧规模的量化基于卫星测量的数据，虽然无法探测到封闭空间内的火炬焚烧情况，但仍然可以看出全球各地火炬的规模和分布状况。
年-年之间全球火炬焚烧情况。量化排放
火炬的不完全燃烧会导致大量甲烷排放。通常火炬的运行效率为98％，剩余2％的气体不能燃烧，因此，每年约有万吨甲烷作为未燃烧的气体被直接排放到大气中。
在大多数大规模实行火炬焚烧的国家（例如俄罗斯、伊拉克、伊朗），火炬焚烧与常规油气生产有关。但是在美国，火炬焚烧主要与非常规的油气生产有关。
非常规石油和天然气开采是现在的热点。送入火炬进行焚烧的气体流量存在很大的地域差异。对美国和加拿大的分析表明，一小部分井站才是火炬焚烧气排放的主体。在加拿大阿尔伯塔省，大约10％井站的火炬焚烧气排放占总量的50%，而在美国的20,座火炬中，不到5％的火炬焚烧气排放占了总量的50%。
因此，减排策略可能仅仅对于少数以高流量运行的井站而言才具有经济价值。在非常规石油生产（产量迅速下降）地区，或者正在建设使用天然气基础设施的地区，火炬的流量也可能随时间变化。火炬的持续时间也可能会影响某些减排策略在经济上的可行性。
减排策略
减排策略因不同的生产情况而异，从源头杜绝多余天然气产生是最理想的方法；很多时候企业难以做到这一点，因为井站已经建设完成，当多余天然气产生后，企业可以使用一些方法对天然气进行回收利用，避免将天然气送往火炬焚烧；如果不得不将天然气送往火炬焚烧，企业也并非束手无策，它们可以提高焚烧效率，尽量减少甲烷排放。具体的对策和描述如下表所示：
减排策略1-设计油井的时候添加二级分离器
产生凝液或原油的上游井站将液化烃从加压分离器输送到非加压冷凝罐中。甲烷会从罐中的液体“闪蒸”出来，并可能被送到火炬焚烧。通过在现场安装二级分离器，可以大大减少这种“闪蒸气”的燃烧。
通过将流体输送到分离器可以分离油、水和气，该分离器的工作压力介于井口压力与冷凝罐压力之间。如果采用二级分离，就可以增加液化烃的产量，并减少排放。
添加二级分离器前后对比，添加二级分离器不仅可以增加产物，而且还可以减少送往火炬焚烧的气体。
二级分离只有在高压井才能实现，而且可能需要对二级分离产生的低压气体进行压缩。与通过一级分离的产物相比，通过二级分离产生的冷凝物或原油的雷德蒸气压将会增加，但在国外许多地区仍能保持合规。
减排和成本回收效果
美国得克萨斯州中南部的伊格福特生产区评估了二级分离器的效果。使用二级分离器后，气化烃产量增加了约15％-20％，液化烃产量增加约1%-4％，并且排空气体减少约65％-75％。安装二级分离器的成本大约是安装单级分离器的3倍。虽然没有报告具体的投资回收期限（收回额外成本所需要的时间），但由于增加了二级分离器而使产量增加，因此投资回收期限为几个月。
减排策略2a-给储罐增加VRU设备
减排策略1描述了甲烷“闪蒸气”出现的一种情况，除此之外，甲烷闪蒸气还可能存在于含水的储罐中，因为甲烷易溶于液化烃，不溶于水。对此，使用VRU设备可以收集闪蒸气，压缩后通过管线输送到销售端，而不必将其排放到大气中或送往火炬焚烧。VRU可以设计为小型压缩机一样简单的设备，也可以设计成VRT（气体回收塔）的一部分，VRT可用作闪蒸气的分离器，并允许VRU的压缩机在更稳定的状态下运行。
如果VRU的设计能力不能处理井站的最大流量，也可以将火炬包含在该系统中。当多余的闪蒸气从储罐中逸出时，火炬就可以对其进行焚烧处理从而阻止气体排空。
VRU设备的关键在于闪蒸罐可以将气体重新液化，从而回收NGL并通过销售获利。
减排和成本回收效果
VRU系统的设计能力应该可以处理90％以上的多余气体，否则这些气体可能会被排空或送到火炬焚烧。由于回收闪蒸气几乎总是需要压缩机和其他设备，因此必须将回收气体的收入和运营成本进行比较，从而做出相对有利的选择。
减排策略2b-在试井和完井阶段减少火炬焚烧
新的钻井完成后，正式投产之前还需要实施完井。完井过程中，在将油气井连接到天然气管线之前，要回收钻屑、沙子和压裂液。此过程可能导致在完井过程中回流的气体排空或需要送到火炬焚烧处理，因此减少回流气体可以实现减排。现在，美国和加拿大等许多国家/地区要求“绿色完井”或“减排完井”，在完井过程中使用分离器来收集原本直接排空的气体。收集到的气体无论是用于销售还是送往火炬焚烧处理，都将实现减排（与原来的直接排空相比）。
在试井期间，操作人员会释放气体测试流速，这可能会导致气体排空或将需要将气体送往火炬焚烧。过去企业使用临时设备收集这些气体，通常用于试井的气体分离器比井站的永久性分离器大得多，因此只能在试井期间将其带到现场。
“减排完井”不仅可以减少气体排空，而且如果收集到的气体可以转化为产品进行销售，也能减少天然气送火炬焚烧。
减排和成本回收效果
完井减排的经济效益不仅包括减少排空的甲烷，还有回收气体的经济回报，后者具体显示在美国EPA能源之星指南上，可以为企业提供参考。
减排策略2c-压缩天然气并使用公路运输
企业可将原本可能会送往火炬焚烧的气体进行处理，去除水、硫和二氧化碳，然后在现场压缩，转化为CNG（压缩天然气）。通常必须对CNG进行深加工，以便适应管道运输，因此可以通过公路运输送到天然气加工厂。
俄罗斯阿穆尔天然气加工厂当井站只有一口开采井，且与天然气加工厂距离在30km-40km之间时，将CNG运送到天然气加工厂具有一定经济效益。若井站具有多个开采井，通过公路长距离运输CNG仍有可能获利。
减排和成本回收效果
分析表明，对于只有单口开采井的井站，适用该策略的最佳天然气量约为每天5,m，对于有多口开采井的井站，这一数量约为每天17,-20,m，最具经济效益的方法可以将火炬排放量减少90％，因为送往火炬的气体大大减少。甚至企业还可以牺牲一部分经济效益，从而获取更高的减排率。
减排策略2d-回收NGL
从气体中回收天然气通常也可以使用回收NGL的方法。NGL回收系统包含从简单膨胀阀系统到复杂低温技术等一系列广泛内容。系统的选择取决于气体的NGL含量和NGL的最终用途。
戊烷和NGL重烃可以使用加压膜系统和吸附/吸收系统从气体中分离出来，这些系统通常适用于大型油气开采系统。戊烷和NGL重烃的制冷和阀门膨胀分离通常适用于小规模操作，而且价格较低。如果要经济高效地回收例如丙烷这样的NGL轻烃，通常企业可选择热交换和机械制冷。若油气开采系统具有高压，可以使用焦耳-汤姆逊效应制冷器，需要注意的是通常该设备的初始成本高于机械制冷。低温涡轮膨胀回收成本虽然最高，但可以回收更多的气体。
公路运输将CNG和NGLs送到加工厂。减排和成本回收效果
据企业报告称，若井站每天的天然气流量为10,m，同时井站距离天然气加工厂80km以内，则NGL的回收成本可以低于0.07美元/m。
减排策略3-将天然气注入油气藏进行储存
可以将天然气注入原本的油藏或其他油藏，在减排的同时增加石油产量。年，全球回注了约4,亿立方米的天然气，远超全球燃烧的天然气总量（约1,亿立方米）。天然气回注业务在世界各地分布不均，大部分回注集中在阿尔及利亚、加拿大、伊朗、哈萨克斯坦、挪威、美国、阿拉伯联合酋长国和委内瑞拉。该策略的有效性取决于具体的油藏。
世界各国注入天然气的情况。减排和成本回收效果
根据美国巴肯产区和伊格福特产区的天然气回注效果，天然气回注可能会增加石油产量，从而带来正收益。
减排策略4-利用天然气发电
燃气轮机和往复式发动机可以将天然气能源转化为电能。尽管有30kW-kW的微型涡轮机，但典型的运行规模为0.2MW-10MW。电力可以在现场为其他设备（包括控制器、泵和空气压缩机）供电，也可以出售到电网。
美国快速增长的低成本天然气产量为众多企业带来了巨大利益。
涡轮机通常需要的气体几乎不包含或完全不包含烃类液体，并且硫含量低。对于其他气体，可能需要将涡轮机与NGL回收系统结合使用（参考减排策略2d）。将气体与柴油燃料混合可以用于往复式发动机，从而无需进行NGL回收。选择要使用的设备类型和尺寸很复杂，在钻探和完井过程中，所需电量功率范围从0.5MW-15MW以上不等。在常规生产期间，通常所需的电量在0.1MW-0.15MW（单口井的井站）和0.25MW-0.4MW（有多口井的井站）的范围内。由于生产过程中电源需要稳定供电，然而气体流量通常是变化的，因此通常需要某种形式的备用电源。对于连接到电网的井站，通常将电能出售给电网是最好的选择。
减排和成本回收效果
在涡轮机中燃烧气体而不是送到火炬焚烧处理，可能无法实现减排。但是，由此产生的电力可能会减少对井站其他产生气体排放的生产活动。据报道，该方案的初始成本为0.5兆瓦机组60万美元，2兆瓦机组万美元。满负荷运行的2兆瓦机组可产生的电力价值在35万美元-万美元之间（每0.06kWh电价为0.02美元），因此投资回收期通常超过一年，而大型机组的投资回收期通常较短。使用火炬气替代发动机中的柴油时，投资回收期可能更有利，该效益受到发动机类型的影响。
减排策略5a-提高人工调节蒸汽/空气助燃火炬的焚烧效率
如果将气体送到火炬焚烧无法避免，那么尽可能提高燃烧效率，可以将甲烷排放量降至最低。火炬的设计主要取决于气体的流量和变化。燃烧大量气体的火炬通常设计有空气助燃或蒸汽助燃的装置，可在燃烧区提供额外的氧气。增加进入火炬燃烧区域的空气或蒸汽的流量可以减少烟雾的形成，但是如果增加的空气或蒸汽过多，火炬的效率可能会下降。有一项针对流量气体火炬的研究，表明火炬运行要实现接近完全燃烧（98％）的工况，同时最大程度地减少烟雾形成，需要非常仔细地控制助燃空气和蒸汽的流量。
蒸汽助燃火炬（图中靠前并且冒烟的火炬）和空气助燃火炬（图中位置靠后的火炬）在高流量情况下焚烧气体。
减排和成本回收效果
虽然熟练的操作可以有效提高燃烧效率，但是进一步提高效率可能需要升级火炬。
减排策略5b-提高无人井站小火炬的焚烧效率
大多数小火炬位于无人值守的上游井站。这些火炬旨在处理小流量气体和异常操作。如果火炬的火焰熄灭且无法重新点燃，火炬就变成一座排气筒，导致处理效率低下。
尽管许多小火炬通过使用长明火或带有火焰监测器的点火器来防止火焰熄灭，但长明火通常需要单独的稳定气流，火花点火器则需要电源，因此存在一定难度。
减排和成本回收效果
可以将指示灯或点火器添加到现有的火炬中，火炬效率提高实现的减排可以和增加这些设备的成本相互抵消。
可以选择的方法这么多，你都了解了吗？虽然这些火炬减排方法是应用在上游油气行业，但也可以为中下游企业的甲烷减排提供一些有益参考。
引用
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