Picarro G2401（美國天然氣火炬排放的原位采樣測量揭示氮氧化物排放特征）

美國估計(jì)有1760萬人居住在距離活躍油氣井1.6公里（約1英里）的范圍內(nèi)。Buonocore 等人發(fā)現(xiàn)2016 年的石油和天然氣排放造成了相當(dāng)大的健康影響（例如，41萬次哮喘病例惡化），與臭氧和PM2.5相比，二氧化氮（NO₂）是造成這些不良后果的最大因素。石油開采過程中產(chǎn)生的天然氣通常采用火炬燃燒的方式進(jìn)行控制處理?；鹁嫒紵哪康氖卿N毀大部分碳?xì)浠衔飶U氣，將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳（CO₂）和水（H₂O），從而減少現(xiàn)場天然氣的安全問題及其對(duì)氣候的影響。在燃燒過程中，除二氧化碳（CO₂）外，還會(huì)釋放出未燃燒的碳?xì)浠衔铮ㄈ缂淄椋?、氮氧化物（NOx = NO + NO₂）、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、煙塵和不完全燃燒產(chǎn)物（PIC），氮氧化物的主要來源是燃料燃燒和農(nóng)業(yè)土壤，各來源的相對(duì)重要性因地區(qū)而異。由于氮氧化物對(duì)健康和環(huán)境的影響，美國《清潔空氣法》要求美國環(huán)境保護(hù)局（EPA）為最常見形式的氮氧化物與二氧化氮制定《國家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（NAAQS）。

量化美國主要石油生產(chǎn)區(qū)域(包括Bakken、Eagle Ford和Permian盆地)的天然氣燃燒產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)排放，研究者們旨在通過實(shí)地采樣，了解這些區(qū)域的NOx排放因子，并評(píng)估這些排放對(duì)空氣質(zhì)量和氣候的影響。

在此，研究者們對(duì)研究區(qū)域中的火炬進(jìn)行了現(xiàn)場取樣，量化了美國主要產(chǎn)油區(qū)（Bakken、Eagle Ford和Permian盆地）火炬燃燒產(chǎn)生的氮氧化物。通過采用自下而上的核算方法以及機(jī)載、地面和衛(wèi)星測量方法，對(duì)石油和天然氣行業(yè)的氮氧化物進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)石油和天然氣活動(dòng)導(dǎo)致的氮氧化物區(qū)域性升高。

圖1.美國火炬燃燒趨勢。(a) VIIRS 觀察到的燃燒位置（紅色三角形）和 F3UEL 機(jī)載采樣位置（黑色圓圈）。Bakken（紫色）、Eagle Ford（綠色）和Permian盆地（黃色）的陰影框表示相關(guān)區(qū)域。(b) 根據(jù) VIIRS 觀測數(shù)據(jù)估算的 2012 年至 2020 年三個(gè)研究區(qū)域的耀斑量。與美國的總?cè)紵浚ê诰€）相比，這三個(gè)地區(qū)的燃燒活動(dòng)占美國燃燒活動(dòng)的絕大部分，并推動(dòng)了美國的燃燒趨勢。

研究者們開展了兩次以燃燒為重點(diǎn)的機(jī)載采樣活動(dòng)，分別針對(duì)Eagle Ford和Permian盆地(2020年8月25日至9月4日)以及Bakken盆地(2021年6月28日至7月15日)開展了兩次空中測量活動(dòng)。他們使用裝有高精度儀器包括CH₄、CO₂(Picaro G2401-m)、NO(ECOphysics 88 NOe)、NO₂(Teledyne T5000U)以及氣象參數(shù)的小型飛機(jī)(Scientific Aviation)進(jìn)行航測。飛機(jī)在火炬低空(通常200-1000米)下風(fēng)方向飛行，使用火焰作為引導(dǎo)。調(diào)整高度直到觀察到CO₂峰值，以確保攔截到燃燒羽流。他們嘗試了多個(gè)下風(fēng)航段，以增加攔截?zé)熡鸬目赡苄?，并提供重?fù)采樣。通過這種方式，研究者們能夠評(píng)估盆地規(guī)模的NOx生產(chǎn)情況。如下圖所示：

圖2. F3UEL 機(jī)載火炬采樣。(a) 2020年9月4日在Permian盆地進(jìn)行的機(jī)載火炬采樣，飛行軌跡以觀測到的二氧化碳濃度著色。白色方框表示二氧化碳時(shí)間序列中峰值歸因于耀斑的位置。(b) 二氧化碳（上）、氮氧化物（中）和甲烷（下）的相應(yīng)濃度時(shí)間序列（相對(duì)于該站點(diǎn)的采樣開始時(shí)間），其中紅色方格表示從二氧化碳信號(hào)中得出的耀斑峰值。

流域級(jí)氮氧化物排放量估算：使用我們通過觀察得出的特定流域排放因子和特定流域熱值假設(shè)計(jì)算的氮氧化物燃燒排放量與使用監(jiān)管機(jī)構(gòu)和FOG清單中使用的數(shù)值計(jì)算的類似排放量進(jìn)行了比較（圖3）。為了進(jìn)行比較，對(duì) FOGinventory 進(jìn)行了更新，以納入 VIIRS 提供的 2020 年和 2021 年年度燃燒量輸入。我們的分析結(jié)果與使用EPA和FOG假設(shè)的Eagle Ford燃燒氮氧化物排放量相當(dāng)。然而，對(duì)于Permian盆地和Bakken地區(qū)，我們的排放量估計(jì)值是基于 EPA 和 FOG 數(shù)值的兩倍。

圖3. 2020年流域級(jí)燃燒氮氧化物排放估算，比較假定排放因子（X 軸）和氣體熱值（綠色：FOG值，26700± 14000 Btu/m3 ；藍(lán)色：本文使用的流域特定值）的影響。

我們截獲的大部分燃燒羽流都在TCEQ采用的排放因子范圍內(nèi)（0.0485-0.138 lb NOx/MMBtu）；然而，在Bakken和Permian（見圖2）觀察到的分布尾部較重，導(dǎo)致盆地平均排放因子比 EPA 和 FOG 清單采用的值大2-3 倍。

G2401-m儀器被用于機(jī)載連續(xù)測量CO₂濃度。如圖2所示Picarro G2401-m儀器的數(shù)據(jù)，其中顯示了在Permian盆地進(jìn)行的一次燃燒羽流采樣飛行軌跡，以及相應(yīng)的CO₂、NOx和CH₄的時(shí)間序列。這些數(shù)據(jù)用于確定燃燒羽流的CO₂峰值，從而支持研究者們對(duì)NOx排放因子的估計(jì)。這些數(shù)據(jù)支持了研究的結(jié)論，即在Bakken和Permian盆地，NOx排放因子的分布呈現(xiàn)出重尾特性，這意味著盆地平均排放因子是EPA使用的值的2-3倍。此外，通過將這些數(shù)據(jù)與衛(wèi)星評(píng)估的燃燒體積相結(jié)合，研究者們發(fā)現(xiàn)，20%-30%的燃燒器貢獻(xiàn)了80%盆地范圍內(nèi)的NOx排放。這些發(fā)現(xiàn)表明，通過其他氣體捕獲方法減少燃燒體積，石油和天然氣的NOx排放量將會(huì)對(duì)當(dāng)前庫存數(shù)據(jù)產(chǎn)生更大的影響。