بررسی آثار محیط‌زیستی گاز مشعل در ایران و اهمیت آن در راستای تعهدات کشور در توافق پاریس

1. مقدمه

در فرایند استخراج نفت همواره مقداری آب و گاز طبیعی هم که در لایه‌های زیرین وجود دارند همراه نفت از چاه خارج می‌شوند. جدا از گازی که همراه نفت از چاه بالا آمده، وقتی نفت به سطح زمین و فشار اتمسفر می‌رسد هیدروکربن‌های سبک‌تر موجود در نفت هم تبخیر شده و به شکل گاز درمی‌آیند. مجموعۀ این گازها را که هنگام استخراج از میادین نفتی به‌عنوان محصول جانبی نفت محسوب می‌شود گاز همراه نفت[1] می‌نامند. در بسیاری از موارد جمع‌آوری این گازها که از لحاظ ارزش حرارتی بسیار غنی هم هستند دشوار است یا از لحاظ اقتصادی به‌صرفه تشخیص داده نمی‌شود. درنتیجه به دلایلی چون حفظ ایمنی منطقه، ترشی بیش از حد و قابل استفاده نبودن، دوری محل استخراج از خشکی، دشواری انتقال گاز و... در محل تولید سوزانده (فلر) می‌شود. درمجموع باید پذیرفت که گازِ همراه یک محصول جانبی است و تولید نفت همواره نسبت به تولید گاز اولویت بیشتری داشته است و دارد.

به مجموعۀ این گازهای سوزانده‌شده در بخش‌های بالادستی نفت و گازهای سوزانده‌شده در پالایشگاه‌ها، صنایع شیمیایی و برخی کارخانجات (مانند کُک‌سازی‌ها)، گاز مشعل[2] گفته می‌شود. در تمام این موارد، هدف اصلی از سوزاندن گاز، از بین بردن هیدروکربن‌های گازی و ترکیبات ارگانیک فرار، و وارد کردن محصولات احتراق به اتمسفر است. مشعل‌های با ارتفاع زیاد برای جریان زیاد گاز و مشعل‌های با ارتفاع کم همراه با محفظۀ احتراق همانند زباله‌سوزها جهت سوزاندن گازهای غیرسمی استفاده می‌شوند.

علاوه بر گاز همراه سوزانده‌شده در بخش بالادستی نفت، نوع دیگری از عملیات مشعل نیز در پالایشگاه‌ها و پتروشیمی‌ها وجود دارد که ممکن است به‌طور مستمر و پیوسته یا موقت و ناپیوسته اتفاق بیفتد. در این واحدها، مشعل جزئی از سیستم ایمنی به شمار می‌رود و برای امنیت پرسنل مجموعة موردنظر و نیز حفاظت از اجزای مختلف سیستم‌ها طراحی می‌شود. در اکثر فرایندهای پالایشگاهی و پتروشیمی طراحی مشعل به گونه‌ای است که سوزاندن گازهای زائد از بروز خطرها، آتش‌سوزی‌ها، انفجار و صدمه دیدن کارکنان جلوگیری می‌کند و با تبدیل مواد قابل‌اشتعال، سمی و بخارات خورنده به ترکیبات کم‌ضرر، آن‌ها را به اتمسفر تخلیه می‌کند. ازآنجاکه گازهای سوزانده‌شده در واحدهای مذکور می‌تواند از رویدادهای مختلفی ناشی شده باشد، بنابراین ترکیبات موجود در گاز مشعل صنایع پایین‌دستی یکنواخت نبوده و حجم و مدت زمان عملیات مشعل معمولاً منظم و قابل‌پیش‌بینی نیست.

1. 1. آمارهای جهانی و ملی گاز مشعل

براساس جدیدترین آمار بانک جهانی که در سال ۲۰۱۶ منتشر شده است، سالیانه حدود ‌15۴‌ میلیارد متر مکعب گاز در سراسر جهان سوزانده می‌شود. این رقم معادل ‌5‌ درصد تولید گاز طبیعی در کل دنیا، ‌25‌ درصد مصرف گاز در ایالات متحده، ‌30‌ درصد مصرف گاز در اتحادیۀ اروپا و ‌75‌ درصد صادرات گاز کشور روسیه است. انرژی حاصل از سوزاندن این مقدار گاز معادل ‌2٫4 میلیون بشکه نفت خام در روز است. تنها در قارۀ آفریقا بالغ بر ‌35‌ میلیارد متر مکعب گاز در سال سوزانده می‌شود که برابر با نصف میزان مصرف انرژی در تمام این قاره است (GGFR, 2017).

شایان ذکر است که معمولاً آمار و اطلاعات دقیقی از مقدار گاز سوزانده‌شده در میادین نفتی کشورهای مختلف جهان منتشر نمی‌شود؛ درنتیجه اغلب داده‌های رسمی ارائه‌شده در زمینۀ گاز مشعل براساس برآوردهای برنامة جهانی کاهش گاز مشعل[3] است که تحت نظر بانک جهانی فعالیت می‌کند. نگاهی به جدول ‌1 که مربوط به آمار مؤسسۀ GGFR در سال‌های 2013 تا 2015 م است، نشان می‌دهد که در میان کشورهای سوزانندة گاز مشعل، ایران در جایگاه سوم جهان قرار دارد. بر همین اساس، در ‌2015‌ م ایران با سوزاندن ۱2٫1 میلیارد متر مکعب گاز همراه، حدود ۸ درصد از گاز مشعل جهان را به خود اختصاص داده است. این رقم وقتی بهتر درک می‌شود که بدانیم حجم گاز طبیعی تولیدی در پالایشگاه فاز ۱ پارس جنوبی در همان سال حدود 9 میلیارد متر مکعب بوده است (مؤسسۀ مطالعات بین‌المللی انرژی، ۱۳۹5؛ Elvidge et al, 2012: 3)

بررسی‌ها نشان می‌دهد که دسترسی به اطلاعات یکپارچه در ساختار موجود، تقریباً امکان‌پذیر نیست. معتبرترین متولی جمع‌آوری آمار و اطلاعات بخش انرژی کشور، مؤسسة مطالعات بین‌المللی انرژی وابسته به معاونت برنامه‌ریزی و نظارت بر منابع هیدروکربوری وزارت نفت است که هر سال با انتشار ترازنامة هیدروکربوری کشور، اطلاعات بخش‌های مختلف انرژی را از منابع تا مصرف نهایی منتشر می‌کند. در بخش‌های نسبتاً پراکنده‌ای از ترازنامة مزبور، آمار گاز مشعل به شکل محدود و کلی منعکس شده است که نیازمند تحقیق و کاوش است. جمع‌بندی این آمار حدود ۱۰ میلیارد متر مکعب در سال (معادل روزانه ۲۷٫۲ میلیون متر مکعب یا ۲۰۰ هزار بشکه نفت خام) را نشان می‌دهد و ۱۸٫۵ درصد کمتر از رقمی است که برنامة GGFR گزارش می‌کند (مؤسسۀ مطالعات بین‌المللی انرژی، ۱۳۹5).

جدول 1. حجم گاز سوزانده‌شده در بیست کشور نخست در جهان

منبع: مؤسسۀ مطالعات بین‌المللی انرژی، ۱۳۹5     

 * واحد: میلیارد متر مکعب

اما گذشته از هدرروی منابع و زیان اقتصادی آن، خسارت‌های سوزاندن گاز مشعل بر محیط‌زیست هم که موضوع این پژوهش است بسیار وسیع است و سالیانه در جهان باعث ورود ‌۴۰۰‌ میلیون تن گاز دی‌اکسید کربن به اتمسفر می‌شود. رقمی که معادل آلودگی ناشی از ‌77‌ میلیون خودروی سواری است و ‌ ۲‌ درصد کل انتشار CO₂ از منابع اولیۀ هیدروکربنی را تشکیل می‌دهد. با توجه به تشدید پدیدة گرمایش جهانی و تأثیر انتشار گازهای گلخانه‌ای بر این موضوع، امروزه برای کنترل منابع تولید گازهای گلخانه‌ای تلاش زیادی صورت می‌گیرد. طبیعتاً سوزاندن گاز همراه، از آن جهت که در ازای آلودگی آن هیچ ارزش افزوده یا خدماتی در اختیار بشر قرار نمی‌گیرد، ازجمله موارد دارای اولویت برای کاهش است که شایسته است مورد مطالعۀ بیشتری قرار گیرد (Farina, 2011: 8; Olivier, 2012: 24).

2. آثار محیط‌زیستی گاز مشعل

سوزاندن بیش از ‌150‌ میلیارد متر مکعب گاز طبیعی تصفیه‌نشده در صنایع نفت، باعث ورود حجم عظیمی از آلاینده‌های مضر به جو زمین می‌شود. این موضوع زیست‌بوم[4] را در ابعاد مختلفی تحت تأثیر قرار می‌دهد و علاوه بر انتشار گازهای گلخانه‌ای، آثار مختلفی بر محیط پیرامون خود دارد. در این بخش پیامدهای ناشی از انتشار آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل بیشتر بررسی خواهد شد.

2. 1. انتشار گازهای گلخانه‌ای و ترکیبات آلاینده

با فرض احتراق کامل، محصولات حاصل از سوزاندن گاز مشعل CO₂، SO_X و NO_X خواهد بود. اما احتراق این گازها هیچ‌گاه به‌طور ایدئال اتفاق نمی‌افتد، هرچند که راندمان احتراق مشعل‌های گازی معمولاً بالای ‌۹۰‌ درصد است (Charles et al, 2011: 17).

مهم‌ترین ترکیباتی که بر اثر احتراق گاز مشعل وارد جو می‌شوند عبارت‌اند از:

1) دی‌اکسید کربن. این گاز که مهم‌ترین محصول احتراق است، هرچند به‌طور مستقیم موجب آلودگی محیط‌زیست نمی‌شود، اما با تشدید اثر گلخانه‌ای نقش مؤثری در روند گرمایش زمین ایفا می‌کند. محصولات احتراق، به‌جز CO₂، تقریباً همگی سمی و برای سلامتی موجودات زنده مضر هستند.

2) اکسیدهای گوگرد. ترکیبات گوگرددار موجود در جریان گاز مشعل ازجمله ‌H₂S در فرایند احتراقْ تشکیلSO_X  می‌دهند. اکسیدهای گوگرد بی‌رنگ، بویی مخصوص دارند و غیرقابل‌اشتعال‌اند. دی‌اکسید گوگرد با ورود به جو به سرعت تبدیل به SO₃^2- می‌شود و بعد از آن با انحلال در محیط مرطوب تشکیل اسید سولفوریک می‌دهد. لذا هرچند SO_X  را نمی‌توان یک گاز گلخانه‌ای به حساب آورد، اما مهم‌ترین نگرانی از انتشار آن مربوط به باران‌های اسیدی است (Ericsson and Camner, 1983: 43).

3) اکسیدهای نیتروژن ‌(NO_X‌). NO_X طی واکنش با اکسیژن هوا باعث ایجاد اوزون تروپوسفری شده، و آثار بسیار ناهنجاری بر سیستم تنفسی بر جای می‌گذارد. همچنین NO_X در ایجاد رسوبات اسیدی، کاهش کیفیت هوا، اختلال در دید، و پدیدۀ اوتروفیکاسیون^[5] نقش دارد (EEA, 2012).

4) مونواکسید کربن. این ماده ممکن است در اثر احتراق ناقص در مشعل ایجاد شود. به دلیل مرگ‌آور بودن تنفس مونواکسید کربن، آن را می‌توان خطرناک‌ترین ترکیب کربنی حاصل از احتراق به شمار آورد.

5) ذرات معلق.[6] این مواد با ایجاد آلودگی هوا به شکلی مشهود، ملموس‌ترین آلایندۀ محیط‌زیستی ناشی از احتراق به شمار می‌روند. ذرات معلق یا مستقیماً از احتراق ناقص در مشعل و به صورت هیدروکربن نسوخته (دوده) به وجود می‌آیند که به آن نوع اولیه می‌گویند، یا به صورت غیرمستقیم از واکنش اکسیدهای سولفور و نیتروژن با ترکیبات هوا مثل اوزون تولید می‌شوند که نوع ثانویه نامیده می‌شوند (Mangia et al, 2015: 7670).

6) مواد آلی فرار. ازجمله بیش از ‌250‌ مادۀ سمی و سرطان‌زا مانند بنزوپیرن، بنزن و تولوئن.

7) فلزات سنگین. مانند جیوه، آرسنیک و کروم.

جدا از احتراق متعارف گازهای همراه، در بسیاری از موارد این گازها بدون آنکه سوزانده شوند به اتمسفر تخلیه[7]‌ می‌شوند. در ترکیب هیدروکربن‌های سبکی که به اتمسفر تخلیه می‌شوند درصد متان غالب است و خود متان یکی از گازهای گلخانه‌ای محسوب می‌شود. میزان متان رهاشده در اتمسفر توسط ایران حدود ‌400‌ هزار تن در سال تخمین زده می‌شود (کاوه، ۱۳۸۵: ۹۲). با فرض اینکه ‌[8]GWP‌ برای گاز متان برابر با ‌۲۱‌ باشد، رقمی برابر با ‌۸٫۵ میلیون تن معادل [9]CO₂ حاصل خواهد شد.

2. 2. تأثیر بر روی سلامت انسان‌ها

در مطالعات پزشکی متعددی تأثیر سوء گاز مشعل را در کشورهای درگیر این مشکل بررسی شده است. توجه به این پژوهش‌ها از آن جهت حائز اهمیت است که سلامتِ بخش بزرگی از جمعیت مناطق جنوبی کشور ما، به دلیل همجواری با مناطق عملیاتی نفت و گاز، مستقیماً در معرض آثار سوء آلاینده‌های ناشی از احتراق گاز مشعل قرار دارد. مثلاً، بررسی‌ها نشان می‌دهد قرار داشتن طولانی‌مدت در معرض هوای آلوده به گازهای حاصل از احتراق گاز مشعل می‌تواند عملکرد سیستم تنفسی افراد مشغول به کار در مناطق بالادستی دارای گاز مشعل را تحت تأثیر قرار دهد و استنشاق ذرات معلق و اکسیدهای گوگرد موجب بیماری‌های مضمن تنفسی مانند آسم و برونشیت در این افراد شود (Egwurugwu et al, 2013; Gobo, 2009). در کشور ما از سال ۹۳ به بعد هر ساله با نخستین بارندگی‌های فصل پاییز، بسیاری از شهروندان خوزستانی دچار مشکلات شدید تنفسی می‌شوند. به طوری که در آبان سال ۹۴ بیش از 10 هزار نفر از مردم به دلیل مشکلات تنفسی به بیمارستان‌ها و مراکز درمانی مراجعه کردند (منصور آل‌کثیر، 1394).  برخی منابع از این بارندگی به‌عنوان باران اسیدی نام می‌برند و آن را به آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل نسبت می‌دهند، درحالی‌که برخی مسئولان این مسئله را تکذیب کرده و عوامل دیگری چون آتش‌زدن مزارع نیشکر، انباشت زباله، سکون هوا را از دلایل بروز این مشکلات معرفی می‌کنند. به هر حال هنوز هیچ یک از مراجع علمی ذی‌صلاح علت قطعی این پدیده را مشخص نکرده‌اند (انفرادی، 1393).

آثار سوء آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل بر سلامت انسان تنها به دستگاه تنفسی محدود نمی‌شود. در یک پژوهش شاخص‌های آزمایشگاهی عملکرد کلیه مانند سطح اوره، کریتینین، پتاسیم، فسفات‌های غیرآلی و اسید اوریک برای یک جامعۀ آماری ۸۰۰ نفره مطالعه شده است. در این پژوهش اثبات شد افرادی که در معرض استنشاق هوای آلودة مناطق دارای گاز مشعل بوده‌اند برای ابتلا به بیماری‌های کلیوی بسیار مستعدتر هستند. زمانی که همین جامعة آماری در یک آزمایش خون شرکت داده شدند، نتایج به وضوح نشان داد که این افراد از لحاظ تعداد گلبول‌های قرمز، تعداد پلاکت، غلظت هموگلوبین و چند شاخص دیگر نسبت به افراد عادی وضعیت بدتری دارند (Argo, 2001; Egwurugwu, 2013).

2. 3. فرسایش خاک و آلودگی آب

نمونه‌برداری از خاک مناطقی که در مجاورت مشعل‌های گازی قرار دارند نشان داد که بسیاری از پارامترهای حیاتی خاک برای رشد گیاه ازجمله ظرفیت تبادل یون،[10] مقدار نیتروژن موجود در خاک، میانگین مقدار مواد آلی و... بسیار پایین‌تر از حد معمول هستند. آزمایش‌های خاک‌شناسی نشان داد اسیدیتۀ خاک در نواحی نزدیک مشعل‌های گازی بالاست (8/5 ~ 3/4 = pH). این مسئله باعث می‌شود که امکان جذب ریزمغذی‌ها توسط ریشة گیاهان به حداقل برسد و نتوانند رشد مطلوبی داشته باشند (Atuma1 and Ojeh, 2013; Sanchez, 1976).

کیفیت آب مناطق مجاور مشعل‌های گاز نیز یکی از موضوعاتی است که تحقیقات بسیاری درمورد آن شده است. در یکی از پژوهش‌های مهم، پارامترهای متعددی همچون دما، رنگ، طعم، شفافیت، هدایت الکتریکی،‌ pH، ‌BOD، ‌COD، ‌TDS، و میزان یون‌هایی چون سولفات، نیترات، فسفات، کلراید، فلوئوراید، کلسیم، سدیم، آهن، مس، روی و... در نمونه‌گیری‌ها سنجش شد. مقایسۀ نتایج با استانداردهای سازمان جهانی بهداشت نشان می‌دهد اکثر پارامترهای آب در بازه‌های تعیین‌شده قرار دارند، اما شماری از مهم‌ترین آن‌ها شامل طعم، رنگ، دما و اسیدیته از معیارهای استاندارد فاصلۀ زیادی دارند. همچنین شماری از نمک‌های محلول و نیز هدایت الکتریکی آب هم در بازه‌ای غیرمجاز قرار دارند و این به وضوح نشانگر تأثیر آلاینده‌های گاز مشعل است (Dami et al, 2012; Amukali, 2012).

2. 4. تأثیر روی گونه‌های گیاهی و جانوری

تغییرات به‌وجودآمده در کیفیت خاک مناطق آلوده که در قسمت قبل بیان شد تأثیر مستقیمی روی پراکندگی گونه‌های گیاهی و جانوری دارد. برای مثال، نشان داده شده است که تأثیرات سوء گاز مشعل بر روی فرسایش خاک حداقل تا شعاع ‌500‌ متری مشعل‌های گازی کاملاً محسوس بوده و روی کیفیت پوشش گیاهی اثر مستقیم دارد. به تبع آسیب به گونه‌های گیاهی، زیست‌بوم جانوری منطقه هم در معرض تهدیدات جدی قرار می‌گیرد. حرارت بسیار بالای مشعل که از طریق جریان همرفت و نیز تشعشع دمای ارتفاعات بالاتر جو محیط را تحت تأثیر قرار می‌دهد، می‌تواند تا شعاع زیادی را تحت تأثیر قرار داده و مانعی بزرگ برای پرواز پرندگان و حرکت آن‌ها در مسیرهای عادی مهاجرتشان باشد (Ogidiolu, 2003: 51).

3. برآورد میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از گاز مشعل در ایران

در این قسمت، پژوهش انجام‌گرفته برای محاسبة ضرایب انتشار گازهای آلایندة ناشی از گاز مشعل تشریح می‌شود. طی این پژوهش با برنامۀ GGFR ارتباط برقرار شد و با تکیه بر اطلاعات ماهواره‌ای این مؤسسه، تمامی داده‌های مربوط به حجم گازهای همراه سوزانده‌شدۀ ایران جمع‌آوری شد. برنامۀ GGFR به کمک مرکز ملّی اطلاعات محیط‌زیست آمریکا^[11] از سال ۲۰۰۹ در حال ثبت و جمع‌آوری اطلاعات گازهای مشعل سراسر جهان است.^[12] نحوة ثبت داده‌ها توسط ماهواره به صورت روزانه و در هر روز چندین مرتبه است. برای این کار، ماهواره با حسگرهای دقیقِ خود نورهای ساطع‌شده از سطح زمین را، که در محدودة شعلة ناشی از احتراق گاز مشعل هستند، دریافت و سپس با طیف‌سنجی نور مادون قرمز، تخمینی از دمای شعله ارائه می‌کند. حسگرهای مذکور همچنین قادرند ابعاد شعله را نیز تخمین بزنند. این داده‌ها به‌عنوان ورودی‌های یک الگوریتم پیچیده وارد نرم‌افزار شده، و در نهایت تقریبی از حجم گاز متان معادل سوزانده‌شده در گاز مشعل به دست می‌آید (Elvidge, 2009).

پس از دریافت داده‌های خام ماهواره‌ای از وضعیت گازهای مشعل ایران، موقعیت مکانی و شرکت‌های نفتی مسئول هر مشعل مشخص گردیده و پایگاه دادة حاصل‌شده با اطلاعات درصد ترکیبات گاز مشعل تکمیل شده است. درمورد ترکیب درصد گاز مشعل، اطلاعات منتشرشده توسط وزارت نفت در مزایدة گازهای همراه، در کنار اطلاعات حاصل از آنالیز میدانی طی چند پروژۀ تحقیقاتی مورد استفاده قرار گرفته است. در ادامة کار، اطلاعات مذکور مبنای محاسبات، تحلیل و الگوسازی قرار می‌گیرد و براساس اطلاعات تفکیکی گاز سوزانده‌شده در مناطق مختلف، میزان انتشار گازهای آلایندۀ هر کدام مشخص خواهد شد.

۳. 1. انتخاب روش برآورد انتشار گازهای احتراق

تخمین کامل و دقیق میزان انتشار گازهای مشعل بسیار دشوار و تقریباً غیرممکن است، زیرا شرایط آن‌ها اجازۀ استفاده از روش‌های متداول را برای اندازه‌گیری مستقیم غلظت آلاینده‌ها نمی‌دهد، و به همین علت تلاش‌های محدودی در این زمینه انجام شده است (عسکریه، ۱۳۹۱).

به‌طور کلی، میزان انتشار ناشی از احتراق گاز مشعل به چهار روش اندازه‌گیری، استفاده از ضرایب انتشار، محاسبات و شبیه‌سازی قابل محاسبه است. در روش اندازه‌گیری، تلاش می‌شود غلظت آلاینده‌ها در خروجی گاز مشعل توسط تجهیزات دقیق اندازه‌گیری شود. عملیات مربوط به نمونه‌گیری و اندازه‌گیری مستلزم وجود تجهیزات ویژه و فراهم بودن شرایط عملیاتی مناسب است. شرایط نامناسب محیطی، بلندی ارتفاع مشعل، طول زیاد شعله، دمای بسیار بالا، و در مواردی جهت متغیر و شدت باد، استفاده از این روش را مشکل می‌کند. روش ضریب انتشار روشی ساده و ارزان برای تخمین میزان انتشار آلاینده‌ها و گازهای گلخانه‌ای واحدهای صنعتی، بدون نیاز به اندازه‌گیری است. بنابراین با توجه به نوع گاز مشعل، ترکیب درصد گاز و ارزش حرارتی، شرایط عملکرد مشعل و شرایط محیطی عدم قطعیت‌های بسیاری وجود خواهد داشت. در روش محاسبه، میزان انتشار، خصوصاً درمورد گازهای دی‌اکسید کربن و اکسیدهای گوگرد، براساس تحلیل نوع سوخت و موازنۀ جرمی آن تخمین زده می‌شود. در صورتی که داده‌های ورودی برای محاسبه دقت خوبی داشته باشند، این روش نسبت به روش ضرایب انتشار تخمین دقیق‌تری خواهد داشت. با پیشرفت نرم‌افزارهای کامپیوتری، شبیه‌سازی یا استفاده از CFD^[13] برای برآورد میزان انتشار آلاینده‌های گاز مشعل استفاده می‌شود. برای شبیه‌سازی انتشار آلاینده‌ها، لازم است هندسة کاملی از مشعل شامل شکل و نوع آن، ارتفاع، قطر خروجی و مشخصات نوک مشعل، همچنین ترکیبات گاز ورودی و دبی و شرایط محیطی به‌طور کامل مشخص باشد (U.S. EPA, 2015).

یکی دیگر از روش‌های نوینی که برای برآورد میزان انتشار آلاینده‌های گاز مشعل استفاده شده است، روش محاسبة معکوس^[14] است. این روش بر پایۀ اندازه‌گیری غلظت آلاینده‌ها در امتداد مسیر جریان باد غالب، و در منطقه‌ای دورتر از احتراق، و سپس تخمین غلظت آن‌ها در منشأ برای توزیع این غلظت است (Ismail et al, 2014). در این روش الگویی که برای تخمین توزیع غلظت در فضا استفاده می‌شود بسیار تعیین‌کننده خواهد بود. برای نمونه، کاه‌فروشان و همکاران در پژوهشی با استفاده از روش محاسبۀ معکوس به محاسبۀ میزان انتشار آلاینده‌های گاز مشعل‌های ترش در مناطق نفت‌خیز ایران پرداختند، و ضمن اذعان به عدم قطعیت بالای این روش، نشان دادند که به‌طور کلی شرایط عملکرد مشعل تأثیر زیادی بر میزان انتشار آلاینده‌های آن دارد. مثلاً، در این پژوهش نشان داده شد که دمای محیط تأثیری در میزان انتشار ندارد اما وزش باد نقش مهمی در این امر دارد، هرچند چگونگی این تأثیر همچنان نامشخص است (Kahforoushan et al, 2011: 23).

با توجه به مطالب بیان‌شده، بدیهی به نظر می‌رسد که مناسب‌ترین روش برآورد میزان انتشار آلاینده‌های گازهای مشعل ایران، روش محاسبه خواهد بود. میزان انتشار کربن دی‌اکسید، کربن مونواکسید، سولفور دی‌اکسید و ترکیبات آلی فرار وابستگی تام به ترکیب گاز دارد و از طریق محاسبۀ جرمی به دست می‌آید. میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن و دوده بیشتر به شرایط احتراق وابسته است و چندان به ترکیب گاز بستگی ندارد. بنابراین، استفاده از ضرایب انتشار برای این ترکیبات کافی است و نیازی به ترکیب درصد گاز سوزانده‌شده نیست. در پژوهشی که در ۲۰۱۵ م اوموکورو و اسماعیل انجام دادند، برای برآورد میزان انتشار آلاینده‌های غیرهیدروکروبنی از منشأ گازهای مشعل یک الگو توسعه داده شد (Umukoro & Ismail, 2015). این الگو براساس موازنۀ جرم واکنش احتراق برای ترکیبات ۱۲ نمونه از گازهای مشعل مناطق مختلف ایجاد شد و به وسیلۀ آن میزان تقریبی انتشار گازهای CO₂، CO، NO، NO₂ و SO₂ در خلال سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۱ در کل جهان تخمین زده شد. با این حال تا کنون پژوهشی که انتشار گازهای آلایندۀ ناشی از سوزاندن گاز مشعل را به‌طور خاص در ایران برآورد کند مشاهده نشده است.

3. 2. محاسبات برآورد میزان انتشار

در مطالعة حاضر ازآنجاکه داده‌های دبی حجمی گاز مشعل، ترکیب درصد گاز، و دمای شعلة مشعل بر مبنای اطلاعات ماهواره‌ای مورد استفاده قرار گرفته است، در انتخاب روش مناسب تخمین انتشارات فرض بر این است که داده‌های ورودی کاملاً قابل‌اتکا هستند و از این جهت عدم قطعیتی وجود ندارد. در این مطالعه، با استفاده از اصل موازنة جرم و درنظر گرفتن راندمان‌های مختلف احتراق، بر پایة روابطی که در پروتکل 2015 EPA ارائه شده است (U.S. EPA, 2015)، و در نظر گرفتن معادلة احتراق هیدروکربن‌ها، میزان انتشار CO₂ و CO و SO₂ محاسبه شد، و با توجه به اینکه میزان نشر NO و NO₂ به مشخصات گاز طبیعی بستگی ندارد، از ضریب انتشار پیشنهاد‌شده توسط EPA استفاده شد. ضرایب انتشار مذکور در حجم گاز سوزانده‌شده برای هر یک از مشعل‌های موجود در پایگاه داده ضرب شده و میزان انواع آلایندۀ منتشر‌شده برای هر یک از مشعل‌ها به دست آمد. معادلۀ ۱ ازجمله معادلات اصلی به‌کاررفته در این محاسبات است:

E_i: میزان انتشار آلایندۀ i برحسب تن (امریکایی) در دورۀ زمانی اندازه‌گیری

N: دفعات اندازه‌گیری

n: اندیس دورۀ اندازه‌گیری

Q_n: حجم گاز سوزانده‌شده در دورۀ زمانی اندازه‌گیری n ام (برحسب acf ^[15])

(f_H2O)_n: محتوای رطوبت گاز خروجی در دورۀ n ام (براساس حجمی)

T₀: دمای شرایط استاندارد (°R 528 یا R° 520)

T_n:  دما در شرایط اندازه‌گیری جریان در دورۀ n ام (برحسب °R)

P₀: فشار استاندارد متوسط (atm 1)

P_n: متوسط فشار اندازه‌گیری جریان در دورۀ n ام (برحسب atm)

K_eff : ضریبی برای محاسبۀ راندمان مشعل. برای آلاینده‌هایی ناشی از احتراق مانند SO₂، K_effبرابر با راندمان احتراق مشعل (C_eff) خواهد بود، و برای آلاینده‌های نسوخته یا حاصل از احتراق ناقص (مانند VOCs) برابر حاصل تفاضل راندمان تخریب از راندمان 100 درصد (1 – D_eff) خواهد بود.

C_i,n : غلظت آلایندۀ i یا عامل تولید آن در سمت واکنش‌دهنده‌ها، در دورۀ n (درصد حجمی خشک)

PMN_i ^[16] : نسبت استوکیومتریک عامل تولیدکنندۀ آلاینده i

MW_i : وزن مولکولی آلاینده i (kg/kmol)

MVC: ضریب تبدیل حجم مولی = 836٫6 (scf/kmol) در شرایط استاندارد

K : ضریب تبدیل = 0٫0011023 (US tones/kg)

۳. 3. نتایج محاسبات و تحلیل آن

جمع‌بندی نتایج محاسبات درمورد کلیۀ گازهای مشعل ایران، نشان می‌دهد سالانه حدود 47 میلیون تن کربن دی‌اکسید و 211 هزار تن متان در کشور از طریق گاز مشعل منتشر می‌شود که مجموعاً از لحاظ قابلیت گرمایش زمین معادل حدود 53 میلیون تن کربن دی‌اکسید است. با در نظر داشتن کل میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای کشور که حدود ۷۰۰ میلیون تن در سال برآورد می‌شود^[17]، انتشار آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل بالغ بر حدود ۷٫۶ درصد از کل میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای کشور خواهد بود.

علاوه بر این، حدود 198 هزار تن کربن مونواکسید، 878 هزار تن سولفور دی‌اکسید، 41 هزار تن دوده، 23 هزار تن اکسیدهای نیتروژن، و 88 هزار تن هیدروکربن‌های فرار غیر متان، از طریق گاز مشعل منتشر می‌شود.

جدول 2. مجموع انتشار آلاینده‌ها با فرض راندمان احتراق 5,96 درصد، راندمان تخریب 98درصد و دودزایی متوسط^[18]

پس از انجام محاسبات بر روی داده‌های ماهواره‌ای کل مشعل‌های گاز کشور، حجم گاز سوزانده‌شده در هر یک از شرکت‌های نفتی زیرمجموعۀ شرکت ملی نفت ایران، و میزان انتشار گازهای آلایندة ناشی از گازهای مشعل هر کدام از این شرکت‌ها در جدول ۳ آورده شده است. همچنین در شکل ۱ سهم هر کدام از شرکت‌های تابعة شرکت ملی نفت ایران از میزان انتشار آلاینده‌ها بر اثر سوزاندن گاز مشعل به تفکیک مشاهده می‌شود.

جدول ۳. حجم گاز سوزانده‌شده در شرکت‌های تابعة وزارت نفت

شکل ۱. سهم شرکت‌های تابعة وزارت نفت از حجم گازهای مشعل

همان‌طور که در شکل ۱ قابل مشاهده است، شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب و شرکت نفت فلات قاره با سوزاندن به‌ترتیب 11٫6 و ۸٫۵ میلیارد متر مکعب گاز در روز که ۳۵ و ۲۸ درصد از کل گاز مشعل کشور را شامل می‌شود، بیشترین سهم را در میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلایندۀ ایران دارند. گازهای مشعل پرحجم منطقۀ عسلویه نیز که عمدتاً مربوط به پالایشگاه‌های گازی این منطقه هستند، باعث شده‌اند که حدود 17 درصد از حجم گازهای مشعل کشور در شرکت ملی گاز ایران وجود داشته باشد.

با پیاده‌سازی داده‌های ماهواره‌ای با مقیاس بزرگی میزان انتشار آلاینده بر روی نقشۀ ایران، اطلس پراکندگی انتشار گازهای آلاینده و گلخانه‌ای ناشی از گاز مشعل در ایران مطابق شکل ۲ حاصل می‌شود. در این شکل قطر و رنگ دوایر نشان‌دهندۀ بزرگی حجم گاز سوزانده‌شده در مناطق علامت‌گذاری شده است و با تغییر طیف رنگ از سبز به قرمز شدت گاز مشعل افزایش می‌یابد.

شکل ۲. پراکندگی و بزرگی میزان انتشار گازهای آلایندۀ ناشی از گاز مشعل در پهنۀ ایران

این شکل به‌خوبی نشان‌دهندۀ تراکم مشعل‌های گازی در استان‌های جنوبی، به‌خصوص خوزستان و بوشهر است و مشخص می‌کند که صدها منبع آلاینده به محیط‌زیست این دو استان تحمیل می‌شود. دسته‌بندی گازهای مشعل کشور به تفکیک استانی و محاسبة میزان تولید آلاینده برای هر کدام، اطلاعات جدول ۴ را پدید می‌آورد[19].

جدول ۴. حجم گاز مشعل در هریک از استان‌های کشور و میزان تولید آلاینده‌های ناشی از آن

اطلس مربوط به میزان انتشار گازهای آلایندۀ ناشی از گاز مشعل در استان‌ها نیز مطابق شکل ۳  و سهم هر یک از استان‌ها در کل میزان انتشار مطابق شکل ۴ است.

شکل ۳. پراکندگی میزان انتشار گازهای آلایندۀ ناشی از گاز مشعل در استان‌ها

شکل ۴. سهم استان‌های مختلف کشور از میزان آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل

همان‌طور که اشاره شد و در شکل ۴ نیز مشخص است، استان‌های خوزستان، بوشهر و هرمزگان بیشترین سهم انتشار گازهای آلایندۀ ناشی از گاز مشعل را در ایران دارند (مجموعاً حدود 80 درصد) که به تبع آن انتظار می‌رود چالش‌های محیط‌زیستی در این استان‌ها جدی‌تر باشد. لازم به توضیح است که بالا بودن میزان گاز مشعل در استان هرمزگان به دلیل انتساب اکثر جزایر ایرانی خلیج فارس و سکوهای مناطق دریایی به این استان است.

۴. فرصت‌های معاهدۀ محیط‌زیستی پاریس (COP21)

براساس کنوانسیون چارچوب ملل متحد درمورد تغییر اقلیم (UNFCCC)^[20]و بیست‌و‌یک دوره از مذاکرات کنفرانس اعضا (COP)،^[21] کشورهای درحال‌توسعه می‌بایست برای مقابله با تغییر اقلیم مورد حمایت قرار گیرند. از مهم‌ترین دستاوردهای کنفرانس بیست و یکم که در شهر پاریس برگزار شد، تأکید بر ایجاد سازوکارهای عملی برای کشورهای درحال‌توسعه بود تا بتوانند در راستای اقدامات کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای خود در چارچوب سند مشارکت معین ملی (NDC)،^[22] از فرصت‌های حمایتی برخوردار شوند (UNFCCC, 2015).

جمهوری اسلامی ایران بر مبنای سند مشارکت معین ملی (NDC) خود متعهد شده است تا سال 2030 نسبت به سناریوی ادامۀ روندهای موجود (BaU)^[23] انتشار گازهای گلخانه‌ای خود را 4 درصد غیرمشروط و 8 درصد مشروط کاهش دهد. به همین منظور، ایران می‌تواند از فرصت‌های موجود ذیل کنوانسیون و کنفرانس اعضا بهره گیرد. یکی از اقداماتی که در جهت کاهش تغییر اقلیم در ایران می‌تواند مورد تمرکز قرار گیرد، کنترل یا کاهش انتشار آلاینده‌های ناشی از سوزاندن گاز مشعل است. در حال حاضر کشور ایران با تولید سالانه حدود 712 میلیون تن گاز گلخانه‌ای یکی از 10 کشور نخست منتشرکنندۀ گازهای گلخانه‌ای در جهان به شمار می‌رود. در این بین، حجم انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از سوزاندن گاز مشعل ــ همان‌طور که قبلاً اشاره شد ــ معادل حدود 53 میلیون تن کربن‌دی‌اکسید در سال است که سهمی معادل 4,7 از مجموع انتشار گازهای گلخانه‌ای را شامل می‌شود (UNFCCC decissions, 2015). با حمایت‌های مالی دولتی و بین‌المللی در جهت اجرایی شدن طرح‌های کاهش سوزاندن گاز مشعل، می‌توان حجم انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از گاز مشعل را تا حد قابل‌ملاحظه‌ای کاهش داد. تحقق این امر به برآورده شدن تعهدات جمهوری اسلامی ایران بر مبنای سند مشارکت معین ملی (NDC) کمک قابل‌توجهی خواهد کرد.

خوشبختانه در کشور ما برنامۀ زمان‌بندی مشخصی برای حرکت به سمت حذف کامل گازهای مشعل وجود دارد، که مشخصاً می‌توان به برنامۀ پنج‌سالۀ ششم توسعۀ کشور اشاره کرد. در بند الف مادة ۵۹ این برنامه آمده است: «دولت مکلف است که کلیة طرح‌های جمع‌آوری، مهار، کنترل و بهره‌برداری از گازهای همراه تولید و مشعل در کلیة میدان‌های نفتی و تأسیسات صنعت نفت را با تسهیل و تعیین نرخ عادلانة خوراک آن‌ها ظرف مدت حداکثر سه ماه از تاریخ تصویب این قانون از طریق فراخوان به بخش خصوصی و تعاونی واگذار کند، به گونه‌ای که تا پایان برنامة ششم توسعه، حداقل ۹۰ درصد از گازهای مشعل مهار و کنترل شده باشد» (قانون برنامة پنج‌سالة ششم توسعة جمهوری اسلامی ایران، ۱۳۹۶). تحقق این بند به معنای آن است که در ابتدای سال ۲۰۲۳ میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از گاز مشعل نیز به همین میزان کاهش خواهد یافت یعنی معادل کاهش دست کم 6,7 درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای کشور. به این ترتیب کاهش انتشار نامشروطی که ایران در توافق پاریس نسبت به آن متعهد شده، می‌بایست بسیار زودتر از هدف تعیین‌شده در این توافق محقق شود.

برآوردها حاکی از آن است که در کشورهای خاورمیانه، راهکارهای متداول بازیابی و جمع‌آوری گازهای مشعل به سرمایه‌گذاری بین ۶۰ تا ۸۰ دلار به ازای هر هزارمتر مکعب احتیاج دارند (Farina, 2011). با این فرض، حذف کامل گازهای مشعل در ایران مستلزم سرمایه‌گذاری با رقمی بین ۲ تا ۳ میلیارد دلار است. این در حالی است که به دلیل محدودیت‌های تأمین مالی که در سال‌های اخیر بر اثر تحریم‌ها به وجود آمده است، سرمایه‌گذاری در میدان‌های نفت و گاز مشترک با کشورهای همسایه نسبت به طرح‌هایی چون بازیابی و جمع‌آوری گازهای مشعل در اولویت بالاتری قرار داشته است. در این میان استفاده از تسهیلات مالی پیش‌بینی‌شده ذیل توافق پاریس می‌تواند فرصت خوبی برای رفع موانع سرمایه‌گذاری در پروژه‌های حذف گاز مشعل باشد. ازجملۀ این فرصت‌ها می‌توان به صندوق تسهیلات جهانی محیط‌زیست (GEF)^[24] اشاره کرد.

صندوق GEF تحت مدیریت سازمان ملل متحد و با هدف اعطای کمک‌های مالی بلاعوض^[25]به کشورهای درحال‌توسعه برای حفاظت از محیط‌زیست جهانی، و ترویج رفاه و امرار معاش پایدار در جوامع محلی تأسیس شده است. این صندوق با کمک‌های مالی از پروژه‌های ملی کشورهای درحال‌توسعه که دارای منافع مشترک با اهداف حفاظت از محیط‌زیست جهانی هستند، حمایت می‌کند. جمهوری اسلامی ایران در سال‌های اخیر در زمینۀ تغییر اقلیم برخی حمایت‌های مالی را از صندوق GEF دریافت کرده است. این حمایت‌ها به‌طور عمده بر روی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای متمرکز است و بیشترین حمایت مالی انجام‌گرفته از طرح‌های پیشنهادی جمهوری اسلامی ایران، حدود 5٫5 میلیون دلار در طرح بهبود بهره‌وری انرژی در صنایع است. یکی از موضوعات موردتمرکز کشورهای درحال‌توسعه در زمینۀ تغییر اقلیم، کنترل یا کاهش انتشار آلاینده‌های ناشی از سوزاندن گازهای مشعل است. پروژۀ کاهش سوزاندن گاز فلر در نیجریه در ابتدای سال 2013 به تصویب بانک جهانی رسید و مورد حمایت صندوق GEF قرار گرفت. در صورت آماده‌سازی مستندات لازم، نظیر این پروژه در ایران نیز قابل‌تعریف است و دریافت تسهیلات مالی از این صندوق دور از ذهن نخواهد بود (UNFCCC Financial mechanism, 2015).

۵. جمع‌بندی و نتیجه

در این پژوهش پس از بیان ابعاد مختلف مسئلۀ گاز مشعل در ایران، صدماتی که محصولات احتراق این گازها ایجاد می‌کنند مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده، ایجاد عوارض جسمی و بیماری‌های مختلف در انسان، آلوده کردن آب‌های سطحی، و فرسایش و آلوده کردن خاک‌های حاصلخیز مورد بررسی قرار گرفت. این آسیب‌ها که نشان‌دهندۀ اهمیت اجرای طرح‌های جمع‌آوری و بازیابی گاز مشعل است، نیازمند برنامه‌ریزی مناسب است.

به منظور فراهم آوردن اطلاعات کافی برای مدیران تصمیم‌گیرنده، در این پژوهش برای نخستین بار با تکیه بر داده‌های موثق ماهواره‌ای و با استفاده از یک روش‌شناسی معتبر، از میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای و آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل تخمینی ارائه شد. در گام بعد این اطلاعات پردازش‌شده و میزان انتشار آلاینده‌ها به تفکیک شرکت‌های نفتی مسئول و استان‌های مربوطه بیان شد. بررسی‌ها نشان می‌دهد که بیشترین میزان آلایندۀ تولیدی از گاز مشعل در کشور مربوط به گاز CO₂ است. شرکت ملی مناطق نفت‌خیز جنوب، با توجه به پراکندگی میدان‌های نفتی تحت اداره در استان خوزستان، بیشترین میزان تولید گاز مشعل و درنتیجه آثار مخرب را بر محیط‌زیست در این استان بر جای گذاشته است. پس از آن شرکت نفت فلات قاره به علت مشعل‌های پرحجم مناطق دریایی و شرکت ملی گاز به دلیل شرایط نامناسب گازهای مشعل منطقۀ عسلویه، دومین و سومین شرکت‌های تولیدکنندۀ گازهای آلاینده و گلخانه‌ای کشور محسوب می‌شوند. با توجه به تنوع فراوان گازهای سمی ناشی از احتراق و آثار سوء آن‌ها بر سلامت انسان و همچنین بر زیست‌بوم مناطق، چنانکه در متن به آن اشاره شد، حرکت در جهت حذف گاز مشعل می‌بایست ازجمله اولویت‌های اصلی کشور برای احیای محیط‌زیست استان‌های خوزستان، بوشهر و هرمزگان باشد.

جدا از اهمیت کاهش آلاینده‌های ناشی از گاز مشعل در مقیاس محلی، تعهدات ملی کشور برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز نکته‌ای است که نمی‌توان از آن غافل بود. لذا در این مقاله، تعهدات ایران در کنفرانس پاریس برشمرده و اشاره شد که با توجه به تعهد جمهوری اسلامی ایران به کاهش انتشار غیرمشروط 4 درصد و مشروط 8 درصد تا سال 2030، ایران می‌تواند از فرصت‌های مالی و همکاری بین‌المللی پیش‌بینی‌شده ذیل کنوانسیون و کنفرانس اعضا بهره بگیرد. به نظر می‌رسد در صورتی که همکاری مؤثری بین نهادهای ذی‌ربط، علی‌الخصوص وزارت نفت و سازمان حفاظت محیط‌زیست شکل بگیرد، توافق پاریس می‌تواند به‌منزلۀ یک فرصت تاریخی برای حذف کامل گاز مشعل از صنایع بالادستی و پایین‌دستی نفت ایران باشد. خوشبختانه راهکارهای فنی دستیابی به این هدف در مجموعۀ شرکت‌های تابعۀ وزارت نفت تا حد خوبی شناخته شده است. هرچند وزارت نفت به دلیل وجود مشکلات در جذب سرمایه‌گذاری که ناشی از تحریم‌های دهۀ گذشته است و در اولویت قرار دادن عملیات در میادین مشترک، در اجرای طرح‌های جمع‌آوری و بازیابی گاز مشعل راه دشواری در پیش دارد، اما تکیه بر توانمندی‌های بخش خصوصی در این عرصه می‌تواند بسیار راهگشا باشد.[26] از طرفی سازمان محیط‌زیست هم می‌تواند با درنظر داشتن آسیب‌های فراگیر آلایندگی گاز مشعل که در این مقاله به بخشی از آن اشاره شد، این موضوع را جزء اولویت‌های نظارت و اقدام خود قرار دهد. ظرفیت‌های همکاری بین‌المللی نیز که به‌واسطۀ توافق پاریس فراهم می‌شود، می‌تواند به انتقال تجربیات موفق و تأمین مالی پروژه‌ها کمک شایانی کند.

قدردانی و تشکر

نگارندگان این مقاله مراتب سپاس خود را از مدیریت محترم پژوهشکدۀ علوم و فناوری انرژی شریف ابراز می‌دارند که با حمایت و راهنمایی خود در به نتیجه رسیدن این پژوهش مؤثر بودند. گروه‌های مدیریت و بهینه‌سازی انرژی و انرژی و محیط‌زیست پژوهشکدۀ انرژی شریف نیز در نگارش این مقاله همکاری داشتند و اطلاعات مفیدی فراهم آوردند؛ بدین وسیله از کمک‌های این دو گروه قدردانی و تشکر می‌شود.