BOG氣體回收技術(shù)及經(jīng)濟效益分析

張 鵬，王 娜

陜西燃?xì)饧瘓F交通能源發(fā)展有限公司（陜西西安710016）

BOG氣體回收技術(shù)及經(jīng)濟效益分析

張 鵬，王 娜

陜西燃?xì)饧瘓F交通能源發(fā)展有限公司（陜西西安710016）

液化天然氣(LNG)是一種清潔高效的能源，與汽油、柴油及壓縮天然氣(CNG)相比，具有安全性高、經(jīng)濟性強、環(huán)境負(fù)效應(yīng)小、儲能密度高等明顯優(yōu)勢。隨著LNG加氣站的陸續(xù)發(fā)展，LNG蒸發(fā)氣體（BOG）產(chǎn)生量過大，會引起儲罐等設(shè)備壓力升高，將BOG排放到空氣中不僅是一種無謂的浪費，而且可燃?xì)怏w排放到空氣中，具有潛在的危險。此外，BOG中主要成分為甲烷，而甲烷是一種溫室效應(yīng)很強的氣體，其溫室效應(yīng)系數(shù)(GWP)為二氧化碳的21倍。因此，有必要分析BOG產(chǎn)生原因、計算BOG氣量，并采取合理的抑制和處理措施進行BOG回收，這不僅符合節(jié)能減排的方針政策，也是提高LNG裝置的經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性的重要措施。

LNG加氣站；蒸發(fā)氣體；回收利用

1 BOG氣體概述

蒸發(fā)天然氣（Boil Off Gas，以下簡稱BOG）是液化天然氣（Liquefied Natural Gas，以下簡稱LNG）在儲罐內(nèi)、工藝系統(tǒng)在生產(chǎn)運行中因吸收外部熱量而氣化的氣體。LNG加氣站中，通常將LNG儲存在低溫絕熱儲罐中，運行時經(jīng)低溫絕熱的管道轉(zhuǎn)移至潛液泵、加氣機等設(shè)備中。雖然LNG儲罐和運輸設(shè)備都采用低溫絕熱結(jié)構(gòu)，但設(shè)備、管道與外界環(huán)境仍不可避免地存在熱量交換，加上LNG本身具有低溫性、易蒸發(fā)等特點，在儲存運輸設(shè)備中難免會產(chǎn)生蒸發(fā)氣體。此外在加氣站的運行工藝流程中，儲存運輸設(shè)備散熱、卸車和加氣過程中的空間置換、LNG潛液泵運行時產(chǎn)生熱量、環(huán)境大氣壓變化以及卸車時壓力閃蒸等因素都會產(chǎn)生BOG氣體[1]。一般在LNG加氣站中，BOG產(chǎn)生的原因可以歸結(jié)為以下幾點：①儲存運輸設(shè)備漏熱；②卸車和加氣過程中的空間置換；③LNG潛液泵運行時產(chǎn)生熱量；④其他一些原因，包括環(huán)境大氣壓變化以及卸車時壓力閃蒸等。

2 LNG加氣站工藝描述

LNG由LNG槽車運至加氣站，在卸車處平衡儲罐與槽車的壓力后，再通過LNG潛液泵或增壓器將槽車內(nèi)的LNG輸送到低溫儲罐儲存。加氣前使用增壓器將LNG儲罐中的飽和液體調(diào)至一定的壓力(根據(jù)車輛需求確定)，當(dāng)有車輛來加氣時，通過潛液泵經(jīng)加氣機計量后進入到車載氣瓶中（圖1）。

3 BOG氣體定量研究

BOG氣體計算過程的工況繁多，為避免在系統(tǒng)

設(shè)計中顧此失彼，將LNG蒸發(fā)氣（BOG）產(chǎn)生部位劃分為儲罐蒸發(fā)、管道吸熱蒸發(fā)、卸車置換和泵做功等不同單元，分別對各流程單元進行蒸發(fā)氣量計算，在計算過程中可以根據(jù)不同的設(shè)計工況將流程單元進行相應(yīng)組合與調(diào)整。LNG加氣站BOG氣體計算基本參數(shù)如表1所示。

3.1 罐內(nèi)自然蒸發(fā)

由于受太陽輻射和大氣吸熱，儲罐內(nèi)的LNG會自然蒸發(fā)。LNG加氣站所采用的儲罐蒸發(fā)率最大一般為0.3%，儲罐充裝率取90%，則站內(nèi)儲罐每小時自然蒸發(fā)量為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式求得M1=2.96kg/h。

3.2 站內(nèi)管道吸熱

LNG加氣站從儲罐至潛液泵、再到加氣機的管道中均充滿低溫LNG，因此在系統(tǒng)運行當(dāng)中會從環(huán)境中吸熱而導(dǎo)致部分LNG蒸發(fā)成為蒸發(fā)天然氣（BOG），液相管道蒸發(fā)氣量為：

加氣站內(nèi)液相管道每小時蒸發(fā)氣量為M2=M泵前+ M泵后，泵前管道長L約10m，D=57mm，保冷厚度δ為100mm；泵后管道長L約20m，D=45mm，保冷厚度δ為100mm，求得M2=3.98kg/h。

3.3 卸車置換（儲罐LNG外輸）

LNG槽車到達(dá)站內(nèi)卸車時，一般采用的是上進液噴淋的卸車方式，實際操作中進入儲罐的部分蒸發(fā)氣會被低溫LNG冷凝，因此進入槽車的僅為氣相平衡時的部分氣體，而這部分氣體在卸車完畢后會被槽車直接帶走，變相地成為了加氣站的氣源損耗。而這部分氣體主要來自于儲罐內(nèi)的LNG外輸時（即正常的供給過往車輛加注燃料）儲罐內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量。泵工況時的小時流量約為17m3，采用等量置換的原則計算其小時最大蒸發(fā)氣量為：

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，求得M3=171.14kg/h。

3.4 泵做功

LNG加氣站正常加氣時，潛液泵將從儲罐中輸出的LNG通過管道輸送至LNG加氣機，通過加氣機將LNG加注給過往的受氣車輛。此時，LNG獲取的熱量主要來自于潛液泵工作產(chǎn)生的熱量和泵桶吸熱產(chǎn)生的BOG，則潛液泵每小時做功產(chǎn)生并返回儲罐的蒸發(fā)氣量為：

其中F泵為潛液泵正常工作時的功率取11kW，Q循環(huán)、Q正分別為保冷循環(huán)流量和正常輸送時的流量，分別取LNG潛液泵最大流量的25%和85%，則泵正常工作做功時每小時產(chǎn)生的最大蒸發(fā)氣量M4= 22.70kg/h[2]。

3.5 計算結(jié)果

計算LNG加氣站產(chǎn)生的BOG量分為以下幾種情況。①日供氣規(guī)模達(dá)到最大時的小時最大BOG產(chǎn)生量：罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱+泵做功=29.64kg/h；罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱+卸車置換+泵做功= 200.78kg/h。②日供氣規(guī)模為最小時（以日供氣能力為0m3/d計入）的小時最大BOG產(chǎn)生量：罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱=6.94kg/h；罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱+卸車置換=178.08kg/h。

綜上所述，在正常工況的操作期間，BOG的小時最小產(chǎn)生量為6.94kg/h，BOG的小時最大產(chǎn)生量為200.78kg/h。

當(dāng)LNG加氣站日供氣能力達(dá)到2.0×104m3/d（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）時，潛液泵的工作時間約為2h；卸車時由于采用的是潛液泵和卸車增壓器聯(lián)合卸車的方式，槽車卸完一車LNG原料氣時，潛液泵工作時間約1.5h。①日供氣規(guī)模為最小時（以日供氣能力為0m3/d計入）的日最大BOG產(chǎn)生量為：（罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱）×24=166.57kg/h。②日供氣規(guī)模達(dá)到最大時的日最大BOG產(chǎn)生量為：（罐內(nèi)自然蒸發(fā)+管道吸熱）×24+卸車置換×1.5+泵做功×2=468.68kg/h。

綜上所述，可知對BOG數(shù)量影響最大的為卸車

置換單元，其次為加氣站正常工作時泵做功產(chǎn)生的蒸發(fā)氣量。當(dāng)LNG加氣站日供氣能力達(dá)到設(shè)計規(guī)模2.0×104m3/d（標(biāo)）時，平均每1.5天需要卸車1次，則每月需卸車約20次，標(biāo)態(tài)下天然氣的密度取0.717 kg/m3（標(biāo)），年工作時間按350天計入，根據(jù)上述資料，可得到計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表2）。

3.6 BOG可回收量的測算

根據(jù)表2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，當(dāng)LNG加氣站達(dá)到設(shè)計規(guī)模2.0×104m3/d（標(biāo)）時，BOG的日最大產(chǎn)生量為653.67m3/d（標(biāo)）?？紤]到LNG加氣站的不間斷運行、保證系統(tǒng)的正常工作等因素，加氣站可以回收利用的BOG氣體，僅為系統(tǒng)因超壓放散與LNG槽車殘壓的回收兩部分。

3.6.1 LNG儲罐BOG排放量的確定

LNG儲罐BOG回收壓力設(shè)置為：按標(biāo)準(zhǔn)60m3儲罐計算，氣體以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為基準(zhǔn)，當(dāng)儲罐壓力為0.9MPa時開始排放，壓力降至0.8MPa時停止排放，則日最大可收集的BOG氣體量為V0=V日-V罐=175.87m3。

3.6.2 LNG槽車BOG可回收排量的確定

LNG槽車容積按50m3計算，氣體以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為基準(zhǔn)，因一般卸液結(jié)束時，槽車壓力在0.4MPa，則LNG槽車可回收的BOG量約為200m3[3]。

3.7 BOG制氣研究結(jié)論

從以上的計算數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加氣站正常運行時，蒸發(fā)氣體（BOG）量主要跟加氣站的日供氣規(guī)模有關(guān)，即日供氣能力越大，其BOG產(chǎn)生的量相應(yīng)也會越大。

在實際運行當(dāng)中，系統(tǒng)發(fā)生的氣源損耗量大多為LNG槽車在卸車完畢后帶走的殘壓、部分因系統(tǒng)超壓而排放的氣體和非正常工況下的事故排放。值得注意的是，由于購銷氣量的變化，會導(dǎo)致BOG的產(chǎn)生量發(fā)生變化，相應(yīng)的原材料損耗部位也會以不同形式體現(xiàn)出來[4]。經(jīng)研究顯示，LNG加氣站在實際運行當(dāng)中，其氣體的損耗主要體現(xiàn)在卸車單元損耗和系統(tǒng)的超壓放散兩個方面：

1）因為LNG加氣站目前采用的卸車工藝主要為上進液噴淋的方式，操作中進入儲罐的部分BOG氣體會被低溫LNG冷凝再液化，此時因超壓而放散的氣源損失就會越少，它的損失量僅為被LNG槽車帶走的具有一定壓力但不能回收的氣體。受LNG加氣站原本儲存容積的限制，由于卸車次數(shù)的增加，被LNG槽車帶走的殘壓氣體就越多，加氣站系統(tǒng)的氣源損耗重點就會偏移至卸車單元。

2）當(dāng)加氣站日供氣規(guī)模減小，甚至趨近為零時，因卸車次數(shù)的減少，槽車可回收帶走外運的氣體就越少。當(dāng)BOG產(chǎn)生量達(dá)到一定數(shù)量，并達(dá)到系統(tǒng)安全運行壓力的限值時，為保證系統(tǒng)的安全運行，這時超壓安全放散系統(tǒng)就會開始工作，加氣站的氣體損耗重點就會偏移至超壓卸放單元。

綜上所述，不論LNG加氣站的氣體損耗偏重于哪個單元，其實質(zhì)都是因為BOG的產(chǎn)生而造成的一系列損耗，只要設(shè)置合理的BOG回收工藝系統(tǒng)，就可使整個加氣站的運行損耗降至可控的、經(jīng)濟的范圍內(nèi)。

4 BOG回收工藝流程

通常LNG儲罐的日蒸發(fā)率約為0.3%，這部分BOG氣體如果不及時排出，長時間累積會造成儲罐壓力升高，導(dǎo)致LNG加氣站超壓放散，為回收這部分氣體，場站可增設(shè)一套BOG回收裝置，通過與儲罐壓力聯(lián)鎖,控制BOG的排出。由儲罐蒸發(fā)和槽車卸車產(chǎn)生的BOG，通過空溫式氣化器加熱(當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，BOG氣體經(jīng)空溫式氣化器加熱，再經(jīng)過水浴式電加熱器復(fù)加熱升溫)使其出口氣體溫度升高至5℃以上，通過調(diào)壓、計量、加臭后輸送，可作為站內(nèi)自用氣（圖2）。當(dāng)BOG氣體的產(chǎn)生量滿足不了用戶需求時，可將儲罐內(nèi)的LNG直接氣化，來滿足用戶需求。通過增加BOG回收橇后，將原本需要放散的氣體進行回收利用，達(dá)到節(jié)能減排的效果。

5 回收效益分析

5.1 經(jīng)濟效益分析

一座設(shè)計規(guī)模為2.0×104m3/d（標(biāo)）LNG加氣站，設(shè)置一套BOG回收裝置滿足周邊用戶供氣?；厥障到y(tǒng)的設(shè)備投資約為15萬元，管道等投資約為35萬元，通過將原本放空的BOG氣體進行回收，每年回收的BOG氣體約為11.22×104m3（標(biāo)）。按照原料價格3.5元/m3（標(biāo)）計算，每年回收的BOG氣體價值

約為39.27萬元，大概1.27年就可以回收投資，以后的回收就是凈賺，因此經(jīng)濟效益較好，應(yīng)積極推廣。

5.2 碳減排效益分析

近年來，全球變暖已成為全世界最關(guān)心的環(huán)保問題，造成全球變暖的主要原因是大量的溫室氣體產(chǎn)生，而溫室氣體的主要組成部分就是二氧化碳（CO2），而二氧化碳的大量排放是現(xiàn)代人類的生產(chǎn)生活造成的，歸根到底是大量使用各種化石能源（煤炭、石油、天然氣）造成的，天然氣為清潔能源，可以有效地減少碳排放。

5.2.1 同等熱值的天然氣替代原煤換算

10000m3（標(biāo)）天然氣的熱值為（天然氣低位發(fā)熱量為35 588kJ/m3）：10 000×35 588=355 880 000kJ；那么相當(dāng)于燃燒原煤的質(zhì)量為（原煤低位發(fā)熱量為20 934kJ/kg）：355 880 000÷20 934=17 000kg。

5.2.2 同熱值天然氣和原煤CO2排放量計算

10 000m3（標(biāo)）天然氣燃燒釋放的CO2量為（天然氣燃燒碳排放系數(shù)為0.444kg-C/kg）：10 000×0.72× 0.444=3 196.8kg；17 000kg原煤燃燒釋放的CO2量為（原煤燃燒碳排放系數(shù)為0.748kg-C/kg）：17 000× 0.748=12 716.07kg。

由計算可知每10 000m3（標(biāo)）天然氣燃燒相比原煤碳排放減少量為12716.07kg-3196.8kg=9519.27kg[5]。

5.3 環(huán)保效益分析

從環(huán)保角度看，通過回收利用原有LNG加氣站內(nèi)蒸發(fā)的天然氣，不僅減少了場站內(nèi)天然氣損耗量，同時替換原有燃料煤，大大地降低了二氧化碳排量，是一項環(huán)保建設(shè)工程，環(huán)境效益十分顯著。另一方面，使用天然氣相應(yīng)地替代和節(jié)約了如煤、油、電等其他能源，年替代標(biāo)準(zhǔn)煤情況如表3所示。

該項目實施具有較好的節(jié)能效益，利用清潔能源的同時也改善了投資環(huán)境，能拉動國民經(jīng)濟的快速增長，是一個節(jié)能型的項目。

6 結(jié)論

隨著LNG的不斷推廣利用，應(yīng)用過程中BOG氣體的回收利用問題將變的更為突出。通過確定科學(xué)合理的BOG氣體回收方案對LNG加氣站生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的BOG予以回收，不但具有變廢為寶的經(jīng)濟效益，而且能達(dá)到節(jié)能減排和保護環(huán)境的良好效果，無論從安全管理還是節(jié)能環(huán)保方面意義均重大。

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[2]翟俊紅,鹿曉斌,曲順利,等.大型LNG儲備站蒸發(fā)氣(BOG)產(chǎn)生量及其特點的分析[J].山東化工，2015，44(4):91-94.

[3]劉婷玉，段海斌.LNG加氣站BOG回收利用技術(shù)研究進展[J].石化技術(shù)，2016(2):30-31.

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[5]杜鵑,于海亮.淺析東莞市建設(shè)LNG加氣站的可行性[J].科技致富向?qū)?2010(20):129.

Liquefied natural gas(LNG)is a clean and efficient energy,compared with gasoline,diesel and compressed natural gas(CNG), it has the obvious advantages of high security,high economy,little negative environmental effect and high energy storage density.With the development of LNG filling stations,the excessive BOG of LNG will cause the pressure of tank and other equipment to rise,to dis?charge BOG into the air is not only a waste but also potential danger.In addition,the main component of BOG is methane,and methane is a very strong greenhouse effect gas,its greenhouse effect coefficient of 21 times of carbon dioxide.Therefore,it is necessary to analyze the causes of BOG generation,calculate the amount of BOG,and take reasonable measures to restrain and recycle the BOG,which is not only in line with the policy of energy conservation and emission reduction,but also can improve the economy,safety and environmental protection of LNG devices.

LNG filling station;BOG;recovery and utilization

學(xué)敏

2016-07-15

張鵬（1978-），男，工程師，主要從事城市燃?xì)饧託庹臼┕す芾砉ぷ鳌?/p>