LNG及L-CNG加氣站BOG回收技術(shù)探討

何才寧

（中國(guó)石化廣東石油分公司，廣東廣州 510000）

甲烷蒸汽（BOG）是液化天然氣（LNG）加氣站運(yùn)營(yíng)中產(chǎn)生的排放氣體。BOG的主要成分是甲烷，而甲烷是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體，其溫室效應(yīng)系數(shù)（GWP）為二氧化碳的21倍。目前LNG加氣站場(chǎng)對(duì)于BOG的處理一般采取直接排放，既造成了資源浪費(fèi)和安全隱患，同時(shí)也加劇了溫室效應(yīng)。

LNG加氣站的BOG產(chǎn)生主要有兩種途徑：一是槽車(chē)卸車(chē)后需要將槽車(chē)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降至0.2 MPa左右后而排放的BOG，這種情況對(duì)于頻繁卸液的LNG站場(chǎng)較為突出；二是加氣站內(nèi)由于外熱熱量的引入導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)LNG氣化造成壓力升高而產(chǎn)生的氣體排放，這種情況對(duì)于加氣量相對(duì)較小的氣站尤為突出。據(jù)某LNG加氣站統(tǒng)計(jì)，每月僅槽車(chē)卸液排放的BOG高達(dá)3～5 t，一年經(jīng)濟(jì)損失數(shù)十萬(wàn)元。因此，在LNG加氣站迅速發(fā)展的同時(shí)，如何采取有效的措施實(shí)現(xiàn)BOG的“零排放”，對(duì)于減少資源浪費(fèi)和綠色低碳具有重要的意義。

1 LNG加氣站BOG產(chǎn)生原因分析

1）設(shè)計(jì)原因。LNG加氣站BOG的產(chǎn)生量大小關(guān)鍵在于站場(chǎng)的設(shè)計(jì)，包括總平布局、成撬方式、保溫材料的選用、工藝管道設(shè)計(jì)等。不合理的總體布局將導(dǎo)致管線增長(zhǎng)，漏熱增加，通過(guò)采用新型保溫材料、保溫方式、LNG加氣站的布局、更加優(yōu)化的成撬方式可以減少熱交換、降低BOG產(chǎn)生。

2）設(shè)備原因。LNG儲(chǔ)罐、真空泵池、真空管道、真空箱等低溫設(shè)備在目前制造工藝水平下無(wú)法達(dá)到絕對(duì)的真空絕熱狀態(tài)，會(huì)與外部發(fā)生緩慢熱交換，導(dǎo)致LNG液體吸熱蒸發(fā)形成BOG氣體。

3）運(yùn)營(yíng)管理。加氣站的運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致的BOG產(chǎn)生原因很多，如LNG氣源、銷(xiāo)量、車(chē)載鋼瓶的回氣等。

4）罐車(chē)余氣。LNG罐車(chē)配送到加氣站，作業(yè)完畢后一般仍有0.3～0.4 MPa的LNG殘留罐體，目前工藝無(wú)法將其卸凈，造成50～150 kg的損耗。同時(shí)由于氣庫(kù)要求槽罐車(chē)降壓至0.1 MPa才允許進(jìn)庫(kù)裝LNG，因此，通常將罐車(chē)內(nèi)余氣直接排放到空氣中，這既不安全環(huán)保，又造成資源浪費(fèi)。

2 BOG回收技術(shù)現(xiàn)狀

1）BOG氣體經(jīng)二級(jí)壓縮并入城市管網(wǎng)，由于城市管網(wǎng)一般為民用氣體，價(jià)格相對(duì)較低，容易造成高進(jìn)低售，增加運(yùn)營(yíng)成本，比較適用于自有管網(wǎng)的LNG站場(chǎng)，如燃?xì)夤镜取?/p>

2）BOG經(jīng)壓縮制成壓縮天然氣（CNG）氣體，供加氣機(jī)加氣，主要適用于L-CNG加氣站[1]。

3）采用液氮再冷凝BOG成LNG，回LNG儲(chǔ)罐或給LNG車(chē)加液[2]，該方案需要配備液氮儲(chǔ)罐，同時(shí)增加了液氮的卸液、使用及蒸發(fā)氮?dú)獾奶幚韱?wèn)題。

4）采用小型再液化裝置或過(guò)冷LNG，將BOG氣體再液化回收。該方案裝置較為復(fù)雜，涉及到制冷劑配比及流程控制等，一般在BOG液化量較高時(shí)具有經(jīng)濟(jì)性，目前少數(shù)企業(yè)在研發(fā)這類(lèi)裝置[3]。

5）采用低溫制冷機(jī)提供冷量再液化BOG。目前浙江大學(xué)和上海交通大學(xué)分別采用不同類(lèi)型的低溫制冷機(jī)做了BOG再液化的回收測(cè)試，但由于受到低溫制冷機(jī)功率的限制，目前BOG再液化的能力一般在20 L/h左右[4-5]。

在應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)針對(duì)L-CNG加氣站BOG的回收，已有部分站場(chǎng)采用BOG壓縮進(jìn)管網(wǎng)或者制CNG的形式；而在L-CNG加氣站上，BOG的主要處理方式是放空，造成了安全隱患和資源浪費(fèi)。

另外，目前針對(duì)LNG加氣站BOG回收的技術(shù)，多數(shù)從BOG產(chǎn)生后如何壓縮或者液化回收，沒(méi)有系統(tǒng)的考慮BOG的產(chǎn)生及回收等，無(wú)形影響了BOG回收技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

3 BOG“零排放”LNG加氣站場(chǎng)

基于LNG加氣站BOG產(chǎn)生原因，設(shè)計(jì)如圖1所示的LNG加氣站BOG“零排放”措施。

該措施主要包括兩部分，一是從工藝、設(shè)備、設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)等方面優(yōu)化；另一部分是采取相應(yīng)的BOG回收技術(shù)對(duì)站場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的BOG和槽車(chē)卸車(chē)后的BOG進(jìn)行回收，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)站場(chǎng)的BOG“零排放”。

3.1 LNG加氣站BOG控制措施

3.1.1 低溫設(shè)備、管路等優(yōu)化

1）LNG儲(chǔ)罐采用絕熱性能更好的高真空多層纏繞絕熱，目前LNG儲(chǔ)罐主要有真空粉末絕熱和高真空多層纏繞絕熱，由于高真空多層纏繞絕熱要求的真空度高且有防輻射屏，能有效地抑制熱輻射，其絕熱性能較真空粉末絕熱好。

圖1 LNG加氣站BOG“零排放”措施

2）低溫閥門(mén)、管路、加液機(jī)的絕熱優(yōu)化，如液相管路采用真空管路，液相閥門(mén)和關(guān)鍵法蘭可采用真空設(shè)計(jì)，加液機(jī)模塊可做整體真空絕熱處理。

3）在管路設(shè)計(jì)中，應(yīng)管路短、彎頭少，越簡(jiǎn)單越好，特殊場(chǎng)站可以增大管道口徑，在儲(chǔ)罐出液管路和泵池回氣管路中盡量不要出現(xiàn)n型彎，且應(yīng)減少過(guò)多閥門(mén)、濾網(wǎng)的使用。

3.1.2 LNG加注過(guò)程的優(yōu)化

1）加液過(guò)程中盡量采用集中加液或長(zhǎng)時(shí)間采用同一加液機(jī)加液，以免機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間不用重新預(yù)冷造成大量BOG產(chǎn)生。

2）加氣過(guò)程中的BOG返回處理。汽車(chē)鋼瓶中的BOG氣體在返回LNG儲(chǔ)罐過(guò)程中，先與潛液泵換熱，再?gòu)腖NG儲(chǔ)罐底部進(jìn)入，對(duì)BOG進(jìn)行部分液化并起到對(duì)儲(chǔ)罐調(diào)壓的作用。

3.1.3 LNG卸液過(guò)程的優(yōu)化

1）采購(gòu)低溫液（壓力低于0.15 MPa，溫度低于-150℃的低溫液源），據(jù)某LNG站場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，采購(gòu)低溫液能有效減少40%左右的BOG產(chǎn)生。

2）卸車(chē)時(shí)將LNG儲(chǔ)罐中的高壓氣體卸至槽車(chē)液相液化，壓力平衡后，盡量采用低溫泵，不采用增壓器卸車(chē)，同時(shí)采用上進(jìn)液方式，用LNG冷卻BOG，減少儲(chǔ)罐中BOG的產(chǎn)生。

3.2 LNG加氣站BOG回收技術(shù)

針對(duì)L-CNG加氣站，可以采用BOG壓縮制CNG的形式，既回收站場(chǎng)BOG，又同時(shí)回收槽車(chē)卸車(chē)后的BOG，站場(chǎng)儲(chǔ)罐內(nèi)或槽車(chē)內(nèi)的BOG先經(jīng)空溫氣化器升溫至0℃左右，進(jìn)入四級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮制成20 MPa以上的CNG，進(jìn)入CNG高壓儲(chǔ)氣瓶組，并通過(guò)加氣機(jī)進(jìn)行售氣。目前該工藝已有較成熟的產(chǎn)品，其功耗在0.3 kW·h/m3左右。

針對(duì)LNG加氣站，BOG再液化是較優(yōu)的技術(shù)。利用HYSYS軟件對(duì)BOG再液化工藝進(jìn)行模擬。為便于模擬需作如下假設(shè)：1）天然氣成分全部為甲烷氣體；2）當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到0.8 MPa時(shí)排出BOG氣體，并假設(shè)此時(shí)的BOG氣體為飽和氣體；3）液化后產(chǎn)生的LNG為飽和液體。

低溫制冷機(jī)再液化BOG流程示意見(jiàn)圖2。

經(jīng)過(guò)HYSYS模擬，BOG再液化方式對(duì)比見(jiàn)表1。

圖2 低溫制冷機(jī)再液化BOG流程

表1 BOG再液化方式對(duì)比

綜上，膨脹制冷循環(huán)和混合制冷劑液化循環(huán)設(shè)備較為復(fù)雜，需要一定的操作要求，初期投資成本較高，適合BOG量較大的情況（如1 000 m3/d以上），而低溫制冷機(jī)和液氮冷凝BOG的工藝設(shè)備較為簡(jiǎn)單，適合LNG加氣站場(chǎng)BOG量較小的情況。但是液氮冷凝需要額外增加液氮儲(chǔ)罐和液氮的操作等，既增加了站場(chǎng)占地，又增加了液氮窒息的風(fēng)險(xiǎn)。

而低溫制冷機(jī)冷凝BOG設(shè)備為大冷量低溫制冷機(jī)和低溫緩沖儲(chǔ)罐，占地面積小，設(shè)備操作簡(jiǎn)單。

針對(duì)LNG加氣站場(chǎng)BOG（包括槽車(chē)卸車(chē)后的BOG），利用低溫制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)BOG和槽車(chē)BOG的再冷凝回收，具體見(jiàn)圖3。

熱聲制冷機(jī)無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，其壽命和可靠性得到了大幅提高，且目前大冷量熱聲制冷機(jī)可以在溫度120 K時(shí)提供1 000～1500 W冷量（制冷機(jī)功率在10～15 kW），BOG液化能力為200 kg/d左右。

當(dāng)LNG加氣站場(chǎng)儲(chǔ)罐內(nèi)BOG壓力達(dá)到一定時(shí)，打開(kāi)氣相閥門(mén)，儲(chǔ)罐內(nèi)BOG經(jīng)過(guò)盤(pán)管換熱器進(jìn)入到低溫緩沖儲(chǔ)罐，同時(shí)開(kāi)啟低溫制冷機(jī)，制冷機(jī)產(chǎn)生的冷量通過(guò)翅片式冷凝換熱器導(dǎo)出，將BOG冷凝成低溫LNG，儲(chǔ)存在低溫緩沖儲(chǔ)罐內(nèi)。

圖3 基于低溫制冷機(jī)的BOG再液化流程

當(dāng)利用該裝置回收槽車(chē)BOG時(shí)，提前在低溫緩沖儲(chǔ)罐內(nèi)預(yù)留足量LNG，并開(kāi)啟低溫制冷機(jī)，將低溫制冷機(jī)冷量以LNG過(guò)冷（過(guò)冷度20℃左右）的形式儲(chǔ)存；待LNG槽車(chē)卸液完畢后，將槽車(chē)氣相管線與低溫緩沖儲(chǔ)罐進(jìn)氣管線相連，槽車(chē)內(nèi)BOG經(jīng)過(guò)盤(pán)管換熱器進(jìn)入低溫緩沖儲(chǔ)罐，由于存在足量過(guò)冷LNG（過(guò)冷LNG量為待回收BOG量的5倍以上），使得BOG在進(jìn)入低溫緩沖儲(chǔ)罐后迅速液化，同時(shí)低溫緩沖儲(chǔ)罐內(nèi)保持相對(duì)較低的壓力，LNG槽車(chē)BOG可以在壓差的作用下持續(xù)進(jìn)入低溫緩沖儲(chǔ)罐被冷凝液化，從而實(shí)現(xiàn)LNG槽車(chē)BOG快速回收。

對(duì)于立式LNG儲(chǔ)罐，為便于LNG回流，在低溫緩沖儲(chǔ)罐上設(shè)置自增壓氣化器；同時(shí)可采取上進(jìn)液的形式，利用再液化后的LNG過(guò)冷的特點(diǎn)降低儲(chǔ)罐內(nèi)氣相壓力。

目前LNG槽車(chē)卸液完畢后，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力為0.2～0.3 MPa，經(jīng)該裝置再液化回收部分BOG（回收量為50～75 kg）后，壓力可降至0.10～0.15 MPa，槽車(chē)可實(shí)現(xiàn)正常上路，從而實(shí)現(xiàn)BOG的“零排放”。

4 結(jié)論和建議

針對(duì)LNG加氣站和L-CNG加氣站設(shè)計(jì)了BOG回收裝置，用以回收站場(chǎng)和槽車(chē)的BOG，實(shí)現(xiàn)LNG加氣站的BOG“零排放”。

1）對(duì)L-CNG加氣站，建議采用BOG壓縮制CNG技術(shù)進(jìn)行站場(chǎng)和槽車(chē)BOG的回收。

2）對(duì)LNG加氣站，建議采用大冷量低溫制冷機(jī)再液化BOG進(jìn)行站場(chǎng)和槽車(chē)BOG的回收。

目前BOG壓縮回收系統(tǒng)投資費(fèi)用為50～80萬(wàn)元，按照目前加氣站的BOG排放和槽罐車(chē)余氣造成的損耗普遍在每年50 t左右，折合資金大約25萬(wàn)元，2年半即可回收投資成本。而且運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)較低，每回收100 m3的LNG僅需用電30 kW·h，相當(dāng)于耗電0.3 kW·h/m3（約0.3元）。因此，建議在新建LNG加氣站設(shè)計(jì)中增設(shè)BOG壓縮回收裝置，同時(shí)對(duì)于已建成的加氣站也可根據(jù)實(shí)際情況，試點(diǎn)改造安裝，一定會(huì)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上可以開(kāi)展加氣站甲烷回收自愿減排項(xiàng)目，編制和申報(bào)自愿減排項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)碳收益，探索國(guó)內(nèi)自愿減排項(xiàng)目在銷(xiāo)售企業(yè)的試點(diǎn)和發(fā)展。