液化天然氣裝置BOG回收技術(shù)方案研究與應(yīng)用

郝磊

運城華新液化天然氣有限公司 山西 運城 044000

1 BOG 的產(chǎn)生原因

閃蒸氣（BOG）（Boil-Off Gas）是指天然氣經(jīng)過凈化和深冷液化成為LNG 后，因存儲過程與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，吸收熱量，導(dǎo)致LNG氣化產(chǎn)生的氣體。LNG的溫度極低，其沸點在大氣壓力下約為－162℃，在常溫下極易被氣化。LNG一般會儲存在隔熱性能很好的絕熱儲罐中，以減少外界熱量傳遞，引發(fā)大量LNG被氣化。然而即便LNG儲罐采用雙層罐，即由內(nèi)罐和外罐組成，在內(nèi)外罐之間填充有良好的保冷材料，但外界熱量依然能傳遞至罐體內(nèi)部，使儲罐中部分LNG受熱蒸發(fā)，從而形成BOG氣體，一般LNG儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)量（質(zhì)量比）在～0.03%。如果不及時將這些BOG氣體排出，將會導(dǎo)致LNG儲罐壓力增加，在壓力增加至儲罐所能承壓的最限度時，儲罐定會在壓力作用下發(fā)生破裂，從而引發(fā)安全事故。所以，一般LNG儲罐將會設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，當(dāng)儲罐內(nèi)壓力超過設(shè)定值時，壓力調(diào)節(jié)閥將會適度開啟，確保儲罐內(nèi)BOG氣體能夠自動排空。

在LNG液化裝置中，BOG的產(chǎn)生主要有以下原因：

（1）LNG儲罐與外界換熱產(chǎn)生BOG氣體

外部環(huán)境向儲罐傳遞熱量，儲罐內(nèi)LNG吸收熱量后氣化閃蒸，產(chǎn)生BOG氣體，且該部分熱量隨季節(jié)、晝夜、太陽防輻、周圍環(huán)境不同而不同。該部分BOG產(chǎn)生量最大。

（2）LNG產(chǎn)品節(jié)流閃蒸產(chǎn)生BOG氣體

LNG產(chǎn)品在節(jié)流降壓過程，因壓力急劇變化，部分高壓下液化的組分在降壓后閃蒸，此時會吸收熱量，因此部分LNG吸收熱量隨之氣化，產(chǎn)生BOG氣體。

（3）LNG預(yù)冷裝車過程產(chǎn)生BOG氣體

儲罐中的LNG產(chǎn)品通過裝車泵增壓輸送至LNG槽車，然后向外運送。在LNG裝車過程，裝車泵的預(yù)冷（潛液泵無需預(yù)冷）、裝車管道的預(yù)冷以及LNG槽車的降溫、裝車泵運轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的熱量與LNG的熱交換都會產(chǎn)生BOG氣體。

（4）LNG儲罐壓降產(chǎn)生BOG氣體

當(dāng)儲罐壓力高于設(shè)定壓力控制值時，壓力調(diào)節(jié)閥會根據(jù)儲罐內(nèi)壓力進(jìn)行自動開啟，對超壓氣體進(jìn)行排放。在氣體排放后，儲罐內(nèi)壓力降低，此時儲罐內(nèi)氣液界面為保持兩相平衡，因此部分LNG將會繼續(xù)氣化，從而產(chǎn)生BOG氣體。

（5）LNG儲罐體積置換產(chǎn)生BOG氣體

隨著LNG產(chǎn)品儲量的不斷增加，儲罐空間逐漸被LNG所填充，致使為維持儲罐恒定壓力的BOG氣體被擠出儲罐。

2 BOG 回收技術(shù)方案匯總

LNG裝置BOG產(chǎn)生原因較多，且BOG產(chǎn)生量較大，若直接排放或火炬燃燒，一定程度上不僅會造成環(huán)境污染，同時經(jīng)濟(jì)損失較大，如何提升對BOG氣體的回收利用，已成為LNG液化裝置必須考慮重點的問題。

目前液化天然氣BOG處理和回收技術(shù)方案主要有以下幾種：（1）增壓送至輸氣管網(wǎng)；（2）BOG再液化；（3）填充儲罐隔熱層[2]。

2.1 增壓送至輸氣管網(wǎng)

由于LNG液化裝置建設(shè)的LNG儲罐容積較大，因此在日常裝車、管道預(yù)冷和LNG產(chǎn)品閃蒸將會產(chǎn)生大量BOG氣體。為充分利用BOG氣體，可將閃蒸的BOG氣體通過BOG壓縮機增壓，然后輸送至下游輸氣管網(wǎng)，供用戶直接使用。

該方案工藝流程簡單，設(shè)備較少，投資較少，也是最直接有效的BOG回收利用方式之一。根據(jù)BOG產(chǎn)生量選取配套的BOG壓縮機，同時根據(jù)下游輸氣管網(wǎng)調(diào)節(jié)BOG壓縮機出口壓力，操作簡單，對BOG氣體幾乎全部能夠進(jìn)行回收利用。但該方案受下游用氣量的影響較大，若下游用氣量不大，則回收的BOG將無法全部輸送至管網(wǎng)，適應(yīng)性不強，BOG壓縮機需消耗較大壓縮功。同時對于遠(yuǎn)離下游輸氣管網(wǎng)的裝置，該方案管道建設(shè)投資成本較大，BOG所攜帶的冷箱也沒有得到利用。

2.2 BOG 再液化

BOG再液化工藝[3]是指將BOG氣體通過壓縮機增壓，然后與裝置凈化后的天然氣混合，直接進(jìn)入冷箱系統(tǒng)再液化，或者將增壓后的BOG經(jīng)過冷凝器降溫，直接液化，返輸回儲罐中。

2.2.1 與凈化天然氣匯合進(jìn)入冷箱再液化

將BOG氣體經(jīng)壓縮機增壓，與進(jìn)冷箱天然氣匯合，直接進(jìn)入液化冷箱進(jìn)行液化。

BOG增壓與凈化天然氣混合進(jìn)入冷箱再液化工藝流程簡圖如下：

圖1 BOG增壓與凈化天然氣混合進(jìn)入冷箱再液化工藝流程

該方案可將BOG直接回收液化，改造簡單，投資成本較少，對于氣質(zhì)優(yōu)良的BOG氣體可全部進(jìn)行液化，不足之處是對BOG進(jìn)行增壓，壓縮機能耗較大，未對BOG冷量進(jìn)行回收。同時，若BOG組分中氮氣、氫氣等無效組分過多，則不利于天然氣在冷箱內(nèi)的液化。

2.2.2 利用外部冷媒介質(zhì)制冷再液化[5]

BOG氣體再液化的條件有兩點，即合適的壓力和溫度。壓力由BOG壓縮機提供，溫度則由制冷介質(zhì)提供。常用的外部冷媒介質(zhì)為液氮。具體關(guān)于將BOG氣體經(jīng)壓縮機增壓，與進(jìn)冷箱天然氣匯合，直接進(jìn)入液化冷箱進(jìn)行液化。具體工藝流程簡圖見圖2：

圖2 利用外部制冷劑再液化工藝流程

LNG儲罐內(nèi)的BOG經(jīng)BOG入口分離器分離穩(wěn)壓后，經(jīng)BOG壓縮機增壓，增壓后的氣體進(jìn)入在冷凝器，與制冷劑（液氮）提供的冷量進(jìn)行交換，吸收冷量的BOG液化為LNG產(chǎn)品，LNG產(chǎn)品在LNG緩沖罐中累積，到一定液位后，通過管道輸送至LNG儲罐，LNG緩沖罐中產(chǎn)生的氣體，再次回到BOG入口分離器，進(jìn)行再次液化。提供制冷劑的液氮吸收熱量后氣化成氮氣，進(jìn)入氮氣系統(tǒng)進(jìn)行使用。

該方案工藝流程成熟，但必須根據(jù)BOG產(chǎn)生量計算合適再冷凝器換熱面積，在操作時，必須控制好制冷劑（液氮）的流通速度和流通量，避免因冷量供應(yīng)不足，導(dǎo)致BOG液化不完全。

2.2.3 利用儲罐內(nèi)LNG作為制冷劑再液化

由于儲罐中LNG產(chǎn)品具有較低溫度，因此利用自身LNG為BOG提起提供冷源，使其降溫、冷凝、液化。

該流程與利用外部冷媒介質(zhì)再液化工藝流程相似，不同點在于該液化流程利用自身儲罐中LNG作為冷媒介質(zhì)來為BOG氣體進(jìn)行換熱，然后將其液化。同時該流程必須利用LNG潛液泵，將常壓儲罐內(nèi)的LNG增壓方可進(jìn)入再冷凝器。

此方案的有點在于無需利用外界冷媒介質(zhì)，節(jié)約投入成本。但不足之處是必須利用LNG潛液泵才能將儲罐中LNG增壓送至再冷凝器。因此若LNG儲罐僅有一臺潛液泵或外置一臺裝車泵，則無法對提供冷源的LNG增壓。同時，利用該方案，成本投入較高。

2.3 填充儲罐隔熱層

LNG儲罐一般均由內(nèi)罐和外罐雙層罐組成，內(nèi)外罐之間填充有隔熱性能較好的珠光砂等保冷材料，以起到絕熱左右。為防止外界空氣攜帶的水分進(jìn)入隔熱層而使儲罐內(nèi)LNG氣化加速，因此在內(nèi)外儲罐的夾層之間必須源源不斷充入干燥的氮氣維持儲罐夾層的微正壓。

將BOG氣體通過管道入罐夾層，維持儲罐夾層的微正壓，是用BOG替代氮氣的一種回收方式。BOG氣體不僅露點極低，而且低溫BOG氣體更能有利的為儲罐夾層起到絕熱作用，使儲罐的隔熱效果更好。

該方案優(yōu)點在于利用BOG充氮氣作為儲罐的保護(hù)氣體，節(jié)省了制氮系統(tǒng)的運營成本。但BOG氣體屬易燃?xì)怏w，在日常操作具有一定危險性。同時對于大型LNG儲罐而言，大量的BOG氣體緊作為儲罐夾層保護(hù)氣體，無法全部利用。

3 BOG 回收技術(shù)方案選擇[6]

霍州10×104Nm3/d液化天然氣裝置設(shè)置有BOG回收系統(tǒng)，按照原料氣的設(shè)計組分計算分析，該裝置BOG的產(chǎn)生量主要有兩部分組成：（1）冷箱LNG產(chǎn)品節(jié)流閃蒸產(chǎn)生的BOG，該部分BOG量約為90Nm3/h；（2）LNG儲罐的靜態(tài)蒸發(fā)量，該部分BOG量約為150Nm3/h；在設(shè)計之初，并未考慮裝車、壓力變化及體積置換過程產(chǎn)生的BOG量。

該BOG回收系統(tǒng)主要流程是儲罐內(nèi)的BOG氣體經(jīng)氣化器升至常溫，進(jìn)入BOG入口平衡罐，穩(wěn)壓后的BOG再進(jìn)入BOG壓縮機（BOG壓縮機排氣量為300Nm3/h）增壓至0.24MPa，之后進(jìn)入BOG出口分離器，經(jīng)BOG出口分離器外輸?shù)腂OG氣體一部分作為輔助單元導(dǎo)熱油和熱水鍋爐的燃料氣，另一部分作為辦公區(qū)域生活自用氣，同時若仍有余量，則通過管道送至火炬進(jìn)行燃燒。

在裝置實際運行過程，BOG的產(chǎn)生量遠(yuǎn)大于設(shè)計值。主要表現(xiàn)在（1）除自用氣部分外，仍有大量BOG氣體通過火炬進(jìn)行燃燒或就低放空，經(jīng)測算，燃燒和放空的BOG量約在50～100Nm3/h；（2）在裝車預(yù)冷過程，由于裝車泵是外置低溫泵，在裝車前需預(yù)冷泵體和管道，因此裝車過程BOG產(chǎn)生量巨大，裝車預(yù)冷及裝車過程放空量約1000～1400Nm3/車。裝車預(yù)冷的BOG均通過LNG儲罐罐頂?shù)姆趴臻y就地放空。

方案一：增壓外輸至輸氣管網(wǎng)

該方案只需增設(shè)一臺BOG壓縮機和配套設(shè)備、管道及流量計，便可將產(chǎn)生的BOG氣體增壓輸送至下游管網(wǎng)，與下游用戶可根據(jù)流量計測量值進(jìn)行結(jié)算。但該方案受限于下游用氣量的大小，同時裝置BOG產(chǎn)生量會出現(xiàn)較大波動（裝車和非裝車BOG產(chǎn)生量區(qū)別較大），故當(dāng)下游用氣量較小時，增壓后的BOG將無法繼續(xù)輸送至下游管網(wǎng)，同時裝置距下游管網(wǎng)距離較遠(yuǎn)，輸氣管道修建難度大，投資費用較高。

方案二：與凈化天然氣匯合進(jìn)入冷箱再液化

該方案需增設(shè)一臺BOG壓縮機、氣化器、BOG進(jìn)出口緩沖罐等設(shè)備?？紤]到裝置BOG產(chǎn)生量會出現(xiàn)較大波動，因此在設(shè)置壓縮機時采用變頻電機驅(qū)動，以應(yīng)對不同量BOG的回收再液化。增壓后的BOG與凈化后的天然氣一起進(jìn)入液化冷箱液化。該方案缺點在于若因BOG壓縮機因自身問題（帶油帶液運轉(zhuǎn)）導(dǎo)致BOG發(fā)生二次污染，使BOG雜質(zhì)增多，則可能導(dǎo)致液化冷箱發(fā)生堵塞，甚至引發(fā)整個裝置停產(chǎn)。同時若回收的BOG氣體中氮氣、氫氣等無效組分含量較高時，增壓后的BOG進(jìn)入液化冷箱無效組分仍無法被液化，導(dǎo)致能耗增加，增加了運行系統(tǒng)的負(fù)荷。

方案三：利用外部冷媒介質(zhì)制冷再液化

該方案需增設(shè)一臺BOG壓縮機、氣化器、BOG進(jìn)出口緩沖罐等設(shè)備外，還需增設(shè)在冷凝器，同時需購買液氮作為冷媒介質(zhì)。改造使用難度較大，投資較高。同時需嚴(yán)格控制液氮進(jìn)入冷凝器的量，在BOG氣體量波動時，在冷凝器的調(diào)節(jié)難度較大。在后期運行過程，液氮的耗用量較大，采購成本較高，氣化后的液氮無法充分利用，造成浪費。

方案四：利用儲罐內(nèi)LNG作為制冷劑再液化

該方案改造流程和所需設(shè)備和方案三相似，只是將外部冷媒介質(zhì)換成儲罐自身的LNG。該方案的優(yōu)點在于無需額外采購制冷劑，節(jié)省成本。但裝置現(xiàn)有的兩臺外置裝車泵，若利用其中一臺作為LNG增壓泵，則在LNG儲罐裝車過程會出現(xiàn)壓力不穩(wěn)定情況，同時外置的裝車泵運轉(zhuǎn)期間，自身會產(chǎn)生較多熱量，另外外置泵與空氣直接接觸，與外界熱交換較多，因此外置泵因自身和外界環(huán)境將會產(chǎn)生較大量的BOG氣體。同時操作過程，對進(jìn)再冷凝器的BOG氣體和LNG的氣液比有嚴(yán)格的要求，實際操作較為困難。

通過以上方案比較，從經(jīng)濟(jì)性和實用性原則上選擇，方案二（與凈化天然氣匯合進(jìn)入冷箱再液化）更適合霍州10×104Nm3/d液化天然氣裝置BOG回收利用。

4 結(jié)束語

霍州10×104Nm3/d液化天然氣裝置BOG回收改造最終選擇與凈化天然氣匯合進(jìn)入冷箱再液化方案，但為了防止BOG氣體在增壓及輸送過程受污染，在實際改造過程中，將增壓后的BOG氣體輸送至脫酸單元后，將BOG氣體與脫酸后的天然氣匯合，在經(jīng)過干燥、脫重?zé)N、脫汞及粉塵過濾單元，最后進(jìn)入冷箱再液化。

在改造完成后，絕大部分BOG氣體都能進(jìn)入液化冷箱進(jìn)行再液化，為公司創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并為裝置的安全穩(wěn)定運行提供了有力保障，技術(shù)方案選取可改造施工達(dá)到了預(yù)期效果。