液化天然氣裝置BOG回收技術(shù)方案研究與應(yīng)用

郝磊

運(yùn)城華新液化天然氣有限公司 山西 運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)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(jī)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(jī)，同時根據(jù)下游輸氣管網(wǎng)調(diào)節(jié)BOG壓縮機(jī)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(qiáng)，BOG壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)能耗較大，未對BOG冷量進(jìn)行回收。同時，若BOG組分中氮?dú)狻錃獾葻o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(diǎn)，即合適的壓力和溫度。壓力由BOG壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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?dú)猓M(jìn)入氮?dú)庀到y(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(diǎn)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(diǎn)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?dú)饩S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?dú)獾囊环N回收方式。BOG氣體不僅露點(diǎn)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(diǎn)在于利用BOG充氮?dú)庾鳛閮薜谋Ｗo(hù)氣體，節(jié)省了制氮系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)（BOG壓縮機(jī)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(shí)際運(yùn)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(jī)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(fèi)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(jī)、氣化器、BOG進(jìn)出口緩沖罐等設(shè)備。考慮到裝置BOG產(chǎn)生量會出現(xiàn)較大波動，因此在設(shè)置壓縮機(jī)時采用變頻電機(jī)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(diǎn)在于若因BOG壓縮機(jī)因自身問題（帶油帶液運(yùn)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?dú)狻錃獾葻o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(yùn)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(jī)、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(yùn)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(fèi)。

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(diǎn)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(yùn)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(shí)際操作較為困難。

通過以上方案比較，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)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(shí)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(yùn)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。