摘 要

摘　要：介绍LNG蒸发气(BOG)的产生原因以及BOG量的计算公式，探讨了常用的BOG处理方法(放空或点燃、直接压缩后送入管网、返补真空、充填隔热层、再液化)的工艺流程和适用条件。

摘　要：介绍LNG蒸发气(BOG)的产生原因以及BOG量的计算公式，探讨了常用的BOG处理方法(放空或点燃、直接压缩后送入管网、返补真空、充填隔热层、再液化)的工艺流程和适用条件。

关键词：液化天然气；  BOG；  回收；  冷能；  再液化

Pressent Situation and Progress of LNG BOG Recovery Technology

Abstract：The reasons for LNG BOG generation and the calculation formula of BOG are introduced．The process flow and application conditions of the common methods of BOG processing，including venting or ignition，direct compression to pipe nelwork，vacuum back to fill LNG carrier．filling thermal insulation layer and reliquefaction are discussed．

Keywords：LNG；BOG；recovery；cold energy；reliquefaction

 

LNG在生产及运输过程中，对温度的要求相当苛刻，常压下其储存温度为-162℃。因此，环境热量的流入、装卸船过程中的体积置换、闪蒸以及大气压力的急剧降低等因素，导致相当部分的液化天然气气化。这部分蒸发气(BOG)会引起罐内压力升高，进而引发事故，需要及时引出处理。

1　LNG蒸发量(BOG量)的确定

LNG蒸发量的确定是设备选型及压力控制的前提，特别是对BOG回收的核心设备BOG压缩机的选择及再冷凝工艺中再冷凝器的气液比确定有直接影响。正常情况下LNG蒸发气主要来自3方面：热量的流入，装卸船过程中的体积置换和闪蒸，温差、压差的变化^[1-3]。

①热量的流入

流入的热量主要包括环境热量和LNG泵机械能转化的热量^[4]。

a．吸收环境热量产生的BOG量

外部环境向储罐内不断传递热量，储罐内LNG吸收热量后气化，产生大量的BOG气体，这部分热量会随着季节、昼夜、太阳辐射等因素的不同而不同。通常为了安全，选择一年中温度最高的夏季一昼夜的平均吸热量作为计算标准，采用公式(1)计算BOG量：

qm,1＝F/r 　　　　   (1)

式中qm,1——从环境正常吸热产生的BOG量，kg/h

F中——LNG高液位(满液位的80％)下，夏季一昼夜从环境的正常平均吸热量，kJ／h

r——LNG的气化潜热，kJ／kg

b．吸收LNG泵机械能转化热量产生的BOG量

LNG泵在工作过程中会消耗电能，其中一部分电能会转化为热能被LNG吸收，由此产生的BOG量计算公式见式(2)：

qm,2＝3600l(P/r) 　　   (2)

式中qm,2——吸收LNG泵电能转化的热量产生的BOG量，kg／h

l——散热系数

P——LNG泵的额定功率，kW

c．由于热量流入产生的总BOG量

由于热量流入产生的总BOG量计算式为：

qm,1-2＝(Q+3600lP)/r 　   (3)

式中qm,1-2——由于热量流入产生的总BOG量，kg／h

②大气压力下降

LNG储罐一般都装有自动泄压装置。通过压力表测量储罐内的压力，将数据反馈给控制单元，当压力超过一定值时自动泄压以维持储罐的稳定运行。由于外界大气压力降低，在绝对压力一定的情况下，压力表测量的表压偏高，致使泄压，罐内由于压力降低又引起气液界面LNG过热而气化。由于大气压力下降而引起的这部分BOG量可用以下公式进行估算^[5]：

 

式中qm,3——由于大气压力下降产生的BOG量，kg／h

qm,G——气压下降直接排空的BOG量，kg／h

qm,L——LNG液面过热产生的BOG量，kg／h

V——储罐的气相空间体积，m³

rNG——泄放时天然气的密度，kg／m³

pmin——外界大气压变化时段内的大气压最低压力，Pa

Dpmax——外界大气压变化时段内大气压的最大变化率，Pa／h

qm,x——低液位(满液位的20％)下从环境吸热产生的BOG量，kg／h

p1——外界大气压变化时段内1h内的大气压最大变化量，Pa

p2——满液位下对应的气液界面压力，Pa

AL——气液界面面积，m²

③体积置换

体积置换指的是随着LNG来液的增加，储罐中的空间被LNG所填充，使得气相空间缩小，为维持储罐的微正压，部分BOG被挤出储罐。依据其定义，体积置换产生的BOG量可用公式(5)进行计算^[4]：

 

式中qm,4——体积置换产生的BOG量，kg／h

qm,load——LNG储罐的最大卸装质量流量，kg／h

rLNG——LNG的密度，kg／m³

④LNG卸装时的闪蒸

对于LNG船上的LNG，在卸装时由于和储罐内LNG温度不同会出现瞬间的闪蒸现象。由于闪蒸而产生的BOG量采用公式(6)进行估算^[5]：

 

式中c——LNG的比热容，kJ／(kg·K)

t2——罐压下的泡点温度，℃

t1——进料LNG的温度，℃

以上仅对正常情况下LNG的蒸发量进行了一定程度地估算，对于一些特殊情况下BOG量的估算请参照相关文献。

2　常用BOG的处理方法和适用条件

正常情况下，储罐的日蒸发量(质量比)大约在0.03％～0.08％左右，对于大型储罐来说，这已相当可观，对其进行回收可以带来巨大的经济和社会效益。目前，BOG回收包括二方面内容，一是对LNG气化产生的天然气进行回收，二是对BOG携带的冷量进行回收。

2.1　直接放空或点燃

为保证生产及运输的安全，最常用的BOG处理方法是将这部分气体放空或送入火炬点燃，以维持储罐内的压力。严格地说，被放空和点燃的气体已不属于BOG回收的范畴，但随着技术的发展，这种处理方式已不再是单纯的放空和点燃。放空的BOG具有一定的压力和冷能，可以将其引出，作为制冷介质，或经压缩机压缩后用作动能载体，点燃后也可以用来联合发电、供暖等。最常见的是在LNG船远洋运输过程中，BOG作为燃料，带动动力设备驱动LNG船航行^[6]。但总体来说，这种方法对能量的利用率低，浪费了大量天然气资源，也污染了环境。而且由于有些系统运行过度依赖BOG，容易导致系统不稳定，此外，气体的排空也会对周围造成一定的安全隐患。

2.2　直接压缩送入输气管网

直接压缩送入输气管网的工艺流程见图1^[7]。BOG气体进入分离器分离掉夹带的液体后，经过BOG压缩机多级压缩，直接送入输气管网，供用户使用。在气量不足时可使LNG通过气化器进行气化，送入输气管网进行补充。

 

该工艺流程简单，设备少，可以节约造价，因此，在实际中被较多采用，比如日本大阪瓦斯和东京瓦斯公司等的LNG接收站的BOG处理就是采用了这种方法^[8]。但是这种方法能耗大，受下游用气量影响较大，适应性不强，而且BOG所携带的大量冷能消耗于压缩机的压缩过程，未得到利用，造成了浪费。

2.3　返补真空

LNG船在向储罐卸装液体时，由于液体流出而产生真空，增加了液体卸装的阻力，极大地增加了耗能，甚至使LNG船上的液体无法完全卸入罐内。因此，LNG接收站接收LNG时，需要及时填补LNG船舱由于液体流出所形成的真空。如采用其他气体返补真空，既会引入新的杂质，又会造成热量大量流入，加速LNG气化。而LNG储罐中产生的BOG温度大约在-140～150℃，将BOG通过气体返回线流回船舱填补真空，可以很好地避免上述问题。同时在BOG返回船舱时，船舱内大量LNG提供的冷量使得BOG重新液化，在一定程度上回收了BOG^[7]。BOG返补真空工艺流程见图2。

 

该方法虽然能够在一定程度上对BOG进行回收，但在BOG量比较大的情况下显然不能够满足处理的需求，无法独立使用。而且这种方法只有在LNG船卸料时才能平衡掉一部分气体，限制了其应用范围。

2.4　代替氮气充填隔热层

LNG储存于低温储罐内，对隔热的要求较高，大容量的储罐大多采用普通堆积型隔热结构。为防止外界空气中的水分进入隔热层而冷凝，通常向隔热层内充装N2使其维持正压，因此LNG的生产和储存过程大多配有制氮设备，大大增加了运行成本^[9]。

BOG气体需要及时排出以维持储罐的微正压，一个办法是使用BOG代替氮气充填隔热层。利用BOG充填绝热层只需在原储罐基础上稍加改造就可实现，投资很少，可以省去制氮设备，经济高效，且热量流入时首先会被低温的BOG气体吸收，储罐的隔热效果更好。俞树荣、席家福^[10]在这方面进行了探索和论证，并对BOG充填隔热层进行了传热分析，给出了具体的计算，提出了BOG代替氮气充填隔热层的工艺流程(见图3)。但是，充填隔热层用量对于大型储罐的日产BOG量来说比较小，并不能从真正意义上减少BOG的排放。

 

2.5　再液化

再液化工艺系统主要由BOG压缩机、再冷凝器、蒸发气管道系统等组成^[11]。将BOG引出后，经过压缩机增压，进而由再冷凝器冷却，将BOG重新液化为LNG返回储罐或气化后送入管网外输。根据再冷凝器的冷源不同，再液化可以分为二类^[12]，一类是依靠外部制冷介质提供冷量，最常用的为液氮；另一类是由储罐内的部分LNG提供冷量。

①外部制冷介质制冷

再冷凝过程中，采用外部制冷介质(如液氮)提供冷量使BOG液化为LNG的工艺流程见图4，液氮和丙烷是两种比较常见的制冷剂^[13-14]。

 

储罐内的BOG经过分离器分离后进入BOG压缩机增压，增压后的气体通过再冷凝器吸收液氮放出的冷量液化为LNG，继而送回储罐或外输。白改玲等^[15-16]在此基础上进行了优化，使得BOG的回收方法更具实用性。成都深冷公司^[17]针对具体的加气过程，提出了具有BOG回收功能的LNG无泵加气方法。

②储罐内部分LNG制冷

利用储罐内部分LNG制冷的再冷凝工艺流程见图5。

 

由图5可知，相比于外部制冷剂制冷的BOG回收流程，其最大不同在于再冷凝器中BOG液化的冷量来自于储罐中的部分LNG。由于这种方法不依靠外部制冷，节约了配套投资，其应用更加广泛^[18-21]。

③蓄冷式再液化

为了克服LNG夜间外输量小导致所提供的冷量不足以将BOG再液化的问题，在以上基础上发展了蓄冷式再液化工艺，流程见图6。

 

蓄冷式再液化工艺在LNG外输供气时，通过蓄冷剂与LNG进行冷量交换，将冷量储存下来。白天用气量较多，LNG可以提供足够多冷量将BOG液化，剩余的冷量则被储存。晚上用气量较少，LNG流出也较少，冷量不足以使BOG完全液化。此时，通过蓄冷剂冷却BOG弥补冷量的不足。

该工艺虽然具有较大的优势，但投资较高，操作较为困难，未来对这方面进行研究仍然具有很大的发展潜力。

④再液化工艺比较

无论是采用部分LNG提供冷量，还是利用外部冷源提供冷量，再液化工艺都存在以下无法克服的缺点^[2，22-24]：

a．管网输气负荷波动时操作较为困难。

b．再液化后的气体返回储罐时，容易产生二次闪蒸，增加了系统运行的负荷。

c．BOG压缩机及泵的选型及采购比较困难。

d．采用部分LNG提供冷量的再冷凝过程，对于进入再冷凝器的BOG和LNG的气液比有严格的要求，控制起来较为困难。

一般在实践中，将液化工艺与返补真空等BOG处理方式相结合，取其优点，图7为工程实践中最常用的80G回收流程^[17]。

 

总的来说，再液化工艺比其他工艺具有较大的优势，可以实现BOG的零排放；比直接压缩工艺节约30％～60％的成本费用^[25]。因此，绝大多数LNG接收站都采用再冷凝工艺对BOG进行回收^[26]。

3　结语

对LNG生产和运输过程中产生的BOG进行处理，不仅可以带来巨大的经济效益，还能起到节能减排作用。正常情况下BOG的产生主要源于热量的流入、大气压力的急剧下降、装卸船过程中的体积置换和闪蒸四个方面，其中热量流入是BOG产生的最主要原因。通常对BOG的回收包括两方面：冷能回收和天然气回收，处理方式主要有再冷凝、直接压缩、返补真空、代替氮气充填隔热层、燃烧等五种。其中返补真空、代替氮气充填隔热层二种方式由于处理量小，一般不单独使用；燃烧对环境的影响较大，资源利用率低，很少被采用；直接压缩和再冷凝工艺是实践中回收BOG的两种主要方法。但由于再冷凝工艺的能耗比直接压缩减少30％～60％，因此在实践中更具优势；然而，再冷凝工艺同样存在着一些无法克服的缺点，如压缩机选型、气液比控制困难等。随着LNG产业的发展及国家对节能减排的重视，相信各种新技术将会在BOG回收上大有可为。

 

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本文作者：李景武  余益松  王荣  李辉

作者单位：中海浙江宁波液化天然气有限公司

  常州大学油气储运技术省重点实验室

  苏州苏净保护气氛有限公司