张 鹏，王 娜

陕西燃气集团交通能源发展有限公司（陕西西安710016）

BOG气体回收技术及经济效益分析

张 鹏，王 娜

陕西燃气集团交通能源发展有限公司（陕西西安710016）

液化天然气(LNG)是一种清洁高效的能源，与汽油、柴油及压缩天然气(CNG)相比，具有安全性高、经济性强、环境负效应小、储能密度高等明显优势。随着LNG加气站的陆续发展，LNG蒸发气体（BOG）产生量过大，会引起储罐等设备压力升高，将BOG排放到空气中不仅是一种无谓的浪费，而且可燃气体排放到空气中，具有潜在的危险。此外，BOG中主要成分为甲烷，而甲烷是一种温室效应很强的气体，其温室效应系数(GWP)为二氧化碳的21倍。因此，有必要分析BOG产生原因、计算BOG气量，并采取合理的抑制和处理措施进行BOG回收，这不仅符合节能减排的方针政策，也是提高LNG装置的经济性、安全性、环保性的重要措施。

LNG加气站；蒸发气体；回收利用

1 BOG气体概述

蒸发天然气（Boil Off Gas，以下简称BOG）是液化天然气（Liquefied Natural Gas，以下简称LNG）在储罐内、工艺系统在生产运行中因吸收外部热量而气化的气体。LNG加气站中，通常将LNG储存在低温绝热储罐中，运行时经低温绝热的管道转移至潜液泵、加气机等设备中。虽然LNG储罐和运输设备都采用低温绝热结构，但设备、管道与外界环境仍不可避免地存在热量交换，加上LNG本身具有低温性、易蒸发等特点，在储存运输设备中难免会产生蒸发气体。此外在加气站的运行工艺流程中，储存运输设备散热、卸车和加气过程中的空间置换、LNG潜液泵运行时产生热量、环境大气压变化以及卸车时压力闪蒸等因素都会产生BOG气体[1]。一般在LNG加气站中，BOG产生的原因可以归结为以下几点：①储存运输设备漏热；②卸车和加气过程中的空间置换；③LNG潜液泵运行时产生热量；④其他一些原因，包括环境大气压变化以及卸车时压力闪蒸等。

2 LNG加气站工艺描述

LNG由LNG槽车运至加气站，在卸车处平衡储罐与槽车的压力后，再通过LNG潜液泵或增压器将槽车内的LNG输送到低温储罐储存。加气前使用增压器将LNG储罐中的饱和液体调至一定的压力(根据车辆需求确定)，当有车辆来加气时，通过潜液泵经加气机计量后进入到车载气瓶中（图1）。

3 BOG气体定量研究

BOG气体计算过程的工况繁多，为避免在系统

设计中顾此失彼，将LNG蒸发气（BOG）产生部位划分为储罐蒸发、管道吸热蒸发、卸车置换和泵做功等不同单元，分别对各流程单元进行蒸发气量计算，在计算过程中可以根据不同的设计工况将流程单元进行相应组合与调整。LNG加气站BOG气体计算基本参数如表1所示。

3.1 罐内自然蒸发

由于受太阳辐射和大气吸热，储罐内的LNG会自然蒸发。LNG加气站所采用的储罐蒸发率最大一般为0.3%，储罐充装率取90%，则站内储罐每小时自然蒸发量为：

将相关数据代入上式求得M1=2.96kg/h。

3.2 站内管道吸热

LNG加气站从储罐至潜液泵、再到加气机的管道中均充满低温LNG，因此在系统运行当中会从环境中吸热而导致部分LNG蒸发成为蒸发天然气（BOG），液相管道蒸发气量为：

加气站内液相管道每小时蒸发气量为M2=M泵前+ M泵后，泵前管道长L约10m，D=57mm，保冷厚度δ为100mm；泵后管道长L约20m，D=45mm，保冷厚度δ为100mm，求得M2=3.98kg/h。

3.3 卸车置换（储罐LNG外输）

LNG槽车到达站内卸车时，一般采用的是上进液喷淋的卸车方式，实际操作中进入储罐的部分蒸发气会被低温LNG冷凝，因此进入槽车的仅为气相平衡时的部分气体，而这部分气体在卸车完毕后会被槽车直接带走，变相地成为了加气站的气源损耗。而这部分气体主要来自于储罐内的LNG外输时（即正常的供给过往车辆加注燃料）储罐内产生的蒸发气量。泵工况时的小时流量约为17m3，采用等量置换的原则计算其小时最大蒸发气量为：

代入相关数据，求得M3=171.14kg/h。

3.4 泵做功

LNG加气站正常加气时，潜液泵将从储罐中输出的LNG通过管道输送至LNG加气机，通过加气机将LNG加注给过往的受气车辆。此时，LNG获取的热量主要来自于潜液泵工作产生的热量和泵桶吸热产生的BOG，则潜液泵每小时做功产生并返回储罐的蒸发气量为：

其中F泵为潜液泵正常工作时的功率取11kW，Q循环、Q正分别为保冷循环流量和正常输送时的流量，分别取LNG潜液泵最大流量的25%和85%，则泵正常工作做功时每小时产生的最大蒸发气量M4= 22.70kg/h[2]。

3.5 计算结果

计算LNG加气站产生的BOG量分为以下几种情况。①日供气规模达到最大时的小时最大BOG产生量：罐内自然蒸发+管道吸热+泵做功=29.64kg/h；罐内自然蒸发+管道吸热+卸车置换+泵做功= 200.78kg/h。②日供气规模为最小时（以日供气能力为0m3/d计入）的小时最大BOG产生量：罐内自然蒸发+管道吸热=6.94kg/h；罐内自然蒸发+管道吸热+卸车置换=178.08kg/h。

综上所述，在正常工况的操作期间，BOG的小时最小产生量为6.94kg/h，BOG的小时最大产生量为200.78kg/h。

当LNG加气站日供气能力达到2.0×104m3/d（标准状态）时，潜液泵的工作时间约为2h；卸车时由于采用的是潜液泵和卸车增压器联合卸车的方式，槽车卸完一车LNG原料气时，潜液泵工作时间约1.5h。①日供气规模为最小时（以日供气能力为0m3/d计入）的日最大BOG产生量为：（罐内自然蒸发+管道吸热）×24=166.57kg/h。②日供气规模达到最大时的日最大BOG产生量为：（罐内自然蒸发+管道吸热）×24+卸车置换×1.5+泵做功×2=468.68kg/h。

综上所述，可知对BOG数量影响最大的为卸车

置换单元，其次为加气站正常工作时泵做功产生的蒸发气量。当LNG加气站日供气能力达到设计规模2.0×104m3/d（标）时，平均每1.5天需要卸车1次，则每月需卸车约20次，标态下天然气的密度取0.717 kg/m3（标），年工作时间按350天计入，根据上述资料，可得到计算统计数据（表2）。

3.6 BOG可回收量的测算

根据表2统计数据可知，当LNG加气站达到设计规模2.0×104m3/d（标）时，BOG的日最大产生量为653.67m3/d（标）。考虑到LNG加气站的不间断运行、保证系统的正常工作等因素，加气站可以回收利用的BOG气体，仅为系统因超压放散与LNG槽车残压的回收两部分。

3.6.1 LNG储罐BOG排放量的确定

LNG储罐BOG回收压力设置为：按标准60m3储罐计算，气体以标准状态为基准，当储罐压力为0.9MPa时开始排放，压力降至0.8MPa时停止排放，则日最大可收集的BOG气体量为V0=V日-V罐=175.87m3。

3.6.2 LNG槽车BOG可回收排量的确定

LNG槽车容积按50m3计算，气体以标准状态为基准，因一般卸液结束时，槽车压力在0.4MPa，则LNG槽车可回收的BOG量约为200m3[3]。

3.7 BOG制气研究结论

从以上的计算数据可知，当加气站正常运行时，蒸发气体（BOG）量主要跟加气站的日供气规模有关，即日供气能力越大，其BOG产生的量相应也会越大。

在实际运行当中，系统发生的气源损耗量大多为LNG槽车在卸车完毕后带走的残压、部分因系统超压而排放的气体和非正常工况下的事故排放。值得注意的是，由于购销气量的变化，会导致BOG的产生量发生变化，相应的原材料损耗部位也会以不同形式体现出来[4]。经研究显示，LNG加气站在实际运行当中，其气体的损耗主要体现在卸车单元损耗和系统的超压放散两个方面：

1）因为LNG加气站目前采用的卸车工艺主要为上进液喷淋的方式，操作中进入储罐的部分BOG气体会被低温LNG冷凝再液化，此时因超压而放散的气源损失就会越少，它的损失量仅为被LNG槽车带走的具有一定压力但不能回收的气体。受LNG加气站原本储存容积的限制，由于卸车次数的增加，被LNG槽车带走的残压气体就越多，加气站系统的气源损耗重点就会偏移至卸车单元。

2）当加气站日供气规模减小，甚至趋近为零时，因卸车次数的减少，槽车可回收带走外运的气体就越少。当BOG产生量达到一定数量，并达到系统安全运行压力的限值时，为保证系统的安全运行，这时超压安全放散系统就会开始工作，加气站的气体损耗重点就会偏移至超压卸放单元。

综上所述，不论LNG加气站的气体损耗偏重于哪个单元，其实质都是因为BOG的产生而造成的一系列损耗，只要设置合理的BOG回收工艺系统，就可使整个加气站的运行损耗降至可控的、经济的范围内。

4 BOG回收工艺流程

通常LNG储罐的日蒸发率约为0.3%，这部分BOG气体如果不及时排出，长时间累积会造成储罐压力升高，导致LNG加气站超压放散，为回收这部分气体，场站可增设一套BOG回收装置，通过与储罐压力联锁,控制BOG的排出。由储罐蒸发和槽车卸车产生的BOG，通过空温式气化器加热(当环境温度低于5℃时，BOG气体经空温式气化器加热，再经过水浴式电加热器复加热升温)使其出口气体温度升高至5℃以上，通过调压、计量、加臭后输送，可作为站内自用气（图2）。当BOG气体的产生量满足不了用户需求时，可将储罐内的LNG直接气化，来满足用户需求。通过增加BOG回收橇后，将原本需要放散的气体进行回收利用，达到节能减排的效果。

5 回收效益分析

5.1 经济效益分析

一座设计规模为2.0×104m3/d（标）LNG加气站，设置一套BOG回收装置满足周边用户供气。回收系统的设备投资约为15万元，管道等投资约为35万元，通过将原本放空的BOG气体进行回收，每年回收的BOG气体约为11.22×104m3（标）。按照原料价格3.5元/m3（标）计算，每年回收的BOG气体价值

约为39.27万元，大概1.27年就可以回收投资，以后的回收就是净赚，因此经济效益较好，应积极推广。

5.2 碳减排效益分析

近年来，全球变暖已成为全世界最关心的环保问题，造成全球变暖的主要原因是大量的温室气体产生，而温室气体的主要组成部分就是二氧化碳（CO2），而二氧化碳的大量排放是现代人类的生产生活造成的，归根到底是大量使用各种化石能源（煤炭、石油、天然气）造成的，天然气为清洁能源，可以有效地减少碳排放。

5.2.1 同等热值的天然气替代原煤换算

10000m3（标）天然气的热值为（天然气低位发热量为35 588kJ/m3）：10 000×35 588=355 880 000kJ；那么相当于燃烧原煤的质量为（原煤低位发热量为20 934kJ/kg）：355 880 000÷20 934=17 000kg。

5.2.2 同热值天然气和原煤CO2排放量计算

10 000m3（标）天然气燃烧释放的CO2量为（天然气燃烧碳排放系数为0.444kg-C/kg）：10 000×0.72× 0.444=3 196.8kg；17 000kg原煤燃烧释放的CO2量为（原煤燃烧碳排放系数为0.748kg-C/kg）：17 000× 0.748=12 716.07kg。

由计算可知每10 000m3（标）天然气燃烧相比原煤碳排放减少量为12716.07kg-3196.8kg=9519.27kg[5]。

5.3 环保效益分析

从环保角度看，通过回收利用原有LNG加气站内蒸发的天然气，不仅减少了场站内天然气损耗量，同时替换原有燃料煤，大大地降低了二氧化碳排量，是一项环保建设工程，环境效益十分显著。另一方面，使用天然气相应地替代和节约了如煤、油、电等其他能源，年替代标准煤情况如表3所示。

该项目实施具有较好的节能效益，利用清洁能源的同时也改善了投资环境，能拉动国民经济的快速增长，是一个节能型的项目。

6 结论

随着LNG的不断推广利用，应用过程中BOG气体的回收利用问题将变的更为突出。通过确定科学合理的BOG气体回收方案对LNG加气站生产过程中产生的BOG予以回收，不但具有变废为宝的经济效益，而且能达到节能减排和保护环境的良好效果，无论从安全管理还是节能环保方面意义均重大。

[1]刘新领.LNG汽车加气站蒸发气体(BOG)产生量过大原因分析及对策[J].燃气技术，2013(8):15-18.

[2]翟俊红,鹿晓斌,曲顺利,等.大型LNG储备站蒸发气(BOG)产生量及其特点的分析[J].山东化工，2015，44(4):91-94.

[3]刘婷玉，段海斌.LNG加气站BOG回收利用技术研究进展[J].石化技术，2016(2):30-31.

[4]向丽君,全日,邱奎,等.LNG接收站BOG气体回收工艺改进与能耗分析[J].天然气化工(C1化学与化工),2012,37 (3):48-50.

[5]杜鹃,于海亮.浅析东莞市建设LNG加气站的可行性[J].科技致富向导,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

学敏

2016-07-15

张鹏（1978-），男，工程师，主要从事城市燃气加气站施工管理工作。