LCNG加气站冷能用于油气回收的初步方案

中国石化销售有限公司河南分公司 克红娟

上海交通大学制冷与低温工程研究所 阮斌辉 林文胜 邱 维

LCNG加气站冷能用于油气回收的初步方案

中国石化销售有限公司河南分公司 克红娟

上海交通大学制冷与低温工程研究所 阮斌辉 林文胜 邱 维

文章提出了一套将LCNG加气站冷能用于油气回收的低温蓄冷系统。由于LNG气化供气的不连续，无法持续稳定地提供冷量，提出采用蓄冷的方式来利用冷能，并且详细介绍了该低温蓄冷系统的工作流程。低温相变材料以及相应载冷剂都是该系统的关键组成部分。文章文献中的油气组分数据进行了处理，得出：为了达到油气回收的要求，低温蓄冷的温度应在-110 ℃以下。对常见有机物进行了筛选比较，发现相变温度为-114.1 ℃的乙醇是比较合适的低温相变材料，并且通过分析比较，选用丙烷作为合适的载冷剂。最后，以实际加油站为例，计算分析了该系统能够带来的经济效益。

LCNG加气站 LNG冷能 油气回收 低温蓄冷

0 引言

LCNG加气站以LNG为气源为CNG汽车加气，是一种正在兴起、具有良好推广应用前景的加气站类型。它以液相、低温的天然气进站，通过液相泵加压、气化后实现对汽车加气，无需高耗电量和噪音大的气体压缩机，是一种投资省、占地少、能耗低、噪音小、充装速度快、不依赖管网和灵活方便的多功能加气站。随着我国液化天然气工业的快速发展，这种具有较多优势的加气站类型必将很快得到推广应用。

LNG储存温度在-161.5 ℃，具有高品位的低温冷能。然而在LCNG加气站中传统的LNG气化工艺是空温式气化，大量冷能被空气带走，造成大量浪费。同时，LNG与周围空气进行热交换后使气化器周围降温至水蒸气露点温度以下，造成大量雾气，严重时甚至影响站场周围人们的交通、生活。所以，回收利用 LCNG加气站的冷能应该引起重视。

石油及其产品是多种碳氢化合物的混合物，其中轻组分在常温下蒸气压较高，极易挥发，故在油品从油库到加油站再到用户的整个储运过程中，广泛存在着油品蒸发损耗的问题。油品蒸发损耗给企业和社会带来诸多严重危害，如降低油品质量、环境污染、资源浪费、造成火灾隐患以及危害人身安全等。据表1的趋势预测，我国加油站在2030年油气排放量将达1 196×103t，经济损失达几十亿人民币。因此，对油蒸气进行回收势在必行，而油气回收装置则是石油生产、储存和运输中不可或缺的配套工程设施。

表1 我国加油站油品消耗量、VOC排放量增长趋势预测

冷凝法油气回收因其运行成本低、投资回报高被广泛应用。为了达到《加油站大气污染物排放标准》(GB 20952—2007)所要求的排放的油气质量浓度(非甲烷总烃含量)不高于25 mg/L和处理效率不低于95%，冷凝法油气回收采用多级复叠或自复叠制冷技术，系统流程相当复杂，最后一级要冷凝至-110 ℃，使得系统能耗大大增加，其设备耗电量为0.17~0.25 kW·h/m3。按照预测的2030年油气排放量计算，冷凝法回收这些油气需要耗电(2.3~3.4)×108kW·h，而LNG储存温度在-160 ℃左右，如果用 LNG的冷能来代替这些冷量将节约不少成本。

由于城市规划的限制，新增加油、加气站在许多地区都较为困难，所以，作为较为新型的天然气加气站，很有可能是在原有加油站范围内建设，形成油气混合站，LCNG加气站也是如此。在这样的油/LCNG共建站中，正好可以利用LNG冷能来回收油气。

1 LCNG加气站冷能用于油气回收系统

在LCNG加气站中，由于LNG气化供气不连续，无法持续稳定地提供冷量，所以需要采用蓄冷的方式，在 LNG的冷能过多时将其储存于相变材料中，在没有气化供气时相变材料融化释放冷量。

该蓄冷装置与常规的冰蓄冷有所不同。常规冰蓄冷一般在夜里用廉价电制冰，白天化冰释放冷量，蓄冰和融冰分开进行。在油/LCNG共建站中，提供冷量来回收油气的同时，LNG会间歇地气化向蓄冷槽供冷，所以蓄冷装置必须能够同时蓄冷和供冷，以保证系统的正常运行。系统流程如图1所示。

系统中，LNG从LNG储罐1流出，经低温高压泵2加压到25 MPa后进入蓄冷槽3的盘管内与相变材料换热，把冷量传递给相变材料。相变材料吸收冷量后开始凝固。

温度较高的载冷剂由低温泵4送入蓄冷槽3取冷，融化相变材料。之后，载冷剂将冷量带到油气换热器7中。油气先经过过滤器8除去其中的水分和尘埃，再进入换热器7吸收冷量冷凝，同时，吸收热量升温的载冷剂回到溶液储罐6中，再由泵送出，在系统中循环。

经过蓄冷槽3的LNG最后经过末端的空温式换热器5达到需要的温度。

系统分两个工作状态：(1)取冷状态：此时LNG不需要气化，所以没有提供冷量，只有载冷剂不断地和相变材料换热取冷；(2)边蓄边供状态：此时LNG向蓄冷槽提供冷量，同时载冷剂从蓄冷槽取走冷量。

图1 LCNG加气站冷能用于油气回收系统

2 蓄冷相变温度和相变材料

本文共收集了 20组在文献中提到的详细油气组分，如表2所示。

表2 文献中提到的不同油气的组分体积分数(%)

其中，水蒸气、C1~C6和C6+的组分不等，空气的体积分数为57.13%~85.01%。

用HYSYS进行模拟，发现需要达到表3所示的冷凝温度，才能达到排放标准。从表3可以看到，需要达到的冷凝温度集中在-106.7~-84.3 ℃。当冷凝温度达到-106.7 ℃时就能冷凝回收所有油气达到排放标准。考虑传热温差，相变材料的相变温度必须低于-110 ℃，这在已有的商用和实验室用的相变材料中是前所未有的。Koizumi等人在专利中提出采用质量分数 80%以上的乙醇水溶液作为低温相变材料，并在其中加入了表面活性剂，但其相变温度不低于-100 ℃，这也是相关专利中能够达到的最低的相变温度。

表3 每种组分对应的冷凝温度和相应回收率、排放量

在有机物手册和制冷剂中寻找合适的相变材料，符合要求的常见有机物如表4所示。乙醇的相变点离-110 ℃比较接近，并且有较大的融化焓值，容易获得，是合适的相变材料。

表4 较符合要求的常见有机物的物性

3 载冷剂的选择

常规冰蓄冷系统一般选用乙二醇水溶液作为载冷剂，但是在上述的蓄冷系统中，相变材料的蓄冷温度过低，容易导致乙二醇水溶液结冰，所以需要选用合适的载冷剂来携带冷量。有机物一般凝固温度较低，所以在有机物中进行了寻找。

作为载冷剂，在低温下应该有较小的粘度，以及较好的导热性能。烷烃类物质化学性质比较稳定，而且在低温下粘度较小，导热系数较大，所以选择了常见而且容易获得的丙烷作为载冷剂。

4 经济效益

在普通油气站中，以中石化第68加油站为例，去年销售汽油5 000 t，如果挥发率为千分之五，那么一年挥发的油气可达到 25 t。HYSYS上模拟得到，用常规冷凝法回收这些油气需要提供冷量1.2×107kJ。如果利用LNG为油气冷凝提供高品位的冷能，在一个普通的 LCNG加气站中(若两天用完50 m3LNG)，每年能够至少提供1.5×108kJ冷量(假设在冷能利用系统中LNG经低温高压泵加压到25 MPa，通过装有乙醇的蓄冷槽，出口温度为-120 ℃)，供应量远大于油气回收需要的冷量。

目前，常用的冷凝法油气回收设备耗电量为0.17~0.25 kW·h/m3，上述第68加油站回收25 t油气需要耗电(4.9~7.1)×103kW·h，如用LNG的冷量来回收油气，可为该加油站每年节省常规冷凝法耗电费用3 500~4 900元(电价0.7元/kW·h)，一年回收的油气价值可达17.5万元(汽油价格7 000元/t)。

5 结语

LCNG加气站在我国具有良好的推广应用前景。在LCNG加气站中，LNG的高品位冷能利用应予以重视。本文提出了一套将LCNG加气站冷能用于油气回收的低温蓄冷系统，介绍了该系统的流程。通过计算，确定了低温蓄冷的温度应在-110 ℃以下，并选择相变温度为-114.1 ℃的乙醇作为蓄冷材料，丙烷作为载冷剂。最后，以中石化第 68加油站为例，计算了该方案能够带来的经济效益，每年可以节省常规冷凝法耗电费用3 500~4 900元(电价0.7元/kW·h)，一年回收油气价值可达17.5万元(汽油价格7 000元/t)。

Preliminary Scheme of Oil Vapor Recovery Using LNG Cold Energy in LCNG Filling Station

Sinopec Sales Co., Ltd. Henan Branch Ke Hongjuan
Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University
Ruan Binhui Lin Wensheng Qiu Wei

This paper proposes a low temperature cold energy storage system for the use of cold energy in LCNG filling station for oil vapor recovery. As the LNG gasification is discontinuous and the station can’t produce cold energy steadily, this paper proposes to store the cold energy,and the working process of such system is introduced in detail.The datum of the oil and gas components is dealt in detail and the conclusion is thatlow temperature phase change material and the corresponding secondary refrigerant is the key component of this system.After comparison,ethanol is the suitable phase change material and propane is the suitable secondary refrigerant. Finally, the economic benefit of the system is analyzed with an actual gas station.

LCNG filling station, LNG cold energy, oil vapor recovery, low temperature cold energy storage