蒸发气回收原理

　　BOG回收主要根据不同物质的物理性质差异，采用相应的技术手段对BOG进行收集、处理和再利用。常见的回收原理包括以下几种：

　　利用压力和温度变化的原理

　　1.再冷凝工艺原理

　　热交换工艺：再冷凝工艺是BOG回收的常用方法，主要应用于LNG接收站等场景，其原理是基于不同温度下物质之间的热交换。BOG是在LNG储存过程中产生的，由于外界热量的引入，部分LNG蒸发形成BOG，这部分BOG的温度较高，呈气态。再冷凝器引入从LNG储罐抽出的低温LNG液体，液体温度通常在-162℃左右。当BOG与低温LNG液体在再冷凝器内充分接触时，热量会从温度较高的BOG传递给低温LNG液体。

　　BOG液化过程：随着热量的传递，BOG的温度逐渐降低，当BOG温度降到其露点温度以下时，BOG中的气态分子会逐渐聚集形成液体，从而实现BOG的再液化。再液化后的BOG恢复为LNG液态，可运回LNG储罐储存。这不仅实现了BOG的回收，减少了BOG排放对环境的影响，而且避免了能源浪费，提高了LNG储运过程中的能源利用效率。

　　2、压缩冷凝原理

　　BOG压缩过程：压缩冷凝原理也是利用BOG的物理性质来实现回收的。首先BOG经过压缩机压缩，BOG在常温常压下通常为气态，体积较大，压缩机通过机械功吸入并压缩BOG气体，使其压力升高、体积缩小。在压缩过程中，BOG气体分子间距离缩短，分子运动速度加快，导致BOG温度升高。这是因为压缩过程是绝热过程，外界对气体所做的功全部转化为气体的内能，从而使气体的温度升高。

　　冷凝过程：BOG经过压缩后，温度、压力大幅升高，此时高温高压的BOG被引入冷凝器。冷凝器通常采用水冷或风冷，通过与冷却介质(如水或空气)进行热交换将BOG中的热量传递出去，随着热量的不断散发，BOG的温度逐渐降低，当BOG的温度降到其露点温度以下时，BOG中的气态分子开始凝结成液体，通过这种压缩冷凝的方式，原本气态的BOG就转化成液体，实现了BOG的回收。回收后的液态BOG可以根据实际需要进行储存、运输或进一步加工利用。这种方法在一些小型LNG加气站或工业生产现场应用较为广泛，因为它的设备比较简单，操作方便，可以满足小规模BOG回收的需要。

　　基于吸附的原理

　　1、吸附剂对BOG的吸附过程

　　吸附剂特性：吸附分离技术是BOG回收的重要方法之一，其原理是基于吸附剂对BOG中不同组分的选择性吸附特性。常用的吸附剂如活性炭、分子筛、活性氧化铝等，具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，这些孔隙大小不一，从微孔到中孔不等。较大的比表面积使得吸附剂能够提供更多的吸附位点，从而增强对BOG中各组分的吸附能力。丰富的孔隙结构为气体分子的扩散吸附提供了通道，使得BOG中不同组分能够根据自身分子大小和形状的差异，选择性地进入吸附剂的孔隙中，并吸附在孔隙表面。

　　吸附过程：在BOG回收过程中，BOG气体首先经过预处理系统，除去其中可能含有的固体颗粒、水分等杂质，避免这些杂质污染或堵塞吸附剂，影响吸附剂的吸附性能和使用寿命。预处理后的BOG气体进入吸附塔，与塔内装填的吸附剂充分接触。由于分子大小、形状、极性等物理化学性质的差异，BOG中不同组分在吸附剂表面的吸附能力也不同。例如，对于一些分子较小、非极性或弱极性的气体组分，如甲烷，由于其分子尺寸与吸附剂孔径匹配性比较好，与吸附剂表面作用力较弱，因此在吸附过程中甲烷分子比较难被吸附剂吸附，但较容易穿过吸附剂孔隙从吸附塔出口流出。相反，对于一些分子较大、极性较强的气体组分，如二氧化碳、硫化氢、水等，由于其分子尺寸大，与吸附剂表面作用力强，因此在吸附过程中这些气体组分较容易被吸附剂吸附，在吸附剂表面发生物理吸附或化学吸附，从而被截留在吸附剂孔隙中，随着吸附过程的继续，吸附剂表面的吸附位点逐渐被占据。当吸附剂达到饱和吸附状态后，其对BOG中杂质气体的吸附能力明显下降，此时需要对吸附剂进行再生，以恢复其吸附能力。

　　2、吸附剂再生原理

　　降压脱附原理：吸附剂再生是实现BOG连续回收的关键环节，降压脱附是吸附剂再生常用方法之一，其原理是基于气体在吸附剂表面的吸附平衡与压力的关系。当吸附剂在一定压力下吸附BOG中的杂质气体，达到饱和吸附状态时，吸附剂表面的气体分子与吸附剂之间存在动态吸附平衡。在此平衡状态下，单位时间内吸附到吸附剂表面的气体分子数等于从吸附剂表面解吸(脱附)回到气相的气体分子数。当对吸附饱和的吸附剂降压时，吸附剂周围气相内的压力迅速降低。根据气体吸附的物理化学原理，压力的降低会打破原有的吸附平衡，使从吸附剂表面解吸回到气相的气体分子数大于吸附在吸附剂表面的气体分子数。这样，​​随着降压过程的继续，吸附在吸附剂表面的杂质气体分子就会逐渐解吸释放到气相中，从而实现吸附剂的再生。经过降压解吸再生后，吸附剂表面的吸附位点又被释放出来，吸附剂恢复了对BOG中杂质气体的吸附能力，可以再次投入到BOG的吸附回收过程中，实现吸附剂的循环利用。

　　温度解吸原理：温度解吸是另一种常见的吸附剂再生方法，其原理是基于气体在吸附剂表面的吸附平衡与温度的关系。当吸附剂在某一温度下吸附BOG中的杂质气体，达到饱和吸附状态时，吸附剂表面的气体分子与吸附剂之间存在动态吸附平衡。在此平衡状态下，单位时间内吸附到吸附剂表面的气体分子数等于从吸附剂表面解吸(脱附)回到气相的气体分子数。当提高已吸附饱和的吸附剂温度时，吸附剂的温度迅速上升。根据气体吸附的物理化学原理，温度的升高使气体分子的热运动能增大，使气体分子更容易克服与吸附剂表面的相互作用力，从而从吸附剂表面解吸回到气相。这样，随着温度上升过程的继续，吸附在吸附剂表面的杂质气体分子将逐渐解吸并释放到气相中，从而实现吸附剂的再生。升温脱附再生后，吸附剂表面吸附位点再次释放，吸附剂恢复对BOG中杂质气体的吸附能力，可再次投入BOG的吸附回收工艺，实现吸附剂的循环利用。实际应用中，可根据吸附剂类型、BOG成分、实际操作工况等因素，选择并组合降压脱附和升温脱附两种方式，以达到最佳的吸附剂再生效果和BOG回收效率。

　　基于膜分离原理

　　1.膜对BOG中不同组分的选择性渗透过程

　　膜特性：膜分离技术在BOG回收领域具有重要的应用价值，其原理是基于专用膜材料对BOG中不同组分的选择性渗透特性。用于BOG回收的膜材料通常具有高度有序的微结构和特定的化学组成，这赋予了膜材料选择性渗透不同气体分子的能力。膜材料微结构中存在大量纳米级孔隙或通道，这些孔隙或通道的尺寸和形状与不同气体分子的尺寸和形状具有一定的匹配关系。同时，膜材料的化学组成决定了其表面具有特定的化学性质，如极性、电荷分布等，这些化学性质影响气体分子与膜表面的相互作用，从而进一步影响气体分子在膜中的渗透行为。

　　选择性渗透过程：在BOG回收过程中，BOG气体首先经过预处理系统，除去其中可能含有的固体颗粒、水分、油滴等杂质，避免这些杂质对膜材料造成污染、堵塞或损伤，影响膜的分离性能和使用寿命。预处理后的BOG气体进入膜分离装置，与膜材料接触。在膜分离装置中，BOG气体在膜两侧压差的作用下，扩散到膜表面并与膜材料发生相互作用。由于膜材料对BOG中不同组分具有选择性渗透的特性，不同气体分子在膜中的渗透行为有所不同。例如对于甲烷等轻烃气体，其分子直径相对较小，与膜材料中孔隙或通道的尺寸更加相容，甲烷分子与膜表面的相互作用较弱。因此在膜两侧压差的作用下，甲烷分子更容易穿过膜材料中的孔隙或通道，从膜的进料侧渗透到渗透侧，形成富含甲烷的渗透气。相反，对于二氧化碳、硫化氢、水等杂质气体，它们的分子直径相对较大，与膜材料中的孔隙或通道尺寸的兼容性较差，这些杂质气体分子与膜表面的相互作用较强。因此在膜两侧压差的作用下，这些杂质气体分子更难穿过膜材料中的孔隙或通道，大部分被截留在膜的进料侧，形成富含杂质气体的截留气体。通过该膜对BOG中不同组分的选择性渗透过程，实现了BOG中甲烷与杂质气体的分离，提高了BOG中甲烷的纯度。回收的富甲烷渗透气可根据实际需要进行储存、运输或进一步加工，如作为燃料用于发电、供热等领域，或作为化工原料用于生产合成气、甲醇等化工产品。

　　2.膜分离的影响因素及优化措施

　　影响因素

　　膜材料性能：膜材料的化学组成、微观结构、孔隙率、孔径分布等性能对膜分离性能起着决定性的作用。不同的膜材料对BOG中各组分的选择渗透能力不同，影响膜分离的效果和甲烷的回收率。例如，聚合物膜材料具有良好的柔韧性和加工性能，但其化学稳定性和耐高温性能相对较差;陶瓷膜材料具有较高的化学稳定性、耐高温性能和机械强度，但其制备工艺复杂，成本较高。因此，在选择膜材料时，需要综合考虑BOG的组成、操作条件、分离要求和成本等因素，选择合适的膜材料，以满足实际应用的需求。

　　操作条件：温度、压力、气体流速等操作条件对膜分离过程也有重要影响。温度的变化会影响气体分子的热运动能和膜材料的物理化学性质，从而改变膜中气体分子的渗透速率和选择性。一般来说，在一定范围内，温度升高会增加气体分子的热运动能，从而加快气体分子在膜中的渗透速率，但也可能引起膜材料物理化学性质的变化，如膨胀、收缩或膜孔结构改变，从而影响膜对不同气体分子的选择性渗透能力。因此，在实际操作中，需要根据膜材料性质和BOG的组成选择合适的操作温度，以获得最佳的膜分离效果。压力是膜分离过程中另一个重要的操作参数，膜两侧的压力差是气体分子在膜中渗透的驱动力。一般而言，在一定范围内，增大膜两侧压差，可以提高膜内气体分子的渗透速率，从而提高膜通量和甲烷的回收率。但过高的压差可能造成膜材料损坏或变形，缩短膜的使用寿命，同时也会增加设备的投资和运行成本。因此，在实际操作中，需要根据膜材料性质、设备耐压能力、经济成本等因素，合理控制膜两侧压差，以保证膜分离过程的稳定运行和高效回收。气体流速也是影响膜分离过程的重要因素，会影响气体分子在膜表面的传质速率和停留时间。一般而言，在一定范围内，增大气体流速，可以提高气体分子在膜表面的传质速率，减少气体分子在膜表面的浓差极化现象，从而提高膜的分离性能和甲烷的回收率。但气体流速过高，可能造成气体分子在膜内的穿透时间过短，不能充分实现膜对不同气体分子的选择性渗透，从而降低膜的分离效果。另外，气体流速过高还会增加设备的压降和运行成本。因此，在实际操作中，需要根据膜材料性质、膜面积、BOG成分等因素，合理控制气体流速，以获得最佳的膜分离效果和经济效益。

　　BOG组成：BOG成分复杂多样，不同来源的BOG中各组分含量及比例差异很大，这些差异会直接影响膜分离效果和甲烷回收率。例如对于一些含有高浓度二氧化碳、硫化氢等酸性气体的BOG，这些酸性气体不仅会对膜材料造成腐蚀损伤、缩短膜的使用寿命，还会与膜表面发生化学反应，改变膜的物理化学性质，从而影响膜对不同气体分子的选择透过性，降低膜的分离效果和甲烷回收率。此外，BOG中还可能含有一些水分、油滴、固体颗粒等杂质，这些杂质会对膜材料造成污染、堵塞或磨损，影响膜的分离性能和使用寿命。因此，膜分离前需要对BOG成分进行详细分析，并根据分析结果采取相应的预处理措施，如去除酸性气体、去除水分和杂质等，以提高BOG品质，保护膜材料，确保膜分离工艺稳定运行和高效回收。

　　优化措施

　　膜材料的改性与优化：为了提高膜材料的性能，满足不同应用场景对膜分离的要求，可以对膜材料进行改性和优化。膜材料的改性常用方法有物理改性、化学改性和表面改性。物理改性法主要通过改变膜材料的微结构，如孔隙率、孔径分布等来改善膜的分离性能。例如，在采用相转化法制备聚合物膜时，可以通过调节铸膜液的组分、温度、湿度以及凝胶浴的条件来控制膜的微结构，从而得到具有不同孔隙率和孔径分布的膜材料，以满足不同分离体系对膜的要求。化学改性法主要在膜材料的分子链中引入特定的功能基团，改变膜材料的化学性质，从而提高膜的分离性能和抗污染能力。例如，对于聚砜(PSF)膜材料，可以通过磺化反应在其分子链中引入磺酸基团(-SO3H)，制备磺化聚砜(SPSF)膜材料。磺酸基团的引入不仅增加了膜材料的亲水性，使其更容易与水分子发生作用，从而提高膜对水的渗透通量，而且可以增强膜材料对某些带电粒子或极​​性分子的吸附和排斥作用，从而提高膜的分离性能和抗污染能力。表面改性法主要通过对膜材料表面进行处理，改变膜表面的物理化学性质，如表面粗糙度、表面能、表面电荷分布等，从而提高膜的分离性能和抗污染能力。例如，对于陶瓷膜材料，可以通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溶胶-凝胶等方法在其表面制备一层具有特定功能的薄膜，如亲水膜、抗污染膜、选择渗透膜等。这些薄膜的引入，不仅可以改变膜表面的物理化学性质，提高膜的分离性能和抗污染能力，还可以在一定程度上保护膜材料的本体结构，延长膜的使用寿命。通过对膜材料的改性和优化，可以获得分离性能、抗污染能力和稳定性更好的膜材料，以满足不同应用场景对膜分离的要求，提高BOG回收的效率和质量。

　　操作条件优化：操作条件优化是提高膜分离效率和稳定性的关键环节。实际操作中，需要根据膜材料性质、BOG组分、分离要求等因素，对温度、压力、气体流量等操作条件进行优化，以获得最佳的膜分离效果。对于温度优化，需要综合考虑膜材料的热稳定性、气体分子在膜内的渗透行为以及膜对不同气体分子的选择性渗透性等因素。一般而言，在膜材料的热稳定范围内，适当提高操作温度，可以加快气体分子在膜内的渗透速率，提高膜的通量，但同时也要避免温度过高导致膜材料理化性质发生变化，影响膜的选择性渗透性。因此，实际操作中需要通过实验或模拟计算确定适合膜材料和BOG组分的最佳操作温度范围。对于压力的优化，需要考虑膜材料的耐压性能、设备的安全运行、膜分离的效果等因素。在保证膜材料和设备安全运行的前提下，适当增加膜两侧的压差，可以提高膜内气体分子的渗透速率，提高膜的通量和甲烷的回收率。但过高的压差可能造成膜材料的损坏或变形，缩短膜的使用寿命，同时也会增加设备的投资和运行费用。因此，在实际操作中，需要根据膜材料性质、设备耐压性能、经济成本等因素，合理控制膜两侧的压差，确定最佳操作压力范围。对于气体流量的优化，需要考虑气体分子在膜表面的传质速率、停留时间、膜对不同气体分子的选择渗透性等因素。在一定范围内，提高气体流量可以提高气体分子在膜表面的传质速率，降低气体分子在膜表面的浓差极化现象，从而提高膜的分离性能和甲烷的回收率。但过高的气体流量可能导致气体分子在膜内的渗透时间过短，不能充分实现膜对不同气体分子的选择性渗透，从而降低膜的分离效果。另外，气体流量过高还会增加设备的压降和运行成本。因此，在实际操作中，需要根据膜材料性质、膜面积、BOG成分等因素，合理控制气体流量，确定最佳操作气体流量范围。