新型煙氣自擊回旋濕式LNG氣化裝置的研究設(shè)計(jì)_工程實(shí)踐

摘要

LNG加熱氣化裝置是LNG應(yīng)用過(guò)程中不可缺少的重要裝備，對(duì)高效利用LNG有著至關(guān)重要的作用。對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的LNG加熱氣化裝置進(jìn)行了性能研究并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合

摘要：LNG加熱氣化裝置是LNG應(yīng)用過(guò)程中不可缺少的重要裝備，對(duì)高效利用LNG有著至關(guān)重要的作用。對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的LNG加熱氣化裝置進(jìn)行了性能研究并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合我國(guó)天然氣工業(yè)發(fā)展的實(shí)際情況，研究設(shè)計(jì)了一種新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置。為此，詳細(xì)介紹了該裝置采用的氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)、錐形煙氣噴口、煙氣再循環(huán)、自動(dòng)注水系統(tǒng)等創(chuàng)新技術(shù)，以及該裝置具有的熱效率高、啟動(dòng)快、氣化速率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、不受環(huán)境條件影響等特點(diǎn)。因其符合節(jié)能環(huán)保要求，適用于天然氣供氣管網(wǎng)中因各種原因無(wú)法聯(lián)網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)立的中小規(guī)模區(qū)域、需要較大負(fù)荷變化范圍的調(diào)峰區(qū)域、需要特殊供氣的區(qū)域、需要迅速頻繁供氣或停氣的區(qū)域等。

關(guān)鍵詞：LNG；加熱氣化裝置；煙氣自擊回旋；氣流旋水子；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

液化天然氣(LNG)是將常溫常壓下呈氣態(tài)的天然氣冷凝而成的液體，天然氣液化后體積大大縮小，可有效節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間和運(yùn)輸成本，這也是LNG常用于貿(mào)易運(yùn)輸和戰(zhàn)略儲(chǔ)備的原因。然而，LNG在使用過(guò)程中，仍須加熱氣化到：工藝所需的壓力和溫度后，才可變成管道氣供輸配應(yīng)用，因此如何高效地實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，是有效利用LNG的關(guān)鍵之一。由此可見(jiàn)，LNG加熱氣化裝置是LNG應(yīng)用中不可缺少的重要設(shè)備。

天然氣管網(wǎng)布局時(shí)，總有一些管網(wǎng)敷設(shè)不到的地方，及由于地域等原因不適宜大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域，需要建設(shè)中小規(guī)模的供氣站自成一體獨(dú)立建網(wǎng)，接收LNG加熱氣化后供氣；另外，天然氣調(diào)峰站及需要迅速頻繁供氣或停氣的特殊供氣區(qū)域，也需要啟動(dòng)迅速、氣化速率快、熱效率高的加熱氣化裝置。因此，供氣管網(wǎng)中必需大量中小型LNG加熱氣化裝置，這類裝置是LNG輸配應(yīng)用系統(tǒng)中不可或缺的重要裝備。然而目前這類裝置主要依靠進(jìn)口，不僅價(jià)格昂貴，而且不完全符合我國(guó)天然氣工業(yè)的需要^[1～7]，國(guó)內(nèi)僅有的少量產(chǎn)品，也都以仿制國(guó)外產(chǎn)品為主，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，因此，開(kāi)發(fā)研究新型中小型LNG加熱氣化裝置的重要性和必要性是顯而易見(jiàn)的。

1 常用中小型LNG加熱氣化裝置

我國(guó)目前常用的LNG加熱氣化裝置^[8]主要有以下5種：

1.1 水加熱型氣化裝置

這類裝置用鋁合金支架固定安裝，其基本加熱元件是傳熱管，將若干根傳熱管與聯(lián)箱相連焊接成管板，再由若干塊管板組成氣化裝置，裝置頂部裝有噴淋器，水或海水噴淋在管板外表面上，加熱氣化在管內(nèi)流動(dòng)的LNG。這類裝置的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用較低，操作維護(hù)方便，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大；缺點(diǎn)是初期投資較大，氣化能力受氣候等因素的影響，工作時(shí)部分表面易結(jié)冰，降低傳熱效率，因而通常裝置的進(jìn)口水溫應(yīng)控制在5℃以上；這類裝置常用于基本負(fù)荷型的大型氣化場(chǎng)合。

1.2 浸沒(méi)式燃燒加熱型氣化裝置

這類裝置主要由外殼、燃燒器和盤(pán)管等部件組成，其工作過(guò)程是燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)噴氣管噴入水池與水直接接觸，激烈地?cái)噭?dòng)水，盤(pán)管浸沒(méi)在水池中，盤(pán)管內(nèi)的LNG與管外高度湍動(dòng)的水換熱，吸熱氣化。這類裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，傳熱效率高，初期投資較小；缺點(diǎn)是管子易腐蝕，對(duì)材質(zhì)要求高，運(yùn)行用電量大，成本較高。這類裝置可用于基本負(fù)荷或調(diào)峰狀態(tài)。

1.3 空氣加熱型氣化裝置

這類裝置常采用帶有翅片等擴(kuò)展表面的換熱管組成管排，多個(gè)管排組成整個(gè)裝置，LNG在換熱管中流動(dòng)若干個(gè)回程，空氣則在管排間橫向流動(dòng)沖刷換熱管，加熱LNG使之氣化。這類裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，管理維護(hù)方便；缺點(diǎn)是單位氣化容量的投資高，氣化過(guò)程受環(huán)境條件的影響，易發(fā)生結(jié)冰堵塞空氣流道的現(xiàn)象。這類裝置一般用于干燥地區(qū)且氣化量較小的場(chǎng)合，不宜用于中國(guó)東部沿海地區(qū)。

1.4 中間載熱介質(zhì)型氣化裝置

這類裝置主要由圓筒形外殼、加熱管束和被加熱管束等部件組成，外殼中充滿中間載熱介質(zhì)如水、乙二醇等，加熱管束和被加熱管束都浸沒(méi)在中間載熱介質(zhì)中，加熱管中引入余熱水或海水，以此加熱中間載熱介質(zhì)，中間載熱介質(zhì)再加熱被加熱管束中的LNG，使之升溫氣化。這類裝置的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)緊湊，占地?。蝗秉c(diǎn)是管束因防腐蝕而需采用合金材料。因此造價(jià)高，且啟動(dòng)較慢，綜合熱效率較低。這類裝置一般用于基本負(fù)荷型場(chǎng)合。為強(qiáng)化傳熱，現(xiàn)在這類裝置也有以燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?，并采取措施?qiáng)化中間載熱介質(zhì)的流場(chǎng)，從而提高了傳熱效果，增大了LNG氣化負(fù)荷，卻也增加了初投資和運(yùn)行費(fèi)用，但總體效果是可取的。

1.5 蒸汽加熱型氣化裝置

這類裝置運(yùn)行時(shí)，蒸汽在傳熱管束外流動(dòng)，LNG在管束內(nèi)流動(dòng)以吸收蒸汽放出的熱量而氣化。這類裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，可靠性強(qiáng)，溫度控制容易；缺點(diǎn)是需要蒸汽汽源，初期投資高，運(yùn)行費(fèi)用高。這類裝置適用于LNG運(yùn)輸船，在處理惰性氣體清除與純化、緊急供應(yīng)天然氣、液艙惰化等情況下，迅速氣化LNG或液氮等。

綜上所述，現(xiàn)有的LNG加熱氣化裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，也各有其適用場(chǎng)合，但在節(jié)能、耗材、使用等方面均有值得進(jìn)一步研究探索和改進(jìn)提高的地方，因此設(shè)計(jì)研究一種適用負(fù)荷范圍廣、供氣速度快、熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、不受環(huán)境約束、適用于中小型氣化站的新型LNG加熱氣化裝置是很有必要的，這也是天然氣工業(yè)迅速發(fā)展和天然氣大規(guī)模使用的必然趨勢(shì)。

2 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置

2.1 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的設(shè)計(jì)基本要求

1) 適用于天然氣供氣管網(wǎng)中因各種原因無(wú)法聯(lián)網(wǎng)的相對(duì)獨(dú)立的中小規(guī)模區(qū)域，或需特殊供氣的區(qū)域，裝置額定供氣量為500～2000m³/h。

2) 裝置啟動(dòng)快、氣化速率高，適用于負(fù)荷變化范圍較大的調(diào)峰狀態(tài)，或需要迅速頻繁供氣或停氣的區(qū)域。

3) 裝置運(yùn)行必須確保安全，具有行之有效的保護(hù)措施。

4) 裝置的熱效率高，排放污染小，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。

5) 在達(dá)到上述技術(shù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)初期投資小，運(yùn)行費(fèi)用低等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

6) 裝置具有獨(dú)創(chuàng)性和創(chuàng)新性，有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2.2 新型煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的設(shè)計(jì)方案

新型煙氣白擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，裝置采用燃料燃燒供熱，燃燒器安裝在裝置頂部的接口處，燃料燃燒產(chǎn)生的火焰向下噴射進(jìn)入燃燒室內(nèi)筒充分燃燒，所產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c從燃燒室內(nèi)、外筒間形成的夾套中噴出的再循環(huán)煙氣在圓錐形筒體中混合后，從煙氣噴口巾高速噴出，形成煙氣射流，噴向安裝在煙氣噴口正下方的、下部浸沒(méi)于水池中的傘形氣流旋水子，在氣流旋水子尖頂?shù)囊龑?dǎo)下，高速煙氣流沿氣流旋水子弧形外壁切向沖擊水面，濺出并卷吸水滴、霧和水蒸氣形成含濕煙氣流，與此同時(shí)煙氣還把熱量傳遞給水，使水池中的水吸熱升溫。含濕煙氣流在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下向上穿過(guò)上盤(pán)管，將熱量傳遞給上盤(pán)管內(nèi)流經(jīng)的LNG，在此過(guò)程中，LNG吸熱氣化，含濕煙氣流放熱降溫，其中所含水蒸氣在低于飽和溫度時(shí)，凝結(jié)放出氣化潛熱。此后煙氣流入煙道，循環(huán)風(fēng)機(jī)后的煙道分叉成二路，一路是排煙道，部分煙氣通過(guò)排煙道排入大氣，另一路是循環(huán)煙道，部分煙氣經(jīng)循環(huán)煙道重新流入加熱氣化裝置，與燃燒產(chǎn)生的煙氣混合，再次參加煙氣循環(huán)，在排煙道和循環(huán)煙道上分別裝有調(diào)風(fēng)門(mén)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量；而放出氣化潛熱后的水蒸氣則凝結(jié)成水滴，大部分在重力的作用下流回水池重新吸熱蒸發(fā)，再次參與循環(huán)，少部分夾帶在煙氣中排入大氣。在上盤(pán)管內(nèi)氣化的天然氣經(jīng)連通管流入下盤(pán)管，下盤(pán)管浸沒(méi)于水池中，天然氣通過(guò)管壁與水換熱，達(dá)到工藝所需的溫度和壓力后并入供氣管網(wǎng)，完成天然氣供氣和調(diào)峰的需求。為補(bǔ)充被煙氣帶走的水分，在燃燒室內(nèi)、外筒間形成的夾套頂部裝有環(huán)形注水管，與計(jì)量泵連接，由計(jì)量泵定時(shí)定量補(bǔ)充水分，以保持水池水位始終處于所需的狀態(tài)。

2.3 煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

上述設(shè)計(jì)方案是全新的，采用了多項(xiàng)先進(jìn)及創(chuàng)新技術(shù)^[10～11]，主要有：

1) 采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的傘形氣流旋水子部件，其結(jié)構(gòu)及效果示意圖如圖2所示，以達(dá)到煙氣含濕的目的，從而保證上盤(pán)管受熱面的安全運(yùn)行，強(qiáng)化傳熱。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①當(dāng)高溫?zé)煔馀c水大面積接觸時(shí)發(fā)生了熱質(zhì)交換，加熱并部分蒸發(fā)了水，適當(dāng)降低了煙溫，使流經(jīng)上盤(pán)管受熱面的煙氣溫度不致過(guò)高，能夠控制在天然氣燃點(diǎn)溫度650℃以下^[12]，從而確保加熱氣化裝置的安全運(yùn)行；②因?yàn)樯媳P(pán)管內(nèi)的工質(zhì)是溫度很低的LNG，適當(dāng)降低的煙溫將使上盤(pán)管受熱面內(nèi)外的工質(zhì)溫差不致太大，從而避免了盤(pán)管因熱應(yīng)力損壞，也避免了必須采用優(yōu)質(zhì)鋼材而使造價(jià)上升；③帶有水滴、霧和蒸汽的濕煙氣在換熱時(shí)，發(fā)生凝結(jié)放熱，從而有效地提高了傳熱效果。該技術(shù)是原始創(chuàng)新技術(shù)，因此采用該技術(shù)的LNG加熱氣化裝置是一種全新的設(shè)計(jì)。

2) 采用燃料燃燒供熱來(lái)加熱氣化I.NG的方案。該技術(shù)方案確保了用戶需要的供氣要求和參數(shù)，如供氣量、供氣壓力、供氣溫度、供氣負(fù)荷變化范圍及供氣速率等。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①能夠通過(guò)調(diào)節(jié)燃料燃燒的強(qiáng)度，主動(dòng)而有效地調(diào)節(jié)供氣參數(shù)以滿足用戶需要，也能夠迅速頻繁供氣或停氣以滿足調(diào)峰需要，切實(shí)避免采用空氣和海水等自然資源作為熱源時(shí)，受環(huán)境條件約束的缺陷；②燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饫趥鳠幔捎脧?qiáng)化傳熱的措施后，傳熱效果更好，從而能減少受熱面的布置，節(jié)省鋼材，避免了采用空氣和海水等自然資源作為熱源時(shí)，往往需要龐大的受熱面的缺陷。

3) 設(shè)計(jì)采用煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到強(qiáng)化氣流的目的。在循環(huán)風(fēng)機(jī)后將煙道分成二路，一路通過(guò)煙囪向大氣排煙，另一路通過(guò)循環(huán)煙道將部分煙氣送回加熱氣化裝置成為再循環(huán)煙氣，與燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌?，以增大沖擊氣流旋水子的煙氣量，提高噴口處的煙氣速度，從而強(qiáng)化了煙氣沖擊水面的力度。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①增大了煙速，增強(qiáng)了煙氣濺出并卷吸夾帶水滴、霧和蒸汽的能力，增強(qiáng)了煙氣的換熱能力；②增大了煙氣與水的接觸面積，促使煙氣將熱量迅速地傳遞給水池中的水，增強(qiáng)了下盤(pán)管的換熱，且有利于煙氣放熱降溫；③調(diào)節(jié)再循環(huán)煙氣量，能有效控制煙氣射流溫度，防止溫度過(guò)高的煙氣進(jìn)入上盤(pán)管換熱區(qū)域引起安全問(wèn)題；④再循環(huán)煙氣將熱量帶回加熱氣化裝置，降低了排煙熱損失，提高了氣化裝置的熱效率；⑤再循環(huán)煙氣在燃燒室外夾套內(nèi)流動(dòng)時(shí)，起到了冷卻作用，保護(hù)了燃燒室外壁不致超溫。煙氣再循環(huán)是首次引入LNG加熱氣化裝置的新技術(shù)，對(duì)裝置的成功運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。

4) 采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的燃燒室外夾套和錐形煙氣噴口，達(dá)到再循環(huán)煙氣與高溫燃燒煙氣混合的目的。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①再循環(huán)煙氣與高溫?zé)煔庠阱F形煙氣噴口中充分混合并高速射出，在氣流旋水子的作用下，達(dá)到形成沖擊卷吸能力很強(qiáng)的翻卷氣流的目的；②再循環(huán)煙氣通過(guò)外夾套層冷卻了燃燒室外壁。該技術(shù)與上述技術(shù)一起組成了新型LNG加熱氣化裝置的核心技術(shù)。

5) 采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自動(dòng)注水系統(tǒng)，達(dá)到向水池補(bǔ)水的目的。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①及時(shí)補(bǔ)充被排煙帶走的水分，使水池的水位始終在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，保持水池水位始終處于所需的狀態(tài)，不致由于水位降低而影響煙氣射流沖擊濺出水滴的效應(yīng)；②注入水及部分被加熱氣化的水蒸氣隨再循環(huán)煙氣一起從噴口射出，增強(qiáng)了煙氣加熱水池中水的能力；③注入水與再循環(huán)煙氣一起冷卻了燃燒室外壁，保護(hù)了燃燒室外壁不致超溫；④注入水經(jīng)超細(xì)不銹鋼絲網(wǎng)均勻滲透擴(kuò)散后下滴，避免了從某個(gè)小孔流出的水直接灑到燃燒室外壁上，引起外壁因局部承受冷熱交換變應(yīng)力而損壞。用于加熱氣化裝置的注水系統(tǒng)是原始創(chuàng)新技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)水、強(qiáng)化傳熱和保護(hù)裝置等多個(gè)目標(biāo)。

6) 合理設(shè)計(jì)布置受熱面，達(dá)到充分利用受熱面的目的。將受熱面設(shè)計(jì)成上下二組盤(pán)管，將上盤(pán)管設(shè)計(jì)布置在燃燒室外夾套之外，圍繞燃燒室外夾套自下而上盤(pán)旋，主要起加熱氣化LNG的作用，下盤(pán)管則浸沒(méi)在水池中，圍繞支承氣流旋水子的支架白下而上盤(pán)旋，主要起加熱已氣化了的LNG使其達(dá)到額定參數(shù)的作用，上下盤(pán)管間用連通管連接。該技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：①明確地分開(kāi)了LNG加熱氣化過(guò)程中的加熱、氣化和過(guò)熱3個(gè)階段，將需要較多熱量的加熱、氣化段放在高溫區(qū)，即上盤(pán)管區(qū)域，用溫度和濕度均較高的煙氣加熱，而將需要熱量相對(duì)較少的過(guò)熱段放在低溫區(qū)，即下盤(pán)管區(qū)域，用水池中的水加熱，從而提高了受熱面的利用率，減少了所需的受熱面積，進(jìn)而有效地提高了加熱氣化裝置的整體傳熱效果；②上下盤(pán)管螺旋七升的設(shè)計(jì)，不僅有效利用了加熱氣化裝置圓筒形外殼和燃燒室外夾套之間的環(huán)形空間，以及圓筒形外殼和氣流旋水子支架之間的環(huán)形空間，使裝置的整體結(jié)構(gòu)十分緊湊，且管內(nèi)工質(zhì)螺旋上升繞流時(shí)阻力小，對(duì)流放熱系數(shù)高，利于傳熱；③通過(guò)安裝在連通管上的測(cè)溫點(diǎn)，可以測(cè)出上下盤(pán)管之間的工質(zhì)溫度，根據(jù)該溫度的變化，能夠及時(shí)而準(zhǔn)確地判斷加熱氣化裝置的負(fù)荷變化，從而迅速地調(diào)節(jié)燃燒工況，在滿足用戶需要的前提下，有效地節(jié)省燃料；④綜合考慮了盤(pán)管的管徑和節(jié)距，保證了工質(zhì)側(cè)和煙氣側(cè)的流通面積，使工質(zhì)和煙氣的速度合理，換熱效果較好。受熱面的設(shè)計(jì)布置經(jīng)反復(fù)比較，采用了當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)，取得了最佳效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

煙氣自擊回旋濕式LNG加熱氣化裝置采用了全新的技術(shù)，具有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其中傘形氣流旋水子、燃燒室內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)、錐形煙氣噴口、循環(huán)煙氣、自動(dòng)注水系統(tǒng)等設(shè)計(jì)技術(shù)都是創(chuàng)新的，能夠保證及時(shí)供氣，熱效率高，節(jié)能環(huán)保，裝置運(yùn)行安全，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢(qián)伯章，朱建芳.世界天然氣供應(yīng)和需求預(yù)測(cè)[J].天然氣與石油，2006，24(2)：44-48.

[2] 薄啟亮，馬文杰.世界天然氣市場(chǎng)發(fā)展動(dòng)態(tài)的啟示[J].天然氣工業(yè)，2003，23(6)：1-3.

[3] 李華啟，李東旭，游佳，等.中國(guó)天然氣資源開(kāi)發(fā)與利用[J].天然氣工業(yè)，2005，25(8)：129-131.

[4] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5] 黎輝，黃海波，周華.LNG公路槽車運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性分析[J].天然氣工業(yè)，2010，30(1)：86-88.

[6] 畢明樹(shù)，竇興華.LNG沉浸式氣化器的數(shù)值模擬[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：109-110.

[7] 楊尚賓.液化天然氣汽車(LNGV)技術(shù)及系統(tǒng)維護(hù)[J].石油與天然氣化工，2009，38(5)：390-392.

[8] 姜正侯.燃?xì)夤こ碳夹g(shù)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993.

[9] 呂佐周，王光輝.燃?xì)夤こ蘙M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[10] 嚴(yán)平，曹偉武，錢(qián)尚源，等.一種引導(dǎo)氣流切向沖擊液面形成含濕氣流的裝置：中國(guó)，ZL2010101135633[P].2010-08-25.

[11] 曹偉武，嚴(yán)平，錢(qián)尚源，等.一種煙氣沖擊旋水式LNG加熱氣化裝置：中國(guó)，ZL2010101134946[P].2010-08-11.