新型烟气自击回旋湿式LNG气化装置的研究设计_工程实践

摘要

LNG加热气化装置是LNG应用过程中不可缺少的重要装备，对高效利用LNG有着至关重要的作用。对目前国内外常用的LNG加热气化装置进行了性能研究并分析了它们的优缺点，进而结合

摘要：LNG加热气化装置是LNG应用过程中不可缺少的重要装备，对高效利用LNG有着至关重要的作用。对目前国内外常用的LNG加热气化装置进行了性能研究并分析了它们的优缺点，进而结合我国天然气工业发展的实际情况，研究设计了一种新型烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置。为此，详细介绍了该装置采用的气流旋水子、燃烧室内外筒结构、锥形烟气喷口、烟气再循环、自动注水系统等创新技术，以及该装置具有的热效率高、启动快、气化速率高、结构紧凑、占地面积小、不受环境条件影响等特点。因其符合节能环保要求，适用于天然气供气管网中因各种原因无法联网的相对独立的中小规模区域、需要较大负荷变化范围的调峰区域、需要特殊供气的区域、需要迅速频繁供气或停气的区域等。

关键词：LNG；加热气化装置；烟气自击回旋；气流旋水子；创新设计

液化天然气(LNG)是将常温常压下呈气态的天然气冷凝而成的液体，天然气液化后体积大大缩小，可有效节约储运空间和运输成本，这也是LNG常用于贸易运输和战略储备的原因。然而，LNG在使用过程中，仍须加热气化到：工艺所需的压力和温度后，才可变成管道气供输配应用，因此如何高效地实现这个过程，是有效利用LNG的关键之一。由此可见，LNG加热气化装置是LNG应用中不可缺少的重要设备。

天然气管网布局时，总有一些管网敷设不到的地方，及由于地域等原因不适宜大规模联网的区域，需要建设中小规模的供气站自成一体独立建网，接收LNG加热气化后供气；另外，天然气调峰站及需要迅速频繁供气或停气的特殊供气区域，也需要启动迅速、气化速率快、热效率高的加热气化装置。因此，供气管网中必需大量中小型LNG加热气化装置，这类装置是LNG输配应用系统中不可或缺的重要装备。然而目前这类装置主要依靠进口，不仅价格昂贵，而且不完全符合我国天然气工业的需要^[1～7]，国内仅有的少量产品，也都以仿制国外产品为主，没有自主知识产权，因此，开发研究新型中小型LNG加热气化装置的重要性和必要性是显而易见的。

1 常用中小型LNG加热气化装置

我国目前常用的LNG加热气化装置^[8]主要有以下5种：

1.1 水加热型气化装置

这类装置用铝合金支架固定安装，其基本加热元件是传热管，将若干根传热管与联箱相连焊接成管板，再由若干块管板组成气化装置，装置顶部装有喷淋器，水或海水喷淋在管板外表面上，加热气化在管内流动的LNG。这类装置的优点是运行费用较低，操作维护方便，负荷调节范围较大；缺点是初期投资较大，气化能力受气候等因素的影响，工作时部分表面易结冰，降低传热效率，因而通常装置的进口水温应控制在5℃以上；这类装置常用于基本负荷型的大型气化场合。

1.2 浸没式燃烧加热型气化装置

这类装置主要由外壳、燃烧器和盘管等部件组成，其工作过程是燃料燃烧产生的高温烟气通过喷气管喷入水池与水直接接触，激烈地搅动水，盘管浸没在水池中，盘管内的LNG与管外高度湍动的水换热，吸热气化。这类装置的优点是结构紧凑，节省空间，传热效率高，初期投资较小；缺点是管子易腐蚀，对材质要求高，运行用电量大，成本较高。这类装置可用于基本负荷或调峰状态。

1.3 空气加热型气化装置

这类装置常采用带有翅片等扩展表面的换热管组成管排，多个管排组成整个装置，LNG在换热管中流动若干个回程，空气则在管排间横向流动冲刷换热管，加热LNG使之气化。这类装置的优点是结构简单，运行费用低，管理维护方便；缺点是单位气化容量的投资高，气化过程受环境条件的影响，易发生结冰堵塞空气流道的现象。这类装置一般用于干燥地区且气化量较小的场合，不宜用于中国东部沿海地区。

1.4 中间载热介质型气化装置

这类装置主要由圆筒形外壳、加热管束和被加热管束等部件组成，外壳中充满中间载热介质如水、乙二醇等，加热管束和被加热管束都浸没在中间载热介质中，加热管中引入余热水或海水，以此加热中间载热介质，中间载热介质再加热被加热管束中的LNG，使之升温气化。这类装置的优点是运行费用低，结构紧凑，占地小；缺点是管束因防腐蚀而需采用合金材料。因此造价高，且启动较慢，综合热效率较低。这类装置一般用于基本负荷型场合。为强化传热，现在这类装置也有以燃烧产生的高温烟气作为热源，并采取措施强化中间载热介质的流场，从而提高了传热效果，增大了LNG气化负荷，却也增加了初投资和运行费用，但总体效果是可取的。

1.5 蒸汽加热型气化装置

这类装置运行时，蒸汽在传热管束外流动，LNG在管束内流动以吸收蒸汽放出的热量而气化。这类装置的优点是结构紧凑，效率高，可靠性强，温度控制容易；缺点是需要蒸汽汽源，初期投资高，运行费用高。这类装置适用于LNG运输船，在处理惰性气体清除与纯化、紧急供应天然气、液舱惰化等情况下，迅速气化LNG或液氮等。

综上所述，现有的LNG加热气化装置各有优缺点，也各有其适用场合，但在节能、耗材、使用等方面均有值得进一步研究探索和改进提高的地方，因此设计研究一种适用负荷范围广、供气速度快、热效率高、结构紧凑、不受环境约束、适用于中小型气化站的新型LNG加热气化装置是很有必要的，这也是天然气工业迅速发展和天然气大规模使用的必然趋势。

2 新型烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置

2.1 新型烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置的设计基本要求

1) 适用于天然气供气管网中因各种原因无法联网的相对独立的中小规模区域，或需特殊供气的区域，装置额定供气量为500～2000m³/h。

2) 装置启动快、气化速率高，适用于负荷变化范围较大的调峰状态，或需要迅速频繁供气或停气的区域。

3) 装置运行必须确保安全，具有行之有效的保护措施。

4) 装置的热效率高，排放污染小，达到节能环保的标准。

5) 在达到上述技术要求的前提下，实现初期投资小，运行费用低等经济指标。

6) 装置具有独创性和创新性，有自主知识产权。

2.2 新型烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置的设计方案

新型烟气白击回旋湿式LNG加热气化装置结构示意图如图1所示，装置采用燃料燃烧供热，燃烧器安装在装置顶部的接口处，燃料燃烧产生的火焰向下喷射进入燃烧室内筒充分燃烧，所产生的高温烟气与从燃烧室内、外筒间形成的夹套中喷出的再循环烟气在圆锥形筒体中混合后，从烟气喷口巾高速喷出，形成烟气射流，喷向安装在烟气喷口正下方的、下部浸没于水池中的伞形气流旋水子，在气流旋水子尖顶的引导下，高速烟气流沿气流旋水子弧形外壁切向冲击水面，溅出并卷吸水滴、雾和水蒸气形成含湿烟气流，与此同时烟气还把热量传递给水，使水池中的水吸热升温。含湿烟气流在循环风机的作用下向上穿过上盘管，将热量传递给上盘管内流经的LNG，在此过程中，LNG吸热气化，含湿烟气流放热降温，其中所含水蒸气在低于饱和温度时，凝结放出气化潜热。此后烟气流入烟道，循环风机后的烟道分叉成二路，一路是排烟道，部分烟气通过排烟道排入大气，另一路是循环烟道，部分烟气经循环烟道重新流入加热气化装置，与燃烧产生的烟气混合，再次参加烟气循环，在排烟道和循环烟道上分别装有调风门，可根据需要调节循环烟气量；而放出气化潜热后的水蒸气则凝结成水滴，大部分在重力的作用下流回水池重新吸热蒸发，再次参与循环，少部分夹带在烟气中排入大气。在上盘管内气化的天然气经连通管流入下盘管，下盘管浸没于水池中，天然气通过管壁与水换热，达到工艺所需的温度和压力后并入供气管网，完成天然气供气和调峰的需求。为补充被烟气带走的水分，在燃烧室内、外筒间形成的夹套顶部装有环形注水管，与计量泵连接，由计量泵定时定量补充水分，以保持水池水位始终处于所需的状态。

2.3 烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置的创新点

上述设计方案是全新的，采用了多项先进及创新技术^[10～11]，主要有：

1) 采用创新设计的伞形气流旋水子部件，其结构及效果示意图如图2所示，以达到烟气含湿的目的，从而保证上盘管受热面的安全运行，强化传热。该技术方案的优点在于：①当高温烟气与水大面积接触时发生了热质交换，加热并部分蒸发了水，适当降低了烟温，使流经上盘管受热面的烟气温度不致过高，能够控制在天然气燃点温度650℃以下^[12]，从而确保加热气化装置的安全运行；②因为上盘管内的工质是温度很低的LNG，适当降低的烟温将使上盘管受热面内外的工质温差不致太大，从而避免了盘管因热应力损坏，也避免了必须采用优质钢材而使造价上升；③带有水滴、雾和蒸汽的湿烟气在换热时，发生凝结放热，从而有效地提高了传热效果。该技术是原始创新技术，因此采用该技术的LNG加热气化装置是一种全新的设计。

2) 采用燃料燃烧供热来加热气化I.NG的方案。该技术方案确保了用户需要的供气要求和参数，如供气量、供气压力、供气温度、供气负荷变化范围及供气速率等。该技术方案的优点在于：①能够通过调节燃料燃烧的强度，主动而有效地调节供气参数以满足用户需要，也能够迅速频繁供气或停气以满足调峰需要，切实避免采用空气和海水等自然资源作为热源时，受环境条件约束的缺陷；②燃烧产生的高温烟气利于传热，采用强化传热的措施后，传热效果更好，从而能减少受热面的布置，节省钢材，避免了采用空气和海水等自然资源作为热源时，往往需要庞大的受热面的缺陷。

3) 设计采用烟气再循环系统，达到强化气流的目的。在循环风机后将烟道分成二路，一路通过烟囱向大气排烟，另一路通过循环烟道将部分烟气送回加热气化装置成为再循环烟气，与燃烧产生的高温烟气混合，以增大冲击气流旋水子的烟气量，提高喷口处的烟气速度，从而强化了烟气冲击水面的力度。该技术方案的优点在于：①增大了烟速，增强了烟气溅出并卷吸夹带水滴、雾和蒸汽的能力，增强了烟气的换热能力；②增大了烟气与水的接触面积，促使烟气将热量迅速地传递给水池中的水，增强了下盘管的换热，且有利于烟气放热降温；③调节再循环烟气量，能有效控制烟气射流温度，防止温度过高的烟气进入上盘管换热区域引起安全问题；④再循环烟气将热量带回加热气化装置，降低了排烟热损失，提高了气化装置的热效率；⑤再循环烟气在燃烧室外夹套内流动时，起到了冷却作用，保护了燃烧室外壁不致超温。烟气再循环是首次引入LNG加热气化装置的新技术，对装置的成功运行起到了关键作用。

4) 采用创新设计的燃烧室外夹套和锥形烟气喷口，达到再循环烟气与高温燃烧烟气混合的目的。该技术方案的优点在于：①再循环烟气与高温烟气在锥形烟气喷口中充分混合并高速射出，在气流旋水子的作用下，达到形成冲击卷吸能力很强的翻卷气流的目的；②再循环烟气通过外夹套层冷却了燃烧室外壁。该技术与上述技术一起组成了新型LNG加热气化装置的核心技术。

5) 采用创新设计的自动注水系统，达到向水池补水的目的。该技术方案的优点在于：①及时补充被排烟带走的水分，使水池的水位始终在一定范围内波动，保持水池水位始终处于所需的状态，不致由于水位降低而影响烟气射流冲击溅出水滴的效应；②注入水及部分被加热气化的水蒸气随再循环烟气一起从喷口射出，增强了烟气加热水池中水的能力；③注入水与再循环烟气一起冷却了燃烧室外壁，保护了燃烧室外壁不致超温；④注入水经超细不锈钢丝网均匀渗透扩散后下滴，避免了从某个小孔流出的水直接洒到燃烧室外壁上，引起外壁因局部承受冷热交换变应力而损坏。用于加热气化装置的注水系统是原始创新技术，该技术的应用实现了补水、强化传热和保护装置等多个目标。

6) 合理设计布置受热面，达到充分利用受热面的目的。将受热面设计成上下二组盘管，将上盘管设计布置在燃烧室外夹套之外，围绕燃烧室外夹套自下而上盘旋，主要起加热气化LNG的作用，下盘管则浸没在水池中，围绕支承气流旋水子的支架白下而上盘旋，主要起加热已气化了的LNG使其达到额定参数的作用，上下盘管间用连通管连接。该技术方案的优点在于：①明确地分开了LNG加热气化过程中的加热、气化和过热3个阶段，将需要较多热量的加热、气化段放在高温区，即上盘管区域，用温度和湿度均较高的烟气加热，而将需要热量相对较少的过热段放在低温区，即下盘管区域，用水池中的水加热，从而提高了受热面的利用率，减少了所需的受热面积，进而有效地提高了加热气化装置的整体传热效果；②上下盘管螺旋七升的设计，不仅有效利用了加热气化装置圆筒形外壳和燃烧室外夹套之间的环形空间，以及圆筒形外壳和气流旋水子支架之间的环形空间，使装置的整体结构十分紧凑，且管内工质螺旋上升绕流时阻力小，对流放热系数高，利于传热；③通过安装在连通管上的测温点，可以测出上下盘管之间的工质温度，根据该温度的变化，能够及时而准确地判断加热气化装置的负荷变化，从而迅速地调节燃烧工况，在满足用户需要的前提下，有效地节省燃料；④综合考虑了盘管的管径和节距，保证了工质侧和烟气侧的流通面积，使工质和烟气的速度合理，换热效果较好。受热面的设计布置经反复比较，采用了当前的先进技术，取得了最佳效果。

3 结束语

烟气自击回旋湿式LNG加热气化装置采用了全新的技术，具有多项自主知识产权，其中伞形气流旋水子、燃烧室内外筒结构、锥形烟气喷口、循环烟气、自动注水系统等设计技术都是创新的，能够保证及时供气，热效率高，节能环保，装置运行安全，具有良好的实际应用前景。

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