LNG氣化冷能利用不同場景中的氣化器選型探討

郭華，王雙生

（中國海洋石油集團(tuán)有限公司大同煤制氣項目籌備組，山西 大同 037008）

某SNG 項目利用當(dāng)?shù)氐妥冑|(zhì)煙煤，通過氣化、變換、凈化、合成等工序合成天然氣，包括粉煤和碎煤氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗、甲烷化、硫回收、空分、冷凍、焦油加氫等生產(chǎn)裝置，設(shè)計SNG 產(chǎn)能為4×109Nm3/a，根據(jù)國家發(fā)改委對供氣企業(yè)具備10%儲氣能力的要求，該SNG 項目需具備4×108Nm3/a 的儲氣能力。通過建設(shè)生產(chǎn)端配套LNG 調(diào)峰裝置不僅可以滿足國家儲氣調(diào)峰要求，還可以提高SNG 項目的生產(chǎn)負(fù)荷，增強(qiáng)SNG 項目氣源的競爭力。

1 配套LNG裝置簡介

SNG 液化后的LNG 組成中甲烷含量約99%，氮?dú)夂蜌鍤獾绕渌M分約1% ，密度435 kg/m3，生產(chǎn)1 噸 LNG 需 要 約1 485 Nm3SNG，1 噸 LNG 氣化后產(chǎn)生約 1 400 Nm3SNG。本配套裝置計劃液化4×108Nm3/a SNG， 折 合LNG 為2.857×105t。 根據(jù)市場情況，存儲的調(diào)峰LNG 在冬季11 月、12月、1 月和2 月按照20%、30%、30%、20% 的比例氣化后加壓進(jìn)入管網(wǎng)，按照單月最大氣化量30%（1.2×108Nm3/a）考慮，氣化器能力要求最大為120 t/h（1.67×108Nm3/h）。

2 LNG氣化器的分類和型式

氣化器作為LNG 氣化工藝中最主要的設(shè)備，具有造價高，設(shè)備制造周期長等特點，對項目的建設(shè)成本和工期有著直接影響。參考目前已建或在建的LNG 工廠，最常用的氣化器有開架式氣化器（ORV）、浸沒燃燒式氣化器（SCV）和中間介質(zhì)管殼式氣化器（IFV）3 種[1]。

2.1 開架式氣化器（ORV）

開架式氣化器是以易獲得的海水為熱源，相比昂貴且稀缺的淡水資源，海水具有成本低、易獲取、豐富等優(yōu)點。LNG 直接進(jìn)入氣化器內(nèi)部與換熱管外壁接觸，換熱管一般采用鋁合金材質(zhì)，管束外壁做好相應(yīng)的防腐措施。開架式氣化器具有負(fù)荷調(diào)節(jié)大、經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點，是LNG 接收站的主流氣化器[2]。

2.2 浸沒燃燒式氣化器（SCV）

浸沒燃燒式氣化器是以天然氣、廢熱氣為熱源，鼓風(fēng)機(jī)將燃燒器的煙氣直接排入水浴中，管束內(nèi)的LNG 被池水加熱而氣化。設(shè)備投資低，啟動快，熱效率高達(dá)95% ～ 98%，運(yùn)行時需消耗燃?xì)?，故操作成本較高，但是浸沒燃燒式氣化器操作簡單，前期投資費(fèi)用低，對場地要求不高。

2.3 中間介質(zhì)管殼式氣化器（IFV）

中間介質(zhì)管殼式氣化器的優(yōu)點是能選擇各種熱源，如海水、空氣和工業(yè)廢氣，特別是可以采用丙烷、丁烷或氟利昂等介質(zhì)作為中間傳熱流體，可以改善結(jié)冰帶來的影響。工作原理就是以海水或熱水作為熱源，來加熱中間介質(zhì)，再用中間介質(zhì)去加熱LNG，在海上浮動儲存與氣化、冷能發(fā)電、循環(huán)加熱等得到廣泛應(yīng)用。

2.4 氣化器特點分析

氣化器特點分析見表1。

表1 氣化器特點分析Table 1 Characteristic analysis of vaporizer

3 SNG項目配套LNG調(diào)峰裝置氣化器方案探討

SNG 項目配套LNG 裝置與沿海LNG 接收站的氣化工藝基本相同，但是本項目位于北方內(nèi)陸地區(qū)，且本裝置為SNG 項目配套裝置，地理位置與沿海地區(qū)差別較大，配套LNG 裝置的工藝特點、公用工程可以盡可能依托主裝置，降低裝置的成本費(fèi)用和操作費(fèi)用，并且進(jìn)行氣化冷能利用，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益，目前國內(nèi)在建或已運(yùn)行SNG 項目，只有內(nèi)蒙匯能SNG 項目配套LNG 項目，且生產(chǎn)的SNG 全部液化銷售，所以沒有氣化工藝，本裝置是基于國家調(diào)峰政策要求和周邊市場調(diào)研情況下，需設(shè)置氣化工藝，將儲存的液化天然氣進(jìn)行氣化并利用冷能，加壓輸入長輸管線進(jìn)行下游銷售。

氣化器的選擇原則，除結(jié)合不同氣化器的自身特點，還要充分考慮實際生產(chǎn)情況，綜合考慮項目自身特點、場地、環(huán)境、運(yùn)行要求、建設(shè)和維護(hù)成本等各方面因素，本項目的氣化器選擇還要與冷能利用的方式、工藝流程相結(jié)合。

LNG 溫度一般在-162 ℃左右，將其氣化復(fù)熱到常溫需要耗費(fèi)大量的能量。本調(diào)峰裝置毗鄰煤制天然氣裝置，而后者具有穩(wěn)定的用冷需求，通過工藝流程優(yōu)化，可以實現(xiàn)冷能的綜合利用。

結(jié)合煤制天然氣工藝流程特點，課題研究提出以下冷能利用方案：

方案一：低溫甲醇洗裝置利用方案。利用LNG冷能冷卻甲醇，替代部分氨制冷能力。

方案二：空分裝置空壓機(jī)組級間冷卻利用方案。利用乙二醇水溶液作為冷媒，將LNG 冷能用于空壓機(jī)組級間冷卻，替代循環(huán)冷卻水并降低空氣溫度，提高壓縮機(jī)效率降低高壓蒸汽消耗。

方案三：循環(huán)水利用方案。利用氣化器，用LNG 冷卻循環(huán)冷卻水，可以減少循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能耗。

3.1 方案一場景下氣化器選擇

來自低溫甲醇洗甲醇吸收塔上段的富甲醇經(jīng)管道匯集到總管后，送往LNG 氣化器冷卻后，經(jīng)總管返回低溫甲醇洗裝置，分配到各個甲醇洗吸收塔中段，需要把富甲醇溫度從-20 ℃冷卻至-40 ℃。常規(guī)工藝中，用氨水進(jìn)行冷卻，為了利用LNG 氣化過程中的冷能，在此設(shè)置氣化器。由于甲醇冰點是-97 ℃，沸點是64.7 ℃，所以在-40 ℃是液體形態(tài)，具有很好的流動性，可以設(shè)置開架式氣化器（ORV），造價低，維護(hù)方便，在氣化器頂部設(shè)置甲醇噴淋裝置，甲醇自上而下噴淋在管束外表面上，LNG 自下而上在傳熱管內(nèi)流動，甲醇將熱量傳遞給LNG，使其加熱并氣化。所有與天然氣接觸的組件都用鋁合金材質(zhì)，可耐低 溫。

3.2 方案二場景下氣化器選擇

空壓機(jī)組是空分裝置的主要用能設(shè)備，也是空分裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，級間冷卻采用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，壓縮空氣只能被冷卻至40 ℃。若在此設(shè)LNG氣化器，可將壓縮空氣冷卻至10 ℃，在壓比相同的情況下，較低的空氣進(jìn)口溫度使得壓縮機(jī)軸功率降低。

若設(shè)置空溫式氣化器，將壓縮空氣和LNG 管束直接接觸換熱，管束容易結(jié)霜，降低傳熱效率，影響機(jī)組運(yùn)行，所以在此設(shè)置中間介質(zhì)管殼式氣化器（IFV），相當(dāng)于兩個管殼換熱器，先用儲罐中的25 ℃左右的乙二醇水溶液與LNG 換熱（E1），溫度降低到0 ℃，送往空壓機(jī)組級間冷卻器或機(jī)組終冷器與壓縮空氣進(jìn)行換熱（E2），與空氣換熱后返回乙二醇水溶液儲罐，乙二醇溶液作為中間介質(zhì)做循環(huán)，可防止管束結(jié)霜，使機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 方案三場景下氣化器選擇

SNG 項目廠循環(huán)水系統(tǒng)總的循環(huán)水量正常為138 266 m3/h，給水溫度30 ℃，回水溫度40 ℃，溫差10 ℃，通常循環(huán)水需要用冷卻塔或空冷器進(jìn)行冷卻，為了利用LNG 的氣化冷能，可在此工藝處設(shè)置氣化器，用循環(huán)冷卻水加熱LNG，使LNG 氣化，循環(huán)水溫度降低。與沿海LNG 接收站類似，在此設(shè)置開架式氣化器（ORV），造價低，維護(hù)方便，使用大量的循環(huán)冷卻水作為介質(zhì)，運(yùn)行成本低，在氣化器頂部設(shè)置循環(huán)水噴淋裝置，循環(huán)水自上而下噴淋在管束外表面上，LNG 自下而上在傳熱管內(nèi)流動，循環(huán)水將熱量傳遞給LNG，使其加熱并氣化。所有與天然氣接觸的組件都用鋁合金材質(zhì)，可耐低溫。

4 結(jié)束語

作為氣化過程的關(guān)鍵設(shè)備，LNG 氣化器的選型既要考慮經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性，也要考慮和工藝相結(jié)合的應(yīng)用環(huán)境，由于本煤制氣項目還處于可行性研究階段，LNG 氣化冷能的利用也處于課題研究階段，隨著項目深入，待冷能利用工藝方案確定了，可進(jìn)一步確定氣化器的類型、規(guī)模、占地、材質(zhì)等。目前，國內(nèi)還沒有LNG 氣化與煤制氣項目工藝相結(jié)合的運(yùn)行經(jīng)驗，本課題的討論具有一定的創(chuàng)新設(shè)想，對于冷能的利用有一定的參考意義。