利用導(dǎo)熱油爐混燒模式回收LNG裝置尾氣的研究

尚飛飛 李懷雷（華港燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司）

液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱LNG）因純度高、氣液膨脹比大、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)在天然氣行業(yè)處于突出地位，近二十年得到蓬勃發(fā)展，液化天然氣工廠在國內(nèi)外也是遍地開花，從數(shù)量、規(guī)模到技術(shù)上LNG工廠都取得了顯著成效[1-6]。但是液化工廠運(yùn)行過程中仍存在一些問題亟待解決，最明顯的是在當(dāng)今環(huán)保壓力的環(huán)境下，如何有限的避免環(huán)境污染，減少尾氣排放成為眾多液化工廠運(yùn)行和技術(shù)人員急需攻克的難題[7-10]。

1 工藝流程概述

某液化工廠原料氣氣源引自長(zhǎng)輸管道氣，經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量后通過管線輸送至工廠，原料氣進(jìn)入工廠后經(jīng)過進(jìn)站過濾、脫酸、脫水、脫重?zé)N、液化等單元后實(shí)現(xiàn)天然氣由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，后輸送至儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存，儲(chǔ)存的LNG經(jīng)過低溫潛液泵進(jìn)行增壓后，通過裝車撬進(jìn)行裝車，輸送至用戶，產(chǎn)生的尾氣如富氮閃蒸氣和重?zé)N閃蒸氣通過火炬排放燃燒。導(dǎo)熱油系統(tǒng)為L(zhǎng)NG液化工廠重要的公用工程設(shè)備，為液化工廠提供生產(chǎn)所需熱負(fù)荷，包括再生氣加熱裝置用熱負(fù)荷（工況1：原料氣進(jìn)裝置條件7.0 MPa，30℃；工況2：原料氣進(jìn)裝置條件5.8 MPa，30℃）、脫碳裝置用熱負(fù)荷（工況1：正常操作工況；工況2：40%低負(fù)荷工況；工況3：酸氣脫除單元的設(shè)備設(shè)計(jì)工況）、原料氣加熱裝置用熱負(fù)荷。具體裝置用熱情況統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 裝置用熱統(tǒng)計(jì)

2 系統(tǒng)改造

2.1 燃料氣系統(tǒng)改造

導(dǎo)熱油鍋爐采用燃料在加熱爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒產(chǎn)生熱量，分別以輻射和對(duì)流的形式將熱量傳遞給中間熱載體（熱介質(zhì)—導(dǎo)熱油），完成熱介質(zhì)加熱的目的。導(dǎo)熱油單元正常使用燃料氣為進(jìn)站原料氣分出一部分純天然氣經(jīng)過調(diào)壓、加熱后為爐膛提供燃料氣，消耗燃料氣約1 359 m3/h（標(biāo)況），如連續(xù)運(yùn)行每天消耗燃料氣32 616 m3（標(biāo)況），如能通過工藝改造將天然氣液化系統(tǒng)產(chǎn)生的“廢氣”回收利用，可減少此部分消耗。工廠工藝裝置在運(yùn)行過程中存在脫重?zé)N和LNG儲(chǔ)罐閃蒸氣（BOG）重新液化兩個(gè)流程，在此過程中產(chǎn)生的重?zé)N閃蒸氣及富氮?dú)忾W蒸氣全部通過火炬進(jìn)行燃燒，其中重?zé)N閃蒸氣中可燃物物質(zhì)含量99%以上，富氮?dú)忾W蒸氣中甲烷含量25%，此部分氣體具有一定的燃燒價(jià)值，通過工藝流程優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)重?zé)N閃蒸氣及富氮閃蒸氣的利用，回收“廢氣”與原料氣混合后為導(dǎo)熱油爐提供混燒氣，滿足導(dǎo)熱油爐正常運(yùn)行。

儲(chǔ)罐閃蒸氣經(jīng)過重新液化，脫氮?dú)夂蟮母坏W蒸氣溫度為-164℃，壓力為0.25 MPa，經(jīng)過空溫式汽化器及電加熱汽化器復(fù)熱后溫度為常溫，壓力經(jīng)過調(diào)壓后為0.17 MPa，后與重?zé)N閃蒸氣匯合后進(jìn)入燃料氣儲(chǔ)罐進(jìn)行緩沖為導(dǎo)熱油提供燃料氣。重?zé)N閃蒸氣溫度為常溫，壓力為0.363 MPa，后經(jīng)調(diào)壓后壓力為0.17 MPa，混燒工藝流程如圖1。

100%負(fù)荷生產(chǎn)下重?zé)N閃蒸及富氮閃蒸的總氣量約為1 971 m3/h（標(biāo)況），通過計(jì)算需要混燒純天然氣935 m3/h（標(biāo)況）才能達(dá)到正常燃燒，如不進(jìn)行改造，燒純的天然氣需求量為1 359 m3/h（標(biāo)況），因此通過混燒可節(jié)約天然氣量約為424 m3/h（標(biāo)況）。

因此通過工藝改造實(shí)現(xiàn)裝置正常運(yùn)行期間，導(dǎo)熱油爐的燃料氣由富氮閃蒸氣、重?zé)N閃蒸氣和進(jìn)站的純天然氣組成。首次開工或停工檢修后再開工時(shí)無“廢氣”，燃料氣則由進(jìn)站原料氣供給，此改造即實(shí)現(xiàn)工廠“廢氣”的合理利用，又實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。

2.2 控制系統(tǒng)升級(jí)改造

2.2.1 燃燒模式

為了合理回收利用LNG工廠運(yùn)行過程中產(chǎn)生的燃料氣資源，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)燃料組成情況將鍋爐控制分為兩種燃燒模式：第一種使用標(biāo)準(zhǔn)天然氣作為燃料的天然氣模式；第二種是天然氣與貧氣混合后作為燃料的混燒模式（圖1）。

1）壓力設(shè)定：回收氣給氣壓力為0.17 MPa，經(jīng)過減壓閥及穩(wěn)壓閥后壓力穩(wěn)定在16～18 kPa，天然氣給氣壓力為0.4～0.8 MPa，經(jīng)過減壓閥及穩(wěn)壓閥后壓力穩(wěn)定在16～18 k Pa，這樣保證了回收氣與天然氣的進(jìn)氣壓力相同，且都滿足燃燒器的使用要求。

2）回收氣的壓力傳感器的高壓值設(shè)定18 kPa，當(dāng)回收氣有來氣時(shí)（由于回收氣壓力大于設(shè)定值），開啟回收氣管道電磁閥，保證優(yōu)先使用回收氣。

3） 燃燒模式選擇：當(dāng)有回收氣的時(shí)候，按照燃燒模式一進(jìn)行燃燒，當(dāng)沒有天然氣的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)切換到燃燒模式二進(jìn)行。

燃燒模式一：為了能讓燃燒器工作，就要同時(shí)滿足燃燒器的燃燒最低燃料熱值與功率范圍，由于重?zé)N閃蒸氣的熱值很高，可以直接燃燒，固重?zé)N閃蒸氣在熱值方面不予考慮，所以只需考慮富氮閃蒸氣即可，而100%富氮閃蒸氣流量最大，熱值最低，所以，只需考慮能夠滿足最大流量的100%富氮閃蒸氣燃燒。回收氣和天然氣混燒與空氣配比見表2。

圖1 混燒工藝流程

表2 回收氣和天然氣混燒與空氣配比

燃燒模式二：當(dāng)沒有回收氣時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到天然氣燃燒模式，純天然氣與空氣配比見表3。

表3 純天然氣與空氣配比

2.2.2 實(shí)現(xiàn)燃燒控制功能

1）燃熱媒爐的熱負(fù)荷低于2 620 kW時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)，當(dāng)負(fù)荷需求增大時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)起爐。

2）啟動(dòng)過程：系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，通過點(diǎn)火支路點(diǎn)燃天然氣，待主火焰建立后（天然氣流量270m3/h），逐步增加回收氣流量，優(yōu)先使用回收氣，同時(shí)降低天然氣流量，使燃燒器達(dá)到系統(tǒng)所需的熱負(fù)荷。

3）由于回收氣流量及其成分不穩(wěn)定，當(dāng)回收氣產(chǎn)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)出口溫度與設(shè)定溫度、尾氣氧氣含量，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)量與然氣的配比來達(dá)到最佳的燃燒效果。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

在吸取同等規(guī)模液化工廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上及結(jié)合內(nèi)蒙地區(qū)獨(dú)特環(huán)境溫度對(duì)工廠導(dǎo)熱油系統(tǒng)升級(jí)改造，預(yù)期成果如下：

1）燃料氣系統(tǒng)的改造：天然氣液化工程中重?zé)N閃蒸罐及富氮閃蒸的總氣量為1 971 m3/h（標(biāo)況）（按照100%負(fù)荷生產(chǎn)），通過計(jì)算需要混燒935 m3/h（標(biāo)況），燒純的天然氣量為1 359 m3/h（標(biāo)況），因此通過混燒可節(jié)約天然氣為424 m3/h（標(biāo)況）。天然氣按照1.81元/m3計(jì)算，通過混燒每天可為工廠節(jié)約成本約1.8萬元，年節(jié)約成本約650萬元，同時(shí)減少氣體放空燃燒對(duì)環(huán)境造成的影響。

2）通過控制系統(tǒng)的改造實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷下燃燒曲線的自動(dòng)切換，解決了由于燃料氣組分不同造成的異常停爐事故的發(fā)生，減少停爐次數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

為解決液化天然氣工廠產(chǎn)生的重?zé)N閃蒸氣和富氮閃蒸氣回收利用問題，通過對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)燃燒的工藝流程分析，結(jié)合裝置實(shí)際工藝參數(shù)，提出了對(duì)燃料氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，將富氮閃蒸氣和重?zé)N閃蒸氣引入導(dǎo)熱油爐與天然氣混燒，用來給原料氣加熱裝置、脫碳裝置及再生氣加熱裝置提供熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)資源回收利用，降低污染，同時(shí)將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為液化天然氣工廠了提供安全平穩(wěn)、節(jié)能高效的運(yùn)行環(huán)境。