煙氣沖擊旋水子型LNG氣化器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

何法江，曹偉武，嚴(yán) 平

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

工程上，氣田生產(chǎn)的天然氣凈化處理后，625m3的天然氣經(jīng)過(guò)加壓、低溫（－162℃）液化后成為1m3的液化天然氣（LNG）［1］.液化后的天然氣體積大大減小，將LNG存貯在低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，通過(guò)LNG儲(chǔ)罐式集裝箱船海運(yùn)等方式運(yùn)輸?shù)浇邮战K端.使用時(shí)，再將LNG重新加熱氣化為一定工藝參數(shù)的天然氣，通過(guò)管道輸配給用戶使用［2］.

LNG的吸熱氣化是天然氣接收終端一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，目前應(yīng)用的LNG氣化器有：開(kāi)架式氣化器、沉浸式氣化器、中間介質(zhì)型氣化器、空溫式氣化器和水浴式氣化器等［3］，這些氣化器各有特點(diǎn)，但也存在結(jié)冰、氣化效率低等問(wèn)題，因此對(duì)氣化器的研究開(kāi)發(fā)始終不斷.

日本Osaka Gas and Kobel Steel開(kāi)發(fā)了一種基于開(kāi)架式的高性能氣化裝置［4－5］.換熱管由內(nèi)外兩層組成，LNG先流入內(nèi)管，然后流入內(nèi)外管之間夾層，這樣內(nèi)外管夾層中的LNG先被管外的海水加熱，然后加熱內(nèi)管內(nèi)的LNG，由于LNG被逐漸加熱，因此可以有效消除結(jié)冰現(xiàn)象，提高LNG氣化效率.陳永東等［6］分析比較了國(guó)內(nèi)開(kāi)架式氣化器、中間介質(zhì)型氣化器的應(yīng)用現(xiàn)狀后，提出應(yīng)加強(qiáng)對(duì)LNG氣化器及換熱器的傳熱基礎(chǔ)研究，以及LNG氣化器的設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)研究.畢明樹(shù)等［7］建立了LNG氣化器內(nèi)流動(dòng)與傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，模擬了流體的湍流流動(dòng)、多相流動(dòng)、射流氣體與水浴的相間耦合、LNG氣化過(guò)程等，對(duì)沉浸式氣化器進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了管程LNG氣化過(guò)程中氣、液相分布和流動(dòng)情況，討論了換熱管傾斜角、射流氣體雷諾數(shù)、射流噴嘴與換熱管相對(duì)位置對(duì)氣化過(guò)程的影響.

上述研究均推動(dòng)了LNG氣化器的發(fā)展，但LNG氣化器在實(shí)際使用過(guò)程中，仍存在結(jié)冰、氣化速率低、受氣候影響大、有效傳熱面積減少、氣化能力下降、傳熱效果差等缺陷，因此，需要對(duì)LNG氣化器進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)研究.

1 新穎LNG氣化器設(shè)計(jì)原理

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種LNG加熱氣化器，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

氣化器利用燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔飧咚贈(zèng)_擊局部浸于水中的旋水子，煙氣沿旋水子弧形表面切向沖擊水面，濺出并卷吸水滴和蒸汽形成含濕回旋氣流.氣流向上流經(jīng)螺旋盤(pán)管時(shí)，與管內(nèi)流動(dòng)的LNG換熱.在此過(guò)程中，水蒸汽凝結(jié)放熱，換熱得到了強(qiáng)化.放熱后的煙氣流入煙道，一路通過(guò)煙囪排向大氣，另一路通過(guò)循環(huán)煙道將煙氣送回氣化器成為循環(huán)煙氣，與燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌?，以增大沖擊旋水子的煙氣量，提高噴口處的煙氣速度，加大煙氣沖擊水面的力度.此外，調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量能有效地控制煙氣射流的溫度，防止進(jìn)入上盤(pán)管的煙氣溫度過(guò)高，超過(guò)LNG燃點(diǎn)溫度而產(chǎn)生安全問(wèn)題.裝置采用燃料燃燒供熱方式來(lái)氣化LNG，克服了傳統(tǒng)氣化器的結(jié)冰現(xiàn)象.燃燒室采用內(nèi)外夾套和錐形煙氣噴嘴方案，達(dá)到循環(huán)煙氣與燃燒煙氣混合的目的.氣化器傳熱面設(shè)計(jì)為上下螺旋盤(pán)管，上盤(pán)管圍繞燃燒室外筒自下而上盤(pán)旋，加熱氣化LNG；下盤(pán)管浸沒(méi)在水池中，加熱已氣化了的LNG，使其達(dá)到工藝參數(shù).

圖1 煙氣沖擊旋水子型LNG氣化器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of LNG vaporizer using flue gas to impact rotor

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣化器本體、燃燒燃料供給、煙氣循環(huán)和排放、實(shí)驗(yàn)工質(zhì)低溫儲(chǔ)存與供給、加熱氣化后工質(zhì)排放、水補(bǔ)給、實(shí)驗(yàn)安全裝置、連接管道與閥門(mén)、實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與處理等系統(tǒng)組成.實(shí)驗(yàn)裝置及連接管道的外部均包有絕熱層進(jìn)行保溫，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2（見(jiàn)下頁(yè)）所示.

實(shí)驗(yàn)在上海工程技術(shù)大學(xué)能源與環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，為了研究和監(jiān)測(cè)該LNG氣化器的熱效率、傳熱性能、排煙溫度、煙氣濕度及循環(huán)煙氣量和旋水子水面高度等參數(shù)對(duì)煙氣沖擊旋水子的流動(dòng)和傳熱的影響，設(shè)計(jì)安裝了一套實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量參數(shù)有高溫?zé)煔忮F形噴嘴出口溫度、排煙溫度、濕度和流量、循環(huán)煙氣溫度和流量、上盤(pán)管外煙氣溫度、實(shí)驗(yàn)工質(zhì)流量、進(jìn)出口壓力和溫度、上下盤(pán)管連接管內(nèi)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的壓力和溫度、水池水溫等.

圖2 LNG氣化器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experimental system of LNG vaporizer

氣化器燃燒燃料來(lái)自城市管道天然氣，燃燒器采用RIELLO 40GS20燃燒器；高溫?zé)煔忮F形噴嘴出口溫度采用熱電偶測(cè)量；煙氣流經(jīng)上盤(pán)管外的溫度狀況采用從實(shí)驗(yàn)裝置頂部按等邊三角形布置形式，在上盤(pán)管內(nèi)外4根盤(pán)管之間插入3組熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，以獲得煙氣流經(jīng)上盤(pán)管外的溫度分布狀況；排煙和循環(huán)煙氣溫度、濕度和流速測(cè)量采用德圖Testo435－1多功能測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，排煙和循環(huán)煙氣流量采用調(diào)風(fēng)門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)；實(shí)驗(yàn)工質(zhì)的溫度和壓力采用高精度的超低溫溫度計(jì)和壓力表測(cè)量，流量采用XK3190－A9P型電子平臺(tái)秤進(jìn)行計(jì)量；內(nèi)外4根上盤(pán)管外壁溫采用4組，每組6個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，從上到下等距離焊接在管外壁進(jìn)行測(cè)量；水池水溫采用從上到下焊接在旋水子支架上的熱電偶進(jìn)行測(cè)量；下盤(pán)管外壁溫采用焊接在4根下盤(pán)管外壁上的4組熱電偶測(cè)量；實(shí)驗(yàn)測(cè)量信號(hào)利用Agilent 34970A多通道信號(hào)數(shù)據(jù)采集器，采集轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄和處理.

為安全起見(jiàn)，先后采用液氮和LNG作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì).實(shí)驗(yàn)用氣化器LNG流量2.0～8.5kg／min，實(shí)驗(yàn)壓力1.6MPa，實(shí)驗(yàn)溫度－162℃；按加熱氣化所需熱量折算，若加熱氣化液氮，其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)液氮流量5.5～16kg／min，實(shí)驗(yàn)壓力1.6MPa，實(shí)驗(yàn)溫度－196℃；加熱氣化用的燃料為城市管道天然氣，供氣量9Nm3／h左右.實(shí)驗(yàn)工質(zhì)加壓灌裝在3個(gè)低溫貯罐中，每個(gè)貯罐容積480L，為滿足實(shí)驗(yàn)需要，3個(gè)貯罐并聯(lián)供應(yīng)，貯罐放在電子平臺(tái)秤上，以測(cè)定實(shí)驗(yàn)工質(zhì)消耗量；實(shí)驗(yàn)工質(zhì)自貯罐流出流經(jīng)上盤(pán)管，經(jīng)氣化后，向下流經(jīng)下盤(pán)管，被加熱到工藝參數(shù)后輸出.實(shí)驗(yàn)裝置底部為水池，下盤(pán)管浸沒(méi)在水中，裝置裝有進(jìn)水管，進(jìn)水管上裝有進(jìn)水閥控制進(jìn)水量，水池的水位高度通過(guò)連通管式水位計(jì)進(jìn)行測(cè)量.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

氣化器換熱面由上下盤(pán)管組成.上盤(pán)管內(nèi)為低溫工質(zhì)，經(jīng)過(guò)氣化和加熱后變成天然氣體，換熱包括沸騰換熱和對(duì)流換熱；管外為高溫濕煙氣，換熱包括冷凝換熱和對(duì)流換熱.由于上盤(pán)管內(nèi)外均存在相變換熱和對(duì)流換熱，換熱工況較為復(fù)雜，本文采用平均換熱系數(shù)方法來(lái)描述上盤(pán)管換熱器的換熱特性.

上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)被加熱氣化的吸熱量Qfj為

式中，G為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量流量，kg／s；r為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)氣化潛熱，kJ／kg；cp為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量定壓熱容，kJ／（kg·℃）；tm為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)平均溫度，℃；ts為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)飽和溫度，℃.

上盤(pán)管工質(zhì)側(cè)平均對(duì)流吸熱量Qfi為

式中，dfi為上盤(pán)管內(nèi)徑，m；lf為上盤(pán)管總長(zhǎng)，m；αfi為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；tbi為上盤(pán)管內(nèi)壁溫度，℃；tjp為上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)溫度，℃.

上盤(pán)管煙氣側(cè)平均對(duì)流放熱量Qfo為

式中，dfo為上盤(pán)管外徑，m；αfo為上盤(pán)管煙氣側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；tf為上盤(pán)管煙氣平均溫度，℃；tbo為上盤(pán)管外壁溫度，℃.

上盤(pán)管熱傳導(dǎo)量Qbd為

式中，λ為上盤(pán)管導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）.

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（1）計(jì)算得到上盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)被加熱氣化的吸熱量Qfj，代入式（2）和（3），得到上盤(pán)管工質(zhì)側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)αfi和煙氣側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)αfo，根據(jù)傳熱學(xué)原理，可以得到基于外壁面的上盤(pán)管總傳熱系數(shù)kf為

同理，可以得到基于外壁面的下盤(pán)管總傳熱系數(shù)kw為

式中，dwi為下盤(pán)管內(nèi)徑，m；dwo為下盤(pán)管外徑，m；αwi為下盤(pán)管內(nèi)工質(zhì)側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）；αwo為下盤(pán)管外水側(cè)平均對(duì)流換熱系數(shù)，W／（m2·℃）.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 煙氣沖擊旋水子的流動(dòng)和傳熱

實(shí)驗(yàn)表明：錐形噴嘴出口煙氣溫度640～670℃，小于LNG的燃點(diǎn)溫度（680℃左右），煙氣經(jīng)旋水子冷卻后，進(jìn)入上盤(pán)管的煙氣溫度在300℃左右，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，保證了實(shí)驗(yàn)裝置的安全運(yùn)行.

煙氣沖擊旋水子的流動(dòng)和傳熱性能在氣化器的結(jié)構(gòu)和操作工況一定的情況下，主要取決于噴射煙氣量和水池水位高度.在水池水位高度一定的情況下，隨著循環(huán)煙道調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度增大，循環(huán)煙氣量增加，與燃燒后的高溫?zé)煔饣旌虾蟮膰娚錈煔馑俣纫搽S之增加，煙氣沖擊旋水子的流動(dòng)狀態(tài)逐漸增強(qiáng)，濺起水滴，流動(dòng)呈氣液兩相流狀態(tài)，煙氣含濕后進(jìn)入上盤(pán)管換熱得到了強(qiáng)化；但當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度超過(guò)50%后，沖擊狀態(tài)雖有少許變化，但沖擊效果增加不明顯.同樣當(dāng)循環(huán)煙氣調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度50%時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水閥，調(diào)整進(jìn)水流量，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的水池水位高度，當(dāng)水位高度過(guò)低時(shí)，旋水子上的水幾乎全部被煙氣吹起，流動(dòng)傳熱持續(xù)效果不佳；當(dāng)水位高度過(guò)高時(shí)，煙氣沖擊旋水子時(shí)，旋水子圓弧切向引導(dǎo)的影響削弱甚至消失，煙氣吹起的水滴數(shù)量減少，甚至不能被吹起.經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)循環(huán)煙氣調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度50%時(shí)，水池水位在淹沒(méi)至距旋水子圓盤(pán)下邊緣以上6～8 cm處，煙氣沖擊旋水子的流動(dòng)傳熱效果為最佳，流動(dòng)呈現(xiàn)液滴飛濺，且液滴細(xì)小而均勻分布（見(jiàn)圖3）.

圖3 煙氣沖擊旋水子最佳流動(dòng)狀態(tài)Fig.3 Optimum flow status of flue gas impacting rotor

4.2 傳熱特性

實(shí)驗(yàn)得出氣化器上下盤(pán)管的總傳熱系數(shù).當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為液氮流量在9.5～14kg／min時(shí)，上盤(pán)管總傳熱系數(shù)為58～81W／（m2·℃），下盤(pán)管總傳熱系數(shù)為181～285W／（m2·℃）；當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為L(zhǎng)NG流量在3.0～7.0kg／min時(shí)，上盤(pán)管總傳熱系數(shù)為67～96W／（m2·℃）；下盤(pán)管總傳熱系數(shù)為102～163W／（m2·℃）.

圖4～5（見(jiàn)下頁(yè)）分別表示為循環(huán)煙氣開(kāi)度50%，工質(zhì)分別為液氮和LNG時(shí)，煙氣與上盤(pán)管換熱時(shí)總傳熱系數(shù)隨工質(zhì)流量的變化.

4.3 排煙溫度

由于采用旋水子技術(shù)和煙氣循環(huán)技術(shù)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為液氮或LNG時(shí)，排煙溫度均較低，實(shí)驗(yàn)測(cè)得排煙溫度50～60℃，說(shuō)明裝置熱損失小，熱效率高.

圖4 上盤(pán)管傳熱系數(shù)與液氮流量關(guān)系Fig.4 Relationship between heat transfer coefficient and liquid nitrogen flow in upper coil

圖5 上盤(pán)管傳熱系數(shù)與LNG流量關(guān)系Fig.5 Relationship between heat transfer coefficient and LNG flow in upper coil

4.4 煙氣濕度

當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為液氮或LNG時(shí)，排煙相對(duì)濕度為3.5%～5.5%，裝置排煙濕度低是由于煙氣溫度低，煙氣中的水蒸汽釋放氣化潛熱后冷凝，重新跌入水池中參加循環(huán).

4.5 熱效率

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為液氮，流量為12～14kg／min時(shí)，裝置的熱效率較高，達(dá)93%；當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為L(zhǎng)NG，流量為5.5～6.5kg／min時(shí)，裝置的熱效率較高，達(dá)96%；當(dāng)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為L(zhǎng)NG，當(dāng)循環(huán)煙氣量增加，裝置的熱效率增加，當(dāng)循環(huán)煙氣量增加到50%時(shí)，裝置的熱效率達(dá)到最大，繼續(xù)增加循環(huán)煙氣量，裝置的熱效率反而下降.原因是一開(kāi)始隨著循環(huán)煙氣量的增加，增加了噴管處混合煙氣流量和速度，加大了沖擊效果，強(qiáng)化了傳熱；但循環(huán)煙氣量太多，混合煙氣的溫度也隨之降低，沖擊旋水子后，濕煙氣溫度大幅降低，造成LNG的吸熱量減少，熱效率反而降低了.

5 結(jié) 論

對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的煙氣沖擊旋水子型LNG氣化器的換熱特性及循環(huán)煙氣量、旋水子水面高度對(duì)煙氣沖擊旋水子的影響進(jìn)行了相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)得到了工質(zhì)為液氮和LNG介質(zhì)時(shí)，裝置上下盤(pán)管換熱器的傳熱系數(shù)；同時(shí)得到了裝置最佳運(yùn)行工況參數(shù)：當(dāng)循環(huán)煙氣閥門(mén)開(kāi)度50%，液面高度在旋水子圓盤(pán)下邊緣以上6～8 cm時(shí)，煙氣沖擊旋水子的效果最佳；實(shí)驗(yàn)表明裝置排煙溫度僅50～60℃，裝置熱效率較高.

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

［2］ Kesten D.A clean fuel－LNG［J］.Messer－SAIC，2000，5（3）：27－28.

［3］ 廖志敏，杜曉春，陳剛.LNG的研究和應(yīng)用［J］.天然氣與石油，2005，23（3）：28－31.

［4］ Naoya M.Development and practical application of a high performance open rack LNG vaporizer［R］.Osaka Gas Co Ltd，2003.

［5］ Nobuya H.Advanced design of submerged combustion vaporizer for low emission operation LNG［C］／／LNGⅢ－Environment ＆Energy，the Preliminary Program for 2006 AIChE Spring National Meeting.2006：200－211.

［6］ 陳永東，陳學(xué)東.LNG成套裝置換熱器關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（1）：96－100.

［7］ 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）：109－113.