基于新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)產(chǎn)低氮SCV在LNG接收站的工程應(yīng)用

黃 華，于海英，趙 穎，劉海燕，李德泉，劉 濤

（中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司，天津 300457）

液化天然氣（LNG），主要成分是甲烷，公認(rèn)的清潔能源。其制造過(guò)程是先將氣田生產(chǎn)的天然氣凈化處理，經(jīng)一連串超低溫液化后，利用液化天然氣船運(yùn)送至接收站。在接收站LNG加壓后送氣化器氣化，然后利用天然氣管道輸送到用戶(hù)[1-2]。

浸沒(méi)燃燒式氣化器（SCV）主要利用天然氣燃燒加熱水浴間接氣化低溫的液化天然氣（LNG），具有啟動(dòng)迅速，運(yùn)行可靠，運(yùn)行不受天氣等其他外界因素影響的優(yōu)點(diǎn)，是LNG接收站冬季應(yīng)急調(diào)峰的關(guān)鍵設(shè)備之一[3-4]。

氮氧化物（NOX）是SCV燃燒煙氣的主要污染物，隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，以天津地區(qū)為例，NOX濃度必須符合天津市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 12/151—2020《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在用燃?xì)忮仩tNOX排放從2022年11月1日起執(zhí)行50mg/m3（標(biāo)）限值，新建燃?xì)忮仩t大氣污染物NOX排放執(zhí)行50mg/m3（標(biāo)）限值?，F(xiàn)有的SCV裝置是在新規(guī)之前采購(gòu)的，NOX排放高于新標(biāo)準(zhǔn)，須按照2020版標(biāo)準(zhǔn)要求盡快改造或更新設(shè)備的方式，保證設(shè)備尾氣達(dá)標(biāo)外排，滿(mǎn)足當(dāng)?shù)卣沫h(huán)保要求。

1 SCV工作原理

SCV氣化器包括天然氣管束組、水浴池、SCV燃燒器、燃燒室、分布器、煙囪和鼓風(fēng)機(jī)及配套件等組成（圖1）。液化天然氣管束置于水浴池液位以下，一個(gè)或幾個(gè)燃燒器將燃料天然氣送入爐膛內(nèi)燃燒，燃燒后產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過(guò)分布器直接排入水浴池中。高溫?zé)煔馀c水浴池中的水產(chǎn)生傳熱，水被加熱至一定的溫度。加熱后的水通過(guò)管束與管內(nèi)的液化天然氣換熱，管內(nèi)的液化天然氣被加熱氣化并過(guò)熱到要求的外輸溫度，通常在1℃以上。

圖1 SCV工作原理圖

由于煙氣與水直接接觸，煙氣激烈地?cái)噭?dòng)水浴池中的水，使水的傳熱效率非常高。在煙氣與水混合作用下，天然氣管束外部獲得激烈的循環(huán)水流，管束外的傳熱系數(shù)極大提高。燃料天然氣燃燒產(chǎn)生的高位熱與管束內(nèi)的LNG氣化所需的熱量相當(dāng)，水浴池內(nèi)的水溫基本保持不變[5]。

2 NOX生成機(jī)理和現(xiàn)存問(wèn)題

2.1 NOX生成機(jī)理

燃料燃燒過(guò)程中生成的NOX主要由NO、NO2及微量N2O組成，其中NO含量超過(guò)90%，NO2占5%～10%，N2O只有1%左右。研究表明，在燃料燃燒過(guò)程中生成NOX的主要有燃料型、快速型和燃料型三個(gè)途徑[6]。

2.2 國(guó)外SCV現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)LNG接收站國(guó)產(chǎn)SCV市場(chǎng)份額已逐漸增加，但進(jìn)口SCV仍然占據(jù)主要市場(chǎng)，高端技術(shù)產(chǎn)品和核心部件依存度高，當(dāng)燃燒裝置損壞或壽命到期時(shí)，仍需要花費(fèi)巨資進(jìn)口，昂貴的服務(wù)費(fèi)也極大增加業(yè)主的維護(hù)成本。隨著國(guó)內(nèi)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，進(jìn)口SCV的煙氣排放已不能滿(mǎn)足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。鑒于此，中石化天津液化天然氣有限責(zé)任公司和江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司合作開(kāi)發(fā)了國(guó)產(chǎn)低氮SCV，由江蘇中圣研發(fā)設(shè)計(jì)制造，中石化天津LNG接收站提供測(cè)試運(yùn)行平臺(tái)，共同考核國(guó)產(chǎn)低氮SCV的設(shè)備性能和排放指標(biāo)。

2.3 工程應(yīng)用平臺(tái)

中石化天津LNG接收站目前有12臺(tái)SCV，其中9臺(tái)進(jìn)口SCV和3臺(tái)國(guó)產(chǎn)SCV。本次利用國(guó)產(chǎn)SCV作為低氮燃燒器的測(cè)試平臺(tái)，國(guó)產(chǎn)SCV（表1）包括以下系統(tǒng)：助燃風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)、冷卻水水泵系統(tǒng)、注水水泵系統(tǒng)、水質(zhì)pH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、煙氣檢測(cè)系統(tǒng)和控制面板與人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)。

國(guó)產(chǎn)SCV的主要參數(shù)：LNG入口壓力9.91MPaG，允許壓降0.20MPaG，設(shè)計(jì)壓力15.5MPaG，LNG入口溫度-153.2℃，SCV額定溫度175t/h。

3 測(cè)試內(nèi)容和方法

根據(jù)國(guó)產(chǎn)SCV的設(shè)計(jì)要求，在SCV安裝完畢后，開(kāi)始對(duì)SCV進(jìn)行測(cè)試和考核，主要測(cè)試內(nèi)容包括：

1）調(diào)節(jié)比測(cè)試：測(cè)試5%～100%工況SCV能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

測(cè)試方法：在運(yùn)行過(guò)程中，考察國(guó)產(chǎn)SCV能否在大（85%以上）、中（40%～80%）和?。?%～40%）負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，火檢儀信號(hào)穩(wěn)定，系統(tǒng)不跳車(chē)，其中點(diǎn)火成功率要求100%。

2）污染物排放測(cè)試：在負(fù)荷25%～100%工況下，測(cè)試國(guó)產(chǎn)低氮SCV煙氣中污染物排放達(dá)到NOX＜50mg/m3（標(biāo)），CO＜95mg/m3（標(biāo)）的排放指標(biāo)（按3%氧濃度折算后）。

測(cè)試手段：按照HJ 693—2014《固定污染源廢氣氮氧化物的測(cè)定 定電位電解法》和HJ 973—2018《固定污染源 一氧化碳的測(cè)定 定電位電解法》分別對(duì)國(guó)產(chǎn)SCV干煙氣中的NO、NO2、CO和O2成分進(jìn)行體積濃度測(cè)試，測(cè)得ρNO、ρNO2、ρCO、ρO2，單位 μmol/mol。

其中氮氧化物和一氧化碳在干煙氣中的質(zhì)量濃度按下式計(jì)算：

式（1）中：ρNOX為煙氣中NOX的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ′N(xiāo)O為實(shí)測(cè) NO 的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ′N(xiāo)O2為實(shí)測(cè)NO2的質(zhì)量濃度，mg/m3。

式（2）中：ρCO為煙氣中CO的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ′CO為實(shí)測(cè)CO的質(zhì)量濃度，mg/m3。

根據(jù)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，煙氣中NOX、CO按含氧量3%折算后的濃度為：

3）能量效率測(cè)試：國(guó)產(chǎn)SCV的氣化LNG能力達(dá)到175t/h，并有一定余量。計(jì)算SCV燃料噸耗比[17-20]。

測(cè)試手段：在國(guó)產(chǎn)SCV長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，保持175t/h LNG進(jìn)料量，水浴池溫度不降低。

燃料噸耗比以公式（5）計(jì)算：

式（5）中：Q1為SCV的燃?xì)庀牧浚琺3/h（標(biāo)）；Q2為SCV的LNG流量，t/h；δ為SCV的燃料噸耗比，%。

4）國(guó)產(chǎn)SCV運(yùn)行噪音測(cè)試：距離SCV氣化器區(qū)域外1m處噪音不超過(guò)85dB。

測(cè)試方法：利用噪音分析儀，在距離SCV區(qū)域1m處進(jìn)行噪音強(qiáng)度測(cè)試。

4 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

4.1 設(shè)備運(yùn)行性能

低氮SCV燃燒器在完成設(shè)備安裝、調(diào)試后，于2020年冬季投入到LNG接收站保供生產(chǎn)，在各類(lèi)真實(shí)生產(chǎn)條件下對(duì)配置國(guó)產(chǎn)低氮燃燒器系統(tǒng)的SCV氣化器進(jìn)行了運(yùn)行安全和穩(wěn)定性考核、煙氣污染物排放指標(biāo)考核、噪音考核。

截至2022年3月，經(jīng)過(guò)兩個(gè)冬季的保供外輸，國(guó)產(chǎn)低氮SCV燃燒器能夠在外輸負(fù)荷變化及時(shí)自動(dòng)進(jìn)行輸出負(fù)荷調(diào)整，響應(yīng)速度快，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，煙氣排放合格，未發(fā)生過(guò)意外停車(chē)事故（表1）。

表1 國(guó)產(chǎn)低氮SCV的運(yùn)行工藝數(shù)據(jù)

4.2 煙氣測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)論

在相同LNG里的工況下，分別測(cè)試國(guó)產(chǎn)低氮SCV和進(jìn)口SCV在測(cè)試點(diǎn)的煙氣中NOX含量（表2），其中國(guó)產(chǎn)低氮SCV排放NOX＜50mg/m3（標(biāo)），進(jìn)口SCV 排放NOX＜90mg/m3（標(biāo)）（圖2）。

表2 國(guó)產(chǎn)低氮SCV和進(jìn)口SCV的煙氣NOX含量測(cè)量數(shù)據(jù)

圖2 國(guó)產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV尾氣NOX的檢測(cè)結(jié)果

國(guó)產(chǎn)低氮SCV按3%煙氣氧濃度折算后的煙氣氮氧化物（NOX）排放都低于50mg/m3（標(biāo)），一氧化碳（CO）排放都低于15mg/m3，滿(mǎn)足天津市新發(fā)布的排放標(biāo)準(zhǔn)。而進(jìn)口SCV的煙氣中NOx排放超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要整改優(yōu)化。

4.3 燃?xì)庀膶?duì)比分析

SCV燃燒天然氣產(chǎn)生高溫?zé)煔饧訜崴?，將LNG氣化成NG進(jìn)入外輸管網(wǎng)。燃料氣的消耗是SCV能耗的主要組成，燃料氣的消耗主要由燃燒器燃?xì)馊急M率、換熱效率、水浴溫度、排煙溫度和煙氣量等因素決定。在相同LNG流量工況下，對(duì)比國(guó)產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV的燃?xì)庀牧浚▓D3）。

圖3 國(guó)產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV運(yùn)行時(shí)燃?xì)庀牧康膶?duì)比

在LNG流量相同的工況下，國(guó)產(chǎn)SCV燃?xì)庀牧勘冗M(jìn)口SCV的燃?xì)庀牧可?00～450m3/h（標(biāo)），水浴溫度低5℃左右。經(jīng)過(guò)式（5）計(jì)算，在LNG流量為滿(mǎn)負(fù)荷175t/h時(shí)，國(guó)產(chǎn)SCV的燃料噸耗比為1.202%，進(jìn)口SCV的燃料噸耗比為1.414%。以單臺(tái)SCV每個(gè)冬季保供期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行90d，燃料氣價(jià)格2.5元/m3（標(biāo)）計(jì)算，國(guó)產(chǎn)SCV一個(gè)冬季保供期可節(jié)省燃料費(fèi)267.12萬(wàn)/元/臺(tái)。由此可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)SCV在煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)，在節(jié)能降耗的指標(biāo)上優(yōu)于進(jìn)口SCV。

5 結(jié)論

1）國(guó)產(chǎn)低氮SCV滿(mǎn)足連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行：國(guó)產(chǎn)SCV氣化器低氮系統(tǒng)在LNG接收站連續(xù)生產(chǎn)外輸階段安全穩(wěn)定運(yùn)行，未發(fā)生異?，F(xiàn)象，安全穩(wěn)定運(yùn)行滿(mǎn)足了LNG接收站LNG氣化生產(chǎn)和保供需求。

2）國(guó)產(chǎn)低氮SCV寬負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效燃燒和超低排放目標(biāo)：在設(shè)備運(yùn)行期間，低氮燃燒器的煙氣氮氧化物（NOX）排放都低于50mg/m3（標(biāo)），一氧化碳（CO）排放都低于51mg/m3（標(biāo)）。滿(mǎn)足天津市新發(fā)布的排放標(biāo)準(zhǔn)。CO極低排放指標(biāo)說(shuō)明國(guó)產(chǎn)SCV低氮燃燒器系統(tǒng)燃盡率高。

3）國(guó)產(chǎn)低氮SCV的運(yùn)行噪音符合環(huán)境達(dá)標(biāo)要求：使用噪音測(cè)試儀器對(duì)SCV氣化器系統(tǒng)運(yùn)行噪音檢測(cè)值為74～80dB（A），符合噪音≤85dB達(dá)標(biāo)要求。

4）預(yù)見(jiàn)不久的將來(lái)，環(huán)保規(guī)范要求的NOX濃度會(huì)繼續(xù)下調(diào)，這將給國(guó)內(nèi)各LNG接收站的SCV帶來(lái)更嚴(yán)格的要求和挑戰(zhàn)。因此需要SCV供應(yīng)商和LNG接收站在超低氮燃燒器上做更進(jìn)一步的技術(shù)升級(jí)，降低燃燒器在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOX濃度。