基于新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的國產(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[1-2]。

浸沒燃燒式氣化器（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），具有啟動迅速，運行可靠，運行不受天氣等其他外界因素影響的優(yōu)點，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。現(xiàn)有的SCV裝置是在新規(guī)之前采購的，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，一個或幾個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，煙氣激烈地攪動水浴池中的水，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生成機理和現(xiàn)存問題

2.1 NOX生成機理

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

2.2 國外SCV現(xiàn)狀

目前國內(nèi)LNG接收站國產(chǎn)SCV市場份額已逐漸增加，但進(jìn)口SCV仍然占據(jù)主要市場，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，仍需要花費巨資進(jìn)口，昂貴的服務(wù)費也極大增加業(yè)主的維護(hù)成本。隨著國內(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發(fā)了國產(chǎn)低氮SCV，由江蘇中圣研發(fā)設(shè)計制造，中石化天津LNG接收站提供測試運行平臺，共同考核國產(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

中石化天津LNG接收站目前有12臺SCV，其中9臺進(jìn)口SCV和3臺國產(chǎn)SCV。本次利用國產(chǎn)SCV作為低氮燃燒器的測試平臺，國產(chǎn)SCV（表1）包括以下系統(tǒng)：助燃風(fēng)機系統(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)、煙氣檢測系統(tǒng)和控制面板與人機界面（HMI）系統(tǒng)。

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

3 測試內(nèi)容和方法

根據(jù)國產(chǎn)SCV的設(shè)計要求，在SCV安裝完畢后，開始對SCV進(jìn)行測試和考核，主要測試內(nèi)容包括：

1）調(diào)節(jié)比測試：測試5%～100%工況SCV能否安全穩(wěn)定運行。

測試方法：在運行過程中，考察國產(chǎn)SCV能否在大（85%以上）、中（40%～80%）和?。?%～40%）負(fù)荷連續(xù)運行，火檢儀信號穩(wěn)定，系統(tǒng)不跳車，其中點火成功率要求100%。

2）污染物排放測試：在負(fù)荷25%～100%工況下，測試國產(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）。

測試手段：按照HJ 693—2014《固定污染源廢氣氮氧化物的測定 定電位電解法》和HJ 973—2018《固定污染源 一氧化碳的測定 定電位電解法》分別對國產(chǎn)SCV干煙氣中的NO、NO2、CO和O2成分進(jìn)行體積濃度測試，測得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)量濃度按下式計算：

式（1）中：ρNOX為煙氣中NOX的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ′NO為實測 NO 的質(zhì)量濃度，mg/m3；ρ′NO2為實測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為實測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）能量效率測試：國產(chǎn)SCV的氣化LNG能力達(dá)到175t/h，并有一定余量。計算SCV燃料噸耗比[17-20]。

測試手段：在國產(chǎn)SCV長期運行過程中，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）國產(chǎn)SCV運行噪音測試：距離SCV氣化器區(qū)域外1m處噪音不超過85dB。

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

4 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

4.1 設(shè)備運行性能

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)，在各類真實生產(chǎn)條件下對配置國產(chǎn)低氮燃燒器系統(tǒng)的SCV氣化器進(jìn)行了運行安全和穩(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)過兩個冬季的保供外輸，國產(chǎn)低氮SCV燃燒器能夠在外輸負(fù)荷變化及時自動進(jìn)行輸出負(fù)荷調(diào)整，響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定，安全可靠，煙氣排放合格，未發(fā)生過意外停車事故（表1）。

表1 國產(chǎn)低氮SCV的運行工藝數(shù)據(jù)

4.2 煙氣測試數(shù)據(jù)和結(jié)論

在相同LNG里的工況下，分別測試國產(chǎn)低氮SCV和進(jìn)口SCV在測試點的煙氣中NOX含量（表2），其中國產(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 國產(chǎn)低氮SCV和進(jìn)口SCV的煙氣NOX含量測量數(shù)據(jù)

圖2 國產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV尾氣NOX的檢測結(jié)果

國產(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排放超過標(biāo)準(zhǔn)要求，需要整改優(yōu)化。

4.3 燃?xì)庀膶Ρ确治?/h3>

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，對比國產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV的燃?xì)庀牧浚▓D3）。

圖3 國產(chǎn)SCV和進(jìn)口SCV運行時燃?xì)庀牧康膶Ρ?/p>

在LNG流量相同的工況下，國產(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)過式（5）計算，在LNG流量為滿負(fù)荷175t/h時，國產(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SCV每個冬季保供期滿負(fù)荷運行90d，燃料氣價格2.5元/m3（標(biāo)）計算，國產(chǎn)SCV一個冬季保供期可節(jié)省燃料費267.12萬/元/臺。由此可見，國產(chǎn)SCV在煙氣排放達(dá)標(biāo)的同時，在節(jié)能降耗的指標(biāo)上優(yōu)于進(jìn)口SCV。

5 結(jié)論

1）國產(chǎn)低氮SCV滿足連續(xù)安全穩(wěn)定運行：國產(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)定運行，未發(fā)生異?，F(xiàn)象，安全穩(wěn)定運行滿足了LNG接收站LNG氣化生產(chǎn)和保供需求。

2）國產(chǎn)低氮SCV寬負(fù)荷范圍內(nèi)實現(xiàn)高效燃燒和超低排放目標(biāo)：在設(shè)備運行期間，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)）。滿足天津市新發(fā)布的排放標(biāo)準(zhǔn)。CO極低排放指標(biāo)說明國產(chǎn)SCV低氮燃燒器系統(tǒng)燃盡率高。

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

4）預(yù)見不久的將來，環(huán)保規(guī)范要求的NOX濃度會繼續(xù)下調(diào)，這將給國內(nèi)各LNG接收站的SCV帶來更嚴(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，降低燃燒器在燃燒過程中產(chǎn)生的NOX濃度。