LNG气化冷能利用不同场景中的气化器选型探讨

郭华，王双生

（中国海洋石油集团有限公司大同煤制气项目筹备组，山西 大同 037008）

某SNG 项目利用当地低变质烟煤，通过气化、变换、净化、合成等工序合成天然气，包括粉煤和碎煤气化、耐硫变换、低温甲醇洗、甲烷化、硫回收、空分、冷冻、焦油加氢等生产装置，设计SNG 产能为4×109Nm3/a，根据国家发改委对供气企业具备10%储气能力的要求，该SNG 项目需具备4×108Nm3/a 的储气能力。通过建设生产端配套LNG 调峰装置不仅可以满足国家储气调峰要求，还可以提高SNG 项目的生产负荷，增强SNG 项目气源的竞争力。

1 配套LNG装置简介

SNG 液化后的LNG 组成中甲烷含量约99%，氮气和氩气等其他组分约1% ，密度435 kg/m3，生产1 吨 LNG 需 要 约1 485 Nm3SNG，1 吨 LNG 气化后产生约 1 400 Nm3SNG。本配套装置计划液化4×108Nm3/a SNG， 折 合LNG 为2.857×105t。 根据市场情况，存储的调峰LNG 在冬季11 月、12月、1 月和2 月按照20%、30%、30%、20% 的比例气化后加压进入管网，按照单月最大气化量30%（1.2×108Nm3/a）考虑，气化器能力要求最大为120 t/h（1.67×108Nm3/h）。

2 LNG气化器的分类和型式

气化器作为LNG 气化工艺中最主要的设备，具有造价高，设备制造周期长等特点，对项目的建设成本和工期有着直接影响。参考目前已建或在建的LNG 工厂，最常用的气化器有开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）和中间介质管壳式气化器（IFV）3 种[1]。

2.1 开架式气化器（ORV）

开架式气化器是以易获得的海水为热源，相比昂贵且稀缺的淡水资源，海水具有成本低、易获取、丰富等优点。LNG 直接进入气化器内部与换热管外壁接触，换热管一般采用铝合金材质，管束外壁做好相应的防腐措施。开架式气化器具有负荷调节大、经济性好、运行成本低等优点，是LNG 接收站的主流气化器[2]。

2.2 浸没燃烧式气化器（SCV）

浸没燃烧式气化器是以天然气、废热气为热源，鼓风机将燃烧器的烟气直接排入水浴中，管束内的LNG 被池水加热而气化。设备投资低，启动快，热效率高达95% ～ 98%，运行时需消耗燃气，故操作成本较高，但是浸没燃烧式气化器操作简单，前期投资费用低，对场地要求不高。

2.3 中间介质管壳式气化器（IFV）

中间介质管壳式气化器的优点是能选择各种热源，如海水、空气和工业废气，特别是可以采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作为中间传热流体，可以改善结冰带来的影响。工作原理就是以海水或热水作为热源，来加热中间介质，再用中间介质去加热LNG，在海上浮动储存与气化、冷能发电、循环加热等得到广泛应用。

2.4 气化器特点分析

气化器特点分析见表1。

表1 气化器特点分析Table 1 Characteristic analysis of vaporizer

3 SNG项目配套LNG调峰装置气化器方案探讨

SNG 项目配套LNG 装置与沿海LNG 接收站的气化工艺基本相同，但是本项目位于北方内陆地区，且本装置为SNG 项目配套装置，地理位置与沿海地区差别较大，配套LNG 装置的工艺特点、公用工程可以尽可能依托主装置，降低装置的成本费用和操作费用，并且进行气化冷能利用，产生更大的经济效益，目前国内在建或已运行SNG 项目，只有内蒙汇能SNG 项目配套LNG 项目，且生产的SNG 全部液化销售，所以没有气化工艺，本装置是基于国家调峰政策要求和周边市场调研情况下，需设置气化工艺，将储存的液化天然气进行气化并利用冷能，加压输入长输管线进行下游销售。

气化器的选择原则，除结合不同气化器的自身特点，还要充分考虑实际生产情况，综合考虑项目自身特点、场地、环境、运行要求、建设和维护成本等各方面因素，本项目的气化器选择还要与冷能利用的方式、工艺流程相结合。

LNG 温度一般在-162 ℃左右，将其气化复热到常温需要耗费大量的能量。本调峰装置毗邻煤制天然气装置，而后者具有稳定的用冷需求，通过工艺流程优化，可以实现冷能的综合利用。

结合煤制天然气工艺流程特点，课题研究提出以下冷能利用方案：

方案一：低温甲醇洗装置利用方案。利用LNG冷能冷却甲醇，替代部分氨制冷能力。

方案二：空分装置空压机组级间冷却利用方案。利用乙二醇水溶液作为冷媒，将LNG 冷能用于空压机组级间冷却，替代循环冷却水并降低空气温度，提高压缩机效率降低高压蒸汽消耗。

方案三：循环水利用方案。利用气化器，用LNG 冷却循环冷却水，可以减少循环冷却水系统的能耗。

3.1 方案一场景下气化器选择

来自低温甲醇洗甲醇吸收塔上段的富甲醇经管道汇集到总管后，送往LNG 气化器冷却后，经总管返回低温甲醇洗装置，分配到各个甲醇洗吸收塔中段，需要把富甲醇温度从-20 ℃冷却至-40 ℃。常规工艺中，用氨水进行冷却，为了利用LNG 气化过程中的冷能，在此设置气化器。由于甲醇冰点是-97 ℃，沸点是64.7 ℃，所以在-40 ℃是液体形态，具有很好的流动性，可以设置开架式气化器（ORV），造价低，维护方便，在气化器顶部设置甲醇喷淋装置，甲醇自上而下喷淋在管束外表面上，LNG 自下而上在传热管内流动，甲醇将热量传递给LNG，使其加热并气化。所有与天然气接触的组件都用铝合金材质，可耐低 温。

3.2 方案二场景下气化器选择

空压机组是空分装置的主要用能设备，也是空分装置的关键设备之一，级间冷却采用循环水作为冷却介质，压缩空气只能被冷却至40 ℃。若在此设LNG气化器，可将压缩空气冷却至10 ℃，在压比相同的情况下，较低的空气进口温度使得压缩机轴功率降低。

若设置空温式气化器，将压缩空气和LNG 管束直接接触换热，管束容易结霜，降低传热效率，影响机组运行，所以在此设置中间介质管壳式气化器（IFV），相当于两个管壳换热器，先用储罐中的25 ℃左右的乙二醇水溶液与LNG 换热（E1），温度降低到0 ℃，送往空压机组级间冷却器或机组终冷器与压缩空气进行换热（E2），与空气换热后返回乙二醇水溶液储罐，乙二醇溶液作为中间介质做循环，可防止管束结霜，使机组稳定运行。

3.3 方案三场景下气化器选择

SNG 项目厂循环水系统总的循环水量正常为138 266 m3/h，给水温度30 ℃，回水温度40 ℃，温差10 ℃，通常循环水需要用冷却塔或空冷器进行冷却，为了利用LNG 的气化冷能，可在此工艺处设置气化器，用循环冷却水加热LNG，使LNG 气化，循环水温度降低。与沿海LNG 接收站类似，在此设置开架式气化器（ORV），造价低，维护方便，使用大量的循环冷却水作为介质，运行成本低，在气化器顶部设置循环水喷淋装置，循环水自上而下喷淋在管束外表面上，LNG 自下而上在传热管内流动，循环水将热量传递给LNG，使其加热并气化。所有与天然气接触的组件都用铝合金材质，可耐低温。

4 结束语

作为气化过程的关键设备，LNG 气化器的选型既要考虑经济性、稳定性，也要考虑和工艺相结合的应用环境，由于本煤制气项目还处于可行性研究阶段，LNG 气化冷能的利用也处于课题研究阶段，随着项目深入，待冷能利用工艺方案确定了，可进一步确定气化器的类型、规模、占地、材质等。目前，国内还没有LNG 气化与煤制气项目工艺相结合的运行经验，本课题的讨论具有一定的创新设想，对于冷能的利用有一定的参考意义。