利用導熱油爐混燒模式回收LNG裝置尾氣的研究

尚飛飛 李懷雷（華港燃氣集團有限公司）

液化天然氣（以下簡稱LNG）因純度高、氣液膨脹比大、便于儲存和運輸等優點在天然氣行業處于突出地位，近二十年得到蓬勃發展，液化天然氣工廠在國內外也是遍地開花，從數量、規模到技術上LNG工廠都取得了顯著成效[1-6]。但是液化工廠運行過程中仍存在一些問題亟待解決，最明顯的是在當今環保壓力的環境下，如何有限的避免環境污染，減少尾氣排放成為眾多液化工廠運行和技術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輸管道氣，經調壓、計量后通過管線輸送至工廠，原料氣進入工廠后經過進站過濾、脫酸、脫水、脫重烴、液化等單元后實現天然氣由氣態變為液態，后輸送至儲罐進行儲存，儲存的LNG經過低溫潛液泵進行增壓后，通過裝車撬進行裝車，輸送至用戶，產生的尾氣如富氮閃蒸氣和重烴閃蒸氣通過火炬排放燃燒。導熱油系統為LNG液化工廠重要的公用工程設備，為液化工廠提供生產所需熱負荷，包括再生氣加熱裝置用熱負荷（工況1：原料氣進裝置條件7.0 MPa，30℃；工況2：原料氣進裝置條件5.8 MPa，30℃）、脫碳裝置用熱負荷（工況1：正常操作工況；工況2：40%低負荷工況；工況3：酸氣脫除單元的設備設計工況）、原料氣加熱裝置用熱負荷。具體裝置用熱情況統計見表1。

表1 裝置用熱統計

2 系統改造

2.1 燃料氣系統改造

導熱油鍋爐采用燃料在加熱爐爐膛內燃燒，燃燒產生熱量，分別以輻射和對流的形式將熱量傳遞給中間熱載體（熱介質—導熱油），完成熱介質加熱的目的。導熱油單元正常使用燃料氣為進站原料氣分出一部分純天然氣經過調壓、加熱后為爐膛提供燃料氣，消耗燃料氣約1 359 m3/h（標況），如連續運行每天消耗燃料氣32 616 m3（標況），如能通過工藝改造將天然氣液化系統產生的“廢氣”回收利用，可減少此部分消耗。工廠工藝裝置在運行過程中存在脫重烴和LNG儲罐閃蒸氣（BOG）重新液化兩個流程，在此過程中產生的重烴閃蒸氣及富氮氣閃蒸氣全部通過火炬進行燃燒，其中重烴閃蒸氣中可燃物物質含量99%以上，富氮氣閃蒸氣中甲烷含量25%，此部分氣體具有一定的燃燒價值，通過工藝流程優化，可實現重烴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熱油爐提供混燒氣，滿足導熱油爐正常運行。

儲罐閃蒸氣經過重新液化，脫氮氣后的富氮閃蒸氣溫度為-164℃，壓力為0.25 MPa，經過空溫式汽化器及電加熱汽化器復熱后溫度為常溫，壓力經過調壓后為0.17 MPa，后與重烴閃蒸氣匯合后進入燃料氣儲罐進行緩沖為導熱油提供燃料氣。重烴閃蒸氣溫度為常溫，壓力為0.363 MPa，后經調壓后壓力為0.17 MPa，混燒工藝流程如圖1。

100%負荷生產下重烴閃蒸及富氮閃蒸的總氣量約為1 971 m3/h（標況），通過計算需要混燒純天然氣935 m3/h（標況）才能達到正常燃燒，如不進行改造，燒純的天然氣需求量為1 359 m3/h（標況），因此通過混燒可節約天然氣量約為424 m3/h（標況）。

因此通過工藝改造實現裝置正常運行期間，導熱油爐的燃料氣由富氮閃蒸氣、重烴閃蒸氣和進站的純天然氣組成。首次開工或停工檢修后再開工時無“廢氣”，燃料氣則由進站原料氣供給，此改造即實現工廠“廢氣”的合理利用，又實現能源的節約。

2.2 控制系統升級改造

2.2.1 燃燒模式

為了合理回收利用LNG工廠運行過程中產生的燃料氣資源，根據現場燃料組成情況將鍋爐控制分為兩種燃燒模式：第一種使用標準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）壓力設定：回收氣給氣壓力為0.17 MPa，經過減壓閥及穩壓閥后壓力穩定在16～18 kPa，天然氣給氣壓力為0.4～0.8 MPa，經過減壓閥及穩壓閥后壓力穩定在16～18 k Pa，這樣保證了回收氣與天然氣的進氣壓力相同，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定18 kPa，當回收氣有來氣時（由于回收氣壓力大于設定值），開啟回收氣管道電磁閥，保證優先使用回收氣。

3） 燃燒模式選擇：當有回收氣的時候，按照燃燒模式一進行燃燒，當沒有天然氣的時候，系統自動切換到燃燒模式二進行。

燃燒模式一：為了能讓燃燒器工作，就要同時滿足燃燒器的燃燒最低燃料熱值與功率范圍，由于重烴閃蒸氣的熱值很高，可以直接燃燒，固重烴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?；厥諝夂吞烊粴饣鞜c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：當沒有回收氣時，系統自動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 實現燃燒控制功能

1）燃熱媒爐的熱負荷低于2 620 kW時，系統自動停機，當負荷需求增大時系統自動起爐。

2）啟動過程：系統啟動時，通過點火支路點燃天然氣，待主火焰建立后（天然氣流量270m3/h），逐步增加回收氣流量，優先使用回收氣，同時降低天然氣流量，使燃燒器達到系統所需的熱負荷。

3）由于回收氣流量及其成分不穩定，當回收氣產生變化時，控制系統根據出口溫度與設定溫度、尾氣氧氣含量，自動調節風量與然氣的配比來達到最佳的燃燒效果。

3 經濟效益分析

在吸取同等規模液化工廠運行經驗的基礎上及結合內蒙地區獨特環境溫度對工廠導熱油系統升級改造，預期成果如下：

1）燃料氣系統的改造：天然氣液化工程中重烴閃蒸罐及富氮閃蒸的總氣量為1 971 m3/h（標況）（按照100%負荷生產），通過計算需要混燒935 m3/h（標況），燒純的天然氣量為1 359 m3/h（標況），因此通過混燒可節約天然氣為424 m3/h（標況）。天然氣按照1.81元/m3計算，通過混燒每天可為工廠節約成本約1.8萬元，年節約成本約650萬元，同時減少氣體放空燃燒對環境造成的影響。

2）通過控制系統的改造實現不同負荷下燃燒曲線的自動切換，解決了由于燃料氣組分不同造成的異常停爐事故的發生，減少停爐次數，實現導熱油系統的平穩運行。

4 結束語

為解決液化天然氣工廠產生的重烴閃蒸氣和富氮閃蒸氣回收利用問題，通過對導熱油系統燃燒的工藝流程分析，結合裝置實際工藝參數，提出了對燃料氣系統及控制系統進行升級改造，將富氮閃蒸氣和重烴閃蒸氣引入導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荷，實現資源回收利用，降低污染，同時將產生可觀的經濟效益，為液化天然氣工廠了提供安全平穩、節能高效的運行環境。