基于新環保標準的國產低氮SCV在LNG接收站的工程應用

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任公司，天津 300457）

液化天然氣（LNG），主要成分是甲烷，公認的清潔能源。其制造過程是先將氣田生產的天然氣凈化處理，經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點，是LNG接收站冬季應急調峰的關鍵設備之一[3-4]。

氮氧化物（NOX）是SCV燃燒煙氣的主要污染物，隨著國內環保標準日益嚴格，以天津地區為例，NOX濃度必須符合天津市地方標準DB 12/151—2020《鍋爐大氣污染物排放標準》，標準規定在用燃氣鍋爐NOX排放從2022年11月1日起執行50mg/m3（標）限值，新建燃氣鍋爐大氣污染物NOX排放執行50mg/m3（標）限值。現有的SCV裝置是在新規之前采購的，NOX排放高于新標準，須按照2020版標準要求盡快改造或更新設備的方式，保證設備尾氣達標外排，滿足當地政府的環保要求。

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燃燒，燃燒后產生的煙氣經過分布器直接排入水浴池中。高溫煙氣與水浴池中的水產生傳熱，水被加熱至一定的溫度。加熱后的水通過管束與管內的液化天然氣換熱，管內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水流，管束外的傳熱系數極大提高。燃料天然氣燃燒產生的高位熱與管束內的LNG氣化所需的熱量相當，水浴池內的水溫基本保持不變[5]。

2 NOX生成機理和現存問題

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現狀

目前國內LNG接收站國產SCV市場份額已逐漸增加，但進口SCV仍然占據主要市場，高端技術產品和核心部件依存度高，當燃燒裝置損壞或壽命到期時，仍需要花費巨資進口，昂貴的服務費也極大增加業主的維護成本。隨著國內環保標準日益嚴格，進口SCV的煙氣排放已不能滿足環保標準要求。鑒于此，中石化天津液化天然氣有限責任公司和江蘇中圣壓力容器裝備制造有限公司合作開發了國產低氮SCV，由江蘇中圣研發設計制造，中石化天津LNG接收站提供測試運行平臺，共同考核國產低氮SCV的設備性能和排放指標。

2.3 工程應用平臺

中石化天津LNG接收站目前有12臺SCV，其中9臺進口SCV和3臺國產SCV。本次利用國產SCV作為低氮燃燒器的測試平臺，國產SCV（表1）包括以下系統：助燃風機系統、燃燒系統、燃氣系統、冷卻水水泵系統、注水水泵系統、水質pH調節系統、煙氣檢測系統和控制面板與人機界面（HMI）系統。

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

3 測試內容和方法

根據國產SCV的設計要求，在SCV安裝完畢后，開始對SCV進行測試和考核，主要測試內容包括：

1）調節比測試：測試5%～100%工況SCV能否安全穩定運行。

測試方法：在運行過程中，考察國產SCV能否在大（85%以上）、中（40%～80%）和小（5%～40%）負荷連續運行，火檢儀信號穩定，系統不跳車，其中點火成功率要求100%。

2）污染物排放測試：在負荷25%～100%工況下，測試國產低氮SCV煙氣中污染物排放達到NOX＜50mg/m3（標），CO＜95mg/m3（標）的排放指標（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SCV干煙氣中的NO、NO2、CO和O2成分進行體積濃度測試，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量濃度按下式計算：

式（1）中：ρNOX為煙氣中NOX的質量濃度，mg/m3；ρ′NO為實測 NO 的質量濃度，mg/m3；ρ′NO2為實測NO2的質量濃度，mg/m3。

式（2）中：ρCO為煙氣中CO的質量濃度，mg/m3；ρ′CO為實測CO的質量濃度，mg/m3。

根據環保標準，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SCV的氣化LNG能力達到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SCV長期運行過程中，保持175t/h LNG進料量，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的燃氣消耗量，m3/h（標）；Q2為SCV的LNG流量，t/h；δ為SCV的燃料噸耗比，%。

4）國產SCV運行噪音測試：距離SCV氣化器區域外1m處噪音不超過85dB。

測試方法：利用噪音分析儀，在距離SCV區域1m處進行噪音強度測試。

4 數據分析和結論

4.1 設備運行性能

低氮SCV燃燒器在完成設備安裝、調試后，于2020年冬季投入到LNG接收站保供生產，在各類真實生產條件下對配置國產低氮燃燒器系統的SCV氣化器進行了運行安全和穩定性考核、煙氣污染物排放指標考核、噪音考核。

截至2022年3月，經過兩個冬季的保供外輸，國產低氮SCV燃燒器能夠在外輸負荷變化及時自動進行輸出負荷調整，響應速度快，運行穩定，安全可靠，煙氣排放合格，未發生過意外停車事故（表1）。

表1 國產低氮SCV的運行工藝數據

4.2 煙氣測試數據和結論

在相同LNG里的工況下，分別測試國產低氮SCV和進口SCV在測試點的煙氣中NOX含量（表2），其中國產低氮SCV排放NOX＜50mg/m3（標），進口SCV 排放NOX＜90mg/m3（標）（圖2）。

表2 國產低氮SCV和進口SCV的煙氣NOX含量測量數據

圖2 國產SCV和進口SCV尾氣NOX的檢測結果

國產低氮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），一氧化碳（CO）排放都低于15mg/m3，滿足天津市新發布的排放標準。而進口SCV的煙氣中NOx排放超過標準要求，需要整改優化。

4.3 燃氣消耗對比分析

SCV燃燒天然氣產生高溫煙氣加熱水浴，將LNG氣化成NG進入外輸管網。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氣燃盡率、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SCV和進口SCV的燃氣消耗量（圖3）。

圖3 國產SCV和進口SCV運行時燃氣消耗量的對比

在LNG流量相同的工況下，國產SCV燃氣消耗量比進口SCV的燃氣消耗量少200～450m3/h（標），水浴溫度低5℃左右。經過式（5）計算，在LNG流量為滿負荷175t/h時，國產SCV的燃料噸耗比為1.202%，進口SCV的燃料噸耗比為1.414%。以單臺SCV每個冬季保供期滿負荷運行90d，燃料氣價格2.5元/m3（標）計算，國產SCV一個冬季保供期可節省燃料費267.12萬/元/臺。由此可見，國產SCV在煙氣排放達標的同時，在節能降耗的指標上優于進口SCV。

5 結論

1）國產低氮SCV滿足連續安全穩定運行：國產SCV氣化器低氮系統在LNG接收站連續生產外輸階段安全穩定運行，未發生異常現象，安全穩定運行滿足了LNG接收站LNG氣化生產和保供需求。

2）國產低氮SCV寬負荷范圍內實現高效燃燒和超低排放目標：在設備運行期間，低氮燃燒器的煙氣氮氧化物（NOX）排放都低于50mg/m3（標），一氧化碳（CO）排放都低于51mg/m3（標）。滿足天津市新發布的排放標準。CO極低排放指標說明國產SCV低氮燃燒器系統燃盡率高。

3）國產低氮SCV的運行噪音符合環境達標要求：使用噪音測試儀器對SCV氣化器系統運行噪音檢測值為74～80dB（A），符合噪音≤85dB達標要求。

4）預見不久的將來，環保規范要求的NOX濃度會繼續下調，這將給國內各LNG接收站的SCV帶來更嚴格的要求和挑戰。因此需要SCV供應商和LNG接收站在超低氮燃燒器上做更進一步的技術升級，降低燃燒器在燃燒過程中產生的NOX濃度。