空温式LNG气化器综述

2020-11-02何晓茹

云南化工 2020年10期

何晓茹

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

随着生态环境问题日益突出，我们需要使用清洁能源，减少大气污染物的排放，以改善大气环境，走可持续发展道路[1]。天然气就是一种清洁能源，它可以减少CO2、硫化物、氮氧化物以及粉尘的排放，因此被广泛使用。而液化天然气（Liquid Natural Gas，LNG）是天然气的液态形式，其体积远比同量气态天然气的体积小，可以降低运输空间，且能量密度高，因此，我们常使用LNG。

1 气化器的选择

LNG具有便于运输、能量密度高等多个优点，但是它在使用前必须经过气化，其核心设备就是气化器。此外，在现代化的石油化工工业生产中，换热器设备的投资大约占到工业设备总投资的2／5以上[2]。由此可见，它的选择很重要。而目前常用到的气化器有四种，分别是浸没燃烧式气化器（SCV）、开架式气化器（ORV）、中间流体式气化器（IFV）以及空温式气化器（AAV）[3]。

SCV利用的是燃料燃烧产生的烟气，具体加热过程是：烟气通过分配管上的气孔进入换热器壳程的水浴，进而给管束中的LNG加热。但是它不作为主换热器使用，常常用于调峰。

ORV利用的是海水，具体加热过程是：位于铝合金管外部空间的海水从上部进入，下部流出，而LNG位于铝合金管的内部，在海水流经过程中，内部的LNG被加热气化。但是在选用ORV时，常要考虑到：1）海水中是否含有对壳体涂层产生腐蚀的金属离子；2）海水中沙子及悬浮物对壳体造成的磨损是否可以忽略；3）海水排出时的温度是否符合当地标准等等。它的使用对海水的要求较高。

IFV是一种传统的管壳式换热器，它主要分为3部分：冷凝器、蒸发器和调温器。具体加热过程是：海水作为热源加热蒸发器壳程中的中间物质丙烷（常用的中间物质还有氮气和氟利昂），丙烷吸热气化；气化后的丙烷上升加热冷凝器管程中的LNG，两者进行换热，丙烷冷凝，形成一个循环，而LNG气化。但是因气化后的天然气温度未达到外输要求，此时海水会作为热源对调温器中的天然气进一步加热。总的来说，IFV投资成本比较高。

AAV利用的是环境空气，具体加热过程是：在管外，空气通过自然对流，不断将热量传递给翅片管；翅片管又经过导热，热量由外壁面传向内壁面；在管内，LNG经过强制对流，不断气化成NG，如图1所示。

图1 AAV气化流程

例如在海岸边的某一气化系统中，日气化量、温度和压力分别是2830×104m3、277.5K和9MPa，大气压力和温度分别为101325Pa和7～24℃，海水温度为12～18℃，LNG的组分如表1。对三种常用的气化器（开架式、空温式以及浸没燃烧式）进行了对比，气化工艺如表2所示[4]。

表1 LNG组成（质量分数）

表2 不同气化工艺对比

比较发现，AAV总占地面积、重量较大，预算投资费用较高，但是它能耗、污染物排放量要明显低于其他两种。

现在，为了避免因外壁结冰，而影响空温式气化器正常使用这一状况，常常在传统空温式气化器的顶部安装风扇，加快顶部空气流动，增强空气对流传热效果，提高气化器的整体传热效率。

2 空温式气化器

图2是空温式气化器示意图。布置方式为竖直并列蛇形管式，它包括竖直向上和竖直向下两种流动方式。Klimenko[5]研究表明：因为自上向下流动时，沸腾换热强度变差，所以LNG自下向上流动的传热效果比自上向下的好。目前，空温式气化器多采用竖直向上这一流动方式，即LNG从翅片管底部流入，NG从顶部流出，而空气是从翅片管顶部和侧部流入，底部流出。

图2 空温式气化器示意图

3 影响AAV传热性能的因素

影响AAV传热性能的因素大致有：LNG入口流速、操作压力、空气温度、空气流速以及翅片管结构等。

3.1 LNG入口流速

由于下游用户使用天然气不均匀，因此气化量具有波动性，其传热系数和焓差也会随着气化量发生变化，所以必须考虑LNG气化量的影响，也就是入口流速带来的影响。理论上，由于流量增大，流体湍流性增强，传热系数会随着流量的增大而增大。但是由于流量增大，流体与管壁接触的时间变短，换热量减少，因此出入口焓差却不会一直增大，在一定的运行工况和环境条件下存在着一个“极值焓差”，即空温式气化器出入口最大焓差，其对应的气化量即为最优气化量。

3.2 操作压力

由于空温式气化器多用于管线调峰或者小型加气站，工作压力时有变化。当压力变化时，LNG的泡点、汽化潜热等参数也会发生变化，继而影响翅片管内天然气的气化过程。所以要对不同的操作压力进行模拟，找出压力对传热特性的影响规律。

3.3 空气温度

空温式气化器主要是利用大气环境作为热源加热LNG，所以空气侧的换热情况会直接决定空温式气化器的换热效果。当空温式气化器由于地区或是季节不同时，外侧空气温度也会相应改变，并且当空气温度过低时，会导致外壁面结冰，直接影响到气化器的正常使用。所以分析空气温度对翅片管传热性能的影响具有显著意义。

3.4 空气流速

空温式气化器要从空气中获得热量来气化LNG，它的气化量受环境温度影响较大。当环境温度较低时，气化量达不到额定值，且气化器外壁可能会出现结冰现象，需要用大量水冲洗才能够正常使用，从而影响气化器站的正常供气。而在气化器顶部安装风扇后，可以加快顶部空气流动速度，保证空气顶部温度，强化传热效果，维持设备的正常运行。

3.5 翅片管结构

考虑翅片管结构对换热性能的影响，主要是从翅片个数、翅片高度以及翅片厚度三方面进行考虑的，如图3所示。

图3 翅片管结构示意图

增加翅片个数，主要是从改变传热面积角度出发的。通过增大换热面积，进而使更多的热量传递至管内，从而提高换热效率。但是换热效率并不是一直随着翅片个数增加而增大，因为翅片个数过多时，意味着翅片夹角较小，翅片管外侧的空气温度边界层变厚，近壁面温度梯度减小，从而单位面积换热量减小。因此，需要研究翅片个数对传热性能的影响，从而确定适宜的翅片个数。

随着翅片高度的增加，同样的，传热面积也在不断增加，传热效率随之提高。但是当翅片高度达到一定高度时，继续增加翅片高度，换热效率的增加已经不是很明显了。因此，从经济性出发，我们要保证在最小的占地面积条件下达到最大的换热效率，即要通过模拟确定最佳的翅片高度。

当翅片厚度增加时，传热面积同样的也在增大，换热效率也随之增大，但是随着翅片厚度的无限制增加，两翅片间距离不断减小。和过多增加翅片个数一样，传热效率反而会随之减小，所以需要通过模拟找出最佳的翅片厚度。

改变翅片管的结构参数（翅片个数、翅片高度以及翅片厚度），理论上都是通过改变传热面积来改变换热效率的，但因为过多增加翅片数目、翅片厚度会导致换热效率下降，且当数目、高度、厚度增加时，投资费用也在增加。所以需要模拟不同尺寸的翅片管模型，确定出最佳的翅片个数，翅片高度以及翅片厚度。