基于新环保标准的国产低氮SCV在LNG接收站的工程应用

黄 华，于海英，赵 颖，刘海燕，李德泉，刘 涛

（中石化天津液化天然气有限责任公司，天津 300457）

液化天然气（LNG），主要成分是甲烷，公认的清洁能源。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运送至接收站。在接收站LNG加压后送气化器气化，然后利用天然气管道输送到用户[1-2]。

浸没燃烧式气化器（SCV）主要利用天然气燃烧加热水浴间接气化低温的液化天然气（LNG），具有启动迅速，运行可靠，运行不受天气等其他外界因素影响的优点，是LNG接收站冬季应急调峰的关键设备之一[3-4]。

氮氧化物（NOX）是SCV燃烧烟气的主要污染物，随着国内环保标准日益严格，以天津地区为例，NOX浓度必须符合天津市地方标准DB 12/151—2020《锅炉大气污染物排放标准》，标准规定在用燃气锅炉NOX排放从2022年11月1日起执行50mg/m3（标）限值，新建燃气锅炉大气污染物NOX排放执行50mg/m3（标）限值。现有的SCV装置是在新规之前采购的，NOX排放高于新标准，须按照2020版标准要求尽快改造或更新设备的方式，保证设备尾气达标外排，满足当地政府的环保要求。

1 SCV工作原理

SCV气化器包括天然气管束组、水浴池、SCV燃烧器、燃烧室、分布器、烟囱和鼓风机及配套件等组成（图1）。液化天然气管束置于水浴池液位以下，一个或几个燃烧器将燃料天然气送入炉膛内燃烧，燃烧后产生的烟气经过分布器直接排入水浴池中。高温烟气与水浴池中的水产生传热，水被加热至一定的温度。加热后的水通过管束与管内的液化天然气换热，管内的液化天然气被加热气化并过热到要求的外输温度，通常在1℃以上。

图1 SCV工作原理图

由于烟气与水直接接触，烟气激烈地搅动水浴池中的水，使水的传热效率非常高。在烟气与水混合作用下，天然气管束外部获得激烈的循环水流，管束外的传热系数极大提高。燃料天然气燃烧产生的高位热与管束内的LNG气化所需的热量相当，水浴池内的水温基本保持不变[5]。

2 NOX生成机理和现存问题

2.1 NOX生成机理

燃料燃烧过程中生成的NOX主要由NO、NO2及微量N2O组成，其中NO含量超过90%，NO2占5%～10%，N2O只有1%左右。研究表明，在燃料燃烧过程中生成NOX的主要有燃料型、快速型和燃料型三个途径[6]。

2.2 国外SCV现状

目前国内LNG接收站国产SCV市场份额已逐渐增加，但进口SCV仍然占据主要市场，高端技术产品和核心部件依存度高，当燃烧装置损坏或寿命到期时，仍需要花费巨资进口，昂贵的服务费也极大增加业主的维护成本。随着国内环保标准日益严格，进口SCV的烟气排放已不能满足环保标准要求。鉴于此，中石化天津液化天然气有限责任公司和江苏中圣压力容器装备制造有限公司合作开发了国产低氮SCV，由江苏中圣研发设计制造，中石化天津LNG接收站提供测试运行平台，共同考核国产低氮SCV的设备性能和排放指标。

2.3 工程应用平台

中石化天津LNG接收站目前有12台SCV，其中9台进口SCV和3台国产SCV。本次利用国产SCV作为低氮燃烧器的测试平台，国产SCV（表1）包括以下系统：助燃风机系统、燃烧系统、燃气系统、冷却水水泵系统、注水水泵系统、水质pH调节系统、烟气检测系统和控制面板与人机界面（HMI）系统。

国产SCV的主要参数：LNG入口压力9.91MPaG，允许压降0.20MPaG，设计压力15.5MPaG，LNG入口温度-153.2℃，SCV额定温度175t/h。

3 测试内容和方法

根据国产SCV的设计要求，在SCV安装完毕后，开始对SCV进行测试和考核，主要测试内容包括：

1）调节比测试：测试5%～100%工况SCV能否安全稳定运行。

测试方法：在运行过程中，考察国产SCV能否在大（85%以上）、中（40%～80%）和小（5%～40%）负荷连续运行，火检仪信号稳定，系统不跳车，其中点火成功率要求100%。

2）污染物排放测试：在负荷25%～100%工况下，测试国产低氮SCV烟气中污染物排放达到NOX＜50mg/m3（标），CO＜95mg/m3（标）的排放指标（按3%氧浓度折算后）。

测试手段：按照HJ 693—2014《固定污染源废气氮氧化物的测定 定电位电解法》和HJ 973—2018《固定污染源 一氧化碳的测定 定电位电解法》分别对国产SCV干烟气中的NO、NO2、CO和O2成分进行体积浓度测试，测得ρNO、ρNO2、ρCO、ρO2，单位 μmol/mol。

其中氮氧化物和一氧化碳在干烟气中的质量浓度按下式计算：

式（1）中：ρNOX为烟气中NOX的质量浓度，mg/m3；ρ´NO为实测 NO 的质量浓度，mg/m3；ρ´NO2为实测NO2的质量浓度，mg/m3。

式（2）中：ρCO为烟气中CO的质量浓度，mg/m3；ρ´CO为实测CO的质量浓度，mg/m3。

根据环保标准，烟气中NOX、CO按含氧量3%折算后的浓度为：

3）能量效率测试：国产SCV的气化LNG能力达到175t/h，并有一定余量。计算SCV燃料吨耗比[17-20]。

测试手段：在国产SCV长期运行过程中，保持175t/h LNG进料量，水浴池温度不降低。

燃料吨耗比以公式（5）计算：

式（5）中：Q1为SCV的燃气消耗量，m3/h（标）；Q2为SCV的LNG流量，t/h；δ为SCV的燃料吨耗比，%。

4）国产SCV运行噪音测试：距离SCV气化器区域外1m处噪音不超过85dB。

测试方法：利用噪音分析仪，在距离SCV区域1m处进行噪音强度测试。

4 数据分析和结论

4.1 设备运行性能

低氮SCV燃烧器在完成设备安装、调试后，于2020年冬季投入到LNG接收站保供生产，在各类真实生产条件下对配置国产低氮燃烧器系统的SCV气化器进行了运行安全和稳定性考核、烟气污染物排放指标考核、噪音考核。

截至2022年3月，经过两个冬季的保供外输，国产低氮SCV燃烧器能够在外输负荷变化及时自动进行输出负荷调整，响应速度快，运行稳定，安全可靠，烟气排放合格，未发生过意外停车事故（表1）。

表1 国产低氮SCV的运行工艺数据

4.2 烟气测试数据和结论

在相同LNG里的工况下，分别测试国产低氮SCV和进口SCV在测试点的烟气中NOX含量（表2），其中国产低氮SCV排放NOX＜50mg/m3（标），进口SCV 排放NOX＜90mg/m3（标）（图2）。

表2 国产低氮SCV和进口SCV的烟气NOX含量测量数据

图2 国产SCV和进口SCV尾气NOX的检测结果

国产低氮SCV按3%烟气氧浓度折算后的烟气氮氧化物（NOX）排放都低于50mg/m³（标），一氧化碳（CO）排放都低于15mg/m³，满足天津市新发布的排放标准。而进口SCV的烟气中NOx排放超过标准要求，需要整改优化。

4.3 燃气消耗对比分析

SCV燃烧天然气产生高温烟气加热水浴，将LNG气化成NG进入外输管网。燃料气的消耗是SCV能耗的主要组成，燃料气的消耗主要由燃烧器燃气燃尽率、换热效率、水浴温度、排烟温度和烟气量等因素决定。在相同LNG流量工况下，对比国产SCV和进口SCV的燃气消耗量（图3）。

图3 国产SCV和进口SCV运行时燃气消耗量的对比

在LNG流量相同的工况下，国产SCV燃气消耗量比进口SCV的燃气消耗量少200～450m3/h（标），水浴温度低5℃左右。经过式（5）计算，在LNG流量为满负荷175t/h时，国产SCV的燃料吨耗比为1.202%，进口SCV的燃料吨耗比为1.414%。以单台SCV每个冬季保供期满负荷运行90d，燃料气价格2.5元/m3（标）计算，国产SCV一个冬季保供期可节省燃料费267.12万/元/台。由此可见，国产SCV在烟气排放达标的同时，在节能降耗的指标上优于进口SCV。

5 结论

1）国产低氮SCV满足连续安全稳定运行：国产SCV气化器低氮系统在LNG接收站连续生产外输阶段安全稳定运行，未发生异常现象，安全稳定运行满足了LNG接收站LNG气化生产和保供需求。

2）国产低氮SCV宽负荷范围内实现高效燃烧和超低排放目标：在设备运行期间，低氮燃烧器的烟气氮氧化物（NOX）排放都低于50mg/m³（标），一氧化碳（CO）排放都低于51mg/m³（标）。满足天津市新发布的排放标准。CO极低排放指标说明国产SCV低氮燃烧器系统燃尽率高。

3）国产低氮SCV的运行噪音符合环境达标要求：使用噪音测试仪器对SCV气化器系统运行噪音检测值为74～80dB（A），符合噪音≤85dB达标要求。

4）预见不久的将来，环保规范要求的NOX浓度会继续下调，这将给国内各LNG接收站的SCV带来更严格的要求和挑战。因此需要SCV供应商和LNG接收站在超低氮燃烧器上做更进一步的技术升级，降低燃烧器在燃烧过程中产生的NOX浓度。