专利名称：一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液化天然气加热气化炉，特别是涉及适用于中小规模区域使 用的液化天然气加热气化炉。
背景技术：
天然气是在气田中自然开采出来的可燃气体，主要成分是甲烷、乙烷等气体，是一 种清洁能源，具有高效，储运方便等特点，且其资源较丰富，在当今节能减排成为全球共识 之时，天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将其列为首选燃料，天然气在能源 供应中的比例迅速增加，因此成为世界能源发展的方向之一。按照中国的天然气使用计划， 2010年国内生产能力将达到900亿立方米，到2020年将为2400亿立方米，而在进口天然气 方面，发改委预计到2020年，中国要进口 350亿立方米，相当于2500万吨/年。在运输方 面，天然气往往采用管道运输，如西气东输管线和近期通气的中亚三国至我国的管线，或将 天然气冷凝液化，大大缩小其体积后用船、车等交通工具运输，如从东南亚用大型液化天然 气运输船进口 ；在贮藏方面，天然气一般采用地下储气、管束储气或大型球罐储气，而液化 天然气更有其优势，只需较小的贮液容器就能贮藏大量天然气。液化天然气是将在常温常压下呈气态的天然气冷却至-162°C，使之凝结而成的液 体。天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，常压下每立方米液化天然气就能气化成 625立方米的天然气，因此液化天然气常用于贸易运输或战略储备。由于进口液化天然气有 助于天然气消费国实现能源供应多元化、保障能源安全，而出口液化天然气有助于天然气 生产国有效开发天然气资源、增加外汇收入、促进国民经济发展，因而液化天然气贸易正成 为全球能源市场的新热点。近年来全球液化天然气的生产和贸易日趋活跃，液化天然气正 以每年约12%的速度增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。为保证能源供应多元化 和改善能源消费结构，一些能源消费大国越来越重视液化天然气的引进，日本、韩国、美国、 欧洲都在大规模兴建液化天然气接收站。国际大石油公司也纷纷将其新的利润增长点转向 液化天然气业务，液化天然气将成为石油之后下一个全球争夺的热门能源商品。中国天然气资源相对贫乏，迄今为止天然气在中国一次能源消费中的比重很小。 从中国天然气工业的发展形势来看，由于资源有限，天然气产量远远小于需求，供需缺口将 越来越大，因而必然需要进口，2007年中国进口 291万吨液化天然气，是2006年进口量的3 倍多。2008年1-11月中国液化天然气的进口总量为314万吨，比2007年同期增长18%。 可以预见，在未来10-20年的时间内，液化天然气产业必然在中国得到迅速发展，液化天然 气将成为中国天然气市场的主力军。因此，中国对液化天然气产业的发展越来越重视，中国 正在规划和实施的沿海液化天然气项目遍布广东、福建、浙江、上海、江苏、山东、辽宁等省 市，这些项目将最终构成一个沿海液化天然气接收站与输送网络。然而在使用液化天然气时，仍需将其先加热气化成工艺所需压力温度下的天然 气，才能供工程实际使用，因此液化天然气供气系统中，必须有加热气化装备，其中的主要 设备就是液化天然气加热气化装置。我国目前主要采用以下几种加热气化装置[0006]1.水加热型气化装置这类气化装置用铝合金支架固定安装，其基本加热元件是 传热管。由若干根传热管排列成板状，两端与集液或集气联箱相连，焊接成管板，再由若干 块管板组成气化装置，装置顶部装有喷淋器，水或海水喷淋在管板外表面上，依靠重力作用 自上而下流动，液化天然气在管内自下而上流动，在此过程中，液化天然气被加热气化。这 类装置的优点是运行费用较低，操作维护方便，负荷调节范围较大；缺点是初投资较大，气 化能力受气候等因素的影响较大，随气温降低，气化能力下降，且工作时有些部位可能结 冰，使传热效果降低，因此通常装置的进口水温应控制在5°C以上；这类装置常用于基本负 荷型的大型气化场合。2.浸没式燃烧加热型气化装置这类气化装置主要由外壳、燃烧器、盘管三个部 分组成，其工作过程是燃料在燃烧器中与空气混合后着火燃烧，产生的高温烟气通过喷气 管喷入水池与水直接接触，激烈地搅动水，盘管浸没在水池中，盘管内的液化天然气与管外 高度湍动的水换热，吸热气化。这种气化炉的优点是结构紧凑，节省空间，传热效率高，初投 资较小，适用于负荷变化较大的场合，常用于紧急情况或调峰状态；缺点是运行成本较高。3.空气加热型气化装置这类装置常采用带有翅片等扩展表面的换热管组成管 排，液化天然气在管排中流动若干个回程，空气则在管排间流动加热管内的液化天然气。这 类装置的优点是结构简单，运行费用低，管理维护方便；缺点是因空气的热容量小，因此单 位天然气气化量的投资较高，占地面积大，且气化能力较小，还受到环境条件的影响，当气 温较低或湿度较大时，管排间会结冰，从而减少有效传热面积，并堵塞空气流通通道，大大 影响换热，因此一般用于气化量较小的场合。4.中间载热介质型气化装置这类装置主要由圆筒型外壳、加热管束和被加热管 束等部件组成，外壳中充满中间载热介质如丙烷、丁烷、氟里昂等，加热管束和被加热管束 都浸没在中间载热介质中，加热管中引入余热水或海水，以此加热中间载热介质，升温后的 中间载热介质再加热被加热管束中的液化天然气，使之升温气化。这类装置的优点是运行 费用低，结构紧凑，占地小，不会发生结冰问题；缺点是加热管束和被加热管束因防腐蚀而 需采用合金材料，因此造价高且综合热效率较低；一般用于基本负荷型的液化天然气加热 气化系统。为强化传热，现在这类装置也有采用燃料燃烧产生高温烟气进入加热管束加热 中间载热介质，并采取措施加强圆筒体内传热介质的流场以强化传热，取得较好的效果；当 然采用燃烧器后，大大提高了传热效果，增大了液化天然气气化负荷，但运行费用增加了， 初投资也上升了。5.蒸汽加热型气化装置这类气化装置需要蒸汽汽源，装置启动时，液化天然气 在受热管束内流动，蒸汽在管外流动，液化天然气被蒸汽加热气化，达到供气要求。这类装 置的优点是结构紧凑，效率高，可靠性强，运行范围宽，温度控制容易；缺点是要蒸汽汽源， 初投资高，运行费用高；这类装置适用于液化天然气运输船，在处理惰性气体清除与纯化、 紧急供应天然气、液舱惰化等情况下，迅速气化液化天然气或液氮等。 上述液化天然气加热气化装置各有特点，也各自适用于一些场合。目前在一些大 中城市的社区中，尤其需要一种适应中小规模供气量，即每小时供气量为5000至10000立 方米左右的，结构紧凑，投资较低，热效率高，供气速度快，适合于调峰的加热气化装置，纵 观上述现有技术的加热气化炉均不太合适，或者结构过于复杂，投资高，日供气量太大或太 小，不适宜区域生活供气；或者加热气化不稳定，气化率和热效率偏低，不能自动调节，不能满足峰、谷差异大的场合，因此，急需有所改变和改善。发明内容本实用新型的目的是要提供一种工作负荷范围广，结构简单紧凑，运行维护方便， 热效率高，供气速度快，适合中小型液化天然气加热气化站使用的液化天然气加热气化炉。本实用新型的目的是由如下结构来实现的一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于在立式密闭圆筒形外壳的顶部安装燃烧室，燃烧室由内筒和外筒构成，内筒的顶 部安装燃烧器，外筒的下端为锥形喷口 ；在外筒的外壁与圆筒形外壳的内壁之间形成换热 面布置空间，在换热面布置空间的上部开设排烟管道；在燃烧室外筒与内筒之间构成夹套层，夹套层的底部与锥形喷口连通，夹套层的 顶部经循环烟道与排烟管道连通；在排烟管道中设置排烟管道调风门，在循环烟道中设置循环烟道调风门；立式密闭圆筒形外壳的下部为积存水的水池，水池的水面部分浸没呈倒置伞状的 气流旋水子，气流旋水子的中心为向上突起的尖顶，由尖顶向下并向四周扩展的是以曲线 形状先向下至圆盘边缘后再略向上弯曲的曲面；在换热面布置空间中布置了围绕燃烧室外筒呈螺旋上升排列的盘管；盘管的一端 为液化天然气进口，另一端为天然气出口。进一步，所述盘管分为上盘管和下盘管两部分，上盘管围绕燃烧室外筒呈螺旋上 升排列，下盘管呈螺旋上升排列浸没在圆筒形外壳下部的水池中，气流旋水子布置在下盘 管的上面，上盘管与下盘管之间由连通管相互连接。进一步，在所述气流旋水子的曲面上开设若干小孔。进一步，所述排烟管道调风门和循环烟道调风门可分别呈全部开启、全部关闭或 部分开启三种状态。进一步，所述喷口与气流旋水子的尖顶之间的距离为喷口至喷口气流的射流核心 顶端距离的士 10%以内。进一步，所述燃烧室内筒、外筒、喷口的横截面和气流旋水子的俯视图外形一致为 圆形或矩形。进一步，所述气流旋水子的曲面依据的曲线是抛物线、圆弧或双曲线的弧形曲线。进一步，所述喷口喷出气流速度在20m/s以上。本实用新型一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉的设计思想是采用燃料 燃烧产生的高温烟气作为热源以增大并加快液化天然气气化负荷和速率，并可控制负荷变 化范围，不受外界干扰，上盘管以夹带液滴、雾和蒸汽的高温烟气为供热介质，通过对流换 热和相变换热强化传热；另外，将换热面分成上下两部分，在上盘管的基础上，加之下盘管 浸没在水池中，以水作为热源加热下盘管中的天然气，水用高温烟气加热，这样能更好地控 制出口天然气的温度。本实用新型专利的特点和优点是1.设计了伞形气流旋水子，如图3、4所示，高温烟气高速冲击气流旋水子时，在尖 顶的引导下，沿着弧形表面流动冲击水面，溅出并夹带液滴、雾和水蒸气后向上流动，进入 由燃烧室外筒的外壁与圆筒形外壳的内壁之间形成的换热面布置空间，并直接与置入空间
5中的盘管换热，其效果一是烟气通过上述过程增大了与水接触的面积而增加了加热蒸发水 的能力，二是适当降低了烟温，使接触盘管的烟气温度低于液化天然气的燃点，确保运行安 全，同时防止因盘管内、外工质温差太高造成热应力而损坏管道；三是湿烟气流经盘管时， 管内外均发生相变换热而使传热效果大大增加。2.设计了烟气循环以增大冲击气流旋水子的烟气量，从而提高喷口处烟气速度， 以强化冲击水面的力度。其工作过程是燃烧产生的烟气在循环风机的作用下，经过上盘管 放热后流入换热面布置空间，再流经排烟管道，一部分烟气经烟 排入大气，另一部分烟气 经调风门流入夹套层成为循环烟气，与燃烧产生的烟气混合，从而增大了冲击气流旋水子 的烟气量，亦即提高了烟速。其效果一是增强了烟气冲击溅出并卷吸液滴、雾和蒸汽的能 力，同时因扩大了烟气与水的接触面而强化了加热水池中水的作用；二是通过调节循环烟 气量而能控制烟温，确保安全；三是回收了排烟热量，提高了加热气化炉的效率；四是温度 较低的循环烟气在夹套层中流动时，可以保护燃烧室内筒的壁面不致超温，保护装置的安 全。3.设计了燃烧室内筒和外筒间的夹套层及烟气喷嘴，如图1、2所示。燃烧室内 筒和外筒间形成的环形通道即夹套层，外筒上端接循环烟道入口，下端接锥形喷口，流经夹 套层的循环烟气与燃烧室内筒中燃料燃烧产生的高温烟气在锥形喷口中混合并喷射出，形 成高速烟气射流直接喷射到安装在喷口正下方的气流旋水子上，形成卷吸力很强的翻卷气 流。其效果一是使循环烟气与燃烧产生的烟气充分混合并形成温度合适的高速烟气射流； 二是形成了冷却燃烧室内筒壁温的通道。4.将换热面设计成上、下两组盘管，上盘管设置在换热面布置空间中围绕燃烧室 外筒呈螺旋上升排列布置，主要起加热和气化液化天然气的作用，下盘管浸没在水池中，主 要加热已气化了的天然气，上下盘管之间用连通管连接，连通管上可装测温点。其效果一是 明确地分开了液化天然气加热气化过程中的加热蒸发段和过热段，将需要较多热量的加热 蒸发段放在高温区，用高温湿烟气加热，而过热段所需热量较少，则放在水池中加热，从而 提高了整体传热效果，减少了受热面积；二是上、下盘管间的天然气温度变化能有效反映负 荷变化状况，据此能迅速调节燃烧工况，节省燃料。本实用新型的优点是结构简单紧凑，占地面积小，初投资少，运行费用相对较低， 运行维护方便，热效率高，供气速度快，能较好满足调峰需要，适用于中小型气化站对液化 天然气加热气化的需求。
图1为本实用新型一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉的一种实施方式 的总结构布置图，布置的受热面分成了上、下盘管；图2为本实用新型一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉的另一种实施方 式的总结构布置图，受热面全部布置成上盘管；图3为本实用新型的气流旋水子部件的结构示意图；图4为本实用新型高温气流撞击旋水子部件的气流示意图；图5为本实用新型气流旋水子部件的当旋水子曲面的周边呈圆形时的俯视图；图6为本实用新型气流旋水子部件的当旋水子曲面的周边呈矩形时的俯视图；[0041]图7为喷口至喷口气流的射流核心顶端距离L的示意图。图中1是燃烧器，2是夹套层，3是燃烧室外筒，4是换热面布置空间，5是盘管，6是液化 天然气进口，7是气流旋水子，7a是尖顶，7b是小孔，7c是曲面，8是天然气出口，9是支架， 10是水池，11是锥形喷口，12是外壳，13是连通管，14是排烟管道，15是排烟管道调风门， 16是燃烧室内筒，17是循环烟道，18是循环烟道调风门，L是喷口至喷口气流的射流核心顶 端的距离。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本实用新型的结构。一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，在立式密闭圆筒形外壳12的顶部 安装燃烧室，燃烧室由内筒16和外筒3构成，内筒16的顶部安装燃烧器1，外筒3的下端为 锥形喷口 11 ；在外筒3的外壁与圆筒形外壳12的内壁之间形成换热面布置空间4，在换热 面布置空间4的上部开设排烟管道14 ；在燃烧室外筒3与内筒16之间构成夹套层2，夹套 层2的顶部与循环烟道17连通，底部出口与外筒3下端的锥形喷口 11连通；循环烟道17 的另一端与排烟管道14连接，安装在排烟管道14上的调风门15与安装在循环烟道17上 的调风门18可控制排烟量和循环烟气量；圆筒形外壳12的下部为积存水的水池10，水池 10的水面部分浸没呈倒置伞状的气流旋水子7，气流旋水子7的中心为向上突起的尖顶7a， 由尖顶7a向下并向四周扩展的是以某种曲线形状先向下至圆盘边缘后再略向上弯曲的曲 面7c ；在换热面布置空间4中布置了围绕燃烧室外筒3呈螺旋上升排列的盘管5 ；盘管5的 一端为液化天然气进口 6，另一端为天然气出口 8。所述盘管5分为上盘管和下盘管两部分，上盘管设置在受热面布置空间4中，围 绕燃烧室外筒3呈螺旋上升排列，主要起加热和气化液化天然气的作用，下盘管呈螺旋上 升排列浸没在圆筒形外壳12下部的水池10中，主要加热已气化了的天然气；气流旋水子 7置于下盘管的上面，上盘管与下盘管之间由连通管13相互连接。这种布置方式明确地分 开了液化天然气加热气化过程中的加热蒸发段和过热段，将需要较多热量的加热蒸发段放 在高温区，即换热面布置空间4内，用高温湿烟气加热，而所需热量较少的过热段则放在低 温区，即圆筒形外壳下部的水池10中，用水加热，从而提高了整体传热效果，减少了受热面 积；并且根据按装在上、下盘管间的连通管13上的测温点的温度变化，能有效反映负荷变 化状况，据此调节燃烧工况，节省燃料。在所述气流旋水子7的曲面7c的最低处开设若干小孔7b。水从小孔7b中不断溢 入以保证气流旋水子7的曲面7c下部始终浸没在水中，使得沿曲面7c流动的气流可以始 终冲击留存在曲面上的水，而不会因曲面7c上的水被气流带走，无法及时补充而发生缺水 的情况。燃烧室内筒16和外筒3之间构成夹套层2，夹套层2的上部与循环烟道17连通， 底部出口与外筒3下端的锥形喷口 11连通，由此使循环烟气与燃烧产生的烟气在锥形喷口 11中充分混合增加了烟气流量，从而形成高速烟气射流，；此外，夹套层2成为冷却燃烧室 内筒16的外壁温度的通道，有利于保护和延长燃烧室内筒16的寿命。所述循环烟道17的另一端与排烟管道14连接，排烟管道14上的调风门15与循环烟道17上的调风门18可以控制排烟量和循环烟气量。所述通道调风门15和18可分别呈全部开启、全部关闭或部分开启的三种状态，但 两调风门的启闭状态须妥善搭配。通过调节调风门可以控制烟气流量和流速，以提高烟气 冲击溅出水的能力，增大烟气与水接触的面积，从而强化烟气加热水池10中水的作用；通 过调节调风门可以控制烟温，使其低于液化天然气的燃点以保护装置安全，此外，低温循环 烟气可以保护燃烧室内筒16的壁面不致超温；烟气循环还可回收排烟热量，提高气化炉热 效率。所述喷口 11与气流旋水子7之间的距离为喷口 11至喷口气流的射流核心顶端距 离L的士 10%以内。经计算和测试，在此距离范围内，会取得较好的气流冲击性能，从而形 成更好的冲击、溅出、卷吸液滴、雾和蒸汽的能力。所述燃烧室内筒16、外筒3、喷口 11的横截面和气流旋水子7的俯视图外形应一 致为圆形，如本实施例，或者为矩形。在实际应用时，应根据工艺需要选用圆形或矩形，均能 取得较好的效果。所述气流旋水子7的曲面7c所依据的曲线是抛物线、圆弧、双曲线等弧形曲线，实 际应用时，可根据加热气化装置的规格、容量、气化温度等要求，以及装置整体结构和加工 制作工艺等，选用所述不同的曲面曲线。所述喷口 11喷出气流速度应为20m/s以上。以此喷射速度，气流能产生较好的冲 击、溅出、卷吸液滴、雾和蒸汽的效果。本实用新型的技术方案已经实验验证，所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化 炉将温度为-180°C左右的液化天然气快速气化产生50立方米的天然气，仅耗燃料天然气1 立方米，装置的排烟温度为50-60°C，热效率达95%以上，远优于现有技术的其它加热气化 装置。本实用新型在天然气工业，尤其在中小型供气站的供气和调峰中有广泛的应用前景。
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权利要求一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于在立式密闭圆筒形外壳(12)的顶部安装燃烧室，燃烧室由内筒(16)和外筒(3)构成，内筒(16)的顶部安装燃烧器(1)，外筒(3)的下端为锥形喷口(11)；在外筒(3)的外壁与圆筒形外壳(12)的内壁之间形成换热面布置空间(4)，在换热面布置空间(4)的上部开设排烟管道(14)；在燃烧室外筒(3)与内筒(16)之间构成夹套层(2)，夹套层(2)的底部与锥形喷口(11)连通，夹套层(2)的顶部经循环烟道(17)与排烟管道(14)连通；在排烟管道(14)中设置排烟管道调风门(15)，在循环烟道(17)中设置循环烟道调风门(18)；外壳(12)的下部为积存水的水池(10)，水池(10)的水面部分浸没呈倒置伞状的气流旋水子(7)，气流旋水子(7)的中心为向上突起的尖顶(7a)，由尖顶(7a)向下并向四周扩展的是以曲线形状先向下至圆盘边缘后再略向上弯曲的曲面(7c)；在换热面布置空间(4)中布置了围绕燃烧室外筒(3)呈螺旋上升排列的盘管(5)；盘管(5)的一端为液化天然气进口(6)，另一端为天然气出口(8)。
2.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述盘管 (5)分为上盘管和下盘管两部分，上盘管围绕燃烧室外筒(3)呈螺旋上升排列，下盘管呈螺 旋上升排列浸没在圆筒形外壳(12)下部的水池(10)中，气流旋水子(7)布置在下盘管的 上面，上盘管与下盘管之间由连通管(13)相互连接。
3.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于在所述气 流旋水子(7)的曲面(7c)上开设若干小孔(7b)。
4.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述排烟 管道调风门(15)和循环烟道调风门(18)可分别呈全部开启、全部关闭或部分开启三种状 态。
5.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述喷口 (11)与气流旋水子的尖顶(7C)之间的距离为喷口(11)至喷口气流的射流核心顶端距离 (L)的士 10%以内。
6.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述燃烧 室内筒(16)、外筒(3)、喷口(11)的横截面和气流旋水子(7)的俯视图外形一致为圆形或矩形。
7.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述气流 旋水子(7)的曲面(7c)依据的曲线是抛物线、圆弧或双曲线的弧形曲线。
8.根据权利要求1所述烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，其特征在于所述喷口 (11)喷出气流速度在20m/s以上。
专利摘要本实用新型涉及一种适用于中小规模区域使用的液化天然气加热气化炉。一种烟气冲击旋水式液化天然气加热气化炉，在圆筒形外壳(12)顶部安装燃烧室，由内筒(16)和外筒(3)构成，内筒(16)顶部安装燃烧器(1)，外筒(3)下端为锥形喷口(11)；在外筒(3)与外壳(12)之间形成换热面布置空间(4)，上部开设排烟管道(14)；在燃烧室外筒(3)与内筒(16)之间构成夹套层(2)，夹套层底部与锥形喷口(11)连通，顶部经循环烟道(17)与排烟管道(14)连通；外壳(12)下部为水池(10)，水池水面部分浸没呈倒置伞状的气流旋水子(7)，在换热面布置空间(4)中布置了围绕燃烧室外筒(3)呈螺旋上升排列盘管(5)。本技术方案的结构简单紧凑，工作负荷范围广，运行维护方便，热效率高，供气速度快，适用于中小型气化站对液化天然气加热气化。
文档编号F23K5/22GK201680398SQ20102011832
公开日2010年12月22日 申请日期2010年1月31日 优先权日2010年1月31日
发明者严平, 刘伟军, 曹伟武, 钱尚源 申请人:上海工程技术大学