CN101688641A - 用于浸没燃烧/大气液化天然气汽化的装置和过程 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于使低温液体汽化的系统。该系统包括用于容纳水的容器以及用于运送低温液体的管道，其中管道的至少一部分定位在容器内并定位成浸没在水中。喷射器至少部分地定位在容器内并被构造成将水供给到容器内，水与低温液体之间的热交换使低温液体汽化。

Description

用于浸没燃烧/大气液化天然气汽化的装置和过程

技术领域

本发明涉及一种用于利用浸没式燃烧汽化器使得低温液体发生汽化的系统和方法。

背景技术

经常必须或要求使低温液体发生汽化，也就是使低温液体发生汽化达到汽化状态。例如，虽然存在多种用于液体汽化的应用，但经常必须或要求使液化天然气(LNG)、低温液体汽化，使得其可以作为燃料源得到运输和分配。

浸没燃烧型的蒸发器或汽化器通常包括包含有热交换介质的容器(例如水槽)、定位在水槽内用于承载低温液体的交换器管束、以及安装在水槽内用于加热低温液体并由此使其汽化的气体燃烧器的废气管。气体燃烧器将燃烧废气排入水槽，其加热水并向流过交换器管束的低温液体的汽化提供热量。这样的汽化系统例如由Selas Fluid Processing Corporation的子公司T-Thermal Company以注册商标SUB-X来提供。在授予Rost等人的美国专利公开文献No.2006/0183064中也公开了示例性的汽化系统。

这样的汽化系统已经证明对于低温液体的汽化是有效的。尽管如此，仍需要对用于在浸没式燃烧汽化器中加热水源以实现低温液体的汽化的方法和系统进行改进。

发明内容

根据本发明的一方面，本发明提供一种用于使低温液体汽化的系统。该系统包括用于容纳水的容器，以及用于运送低温液体的管道，其中所述管道的至少一部分定位在所述容器内并定位成浸没在水中。喷射器至少部分地定位在容器内并被构造成将水供给到所述容器内，其中水与低温液体之间进行交换的热使得低温液体发生汽化。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种利用低温汽化系统使低温液体汽化的方法，所述低温汽化系统包括用于容纳水的容器以及至少部分地定位在容器内的低温液体运送管道。该方法包括以下步骤：通过至少部分地定位在容器内的水喷射器将水供给到容器内；以及通过在水与管道内的低温液体之间进行热交换使低温液体汽化。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种对低温液体汽化系统进行改装的方法。该方法包括以下步骤：将喷射器至少部分地定位在容器内，用于将水供给到容器内；以及通过水与管道内的低温液体之间进行热交换来使得低温液体汽化。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种水喷射组件，其被构造成至少部分地定位在低温液体汽化器的容器内。所述水喷射组件包括对来自供水系统的水进行供给的管道以及从管道延伸到容器的至少一个喷射器。多个孔布置在所述至少一个喷射器上用于将水供给到容器内。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种将水供给到低温液体汽化器内的方法。该方法包括通过沿喷射器表面限定的一系列孔将水供给到容器内的步骤。

附图说明

将参照附图中为了示例而选定的几个实施方式描述本发明的示例性实施方式，图中：

图1是根据本发明的一个示例性实施方式的浸没式燃烧汽化系统的示意性结构图；

图2A是根据本发明的一个示例性实施方式的浸没式燃烧汽化系统的示意性前视图；

图2B是图2A所示的浸没式燃烧汽化系统的示意性平面图；

图2C是沿线2C-2C截取的图2B所示的浸没式燃烧汽化槽的横截面图；

图3是图2A-2C所示的浸没式燃烧汽化系统从后侧观察的透视图，其部分被去除以露出内部细节；

图4是图2A-2C所示的浸没式燃烧汽化系统从前右侧观察的透视图，其部分被去除以露出内部细节；

图5是图2A-2C所示的浸没式燃烧汽化系统从下右侧观察的透视图，其部分被去除以露出内部细节；

图6A是可以在图5所示的浸没式燃烧汽化系统中采用的、水喷射组件的实施方式的局部顶视图；以及

图6B是图6A所示的水喷射组件的侧视图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行说明。这些附图被用于示例性的而不是限制性的，并由此被包含以便于解释本发明。这些附图不必具有任何特定刻度或比例。

除了将热的废气引入汽化系统的水槽内以执行低温液体的汽化之外，或者甚至是代替这一方案，热的废水还可选择地被引入水槽内，从而将热量传递到低温液体，以实现或促进低温液体的汽化。更具体地，热的废水可以在明显高于接收水槽的温度分布的温度下被供给到水槽内。热的废水可以通过与接收水槽的直接接触而进行循环，或者废水备选地可以通过采用热传导盘管而与接收水槽隔开，所述热传导盘管包含热水并浸没在水槽内。热的废水从接收水槽的引导和移去，是经由与水槽密闭容器相连的管道来实现。另外，可以采用泵和搅拌器在接收水槽内产生涡流，以提高热水与低温液体之间的热传导效率。

通过在被供给到水槽内的热的废水与水槽本身之间的较高温度梯度，便于热的废水与低温液体之间进行热传导。然而已经发现，在缺少高温水源的情况下，可以在通过引入较小温度梯度下(例如在水槽温度以上仅仅大约5-大约15华氏温度下)的水来促进汽化。具体地，汽化系统可以被构造成采用温度低于上述热的废水温度的水来促进汽化。

具体地参照附图中为了示例而选定的实施方式，图1提供根据本发明一方面的总体由附图标记1表示的汽化系统的实施方式的示意图。汽化系统1包括与汽化器3流体连通的燃烧器2。燃烧器2被构造成接收用于在燃烧器2内进行反应的燃料/空气混合物4。燃烧器2还可选择地被构造成排出因燃料/空气混合物4的反应而产生的废气5。汽化器3被构造成从燃烧器2接收废气5。汽化器3还被构造成将废气泡排入水槽内。

除了废气5或者代替废气5，汽化器3还被构造成从供水系统(未示出)接收水流9，并使水流10以比水流9更低的温度回到供水系统。汽化器3还被构造成接收低温液体6并排出汽化气体7。

从燃烧器2向汽化器3排放的热废气5促进了低温液体6汽化为汽化气体7。因而，来自废气5的热量提供了使得低温液体6经由在水槽内的热交换而实现汽化的热源。汽化器3从燃烧器2所接收到的废气5，以饱和废气8的形式被从汽化器3排向大气。

与从燃烧器2排出的热废气5类似，从供水系统(未示出)排到汽化器3的水流9也促进了低温液体6被汽化为汽化气体7。除了或代替热废气5还可以包含水流9，以用于实现低温液体6的汽化。因而，来自水流9的热量还提供了用于使低温液体6汽化的热源。汽化器3中从供水系统(未示出)接收的水流9以相对较低温度的水流10的形式从汽化器3排出，并返回到供水系统(未示出)，用于重新加热和循环。

图2A和2B提供了根据本发明一方面的总体由附图标记100表示的汽化系统的实施方式的另一示意图。汽化器100总体包括浸没式燃烧汽化(SCV)槽(tank)122、被构造成向SCV槽122排出热气的燃烧器108、被构造成将来自供水系统(未示出)的水排入SCV槽122内的水喷射组件12、以及被构造成将低温度的水从SCV槽122输送回供水系统的回流管道53。

燃烧器108被构造成将热气排向SCV槽122中的水，用于使穿过所述槽进行分配的低温液体得到汽化，这一点将参照其余附图进行更详细地描述。可以采用无焰热氧化器代替燃烧器108产生热气，如在此全部引入作为参考的授予Rost等人的美国专利公开申请No.2006/0183064所述。鼓风机107被构造成穿过管道113供给空气，用于迫使来自燃烧器108的热废气进入SCV槽122内。

除了燃烧器108之外或代替燃烧器108，水喷射组件12被构造成向SCV槽122供给水流，用于促使低温液体汽化，这一点将参照其余附图更详细地进行描述。从供水系统(未示出)例如水塔来供给水流。在此全部引入作为参考的、授予Eyerman的美国专利No.6,622,492中公开了合适的水塔。回流管道53被设置成使水流再循环回到供水系统，以进行重新加热并供给回到SCV槽122。

根据一种示例性实施方式，在操作中，因燃料和空气混合物的反应而产生的废气穿过燃烧器108向下行进。废气随后从燃烧器108中被迫使向外并进入废气歧管和分配组件116(参见图3-5)，用于供给到SCV槽122。热气体穿过图3-5所示的废气歧管和分配组件116被引入SCV槽122内。通过排气分离器124和排气烟囱126，气体随后从SCV槽122中排出。

与热废气相平行地，热水流从供水系统中穿过喷射组件12被供给到SCV槽122内。参照图2C更详细地说明的是，一旦水流进入SCV槽122内，则热量在热水流与运送低温液体的盘管之间进行交换。水流以更低的温度穿过回流管道53回到供水系统。可以以连续循环的方式，从如上所述的SCV槽122中供给和移去热水。

现在参照图2C，示出了沿线2C-2C截取的图2B所示的SCV槽的横截面，其表示SCV槽122的内部细节。SCV槽122至少部分地充有热交换介质(例如水或任何其他合适的热交换介质)。热交换介质在此可以被称为“水槽”(water bath)。在操作中，一旦来自燃烧器108的热废气被引入热交换介质内，则热废气穿过热交换介质时冒泡，由此使热交换介质的温度升高，并便于从热交换介质到流过位于热交换介质中的管束的低温液体的热交换。

更具体地，SCV槽122包括管束118，低温液体循环穿过该管束以实现汽化。在授予Rost等人的美国专利公开No.2006/0183064中描述了管束118的其他细节。在SCV槽122中设置分别由附图标记146和148表示液化天然气进口和天然气出口歧管。正是通过进口和出口歧管146和148，液化天然气或任何其他低温液体被引入管束内，并且产生的天然气从管束中排出。

根据该示例性实施方式中，管束118包括四个管，各自从用于液化天然气(或其他低温液体)的进口146延伸到用于汽化的天然气(或其他气体)的出口148。进口146和出口148具有多个用于与管束(例如管束118)相连的开口。因而，多个管束118彼此相邻定位，并连接成与进口146和出口148流体连通，以提供密集布置的流动通道，其中低温液体可以穿过这些流动通道以进行汽化。例如，进口146和出口148可以容纳高达十五个或更多的管束118，每个管束118可选择地包括四个管。在该实施方式中，管束组件将提供用于低温液体(例如液化天然气(LNG))流动的六十个管。每个管束118还可以具有少于或多于四个的管，并且管束组件还可以具有少于或多于十五排的管束。

为了便于热气从燃烧器108分配到SCV槽122的热交换介质，多个废气喷射器138均匀定位在管束118下面。参照图3-5描述多个废气喷射器138与燃烧器108之间的互连。每个废气喷射器138包括多个孔142，用于将热废气分配在SCV槽122的热交换介质内。热废气、热交换介质与管束118内的低温液体之间的热交换促使低温液体汽化，从而产生低温气体。在授予Rost等人的美国专利公开文件No.2006/0183064中也描述了这种现象。

除了由废气喷射器提供的热量之外(以及对其的补充)，多个水喷射器20均匀定位在废气喷射器138下面，用于向SCV槽122中的热交换介质提供热量。将参照图3-6B描述每个水喷射器20与图2A、2B中所示的其余喷射组件12之间的互连。每个水喷射器20包括如图所示的多个孔22，用于使热水在SCV槽122的整个热交换介质中进行均匀分布。代替或除了由热废气提供的热量之外，热水、热交换介质与管束118内的低温液体之间的热交换便于或有助于低温液体的汽化。

根据本发明的一个示例性应用，由水喷射器20分配的热水的温度仅仅略高于SCV槽122内的热交换介质(例如水浴)的温度分布，由此产生了用于热交换的小的热驱动力。换句话说，由水喷射器20分配的热水与热交换介质的温度分布之间的温度梯度相对较小。由于热驱动力受到限制，因此水喷射器20被构造用于实现绕低温管束118的最大紊流动能释放，从而便于水与低温液体之间的有效热交换。

通过非限制性实例，由水喷射器20分配的热水与热交换介质的温度分布之间的温度梯度是大约5-大约15华氏温度。而且，根据本发明的一个示例性实施方式，热交换介质的温度保持在大约55华氏温度，并且由水喷射器分配的水的温度为大约65华氏温度。尽管用于热交换的热驱动力较小，但水喷射器20特别适于便于使得大量加热的水被均匀质量分布地供给到热交换介质内，从而能够进行足够的热交换以使管束118内的低温液体汽化，这一点参照图6A和6B得到更详细的描述。

已经发现，与SCV槽内均匀分布热水相结合，较小温度梯度状态下将大量热水供给到热交换介质内会足以使管束118内的低温液体汽化。如果不能获得明显更高温度的热水，则本发明的水喷射器是有效的备选。本发明的水喷射器有效地利用更低温度的热水，或者例如从大气加热过程中得到的水。

除了上述内容之外，在来自常规燃料燃烧源(例如燃烧器108)的减少热量输入要求的情况下，水喷射器20明显提高了的热交换。因此，凭借由水喷射器20提高的额外热量，燃烧器108可以在更低的负载下进行操作。由此可见，通过水喷射组件12的操作，可以实现显著的能量消耗的节约。

根据本发明的一个示例性应用，热水通过水喷射器20在废气喷射器138下面的孔22得到喷射，在那里水在热交换介质的紊流区域混合。通过从废气喷射器138放出的热废气(或空气)来产生热交换介质的紊流区域。紊流混合和均匀质量分布有助于在热水与SCV槽热交换介质之间的温度梯度较小的条件下确保两者之间产生最大的热交换。

现在参照图3-5，示出了SCV槽122的内部部件的详细视图。SCV槽122总体包括水喷射组件12、低温管束118、废气歧管和分配组件116、以及用于容纳热交换介质和部件12，116和118的容器。在图3和4中示出了水喷射组件12、低温管束118以及废气歧管和分配组件116，而为了表示清楚省去了所述容器。在图5中示出了水喷射组件12以及废气歧管和分配组件116，而为了表示清楚省去了容器和低温管束118。

水喷射组件12包括用于运送水的管道25和通过对接法兰33和35而与管道25流体相连的多个(示意性地示出了十个)水喷射器20。每个水喷射器20从管道25向外延伸。根据一个示例性实施方式，每个水喷射器延伸穿过SCV槽122的壁并进入SCV槽的内部，而管道25位于SCV槽122的外部，在图2B中最清楚地示出。水喷射器20直接位于废气歧管和分配组件116的废气喷射器138的下面，以促进形成如上所述的紊流。

管道25在形状上基本上是圆柱形的，尽管如此同样可以构想到其他横截面形状。管道25通过法兰37而与供水系统(未示出)相连。设置多个支承件27以紧靠着SCV槽122(未示出)的底座来支承管道。

在图5中最清楚地示出，废气歧管和分配组件116(下文被称为组件116)从燃烧器108接收热废气。组件116包括热废气导管128和一系列废气喷射器138(示意性地示出了二十二个)。每个喷射器138从废气导管128向外延伸并与废气导管128相连以，从中接收热气和将热气供给到SCV槽122内的热交换介质中。具体地，喷射器138穿过布置在废气喷射器138上的孔142将热废气分配到SCV槽的热交换介质中。组件116接收热气流，并为了实现在SCV槽122内的基本上均匀分布而将该气体分隔，以促进在热气、热交换介质和最终的低温液体(例如在管束118内循环的液化天然气)之间的热交换。而且，废气歧管和分配组件116是非绝热的，并完全浸没在水槽内，以使从废气到低温管束118的热交换最大化。

每个喷射器138具有封闭端140和大体上沿其上表面定位的多个开口142，从而允许热气从喷射器138内流动到SCV槽122的热交换介质中。

废气导管128在形状上基本上为圆柱形，尽管如此同样可以构想到其他横截面形状。废气导管128通过法兰130与燃烧器108相连。废气导管128的另一端通过盘132密封。沿废气导管128的上表面设置多个吊耳134，以在组装、拆卸、改型和/或维修过程中便于组件116的运输。设置多个支承件136以紧靠SCV槽122(未示出)的底座来支承组件116。

现在参照图6A和6B，示出了水喷射组件12的局部详细视图。在图6A和6B中分别示出了水喷射组件12的局部顶视图和侧视图。

水喷射组件12总体包括空心管道25和从其上延伸的多个单独的水喷射器20。管道25通过法兰37与供水系统相连。管道25和多个喷射器20可选择地通过对接法兰33和35互连。设置多个支承件27以紧靠SCV槽122(未示出)的底座来支承水喷射组件12。

每个水喷射器20包括具有封闭端23的长空心管。为了水均匀分布到SCV槽122内而在上表面上设置一系列孔22。单排孔22将水向着废气喷射器138垂直引入到热交换介质内。这些孔22的尺寸被设计成提供足够的压头损失(例如20PSIG)，从而能够保证如下所述的水的均匀质量流率。

根据一个示例性实施方式，并通过非限制性实例，水喷射组件12包括从其上延伸的十个水喷射器20。每个水喷射器包括均匀分布在水喷射器的表面上的至少二十一个孔22，每个孔22具有至少大约1³/₁₆英寸的直径。应该认识到，水喷射器可以包括任何数量、任何直径的孔，以获得所需流动模式。水喷射器20被构造成当热水与SCV槽内的热交换介质之间的热梯度较小时，通过大量热水穿过SCV槽122的循环而使热水与低温管束118之间的热交换最大化。例如，并根据一个示例性实施方式，包含在容器内的水与通过水喷射器20而分配在容器内的热水之间的温度差，可以小于十五华氏温度。

为了使由喷射器分配的水与容器水之间的热交换在这样一个较小温度下的梯度下最大化，每个水喷射器20被构造成每分钟将至少大约2,800加仑的水供给到尺寸被设计成容纳至少大约30,000加仑的水的容器内。而且，由总计十个的水喷射器20分配到容器内的水的流量(加仑/分钟)(每分钟28,000加仑的水)与容纳在容器内的水量(加仑)的比率可以大于0.9∶1。

与由废气喷射器138排出的废气或空气所提供的浮力相关联，每个水喷射器20的水排放速度促进水向前行进并且与低温管束118混合，由此使水与低温管束118之间的热交换最大化。此外，通过每个水喷射器20被供给到SCV槽122内的水的轨迹和高排放速度，阻止了水绕过低温管束118以及直接行进到图2A和2B中所示的水回流管道53。这一不利现象在此被称为“短路(short circuiting)”。

除了使大量热水穿过SCV槽122进行循环之外，水喷射器20还被构造成使热水经过管束118的热交换表面均匀分布以提高传热速率并阻止短路。使热水均匀分布进一步需要的是，水喷射器使热水在SCV槽内的循环时间最少。所述短路往往降低了总体热效率。

本领域技术人员将会认识到喷射组件12可以通过多种不同的构造进行改型，并且可以包括任何数量的喷射器20，这些喷射器20具有布置在多个不同位置的任何数量的孔22，以适应水穿过SCV槽122的流动。

根据本发明的一个示例性用途，喷射组件12可以在现有浸没式燃烧汽化器(SCV)上进行改装，以使热水在汽化器的SCV槽内循环。可以想到，水喷射器20可以穿过SCV槽的壁定位并浸没在容纳于SCV槽中的热交换介质内。通过这样的方式，改装的SCV可以用于无法获得热水的场合，以利用有利的气候、降低对燃料喷射燃烧器或其他放热装置的依赖、或者达到水喷射组件的任何其他上述优势。

尽管为了说明在附图中示出了水喷射组件12的具体实施方式，但可以采用多种构造以向汽化器的热交换介质供给水。根据汽化系统的特定应用或尺寸限制，水喷射组件可以具有多种形状、尺寸和构造。然而优选地，所述组件可以被构造成以基本上均匀的方式向热交换介质中分配大量的水，使得热量可以得到均匀分布，以实现低温液体的汽化。

尽管在此参照具体实施方式示出和描述了本发明，但本发明并不是要局限于所示的细节。反而，可以在权利要求的等同范围内并且在不脱离本发明的前提下对这些细节做出多种改变。

尽管已经在此示出和描述了本发明的优选实施方式，但将会认识到这些实施方式仅仅是通过举例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明精神的前提下做出多种改变、变化和替换。因而，附加权利要求覆盖着落入本发明精神和范围内的所有的这样的改变。

Claims (21)

1.一种用于使低温液体汽化的系统，其包括：

用于容纳水的容器；

用于运送低温液体的管道，其中所述管道的至少一部分定位在所述容器内并定位成浸没在水中；以及

至少一个水喷射器，其至少部分地定位在容器内并被构造成将水供给到所述容器内，其中水与低温液体之间进行交换的热使得低温液体发生汽化。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括布置在所述水喷射器上、用于将水分配到所述容器内的多个孔。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述水喷射器的每个所述孔的直径为大约1³/₁₆英寸。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，每个水喷射器包括至少21个孔。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括均匀定位在所述容器内的多个水喷射器。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水喷射器被构造成每分钟可向容器内供给至少大约2,800加仑的水，所述容器的尺寸被设计成可至少包含大约30,000加仑的水。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由至少一个水喷射器分配到容器内的水的总流量(加仑/分钟)与包含在容器内的水量(加仑)的比率大于大约0.09∶1。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括至少部分地定位在容器内、并被构造成将废气供给到所述容器内的至少一个废气管道。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述废气管道的至少一部分被定位在用于运送低温液体的所述管道与所述水喷射器之间。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，被包含在容器内的水与由水喷射器分配到容器内的水之间的温度差，小于大约15华氏温度。

11.一种在低温汽化系统中使低温液体汽化的方法，其中所述低温汽化系统包括用于容纳水的容器以及至少部分地定位在容器内的低温液体运送管道，所述使低温液体汽化的方法包括以下步骤：

通过至少部分地定位在容器内的水喷射器将水供给到容器内；以及

通过在水与管道内的低温液体之间进行热交换使得低温液体汽化。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将水供给到容器内的步骤包括：每分钟向容器内至少供给大约28,000加仑的水，所述容器的尺寸被设计成可至少包含大约30,000加仑的水。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将供给到容器内的水的温度保持在比在容器中所包含的水的温度要高大约5-15华氏温度。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括以下的步骤：在水喷射器与低温液体运送管道之间的一个位置处，通过废气管道将废气供给到容器内。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括从容器中抽取水并将所述水供给到供水系统的步骤。

16.一种对低温液体汽化系统进行改装的方法，所述低温液体汽化系统包括用于容纳水的容器以及至少部分地位于所述容器内的低温液体运送管道，所述方法包括以下步骤：

将水喷射器至少部分地定位在容器内，用于将水供给到容器内；以及

通过水与在管道内的低温液体之间进行热交换使低温液体汽化。

17.一种水喷射组件，被构造成至少部分地定位在低温液体汽化器的容器内，所述水喷射组件包括：

对来自供水系统的水进行供给的管道；

从管道延伸到容器的至少一个喷射器；以及

限定在所述至少一个喷射器中、用于将水供给到容器内的多个孔。

18.如权利要求17所述的水喷射组件，其特征在于，所述水喷射器的每个所述孔的直径为大约1³/₁₆英寸。

19.如权利要求17所述的水喷射组件，其特征在于，每个水喷射器包括至少21个孔。

20.如权利要求17所述的水喷射组件，其特征在于，每个水喷射器被构造成每分钟向容器内至少供给大约2,800加仑的水。

21.一种将水供给到低温液体汽化器内的方法，所述低温液体汽化器包括用于容纳水的容器以及至少部分地定位在容器内的喷射器，所述方法包括通过沿喷射器表面限定的一系列孔将水供给到容器内的步骤。

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