Verfahren zur Erdgasverflüssigung

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erdgasverflüssigung, bei dem Gas mit Erdgas (VNG) aus einem Transport- oder Sammelsystem (VGS) zumindest teilweise verflüssigt und einem Sammelsystem (LGS) für flüssiges Erdgas (LNG) zugeführt wird. Für eine hohe Effizienz und einfache Installation wird ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- Zusammenführen von einem ersten Erdgasstrom (VNS1) aus dem Sammelsystem (VGS) mit einem sechsten Erdgasstrom (VNS6) zu einem zweiten gasförmigen Erdgasstrom (VNS2),
- Abkühlen des zweiten Erdgasstroms (VNS2) unter Aufheizung des sechsten Erdgasstroms (VNS6),
- Aufteilen des zweiten Erdgasstroms (VNS2) in einen vierten Erdgasstrom (VNS4) und einen gasförmigen Erdgasstrom (VNS3),
- Abkühlen des dritten Erdgasstroms (VNS3) unter Aufheizung des sechsten gasförmigen Erdgasstroms (VNS6),
- Aufteilen des dritten Erdgasstroms (VNS3) in einen gasförmigen achten Erdgasstrom (VNS8) und einen flüssigen zweiten Erdgasstrom (LNS2),
- Entspannen des vierten Erdgasstroms (VNS4) mittels eines Expanders (EXP),
- Aufteilen des vierten Erdgasstroms (VNS4) mittels eines Separationssystems (SEP) in mindestens einen ersten flüssigen Erdgasstrom (LNS1) und mindestens den sechsten gasförmigen Erdgasstrom (VNS6),
- Einleitung des ersten flüssigen Erdgasstroms (LNS1) in das Sammelsystem (LGS),
wobei der sechste gasförmige Erdgasstrom (VNS6) die Schritte in der Reihenfolge 7, 2 durchströmt, stromabwärts mittels eines Verdichters (CO) verdichtet wird und in Schritt 1 eintritt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erdgasverflüssigung, bei dem Gas mit Erdgas aus einem Transport- oder Sammelsystem oder einer Vorbehandlungsanlage zumindest teilweise verflüssigt wird und einem Sammelsystem für flüssiges Erdgas zugeführt wird.

[0002] Gegenüber gasförmigem Erdgas hat flüssiges Erdgas, das auch häufig als Flüssigerdgas (Abkürzung LNG für Liquefied Natural Gas oder GNL für Gas Naturel Liquéfié) bezeichnet wird, verschiedene Vorteile. Flüssigerdgas weist etwa ein sechshundertstel spezifisches Volumen des gasförmigen Erdgases auf und ist daher auch für den Transport auf der Straße, der Schiene oder dem Wasser geeignet. Zur Verflüssigung werden etwa 10 % - 25% des Energieinhaltes des Gases, so dass bei einem Abstand von unter 2000km zwischen der Erdgasquelle und dem Verbraucher ein leitungsgebundener Transport bisher wirtschaftlicher ist. Da Erdgaspipelines häufig in Mittelpunkten von politischen Streitigkeiten verortet sind, und die Versorgungssicherheit für Energie höchste Priorität hat, werden weltweit Erdgasverflüssigungskapazitäten ausgebaut.

[0003] Herkömmliche Verfahren zur Erdgasverflüssigung erfordern regelmäßig einen immensen verfahrenstechnischen Geräteaufbau, der nur unflexibel eingesetzt werden kann und in der Errichtung kostenintensiv ist. Eine Anwendung dieser gewaltigen Komponenten beispielsweise auf einem Schiff oder einer schwimmenden Plattform ist bisher kaum möglich. Kompaktere Ausbildungen von Erdgasverflüssigungsanlagen sind regelmäßig von einem schlechten Wirkungsgrad und ermöglichen keine Erzeugung von Flüssigerdgas mit hoher Qualität. Beispielsweise ist hier regelmäßig keine Abtrennung von langkettigen Kohlenwasserstoffkomponenten vorgesehen oder sonstigen Verunreinigungen. Darüber hinaus werden bei den kompakten Anlagen häufig große Mengen des Prozessgases niederwertigeren Verwertungen zugeführt.

[0004] Ausgehend von den vorherigen Überlegungen hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Erdgasverflüssigung zu schaffen, welches einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig kompakter Baumöglichkeit verwirklicht. Zusätzlich soll die Erfindung die Möglichkeit schaffen, die Qualität des erzeugten Flüssigerdgases bedarfsgerecht zu verbessern und beispielweise langkettige Komponenten zu separieren.

[0005] Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den zusätzlichen Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Die unabhängigen Ansprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

[0006] Die Erfindung setzt bei der eingangs aufgezeigten technischen Entwicklung an und zeigt einen energetisch und technisch besonders vorteilhaften Weg auf, Erdgas zu verflüssigen mittels einer Methode, die gleichzeitig eine kostengünstige Installation und besonders kompakte Bauweise ermöglicht.

[0007] Ein zentrales Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung des eigentlichen Prozessfluids, des Erdgases, auch als Kühlmittel für die Wärmetauscher zum Abkühlen auf die erforderlichen niedrigen Temperaturen, damit eine anschließende abkühlende Entspannung des Erdgases auch den gewünschten Verflüssigungsprozess verursacht. Weiterhin wird eine Entspannung des Erdgases statt ausschließlich mit einem Joule-Thompson-Ventil insbesondere mittels eines Turboexpanders ausschließlich oder zumindest unterstützend durchgeführt, so dass die Temperaturen auf ein noch niedrigeres Niveau absinken und die Verflüssigung effektiver stattfindet.

[0008] Besonders vorteilhaft ist die von dem Expander erzeugte technische Arbeit nutzbar, insbesondere in dem Verdichtungsprozess des Verdichters, der das abgezweigte und expandierte Fluid des sechsten gasförmigen Erdgasstroms wieder auf das Druckniveau des eintretenden Erdgases befördert, bevor es sich in der ersten Weiche mit dem eintretenden Erdgas vermischt.

[0009] Eine Möglichkeit die technische Arbeit des Expanders zu nutzen liegt in einer mechanischen Verbindung zwischen dem Verdichter oder einem Teilverdichter und dem Expander mittels einer durchgehenden Welle oder über ein drehzahlveränderndes Getriebe. Sinnvoll kann hierbei ein sogenannter Getriebeverdichter mit Expansionsstufe eingesetzt werden. Bei dieser Bauart handelt es sich um ein Getriebe mit einem Gehäuse aus dem verschieden Wellenenden herausgeführt sind und dem Antrieb mehrerer an das Gehäuse angeflanschter Verdichter dienen. Mindestens eine Welle ist auch zum Zweck des Antriebes aus dem Gehäuse geführt. Bei dem Getriebeverdichter mit Expansionsstufe ist bevorzugt zusätzlich zu dem Antrieb auch statt eines Verdichters an einem Wellenende ein Expander mit dem Wellenende verbunden und an dem Gehäuse angebracht.

[0010] Eine andere Möglichkeit bietet zusätzliche Flexibilität, indem der Expander einen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie in der Gesamtanlage Verwendung findet, insbesondere bei dem Antrieb des Verdichters. Der Verdichter ist bevorzugt als zwischengekühlter Verdichter ausgebildet, wobei eine Zwischenkühlung zwischen mindestens zwei Stufen vorgesehen ist.

[0011] Zweckmäßig kann der Verdichter auch mehrere Teilverdichter umfassen, wobei der Expander beispielsweise einen Teilverdichter ausschließlich antreibt und übrige Teilverdichter andere Antriebe aufweisen.

[0012] Diese anderen Antriebe können beispielsweise elektrische Motoren, Dampfturbinen oder Gasturbinen sein.

[0013] Im Sinne gesteigerter Effizienz und Flexibilität kann es zweckmäßig sein, wenn eine Gasturbine einen elektrischen Generator antreibt und sämtliche anderen elektrischen Verbraucher von der durch den Generator erzeugten elektrischen Energie versorgt werden.

[0014] Besonders vorteilhaft wird der aus dem zweiten Wärmetauscher austretende dritte gasförmige Erdgasstrom, die einen Separator eingeleitet, wo sich ein flüssiger zweiter Erdgasstrom und ein gasförmiger achter Erdgasstrom voneinander teilen. Besonders bevorzugt befindet sich nach diesem zweiten Wärmetauscher ein dritter Wärmetauscher, in den der achte gasförmige Erdgasstrom nach der Separation im ersten Separator eingeleitet wird und dort weiter abkühlt und ggf. teilweise kondensiert.

[0015] Zweckmäßig sind der erste, der zweite und der dritte Wärmetauscher jeweils zumindest von einer gasförmigen Phase des sechsten gasförmigen Volumenstroms gekühlt. Der sechste gasförmige Volumenstrom durchfließt diese drei Wärmetauscher bevorzugt als Kühlmittel und wird anschließend zur Verdichtung dem Verdichter zugeführt, um wieder mit dem eintretenden ersten gasförmigen Erdgasstrom sich auf gleichem Druckniveau zu vermischen.

[0016] Bevorzugt besteht das Separatorsystem zur Phasen-Teilung des aus dem Expander austretenden vierten gasförmigen Erdgasstroms aus mehreren Stufen, bevorzugt aus mindestens zwei Stufen der Separation. Auf diese Weise ist es möglich, eine fraktionierte Separierung durchzuführen und flüssiges Erdgas und ggf. andere Komponenten nach ihren chemischen Komponenten zumindest teilweise zu sortieren. Das in einem ersten Separationsschritt des Separationssystems ausfallende flüssige Komponentengemisch ist häufig - abhängig vom Ausgangszustand - für eine normgerechte Bereitstellung von Flüssigerdgas unbrauchbar und kann beispielsweise abgefackelt oder anders verwendet werden. Je nach Ausgangsmaterial erfüllt erst das nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in dem zweiten Separationsschritt als Flüssigkeit ausfallende Flüssigerdgas die Qualitätsanforderungen für die gängigen Anwendungen verschiedener Verbraucher.

[0017] Besonders bevorzugt werden die als flüssig ausfallenden Komponenten der Separation in dem ersten Separator zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem dritten Wärmetauscher einer fortgesetzten fraktionierten Separierung unterzogen, wobei bevorzugt in zwei Entspannungsstufen in den Separatoren hinter den Entspannungsventilen zunächst als flüssige Komponenten die langkettigen Kohlenwasserstoffe ausfallen, die die Qualität des Flüssigerdgases beeinträchtigen würden und deswegen separat zur weiteren Verwertung gesammelt werden. Das dort entstehende und von den schweren Kohlenwasserstoffen abgereinigte gasförmige Erdgas wird, wie in Figur 2 dargestellt, als zehnter gasförmiger Erdgasstrom in den Separator zur finalen Erzeugung des Flüssigerdgases eingeleitet.

[0018] Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert.

[0019] Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung als Flussdiagramm mit einfacherer Separation,

Figur 2

eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung als Flussdiagramm mit einem erweiterten Separationssystems und

Figur 3

eine schematische Darstellung als Flussdiagramm eines Details der Separation der Figur 2.

[0020] Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Flussdiagramme, in denen das Prozessfluid Erdgas verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten unterzogen wird.

[0021] Gasförmiges Erdgas VNG wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Transport- oder Sammelsystem VGS zum Zwecke der Verflüssigung entnommen. Dieser erste gasförmige Erdgasstrom VNS1 wird in einem ersten Verfahrensschritt mit einem sechsten gasförmigen Erdgasstrom VNS6 in einer ersten Weiche SW1 zusammengeführt und als zweiter gasförmiger Erdgasstrom VNS2 weitergeleitet.

[0022] Der zweite gasförmige Erdgasstrom VNS2 wird mittels eines ersten Wärmetauschers unter Wärmeabgabe im Gegenstrom an den sechsten gasförmigen Erdgasstrom VNS6 in einem ersten Wärmetauscher WT1 abgekühlt. Anschließend wird der zweite gasförmige Erdgasstrom VNS2 in einer zweiten Weiche SW2 in einen dritten gasförmigen Erdgasstrom VNS3 und einen vierten gasförmigen Erdgasstrom VNS4 aufgeteilt. Der dritte gasförmige Erdgasstrom VNS3 wird anschließend in einem zweiten Wärmetauscher WT2 unter Wärmeabgabe an den sechsten gasförmigen Erdgasstrom VNS6 weiter abgekühlt.

[0023] Anschließend wird der dritte gasförmige Erdgasstrom VNS3 mittels eines ersten Joule-Thompson-Ventil JT1 in einem Separationssystem SEP, hier als einfacherer Separator dargestellt, entspannt, wodurch ein erster flüssiger Erdgasstrom LNS1 abgeschieden wird und der sechste gasförmige Erdgasstrom VNS6 entsteht. Wie bereits beschrieben, durchläuft der sechste gasförmige Erdgasstrom VNS6 die beiden Wärmetauscher WT2, WT1 im Gegenstrom zu den abzukühlenden zweiten und dritten gasförmigen Erdgasströmen VNS2, VNS3. Anschließend wird der aufgeheizte sechste gasförmige Erdgasstrom VNS6 in einem Verdichter CO wieder auf den Eintrittsdruck befördert und in der ersten Weiche SW1 mit dem einströmenden ersten gasförmigen Erdgasstrom VNS1 vereinigt.

[0024] Der von dem zweiten gasförmigen Erdgasstrom VNS2 abgetrennte vierte gasförmige Erdgasstrom VNS4 wird in einem Expander EXP expandiert und kühlt sich soweit ab, dass dieser ebenfalls in das Separatorsystem SEP eingeleitet werden kann unter Entstehung von Flüssigerdgas, das aus diesem Separator - wie bereits beschrieben - als erster flüssiger Erdgasstrom LNS1 abgeleitet in eine Sammelstätte LGS befördert wird. Der Expander EXP ist hierbei mit einer Stufe oder einem Teilkompressor CO1 des Verdichters CO mittels einer starren Welle verbunden, so dass die technische Arbeit aus dem Expander zu 100% in dem Verdichtungsprozess des Verdichters CO genutzt wird. Zusätzlich wird der Verdichter CO mittels eines Elektromotors M angetrieben. Alternative ist auch eine elektrische Energieerzeugung am Expander denkbar und ggf. die Verwertung dieser Energie im Verdichterantrieb.

[0025] Figur 2 stellt in dem oberen Bereich im Wesentlichen den bereits in Figur 1 dargestellten Prozess dar, wobei der einzelne Separator des Separationssystems SEP in der bevorzugten Ausführungsform der Figur 2 durch ein erweiterte Separationssystem ersetzt ist, das eine qualitative Aufbereitung des Flüssigerdgases LNS bzw. des ersten flüssigen Erdgasstroms LNS1 in dem Flüssigerdgaslager LGS ermöglicht.

[0026] Das aus dem zweiten Wärmetauscher WT2 austretende gasförmige Erdgas VNS3 wird in einen ersten Separator SEP1 in einen zweiten flüssigen Erdgasstrom LNS2 und einen achten gasförmigen Erdgasstrom VNS8 aufgeteilt. Der zweite flüssige Erdgasstrom LNS2 enthält bei dieser fraktionierten Separation verhältnismäßig viele langkettige Kohlenwasserstoffe HHC, die in der anschließenden stufenweise fortgesetzten Separation abgeschieden werden.

[0027] Mittels eines zweiten Joule-Thompson-Ventils JT2, einem anschließenden vierten Separator SEP4, sowie auf der Flüssigseite der Separation stromabwärts gelegenen weiteren dritten Joule-Thompson-Ventil JT3 und einem weiteren fünften Separator SEP5 über das flüssige Zwischenprodukt des dritten flüssigen Erdgasstroms LNS3 zu dem vierten flüssigen Erdgasstrom LNS4 wird eine aufkonzentrierte Mischung aus schweren Kohlenwasserstoffen HHC erzeugt und zur weiteren Verwendung einem Lager zugeführt wird.

[0028] Der vierte Separator SEP4 scheidet auf der Gasseite einen siebten gasförmigen Erdgasstrom VNS7 ab, der mittels eines vierten Joule-Thompson-Ventils JT4 parallel zu dem dritten Joule-Thompson-Ventil JT3 auf ein Druckniveau entspannt, bei dem mittels einer dritten Weiche SW3 ein neunter gasförmiger Erdgasstrom VNS9 aus dem fünften Separator mit dem siebten gasförmigen Erdgasstrom VNS7 sich zu dem zehnten gasförmigen Erdgasstrom VNS10 vereint. Das auch durch die Joule-Thompson-Entspannung mittels des vierten Joule-Thompson-Ventils JT4 abgekühlte gasförmige Erdgas des zehnten gasförmigen Erdgasstroms VNS10 wird einer zweiten Separationsstufe SEP2.2 zugeführt, wo es sich mit anderen Zuströmungen vermischt. Einer ersten Separationsstufe SEP2.1 dieser zweistufigen Separation wird der gasförmige vierte Erdgasstrom VNS4 aus dem Expander EXP zugeleitet, dessen flüssige Abscheidung aus dieser ersten Separationsstufe SEP2.1 einer Abfallverwertung WST zugeführt wird. Die gasförmige Abscheidung dieser ersten Separationsstufe SEP2.1 wird der dahingehend stromabwärts gelegenen zweiten Separationsstufe SEP2.2 als fünfter gasförmiger Erdgasstrom VNS5 zugeführt. Hierbei wird optional ein sechstes Joule-Thompson-Ventil JT6 zwischen der ersten Separationsstufe SEP2.1 und der zweiten Separationsstufe SEP2.2 zur Entspannung des fünften gasförmigen Erdgasstroms VNS5 angeordnet, was zusätzlich die Verflüssigung begünstigen kann.

[0029] Der achte gasförmige Erdgasstrom VNS8 wird in den dritten Wärmetauscher WT3 abgekühlt und über ein fünftes Joule-Thompson-Ventil JT5 ebenfalls direkt in die zweite Separationsstufe SEP2.2 zugeführt, so dass sich in dieser zweiten Separationsstufe aus dem Gemisch der Zuführungen ein erster flüssiger Erdgasstrom LNS1 als Flüssigerdgasendprodukt LNS zur Lagerung in der Lagerstätte LGS abscheidet. Die gasförmige Fraktion dieser Separierung in der zweiten Separationsstufe SEP2.2 ist der sechste gasförmige Erdgasstrom VNS6, der im Gegenstrom zur Kühlung der Wärmetauscher WT3, WT2, WT1 verwendet wird.

[0030] Figur 3 zeigt die Zusammenstellung der Hardware-Komponenten des zweiten Wärmetauschers WT2, dritten Wärmetauschers WT3 und ersten Separators SEP1 etwas genauer. Der dritte gasförmige Erdgasstrom VNS3 tritt in den zweiten Wärmetauscher WT2 ein und abgekühlt anschließend in den ersten Separator SEP1 ein, wo er sich in einem zweiten flüssigen Erdgasstrom LNS2 und einen achten gasförmigen Erdgasstrom VNS8 aufteilt. Der achte gasförmige Erdgasstrom VNS8 gibt dem stromabwärts befindlichen dritten Wärmetauscher WT3 zusätzlich Wärme an, dass die beiden Wärmetauscher WT3, WT2 im Gegenstrom durchfließende gasförmige Erdgas des sechsten gasförmigen Erdgasstroms VNS6 ab.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erdgasverflüssigung,
bei dem Gas mit Erdgas (VNG) aus einem Transport- oder Sammelsystem (VGS) zumindest teilweise verflüssigt und einem Sammelsystem (LGS) für flüssiges Erdgas (LNG) zugeführt wird,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Zusammenführen mittels einer Weiche (SW1) von einem ersten gasförmigen Erdgasstrom (VNS1) aus dem Sammelsystem (VGS) mit einem sechsten gasförmigen Erdgasstrom (VNS6) zu einem zweiten gasförmigen Erdgasstrom (VNS2),

- Abkühlen des zweiten gasförmigen Erdgasstroms (VNS2) mittels eines ersten Wärmetauschers (WT1) unter Aufheizung des sechsten gasförmigen Erdgasstroms (VNS6),

- Aufteilen des zweiten gasförmigen Erdgasstroms (VNS2) in einen vierten gasförmigen Erdgasstrom (VNS4) und einen dritten gasförmigen Erdgasstrom (VNS3) mittels einer zweiten Weiche (SW2),

- Abkühlen des dritten gasförmigen Erdgasstroms (VNS3) mittels eines zweiten Wärmetauschers (WT2) unter Aufheizung des sechsten gasförmigen Erdgasstroms (VNS6),

- Aufteilen des dritten gasförmigen Erdgasstroms (VNS3) mittels eines Separatorsystems (SEP) in einen gasförmigen achten Erdgasstrom (VNS8) und einen flüssigen zweiten Erdgasstrom (LNS2),

- Entspannen des vierten gasförmigen Erdgasstroms (VNS4) mittels eines Expanders (EXP),

- Aufteilen des vierten gasförmigen Erdgasstroms (VNS4) mittels eines Separationssystems (SEP) in mindestens einen ersten flüssigen Erdgasstrom (LNS1) und mindestens den sechsten gasförmigen Erdgasstrom (VNS6),

- Einleitung des ersten flüssigen Erdgasstroms (LNS1) in das Sammelsystem (LGS),

wobei der sechste gasförmige Erdgasstrom (VNS6) die Schritte in der Reihenfolge 7, 2 durchströmt, stromabwärts mittels eines Verdichters (CO) verdichtet wird und in Schritt 1 eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei der Expander (EXP) technische Arbeit erzeugt, die zumindest teilweise zum Antrieb des Verdichters (CO) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2,
wobei der Verdichter (CO) mehrere Stufen umfasst und mindestens eine Zwischenkühlung (INT) aufweist zwischen zwei Stufen des Verdichters.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei für den Verdichter (CO) ein gesonderter Antrieb (M) vorgesehen ist.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei der dritte gasförmige Erdgasstrom (VNS3) nach Austritt aus dem zweiten Wärmetauscher (WT2) in einen ersten Separator (SEP1) eingeleitet wird und sich in einen flüssigen zweiten Erdgasstrom (LNS2) und einen gasförmigen achten Erdgasstrom (VNS8) aufteilt.

Zeichnung