CN101495795B - 使液体流气化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于使液体流气化的方法，所述方法至少包括以下步骤：a)将换热流体供到第一换热区(2)，所述换热流体在闭合回路(4)中循环；b)将待气化的液体流(20)供到第一换热区(2)；c)越过第一换热区(2)中的换热表面将热从换热流体提供到液体流，从而使所述液体流气化并且至少部分地冷凝所述换热流体；d)移出被气化的液体流(30)；e)移出至少部分被冷凝的换热流体并且将其传送到第二换热区(3)；f)越过第二换热区(3)中的换热表面将热从周围空气提供到至少部分被冷凝的换热流体，从而使换热流体气化；g)将被气化的换热流体再循环到第一换热区(2)；其特征在于，换热流体在步骤g)中通过使用施加于在闭合回路(4)中循环的换热流体上的重力来进行再循环。

Description

使液体流气化的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于使液体流气化的方法，特别是使比如液化天然气(LNG)的液态烃流气化的方法。特别地，本发明涉及在LNG输入端处的LNG气化(有时也称为“再气化”)。
背景技术
LNG通常主要指液化甲烷，其还包括可变数量的乙烷、丙烷和丁烷以及微量的戊烷和较重烃组分。通常LNG中的芳香烃类和非烃类(比如H2O、N2、CO2、H2S和其他硫化物)等的含量很低，因为通常在使天然气流液化之前已经至少部分地除去这些化合物，然后该天然气以液体形式存储或输送。对于本说明书而言，“烃流”、“LNG”或“天然气”不应当被解释成限于某组成成分，而是一般被看作是液体流，尤其是含烃流。
有许多原因希望使天然气液化。例如，天然气以液态形式可以比气态形式更容易被存储和长距离输送，这是因为它占据较小体积并且不需要在高压下存储。
为了使LNG流再气化，其通常被加压和气化。根据气体规格和消费者的需求，如果需要，添加选定量的比如N2以获得具有希望气体品质的天然气，例如具有选定的热值(即气体燃烧时的能含量)。替代地或另外地，可以通过从天然气中除去或向天然气中添加希望量的乙烷和/或较重烃类来调整天然气的热值。
在US 2005/0274126A1中公开了一种用于所谓“中间流体型”的LNG再气化或气化的方法。更特别地，US 2005/0274126公开了一种用于使比如LNG的低温流体气化的方法和设备，其中首先用周围空气越过换热表面加热中间换热流体，然后换热表面提供热以使低温流体气化。
发明内容
使LNG再气化或气化的已知方法的一个问题是不得不花费较高的资本费用(CAPEX)。
本发明的一个目的是使上述问题最小化。
本发明的另一个目的是提供一种使液体流气化(特别是使LNG再气化)的替代的中间流体型方法。
根据本发明通过提供一种使液体流(特别是比如液化天然气的液态烃流)气化的方法来实现上述目的或其他目的中的一个或多个。所述方法至少包括下列步骤：
a)将换热流体供到第一换热区，所述换热流体在闭合回路中循环；
b)将待气化的液体流供到第一换热区；
c)越过第一换热区中的换热表面将热从换热流体提供到液体流，从而使液体流气化并且至少部分地冷凝换热流体；
d)移出在步骤c)中获得的被气化的液体流；
e)移出在步骤c)中获得的至少部分被冷凝的换热流体并且将其传送到第二换热区；
f)越过第二换热区中的换热表面将热从周围空气提供到至少部分被冷凝的换热流体，从而使换热流体气化；
g)将被气化的换热流体再循环到第一换热区；
其中，换热流体在步骤g)中使用施加于在闭合回路中循环的换热流体上的重力来进行再循环。
已经令人惊奇地发现使用根据本发明的方法可显著减少CAPEX。由于根据本发明施加在换热流体上的重力用于使换热流体在闭合回路中循环，因此可使用于泵等的费用最小化。在一些情况下闭合回路中的换热流体的循环根本不需要泵。
本发明的另一个优点是使用根据本发明的方法可需要较小的用于使液体流气化的占地空间。
优选地，在步骤e)中，换热流体从第一换热区向下流到第二换热区。另外，优选在步骤g)中，换热流体从第二换热区向上流到第一换热区。
以这种方式，重力能够使换热流体循环。这种作用与换热流体的向下流动部分和向上流动部分之间的密度差相结合使得用于在闭合回路内部循环换热流体的机械泵最小化。
换热流体可以是处于操作条件下的任何合适的流体，并且包括比如丙烷和丁烷的烃、比如氟利昂的卤化物、氨水、乙二醇与水的混合物、甲酸盐与水的混合物、甲醇和丙醇等。
优选地，换热流体在闭合回路所主要具有的压力下具有低于5℃的沸点，优选具有从-10℃到0℃的沸点。优选地，换热流体包括化合物，所述化合物选自包括CO2、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及其混合物的组。
根据一个特别优选的实施例，换热流体包括大于90％(摩尔百分数)的CO2，更优选大约100％(摩尔百分数)的CO2。当CO2用于使LNG气化时，CO2的一个重要优点是如果在换热流体的闭合回路中发生泄漏，CO2将在泄漏点处凝固从而减小甚至堵塞泄漏点。而且，如果CO2从闭合回路泄漏，CO2不会产生易燃的混合物。CO2的沸点在30巴到35巴的压力下是-5.8℃到-0.1℃。
所属领域的技术人员应该理解的是第一和第二换热区可具有各种设计，而且本发明不限于某种设计，只要可在相应流之间存在适当换热接触即可。优选地，第一和第二换热区中的换热接触是间接的，即在相应流之间不发生物理接触。在使LNG再气化的例子中，第二换热区的优选实例利用了所谓的“热管”原理(或者“两相闭合热虹吸”原理)。由于“热管”原理是已知的，比如参见US3229759和US5485670，在此不再进行进一步讨论。
另外，所属领域的技术人员容易理解的是第一换热区和第二换热区可包括几个换热表面。换热流体的一个或多个闭合回路也可用于每一个和任一个换热表面。
在另一方面，本发明涉及一种用于使液体流气化的设备，更特别的是使比如液化天然气的液态烃流气化的设备，所述设备至少包括：
-具有换热表面的第一换热区，待气化的液体流能越过第一换热区的换热表面与换热流体进行热交换；
-具有换热表面的第二换热区，换热流体能越过第二换热区的换热表面与周围空气进行热交换；
-换热流体的闭合回路；
其中，第二换热区沿重力方向位于低于第一换热区处。
优选地，第一换热区包括多个用于待气化液体的基本上平行的管子。更优选的是所述管子的至少一部分壁可用作第一换热区中的换热表面。
根据一个优选实施例，第一换热区由支承架支承。优选地，换热流体的闭合回路形成支承架的部件。更优选的是存在一个或多个闭合回路，所述一个或多个闭合回路形成支承架中的一个或多个支承腿。在一个特别优选的实施例中，支承架包括在其间形成α角的第一和第二支承腿，角度α优选为从30°到90°，更优选大约60°。因此，在这种情况下，可以不存在用于在闭合回路中循环换热流体的泵。
在又一方面，本发明提供了使用CO2作为换热流体或用作换热流体的组成成分的应用。特别地，换热流体用于使流体气化，其中待气化的流体具有低于5℃的温度，优选从-170℃到0℃的温度。
附图说明
在下文将根据下列非限制性附图来进一步说明本发明，其中：
图1是示例性处理流程的示意图，其中包括根据本发明的设备；
图2是根据本发明的第一实施例的设备的示意性透视图；
图3是根据本发明的第二实施例的设备的示意性透视图；
图4是图3的设备的示意性剖视图；
图5是根据本发明的第三实施例的设备的示意性剖面图；
图6是根据本发明的第四实施例的设备的示意性剖面图；
图7是根据本发明的第五实施例的设备的示意性剖面图；
图8是根据本发明的第六实施例的设备的示意性剖面图；
图9是根据本发明的第七实施例的设备的示意性剖面图；
图10是根据本发明的第八实施例的设备的示意性剖面图。
具体实施方式
对于本说明书而言，将为线和在该线上的流指定单一附图标记。相同的附图标记表示同一元件。
图1示意性地显示了包括根据本发明的设备(总体以附图标记1表示)的处理流程100。更特别地，图1显示了在LNG的输入端处的再气化流程。
使用泵7从液化天然气10的LNG储罐5中移出(通常过冷的)LNG流20。泵7将LNG 20传送到气化器(或“再气化器”)1的入口11，在该气化器中使用换热流体(将参照图2进行讨论)来使LNG气化，从而获得(在从出口12移出之后)可送到格网或气体管网6的气态天然气流30。不用说LNG流20也可从除了储罐5之外的另一个源提供，比如直接从LNG运输船的卸载管线提供。另外，如果需要，也可以存在比如明火加热器的备用加热器(未显示)以向换热流体、LNG流20或(仅部分)被气化的流30提供额外的热，从而确保流30中的所有LNG在被送到气体管网6之前被气化。
图2示意性地显示了根据本发明的第一实施例的气化器(或再气化器)1的透视图。
气化器1包括具有换热表面的第一换热区2，待气化的LNG可跨过换热表面与正在闭合回路4中循环的换热流体进行热交换。优选地，换热流体是CO2。换热流体的压力可根据环境条件变化以使换热最大化和使在设备1外部形成的冰最少。
第一换热区2包括闭合箱体15，所述闭合箱体中容纳了多根用于待气化LNG流(在图1中用20表示)的基本上平行的管子8(用虚线表示)。为此，LNG流20被供入管子8的入口21(管子的入口21可连接至气化器1的组合式入口，比如LNG入口11)。在图2的实施例中，管子8的壁用作第一换热区2的换热表面，其中在闭合回路中循环的换热流体可绕管子8在由管子8的壁和箱体15的内壁所限定的空间中自由流动。为此换热流体在入口16处供入箱体15，在出口17处移出箱体15。
第一换热区2由支承架9支承。
此外，气化器1包括第二换热区3，其中在闭合回路4中循环的换热流体可与周围空气进行热交换。
在图2的实施例中，换热流体的闭合回路4和第二换热区3形成支承架9的部件。结果是，第二换热区3沿重力方向位于低于第一换热区2处。
为了实现周围空气和第二换热区3中的换热流体之间的增进的间接换热，例如在支承架9中存在通孔13。由于发生间接换热，空气和闭合回路4中的换热流体之间不存在直接接触。不用说，通孔13可采用包括类似切口形的任何合适形状。
如果需要，可存在风扇(14，例如如图4所示)以增加周围空气循环从而增进第二换热区3中换热流体和周围空气之间的换热。同样，第二换热区3的表面可适用于例如通过使用翼片(19，例如见图5)和凹槽等来增进换热。
在使用图2的实施例的过程中，闭合回路4中的换热流体和待气化的LNG被(顺序或同时地)供到第一换热区2。然后，通过换热流体和LNG之间越过第一换热器2中的管子8的壁的间接热交换接触，LNG被加热并且以被气化的形式(在如图1中的出口12处的流30)离开第一换热区2。
换热流体在第一换热区2中被冷却并且从而至少部分被冷凝。随后，该至少部分被冷凝的换热流体被传送到第二换热区3，在该第二换热区中越过第二换热区3中的换热表面被周围空气加热，结果是换热流体被气化并且再循环到第一换热区2。如果需要，其他热(除了周围空气之外)可用于加热换热流体；该其他热例如可从太阳能电池等处获得。
闭合回路4中的换热流体使用重力进行再循环。该重力与闭合回路4中的(较冷且较重的)向下流动部分40A和(较暖且较轻的)向上流动部分40B之间的密度差相结合使得用于在闭合回路4内部循环换热流体的机械泵最小化。在一个优选实施例中，根本没有用于在闭合回路4中循环换热流体的泵。
在图2中，向下流动部分40A和向上流动部分40B被优选独立的分隔壁18分隔开。如果需要，以及为了增进第二换热区3处的空气流动，第二换热区3可包括用于向下流动部分40A和向上流动部分40B的分离的管子或管束；因此在该情况下，可(至少部分)省略分隔壁18(也参见图5)。
图3示意性显示了根据本发明的第二实施例的设备的透视图。在图3中，一个以上的闭合回路(用4a和4b标示)用于循环换热流体。不用说，任何合适数量的(通常平行的)闭合回路可用于在第一换热区2和第二换热区3之间循环换热流体。如也在图2中讨论的，第二换热区3的闭合回路4a和4b可包括用于向下流动部分40A和向上流动部分40B的分离的管子或管束。
在图3的实施例中，闭合回路4a和4b形成第一换热区2的支承架9的部件；回路4a和4b分别用作支承架9中的第一和第二支承腿。不用说，除了闭合回路4a和4b，可存在另外的结构件来支承第一换热区2。
图4示意性显示了图3的设备1的剖面图。如所示的，角度α由支承架9的支承腿限定。闭合回路4a和4b形成支承腿的部件。优选地，角度α为从30°到90°，优选大约60°。
另外，在图4中显示了使用风扇来迫使周围空气沿着闭合回路4a和4b外部流动，从而增进周围空气和闭合回路4中的换热流体之间的换热。如果需要，风扇14还可根据引导周围空气的方式(向下、向上、以某一角度等)而放在除了所指示的位置之外的位置。
如果需要，几个设备1可彼此邻近地放置(也参见图5)。
图5-10示意性显示了根据本发明的设备1的其他实施例的剖面图。
在图5中所示的几个设备1是平行的。在图5所示的设备1中，在换热流体的向下流动部分40A和向上流动部分40B的分离管子(或管束)之间不存在分隔壁18。
如图5所示，两个相邻设备1可共用一个相同的风扇14以迫使周围空气沿着闭合回路4a和4b的外部流动。在图5中，所示的风扇14在设备1的上部部分附近，迫使周围空气向下流动。所属领域的技术人员应该理解的是风扇14可放在其他位置。
在图5中还显示了闭合回路的外部可设有比如翼片19的换热增进器。例如也可使用凹槽等来代替翼片19。如图5所示，闭合回路的外部可设有适当地或多或少的翼片。
在图6中，箱体15具有矩形设计。另外，风扇14放在地面上或地面附近，迫使周围空气向上流动。
在图7中显示了换热流体的向上流动部分40B在沿重力方向比箱体15的出口17更高的点(入口16)处被重新引入箱体15。
在图8中显示了支承架9包括单个支承腿。另外，显示了(类似于图7)换热流体的向上流动部分40B在沿重力方向比箱体15的出口17更高的入口16处被重新引入箱体15。
图9显示了“管中管”布置，其中换热流体的向下流动部分40A被换热流体的向上流动部分40B环绕(但通过壁18与换热流体的向上流动部分40B热隔离)。
图10显示了一个其中不存在分隔壁(18，参考图4)的实施例。在图10的实施例中，闭合回路4a、4b(即换热流体流经的管子或管束)的内部的至少一部分设有由粘着性增强材料构成的衬套以获得沿着这些闭合回路表面的更好的流体分配。这些形成衬套22的粘着性增强材料可以是例如传导性的多孔或海绵体材料或者可以是带凸起的或凹凸不平的表面。
根据图10的实施例，来自第一换热区2的换热流体经由第二换热区3上的衬套22被分配。在第二换热区3中的换热流体被气化之后，该被气化的换热流体向上升并被再循环到第一换热区2。
在图10中，闭合回路4a、4b内部只有一部分设有由粘着性增强材料构成的衬套22。如果需要，闭合回路4a、4b的所有壁或基本上所有壁都可设有这种衬套22。
所属领域的技术人员将容易理解的是在不偏离本发明的范围的情况下可以进行许多修改。

Claims (20)

1.一种用于使液体流气化的方法，所述方法至少包括下列步骤：
a)将换热流体供到第一换热区(2)，所述换热流体在闭合回路(4)中循环；
b)将待气化的液体流(20)供到第一换热区(2)；
c)越过第一换热区(2)中的换热表面将热从换热流体提供到液体流，从而使所述液体流气化并且至少部分地冷凝所述换热流体；
d)移出在步骤c)中获得的被气化的液体流(30)；
e)移出在步骤c)中获得的至少部分被冷凝的换热流体并且将其传送到第二换热区(3)；
f)越过第二换热区(3)中的换热表面将热从周围空气提供到至少部分被冷凝的换热流体，从而使换热流体气化；
g)将被气化的换热流体再循环到第一换热区(2)；
其特征在于，换热流体在步骤g)中使用施加于在闭合回路(4)中循环的换热流体上的重力来进行再循环。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体流为液态烃流。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体流为液化天然气。
4.根据权利要求1所述的方法，其中没有使用泵来用于在闭合回路(4)中循环换热流体。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中换热流体包括大于90％摩尔百分数的CO2。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中换热流体包括100％摩尔百分数的CO2。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述换热流体在闭合回路(4)所主要具有的压力下具有低于5℃的沸点。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述换热流体在闭合回路(4)所主要具有的压力下具有从-10℃到0℃的沸点。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述换热流体包括化合物，所述化合物选自包括CO2、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷及其混合物的组。
10.一种用于使液体流气化的设备(1)，所述设备(1)至少包括：
具有换热表面的第一换热区(2)，待气化的液体流能越过第一换热区的换热表面与换热流体进行热交换；
具有换热表面的第二换热区(3)，换热流体能越过第二换热区的换热表面与周围空气进行热交换；
换热流体的闭合回路(4)；
其特征在于，所述第二换热区(3)沿重力方向位于低于第一换热区(2)处。
11.根据权利要求10所述的设备(1)，其中所述液体流为液态烃流。
12.根据权利要求10所述的设备(1)，其中所述液体流为液化天然气。
13.根据权利要求10所述的设备(1)，其中第一换热区(2)由支承架(9)支承。
14.根据权利要求13所述的设备(1)，其中存在一个或多个闭合回路(4a、4b)，所述一个或多个闭合回路(4a、4b)形成所述支承架(9)中的一个或多个支承腿。
15.根据权利要求14所述的设备(1)，其中所述支承架(9)包括在其间限定了α角的第一和第二支承腿，其中所述α角为从30°到90°。
16.根据权利要求14所述的设备(1)，其中所述支承架(9)包括在其间限定了α角的第一和第二支承腿，其中所述α角为60°。
17.根据权利要求10所述的设备(1)，其中没有泵来用于在闭合回路(4)中循环换热流体。
18.根据权利要求10所述的设备(1)，其中换热流体包括CO2。
19.根据权利要求10所述的设备(1)，其中换热流体用于使流体气化，待气化的流体具有低于5℃的温度。
20.根据权利要求10所述的设备(1)，其中换热流体用于使流体气化，待气化的流体具有从-170℃到0℃的温度。
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