DE102004046341A1 - Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der zu verdichtende Erdgasstrom (1) verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe (C) verdichtet. DOLLAR A Hierbei erfolgt die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) vorzugsweise unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess, insbesondere im Wärmetausch (X, Y, Z) gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium (7, 9, ...), vorzugsweise gegen ein kryogenes Medium.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes.
  • Verfahren zum Verdichten von Erdgasströmen werden insbesondere in Erdgasverdichterstationen, wie sie beispielsweise bei Erdgas-Tankstellen erforderlich sind, realisiert. Bei den zum Stand der Technik zählenden Verfahren wird das Erdgas mittels zwei- bis fünfstufiger Kolbenkompressoren auf einen Druck zwischen 250 und 450 bar verdichtet. Die Kolbenkompressoren werden hierbei entweder direkt über Elektromotoren oder über Hydraulikpumpen mit Elektromotoren angetrieben.
  • Bei der Verdichtung des Erdgases entsteht Wärme, die über Öl-, Luft- und/oder Wasserkühler abgeführt werden muss. Die elektrische Anschlussleistung größerer Verdichtungsanlagen beträgt beispielsweise für eine Verdichterleistung von 250 m3/h 70 KW und für eine Verdichterleistung von 4000 m3/h 800 KW. Diese Leistungsbereitstellung erfordert oftmals einen unverhältnismäßig hohen Aufwand. Des Weiteren haben die vorgenannten Kolbenkompressoren den Nachteil, dass sie zum einen einen vergleichsweise hohen Schallpegel aufweisen – 75 dBa und mehr – und zum anderen häufige Wartungsarbeiten erfordern.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes anzugeben, das eine wesentlich geringere elektrische Anschlussleistung erfordert.
  • Darüber hinaus soll die zum Einsatz kommende Technik so wartungsarm und einfach als möglich sein, um lange Standzeiten sowie geringe Investitionskosten zu ermöglichen. Ferner sollen die vorerwähnten hohen Schallpegelwerte unterschritten werden können.
  • Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird ein Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der zu verdichtende Erdgasstrom zunächst verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe verdichtet wird.
  • Unter dem Begriff "kryogene Pumpe" sind Kolbenpumpen bzw. Druckumsetzer, die kryogene Medien verdichten können, zu verstehen. Derartige Kolbenpumpen bzw. Druckumsetzer erfordern spezielle Konstruktion um kryogene Medien ansaugen und verdichten zu können, wie z. B. spezielle Druck- und Saugventile und/oder spezielle Konstruktionen, um genügend große NPSH-Werte zu erzielen. Diese Maßnahmen sind erforderlich, damit genügend flüssiges Medium angesaugt und verdichtet werden kann.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Verfahrensweisen erfolgt nunmehr keine Verdichtung eines gasförmigen Erdgasstromes, sondern – unter Verwendung wenigstens einer Kryopumpe – eine Verdichtung eines zuvor verflüssigten Erdgasstromes.
  • In vorteilhafter Weise erfolgt hierbei die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess.
  • Unter dem Begriff "Tiefkaltprozess" seien nachfolgend alle Prozesse zu verstehen, bei denen die Energie in Form von Kälteenergie anfällt. Beispielhaft genannt seien Stickstoff-, Sauerstoff- und Argon-Verflüssigungsprozesse.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes im Wärmetausch gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium, vorzugsweise gegen ein anzuwärmendes kryogenes Medium erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes benötigt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren eine weitaus geringere elektrische Anschlussleistung, da die erforderliche Energie durch den Tiefkaltprozess bzw. das anzuwärmende (kryogene) Medium bereitgestellt wird.
  • Da das verflüssigte Erdgas mittels einer oder mehrerer kryogenen Pumpen verdichtet wird, fällt nahezu keine Verdichtungswärme an.
  • Die Schallpegelentwicklung von Kryopumpen beträgt weniger als 70 dBa, so dass keine außergewöhnlichen und damit aufwendigen Maßnahmen zur Schallisolierung erforderlich sind.
  • Wenngleich auch kryogene Pumpen regelmäßig gewartet werden müssen, so sind die Wartungskosten jedoch geringer als bei den vorerwähnten Kolbenkompressoren. Darüber hinaus ermöglichen kryogene Pumpen längere Standzeiten als Kolbenkompressoren.
    •
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltung desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Der zu verdichtende Erdgasstrom wird dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Leitung 1 zugeführt. Dieser Erdgasstrom kann beispielsweise einem entsprechenden Erdgas-Rohrleitungsnetz entnommen werden. In derartigen Rohrleitungsnetzen liegt Erdgas üblicherweise unter einem Druck von 25 mbar bis zu 60 bar vor.
  • Im ersten Wärmetauscher X wird der Erdgasstrom gegen einen über Leitung 9 dem Wärmetauscher X zugeführten Stickstoff-Strom auf eine Temperatur von ca. –15°C vor- bzw. abgekühlt.
  • Der für die Abkühlung des Erdgases verwendete Stickstoff-Strom stammt aus einem Flüssigstickstoff-Speicherbehälter S, der der Lagerung von tiefkaltem, flüssigem Stickstoff dient: der derart gelagerte Stickstoff weist eine Temperatur von ca. –150°C auf. Aus dem Speicherbehälter S kann über Leitung 7 Flüssig-Stickstoff und über Leitung 12 gasförmiger Stickstoff abgezogen werden.
  • Der in dem ersten Wärmetauscher X vorgekühlte Erdgasstrom wird über Leitung 2 einem zweiten Wärmetauscher Y zugeführt und in diesem gegen den über Leitung 5 dem zweiten Wärmetauscher Y zugeführten verdichteten Erdgasstrom, der eine Temperatur von ca. –150°C aufweist, abgekühlt und teilverflüssigt. Der über Leitung 6 aus dem zweiten Verdichter Y abgezogene verdichtete Erdgasstrom weist eine Temperatur von ca. –20°C auf.
  • Der aus dem zweiten Wärmetauscher Y über Leitung 3 abgezogene Erdgasstrom liegt, wie erwähnt, bereits größtenteils in flüssiger Form vor und wird in einer Drossel V einer isenthalpen Entspannung unterworfen. Anschließend erfolgt im dritten Wärmetauscher Z gegen den über Leitung 7 dem dritten Wärmetauscher Z zugeführten Flüssigstickstoff-Strom die vollständige Verflüssigung und ggf. Unterkühlung des Erdgasstromes.
  • Der nunmehr vollständig verflüssigte Erdgasstrom wird anschließend über Leitung 4 einer kryogenen Pumpe C zugeführt. In dieser erfolgt die Verdichtung auf den gewünschten Druck, der vorzugsweise zwischen 16 und 1000 bar beträgt. Derartige Kryopumpen sind in den meisten Fällen zweistufig ausgeführt und weisen einen Vorkolben zur Erhöhung des NPSH Wertes und einen Hochdruckkolben zum eigentlichen Verdichten auf.
  • Bei der Verdichtung von Erdgas werden zur Zeit Tankdrücke bis 250 bar realisiert, während bei der Verdichtung von Wasserstoff bereits Drücke bis 1000 bar erreicht werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich die Druckobergrenze in den kommenden Jahren weiter nach oben verschiebt.
  • Daran anschließend wird der verdichtete Erdgasstrom – wie bereits erwähnt – über Leitung 5 dem Wärmetauscher Y zugeführt und in diesem auf eine Temperatur von etwa –20°C angewärmt. Der über Leitung 6 abgezogene verdichtete Erdgasstrom kann ggf. in einem in der Figur nicht dargestellten Luftwärmetauscher – sofern dies erforderlich oder gewünscht ist – auf annähernd Umgebungstemperatur angewärmt werden.
  • Die Abgabe des verdichteten Erdgasstromes an Erdgas-betriebene Fahrzeuge erfolgt mittels handelsüblicher, in der Figur nicht dargestellter Abgabe- bzw. Befülleinrichtungen. Der bzw. die für die Abkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes erforderlichen Stickstoff-Ströme werden in den Leitungen 11 und 13 zusammengeführt und einer Entspannungsturbine T zugeführt. Die in der Entspannungsturbine T freiwerdende Energie wird zum Antreiben der kryogenen Pumpe C verwendet; dargestellt durch die gestrichelt gezeichnete Linie zwischen der Entspannungsturbine T und der kryogenen Pumpe C.
  • Der in der Entspannungsturbine T auf einen Druck zwischen 0 und 16 bar entspannte Stickstoff-Strom wird anschließend über Leitung 14 aus dem Prozess abgeführt und ggf. einer weiteren Verwendung, wie beispielsweise als Druckmedium für pneumatische Anwendungen (z. B. pneumatische Ventile) zugeführt.
  • Die Befüllung des Speicherbehälters S mit kryogenem Stickstoff erfolgt im Regelfall mittels geeigneter Tankfahrzeuge. Alternativ oder zusätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Stickstoff vor Ort – in so genannten on-site-Anlagen – mittels adsorptiver, permeativer und/oder kryogener Verfahren zu erzeugen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Anwendung an Standorten, an denen es Probleme mit der Bereitstellung und/oder der Sicherheit von elektrischer Energie gibt. Dadurch, dass keine hohe Verdichtungswärme anfällt, kommt es auch an Standorten bzw. in Ländern, in denen sehr hohe Außentemperaturen herrschen, zu keinen Überhitzungsproblemen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verdichten eines Erdgasstromes, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verdichtende Erdgasstrom (1) verflüssigt und anschließend mittels wenigstens einer kryogenen Pumpe (C) verdichtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) unter Verwendung der Energie aus einem Tiefkaltprozess erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des zu verdichtenden Erdgasstromes (1) im Wärmetausch (X, Y, Z) gegen wenigstens ein anzuwärmendes Medium (7, 9, ..), vorzugsweise gegen ein kryogenes Medium, erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Erdgasstrom (4) auf einen Druck zwischen 16 und 1000 bar verdichtet wird (C).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gegen den zu verflüssigenden Erdgasstrom (1) angewärmte Medium (7, 9, ..) entspannt und die bei der Entspannung gewonnene Energie zum Antreiben der oder wenigstens einer der kryogenen Pumpen (C) verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (C) des verflüssigten Erdgasstromes (4) ein- oder mehrstufig, vorzugsweise zweistufig erfolgt.
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