DE102005010053A1 - Helium-Gewinnung bei LNG-Anlagen - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion aus einem verflüssigten Erdgasstrom beschrieben; dieses umfasst folgende Verfahrensschritte: DOLLAR A a) Entspannen (a) des verflüssigten Erdgasstromes (1) und Abtrennen (D) einer Helium-reichen Fraktion (3), DOLLAR A b) Anwärmen (E) der Helium-reichen Fraktion (3) gegen einen abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom (9) und DOLLAR A c) Zuspeisen des im Wärmetausch (E) gegen die anzuwärmende Helium-reiche Fraktion (3) verflüssigten Erdgasstromes (10) zu dem entspannten verflüssigten Erdgasstrom (1) vor der Abtrennung (D) der Helium-reichen Fraktion (3), DOLLAR A d) wobei die Gesamtenthalpie der der Abtrennung (D) der Helium-reichen Fraktion (3) zugeführten Mischung (2) der beiden vorgenannten Erdgasströme (2) variiert werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion aus einem verflüssigten Erdgasstrom.
  • Helium wird in großen Mengen im Regelfall aus Erdgas oder aus Erdgasfraktionen – wie sie bspw. in den sog. LNG-Baseload-Anlagen anfallen – gewonnen, also aus einem Gasgemisch, bestehend im Wesentlichen aus Methan, einem hohen Anteil an Stickstoff und Kohlenwasserstoffen.
  • Kleinere Mengen Helium können auch in kryogenen Luftzerlegungsanlagen mittels der sog. Tieftemperaturluftzerlegung aus der Luft abgetrennt und so gewonnen werden.
  • Helium kommt in bekannten Ergasvorkommen in einer Größenordnung bis etwa 0,2 Mol-% vor. Aus diesem Grund macht eine technische Gewinnung nur im Rahmen der vorerwähnten LNG-Baseload-Anlagen Sinn, da bei ihnen das inerte Helium im Flashgas des LNG-Speichertanks aufkonzentriert ist. Bei der Helium-Gewinnung am sog. "kalten Ende" von LNG-Baseload-Anlagen ist es daher wünschenswert, auch bei unterschiedlichen Erdgaszusammensetzungen eine gleich bleibende Heliummenge zu gewinnen, obwohl vor allem die unterschiedlichen Stickstoffkonzentrationen des Erdgases zu unterschiedlichen Flashbedingungen für den Helium-reichen Flash führen Üblicherweise wird das unter hohem Druck vorliegende verflüssigte Erdgas, dessen Temperatur aufgrund des bzw. der Kältemittel der LNG-Baseload-Anlage nahezu festliegt, zunächst auf einen Mitteldruck zwischen 3 und 10 bar gedrosselt, das dabei gewonnene Helium-reiche Flashgas – das typischerweise einen Heliumgehalt zwischen 5 % und 20 % aufweist – angewärmt und einer Helium-Gewinnungsanlage als Einsatzfraktion zugeführt wird.
  • Vor dieser Zuführung wird das Helium-reiche Flashgas z. B. gegen einen gereinigten, unter hohem Druck vorliegenden Erdgasstrom – der vor dem eigentlichen Verflüssigungsteil des Verflüssigungsprozesses abgezogen wird und damit aus dem sog. "warmen Bereich" der LNG-Baseload-Anlage stammt – angewärmt, um die Kälte des Helium-reichen Flashgases zur Abkühlung und Verflüssigung dieses zusätzlichen Erdgasstromes nutzen zu können. Die Menge dieses zusätzlichen Erdgasstromes ist hierbei so zu wählen, dass keine merkliche Veränderung der Verflüssigungsleistung der LNG-Baseload-Anlage erfolgt, was in einem weiten Mengenstrombereich der Fall ist.
  • Mittels dieser Verfahrensweise können jedoch im Hinblick auf den Gehalt an Helium und Stickstoff unterschiedliche Erdgasqualitäten, die wiederum große Unterschiede im Hinblick auf den Helium- sowie den Stickstoff-Gehalt in dem aus dem verflüssigten Erdgas abgetrennten Flashgas zur Folge haben, nicht berücksichtigt werden.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion aus einem verflüssigten Erdgasstrom anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
    • a) Entspannen des verflüssigten Erdgasstromes und Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion,
    • b) Anwärmen der Helium-reichen Fraktion gegen einen abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom und
    • c) Zuspeisen des im Wärmetausch gegen die anzuwärmende Helium-reiche Fraktion verflüssigten Erdgasstromes zu dem entspannten verflüssigten Erdgasstrom vor der Abtrennung der Helium-reichen Fraktion,
    • d) wobei die Gesamtenthalpie der der Abtrennung der Helium-reichen Fraktion zugeführten Mischung der beiden vorgenannten Erdgasströme variiert werden kann.
  • Hierbei ist der Mengenstrom des vorgenannten, abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstromes vorzugsweise so eingestellt, dass keine wesentliche Änderung der Verflüssigungsleistung der LNG-Baseload-Anlage erfolgt.
  • Prinzipiell kann die Gesamtenthalpie der der Abtrennung der Helium-reichen Fraktion zugeführten Mischung der beiden vorgenannten Erdgasströme – hierbei handelt es sich um einen Zweiphasenstrom – erfolgen, indem
    • – die Unterkühl-Bedingungen des verflüssigten Erdgases am so genannten "kalten Ende" des Verflüssigungsprozesses variiert werden; dies würde jedoch einen Eingriff in den Betrieb der LNG-Baseload-Anlage erfordern, der üblicherweise nicht erwünscht ist,
    • – der unterkühlte Erdgasstrom vom "kalten Ende" der LNG-Baseload-Anlage gegen einen oder mehrere Kältemittelströme des LNG-Baseload-Prozesses angewärmt wird; auch diese Variante hätte einen üblicherweise unerwünschten Eingriff in den Betrieb der LNG-Baseload-Anlage zur Folge, oder
    • – der unterkühlte Erdgasstrom vom "kalten Ende" der LNG-Baseload-Anlage durch Zumischung eines wärmeren Erdgasstromes vom "warmen Ende" der LNG-Baseload-Anlage angewärmt wird; diese Alternative hat eine Erhöhung des Durchsatzes durch die LNG-Baseload-Anlage zur Folge, weswegen diese Alternative bevorzugt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nunmehr, unterschiedlichsten Helium- und Stickstoff-Gehalten in dem zu verflüssigenden Erdgasstrom und dem verflüssigten Erdgasstrom gerecht zu werden. Die Helium-reiche Fraktion sowie der abzukühlende und zu verflüssigende Erdgasstrom, die miteinander in Wärmetausch gebracht werden, können nun gezielt temperaturkontrolliert gegeneinander angewärmt bzw. abgekühlt werden. Damit lassen sich die Bedingungen für die Entspannung des verflüssigten Erdgasstromes und das Abtrennen der Helium-reichen Fraktion gezielt regeln, so dass für unterschiedliche Zusammensetzungen von verflüssigten Erdgasströmen eine maximale Abtrennung bzw. Ausbeute des Heliums über die Entspannung und Abtrennung der Helium-reichen Fraktion möglich wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass – entsprechend der Zusammensetzung der Erdgasströme – der Mengenstrom der dem Wärmetausch zugeführten Helium-reichen Fraktion und/oder der Mengenstrom des dem Wärmetausch zugeführten, abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstromes derart variiert wird, dass die Helium-Ausbeute der Helium-reichen Fraktion im Wesentlichen konstant bleibt und/oder maximiert wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – der an Helium-abgereicherte, verflüssigte Erdgasstromes entspannt und einer Fuelgas-Abtrennung unterworfen wird,
    • – die in der Fuelgas-Abtrennung gewonnene Fuelgas-Fraktion gegen den abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom angewärmt wird,
    • – zumindest ein Teilstrom des abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstromes, zumindest ein Teilstrom der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion und/oder zumindest ein Teilstrom der anzuwärmenden Fuelgas-Fraktion an dem Wärmetausch zwischen der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion und dem abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom vorbeigeführt wird,
    • – der Wärmetausch zwischen der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion und dem abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom in wenigstens einem gewickelten Wärmetauscher und/oder wenigstens einem TEMA-Wärmetauscher erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände von Unteransprüchen darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Über Leitung 1 wird ein verflüssigter Erdgasstrom, der in einem beliebigen Erdgas-Verflüssigungsprozess gewonnen wurde, herangeführt, im Ventil a auf einen Druck zwischen 3 und 10 bar entspannt und anschließend über Leitung 2 einem Abscheider D zugeführt. Am Kopf dieses Abscheiders D wird über Leitung 3 eine Helium-reiche Gasfraktion abgezogen.
  • Die Helium-reiche Gasfraktion wird im Wärmetauscher E, bei dem es sich vorzugsweise um einen gewickelten Wärmetauscher oder einen TEMA-Wärmetauscher handelt, gegen einen abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, angewärmt und anschließend über Leitung 4 ihrer weiteren Verwendung, wie beispielsweise einem Prozess, in dem eine Rein-Helium-Fraktion gewonnen wird, zugeführt.
  • Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 5 eine an Helium abgereicherte Flüssigfraktion abgezogen, im Ventil b auf einen Druck zwischen 1 und 5 bar entspannt und über Leitung 6 ihrer weiteren Verwendung – ggf. nach vorheriger Förderung mittels Pumpe und Zwischenspeicherung in einem Lagertank bei Atmosphärendruck – zugeführt.
  • Über Leitung 9 wird dem Wärmetauscher E der erwähnte abzukühlende und zu verflüssigende Erdgasstrom zugeführt. Dieser gasförmige Erdgasstrom wird dem Erdgas-Verflüssigungsprozess beispielsweise nach der im Regelfall erforderlichen Abtrennung schwerer Kohlenwasserstoff abgezogen. Die Menge dieses Erdgasstromes wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich durch die Helium-Abtrennung D keine merkliche Änderung der Verflüssigungsleistung der LNG-Baseload-Anlage ergibt.
  • Unter Ausnutzung der Kälte der über Leitung 3 dem Wärmetauscher E zugeführten Helium-reichen Fraktion wird der über Leitung 9 dem Wärmetauscher E zugeführte Erdgasstrom nunmehr abgekühlt und verflüssigt. Er wird anschließend über Leitung 10, in der ein Entspannungsventil c vorgesehen ist, dem verflüssigten Erdgasstrom in der Leitung 2 vor der Zuführung in den Abscheider D beigemischt.
  • Je nach Mischungstemperatur und Druck ergeben sich nun unterschiedliche Helium-Konzentrationen und -Mengen in der am Kopf des Abscheiders D abgezogenen Helium-reichen Gasfraktion 3.
  • In der Figur dargestellt sind ferner zwei Bypass-Leitungen, in denen jeweils ein Regelventil d und e angeordnet ist. Über diese Bypass-Leitungen 7 und 11 können die in den Leitungen 3 und 9 geführten Fraktionen zur Gänze oder zumindest teilweise an dem Wärmetauscher E vorbeigeführt werden.
  • Erfindungsgemäß kann nunmehr der Mengenstrom des dem Wärmetauscher E über Leitung 9 zugeführten Erdgasstromes mittels des Entspannungsventils c und/oder der Bypass-Leitung 11 variiert werden. Gleiches trifft für die dem Wärmetauscher E über Leitung 3 zugeführte Helium-reiche Fraktion zu, da deren Mengenstrom durch den Wärmetauscher E mittels der Bypass-Leitung 7 geregelt werden kann.
  • Mittels der vorgenannten Regelungsmöglichkeiten können auch für unterschiedliche Zusammensetzungen des verflüssigten Erdgasstromes maximale Helium-Ausbeuten bzw. -Mengen in der am Kopf des Abscheiders D abgezogenen Helium-reichen Fraktion 3 eingestellt bzw. erzielt werden.
  • Entsprechend der Menge, der Zusammensetzung, dem Grad der Unterkühlung sowie dem Vordruck und damit der Gesamtenthalpie des über die Leitungsabschnitte 1 und 2 herangeführten verflüssigten Erdgasstromes sowie der Menge, der Zusammensetzung, dem Druck sowie der Temperatur und damit der Gesamtenthalpie des über die Leitungsabschnitte 9 und 10 herangeführten Erdgasstromes wird die Unterkühltemperatur des letztgenannten Stromes nach dem Wärmeaustausch E eingestellt, um die Helium-Ausbeute in der Helium-reichen Fraktion 3 zu maximieren.
  • Ziel dieser Vorgehensweise ist, die Bedingungen im Abscheider D, also die Gesamtenthalpie der Mischung so einzustellen, dass auch bei unterschiedlichen Zusammensetzungen der Erdgasströme 1 und 9 eine maximale Helium-Ausbeute in dem Helium-reichen Flashgas 3 und 4 erreicht wird und gleichzeitig die Produktion des LNG-Baseload-Prozesses nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
  • Auf diese Weise kann für einen nachgeschalteten Prozess zur Rein-Helium-Gewinnung eine optimale Einsatzfraktion bereitgestellt werden.
  • Treten im Wärmetauscher E vergleichsweise geringe Temperaturdifferenzen zwischen 5 und 30 K auf, so wird dieser vorzugsweise als Plattentauscher ausgelegt sein. Im Falle größerer Temperaturdifferenzen ist es von Vorteil, den Wärmetauscher E als gewickelten Wärmetauscher und/oder TEMA-Wärmetauscher zu realisieren.
  • Insbesondere dann, wenn die Mengen der über die Leitungsabschnitte 1 und 2 bzw. 9 und 10 herangeführten Ströme über die Zeit annähernd konstant bleiben, ihr Helium- und Stickstoff-Anteil jedoch variiert, kann mittels der Bypass-Leitung 11 die für eine maximale Helium-Ausbeute erforderliche Unterkühltemperatur des über die Leitungsabschnitte 9 und 10 herangeführten Erdgasstromes am Ausgang des Wärmetauschers E eingestellt und geregelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion aus einem verflüssigten Erdgasstrom ermöglicht es somit, die Helium-Ausbeuten auch unterschiedlichster verflüssigter Erdgasströme zu maximieren. Der hierfür erforderliche regelungstechnische Aufwand hält sich in Grenzen, so dass die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur zu unwesentlichen zusätzlichen Kosten führt.
    •

Claims (5)

  1. Verfahren zum Abtrennen einer Helium-reichen Fraktion aus einem verflüssigten Erdgasstrom, umfassend folgende Verfahrensschritte: a) Entspannen (a) des verflüssigten Erdgasstromes (1) und Abtrennen (D) einer Helium-reichen Fraktion (3), b) Anwärmen (E) der Helium-reichen Fraktion (3) gegen einen abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom (9) und c) Zuspeisen des im Wärmetausch (E) gegen die anzuwärmende Helium-reiche Fraktion (3) verflüssigten Erdgasstromes (10) zu dem entspannten verflüssigten Erdgasstrom (1) vor der Abtrennung (D) der Helium-reichen Fraktion (3), d) wobei die Gesamtenthalpie der der Abtrennung (D) der Helium-reichen Fraktion (3) zugeführten Mischung (2) der beiden vorgenannten Erdgasströme (2) variiert werden kann.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des im Wärmetausch (E) gegen die anzuwärmende Helium-reiche Fraktion (3) verflüssigten Erdgasstromes (10) variiert werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenstrom der dem Wärmetausch (E) zugeführten Helium-reichen Fraktion (3) und/oder der Mengenstrom des dem Wärmetausch (E) zugeführten, abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstromes (9) derart variiert wird, dass die Helium-Ausbeute der Helium-reichen Fraktion (3, 4) im Wesentlichen – konstant bleibt und/oder maximiert wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (11). des abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstromes (9) und/oder zumindest ein Teilstrom (7) der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion (3) an dem Wärmetausch (E) zwischen der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion (3) und dem abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom (9) vorbeigeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetausch (E) zwischen der anzuwärmenden Helium-reichen Fraktion (3) und dem abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom (9) in wenigstens einem gewickelten Wärmetauscher und/oder wenigstens einem TEMA-Wärmetauscher erfolgt.
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