DE102008036243A1

DE102008036243A1 - Verfahren zum kontinuierlichen Konditionieren von Gas, vorzugsweise Erdgas

Info

Publication number: DE102008036243A1
Application number: DE102008036243A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lenk
Original assignee: ROHR und MASCHINENANLAGENTECHN; ROHR- und MASCHINENANLAGENTECHNIK GmbH; Energieversorgung Weser Ems AG
Current assignee: EWE GASSPEICHER GMBH, DE
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2010-02-11
Also published as: EP2310747B1; PL2310747T3; US20110120011A1; HUE024525T2; RU2011103900A; WO2010015214A3; US8899045B2; WO2010015214A2; EP2310747A2; DK2310747T3; PT2310747E; ES2531829T3; CA2734365A1; RU2470225C2

Abstract

Gas, vorzugsweise Erdgas, wird vor seiner Einspeisung in eine Rohrleitung, insbesondere ein Rohrleitungsnetz, zur Versorgung von Verbrauchern kontinuierlich konditioniert. Das unter Druck stehende Gas wird aus einem Speicher entnommen, entspannt und vor oder nach seiner Entspannung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, indem ein abgezweigter Teilstrom des ausgespeicherten Erdgases mit Sauerstoff vermischt und das dadurch gebildete Brenngas katalytisch verbrannt wird. Mit der dabei anfallenden Wärmeenergie wird das ausgespeicherte Gas erwärmt. Dabei wird von einem bei der katalytischen Verbrennung freigesetzten heißen Abgasstrom ein Abgasteilstrom abgezweigt und gemeinsam mit dem kalten Brenngas in einen ersten Behälter geleitet. Das Brenngas wird in dem ersten Behälter mit dem zugeleiteten Abgasteilstrom vermischt und dabei erwärmt und das derart vorgewärmte Gemisch aus Abgas und Brenngas aus dem ersten Behälter in einen zweiten Behälter abgeleitet, in welchem es der katalytischen Verbrennung unterzogen wird, mit deren Wärme das ausgespeicherte und zu konditionierende Gas auf die jeweils gewünschte Temperatur erwärmt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Konditionieren von Gas, vorzugsweise Ergas, vor seiner Einspeisung in eine Rohrleitung, insbesondere ein Rohrleitungsnetz zur Versorgung von Verbrauchern, bei dem das unter Druck stehende Gas aus einem Speicher entnommen, entspannt und vor oder nach seiner Entspannung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, indem ein abgezweigter Teilstrom des ausgespeicherten Gases mit Sauerstoff vermischt und das dadurch gebildete Brenngas verbrannt wird und bei dem mit der dabei anfallenden Wärmeenergie das ausgespeicherte Gas erwärmt wird.
Ergas muß bei seiner Ausspeicherung aus Untergrundspeichern zur Kompensation des Joule-Thomson-Effektes vor der Druckreduzierung erwärmt werden. Eine Möglichkeit ist ein Verfahren der vorbezeichneten Gattung, welches in der EP 0 920 578 beschrieben ist. Dabei wird die für die Erwärmung notwendige Wärme durch katalytische „Verbrennung” eines Teils des Ausspeicherstroms in einem Reaktor bereitgestellt. Bei dem bekannten Verfahren werden durch die katalytische Umsetzung von Sauerstoff mit Brenngas, z. B. Erdgas L, im stark unter stöchiometrischen Mischungsbereich am Katalysator direkt im Gasstrom Temperaturen von bis zu 400°C erreicht. Die Wärmenutzung erfolgt durch das Einmischen der heißen Verbrennungsgase als Teilgasstrom in den Hauptgasstrom hinter dem Reaktor. Das aus dem Speicher abgeleitete Ergas hat einen Druck von 70–150 bar bei einer Temperatur von 5–30°C.
Die katalytische „Verbrennung” im Reaktor benötigt eine Aktivierungstemperatur von mindestens 180°C–250°C. Um die Temperatur zu erreichen, wird der abgezweigte Teilstrom des ausgespeicherten Gases mit Sauerstoff vermischt und katalytisch verbrannt wird. Die dabei freigesetzte Wärme kann sodann wiederum genutzt werden, um das ausgespeicherte Gas auf eine Temperatur zu erwärmen, die geeignet ist, den bei der Entspannung und der damit verbundenen Abkühlung auftretenden Joule-Thomson-Effekt zu kompensieren.
Bei dem bekannten Verfahren besteht stets das Risiko, daß der Reaktor, in dem die katalytische Umsetzung des Brenngases unter Freisetzung von Wärme abläuft, durch die niedrigen Temperaturen des ausgespeicherten Erdgases kalt geblasen wird, so daß der Sauerstoff im Brenngas verbleibt, ohne umgesetzt zu werden. Dies kann grundsätzlich dadurch ausgeschlossen werden, daß das Brenngas-Sauerstoffgemisch auf die Katalysatoraktivierungstemperatur von 180–250°C vor der Entspannung erwärmt wird. Ohne diese Vorwärmung gerät der bekannte Prozeß schon nach kurzer Zeit aus dem Gleichgewicht, weil die Aktivierungstemperatur im Reaktor unterschritten wird. Andererseits kann das Zünden bei einem Vorgang der Zudosierung von Sauerstoff in Brenngase, hier Erdgas, niemals ganz ausgeschlossen werden. Dies Risiko wird sogar höher, wenn bei Unterschreitung der Aktivierungstemperatur des Reaktors der Sauerstoff im Brenngas verbleibt, weil er nicht umgesetzt wurde. Die Sauerstoffkonzentration steigt und damit auch das Risiko der Selbstzündung bei den hier auftretenden hohen Drücken. Eine sichere Ausführung des bekannten Verfahrens ist nicht gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das bekannte Verfahren so zu verbessern, daß ein sicherer Betrieb zur Konditionierung möglich ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.
Die konstruktive Umsetzung der erfindungsgemäßen Verfahrenstechnik, unter Nutzung der Abkühlung von Ergas bei der Expansion, bei der Gestaltung der Einlässe der Entspannungsventile zur Kühlung und Mischung der Gasströme vor und hinter dem zweiten Behälter (Reaktor), gekoppelt mit Taupunktmessungen am Eintritt und Austritt des Erdgases in die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Anlage, ermöglichen eine gezielte Fahrweise zur Abscheidung von Wasser aus dem Erdgas und somit der Gaskonditionierung in Bezug auf den Wasserdampftaupunkt bzw. die Trocknung des Erdgases.
Gekoppelt wird dieses Verfahren weiterhin mit speziellen Abscheiderstufen mit Multizyklonen und Filterelementen sowie mit Kondensatausschleusungen zur optimalen und sicheren Fahrweise und Reduzierung und der Kontamination des aus dem Erdgas ausgefällten Kondensats (Wasser) mit höheren Kohlenwasserstoffketten.
Dies stellt einen wesentlichen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber der bekannten Technik zur Gasaufbereitung bzw. Konditionierung dar. Die anfallenden Kondensate werden einfach über einen nachgeschalteten Filter von Kohlenwasserstoffen getrennt und sind einfach und kostengünstig zu entsorgen.
Auch profitiert der Anwender des erfindungsgemäßen Verfahrens von der kompakten Bauweise einer für seine Durchführung vorgesehenen Anlage in Bezug auf Platz und Anlagenkosten, da alle wesentlichen Teile einer Ausspeicheranlage, bestehend aus Abscheider, Vorwärmung, Gasdruckreduzierung und -messung, Gastrocknung und Filterung bereits in die Verfahrenstechnik integriert sind, die sich konstruktiv in einer Vorrichtung vereinigen lassen.
Das Nichtvorhandensein beweglicher Teile, Pumpen und ähnlicher Einrichtungen, reduziert die Betriebs- und Wartungskosten für die Durchführung des Verfahrens. Die Kombination der katalytischen Umsetzung von Sauerstoff und Kohlenwasserstoffen am Katalysator des Reaktorbehälters, mit der Entspannung direkt in den Mischraum und/oder tangential zur Kühlung am Eintritt um den zweiten Behälter, den Reaktor, herum, bewirken die optimale Ausscheidung der Kondensate und das Kondensieren des Wasserdampfes aus der katalytischen Umsetzung heraus, ohne lokale Erzeugung von Abgasen, und zwar mit einem rechnerischen Wirkungsgrad der < 1,1 ist, unter der Nutzung der Kondensation und Abscheidung des Wasserdampfes, sowie der Kondensationswärme.
Das Verfahren nutzt mit Vorteil die hohen Eintrittdrücke des Erdgases und die durch die Expansion auf Versorgungsleitungsdruck verursachten nutzbaren Abkühlungen zur Abtrennung der Kondensate aus dem Erdgas. Unterstützt wird das erfindungsgemäße Verfahren durch die direkte Vorwärmung im ersten Behälter sowie im Bereich der Zuleitungen in den zweiten Behälter, durch welche sich sofortige Auflösung bzw. Unterbindung der Gashydratbildung nutzen läßt. Sollte die Nutzung des Druckgefälles nicht ausreichend sein, um eine vollständige Kondensation zu erreichen, so kann in den Eintritt des Hauptgasstromes in den zweiten Behälter unterstützend ein Absorptionsmittel zur Bindung des Wasserdampfes im Erdgasstrom eingedüst werden. Das Absorptionsmittel, z. B. Triethylenglykol, wird zusammen mit dem Kondensat aus dem Konditionierungsprozeß ausgeschleust und kann, wie das Kondensat, aufgefangen und anschließend aufbereitet werden, womit es erneut nutzbar ist.
Verfahrenstechnisch erfolgt die Regelung des Konditionierungsprozesses taupunktgesteuert über die am Eintritt und Austritt des Erdgases in die am Eintritt und Austritt des Erdgases in einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene Vorrichtung installierten Taupunktmessungen und zwar durch gezielte Variation der Sauerstoffzugabe und Variation der Mengenregelung über die Regelventile des Hauptgasstromes zum tangentialen Einlaß über die Zuleitungen und um den Reaktor bzw. die Zugabe direkt in die Mischzone bzw. den Mischraum zwischen dem zweiten Behälter und einem nachgeschalteten Abscheider. Damit ist das Verfahren besonders sicher, zumal der Sauerstoffzugabe in den Mischbehälter noch eine Sicherheitseinrichtung mit Stickstofflöschung zugeordnet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, aus dem sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, ist in der Zeichnung in Form eines Fließdiagramms schematisch dargestellt.
Das zu konditionierende Erdgas wird, vor seiner Einspeisung in eine Rohrleitung 1 eines nicht weiter dargestellten Rohrleitungsnetzes zur Versorgung von Verbrauchern, einem ebenfalls nicht weiter dargestellten Speicher entnommen und strömt aus dem Speicher über eine Hauptleitung 2 ab. Die Strömungsrichtung ist hier durch Pfeile angedeutet.
Im Abzweigpunkt 3 geht von der Hauptleitung 2 eine Zweigleitung 4 ab, über die ein Teilstrom des ausgespeicherten Erdgases in einen Mischbehälter 5 geleitet wird.
Über die Leitung 6 wird in den Mischbehälter 5 gasförmiger Sauerstoff geleitet, der sich im Mischbehälter 5 mit dem über die Zweigleitung 4 zugeführten Erdgas-Teilstrom vermischt.
In dem Mischbehälter 5 wird somit ein Brenngas gebildet, das über die Brenngasleitung 7 in den ersten Behälter 8 mit geschlossenen Behälterwänden 9 geleitet wird. Der erste Behälter bildet die Vorwärmstation, die als Strahlpumpe ausgebildet ist, welche eine Treiberdüse 10 und eine Fangdüse 11 aufweist. Über die Treiberdüse 10 wird das von der Brenngasleitung 7 unter relativ hohem Druck zugeführte Brenngas in den ersten Behälter 8 eingedüst, wobei der aus der Treiberdüse 10 austretende Freistahl von der Fangdüse 11 aufgefangen wird und sich auf seinem Weg mit im Behälter 8 befindlichem Abgas vermischt und erwärmt, welches über die Saugleitung 12 als Abgasteilstrom aus einem katalytischen Verbrennungsprozeß zugeführt wird.
Das erwärmte Brenngasgemisch strömt über die Mischleitung 13 in eine Reaktorkammer 14 eines zweiten Behälters 15, der als ein den Reaktor 14, eine Mischkammer 17 und einen Abscheider 18 umschließendes Gehäuse ausgebildet ist.
Die in dem ersten Behälter 8 befindliche Strahlpumpe saugt über die Saugleitung 12 heißes Erdgas aus dem Reaktor 14 und vermischt es mit dem kalten Brenngas, welches aus dem Mischbehälter 5 zuströmt.
Das aus der Hauptleitung 2 unter Vorschaltung von Entspannungsventilen über die Zuleitungen 21 und 22 in das Gehäuse des zweiten Behälters 15 eintretende kalte Erdgas umströmt den Reaktorbehälter 14, wobei es um den Reaktorbehälter 14 herum mit Leitelementen 23, die an dessen Umfang wendelförmig angeordnet sind, gelenkt wird.
Der zweite Behälter 14 enthält ein Reaktorbett in Form einer Schüttung aus katalytischem Korn, das mit Palladium und/oder Platin bedampft ist.
Über die Vorwärmleitung 13 tritt vorgewärmtes Brenngas in den zweiten Behälter 14 ein. Die Temperatur wird durch geeignete Steuerungstechnik so eingestellt, daß eine Aktivierungstemperatur des Reaktorbettes im zweiten Behälter 14 von etwa 180°C bis 250°C erreicht wird.
Das Brenngas verbrennt katalytisch und die dabei freigesetzte Wärme wird zum Teil über die Außenmantelfläche an das den zweiten Behälter 14 umströmende, über die Zuleitungen 21 und 22 zugeführte kalte Erdgas übertragen.
Es sind vorrichtungsmäßige Maßnahmen getroffen, damit das über die Außenmantelfläche vorgewärmte Erdgas mit dem über die Zuleitung 22 zugeleiteten kalten Erdgas gemischt wird.
Die katalytisch verbrannten Brenngase treten aus dem zweiten Behälter 14 direkt in die Mischkammer 17 ein, wo sie sich mit dem über die Zuleitung 22 eingeströmten kalten Erdgas vermischen.
Durch diese Abkühlung, einerseits an der Außenmantelfläche des Reaktors 14, andererseits durch den Übertritt der heißen Brenngase in das kalte Erdgas in der Mischkammer 17, entsteht sofort Hydratbildung mit entsprechender Kondensatabscheidung, welche über die Kondensatableitungen 23 und 24 abgeleitet werden.
Der Abscheider 18 wird von aus der Mischkammer 17 abgeleitetem, nunmehr erwärmten Erdgas durchströmt, wobei im Abscheider 18 weiteres Kondensat ausgeschieden und das Erdgas auch gefiltert wird.
Auch der Abscheider 18 verfügt über eine Kondensatableitung 25. Mit 26 ist eine Einrichtung zur Unterstützung der Kondensatabscheidung bezeichnet, mittels der ein Absorptionsmittel, z. B. Triethylenglykol zur Bindung des Wasserdampfes in den Gasstrom der Zuleitungen 21 und 22 eingedüst wird.
Mit 27 ist eine Sicherheitseinrichtung bezeichnet, über die auch die Sauerstoffzufuhr 6 gesteuert und geregelt wird.
Taupunktmeßfühler am Eingang und Ausgang der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind mit 28 und 29 bezeichnet. Die Verknüpfungen mit Druckmeßfühlern und Temperaturmeßfühlern sind hier durch gestrichelte Linien lediglich angedeutet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0920578 [0002]

Claims

Verfahren zum kontinuierlichen Konditionieren von Gas, vorzugsweise Erdgas, vor seiner Einspeisung in eine Rohrleitung, insbesondere ein Rohrleitungsnetz zur Versorgung von Verbrauchern, bei dem das unter Druck stehende Gas aus einem Speicher entnommen, entspannt und vor oder nach seiner Entspannung auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird, indem ein abgezweigter Teilstrom des ausgespeicherten Erdgases mit Sauerstoff vermischt und das dadurch gebildete Brenngas katalytisch verbrannt wird und bei dem mit der dabei anfallenden Wärmeenergie das ausgespeicherte Gas erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von einem bei der katalytischen Verbrennung freigesetzten heißen Abgasstrom ein Abgasteilstrom abgezweigt, und gemeinsam mit dem kalten Brenngas in einen ersten Behälter (8) geleitet wird, daß das Brenngas in dem ersten Behälter (8) mit dem zugeleiteten Abgasteilstrom vermischt und dabei erwärmt wird, und daß das derart vorgewärmte Gemisch aus Abgas und Brenngas aus dem ersten Behälter (8) in einen zweiten Behälter (15) abgeleitet wird, in welchem es der katalytischen Verbrennung unterzogen wird, mit deren Wärme das ausgespeicherte und zu konditionierende Gas auf die jeweils gewünschte Temperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgespeicherte Erdgas unmittelbar vor seiner Einleitung in den zweiten Behälter (15) entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das entspannte Erdgas in Teilströme aufgeteilt wird, von denen mindestens einer um einen Reaktor (14) des zweiten Behälters (15) und mindestens ein weiterer Teilstrom in eine Mischkammer (17) des zweiten Behälters (15) eingeleitet wird, wobei in die Mischkammer (17) gleichzeitig ein aus dem Reaktor (14) abgehender Teilstrom erhitzten Erdgases eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Mischkammer (17) verlassende Gasstrom durch einen Abscheider (18) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Reaktor (14) der Mischkammer (17) sowie in dem Abscheider (18) anfallenden Kondensate in eine Kondensatfalle abgeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung der Kondensatabscheidung ein Absorptionsmittel zur Bindung des Wasserdampfes in den Gasstrom eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Absorptionsmittel Triethylenglykol verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taupunkt des ausgespeicherten Erdgases zumindest vor dem Eintritt in den ersten Behälter (8) und nach dem Austritt aus dem zweiten Behälter (15) gemessen wird, daß, in Abhängigkeit von gemessenen Taupunktwerten, eine Sauerstoffzugabe und eine Mengenregelung des in den zweiten Behälter (15) geleiteten Erdgasstromes variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Variationen von Sauerstoffzugabe und Mengenregelung programmgesteuert durchgeführt werden.