DE102016212189A1 - Obtaining water from hydrocarbons containing gas and air - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (I) und ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser (W) aus Kohlenwasserstoffe aufweisendem Gas (G), insbesondere Erdgas oder Schwachgas, mit einem Verdichter (1) zum Verdichten von Luft (L), wobei die verdichtete Luft einer Brennkammer (3) zum Verbrennen des Kohlenwasserstoffe aufweisenden Gases zuführbar ist, wobei das Abgas der Verbrennung in einer Turbineneinrichtung (5) expandierbar ist und das Abgas der Turbineneinrichtung einem Phasenabscheider (9) zuführbar ist, der aus dem Abgas der Turbineneinrichtung das Wasser (W) abtrennt.The invention relates to a device (I) and a method for obtaining water (W) from hydrocarbons gas (G), in particular natural gas or lean gas, with a compressor (1) for compressing air (L), wherein the compressed air of a Combustion chamber (3) for burning the gas having hydrocarbons can be fed, wherein the exhaust gas of the combustion in a turbine device (5) is expandable and the exhaust gas of the turbine device is fed to a phase separator (9), which from the exhaust gas of the turbine means the water (W) separates.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Kohlenwasserstoffe aufweisenden Gas, insbesondere Erdgas oder Schwachgas. The invention relates to an apparatus and a method for obtaining water from hydrocarbons gas, in particular natural gas or lean gas.
Die Verfügbarkeit von Wasser schränkt die Möglichkeiten zur Stromerzeugung in manchen Regionen ein. Zudem ist in trockenen Gegenden Wasser an sich bereits ein wichtiges Gut. The availability of water limits the possibilities of generating electricity in some regions. In addition, water is already an important commodity in arid areas.
Wasser wird herkömmlicherweise aus Erdgas in einem Brennwertkessel gewonnen. Hierfür wird Erdgas verbrannt und dann das Abgas gekühlt, um die Kondensation von Wasser hervorzurufen. Gemäß diesem herkömmlichen Verfahren muss Wärme bei relativ niedriger Temperatur abgeführt werden. Hierfür sind niedrige Temperaturen eines Kühlfluids notwendig und eine relativ große Wärmetauscherfläche. Die Abwärme bei diesen niedrigen Temperaturen kann lediglich eingeschränkt genutzt werden, beispielsweise zu einer Gebäudebeheizung. Der Bedarf an Gebäudeheizung und die Verfügbarkeit eines Kühlfluids mit niedriger Temperatur korreliert normalerweise nicht mit dem Bedarf an Wasser in einer Region. Water is conventionally obtained from natural gas in a condensing boiler. For this purpose, natural gas is burned and then cooled the exhaust gas to cause the condensation of water. According to this conventional method, heat must be dissipated at a relatively low temperature. For this purpose, low temperatures of a cooling fluid are necessary and a relatively large heat exchanger surface. The waste heat at these low temperatures can be used only limited, for example, to a building heating. The need for building heating and the availability of a low temperature cooling fluid does not normally correlate with the need for water in a region.
Ein weiteres herkömmliches Verfahren ist der Betrieb einer Kompressionskältemaschine. Hierfür wird elektrischer Strom, der aus Erdgas erzeugt werden kann, eingesetzt, um tiefe Temperaturen zu erzeugen und damit dann Luftfeuchtigkeit kondensieren zu können. Da zunächst Strom bzw. mechanische Energie zum Direktantrieb der Kompressionskältemaschine erzeugt werden muss und dann eine Kompressionskältemaschine angetrieben werden muss, handelt es sich um ein aufwändiges Verfahren. Another conventional method is the operation of a compression refrigeration machine. For this purpose, electric current that can be generated from natural gas, used to generate low temperatures and then to be able to condense humidity. Since first electricity or mechanical energy for direct drive of the compression refrigeration machine must be generated and then a compression refrigeration machine must be driven, it is a complex process.
Allgemein wird herkömmlicherweise Wasser nicht in größerem Maßstab aus Erdgas gewonnen. Es fällt üblicherweise beim Betrieb von Brennwertkesseln an und wird herkömmlicherweise verworfen. Erfindungsgemäß wird für manche Regionen mit einer zukünftig starken Wasserknappheit gerechnet, so dass alternative Möglichkeiten zur Wassergewinnung interessant werden könnten. Generally, conventionally, water is not recovered on a larger scale from natural gas. It usually occurs during the operation of condensing boilers and is conventionally discarded. According to the invention, a future shortage of water is expected for some regions, so that alternative ways of obtaining water could become interesting.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung aus Kohlenwasserstoffen und Luft, Wasser einfach und wirksam zu erzeugen. Die Kohlenwasserstoffe können dabei insbesondere in Erdgas oder allgemein Schwachgas enthalten sein. Besonders vorteilhaft soll zudem Wasser aus Umgebungsluft erzeugbar sein. It is an object of the present invention of hydrocarbons and air to produce water easily and effectively. The hydrocarbons may be contained in particular in natural gas or generally lean gas. In addition, water from ambient air should also be able to be produced with particular advantage.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst. The object is achieved by a device according to the main claim and a method according to the independent claim.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Kohlenwasserstoffe aufweisenden Gas, insbesondere Erdgas oder Schwachgas, vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen Verdichter zum Verdichten von Luft aufweist, wobei die Vorrichtung derart eingerichtet ist, dass die verdichtete Luft einer Brennkammer zum Verbrennen des Kohlenwasserstoff aufweisenden Gases zuführbar ist, wobei das Abgas der Verbrennung in einer Expansionseinrichtung expandierbar ist und das Gas der Expansionseinrichtung einem Phasenabscheider zuführbar ist, der aus dem Abgas der Expansionseinrichtung das Wasser abtrennt. According to a first aspect, there is provided an apparatus for recovering water from hydrocarbons containing gas, in particular natural gas or lean gas, the apparatus having a compressor for compressing air, the apparatus being arranged such that the compressed air of a combustion chamber for burning the Hydrocarbon-containing gas can be fed, wherein the exhaust gas of the combustion is expandable in an expansion device and the gas of the expansion device is fed to a phase separator, which separates the water from the exhaust gas of the expansion device.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Kohlenwasserstoff aufweisendem Gas, insbesondere Erdgas oder Schwachgas, mit den folgenden Schritten vorgeschlagen: mittels eines Verdichters ausgeführtes Verdichten von Luft, wobei die verdichtete Luft einer Brennkammer zum Verbrennen des Kohlenwasserstoffe aufweisenden Gases zugeführt wird, wobei das Abgas der Verbrennung in einer Expansionseinrichtung expandiert und das Abgas der Expansionseinrichtung einen Phasenabscheider zugeführt wird, der aus dem Abgas der Expansionseinrichtung das Wasser abtrennt. According to a second aspect, there is provided a method for recovering water from hydrocarbon-containing gas, in particular natural gas or lean gas, comprising the steps of: compressing air by means of a compressor, the compressed air being fed to a combustor for combusting the hydrocarbon-containing gas, wherein the exhaust gas of the combustion expands in an expansion device and the exhaust gas of the expansion device is supplied to a phase separator, which separates the water from the exhaust gas of the expansion device.
Vorteilhaft ist zur Kondensation des Wassers kein externes kaltes Kühlmedium notwendig. Der Prozess kann daher ebenso bei relativ großen Umgebungstemperaturen durchgeführt werden. Des Weiteren arbeitet das vorgeschlagene System bei relativ geringen Drücken, von insbesondere ≤ 5 bar. Besonders vorteilhaft können Schwachgase, beispielsweise Erdgas mit hohen Anteilen an CO2 bzw. N2 mit niedrigem Brenngasgehalt genutzt werden, da lediglich eine geringe Kompression dieser Gase notwendig ist. Advantageously, no external cold cooling medium is necessary for condensation of the water. The process can therefore also be carried out at relatively high ambient temperatures. Furthermore, the proposed system operates at relatively low pressures, in particular ≤ 5 bar. It is particularly advantageous to use lean gases, for example natural gas with high CO 2 and N 2 contents with low fuel gas content, since only a small compression of these gases is necessary.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Expansionseinrichtung eine erste und eine zweite Turbine aufweisen, zwischen denen eine Wärmeauskopplungseinrichtung zwischen geschaltet ist, durch die das Abgas der Verbrennung führbar ist. Die Vorrichtung ist vorteilhaft derart eingerichtet, dass Abgas der Verbrennung durch die erste Turbine, danach durch die Wärmeauskopplungseinrichtung und danach die zweite Turbine zu führen. Mittels der zweiten Expansion in der zweiten Turbine ist eine starke Abkühlung möglich, so dass Kondensationstemperaturen erzielbar sind, die mit üblichen Kühlfluiden, wie es beispielsweise die Umgebungsluft oder Flusswasser sein können, nicht erreichbar sind. According to an advantageous embodiment, the expansion device may comprise a first and a second turbine, between which a heat extraction device is connected between, through which the exhaust gas of the combustion can be guided. The device is advantageously set up such that the exhaust gas leads the combustion through the first turbine, then through the heat extraction device and then the second turbine. By means of the second expansion in the second turbine, a strong cooling is possible, so that condensation temperatures can be achieved, which can not be achieved with conventional cooling fluids, such as the ambient air or river water, for example.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine mechanische Welle der ersten und/oder zweiten Turbine den Verdichter antreiben. According to a further advantageous embodiment, a mechanical shaft of the first and / or second turbine can drive the compressor.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärmeauskopplungseinrichtung ein Abhitzdampferzeuger sein. According to a further advantageous embodiment, the heat extraction device may be a heat recovery steam generator.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann auf der Abgasseite des Abhitzedampferzeugers Druck größer Atmosphärendruck sein. In der ersten Turbine wird auf einen Druck höher Atmosphärendruck entspannt. According to a further advantageous embodiment may be greater than atmospheric pressure on the exhaust side of the heat recovery steam generator. In the first turbine is relaxed to a pressure higher atmospheric pressure.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Temperatur vor der Wärmeauskopplungseinrichtung im Bereich von ca. 400 bis 800 °C und/oder nach der Wärmeauskopplungseinrichtung im Bereich von ca. 80 bis 150 °C, insbesondere größer 100 °C, sein. According to a further advantageous embodiment, the temperature before the heat extraction device in the range of about 400 to 800 ° C and / or after the heat extraction device in the range of about 80 to 150 ° C, in particular greater than 100 ° C, be.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Zieltemperatur des Abgases nach der Turbineneinrichtung unterhalb der Umgebungstemperatur, insbesondere im Bereich von 0 bis 15 °C, sein. Entsprechend kann besonders vorteilhaft neben der Verbrennungsfeuchte ebenso die Umgebungsfeuchte, die sich in der aufgenommenen Umgebungsluft befindet, genutzt werden. According to a further advantageous embodiment, the target temperature of the exhaust gas downstream of the turbine device may be below the ambient temperature, in particular in the range from 0 to 15 ° C. Accordingly, the ambient humidity, which is located in the recorded ambient air, can be used particularly advantageously in addition to the combustion moisture.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Abgas nach der Turbineneinrichtung einer Klimatisierungseinrichtung zugeführt werden. Besonders vorteilhaft kann neben der Wärmeauskopplung mittels der Wärmeauskopplungseinrichtung ebenso damit die im trockenen Abgas beispielsweise zur Klimatisierung genutzt werden. According to a further advantageous embodiment, the exhaust gas can be fed to the turbine device of an air conditioning device. In addition to the heat extraction by means of the heat extraction device, it is also particularly advantageous to use it in the dry exhaust gas, for example for air conditioning.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Wärme der Wärmeauskopplungseinrichtung einer Stromerzeugungseinrichtung zugeführt werden. Das heißt, besonders vorteilhaft kann neben Wasser ebenso Hochtemperatur-Wärme und daraus beispielsweise Strom erzeugt werden. According to a further advantageous embodiment, the heat of the heat extraction device can be supplied to a power generating device. That is, particularly advantageous in addition to water as high-temperature heat and, for example, electricity generated from it.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Stromerzeugungseinrichtung einen Wasserdampfkreislauf oder einen Rankine-Kreislauf mit organischem Arbeitsmittel (Organic Rankine Cycle) oder CO2 als Arbeitsmittel nutzen. According to a further advantageous embodiment, the power generating device can use a steam cycle or a Rankine cycle with organic working medium (Organic Rankine Cycle) or CO2 as working fluid.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann nach der Wärmeauskopplungseinrichtung und vor der zweiten Turbine eine Abkühlungseinrichtung zur Abkühlung des Abgases der Verbrennung, insbesondere mittels Abgabe von Wärme an die Umgebung, angeordnet sein. According to a further advantageous embodiment, a cooling device for cooling the exhaust gas of the combustion, in particular by means of release of heat to the environment, can be arranged after the heat extraction device and before the second turbine.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Die Wärmeauskopplung zwischen der ersten Turbine
Claims (22)
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