DE19923640A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas wird das Erdgas an tiefkalten Gasen kondensiert und dabei gereinigt. Eine Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas weist einen Kühler und einen daran anschließenden Kondensator auf, wobei der Kondensator über eine Leitung mit einer Quelle für tiefkaltes Gas verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas.
Die flüssige Form von Erdgas, im folgenden als flüssiges Erdgas bezeichnet, hat eine relativ hohe Energiedichte: Erdgas hat nur eine Energiedichte von ca. 9 kWh/Nm3, während flüssiges Erdgas eine Energiedichte von ca. 6 kWh/l besitzt. Flüssiges Erdgas ist daher gut zur Speicherung von Energie geeignet. Aus diesem Grund wird Erdgas zum Beispiel in Schiffen in flüssiger Form von den Erzeugerländern zu den Verbraucherländern transportiert und flüssiges Erdgas findet Anwendung als Kraftstoff für Kraft- und Nutzfahrzeuge.
Flüssiges Erdgas wird auch bei Energieversorgungsunternehmen als Winterbevorratung verwendet. Denn das häufig zu Heizzwecken eingesetzte Erdgas hat einen jahreszeitlich stark schwankenden Bedarf. Für die Abdeckung sehr großer Bedarfsspitzen an Erdgas, insbesondere in den Wintermonaten, wird in der Regel ein Wintervorrat in natürlichen Untertagespeichern oder Vorratsbehältern mit flüssigem Erdgas angelegt. Die großen gespeicherten Gasmengen führen zu erheblichen Abdampfverlusten. Diese Verluste werden mit Hilfe der mechanischen Kältekreisläufe wieder ausgeglichen.
Das Erdgas wird in der Regel durch den Einsatz mechanischer Kältekreisläufe verflüssigt. Hierbei werden Gase, teilweise das Erdgas selbst, komprimiert, gekühlt und wieder entspannt. Die dabei freiwerdende Entspannungskälte wird zur Kühlung gebraucht, wobei hohe Drücke bis über 200 bar und niedrige Temperaturen von unter -160°C erforderlich sind.
Es ist ferner bekannt, daß andere verflüssigte Gase, deren Kondensationstemperatur unter der von Erdgas liegt, insbesondere flüssiger Stickstoff, zur Verflüssigung von Erdgas genutzt werden können. Bei den Verfahren zur Sicherstellung einer Erdgasversorgung wird das Erdgas in der Regel mit Hilfe von mechanischen Kältekreisläufen verflüssigt. Denn die Energie des flüssigen Stickstoffs für die Verflüssigung der Jahresmengen ist vergleichsweise teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem eine Verflüssigung von Erdgas, insbesondere für eine Winterbevorratung bei Energieversorgungsunternehmen, mit Hilfe eines tiefkalten Gases mit technisch einfachen und damit kostengünstigen Mitteln möglich ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas gelöst, bei dem das Erdgas an tiefkalten Gasen kondensiert wird und dabei gereinigt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhaft auf eine Reinigung des Erdgases vor der Verflüssigung verzichtet werden. Durch die Kondensation ergibt sich der Vorteil, daß das verflüssigte Erdgas eine höhere Reinheit besitzt als das zu verflüssigende gasförmige Erdgas. Die Reinigung erfolgt dabei durch eine Sublimation der höhersiedenden Bestandteile und eine Nicht-Kondensation der niedrig siedenden Bestandteile.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das tiefkalte Gas flüssiger Stickstoff, Sauerstoff oder Argon ist.
Erfindungsgemäß weist der Kondensator für die Verflüssigung des Erdgases eine Leistung in einem Bereich von 5 bis 50 kW auf.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der allmählich vereisende Kondensator bei Erreichen eines bestimmten Vereisungszustands abgetaut wird.
Nach der Erfindung erfolgt das Abtauen durch Verringerung oder Unterbrechung der Versorgung des Kondensators mit dem tiefkalten Gas, in dem eine Aufwärmung des Kondensators durch das durch den Kondensator strömende warme Erdgas erfolgt, welches warme Erdgas mit den verdampfenden Rückständen aus dem Kondensator abgeführt wird.
Erfindungsgemäß wird der Kondensator zusätzlich oder alternativ zu einer Aufwärmung des Kondensators durch das durch den Kondensator strömende warme Erdgas durch eine externe Energiequelle erwärmt.
Erfindungsgemäß wird das tiefkalte Gas nach der Verdampfung im gasförmigen Zustand einer weiteren Verwendung zugeführt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas gelöst, welche einen Kühler und einen daran anschließenden Kondensator aufweist, wobei der Kondensator über eine Leitung mit einer Quelle für tiefkaltes Gas verbunden ist. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann im Kondensator vorteilhaft eine Reinigung des Erdgases erfolgen.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung vorteilhaft zusätzlich einen an den Kondensator anschließenden Anwärmer auf.
Nach der Erfindung ist die Quelle eine Rohrleitung oder ein Tank für tiefkalten, flüssigen Stickstoff.
Erfindungsgemäß ist der Kondensator über eine Leitung mit dem Kühler verbunden, um dem Kühler aus dem Kondensator austretendes, kaltes Gas zuzuführen.
Es ist vorgesehen, daß die Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Verfahren oder die Vorrichtung wird vorzugsweise verwendet für die Winterbevorratung von flüssigem Erdgas bei Energieversorgungsunternehmen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren werden nun anhand von einer Abbildung (Figur) und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In der Figur ist eine bestimmte Variante der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt.
Das Erdgas wird aus einem Hochdrucknetz, d. h. einer Erdgas-Rohrleitung 1 mit einem Druck vorteilhaft größer ca. 10 bar, über eine Leitung 2, eine Regelarmatur 3 und eine Leitung 4 zunächst einem Kühler 5 zugeführt. In diesem Kühler wird die Temperatur bis fast zum Verflüssigungspunkt des Methans abgesenkt. Anschließend wird das so vorgekühlte Erdgas über eine Leitung 6 in einen Kondensator 7 geleitet. Hier findet die Verflüssigung des Erdgases statt. Über den Austritt des Kondensators 7 werden die Restbestandteile des Erdgases, d. h. im wesentlichen Stickstoff sowie eine kleine Restmenge Methan, über eine Leitung 8 und über einen Anwärmer 9 und eine weitere Regelarmatur 10 in das Erdgasnetzes in die Leitung mit relativ geringem Druck 11 (Niederdruckschiene) zurückgespeist. Das kondensierte Erdgas wird über eine Leitung 12 einem Lagertank 13 zugeführt.
Als Kältequelle für den Erdgaskondensator 7 dient flüssiger Stickstoff. Dieser wird dem Kondensator 7 aus einem Lagertank 14, über eine Leitung 15 und einer Regelarmatur 16 zugeführt und verdampft in dem Kondensator. Der aus dem Kondensator 7 austretende kalte, gasförmige Stickstoff wird über eine Leitung 17 dem Kühler 5 zur Kühlung zugeführt. Am Austritt des Kühlers 5 steht der gasförmige Stickstoff angewärmt zur Verfügung. Er kann beispielsweise für eine weitere Verwendung von hier über eine Leitung 18, einen Anwärmer 19 und über eine Leitung 20 in ein Stickstoff-Netz 21 eingespeist werden. Stickstoff aus dem Lagertank 14 kann über eine Leitung 22, einen Verdampfer 23, eine Leitung 24 und eine Regelarmatur 25 ebenfalls in Leitung 20 eingespeist werden.
Während des Verflüssigungsvorgangs findet ein Ausfrieren des im Erdgas enthaltenen Wassers und Kohlendioxids in den Apparaten statt. Das entstehende Eis kristallisiert im wesentlichen an den kalten Wärmeaustauscherflächen des Kühlers 5. Dies führt zu einem stetigen Anstieg des Druckverlustes des Kühlers 5 und gegebenenfalls auch des Kondensators 7, so daß bei Überschreitung eines bestimmten Grenzwertes ein Abtauen der Anlage erforderlich ist.
Das Abtauen erfolgt durch Schließen des Regelventils für den flüssigen Stickstoff und bei gleichzeitigem Öffnen der Gasregelarmaturen. Dadurch strömt Erdgas aus der Leitung mit dem hohen Druck 1 (Hochdruckschiene) des Erdgasnetzes über die Wärmetauscher 5, 7 zurück zum Niederdruckteil 11 des Erdgasnetzes. Hierbei erwärmen sich die Apparate 5, 7 und das angefrorene Eis sublimiert oder schmilzt. Läßt man das Erdgas bei aufgewärmten Apparaten 5, 7 weiter strömen, so erfolgt eine Trocknung der Wärmetauscher 5, 7. Nach dem Abtau- und Trocknungsprozeß kann der Anlage wieder flüssiger Stickstoff zugeführt werden und der Verflüssigungsvorgang beginnt erneut. Der Abtauprozeß kann alternativ oder zusätzlich durch externe Energiequellen durchgeführt oder beschleunigt werden.
Höhere Kohlenwasserstoffe sind über den Dampfdruck bei den Temperaturen des flüssigen Stickstoffs hinaus in flüssigem Erdgas löslich. Es wird daher angenommen, daß diese mit dem Kondensat im flüssigen Erdgas anfallen. Sollten Spuren ausfrieren, so werden diese mit dem Regenerationsgasstrom ins Erdgasnetz zurückgeführt.
Über eine entsprechende Steuerung wird die Anlage so betrieben, daß die Verflüssigungsleistung direkt über den Stickstoffbedarf des Kunden geregelt wird. Benötigt der Kunde viel Stickstoff, so steht eine entsprechend hohe Kälteleistung zur Verfügung und demzufolge wird auch viel Erdgas verflüssigt. Bei geringerer Stickstoffabnahme reduziert sich die Verflüssigungsleistung entsprechend.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde Erdgas besonders vorteilhaft verflüssigt bei den Unternehmen, insbesondere Energieversorgungsunternehmen, bei welchen relativ große Mengen an flüssigem Stickstoff für andere Verfahren bereitgestellt werden und gleichzeitig der Anschluß an ein Erdgasnetz mit hohem Druck (Hochdruck-Erdgas-Anschluß) möglich ist.
Vorzugsweise ist neben dem Hochdruck-Erdgas-Anschluß ein Anschluß für Erdgas mit einem relativ geringen Druck (Niederdruck-Anschluß) vorhanden, um anfallendes "Abgas" einfach wegzuführen. Das Abgas entsteht, da im Verflüssiger in der Regel keine Totalkondensation stattfindet. Außerdem entsteht Abgas beim Abtauvorgang. Begleitstoffe wie Wasser, CO2 und z. T. auch höhere Kohlenwasserstoffe werden hier sublimiert. Zum zyklischen Abtauen ist "warmes" Erdgas vorgesehen. Das entstehende Abgas hat praktisch Erdgasqualität, da der Aufwärmstrom weitaus größer als der Sublimationsstrom ist. Das Abgas kann daher direkt an ein Niederdruck Erdgasnetz abgegeben werden.
Das bei der Verflüssigung anfallende Kondensat ist LNG (Liquefied Natural Gas). Es wird in einem speziellen Kältetank 13 aufgefangen und bis zur Abholung gelagert. Für diese Lagerung wird der Druck des LNG gegenüber der Rohgasleitung 1 weiter zurückgenommen, vorteilhaft auf ca. 2-3 bar.
Mit dem folgenden Zahlenbeispiel werden das Verfahren und insbesondere dessen Vorteile näher erläutert. Es wird ein Verfahren für die Verflüssigung einer Erdgasmenge von 100 kg/h betrachtet. Das Erdgas hat beispielsweise die folgende Zusammensetzung:
88 Vol% CH4
2 Vol% CH's
9 Vol% N2
0,85 Vol-% CO2
0,15 Vol-% Wasser.
Im Kühler 5 erfolgt eine Abkühlung des Erdgases bei einem Druck von 12 bar von +15°C auf -122°C. Im Kondensator 7 erfolgt die Abkühlung des Gases von -122°C auf ca. -160°C bei gleichzeitiger Verflüssigung des Methans. Beide Apparate 5, 7 haben eine Leistung von etwa 10 kW. Unter diesen Annahmen lassen sich im stationären Betrieb aus 100 kg/h Erdgas ca. 75 kg/h Methan auskondensieren. Hierzu werden etwa 200 kg/h Stickstoff benötigt.
Die Zeit bis zum Einfrieren der Anlage durch das im Erdgas enthaltene Wasser und CO2 ist von vielen Parametern abhängig und daher von Fall zu Fall verschieden. Typisch sind Zykluszeiten von etwa 5 bis 10 Stunden. Für das nach dem Abtauen der Anlage erforderliche, erneute Abkühlen der Apparate 5, 7 werden nochmals ca. 150 kg Stickstoff benötigt.
Der Stickstoffbedarf zur Verflüssigung von Erdgas ist vom Erdgasdruck abhängig. Ferner bestimmen die Anlagenisolation (10 kg/h flüssiger Stickstoff zur Kompensation von Verlusten) und die Häufigkeit des Abtauens von Anfrierungen den Verbrauch an flüssigem Stickstoff. Typisch wird ein Gesamtbedarf von ca. 3 bis 3,5 kg flüssigem Stickstoff pro kg flüssigem Erdgas.
Dieser Bedarf an flüssigem Stickstoff begrenzt die mögliche Verflüssigungsleistung bei Stickstoff-Verbrauchern. Hierzu ein Beispiel: Ein Großkunde verbraucht ca. 1 Mio. m3 Stickstoff p. a..
Bei 16-stündigem Tagesbedarf und 250 Arbeitstagen jährlich (16.250 = 4000 und 1 Mio. m3/4000 = 250 m3/h = 300 kg flüssiger Stickstoff pro Stunde) kann bei einem derartigen Kunden von einer Menge an flüssigem Stickstoff von ca. 100 kg/h ausgegangen werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, bei dem das Erdgas an tiefkalten Gasen kondensiert wird und dabei gereinigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Gas flüssiger Stickstoff, Sauerstoff oder Argon ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator für die Verflüssigung des Erdgases eine Leistung in einem Bereich von 5 bis 50 kW aufweist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der allmählich vereisende Kondensator bei Erreichen eines bestimmten Vereisungszustands abgetaut wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtauen durch Verringerung oder Unterbrechung der Versorgung des Kondensators mit dem tiefkalten Gas erfolgt, in dem eine Aufwärmung des Kondensators durch das durch den Kondensator strömende warme Erdgas erfolgt, welches warme Erdgas mit den verdampfenden Rückständen aus dem Kondensator abgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator zusätzlich oder alternativ zu einer Aufwärmung des Kondensators durch das durch den Kondensator strömende warme Erdgas durch eine externe Energiequelle erwärmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte Gas nach der Verdampfung im gasförmigen Zustand einer weiteren Verwendung zugeführt wird.
8. Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas, welche einen Kühler und einen daran anschließenden Kondensator aufweist, wobei der Kondensator über eine Leitung mit einer Quelle für tiefkaltes Gas verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle eine Rohrleitung oder ein Tank für tiefkalten, flüssigen Stickstoff ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator über eine Leitung mit dem Kühler verbunden ist, um dem Kühler aus dem Kondensator austretendes, kaltes Gas zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
11. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 8 für die Winterbevorratung von flüssigem Erdgas bei Energieversorgungsunternehmen.
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