TW201730475A - 深冷液體再氣化時回收冷能之方法與熱交換器 - Google Patents

深冷液體再氣化時回收冷能之方法與熱交換器 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種深冷液體再氣化時之冷能回收，該深冷液體特別係指液化天然氣、液化氮氣及液化氧氣。冷能首先由深冷液體傳遞至一中間媒質，接著由該中間媒質傳遞至一液態冷能載體，該冷能載體溫度低至-60℃亦無相變，且可妥善泵送。熱傳遞係經由中間媒質在自然循環中之蒸發與凝結進行，無需使用泵。中間媒質經由熱交換器之器質及構造特徵之定義可在溫度-20℃至-100℃範圍調整。熱交換器之特色在於相對簡單之構造特徵及簡單之維護性，容許對冷功率之適當較低投資。(圖1)

Description

深冷液體再氣化時回收冷能之方法與熱交換器
本發明係關於一種深冷液體再氣化時之冷能回收，該深冷液體特別是指液化天然氣(LNG，在-162℃及1巴大氣壓力下之液化天然氣)、液化氮氣(LN2)及液化氧氣(LO2)。為此，本發明之特徵為連接一熱交換器以實現本發明之方法。使用熱交換器之構想著眼於100千瓦以下冷功率，其相較於燃料能即使係屬相對較小，但卻仍然具有價值，且熱交換器具有構造簡單易於維護之特徵，值得作對冷功率而言合宜之相對較低投資。
天然氣在大氣壓力下冷卻至-162℃後接著會釋出凝結熱，由氣相變成液相。其容積減縮至1.013巴及15℃時之六百分之一。因而液化天然氣之儲存性極具吸引力，且可長距離輸送。需實現之、增加價值但同時成本高昂之處理鏈包括液化輸送與液化製備、儲存、貨輪遠端輸送、在大槽中重新儲存、及再度輸送至消費者，至在消費者處重新氣化。此鏈之末端經常構成一種所謂之衛星設施，亦即一種雙層壁之、真空隔離之液化天然氣儲器，不帶液化設備。
衛星設施具有一再氣化設備，一般係常壓蒸發器，具有垂直管，管具有縱向肋條，液化天然氣，以下簡稱LNG，在其上蒸發，並被加熱至環境溫度，而所需之熱由環境空氣以自由對流方式供給。所述之先前技術在DE 102011081673「液化天然氣再氣化之方法與設施」中及在其他公開文獻中廣泛說明，例如在以下文獻中：US 6089022「在運輸船舶中再氣化液化天然氣(LNG)」、US 6367265「低溫液體之蒸發器」、US 6367429 「中間流體型蒸發器」，及WO 2004031644「再氣化系統及方法」。
不足處在於，在LNG中之以冷能形式存在之潛在能量在再氣化中未利用。
由此衍生本發明之目的，亦即，在此過程中釋放之，即使相較於燃燒能係屬較小，但亦彌足珍貴之100kW以下之冷能之簡單利用，具體係在對實務需求而言適度低溫程度(tiefen Temperaturniveau)之-60℃以上，例如用於以相變材料(PCM)所為之低溫儲存或冷儲存。
本發明之目的見於所說明之技術與器質特徵，該特徵足以達到前述目的。
在所建議之方法之基礎上，開發一用於-60℃以上溫階之熱交換器，其能勝任深冷液體再氣化時出現之溫差。在本發明中對深冷液體之意涵作較詳細之初始說明。
發明目的之解決方法
本發明之目的之解決方法說明於主請求項1中。
各附屬請求項包含符合本發明目的之各種設計。
本發明建議如下：
在發明方法上，LNG之冷能傳遞至一液態冷能載體，該載體應能適用於低至約-60℃之溫階，且需在無相變情況下具有妥善之可泵送性。可有利使用者例如是熱米諾(Therminol)D12，一種以脂族碳氫化合物(aliphatischer Kohlenwasserstoffe)為基礎之合成液體。
然而能量並不直接傳遞至液態冷能載體，而係首先傳遞至一中間媒質(中間流體)，並由該中間媒質傳遞至液態冷能載體。使用中間媒質之作用在於克服需再氣化之深冷液體與冷能載體間之大溫差，使冷能載 體不致過度冷卻，而自身凝固。中間媒質之溫度以及序列推動之溫差在本發明中藉由熱傳遞之器質構想，特別是經由熱傳遞面，可自由調整。以使用丙烷(Propan)做為中間媒質為佳，這是由於其有利之凝固線，其三相點(Tripelpunkt)數據為-187.7℃及0.0002帕(Pa)，且由於其經由蒸發與凝結所產生之極佳熱傳遞特性。
透過此中間媒質之熱傳遞係在一本發明之冷能功率低於100kW之熱交換器中，在一可選擇之中間溫度，藉由在自然循環中之蒸發與凝結進行，無需使用泵。
此熱交換器以實施成垂直走向之圓柱形為佳，且上下方被凸緣碟底板(Klöpperböden)封閉。
如此實現之容器在上部包含至少一表面熱交換器，用以蒸發深冷液體，例如LNG，而在下部包含至少另一表面熱交換器，用以冷卻冷能載體。
為實現在密封密閉之容器內之熱傳送，此容器以中間媒質填充，中間媒質以丙烷為佳，並被妥善封裝。在底部區域至填充線之丙烷係一沸騰中之液體，並在填充線以上之上部區域之丙烷則為凝結中之飽和蒸汽。
兩表面熱交換器皆實施成螺旋管。有利者是，此螺旋管多重設置，並不需要在數量上對稱。
熱由凝結中之丙烷傳遞至需氣化之深冷液體係經由上部螺旋管進行。該螺旋管由上方自由向下伸入容器內部。同樣地，下方螺旋管由底部自由向上伸入容器內部。
可利用配置給螺旋管之收集管作為在容器內之固定，但亦可採用其他固定方法。
熱由需冷卻之冷能載體至液態中間媒質之傳遞可在下方螺旋管上進行。
選擇不銹鋼做為容器及螺旋管之材料確保足夠之深冷韌性及高抗腐蝕性。使用螺旋管容許在一狹小空間內容納相對較大之熱傳遞面積。
由於漫長流動路徑及在螺旋管內部在一循環道上產生之二次流動，熱由上方螺旋管至需蒸發之深冷液體之傳遞特別有效。此處存在最大之輸送阻力，降低阻力對整體熱通過有特別正面影響。
使用擾流器可進一步降低此輸送阻力。
如前所述，在圓柱形容器底部另外存在由底部自由伸入內部空間之螺旋管，至少存在一螺旋管。此處冷能載體釋放熱能，用以提供中間媒質丙烷蒸發所需，其方式如前所述。這在此處亦產生極良好之熱通過，這是由於此處在冷能載體側存在最大之輸送阻力。
圓柱容器在卸載以丙烷為佳之中間媒質後，在考慮溫度、密度與質量情況下，持續填充，使上方螺旋管在各種後續作業狀態下保持自由，而下方螺旋管被液態中間媒質在沸騰狀態完全沖流。
這使得在本發明中，需要在上方與下方螺旋管間考慮設置適當之距離。
此距離可藉中間媒質之材料特徵之助計算出來。其大約相當於螺旋管之直徑。
中間媒質丙烷之材料特徵如下：在25℃時丙烷之壓力(飽和蒸汽與在沸騰狀態之液體處於相平衡)約為9.6巴。液體密度約為492kg/m3。
在-70℃時，相平衡在約0.27巴出現。此時液相之密度在約 612kg/m3。
藉由螺旋管在容器中保持距離設置，及以其尺寸，亦即熱傳遞面積之構想，固定自然循環中蒸發及凝結之中間媒質之溫度，且達到一內在之妥善性，使得冷能載體質流中斷及LNG質流中斷時，熱交換器關機所產生之熱平衡絕不導致冷能載體之凝固。
1‧‧‧容器
2‧‧‧上方凸緣碟底板
3‧‧‧下方凸緣碟底板
4‧‧‧壓力傳送器(Drucktransmitter)
5‧‧‧絕緣體
6‧‧‧上方螺旋管
7‧‧‧下方螺旋管
8‧‧‧中間媒質，例如丙烷
8.1‧‧‧中間媒質，例如丙烷，氣態，凝結中；丙烷飽和蒸汽
8.2‧‧‧中間媒質，例如丙烷，液態，且沸騰中
9‧‧‧液態中間媒質之填充線；在沸騰狀態之丙烷8
10‧‧‧液化天然氣之進流，至螺旋管6或多個螺旋管6
11‧‧‧再氣化之液化天然氣之出流，由螺旋管6或多個螺旋管6流出
12‧‧‧冷能載體之進流，至螺旋管7或多個螺旋管7
13‧‧‧冷能載體之出流，由螺旋管7或多個螺旋管7流出
14‧‧‧移除或填充中間媒質8，例如丙烷8，之裝置
15‧‧‧分配器
16‧‧‧收集管
圖1 以沿其垂直系統軸線之截面圖顯示本發明之一熱交換器。
圖2 以沿其垂直系統軸線之截面圖顯示本發明之另一熱交換器。
以下實施例係針對儲存在一衛星-槽儲器中之深冷液化天然氣LNG(Liquefied Natural Gas)之再氣化。在LNG儲存壓力1巴時，其溫度約為-162℃，而在LNG儲存壓力5巴時，約為-138℃。
在實施例中，將藉由圖式詳細說明本發明之方法，其係由液化天然氣(LNG)中回收冷能，其與冷能載體溫階在-60℃以上且冷能功率在100kW以下之範圍之熱交換器連結。所用之熱交換器在器質設計上不同。
圖1以沿其垂直系統軸線之截面圖顯示本發明之一熱交換器。
其為一垂直走向之圓柱容器1，以一上方及一下方凸緣碟底板2及3封閉，且被一絕緣體5完全包覆。
在上方凸緣碟底板2區域設置一螺旋管6，而在下方凸緣碟底板3區域設置一螺旋管7，各螺旋管直接或間接各自伸向容器內部。在容器1上之固定各僅單側為之。為在密封封閉之容器1內部作熱輸送，容器以中間 媒質8，亦即丙烷8，填充，該中間媒質被妥善封裝。液態中間媒質8之填充線9在容器1中設定成，上方螺旋管6在各作業狀態被氣態中間媒質8.1包圍，而下方螺旋管7被液態中間媒質8.2沖流。為此在兩螺旋管6與7之間存在一適當之距離，大約相當於螺旋管6及7之直徑，且將適當之中間媒質8質量裝入容器。
容器1及螺旋管6及7以由不銹鋼製造為佳。俾便確保足夠之深冷韌性及較高之抗腐蝕性。
熱由凝結中之丙烷-飽和蒸汽8.1傳遞至需要再氣化之深冷液化天然氣係經由上方之螺旋管6為之。該螺旋管6由上方自由向下伸入容器內部，如前所述。其優點在於，可充分避免在作業時間內巨大之溫度變化所引起之機械應力。
熱由需要冷卻之冷能載體傳遞至液態、沸騰中之丙烷8.2係在下方螺旋管7進行。
由於下方螺旋管7以相同方式及作法與容器之下方區域作機械連接，對此熱傳遞之優點與對上方螺旋管6所述者相同。
作為冷能載體以使用熱米諾(Therminol)D12為佳。
本發明另一熱交換器在圖2中同樣以沿其垂直系統軸線之截面顯示。
其與前述熱交換器之區別在於，螺旋管6及螺旋管7在容器1中皆多重設置，其構造方式與前述相似。在所選之實施例中，各設有七根螺旋管6及7。除構造上之適應外，其餘所有特徵皆保留。
證明有利者係，LNG進流10在設置分配器15情況下被直接形成，而再氣化之LNG之出流11經由收集管16實現於容器1之上部。冷能載體至螺旋管7之進流12同樣在設置分配器15情況下直接實現於容器1之下 部，而出流13則係經由另一收集管16實現於容器1之下部。兩收集管16可亦可設於容器1外。收集管16之用處為可將螺旋管6及7單側固定於容器1上。
上方及/或下方螺旋管6和7係取決於操作條件，可單獨連接或以束方式連接。
在方法上，根據本發明所述之熱交換器容許一種有效之熱輸送，由需要冷卻之冷能載體至在下方螺旋管或多個螺旋管7區域沸騰之中間媒質8.2，及由凝結之、氣態之中間媒質8.1至在上方螺旋管或多個螺旋管6區域需要蒸發之深冷液體。中間媒質之自然循環經由上方螺旋管6之凝結滴落產生。
1‧‧‧容器
2‧‧‧上方凸緣碟底板
3‧‧‧下方凸緣碟底板
6‧‧‧壓力傳送器(Drucktransmitter)
5‧‧‧絕緣體
6‧‧‧上方螺旋管
7‧‧‧下方螺旋管
8‧‧‧中間媒質，例如丙烷
8.1‧‧‧中間媒質，例如丙烷，氣態，凝結中；丙烷飽和蒸汽
8.2‧‧‧中間媒質，例如丙烷，液態，且沸騰中
9‧‧‧液態中間媒質之填充線；在沸騰狀態之丙烷8
10‧‧‧液化天然氣之進流，至螺旋管6或多個螺旋管6
11‧‧‧再氣化之液化天然氣之出流，由螺旋管6或多個螺旋管6流出
12‧‧‧冷能載體之進流，至螺旋管7或多個螺旋管7
13‧‧‧冷能載體之出流，由螺旋管7或多個螺旋管7流出
14‧‧‧移除或填充中間媒質8，例如丙烷8，之裝置

Claims (14)

  1. 一種回收深冷液體，亦即液化天然氣(LNG)、液化氮氣(LN2)，或液化氧氣(LO2)，再氣化時冷能之方法，其特徵為，深冷液體之冷能在一熱交換器中，該熱交換器係用於100kW以下之範圍之冷功率，首先傳遞至一中間媒質(8)，接著由中間媒質傳遞至一液態冷能載體，該液態冷能載體低至-60℃之溫度仍無相變，且可妥善泵送，特徵亦為，熱傳遞另外無需使用泵，而係經由在熱交換器中之自然循環中之蒸發與凝結進行，經由所構想之熱傳遞及驅動其之溫差，可在-20℃至-100℃之範圍自由選擇中間媒質(8)之溫度，亦即為，該熱交換器係一密封封閉之、整體被一絕緣體(5)包覆之垂直走向之容器(1)，該容器具有一上方及一下方凸緣碟底板(2、3)，為，在上方凸緣碟底板(2)區域設置一螺旋管(6)，且在下方凸緣碟底板(3)區域設置至少一螺旋管(7)，螺旋管(6及7)之間保持距離，為，密封封閉之容器(1)以一中間媒質(8)填充至上方及下方之螺紋管(6及7)之間之一填充線(9)，該中間媒質因而被封裝，實現在容器(1)內之熱輸送，下方螺旋管(7)在各操作狀態係被在沸騰狀態(8.2)之液態中間媒質沖流，而上方螺旋管(6)被飽和蒸汽(8.1)包圍，在釋出熱量之操作中凝結在螺旋管(6)上，為，螺旋管(6及/或7)以單一設置或多重設置方式存在，為，藉由深冷液體(LNG)經由單一螺旋管(6)或多重設置之各螺旋管(6)之進流(10)及出流(11)及配屬之收集管(16)實現一種由凝結之中間媒質(8.1)至需再氣化之深冷液體(LNG)之熱輸送，亦為，由需冷卻之冷能載體至該液態中間媒質(8.2)之熱輸送係藉由冷能載體之進流(12)與出流(13)經過單一螺旋管(7)或多重設置之 各螺旋管(7)及所配屬之收集管(16)實現。
  2. 根據請求項1之方法，其特徵為，使用一種液態冷能載體，其凝固溫度低於-60℃。
  3. 根據請求項1之方法，其特徵為，使用丙烷(8)做為中間媒質(8)。
  4. 根據請求項1之方法，其特徵為，在自然循環中蒸發及凝結之中間媒質(8)之溫度基本經由熱傳遞之器質及構造設計，亦即經由螺紋管(6及7)之流動及熱傳遞面積之器質及構造設計，而可決定，由冷能載體質流及液化天然氣質流中斷造成之熱交換器關機及所產生之熱平衡永遠不會導致冷能載體凝固。
  5. 一種熱交換器，用於回收深冷液體，亦即液化天然氣(LNG)、液化氮氣(LN2)，或液化氧氣(LO2)，再氣化時之冷能，其特徵為，該熱交換器係一密封封閉、整體被一絕緣體(5)包覆之容器(1)，其具有在垂直走向之一上方及一下方凸緣碟底板(2；3)，為，在上方凸緣碟底板(2)區設置一螺旋管(6)，且在下方凸緣碟底板(3)區設置至少一螺旋管(7)，兩螺旋管(6及7)之間保持距離，為，該密封封閉之容器(1)以一封裝之中間媒質(8)填充，在上方與下方螺旋管(6及7)之間具有一填充線(9)實現在容器(1)內之熱輸送，下方螺旋管(7)在各操作狀態被沸騰狀態(8.2)之中間媒質沖流，而上方螺旋管(6)被飽和蒸汽(8.1)包圍在釋出熱量之操作中凝結在螺旋管(6)上，且螺旋管(6及/或7)以單一或多重設置方式存在，為，藉由深冷液體(LNG)經由單一螺旋管(6)或多重設置之各螺旋管(6)之進流(10)及出流(11)及配屬之收集管(16)實現一種由凝結之中間媒質(8.1)至需再氣化之深冷液體(LNG)之熱輸送， 且為，由需冷卻之冷能載體至該液態中間媒質(8.2)之熱輸送係藉由冷能載體之進流(12)與出流(13)經過單一螺旋管(7)或多重設置之各螺旋管(7)及所配屬之收集管(16)為之。
  6. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，在螺旋管(6及7)之間實現一可計算之距離，至少相當於螺旋管(6及7)之直徑，該距離確保上方螺旋管(6)在各操作狀態被飽和蒸汽(8.1)包圍，且下方螺旋管(7)被沸騰狀態(8.2)之液態中間媒質完全沖流。
  7. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，螺旋管(6及7)各單側固定在容器(1)上，且各自由伸入容器內部。
  8. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，該容器(1)及螺旋管(6及7)由不銹鋼製成。
  9. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，在螺旋管(6及7)內部各實現一循環流動。
  10. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，使用擾流器。
  11. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，在設置多重螺旋管(6)時，液化天然氣之進流(10)在設置分配器(15)情況下直接實現於容器(1)之上部，而再氣化之液化天然氣之出流(11)則係經由一收集管(16)實現於容器之上部。
  12. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，設置多重螺旋管(7)時，冷能載體之進流(12)在設置分配器(15)情況下直接實現於容器(1)之下部，而冷能載體之出流(13)則係經由一收集管(16)實現於容器(1)之下部。
  13. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為， 設置多重螺旋管(6及7)時，收集管(16)可設於容器(1)內，亦可設於容器(1)外。
  14. 根據請求項5之熱交換器，其特徵為，該收集管(16)可用於單側固定螺旋管(6及7)。
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