DE102012020304A1 - Verfahren zum Verdampfen von LNG - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, gegen das in einem Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch, beschrieben, bei dem a) das Arbeitsmittelgemisch gegen die zu verdampfende Flüssigkeit kondensiert wird, b) eine Druckerhöhung erfährt, c) gegen wenigstens ein externes Medium angewärmt und d) arbeitsleistend entspannt wird. Erfindungsgemäß – wird ein Arbeitsmittelgemisch verwendet, das während der Verfahrensschritte b), c) und d) permanent einphasig vorliegt, und – aus zwei Komponentengruppen besteht, wobei die erste Komponentengruppe die Stoffe CH4, C2H4 und/oder C2H6 und die zweite Komponentengruppe die Stoffe C3H6, C3H8, i-C4H10, n-C4H10, i-C5H12 und/oder n-C5H12 umfasst und wobei das Gemisch zu wenigstens 50 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 55 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht und – es werden die Betriebspunkte des Verfahrens derart gewählt, dass zwischen Siede- und Betriebslinie sowie zwischen Tau- und Betriebslinie ein Abstand von wenigstens 3 bar und wenigstens 5°C, vorzugsweise ein Abstand von wenigstens 5 bar und wenigstens 10°C vorliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, gegen das in einem Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch, wobei
    • a) das Arbeitsmittelgemisch gegen die zu verdampfende Flüssigkeit kondensiert wird,
    • b) eine Druckerhöhung erfährt,
    • c) gegen wenigstens ein externes Medium angewärmt und
    • d) arbeitsleistend entspannt wird.
  • Die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische bzw. elektrische Energie mittels eines Rankine Kreislaufs ist Stand der Technik und wird bspw. überwiegend in thermischen Kraftwerken aller Art eingesetzt. Sofern allerdings das höchste zur Verfügung stehende Temperaturniveau begrenzt ist, führt die Verwendung von Wasser bzw. Wasserdampf als Arbeitsmittel wegen der niedrigen Dampfdichten zu unwirtschaftlich großen Anlagen. Daher werden in diesen Fällen gerne andere Arbeitsmittel verwendet, die eine für die zur Verfügung stehende Wärmequelle optimale Betriebsdichte ermöglichen.
  • Aus dem US-Patent 6,751,959 ist ein Rankine-Kreislauf bekannt, der nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Prozesses in vereinfachter Form erläutert wird.
  • Das Arbeitsmittel, vorzugsweise Wasser oder Ammoniak, wird mittels der Pumpe P10 auf einen Druck jenseits des kritischen Drucks gebracht und über Leitung 20 dem Wärmetauscher E10 zugeführt. Diesem wird über Leitung A ein externes Medium, bspw. Heißwasser, zugeführt, dessen thermische Energie mittels des Rankine-Kreislaufs in mechanische bzw. elektrische Energie umgewandelt werden soll. Dieses im Wärmetauscher E10 gegen das Arbeitsmittel abgekühlte Medium wird anschließend über Leitung B abgezogen.
  • Der Wärmetauscher E10 sowie die Zusammensetzung des Arbeitsmittels sind derart auszulegen bzw. zu wählen, dass das Arbeitsmittel 20 im Wärmetauscher E10 bis zu einer Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur angewärmt wird. Mittels dieser Verfahrensweise kann die dem Wärmetauscher E10 durch das Medium A zugeführte fühlbare Wärme besonders gut genutzt werden. Wenn die Temperatur des Arbeitsmittels 21 nach dem Wärmetauscher E10 hinreichend weit – typischerweise wenigstens 30 K – über der kritischen Temperatur liegt, kann der Expander X10 in der Gasphase betrieben und somit eine unerwünschte Teilkondensation des Arbeitsmittels im Expander X10 vermieden werden. Der Expander X10 ist mit einem Generator G verbunden.
  • Das Ventil V10 dient dazu, den Druck des Arbeitsmittels im Wärmetauscher E10 oberhalb des kritischen Drucks zu halten. Das entspannte Arbeitsmittel 22 wird im Wärmetauscher E20 nicht nur vollständig kondensiert, sondern darüber hinaus unterkühlt und anschließend dem Sammel- bzw. Pufferbehälter D10 zugeführt. Aus diesem gelangt es über Leitung 23 erneut zur Pumpe P10. Auf eine Wärmezu- oder -abfuhr außerhalb der Wärmetauscher E10 und E20 wird in der im US-Patent 6,751,959 beschriebenen Verfahrensweise verzichtet.
  • Derartige Rankine-Kreisläufe können auch dazu genutzt werden, deutlich kältere Fluide, bspw. Flüssigerdgas (LNG), anzuwärmen bzw. zu verdampfen. Ein derartiger Prozess ist bspw. im US Patent 4,320,303 offenbart.
  • Die bekannten Rankine-Kreisläufe mit organischen Arbeitsmitteln werden dazu verwendet, entweder Niedertemperaturwärme zur Arbeitsleistung gegen Umgebung einzusetzen oder kryogene Flüssigkeiten arbeitsleistend gegen die Umgebung zu verdampfen.
  • Insbesondere bei der Verdampfung von Flüssigerdgas steht häufig Wärme aus der Umgebung nicht im erforderlichen Umfang zur Verfügung. Auch gibt es bspw. ökologische Bedenken gegen die Verwendung von Meerwasser und Umweltauflagen (Schallschutz) gegen den Einsatz von luftbeheizten, Ventilator-unterstützten Wärmetauschern. In solchen Fällen kann bspw. auf Niederdruckdampf zurückgegriffen werden, der bei Industrieanlagen häufig im Überschuss anfällt und dementsprechend kostengünstig verwendet werden kann. Ebenso können geothermische Wärmequellen oder Heißwasser herangezogen werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein arbeitsleistendes Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas anzugeben, das die Verdampfung von LNG optimal unter Einsatz von Niedertemperaturwärme – hierunter sei ein Temperaturbereich zwischen 10 und 250°C, vorzugsweise zwischen 100 und 200°C zu verstehen – ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, gegen das in einem Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – ein Arbeitsmittelgemisch verwendet wird, das während der Verfahrensschritte b), c) und d) permanent einphasig vorliegt, und
    • – aus zwei Komponentengruppen besteht wobei die erste Komponentengruppe die Stoffe CH4, C2H4 und/oder C2H6 und die zweite Komponentengruppe die Stoffe C3H6, C3H8, i-C4H10, n-C4H10, i-C5H12 und/oder n-C5H12 umfasst und wobei das Gemisch zu wenigstens 50 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 55 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht und
    • – die Betriebspunkte des Verfahrens derart gewählt werden, dass zwischen Siede- sowie Taulinie und Betriebslinie ein Abstand von wenigstens 3 bar und wenigstens 5°C, vorzugsweise ein Abstand von wenigstens 5 bar und wenigstens 10°C vorliegt.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Arbeitsmittelgemisch verwendet, das während der Druckerhöhung, während der Anwärmung gegen wenigstens ein externes Medium sowie während der arbeitsleistenden Entspannung im Einphasengebiet betrieben wird. Lediglich dann, wenn das Arbeitsmittelgemisch gegen die zu verdampfende Flüssigkeit kondensiert wird, durchschreitet es das Zweiphasengebiet.
  • Als Arbeitsmittelgemisch wird erfindungsgemäß ein aus zwei Komponentengruppen bestehendes Gemisch verwendet, wobei die erste Komponentengruppe die Stoffe CH4, C2H4 und/oder C2H6 und die zweite Komponentengruppe die Stoffe C3H6, C3H8, i-C4H10, n-C4H10, i-C5H12 und/oder n-C5H12 umfasst und wobei das Arbeitsmittelgemisch zu wenigstens 50 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 55 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht.
  • Dabei werden die Betriebspunkte des Verfahrens derart gewählt, dass zwischen Siede- sowie Taulinie und Betriebslinie ein Abstand von wenigstens 3 bar und wenigstens 5°C, vorzugsweise ein Abstand von wenigstens 5 bar und wenigstens 10°C vorliegt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verdampfen einer Flüssigkeit, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Entspannung des Arbeitsmittelgemisches in N Stufen (X1, X2) erfolgt, wobei N ≥ 2 ist, und wobei das Arbeitsmittelgemisch vor jeder Entspannungsstufe überhitzt wird,
    • – sofern die Entspannung des Arbeitsmittelgemisches mehrstufig erfolgt, im Falle einer parallelen Anordnung von mehreren Expandern pro Entspannungsstufe gilt: Anzahl der Expander der Entspannungsstufe XN ≥ Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X(N-1) ≥ .... ≥ Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X1, wobei die Entspannungsstufe X1 die Hochdruckstufe und die Entspannungsstufe XN die Niederdruckstufe bezeichnet,
    • – das externe Medium eine Temperatur von wenigstens 10°C, vorzugsweise wenigstens 100°C aufweist,
    • – die verdampfte Flüssigkeit gegen das externe Medium überhitzt wird,
    • – die zu verdampfende Flüssigkeit unterhalb ihres kritischen Drucks verdampft wird,
    • – das Arbeitsmittelgemisch bis auf einen Druck oberhalb seines kritischen Drucks gepumpt wird,
    • – das Arbeitsmittelgemisch gegen wenigstens ein externes Medium bis auf eine Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur angewärmt wird,
    • – das Arbeitsmittelgemisch zusätzlich gegen sich selbst angewärmt wird, und/oder
    • – das Arbeitsmittelgemisch zu wenigstens 70 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 75 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, sei nachfolgend anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Das im Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch wird nach seiner Entspannung in den Expandern X1 und X2 über Leitung 10 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen zu verdampfendes Flüssigerdgas 1/1', auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, kondensiert und unterkühlt. Das unterkühlte Arbeitsmittelgemisch 11 wird mittels der Pumpe P2 auf einen Druck oberhalb seines kritischen Drucks gepumpt und über Leitung 12 erneut dem Wärmetauscher E1 zugeführt und gegen sich selbst angewärmt.
  • Anschließend wird das Arbeitsmittelgemisch 13 dem Wärmetauscher E3 zugeführt und in ihm gegen einen ersten Teilstrom eines externen Mediums 3, auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, angewärmt. Hierbei erfolgt im Wärmetauscher E3 eine Anwärmung des Arbeitsmittelgemisches bis zu einer Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur. Das derart angewärmte Arbeitsmittelgemisch 14 wird im Expander X1, der mit einem Generator G verbunden ist, arbeitsleistend entspannt. Anschließend wird das entspannte Arbeitsmittelgemisch 15 in einem weiteren Wärmetauscher E4 gegen einen zweiten Teilstrom 3' des externen Mediums erneut bis zu einer Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur angewärmt. Das derart angewärmte Arbeitsmittelgemisch 16 wird in einem zweiten Expander X2 erneut arbeitsleistend entspannt, bevor es wieder dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird.
  • Das anzuwärmende, verflüssigte Erdgas (LNG) 1 wird mittels der Pumpe P1 auf den gewünschten Verdampfungsdruck gebracht. Anschließend wird das Flüssigerdgas über Leitung 1' dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem vollständig verdampft. Das aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung 2' abgezogene Erdgas kann im Wärmetauscher E2 gegen das externe Medium 5 überhitzt werden, bevor es über Leitung 2' aus dem Prozess abgezogen wird.
  • In vorteilhafter Weise wird das zu verdampfende, verflüssigte Erdgas 1' bei einem beliebigen Druck unterhalb seines kritischen Drucks verdampft, wobei dieser je nach Zusammensetzung des Erdgases bei ca. 50 bar liegt.
  • Durch die Wärmezufuhr von der zu verdampfenden Flüssigkeit an das überkritische Arbeitsmittelgemisch und die Wärmeabfuhr vom unterkritischen Arbeitsmittelgemisch im Wärmetauscher E1 wird ein optimaler Temperaturverlauf zwischen den beiden Arbeitsmittelströmen 10 und 12 und der zu verdampfenden Flüssigkeit im Wärmetauscher E1 erreicht. Dadurch wird das an den Expandern X1 und X2 verfügbare Enthalpiegefälle maximiert und somit der thermische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteigert.
  • Als externes Medium 3 und 3' bzw. Wärmequelle für die Anwärmung des Arbeitsmittelgemisches in den Wärmetauschern E3 und E4 kann beispielsweise Dampf oder jede andere Wärmequelle, wie beispielsweise geothermische Wärmequellen oder Heißwasser aus einem Tauchflammenerhitzer, mit einer Temperatur von wenigstens 10°C, vorzugsweise wenigstens 100°C, herangezogen werden. Das in den Wärmetauschern E3 und E4 abgekühlte externe Medium wird über Leitung 4 und Regelventil V dem bereits erwähnten Wärmetauscher E2 zugeführt und nach erfolgter Abkühlung und ggf. Kondensation im Wärmetauscher E2 über Leitung 5 abgezogen.
  • Es ist denkbar, die Entspannung des Arbeitsmittelgemisches auch in mehr als zwei Stufen – wie anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert – zu realisieren. Im Falle eines großen Arbeitsmittelgemisch-Volumenstromes sind u. U. pro Entspannungsstufe mehrere parallel angeordnete Expander vorzusehen. In vorteilhafter Weise gilt dann, dass die Anzahl der Expander der Entspannungsstufe XN Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X(N-1) ≥ .... ≥ Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X1, wobei die Entspannungsstufe X1 die Hochdruckstufe und die. Entspannungsstufe XN die Niederdruckstufe bezeichnet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6751959 [0003, 0006]
    • US 4320303 [0007]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit, insbesondere von verflüssigtem Erdgas, gegen das in einem Rankine-Kreislauf zirkulierende Arbeitsmittelgemisch, wobei a) das Arbeitsmittelgemisch gegen die zu verdampfende Flüssigkeit kondensiert wird, b) eine Druckerhöhung erfährt, c) gegen wenigstens ein externes Medium angewärmt und d) arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Arbeitsmittelgemisch verwendet wird, das während der Verfahrensschritte b), c) und d) permanent einphasig vorliegt, und – aus zwei Komponentengruppen besteht, wobei die erste Komponentengruppe die Stoffe CH4, C2H4 und/oder C2H6 und die zweite Komponentengruppe die Stoffe C3H6, C3H8, i-C4H10, n-C4H10, i-C5H12 und/oder n-C5H12 umfasst und wobei das Gemisch zu wenigstens 50 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 55 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht und – die Betriebspunkte des Verfahrens derart gewählt werden, dass zwischen Siede- und Betriebslinie sowie zwischen Tau- und Betriebslinie ein Abstand von wenigstens 3 bar und wenigstens 5°C, vorzugsweise ein Abstand von wenigstens 5 bar und wenigstens 10°C vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Arbeitsmittelgemisches in N Stufen (X1, X2) erfolgt, wobei N ≥ 2 ist, und wobei das Arbeitsmittelgemisch vor jeder Entspannungsstufe überhitzt wird (E3, E4).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer parallelen Anordnung von mehreren Expandern pro Entspannungsstufe gilt: Anzahl der Expander der Entspannungsstufe XN ≥ Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X(N-1) ≥ .... ≥ Anzahl der Expander der Entspannungsstufe X1, wobei die Entspannungsstufe X1 die Hochdruckstufe und die Entspannungsstufe XN die Niederdruckstufe bezeichnet.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das externe Medium (3, 3') eine Temperatur von wenigstens 10°C, vorzugsweise wenigstens 100°C aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die verdampfte Flüssigkeit (2) gegen das externe Medium (5) überhitzt wird (E2).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verdampfende Flüssigkeit (1, 1') unterhalb ihres kritischen Drucks verdampft wird (E1).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittelgemisch (11) bis auf einen Druck oberhalb seines kritischen Drucks gepumpt wird (P2).
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittelgemisch (13) gegen wenigstens ein externes Medium (3, 3') bis auf eine Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur angewärmt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittelgemisch (12) zusätzlich gegen sich selbst angewärmt wird (E1).
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittelgemisch (12) zu wenigstens 70 Mol-%, vorzugsweise zu wenigstens 75 Mol-% aus Stoffen der ersten Komponentengruppe besteht.
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