用于经加工的天然气的膨胀中的能量回收的方法和装置 |
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| 申请号 | CN201380048101.X | 申请日 | 2013-09-17 | 公开(公告)号 | CN104641083B | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 巴斯夫欧洲公司; | 发明人 | M·海德; T·布罗斯蒂恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及在将后者输送至乙炔生产装置(H)中以前在经加工的 天然气 (P)的膨胀中的 能量 回收方法，其包括步骤：a)将经加工的天然气(P)以‑10℃至50℃的 温度 和30‑70巴的压 力 从经加工的天然气供应管线输送至第一加热阶段(WT1)并将经加工的天然气(P)在第一加热阶段(WT1)中加热至20‑40℃的温度，b)将在第一加热阶段(WT1)中加热的经加工的天然气(P)输送至第二加热阶段(WT2)中并将经加工的天然气(P)在第二加热阶段(WT2)中加热至70‑140℃的温度，c)将在第二加热阶段(WT2)中加热的经加工的天然气(P)输送至膨胀装置(E)中并使经加工的天然气(P)在膨胀装置(E)中膨胀至2‑8巴的压力，其中膨胀装置(E)为通过使经加工的天然气(P)膨胀而操作并产生能量的 活塞 式膨胀机。本发明还涉及用于天然气(P)膨胀中的产生能量的系统，其特征在于膨胀装置(E)是往复式膨胀机。 | ||||||
| 权利要求 | 1.在将经加工的天然气(P)输送至乙炔生产装置(H)中以前在经加工的天然气(P)的膨胀中的能量回收方法，其包括步骤： |
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| 说明书全文 | 用于经加工的天然气的膨胀中的能量回收的方法和装置[0001] 本发明涉及在将经加工的天然气输送至乙炔生产装置中以前用于经加工的天然气的膨胀中的能量回收的方法和装置。 [0002] 经加工的天然气通常以高达70巴的压力经由供应管线(长距离管线)从输送和加工装置运输至天然气供应商和其它主要用户，例如在化学工业中。经加工的天然气在本发明上下文中应当理解意指可用于化学工业中而不经任何进一步材料加工步骤的天然气。它尤其用作生产乙炔的基础材料，乙炔为化学产品的大规模生产中的重要初始化合物。使得它可用于通过氧化生产乙炔，必须使经加工的天然气膨胀至2-8巴的压力。该膨胀根据现有技术通常借助调节轨进行。 [0003] 对于借助调节轨膨胀的替代方案由原则上由现有技术已知的用于经加压的气体的膨胀装置提供。因此，EP 0 670 957 B1公开了天然气膨胀装置，其具有换热器以将高压下的天然气预热，具有涡轮式发电机以将天然气膨胀至较低压力并由在这种情况下释放的能量产生电流，且具有将其废热供入换热器中的发电站。发电站包含多个基于发动机的热电联产装置，所述热电联产装置每种情况下包含燃气内燃机和发电机。这种情况下，当基于发动机的热电联产装置数字化操作时，基于发动机的热电联产装置的废热回路与外部能量用户或能量发电机热连接以将出现的废热排出而不经外部冷却措施。 [0004] 这类膨胀装置的问题一方面是涡轮式发电机(高速同步发电机类型)的效率是有限的，因此能量回收不是非常有效的，另一方面，需要外部发电站以供应装置的换热器以加热膨胀气体。由于经加压的气体膨胀而回收的大部分能量因此再次被消耗。 [0005] 基于该背景，本发明的目的是更有效地使用在高压经加工的天然气的膨胀期间释放的能量并以持续方式回收能量。 [0006] 在本发明第一方面，该目的通过在将经加工的天然气输送至乙炔生产装置中以前在经加工的天然气的膨胀中的能量回收方法实现，所述方法包括步骤： [0007] a)将经加工的天然气以-10℃至50℃的温度和30-70巴的压力从经加工的天然气供应管线输送至第一加热阶段并将经加工的天然气在第一加热阶段中加热至20-40℃的温度， [0008] b)将在第一加热阶段中加热的经加工的天然气输送至第二加热阶段中并将经加工的天然气在第二加热阶段中加热至70-140℃的温度， [0009] c)将在第二加热阶段中加热的经加工的天然气输送至膨胀装置并使经加工的天然气在膨胀装置中膨胀至2-8巴的压力，其中膨胀装置为通过经加工的天然气的膨胀而操作并产生能量的活塞式膨胀机。 [0010] 在本发明上下文中，活塞式膨胀机应基本地理解为意指其中将经加压的气体引入一个或多个气缸中并在那里膨胀，因此气缸中提供的活塞移动并由于膨胀而执行机械功的装置。在这种情况下，膨胀可在一个阶段中或者在多个阶段中进行。 [0011] 经加工的天然气在活塞式膨胀机中的膨胀首先具有与现有技术中所用涡轮式发电机相比高15-20％的效率的优点。即使考虑涡轮式发电机还要求与现代活塞式膨胀机相比在维护方面的较低费用，本发明方法仍提供与现有技术相比显著的效率提高。 [0012] 在本发明方法中，将经加工的天然气在活塞式膨胀机中膨胀至2-8巴的压力以后输送至乙炔生产装置中。因此，本发明提供可以以对化学工业而言具有能量效率的方式将经加工的天然气膨胀的第一方法。 [0013] 此外，为减少在乙炔生产以前的加热阶段，证明有利的是在将经加工的天然气在步骤e)中输送至乙炔生产装置中以前，进一步在步骤d)中将在活塞式膨胀机中膨胀至2-8巴的压力的经加工的天然气输送至第四加热阶段并将经加工的天然气在第四加热阶段中加热至40-100℃的温度。 [0015] 在方法的一个具体实施方案中，经加工的天然气的膨胀包括步骤： [0016] c1)将在第二加热阶段(WT2)中加热的经加工的天然气(P)在活塞式膨胀机(E)的第一膨胀阶段(E1)中膨胀至15-25巴的压力，其中经加工的天然气(P)在第一膨胀阶段(E1)中膨胀以后具有15-25℃的温度， [0017] c2)将在第一膨胀阶段(E1)中膨胀的经加工的天然气(P)在第三加热阶段(WT3)中加热至70-140℃的温度，和 [0018] c3)将经加热的经加工的天然气(P)在活塞式膨胀机(E)的第二膨胀阶段(E2)中膨胀至2-8巴的压力，其中经加工的天然气(P)在第二膨胀阶段(E2)中膨胀以后具有10-100℃的温度。 [0019] 具有中间加热的经加工的天然气的两阶段或多阶段膨胀用于更有效的方法管理和更有效的能量平衡，因为在第一膨胀阶段以后冷却的经加工的天然气在第二膨胀阶段以后必须仅适度地再加热以具有适于经膨胀的经加工的天然气的输送的温度。此外，由于至约环境温度的温度的两阶段或多阶段膨胀，避免了负面影响，例如装置内部的冷凝。 [0020] 经加工的天然气的加热可在第一、第二、第三和第四加热阶段中的一个或多个中通过板式换热器进行，所述板式换热器的特征是待热交换表面的尤其正性比(positive ratio)。 [0021] 在本发明上下文中，板式换热器为具有专门结构形式的换热器，其由导热板构成使得待加热介质和加热介质每种情况下交替地流入连续空间。板装置外向地且在两种介质之间密封。在这种情况下，各个板可适当地成型以容许最佳的热传递。 [0022] 发电机和/或活塞式膨胀机的废热可至少部分地用于将经加工的天然气在第一加热阶段中加热。乙炔生产装置的废热可至少部分地用于将经加工的天然气在第二和/或第三加热阶段中加热。第二加热阶段和/或第三加热阶段的废热可至少部分地用于将经加工的天然气在第四加热阶段中加热。 [0023] 通过逻辑地使用装置中出现或存在的废热加热经加工的天然气，发电站，例如现有技术所述发电站，变得不必要。利用装置内部的废热的另一优点是与常规装置相比，不必提供其它冷却设备。 [0024] 在本发明第二方面，上述目的通过用于经加工的天然气膨胀中的能量回收的装置实现，所述装置： [0025] -借助一个或多个管线与乙炔生产装置连接，以提供迄今为止现有技术中未知且结合经加工的气体的膨胀和乙炔生产且特征是高能量效率的装置，且包括： [0026] -用于加热经加工的天然气的第一加热阶段，所述加热阶段借助进料管线与经加工的天然气供应管线连接， [0027] -用于加热经加工的天然气的第二加热阶段，所述加热阶段借助管线与第一加热阶段连接，和 [0028] -用于使经加工的天然气膨胀的膨胀设备，所述膨胀设备借助管线与第二加热阶段连接。 [0029] 该装置的特征是膨胀设备为用于产生能量的活塞式膨胀机，其具有与常用涡轮式发电机相比高15-20％的效率。 [0030] 即使现代活塞式膨胀机在维护方面需要比涡轮式发电机更高的费用，该优点依然保持。无论如何，由于这一事实，存在与涡轮式发电机相比显著的效率提高。 [0031] 在装置的开发中，用于加热经膨胀的经加工的天然气的第四加热阶段排列在活塞式膨胀机与乙炔生产装置之间并借助管线与活塞式膨胀机连接并借助管线与乙炔生产装置连接，使得要提供用于预热用于乙炔生产的经加工的天然气的加热阶段可具有更小的以及因此更经济的尺寸或者需要更少的能量。 [0032] 为使在经加工的天然气膨胀中回收的能量可以有效地利用，活塞式膨胀机优选与用于产生电能的发电机连接。该发电机又与公共电网、装置内部的合适储存设备或者工业装置内的用户连接。 [0033] 证明有利的是活塞式膨胀机为至少两阶段设计，其中用于加热部分膨胀的经加工的天然气的第三加热阶段排列在用于使经加工的天然气膨胀的第一膨胀阶段和用于使部分膨胀的经加工的天然气膨胀的第二膨胀阶段之间，使得活塞式膨胀机中的第三加热阶段和在乙炔生产装置上游的第四加热阶段可具有较低的额定值且在装置中不必使用设备作为预防措施以防例如冷凝物形成。 [0034] 优选，第一、第二、第三和第四加热阶段中的一个或多个设计为板式换热器，其比其它换热器类型更有效地操作并可以以更节约空间的方式排列在装置内。 [0035] 在一个具体实施方案中，第一加热阶段借助废热管线与发电机和/或活塞式膨胀机连接。此外，第二加热阶段可借助废热管线与乙炔生产装置连接。此外，优选的是如果第三加热阶段借助废热管线与乙炔生产装置连接。第四加热阶段可借助废热管线与第二加热阶段和第三加热阶段连接。 [0036] 借助热生成和热消耗装置部件相互连接的本发明系统，可省去关于其它冷却和加热组件的需要，其结果尤其是总装置可具有更紧凑的设计且投资成本更低。 [0037] 其它特征、优点和用途可能性可从以下对优选示例实施方案的描述，参考图中获得，然而，所述示例实施方案不限制本发明。在这种情况下，所描述和/或图示阐述的所有特征本身或者以任何所需组合构成本发明的主题，也独立于其在权利要求书中的汇总或其回溯引用。 [0038] 单一图显示经加工的天然气的膨胀中的能量回收的方法图。 [0039] 在本发明方法中，经加工的天然气P的膨胀借助活塞式膨胀机E进行，而不是借助常规调节轨进行，其中压力膨胀在活塞式膨胀机E中用于执行机械功，其又借助发电机G产生电流。 [0040] 根据热力学的第一法则，在膨胀期间以机械功形式提取的能量必须以热的形式恢复以使气体在膨胀以后再次达到其初始温度。 [0041] 如从图1的方法图中可获得的，将经加工的天然气P以高达70巴的压力经由进料管线Z从图中未阐述的供应管线输送至装置中，取决于运输距离，供应压力可降至40巴。取决于压力、供应长度和外部温度，经加工的天然气P具有0-25℃的温度。 [0042] 在第一加热阶段WT1中，将经加工的天然气P加热至20-35℃范围内的温度，然后将它经由管线L1输送至第二加热阶段WT2中并在那里进一步加热至70-85℃范围内的温度。 [0043] 板式换热器优选用作加热阶段WT1、WT2。 [0044] 然后将在加热阶段WT1、WT2中加热并在高达70巴的压力下的经加工的天然气P经由管线L2输送至活塞式膨胀机E中。在所述实施方案中，这是Spilling公司的活塞发动机，其活塞发动机在现有技术中主要称为船用柴油发动机且至今已不用作乙炔生产装置中大规模使用的活塞式膨胀机。 [0045] 借助图中未阐述的脉冲阻抑器，将经加工的天然气P分配到Spilling活塞发动机的第一膨胀阶段E1的6个气缸中，其中气缸借助相关控制闸板用经加工的天然气P填充。在膨胀期间，经加工的天然气P驱动Spilling活塞发动机的双作用活塞。控制闸板和因此气缸的填充程度由第一膨胀阶段E1出口处的压力调节设置。 [0046] 在第一膨胀阶段E1以后，经加工的天然气P借助脉冲阻抑器以约20巴的压力和15-25℃的温度显现并经由管线L3输送至第三加热阶段WT3中，在那里将它加热至70-85℃范围内的温度，然后将它经由管线L4输送至第二膨胀阶段E2中。 [0047] 在第二膨胀阶段E2中，以类似于第一膨胀阶段E1的方式，也将经加工的天然气P借助脉冲阻抑器分配到6个气缸中。此处相关控制闸板也通过第二膨胀阶段E2出口处的压力调节设置。 [0048] 经加工的天然气P借助另一脉冲阻抑器以4-6巴的压力和10-25℃的温度从第二膨胀阶段E2出现并经由管线L5输送至第四加热阶段WT4中，在那里将它加热至40-50℃以减少在乙炔生产H以前的加热阶段(该图中未阐述)。 [0049] 活塞式膨胀机E，在此处也就是说，Spilling活塞发动机优选以最大1000U/min驱动用于电流产生的发电机G。产生的电流可例如用于乙炔装置本身中或者可用于其它装置中。 [0050] 此外，根据本发明的实施方案的特征是下文所述互连热系统。 [0051] 对于将经由进料管线Z从供应管线中提取的经加工的天然气P在第一加热阶段WT1中加热，发电机G的废热经由热回路A1利用，且用于将Spilling活塞发动机E冷却的油冷却系统的废热经由图中未阐述的另一热回路利用。 [0052] 在第二加热阶段WT2中，来自乙炔生产装置H的冷凝物KP用于经由废热管线A2加热经加工的天然气P并根据需要由来自工业装置的内部网络的冷凝物KN补充。冷凝物KP、KN具有95-105℃的温度并在第二加热阶段WT2中冷却。 [0053] 同样，在第三加热阶段WT3中，来自乙炔生产装置H的具有95-105℃的温度的冷凝物KP和任选地，来自工业装置的内部网络的冷凝物KN，经由废热管线A3使用以将从第一膨胀阶段E1中显现的经加工的天然气P加热至70-85℃。 [0054] 上文已描述的在第四加热阶段WT4中将膨胀至4-8巴的经加工的天然气P加热借助废热管线A4、A5用已在加热阶段WT2和WT3中冷却的冷凝物KP、KN进行。在这些加热阶段中，冷凝物KP、KN进一步冷却，随后输送至装置AW中以在乙炔装置H中利用废热。因此冷却的冷凝物用于使存在于装置中的低压蒸汽冷凝，因此可减少冷的完全去离子水H2O的使用。在装置AW中再加热的冷凝物再次经由废热管线A7输送至冷凝过程中。 [0055] 借助本发明实施方案，完全去离子水H2O的节省可合计达370.000吨/年，同时可节约达8800吨/年的蒸汽。另外，在乙炔生产装置H中，由于管线L6中经加工的天然气较高的温度水平，对于所需的将经加工的天然气加热至工艺温度，可节省730 000Nm3/年的加热天然气。 [0056] 参考符号列表 [0057] A1 热回路 [0058] A2、A3、A4、A5、A6、A7 废热管线 [0059] E 膨胀设备(活塞式膨胀机) [0060] E1 第一膨胀阶段 [0061] E2 第二膨胀阶段 [0062] AW 利用废热的装置 [0063] G 发电机 [0064] H 乙炔生产装置 [0065] KN 冷凝物(网络) [0066] KP 冷凝物(过程) [0067] L1、L2、L3、L4、L5、L6 管线 [0068] P 经加工的天然气 [0069] S 电力网 [0070] WT1 第一加热阶段 [0071] WT2 第二加热阶段 [0072] WT3 第三加热阶段 [0073] WT4 第四加热阶段 |
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