- •Федеральное агентство по образованию
- •Предисловие
- •1. Ожижение природного газа Введение
- •1.1. Характеристика природных газов, используемых для получения сжиженного природного газа
- •Составы газовых и газоконденсатных месторождений ряда газоносных и нефтегазовых регионов России
- •Состав природных (попутных нефтяных) газов
- •Состав пг некоторых зарубежных месторождений
- •Показатели, которым должны удовлетворять газы, транспортируемые по магистральным газопроводам
- •1.2. Очистка и осушка природных газов
- •Физические свойства основных компонентов природного газа
- •Показатели качества сжиженного природного газа
- •Теплофизические характеристики адсорбентов и параметры их регенерации
- •1.3. Сжижение метана
- •Результаты расчетов теоретического цикла ожижения газа с простым дросселированием
- •Сравнение данных по хT и lT для установок ожижения метана и воздуха, работающих по теоретическому циклу с простым дросселированием и внешним источником охлаждения
- •Результаты расчета детандерного цикла ожижения метана при различных значениях Gд
- •Сводные данные расчета установки ожижения метана
- •Сводные данные расчета установки ожижения метана
- •Сводные данные расчета установки ожижения метана
- •Сравнение значений х для ряда циклов ожижения метана
- •Основные результаты расчетного анализа установок получения спг, работающих по различным циклам ожижения
- •Циклы ожижения метана
- •Значения основных параметров криопродуктов, используемых в трехкаскадной установке ожижения пг
- •Параметры узловых точек для потоков в отдельных циклах каскада
- •Сводные данные по расчету процесса прямоточной конденсации в водяном холодильнике
- •Сводные данные по определению материальных потоков, выходящих из водяного холодильника и теплообменников то1–то3
- •Параметры основных точек потоков, проходящих через аппараты ожижителя
- •Сводные данные по расчету теплообменников то2–то4 ожижителя пг
- •1.4. Ожижители природного газа и крупные заводы по производству сжиженного природного газа
- •Сравнительная характеристика ожижителей пг, работающих по дроссельному циклу с включением холодильной машины или внешнего холодильного контура на сха
- •Сравнительные технико-экономические характеристики установок производства спг на грс и агнкс, приведенные к производительности 600 кг спг/ч
- •Техническая характеристика установок ожижения пг на базе внешних холодильных циклов
- •Техническая характеристика ожижителей пг на базе детандерных циклов
- •Некоторые из ожижителей пг, созданные фирмой «Линде» и введенные в эксплуатацию в сша
- •Список литературы
- •2.Утилизация холода сжиженного природного газа при регазификации Введение
- •2.1. Основные направления утилизации холода сжиженного природного газа
- •2.2. Применение холода сжиженного природного газа для ожижения газообразных криопродуктов
- •2.3. Использование холода сжиженного природного газа для повышения эффективности работы отдельных узлов вру
- •2.4. Воздухоразделительные установки для получения жидких криопродуктов, использующие холод сжиженного природного газа
- •Основные показатели установок с азотным циркуляционным циклом, предназначенных для получения продуктов разделения воздуха в жидком виде
- •Данные, характеризующие эффективность применения процесса низкотемпературного сжатия в вру, использующих холод спг
- •Данные, характеризующие работу вру для одновременного получения жидких и газообразных криопродуктов при различных режимах работы
- •ХарактеристикаВру с использованием холода спг, эксплуатирующихся в Японии
- •2.5. Утилизация холода сжиженного природного газа в установках разделения воздуха, получающих газообразные криопродукты
- •Список литературы
- •Заключение
- •Содержание
- •196006, Санкт-Петербург, ул. Коли Томчака, дом 28
2.Утилизация холода сжиженного природного газа при регазификации Введение
Сжиженный природный газ (СПГ), в котором преобладающим компонентом является метан, в последние десятилетия прочно занял стабильные позиции в мировой торговле энергоносителями.
Как отмечено в работе [1], динамика производства и потребления СПГ свидетельствует о том, что объем мирового экспорта СПГ в 1965 году вырос до 1 млрд м3, в 1990 году – до 72 млрд м3 и в соответствии с прогнозами должен был составить в 2000 году 120–130 млрд м3, а в 2010 году – 184–212 млрд м3.
В России в настоящее время объемы получаемого СПГ пока незначительны. СПГ производится на нескольких мини-заводах, производительность которых составляет от нескольких сотен килограммов СПГ в час до одной тонны. Эти мини-заводы работают на базе АГНКС или ГРС. Однако как отмечено в статье [2] и в других работах, целым рядом проектных и научно-исследовательских организаций разработаны схемы перспективных ожижителей природного газа (ПГ), которые могут иметь производительность от нескольких тонн до нескольких десятков тонн СПГ в час. Есть все основания предполагать, что в ближайшие годы многие из этих проектов будут реализованы, что приведет к существенному увеличению производства СПГ в нашей стране.
Обычно регазификация СПГ осуществляется испарением и подогревом образовавшегося газа воздухом, газом, водой или паром, в зависимости от объема регазифицируемого газа и пути дальнейшего использования ПГ.
Однако в этом случае не используется значительное количество холода, которое заключено в СПГ. Если считать, что СПГ целиком состоит из метана, то теряется количество теплоты, которое может быть отнято от объекта охлаждения за счет скрытой теплоты парообразования, которая при Р = 0,1 МПа составляет 510,5 кДж/кг. Кроме того, может быть полезно использован тот холод, который аккумулирован в парах метана при их подогреве от состояния насыщенного пара до температуры, близкой к температуре окружающей среды. Если принять условие, что пары СН4 при Р = 0,1 МПа будут подогреты до Т = 300 К, то тогда по данным работы [3],
qп = i300 – = 1200,23 – 796,1= 404,13 кДж/кг.
Полное количество теплоты, которое можно отнять при испарении и подогреве до Т = 300 К одного килограмма СН4, составит
q0 = r + qп = 510,5 + 404,13 = 914,63 кДж/кг.
Такое количество холода может быть утилизировано в различных областях промышленности, где производственные процессы построены на использовании техники низких температур.
В некоторых странах работа по утилизации холода регазифицируемого СПГ проводится в достаточно большом объеме. Первенство принадлежит Японии, которая является главным потребителем СПГ, производимого в мире. Там уже сравнительно давно определился ряд областей техники и народного хозяйства, где используется холод, получаемый при регазификации СПГ. Можно надеяться, что в связи с перспективами дальнейшего увеличения производства СПГ он начнет более широко применяться в различных областях промышленности и появятся новые направления, связанные с использованием холода СПГ.
2.1. Основные направления утилизации холода сжиженного природного газа
Возможные направления утилизации холода СПГ рассматриваются в целом ряде работ [3–18], где наряду с предполагаемыми проектами обсуждаются и результаты, полученные при реализации некоторых из них.
Из этих направлений могут быть отмечены такие, как использование холода регазифицируемого СПГ: на установках опреснения морской воды методом вымораживания; на заводах по производству NH3; для замораживания и хранения пищевых продуктов [7, 19, 20]; для замораживания грунта при строительстве и прокладке дорог и туннелей; при переработке утиль-сырья (пластмасс, резиновых покрышек и т. п.), которое при охлаждении становится хрупким и легко размельчается; при производстве СО2 и сухого льда; в энергетических установках для выработки электроэнергии и тепла, а также для охлаждения воды и конденсации пара на тепловых электростанциях; для охлаждения гиперпроводящих и сверхпроводящих линий электропередач (ЛЭП); при разделении водородосодержащих газов этиленовых производств для выделения этилена и очистки водорода; при низкотемпературном разделении воздуха с получением О2, N2 и Ar, а также их ожижении при получении на ВРУ в газообразном виде за счет холода регазифицируемого СПГ. Во всех вышеперечисленных методах утилизация холода СПГ позволяет повысить эффективность основного технологического процесса за счет снижения энергозатрат или повышения энергоотдачи.
В настоящее время успешно эксплуатируется и разрабатывается ряд энергетических установок, в которых выработка электроэнергии производится с помощью замкнутого цикла, использующего холод, получаемый при регазификации СПГ [21, 22, 23]. Одна из первых таких установок была создана фирмами SNAM Progetti (Италия) и Brown Boveri and Gie (Швейцария) [22, 24, 25]. В замкнутом цикле в качестве рабочего тела используется газообразный N2, который охлаждается в испарителе СПГ приблизительно до 140 К, сжимается в низкотемпературном компрессоре и после прохождения через рекуператор и подогреватель расширяется в газовой турбине. При мощности установки 44 МВт расход СПГ, поступающего на регазификацию, составляет 210 т/ч.
Аналогичная схема системы, предназначенной для выработки электроэнергии, приведенная в каталоге [5], показана на рис. 2.1.1.
Разрабатываются и более мощные установки такого типа, позволяющие регазифицировать до 5 млрд м3/год газа, выходящего из испарителя при Т = 283 К и Р = 7 МПа, обеспечивающие получение 150МВт электроэнергии [26].
Очевидно, что наибольшая степень утилизации холода СПГ будет достигаться в тех случаях, когда имеется возможность наиболее эффективно использовать низкотемпературный холод СПГ. Это подтверждается и результатами, полученными в работах [4, 5, 11, 27], где проведена оценка эффективности использования холода СПГ в некоторых технологических процессах. Так, величина работы (кВт·ч/кг), которая может быть дополнительно получена или сэкономлена в различных процессах при утилизации холода 1 кг СПГ, по данным статьи [4] составляет: при низкотемпературном разделении воздуха с получением жидких О2 и N2 – 0,694; при полимеризации изобутилена – 0,171; при регазификации СПГ в энергетической установке и получении работы при температуре СН4 перед турбиной 240 °С, давлении 10 МПа и конечном давлении 0,3 МПа – 0,089; для депарафинизации масел – 0,079; при получении хладоносителя с температурой 258 К – 0,056 и для конденсации пара тепловых электрических станций – 0,004.
Рис. 2.1.1. Принципиальная схема системы для выработки электроэнергии с применением СПГ: I – СПГ; II – ПГ; 1 – испаритель-подогреватель ПГ; 2 – турбодетандер ПГ; 3 – низкотемпе-ратурный азотный турбокомпрессор; 4 – рекуперативный теплообменник; 5 – нагреватель; 6 – азотная турбина; 7 – генератор
Возможность относительно полной утилизации холода СПГ в воздухоразделительных и газоразделительных криогенных установках подтверждается и данными, приведенными в табл. 2.1.1.
Таблица 2.1.1
Температуры конденсации и количества теплоты, отнимаемой при сжижении 1 кмоль некоторых криопродуктов с начального температурного уровня То.с = 300 К
Значение величины при Р = 0,101 МПа |
Криопродукт | |||||
Воздух |
Кислород |
Аргон |
Азот |
Этилен |
Метан | |
Количество теплоты, отнимаемой при охлаждении от То.сдоТк, кДж/кмоль |
6490
|
6215
|
4510
|
6545
|
5110
|
6390
|
Окончание табл. 2.1.1
Значение величины при Р = 0,101 МПа |
Криопродукт | |||||
Воздух |
Кислород |
Аргон |
Азот |
Этилен |
Метан | |
Температура конденсации Тк, К |
78,8–81,8 |
90,19
|
87,29
|
77,36
|
169,37
|
111,67
|
Теплота конденсации, кДж/кмоль |
5942
|
6810
|
6450
|
5560
|
6310
|
8200
|
Суммарное количество теплоты, отнимаемой при сжижении криопродукта, кДж/кмоль |
12432 |
13025 |
10960 |
12105 |
11420 |
14590 |
Из табл. 2.1.1 видно, что при атмосферном давлении температура кипения СН4 достаточно близка к температурам конденсации основных криопродуктов, входящих в состав воздуха. Кроме того, при этом давлении теплота, которую необходимо отвести от 1 кмоль каждого из них при охлаждении, приблизительно равна теплоте, подводимой к 1 кмоль СН4 при испарении и подогреве до температуры окружающей среды.
В связи с тем, что при регазификации большого количества СПГ высвобождается значительное количество холода, целесообразно в районах потребления ПГ создавать комплекс предприятий, использующих большое количество дешевого холода.
Один из таких проектов [13] предусматривает использование холода СПГ в ВРУ для одновременного получения жидких N2 и О2 и газообразного О2 при давлении 4,0 МПа. Предполагается, что такая установка может быть расположена в районе порта, в который СПГ доставляется с помощью танкеров-метановозов. Полученный газообразный О2 по трубопроводу направляется на металлургические предприятия, а жидкий N2 заполняет емкости танкера и используется вместо балластной воды при обратном рейсе танкера. Холод жидкого азота затем используется на береговой установке, предназначенной для ожижения ПГ перед последующей его подачей в танкеры-метановозы. Такая система двойной регазификации СПГ в порту доставки, а азота – в порту отправки позволит существенно уменьшить расходы на охлаждение и транспортирование СПГ.
Заслуживает внимания система комплексного использования холода регазифицируемого СПГ, осуществляемая фирмой Osaka Gas (Япония) [27]. Эта система включает в себя ВРУ с получением жидких О2, N2 и Ar, производство жидкой СО2 и сухого льда, использование СПГ для охлаждения и замораживания продуктов в складских помещениях и холодильниках, установках низкотемпературной обработки различных материалов и опреснителях морской воды. В данный комплекс входит ряд установок, которые работают с использованием жидких криопродуктов. Жидкий N2 применяют при дроблении (размельчении) автомобильных шин, рециркуляции металлических отходов и замораживании пищевых продуктов, а жидкий О2 – при производстве высококонцентрированного озона с последующим применением озона в системе обработки сточных вод.
В связи с тем, что наибольшая эффективность утилизации холода СПГ может быть достигнута в ВРУ при конденсации газообразных продуктов разделения воздуха, ниже рассматриваются возможные направления утилизации холода СПГ в этих установках и системах.