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],

q_п = 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 + q_п = 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 Т_о.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.