Повышение эффективности системы производства спг путем предварительного охлаждения поступающего потока природного газа
Система производства сжиженного природного газа содержит теплообменник, выполненный с возможностью осуществления теплообмена между потоком хладагента и потоком природного газа, для испарения потока хладагента конденсации потока природного газа; компрессор природного газа, охладитель природного газа для охлаждения потока сжатого природного газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды, и расширитель природного газа для расширения природного газа после охлаждения. Расширитель природного газа соединен, по меньшей мере, с одним теплообменником для подачи природного газа в расширитель. Теплообменник содержит первый теплообменник и дополнительно содержит второй теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения потока природного газа до сжатия потока природного газа в компрессоре природного газа или потока сжатого природного газа до охлаждения потока сжатого природного газа в охладителе природного газа. Техническим результатом является повышение эффективности очистки хладагента. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет Заявки на патент США номер 62/192657, поданной 15 июля 2015 г. и озаглавленной «ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА СПГ ПУТЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОСТУПАЮЩЕГО ПОТОКА ПРИРОДНОГО ГАЗА», во всей ее полноте включенной в настоящий документ путем ссылки.
[0002] Данная заявка является родственной по отношению к Предварительной заявке на патент США номер 62/192654, озаглавленной «Система и способ производства сжиженного природного газа с удалением парникового газа», тех же авторов, и того же заявителя, поданной в тот же день с настоящей заявкой, раскрытие которой внесено в настоящий документ во всей полноте путем ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0003] Настоящее изобретение относится к сжижению природного газа с получением сжиженного природного газа (СПГ), более конкретно, к производству СПГ в удаленных или требующих особого обращения районах, где создание и/или обслуживание капитальных объектов и/или экологическое воздействие обычного завода СПГ может причинять ущерб.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0004] Производство СПГ является быстро развивающимся способом доставки природного газа из районов, богатых природным газом, в отдаленные районы, испытывающие острую потребность в природном газе. Обычный цикл СПГ включает: а) начальную обработку исходного природного газа с целью удаления загрязняющих примесей, таких как вода, соединения серы и диоксид углерода; b) отделение некоторых более тяжелых газообразных углеводородов, таких как пропан, бутан, пентан и т.д. множеством возможных способов, включающих самоохлаждение, внешнее охлаждение, использование отбензиненной нефти и т.д.; с) охлаждение природного газа, по существу, посредством внешнего охлаждения с целью получения СПГ с давлением около атмосферного и температурой около -160°С; d) транспортировка продукта - СПГ - судами или танкерами, предназначенными для этой цели, в место сбыта; е) восстановление давления и регазификация СПГ с получением природного газа под давлением, который может быть подан потребителям природного газа. На стадии (с) традиционного цикла СПГ обычно необходимо использовать крупногабаритные холодильные компрессоры, часто приводимые в действие крупногабаритными газотурбинными приводами, работа которых сопряжена с существенными выбросами углерода и другими выбросами. В рамках завода СПГ требуются крупные капиталовложения, измеряемые миллиардами долларов США, и обширная инфраструктура. Стадия (е) традиционного цикла СПГ обычно включает восстановление давления СПГ до требуемого с использованием криогенных насосов и последующую регазификацию СПГ с получением природного газа под давлением путем теплообмена через промежуточную среду, но, в конечном итоге, с морской водой или путем сжигания части природного газа для нагревания и испарения СПГ. Вообще, доступная эксергия криогенного СПГ не используется.
[0005] Для сжижения природного газа может быть использован холодный хладагент, производимый в другом месте, такой как сжиженный азот (жидкий азот - ЖА). Процесс, известный как концепция СПГ-ЖА, представляет собой отличный от обычного цикл СПГ, в котором, по меньшей мере, стадия (с), описанная выше, заменена процессом сжижения природного газа, в котором жидкий азот (ЖА) используется, по существу, в качестве источника холодоснабжения незамкнутого цикла, и в котором стадия (е), описанная выше, модифицирована для того, чтобы предусмотреть использование эксергии криогенного СПГ для облегчения сжижения газообразного азота с целью получения ЖА, который затем может быть перевезен в местонахождение ресурсов и использован в качестве источника холодоснабжения для производства СПГ. В патенте США №3400547 описана морская перевозка жидкого азота и жидкого воздуха из места сбыта туда, где они могут быть использованы для сжижения природного газа. В патенте США №3878689 описан способ использования ЖА в качестве источника холодоснабжения для производства СПГ. В патенте США № 5139547 описано использование СПГ в качестве источника холодоснабжения для производства ЖА.
[0006] Концепция СПГ-ЖА дополнительно включает перевозку СПГ судами или танкерами из местонахождения ресурса к месту сбыта и обратную перевозку ЖА из места сбыта в местонахождение ресурса. Ожидается, что использование того же судна или танкера и, возможно, использование общих береговых хранилищ сведет к минимуму затраты и необходимый объем инфраструктуры. В результате, можно ожидать некоторого загрязнения СПГ жидким азотом и некоторое загрязнение жидкого азота СПГ. Загрязнение СПГ жидким азотом, вероятно, не представляет значительных беспокойств, поскольку требования (например, как распространяемые Федеральной комиссией по регулированию в области энергетики США) по трубопроводной транспортировке природного газа и передаче сходными распределительными устройствами допускают присутствие некоторого количества инертного газа. Однако, поскольку ЖА в местонахождении ресурса, в конце концов, будет выпущен в атмосферу, загрязнение жидкого азота СПГ (парниковым газом с вредным воздействием, в 20 раз более сильным, чем у диоксида углерода) необходимо уменьшить до уровней, приемлемых для такого выброса. Способы удаления остаточных количеств из резервуаров хорошо известны, но они могут оказаться неприемлемыми с экономической или экологической точки зрения для достижения такого низкого уровня загрязнения, который позволяет исключить обработку ЖА или испарившегося азота в местонахождении ресурса районе перед выпуском газообразного азота (ГА) в атмосферу.
[0007] В Публикации заявки на патент США № 2010/0251763 описан вариант процесса сжижения природного газа с использованием и ЖА, и сжиженного диоксида углерода (СО2) в качестве хладагентов. Хотя СО2 сам по себе является парниковым газом, менее вероятно, что для сжиженного СО2 будут использоваться те же хранилища и транспортные средства, что и для СПГ или других парниковых газов, поэтому загрязнение маловероятно. Однако, ЖА может быть сходным образом загрязнен, как описано выше, и должен подвергаться очистке перед выбросом образующихся потоков ГА. Кроме этого, система сжижения природного газа может быть дополнена предварительным охлаждением природного газа пропаном, смешанным компонентом или другим замкнутым холодильным циклом помимо прямоточного охлаждения испаряющимся ЖА. В этих случаях также может понадобиться очистка газообразного азота перед выпуском ГА в атмосферу. Таким образом, необходим способ использования ЖА в качестве хладагента для производства СПГ, позволяющий, если ЖА и СПГ хранятся в одних и тех же резервуарах для хранения, эффективным образом удалять парниковый газ, присутствующий в ЖА.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0008] Изобретением обеспечивается система производства сжиженного природного газа. Поток природного газа подают из источника природного газа, поток хладагента подают из источника хладагента. По меньшей мере, в одном теплообменнике происходит теплообмен между потоком хладагента и потоком природного газа, в ходе которого поток хладагента, по меньшей мере частично, испаряется, и поток природного газа, по меньшей мере частично, конденсируется. В компрессоре природного газа происходит сжатие потока природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс. с образованием потока сжатого природного газа. В охладителе природного газа происходит охлаждение потока сжатого природного газа после сжатия в компрессоре природного газа. В расширителе природного газа происходит расширение сжатого природного газа до давления менее 200 бар абс., но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается в компрессоре природного газа, после охлаждения в охладителе природного газа. Расширитель природного газа соединен, по меньшей мере, с одним теплообменником для подачи в него природного газа.
[0009] Изобретением также обеспечивается способ производства сжиженного природного газа (СПГ). Поток природного газа подают из источника природного газа. Поток хладагента подают из источника хладагента. Поток природного газа и поток сжиженного азота пропускают через первый теплообменник, в котором происходит теплообмен между потоком хладагента и потоком природного газа, в ходе которого поток хладагента, по меньшей мере частично, испаряется, и поток природного газа, по меньшей мере частично, конденсируется. Поток природного газа сжимают в компрессоре природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс. с образованием потока сжатого природного газа. Поток сжатого природного газа охлаждают в охладителе природного газа после сжатия в компрессоре природного газа. После охлаждения в охладителе природного газа поток сжатого природного газа расширяют в расширителе природного газа до давления менее 200 бар абс., но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается в компрессоре природного газа. Природный газ подают из охладителя природного газа, по меньшей мере, в один теплообменник для, по меньшей мере частичной, конденсации в нем.
[0010] Кроме этого, изобретением обеспечивается способ удаления загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, в потоке жидкого азота, использованного для сжижения потока природного газа. Поток природного газа сжимают в компрессоре природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс. с получением потока сжатого природного газа. Поток сжатого природного газа охлаждают в охладителе природного газа после сжатия в компрессоре природного газа. После охлаждения в охладителе природного газа, поток сжатого природного газа расширяют в расширителе природного газа до давления менее 200 бар абс., но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается в компрессоре природного газа. Поток природного газа и поток сжиженного азота пропускают через первый теплообменник, в котором происходит теплообмен между потоком сжиженного азота и потоком природного газа, в ходе которого поток сжиженного азота, по меньшей мере частично, испаряется, и поток природного газа, по меньшей мере частично, конденсируется. Поток сжиженного азота циркулирует через первый теплообменник, по меньшей мере, три раза. Давление, по меньшей мере частично, испарившегося потока азота уменьшают при помощи, по меньшей мере, одного расширительного средства. Предусматривается наличие блока удаления парникового газа, который включает ректификационную колонну и систему теплового насоса с конденсатором и ребойлером. Давление и температуру конденсации головного потока ректификационной колонны увеличивают. Головной поток ректификационной колонны направляют на перекрестный теплообмен с кубовым потоком ректификационной колонны с целью воздействия и на нагрузку головного конденсатора, и на нагрузку кубового ребойлера ректификационной колонны. Давление головного потока ректификационной колоны после стадии перекрестного теплообмена снижают с получением головного потока ректификационной колонны со сниженным давлением. Головной поток ректификационной колонны со сниженным давлением разделяют с получением головного потока первого сепаратора. Головной поток первого сепаратора представляет собой газообразный азот, который выходит из блока удаления парникового газа после удаления из него парниковых газов. Головной поток первого сепаратора выпускают в атмосферу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0012] Фиг. 2 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0013] Фиг. 3 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0014] Фиг. 4 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0015] Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0016] Фиг. 6 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0017] Фиг. 7 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0018] Фиг. 8 представляет собой принципиальную схему системы сжижения природного газа с получением СПГ с использованием жидкого азота в качестве единственного хладагента;
[0019] Фиг. 9 представляет собой принципиальную схему дополнительной системы охлаждения;
[0020] Фиг. 10 представляет собой технологическую схему способа сжижения природного газа с получением СПГ; и
[0021] Фиг. 11 представляет собой технологическую схему способа удаления загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, в потоке жидкого азота, использованного для сжижения потока природного газа.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0022] Далее описаны различные конкретные варианты осуществления и исполнения настоящего изобретения, включая предпочтительные варианты осуществления и определения, принятые в настоящем документе. Хотя в нижеследующем подробном описании представлены конкретные предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области понятно, что эти варианты осуществления являются лишь примерами, и настоящее изобретение может быть реализовано на практике другими путями. Любая ссылка на «изобретение» может относиться к одному или нескольким, но необязательно ко всем вариантам осуществления изобретения, определенным в формуле изобретения. Заголовки используются для удобства и не ограничивают объем настоящего изобретения. Для ясности и краткости одинаковыми номерами позиций на нескольких чертежах обозначены подобные позиции, стадии или структуры, которые могут не описываться подробно для каждого чертежа.
[0023] Все числовые величины в подробном описании и формуле изобретения модифицированы термином «приблизительно» или «около» указанной величины и учитывают экспериментальную ошибку и вариации, ожидаемые специалистами в данной области.
[0024] В настоящем контексте термин «компрессор» означает механизм, увеличивающий давление газа путем совершения работы. «Компрессор» или «холодильный компрессор» включает любой блок, устройство или аппарат, способные увеличивать давление потока газа. К ним относятся как компрессоры с одной стадией сжатия или ступенью сжатия, так и многостадийные или многоступенчатые компрессоры или, более конкретно, многоступенчатые компрессоры с корпусом или оболочкой. Испаренные потоки, подлежащие сжатию, могут быть поданы в компрессор при различных давлениях. Некоторые стадии или ступени процесса охлаждения могут включать два или более компрессоров, установленных параллельно, последовательно или в сочетании этих вариантов. Настоящее изобретение не ограничивается типом или размещением или расположением компрессора или компрессоров, в частности, в любом контуре хладагента
[0025] В настоящем контексте «охлаждение» в широком смысле означает снижение и/или падение температуры и/или внутренней энергии вещества на любую, заданную или требуемую величину. Охлаждение может включать падение температуры, по меньшей мере, примерно на 1°С, по меньшей мере, примерно на 5°С, по меньшей мере, примерно на 10°С, по меньшей мере, примерно на 15°С, по меньшей мере, примерно на 25°С, по меньшей мере, примерно на 35°С, по меньшей мере, примерно на 50°С или, по меньшей мере, примерно на 75°С или, по меньшей мере, примерно на 85°С или, по меньшей мере, примерно на 95°С или, по меньшей мере, примерно на 100°С. При охлаждении может использоваться любой надлежащий теплопоглотитель, такой как образование пара, водяной подогрев, охлаждающая вода, воздух, хладагент, другие технологические потоки (интеграция) и их сочетание. Один или несколько источников охлаждения могут быть объединены и/или соединены последовательно с целью достижения заданной температуры на выходе. На стадии охлаждения может использоваться холодильный блок с любым подходящим устройством и/или оборудованием. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения, охлаждение может включать косвенный теплообмен, например, с использованием одного или нескольких теплообменников. В качестве альтернативы, охлаждение может быть осуществлено как испарительное охлаждение (теплота парообразования) и/или прямой теплообмен, например, путем распыления жидкости непосредственно в технологический поток.
[0026] В настоящем контексте термин «расширительное устройство» относится к одному или нескольким устройствам, пригодным для уменьшения давления текучей среды в линии (например, жидкого потока, потока пара или многофазного потока, содержащего и жидкость, и пар). Если конкретный тип расширительного устройства не указан специально, расширительное устройство может представлять собой (1) по меньшей мере частично, изоэнтальпийное устройство или (2) по меньшей мере частично, изоэнтропийное устройство или (3) сочетание изоэнтальпийного устройства и изоэнтропийного устройства. Пригодные устройства для изоэнтальпийного расширения природного газа известны в данной области и, обычно, включают, однако, этим не ограничиваются, приводимые в действия вручную или автоматически дроссельные устройства, такие как, например, клапаны, регулировочные клапаны, клапаны Джоуля-Томсона (J-T) или устройства Вентури. Устройства, пригодные для изоэнтропийного расширения природного газа, известны в данной области и, обычно, включают такое оборудование, как расширители или турбо-расширители, которые от такого расширения работу. Устройства, пригодные для изоэнтропийного расширения жидких потоков, известны в данной области и, обычно, включают такое оборудование, как расширители, гидравлические расширители, гидравлические турбины или турбо-расширители, которые от такого расширения извлекают или производят работу. Примером сочетания изоэнтропийного устройства и изоэнтальпийного устройства могут служить установленные параллельно клапан Джоуля-Томсона и турбо-расширитель, что обеспечивает возможность использования либо любого из них, либо и клапана Джоуля-Томсона, и турбо-расширителя одновременно. Изоэнтальпийное или изоэнтропийное расширение может быть осуществлено в чисто жидкой фазе, чисто паровой фазе или смешанной фазе и может проводиться для облегчения фазового перехода из парообразного потока или жидкого потока в многофазный поток (поток, включающий и паровую, и жидкую фазы) или в однофазный поток, отличный от исходной фазы. В приводимом далее описании чертежей ссылка на более, чем одно, расширительное устройство на любом из чертежей не обязательно означает, что каждое расширительное устройство относится к одному и тому же типу или имеет тот же размер.
[0027] Термины «газ» и «пар» являются взаимозаменяемыми и означают вещество или смесь веществ в газообразном состоянии, как отличные от жидкого или твердого состояния. Точно так же, термин «жидкость» означает вещество или смесь веществ в жидком состоянии, в отличие от газообразного или твердого состояния.
[0028] Термин «теплообменник» в широком смысле означает любое устройство, пригодное для передачи тепловой энергии или холода от одной среды к другой среде, например, между, по меньшей мере, двумя различными текучими средами. Теплообменники включают «теплообменники прямого теплообмена» и «теплообменники косвенного теплообмена». Теплообменник может иметь любую надлежащую конструкцию, например, прямоточный или противоточный теплообменник, теплообменник косвенного теплообмена (например, теплообменник со спиральной обмоткой или ребристый пластинчатый теплообменник, такой как алюминиевый паяный пластинчато-ребристый теплообменник), прямой контактный теплообменник, кожухотрубный теплообменник, спиральный, U-образный, сотовый, котельно-сотовый, пластинчатый с вытравленными каналами, типа «труба в трубе» или относящийся к любому другому известному типу теплообменников. Термин «теплообменник» также может относиться к любой колонне, башне, блоку или другому варианту расположения, предусматривающему прохождение через него одного или нескольких потоков и обеспечивающему прямой или косвенный теплообмен между одной или несколькими линиями хладагента и одним или несколькими исходными потоками.
[0029] В настоящем контексте термин «косвенный теплообмен» означает приведение двух текучих сред в теплообменный контакт без какого-либо физического контакта между ними или смешивания текучих сред друг с другом. Примерами оборудования, предназначенного для косвенного теплообмена, являются котельно-сотовые теплообменники и алюминиевый паяный пластинчатый теплообменник.
[0030] В настоящем контексте термин «природный газ» означает многокомпонентный газ, полученный из нефтяной скважины (попутный газ) или из подземного газоносного пласта (свободный газ). Состав и давление природного газа может существенно варьироваться. Типичный поток природного газа в качестве основного компонента содержит метан (С1). Поток природного газа также может содержать этан (С2), углеводороды с большим молекулярным весом и один или несколько кислых газов. Природный газ также может содержать незначительные количества загрязняющих примесей, таких как вода, азот, сульфид железа, воск и сырая нефть.
[0031] Определенные варианты осуществления и особенности изобретения описаны с использованием набора числовых верхних пределов и набора числовых нижних пределов. Следует понимать, что, если не указано иное, предполагается указание диапазонов от какого-либо нижнего предела до какого-либо верхнего предела. Все числовые величины находятся «приблизительно» или «около» указанной величины и учитывают экспериментальную ошибку и вариации, ожидаемые специалистами в данной области.
[0032] Все патенты, методики испытаний и другие документы, цитируемые в данной заявке, во всей полноте включаются в нее путем ссылки при условии, что такое раскрытие данных не противоречит данной заявке и всем компетенциям, допускающим такое включение.
[0033] Описаны системы и способы, относящиеся к процессу сжижения природного газа с использованием прямоточного охлаждения ЖА в качестве первичного хладагента, направленные на удаление существенной части остаточного загрязнения СПГ из жидкого азота перед выпуском газообразного водорода. Конкретные варианты осуществления изобретения включают формулировки в последующих абзацах, описанные со ссылкой на фигуры. Хотя некоторые отличительные особенности описаны со специальной ссылкой только на одну фигуру (например, фигуру 1, 2 или 3), они могут быть равным образом применимы к другим фигурам, или могут быть использованы в сочетании с другими фигурами или предшествующим описанием.
[0034] На фиг. 1 показана система 10 сжижения природного газа с целью производства СПГ с использованием жидкого азота (ЖА) в качестве единственного внешнего хладагента. Систему 10 можно назвать системой производства СПГ. Поток 12 ЖА поступает из системы 14 подачи ЖА, которая может включать один или несколько танкеров, резервуаров, трубопроводов или их сочетание. Система 14 подачи ЖА может работать в чередующемся режиме между хранением ЖА и хранением СПГ. Поток 12 ЖА может быть загрязнен парниковым газом, таким как метан, этан, пропан или другие алканы или алкены. Поток 12 ЖА может быть, приблизительно, на 1% об. загрязнен парниковым газом, хотя уровень загрязнения может изменяться в зависимости от способов, используемых для опорожнения и продувки системы подачи ЖА перед переключением между хранением ЖА и хранением СПГ. Поток 12 ЖА поступает при приблизительно атмосферном давлении и температуре около -196°С, которая приблизительно равна температуре кипения при атмосферном давлении почти чистого азота. Поток 12 ЖА подают насосом 16 ЖА, который увеличивает давление ЖА от, приблизительно, 20 бар абс. до 200 бар абс., предпочтительным давлением является, примерно, 90 бар абс. При подаче насосом температура ЖА в потоке 12 ЖА может увеличиваться, однако ожидается, что ЖА останется, по существу, в жидкой форме. Поток 18 ЖА повышенного давления затем пропускают через серию теплообменников и расширителей с целью отведения тепла от поступающего природного газа 20 для конденсации природного газа и получения СПГ. Как показано на фиг. 1, поток 18 ЖА повышенного давления проходит через первый теплообменник 22, где он охлаждает поток 24 природного газа. Затем поток 18 ЖА повышенного давления первый раз проходит через второй теплообменник 26, где он снова охлаждает поток природного газа.
[0035] После того, как ЖА проходит через первый теплообменник 22 и второй теплообменник 26, ожидается, что ЖА и любые загрязняющие примеси, являющиеся парниковым газом, полностью испаряются, образуя поток 27 загрязненного газообразного азота (ЗГА). Поскольку газообразный азот подвергают обработке, описанной далее, он может не быть полностью испаренным, хотя описывается как газообразный азот или ЗГА. Для простоты любая смесь газообразного и частично конденсированного азота все же именуется ЗГА или газообразным азотом.
[0036] Поток 27 ЗГА направляют в первый расширитель 28. Выходящий поток из первого расширителя 28, представляющий собой поток 29 расширенного ЗГА, направляют в блок 30 удаления парникового газа. Давление потока 29 расширенного ЗГА может лежать в диапазоне от 5 бар абс. до 30 бар абс. в зависимости, главным образом, от фазового состояния смеси ЗГА, которая обычно представляет собой смесь азота, метана, этана, пропана и других потенциальных парниковых газов. В одном из аспектов изобретения, давление потока 29 расширенного ЗГА составляет от 19 до 20 бар абс., а температура потока 29 расширенного ЗГА составляет около -153 градусов Цельсия. Однако, давление потока расширенного ЗГА может быть не более 1 бар абс., если используются альтернативные технологии, такие как адсорбция, абсорбция или каталитические способы.
[0037] Блок 30 удаления парникового газа может требоваться для производства потока ГА с содержанием парникового газа менее 500 млн-1 или менее 200 млн-1 или менее 100 млн-1 или менее 50 млн-1 или менее 20 млн-1. Блок 30 удаления парникового газа может требоваться для производства потока продукта парникового газа с содержанием азота менее 80% или менее 50% или менее 20% или менее 10% или менее 5%.
[0038] Блок 30 удаления парникового газа может включать частично возвратную и частично с повторным кипячением ректификационную колонну 32. Ректификационная колонна 32 обеспечивает отделение газообразного азота от загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, на основании разности температур испарения азота и парниковых газов. В результате работы ректификационной колонны получают головной поток 34, представляющий собой поток очищенного от примесей газообразного азота, и кубовый продукт, представляющий собой поток 36 - продукт парникового газа. Может быть предусмотрено наличие боковых ребойлеров, боковых конденсаторов и промежуточных выводов (не показаны) для отведения продуктов из других мест в ректификационной колонне 32.
[0039] Блок 30 удаления парникового газа может включать головной конденсатор, соединенный с ректификационной колонной 32, и имеющий охлаждение по заданному режиму, обеспечиваемому за счет теплообмена с источниками ЖА, ГА, ЗГА, природного газа или СПГ от других частей системы производства СПГ или даже из дополнительной системы охлаждения. Точно так же, устройство удаления парникового газа может включать кубовый ребойлер, соединенный с ректификационной колонной 32 и имеющий нагрев по заданному режиму, обеспечиваемому за счет теплообмена с ЖА, ГА, ЗГА, природным газом или СПГ из других частей системы производства СПГ или из другого процесса, внешнего по отношению к системе производства СПГ. Недостатком этих типов компоновки является неблагоприятное влияние, в большой степени требований конденсации и требований нагрева по типу кипячение конденсатора и ребойлера ректификационной колонны на общие кривые нагревания и охлаждения, чтобы сконденсировать природный газ до СПГ. Результатом этого влияния могут быть скачки температуры в теплообменниках, которые снижают эффективность доступных ресурсов ЖА. В соответствии с изобретением, холодовая и тепловая нагрузка конденсатора и ребойлера являются взаимно-обменными, и режим охлаждения доступный от ребойлера используется для того, чтобы справиться с режимом нагревания, требуемого от конденсатора. Для этого используют систему теплового насоса с кондесатором и ребойлером, чтобы увеличить давление головного потока 34 ректификационной колонны так, что температура сжатого головного потока выше, чем температура потока 36 продукта парникового газа. А именно, система теплового насоса с конденсатором и ребойлером включает головной компрессор 38, в котором головной поток 34 сжимается и нагревается, теплообменник 40 теплового насоса, в котором охлаждается головной поток и нагревается поток продукта - парникового газа, и расширитель 42, который снижает давление охлажденного головного потока и снижает его давление. Расширитель 42 может представлять собой клапан Джоуля-Томсона или турбо-расширитель. На этой стадии головной поток превращается в частично сконденсированный головной поток 43. Если нужно, первый сепаратор 44 может быть использован для разделения частично сконденсированного головного потока 43 с получением потока 45 головного продукта и потока 46 орошения колонны. Поток 45 головного продукта, будучи головным продуктом и ректификационной колонны 32, и первого сепаратора 44, состоит из ГА, по существу, очищенного от парниковых газов, таких как метан, этан и т.д., и выходит из блока 30 удаления парникового газа для дополнительных операций теплообмена и выпуска в атмосферу, как будет описано в настоящем документе. Поскольку поток 46 орошения колонны может включать некоторое количество парниковых газов, поток орошения колонны снова направляют в ректификационную колонну 32 для дальнейшего разделения.
[0040] Другую часть системы теплового насоса с конденсатором и ребойлером может составлять кубовый насос 48, предназначенный для подачи потока 36 продукта - парникового газа в теплообменник 40 теплового насоса при повышенном давлении. После нагревания в теплообменнике 40 теплового насоса поток 36 продукта - парникового газа частично испаряется и может быть направлен во второй сепаратор 50, в котором поток продукта - частично испарившегося парникового газа разделяется на поток 54 продукта - отделенного парникового газа и парообразный поток 56 ребойлера колонны. Насос 58 парникового газа может быть использован для подачи потока 54 продукта - отделенного парникового газа в другое место системы 10 при надлежащем давлении. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 1, поток 54 продукта - отделенного парникового газа смешивают с потоком 24 природного газа после того, как поток 24 природного газа прошел через второй теплообменник 26, чтобы быть включенным в поток СПГ - продукта системы 10. Поток 56 ребойлера колонны, который может содержать часть ГА, возвращают в ректификационную колонну 32 для дальнейших стадий разделения.
[0041] Поток 45 головного продукта, который представляет собой, по существу, очищенный ГА, выходит из блока 30 удаления парникового газа и проходит несколько раз через второй теплообменник 26 и второй и третий расширители 60, 62 с целью дальнейшего охлаждения потока 24 природного газа. На фиг. 1 показано три расширителя, выполняющих функцию расширителя высокого давления (28), расширителя среднего давления (60) и расширителя низкого давления (62), в каждом из которых давление потока азота, проходящего через них, соответственно, уменьшается. В одном из вариантов осуществления изобретения первый, второй и третий расширители 28, 60, 62 являются турбо-расширителями. Расширители могут представлять собой радиальную центростремительную турбину, турбину с частичным впуском аксиального потока, турбину с полным впуском аксиального потока, поршневой двигатель, винтовую турбину или подобные им расширительные устройства. Расширители могут представлять собой отдельные аппараты или быть объединенными в один или несколько аппаратов с общими выходом. Расширители могут приводить в действие генераторы, компрессоры, насосы, гидравлические тормоза или любые подобные энергоемкие устройства и, тем самым, отводить энергию от системы 10. Расширители могут использоваться для непосредственного приведения в действие (или приведения в действие посредством редуктора или других передающих устройств) насосов, компрессоров и других механизмов, используемых в системе 10. В одном из вариантов осуществления изобретения, каждый расширитель представляет собой расширительное средство, которое может осуществлять расширение при помощи одного или нескольких отдельных расширителей, работающих параллельно или последовательно или сочетанием параллельной и последовательной работы. Для рентабельной работы системы 10 нужен, по меньшей мере, один расширитель или расширительное средство; и обычно, предпочтительно наличие, по меньшей мере, двух расширительных средств. В данной системе также может быть использовано более трех расширительных средств для повышения эффективности охлаждения наличными ресурсами ЖА.
[0042] После прохождения через третий расширитель 62 и второй теплообменник 26 в последний раз, поток 45 головного продукта проходит через третий теплообменник 64, в котором дополнительно охлаждается поток 24 природного газа. Поток головного продукта, который ранее был назван ГА, выпускают в атмосферу через выпуск 66 ГА или отводят иным образом. Если ГА выпускают в атмосферу, факел ГА должен обладать достаточной подъемной силой для широкого распространения и разбавления в атмосфере до того, как какая-либо значительная часть факела опустится к земле, что может потенциально вызвать опасный дефицит кислорода. Поскольку вероятно, что ГА обладает, по существу, нулевой относительной влажностью, а его удельный вес лишь немного меньше, чем у окружающего воздуха, вариантами осуществления изобретения должна быть обеспечена такая температура выпускаемого ГА, которая больше местной температуры окружающей среды, что повышает подъемную силу и улучшает рассеивание факела ГА. Специалистам в области проектирования вентиляции и вентиляционных труб известны альтернативные повышению температуры варианты по улучшению рассеивания факела, включая изменение высоты трубы и обеспечение более высокой скорости на выходе из трубы, что может быть достигнуто, например, путем использования элемента Вентури в конструкции трубы.
[0043] Далее описана траектория движения природного газа через систему 10. Поступающий природный газ 20 получают под давлением или сжатым до нужного давления, затем он проходит через различные теплообменники, установленные последовательно, параллельно или способом, объединяющим последовательное и параллельное соединение, с целью его охлаждения хладагентом или хладагентами. Давление природного газа, поступающего в систему 10, обычно составляет от 20 бар абс. до 100 бар абс., при этом, верхний предел давления, обычно, ограничивается экономическими соображениями при выборе теплообменного оборудования. Учитывая совершенствование теплообменников в будущем, можно допустить давление подачи 200 бар абс. или более. В предпочтительном варианте осуществления изобретения давление поступающего природного газа выбирают равным, примерно, 90 бар абс. Специалистам в данной области известно, что увеличение давления поступающего природного газа обычно повышает эффективность теплопередачи в процессе сжижения СПГ. Как показано на фиг. 1, поступающий природный газ 20 сначала проходит через третий теплообменник 64. В третьем теплообменнике происходит предварительное охлаждение природного газа перед его поступлением во второй теплообменник 26, который является основным теплообменником системы 10. Третий теплообменник также позволяет нагревать ГА потока 45 головного продукта почти до температуры потока природного газа на входе. Если нужно, третий теплообменник 64 может быть исключен из системы 10.
[0044] По выходе из первого теплообменника поток 24 природного газа охлаждают и конденсируют под давлением во втором теплообменнике 26, где поток природного газа охлаждается за счет нескольких проходов ГА в поток 45 головного продукта. Поток 24 природного газа соединяют с потоком 54 продукта - отделенного парникового газа, который, как описано выше, представляет собой парниковые газы, из которых, по существу, полностью удален ГА. Затем поток 24 природного газа пропускают через первый теплообменник 22, в котором для охлаждения потока 24 природного газа используется ЖА из системы 14 подачи ЖА. Если нужно, первый теплообменник 22 может быть исключен из системы 10. На этой стадии природный газ в потоке 24 природного газа, по существу, полностью сжижен с образованием СПГ. Высокое давление конденсации СПГ снижают до давления, близкого к атмосферному, при помощи расширителя 68, который может включать однофазную или многофазную гидравлическую турбину, клапан Джоуля-Томсона или подобный им расширитель. На фиг. 1 показано использование гидравлической турбины. Поток 70 СПГ, выходящий из расширителя 68, затем может быть направлен на хранение в резервуарах, подан в береговые или плавучие танкеры, в надлежащий криогенный трубопровод или подобное средство транспортировки с целью доставки СПГ в место сбыта.
[0045] Ректификационная колонна 32 блока 30 удаления парникового газа может допускать регулировку с целью обеспечения соответствия требованиям по содержанию парникового газа в потоке 45 головного продукта и содержанию азота в потоке 36 продукта - парникового газа и/или потоке 54 продукта - отделенного парникового газа. Обычно температура и испаряемая часть потока 29 расширенного ЗГА оказывают влияние на относительную нагрузку конденсатора и ребойлера, при этом, большая испаряемая часть или более высокая температура потока 29 расширенного ЗГА ведут к увеличению нагрузки конденсатора и уменьшению нагрузки ребойлера при тех же технических характеристиках продукта. Меньшая испаряемая часть или более низкая температура потока 29 расширенного ЗГА оказывают противоположное влияние. Кроме того, увеличение (или уменьшение) скорости теплопередачи в теплообменнике 40 теплового насоса способствует увеличению (или уменьшению) нагрузки и конденсатора, и ребойлера, что влияет на технические характеристики продукта. Регулятор 72, обеспечивающий корректировку температуры и/или испаряемой части потока 29 расширенного ЗГА и скорости теплопередачи в теплообменнике 40 теплового насоса, может быть использован как для уравновешивания тепловой нагрузки конденсатора и ребойлера (с поправкой на избыточную энергию, добавляемую головным компрессором 38), так и регулировки технических характеристик продукта ректификационной колонны 32. На практике такая регулировка может быть выполнена путем корректировки температуры на входе первого турбо-расширителя 28 и путем регулировки повышения давления головного компрессора 38 колонны. В качестве альтернативы, для достижения того же результата может осуществляться управление другими компонентами системы 10.
[0046] Теперь, после описания варианта осуществления изобретения, будут описаны дополнительные аспекты. На фиг. 2 показана система 200 производства СПГ, аналогичная системе 10 на фиг. 1. Система 200 производства СПГ дополнительно включает компрессор 202 природного газа и охладитель 204 природного газа, которые предназначены для повышения давления и охлаждения природного газа до оптимальных давления и температуры перед поступлением в третий, второй и первый теплообменники 64, 26, 22. Компрессор 202 природного газа и охладитель 204 природного газа могут представлять собой множество индивидуальных компрессоров и охладителей или стадию с одиночным компрессором и охладителем. Компрессор 202 природного газа может быть выбран из типов компрессоров, широко известным специалистам в данной области, включающим центробежные, осевые, винтовые и поршневые компрессоры. Охладитель 204 природного газа может быть выбран из охладителей, принадлежащих к известным специалистам в данной области типам, включающим воздушные ребристые, двухтрубные, кожухотрубчатые, рамные пластинчатые, змеевиковые и пластинчатые с вытравленными каналами теплообменники. Давление поступающего природного газа после компрессора 202 природного газа и охладителя 204 природного газа должно соответствовать ранее указанному диапазону (например, 20-100 бар абс. и до включительно 200 бар абс. или более по мере совершенствования конструкции теплообменников).
[0047] На фиг. 3 показана система 300 производства СПГ, аналогичная системе 200 производства СПГ. Система 300 производства СПГ дополнительно включает расширитель 302 природного газа, установленный после компрессора 202 природного газа и охладителя 204 природного газа. Расширитель 302 природного газа может относиться к любому типу расширителей, такому как турбо-расширитель или другой тип расширителей, например, клапан J-T. В системе 300 производства СПГ давление на выходе компрессора 202 природного газа может быть увеличено и выходить за пределы указанного диапазона, продиктованного экономически обусловленным выбором теплообменного оборудования, а избыточное давление понижено при помощи расширителя 302 природного газа. Сочетание сжатия, охлаждения и расширения обеспечивает дополнительное предварительное охлаждение поступающего природного газа перед его подачей в третий теплообменник 64 или второй теплообменник 26. Например, компрессор 202 природного газа может сжимать поступающий природный газ до давления более 135 бар абс., а в расширителе природного газа давление природного газа может быть снижено до менее, чем 200 бар абс., но ни в коем случае не более, чем давление, до которого природный газ сжимается в компрессоре. В одном из вариантов осуществления изобретения поток природного газа сжимают при помощи компрессора природного газа до давления более 200 бар абс. В другом варианте осуществления изобретения расширителе природного газа расширяет поток природного газа до давления менее, чем 135 бар абс. Однако, из-за размещения третьего теплообменника 64 ниже по потоку от расширителя 302 природного газа (как показано на фиг. 3) существенно уменьшается температура ГА, проходящего через третий теплообменник 64. Температура охлажденного таким образом ГА может быть намного меньше местной температуры окружающей среды, тем самым, усложняются мероприятия по безопасному и/или эффективному выбросу ГА в атмосферу.
[0048] На фиг. 4 показана система 400 производства СПГ, аналогичная системе 300 производства СПГ. В системе 400 производства СПГ третий теплообменник 64 расположен так, что природный газ от источника 20 природного газа поступает в третий теплообменник прежде, чем проходит через компрессор 202 природного газа. Благодаря размещению третьего теплообменника 64 так, так показано на фиг. 4, уменьшается температура природного газа, поступающего в компрессор 202 природного газа, и, таким образом, снижается давление и энергия, потребляемая компрессором 202 природного газа. Кроме того, температура выпуска 66 ГА восстанавливается, чтобы быть близкой к варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 1.
[0049] На фиг. 5 показана система 500 производства СПГ, аналогичная системам 300 и 400 производства СПГ. В системе 500 производства СПГ третий теплообменник 64 расположен между компрессором 202 природного газа и охладителем 204 природного газа. При таком размещении приносится в жертву потенциальное снижение энергии, потребляемой компрессором 202 природного газа, обеспечиваемое системой 400 производства СПГ (фиг. 4), однако достигается существенное увеличение температуры выпуска ГА, что значительно повышает подъемную силу и улучшает рассеяние факела ГА. При таком размещении также уменьшается холодопроизводительность охладителя 204 природного газа, и, следовательно, уменьшается размер, капиталовложения и стоимость эксплуатации охладителя 204 природного газа и сопутствующих систем обеспечения (например, подвода охлаждающей воды, воздушно-ребристого энергообеспечения и т.д.).
[0050] На фиг. 6 показана система 600 производства СПГ, аналогичная системе 400 производства СПГ. В системе 600 производства СПГ ГА в потоке 45 головного продукта подвергают дополнительному охлаждению тепловым насосом в системе теплового насоса, когда поток головного продукта циркулирует через второй теплообменник 26 и второй и третий расширители 60, 62. Как показано на фиг. 6, система теплового насоса включает компрессор 602 азота, охладитель 604 азота, и рекуперационный теплообменник 606, устанавливают выше по потоку от третьего расширителя 62. Добавление этого сочетания компрессора 602 азота, охладителя 604 азота и рекуперационного теплообменника 606 увеличивает доступное давление на входе третьего расширителя 62 при очень небольшом повышении температуры на входе третьего расширителя 62. Благодаря сочетанию компрессора 602 азота, охладителя 604 азота и рекуперационного теплообменника 606 повышается энергия, вырабатываемая третьим расширителем 62, и увеличивается количество тепла, отводимого от ГА в потоке 45 головного продукта, проходящего через эту часть системы 600 производства СПГ. Такое сочетание также приводит к более низкой температуре ГА, повторно поступающему во второй теплообменник 26, в сравнении с фиг. 4, а также повышается эффективность доступного источника ЖА в системе 600 производства СПГ.
[0051] На фиг. 7 показана система 700 производства СПГ, аналогичная системе 10 производства СПГ, в которой применен альтернативный вариант использования потока 54 продукта - отделенного парникового газа. Вместо смешивания потока 54 продукта - отделенного парникового газа с потоком 24 природного газа, как показано на фиг. 1, поток 54 продукта - отделенного парникового газа может быть использован в качестве источника 702 топливного газа после нагнетания до заданного давления в насосе 58 парникового газа и повторного испарения в одном или нескольких теплообменниках. В качестве примера на фиг. 7 показано прохождение потока 54 продукта - отделенного парникового газа через третий теплообменник 64. Также возможны другие варианты использования потока продукта - отделенного парникового газа, общеизвестные специалистам в данной области.
[0052] На фиг. 8 показана система 800 производства СПГ, аналогичная системам 10, 200, 400 и 600 производства СПГ. В системе 800 производства СПГ используется очень сухой состав смеси из ГА в потоке 45 головного продукта для дополнительного охлаждения в системе 800 производства СПГ. Психрометрическое охлаждение ГА в потоке 45 головного продукта может понизить температуру этого потока до, в пределах нескольких градусов Цельсия температуру замерзания воды или примерно 2-5 градусов Цельсия при добавлении (и насыщении) водой 802 потока 45 головного продукта после того, как поток 45 головного продукта прошел через третий теплообменник 64, как показано на фиг. 8. Теперь поток 804 влажного или насыщенного ГА с более низкой температурой может быть повторно пропущен через третий теплообменник 64 (или другой надлежащий теплообменник) с целью дополнительного предварительного охлаждения поступающего потока природного газа. Специалистам в данной области понятно, что имеется много способов осуществления психрометрического охлаждения, включая распыление воды через аэрозольные или иные сопла в поток текущего ГА или пропускание ГА и воды через тарелки, насадочный материал или другое(ие) тепло- и массообменное(ые) устройство(а) в башне, колонне или устройстве, наподобие охлаждающей башни. В качестве альтернативы, охлаждающая вода или другая теплопередающая текучая среда может быть дополнительно охлаждена посредством такого психрометрического охлаждения в результате пропускания очень сухого ГА через устройство, наподобие охлаждающей башни. Такая дополнительно охлажденная охлаждающая вода затем может быть использована для предварительного охлаждения других потоков в системе 800 производства СПГ с целью повышения эффективности располагаемых ресурсов ЖА. Наконец, в результате добавления водяного пара к наоборот очень сухому газообразному азоту уменьшает удельный вес ГА и увеличивает подъемную силу и рассеивание факела ГА, если ГА выпускают в атмосферу через выпуск 806.
[0053] На каждой из прилагаемых фигур устройство 30 удаления парникового газа показано как часть системы 10, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 производства СПГ, где блок для удаления парникового газа представлен как основанный на технологиях и методиках ректификации. Для удаления загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, из источника 14 ЖА могут быть использованы альтернативные системы и способы. Эти альтернативные способы подробно не показаны, однако, они могут включать: процессы адсорбции, включая адсорбцию при переменном давлении, адсорбцию при перемененной температуре или сочетание адсорбции с переменным давлением и переменной температуры; абсорбцию в объеме или адсорбцию, как например, слоем активированного угля; или каталитические процессы.
[0054] В раскрытых вариантах осуществления изобретения теплообменники описаны как охлаждаемые только ЖА, ГА или их сочетанием, происходящими из источника 14 ЖА. Однако, возможно повышение охлаждающей способности любого из раскрытых теплообменников посредством использования дополнительной системы охлаждения, не имеющей контакта текучей среды с природным газом или азотом в системе 10 производства СПГ. Хладагент, используемый в дополнительной системе охлаждения, может включать надлежащий углеводородный газ (например, алкены или алканы, такие как метан, этан, этилен, пропан и т.д.), инертные газы (например, азот, гелий, аргон и т.д.) или другие хладагенты, известные специалистам в данной области. На фиг. 9 показана дополнительная система 900 охлаждения, обеспечивающая дополнительную охлаждающую способность теплообменника 40 теплового насоса блока 30 удаления парникового газа посредством использования потока 902 аргона в качестве хладагента. Дополнительная система 900 охлаждения включает дополнительный компрессор 904, сжимающий поток 902 аргона до надлежащего давления. Поток 902 аргона затем пропускают через дополнительный теплообменник, показанный на фиг. 9 как охладитель 906. Затем поток 902 аргона проходит через дополнительный расширитель 908, такой как клапан Джоуля-Томсона. Затем поток 902 аргона пропускают через теплообменник 40 теплового насоса, чтобы усилить охлаждающее действие ГА в головном потоке 34 ректификационной колонны, чтобы охладить парниковые газы в потоке 36 продукта - парникового газа. Затем поток 902 аргона рециркулируют через дополнительный компрессор 904, как описано ранее.
[0055] Дополнительная система охлаждения, подобная дополнительной системе 900 охлаждения, может быть использована для повышения охлаждающей эффективности других теплообменников, раскрытых в настоящем документе, таких как первый теплообменник 22, второй теплообменник 26, третий теплообменник 64 и/или рекуперационный теплообменник 606. Кроме того, хотя хладагент дополнительной системы 900 охлаждения не контактирует текучей средой с системой 10 производства СПГ, в некоторых вариантах осуществления изобретения источником этого хладагента могут быть потоки природного газа и/или потоки азота системы производства СПГ. Кроме того, в дополнительном теплообменнике 904 может осуществляться обмен теплом (или холодом) с газообразными потоками и/или жидкими потоками системы 10 производства СПГ, такими как поток 12 ЖА, поток 24 природного газа, поток 27 ЗГА или поток 36 продукта - парникового газа.
[0056] На фиг. 10 показан способ 1000 производства СПГ в соответствии с раскрытыми аспектами. В блок 1002 поток природного газа поступает из источника природного газа. В блок 1004 поток хладагента, такой как поток сжиженного азота, поступает из источника хладагента. В блоке 1006 поток природного газа и поток сжиженного азота пропускают через первый теплообменник, в котором происходит теплообмен между потоком хладагента и потоком природного газа и, в результате, по меньшей мере частичное, испарение потока хладагента и, по меньшей мере частичная, конденсация потока природного газа. В блоке 1008 поток природного газа сжимают в компрессоре природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс., чтобы получить поток сжатого природного газа. В блоке 1010 поток сжатого природного газа охлаждают в охладителе природного газа. После охлаждения охладителем природного газа, в блоке 1012 поток сжатого природного газа расширяют в расширителе природного газа до давления менее 200 бар абс., но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается в компрессоре природного газа. В блоке 1014 природный газ из охладителя природного газа подают, по меньшей мере, в один теплообменник для, по меньшей мере, частичной конденсации в нем.
[0057] На фиг. 11 показан способ 1100 удаления загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, из потока жидкого азота, используемого для сжижения потока природного газа. В блоке 1102 поток природного газа сжимают в компрессоре природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс., чтобы получить поток сжатого природного газа. В блоке 1104 поток сжатого природного газа охлаждают в охладителе природного газа. После охлаждения охладителем природного газа, в блоке 1106 поток сжатого природного газа расширяют в расширителе природного газа до давления менее 200 бар абс., но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается в компрессоре природного газа. В блоке 1108 поток природного газа и поток сжиженного азота пропускают через первый теплообменник, в котором происходит теплообмен между потоком сжиженного азота и потоком природного газа и, в результате, по меньшей мере, частичное испарение потока сжиженного азота и по меньшей мере, частичная конденсация потока природного газа. Поток сжиженного азота циркулирует через первый теплообменник, по меньшей мере, один раз, предпочтительно, по меньшей мере, три раза. В блоке 1110 давление ,по меньшей мере, частично испаренного потока азота может быть снижено, предпочтительно, с использованием, по меньшей мере, одного расширительного средства. В блоке 1112 обеспечивается блок удаления парникового газа, который включает ректификационную колонну и систему теплового насоса с конденсатором и ребойлером. В блоке 1114 давление и температуру конденсации головного потока ректификационной колонны увеличивают. В блоке 1116 головной поток из головного потока ректификационной колонны и кубовый поток ректификационной колонны подвергают перекрестному теплообмену с целью воздействия на нагрузку головного конденсатора и на нагрузку кубового ребойлера ректификационной колонны. В блоке 1118, после стадии перекрестного теплообмена, давление головного потока ректификационной колонны уменьшают с целью получения головного потока ректификационной колонны сниженного давления. В блоке 1120 головной поток ректификационной колонны со сниженным давлением отделяют, чтобы получить головной поток первого сепаратора, состоящий из газообразного азота, который выходит из блока удаления парникового газа как поток, из которого удалены парниковые газы. В блоке 1122 головной поток первого сепаратора выпускают в атмосферу.
[0058] Эти варианты осуществления и аспекты изобретения обеспечивают эффективный способ удаления загрязняющих примесей, являющихся парниковым газом, из потока ЖА, используемого для сжижения природного газа. Преимуществом изобретения является то, что система теплового насоса в блоке 30 удаления парникового газа устраняет потребность во внешних источниках нагревания или охлаждения для отделения парниковых газов от азота.
[0059] Другим преимуществом эффективного удаления парниковых газов из ЖА является то, что оборудование для хранения ЖА может рентабельно использоваться для хранения СПГ, тем самым, уменьшается площадь, занимаемая оборудованием для обработки природного газа.
[0060] Еще одним преимуществом является то, что газообразный азот может быть выпущен в атмосферу без нежелательного сопутствующего выброса парниковых газов.
[0061] Хотя примерные варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе со ссылкой на фиг. 1-11, направлены на производство СПГ с использованием ЖА в качестве первичного хладагента, специалистам в данной области понятно, что эти принципы применимы к другим способам охлаждения и хладагентам. Например, раскрываемые способы и системы могут быть использованы там, где оборудование для централизованного хранения СПГ и ЖА отсутствует, и желательно просто очищать хладагент, использованный для получения СПГ и в других способах сжижения.
[0062] Хотя вышеизложенное направлено на варианты осуществления настоящего изобретения, могут быть разработаны другие и дополнительные варианты осуществления изобретения, не выходящие за рамки основного объема изобретения и объема изобретения, определяемого нижеследующей формулой изобретения.
1. Система производства сжиженного природного газа, содержащая:
поток природного газа из источника природного газа;
поток хладагента из источника хладагента;
по меньшей мере, один теплообменник, выполненный с возможностью осуществления теплообмена между потоком хладагента и потоком природного газа, для по меньшей мере, частичного испарения потока хладагента и, по меньшей мере, частичной конденсации потока природного газа;
компрессор природного газа для сжатия потока природного газа с образованием потока сжатого природного газа;
охладитель природного газа для охлаждения потока сжатого природного газа после сжатия в компрессоре природного газа, при этом охладитель природного газа предназначен для охлаждения потока сжатого природного газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды; и
расширитель природного газа для расширения сжатого природного газа после охлаждения охладителем природного газа;
при этом расширитель природного газа соединен, по меньшей мере, с одним теплообменником для подачи природного газа в расширитель,
отличающаяся тем, что
компрессор природного газа сжимает поток природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс. (13,5 МПа абс.);
охладитель природного газа выполнен с возможностью охлаждения потока сжатого природного газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды;
расширитель выполнен с возможностью расширения потока сжатого природного газа до давления менее 200 бар абс. (20 МПа абс.), но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается компрессором природного газа;
при этом, по меньшей мере, один теплообменник содержит первый теплообменник и дополнительно содержит второй теплообменник, выполненный с возможностью охлаждения:
- потока природного газа до сжатия потока природного газа в компрессоре природного газа, или
- потока сжатого природного газа до охлаждения потока сжатого природного газа в охладителе природного газа.
2. Система производства сжиженного природного газа по п. 1, в которой в компрессоре природного газа поток природного газа сжимают до давления более 200 бар абс. (20 МПа абс.).
3. Система производства сжиженного природного газа по п. 1, в которой в расширителе природного газа поток сжатого природного газа расширяют до давления менее 135 бар абс. (13,5 МПа абс.).
4. Система производства сжиженного природного газа по п. 1, в которой, когда второй теплообменник охлаждает поток природного газа до сжатия потока природного газа в компрессоре природного газа, для охлаждения потока природного газа во втором теплообменнике используют поток хладагента.
5. Система производства сжиженного природного газа по п. 1, в которой поток хладагента включает поток сжиженного азота и в которой, по меньшей мере, в одном теплообменнике поток азота, по меньшей мере, частично испаряется.
6. Система производства сжиженного природного газа по п. 5, дополнительно включающая блок удаления парникового газа, выполненный с возможностью удаления парникового газа из, по меньшей мере, частично испаренного потока азота.
7. Система производства сжиженного природного газа по п. 6, в которой блок удаления парникового газа включает ректификационную колонну, содержащую систему теплового насоса с конденсатором и ребойлером, и система производства сжиженного природного газа дополнительно включает, по меньшей мере, одно расширительное средство для снижения давления, по меньшей мере, частично испаренного потока азота, причем входящий поток ректификационной колонны является выходящим потоком из первого из, по меньшей мере, одного расширительного средства.
8. Система производства сжиженного природного газа по п. 7, дополнительно включающая систему теплового насоса, через которую проходит, по меньшей мере, частично испаренный поток азота после прохождения через первое из, по меньшей мере, одного расширительного средства.
9. Система производства сжиженного природного газа по п. 8, в которой система теплового насоса включает компрессор теплового насоса, охладитель теплового насоса и рекуперационный теплообменник.
10. Система производства сжиженного природного газа по п. 9, дополнительно включающая психрометрический теплообменник, в котором, по меньшей мере, частично испаренный поток азота используется для предварительного охлаждения потока природного газа перед подачей потока природного газа, по меньшей мере, в один теплообменник.
11. Способ производства сжиженного природного газа (СПГ), включающий этапы, на которых:
обеспечивают поток природного газа из источника природного газа;
обеспечивают поток хладагента из источника хладагента;
пропускают поток природного газа и поток хладагента через первый теплообменник, в котором осуществляют теплообмен между потоком хладагента и потоком природного газа для, по меньшей мере, частичного испарения потока хладагента, и, по меньшей мере, частичной конденсации потока природного газа;
сжимают поток природного газа в компрессоре природного газа с образованием потока сжатого природного газа;
охлаждают в охладителе природного газа поток сжатого природного газа после сжатия в компрессоре природного газа, причем в охладителе природного газа поток сжатого природного газа охлаждают до температуры, близкой к температуре окружающей среды;
расширяют в расширителе природного газа поток сжатого природного газа после охлаждения в охладителе природного газа; и
подают природный газ из охладителя природного газа в, по меньшей мере, один теплообменник для, по меньшей мере, частичной конденсации в нем,
отличающийся тем, что
компрессор природного газа сжимает поток природного газа до давления, по меньшей мере, 135 бар абс. (13,5 МПа абс.);
охладитель природного газа охлаждает поток сжатого природного газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды;
расширитель расширяет поток сжатого природного газа до давления менее 200 бар абс. (20 МПа абс.), но не большего, чем давление, до которого поток природного газа сжимается компрессором природного газа;
при этом, по меньшей мере, один теплообменник содержит первый теплообменник, причем способ дополнительно содержит этап охлаждения во втором теплообменнике:
- потока природного газа до сжатия потока природного газа в компрессоре природного газа, или
- потока сжатого природного газа до охлаждения потока сжатого природного газа в охладителе природного газа.
12. Способ по п. 11, в котором в компрессоре природного газа поток природного газа сжимают до давления более 200 бар абс. (20 МПа абс.).
13. Способ по п. 11, в котором в расширителе природного газа поток сжатого природного газа расширяют до давления менее 135 бар абс. (13,5 МПа абс.).
14. Способ по п. 11, в котором, когда осуществляют охлаждение потока природного газа во втором теплообменнике до сжатия потока природного газа в компрессоре природного газа, используют поток хладагента.
15. Способ по п. 11, в котором поток хладагента включает поток сжиженного азота и в котором, по меньшей мере, в одном теплообменнике, по меньшей мере, частично испаряется поток азота.
16. Способ по п. 15, дополнительно включающий этап, на котором удаляют парниковый газ из, по меньшей мере, частично испаренного потока азота при помощи блока удаления парникового газа.
17. Способ по п. 16, в котором блок удаления парникового газа включает ректификационную колонну и систему теплового насоса с конденсатором и ребойлером и который дополнительно включает этапы, на которых:
увеличивают давление и температуру конденсации головного потока ректификационной колонны;
осуществляют перекрестный теплообмен между головным потоком ректификационной колонны и кубовым потоком ректификационной колонны для воздействия на нагрузку головного конденсатора и кубового ребойлера ректификационной колонны;
снижают давление головного потока ректификационной колонны после этапа перекрестного теплообмена с получением головного потока ректификационной колонны с пониженным давлением; и
отделяют головной поток ректификационной колонны с пониженным давлением с получением головного потока первого сепаратора, причем головной поток первого сепаратора представляет собой газообразный азот, выходящий из блока удаления парникового газа, из которого удалены парниковые газы.
18. Способ по п. 17, дополнительно включающий прохождение, по меньшей мере, частично испаренного потока азота через систему теплового насоса после прохождения через первое из, по меньшей мере, одного расширительного средства.
