專利名稱：提供制冷劑壓縮用能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用電能的減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能。
本發(fā)明還包括一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能。
典型地，輕質(zhì)烴氣體是天然氣，其可以被處理以至少部分除去酸性氣體，脫水，并且從其中除去至少部分比約C3重的烴氣體。
背景技術(shù)：
近些年，在附近很少有或沒(méi)有天然氣市場(chǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，液化天然氣或者其他輕質(zhì)烴氣體持續(xù)引起人們的注意。位于這些偏遠(yuǎn)地區(qū)的天然氣只有在通過(guò)管道或者別的方式運(yùn)輸?shù)绞袌?chǎng)上才有市場(chǎng)價(jià)值。在很多情況下，建造運(yùn)輸這種天然氣的管道是不可行的。因此，在很多情況下，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)液化天然氣以便通過(guò)油船運(yùn)到市場(chǎng)上是合適的。
已知多種液化天然氣的過(guò)程。在大多數(shù)這些過(guò)程中，必須在天然氣液化前處理天然氣，以除去酸性氣體、水和比約C3重的烴。已知的制冷過(guò)程包括如下工藝，其使用多純組分制冷劑、多組分制冷劑、或者它們的組合。利用一個(gè)或多個(gè)制冷劑部分等的制冷過(guò)程可以被使用。已知多種這樣的方法，它們可以用于本發(fā)明。所有這些過(guò)程通常要求在一定的壓力下制成可用的被壓縮的制冷劑，所以在冷卻后它可以被液化，然后汽化以產(chǎn)生天然氣液化所需的制冷。
大多數(shù)這樣的過(guò)程是高耗能的，要求大量能量輸入以壓縮制冷劑，從而重復(fù)循環(huán)通過(guò)制冷區(qū)，以產(chǎn)生至少部分地液化天然氣等所必需的制冷。而且，在處理天然氣以從其中除去酸性氣體和水、或者除去較重的烴后，在很多情況下重新壓縮天然氣需要大量能量。所有這些過(guò)程典型地要求大量的電能和機(jī)械能，并導(dǎo)致向大氣中排放大量二氧化碳(CO2)。
最近，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到向大氣中排放CO2對(duì)大氣是有害的。因此，認(rèn)為在這樣的過(guò)程中應(yīng)該減少CO2的排放量是適當(dāng)?shù)?。典型地，這些過(guò)程在那些有大量廉價(jià)燃料的地方進(jìn)行。因此，幾乎沒(méi)有關(guān)于限制CO2排放到空氣中的關(guān)注，因?yàn)楹?jiǎn)單地排放燃燒廢氣流至大氣中比限制燃料的消耗量更方便和經(jīng)濟(jì)，這是因?yàn)檫@些燃料在液化地區(qū)以很小的成本或不需要成本就能容易地得到。如本領(lǐng)域中技術(shù)人員所知，烴燃料(特別是輕質(zhì)烴氣體)通過(guò)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)等已經(jīng)廣泛地用于產(chǎn)生電能和機(jī)械能。
最近，很明顯需要為輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程提供一種用于提供壓縮制冷劑和電能的系統(tǒng)和方法，其中產(chǎn)生減少的CO2排放物，且其中能現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生用于該過(guò)程的機(jī)械能和電能。
發(fā)明概述本發(fā)明包括一種減少二氧化碳排放物的方法，其提供用于制冷劑壓縮的能量和用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的共用電能，該方法包括a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過(guò)與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽中生成高溫高壓蒸汽；c)利用來(lái)自b)中的蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；d)利用來(lái)自c)中的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程。
本發(fā)明還包括一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能，該系統(tǒng)包括a)制冷劑壓縮機(jī)，具有低壓氣態(tài)制冷劑入口和高壓制冷劑出口，并且軸連接于輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有高溫廢氣出口；b)換熱器，具有水或低壓蒸汽入口、蒸汽出口、高溫廢氣入口和低溫廢氣出口，其中高溫廢氣入口和高溫廢氣出口流體連通，因此高溫廢氣在通過(guò)時(shí)與水或低壓蒸汽換熱以產(chǎn)生蒸汽；c)由蒸汽驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程中的電能；d)線路，與高壓制冷劑出口和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的被壓縮制冷劑入口流體連通。


該圖是系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)為輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程提供制冷劑壓縮用的能量和共用電能，并減少了進(jìn)入大氣的二氧化碳排放物。
優(yōu)選實(shí)施方案描述在

中，整個(gè)過(guò)程中用相同的標(biāo)號(hào)表示相同或者類似的組件。應(yīng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的和達(dá)到所示流動(dòng)所需的許多壓縮機(jī)、閥、電動(dòng)機(jī)和其他裝置為了簡(jiǎn)化而沒(méi)有示出。
在圖中示出了渦輪機(jī)10和10′，它們經(jīng)軸12和12′軸連接于壓縮機(jī)14和14′。壓縮機(jī)14和14′可以是軸向式、離心式或類似的壓縮機(jī)，用于壓縮來(lái)自天然氣液化設(shè)備64的新鮮的或用過(guò)的制冷劑。用過(guò)的制冷劑通過(guò)線路48和50從設(shè)備64中回收，并且分別引導(dǎo)到渦輪機(jī)14和14′?；蛘撸眠^(guò)的制冷劑可以經(jīng)單獨(dú)線路返回并傳輸?shù)揭粋€(gè)或兩個(gè)渦輪機(jī)。液化天然氣(LNG)經(jīng)線路70被回收，并且被傳輸以存儲(chǔ)在LNG存儲(chǔ)和排出設(shè)備72，從設(shè)備72中蒸發(fā)氣流74被回收并且傳輸?shù)皆O(shè)備64。
本文使用的術(shù)語(yǔ)“壓縮機(jī)”是指單級(jí)壓縮機(jī)、或者具有或者不具有級(jí)間冷卻或者帶有液體分離的級(jí)間冷卻的多級(jí)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)可以是軸向式、離心式或類似的壓縮機(jī)。
雖然圖中示出兩個(gè)渦輪機(jī)和兩個(gè)制冷劑壓縮機(jī)，應(yīng)理解，可根據(jù)過(guò)程中壓縮制冷劑的需要而使用或多或少的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。在很多情況下，可以向整個(gè)輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程中增加作為單元的額外制冷區(qū)，以提高產(chǎn)量。在這種情況下，可以容易地增加更多的渦輪機(jī)和壓縮機(jī)。本發(fā)明預(yù)計(jì)，可以按需要增加或減少渦輪機(jī)和壓縮機(jī)，以生產(chǎn)所需量的壓縮制冷劑。
壓縮機(jī)14和14′產(chǎn)生壓縮的制冷劑流52和54，該流經(jīng)線路52和54導(dǎo)入設(shè)備64。制冷劑流可以被分開(kāi)導(dǎo)入或一起導(dǎo)入。而且，在線路52和54中的流可以處于不同壓力，并且可以包括所需的不同制冷劑。這樣的變化對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員是已知的，在一些制冷過(guò)程需要導(dǎo)入兩種或多種壓縮的制冷劑流，它們可以在相同或不同的壓力下在分開(kāi)的位置導(dǎo)入到制冷區(qū)。在本發(fā)明中預(yù)計(jì)，被壓縮的制冷劑能夠在基本上任意需要的壓力(典型地為約1至約75bar)下產(chǎn)生，并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，所述被壓縮的制冷劑在傳輸?shù)教烊粴庵评鋮^(qū)之前可以通過(guò)與空氣、水或者類似物進(jìn)行換熱而被冷卻。
雖然本發(fā)明不限于任何具體的天然氣液化過(guò)程，但應(yīng)該指出，被壓縮的制冷劑可以進(jìn)一步在冷卻區(qū)冷卻，此后汽化以產(chǎn)生用于液化天然氣的冷制冷劑。經(jīng)線路66傳入設(shè)備64中的天然氣典型地被處理，以按需要至少部分地除去酸性氣體和水。在很多情況下，較重的烴(C3+)也已經(jīng)典型地被除去。有許多進(jìn)行這種分離的過(guò)程。本發(fā)明不限于這些材料中任何一種的任何回收方式，因?yàn)樗饕婕耙环N為制冷劑壓縮產(chǎn)生能量和為輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程產(chǎn)生共用電能的方法。
渦輪機(jī)10和10′典型地包括可以是軸向式壓縮機(jī)、離心式壓縮機(jī)、或者類似物的空氣壓縮部分(未示出)，其中來(lái)自線路18和18′的空氣被壓縮至高壓(典型地為約350至約800psia)，然后與通過(guò)氣體入口20和20′供應(yīng)的燃料氣流在接近于進(jìn)入渦輪機(jī)10和10′的空氣壓力(典型地為約350至約800psia)下混合。燃料氣體和空氣燃燒以產(chǎn)生在適合驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)10和10′的壓力下的熱氣體流。廢氣流通過(guò)線路22和22′和線路24(典型地為約800至約1600°F)回收，并可以傳輸?shù)侥墚a(chǎn)生高壓蒸汽的換熱器26?？梢允褂萌魏我环N合適的換熱器。
可使用多種技術(shù)如使用逆流換熱器等，以從水或低壓蒸汽中生成蒸汽(典型地為約400至約1200psi)。雖然在圖中沒(méi)有示出，但是在用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)或膨脹器后低壓蒸汽能夠被重新循環(huán)到換熱器26，并且被重新加熱作為用于循環(huán)的高壓蒸汽。高壓蒸汽通過(guò)線路28被回收，并且傳輸?shù)綔u輪機(jī)或膨脹器30，在此它可以經(jīng)軸32提供機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)34產(chǎn)生電能，該電能被示意性地示出，其通過(guò)線路36被回收。雖然如前所述，用過(guò)的蒸汽(典型地壓力低于約20psi)被表示為通過(guò)線路44從過(guò)程中排出，但是該蒸汽可以被再循環(huán)，以在換熱器26中重新加熱，因?yàn)樗ㄟm于處理以用來(lái)產(chǎn)生蒸汽的低壓蒸汽或水。
通過(guò)線路36產(chǎn)生和回收的電能可以經(jīng)線路42傳輸?shù)接糜谶^(guò)程的電網(wǎng)，此處電能可以構(gòu)成用在過(guò)程中的一些或所有電能，并且如示出的，通過(guò)線路38將傳輸部分電力以驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)/輔助電動(dòng)機(jī)16和16′，該電動(dòng)機(jī)軸連接于或以其他方式連結(jié)于渦輪機(jī)10和10′。這些輔助電動(dòng)機(jī)在很多情況下是大電動(dòng)機(jī)，用來(lái)啟動(dòng)渦輪機(jī)10和10′的操作。它們也可以產(chǎn)生大量能量，并且可以在渦輪機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。這些電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大量軸能，并且如圖所示，它們由過(guò)程中產(chǎn)生的電能發(fā)動(dòng)。
在換熱器26中換熱之后，來(lái)自線路24的廢氣典型地被傳輸以進(jìn)行合適處理，并如圖所示經(jīng)線路46排出。
在附圖討論中，在一些情況下術(shù)語(yǔ)“輕質(zhì)烴氣體”和“天然氣”可以互換使用。最經(jīng)常被液化的輕質(zhì)烴氣體是天然氣，典型地，被液化的天然氣主要是甲烷。這是由于除去了較重?zé)N，作為分離流的較重?zé)N可以具有比部分液化天然氣流更高的價(jià)值，還因?yàn)楣艿酪?guī)格經(jīng)常要求的加熱值低于包含大量較重?zé)N的液化天然氣提供的值。
額外的壓縮機(jī)馬達(dá)、泵和類似物(未示出)典型地由電能發(fā)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，如圖中所示，用于所有或大部分的這些操作的電能可以由產(chǎn)生的電能提供。
與如下過(guò)程相比，其中渦輪機(jī)的廢氣流用于其他目的，或者不經(jīng)熱回收就簡(jiǎn)單地排到大氣中，并且其使用通過(guò)燃燒化石燃料產(chǎn)生的電能作為主要電力源，利用本發(fā)明方法排放到大氣中的CO2量減少了高達(dá)60％。典型地，減少量可達(dá)至少35％。減少量典型地在約40％至約60％的范圍。
前述的

描述了本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。裝置及其相互作用已經(jīng)在上面討論了。
根據(jù)本發(fā)明的方法，輕質(zhì)烴氣體過(guò)程提供有被壓縮的制冷劑，其通過(guò)制冷劑壓縮機(jī)壓縮制冷劑而得到，所述壓縮機(jī)由渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)，該渦輪機(jī)產(chǎn)生升高溫廢氣流，該廢氣流被用來(lái)產(chǎn)生能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的在合適壓力下的蒸汽，利用該蒸汽產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的電能。
如前所述，本發(fā)明不涉及任何具體輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程，但是認(rèn)為本發(fā)明可應(yīng)用于并且有益于所有這些液化過(guò)程，該過(guò)程要求被壓縮的制冷劑和用于驅(qū)動(dòng)工藝設(shè)備等的所選組件的電能。
被壓縮的制冷劑所要求的溫度和壓力可以根據(jù)具體制冷過(guò)程廣泛地變換，所述過(guò)程提供有被壓縮的制冷劑。相似地，來(lái)自渦輪機(jī)的廢氣溫度可以在本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的限度內(nèi)變化。例如，典型地，渦輪機(jī)如Frame 7渦輪機(jī)(例如型號(hào)MS 7001EA，可以從General ElectricCompany得到)已經(jīng)可以用于這類應(yīng)用。如果需要也可以使用其它渦輪機(jī)，諸如Frame 5渦輪機(jī)(例如型號(hào)MS 5002C或MS 5002D)和Frame9渦輪機(jī)，都可以從General Electric Company得到。廢氣溫度可以根據(jù)所選具體渦輪機(jī)而變化。相似地，所產(chǎn)生的蒸汽的壓力和溫度可以在相當(dāng)廣泛的范圍內(nèi)變化，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，同時(shí)還提供了驅(qū)動(dòng)膨脹器或渦輪機(jī)以產(chǎn)生所需電能的能力。
盡管本發(fā)明已參照某些優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了描述，但是應(yīng)指出，所述的實(shí)施方案是說(shuō)明性的，而不是限制性的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)許多變化和修改是可行的?；趯?duì)上述優(yōu)選實(shí)施方案的描述的回顧，許多這樣的變化和修改被本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為是顯而易見(jiàn)的且是希望的。
權(quán)利要求
1.一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能，該方法包括a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過(guò)與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；c)利用來(lái)自b)的蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；和d)利用來(lái)自c)的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中使用多個(gè)制冷劑壓縮機(jī)和渦輪機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中渦輪機(jī)以壓縮的空氣流和輕質(zhì)烴氣體流作為燃料。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中空氣流和輕質(zhì)烴氣體流燃燒以產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的高溫高壓的氣流。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中壓縮的空氣流由軸向式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電能用在輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的電網(wǎng)上。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中渦輪機(jī)由連接到該渦輪機(jī)的起動(dòng)/輔助電動(dòng)機(jī)部分地驅(qū)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中制冷劑壓縮機(jī)是軸向式或離心式壓縮機(jī)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中與如下的參照裝置相比，輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程中的二氧化碳物排放物減少了高達(dá)約60％，在所述參照裝置中廢氣流用于其他目的，且其中由化石燃料燃燒產(chǎn)生的電能用作電網(wǎng)用電能的主要來(lái)源。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中輕質(zhì)烴氣體是天然氣。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中至少部分酸性氣體和至少部分比約C3重的烴氣體已經(jīng)從天然氣中除去。
12.一種減少二氧化碳排放物的方法，用于提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能，該方法基本上由以下步驟組成a)在制冷劑壓縮機(jī)中壓縮制冷劑，該制冷劑壓縮機(jī)由至少一個(gè)輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)至少部分地驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生壓縮的制冷劑，該渦輪機(jī)產(chǎn)生高溫廢氣流；b)通過(guò)與廢氣流的換熱從水或低壓蒸汽產(chǎn)生高溫高壓蒸汽；c)利用來(lái)自b)的蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)以產(chǎn)生機(jī)械能；和d)利用來(lái)自c)的機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能，用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程。
13.一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)，提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能，該系統(tǒng)包括a)制冷劑壓縮機(jī)，其具有低壓氣態(tài)制冷劑入口和高壓制冷劑出口，并且軸連接于輕質(zhì)烴氣體燃?xì)鉁u輪機(jī)，該渦輪機(jī)具有高溫廢氣出口；b)換熱器，其具有水或低壓蒸汽入口、高壓蒸汽出口、高溫廢氣入口和低溫廢氣出口，其中高溫廢氣入口與高溫廢氣出口流體連通，因此高溫廢氣在通過(guò)時(shí)與水或低壓蒸汽換熱，產(chǎn)生高壓蒸汽；c)由高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生用于輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的電能；和d)線路，其與高壓制冷劑出口和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的被壓縮制冷劑入口流體連通。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括多個(gè)壓縮機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器和發(fā)電機(jī)。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中渦輪機(jī)包括高壓空氣流的入口。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中軸向式壓縮機(jī)或離心式壓縮機(jī)連接于渦輪機(jī)以產(chǎn)生高壓空氣流。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括燃燒區(qū)，其具有高壓空氣流入口和輕質(zhì)烴氣體入口，其中高壓空氣流和輕質(zhì)烴氣體流燃燒以產(chǎn)生高壓氣流。
18.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中低壓氣態(tài)制冷劑從輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的制冷劑排放出口回收，并傳輸?shù)降蛪簹鈶B(tài)制冷劑入口。
19.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中與如下的參照裝置相比，輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程的二氧化碳排放物減少了高達(dá)約60％，在所述參照裝置中廢氣流用于其他目的，且其中由化石燃料燃燒產(chǎn)生的電能用作電網(wǎng)用電能的主要來(lái)源。
20.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括軸連接于渦輪機(jī)的電動(dòng)機(jī)軸，該電動(dòng)機(jī)由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力至少部分地發(fā)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種減少二氧化碳排放物的系統(tǒng)和方法，以提供制冷劑壓縮用的能量和輕質(zhì)烴氣體液化過(guò)程用的共用電能。
文檔編號(hào)F02C6/18GK1685188SQ03823352
公開(kāi)日2005年10月19日 申請(qǐng)日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者小里查德·約內(nèi)斯, 帕特里克·B·沃德 申請(qǐng)人:Bp北美公司