減少二氧化碳排放物的系統和方法
2023-12-12 11:41:17
專利名稱：減少二氧化碳排放物的系統和方法
技術領域：
本發明涉及通過如下系統和方法生產液化的輕質烴氣體，所述系統和方法可更有效地生產液化氣產物並減少向大氣中排放的二氧化碳(CO2)。
背景技術：
近些年，在附近很少有或沒有天然氣市場的偏遠地區，液化天然氣和其他輕質烴氣體持續引起人們的注意。位於這些偏遠地區的天然氣只有在通過管道或者別的方式運輸到市場上才有市場價值。在很多情況下，建造運輸這些天然氣的管道是不可行的。因此，在很多情況下，認為現場液化天然氣以便通過油船運輸到市場上是合適的。已知多種液化天然氣的過程。在大多數這些過程中，必須在液化前，處理天然氣以除去酸性氣體，並且以其他方式處理天然氣以除去水和比約C3重的烴。已知的天然氣冷卻過程包括使用多純組分製冷劑、多組分製冷劑或者它們的組合的過程。利用一個或多個製冷劑部分等的製冷過程可以被使用。已知多種這樣的過程，它們可以用於本發明。所有這些過程通常要求在一定壓力下製成可用的被壓縮的製冷劑，所以在冷卻時它可以液化，然後汽化以產生液化天然氣時需要的製冷。很多這些過程是很耗能的，並且要求大量能量輸入以壓縮製冷劑，使其重複循環通過製冷區，以得到至少部分地液化天然氣等所必需的製冷。而且，在處理天然氣以從其中除去酸性氣體或水、或除去較重的烴後，在很多情況下需要大量能量來重新壓縮天然氣。所有這些過程典型地要求大量的電能和機械能，並導致向大氣中排放大量二氧化碳(CO2)。最近，已經認識到向大氣中排放CO2對大氣是有害的。因此，認為在這樣的過程中應該減少CO2的排放量是適當的。這些過程典型地在那些有大量廉價燃料的地區進行。因此，幾乎沒有關於限制(X)2排放到空氣中的關注，因為將燃燒廢氣流簡單地排放到大氣中比限制消耗燃料量更方便和經濟，這是由於這些燃料在液化地點以很少成本或不需要成本就能容易地得到。如本領域中技術人員所知，烴燃料(特別是輕質烴氣體)通過輕質烴氣體燃氣渦輪機等已經廣泛地用於生產電能和機械能。最近，很明顯希望為輕質烴氣體液化過程提供一種用於提供壓縮製冷劑和電能的系統和方法，其中產生較小量的CO2排放物，且其中能現場生產用於該過程的機械能和電能。在很多情況下，特別是對於航空派生型(aeroderivative)的渦輪機如General Electric Company 的渦輪機型號 PGT16/LM1600、PGT25/LM2500、LM6000 和 PGT225+/ LM2500+HSPT，由於周圍空氣在溫度、溼氣等方面變化，產生了高達15%的功率損耗。大功率損耗顯著地降低在輕質烴氣體液化過程中產生的輕質烴氣體的量。為了避免該功率損耗，不斷努力對該系統和方法進行改進。
發明內容
根據本發明，一種減少二氧化碳排放物的方法提供了製冷劑壓縮用的能量和輕質烴氣體液化過程用的共用電能，該方法包括a)冷卻空氣流至約20°C以下的溫度以形成冷卻的空氣流；b)提供至少部分冷卻的進入空氣流到多個輕質烴氣體燃氣渦輪機；c)在由多個輕質烴氣體燃氣渦輪機驅動的多個壓縮機中壓縮製冷劑，該渦輪機以冷卻的進入空氣流和燃氣流作為燃料，且該渦輪機產生高溫的廢氣流；d)通過與廢氣流進行換熱以產生高溫高壓蒸汽；e)利用來自d)的蒸汽驅動蒸汽渦輪機以產生機械能；f)利用來自e)的機械能驅動發電機產生電能，用於輕質烴氣體液化過程中。本發明還包括一種減少二氧化碳排放物的系統，提供製冷劑壓縮用的能量和輕質烴氣體液化過程用的共用電能，該系統包括a)空氣冷卻器，具有空氣入口和至少一個冷卻空氣出口 ；b)多個輕質烴氣體燃氣渦輪機，每個渦輪機包括空氣壓縮機，該壓縮機具有冷卻空氣入口和壓縮空氣出口，所述冷卻空氣入口與空氣冷卻器的冷卻空氣出口流體連通，所述壓縮空氣出口與具有燃料入口和高溫高壓燃燒氣體出口的燃燒區流體連通，所述燃燒氣體出口與渦輪機的燃燒氣體入口流體連通以驅動渦輪機，該渦輪機具有低壓高溫廢氣出口 ；c)由渦輪機驅動的製冷劑壓縮機，具有低壓製冷劑入口和高壓製冷劑出口，製冷劑壓縮機軸連接到渦輪機；d)換熱器，具有水或低壓蒸汽入口、和蒸汽出口、和高溫低壓廢氣入口(其與低壓高溫廢氣出口流體連通)、和低壓低溫廢氣出口，所以低壓高溫廢氣在通過時與水或低壓蒸汽換熱以產生蒸汽和低溫低壓廢氣；e)蒸汽渦輪機，其與換熱器的蒸汽出口流體連通；f)軸連接到蒸汽渦輪機的發電機，這樣由蒸汽渦輪機產生的機械能用於驅動發電機並產生電能；和g)線路，其與高壓製冷劑出口和輕質烴氣體液化過程流體連通。
圖1示意性地顯示了一種減少二氧化碳排放物的系統。在附圖討論中，整個過程中相同的標號表示相同或者類似的組件。此外，為了獲得所示流通而需要的許多泵、閥、和其他本領域技術人員已知的設備為了簡化而沒有示出。
具體實施例方式在圖1中，所示的渦輪機10、10'、10〃和10'「被安置用來提供機械能，以驅動製冷劑壓縮機12、12'、12"和12'"，這些壓縮機被用來向液化過程提供壓縮的製冷劑。 渦輪機可以通過軸14、14'、14〃和14'「與製冷劑壓縮機12、12'、12〃和12'「相連， 這些壓縮機可以是軸向式、離心式、或軸向式或離心式組合壓縮機、或類似物。如圖所示，應該理解渦輪機不僅包括渦輪機，而且包括向該渦輪機供應壓縮空氣(典型地，其壓力為約 350至約SOOpsia)的軸向式、離心式壓縮機或類似物。渦輪機也可以軸連接到輔助/起動電動機，其可以用於起動渦輪機、或起動並驅動渦輪機。渦輪機由熱燃燒氣體發動，所述熱燃燒氣體包括由線路22和分配線路M導入到渦輪機中的高壓空氣。應理解線路22包括必需的閥，以便能調節進入每個渦輪機的流、或者能切斷通向任意或所有的渦輪機的流。線路22中的空氣由製冷單元16供應，該單元冷卻進入空氣流18至所需的溫度。優選地，將空氣冷卻至低於約20°C、優選約8°C至約15°C、更優選約10°C的溫度。在該溫度下，水可以從空氣中冷凝，並且如圖所示，水通過線路20排出。冷卻單元16可以是丙烷冷卻器、水/ 乙二醇體系冷卻器，或者也可以是本領域已知的通常用於冷卻空氣的任何其他類型的合適單元，例如使用任意的環境能接受的製冷劑介質的冷卻單元。如果需要，該單元也可以使用從液化氣的液化過程中得到的製冷劑來冷卻空氣。理想地，天然氣或者其他輕質烴氣體流作為燃料在合適的壓力(約350至約 SOOpsia)下通過線路沈提供給渦輪機，與空氣在燃燒區混合，產生高溫高壓(典型地，溫度為約觀00° F至約3000° F，壓力為約350至約800psi)熱燃燒氣體，用於驅動渦輪機。應該認為線路觀包括必需的閥(未示出)以調節通向任意或所有的渦輪機的流。當渦輪機被供以燃料和運行時，渦輪機驅動製冷劑壓縮機12、12'、12"和12'「以產生壓縮的製冷劑。壓縮的製冷劑典型地分別通過線路42、46、98、100由製冷劑壓縮機(壓力為約1至約75bar)產生。在各個製冷劑壓縮機中壓縮的製冷劑可以不同的量壓縮至不同壓力，可以是不同的製冷劑。這些變化沒有在圖中示出，但是如果需要，就很容易被該領域的技術人員實現。製冷劑可以在單個點或者不同點、以不同壓力傳輸到液化裝置設備54。如圖所示，用過的氣態製冷劑通過線路68被回收，並分別通過線路74、80、82和86傳回到製冷劑壓縮機中。雖然示出了四個製冷劑壓縮機，但是注意可以使用更多或更少的製冷劑壓縮機。所用的製冷過程的具體類型不認為是本發明的一部分。在所有天然氣液化過程中典型地要求大量壓縮的製冷劑。在很多的這些過程中，製冷劑可以包括多純組分製冷劑、多組分製冷劑和它們的組合。這些過程可以使用單個液化區、多個液化區、或它們的變體。所選的具體過程也不認為組成本發明的一部分。如圖所示，回收的用過的製冷劑通過線路68傳輸回到製冷劑壓縮機，從線路74、 80、82和86進行分配，或傳輸回到任意或所有的製冷劑壓縮機12、12'、12"和12'"。本領域的技術人員將理解，處理製冷劑用的多種排列是可能的和明顯的，這取決於在該一個或多個製冷區中實施的製冷過程類型。根據本發明，在製冷劑的壓縮中利用冷卻的進入空氣改善了壓縮部分的效率，從而取得改善的效率。壓縮步驟增加了進入空氣的溫度，該溫度可對可能的壓縮設置上限。在將空氣引入到渦輪機的空氣壓縮部分之前冷卻空氣，這允許空氣的更大壓縮，由此增加了渦輪機的能量輸出，因為空氣以初始較低的溫度引入。而且冷卻器允許空氣在近似恆溫下裝料。當空氣與燃料燃燒時，產生了熱的高壓高溫氣體，用來驅動渦輪機。從渦輪機中排出的廢氣是高溫低壓廢氣。這些氣體可以通過線路30排出。這些氣體通過換熱器部分32傳輸，此處可以使用常規的換熱方法回收來自廢氣流的熱量。然後可以按需要將冷卻的廢氣流(溫度低於約180° F)通過線路33排到大氣或類似物中。低溫蒸汽或水被用作在換熱器32中的換熱介質，從而產生高壓蒸汽(典型地，壓力為約400至約1200psi)，該蒸汽通過線路34被回收，並傳輸到發電機36。在發電機36中，高壓蒸汽被用來驅動渦輪機或類似物以產生電能，所述電能被放在用來運行輕質烴氣體液化過程的電網中。通過線路38回收的排出流典型地是在先前被處理以用來產生蒸汽的水、或者是低溫低壓蒸汽。如果需要，可以通過線路40加入補充水，與循環的水和蒸汽等的混合物一起加入到換熱器32中。通過本發明的過程，通過使用在控制溫度下的冷卻空氣作為渦輪機/空氣壓縮機系統的進入空氣，獲得了改善的效率。這允許在空氣壓縮機允許的最大溫度下壓縮更大分子數量的空氣。空氣壓縮機和製冷劑壓縮機典型地都是軸向式壓縮機、離心式壓縮機或本領域技術人員已知類型的壓縮機。通過本發明的實施，不僅改善了渦輪機的效率，而且產生於廢氣的電能導致不需要燃燒額外的化石燃料就可生產電能。因此，所公開的輕質烴氣體液化過程的CO2排放物比如下相似過程減少了多達60%，在該相似過程中渦輪機的廢氣不經熱回收就簡單地排出， 且其中由化石燃料燃燒產生的電力用作運行液化過程的電力的主要來源。根據本發明，(X)2 排放物最多可以減少60%。典型地，減少量為至少約35%，理想地為約40%至約60%。根據上述的系統說明已經描述了過程操作。然而，應注意，最常見的液化輕質烴氣體是天然氣。同樣要注意，如本領域技術人員所知，天然氣典型地在液化之前被處理，以除去至少大部分酸性氣體化合物，按需要除去水、和除去C3+烴氣體。較重氣體的除去符合一系列的原因。首先，這些氣體作為產品比它們作為液化天然氣流的部分更有價值。此外，這些較重烴氣體可導致如下問題在液化過程中在不希望的位置冷凝。此外，這些較重烴的存在會增加管道氣體的BTU值，使其超過正常規格，所述管道氣體來自天然氣的液化。這會要求用氮或氣體惰性氣體進行稀釋的不希望的步驟。還如先前所述，本發明被認為可用於基本上所有的天然氣液化過程，所述過程需要壓縮製冷劑和電能。如圖所示，LNG從設備M經線路70被回收，並傳輸到LNG存儲和排出設備76。蒸發氣流84從設備76傳輸到設備M。如前所述，渦輪機可以用來產生相同類型或不同類型的壓縮製冷劑。它們也可以用來產生不同壓力和不同體積的壓縮製冷劑。此外，雖然圖中示出四個渦輪機，但是應理解為可以使用更多或更少的渦輪機。本發明的主要優點在於，空氣冷卻單元16是獨立的單元。所示的該單元用來為四個渦輪機和壓縮機系統提供服務。通過適當地按一定尺寸製造的冷卻單元也可為額外的系統提供服務。提供這樣的單元以向單個渦輪機或渦輪機/空氣壓縮機提供冷卻空氣是不太經濟的，但是當該單元可以用於向多個渦輪機單元提供冷卻的空氣時，它將是經濟上有利的。如本領域技術人員所知，當天然氣液化過程擴大時，它們典型地以單元形式來擴大。換句話說，加入額外的液化區以及額外的壓縮機和渦輪機，從而增加整個過程的產量。利用合適的尺寸，空氣冷卻單元16可以向大量的渦輪機/空氣壓縮機單元提供冷卻空氣。這就使每個單元的效率顯著增加，且空氣冷卻器16的運行成本當分配到大量渦輪機的運行上時是相當低的。通過空氣冷卻器16提供服務的渦輪機數目越多，使用單個空氣冷卻器向所有單元提供冷卻空氣的經濟效益就越大。通過進一步組合該過程與來自熱廢氣的電能的回收，在整個過程中獲得極大的效率改進。儘管本發明已參照某些優選實施方案進行了描述，但是應指出，所述的實施方案是說明性的，而不是限制性的，許多變化和修改在本發明的範圍內是可行的。基於對上述優選實施方案的描述的回顧，許多這樣的變化和修改被本領域技術人員認為是顯而易見和希望的。
權利要求
1.一種減少二氧化碳排放物的方法，用於提供製冷劑壓縮用的能量和輕質烴氣體液化過程用的共用電能，該方法包括a)在獨立冷卻器中冷卻空氣流至約20°C以下的溫度以形成冷卻的進入空氣流；b)從所述獨立冷卻器提供冷卻的進入空氣流到多個輕質烴氣體燃氣渦輪機；c)在由所述多個輕質烴氣體燃氣渦輪機驅動的多個壓縮機中壓縮製冷劑，所述渦輪機通過冷卻的進入空氣流和燃料氣流供以燃料，且渦輪機產生高溫廢氣流；d)通過與廢氣流進行換熱產生高溫高壓蒸汽；e)利用來自d)的蒸汽驅動蒸汽渦輪機以產生機械能；和f)利用來自e)的機械能驅動發電機以產生電能，用於輕質烴氣體液化過程中。
2.如權利要求1所述的方法，其中空氣流被獨立冷卻器冷卻，用於多個輕質烴氣體燃氣渦輪機。
3.如權利要求1所述的方法，其中空氣被冷卻到約8至約15°C的溫度。
4.如權利要求1所述的方法，其中獨立冷卻器通過與流體或表面的換熱來冷卻空氣， 所述流體或表面可以獨立於輕質烴氣體液化過程和輕質烴氣體液化過程製冷劑操作。
5.如權利要求1所述的方法，其中冷卻的進入空氣被壓縮並且與燃料氣體混合用於燃燒，以給多個渦輪機供應燃料。
6.如權利要求1所述的方法，其中與如下的參照過程相比，輕質烴氣體液化過程的二氧化碳排放物減少了高達約60 %，在該參照過程中不使用空氣冷卻，不使用從廢氣流中回收熱量，並且由化石燃料燃燒產生的電能用作輕質烴氣體液化過程用的電能的主要來源。
7.如權利要求1所述的方法，其中輕質烴氣體是天然氣。
8.如權利要求7所述的方法，其中比約C3重的至少部分烴氣體和至少部分酸性氣體被從天然氣中除去。
9.如權利要求1所述的方法，其中獨立冷卻器為丙烷冷卻器或水/乙二醇冷卻器。
10.一種減少二氧化碳排放物的方法，用於給輕質烴氣體液化過程提供被壓縮製冷劑的壓縮和共用電能，該方法基本上由以下步驟組成a)在獨立冷卻器中冷卻空氣流至約20°C以下的溫度以形成冷卻的空氣流；b)從所述獨立冷卻器提供冷卻的進入空氣流到多個輕質烴氣體燃氣渦輪機；c)在由多個輕質烴氣體燃氣渦輪機驅動的多個壓縮機中壓縮製冷劑，所述渦輪機通過冷卻的進入空氣流和燃料氣流供以燃料，且該渦輪機產生高溫廢氣流；d)通過與廢氣流進行換熱產生高溫高壓蒸汽；e)利用來自d)的蒸汽驅動蒸汽渦輪機以產生機械能；和f)利用來自e)的機械能驅動發電機以產生電能，用於輕質烴氣體液化過程中。
11.一種減少二氧化碳排放物的系統，用於提供製冷劑壓縮用的能量和輕質烴氣體液化過程的共用電能，該系統包括a)獨立冷卻器，其具有空氣入口和至少一個冷卻空氣出口；b)多個輕質烴氣體燃氣渦輪機，各自包括空氣壓縮機，該壓縮機具有空氣入口和壓縮空氣出口，所述空氣入口與所述獨立冷卻器的冷卻空氣出口流體連通，所述壓縮空氣出口與具有燃料入口和高溫高壓燃燒氣體出口的燃燒區流體連通，所述燃燒區的燃燒氣體出口與渦輪機的燃燒氣體入口流體連通以驅動渦輪機，該渦輪機具有低壓高溫廢氣出口 ；c)由至少一個所述渦輪機驅動的製冷劑壓縮機，其具有低壓製冷劑入口和高壓製冷劑出口，該壓縮機軸連接到渦輪機；d)換熱器，其具有水或低壓蒸汽入口、蒸汽出口、高溫低壓廢氣入口、和低壓低溫廢氣出口，所述高溫低壓廢氣入口與低壓高溫廢氣出口流體連通，使得低壓高溫廢氣在通過時與水或低壓蒸汽換熱，以產生高壓蒸汽和低壓低溫的廢氣；e)蒸汽渦輪機，其與換熱器的蒸汽出口流體連通；f)發電機，其軸連接到蒸汽渦輪機，使得由蒸汽渦輪機產生的機械能用於驅動發電機並產生電能；和g)線路，其與高壓製冷劑出口和輕質烴氣體液化過程流體連通。
12.如權利要求11所述的系統，其中空氣壓縮機是軸向式空氣壓縮機或離心式空氣壓縮機。
13.如權利要求12所述的系統，其中空氣壓縮機是多級軸向式空氣壓縮機或多級離心式空氣壓縮機。
14.如權利要求11所述的系統，其中與如下參照過程相比，輕質烴氣體液化過程的二氧化碳排放物減少了高達約60 %，在該參照過程中不使用空氣冷卻，廢氣流被排出或者用作其他目的，並且由化石燃料燃燒產生的電力用作輕質烴氣體液化過程用的電力的主要來源。
15.如權利要求11所述的系統，其中所述獨立冷卻器是丙烷或水/乙二醇空氣冷卻器。
16.如權利要求11所述的系統，其中多個渦輪機中的每一個與所述獨立冷卻器的冷卻空氣出口流體連通。
17.如權利要求11所述的系統，其中水或低壓蒸汽和低壓高溫廢氣以逆流換熱的方式通過。
18.如權利要求11所述的系統，其中低壓製冷劑從輕質烴氣體液化過程傳輸到低壓製冷劑入口。
19.如權利要求18所述的系統，其中電能被傳輸用於輕質烴氣體液化過程的供電網。
20.如權利要求11所述的系統，其中渦輪機可以在不同的選定壓力下產生壓縮製冷劑。
全文摘要
本發明提供了減少二氧化碳排放物的系統和方法，用於提供製冷劑壓縮用的能量和輕質烴氣體液化過程用的共用電能，所述方法包括(a)在獨立冷卻器中冷卻空氣流至約20℃以下的溫度以形成冷卻的進入空氣流；(b)從所述獨立冷卻器提供冷卻的進入空氣流到多個輕質烴氣體燃氣渦輪機；(c)在由所述多個輕質烴氣體燃氣渦輪機驅動的多個壓縮機中壓縮製冷劑，所述渦輪機通過冷卻的進入空氣流和燃料氣流供以燃料，且渦輪機產生高溫廢氣流；(d)通過與廢氣流進行換熱產生高溫高壓蒸汽；(e)利用來自(d)的蒸汽驅動蒸汽渦輪機以產生機械能；和(f)利用來自(e)的機械能驅動發電機以產生電能，用於輕質烴氣體液化過程中。
文檔編號F02C6/18GK102345966SQ20111026357
公開日2012年2月8日 申請日期2003年9月29日 優先權日2002年9月30日
發明者小裡查德·約內斯, 派屈克·B·沃德 申請人:Bp北美公司