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 150 МВт 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

Окончание табл. 2.1.1

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.