PROCESS TO INCREASE THE THERMAL VALUE OF A GAS

Abstract: 1. Method of increasing the calorific value of a gas having a low calorific value, e.g. natural gas, coke-oven gas, by the addition of a gas component having a higher calorific value, e.g. propane, propane mixture, wherein a gas is heated and the two gases are mixed together by means of spraying, the heating being effected by a heat exchanger, characterised in that the gas having a higher calorific value is brought to a pressure above its two-phase range (wet vapour region), is subsequently heated and then mixed with the gas having a low calorific value, the heating of the gas having a higher calorific value is effected until the gas expands to the pressure of the gas having a low calorific value and further to the partial pressure of the gas having a higher calorific value, the expansion in the gas mixture being effected outside the wet vapour region of the gas having a higher calorific value.

Description: Verfahren zur Erhöhung des Heizwertes eines Gases Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung des Heizwertes eines Gases von niedrigem Heizwert, z. B. Erdgas, Koksgos, durch Zusetzen eines Gases von höherem Heizwert, z. B. Propan, Propan-Mischung, bei dem ein Gas erwärmt und die beiden Gase mittels Verdüsung miteinander vermischt werden, wobei die Erwärriiung mittels eines Wärmetauschers durchgeführt wird. Zur Aufwertung eines Gases von niedrigem Heizwert, z. B. Erdgas, in ein Gas mit höherem Heizwert wird dem Gas mit niedrigerem Heizwert häufig eine Gaskomponente von höherem Heizwert zugesetzt, wobei es sich bei Erdgas im allgemeinen um das Zusetzen von Propan handelt. Unter Propan ist reines Propan, Propan mit Äthan-Gcmisch, Propan mit Butan-Gemisch oder Propan mit äthan und Butan gemischt zu verstehen. In der herkömmlichen Methode der Erhöhung des Heizwertes wird dos Erdgas oder dergleichen in einem Seitenstrom erwörmt und es wird die Gaskomponente höheren Heizwertes, vor allem Propan, in diesen erwärmten Gasstrom eingedüst. Nach einer Mischstrecke wird der Seitenstrom wieder in die Hauptleitung eingeführt. Bei dieser Methode kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich bis zur vollständigen Durchmischung des Propans mit dem Erdgas, welchem gleichzeitig Energie entzogen wird, eine flüssige Propanphase mit der möglichen Gefahr der Abscheidung an der Rohrwandung ergibt. Es wird dem angewärmten Erdgas durch Verdampfung von eingespritztem kaltem Propan oder dergleichen Wärme entzogen. Eine vollständige Verdampfung ohne Ausscheidung von flüssigem Propan oder dergleichen setzt eine sehr feine Einspritzung und eine gleichmässige Verteilung des Propans voraus, was in der Praxis schwierig einzuhalten ist. Eine weitere herkömmliche Methode überwindet den Nachteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens, indem dos dem Erdgas zuzumischende Propan verdampft wird. Der Druck des Propandompfes wird nur unwesentlich über dem Gasdruck in der Erdgasleitung liegen, welcher bei regionalen Verteilungssystemen im Bereich von 20 bis 35 bar liegen wird. Im Propanverdampfer liegen bei diesen Drucken zwei Phasen vor, flussiges und gasförmiges Propan. Ein Mitreissen von flüssigem Propan in den Gasstrom muss über einen grossen Dampfraum oder über einen nachgeschalteten Abscheider verhindertwer- den, da die flüssige Phase in der Dampfleitung zu Flüssigkeitsschlägen und Unregelmässigkeiten in der nachgeschalteten Mengenregelung führt. Zu dem hohen apparativen Aufwand kommt eine komplexe Regelung für das Flüssigkeitsniveau im Verdompfer und die Mengenregelung der Zumischung. Dieses System der Verdampfung führt udcm bei steigenden Drücken in der Nähe des kritischen Druckes von Propan zu Schwierigkeiten in der Flüssigkeitsniveou-Rege- lung im Verdompfer. Aufgabe der Erfindung ist es, das Anreichern des Gases von niedrigem Heizwert, insbesondere von Erdgas, durch Zumischen einer Gaskomponente von höherem Heizwert, vornehmlich Propan oder dergleichen, sicherer und wirksamer durchzuführen. Bei dem Verfahren der anfangs genannten Art zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass das Gas von höherem Heizwert, z.B. Propan oder dergleichen, erwärmt und dieses erwärmte Gas von höherem Heizwert dem Gas von niedrigerem Heizwert, z. B. Erdgas, zugemischt wird. Bei einem solchen Verfahren bleibt das durch die hohe Leistung, z. B. die Versorgungsleitung oder dergleichen, strömende Gas von niedrigem Heizwert unbehandelt und es wird die zu einer vollkommenen Gasmischung notwendige Wärmemenge bei im wesentlichen unveränderter Temperatur des Gases von niedrigem Heizwert in der Rohrleitung durch Anwärmen des zuzumischenden Gases zugeführt. Die Einspeisung des Gases von höherem Heizwert, d. h. von Propan oder dergleichen, erfolgt unmittelbar in die Erdgasleitung, ohne dass die Gastemperaiur angehoben werden muss. Bei Entspannen des erwärmten Propons oder dergleichen auf den Gosdruck in der Rohrleitung und weiter auf den Partialdruck in dem Gosgemisch wird bei ausreichender Anwärmung des Gases höheren Heizwertes, insbesondere von Propan, eine Zweiphasenbildung mit entsprechendem Nachteil bei der Mischung des Propans mit dem Leitungsgas verhindert. Verglichen mit dem üblichen System von angewörmtem Gas von niedrigerem Heizwert und kalten zuzuführenden Gas von höherem Heizwert ist bei dem unbehandelten Gas von niedrigerem Heizwert, d. h. von Erdgas, und warmen Propan oder dergleichen, ein geringerer Unterschied der Dichte gegeben. Die Durchmischung der Komponenten erfolgt rascher, wobei die Gefahr einer Ausscheidung von flüssigem Propan oder dergleichen an dem Rohrrand praktisch ausgeschaltet ist. Die zur Gemischbildung zuzuführende lVörmemenge ist bereits in dem eingespritzten Gas von höherem Heizwert, z.B. des Propansoder dergleichen, enthalten. Während der Gemischbildung wird die Konzentration von 100 % Propan oder dergleichen auf die ge wünschte Konzentration absinken. Dobei gehen Verdünnung und Tem peraturabsenkung parallel, so dass es nicht zu einer Flüssigkeitsabscheidung kommen kann. Weiterhin ergibt sich ein Wärmetauscher geringerer Abmessungen verglichen mit einer Anwärmevorrichtung für Gas von niedrigem Heizwert gleicher Wärmeleistung, da bessere Wösmeübergangsverhältnisse geschaffen sind. Der bauliche Aufwand für den Wörmetouscher wird geringer. Dabei können auch die Wärmeverluste, z. B. durch Abstrahlung oder dergleichen, niedriger gehalten werden. Man kann weiterhin die Erdgasleitung oder dergleichen unterirdisch weiterlaufen lassen. Eine By-Pass-Leitung ist nicht erforderlich. Das Verfahren der Erfindung ist im Prinzip vom Druck in der Erdgasleitung unabhängig. Die zuzusetzende Gaskomponente von höherem Heizwert, vornehmlich Propan oder dergleichen, wird gemöss einem weiteren Merkmal der Erfindung auf einen Druck oberhalb seines Zweiphasenbereiches (Nassdampfgebiet) gebracht, d. h. auf einen Druck oberhalb des kritischen Punktes gepumpt und donoch erwärmt, d. h. z.B. durch einen Zwangsdurchlauf-Wärmetauscher geführt. Die Anwärmung richtet sich nach der für das Gemisch erforderlichen Wärmemenge. Die Erwärmung wird wenigstens so weit durchgeführt, dass bei der Entspannung des Gases von höherem Heizwert auf den Druck des Gases von niedrigem Heizwert und weiter bis zum Partialdruck des Gases von höherem Heizwert die Entspannung in dem Gasgemisch ausserhalb des Nossdampfgebietes des Gases von höherem Heizwert erfolgt. Damit ist sichergestellt, dass das Entstehen einer flüssigen Pro ponphase mit einer möglichen Gefahr der Abscheidung an der Rohrwandung der Erdgasleitung nicht eintreten kann. Wenn dos Gas von niedrigem Heizwert in der Transportleitung einen Druck aufweist, der über dem kritischen Punkt in bezug auf dos Nassdampfgebiet des zuzumischenden Gases von höherem Heizwert liegt, kann das erwärmte Gas von höherem Heizwert bei einem entsprechenden Druck unmittelbar zugedüst werden. Wenn der Druck des Gases von niedrigem Heizwert unterhalb des vorstehend erläuterten kritischen Druckes des Gases von höherem Heizwert liegt, wird der höhere Druck in dem Anwärmer für das Gas von höherem Heizwert vorteilhaft über eine Druckregelung sichergestellt, und zwar unmittelbar nach der Erwärmung des Gases von höherem Heizwert. Eventuell zuviel geförderte Menge von der Gaskomponente von höherem Heizwert kann zu seinem Vorratsraum wieder zurückgeführt werden. Dies geschieht zweckmässig unmittelbor nach der Pumpe, d. h. dem kalten Bereich des Gases von höherem Heizwert, z. B. des Propons. Dadurch lässt sich die Überströmleitung in den Lagertank zurückführen. Für den letzteren Fall ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die auf Druck gebrachte Gaskomponente von höherem Heizwert vor der Erwärmung über einen Speicherraum geführt wird. Dies hat den Vorteil, dass, selbst wenn die Leitung bei Betrieb des Wärmetouschers beidseitig abgesperrt wird, das worme, sich ausdehnende Gas von höherem Heizwert, z. B. Propan oder dergleichen, zurück in den Speicherraum drücken kann. Im Falle des Ansprechens eines Drucksicherheitsventils wird lediglich kaltes Propan oder dergleichen zurück in den Sammelbehälter gefördert werden. Die Erwärmung des Gases von höherem Heizwert kann zweckmässig mittels eines Wörmeträgerkreislaufes vorgenommen werden. Sie kann mittels des Wärmetauschers durch Hochdruckdampf erfolgen, wobei der Kessel zur Erzeugung des Hochdruckdampfes mittels des Gases des niedrigen Heizwertes, z. B. Erdgas, oder des Gases des höheren Hnizwertes, z. B. Propan, geheizt werden. Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Verfahrensbeispiele und der zugehörigen Zustandsdiagramme nicht stehend erläutert, wobei es sich im ersten Beispiel um die Vermischung von Erdgas und Propan und in dem zweiten Beispiel um die Herstellung eines Gemisches von Koksgas und Propan handelt. Fig. 1 zeigt das Verfahrensschema des ersten Beispiels, während Fig. 2 das Verfahren im Zustandsdiagramm für Propan veranschau- licht. Fig. 3 stellt das Verfahrensschema des zweiten Beispiels dar, und Fig. 4 erläutert das Verfahren im zugehörigen Zustandsdiagramm für Propan. Bei dem Beispiel 1 der Fig. 1 und 2 fliesst durch eine Ferngaslei tung 1 mit einem Betriebsdruck von 60 bar Erdgas mit folgender Zusammensetzung: C02 0.98 Mol. % N2 8.82 Mol. % CH4 88.7 Mol. % C2H6 1.37 Mol. % C3H8 C-.09 Mol. % C4H10 0.03 Mol. % C5+ 0.01 Mol. % Die Temperatur in der Leitung 1 unterscheidet 278 K nicht. Zur theizwerterhöhung des Erdgas soll Propon zugesetzt werden, wobei ein Ausscheiden von flüssigem Propan und schwereren Gcsbesiandtei- len in der Tronsportleitung zu verneiden ist. Aus dem Vorratsloger 2 wird Propan auf den zur Eindüsung bei 3 in die Erdgasleitung 1 erforderlichen Druck gebracht, z. B. durch eine mehrstufige Kreiselpumpe 4. Überflüssiges Propan wird über ein Regelventil 5 und die Leitung 6 zurück zum Vorratslager 2 gefördert. Es erfolgt eine Mengenregelung über eine entsprechende Steuerungsvorrichtung 7 für die Regelung der Propan-Zugabe. In die Vorrichtung 7 werden die Werte einer Vorrichtung 8 betreffend Temperatur, Druck und Gasanalyse, einer Vorrichtung 9 betreffend Taupunktbestimmung und einer Vorrichtung 10 betreffend Mengenmessung eingebracht. Eine Steuerleitung 11 führt zu dem Regelventil 5 über eine Mengenmessvorrichtung 12 zu dem Regelventil 5. Das von der Mengenregelung bestimmte Propan in einem AJärmetau- scher 14 wird auf ca. 400 K angewärmt und über eine isolierte Leitung 15 zum Eindüsungsorgan 3 an der Erdgasleitung 1 geführt. Dort erfolgt die Durchmischung mit dem Erdgas unter Abkühlung des Propans. Zur Erwärmung des Propans mittels des Wärmetauschers 14 dient ein Wärmeträgerkreislauf 16, in dem eine Pumpe 17 und ein Kessel 18 angeordnet sind. Mit dem Kessel 18 kann beispielsweise Hochdruckdampf durch Verbrennung von Propan, Erdgas oder einem anderen Brennmittel erzeugt werden. Mittels einer weiteren Steuerleitung 19 und einer Temperaturmessvorrichtung 20 wird die Leistung des Kessels 18 reguliert. In der Fig. 2 ist dos Verfahren der Fig. 1 in einem i-logp-Zustandsdiagramm dargestellt. Linie 1 beschreibt die Druckerhöhur1g im Flüssigkeitsbereich vom Lagerdruck ouf ca. 60 bar (Der Pumpendruck wird um die apparate-bedingten Druckverluste oberhalb des Erdgasdruckes liegen). Linie 2 veranschaulicht die Temperaturerhöhung und Volumenönderung durch Wärmezufuhr. 0 Bei einer Erdgastemperatur von +5 C mit obiger Zusammensetzung und Druck kann eine Propan-Zugabe von 8 Mol. % ohne Bildung von Kohlenwasserstoffkondensot möglich sein. Dies wird einem Partial- druck des Propans in der Gasmischung von 4.8 bar entsprechen. Die Entspannung des Propans erfolgt ohne Arbeitsleistung, Wärmezufuhr oder Abfuhr aus dem Gesamtgemisch, d. h. ediabatisch (Enthalpie konstant), und ist durch die Linie 3 dargestellt. Die Entspannung erfolgt im Gasbereich. Eine Zweiphasenbildung mit der Möglichkeit der Abscheidung von Flüssigkeit ist vermieden. Diese Darstellung der Propan-Entspannung auf den Partialdruck im Erdgasgemisch ist eine Vereinfachung, welche lediglich veranschaulichen soll, wie die zur Mischung notwendige Energie aus dem erwärmten Propan genommen wird. Die gestrichelte Linie deu- tet an, wie die Zustandsönderung des Propans beim konventionellen Verfahren verläuft, wobei bis zur vollstondigen Durchmischung mit dem Erdgas, welchem gleichzeitig Energie entzogen wird, eine flüssige Proponphase mit der möglichen Gefahr der Abscheidung an der Rohrwandung vorhanden ist. Eine Nochrechnung mittels EDV als Vielkomponentensystem der Gemischbildung aus Propan bei 60 bar und 400 K sowie dem Erdgas bei 60 bor und 278 K ergab eine Gemischtemperatur oberhalb 280 K, d.h. die Anwärmung war ausreichend. Der Taupunkt des Gemisches wurde zu weniger als 260 K bestimmt, d. h. ein Ausscheiden von flüssigen Kohlewasserstoffen bei einer Betriebstemperatur von 278 K ist vermieden. Bei dem zweiten Beispiel der Fig. 3 und 4 strömt durch eine Verteilerleitung la Koksgas bei 20 bar und Temperaturen oberhalb 265 K. Die Zusammensetzung des Gases ist wie folgt (Ruhrgas): N2 9.3 Mol. % 02 0.4 Mol. so Co 5.4 Mal. So C02 2.2 Mol. % H2 56.8 Mol. % CH4 24.3 Mol. % C2H6 1.6 Mol. % Die Zugabe von Propan soll der Heizwerterhöhung dienen, wobei eine Zugabe von 15 Mol. % Taupunktprobleme nicht erwarten lässt. Aus dem Propanlager 2a (Fig. 3) wird Propan mittels einer Verdrän aerpumpe 4a, z. B. eine zur Mengenregelung dienende Membrandosierpumpe, auf einen Druck von ca. 50 bor gebrocht. Ein Druckregler 22 hält diesen Druck konstant, da der Gasdruck in der Koksgasleitung la wesentlich niedriger liegt. Die Pumpe 4a fördert in einen Puffer- oder Speicherbehälter 23. Dieser dient als Pulsationsdämpfer oder Speicher von kaltem Propan. Wenn der Druckregler 22 die Propan-Einspeiseleitung 15a absperren sollte, könnte sich das in dem Anwärmer 14 ousdehnende Propan in den Speicherbehölter 23 entspannen. Uber dos Überdruck ventil 24 des Speicherbehälters 23 wird jedoch nur kaltes Propon in den Lagerbehälter 2a gedrückt. Auf diese Weise vermeidet man ein Entsponnen von wormem Propan direkt in die Atmosphäre. Der Wärmetauscher 14 und der Wärmeträgerkreislauf 16, 17, 18 können wie im Beispiel 1, Fig. 1, ausgeführt werden. Der Vorrichtung 7 a zur Regelung der Propan-Zugabe werden MeSwer- te der Vorrichtung 25 betreffend Heizwertbestimmung und der Vorrichtung 26 betreffend Mengenmessung, Volumen, Temperatur und Druck zugeleitet. Eine Steuerleitung 11a führt zu der Propan Dosierpumpe 4a. Die Propan-Mengenregelung entspricht dem Gasbedarf und die Heizwerteinstellung erfolgt unmittelbor an der Dosierpumpe durch Änderung der Fördermenge. Die Verfahrensweisen des Beispiels 2 sind in dem Propan-Zustands diagramm der Fig. 4 dargestellt. Linie 1 stellt die Druckerhöhung des Propans, Linie 2 die Erwärmung auf ca. 390 K dar. In dem Druckregeler 22 und dem Einspritzpunkt 3 erfolgt die Drosselung auf den Leitungsdruck von 20 bar (Linie 3). Die weitere Entspannung von Propan auf den Partialdruck von ca, 3 bar im Gasgemisch ist durch die Linie 4 dargestellt und nur als Annäherung zu werten. Die Einspritzvorrichtung 3 besteht vorteilhaft aus einem Behälter oder einer Rohrerweiterung 28 und einer oder mehreren Einspritzdüsen 29, wobei die Anordnung der Düsen eine gute Durchmischung garantiert, z. B. bei Eindüsung in Gegenstromrichtung zum Koksgasdurchfluss. Für die Düse könnte'z. B. eine federbelastete Bauart gewahlt werden. Bei Vorhandensein von mehreren Düsen können diese mit unterschiedlich grossen Federbelastungen ausgerüstet sein, um 7U erreichen, dass mit steigendem Vordruck die Düsen nocheinunder in Tätig'eist treten.

Claims: PatentansprUche : 1. Verfahren zur Erhöhung des Heizwertes eines Gases von niedri gem Heizwert, z. B. Erdgas, Koksgas, durch Zusetzen einer Gas komponente von höherem Heizwert, z. B. Propan, Propan-Mischung, bei dem ein Gas erwärmt und die beiden Gase mittels Verdüsung miteinander vermischt werden, wobei die Erwärmung mittels ei nes Wärmetauschers durchgeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Gaskomponente von höherem Heizwert erwärmt und das erwärmte Gos von höherem Heizwert dem Gas von niedrigem Heizwert zugemischt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Gas von höherem Heizwert auf einen Druck oberhalb seines Zweiphasenbereiches (Nassdampfgebiet) gebracht und danach erwärmt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erwärmung des Gases von höherem Heizwert so weit durchgeführt wird, dass bei der Ent spannung dieses Gases auf den Druck des Gases von niedrigem Heizwert und weitere bis zum Partialdruck des Gases von höhe rem Heizwert die Entspannung in dem Gasgemisch ausserhalb des Nassdampfgebietes des Gases von höherem Heizwert erfolgt. 4. Verfahren noch einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei einem Druck des Gases von niedrigem Heizwert unterhalb des kritischen Druckes in bezug auf das Nassdampfgebiet des Gases von höherem Heizwert der höhere Druck bei der Erwärmung des Gases von höherem Heizwert über eine Druckregelung nach der erwärmung der Gas kcmponente von höherem Heizwert schergestllt wird. 5. Verfahren noch einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zuviel gefördertes Volumen der Gaskomponente von höherem Heizwert zu dem Vorratsbehälter dieses Gases zurückgeführt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die auf Druck gebrachte Gaskomponente von höherem Heizwert vor der Erwärmung über einen Speicherraum geführt wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erwärmung der Komponen te von höherem Heizwert mittels eines Wärmeträgerkreislaufes vorgenommen wird. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Eindüsung der Komponen te von höherem Heizwert in eine Rohrerweiterung (28) (oder ei nen Behälter) in der Leitung des Gases mit niedrigem Heizwert erfolgt. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Eindüsung der Komponen te von höherem Heizwert im Gegenstrom zum Gas mit niedrigem Heizwert erfolgt. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Eindüsung über federbe lostete Düsen (29) erfolgt. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass bei mehreren Düsen unter schiedliche Fcderbelsstungen gcwählt werden, so dass mit stei gdem Vordruck eine DUse noxh der onderen öffnet.

Inventors: BRUMSHAGEN, WILHELM, DIPL.-ING., PAPMAHL, FRITZ, DIPL.-ING.
Applicants: LGA GASTECHNIK GMBH
Application year: 1981
Main classification: C10L3
IPC codes: C10L3, C10K3