Sistema y método para generación de energía con alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo de nitrógeno gaseoso.

Un sistema de producción de energía, que comprende:

un primer combustor (3) configurado para quemar una primera corriente (26) de combustible y una primera corriente (51) de aire en presencia de una primera corriente (57) de reciclado para producir una primera corriente (27) de combustión;

una primera turbina (5) configurada para expandir la primera corriente (27) de combustión;

un primer intercambiador (2) de calor configurado para recibir al menos una parte (58) de una primera corriente (28) de descarga desde la primera turbina (5),

en donde el primer intercambiador (2) de calor está configurado para emplear la parte (58) de la primera corriente (28) de descarga para calentar la primera corriente (51) de aire y al menos una parte (60) de la primera corriente de reciclado (57) que es producida a partir de la primera corriente (28) de descarga;

un segundo combustor (4) configurado para quemar una segunda corriente (24) de combustible y una segunda corriente (21) de aire en presencia de una segunda corriente (40) de reciclado que es producida a partir de la primera corriente (28) de descarga para producir una segunda corriente (23) de combustión;

una segunda turbina (6) configurada para expandir la segunda corriente (23) de combustión; y

un segundo intercambiador (1) de calor configurado para calentar la segunda corriente (21) de aire y la segunda corriente (40) de reciclado.

Sistema y método para generación de energía con alta eficiencia utilizando un fluido de trabajo de nitrógeno gaseoso Campo de la descripción

La presente descripción proporciona métodos de alta eficiencia para la producción de energía utilizando un fluido de trabajo de N2 con combustión de un combustible en aire.

Antecedentes

El documento US 29/3154 describe un sistema de turbina que incluye una turbina de gas con un sistema de combustión de recalentamiento y un sistema de recirculación de gas de escape (EGR, por sus siglas en inglés).

El documento EP 1 429 A1 describe un método y dispositivo para hacer funcionar una turbina de gas que comprende una cámara de combustión de combustible fósil.

Puesto que las necesidades de energía continúan creciendo en todo el mundo, existe una necesidad cada vez mayor de procedimientos de producción de energía adicionales. El actual método de alta eficiencia para generar energía utilizando combustible de gas natural o combustibles de hidrocarburo destilados es el sistema de ciclo combinado de gas natural (NGCC, por sus siglas en inglés) que comprende una turbina de gas de ciclo Brayton y un sistema de vapor de ciclo Rankine. Las turbinas de gas más grandes disponibles en el mercado son capaces de generar una potencia desde el sistema NGCC en el intervalo de aproximadamente 45 MW (megavatios) a aproximadamente 55 MW, con eficiencias sobre valor calorífico inferior en el intervalo de aproximadamente 56% a aproximadamente 6% en condiciones ISO (siglas inglesas de la Organización Internacional de Normalización). Están disponibles unidades de tren único actuales que emplean una caldera alimentada con carbón más un generador de vapor que pueden generar potencias superiores a 1. MW, proporcionado eficiencias eléctricas netas de hasta aproximadamente 45% sobre la base de las máximas condiciones de vapor alcanzables con los mejores diseños y materiales de caldera actuales. Están disponibles reactores nucleares con una única turbina de vapor con generaciones de potencia superiores a 1. MW.

Además de lo anterior, la publicación de patente de EE.UU. n° 211/179799 describe un ciclo de potencia de alta presión y baja relación de presiones que utiliza un combustible carbonoso o hidrocarbonado que es quemado en presencia de una atmósfera con alta concentración de oxígeno y por lo tanto requiere la provisión de una fuente de oxígeno de alta pureza. Los productos de combustión son enfriados por un reciclado de una corriente de C2 de alta temperatura, alta presión y sumamente purificada que ha sido calentada contra una corriente de escape de turbina en un intercambiador de calor.

Como se ha visto en lo que antecede, las tecnologías existente y emergente en el sector pueden requerir el uso de múltiples ciclos y/o la provisión de materiales sumamente purificados para la combustión. Por consiguiente, sigue existiendo una necesidad de sistemas de energía que utilicen gas natural o combustibles destilados quemados en aire que puedan proporcionar generaciones de potencia desde un tren único de hasta 5 MW o incluso más.

Compendio de la descripción

Los sistemas y métodos para producción de energía descritos en la presente memoria pueden ser muy útiles para proporcionar producción de energía con alta eficiencia y pueden presentar una o más de las siguientes características.

Los sistemas y métodos descritos pueden lograr, con una temperatura máxima de turbina inferior a la de un sistema NGCC convencional, una eficiencia comparable a la de un sistema NGCC convencional.

Los sistemas y métodos descritos pueden lograr, con una temperatura de turbina equivalente a la de un sistema NGCC convencional, una mayor eficiencia que un sistema NGCC convencional.

Los sistemas y métodos descritos pueden tener costes de capital significativamente más bajos que un sistema NGCC convencional.

Los sistemas y métodos descritos pueden utilizar un fluido de trabajo único.

Los sistemas y métodos descritos pueden utilizar medios distintos de un sistema de vapor para mover la o las turbinas.

Los sistemas y métodos descritos pueden ser significativamente más compactos que un sistema NGCC.

Los sistemas y métodos descritos pueden tener una concentración de CO2 en el gas de escape que sea significativamente mayor que la concentración de aproximadamente 3% en el escape NGCC, de manera que utilizando un sistema de extracción apropiado pueda captarse C2 más fácilmente.

Los sistemas y métodos descritos pueden utilizar aire como fuente oxidante de bajo coste en lugar de requerir oxígeno sumamente puro.

Los sistemas y métodos descritos pueden proporcionar condiciones de combustión cercanas a las estequiométricas que pueden dar como resultado la producción de gases inertes en exceso, que pueden ser descargados a la atmósfera.

Los sistemas y métodos descritos pueden utilizar una corriente de alta presión que comprenda gases inertes en la producción de energía mediante la expansión de la corriente a través de una o más turbinas.

Los sistemas y métodos descritos pueden proporcionar un método para hacer funcionar un proceso de producción de energía en el cual se puede quemar a alta presión en aire un combustible fósil en condiciones cercanas a las estequiométricas en un ciclo cerrado con una alta presión y baja relación de presiones suficientes para que los gases inertes en exceso presurizados que quedan después del consumo de oxígeno en el combustor puedan ser expandidos a la presión atmosférica con máxima producción de energía adicional.

Además de lo anterior, en una realización la presente descripción proporciona un sistema de producción de energía. El sistema de producción de energía puede comprender un primer combustor configurado para quemar una primera corriente de combustible y una primera corriente de aire en presencia de una primera corriente de reciclado para producir una primera corriente de combustión, una primera turbina configurada para expandir la primera corriente de combustión, y un primer ¡ntercambiador de calor configurado para recibir al menos una parte de una primera corriente de descarga desde la primera turbina. El primer ¡ntercambiador de calor puede estar configurado para emplear la parte de la primera corriente de descarga para calentar la primera corriente de aire y al menos una parte de la primera corriente de reciclado que es producida a partir de la primera corriente de descarga. El sistema de producción de energía puede incluir también un segundo combustor configurado para quemar una segunda corriente de combustible y una segunda corriente de aire en presencia de una segunda corriente de reciclado que es producida a partir de la primera corriente de descarga para producir una segunda corriente de combustión, una segunda turbina configurada para expandir la segunda corriente de combustión, y un segundo ¡ntercambiador de calor configurado para calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado.

En algunas realizaciones, el segundo intercambiador de calor puede estar configurado para emplear una segunda corriente de descarga procedente de la segunda turbina para calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado. El segundo intercambiador de calor puede estar configurado además para calentar una segunda parte de la primera corriente de reciclado. El sistema de producción de energía puede comprender además un tercer combustor configurado para quemar una tercera corriente de combustible y una tercera corriente de aire en presencia de una segunda corriente de descarga recibida desde la segunda turbina para producir una tercera corriente de combustión, y una tercera turbina configurada para expandir la tercera corriente de combustión. El segundo intercambiador de calor puede estar configurado para emplear una tercera corriente de descarga procedente de la tercera turbina para calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado. El segundo intercambiador de calor puede estar configurado además para calentar la tercera corriente de aire. El segundo intercambiador de calor puede estar configurado además para calentar una segunda parte de la primera corriente de reciclado.

En algunas realizaciones, un compresor de reciclado puede estar configurado para comprimir la primera corriente de reciclado. Una segunda parte de la primera corriente de descarga puede ser dirigida al segundo combustor. El sistema de producción de energía puede comprender además un lavador configurado para recibir una corriente de descarga enfriada desde el segundo intercambiador de calor. El lavador puede comprender un sistema de adsorción de C2.

En algunas realizaciones, el sistema... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de producción de energía, que comprende:

un primer combustor (3) configurado para quemar una primera corriente (26) de combustible y una primera corriente (51) de aire en presencia de una primera corriente (57) de reciclado para producir una primera corriente (27) de combustión;

una primera turbina (5) configurada para expandir la primera corriente (27) de combustión;

un primer intercambiador (2) de calor configurado para recibir al menos una parte (58) de una primera corriente (28) de descarga desde la primera turbina (5),

en donde el primer intercambiador (2) de calor está configurado para emplear la parte (58) de la primera corriente (28) de descarga para calentar la primera corriente (51) de aire y al menos una parte (6) de la primera corriente de reciclado (57) que es producida a partir de la primera corriente (28) de descarga;

un segundo combustor (4) configurado para quemar una segunda corriente (24) de combustible y una segunda corriente (21) de aire en presencia de una segunda corriente (4) de reciclado que es producida a partir de la primera corriente (28) de descarga para producir una segunda corriente (23) de combustión;

una segunda turbina (6) configurada para expandir la segunda corriente (23) de combustión; y

un segundo intercambiador (1) de calor configurado para calentar la segunda corriente (21) de aire y la segunda corriente (4) de reciclado.

2. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, en donde

el segundo intercambiador (1) de calor está configurado para emplear una segunda corriente (18) de descarga procedente de la segunda turbina (6) para calentar la segunda corriente (21) de aire y la segunda corriente (4) de reciclado;

o en donde el segundo intercambiador (1) de calor está configurado además para calentar una segunda parte (16) de la primera corriente (57) de reciclado;

o en donde una segunda parte (22) de la primera corriente (28) de descarga es dirigida al segundo combustor (4);

o en donde la primera corriente (51) de aire y la segunda corriente (21) de aire comprenden aire ambiente comprimido;

o en donde la primera corriente (57) de reciclado y la segunda corriente (4) de reciclado tienen más de 5% de N2 sobre una base molar;

o en donde el sistema de producción de energía está configurado para trabajar con una eficiencia neta de generación eléctrica de al menos aproximadamente 6% sobre una base de valor calorífico inferior cuando se trabaja con una temperatura de turbina de aproximadamente 1.3°C a aproximadamente 1.5°C.

3. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además un tercer combustor (34) configurado para quemar una tercera corriente (37) de combustible y una tercera corriente (38) de aire en presencia de una segunda corriente (18) de descarga recibida desde la segunda turbina (6) para producir una tercera corriente (36) de combustión; y

una tercera turbina (35) configurada para expandir la tercera corriente (36) de combustión.

4. El sistema de producción de energía según la reivindicación 3, en donde el segundo intercambiador (1) de calor está configurado para emplear una tercera corriente (39) de descarga procedente de la tercera turbina (35) para calentar la segunda corriente (21) de aire y la segunda corriente (4) de reciclado.

5. El sistema de producción de energía según la reivindicación 4, en donde el segundo intercambiador (1) de calor está además configurado para calentar la tercera corriente (38) de aire o en donde el segundo intercambiador (1) de calor está además configurado para calentar una segunda parte (16) de la primera corriente (57) de reciclado.

6. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además:

un compresor (53) de reciclado configurado para comprimir la primera corriente (57) de reciclado; o bien

un separador (9) configurado para extraer una corriente (31) de líquido de la parte (6) de la primera corriente (57) de descarga dirigida a través del primer intercambiador (2) de calor.

7. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además un lavador (97)

configurado para recibir una corriente (19) de descarga enfriada desde el segundo intercambiador (1) de calor; preferiblemente en donde el lavador (97) comprende un sistema de adsorción de CO2.

8. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además un sistema de compresores (1; 11; 42) de aire configurado para comprimir una corriente (12) de aire de alimentación para producir la primera corriente (51) de aire y la segunda corriente (21) de aire.

9. El sistema de producción de energía según la reivindicación 8, en donde el sistema de compresores de aire comprende un primer compresor (1) de aire configurado para comprimir la primera corriente (51) de aire y un segundo compresor (11) de aire configurado para comprimir la segunda corriente (21) de aire.

1. El sistema de producción de energía según la reivindicación 9, en donde el segundo compresor de aire está configurado además para comprimir la primera corriente (51) de aire antes de que el primer compresor (1) de aire comprima la primera corriente (51) de aire.

11. El sistema de producción de energía según la reivindicación 9, en donde el sistema de compresores (1; 11; 42) de aire está configurado para controlar un caudal de la primera corriente (51) de aire y un caudal de la segunda corriente (21) de aire para dar como resultado una combustión sustancialmente estequiométrica en el primer combustor (3) y el segundo combustor (4).

12. El sistema de producción de energía según la reivindicación 11, en donde el sistema de compresores (1; 11; 42) de aire está configurado para controlar el caudal de la primera corriente (51) de aire y el caudal de la segunda corriente (21) de aire para dar como resultado hasta aproximadamente 5% de exceso de O2 en la combustión en el primer combustor (3) y el segundo combustor (4).

13. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, en donde la primera corriente (26) de combustible y la segunda corriente (24) de combustible comprenden un gas de hidrocarburo comprimido; preferiblemente en donde el gas de hidrocarburo comprimido comprende metano.

14. El sistema de producción de energía según la reivindicación 1, que comprende además un suministro de aire configurado para aportar la primera corriente (51) de aire y un suministro de combustible configurado para aportar la primera corriente (26) de combustible,

en donde la primera corriente (27) de combustión tiene más de 5% de N2 sobre una base molar, y

en donde el suministro de aire y el suministro de combustible están configurados para aportar la primera corriente (51) de aire y la primera corriente (26) de combustible en una relación configurada para dar como resultado la combustión sustancialmente estequiométrica en el primer combustor con hasta aproximadamente 5% de exceso de 2.

15. Un método para producir energía, que comprende:

quemar una primera corriente de combustible y una primera corriente de aire en un primer combustor en presencia de una primera corriente de reciclado para producir una primera corriente de combustión;

expandir la primera corriente de combustión en una primera turbina para hacer girar la primera turbina y producir energía;

dirigir al menos una parte de una primera corriente de descarga desde la primera turbina a un primer intercambiador de calor;

emplear la parte de la primera corriente de descarga para calentar la primera corriente de aire y al menos una parte de la primera corriente de reciclado que es producida a partir de la primera corriente de descarga con el primer intercambiador de calor;

quemar una segunda corriente de combustible y una segunda corriente de aire en un segundo combustor en presencia de una segunda corriente de reciclado que es producida a partir de la primera corriente de descarga para producir una segunda corriente de combustión;

expandir la segunda corriente de combustión en una segunda turbina para hacer girar la segunda turbina para producir energía;

dirigir la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado a un segundo intercambiador de calor; y calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado con el segundo intercambiador de calor.

16. El método según la reivindicación 15, en donde

calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado con el segundo intercambiador de calor comprende emplear una segunda corriente de descarga procedente de la segunda turbina para calentar dicha

corriente de aire y dicha corriente de reciclado;

o en donde la primera corriente de aire y la segunda comente de aire comprenden aire ambiente comprimido;

o en donde la primera corriente de reciclado y la segunda corriente de reciclado tienen más de 5% de N2 sobre una base molar;

o en donde se produce energía con una eficiencia neta de generación eléctrica de al menos aproximadamente 6% sobre una base de valor calorífico inferior cuando se trabaja con una temperatura de turbina de aproximadamente 1.3°C a aproximadamente 1.5°C.

17. El método según la reivindicación 15, que comprende además calentar una segunda parte de la primera corriente de reciclado con el segundo intercambiador de calor;

o que comprende además comprimir la primera corriente de reciclado con un compresor de reciclado;

o que comprende además dirigir una segunda parte de la primera corriente de descarga al segundo combustor;

o que comprende además extraer con un separador una corriente de líquido de la parte de la primera corriente de descarga dirigida a través del primer intercambiador de calor.

18. El método según la reivindicación 15, que comprende además quemar una tercera corriente de combustible y una tercera corriente de aire en un tercer combustor en presencia de una segunda corriente de descarga recibida desde la segunda turbina para producir una tercera corriente de combustión; y

expandir la tercera corriente de combustión en una tercera turbina para hacer girar la tercera turbina para producir energía.

19. El método según la reivindicación 18, en donde calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado con el segundo intercambiador de calor comprende emplear una tercera corriente de descarga procedente de la tercera turbina para calentar la segunda corriente de aire y la segunda corriente de reciclado.

2. El método según la reivindicación 19, que comprende además calentar la tercera corriente de aire con el segundo intercambiador de calor; o que comprende además calentar una segunda parte de la primera corriente de reciclado con el segundo intercambiador de calor.

21. El método según la reivindicación 15, que comprende además dirigir una corriente de descarga enfriada desde el segundo intercambiador de calor a un lavador; preferiblemente en donde el lavador es un sistema de adsorción de

C2.

22. El método según la reivindicación 15, que comprende además comprimir una corriente de aire de alimentación con un sistema de compresores de aire para producir la primera corriente de aire y la segunda corriente de aire.

23. El método según la reivindicación 22, en donde comprimir la corriente de aire de alimentación con el sistema de compresores de aire comprende comprimir la primera corriente de aire con un primer compresor de aire y comprimir la segunda corriente de aire con un segundo compresor de aire.

24. El método según la reivindicación 23, en donde comprimir la corriente de aire de alimentación con el sistema de compresores de aire comprende comprimir la primera corriente de aire con el segundo compresor de aire antes de comprimir la primera corriente de aire con el primer compresor de aire.

25. El método según la reivindicación 23, que comprende además controlar un caudal de la primera corriente de aire y un caudal de la segunda corriente de aire con el sistema de compresores de aire para dar como resultado la combustión sustancialmente estequlométrica en el primer combustor y el segundo combustor.

26. El método según la reivindicación 25, que comprende además controlar el caudal de la primera corriente de aire y el caudal de la segunda corriente de aire con el sistema de compresores de aire para dar como resultado hasta aproximadamente 5% de exceso de O2 en la combustión en el primer combustor y el segundo combustor.

27. El método según la reivindicación 15, en donde la primera corriente de combustible y la segunda corriente de combustible comprenden gas de hidrocarburo comprimido; preferiblemente en donde el gas de hidrocarburo comprimido comprende metano.

28. El método según la reivindicación 15, en donde la primera corriente de combustión tiene más de 5% de N2 sobre una base molar, y

en donde se controla la relación de la primera corriente de combustible respecto a la primera corriente de aire para dar como resultado la combustión sustancialmente estequiométrica con hasta aproximadamente 5% de exceso de 2.