MÉTODO PARA LA OPERACIÓN DE UNA CENTRAL ELÉCTRICA CON GASIFICACIÓN INTEGRADA, ASÍ COMO UNA CENTRAL ELÉCTRICA.

Método para la operación de una central eléctrica (1) con un dispositivo de gasificación integrado (6),

en el que se gasifica un combustible con carbono (26), y se suministra para la combustión como un gas de síntesis (17) a un quemador (4) asignado a una turbina de gas (2), en donde ante una temperatura de proceso se separa oxígeno (19) del aire (18) mediante una membrana (10), en donde se conforma aire (20) reducido en oxígeno, en donde el oxígeno separado (19) se suministra, al menos, parcialmente al dispositivo de gasificación (6) para la reacción con el combustible fósil, y se suministra energía térmica a la membrana (10) para el mantenimiento de la temperatura de proceso necesaria, caracterizado porque la energía térmica se obtiene, por una parte, del gas de síntesis (17) y, por otra parte, del oxígeno (19) y/o del aire reducido en oxígeno (20) en un intercambio de calor con el aire (18), y el aire calentado (18) se suministra a la membrana (10)

Método para la operación de una central eléctrica con gasificación integrada, así como una central eléctrica La presente invención hace referencia a un método para la operación de una central eléctrica con gasificación integrada, así como una central eléctrica correspondiente.

Una instalación de “gasificación integrada en ciclo combinado" (GICC) de esta clase se conoce, por ejemplo, de la patente WO 03/008768. Dicha instalación presenta un dispositivo de gasificación en el que, por ejemplo, carbón en forma de partículas junto con oxígeno y vapor, se convierte en un gas de síntesis (oxidación parcial) . Después de una pluralidad de etapas del tratamiento, el gas de síntesis se suministra como un combustible en forma de gas a una cámara de combustión de la turbina de gas. En la patente WO 03/008768, para la obtención de oxígeno se implementa una instalación criogénica de separación del aire en la instalación de GICC. Dicha instalación separa el aire en un proceso termodinámico en sus componentes esenciales: nitrógeno y oxígeno. El oxígeno obtenido en dicha instalación se suministra al dispositivo de gasificación.

Como alternativa a las instalaciones criogénicas de separación del aire, para la separación de oxígeno se han recomendado entretanto unidades a base de membranas. Las membranas conductoras de iones de oxígeno conducen a una separación, al menos, parcial del oxígeno a partir del aire. El reemplazo de la instalación criogénica de separación del aire mediante una membrana, se considera una opción posible para incrementar el rendimiento en las centrales eléctricas convencionales con GICC. Además, mediante la implementación de una membrana se puede lograr una compensación de la pérdida del rendimiento en el concepto de centrales eléctricas libres de CO2.

Un ejemplo para una separación de oxígeno mediante membrana se encuentra en la patente U.S. 2004/0011057 A1, que describe una instalación de GICC en la que el gas rico en oxígeno se produce a través de una membrana, en donde el transporte de oxígeno en el interior de la membrana se realiza mediante difusión de iones de óxido, y la membrana se conduce a una temperatura de funcionamiento o bien, se mantiene en ella, a través de un intercambiador de calor mediante gases residuales calientes de la turbina.

La patente US 5, 562, 754 describe un método para la separación de oxígeno, en el cual el gas que contiene oxígeno (aire) se calienta directamente en el flujo de gas mediante la combustión de un combustible, por lo cual se logra un producto de combustión caliente que contiene oxígeno y que se suministra a una membrana. Alternativamente, el gas que contiene oxígeno se calienta mediante un intercambio de calor indirecto con un producto de combustión, el cual se produce mediante la combustión del aire pobre en oxígeno que permanece en la separación del oxígeno, con combustible.

Sin embargo, los sistemas para la separación de oxígeno mediante membrana presentan la desventaja de que la unidad de membrana se debe mantener a una temperatura de funcionamiento comparativamente elevada, para que dicha unidad pueda cumplir con su función. En correspondencia, se debe suministrar permanentemente energía térmica al reactor de membrana, con el fin de que dicho reactor presente la temperatura de proceso necesaria para la separación del oxígeno a partir del aire.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en recomendar un método y una central eléctrica que superen las desventajas mencionadas anteriormente en el caso de una separación de oxígeno mediante membrana.

Dicho objeto se resuelve, conforme a la presente invención, mediante las características de las reivindicaciones 1 y 19.

Otras formas de ejecución ventajosas se mencionan en las reivindicaciones relacionadas.

En el método conforme a la presente invención, para mantener la temperatura de proceso necesaria se suministra energía térmica a la membrana, en donde la energía térmica se obtiene del gas de síntesis y del oxígeno caliente o bien, del aire caliente reducido en oxígeno, en un intercambio de calor con el aire, y el aire calentado se suministra a la membrana.

Mediante el proceso de intercambio de calor y su acoplamiento ventajoso al nivel de temperatura elevado del gas de síntesis (gas bruto) obtenido en el dispositivo de gasificación, y de los flujos de oxígeno y de aire reducido en oxígeno que se obtienen en la separación de oxígeno, se logra un método particularmente eficiente para calentar el aire a la temperatura del proceso necesaria y para suministrar después el aire calentado a la unidad de membrana con la temperatura apropiada.

De esta manera, la membrana se puede conducir y mantener, de una manera particularmente ventajosa, en la temperatura de funcionamiento, convencionalmente de 700°C a 1000 °C. Una parte de la energía térmica introducida en el aire antes de la separación de oxígeno, después de la separación del oxígeno y del aire reducido

en oxígeno, se entrega respectivamente al aire a continuación en un intercambio de calor indirecto. Mediante un intercambio de calor de aire/gas de síntesis, el aire a continuación se calienta completamente a la temperatura de funcionamiento de la membrana.

Además, resulta conveniente montar los intercambiadores de calor de una manera apropiada entre sí. Debido a la temperatura más elevada del gas de síntesis, en comparación con la temperatura del oxígeno o bien, del aire reducido en oxígeno, resulta ventajoso conectar el intercambiador de calor de aire/oxígeno o bien, el intercambiador de calor de aire/aire reducido en oxígeno, antepuesto al intercambiador de calor de aire/gas de síntesis. En otro sistema ventajoso, se conectan en paralelo los tres intercambiadores de calor, y después del calentamiento en los intercambiadores de calor, los flujos de aire se conducen conjuntamente hacia la membrana como un flujo de aire común.

Para conducir la membrana a la temperatura de funcionamiento en el comienzo del proceso, resulta conveniente obtener la energía térmica a partir del gas residual de una combustión separada, en un intercambio de calor con el aire. El gas residual enfriado con el aire después del intercambio de calor, se utiliza de manera ventajosa en un generador de vapor con recuperación de calor, para generar vapor de agua.

Asimismo, resulta ventajoso utilizar el gas de síntesis enfriado con el aire después del intercambio de calor, en un generador de vapor con recuperación de calor conectado a continuación del intercambiador de calor de aire/gas de síntesis, para generar vapor de agua.

Además, resulta ventajoso someter al gas de síntesis a un tratamiento después del intercambio de calor con el aire, particularmente para la purificación antes de que se someta a una reacción de desplazamiento de CO. Después se separan de manera ventajosa los componentes principales CO2 e hidrógeno. Conforme a la necesidad, el hidrógeno se diluye con un medio inerte, preferentemente vapor de agua (H2O) , antes de que se queme en una turbina de gas.

El aire comprimido necesario para la separación del oxígeno, se obtiene convenientemente como aire de extracción de compresor de un elemento compresor asignado a una turbina de gas, en donde la extracción del aire después de la etapa final, se realiza de manera ventajosa en la salida del compresor o, alternativamente, con un nivel de presión reducido del aire del compresor.

El aire reducido en oxígeno que “sobra” después de la separación del oxígeno y que se enfría en un intercambio de calor con el aire que proviene del compresor, se suministra de manera ventajosa al quemador como aire de combustión, por lo cual la temperatura de combustión desciende de manera ventajosa. De un modo diferente a las instalaciones de separación del aire que operan criogénicamente, después de la separación del oxígeno a través de la membrana no se dispone de nitrógeno puro suficiente como producto, que se pueda mezclar con el gas de síntesis, con el fin de mejorar la propiedad de combustión. La mezcla de aire se evita mediante la fracción de oxígeno.

Los gases residuales de la turbina de gas se utilizan convenientemente en un generador de vapor con recuperación de calor conectado a continuación de la turbina de gas, para generar vapor de agua. De manera ventajosa, el vapor de agua sobrecalentado se puede utilizar después en una turbina de vapor o como medio diluyente del... [Seguir leyendo]

1. Método para la operación de una central eléctrica (1) con un dispositivo de gasificación integrado (6) , en el que se gasifica un combustible con carbono (26) , y se suministra para la combustión como un gas de síntesis (17) a un quemador (4) asignado a una turbina de gas (2) , en donde ante una temperatura de proceso se separa oxígeno (19) del aire (18) mediante una membrana (10) , en donde se conforma aire (20) reducido en oxígeno, en donde el oxígeno separado (19) se suministra, al menos, parcialmente al dispositivo de gasificación (6) para la reacción con el combustible fósil, y se suministra energía térmica a la membrana (10) para el mantenimiento de la temperatura de proceso necesaria, caracterizado porque la energía térmica se obtiene, por una parte, del gas de síntesis (17) y, por otra parte, del oxígeno (19) y/o del aire reducido en oxígeno (20) en un intercambio de calor con el aire (18) , y el aire calentado (18) se suministra a la membrana (10) .

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el intercambio de calor entre el oxígeno (19) y el aire (18) y/o entre el aire reducido en oxígeno (20) y el aire (18) , se conecta en serie con el intercambio de calor entre el gas de síntesis (17) y el aire (18) .

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el aire (18) se calienta en primer lugar en el intercambio de calor con el oxígeno (19) y/o con el aire reducido en oxígeno (20) y después en el intercambio de calor con el gas de síntesis (17) .

4. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el intercambio de calor entre el oxígeno (19) y el aire (18) y/o entre el aire reducido en oxígeno (20) y el aire (18) , se conecta paralelo al intercambio de calor entre el gas de síntesis (17) y el aire (18) .

5. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el aire se calienta en el intercambio de calor desde 700 °C a 1000 °C, preferentemente desde 800 °C a 900 °C.

6. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual para iniciar el funcionamiento de la membrana (10) , la energía térmica se obtiene del gas residual (21) de una combustión separada, en un intercambio de calor con el aire (18) .

7. Método de acuerdo con la reivindicación 6, en el cual el gas residual (21) enfriado después del intercambio de calor con el aire (18) , se utiliza en un generador de vapor con recuperación de calor (22) conectado a continuación, para generar vapor de agua (23) .

8. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el gas de síntesis (17) enfriado después del intercambio de calor con el aire (18) , se utiliza en un generador de vapor con recuperación de calor (22) para generar vapor de agua (23) .

9. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el gas de síntesis (17) después del intercambio de calor con el aire (18) se continúa procesando, particularmente se purifica.

10. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el gas de síntesis (17) se somete a una reacción de desplazamiento de CO.

11. Método de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual se separa CO2 (24) del gas de síntesis (17) después de la reacción de desplazamiento de CO.

12. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el gas de síntesis (17) se diluye, conforme a la necesidad, con un medio inerte, preferentemente vapor de agua (H2O) .

13. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el aire (18) se extrae como aire de extracción de compresor, de un elemento compresor (25) asignado a la turbina de gas (2) .

14. Método de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la extracción del aire después de la etapa final, se realiza en la salida del compresor o, alternativamente, con un nivel de presión reducido del aire del compresor.

15. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el aire reducido en oxígeno (20) enfriado, se suministra al quemador (4) como aire de combustión.

16. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el gas residual (30) de la turbina de gas (2) , se utiliza en un generador de vapor con recuperación de calor (22) conectado a continuación de la turbina de gas (2) , para generar vapor de agua (23) .

17. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 7, 8 ó 16, en el cual el combustible (26) se convierte en inerte con vapor de agua sobrecalentado (23) durante el transporte hacia el dispositivo de gasificación (6) .

18. Método de acuerdo con la reivindicación 11, en el cual el combustible (26) se convierte en inerte con CO2 (24) separado del gas de síntesis (17) , durante el transporte hacia el dispositivo de gasificación (6) .

19. Central eléctrica (1) , particularmente para la ejecución del método de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, con una turbina de gas (2) que se asigna a una cámara de combustión (3) con, al menos, un quemador (4) , con un sistema de combustible (5) antepuesto a la cámara de combustión (3) , que presenta un dispositivo de gasificación (6) con un conducto de alimentación de combustible (7) para un combustible fósil (26) , y un conducto de gas (8) que deriva del dispositivo de gasificación (6) y que desemboca en la cámara de combustión (3) , con una unidad de membrana (9) que comprende una membrana (10) , para la separación de oxígeno (19) del aire (18) , en donde la unidad de membrana (9) se encuentra conectada con su lado de extracción (11) de oxígeno al dispositivo de gasificación (6) , a través de un conductor de oxígeno (12) , caracterizada porque el conducto de gas (8) que deriva del dispositivo de gasificación (6) se conecta del lado primario con un primer intercambiador de calor (13) , de manera que del lado secundario el aire (18) que se puede entregar al intercambiador de calor (13) se pueda calentar a una temperatura de proceso, y se pueda suministrar a la unidad de membrana (9) , de manera que un segundo intercambiador de calor (14) se conecte del lado primario con el conducto de oxígeno (12) , y del lado secundario se conecte antepuesto a la unidad de membrana (9) , de manera que se pueda calentar el aire (18) que se puede entregar al segundo intercambiador de calor (14) , y/o un tercer intercambiador de calor (15) se conecta del lado primario con un conducto de escape de aire (27) que deriva de la unidad de membrana (9) y del lado secundario se conecta antepuesto a la unidad de membrana (9) , de manera que el aire (18) que se puede entregar al tercer intercambiador de calor (15) se encuentre calentado.

20. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 19, en la cual el segundo (14) y/o el tercer intercambiador de calor (15) se encuentran conectados en serie con el primer intercambiador de calor (13) .

21. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 20, en la cual el segundo (14) y/o el tercer intercambiador de calor (15) se encuentran antepuestos al primer intercambiador de calor (13) .

22. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 19, en la cual el segundo (14) y/o el tercer intercambiador de calor (15) se encuentran conectados en paralelo con el primer intercambiador de calor (13) .

23. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 22, en la cual un quemador (16) se encuentra conectado al conducto de gas (8) .

24. Central eléctrica de acuerdo con la reivindicación 23, en la cual el conducto de gas (8) que deriva del dispositivo de gasificación (6) , se puede cerrar antes del quemador (16) .

25. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 23, en la cual los gases residuales (21) calientes que se generan en el quemador (16) se pueden entregar al primer intercambiador de calor (13) .

26. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 25, en la cual los gases residuales (21) enfriados en el primer intercambiador de calor (13) se pueden entregar a un generador de vapor con recuperación de calor (22) conectado a continuación del primer intercambiador de calor (13) , para generar vapor.

27. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 26, en la cual el gas de síntesis (17) enfriado en el primer intercambiador de calor (13) , se puede suministrar a un dispositivo para el uso del calor residual del gas de síntesis (31) .

28. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 27, que comprende un dispositivo purificador de gas (32) mediante el cual se puede purificar el gas de síntesis (17) .

29. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 28, que comprende además un reactor de desplazamiento de CO para la conversión de CO.

30. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 29, que comprende un dispositivo separador de CO2 (28) , mediante el cual se puede separar CO2 (24) del gas de síntesis (17) .

31. Central eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 30, que comprende un elemento compresor

(25) para proporcionar aire comprimido (18) .

32. Central eléctrica de acuerdo con la reivindicación 31, en la cual el elemento compresor (25) se antepone a la unidad de membrana (9) .

33. Central eléctrica de acuerdo con la reivindicación 31, en la cual el elemento compresor (25) se antepone a la cámara de combustión (3) .

34. Central eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 33, en la cual el aire reducido en oxígeno (20) se puede suministrar a la cámara de combustión (3) .

35. Central eléctrica de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 34, en la cual los gases residuales (30) de la instalación de la turbina de gas (29) se pueden suministrar a un generador de vapor con recuperación de calor (22) .

36. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 35, en la cual se puede suministrar, 10 conforme a la necesidad, vapor de agua (23) al gas de síntesis (17) .

37. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 36, en la cual se puede suministrar vapor de agua sobrecalentado (23) al dispositivo de gasificación (6) .

38. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 37, en la cual el vapor de agua

sobrecalentado (23) se puede suministrar para un tratamiento del combustible (37) para convertir el combustible en 15 inerte y como gas portador.

39. Central eléctrica (1) de acuerdo con la reivindicación 30, en la cual el CO2 separado (24) se puede suministrar para un tratamiento del combustible (37) para convertir el combustible en inerte y como gas portador.

40. Central eléctrica (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 19 a 39, en la cual la membrana es una membrana conductora de iones de oxígeno.