PROCEDIMIENTO E INSTALACIÓN PARA PRODUCIR ENERGÍA ELÉCTRICA.

Procedimiento para la producción de energía eléctrica o la cogeneración de energía eléctrica y térmica haciendo funcionar una planta de turbina de gas,

que comprende un compresor (1), una cámara de combustión (3) y un expansor (2), comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: - proporcionar un suministro de gas natural (9), - proporcionar un suministro de agua (22), - mezclar al menos una parte del suministro de gas con el suministro de agua para obtener una mezcla, - precalentar (11) la mezcla, - quemar (6) un suministro de material combustible (30), diferente del suministro de gas natural, y utilizar el calor producido mediante la combustión para calentar la mezcla sin contacto directo entre la mezcla y los gases de combustión de la combustión, con el fin de provocar que tengan lugar reacciones de reformado de metano con vapor en la mezcla, obteniendo de este modo un combustible enriquecido, - alimentar el combustible enriquecido a la cámara de combustión (3) de la planta de turbina de gas, - utilizar los gases de combustión de la combustión de material combustible para calentar el suministro de agua (22), caracterizado porque comprende las etapas siguientes: - utilizar una parte (5) de los gases de escape de la planta de turbina de gas como aire comburente para la combustión (6) de material combustible, - utilizar los gases de combustión de la combustión de material combustible para precalentar dichos gases de escape (5)

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/BE2005/000179.

Solicitante: VRIJE UNIVERSITEIT BRUSSEL.

Nacionalidad solicitante: Bélgica.

Dirección: PLEINLAAN 2 1050 BRUSSEL BELGICA.

Inventor/es: DE RUYCK,Jacques, BRAM,Svend, DELATTIN,Frank.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 6 de Diciembre de 2005.

Clasificación PCT:

  • F01K23/06 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01K PLANTAS MOTRICES A VAPOR; ACUMULADORES DE VAPOR; PLANTAS MOTRICES NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR; MOTORES QUE UTILIZAN CICLOS O FLUIDOS DE TRABAJO ESPECIALES (plantas de turbinas de gas o de propulsión a reacción F02; producción de vapor F22; plantas de energía nuclear, disposición de motores en ellas G21D). › F01K 23/00 Plantas motrices caracterizadas por tener más de un motor suministrando energía al exterior de la planta, estando estos motores accionados por fluidos diferentes. › el calor de combustión de uno de los ciclos calienta el fluido del otro ciclo.
  • F01K23/10 F01K 23/00 […] › calentando el fluido de salida de uno de los ciclos el fluido del otro ciclo.
  • F02C3/20 F […] › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION.F02C PLANTAS MOTRICES DE TURBINAS DE GAS; TOMAS DE AIRE PARA PLANTAS DE PROPULSION A REACCION; CONTROL DE LA ALIMENTACION DE COMBUSTIBLE EN PLANTAS DE PROPULSION A REACCION QUE CONSUMEN AIRE (estructura de turbinas F01D; plantas de propulsión a reacción F02K; estructura de compresores o ventiladores F04; aparatos de combustión en los que la combustión tiene lugar en un lecho fluidizado de combustible u otras partículas F23C 10/00; elaboración de productos de combustión a alta presión o gran velocidad F23R; utilización de turbinas de gas en plantas de refrigeración por compresión F25B 11/00; utilización de turbinas de gas en vehículos, véanse las clases apropiadas relativas a vehículos). › F02C 3/00 Plantas motrices de turbinas de gas caracterizadas por la utilización de productos de combustión como fluido energético (generado por combustión intermitente F02C 5/00). › que utilizan un combustible especial, oxidante, o fluido en dilución para generar los productos de combustión.
  • F02C3/28 F02C 3/00 […] › utilizando un productor de gas separado para gasificación del combustible antes de la combustión.
  • F02C3/30 F02C 3/00 […] › Añadiendo agua, vapor u otros fluidos a los combustibles o al fluido energético antes de la descarga desde la turbina (calentamiento o tomas de aire para prevenir la formación de hielo F02C 7/047).

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia.

PDF original: ES-2375368_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento e instalación para producir energía eléctrica. Campo de la invención La presente invención se refiere a un procedimiento y a un sistema para el funcionamiento de una turbina de gas, que implica el reformado de metano con vapor del gas natural utilizado en la cámara de combustión de una turbina de gas. Estado de la técnica Se conoce el reformado de metano con vapor en ciclos de turbinas de gas. Dos artículos relevantes a este respecto son A methane-steam reformer for a basic chemically recuperated gas turbine, Adelman et al, Transactions of the ASME, vol. 117, enero de 1995 (págs. 16-23) y más recientemente The recuperative auto thermal reforming and recuperative reforming gas turbine power cycles with CO2 removal - Part II: The recuperative reforming cycle, Fiaschi et al Transactions of the ASME, vol. 126, enero de 2004 (págs. 62-68). Dichos ciclos recuperados químicamente utilizan un reformador de metano con vapor con el fin de extraer el calor de toda la corriente de escape de la turbina de gas, y transformar este calor en energía química en el gas de síntesis (Adelman). Sin embargo, las temperaturas en los escapes de turbinas de gas son demasiado bajas para conseguir una alta cantidad de reformado, y la recuperación de energía obtenida es por tanto demasiado limitada para una aplicación práctica. Fiaschi et al superan este problema añadiendo una combustión posterior de gas natural en el escape completo de la turbina de gas. Utilizan el reformado no para fines de recuperación de calor, sino para capturar el CO2 de la alimentación de combustible antes del procedimiento de combustión. Otra aplicación del reformado se describe en los documentos WO-A-0142636 y US20040206065. En estos documentos se propone un procedimiento de reformado para enriquecer con hidrógeno combustibles con baja concentración de metano. El gas de síntesis se seca con el fin de proporcionar un gas de síntesis adecuado para su utilización en turbinas de gas. La integración del procedimiento no se detalla adicionalmente. El documento GB-A-2 305 186 se refiere a un aparato de reformado de combustible y a un sistema de generación de energía eléctrica, en el que el reformado del gas combustible tiene lugar a través de una combustión parcial del gas, mientras se mezcla el gas con vapor. El procedimiento propuesto no se puede aplicar directamente a biomasa, porque los gases de combustión entran en el expansor de la turbina de gas. El documento DE 19 627 189 propone la utilización de reformado para sustituir parte del gas natural por carbón en una planta de vapor a carbón repotenciada. El reformador está incluido en la parte inferior del horno de carbón, en el que se utiliza el calor del carbón para realizar la reacción de reformado. El aire comburente para la combustión del carbón es o bien aire atmosférico, o bien una mezcla de aire con todos los gases de escape de la turbina. El documento DE 19 627 189 sólo es aplicable a plantas a carbón repotenciadas con una turbina de gas, no es aplicable a ciclos combinados de gas natural altamente eficientes. No hay una integración del procedimiento adicional. La producción de energía a partir de biomasa se puede producir a través de combustión externa convencional (ciclo de vapor, ciclo de Rankine orgánico, motores Stirling), o combustión interna tras gasificación o pirólisis (motor de gas, ciclo combinado de gasificación integrada). La combustión externa presenta la desventaja de proporcionar eficiencias de conversión limitadas (como máximo del 30-35%), pero es más fácil de conseguir y no necesita una limpieza de gas difícil. La combustión interna presenta el potencial de altas eficiencias, pero siempre necesita una limpieza de gas difícil y en la mayoría de los casos problemática. Objetivos de la invención La presente invención tiene como objetivo proporcionar una fuente de calor alternativa para el procedimiento de reformado de metano con vapor, incorporada en una instalación de turbinas de gas. Sumario de la invención La presente invención da a conocer un nuevo procedimiento e instalación tal como se dan a conocer en las reivindicaciones adjuntas. La invención permite combinar gas natural con la combustión de un material combustible distinto del gas, en cualquier tipo de planta de turbina de gas. Según la forma de realización preferida, se utiliza biomasa como el material combustible en cuestión. El procedimiento evita cualquier contacto entre los gases de combustión de la biomasa y las partes internas de la turbina, y se demuestra que tiene poco o incluso ningún impacto sobre el rendimiento de ciclo de la turbina de gas. En este procedimiento, la biomasa se utiliza como fuente de energía para proporcionar calor para la reacción de reformado de metano con vapor endotérmica, produciendo hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono como productos de reacción. Según la invención, este reformado utiliza un suministro de calor externo, obtenido de la combustión (externa) de biomasa a de 600 a 750ºC. El calor contenido en el gas de combustión de la combustión de biomasa se puede transmitir así al gas natural y a la 2 E05817967 11-01-2012   mezcla de vapor, y transformar en energía química a través de la formación de hidrógeno. Los gases de combustión de la biomasa no se mezclan con el combustible de gas natural ni con ningún otro flujo a través de la turbina de gas, evitando así problemas tales como incrustación o corrosión y la consecuente limpieza de gas difícil. El gas de síntesis obtenido se puede utilizar en una turbina de gas sin pérdida significativa de la eficiencia de ciclo cuando se utiliza la red de intercambiadores de calor propuesta en la periferia del reformador. Por tanto, la biomasa se puede transformar en energía eléctrica casi con la misma eficiencia que la planta de turbina de gas considerada, que en el caso de los ciclos combinados puede superar el 50%. Breve descripción de los dibujos La figura 1 representa la forma de realización básica de un sistema según la invención. La figura 2 representa una primera variante del sistema, que implica una turbina de gas con inyección de vapor. La figura 3 representa una segunda variante del sistema, que implica una torre de saturación de gas natural. La figura 4 representa una tercera variante del sistema, que implica unos medios para secar el gas de síntesis. La figura 5 ilustra un ejemplo de trabajo basado en la instalación de la figura 4. Descripción detallada de la invención El procedimiento de la invención se puede describir como que comprende las etapas siguientes, con referencia a las figuras 1 a 4: - proporcionar un suministro de gas natural 9, - proporcionar un suministro de agua 22, - posiblemente, precalentar (10) todo o una parte 9a del suministro de gas natural, - mezclar el gas natural (precalentado) y el agua para obtener una mezcla. La mezcla se puede obtener o bien produciendo vapor (8) y mezclándolo (23) con el gas natural precalentado o bien precalentando el suministro de agua y mezclándolo con el gas natural (no precalentado) en una torre 13 de saturación, - precalentar (11) la mezcla, - quemar un suministro de material combustible 30, diferente del suministro de gas natural, y utilizar el calor producido mediante la combustión para calentar la mezcla sin contacto directo entre la mezcla y los gases de combustión de la combustión (12), con el fin de provocar que tengan lugar reacciones de reformado de metano con vapor en la mezcla, obteniendo de este modo un gas natural enriquecido. Según la forma de realización preferida de la invención, el material combustible utilizado es biomasa, - enfriar el gas natural enriquecido (11, 10) hasta una temperatura superior al punto de rocío, - utilizar el gas natural enriquecido como combustible en la cámara de combustión 3 de una instalación de turbinas de gas, Según la invención, el procedimiento comprende además las etapas siguientes: - utilizar una parte de los gases de escape (5) de la instalación de turbinas de gas, como aire comburente para la combustión de material combustible. Según la forma de realización preferida, la cantidad de gases de escape desviados para esta utilización es como máximo el 12% de la corriente de escape de la turbina de gas. - utilizar los gases de combustión de la combustión para precalentar dichos gases de escape, y para el calentamiento del suministro de agua, o bien para producir vapor, o bien para precalentar el agua antes de su entrada en la torre de saturación. Ahora se describirán más detalladamente las figuras 1 a 4, con el fin de explicar en detalle las formas de realización destacadas del procedimiento descrito anteriormente. La explicación siguiente también sirve como descripción completa de la instalación de la invención y sus diversas formas de realización. La instalación básica se... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la producción de energía eléctrica o la cogeneración de energía eléctrica y térmica haciendo funcionar una planta de turbina de gas, que comprende un compresor (1), una cámara de combustión (3) y un expansor (2), comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: - proporcionar un suministro de gas natural (9), - proporcionar un suministro de agua (22), - mezclar al menos una parte del suministro de gas con el suministro de agua para obtener una mezcla, - precalentar (11) la mezcla, - quemar (6) un suministro de material combustible (30), diferente del suministro de gas natural, y utilizar el calor producido mediante la combustión para calentar la mezcla sin contacto directo entre la mezcla y los gases de combustión de la combustión, con el fin de provocar que tengan lugar reacciones de reformado de metano con vapor en la mezcla, obteniendo de este modo un combustible enriquecido, - alimentar el combustible enriquecido a la cámara de combustión (3) de la planta de turbina de gas, - utilizar los gases de combustión de la combustión de material combustible para calentar el suministro de agua (22), caracterizado porque comprende las etapas siguientes: - utilizar una parte (5) de los gases de escape de la planta de turbina de gas como aire comburente para la combustión (6) de material combustible, - utilizar los gases de combustión de la combustión de material combustible para precalentar dichos gases de escape (5). 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el suministro de material combustible es un suministro de biomasa. 3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que la etapa de reformado produce un gas enriquecido. 4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende además la etapa de enfriamiento del combustible enriquecido tras la etapa de reformado, y antes de alimentar el combustible enriquecido a la cámara de combustión (3) de la planta de turbina de gas. 5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el enfriamiento se lleva a cabo hasta una temperatura superior al punto de rocío del gas. 6. Procedimiento según la reivindicación 4 ó 5, en el que el enfriamiento se lleva a cabo en un primer regenerador (11), calentando de este modo la mezcla, y en un regenerador (10) adicional, calentando de este modo el suministro de gas natural. 7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el suministro de agua (22) se calienta (8) mediante los gases de combustión para producir vapor, y en el que la mezcla se obtiene mezclando (23) el gas natural con el vapor. 8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el suministro de agua (22) se calienta (14, 15) en la fase líquida mediante los gases de combustión, y en el que la mezcla se obtiene mezclando el gas natural con el agua calentada en una torre (13) de saturación, y en el que se recoge agua en la torre y se recircula para combinarla con el suministro de agua (22). 9. Procedimiento según la reivindicación 5, que comprende además las etapas siguientes - secar (17) el gas enriquecido, llevándose a cabo esta etapa tras la etapa de enfriamiento del gas enriquecido hasta una temperatura superior al punto de rocío, consistiendo esta etapa en un enfriamiento adicional del gas enriquecido, - calentar (19) el gas secado, utilizando el calor de los gases de combustión. 7 E05817967 11-01-2012   10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que la etapa de secado tiene lugar en un condensador (17), en el que al menos el suministro de agua (22) y el suministro de gas natural (9) se utilizan como fuentes frías. 11. Procedimiento según las reivindicaciones 1 a 10, en el que los gases de escape de la turbina de gas se utilizan para producir vapor en un circuito (21), y en el que al menos una parte del vapor (25) se inyecta en la cámara de combustión (3) de la planta de turbina de gas. 12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que como máximo el 12% de los gases de escape de la turbina de gas se utilizan como aire comburente para la combustión de material combustible. 13. Instalación para llevar a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, comprendiendo la instalación al menos - una planta de turbina de gas, que comprende un compresor (1), una cámara de combustión (3) y un expansor (2), - unos medios para suministrar gas natural (9), - unos medios para suministrar agua (22), - unos medios (13, 23) para mezclar el agua con el gas natural, - una cámara de combustión (6) de un material combustible distinto de dicho gas natural, y un intercambiador de calor (12) denominado reformador para aplicar el calor de la combustión de dicho material a una mezcla obtenida en los medios de mezclado, de modo que puede tener lugar esencialmente un reformado de metano con vapor en dicho reformador (12), produciendo un combustible enriquecido, - un primer regenerador (11) dispuesto para precalentar la mezcla, mientras enfría el combustible enriquecido, - al menos un intercambiador de calor (8, 14, 15), dispuesto para calentar dicho suministro de agua, mientras enfría los gases de combustión, caracterizado porque comprende unos medios (5) para desviar una parte de los gases de escape de la planta de turbina de gas, para ser utilizada como aire comburente para la combustión de dicho material, - un segundo regenerador (7) dispuesto para precalentar dicha parte de los gases de escape procedentes de dicha planta de turbina de gas, mientras enfría los gases de combustión de la combustión de material combustible. 14. Instalación según la reivindicación 13, que comprende un intercambiador de calor (8) dispuesto para transformar dicho suministro de agua en vapor, y unos medios de mezclado (23), para mezclar dicho vapor con dicho gas natural. 15. Instalación según la reivindicación 13 ó 14, en el que dichos medios de mezclado son una torre (13) de saturación. 16. Instalación según la reivindicación 15, que comprende además una bomba (26) dispuesta para recircular el agua procedente de dicha torre de saturación. 17. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, que comprende además un intercambiador de calor (4) adicional, dispuesto para utilizar el calor procedente del escape de dicho expansor (2) de turbina de gas, para producir vapor, y que comprende además unos medios (25) para desviar al menos una parte del vapor producido en dicho intercambiador de calor (4) adicional hacia la cámara de combustión (3) de dicha planta de turbina de gas. 18. Instalación según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, que comprende además un condensador (17) dispuesto para enfriar adicionalmente dicho combustible enriquecido, tras dicho primer regenerador (11). 19. Instalación según la reivindicación 18, en el que dicho condensador está dispuesto para recibir al menos dicho suministro de agua (22) y dicho suministro de gas natural (9) como medios de enfriamiento. 8 E05817967 11-01-2012   9 E05817967 11-01-2012   E05817967 11-01-2012   11 E05817967 11-01-2012

 

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