SEPARACIÓN DE AIRE CRIOGÉNICO COMBINADA CON UN GASIFICADOR INTEGRADO.

Un procedimiento para la producción de oxígeno para alimentar un sistema de generación de energía de ciclo combinado de gasificador integrado a una tasa que corresponde a la demanda de energía de la producción de energía de ciclo combinado de gasificador integrado durante períodos de demanda pico al tiempo que se mantiene la eficacia pico cuando el sistema de generación y energía de ciclo combinado de gasificador integrado opera a producción de energía variable,

que comprende la destilación criogénica de aire en una unidad de separación de aire que comprende medios de destilación (5), medios de intercambio de calor (8) y un único depósito de almacenamiento en frío de oxígeno líquido (21); en el que durante la reducción de demanda de energía procedente del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado, con relación a su demanda de producción de energía nominal, se produce oxígeno líquido en exceso con relación al requerido por el sistema de ciclo combinado de gasificador integrado y dicho exceso de oxígeno líquido se recoge y almacena en el depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) de dicha unidad de separación de aire; y en el que durante un incremento en la demanda de energía procedente del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado, con relación a su demanda de producción de energía nominal, en un modo de operación (i) el exceso de oxígeno líquido se extrae del depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) y se vaporiza a presión elevada mediante una bomba de oxígeno líquido (31) y un vaporizador (33), y en otro modo de operación (ii) el exceso de oxígeno líquido se extrae del depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) y se combina con oxígeno líquido procedente de los medios de destilación (5) que no está en exceso y se vaporiza a presión elevada en un intercambio de calor indirecto con el aire producido mediante destilación criogénica

CAMPO DE LA INVENCION

La invención se refiere a la operación de un sistema de generación de energía de ciclo combinado de gasificador integrado/unidad de separación de aire criogénica combinada y, en particular, a una unidad de separación de aire criogénica de operación a capacidad constante durante periodos de demanda de energía variables para el 5 sistema de generación de energía combinado de gasificador integrado y a un procedimiento para la operación de la unidad de separación de aire para variar su consumo de energía con el fin de maximizar la producción neta de energía de ciclo combinado de gasificador integrado durante períodos de demanda pico al tiempo que se mantiene la eficacia pico cuando el sistema de generación de energía de ciclo combinado de gasificador integrado opera a una producción de energía variable. 10

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El escalado de los costes de la energía ha intensificado los esfuerzos para desarrollar fuentes de energía alternativas. Un resultado de este esfuerzo es la planta de energía de ciclo combinado de gasificador integrado.

La generación de electricidad mediante sistemas de energía de ciclo combinado de gasificador integrado ofrece la posibilidad coste de energía reducido e impacto medioambiental más bajo que las plantas de energía de combustión 15 de carbón convencionales. En estos sistemas avanzados, el carbón u otros materiales carbonáceos experimentan una reacción de gasificación de oxidación parcial con oxígeno que usualmente tiene una pureza de al menos 80% en volumen de oxígeno. El gas producido se limpia para proporcionar un gas combustible sintético con bajo contenido en azufre. Este gas combustible el cual comprende fundamentalmente hidrógeno y monóxido de carbono puede usarse en un sistema de generación de turbina de gas para producir energía eléctrica con emisiones medioambientales reducidas. 20

El creciente interés en la tecnología de ciclo combinado de gasificación en los últimos años ha estado estimulado por la mayor eficacia y fiabilidad demostrada de las turbinas de gas avanzadas, los procedimientos de gasificación del carbón, y los sistemas de separación del aire que son usados en los sistemas de ciclo combinado de gasificador integrado. La apropiada integración de estos tres componentes principales de un sistema de ciclo combinado de gasificador integrado es esencial para lograr el máximo de eficacia operativa y el mínimo de coste de la energía. 25

El sistema de ciclo combinado de gasificador integrado es describe con más detalle en la Patente de EE.UU. 4.328.008 de Munger y otros, y en la Patente de EE.UU. 4.052.176 de Child y otros. La divulgación de estas patentes se incorpora en la presente por referencias.

Los sistemas de generación de energía basados en la combustión, incluyendo los sistemas de ciclo combinado de gasificador integrado, están sometidos a periodos de operación por debajo de la capacidad de diseño del sistema 30 debido a cambios en la demanda de energía eléctrica. Durante estos periodos, dichos sistemas operan por debajo de la eficacia del diseño. En consecuencia, la selección del equipamiento y el diseño del procedimiento de un sistema de ciclo combinado de gasificador integrado deben hacer frente a la operación en régimen uniforme a la capacidad de diseño, así como a la operación en condiciones de fuera de diseño, de carga parcial, o de bajada.

Un sistema de ciclo combinado de gasificador integrado de aire y nitrógeno integrado es una opción preferida 35 dado el potencial de operación de un sistema de este tipo en cuanto a la eficacia general máxima, particularmente cuando el sistema debe operar también en condiciones de fuera de diseño, de carga parcial, o de bajada.

Dado que la operación de una planta de este tipo depende de la demanda del consumidor de electricidad, la entrada de oxígeno a la planta necesita frecuentemente variar conjuntamente con la demanda de electricidad y la reducción de la demanda de energía que se produce en el ciclo de demanda de energía diaria típico. Por ejemplo, la 40 demanda de energía nocturna en una planta de ciclo combinado de gasificador integrado típico puede ser 50-75% de la demanda diurna. Igualmente, pueden producirse cambios estacionales en la demanda de ener-gía. Durante la demanda de energía reducida, la planta debe operar a carga parcial, es decir, “de bajada” disminuyendo el flujo de aire y de combustible a la cámara de combustión de la turbina de gas.

La variación de rendimiento del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado corresponde o bien a un 45 incremento o una disminución de necesidad de productos procedentes de la unidad de separación de aire que produce oxígeno y nitrógeno para uso en el sistema, lo más importante, las cantidades de oxígeno necesarias para la operación del gasificador. Igualmente, es importante que durante el incremento o disminución de la producción por la unidad de separación de aire, la pureza de los productos se mantenga en o por encima de los niveles requeridos por el procedimiento de gasificación. 50

Desgraciadamente, se crea un problema por la integración de la unidad de separación de aire con el sistema de ciclo combinado de gasificador integrado. Antes de la aparición del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado, las unidades de separación de aire no tenían que variar su producción de manera tan severa como la que requiere la operación de un ciclo combinado de gasificador integrado, y estaban diseñadas de acuerdo con ello. Típicamente, las demandas establecidas para una unidad de separación de aire totalmente integrada son tales que 55

deben ser capaces de operar dentro del intervalo de 50% a 100% de la capacidad de diseño al tiempo que responden a variaciones en el ritmo de producción, a veces denominado como “en rampa”, a aproximadamente del 3% de capacidad por minuto.

Con el fin de ilustrar el problema, durante la operación de carga parcial o “bajada” de la unidad de separación de aire, se necesita menos producto, pero los líquidos en las columnas de destilación se inflaman conforme la presión 5 de suministro de aire disminuye tendiendo a generar más producto. Igualmente, el líquido inflamado es rico en oxígeno lo cual puede potencialmente degradar la pureza de las corrientes de producto de nitrógeno y oxígeno.

En consecuencia, surge el problema de cómo controlar las variaciones en una unidad de separación de aire que pueda tener una presión de aire de suministro comprimido variable, al tiempo que se cumplen las demandas variables de oxígeno y las exigencias estrictas de pureza. 10

Sería deseable para la unidad de separación de aire tener la capacidad de producción de oxígeno para cumplir con las exigencias de carga pico mientras no opera al nivel sub-óptimo durante los periodos de fuera de pico, puesto que la eficacia de la unidad de separación de aire disminuye cuando no opera en u opera cerca de su capacidad de diseño. Igualmente, sería deseable ser capaces de incrementar la generación de energía hasta niveles por encima del diseño durante los periodos pico sin incurrir en costes adicionales procedentes de un equipamiento sobredimensionado 15 o de condiciones de operación no óptimas.

El objetivo es encontrar una técnica que permita a la unidad de separación de air producir oxígeno a un nivel eficaz independientemente de fluctuaciones en las exigencias resultantes de la variación de la demanda de electricidad para una unidad de separación de aire integrada, al tiempo que se mantiene una pureza razonablemente constate para satisfacer los criterios del gasificador del sistema de generación de energía de ciclo combinado de gasificador integrado. 20

La Patente de EE.UU. No. 5.526.647 de Grenier, incorporada en la presente invención por referencia, divulga un procedimiento para la producción de oxígeno gaseoso bajo presión a un ritmo de flujo variable usando un depósito de almacenamiento de aire líquido y un depósito de almacenamiento de oxígeno líquido.

El aire de entrada es enfriado en un intercambiador de calor mediante el intercambio de calor con los productos procedentes de un aparato de destilación. El oxígeno líquido es extraído del aparato de destilación, llevado a la presión 25 de vaporización, vaporizado y calentado nuevamente en el intercambiador de calor mediante el aire de entrada, el cual, como consecuencia de ello, se licúa.

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1. Un procedimiento para la producción de oxígeno para alimentar un sistema de generación de energía de ciclo combinado de gasificador integrado a una tasa que corresponde a la demanda de energía de la producción de energía de ciclo combinado de gasificador integrado durante períodos de demanda pico al tiempo que se mantiene la eficacia pico cuando el sistema de generación y energía de ciclo combinado de gasificador integrado opera a producción 5 de energía variable, que comprende

la destilación criogénica de aire en una unidad de separación de aire que comprende medios de destilación (5), medios de intercambio de calor (8) y un único depósito de almacenamiento en frío de oxígeno líquido (21);

en el que durante la reducción de demanda de energía procedente del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado, con relación a su demanda de producción de energía nominal, se produce oxígeno líquido en 10 exceso con relación al requerido por el sistema de ciclo combinado de gasificador integrado y dicho exceso de oxígeno líquido se recoge y almacena en el depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) de dicha unidad de separación de aire; y

en el que durante un incremento en la demanda de energía procedente del sistema de ciclo combinado de gasificador integrado, con relación a su demanda de producción de energía nominal, en un modo de operación (i) el 15 exceso de oxígeno líquido se extrae del depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) y se vaporiza a presión elevada mediante una bomba de oxígeno líquido (31) y un vaporizador (33), y

en otro modo de operación (ii) el exceso de oxígeno líquido se extrae del depósito de almacenamiento en frio de oxígeno líquido (21) y se combina con oxígeno líquido procedente de los medios de destilación (5) que no está en exceso y se vaporiza a presión elevada en un intercambio de calor indirecto con el aire producido mediante destilación 20 criogénica.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el oxígeno se produce a un caudal variable.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el oxígeno se produce a un caudal substancialmente constante.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que el oxígeno se produce a un caudal constante. 25