Procedimiento de producción de energía y/o de gas de síntesis por gasificación de al menos una carga líquida y/o sólida en al menos un bucle químico que comprende al menos cuatro zonas de reacción distintas de oxidación,

reducción, gasificación y producción de oxígeno, en el cual:

a) se produce oxígeno en una zona de reacción de producción de oxígeno R2 exponiendo un óxido metálico en su estado de oxidación máxima a una atmósfera gaseosa de baja presión parcial de oxígeno constituida por un gas vector que contiene los efluentes de reducción;

b) se transporta el oxígeno producido en la etapa a) por medio del gas vector a una zona de reacción de gasificación R4 y se efectúa la gasificación de la carga líquida y/o sólida por contacto de dicho gas vector enriquecido en oxígeno a alta temperatura con dicha carga para producir el gas de síntesis CO + H2;

c) se efectúa la reducción del sólido portador de oxígeno para liberar oxígeno, que permite oxidar el gas de síntesis, en una zona de reacción de reducción R3, siendo la reacción de reducción en dicha zona de reacción de reducción exotérmica;

d) se oxida el sólido portador de oxígeno, que ha sido al menos en parte reducido para proporcionar oxígeno al sistema, en contacto con el aire con el fin de darle su estado de oxidación máxima, en una zona de reacción de oxidación R1, y donde se utiliza el calor aportado por las reacciones que intervienen en dicha zona de reacción de oxidación R1 y en dicha zona de reacción de reducción R3 para permitir el funcionamiento energético del procedimiento.

Procedimiento integrado de producción de energía y/o de gas de síntesis por producción de oxígeno in situ, combustión y gasificación en bucle químico Teniendo en cuenta las evoluciones climáticas observadas en estos últimos decenios y las previsibles a largo plazo, el control de las emisiones de gases de efecto invernadero se convierte en una exigencia cada vez mayor para todos los sectores económicos, y en particular para los relacionados con la producción de energía. Una de las diferentes vías posibles para controlar las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera es la captación y el secuestro del carbono. Esta opción está especialmente adaptada en el caso de la utilización centralizada de energías fósiles. La mayoría de las soluciones contempladas inducen una penalización energética importante, con un autoconsumo del orden del 20 al 30%.

Entre los medios de combustión que permiten la captura del CO2, las unidades de oxicombustión presentan la ventaja de producir humos de combustión libres de nitrógeno procedentes del aire de combustión, ya que la combustión se realiza a partir de oxígeno puro. Tal procedimiento está descrito, por ejemplo, en la patente WO2007039687A. Este oxígeno es producido por una unidad de separación de aire (air separation unit, ASU) . Un inconveniente de este modo de combustión, y de las ASU en particular, es su gran consumo energético y su elevado coste de inversión, que aumenta considerablemente el coste global de la captación.

Una solución es, pues, utilizar un procedimiento de combustión en bucle químico. La combustión en bucle químico presenta un importante potencial en términos de eficacia energética y de reducción de los costes. Es procedimiento evita la penalización energética ligada a la separación del oxígeno del aire. Se basa en la capacidad de transferencia de oxígeno de ciertos materiales, tales como los óxidos metálicos. Un reactor de aire sirve para oxidar los transportadores de oxígeno preparados en forma de finas partículas, que son entonces transferidas a un reactor de combustible, donde se reducen por la combustión del combustible. Este procedimiento es generalmente realizado a escala piloto en forma de dos lechos fluidizados que intercambian flujos de sólidos: siendo entonces el reactor de aire un reactor de tipo fluidización rápida en cuyo ápice se separan el flujo de aire empobrecido en oxígeno y las partículas por un ciclón, descendiendo las partículas por gravedad en el reactor de combustible constituido por un lecho fluidizado denso, donde un desbordamiento realiza la reinyección de los sólidos por la parte baja del tubo elevador, mientras que los gases de combustión (esencialmente CO2 y H2O) son evacuados por la parte superior de este lecho fluidizado denso. La patente FR 2.850.156 describe especialmente el principio de la combustión en bucle químico, en un procedimiento dedicado a la combustión del carbón.

En el caso de los combustibles sólidos, a la salida del reactor de reducción subsisten incombustibles. Éstos son llevados con el portador de oxígeno al reactor de aire, donde se quemarán, pero ello produce entonces CO2 mezclado con el nitrógeno, lo que afecta al índice de captación de la unidad. Para evitarlo, es necesario disponer de un equipamiento específico de separación entre partículas de diferente naturaleza, pero de tamaño comparable, de ahí la complejidad del sistema, en particular en el caso de extrapolación industrial, a gran escala.

Se realizaron ensayos de integración del bucle químico en instalaciones de conversión de hidrocarburos.

Por ejemplo, el documento W02007082089A2 consiste en un procedimiento en tres etapas, que pone en evidencia la utilización de un recirculación de los óxidos metálicos para la producción de hidrógeno. En un primer reactor, una combustión total del combustible permite producir CO2 y H2O. Se realiza la producción de hidrógeno por reoxidación del óxido metálico con ayuda de vapor de agua. Esta realización impone caudales de vapor importantes y, por lo tanto, la necesidad de calentar y de evaporar una cantidad importante de agua antes de la introducción en el reactor de oxidación, lo que conlleva un balance energético limitante.

La producción de hidrógeno puede ser también efectuada por gasificación: la solicitud de patente WO2008036902A2 describe, por ejemplo, un procedimiento de gasificación de hidrocarburos, que se lleva a cabo en una disposición clásica de dos zonas de reacción.

Sin embargo, un problema al que se enfrenta el experto en la técnica que quiere producir gas de síntesis (y por lo tanto hidrógeno) por gasificación es la cinética de las reacciones que tienen lugar en el reactor de gasificación, así como las temperaturas elevadas de las reacciones en el reactor de gasificación. El tiempo de permanencia necesario de los reactivos es, por lo tanto, importante. Esto afecta directamente a los tamaños de las instalaciones y más concretamente a los tamaños de los reactores puestos en juego, lo que conlleva costes de inversión elevados.

Ciertos portadores de oxígeno tienen la capacidad de liberar espontáneamente una parte de su oxígeno en un medio pobre en oxígeno. Así, hemos descubierto que la presencia de un reactor de producción de oxígeno en el seno de un bucle químico permite gasificar el combustible con una mezcla enriquecida en oxígeno evitando el contacto directo sólido - combustible sólido. Se puede evitar de este modo recurrir a equipamientos de separación sólido sólido. Esta configuración particular presenta además la ventaja de mejorar el balance energético de la etapa de gasificación, muy endotérmica en ausencia de oxígeno, pero también de acelerar las reacciones, puesto que las reacciones que intervienen son reacciones entre sólido y gas (y ya no entre sólido y sólido) . El procedimiento según la invención es particularmente ventajoso para la gasificación de las cargas pesadas.

Descripción de la invención

Resumen de la invención

La invención se relaciona con un procedimiento de producción de energía y/o de gas de síntesis por gasificación de al menos una carga líquida y/o sólida en al menos un bucle químico que comprende al menos cuatro zonas de reacción distintas de oxidación, reducción, gasificación y producción de oxígeno, en el cual:

a) se produce oxígeno en una zona de reacción de producción de oxígeno R2 exponiendo un óxido metálico en su estado de oxidación máxima a una atmósfera gaseosa de baja presión parcial de oxígeno constituida por un gas vector que contiene los efluentes de reducción; b) se transporta el oxígeno producido en la etapa a) por medio del gas vector eventualmente bajo presión a una zona de reacción de gasificación R4 y se efectúa la gasificación de la carga líquida y/o sólida por contacto de dicho gas vector enriquecido en oxígeno a alta temperatura con dicha carga para producir el gas de síntesis CO + H2; c) se efectúa la reducción del sólido portador de oxígeno para liberar oxígeno que permite oxidar el gas de síntesis en una zona de reacción de reducción R3, siendo la reacción de reducción en dicha zona de reacción de reducción exotérmica; d) se oxida el sólido portador de oxígeno, que ha sido al menos en parte reducido para proporcionar oxígeno al sistema, en contacto con el aire con el fin de darle su estado de oxidación máxima, en una zona de reacción de oxidación R1, y en el cual se utiliza el calor aportado por las reacciones que intervienen en dicha zona de reacción de oxidación R1 y en dicha zona de reacción de reducción R3 para permitir el funcionamiento energético del procedimiento.

En un modo de realización, se produce el gas de síntesis bajo presión en la etapa b) y se efectúa la expansión del gas de síntesis producido antes de la reducción del sólido portador de oxígeno en la etapa c) .

Se puede utilizar al menos una parte del gas de síntesis producido en el seno del procedimiento, para aportar el calor necesario para el funcionamiento y eventualmente producir calor excedente, que podrá ser valorizado.

Preferentemente, se envía al menos una parte del gas de síntesis a la zona de reacción de reducción, incluso la totalidad del gas de síntesis.

Se puede valorizar al menos una parte del gas de síntesis producido a la salida de la zona de reacción de gasificación.

La carga líquida y/o sólida puede ser seleccionada entre el carbón, el coque de petróleo o las cargas líquidas en las que menos de un... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de producción de energía y/o de gas de síntesis por gasificación de al menos una carga líquida y/o sólida en al menos un bucle químico que comprende al menos cuatro zonas de reacción distintas de oxidación, reducción, gasificación y producción de oxígeno, en el cual:

a) se produce oxígeno en una zona de reacción de producción de oxígeno R2 exponiendo un óxido metálico en su estado de oxidación máxima a una atmósfera gaseosa de baja presión parcial de oxígeno constituida por un gas vector que contiene los efluentes de reducción; b) se transporta el oxígeno producido en la etapa a) por medio del gas vector a una zona de reacción de gasificación R4 y se efectúa la gasificación de la carga líquida y/o sólida por contacto de dicho gas vector enriquecido en oxígeno a alta temperatura con dicha carga para producir el gas de síntesis CO + H2; c) se efectúa la reducción del sólido portador de oxígeno para liberar oxígeno, que permite oxidar el gas de síntesis, en una zona de reacción de reducción R3, siendo la reacción de reducción en dicha zona de reacción de reducción exotérmica; d) se oxida el sólido portador de oxígeno, que ha sido al menos en parte reducido para proporcionar oxígeno al sistema, en contacto con el aire con el fin de darle su estado de oxidación máxima, en una zona de reacción de oxidación R1, y donde se utiliza el calor aportado por las reacciones que intervienen en dicha zona de reacción de oxidación R1 y en dicha zona de reacción de reducción R3 para permitir el funcionamiento energético del procedimiento.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual se produce el gas de síntesis bajo presión en la etapa b) y se efectúa la expansión del gas de síntesis producido antes de la reducción del sólido portador de oxígeno en la etapa c) .

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el cual al menos una parte del gas de síntesis producido es utilizada en el seno del procedimiento, para aportar el calor necesario para el funcionamiento y eventualmente producir calor excedente, que podrá ser valorizado.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el cual al menos una parte del gas de síntesis es enviada a la zona de reacción de reducción.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el cual se envía la totalidad del gas de síntesis a la zona de reacción de reducción.

6. Procedimiento según la reivindicación 1 a 4, en el cual al menos una parte del gas de síntesis producido es valorizada a la salida de la zona de reacción de gasificación.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual se selecciona la carga líquida y/o sólida entre el carbón, el coque de petróleo o las cargas líquidas en las que menos de un 10% tiene un punto de ebullición inferior a 340°C.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual las zonas de reacción de reducción, oxidación y producción de oxígeno son zonas de reacción distintas situadas en un mismo reactor.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el cual el reactor es un reactor rotativo.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual las zonas de reacción de reducción, oxidación y producción de oxígeno están situadas en reactores distintos.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual se recupera energía excedente exportable por intercambio de calor en el interior de las zonas de reacción o sobre los efluentes gaseosos.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual:

- la fracción de capacidad de transferencia restante X de los óxidos metálicos está comprendida entre 0, 8 y 1 a la salida de la zona de reacción de oxidación R1;

- la fracción de capacidad de transferencia restante X está comprendida entre 0 y 0, 3 a la salida de la zona de reacción de reducción R3;

- la fracción de capacidad de transferencia total iX está comprendida entre 0, 01 y 1 en la zona de producción de oxígeno R2.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en el cual

- la fracción de capacidad de transferencia restante X de los óxidos metálicos está comprendida entre 0, 95 y 1 a la salida de la zona de reacción de oxidación R1;

- la fracción de capacidad de transferencia restante X está comprendida entre 0 y 0, 1 a la salida de la zona de reacción de reducción R3;

- la fracción de capacidad de transferencia total iX está comprendida entre 0, 05 y 0, 5 en la zona de 5 producción de oxígeno R2.

14. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes para la producción de calor.

15. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13 para la producción de gas de síntesis bajo 10 presión.