Sistema de caldera de combustión oxi-gas y procedimiento de generación de energía con el uso de dicho sistema.

Procedimiento para la generación de energía mediante la quema de combustible carbonáceo con un gas oxidante en un horno (14) de un sistema de caldera (10),

el cual comprende los pasos de:

(a) introducir en el horno combustible carbonáceo (16) a la velocidad de alimentación de combustible;

(b) introducir en el horno gas oxidante (18) para quemar combustible a fin de producir gases de escape;

(c) descargar los gases de escape del horno a través de un canal (20) para los gases de escape;

(d) transportar una corriente de agua de alimentación a la velocidad de transporte de la misma desde un economizador final (54) dispuesto en el canal para gases de escape hasta unas superficies de intercambio térmico para evaporación (32) y recalentamiento (34), dispuestas en el horno y en el canal para gases de escape a fin de convertir el agua de alimentación en vapor recalentado;

(e) expandir el vapor recalentado en una turbina (36) de vapor a presión elevada para generar energía;

(f) extraer una primera parte del vapor de la turbina de vapor a presión elevada para precalentar el agua de alimentación;

(g) transportar una segunda parte del vapor desde la turbina de vapor a presión elevada para recalentar unas superficies de intercambio térmico dispuestas en el canal para gases de escape a fin de generar vapor recalentado; y

(h) expandir el vapor recalentado en una turbina (46) de vapor a presión intermedia para generar energía; caracterizado porque, en unas primeras condiciones de funcionamiento, el gas oxidante es una mezcla de oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados, y porque la proporción entre las primeras y segundas partes del vapor se controla a fin de obtener la temperatura deseada de los gases de escape en el canal de dichos gases, aguas abajo del economizador final.

Sistema de caldera de combustión oxi-gas y procedimiento de generación de energía con el uso de dicho sistema.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema de caldera de combustión oxi-gas y un procedimiento de generación de energía utilizándose dicho sistema. La invención se refiere específicamente a un sistema de caldera de doble carga, es decir, un sistema de caldera que puede funcionar utilizándose aire o una mezcla de oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados como gas oxidante, es decir, como gas transportador de oxígeno.

Descripción de la Técnica Relacionada La combustión oxi-gas es uno de los procedimientos sugeridos para extraer el CO2 de los gases de escape de una caldera de generación de energía, por ejemplo, una caldera de carbón pulverizado (CP) o una caldera de lecho fluidificado en circulación (LFC) . La combustión oxi-gas se basa en la combustión de combustible carbonáceo con oxígeno prácticamente puro, normalmente de un 95% de pureza, a fin de que el dióxido de carbono y el agua sean los componentes principales de los gases de escape descargados de la caldera. Por lo tanto, el dióxido de carbono puede capturarse con relativa facilidad de los gases de escape, sin tener que separarlo de la corriente de gases que tienen nitrógeno como su componente principal, por ejemplo, cuando la combustión del combustible se realiza con aire.

La generación de energía mediante la combustión oxi-gas es más complicada que la combustión clásica por aire, debido a la necesidad de un suministro de oxígeno, por ejemplo, una unidad de separación del aire (USA) , criogénica o de membrana, donde el oxígeno se separa de otros componentes del aire, principalmente nitrógeno. Los gases de escape producidos están a continuación listos para la extracción del CO2, cuando se retira el agua de los mismos y, posiblemente, se purifican los gases de escape a fin de reducir los gases inertes que se originan del oxidante, el combustible o una fuga de aire. Esta purificación se realiza normalmente mediante la condensación del CO2 a baja temperatura y/o a elevada presión. El CO2 puede separarse de los gases de escape, por ejemplo, enfriándolo a una temperatura relativamente baja, comprimiéndolo a su vez a una presión mayor de 110 bares. Tanto la producción de oxígeno como la compresión y purificación del dióxido de carbono aumentan los costes totales de producción del proceso de generación de energía, por ejemplo, disminuyendo la energía neta producida en el proceso.

La combustión que utiliza oxígeno difiere de la combustión que utiliza aire, principalmente tener una temperatura más elevada y un menor volumen de combustión. Dado que la combustión oxi-gas es aún una tecnología en desarrollo, se considera conveniente diseñar las denominadas calderas de combustión oxi-gas de primera generación, donde las condiciones de combustión están dispuestas para ser más cercanas a las de la combustión por carga de aire. Esto puede realizarse reciclándose los gases de regreso al horno, a fin de proporcionar un contenido medio de O2 del oxidante de, por ejemplo, un 20 a un 28%. Dichas calderas de combustión oxi-gas de primera generación pueden construirse ventajosamente modificándose las calderas de carga de aire existentes. Debido a muchas incertidumbres referentes a la combustión oxi-gas con captura y almacenamiento del dióxido de carbono, existe también la necesidad de calderas de doble carga, es decir, calderas que pueden cambiarse de carga de aire a la combustión oxi-gas, y viceversa, lo más fácilmente posible, y preferentemente sin introducir ningún cambio en la construcción real. Con dicha caldera de doble carga, es posible también tener una salida máxima de energía, utilizándose la combustión con carga de aire, durante una elevada demanda de carga, por ejemplo en verano o durante el día, y aplicar la combustión oxi-gas con retirada de CO2 en otras condiciones. Por otra parte, se puede utilizar una caldera de doble carga en un modo de carga por aire, por ejemplo, cuando estén averiadas la unidad de separación del aire o la unidad de extracción de CO2.

La patente de los Estados Unidos número 6.418.865 describe una caldera para la combustión de combustible con aire oxigenado, pudiendo realizarse dicha caldera mediante la modificación de una caldera de carga de aire, en la que se hacen recircular los gases de escape hasta el horno a fin de tener una temperatura de llama y flujo total de masa aproximadamente iguales a los de la combustión con aire.

La publicación de patente número WO 2006/131283 describe una caldera adaptada de doble carga, donde el aire fresco que sale del calentador de aire se traspasa directamente, en el modo de carga de aire, a la cámara de combustión o, en el modo de combustión oxi-gas, se enfría mediante agua de alimentación de la caldera, se comprime utilizándose vapor extraído de una turbina de vapor a presión elevada y se transporta a una unidad de separación del aire para producir oxígeno. La energía neta generada en el modo de combustión oxi-gas con captura del CO2 del proceso descrito en WO 2006/131283 es considerablemente reducida en comparación con la del modo de carga de aire.

La publicación de patente número EP-1473442 describe un sistema de caldera que comprende medios para extraer una primera parte de vapor de una turbina de vapor de alta presión para precalentar el producto de alimentación, y medios para trasportar una segunda parte de vapor de dicha turbina de vapor a presión elevada para recalentar las superficies de intercambio térmico.

A fin de generar energía más económicamente mediante un sistema de caldera de combustión oxi-gas, existe la necesidad de un procedimiento y sistema de caldera mejorados, que minimicen la pérdida de la energía producida, especialmente en una caldera de doble carga.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de caldera de combustión oxi-gas y un procedimiento de uso de dicho sistema, a fin de minimizar la pérdida de energía producida.

En un aspecto, la presente invención proporciona un procedimiento de generación de energía mediante la quema de combustible carbonáceo con un gas oxidante en un horno de un sistema de caldera, el cual comprende los pasos de introducir en el horno combustible carbonáceo a la velocidad de introducción de combustible; introducir en el horno gas oxidante para quemar combustible a fin de producir gases de escape, descargar los gases de escape del horno a través de un canal para dichos gases, transportar una corriente de agua de alimentación a la velocidad de transporte de la misma desde un economizador final dispuesto en el canal para gases de escape hasta unas superficies de intercambio térmico para su evaporación y recalentamiento, dispuestas en el horno y en el canal para gases de escape a fin de convertir el agua de alimentación en vapor recalentado, expandir el vapor recalentado en una turbina de vapor a presión elevada para generar energía, extraer una primera parte del vapor de la turbina de vapor a presión elevada para precalentar el agua de alimentación, transportar una segunda parte del vapor desde la turbina de vapor a presión elevada para recalentar unas superficies de intercambio térmico de recalentamiento dispuestas en el canal para gases de escape a fin de generar vapor recalentado; y expandir el vapor recalentado en una turbina de vapor a presión intermedia para generar energía; caracterizado porque, en unas primeras condiciones de funcionamiento, el gas oxidante es una mezcla de oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados, y porque se controla la proporción entre las primeras y segundas partes del vapor a fin de obtener la temperatura deseada de los gases de escape en el canal para dichos gases, aguas abajo del economizador final.

En otro aspecto, la presente invención proporciona un sistema de caldera para la generación de energía mediante la quema de combustible carbonáceo en el horno de un sistema de caldera, el cual comprende medios para introducir en el horno combustible carbonáceo, medios para introducir en el horno oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados como gas oxidante para quemar el combustible a fin de producir gases de escape, un canal para los gases de escape a fin de descargar tales gases del horno, medios para transportar una corriente de agua de alimentación desde un economizador final dispuesto en el canal para gases de escape hasta unas superficies de intercambio térmico... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la generación de energía mediante la quema de combustible carbonáceo con un gas oxidante en un horno (14) de un sistema de caldera (10) , el cual comprende los pasos de:

(a) introducir en el horno combustible carbonáceo (16) a la velocidad de alimentación de combustible;

(b) introducir en el horno gas oxidante (18) para quemar combustible a fin de producir gases de escape;

(c) descargar los gases de escape del horno a través de un canal (20) para los gases de escape;

(d) transportar una corriente de agua de alimentación a la velocidad de transporte de la misma desde un economizador final (54) dispuesto en el canal para gases de escape hasta unas superficies de intercambio térmico para evaporación (32) y recalentamiento (34) , dispuestas en el horno y en el canal para gases de escape a fin de convertir el agua de alimentación en vapor recalentado;

(e) expandir el vapor recalentado en una turbina (36) de vapor a presión elevada para generar energía;

(f) extraer una primera parte del vapor de la turbina de vapor a presión elevada para precalentar el agua de alimentación;

(g) transportar una segunda parte del vapor desde la turbina de vapor a presión elevada para recalentar unas superficies de intercambio térmico dispuestas en el canal para gases de escape a fin de generar vapor recalentado; y

(h) expandir el vapor recalentado en una turbina (46) de vapor a presión intermedia para generar energía;

caracterizado porque, en unas primeras condiciones de funcionamiento, el gas oxidante es una mezcla de oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados, y porque la proporción entre las primeras y segundas partes del vapor se controla a fin de obtener la temperatura deseada de los gases de escape en el canal de dichos gases, aguas abajo del economizador final.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se ajustan la velocidad de introducción del combustible y la velocidad de transporte del agua de alimentación a fin de obtener la temperatura deseada en el horno.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque, en unas segundas condiciones de funcionamiento, el gas oxidante es aire y, cuando se acciona el sistema de combustión a plena carga en las primeras y segundas condiciones de funcionamiento, el caudal de alimentación de combustible es, en las primeras condiciones de funcionamiento, mayor que en las segundas.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque cuando se acciona el sistema de combustión a plena carga en las condiciones de funcionamiento primera y segunda, la primera parte del vapor en las primeras condiciones de funcionamiento es menor que en las segundas condiciones de funcionamiento, y porque la segunda parte del vapor es, en las primeras condiciones de funcionamiento, mayor que en las segundas condiciones de funcionamiento.

5. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque el sistema comprende un termointercambiador

(60) gas/gas y el calor se transfiere en el termointercambiador gas/gas en las condiciones de funcionamiento primera y segunda desde los gases de escape en el canal de tales gases a al menos una parte del gas oxidante.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el control comprende la medición de la temperatura (58) de los gases de escape.

7. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque, en las primas condiciones de funcionamiento, la velocidad de transporte del agua de alimentación es mayor que en las segundas.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el procedimiento comprende, en las primeras condiciones de funcionamiento, otro paso de presurización de una parte de los gases de escape en varios compresores de dichos gases a fin de producir dióxido de carbono líquido o supercrítico

9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el procedimiento comprende, en las primeras condiciones de funcionamiento, otro paso de extracción de una parte del vapor (48) desde la turbina (46) de vapor a presión intermedia para accionar un compresor.

10. Sistema (10) de caldera para generar energía mediante la combustión de combustible carbonáceo en un horno

(14) del sistema de caldera, que comprende: medios para introducir el combustible carbonáceo (16) en el horno;

medios para introducir en el horno oxígeno prácticamente puro y gases de escape reciclados (18) como gas oxidante para la combustión del combustible a fin de producir gases de escape;

un canal de gases de escape (20) para descargar dichos gases del horno;

medios para transportar una corriente de agua de alimentación desde un economizador final (54) dispuesto en el canal de gases de escape hasta las superficies de intercambio térmico de evaporación (32) y recalentamiento (34) dispuestas en el horno y en el canal de gases de escape para convertir el agua de alimentación en vapor recalentado;

una turbina (36) de vapor a presión elevada para generar energía;

medios para extraer una primera parte del vapor de la turbina de vapor a elevada presión para precalentar el agua de alimentación;

medios para transportar una segunda parte del vapor de la turbina de vapor a elevada presión a fin de recalentar las superficies de intercambio térmico dispuestas en el canal de gases de escape con el objetivo de generar vapor recalentado; y una turbina de vapor a presión intermedia (46) para expandir el vapor recalentado a fin de generar energía, caracterizado porque el sistema de caldera comprende medios para controlar la proporción de las primeras y segundas partes de vapor (56) a fin de obtener una temperatura deseada de los gases de escape en el canal de dichos gases aguas abajo del economizador final.

11. Sistema de caldera según la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de caldera comprende medios para introducir en el horno aire (62) como gas oxidante para la combustión del combustible, a fin de producir gases de escape.

12. Sistema de caldera según la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de caldera comprende un termointercambiador (60) gas/gas para transferir el calor de los gases de escape del canal para tales gases a una parte al menos del gas oxidante.

13. Sistema de caldera según la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de control comprenden medios para medir la temperatura de los gases de escape (58) .

14. Sistema de caldera según la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de caldera comprende varios compresores de gases de escape para presurizar una parte de los gases de escape a fin de producir dióxido de carbono líquido o supercrítico.

15. Sistema de caldera según la reivindicación 10, caracterizado porque el sistema de caldera comprende medios para extraer una parte del vapor (48) desde la turbina (46) de vapor de presión intermedia a fin de accionar un compresor.