Eliminación de gases ácidos en un sistema de generación de energía por gasificación con producción de hidrógeno.

Un procedimiento integrado para la separación, recuperación y uso de gases ácidos que comprenden H2S,

COS y CO2 contenidos en un gas de síntesis bruto producido en la oxidación parcial de un reactivo hidrocarbonado, quecomprende:

(a) poner en contacto el gas de síntesis bruto con un primer disolvente líquido en una primera unidad de eliminación degas ácido (2) para absorber y eliminar selectivamente al menos una porción del gas ácido del gas de síntesis brutoproduciendo un gas de síntesis purificado (8), y dirigir el gas de síntesis purificado a una turbina de combustión para lacombustión del mismo;

(b) eliminar selectivamente el CO2 del primer disolvente líquido (12) que sale de la primera unidad de eliminación de gasácido (2) extrayendo el disolvente líquido con N2 en una columna de extracción de CO2 (20) a una presión de 2068 ±689 kN/m2 para eliminar selectivamente el CO2 y formar una primera mezcla gaseosa (30) que comprende N2 y CO2 yun primer residuo de disolvente (48) que contiene H2S y COS, en donde la presión del disolvente líquido se reduce (26)antes de entrar en la columna de extracción (20);

(c) purificar (46) el primer residuo de disolvente (48) que contiene H2S y COS para recuperar los valores de azufre y

(d) purificar la primera mezcla gaseosa (30) que comprende N2 y CO2 poniéndola en contacto con un segundodisolvente líquido en una segunda unidad de eliminación de gas ácido (14) para eliminar el H2S residual y producir unacorriente de nitrógeno rica en CO2 purificada (40) y un segundo residuo de disolvente (16); caracterizado porque:

(e) la corriente de nitrógeno rica en CO2 purificada (40) se introduce a una presión de 2068 ± 689 kN/m2 en la turbina decombustión, sin compresión adicional, como diluyente para controlar los NOx y aumentar el rendimiento de energía, enla que se pone en contacto con el gas de síntesis purificado (8) y sirve como moderador durante la combustión de dichogas de síntesis.

Eliminación de gases ácidos en un sistema de generación de energía por gasificación con producción de hidrógeno Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

Esta invención se refiere a sistemas de generación de energía por gasificación en los que se oxida parcialmente un combustible hidrocarbonado en un gasificador, produciendo un gas de síntesis o singás que puede usarse como combustible en una turbina de combustión para producir energía, y más específicamente, a un procedimiento para la eliminación selectiva de H2S y COS del singás manteniendo los valores asociados a CO2 y otros gases para la producción de energía. Se refiere también a un procedimiento para eliminar el CO2 del contenido de hidrógeno del singás.

2. Descripción de la técnica anterior

Se eliminan generalmente H2S y COS del singás producido mediante la oxidación parcial de un combustible hidrocarbonado antes de quemar el singás como gas combustible a alta presión en una turbina de combustión para accionar un generador y producir energía. Una técnica utiliza la absorción física o química con un disolvente líquido, como se da a conocer en la patente de EE.UU. nº 5.345.756 de Jahnke et al. En el procedimiento de eliminación de H2S y COS del singás, se eliminan indeseablemente otros gases ácidos, tales como CO2, con el H2S y COS. El mantenimiento del CO2 es deseable porque su presencia en el gas combustible a alta presión genera energía cuando se expande en la turbina de gas.

El hidrógeno es un componente del gas de síntesis producido mediante la oxidación parcial de un combustible hidrocarbonado. El gas de síntesis se purifica antes del uso. Véase la patente de EE.UU. nº 5.152.975 de Fong et al. Los procedimientos para dicha purificación serían más eficaces si el CO2 presente en la corriente de hidrógeno pudiera eliminarse del hidrógeno antes de la purificación.

Para conseguir los límites de emisión de SO2 deseados, debe eliminarse aproximadamente un 97% de H2S + COS y recuperarse, típicamente como azufre elemental, en una planta de Claus.

Los intentos previos de usar N2 para extraer el CO2 coabsorbido de disolventes físicos fueron a alta presión, esencialmente a la misma presión que la absorción de H2S o esencialmente a presión atmosférica. Debido a que los requisitos del gas de extracción aumentan en proporción directa con la presión, se consideraba que comprimir la cantidad aumentada de N2 a alta presión era practicable solo en el caso en que se produzca NH3 y la compresión de N2 sea ya necesaria.

Se ha usado durante algún tiempo una etapa de extracción con N2 para enriquecer la alimentación de gas ácido de una planta de Claus. En un procedimiento, se funciona esencialmente a presión atmosférica e incluye una sección de extracción de CO2 inferior coronada por una sección de reabsorbedor de H2S. En funcionamiento, usa N2 para extraer algo de CO2 del disolvente. El H2S en el CO2 extraído se reabsorbe con un disolvente de H2S, dando una corriente de evacuación de N2 más CO2 que contiene una cantidad aceptable de aproximadamente 10 ppm de H2S. Aunque el funcionamiento a baja presión minimiza los requisitos de gas de extracción N2, que son directamente proporcionales a la presión, aumenta el flujo de disolvente necesario para reabsorber el H2S, que es inversamente proporcional a la presión funcional. Debido a que el flujo de disolvente de reabsorción se añade generalmente al disolvente absorbedor principal para regeneración, aumenta los requisitos de vapor de regeneración. Como resultado, la extracción con N2 a baja presión para obtener una corriente de H2S de Claus concentrada no es atractiva debido a que los flujos de disolvente de regeneración son excesivos y dan como resultado requisitos de vapor de regeneración de disolvente y refrigeración prohibitivos. También, el dióxido de carbono extraído junto con el gas de extracción nitrógeno se evacua la atmósfera y no contribuye a la producción de energía en la turbina de combustión.

Se requiere un procedimiento de eliminación de gas ácido selectivo para absorber esencialmente todo el H2S coabsorbiendo una cantidad mínima de CO2. Se requiere una eliminación mínima de CO2 para obtener una alimentación de planta de Claus de H2S concentrado para minimizar los costes de capital y operativos de la planta de Claus. La coabsorción de CO2 no solo diluye la alimentación de H2S de Claus, también reduce la eficacia térmica de generación de energía por ciclo combinado con gasificación integrada (CCGI) . Puesto que el CO2 en el gas combustible a alta presión genera energía cuando se expande en la turbina de gas, su eliminación con el H2S hace perder ese potencial de generación de energía.

El problema es que los procedimientos de eliminación de gas ácido disponibles no son suficientemente selectivos y coabsorben significativamente CO2. Los disolventes físicos más selectivos, tales como dialquiléteres mixtos de polietilenglicol y N-metilpirrolidona, coabsorben más de un 15% del CO2 cuando se fija el flujo de disolvente para eliminar esencialmente todo el H2S. Esto da como resultado un gas ácido muy diluido que no puede procesarse en una planta de Claus convencional. En la práctica comercial, se usa una preconcentración de una cara amina selectiva de H2S para aumentar la alimentación de Claus a 25% de H2S. Incluso a esta concentración, la purificación es muy costosa.

La patente de EE.UU. nº 4.242.108 de Nicholas et al. resuelve el problema de obtener un gas de alimentación de Claus de H2S concentrado mediante un procedimiento que utiliza un absorbedor de H2S, un absorbedor de CO2, una columna de extracción de H2S y dos columnas de extracción de CO2. El procedimiento implica calentar los fondos del absorbedor de H2S y alimentarlos a la columna de extracción de CO2 a alta presión que funciona esencialmente a la misma presión que el absorbedor de H2S, y extraer el CO2 coabsorbido con un gas inerte exento de CO2 a alta presión. Nicholas et al. observan la posibilidad de usar N2 a alta presión de una unidad de separación de aire, sin embargo, esta divulgación del uso de N2 aparece limitada a aplicaciones de NH3 en que el N2 tiene que comprimirse y añadirse al H2 después de la eliminación de gas ácido para preparar el gas de síntesis de NH3. Esta aplicación simplemente encauza una porción del N2 requerido a través de la columna de extracción para efectos beneficiosos y aparece limitada a situaciones en que se rechaza el CO2 del gas de producto como en la síntesis de NH3. Un problema importante con este procedimiento es la pérdida de CO2, que se evacua después de vaporizarse, y la pérdida de CO2 y N2 de la segunda columna de extracción de CO2.

La patente de EE.UU. nº 4.568.364 de Galstaun et al. da a conocer la ventaja de añadir dióxido de carbono a un gas combustible para una turbina de gas para reducir la compresión del aire en exceso, con un aumento resultante de la energía neta de la turbina. Se discute también la ventaja en aplicaciones de gasificación de carbón bajo en azufre de usar nitrógeno para extraer el dióxido de carbono coabsorbido del disolvente cargado de sulfuro de hidrógeno obteniéndose, después de una extracción final del sulfuro de hidrógeno, un gas de alimentación de Claus de sulfuro de hidrógeno aceptablemente concentrado. Sin embargo, el procedimiento de Galstaun depende de usar el sistema de eliminación de gas ácido con disolvente físico de sulfuro de hidrógeno/dióxido de carbono de una operación adyacente productora de hidrógeno para conseguir las ventajas combinadas de adición de dióxido de carbono al gas combustible y el uso de extracción con nitrógeno para obtener un gas de alimentación de Claus de sulfuro de hidrógeno concentrado. Galstaun introduce dióxido de carbono en la corriente de gas combustible usando un disolvente cargado con dióxido de carbono de la etapa de eliminación de dióxido de carbono de la planta de hidrógeno adyacente. Galstaun no recupera el dióxido de carbono coabsorbido vaporizado o extraído con nitrógeno del disolvente cargado con sulfuro de hidrógeno en el gas combustible. Galstaun tampoco recupera el nitrógeno usado para extracción en el gas combustible para producir las mismas ventajas en el funcionamiento de turbina que el dióxido de carbono. Debido que el efluente de la columna de extracción de nitrógeno de Galstaun está inevitablemente contaminado con sulfuro de hidrógeno, no puede evacuarse a la atmósfera. Por lo tanto, el gas se envía a la columna de extracción de dióxido de carbono adyacente, donde se reabsorbe el sulfuro de hidrógeno contenido para recuperación.

Las patentes de EE.UU. nº 4.957.515 y 5.240.476, ambas de Hegarty, ofrecen una solución... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento integrado para la separación, recuperación y uso de gases ácidos que comprenden H2S, COS y CO2 contenidos en un gas de síntesis bruto producido en la oxidación parcial de un reactivo hidrocarbonado, que comprende:

(a) poner en contacto el gas de síntesis bruto con un primer disolvente líquido en una primera unidad de eliminación de gas ácido (2) para absorber y eliminar selectivamente al menos una porción del gas ácido del gas de síntesis bruto produciendo un gas de síntesis purificado (8) , y dirigir el gas de síntesis purificado a una turbina de combustión para la combustión del mismo;

(b) eliminar selectivamente el CO2 del primer disolvente líquido (12) que sale de la primera unidad de eliminación de gas ácido (2) extrayendo el disolvente líquido con N2 en una columna de extracción de CO2 (20) a una presión de 2068 ± 689 kN/m2 para eliminar selectivamente el CO2 y formar una primera mezcla gaseosa (30) que comprende N2 y CO2 y un primer residuo de disolvente (48) que contiene H2S y COS, en donde la presión del disolvente líquido se reduce (26) antes de entrar en la columna de extracción (20) ;

(c) purificar (46) el primer residuo de disolvente (48) que contiene H2S y COS para recuperar los valores de azufre y

(d) purificar la primera mezcla gaseosa (30) que comprende N2 y CO2 poniéndola en contacto con un segundo disolvente líquido en una segunda unidad de eliminación de gas ácido (14) para eliminar el H2S residual y producir una corriente de nitrógeno rica en CO2 purificada (40) y un segundo residuo de disolvente (16) ; caracterizado porque:

(e) la corriente de nitrógeno rica en CO2 purificada (40) se introduce a una presión de 2068 ± 689 kN/m2 en la turbina de combustión, sin compresión adicional, como diluyente para controlar los NOx y aumentar el rendimiento de energía, en la que se pone en contacto con el gas de síntesis purificado (8) y sirve como moderador durante la combustión de dicho gas de síntesis.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que se vaporiza una porción del contenido de CO2 y H2S del primer disolvente líquido antes del tratamiento de extracción de la etapa (b) .

3. El procedimiento de la reivindicación 2, en el que se pone en contacto el CO2 y H2S vaporizados con el gas de síntesis bruto antes de la etapa (a) .