Procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía IGCC con separación de CO2 integrada.

Procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía IGCC con separación de CO2 integrada,

en donde se produce a partir de combustibles fósiles un gas de síntesis que contiene CO y H2,

en donde se transforma al menos una corriente parcial del gas de síntesis, en una etapa de conversión de CO por medio de vapor de agua, en H2 y CO2,

en donde se separa el gas de proceso resultante que contiene CO2 y H2, mediante una adsorción con oscilación de presión (PSA) en hidrógeno técnicamente puro y una fracción rica en CO2 que también contiene gases combustibles tales como CO y H2,

en donde se quema el hidrógeno resultante en al menos una turbina de gas utilizada para la generación de energía eléctrica,

en donde se aprovecha el gas de escape de la turbina de gas en una caldera de calor residual para generar vapor de agua, que es expandido en un proceso de turbinas de vapor igualmente aprovechado para la generación de energía eléctrica,

en donde se quema en una caldera separada con oxígeno técnicamente puro la fracción rica en CO2 procedente de la adsorción con oscilación de presión, y se aprovecha mediante intercambio térmico el calor residual del gas de chimenea compuesto de CO2 y productos de combustión,

en donde se separa vapor de agua del gas de chimenea resultante de la combustión de la fracción rica en CO2 y se lleva una corriente residual, compuesta esencialmente de CO2, a un almacenamiento final o recuperación, caracterizado por que mediante la combustión de la fracción rica en CO2 resultante de la adsorción con oscilación de presión se genera un gas de chimenea con una temperatura de gas de chimenea superior a 1000ºC que se utiliza para sobrecalentar el vapor de agua producido en la caldera de calor residual acoplada detrás de la turbina de gas y/o para generar un vapor a mayor presión para el proceso de turbinas de vapor, y porque a partir del calor residual de la turbina de gas y el calor residual del gas de chimenea generado en la combustión de la fracción rica en CO2, se produce un vapor de agua a alta presión sobrecalentado con una presión superior a 120 bar y una temperatura superior a 520°C, para el proceso de turbinas de vapor.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/063670.

Solicitante: ThyssenKrupp Uhde GmbH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: FRIEDRICH-UHDE-STRASSE 15 44141 DORTMUND ALEMANIA.

Inventor/es: MENZEL, JOHANNES.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01D53/047 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01D SEPARACION (separación de sólidos por vía húmeda B03B, B03D, mesas o cribas neumáticas B03B, por vía seca B07; separación magnética o electrostática de materiales sólidos a partir de materiales sólidos o de fluidos, separación mediante campos eléctricos de alta tensión B03C; aparatos centrifugadores B04B;   aparato de vórtice   B04C; prensas en sí para exprimir los líquidos de las sustancias que los contienen B30B 9/02). › B01D 53/00 Separación de gases o de vapores; Recuperación de vapores de disolventes volátiles en los gases; Depuración química o biólogica de gases residuales, p. ej. gases de escape de los motores de combustión, humos, vapores, gases de combustión o aerosoles (recuperación de disolventes volátiles por condensación B01D 5/00; sublimación B01D 7/00; colectores refrigerados, deflectores refrigerados B01D 8/00; separación de gases difícilmente condensables o del aire por licuefacción F25J 3/00). › Adsorción con presión oscilante.
  • C01B3/48 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C01 QUIMICA INORGANICA.C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 3/00 Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J). › seguida por una reacción de vapor de agua con monóxido de carbono.
  • C01B3/56 C01B 3/00 […] › por contacto con sólidos; Regeneración de los sólidos usados.
  • C01B31/20 C01B […] › C01B 31/00 Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen prioridad; percarbonatos C01B 15/10; negro de carbón C09C 1/48). › Dióxido de carbono.
  • C10J3/00 C […] › C10 INDUSTRIAS DEL PETROLEO, GAS O COQUE; GAS DE SINTESIS QUE CONTIENE MONOXIDO DE CARBONO; COMBUSTIBLES; LUBRICANTES; TURBA.C10J PRODUCCION DE GASES QUE CONTIENEN MONOXIDO DE CARBONO E HIDROGENO A PARTIR DE MATERIAS CARBONOSAS SOLIDAS POR PROCESOS DE OXIDACION PARCIAL UTILIZANDO OXIGENO O VAPOR (gasificación subterránea de materias minerales E21B 43/295 ); CARBURACION DEL AIRE U OTROS GASES. › Producción de gases que contienen monóxido de carbono e hidrógeno, p.ej. gas de síntesis o gas ciudad, a partir de materiales carbonosos sólidos por procesos de oxidación parcial utilizando oxígeno o vapor.
  • F02C3/28 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.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). › utilizando un productor de gas separado para gasificación del combustible antes de la combustión.

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Fragmento de la descripción:

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DESCRIPCIÓN

Procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía igcc con separación de CO2 integrada La invención se refiere a un procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía IGCC con separación de CO2 integrada. IGCC son las siglas de la denominación inglesa "Integrated Gasification Combined Cycle", o ciclo combinado con gasificación integrada. Las centrales de energía IGCC son centrales de energía con turbinas de gas y de vapor combinadas a las que se ha acoplado delante una etapa de gasificación de combustibles fósiles, en particular una etapa de gasificación de carbón.

La gasificación es un proceso que genera, a partir de combustibles fósiles, un gas de síntesis que contiene CO y H2. El gas de síntesis se somete a una conversión de CO en la cual se hace reaccionar con vapor de agua el monóxido 10 de carbono contenido en el gas de síntesis para dar dióxido de carbono e hidrógeno. Después de la conversión, el gas de síntesis se compone principalmente de dióxido de carbono e hidrógeno. Mediante lavadores químicos o físicos de gas se puede eliminar el dióxido de carbono del gas de síntesis. El gas de síntesis rico en hidrógeno se quema después en una turbina de gas. Con este concepto para la eliminación de dióxido de carbono, la eficiencia global empeora en cerca de 10 puntos porcentuales con respecto a una central de energía de turbinas de gas y de vapor convencional sin eliminación de CO2.

Es conocido a partir del documento EP 0 262 894 B1 un procedimiento para separar y obtener CO2 de un combustible que, además de hidrocarburos, contiene H2 y CO2, en el cual el gas de alimentación se separa, por medio de una adsorción con oscilación de presión (PSA, siglas de la denominación inglesa "pressure swing adsorption") en una fracción de hidrógeno técnicamente puro y una fracción rica en CO2, conteniendo la fracción rica en CO2 también gases combustibles y, en particular, H2, y siendo quemada la fracción rica en CO2 procedente de la instalación de PSA en una caldera separada usando oxígeno técnicamente puro. En este caso, el calor residual se puede utilizar, por ejemplo, para la generación de vapor de agua.

Es conocido a partir del documento US-2007/017 8035 A1 un procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía IGCC con separación integrada de CO2. En el procedimiento conocido se produce a partir de 25 combustibles fósiles un gas de síntesis que contiene CO y H2, siendo transformada al menos una corriente parcial del gas de síntesis, en una etapa de conversión de CO por medio de vapor de agua, en H2 y CO2. El gas de proceso resultante que contiene H2 y CO2 es separado mediante adsorción con oscilación de presión (instalación de PSA) en una fracción de hidrógeno técnicamente puro y una fracción rica en CO2, conteniendo la fracción rica en CO2 también gases combustibles tales como CO y H2. El hidrógeno resultante se quema en una turbina de gas utilizada 30 para la generación de energía eléctrica, mientras que el gas de escape de la turbina de gas se aprovecha en una caldera de calor residual para generar vapor de agua, que se expande en un proceso de turbinas de vapor igualmente aprovechado para la generación de energía eléctrica. La fracción rica en CO2 procedente de la adsorción con oscilación de presión, que es liberada por la reducción de presión cíclica en la instalación de adsorción con oscilación de presión (PSA) y se designa en lo sucesivo como "gas de salida de PSA", se quema en una caldera separada usando oxígeno técnicamente puro. Después se aprovecha mediante intercambio térmico el calor residual del gas de chimenea compuesto de CO2 y productos de combustión. En el procedimiento conocido, el calor residual del gas de chimenea se utiliza para precalentar la corriente de hidrógeno utilizada en el proceso de turbinas de gas.

El documento WO 2006/112 725 A1 describe también un procedimiento con las características antes descritas. La fracción rica en CO2 procedente de la adsorción con oscilación de presión se utiliza como gas combustible para calentar un reformador de vapor de agua, con el cual se genera gas de síntesis. El gas de chimenea generado durante la combustión se compone esencialmente de CO2 y vapor de agua. El vapor de agua es separado, y la corriente residual, compuesta esencialmente de CO2, es llevada a un almacenamiento final o recuperación.

La temperatura de los gases de escape de la turbina de gas de un proceso de IGCC habitual se sitúa en unos 600º C. No son posibles temperaturas de gas de escape más altas con las turbinas de gas convencionales, en 45 particular por razones técnicas relacionadas con el material. Por tanto, mediante el aprovechamiento del calor residual de una turbina de gas, al proceso de turbinas de vapor sólo se puede proporcionar un vapor de agua con una temperatura máxima de 550º C. Tampoco se puede utilizar la alta temperatura de gasificación producida durante la generación de gas de síntesis para un mayor sobrecalentamiento del vapor de agua, ya que el gas de síntesis reduce los materiales de la caldera de vapor de agua, lo que daría como resultado un deterioro permanente de la 50 caldera. Un proceso de central de energía IGCC convencional acepta que el proceso de turbinas de vapor es hecho funcionar con parámetros de vapor (presión y temperatura de sobrecalentamiento) que no corresponden al nivel de una central de energía a base de carbón moderna.

En este contexto, es misión de la invención mejorar la eficiencia global de una central de energía IGCC con

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separación integrada de CO2.

Es objeto de la invención y solución de esta misión un procedimiento según la reivindicación 1. Partiendo de un procedimiento con las características descritas al principio y en el preámbulo de la reivindicación 1, la misión se resuelve de acuerdo con la invención produciendo, mediante la combustión de la fracción rica en CO2 generada en 5 la adsorción con oscilación de presión, un gas de chimenea con una temperatura de gas de chimenea superior a 1000º C que se utiliza para sobrecalentar el vapor de agua producido en la caldera de calor residual acoplada detrás de la turbina de gas y/o para generar un vapor a mayor presión para el proceso de turbinas de vapor, y produciendo a partir del calor residual de la turbina de gas y del calor residual del gas de chimenea generado en la combustión de la fracción rica en CO2, un vapor de agua a alta presión sobrecalentado con una presión superior a 120 bar y una temperatura superior a 520º C, preferiblemente superior a 550º C, para el proceso de turbinas de vapor.

Mediante la combustión efectuada con oxígeno del gas de salida de PSA en una caldera separada se dispone de un gas de chimenea compuesto esencialmente de CO2 y vapor de agua, con una temperatura superior a 1000º C. Mediante el aprovechamiento del calor residual de este gas de la chimenea, es posible un sobrecalentamiento del vapor de agua mayor en comparación con los procesos de IGCC habituales, por ejemplo hasta 600 a 700º C, de 15 manera que, en consecuencia, mediante el modo de proceder de acuerdo con la invención se puede mejorar significativamente la eficiencia del proceso de turbinas de vapor de la instalación de IGCC. Preferiblemente, está previsto un sobrecalentamiento a más de 550º C. Con esto se compensa, al menos parcialmente, una pérdida inevitable de eficiencia del proceso de turbinas de gas, que es causada por la falta en el gas de síntesis del gas de salida de PSA. Por lo tanto, en el caso de aplicar las enseñanzas de la invención, la eficiencia global de una central de energía IGCC con separación integrada de dióxido de carbono empeora de una manera insignificante en comparación con una central de energía IGCC convencional sin separación de dióxido de carbono.

En el procedimiento de acuerdo con la invención se utiliza una instalación de adsorción con oscilación de presión (PSA) para separar el gas de síntesis convertido en una fracción rica en dióxido de carbono y una fracción rica en hidrógeno. Para ello, el gas de síntesis convertido fluye a alta presión a un primer adsorbedor. El dióxido de carbono 25 contenido en el gas es adsorbido. El hidrógeno tiene escasa interacción con la masa adsorbente y pasa en gran medida sin obstáculo a través del primer equipo de adsorción. Cuando la capacidad de captación del agente adsorbente está agotada, se desvía la corriente de gas de síntesis a un segundo adsorbedor. Mientras, el primer adsorbedor es regenerado mediante el alivio de la presión, con lo que el dióxido de carbono sale del agente adsorbente. El gas que es liberado durante el alivio de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

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1. Procedimiento para hacer funcionar un proceso de central de energía IGCC con separación de CO2 integrada, en donde se produce a partir de combustibles fósiles un gas de síntesis que contiene CO y H2, en donde se transforma al menos una corriente parcial del gas de síntesis, en una etapa de conversión de CO por medio de vapor de agua, en H2 y CO2, en donde se separa el gas de proceso resultante que contiene CO2 y H2, mediante una adsorción con oscilación de presión (PSA) en hidrógeno técnicamente puro y una fracción rica en CO2 que también contiene gases combustibles tales como CO y H2, en donde se quema el hidrógeno resultante en al menos una turbina de gas utilizada para la generación de energía eléctrica, en donde se aprovecha el gas de escape de la turbina de gas en una caldera de calor residual para generar vapor de agua, que es expandido en un proceso de turbinas de vapor igualmente aprovechado para la generación de energía eléctrica, en donde se quema en una caldera separada con oxígeno técnicamente puro la fracción rica en CO2 procedente de la adsorción con oscilación de presión, y se aprovecha mediante intercambio térmico el calor residual del gas de chimenea compuesto de CO2 y productos de combustión, en donde se separa vapor de agua del gas de chimenea resultante de la combustión de la fracción rica en CO2 y se lleva una corriente residual, compuesta esencialmente de CO2, a un almacenamiento final o recuperación, caracterizado por que mediante la combustión de la fracción rica en CO2 resultante de la adsorción con oscilación de presión se genera un gas de chimenea con una temperatura de gas de chimenea superior a 1000º C que se utiliza para sobrecalentar el vapor de agua producido en la caldera de calor residual acoplada detrás de la turbina de gas y/o para generar un vapor a mayor presión para el proceso de turbinas de vapor, y porque a partir del calor residual de la turbina de gas y el calor residual del gas de chimenea generado en la combustión de la fracción rica en CO2, se produce un vapor de agua a alta presión sobrecalentado con una presión superior a 120 bar y una temperatura superior a 520º C, para el proceso de turbinas de vapor.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se produce un vapor de agua a alta presión con una presión superior a 200 bar para el proceso de turbinas de vapor.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que para el proceso de turbinas de vapor se emplea una turbina de vapor que tiene al menos una parte de alta presión y una parte de baja presión y que por

medio del gas de chimenea generado en la combustión de la fracción rica en CO2, se lleva a cabo un sobrecalentamiento intermedio del vapor de expansión procedente de la parte de alta presión hasta una temperatura superior a 520º C.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que en la producción del gas de síntesis a partir de combustibles fósiles se emplea CO2 para el transporte de los combustibles y/o con fines de purga y de 35 inertización, a fin de producir el gas de síntesis exento de nitrógeno.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el gas de chimenea generado en la combustión de la fracción rica en CO2, tras el sobrecalentamiento del vapor de agua producido en la caldera de calor residual acoplada detrás de la turbina de gas o bien tras la producción de un vapor de agua a mayor presión para el proceso de turbinas de gas, se aprovecha para un precalentamiento de la fracción rica en CO2 antes de su combustión y/o para un precalentamiento del oxígeno técnicamente puro aportado.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la temperatura de combustión en la combustión de la fracción rica en CO2 es controlada mediante el contenido de gases combustibles en la fracción rica en CO2.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que se envía en un puenteo una

corriente parcial del gas de síntesis más allá de la etapa de conversión de CO y porque mediante el control de la corriente cuantitativa enviada en el puenteo se regula la temperatura de combustión resultante en la combustión de la fracción rica en CO2.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que para reducir la temperatura del gas de chimenea se recicla una corriente parcial de gas residual desde la fracción rica en CO2 a la caldera para la 50 combustión de la fracción rica en CO2.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la temperatura del gas de chimenea resultante en la combustión de la fracción rica en CO2 es incrementada por el aporte de gas de síntesis o el aporte 6

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de gas combustible desde otras fuentes de gas combustible.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que se desulfura el gas de síntesis antes de la conversión de CO.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que se desulfura el gas de síntesis 5 después de la conversión de CO.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que los componentes sulfúreos contenidos en el gas de síntesis llegan a la fracción rica en CO2 producida por reducción de la presión en la adsorción por oscilación de presión, siendo desulfurada la fracción rica en CO2 antes de la combustión con el oxígeno técnicamente puro.

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que los componentes sulfúreos contenidos en el gas de síntesis llegan a la fracción rica en CO2 producida por reducción de la presión en la adsorción por oscilación de presión y en la combustión de la fracción rica en CO2 se transforman en SOx, y porque los componentes de SOx son separados del gas de chimenea que contiene CO2 mediante una desulfuración de gas de chimenea.


 

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