Un método y un aparato para tratar una mezcla gaseosa que comprende hidrógeno y dióxido de carbono.

Un método para tratar una mezcla gaseosa que comprende hidrógeno (H2),

dióxido de carbono (CO2) y por lo menos un gas combustible seleccionado del grupo que consiste en ácido sulfhídrico (H2S), monóxido de carbono (CO) y metano (CH4) dicho método comprende:

separar H2 de dicha mezcla gaseosa mediante un proceso de adsorción por cambio de presión (PSA, del inglés pressure swing adsorption) para producir un gas separado de H2 y un gas crudo de CO2 que comprende dicho gas o gases combustibles;

realizar la combustión de por lo menos una porción de dicho gas o gases combustibles en por lo menos una porción de dicho gas crudo de CO2 en presencia de oxígeno (O2) para producir calor y un gas producto de CO2 que comprende productos de combustión de dicho gas o gases combustibles;

recuperar por lo menos una porción de dicho calor de por lo menos una porción de dicho gas producto de CO2 por intercambio indirecto de calor con por lo menos una porción de dicho gas separado de H2 o un gas derivado del mismo para producir gas calentado que contiene H2 y gas producto de CO2 enfriado; y

alimentar por lo menos una porción de dicho gas calentado que contiene H2 como combustible para una turbina de gas para la producción de energía.

Un método y un aparato para tratar una mezcla gaseosa que comprende hidrógeno y dióxido de carbono La presente invención está relacionada con un método para tratar una mezcla gaseosa que comprende hidrógeno (H2) , dióxido de carbono (CO2) y por lo menos un gas combustible seleccionado del grupo que consiste en ácido sulfhídrico (H2S) , monóxido de carbono (CO) y metano (CH4) . La invención se integra preferiblemente con centrales eléctricas de combustibles fósiles para reducir o eliminar la emisión de CO2 y otros contaminantes atmosféricos. El principal combustible de interés es el carbón aunque la invención tiene aplicación en la generación de energía a partir de otros combustibles, tales como betún, coque de petróleo y gas natural.

Existe la urgente necesidad de desarrollar unos métodos mejorados para una eficiente generación de energía a partir de combustibles fósiles, incluidos los combustibles carbonosos e hidrocarbonosos, y el combustible de biomasa, con emisión virtualmente nula de contaminantes atmosféricos, particularmente de CO2. Hay tres técnicas básicas en el contexto de captura de CO2 desde equipos de generación de energía que utilizan estos tipos de combustible:

(a) descarbonación de precombustión;

(b) eliminación de CO2 de los gases de los conductos de humo tras la combustión; y

(c) sistemas de combustión de oxicombustible.

La presente invención pertenece al campo de la descarbonación de precombustión. En la descarbonación de precombustión, el combustible reacciona con oxígeno puro (O2) y se convierte mediante una reacción de oxidación parcial en una mezcla de gas de síntesis que consiste predominantemente en H2 y CO. El CO puede ser convertido a H2 y CO2 por una reacción de conversión de cambio catalítico con agua (H2O) . El CO2 y el H2 se separan y el H2 se quema en un sistema de generación de energía combinado de turbina de gas que produce energía eléctrica. El contenido de azufre del combustible, presente como H2S que sigue a la etapa de conversión de cambio, debe ser separado del CO2 para su eliminación y no ser descargado a la atmósfera como H2S o SO2. De este modo, el CO2 y el H2S deben separarse del H2 antes de la combustión. El CO2 se comprime usualmente a la presión de la línea de tuberías (de 100 bar (10 MPa) a 250 bar (25 MPa) ) para la transferencia a un lugar de almacenamiento.

Unos estudios anteriores han mostrado que la descarburización de precombustión puede aplicarse para la generación de energía a partir de carbón con captura de CO2, lo que lleva a unos rendimientos de generación de energía aproximadamente del 36 % al 40 % basados en el valor más bajo de calentamiento ("LHV"`, del inglés lower heating value) del combustible.

El gas H2 puede producirse de combustibles carbonosos o hidrocarbonosos (tal como coque de petróleo, betún, gas natural y, en particular, carbón) utilizando tecnología de oxidación parcial para convertir inicialmente el combustible, por reacción con O2 a temperatura alta, en una mezcla de gas de síntesis crudo que comprende H2, CO, CO2, H2O, H2S, sulfuro de carbonilo (COS) , sulfuro de carbono (CS2) , CH4 y otras impurezas menores.

El gas crudo de síntesis usualmente se enfría y, particularmente cuando se gasifica carbón, se elimina del mismo cualquier ceniza. Las etapas de enfriamiento y de retirada de ceniza pueden ser llevadas a cabo simultáneamente mediante lavado del gas con agua.

Como alternativa, el gas puede ser enfriado en un intercambiador de calor y recuperarse el calor para producir, por ejemplo, vapor de agua a alta presión. El grueso de la ceniza, en este caso, se elimina en un estado fundido desde el gasificador y la ceniza restante flotante se elimina mediante filtración tras la recuperación de calor. De cualquier manera, el gas enfriado resultante se pasa entonces usualmente a través de un catalizador de cambio tolerante al azufre (posiblemente en un sistema multietapa con refrigeración multietapa o con un reactor de única etapa con enfriamiento interno) para convertir el CO con vapor de agua a H2 y CO2. El COS y el CS2 son convertidos simultáneamente a H2S y CO2.

La tecnología actual se utilizaría entonces para separar selectivamente el H2S y el CO2 del H2, usualmente haciendo pasar el gas a un proceso de absorción de disolvente físico tal como Selexol⢠o Rectisol®. Estos dos procesos son caros y requieren un significativo consumo de instalaciones durante su funcionamiento.

Los inventores han descubierto que la separación no selectiva de H2S y CO2 del H2 proporciona ventajas sobre las tecnologías existentes de separación selectiva, particularmente cuando el proceso se integra con una turbina de gas para la producción de electricidad.

La patente europea EP-A-0262894 (Lerneretal; publicada el 6 de abril de 1988) describe un proceso para la coproducción de corrientes enriquecidas de productos separados de CO2 y H2 a partir de, por ejemplo, los efluentes de un horno de reformación de metano con vapor de agua. Para la separación se utiliza una unidad de absorción por cambio de presión ("PSA", del inglés pressure swing absorption) que produce una corriente primaria de hidrógeno enriquecido que puede ser licuada. La corriente de purga desde la PSA de H2, que comprende CO2 y gases

combustibles, que incluyen CO, CH4 y H2, se lleva a una combustión para dar CO2 y para producir electricidad, que puede utilizarse, por ejemplo, en la licuación del H2. La purga de PSA de H2 se lleva a una combustión en presencia de oxígeno puro o enriquecido en un motor de combustión interna, turbina de gas u otro dispositivo de combustión que pueda ser utilizado para generar energía. El gas de escape de la cámara de combustión típicamente se enfría, condensando el vapor de agua que subsiguientemente se retira y, preferiblemente, una porción del gas de escape se recicla como alimentación a la cámara de combustión para controlar la temperatura máxima lograda en la cámara de combustión. Se describe además que la recuperación de calor desechado del escape de la combustión puede utilizarse para crear vapor de agua. La patente europea EP-A-0262894 ejemplifica el uso de un motor de combustión interna para realizar la combustión del gas de purga de PSA.

Un objetivo de las realizaciones preferidas de la presente invención es proporcionar un método mejorado de alto rendimiento a menor coste para separar gases de síntesis derivados de la oxidación o reformación parciales de combustibles carbonosos o hidrocarbonosos o de biomasa en gases de H2 puro y CO2 puro y, en algunas realizaciones, una corriente separada que contiene azufre del combustible primario.

Para generar energía puede utilizarse un sistema de ciclo integrado combinado de gasificación ("IGCC", del inglés integrated gasification combined cycle) , tal como energía eléctrica, a partir de un combustible carbonoso tal como el carbón. El combustible se gasifica para producir una mezcla de gas de síntesis de CO y H2 que se convierte en una reacción de cambio catalítico, en presencia de H2O, para producir H2 y CO2. El azufre presente en el combustible se convierte a H2S más unas cantidades menores de COS y CS2. Después de la separación del CO2 y, si está presente, el H2S, el H2 se utiliza como un combustible en una turbina de gas para generar energía. En la técnica se sabe cómo recuperar calor del escape de turbina de gas para precalentar agua de alimentación de caldera para una caldera de oxicombustible en una central eléctrica de carbón.

Un objetivo adicional de las realizaciones preferidas de la presente invención es mejorar el rendimiento no sólo de una caldera que quema oxicombustible sino también de un sistema de IGCC de tal manera que, cuando se integran juntos en un sistema combinado, el rendimiento total del sistema combinado se mejora al proporcionar una integración adicional de calor entre las partes que componen el sistema combinado.

Un sistema convencional de combustión de oxicombustible utiliza una recirculación de gas caliente de conductos de humos, típicamente a una temperatura de 300º C a 350º C. Además, la cantidad de gas neto producido, de conductos de humos, se reduce en comparación a una caldera convencional de central eléctrica debido a la ausencia de nitrógeno y argón en el sistema de caldera excepto por las fugas en la entrada de aire y el nitrógeno/argón en el suministro de oxígeno. Estos dos efectos reducen la cantidad de calor de grado bajo disponible para el calentamiento de condensado antes de la desaireación y del calentamiento del agua de alimentación de caldera tras el bombeo de condensado a la presión de entrega de vapor de agua. Se ha propuesto utilizar una compresión adiabática para los... [Seguir leyendo]

1. Un método para tratar una mezcla gaseosa que comprende hidrógeno (H2) , dióxido de carbono (CO2) y por lo menos un gas combustible seleccionado del grupo que consiste en ácido sulfhídrico (H2S) , monóxido de carbono (CO) y metano (CH4) dicho método comprende:

separar H2 de dicha mezcla gaseosa mediante un proceso de adsorción por cambio de presión (PSA, del inglés pressure swing adsorption) para producir un gas separado de H2 y un gas crudo de CO2 que comprende dicho gas o gases combustibles; realizar la combustión de por lo menos una porción de dicho gas o gases combustibles en por lo menos una porción de dicho gas crudo de CO2 en presencia de oxígeno (O2) para producir calor y un gas producto de CO2 que comprende productos de combustión de dicho gas o gases combustibles; recuperar por lo menos una porción de dicho calor de por lo menos una porción de dicho gas producto de CO2 por intercambio indirecto de calor con por lo menos una porción de dicho gas separado de H2 o un gas derivado del mismo para producir gas calentado que contiene H2 y gas producto de CO2 enfriado; y alimentar por lo menos una porción de dicho gas calentado que contiene H2 como combustible para una turbina de gas para la producción de energía.

2. Un método según la reivindicación 1, que comprende además:

introducir por lo menos un fluido diluyente seleccionado del grupo que consiste en nitrógeno (N2) y agua (H2O) a dicho gas separado de H2 para producir gas que contiene H2; y utilizar dicho gas que contiene H2 para dicha recuperación de calor.

3. Un método según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde dicho gas o gases combustibles en dicho gas crudo de CO2 se someten a combustión en un proceso de combustión de oxicombustible utilizando un exceso de gas oxidante que consiste esencialmente en O2 y, opcionalmente, gas producto de CO2 reciclado.

4. Un método según la reivindicación 3 en donde por lo menos un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa se someten a combustión en el proceso de combustión de oxicombustible.

5. Un método según la reivindicación 4 en donde el proceso de combustión de oxicombustible es la combustión de carbón pulverizado en una caldera de agua que produce vapor de agua para la expansión para generar energía.

6. Un método según la reivindicación 5, que comprende además:

precalentar agua de alimentación de caldera por intercambio indirecto de calor con dicha mezcla gaseosa para producir mezcla gaseosa enfriada y agua precalentada de alimentación de caldera; y alimentar por lo menos una porción de dicha agua precalentada de alimentación de caldera a dicha caldera de agua para producir vapor de agua para la generación de energía.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde el gas producto de CO2 comprende uno o más contaminantes seleccionados del grupo que consiste en SO2, SO3 y NOx, dicho método comprende además la eliminación de por lo menos una porción de dichos contaminantes del gas producto de CO2, mediante:

lavar gas producto de CO2 con agua para producir gas producto enfriado de CO2, libre de SO3; mantener dicho gas producto enfriado de CO2, libre de SO3, a presiones elevadas en presencia de O2 y agua y, cuando hay que retirar SO2, NOx, durante un tiempo suficiente para convertir el SO2 en ácido sulfúrico y/o NOx en ácido nítrico; y separar dicho ácido sulfúrico y/o ácido nítrico de dicho gas producto enfriado de CO2, libre de SO3, para producir gas de CO2, libre de SOx, pobre en NOx.

8. Un método según la reivindicación 7 en donde por lo menos una porción de dicho gas de CO2, libre de SOx, pobre en NOx, se seca, se purifica para eliminar componentes inertes, y se comprime a una presión de la línea de tuberías de 8 MPa (80 bar) a 25 MPa (250 bar) .

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende además producir calor y por lo menos una porción de dicho H2 en dicha mezcla gaseosa por la reacción de CO con H2O en una reacción de conversión de cambio.

10. Un método según la reivindicación 9 en donde por lo menos una porción del calor generado en la reacción de conversión de cambio se utiliza para precalentar agua de alimentación de caldera.

11. Un método según la reivindicación 9 o la reivindicación 10 en donde por lo menos una porción de dicho CO se produce en forma de gas de síntesis mediante la oxidación o la reformación parciales de un combustible

seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa.

12. Un método según la reivindicación 11 en donde dicho combustible es gas natural que se oxida parcialmente en presencia de O2 para producir dicho gas de síntesis.

13. Un método según la reivindicación 11 en donde dicho combustible es gas natural que se reforma catalíticamente con vapor de agua para producir dicho gas de síntesis.

14. Un método según la reivindicación 11 en donde dicho combustible es carbón que se gasifica para producir dicho gas de síntesis.

15. Un método según la reivindicación 14 que comprende además el enfriamiento brusco de dicha gasificación utilizando agua después de que dicha agua se caliente por intercambio indirecto de calor contra dicha mezcla gaseosa.

16. Un método según la reivindicación 15 en donde por lo menos una porción de dicha agua se condensa y se separa de dicha mezcla que gaseosa antes del calentamiento.

17. Un método según la reivindicación 1, que comprende:

oxidar o reformar parcialmente un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa, para producir gas de síntesis; y hacer reaccionar por lo menos una porción del CO en el gas de síntesis con H2O en una reacción de conversión de cambio para producir dicha mezcla gaseosa; en donde dicho gas o gases combustibles en dicho gas crudo de CO2 en un proceso de combustión de oxicombustible se someten a combustión utilizando un exceso de gas de oxidante que consiste esencialmente en O2 y, opcionalmente, por lo menos un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa, para producir calor y un gas producto de CO2 dicho método comprende además:

reciclar una porción de dicho gas producto de CO2 como alimentación al proceso de combustión de oxicombustible; y alimentar gas calentado que contiene H2 como gas de combustible de turbina a una turbina de gas para la generación de energía.

18. Aparato para tratar una mezcla gaseosa que comprende H2, CO2 y por lo menos un gas combustible seleccionado del grupo que consiste en H2S, CO y CH4, dicho aparato comprende:

un sistema de adsorción por cambio de presión (PSA) (4, 204) para separar el H2 de dicha mezcla gaseosa para producir un gas separado de H2 y un gas crudo de CO2 que comprende dicho gas o gases combustibles; un reactor de combustión (10, 210) para realizar la combustión de por lo menos una porción de dicho gas o gases combustibles en por lo menos una porción de dicho gas crudo de CO2 en presencia de O2 para producir calor y un gas producto de CO2 que comprende productos de combustión de dicho gas o gases combustibles; unos medios de conductos (8, 208) para alimentar por lo menos una porción de dicho gas crudo de CO2 desde dicho sistema de PSA (4, 204) a dicho reactor de combustión (10, 210) ; unos medios de intercambio de calor (18) para proporcionar un intercambio indirecto de calor entre por lo menos una porción de dicho gas producto de CO2 y por lo menos una porción de dicho gas separado de H2 o un gas derivado del mismo para producir gas calentado que contiene H2 y gas producto enfriado de CO2; unos medios de conductos (16) para alimentar por lo menos una porción de dicho gas producto de CO2 desde dicho reactor de combustión (10, 210) a dichos medios de intercambio de calor (18) ; unos medios de conductos (6, 206) para alimentar por lo menos una porción de dicho gas separado de H2 o un gas derivado del mismo desde dicho sistema de PSA (4, 204) a dichos medios de intercambio de calor (16) ; una turbina de gas para producir energía; y unos medios de conductos para alimentar gas calentado que contiene H2 como combustible desde dichos medios de intercambio de calor a dicha turbina de gas.

19. Aparato según la reivindicación 18 que comprende además unos medios adicionales para introducir por lo menos un fluido diluyente seleccionado del grupo que consiste en N2 y H2O a dicho gas separado de H2 aguas arriba de dichos medios de intercambio de calor para producir gas que contiene H2.

20. Aparato según la reivindicación 18 o la reivindicación 19 en donde el reactor de combustión (10) es un reactor de combustión de oxicombustible, dicho aparato comprende además:

unos medios de conductos para alimentar un gas oxidante que consiste esencialmente en O2 a dicho reactor de combustión de oxicombustible; y dicho aparato comprende además, opcionalmente:

unos medios de conductos para reciclar una porción de dicho gas producto de CO2 como alimentación al reactor de combustión de oxicombustible.

21. Aparato según la reivindicación 20 en donde el reactor de combustión de oxicombustible es una caldera de agua que quema carbón pulverizado para producir vapor de agua para expansión para generar energía.

22. Aparato según la reivindicación 21, que comprende además:

unos medios de intercambio de calor para proporcionar intercambio indirecto de calor entre dicha mezcla gaseosa y el agua de alimentación de caldera, produciendo de ese modo una mezcla gaseosa enfriada y agua precalentada de alimentación de caldera; unos medios de conductos para alimentar dicha mezcla gaseosa a dichos medios de intercambio de calor; unos medios de conductos para alimentar la mezcla gaseosa enfriada desde dichos medios de intercambio de calor a dicho sistema de PSA; unos medios de conductos para alimentar agua de alimentación de caldera a dichos medios de intercambio de calor; y unos medios de conductos para alimentar agua precalentada de alimentación de caldera desde dichos medios de intercambio de calor a dicha caldera de agua.

23. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 18 y 22, que comprende además:

un dispositivo de contacto gas/líquido a contracorriente para lavar dicho gas producto de CO2 con agua para producir gas producto enfriado de CO2, libre de SO3; un compresor para elevar la presión del gas enfriado de CO2, libre de SO3; unos medios de conductos para alimentar gas producto enfriado de CO2, libre de SO3, desde el dispositivo de contacto gas/líquido al compresor; por lo menos un dispositivo adicional de contacto gas/líquido a contracorriente para lavar dicho gas producto de CO2, libre de SO3, con agua a presión elevada en presencia de O2 y, cuando se va a eliminar SO2, NOx, durante un tiempo suficiente para convertir el SO2 en ácido sulfúrico y/o el NOx en ácido nítrico; unos medios de conductos para alimentar gas producto de CO2, libre de SO3, a presión elevada desde dicho compresor a cada respectivo dispositivo de contacto gas/líquido; y unos medios de conductos para reciclar solución acuosa de ácido sulfúrico y/o solución acuosa de ácido nítrico a cada respectivo dispositivo de contacto gas/líquido.

24. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 18 a 23, que comprende además:

un reactor de conversión de cambio para la reacción de CO con H2O para producir por lo menos una porción del H2 en dicha mezcla gaseosa; unos medios de conductos para alimentar CO y H2O a dicho reactor de conversión de cambio; y unos medios de conductos para alimentar dicha mezcla gaseosa desde el reactor de conversión de cambio a dicho separador.

25. Aparato según la reivindicación 24, que comprende además:

un reactor seleccionado del grupo que consiste en un reactor de oxidación parcial y un horno de reformación para producir gas de síntesis que comprende dicho CO a partir de un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa; y unos medios de conductos para alimentar dicho gas de síntesis desde dicho reactor a dicho reactor de conversión de cambio.

26. Aparato según la reivindicación 25 en donde el reactor se selecciona del grupo que consiste en un horno de reformación autotérmico ("ATR") y un gasificador.

27. Aparato según la reivindicación 25 o la reivindicación 26 en donde el reactor es un gasificador, dicho aparato comprende además:

unos medios de intercambio de calor para proporcionar intercambio indirecto de calor entre agua y dicha mezcla gaseosa para producir agua calentada y mezcla gaseosa enfriada; unos medios de conductos para alimentar mezcla gaseosa a dichos medios de intercambio de calor;

unos medios de conductos para alimentar la mezcla gaseosa enfriada desde dichos medios de intercambio de calor a dicho separador; unos medios de conductos para alimentar agua a dicho intercambiador de calor; y unos medios de conductos para alimentar dicha agua calentada desde dicho intercambiador de calor a dicho gasificador como agua de enfriamiento brusco.

28. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 25 a 27, que comprende además:

una turbina de descenso de presión para reducir la presión de la mezcla gaseosa producida en el reactor de conversión de cambio desde la presión lo más alta posible de producción de gas de síntesis a una presión que favorece el uso de H2 separado o gas que contiene H2 derivado del mismo en una turbina de gas; unos medios de conductos para alimentar mezcla gaseosa desde el reactor de conversión de cambio a la turbina de descenso de presión; unos medios de intercambio de calor para proporcionar intercambio indirecto de calor entre agua y mezcla gaseosa a presión reducida; unos medios de conductos para alimentar mezcla gaseosa a presión reducida desde la turbina de descenso de presión a los medios de intercambio de calor; unos medios de conductos para alimentar mezcla gaseosa enfriada desde la turbina de descenso de presión al separador; unos medios de conductos para alimentar agua a los medios de intercambio de calor; y unos medios de conductos para retirar agua calentada desde los medios de intercambio de calor.

29. Aparato según la reivindicación 18, que comprende:

un reactor seleccionado del grupo que consiste en un reactor de oxidación parcial y un horno de reformación para producir gas de síntesis que comprende CO a partir de un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso, combustible de biomasa y H2 líquido; un reactor de conversión de cambio para hacer reaccionar por lo menos una porción de dicho CO con H2O para producir dicha mezcla gaseosa; unos medios de conductos para alimentar dicho gas de síntesis desde dicho reactor a dicho reactor de conversión de cambio; unos medios de conductos para alimentar dicha mezcla gaseosa desde dicho reactor de conversión de cambio a dicho separador; en donde el reactor de combustión es un reactor de combustión de oxicombustible para realizar la combustión de por lo menos una porción de dicho gas o gases combustibles en dicho gas crudo de CO2 en un proceso de combustión de oxicombustible utilizando un exceso de gas oxidante que consiste esencialmente en O2 y, opcionalmente, por lo menos un combustible seleccionado del grupo que consiste en combustible carbonoso, combustible hidrocarbonoso y combustible de biomasa, para producir calor y un gas producto de CO2 que comprende productos de combustión de dicho gas o gases combustibles; dicho aparato comprende además: unos medios de conductos para alimentar dicho gas oxidante a dicho reactor de combustión de oxicombustible; unos medios de conductos para reciclar una porción de dicho gas producto de CO2 como alimentación a dicho reactor de combustión de oxicombustible; una turbina de gas para producir energía; y unos medios de conductos para alimentar gas calentado que contiene H2 como gas combustible calentado de turbina desde dichos medios de intercambio de calor a dicha turbina de gas.