BR112014019522B1 - processo para produção de energia, e sistema para oxidação parcial (pox) e sistema para produção de energia (pps) combinados - Google Patents

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R Palmer Miles
John Allam Rodney
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Abstract

abstract the present disclosure relates to a power production system that is adapted to achieve high efficiency power production with complete carbon capture when using a solid or liquid hydrocarbon or carbonaceous fuel. more particularly, the solid or liquid fuel first is partially oxidized in a partial oxidation reactor. the resulting partially oxidized stream that comprises a fuel gas is quenched, filtered, cooled, and then directed to a combustor of a power production system as the combustion fuel. the partially oxidized stream is combined with a compressed recycle co2 stream and oxygen. the combustion stream is expanded across a turbine to produce power and passed through a recuperator heat exchanger. the expanded and cooled exhaust stream is scrubbed to provide the recycle co2 stream, which is compressed and passed through the recuperator heat exchanger and the pox heat exchanger in a manner useful to provide increased efficiency to the combined systems. tradução do resumo resumo patente de invenção: "reação de oxidação parcial com resfriamento brusco de ciclo fechado". a presente invenção refere-se a um sistema de produção de energia que é adaptado para efetuar a produção de energia de alta eficiência com captura completa de carbono quando é usado um hidrocarboneto sólido ou líquido ou um combustível carbonáceo. mais particularmente, o combustível sólido ou líquido é em primeiro lugar oxidado parcialmente em um reator de oxidação parcial. a corrente parcialmente oxidada resultante que compreende um gás combustível é resfriada bruscamente, filtrada, resfriada, e então dirigida a um combustor de um sistema de produção de energia como combustível de combustão. a corrente parcialmente oxidada é combinada com uma corrente de co2 reciclada e oxigênio comprimida. a corrente de combustão é expandida através de uma turbina para produzir energia e passada através de um trocador de calor do recuperador. a corrente de saída expandida e resfriada é depurada para obter a corrente de co2 reciclada, a qual é comprimida e passada através do trocador de calor do recuperador e do trocador de calor de pox de uma maneira útil para prover uma maior eficiência aos sistemas combinados.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção Para PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA, E SISTEMA PARA OXIDAÇÃO PARCIAL (POX) E SISTEMA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA (PPS) COMBINADOS.
CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção se refere a sistemas e a métodos para a geração de energia, tal como a eletricidade, que utilizam um reator de oxidação parcial para obter uma combustão de alta eficiência de um combustível sólido. Em particular, o sistema e o método podem usar o carvão como combustível sólido.
ANTECEDENTES [002] Os meios convencionais de produção de energia a partir da combustão de um combustível tipicamente carecem da capacidade de prover simultaneamente a geração e de energia de alta eficiência e a captura e sequestração de carbono (CCS) simultaneamente. Esta limitação é ampliada quando são usados combustíveis sólidos na reação de combustão por causa dos teores de gás nitrogênio sólidos e inertes que permanecem na corrente do produto de combustão. Por conseguinte, há uma necessidade cada vez maior no estado da técnica quanto a sistemas e métodos para a geração de energia de alta eficiência que permite uma redução na emissão de CO2 e/ou uma maior facilidade de sequestração do que é produzido.
[003] Uma publicação no campo da geração de energia de alta eficiência com CCS, a Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2011/0179799, concedida a Allam et al., provê uma solução por meio da qual um combustível sólido tal como o carvão, a lignita, coque de purga ou biomassa é gaseificado por meio da reação com oxigênio e opcionalmente vapor em um reator de oxidação parcial que opera a uma pressão e uma temperatura suficientemente altas para permitir a conversão substancialmente completa do combustível sólido em um
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2/52 combustível gasoso que compreende principalmente o monóxido de carbono e o hidrogênio como componentes combustíveis junto com as impurezas derivadas da combustão, tais como H2S, CS2, COS, HCN e NH3. O produto gasoso puro parcialmente oxidado é resfriado, a cinza é separada, e é opcionalmente comprimido para permitir que seja introduzido como combustível na câmara de combustão do sistema para geração de energia. A pressão operacional do sistema para oxidação parcial e do sistema para geração de energia pode ser tal que nenhuma compressão do gás combustível seja requerida. O combustor do sistema para geração de energia opera com um excesso de O2 presente depois da combustão, o que assegura que o combustível e as impurezas derivadas da combustão sejam convertidos das formas reduzidas em suas formas oxidadas que compreendem predominantemente o SO2 e o NO. O reator de oxidação parcial pode ser provido com paredes transpiracionalmente resfriadas com uma corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão que resfria o gás do produto de oxidação parcial antes da remoção da cinza a um nível de temperatura de cerca de 800°C. Um resfriamento adicional do gás de oxidação parcial até cerca de 400°C é necessário para assegurar que todas as partículas finas de cinza junto com os componentes inorgânicos voláteis solidificados sejam condensadas e filtradas para impedir a deposição de sólido, a corrosão e o bloqueio do equipamento de corrente descendente. O resfriamento do gás de oxidação parcial de 800°C para 400°C deve ocorrer em um trocador de calor com tubos para o gás de oxidação parcial de alta pressão que sejam resistentes à corrosão do pó de metal devido à reação de formação de carbono de Boudouard e à pressão parcial elevada do CO no gás de oxidação parcial. Isto é mostrado abaixo na Fórmula (1).
CO + CO = C + CO2 (1)
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3/52 [004] Os tubos devem ser projetados permitir a lavagem com água periódica para remover os depósitos sólidos derivados da condensação dos componentes inorgânicos voláteis presentes em combustíveis sólidos, tais como o carvão e a lignita.
[005] Apesar dos avanços da publicação descrita acima, os sistemas e os métodos aqui descritos ainda não fornecem uma solução mais vantajosa aos problemas que surgem quando são usados combustíveis sólidos como um combustível de combustão de produção de energia. Desse modo, continua havendo uma necessidade quanto a outros sistemas e métodos para a combustão de alta eficiência de combustíveis sólidos com CCS.
BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO [006] A presente invenção provê sistemas e métodos para a produção de energia de alta eficiência ao utilizar combustíveis sólidos e ao obter a captura simultânea do carbono. Em particular, os sistemas e métodos apresentados podem utilizar um reator de oxidação parcial (POX) em que que o combustível sólido é queimado de modo a produzir uma corrente de POX que compreende produtos da oxidação parcial. A corrente de POX pode ser dirigida a um combustor em que pelo menos alguns dos produtos da oxidação parcial são oxidados de maneira substancialmente completa de modo a produzir uma corrente do produto da combustão. Em determinadas modalidades, o reator de POX pode ser operado a uma pressão que é mais baixa do que a pressão no combustor.
[007] Em modalidades específicas, o reator de POX pode ser adaptado para utilizar um fluido de resfriamento brusco. Por exemplo, o fluido de resfriamento brusco pode ser introduzido para resfriar a corrente de POX da temperatura da reação de POX até uma temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente. Em modalidades exemplificadoras, a razão entre a temperatura da reação de POX e a tempera
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4/52 tura da corrente de POX resfriada bruscamente pode ser de cerca de 3,25 ou mais (por exemplo, cerca de 3,5:1 ou cerca de 4:1). Como exemplos não limitadores, a temperatura da reação de POX podem ser de cerca de 1.300°C ou mais (por exemplo, cerca de 1.300°C a cerca de 1.600°C), e a temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente pode estar a uma temperatura de cerca de 200°C a cerca de 400°C. O resfriamento brusco pode ser realizado pela misturação direta com a corrente de POX no reator de POX ou em um vaso separado.
[008] Em outras modalidades, os sólidos (tais como partículas de cinza sólidas) produzidos durante a oxidação parcial do combustível de POX primário podem ser removidos pela separação do gás combustível gasoso mais fluido de resfriamento brusco vaporizado. Alternativamente, o fluido de resfriamento brusco pode estar presente como uma fase líquida adicional bem como na fase de gás e agir como um fluido de depuração para remover o volume das partículas de cinza. Uma temperatura de resfriamento brusco de cerca de 400°C ou menos pode ser útil para impedir que o pó de metal desacelere a reação de Boudouard onde o carbono sólido é formado a partir da reação de moléculas de CO. Também pode ser preferível operar o sistema para resfriamento brusco de modo que um produto gasoso de POX de uma só fase com partículas de cinza arrastadas possa ser passado através de um sistema para ciclone e filtro para remover as partículas de cinza.
[009] Em outras modalidades, a mistura da corrente de POX e o vapor do fluido de resfriamento brusco podem ser adicionalmente resfriados, tal como até uma temperatura de cerca de 100°C ou menos para obter uma corrente de POX resfriada. O resfriamento brusco e/ou o resfriamento da corrente de POX são de preferência executados de uma maneira tal que uma maior parte do calor útil presente no gás da
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5/52 corrente de POX resfriado bruscamente à temperatura da reação de POX seja recuperada. O calor recuperado pode, por exemplo, ser transferido ao sistema para produção de energia para prover o aquecimento da temperatura baixa que pode maximizar a eficiência do sistema para produção de energia, que também é aqui descrito. Em algumas modalidades, uma parte ou todo o fluido de resfriamento brusco pode ser separado da corrente de POX resfriada. O fluido de resfriamento brusco recuperado pode ser reciclado ao reator de POX.
[0010] Os sistemas e os métodos apresentados podem permitir que os reatores de POX comercialmente disponíveis sejam adaptados para a integração eficiente com um sistema para produção de energia. Além disso, os sistemas e os métodos apresentados podem ser adaptados para a separação de produtos gasosos. Por exemplo, o H2 substancialmente puro, o CO, ou as suas misturas, podem ser separados da corrente de POX resfriada. Os sistemas e os métodos apresentados também são benéficos, uma vez que uma parte ou todo o combustível e as impurezas derivadas de POX presentes na corrente de POX podem ser oxidados no combustor do sistema para produção de energia. Depois disso, tais impurezas podem ser removidas (por exemplo, como ácidos e sais), tal como com uma corrente de água condensada.
[0011] Em algumas modalidades, a invenção se refere a um processo que compreende a oxidação parcial de um combustível carbonáceo ou de hidrocarboneto pela combinação com o oxigênio em um reator de POX. O combustível pode incluir pelo menos compostos de enxofre. A reação de POX pode resultar em uma mistura de gás combustível que compreende pelo menos H2, CO e H2S. A reação de POX também pode resultar em uma mistura de gás combustível que compreende pelo menos H2, CO, H2S, NH3 e HCN. O sistema para POX pode ser acoplado a um sistema para produção de energia (PPS) em que o gás combustível pode ser queimado com oxigênio, e a energia
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6/52 térmica formada pela combustão pode ser convertida em energia. Os métodos que utilizam o sistema para POX e PPS combinados podem ser definidos por várias modalidades. As modalidades exemplificadoras são fornecidas a seguir.
[0012] Todas as impurezas derivadas do combustível carbonáceo ou de hidrocarboneto, do processo de POX, e do oxigênio derivado da usina de oxigênio (por exemplo, uma unidade de separação de ar) que estão presentes no gás combustível de POX do sistema para POX depois do resfriamento brusco, da remoção de cinza sólida, e do resfriamento pela troca de calor com o CO2 de alta pressão reciclado de PPS são queimadas no PPS. As impurezas exemplificadoras podem ser as impurezas que estão presentes além de H2, CO, CH4, CO2, H2O, N2 e Ar.
[0013] Todas as impurezas oxidáveis presentes no gás combustível de POX podem ser oxidadas pela combustão de PPS.
[0014] Os compostos de enxofre, tais como o H2S, o COS e o CS2, que estão presentes no gás combustível de POX, podem ser oxidados como SO2, SO3, H2O e CO2. Qualquer NH3 e HCN presente no gás combustível de POX pode ser oxidado como NO, NO2, H2O e CO2.
[0015] O processo de POX opera de preferência a uma pressão de cerca de 2 MPa ou mais.
[0016] O PPS pode ser definido pela geração de energia ao utilizar uma turbina com uma pressão da entrada de cerca de 10 MPa ou mais.
[0017] O PPS pode ser definido pela geração de energia ao utilizar uma turbina com uma razão de pressão de cerca de 12 ou menos (da entrada à saída).
[0018] A reação de POX pode ser realizada a uma temperatura de chama adiabática de cerca de 1.300°C a cerca de 1.600°C.
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7/52 [0019] A alimentação do reator de POX pode ser transformada em pasta com combustível sólido em pó na água, em CO2, ou em uma combinação dos mesmos.
[0020] A alimentação do reator de POX pode ser definida como compreendendo uma corrente arrastada de combustível sólido em pó.
[0021] A alimentação do reator de POX pode ser definida como compreendendo um líquido tal como uma corrente aquecida de betume.
[0022] O reator de POX pode ser adaptado para incluir uma seção de transferência de calor interna que transfere o calor radiante a uma parte de uma corrente de reciclagem de alta pressão tomada do PPS a uma temperatura de cerca de 250°C ou mais e retornada ao PPS a uma temperatura abaixo da temperatura de saída da corrente de reciclagem de alta pressão que sai do trocador de calor do recuperador de PPS.
[0023] Os produtos diretos da reação de POX podem ser resfriados bruscamente por meio de misturação direta com uma parte reciclada do gás combustível de POX resfriado bruscamente, com uma parte de água líquida condensada do gás combustível de POX resfriado bruscamente, com CO2 reciclado de PPS, ou com uma combinação destes três.
[0024] A cinza que provém do combustível usado no processo de
POX pode ser removida depois do resfriamento brusco dos produtos de POX e antes de resfriar ainda mais o gás combustível de POX.
[0025] A temperatura atingida no resfriamento brusco da corrente de POX pode estar em ou abaixo de uma temperatura de cerca de 400°C ou a uma temperatura em que a velocidade da reação de BOUDOUARD é suficientemente baixa de modo que nenhuma deposição de carbono ou corrosão de pó de metal ocorre em qualquer equipamento a jusante no sistema para POX ou no PPS.
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8/52 [0026] Os produtos de POX depois do resfriamento brusco e da remoção da cinza podem ser resfriados até uma temperatura de cerca de 100°C ou menos ao usar corrente de fluido de reciclagem de alta pressão retiradas de e retornadas ao PPS.
[0027] O PPS pode ser definido pela misturação de produtos da combustão no combustor de PPS com uma corrente de reciclagem pressurizada e pela passagem da corrente total através de pelo menos uma turbina de PPS adaptada para a geração de energia.
[0028] O PPS pode ser definido pela operação da turbina ou turbinas a uma pressão de descarga final de cerca de 0,1 MPa ou mais ou, em outras modalidades, de cerca de 1 MPa ou mais.
[0029] O PPS pode ser definido pelo uso de um ou mais trocadores de calor recuperadores que aquecem a corrente de reciclagem de alta pressão previamente comprimida contra pelo menos a corrente ou corrente totais de exaustão da turbina.
[0030] O PPS pode ser definido pela conversão de SO2 e SO3 em
H2SO4 pela reação com O2, H2O líquida, NO2 e NO.
[0031] O PPS pode ser definido pela conversão de NO, NO2 e H2O líquida em HNO3.
[0032] As conversões de ácido de PPS podem ser realizadas a uma temperatura operacional que corresponde ao ponto em que água condensa, até uma temperatura em que a água e os ácidos são separados do gás de exaustão resfriado da turbina na extremidade fria do trocador de calor do recuperador.
[0033] Os ácidos mais os componentes inorgânicos solúveis formados pela reação com os ácidos e opcionalmente diluídos com água condensada do combustor de PPS podem ser removidos para um tratamento adicional.
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9/52 [0034] Uma corrente ou correntes de fluido de reciclagem de CO2 de alta pressão podem ser usadas para resfriar o gás do produto de POX resfriado bruscamente depois da remoção de cinza.
[0035] A corrente de fluido de reciclagem de CO2 de alta pressão pode compreender opcionalmente mais de uma corrente de fluido tirada do PPS a mais de um nível de temperatura.
[0036] Mais de uma corrente de fluido de reciclagem de CO2 podem ser retornadas ao PPS a mais de um nível de temperatura.
[0037] Uma corrente de fluido pode ser tirada do PPS e ser retornada ao PPS como mais de uma corrente a mais de um nível de temperatura.
[0038] Mais de uma corrente de fluido pode ser tirada do PPS e ser retornada ao PPS como uma única corrente aquecida.
[0039] O produto de gás combustível de POX puro resfriado, depois do resfriamento e da separação do fluido de reciclagem de POX resfriado bruscamente, pode ser comprimido da pressão em que sai do sistema para POX até uma pressão substancialmente a mesma que a pressão de entrada do combustor de PPS.
[0040] Uma corrente de fluido tirada do PPS para ser usada no resfriamento de um gás do produto de POX resfriado bruscamente pode fazer parte da corrente de reciclagem pressurizada do PPS.
[0041] O oxigênio usado no sistema para POX pode ter uma pureza de mais de 90% molar, de preferência de mais de 95% molar.
[0042] O gás parcialmente oxidado pode ser resfriado bruscamente com água, produzindo uma mistura de gás que contém pelo menos H2, CO, CO2, um ou mais compostos de enxofre (por exemplo, H2S) e H2O.
[0043] O resfriamento do gás combustível de POX resfriado bruscamente pode ser realizado com duas correntes de gás de reciclagem pressurizado do PPS; a temperatura de entrada da primeira corrente
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10/52 de reciclagem que entra no trocador de calor de POX pode estar à temperatura de descarga do compressor de CO2 de reciclagem de PPS; e a temperatura de entrada da segunda corrente de CO2 de reciclagem que entra no trocador de calor de POX pode estar dentro de 20°C do ponto de orvalho da água na corrente de exaustão da turbina de PPS.
[0044] A corrente de POX que compreende o gás combustível pode ser resfriada bruscamente com água de modo a produzir um gás de POX saturado com vapor de água que tem um excesso de água líquida presente; e as duas correntes de entrada do gás de reciclagem pressurizado do PPS podem deixar o trocador de calor de POX como uma única corrente a uma temperatura dentro de 20°C da temperatura do ponto de orvalho do gás de POX.
[0045] A corrente de POX pode ser resfriada bruscamente com água de modo a produzir uma corrente de POX resfriada bruscamente que esteja acima de sua temperatura do ponto de orvalho e abaixo de 400°C; as duas corrente de entrada que entram no trocador de calor de POX podem ser aquecidas e combinadas no ponto de temperatura que corresponde à segunda temperatura da corrente de entrada; uma primeira corrente de fluido aquecida de saída pode ser removida a uma temperatura dentro de 20°C da temperatura do ponto de orvalho da corrente de POX, e a corrente restante também pode ser aquecida e deixar o trocador de calor de POX a uma temperatura de cerca de 380°C a 399°C.
[0046] Uma parte do gás combustível de POX depois do resfriamento brusco pode ser removida e passada através de um reator de troca catalítica para converter CO e H2O em H2 e CO2.
[0047] O gás de saída do reator de troca pode ser resfriado no trocador de calor de POX resfriado bruscamente contra o gás de reciclagem tirado de e retornado ao PPS.
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11/52 [0048] O gás trocado pode ser misturado com uma parte do gás não trocado e ser ainda processado para separar a água, o CO2, os compostos de enxofre, o mercúrio, e outros componentes inorgânicos voláteis, restando uma mistura que compreende H2 e CO a uma razão de 0,8 para 1 a 2,5 para 1.
[0049] O gás trocado sozinho pode ainda ser processado de modo a produzir uma corrente de H2 puro de mais de 99% molar.
[0050] O teor de cada um dos compostos de enxofre, NH3, HCN de água nas correntes de H2 ou de H2 e CO pode ser inferior a 1 ppm molar.
[0051] O dispositivo de separação pode ser definido como um sistema para adsorção de troca de pressão (PSA) de múltiplos leitos.
[0052] O gás residual de baixa pressão do PSA que compreende os produtos adsorvidos do sistema para PSA pode ser comprimido até a pressão requerida pelo combustor de PPS e misturado no fluxo total de gás combustível de POX ao combustor de PPS.
[0053] O oxigênio usado para o POX do combustível primário pode ser aquecido no trocador de calor de POX até uma temperatura de até 350°C.
[0054] O oxigênio usado no combustor de PPS pode ser aquecido no trocador de calor de POX até uma temperatura de até 350°C.
[0055] Em algumas modalidades, a presente invenção pode estar relacionada a um processo para a produção de energia ao usar uma combinação de um sistema para POX e um PPS, e o processo pode compreender as seguintes etapas:
[0056] combinação de um combustível sólido ou líquido e oxigênio em um reator de POX sob condições suficientes para oxidar parcialmente o combustível e formar uma corrente de POX que compreende um gás combustível;
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12/52 [0057] resfriamento brusco da corrente de POX através da combinação com um fluido de resfriamento brusco sob condições suficientes para formar uma corrente de POX resfriada bruscamente a uma temperatura de cerca de 400°C ou menos e para solidificar pelo menos uma parte de todos os sólidos em fusão presentes na corrente de POX;
[0058] tratamento da corrente de POX resfriada bruscamente para remover pelo menos uma parte de todos os sólidos nela presentes;
[0059] direcionamento da corrente de POX resfriada bruscamente a um trocador de calor de POX e retirada de uma quantidade de calor da corrente de POX resfriada bruscamente ao resfriar a corrente de POX resfriada bruscamente até uma temperatura de cerca de 100°C ou menos contra uma corrente de resfriamento, e formar uma corrente de gás combustível de POX;
[0060] passagem da corrente de gás combustível de POX através de um vaso separador e separação de pelo menos uma parte de qualquer água presente na corrente de gás combustível de POX;
[0061] compressão da corrente de gás combustível de POX até uma pressão de cerca de 12 MPa ou mais;
[0062] combustão do gás combustível de POX em um combustor de PPS para formar uma corrente do produto de combustão (opcionalmente com uma parte de oxigênio em excesso) a uma pressão de pelo menos cerca de 10 MPa e a uma temperatura de pelo menos cerca de 800°C; e [0063] expansão da corrente do produto de combustão através de uma turbina de PPS para gerar energia e formar uma corrente expandida do produto da combustão de PPS.
[0064] Em modalidades específicas, o processo para a produção de energia também pode ser definido por uma variedade de características que podem ser independentemente aplicadas a um processo tal
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13/52 como observado acima. Por exemplo, o combustível sólido ou líquido pode ser um combustível carbonáceo. O combustível combinado no reator de POX pode ser uma corrente arrastada de um combustível sólido em pó. O combustível carbonáceo pode ser especificamente o carvão. O carvão pode ser transformado em pasta com água ou CO2. A corrente de POX resfriada bruscamente pode compreender cinza, escória, ou uma combinação das mesmas, e a etapa de remoção dos sólidos pode compreender a passagem da corrente de POX resfriada bruscamente através de uma unidade de depuração de água. A etapa de remoção dos sólidos pode compreender a filtração da corrente de POX resfriada bruscamente de modo a reduzir a carga de poeira até cerca de 4 mg ou menos por metro cúbico de gás combustível na corrente de POX resfriada bruscamente. O reator de POX pode ser operado a uma temperatura de POX, e uma razão entre a temperatura de POX e a temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente pode ser de cerca de 2:1 ou mais. A temperatura de POX pode ser de cerca de 1.300°C a cerca de 1.600°C. O reator de POX pode ser operado a uma pressão de cerca de 2 MPa ou mais. O resfriamento brusco pode compreender a misturação da corrente de POX com: uma parte reciclada da corrente de gás combustível de POX resfriada que sai do trocador de calor; uma parte da água separada da corrente de gás combustível de POX resfriada; CO2 reciclado de PPS, água, ou uma combinação dos mesmos. A corrente de resfriamento no trocador de calor pode compreender uma corrente de fluido de reciclagem de alta pressão retirada de e retornada ao PPS. A corrente de fluido de reciclagem de alta pressão pode ser uma corrente de fluido de CO2 de reciclagem. A corrente de fluido de CO2 de reciclagem pode compreender o CO2 formado na combustão do gás combustível de POX no combustor de PPS. O reator de POX pode incluir um componente de transferência de calor interno. O componente de transferência de calor interno pode
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14/52 ser adaptado para transferir o calor radiante a uma parte de uma corrente de reciclagem de alta pressão tirada de um componente de PPS a uma temperatura de cerca de 250°C ou mais. O componente de transferência de calor interno pode ser adaptado para retornar a corrente de reciclagem de alta pressão a um componente de PPS. A turbina de PPS pode ter uma pressão de entrada de cerca de 10 MPa ou mais. A turbina de PPS pode ter uma pressão de saída que é definida como uma razão entre a entrada da turbina e a saída da turbina. Em uma modalidade exemplificadora, a razão pode ser de cerca de 10 ou menos.
[0065] Em outras modalidades adicionais, o processo para a produção de energia ao usar uma combinação de um sistema para POX e um PPS também pode compreender:
[0066] a passagem da corrente expandida do produto da combustão de PPS através de um trocador de calor do recuperador de PPS e desse modo a retirada de calor da corrente do produto da combustão de PPS e a formação de uma corrente de produto da combustão de PPS resfriada;
[0067] opcionalmente, a passagem da corrente de produto de combustão de PPS resfriada através de um resfriador de água;
[0068] o tratamento da corrente de produto de combustão de PPS resfriada em um depurador de PPS, separando pelo menos um ou H2SO4, HNO3, ou sais de Hg dissolvidos em água e a formação de uma corrente de CO2 de reciclagem; e [0069] a pressurização da corrente de CO2 de reciclagem em um compressor de PPS e a formação de uma corrente de CO2 de reciclagem comprimida.
[0070] Em modalidades específicas, a etapa de separação pode compreender a separação de produtos de conversão de H2SO4 e HNO3 formados pela reação de SO2, SO3, NO, NO2, H2O e O2 mais
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15/52 água condensada e sais de Hg dissolvidos. A passagem da corrente expandida do produto de combustão de PPS através do trocador de calor do recuperador de PPS pode resfriar a corrente do produto de combustão de PPS até uma temperatura abaixo do ponto de orvalho da água. O gás combustível na corrente do gás combustível de POX que entra no combustor de PPS pode compreender pelo menos um componente de gás combustível selecionado de H2, CO e CH4. A corrente de gás combustível de POX que entra no combustor de PPS pode compreender uma ou mais impurezas separadas do gás combustível e derivadas de combustível sólido ou líquido, da sua oxidação parcial, e do oxigênio. Uma ou mais impurezas podem compreender pelo menos um de um composto de enxofre, NH3 e HCN. Uma ou mais impurezas pode expressamente excluir N2 e argônio. Substancialmente todas as impurezas podem ainda estar presentes na corrente de gás combustível de POX e podem ser queimadas no combustor de PPS. Todas as impurezas oxidáveis presentes na corrente de gás combustível de POX podem ser oxidadas pela combustão no combustor de PPS. A corrente do produto de combustão do combustor de PPS pode compreender uma mistura de produtos de combustão e pelo menos uma parte da corrente de CO2 reciclada comprimida. O calor retirado da corrente do produto de combustão de PPS pode aquecer pelo menos uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida. A corrente de POX pode ser resfriada bruscamente com água. A corrente de POX resfriada bruscamente com água pode compreender pelo menos H2, CO, CO2, H2S e H2O. A corrente de resfriamento no trocador de calor de POX pode compreender duas correntes de CO2 de reciclagem comprimido. Uma temperatura de entrada da primeira corrente de CO2 de reciclagem comprimida que entra no trocador de calor de POX pode ser substancialmente a mesma que uma temperatura da corrente de CO2 de reciclagem comprimida descarregada do compressor de
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PPS. Uma temperatura de entrada da segunda corrente de CO2 de reciclagem comprimida que entra no trocador de calor de POX pode estar dentro de 20°C do ponto de orvalho da água na corrente expandida do produto de combustão de PPS. A corrente de POX resfriada bruscamente com água pode ser saturada com vapor de água de modo a compreender água líquida em excesso. As duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas podem combinar no trocador de calor de POX para formar uma única corrente. A corrente de CO2 de reciclagem comprimida única que sai do trocador de calor de POX pode estar a uma temperatura que esteja dentro de cerca de 20°C da temperatura do ponto de orvalho do gás combustível de POX. A corrente de POX resfriada bruscamente com água pode ter uma temperatura que esteja acima de sua temperatura do ponto de orvalho e abaixo de cerca de 400°C. As duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas podem ser aquecidas, e o ponto em que as duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas combinam para formar a única corrente pode estar a uma temperatura que corresponde substancialmente à temperatura de entrada da segunda corrente de CO2 de reciclagem comprimida. A única corrente pode ser dividida no seguinte: uma primeira corrente de CO2 de reciclagem aquecida comprimida de saída que sai do trocador de calor de POX a uma temperatura que fica dentro de cerca de 20°C da temperatura do ponto de orvalho da corrente de POX; e uma segunda corrente de CO2 de reciclagem aquecida comprimida que sai do trocador de calor de POX a uma temperatura de cerca de 380°C a cerca de 399°C.
[0071] Em modalidades adicionais, uma parte da corrente de POX resfriada bruscamente pode ser dirigida através de um reator de troca catalítica de POX. O reator de troca catalítica de POX pode ser adaptado para converter uma mistura de CO e H2O em um gás de saída do reator de troca que compreende uma mistura de H2 e CO2. O gás de
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17/52 saída do reator de troca pode ser resfriado no trocador de calor de POX contra um gás de reciclagem tirado de e retornado ao PPS. O gás de saída do reator de troca pode ser misturado com uma parte da corrente de POX resfriada bruscamente e também pode ser processado para separar a água, o CO2, os compostos de enxofre, o Hg, e compostos inorgânicos voláteis, de modo a formar uma mistura que compreende H2 e CO a uma razão de cerca de 0,8:1 a cerca de 2,5:1. O gás de saída do reator de troca também pode ser processado para formar uma corrente de H2 puro com uma pureza de 99% molar ou mais. O processador da corrente de POX pode ser um sistema para adsorção de troca de pressão (PSA) de múltiplos leitos. Um gás residual de baixa pressão do sistema para PSA que compreende produtos adsorvidos do sistema para PSA pode ser comprimido até uma pressão do combustor de PPS e ser misturado no fluxo de gás combustível total que entra no combustor de PPS. O oxigênio usado no reator de POX pode ser aquecido no trocador de calor de POX até uma temperatura de até cerca de 350°C. O oxigênio usado no combustor de PPS pode ser aquecido no trocador de calor de POX até uma temperatura de cerca de 350°C.
[0072] Em outras modalidades, a invenção pode fornecer um sistema para POX e PPS combinados, e o sistema combinado pode ser útil de modo a produzir energia, tal como a eletricidade, a partir de um combustível de partida que seja não gasoso. Em algumas modalidades, um sistema para POX e PPS pode compreender os seguintes elementos:
[0073] um reator de POX adaptado para oxidar parcialmente um combustível líquido ou sólido na presença do oxigênio para formar uma corrente de POX que compreende um gás combustível;
[0074] um ou mais componentes adaptados para entrar em contato com a corrente de POX com um fluido de resfriamento brusco;
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18/52 [0075] um depurador de POX opcional adaptado para separar quaisquer sólidos presentes na corrente de POX resfriada bruscamente do gás combustível de POX;
[0076] um trocador de calor de POX adaptado para retirar o calor do gás combustível de POX contra uma parte de uma corrente de CO2 de reciclagem comprimida e emitir um gás combustível de POX resfriado;
[0077] um separador opcional adaptado para separar qualquer água líquida do gás combustível de POX;
[0078] um compressor adaptado para comprimir o gás combustível resfriado de POX até uma pressão de cerca de 12 MPa ou mais;
[0079] um combustor de PPS adaptado para queimar o gás combustível de POX na presença de oxigênio e uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida e formar uma corrente do produto de combustão de PPS a uma pressão de cerca de 12 MPa ou mais;
[0080] uma turbina adaptada para expandir a corrente do produto de combustão de PPS e gerar energia em um gerador conectado;
[0081] um trocador de calor do recuperador adaptado para retirar o calor da corrente expandida do produto de combustão de PPS e adicionar o calor à corrente de CO2 de reciclagem comprimida;
[0082] uma torre de depuração de PPS adaptada para separar quaisquer impurezas oxidadas da corrente expandida do produto de combustão de PPS e emitir uma corrente de CO2 de reciclagem;
[0083] um compressor de PPS adaptado para comprimir a corrente de CO2 de reciclagem até uma pressão de cerca de 12 MPa ou mais e formar a corrente de CO2 de reciclagem comprimida;
[0084] componentes de fluxo adaptados para dirigir uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida ao trocador de calor de POX;
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19/52 [0085] componentes de fluxo adaptados para dirigir uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida ao trocador de calor do recuperador de PPS; e [0086] componentes de fluxo adaptados para dirigir a corrente de
CO2 de reciclagem comprimida do trocador de calor de POX ao trocador de calor do recuperador de PPS.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0087] Tendo desse modo sido descrita a invenção em termos gerais, agora será feita referência aos desenhos anexos, que não estão necessariamente desenhados em escala, e nos quais:
[0088] a FIG. 1 é uma folha de fluxo que ilustra uma modalidade exemplificadora de um sistema combinado de POX e PPS de acordo com a presente invenção em que o PPS gera energia ao usar um gás combustível derivado da oxidação parcial de um combustível de hidrocarboneto ou carbonáceo líquido ou sólido no sistema para POX;
[0089] a FIG. 2 é uma folha de fluxo que ilustra uma parte do sistema combinado da FIG. 1, em que a parte ilustrada mostra em particular elementos do sistema combinado úteis para a produção de misturas de H2 ou de H2 + CO de exportação;
[0090] a FIG. 3 é um gráfico da temperatura versus o calor transferido em um trocador de calor de gás combustível para um sistema para acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção ao usar uma pasta de carvão de CO2 com uma reação de POX resfriada bruscamente com água que opera com água em excesso de modo que o gás combustível de POX resfriado bruscamente esteja à temperatura do ponto de orvalho da água;
[0091] a FIG. 4 é um gráfico da temperatura versus o calor transferido em um trocador de calor de POX para um sistema para acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção ao usar uma pasta de carvão de CO2 com uma reação de POX resfriada brus
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20/52 camente com água que opera a uma temperatura de resfriamento brusco de 400°C;
[0092] a FIG. 5 mostra o equilíbrio entre a massa e o calor de uma simulação ASPEN de um sistema para energia que combina um sistema para POX e PPS de acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção, em que a simulação incluiu o uso de uma pasta de carvão/CO2 no reator de POX e a utilização da água como um fluido de resfriamento brusco; e [0093] a FIG. 6 mostra o equilíbrio entre a massa e o calor de uma simulação ASPEN de um sistema para energia que combina um sistema para POX e PPS de acordo com uma modalidade exemplificadora da presente invenção, em que a simulação incluiu o uso de uma pasta de carvão/CO2 no reator de POX e a utilização de CO2 como um fluido de resfriamento brusco.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0094] A invenção agora será descrita de maneira mais ampla através de referência descrita a várias modalidades. Estas modalidades são fornecidas de modo que esta apresentação seja integral e completa, e irá dirigir integralmente o âmbito da invenção aos elementos versados na técnica. Certamente, a invenção pode ser incorporada em muitas formas diferentes e não deve ser interpretada como limitada às modalidade aqui apresentadas; ao invés disto, estas modalidades são fornecidas de modo que esta apresentação preencha os requisitos legais aplicáveis. Tal como usado no relatório descritivo e nas reivindicações anexas, as forma singulares um, uma, o/a incluem referentes plurais a menos que o contexto dite claramente de alguma outra maneira.
[0095] Os sistemas e os métodos da presente invenção são adaptados para obter a oxidação parcial (POX) de um combustível carbonáceo, em particular um combustível sólido e/ou um combustível líquiPetição 870190088382, de 06/09/2019, pág. 25/71
21/52 do. Os exemplos não limitadores dos combustíveis que podem ser usados de acordo com a presente invenção incluem o carvão, a lignita, o coque de petróleo, o betume, biomassa, algas, madeira, refugos residuais sólidos combustíveis graduados, asfalto, pneus usados, óleo cru, outros combustíveis líquidos contendo cinza, e outros ainda. [0096] Em várias modalidades, os sistemas e os métodos da invenção são adaptados para oxidar parcialmente o combustível ao usar o oxigênio, de preferência O2 substancialmente puro, de modo a produzir uma corrente que seja útil como um gás combustível. A oxidação parcial pode ser realizada em um reator de POX. Em modalidades particulares, uma unidade de separação de ar ou outra usina de oxigênio podem ser utilizadas nos sistemas e métodos da presente invenção. O oxigênio da usina pode ser dirigido ao reator de POX. Em algumas modalidades, o oxigênio pode ser primeiramente passado através de um trocador de calor para aumentar a temperatura do oxigênio que entra no reator de POX. O nitrogênio da usina de separação de ar em também pode ser incorporado nos sistemas e métodos. Por exemplo, N2 seco pode ser passado através de um esmagador que está transformando combustíveis sólidos em partículas e desse modo seca parcialmente o combustível particulado. O combustível particulado também pode ser esmagado em um segundo esmagador até um tamanho da partícula de preferência de cerca de 500 micra ou menos, cerca de 250 micra ou menos, ou cerca de 100 micra ou menos. O combustível de partículas pequenas pode ser dirigido a um misturador para ser formado como uma pasta com um meio formador de pasta. O meio de pasta pode compreender CO2, que tem de preferência uma pressão de cerca de 3,5 MPa ou mais, cerca de 5 MPa ou mais, ou cerca de 8.5 MPa ou mais. O CO2 no meio da pasta de CO2 pode estar de preferência a uma temperatura de cerca de 5°C a cerca de 40°C, de cerca de 10°C a cerca de 30°C de cerca de 12°C a cerca de 25°C. O CO2 no
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22/52 meio da pasta de CO2 pode ter uma densidade de cerca de 500 kg/m3 a cerca de 1.000 kg/m3, de cerca de 600 kg/m3 a cerca de 900 kg/m3, ou de cerca de 700 kg/m3 a cerca de 800 kg/m3. O meio da pasta pode compreender alternativamente água ou uma combinação de CO2 e água de. Uma pasta de combustível sólida usada no reator de POX pode compreender cerca de 25% a cerca de 75%, cerca de 30% a cerca de 70%, ou cerca de 40% a cerca de 60% em peso de combustível sólido. A pasta de combustível particulada é então combinada no reator de POX com o oxigênio, que compreende de preferência cerca de 90% molar ou mais, cerca de 95% molar ou mais, cerca de 97% molar ou mais de oxigênio. O reator de POX opera de preferência a uma pressão de cerca de 4,5 a cerca de 8,5 MPa e uma temperatura de cerca de 1.450°C; no entanto, a temperatura e a pressão podem estar em quaisquer combinações de faixas de temperatura e pressão tal como aqui indicado de algum outro modo com relação à natureza da corrente de POX que sai do reator de POX.
[0097] A oxidação parcial do combustível carbonáceo no reator de
POX forma uma corrente de POX, a qual pode ser definida em termos dos seus componentes. Em particular, a corrente de POX pode compreender um gás combustível e uma ou mais impurezas (impurezas oxidáveis e não oxidáveis). O gás combustível pode compreender hidrogênio, monóxido de carbono, ou uma combinação dos mesmos. As impurezas exemplificadoras derivadas do combustível de POX original (hidrocarbonetos sólidos ou líquidos ou material carbonáceo) ou das reações de oxidação parcial incluem, por exemplo, H2S, COS, CS2, HCN, NH3 e Hg. A corrente provém do reator de POX em que a corrente de POX produzida no mesmo pode ser resfriada bruscamente com um fluido de resfriamento. Isto pode resultar na vaporização parcial do fluido de resfriamento de modo a produzir um gás combustível que compreende o fluido de resfriamento vaporizado misturado com o
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23/52 gás combustível. O excesso de fluido de resfriamento brusco pode ser usado para obter uma mistura de fluido de resfriamento líquido e gás combustível em vapor mais fluido de resfriamento vaporizado como um produto do reator de POX. A corrente de POX resfriada pode ser submetida à separação de modo que os sólidos (por exemplo, partículas sólidas de cinza) possam ser removidos. Os sólidos podem em particular ser removidos em uma mistura com o fluido de resfriamento líquido que é separado da mistura de gás combustível. Quaisquer partículas de cinza finas restantes podem ser removidas por uma coluna de lavagem fluido de fluido de resfriamento a jusante seguida por um filtro de vela ou algo do gênero. Alternativamente, o resfriamento brusco pode resultar em uma fase gasosa com partículas de cinza arrastadas que são removidas em uma combinação de ciclones e filtros. A corrente de POX resfriada em seguida pode ser resfriada em um trocador de calor para recuperar pelo menos uma parte do calor útil que estava presente na corrente de POX antes do resfriamento brusco. Em particular, o volume do fluido de resfriamento vaporizado misturado com o gás combustível pode ser condensado, e o calor pode ser transferido principalmente a uma corrente de reciclagem de alta pressão para reduzir a diferença da temperatura na extremidade quente de um trocador de calor recuperativo no sistema para produção de energia. Isto pode ser particularmente benéfico para aumentar a eficiência total do sistema para produção de energia sozinho ou em combinação com o sistema para POX. A corrente de POX (isto é, a corrente de gás combustível) pode ser produzida a uma pressão que é inferior ou igual à pressão requerida para uma combustão adicional do gás combustível no combustor para a produção de energia. Por exemplo, um combustor e um ciclo de produção de energia associado que podem ser combinados com os sistemas e os métodos da presente invenção são descritos no US 2011/0179,/l799, cuja citação é aqui incorporada a
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24/52 título de referência em sua totalidade. Tal combustor e ciclo de produção de energia associado podem ser aqui indicados como Sistema para energia LÍQUIDO. O processo do sistema para energia LÍQUIDO provê a geração de energia ao usar predominantemente o CO2 como um fluido de trabalho. Em particular, o processo usa uma turbina com uma razão de alta pressão/baixa pressão que expande uma mistura de uma corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão e produtos de combustão provenientes da combustão do combustível. O oxigênio puro pode ser usado como oxidante no processo de combustão. A exaustão da turbina quente é usada para pré-aquecer parcialmente a corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão. A corrente de CO2 de reciclagem do sistema para energia LÍQUIDO também é aquecida ao usar o calor derivado da energia de compressão da carga de ar da usina de produção de O2. Todo o combustível e as impurezas derivadas da combustão, tais como compostos de enxofre, NO, NO2, CO2, H2O, Hg e outros ainda são separados para descarte sem nenhuma emissão na atmosfera.
[0098] Os sistemas e os métodos da presente invenção podem ser especificamente caracterizados como sendo uma combinação de um sistema para POX e um sistema para produção de energia (PPS). O sistema para energia LÍQUIDO é um exemplo de um PPS que pode ser usado de acordo com a presente invenção. Em particular, uma corrente de gás combustível de POX pode ser introduzida no combustor de PPS como uma parte ou toda a corrente de combustível para o combustor. Em um ciclo de combustão de alta pressão, o gás combustível da corrente de POX deve ser geralmente comprimido até a alta pressão requerida no combustor do sistema para produção de energia. Por exemplo, a corrente do gás combustível de POX pode ser comprimida em um compressor até uma pressão de cerca de 10 MPa ou mais, cerca de 15 MPa ou mais, cerca de 20 MPa ou mais, ou cerca
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25/52 de 25 MPa ou mais. Em outras modalidades, a pressão pode ser de cerca de 8 MPa a cerca de 50 MPa, de cerca de 15 MPa a cerca de 45 MPa, ou de cerca de 20 MPa a cerca de 40 MPa.
[0099] A corrente do gás combustível de POX que provém da reação do oxigênio com um combustível sólido ou líquido pode compreender quantidades variadas de sólidos e sólidos em fusão que devem ser removidos antes da introdução da corrente de gás combustível de POX no combustor de PPS. Especificamente, a corrente de gás combustível de POX pode ser resfriada bruscamente e resfriado tal como necessário até temperatura em que a cinza e outros materiais sólidos podem ser removidos. Isto é benéfico para impedir a contaminação a jusante do equipamento no sistema para POX e no PPS. O calor liberado durante o resfriamento da corrente de gás combustível de POX pode ser transferido ao sistema para produção de energia para maximizar a eficiência total do sistema para produção de energia. Em particular, este calor pode ser usado para aquecer parcialmente pelo menos uma parte do fluido de CO2 de reciclagem que circula na produção de energia após o resfriamento da corrente de produto da combustão e antes da entrada do fluido de CO2 de reciclagem de volta no combustor do sistema para produção de energia. Em particular, o calor pode ser adicionado ao fluido de CO2 de reciclagem depois da compressão do fluido de CO2 de reciclagem. Opcionalmente, o oxigênio requerido para o reator de POX e/ou o combustor do sistema para produção de energia também pode ser aquecido contra a corrente de POX de resfriamento no mesmo trocador de calor ou em um trocador de calor diferente.
[00100] O reator de POX pode ser adaptado para prover uma corrente do gás combustível de POX de saída que tem uma temperatura que é de cerca de 1.200°C ou mais, de cerca de 1.300°C ou mais, ou de cerca de 1.400°C ou mais. Mais particularmente, a temperatura po
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26/52 de ser de cerca de 1.000°C a cerca de 2.000°C, de cerca de 1.200°C a cerca de 1800°C, ou de cerca de 1.300°C a cerca de 1.600°C. Em várias modalidades, uma ou mais etapas podem ser utilizadas para resfriar a corrente de POX (e desse modo o gás combustível para a entrada em um combustor adicional), de preferência até quase a temperatura ambiente.
[00101] Em uma etapa, a corrente de POX que sai imediatamente do reator de POX a uma temperatura tal como descrito acima pode ser resfriada bruscamente até uma temperatura mais baixa. O resfriamento brusco reduz a temperatura de preferência até 400°C ou menos, que é uma região em que a velocidade da reação de BOUDOUARD é tão baixa que nenhuma formação de carbono ou corrosão por pó de metal irá ocorrer. O resfriamento brusco até uma temperatura de 400°C ou menos serve para condensar sais de metal voláteis para a remoção subsequente. A etapa de resfriamento brusco pode ser adaptada para reduzir a temperatura da corrente de POX a uma temperatura mais baixa que pode ser definida por uma razão em relação à temperatura da reação de POX. Em modalidades particulares, a razão entre a temperatura da reação de POX e a temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente pode ser de cerca de 3,25:1 ou mais, de cerca de 3,5:1 ou mais, ou de cerca de 4:1 ou mais. Mais particularmente, a razão entre a temperatura da corrente de POX e a corrente de POX resfriada bruscamente pode ser de cerca de 3,25:1 a cerca de 6:1, de cerca de 3,75:1 a cerca de 5,5:1, ou de cerca de 4:1 a cerca de 5:1. Em modalidades particulares, a temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente pode ser de cerca de 400°C ou menos, de cerca de 350°C ou menos, ou de cerca de 300°C ou menos. Em modalidades particulares, a temperatura pode ser de cerca de 200°C a cerca de 400°C, de cerca de 225°C a cerca de 375°C, ou de cerca de 250°C a cerca de 350°C. O resfriamento brusco pode ser realizado ao mistu
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27/52 rar a corrente de POX com um ou mais fluidos de resfriamento brusco. Os exemplos não limitadores de fluidos de resfriamento brusco que podem ser usados de acordo com a presente invenção incluem uma corrente do produto de POX reciclada (isto é, pelo menos uma parte do produto de POX que já foi resfriado até uma temperatura do fluido de resfriamento brusco e então resfriado no trocador de calor de gás de POX seguido pela separação da água líquida), água a uma temperatura do fluido de resfriamento brusco, CO2 líquido, as suas misturas, e outros ainda. Uma temperatura do fluido de resfriamento brusco útil pode ser de cerca de 150°C ou menos, de cerca de 100°C ou menos, de cerca de 75°C ou menos, ou de cerca de 60°C ou o menos. A temperatura do fluido de resfriamento brusco pode ser em particular de cerca de 10°C a cerca de 150°C, de cerca de 15°C a cerca de 100°C, ou de cerca de 20°C a cerca de 75°C. Alternativamente, o fluido de resfriamento brusco pode ser pré-aquecido contra o gás de POX resfriado bruscamente ou por outros meios até uma aproximação da temperatura tipicamente de cerca de 20°C abaixo da temperatura de resfriamento brusco de POX. Nas modalidades que usam um resfriamento brusco com água, uma parte da água pode ser vaporizada, desse modo resultando uma mistura de gás combustível, vapor, e uma parte de água líquida, que remove por lavagem o volume das partículas de cinza. A temperatura do líquido e do vapor total será determinada pela pressão usada no reator de POX e pela quantidade da água líquida usada para o resfriamento brusco.
[00102] Uma etapa adicional pode prover a separação de qualquer água líquida e o volume de quaisquer partículas de cinza ou outros sólidos do vapor da corrente de POX resfriada bruscamente. A remoção dos sólidos pode ser realizada ao usar quaisquer meios de separação ou filtros convencionais. Os exemplos não limitadores de componentes apropriados de remoção de sólidos incluem filtros de ciclone,
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28/52 tanques de sedimentação, filtros de vela, filtros de saco, torres de lavagem de líquidos, e outros ainda. Em algumas modalidades, um separador pode ser provido na parte mais inferior do reator de POX. O vapor separado pode de modo geral ser introduzido na base de uma coluna de lavagem de água em contracorrente para remover outros traços de cinza particulada. O gás combustível de POX limpo mais a corrente de vapor podem então ser opcionalmente passados através de um filtro de gás, tal como um filtro de vela, para assegurar que não possa haver nenhuma deposição de partículas no trocador de calor usado para resfriar o gás combustível ou no PPS a jusante. Em algumas modalidades, uma corrente de CO2 líquido pode ser usada como fluido de resfriamento brusco. Neste caso a corrente total depois do resfriamento brusco pode consistir em uma única fase de vapor com partículas sólidas arrastadas. A quantidade de CO2 líquido usada para o resfriamento brusco pode ser tal que a temperatura da corrente resfriada bruscamente seja de cerca de 200°C a cerca de 400°C. A cinza pode ser removida em uma série de filtros tal como indicado acima. Em outras modalidades, uma corrente de gás combustível separada resfriada depois da separação de água pode ser usada como uma parte ou todo o fluido de resfriamento brusco. Em várias modalidades, um método preferido de resfriamento brusco pode usar a água. O sistema também pode usar uma mistura de água e CO2 em que a quantidade de água é suficiente para produzir água líquida suficiente depois do resfriamento brusco para remover por lavagem o volume das partículas de cinza.
[00103] Ainda em uma outra etapa, a corrente de POX resfriada bruscamente (de preferência após a filtração dos sólidos) pode ser resfriada até quase a temperatura ambiente. Por conseguinte, os sistemas e os métodos apresentados podem incluir um ou mais componentes adaptados para a troca de calor. Em particular, um trocador de
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29/52 calor pode ser adaptado para transferir o calor da corrente de POX resfriada bruscamente a uma ou mais partes da corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão utilizada no sistema para produção de energia. Por exemplo, o calor pode ser transferido à corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão tirada da descarga do compressor de reciclagem de CO2 e/ou a um ou mais pontos apropriados no trocador de calor do recuperador que é usado no ciclo de produção de energia. A escolha das temperaturas para a injeção de calor no trocador de calor do recuperador de PPS e do número e da temperatura de entrada das correntes tiradas do trocador de calor do recuperador de PPS a ser aquecidas no resfriador de gás combustível resfriado bruscamente pode ser determinada ao alterar o processo de recuperação de calor para assegurar que a recuperação de calor fique no nível de temperatura máxima consistente com os tamanhos econômicos do trocador de calor.
[00104] O combustível sólido usado no reator de POX pode ser fornecido em uma variedade de formas. Nas modalidades indicadas acima, um combustível sólido pode ser fornecido em uma forma particulada, de preferência um estado finamente pulverizado, e pode ser transformado em pasta com um meio de pasta. Em modalidades preferidas, o meio de pasta pode compreender, por exemplo, a água, CO2 líquido, e as combinações dos mesmos. O CO2 líquido pode ser formado, pelo menos em parte, a partir de CO2 reciclado do sistema para produção de energia. O uso do CO2 como fluido de formação de pasta pode ser particularmente útil para reduzir o calor requerido para elevar a temperatura de alimentação do combustível de POX até a faixa do reator de POX em comparação com o uso de um meio de pasta diferente tal como a água (por exemplo, água condensada e separada do sistema para produção de energia). Embora o CO2 possa ser um meio de formação de pasta preferido, outros materiais, incluindo a água,
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30/52 podem ainda ser usados como desejado e podem conduzir a perdas aceitáveis na eficiência sob determinadas modalidades da presente invenção. O combustível carbonáceo usado no reator de POX pode ser um líquido tal como o betume aquecido, em cujo caso nenhum fluido de formação de pasta pode se fazer necessário.
[00105] Quando o CO2 ou a água é usado como meio de formação de pasta, a composição da corrente de POX que sai do reator de POX pode ter uma elevada concentração de monóxido de carbono (CO) e uma pressão parcial. Em tais modalidades, pode ser particularmente desejável assegurar que o resfriamento brusco da corrente de POX seja adaptado para resfriar a corrente e desse modo formar uma corrente de POX resfriada bruscamente que tem uma temperatura de menos de 400°C. A provisão de tal queda da temperatura pode limitar em particular a cinética da reação de BOUDOUARD a um estado suficientemente baixo de maneira tal que nenhum carbono pode ser depositado no trocador de calor da corrente de POX e de maneira tal que nenhuma corrosão com pó de metal pode ocorrer no equipamento a jusante.
[00106] Com relação às modalidades particulares, os sistemas e os métodos da invenção podem englobar pelo menos os seguintes quatro conjuntos de condições operacionais com relação à combinação da carga de combustível de POX e a troca de calor de POX: a pasta de combustível de CO2 com resfriamento brusco com CO2; a pasta de combustível de CO2 com resfriamento brusco com água; a pasta de combustível e água com resfriamento brusco com água; e a pasta de combustível e água com resfriamento brusco com CO2. No entanto, deve ser compreendido que outras combinações podem surgir com base na utilização de um meio de formação de pasta adicional e/ou outros fluidos de resfriamento brusco. Além disso, o meio de formação de pasta de combustível pode ser uma combinação de água e CO2. Do
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31/52 mesmo modo, o fluido de resfriamento brusco pode ser uma combinação de água e da corrente de POX resfriada.
[00107] O calor liberado pelo resfriamento da corrente de POX resfriada bruscamente no trocador de calor depois da remoção de cinza pode ser transferido a uma ou mais partes da corrente de reciclagem de CO2 de alta pressão tirada do sistema para produção de energia. O fluido de resfriamento brusco pode ser gás combustível de POX reciclado que sai da extremidade fresca do trocador de calor de POX depois da separação da água líquida, ou pode ser água condensada e separada. Também pode ser uma combinação de gás combustível e água. Além disso, pode ser CO2 reciclado, ou uma combinação de gás combustível, ou água, ou ambas com CO2. Em algumas modalidades, a fonte de fluido de resfriamento brusco pode ser particularmente relevante. As modalidades que utilizam um meio de formação de pasta de CO2 podem resultar em uma produção líquida de água derivada de hidrogênio e água presente na carga de combustível sólido (por exemplo, carvão). A água líquida separada desse modo pode ser tratada para separar os componentes inflamáveis dissolvidos na água. Estes elementos inflamáveis separados podem ser comprimidos e retornados ao combustor do sistema para produção de energia. A corrente de água limpa pode então ser reciclada ao sistema para formação de pasta de combustível sólido ou então ao sistema para resfriamento brusco de POX, e toda a água em excesso pode ser enviada ao sistema para produção de energia onde pode ser usada para diluir qualquer ácido H2SO4/HNO3 produzido no estágio de separação da água no sistema para produção de energia tal como descrito na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2011/0179799. Nas modalidades em que o combustível sólido é transformado em pasta com água, a água presente na corrente de alta temperatura de POX pode reagir com o CO produzido pela oxidação parcial do carbono no combustível sólido para produzir
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32/52 gás hidrogênio e monóxido de carbono. Estes podem estar presentes em uma razão de cerca de 1:1 entre H2 e CO em volume.
[00108] Esse consumo da água na reação de troca pode ser indicativo de uma deficiência de água, e a água produzida no sistema para produção de energia pode então ser retornada ao sistema para POX de modo a produzir a pasta de carvão combustível sólido e desse modo compensar este consumo. A corrente de POX resfriada pura (isto é, a corrente de gás combustível) pode então ser comprimida até a pressão requerida para a combustão no combustor de produção de energia. Em várias modalidades, o sistema e o método da presente invenção podem ser adaptados para a produção de um fluido de resfriamento brusco interno para o uso com a corrente de POX de alta temperatura que sai do reator de POX. Isto pode advir das etapas sequenciais da reação de POX, da remoção dos sólidos, do resfriamento com troca de calor, e da separação da água. A quantidade líquida do gás combustível da corrente de POX pode ser comprimida e passada ao combustor do sistema para produção de energia com uma concentração relativamente elevada de gases inflamáveis (por exemplo, H2 e CO) e com um valor calórico que assegura condições de combustão úteis no combustor do sistema para produção de energia.
[00109] Em algumas modalidades, um reator de POX de acordo com a invenção pode ser adaptado para operar a uma pressão que seja mais elevada do que a pressão no combustor do sistema para produção de energia. O combustor do sistema para produção de energia em particular pode usar o CO2 como fluido de trabalho que é reciclado continuamente no sistema. De preferência, a corrente de POX pode ser resfriada bruscamente e resfriada através da troca de calor tal como aqui descrito ao usar a corrente de POX resfriada ou então a água como meio de resfriamento brusco, e a corrente de POX resfriada (isto é, um gás combustível) pode ser usada no sistema para proPetição 870190088382, de 06/09/2019, pág. 37/71
33/52 dução de energia sem a necessidade de uma compressão adicional. O reator de POX pode compreender qualquer reator adaptado para a combustão de um combustível carbonáceo, em particular em que o combustível só é oxidado parcialmente, e em particular em que o reator é adaptado para funcionar a uma pressão que seja mais elevada do que a pressão operacional de um combustor do sistema para produção de energia tal como aqui descrito. Em modalidades não limitadoras exemplificadoras, um combustor de POX pode utilizar o resfriamento por transpiração resfria em que um fluido de resfriamento, tal como o CO2, é passado através de uma camada de transpiração porosa que circunda a câmara de combustão de POX, que pode ser particularmente útil para impedir a colisão a cinza e a aglomeração. As modalidades exemplificadoras do resfriamento por transpiração que podem ser usadas com um reator de POX de acordo com a presente invenção são descritas na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2010/0300063 concedida a Palmer et al., na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2011/0083435 concedida a Palmer et al. e na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2012/0073261 concedida a Palmer et al., cujas citações são aqui incorporadas a título de referência em suas totalidades.
[00110] Em outras modalidades, um reator de POX de acordo com a invenção pode ser adaptado para operar a uma pressão que esteja abaixo da pressão do combustor do sistema para produção de energia. Em tais modalidades, uma corrente de POX para ser usada como um combustível no combustor do sistema para produção de energia pode ser comprimida antes da passagem para o combustor do sistema para produção de energia. O reator de POX pode compreender qualquer sistema comercialmente disponível. Os exemplos não limitadores dos sistemas comercialmente disponíveis úteis de acordo com a presente invenção incluem um reator de fluxo arrastado de carga de car
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34/52 vão em pó seco da Shell, um reator de resfriamento brusco da GE/Texaco, um reator de resfriamento brusco de tela de resfriamento da Siemens, ou sistemas similares. Os reatores úteis de POX podem incluir seções de transferência de calor internas que absorvem o calor radiante do queimador de POX. Em tais modalidades, uma parte da corrente de CO2 reciclada de alta pressão do sistema para produção de energia pode ser aquecida e retornada a uma temperatura mais alta ao sistema para PPS. Por exemplo, o CO2 reciclado a uma temperatura de cerca de °C 400 ou mais pode ser aquecido até uma temperatura de cerca de 450°C a cerca de 600°C dentro do reator de POX e retornado ao trocador de calor recuperativo no sistema para produção de energia, onde pode ser remisturado com uma parte adicional da corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão a uma temperatura similar.
[00111] A combinação de um reator de POX com um sistema para produção de energia de acordo com a presente invenção pode prover uma variedade de aspectos úteis. Como um exemplo, a combinação pode ser definida uma vez que as impurezas (tais como do carvão ou de um outro combustível sólido e da oxidação parcial do combustível) podem ser retidas na corrente de POX de alta pressão resfriada que entra no combustor do sistema para produção de energia. Tais impurezas podem compreender H2S, COS, CS2, HCN, NH3 e Hg. Estas e outras impurezas podem ser oxidadas no combustor do sistema para produção de energia de modo a formar, por exemplo, SO2, CO2, N2, NO e Hg, que podem então ser removidos do sistema para produção de energia. Por exemplo, uma corrente de água condensada da corrente da saída do combustor do sistema para produção de energia pode ser ácida, a qual compreende um ou mais dentre HNO3, H2SO4, e sais inorgânicos dissolvidos, tal como descrito na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2011/0179799.
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35/52 [00112] O processamento do combustível sólido através do reator de POX ao invés de diretamente através de um combustor do sistema para produção de energia pode ser particularmente útil à luz da capacidade de remover possivelmente produtos da reação de incrustação. Por exemplo, uma corrente de POX que sai do reator de POX pode ser resfriada bruscamente até uma temperatura de cerca de 400°C ou menos ou uma outra temperatura útil para assegurar que a cinza derivada do carvão (ou outras impurezas em fusão que provêm do carvão ou de um outro combustível sólido) esteja em uma forma sólida que possa ser removida. De preferência, as impurezas sólidas podem ser removidas até uma concentração muito baixa e um tamanho de partícula suficientemente pequeno de modo a impedir substancialmente o bloqueio e/ou a corrosão dos componentes do sistema para produção de energia, tais como trocadores de calor, turbinas, compressores, e outros ainda.
[00113] Além do acima exposto, o resfriamento brusco da corrente de POX do reator de POX pode ser adaptado para prover uma corrente de POX resfriada bruscamente abaixo de uma temperatura tal como aqui definida e é suficientemente baixa para assegurar que a concentração da fase de vapor de todos os componentes inorgânicos no combustível sólido seja do mesmo modo suficientemente baixa para impedir substancialmente a deposição em um ou mais componentes do sistema para produção de energia. Por exemplo, a oxidação parcial do carvão pode produzir um ou mais sais de metais alcalinos incluindo o NaCl, o CaSO4 e o KCl, que podem ser removidos tal como aqui discutido. O limite superior da temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente também pode ser adaptado para assegurar que a reação de BOUDOUARD seja suficientemente lenta de modo a impedir substancialmente a deposição de carbono e/ou a corrosão por pó de metal
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36/52 em qualquer trocador de calor ou outros componentes no sistema para produção de energia.
[00114] Os sistemas e os métodos da presente invenção podem ser adaptados para prover a recuperação de substancialmente todo o calor liberado durante o resfriamento da corrente de POX, de preferência o resfriamento até a temperatura quase ambiente, e a recuperação de calor na corrente de CO2 de alta pressão reciclada no sistema para produção de energia. Este aquecimento adicional pode em particular ser provido ao nível de temperatura mais baixa no trocador de calor do recuperador do sistema para produção de energia. A entrada de calor adicional desta maneira pode prover um efeito positivo significativo na eficiência total do sistema para produção de energia. Este efeito é devido ao calor específico muito mais elevado da corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão na faixa de temperatura mais baixa de 50°C a 400°C em comparação à faixa de temperatura mais elevada de 400°C a 800°C e ao calor específico mais baixo da corrente de exaustão da turbina que está esfriando no trocador de calor do recuperador do sistema para produção de energia. Esta diferença marcante significa que um calor extra adicional significativo é requerido no trocador de calor do recuperador na faixa de temperatura de 50°C a 400°C para aquecer a corrente de CO2 de reciclagem. O calor adicional obtido da corrente de POX resfriada bruscamente no trocador de calor da corrente de POX fornece uma quantidade eficaz de calor adicional para o combustor do sistema para produção de energia que é substancialmente equivalente à quantidade de calor liberada quando o próprio gás combustível é queimado.
[00115] Em várias modalidades, o reator de POX é resfriado bruscamente até a saturação ao usar uma corrente de água de reciclagem, e a curva da temperatura-liberação de calor para o resfriamento da corrente de POX resfriada bruscamente até quase temperatura ambi
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37/52 ente exibe uma grande liberação de calor inicial quando o vapor de água derivado da vaporização da água de resfriamento brusco começa a condensar. Esta liberação de calor por unidade de queda da temperatura reduz progressivamente à medida que a corrente de POX esfria. O efeito requer que duas correntes de CO2 de reciclagem de alta pressão separadas tiradas da corrente de reciclagem de alta pressão do sistema para produção de energia sejam usadas para recuperar o calor da corrente de POX resfriada bruscamente. Em algumas modalidades, a primeira corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão pode ser tirada da descarga do compressor de reciclagem de CO2 à temperatura de cerca de 45°C a cerca de 70°C. A segunda de CO2 de reciclagem de alta pressão pode ser tirada da corrente de reciclagem de alta pressão em um ponto no trocador de calor do recuperador onde há uma aproximação pequena da temperatura ao ponto de orvalho da corrente de resfriamento de exaustão da turbina. Estas duas correntes em conjunto podem prover uma grande liberação de calor inicial da corrente de POX resfriada bruscamente enquanto o seu teor de água começa a condensar, que pode ser eficientemente ser transferida de volta à corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão ao nível de temperatura mais elevado possível (vide a FIG. 3). Nas modalidades em que a corrente de POX é resfriada bruscamente inicialmente até cerca de 400°C, há uma faixa de resfriamento entre cerca de 400°C e o ponto de orvalho da água da corrente de POX resfriada bruscamente, e esta faixa pode requerer um fluxo mais baixo de CO2 de reciclagem de alta pressão para remover eficientemente esta parte do calor disponível da corrente de POX resfriada bruscamente em comparação à faixa de temperatura abaixo do ponto de orvalho da água da corrente de POX. Isto pode ser realizado ao remover uma parte da corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão de aquecimento em um ponto perto e/ou abaixo da temperatura do ponto de orvalho da água da corrente
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38/52 de POX resfriada bruscamente enquanto a parte restante é removida a uma temperatura próxima e/ou abaixo da temperatura de resfriamento brusco (por exemplo, de cerca de 400°C) (vide a FIG. 4). A corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão pode então pode ser retornada ao trocador de calor do recuperador em um ponto correspondente da temperatura ao fluxo volumoso do CO2 de alta pressão no trocador de calor do recuperador. Em várias modalidades, as opções para que as duas corrente combinem no trocador de calor de resfriamento de POX com uma única corrente do retorno podem ser providas. Em algumas modalidades, mais de duas correntes do fluido de reciclagem de alta pressão podem ser usadas.
[00116] Em algumas modalidades, o gás combustível tirado do reator de POX depois do resfriamento brusco e da remoção de cinza pode compreender predominantemente H2, CO, CO2 e H2O a uma temperatura de cerca de 250°C a cerca de 400°C. Uma parte desta corrente do gás combustível pode ser tomada para a produção de H2 puro, de CO, ou uma combinação destes com razões variadas entre H2 e CO. As aplicações típicas para a produção em larga escala de H2 podem ser, por exemplo, a hidrodessulfuração e o hidrocraqueamento em refinarias e, potencialmente, como um combustível de veículo. As aplicações típicas para misturas de H2 e de CO podem ser, por exemplo, a produção de líquidos de hidrocarboneto de Fischer-Tropsch (por exemplo, com uma razão de cerca de 2,2 entre H2 e CO) e a produção de metanol (por exemplo, com uma razão de cerca de 2,0 entre H2 e CO). Em cada caso, a razão entre H2 e CO deve ser aumentada da razão de cerca de 1 ou menos na corrente de gás combustível de POX onde a razão depende do uso de CO2 ou da água como meio de formação de pasta para o combustível sólido. A pasta à base de água com mais água nos resultados no produto gasoso de POX resulta em uma proporção significativa de CO que sendo convertida em H2 e CO2, resul
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39/52 tando uma razão entre H2 e CO apenas abaixo de 1. A pasta à base de CO2 tem uma razão entre H2 e CO muito mais baixa. Pode ser útil passar pelo menos através uma parte da corrente de gás combustível de POX resfriada bruscamente separada através de um reator de troca catalítica para converter CO em H2 pela reação com vapor, tal como mostrado abaixo na Fórmula (2).
CO + H2O = H2 + CO2 (2) [00117] Isto pode ser realizado ao usar uma parte do gás combustível tirado a uma temperatura de cerca de 250°C a cerca de 400°C depois da remoção de cinza e ao usar um catalisador de troca de CO tolerante ao enxofre, tal como um catalisador à base de cobalto no reator de troca. A parte do gás combustível que foi enriquecida em H2 pode então ser resfriada em uma passagem separada através do trocador de calor de POX. O calor liberado na reação de troca exotérmica pode ser transferido ao PPS. O gás trocado de saída pode então ser misturado com uma parte da corrente de POX resfriada restante e a corrente combinada pode ser passada através de um adsorvedor de troca de pressão de múltiplos leitos projetado para separar o H2 e o CO à razão entre H2 e CO requerida como um único componente não adsorvido ao passo que os componentes adsorvidos podem conter todos os compostos de enxofre, HCN, NH3, Hg CO2, H2O e a maior parte de CH4. Esta fração não adsorvida também pode conter N2 e Ar derivados do carvão (ou um outro combustível sólido ou líquido) e o oxigênio usado no reator de POX. Estes componentes inertes estarão de preferência a uma concentração total abaixo de 5%, o que é aceitável para a alimentação do gás a ambos os reatores de FischerTropsch e de metanol. Se a produção de H2 puro for requerida, somente o gás resfriado trocado será alimentado no PSA. O gás residual a uma pressão próxima da atmosférica do PSA com o todo o carvão e as impurezas derivadas de POX em uma forma reduzida será compri
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40/52 mido e retornado ao gás combustível de POX restante para a combustão de PPS.
[00118] Uma modalidade de um sistema para produção de energia com oxidação parcial de um combustível sólido é descrita com referência à FIG. 1, em que um combustível sólido é provido na forma da corrente de alimentação de carvão 21 a ser oxidada parcialmente no reator de POX 4. A corrente de carvão 21 é triturada e parcialmente secada no esmagador de partículas grandes 1 que também é alimentado pela corrente de nitrogênio seco que compreende N2 a uma temperatura de cerca de 82°C (180°F) tirada de uma unidade de separação de ar 6, a qual produz as correntes de oxigênio 32 e 60 e acorrente de nitrogênio 23 a partir da corrente de entrada de ar 62. De preferência, a corrente de nitrogênio seco 23 pode ser aquecida contra uma corrente a uma temperatura mais alta da exaustão da turbina rica em CO2 que sai do trocador de calor do recuperador no PPS. O carvão é ainda triturado até um tamanho de partícula de preferência de cerca de 250 micra ou menos no esmagador de partículas pequenas 2 para prover a corrente de carvão em partículas 25, a qual é dirigida a um misturador de pasta 3. No misturador de pasta 3, o carvão em partículas é misturado com a corrente do meio de formação de pasta de CO2 29, a qual tem de preferência uma pressão de cerca de 8,5 MPa ou mais. O CO2 na corrente de meio de formação de pasta de CO2 29 nesta modalidade se encontra a uma temperatura de cerca de 17°C. O CO2 na corrente do meio de formação de pasta de CO2 29 tem uma densidade de cerca de 865 kg/m3. O carvão pulverizado é aumentado na pressão em um sistema para funil de travamento ou por outros meios até uma pressão de 8,5 MPa antes de ser misturado com o CO2. Uma corrente da pasta de carvão/CO2 26 sai do misturador de pasta 23 e compreende de preferência cerca de 45% em peso de carvão. Alternativamente, o meio da pasta pode ser uma corrente de
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41/52 água. O sistema para injeção de carvão pulverizado também pode ser configurado como um sistema para alimentação seca em que o carvão pressurizado pulverizado é arrastado em uma corrente de nitrogênio e é alimentado no queimador de POX. A corrente de pasta 26 é bombeada então no reator de POX 4, onde é combinada com a corrente de oxigênio 56, que compreende de preferência uma concentração de oxigênio de 97% molar ou mais. O reator de POX 4 opera de preferência a uma pressão de cerca de 8,5 MPa e a uma temperatura de cerca de 1.400°C; no entanto, a temperatura e a pressão podem estar em quaisquer combinações de faixas da temperatura e da pressão tal como aqui indicado ou então com relação à natureza da corrente de POX que sai do reator de POX. As condições para a preparação da pasta de carvão podem ser ajustadas de modo correspondente.
[00119] O reator de POX 4 é adaptado para oxidar parcialmente o carvão e formar uma corrente de POX, a qual pode sair do reator de POX e entrar em uma câmara de resfriamento brusco (não ilustrada) ou pode ser resfriada bruscamente dentro do próprio reator de POX, tal como ilustrado na FIG. 1. A corrente de POX pode compreender um gás combustível que pode compreender um ou mais materiais combustíveis (isto é, oxidáveis) incluindo, mas sem ficar a eles limitados, H2, CO, CH4, H2S, COS, CS2, HCN e NH3. Além disso, a corrente de POX pode compreender Hg e outras impurezas derivadas do carvão (ou um outro combustível sólido) bem como materiais inertes (por exemplo, N2 e Ar), tais como derivados da corrente de oxigênio 56, mais outros componentes de traços. A corrente de POX também pode compreender um ou mais materiais não combustíveis, tais como cinzas ou escória, que podem ser filtrados da corrente de POX tal como desejado.
[00120] A corrente de POX (tanto interna ao reator de POX quanto em um componente separado) é resfriada bruscamente ao ser mistu
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42/52 rada com um fluido de resfriamento brusco (corrente de água líquida 57 na presente modalidade). Tal como ilustrado, a corrente de água líquida 57 entra no reator de POX perto da base em um bocal de restrição. A adição da corrente de resfriamento brusco resfria os componentes da corrente de POX de preferência abaixo da temperatura de saturação da água de cerca de 304°C (embora temperaturas mais altas também sejam englobadas). A temperatura de resfriamento brusco também pode estar de preferência a uma temperatura em que os elementos não combustíveis, tais como cinzas e escória, estão na forma sólida. A água de resfriamento brusco em excesso é coletada com a escória e o volume da cinza fina no depósito do vaso do reator de POX (ou um vaso de resfriamento brusco separado) onde é removida para um tratamento adicional. A corrente de POX resfriada bruscamente 58 passa para a unidade de depuração 5, a qual compreende uma torre de depuração de água seguida por um filtro de cartucho fino adaptado para reduzir a carga da poeira a cerca de 4 mg/m3 ou menos do gás combustível, cerca de 3 mg/m3 ou a menos do gás combustível, ou cerca de 2 mg/m3 ou a menos do gás combustível. A unidade de depuração 5 também pode incluir qualquer equipamento e bombas requeridas para reciclar a água de depuração e também para tratar a corrente de cinza 66 para o descarte. Uma modalidade exemplificadora de um sistema útil para o tratamento da cinza do reator de POX e a limpeza de gás é um sistema POX da GE/Texaco com um queimador de pasta de carvão/água que, alternativamente, pode ser modificado para aceitar uma pasta de carvão/CO2.
[00121] O gás combustível limpo mais a corrente de vapor 55 são resfriados no trocador de calor 7. A corrente de saída 59 também é resfriada contra a água de resfriamento no trocador de calor 9. A água líquida 46 é separada no vaso de separação 8 da corrente de entrada 61 e bombeada na bomba 11 de volta ao reator de resfriamento brus
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43/52 co de POX e uma porção da água da composição de adição da corrente 38 para produzir a corrente de água de resfriamento brusco 57. A corrente de gás combustível líquida 47 é comprimida em um compressor centrífugo de múltiplos estágios 10 até uma pressão apropriada para a entrada como corrente 48 ao combustor do sistema para produção de energia 14. Como um exemplo, a corrente de gás combustível 47 pode ser comprimida até uma pressão de cerca de 30,5 MPa. A corrente de gás combustível comprimida 48 é aquecida no trocador de calor 12 do recuperador até uma temperatura apropriada para a entrada no combustor do sistema para produção de energia 14. Como um exemplo, a corrente de gás combustível comprimida 48 pode ser aquecida até uma temperatura de cerca de 746°C. A corrente de gás combustível aquecida 64 é queimada no combustor do sistema para produção de energia 14, onde é combinada com oxigênio e CO2. Na modalidade ilustrada, a corrente combinada de O2/CO2 51 compreende 30% de O2 e 70% de CO2 em uma base molar. A corrente combinada de O2/CO2 51 foi de preferência aquecida até uma temperatura apropriada para a entrada no combustor do sistema para produção de energia 14. Como um exemplo, a corrente combinada de O2/CO2 51 pode ser aquecida até uma temperatura de cerca de 746°C no trocador de calor 12 do recuperador. Uma corrente de CO2 de reciclagem quente 52 é dirigida do trocador de calor 12 do recuperador e se encontra a uma temperatura apropriada para a entrada no combustor do sistema para produção de energia 14. Como um exemplo, a corrente de CO2 de reciclagem quente 52 pode ser aquecida até uma temperatura de cerca de 746°C.
[00122] No combustor do sistema para produção de energia, os gases de combustão da queima do gás combustível são resfriados com a corrente de CO2 de reciclagem quente 52, produzindo uma corrente combinada de produto da combustão 50 a uma temperatura de cerca
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44/52 de 1.150°C e a uma pressão de cerca de 30 MPa na modalidade ilustrada. Isto é expandido até uma pressão de cerca de 3 MPa na turbina 13 acoplada a um gerador elétrico 65, produzindo uma potência de saída 63. A corrente de saída 49 da turbina é resfriada no trocador de calor 12 do recuperador e sai como a corrente de produto resfriada 53 a uma temperatura de cerca de 64°C na modalidade ilustrada. A corrente 53 é resfriada até uma temperatura de cerca de 17°C no resfriador de água 16. A corrente de saída da turbina mais resfriada 54 entra em uma torre de depuração 17, a qual tem uma corrente de saída 40 que é amplamente reciclada através da bomba de circulação 18 para a entrada de líquido 41 da torre de depuração acima da seção compactada da torre que recebe a corrente de saída da turbina mais resfriada 54. Uma parte da corrente 40 é separada como corrente 39 para tratamento adicional. Enquanto o gás de exaustão da turbina esfria abaixo do ponto de orvalho da água no trocador de calor 12 do recuperador, ocorrem as reações a seguir.
NO + /O2 = NO(3)
NO2 + SO2 = SO3 + NO(4)
SO3 + H2O = H2SO4(5) [00123] As reações acima irão prosseguir na presença de água líquida, óxidos de nitrogênio, SO2/SO3, e oxigênio em excesso. As concentrações de SO2/SO3 são reduzidas a níveis muito baixos, uma vez que a reação limitadora mostrada na Fórmula (3) prossegue rapidamente a 3 MPa, e as reações da Fórmula (4) e da Fórmula (5) são muito rápidas. Quando todos os óxidos de enxofre tiverem sido convertidos em ácido sulfúrico, os óxidos de nitrogênio são convertidos a uma taxa de conversão de cerca de 95% por passagem em ácido nítrico com a sequência de reação a seguir.
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3 (6)
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O (7)
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NO + 1/2O2 = NO2 (8) [00124] Na FIG. 1, o ácido nítrico presente na corrente de produto ácido líquido 39 irá converter todo o mercúrio presente em cloreto mercúrico. A torre de depuração 17 é de preferência provida com uma seção de lavagem e remoção de névoa de ácido adicional que pode agir como um dispositivo eficiente de remoção de ácido diluído, uma vez que virtualmente todas as reações acima terão ocorrido a montante da torre de depuração 17. Os ácidos misturados são tratados com a corrente de pasta de calcário 36 (ou uma outra base apropriada) no misturador 15 de modo a produzir a corrente de gipsita e nitrato de cálcio 37. Outros sais metálicos de traço também podem ser separados. A corrente de água residual 38 depois da remoção de nitrato de cálcio e sais dissolvidos pode ser usada como composição para uma torre de resfriamento ou o sistema para resfriamento brusco de POX, ou como água de depuração na torre de depuração 17.
[00125] Predominantemente, a corrente de CO2 42 que sai da torre de depuração 17 a uma pressão de cerca de 2,9 MPa é comprimida em um o compressor inter-resfriado de múltiplos estágios 19 seguido por uma bomba de múltiplos estágios de fluido denso a uma pressão apropriada para a entrada no combustor do sistema para produção de energia, tal como cerca de 30,5 MPa. A corrente de descarga de CO2 comprimida 35 sai do último estágio da bomba 19 a uma temperatura de cerca de 54°C, e uma parte deste fluxo, a corrente 70, é aquecida no trocador de calor 12 do recuperador a uma temperatura de cerca de 746°C, saindo como corrente de CO2 52.
[00126] A usina de separação de ar 6 nesta modalidade produz uma corrente de produto de pureza de 99,5% molar de oxigênio a uma pressão de cerca de 8,6 MPa que é dividida em duas correntes separadas. A corrente de oxigênio 60 é aquecida no trocador de calor 7 até uma temperatura de cerca de 294°C, saindo como corrente 56 para o
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46/52 uso no reator de POX 4 para a oxidação parcial do carvão. A corrente de oxigênio restante 32 é misturada com o CO2 a uma pressão de cerca de 8,6 MPa. Especificamente, o CO2 é tirado de um estágio intermediário do compressor 19 como corrente 30, e uma parte da corrente 31 mistura com a corrente de oxigênio 32, formando uma composição de cerca de 30% molar de O2 e 70% molar de CO2. Esta corrente de O2 diluída 33 é comprimida até uma pressão de cerca de 30,5 MPa em um compressor inter-resfriado de múltiplos estágios 20 e a corrente de descarga 34 é aquecida no trocador de calor 12 do recuperador até uma temperatura de cerca de 746°C e entra no combustor 14 do sistema para produção de energia como corrente 51. A diluição da corrente de O2 puro 32 é benéfica para permitir que o oxigênio requerido para a combustão no combustor 14 do sistema para produção de energia seja aquecido até uma alta temperatura sem a necessidade de materiais resistentes à oxidação. Isto assegura a operação segura do sistema para produção de energia. A corrente de 30% de O2 é útil para moderar a temperatura de combustão adiabática no sistema para produção de energia 14 até um valor de cerca de 2.400°C. A parte restante da corrente de CO2 30 é a corrente de CO2 29, que provê o CO2 para a formação de pasta de carvão pulverizado e é dirigida ao misturador de pasta 3.
[00127] O resfriamento do gás de POX resfriado bruscamente no trocador de calor 7 é útil para transferir a quantidade máxima de calor ao sistema para produção de energia para maximizar a eficiência total. O sistema para produção de energia requer uma quantidade significativa de calor de uma fonte externa na faixa de temperatura quase ambiente até cerca de 400°C. Isto pode ser provido ao usar compressores de ar adiabáticos na usina de separação de ar 6, e ao transferir o calor da compressão à parte da corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão. Na presente modalidade, a carga de aquecimento externa
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47/52 requerida é provida ao resfriar o gás de POX resfriado bruscamente no trocador de calor 7 e ao aquecer duas correntes de CO2 de reciclagem de alta pressão. A corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão 28 a uma temperatura de cerca de 54°C e a corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão 43 a uma temperatura de cerca de 120°C tiradas um ponto de temperatura intermediário no trocador de calor 12 do recuperador são aquecidas para prover uma corrente de saída de aquecimento combinada 44 a uma temperatura de cerca de 294°C, a qual é retornada à mistura com a corrente de CO2 de reciclagem principal a um ponto correspondente da temperatura no trocador de calor 12 do recuperador. Opcionalmente, a corrente de saída 67 também pode ser retornada ao trocador de calor do recuperador em um ponto correspondente da temperatura para misturar também com a corrente de CO2 de reciclagem.
[00128] Na FIG. 3 é ilustrado um gráfico da temperatura versus a porcentagem de liberação de calor (diagramaticamente) no trocador de calor 7 do recuperador da FIG. 1 para mostrar o benefício de duas corrente de entrada separadas de CO2 de reciclagem de alta pressão para assegurar a operação eficiente do sistema combinado. O nível de temperatura de 120°C da entrada da corrente 43 corresponde a uma aproximação da temperatura ao ponto de orvalho da água da corrente de exaustão da turbina no trocador de calor 12 do recuperador. O gás combustível de POX resfriado bruscamente entra no trocador de calor à temperatura de saturação da água de 304°C, e a corrente de reciclagem de alta pressão aquecida total sai a uma temperatura de 294°C.
[00129] É mostrado na FIG. 4 um método de operação alternativo em que a corrente da água de resfriamento brusco reduz a temperatura do gás de POX a cerca de 400°C. Há uma seção adicional do trocador de calor em que a temperatura do gás combustível de POX res
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48/52 friado bruscamente cai até o seu ponto de orvalho de cerca de 300°C. Para maximizar a eficiência do sistema para produção total de energia com a minimização da diferença da temperatura no trocador de calor 7, a corrente de CO2 de alta pressão aquecida é removida do trocador de calor como duas correntes separadas. A corrente 44 encontra-se a uma temperatura de cerca de 290°C e a corrente 67 encontra-se a uma temperatura de cerca de 390°C. Essas correntes são retornadas separadamente ao trocador de calor 12 do recuperador onde se reúnem com a corrente de CO2 de reciclagem de alta pressão principal às temperaturas correspondentes apropriadas.
[00130] Em modalidades exemplificadoras, o trocador de calor 7 pode ser uma unidade de múltiplos canais soldado a alta pressão ou ligada por difusão. O material de construção é de preferência resistente à corrosão na presença das impurezas presentes no gás de POX mais água líquida. O trocador de calor 12 do recuperador é de preferência uma unidade de múltiplos canais ligada por difusão. Esta unidade é adaptada de preferência para a operação a temperaturas de até cerca de 800°C e para ser resistente à corrosão ácida a temperaturas abaixo de cerca de 200°C. Um material apropriado exemplificador é a liga 740 da Specialty Metals. Em algumas modalidades, a temperatura média na extremidade quente do trocador de calor 12 pode ser reduzida até menos de 750°C e, nesses casos, a liga 617 pode ser apropriada. Opcionalmente a seção intermediária entre 200 °C e 540°C pode ser fabricada de aço inoxidável. A seção que é sujeita à corrosão ácida potencial abaixo de 200°C pode ser construída de modo a permitir a substituição a intervalos.
[00131] Em modalidades adicionais, podem ser usados arranjos alternativos dos elementos para processar a corrente de POX. Em uma modalidade exemplificadora, a FIG. 2 mostra um arranjo opcional em que o produto de POX é usado para a produção de gás combustí
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49/52 vel para o sistema para produção de energia e para a produção de uma mistura separada e purificada de H2 e CO. Um corrente lateral 66 é tirada da corrente de gás de POX resfriada bruscamente 55 depois da remoção de cinza e passada através de um conversor de troca catalítica 67 que tem um catalisador de troca à base de cobalto resistente ao enxofre (ou um outro material apropriado). A corrente de gás de saída de temperatura mais alta 70 é resfriada no trocador de calor 7 até uma temperatura de cerca de 60°C, sai como corrente 73, e também é resfriada pela água de resfriamento no trocador de calor 74 até uma temperatura de cerca de 20°C como corrente 75. A água condensada é separada no separador 77, e a corrente de gás resfriada 76 entra em uma unidade de absorção de troca de pressão de múltiplos leitos 79. A água separada no separador 77 é adicionada à corrente de água líquida 46. A unidade de adsorção de troca de pressão (PSA) 79 é projetada para separar a corrente de gás de entrada 76 em uma corrente de H2 puro ou de H2 puro e CO 80 que sai da unidade a uma pressão de cerca de 8 MPa e uma corrente de gás residual 71 que contém todas as impurezas (por exemplo, H2S, COS, CS2, HCN, NH3, Hg e outros componentes de traço) bem comos alguma combinação de H2, CO, CO2, CH4 e H2O. A separação das impurezas é tal que a concentração destes componentes na corrente de produto de H2 ou H2 e CO 80 fica abaixo de 1 ppm. Este arranjo usa uma corrente 83 do gás de POX resfriado que contém uma concentração elevada de CO para se misturar com a corrente de gás resfriada trocada 76 de modo a produzir uma corrente 72 que, quando passada através da unidade de PSA 79 produz o fluxo requerido e a razão entre H2 e CO requerida na corrente do produto 80 de 8 MPa. Se H2 puro for requerido, a corrente 83 é igual a zero. A corrente de gás residual 71 do PSA 79 a uma pressão de 0,12 MPa é comprimida em um compressor interresfriado de múltiplos estágios 81 a uma pressão de cerca de 8 MPa, e
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50/52 a corrente de descarga 82 é adicionada à corrente de gás combustível 47 do sistema para produção de energia. A corrente do gás combustível total é comprimida até uma pressão de cerca de 30,5 MPa no compressor 10, e a corrente de gás combustível de alta pressão resultante 48 é enviada ao combustor 14 do sistema para produção de energia através do trocador de calor 12 do recuperador (com referência à FIG. 1). Este arranjo assegura a transferência todo o carvão e das impurezas derivadas de POX ao sistema para produção de energia, onde são oxidados no combustor 14 do sistema para produção de energia. Em várias modalidades, o consumo da água adicional na reação de troca pode prosseguir de acordo com a Fórmula (9) e pode requerer um pequeno fluxo de composição adicional.
H2O + CO = CO2 + H2 (9) [00132] Nas várias modalidades que incorporam elementos dos sistemas e dos métodos aqui descritos, a eficiência total dos sistemas e dos métodos apresentados é inferior a 50% (em uma base no valor de aquecimento (LHV) com eficiências representativas da turbina e do compressor e diferenças da temperatura do trocador de calor e quedas de pressão). Além disso, o CCS é provido simultaneamente junto com a remoção substancialmente completa de todo outro combustível, POX, e impurezas derivadas da combustão. O CO2 em excesso derivado do carbono na corrente de combustível 21 é removido do sistema para CO2 circulante como corrente 71 a 30,5 MPa. Isto pode ser facilitado, uma vez que os sistemas e os métodos podem ser adaptados para fornecer substancialmente todo o CO2 derivado de combustível a uma pressão de cerca de 15 MPa ou mais, cerca de 20 MPa ou mais, cerca de 25 MPa ou mais, ou cerca de 30 MPa ou mais. Esta eficiência elevada pode ser vantajosamente obtida com um sistema para baixo custo, tal como ao usar sistemas para reator de POX comercialmente disponíveis e um ciclo de energia de fluido de trabalho de CO2
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51/52 de alta pressão, tal como descrito na Publicação de Pedido de Patente U.S. no. 2011/0179799, que é aqui incorporada a título de referência em sua totalidade. Como um exemplo comparativo, foi mostrado que os sistemas para geração de energia de ciclo combinado de gaseificação integrado (IGCC) à base de carvão comerciais com captura e compressão de CO2 até a pressão da tubulação têm eficiências em uma base comparável de somente 34% a 39% e têm um custo de capital muito mais elevado.
[00133] PARTE EXPERIMENTAL [00134] As vantagens acima descritas dos métodos e sistemas atualmente apresentados foram verificadas através de simulações ASPEN extensivas sob uma variedade de condições com estimativas realísticas para o desempenho comercial do equipamento. Dois conjuntos de simulações foram realizados ao usar o carvão Illinois #6 como combustível sólido introduzido no combustor de POX. Em cada caso, os dados são à base do uso do CO2 como meio de pasta de carvão. As simulações diferiram, uma vez que a primeira simulação (vide a FIG. 5) foi à base do uso da água como fluido de resfriamento brusco, e a segunda simulação (vide a FIG. 6) foi à base do uso do CO2 como fluido de resfriamento brusco.
[00135] Os detalhes do equilíbrio entre a massa e o calor da primeira simulação são fornecidos na tabela mostrada na FIG. 5. Sob as condições mostradas, um gás combustível foi produzido tipicamente com uma razão entre H2 e CO de 0,41 para 1. A eficiência calculada para esta modalidade em uma base do valor de aquecimento mais baixo (LHV) foi de 51,44%.
[00136] Os detalhes do equilíbrio entre a massa e o calor da segunda simulação são fornecidos na tabela mostrada na FIG. 6. Sob as condições mostradas, um gás combustível foi produzido tipicamente com uma razão entre H2 e CO 0,17 para 1. Em cada caso, as razões
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52/52 do hidrogênio podem ser aumentadas com as modalidades ao usar a troca de água. A eficiência calculada para esta modalidade em uma base de LHV foi de 51,43%.
[00137] Muitas modificações e outras modalidades do objeto presentemente apresentado virão à mente do elemento versado na técnica à qual este objeto pertence com o benefício dos ensinamentos apresentados nas descrições acima e nos desenhos associados. Portanto, deve ser compreendido que a presente invenção não deve ser limitada às modalidades específicas aqui descritas, e que modificações e outras modalidades devem ser incluídas dentro do âmbito das reivindicações anexas. Embora termos específicos sejam aqui empregados, eles são usados em um sentido genérico e descritivo apenas e não para finalidades de limitação.

Claims (32)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Processo para produção de energia utilizando uma combinação de um sistema para oxidação parcial (POX) e um sistema para produção de energia (PPS), caracterizado pelo fato de que compreende:
    combinar um combustível sólido ou líquido e oxigênio em um reator de POX (4) sob condições suficientes para oxidar parcialmente o combustível e formar uma corrente de POX que compreende um gás combustível;
    resfriar bruscamente a corrente de POX através da combinação com um fluido de resfriamento brusco sob condições suficientes para formar uma corrente de POX resfriada bruscamente a uma temperatura de cerca de 400°C ou menos e para solidificar pelo menos uma parte de quaisquer sólidos em fusão presentes na corrente de POX;
    tratar a corrente de POX resfriada bruscamente para remover pelo menos uma parte de quaisquer sólidos presentes na mesma;
    direcionar a corrente de POX resfriada bruscamente para um trocador de calor de POX (7) e retirar uma quantidade de calor da corrente de POX resfriada bruscamente mediante o resfriamento da corrente de POX resfriada bruscamente até uma temperatura de 100°C ou menos contra uma corrente de resfriamento, e formar uma corrente de gás combustível de POX;
    passar a corrente de gás combustível de POX através de um vaso separador (8) e separar pelo menos uma parte de qualquer água presente na corrente de gás combustível de POX;
    comprimir a corrente de gás combustível de POX até uma pressão de 12 MPa ou mais;
    queimar o gás combustível de POX em um combustor de PPS (14) para formar uma corrente de produto da combustão até uma
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  2. 2/10 pressão de pelo menos 10 MPa e uma temperatura de pelo menos 800°C;
    expandir a corrente de produto da combustão através de uma turbina de PPS (13) para gerar o energia e formar uma corrente expandida do produto da combustão de PPS;
    passar a corrente do produto da combustão de PPS expandida através de um trocador de calor do recuperador de PPS (12) e desse modo retirar o calor da corrente do produto da combustão de PPS e formar uma corrente de produto da combustão de PPS resfriada;
    opcionalmente, passar a corrente de produto da combustão de PPS resfriada através de um resfriador de água;
    tratar a corrente de produto da combustão de PPS resfriada em um depurador de PPS (17), que separa pelo menos H2SO4, HNO3 ou Hg, e formar uma corrente de CO2 de reciclagem; e pressurizar a corrente de CO2 de reciclagem em um compressor de PPS (19) e formar uma corrente de CO2 de reciclagem comprimida.
    2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o combustível sólido ou líquido é um combustível carbonáceo.
  3. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o combustível combinado no reator de POX (4) é uma corrente arrastada de um combustível sólido em pó.
  4. 4. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o combustível carbonáceo é carvão.
  5. 5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que uma ou mais das seguintes condições são atendidas:
    o carvão é transformado em pasta com água ou CO2.
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    3/10 a corrente de POX resfriada bruscamente compreende cinza, escória, ou uma combinação destas, e sendo que a etapa de remoção dos sólidos compreende a passagem da corrente de POX resfriada bruscamente através de uma unidade de depuração de água (5);
    a etapa de remoção dos sólidos compreende filtrar a corrente de POX resfriada bruscamente de modo a reduzir a carga de poeira até 4 mg ou menos por metro cúbico do gás combustível na corrente de POX resfriada bruscamente.
  6. 6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de POX (4) é operado a uma temperatura de POX, e sendo que uma razão entre a temperatura de POX e a temperatura da corrente de POX resfriada bruscamente é de 3,25 ou mais; opcionalmente, sendo que a temperatura de POX é de 1.300°C a 1.600°C.
  7. 7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de POX (4) é operado a uma pressão de 2 MPa ou mais; ou sendo que o resfriamento brusco compreende misturar a corrente de POX com: uma parte reciclada da corrente de gás combustível de POX resfriada; uma parte da água separada da corrente de gás combustível de POX resfriada; uma parte de uma corrente de reciclagem de CO2 do PPS; ou uma combinação das mesmas.
  8. 8. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais das seguintes condições são atendidas:
    a corrente de resfriamento no trocador de calor compreende uma corrente de fluido de reciclagem de alta pressão retirada do e retornada ao PPS;
    o oxigênio utilizado no reator de POX (4) apresenta uma pureza de 90% molar ou maior;
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    4/10 a turbina (13) apresenta uma pressão de entrada de 10 MPa ou maior; opcionalmente, sendo que a turbina (13) apresenta uma pressão de saída, que é definida como uma razão entre a entrada da turbina e a saída da turbina, e a dita razão sendo de 12 ou menos.
  9. 9. Processo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a corrente de fluido de reciclagem de alta pressão é uma corrente de fluido de CO2 de reciclagem; opcionalmente, sendo que a corrente de fluido de CO2 de reciclagem compreende CO2 formado na combustão do gás combustível de POX no combustor de PPS (14).
  10. 10. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator de POX (4) inclui um componente interno de transferência de calor.
  11. 11. Processo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o componente interno de transferência de calor é adaptado para transferir o calor radiante a uma parte de uma corrente de reciclagem de alta pressão tirada de um componente de PPS a uma temperatura de 250°C ou mais; opcionalmente, sendo que o componente interno de transferência de calor é adaptado para retornar a corrente de reciclagem a alta pressão a um componente de PPS.
  12. 12. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma ou mais das seguintes condições são atendidas:
    passar a corrente do produto da combustão de PPS expandida através do trocador de calor do recuperador de PPS (12) resfria a corrente do produto da combustão de PPS até uma temperatura abaixo do ponto de orvalho da água;
    a corrente do produto da combustão do combustor de PPS (14) compreende uma mistura de produtos da combustão e pelo menos uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida.
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    5/10 o calor retirado da corrente do produto da combustão de PPS aquece pelo menos uma parte da corrente de CO2 de reciclagem comprimida;
    o oxigênio usado no reator de POX (4) é aquecido no trocador de calor de POX (7) até uma temperatura de 350°C;
    o oxigênio usado no combustor de PPS (14) é aquecido no trocador de calor de POX (7) até uma temperatura de 350°C.
  13. 13. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o gás combustível na corrente do gás combustível de POX, que entra no combustor de PPS (14), compreende pelo menos um componente do gás combustível selecionado de H2, CO e CH4.
  14. 14. Processo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a corrente do gás combustível de POX, que entra no combustor de PPS, compreende uma ou mais impurezas separadas do gás combustível e derivadas do combustível sólido ou líquido, da sua oxidação parcial, e o oxigênio.
  15. 15. Processo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que uma ou ambas das seguintes condições são atendidas:
    uma ou mais impurezas compreendem pelo menos um de um composto de enxofre, NH3 e HCN;
    substancialmente todas as impurezas ainda estão presentes na corrente do gás combustível de POX e são queimadas no combustor de PPS (14).
  16. 16. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a corrente de POX é resfriada bruscamente com água.
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    6/10
  17. 17. Processo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a corrente de POX resfriada bruscamente com água compreende pelo menos H2, CO, CO2, H2S e H2O.
  18. 18. Processo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a corrente de resfriamento no trocador de calor de POX (7) compreende duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas; opcionalmente, sendo que uma temperatura de entrada da primeira corrente de CO2 de reciclagem comprimida, que entra no trocador de calor de POX (7), é substancialmente a mesma que a temperatura da corrente de CO2 de reciclagem comprimida descarregada do compressor de PPS (19).
  19. 19. Processo, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que uma temperatura de entrada da segunda corrente de CO2 de reciclagem comprimida que entra no trocador de calor de POX (7) está dentro de 20°C do ponto de orvalho da água na corrente do processo da combustão de PPS expandida.
  20. 20. Processo, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a corrente de POX resfriada bruscamente com água é saturada com vapor de água de modo a compreender água líquida em excesso.
  21. 21. Processo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que as duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas se combinam no trocador de calor de POX (7) para formar uma única corrente; opcionalmente, sendo que a única corrente de CO2 de reciclagem comprimida que sai do trocador de calor de POX (7) está a uma temperatura que está dentro de 20°C da temperatura do ponto de orvalho do gás combustível de POX.
  22. 22. Processo, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a corrente de POX resfriada bruscamente com
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    7/10 água apresenta uma temperatura que está acima de sua temperatura do ponto de orvalho e abaixo de 400°C.
  23. 23. Processo, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que as duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas são aquecidas, e sendo que o ponto no qual as duas correntes de CO2 de reciclagem comprimidas se combinam para formar a única corrente está a uma temperatura que corresponde substancialmente à temperatura de entrada da segunda corrente de CO2 de reciclagem comprimida.
  24. 24. Processo, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que a única corrente é dividida em:
    uma primeira corrente de CO2 de reciclagem aquecida e comprimida de saída que sai do trocador de calor de POX a uma temperatura que está dentro de 20°C da temperatura do ponto de orvalho da corrente de POX; e uma segunda corrente de CO2 de reciclagem aquecida e comprimida de saída que sai do trocador de calor de POX a uma temperatura de 380°C a 399°C.
  25. 25. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a corrente do POX é resfriada bruscamente com CO2 e opcionalmente uma parte do gás combustível.
  26. 26. Processo, de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a corrente do POX resfriada bruscamente com CO2 compreende pelo menos H2, CO, CO2, H2S e H2O.
  27. 27. Processo, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que a corrente de resfriamento no trocador de calor de POX (7) compreende uma corrente de CO2 de reciclagem comprimida; opcionalmente, sendo que uma temperatura de entrada da corrente de CO2 de reciclagem comprimida que entra no trocador de calor de POX (7) é substancialmente a mesmo que a temperatura da corren
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    8/10 te de CO2 de reciclagem comprimida descarregada do compressor de PPS (19), e a única corrente de CO2 de reciclagem comprimida que sai do trocador de calor de POX (7) está a uma temperatura que está dentro de 20°C da temperatura do ponto de orvalho do gás combustível de POX.
  28. 28. Processo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte do gás combustível de POX resfriado bruscamente com água entra em um reator de troca catalítica adaptado para converter uma mistura de CO e H2O em um gás de saída do reator de troca, que compreende uma mistura de H2 e CO2.
  29. 29. Processo, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que o gás de saída do reator de troca é resfriado no trocador de calor de POX (7) contra um gás CO2 de reciclagem de alta pressão tirado de e retornado ao PPS.
  30. 30. Processo, de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o gás da saída do reator de troca é resfriado no trocador de calor de POX (7) e misturado com uma parte da corrente de POX resfriada bruscamente que foi resfriada no trocador de calor e também é processada para separar a água, o CO2, os compostos de enxofre, os compostos de nitrogênio, e Hg, de modo a formar uma mistura que compreende H2 e CO a uma razão de 0,8:1 a 2,5:1.
  31. 31. Processo, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que uma ou ambas das seguintes condições são atendidas:
    o gás de saída do reator de troca resfriado é processado ainda para formar uma corrente de H2 pura com um pureza de 99% molar ou mais;
    o reator de troca catalítica de POX é um sistema para adsorção de troca de pressão de múltiplos leitos (PSA); opcionalmente,
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    9/10 sendo que um gás residual de baixa pressão do sistema para PSA, que compreende produtos adsorvidos do sistema para PSA, é comprimido até uma pressão do combustor de PPS e misturado em um fluxo de gás combustível total que entra no combustor de PPS (14).
  32. 32. Sistema para oxidação parcial (POX) e sistema para produção de energia (PPS) combinados, caracterizados pelo fato de que compreendem:
    um reator de POX (4) adaptado para oxidar parcialmente um combustível líquido ou sólido na presença de oxigênio para formar uma corrente de POX que compreende um gás combustível;
    um ou mais componentes adaptados para colocar a corrente de POX em contato com um fluido de resfriamento brusco;
    um depurador de POX (5) opcional adaptado para separar todos os sólidos presentes na corrente de POX resfriada bruscamente do gás combustível de POX;
    um dispositivo de filtração opcional adaptado para separar as partículas de cinza solidificadas de uma corrente de gás combustível de POX resfriada bruscamente de uma fase;
    um trocador de calor de POX (7) adaptado para retirar o calor do gás combustível de POX de contra uma parte de uma corrente de CO2 de reciclagem comprimida e emitir um gás combustível de POX resfriado;
    um separador opcional (8) adaptado para separar qualquer água líquida do gás combustível de POX;
    um compressor (10) adaptado para comprimir o gás combustível de POX resfriado até uma pressão de cerca de 10 MPa ou mais;
    um combustor de PPS (14) adaptado para queimar o gás combustível de POX na presença de oxigênio e uma parte da corrente
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    10/10 de CO2 de reciclagem comprimida e formar uma corrente do produto da combustão de PPS a uma pressão de cerca de 10 MPa ou mais;
    uma turbina (13) adaptada para expandir a corrente do produto da combustão de PPS e gerar energia em um gerador conectado (65);
    um trocador de calor do recuperador (12) adaptado para retirar o calor da corrente do produto da combustão de PPS expandida e adicionar o calor à corrente de CO2 de reciclagem comprimida;
    uma torre de depuração de PPS (17) adaptada para separar um ou mais de H2SO4, HNO3 e sais de Hg dissolvidos em água da corrente do produto da combustão de PPS expandida e emitir uma corrente de CO2 de reciclagem;
    um compressor de PPS (19) adaptado para comprimir a corrente de CO2 de reciclagem até uma pressão de cerca de 10 MPa ou mais e formar a corrente de CO2 de reciclagem comprimida;
    componentes de fluxo adaptados para dirigir uma parte (28) da corrente de CO2 de reciclagem comprimida ao trocador de calor de POX (7);
    componentes de fluxo adaptados para dirigir uma parte (34) da corrente de CO2 de reciclagem comprimida ao trocador de calor do recuperador de PPS (12); e componentes de fluxo adaptados para dirigir a corrente de CO2 de reciclagem comprimida (67) do trocador de calor de POX (7) ao trocador de calor do recuperador de PPS (12).
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