ES2206972T3 - Procedimiento para generar energia electrica, vapor de agua y dioxido de carbono a partir de una carga de hidrocarburos. - Google Patents
Procedimiento para generar energia electrica, vapor de agua y dioxido de carbono a partir de una carga de hidrocarburos.Info
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Abstract
Un procedimiento para producir energía eléctrica, vapor y dióxido de carbono en forma concentrada a partir de un material (1) de alimentación de hidrocarburos que comprende la formación de un gas de síntesis en una unidad (ATR) (6) de reactor autotérmico accionado de aire, intercambiando calor el gas (8) de síntesis formado y produciendo de ese modo vapor (10), caracterizado porque al menos parte del gas de síntesis es tratado en un una unidad (12) de convertidor de desplazamiento y el absorbedor (16) y el desabsorbedor (19) de dióxido de carbono para la formación de dióxido (21) de carbono concentrado y un gas (17) que contiene hidrógeno pobre que al menos parcialmente se hace arder en una turbina (24) de gas de ciclo combinado par la producción de energía eléctrica, y en el que aire procedente de dicha turbina (24) es suministrado a la unidad (6) de ATR, porque el escape (26) de la turbina (24) de gas intercambia calor para la producción de vapor que junto con el vapor (10) generado aguasarriba de dicha unidad (12) es utilizado en un generador (32) de potencia para producir energía
Description
Procedimiento para generar energía eléctrica,
vapor de agua y dióxido de carbono a partir de una carga de
hidrocarburos.
La invención se refiere a un procedimiento que
comprende la producción de energía eléctrica, vapor y dióxido de
carbono en forma concentrada a partir de un material de suministro
de hidrocarburos. La invención comprende además la producción de
gas de síntesis basada en productos combinados con dicho
procedimiento.
La energía eléctrica es producida en una central
de ciclo combinado integrada con la central de conversión en la que
la turbina de gas es alimentada mediante el gas que contiene
hidrógeno (Ciclo Combinado de Transformación Integrado (IRCC)). Ese
tipo de procedimiento se describe en el documento
WO-A-9 801 514. Un problema
importante en ese tipo de procedimiento es hacer funcionar la
turbina de gas en condiciones que proporcionen una emisión de óxidos
de nitrógeno mínima y simultáneamente se logre la producción de
energía eléctrica y de vapor óptima.
Un procedimiento para producir potencia
eléctrica, vapor y dióxido de carbono concentrado se publica en
Internet, http:/www.hydro.com/eng/1998/980423e.html. En esta
publicación se describe un procedimiento que comprende gas natural
que reacciona con vapor que posteriormente da como resultado un gas
que contiene hidrógeno, el cual se hace arder en una turbina de gas
de ciclo combinado que produce potencia eléctrica.
Por la solicitud de patente japonesa JP 608041 se
sabe además aplicar una turbina alimentada con hidrógeno a la
producción de energía eléctrica. Según esta solicitud gas natural y
oxígeno en una relación molar de 1:0,5 a 1:0,7 se hacen reaccionar
oxidando parcialmente dicho combustible para generar hidrógeno y
monóxido de carbono. Se suministra aire a un separador de oxígeno de
absorción por oscilación de presión (PSA) y el oxígeno es entonces
suministrado a un reactor autotérmico (ATR) en el que se transforma
gas natural en hidrógeno y monóxido de carbono. El gas transformado
entra en un reactor de desplazamiento en el que el monóxido de
carbono es convertido en dióxido de carbono. La mezcla de gases es
introducida entonces en un separador de membrana en el que el
hidrógeno es separado del dióxido de carbono. El CO_{2} separado
es lavado y desabsorbido más adelante. El hidrógeno sustancialmente
exento de compuestos de carbono se usa en una turbina de gas para
generar potencia eléctrica. Este procedimiento requiere oxígeno,
exigiendo una unidad PSA de consumo de potencia. Según el gráfico
de circulación de la solicitud el gas natural ha de ser
descomprimido casi a la presión ambiente para que permita la adición
de oxígeno. Después de la separación PSA el oxígeno debe ser
comprimido una segunda vez. Todas estas compresiones adicionales
reducen la eficiencia del procedimiento.
El objeto principal de la invención es
proporcionar un procedimiento mejorado para generar potencia usando
la conversión en vapor de un material de alimentación de
hidrocarburos, en el que una parte sustancial del CO_{2} generado
se separa como corriente de gas CO_{2} muy concentrada y en el que
la emisión de óxidos de nitrógeno está dentro de niveles aceptables
para turbinas de gas convencionales.
Otro objeto de la invención es utilizar al menos
parte del gas de síntesis formado a partir de dicho procedimiento
de generación de potencia para la producción de productos gaseosos
de síntesis, especialmente amoniaco, metanol y/o éter dimetilo.
Con respecto a la generación de energía
eléctrica, el presente procedimiento competirá con las centrales
convencionales basadas en la combustión de material de alimentación
de hidrocarburos, tal como gas natural. No obstante, un
inconveniente importante de quemar simplemente hidrocarburos es la
emisión de dióxido de carbono como el gas de escape de la combustión
que solamente contiene pequeñas cantidades de dióxido de carbono,
las cuales en el momento actual no pueden ser recuperadas
económicamente. La emisión de óxidos de nitrógeno (NOX) que varía
dependiendo de las condiciones de funcionamiento puede constituir
también un problema de la emisión.
Un problema grave cuando se reduce la emisión de
dióxido de carbono y NOX es obtener la reducción de la emisión
deseada sin una reducción inaceptable de la eficiencia del
procedimiento con respecto a la generación de potencia. La primera
operación en la evaluación del procedimiento básico en vista de las
exigencias anteriores fue la operación de producción de gas
síntesis. Habiendo considerado varios métodos los inventores
hallaron que un ATR proporcionaría varias ventajas y se decidió
investigar más el mejor modo de hacer funcionar el ATR. En contra
de las enseñanzas de la solicitud de patente japonesa anterior se
halló que el ATR debería ser un reactor accionado por aire, es
decir, no un reactor accionado por oxígeno. La aplicación del ATR
parecía ofrecer varias ventajas en términos de grados de libertad.
Así pues, la presión de funcionamiento podría ser escogida a la
vista de la economía global del concepto. La pérdida de metano
podría variarse a la vista del funcionamiento de las unidades de
aguas abajo y finalmente el gas de síntesis producido en el ATR
debería ser un gas relativamente limpio adecuado para la turbina
accionada por el gas y comparable a las mezclas combustibles que se
usan en centrales de ciclo combinado (IRCC) de gran tamaño
comprobadas.
El material de alimentación de hidrocarburos útil
para ese tipo de procedimiento sería gas natural, petróleo, varios
destilados de petróleo, etc. Aplicando un transformador previo
antes del ATR la flexibilidad con respecto al material de
alimentación sería razonablemente grande. El material de
alimentación preferido sería el gas natural.
\newpage
Se halló que el problema de NOX estaba muy
relacionado con las condiciones de funcionamiento de la turbina de
gas. La formación de NOX estaba correlacionada con la temperatura
de llama en esta turbina. Consecuentemente se tomaron medidas para
regular dicha temperatura de llama. El margen de temperaturas de la
mezcla de gases que tenía que arder en dicha turbina podría ser
seleccionado por medio del diseño del procedimiento con objeto de
mantener la temperatura de la llama en un nivel deseado y mantener
todavía una generación de potencia aceptable. La temperatura de
llama en la turbina está en gran parte determinada por la
composición del gas combustible. Se halló que un ATR accionado por
aire proporcionaría una mezcla de gases basada en un hidrógeno
pobre compatible con los gases que se usaban en centrales IGCC. Se
halló ventajoso extraer aire del proceso para el ATR en la descarga
del compresor de aire de la turbina de gas y comprimirlo a la
presión de inyección del ATR requerida. Además, la circulación de
aire podría ser ajustada para satisfacer el nivel conveniente de
fuga de metano, y la composición de la mezcla de gases combustible
compatible con el nivel aceptable de formación de NOX en el sistema
de combustión de la turbina de gas. El nitrógeno extraído con el
aire de la turbina de gas se devuelve a la parte de turbina como un
componente de la mezcla de gases combustible, manteniendo por tanto
en gran parte la circulación de masas de la turbina.
Si es necesario, puede aplicarse una inyección de
vapor moderada para reducir la formación de NOX en la turbina. Un
diseño óptimo del quemador puede reducir también la emisión de
NOX.
Una alternativa dentro del concepto de la
invención consiste en combinar el ATR con un intercambiador
transformador. Se halló que esta opción podría aumentar la
recuperación de CO_{2} en forma concentrada.
Para obtener la flexibilidad máxima, el concepto
de generación de potencia básico podría ser combinado con la
producción de diversos productos basada en las corrientes de
procedimiento existentes. Por tanto una unidad de metanol podría
utilizar algunos de los gases de síntesis procedentes del ATR y una
instalación de amoniaco podría utilizar algo del gas
hidrógeno/nitrógeno separado del dióxido de carbono después de la
reacción de desplazamiento del gas de síntesis. Las unidades
adicionales requeridas para la instalación de amoniaco serían
solamente una unidad de separación de membrana convencional y un
regulador de metanización aguas arriba del reactor de síntesis de
amoniaco.
El alcance de la invención comprende la formación
de gas de síntesis en una unidad de ATR activada por aire,
intercambiando calor el gas de síntesis formado y produciendo de
ese modo vapor. Al menos parte del gas de síntesis refrigerado es
tratado entonces en un reactor de desplazamiento de CO, que puede
ser uno de unidad única o dos reactores de desplazamiento de CO, uno
de los reactores de baja temperatura y el otro de alta temperatura.
Dicha corriente de gas es tratada posteriormente en una unidad de
dióxido de carbono para la formación de una corriente concentrada
de dióxido de carbono y una corriente que es pobre en hidrógeno que
al menos arde parcialmente en una turbina de gas de ciclo combinado
para la producción de energía eléctrica. Aire de dicha turbina es
suministrado a la unidad de ATR. El escape de la turbina de gas
intercambia calor para la producción de vapor que junto con el vapor
generado aguas arriba se utiliza en una turbina de vapor para la
producción de energía eléctrica.
La unidad de ATR puede estar combinada con un
intercambiador transformador y el material de alimentación puede
ser dividido entre estas dos unidades, preferiblemente del 50 al
80% del material de alimentación es alimentado al ATR.
Un reformador previo puede estar dispuesto aguas
arriba de la unidad de ATR.
Una parte más pequeña del vapor generado en el
procedimiento puede ser alimentada a la turbina de gas para diluir
el gas que contiene hidrógeno y de ese modo reducir la temperatura
de llama en la turbina de gas.
Al menos una parte del escape de la turbina de
gas puede ser reciclada para el ATR como fuente de oxígeno o
combinada con el suministro de aire para la turbina de gas.
Parte del gas de síntesis puede ser utilizada
para la producción de metanol y esta producción puede ser realizada
de varias maneras como se describe más adelante en relación con la
figura 1.
Parte del gas procedente de la unidad de
separación de dióxido de carbono puede ser utilizado para la
producción de amoniaco. En este caso, se alimenta una corriente a
una unidad de separación de membrana para separar hidrógeno que se
mezcla con otra corriente de gas que contiene hidrógeno con lo cual
la corriente mezclada tendrá una relación nitrógeno hidrógeno de
1:3. El nitrógeno procedente de la unidad de membrana es devuelto a
la corriente de gas que contiene hidrógeno principal que es
alimentada posteriormente a la turbina de gas.
La invención se explicará y comprenderá mejor en
relación con los ejemplos y la descripción de las figuras
adjuntas.
La figura 1 muestra un gráfico de circulación
simplificado del concepto de generación de potencia básico; y
la figura 2 muestra un gráfico de circulación
simplificado del concepto básico combinado con una instalación de
metanol y/o una instalación de amoniaco.
La figura 1 muestra un ejemplo para preformar la
invención. Material de alimentación en forma de hidrocarburos
gaseosos, por ejemplo gas natural, es suministrado como corriente
1, calentado y comprimido antes de que pase a través del conducto 2
es conducido a un saturador 3 en el que es mezclado con agua 4 de
tratamiento y desmineralizado constituyendo el suministro de agua a
través de la tubería 4b. El hidrocarburo alimentado que está al
menos parcialmente saturado de agua es alimentado entonces a la
unidad 6 de ATR como corriente 5. Aire comprimido es suministrado a
través del conducto 7 a la unidad 6 de ATR. Opcionalmente puede
disponerse un prerreformador aguas arriba del ATR. Este
proporcionará una flexibilidad incrementada con respecto al material
de alimentación de hidrocarburos. Un mayor contenido de
hidrocarburos pesados puede ser entonces aceptado. Al menos parte
del suministro 29 de aire puede ser suministrado desde el compresor
de aire de la turbina de gas y elevada su presión hasta alcanzar la
presión de inyección necesaria. La unidad 6 puede ser también una
unidad combinada que comprenda un ATR y un intercambiador
reformador. La cantidad de material de alimentación de hidrocarburos
que deba ser alimentada a las unidades respectivas puede variar
dentro de amplios límites. Una división práctica será del 50 al 80%
del material de alimentación al ATR y la parte restante el
intercambiador reformador. El gas 8 de síntesis procedente de la
unidad 6 de ATR es enfriado en una caldera (generador de vapor) 9
antes de ser suministrado a una unidad 12 de convertidor de
desplazamiento como corriente 11. Esta unidad puede comprender dos
reactores de desplazamiento de CO convencionales, un reactor de
baja temperatura (LT) y un reactor de alta temperatura (HT), o
justamente un reactor de desplazamiento de CO único. La mezcla 13
de gases resultante es enfriada, el agua condensada retirada en una
unidad 14 y la mezcla de gases resultante es suministrada entonces
como corriente 15 a un absorbedor 16 de CO_{2} desde el cual el
CO_{2} y el absorbente se suministran a través del conducto 18 a
un desabsorbedor 19. Puede ser suministrado absorbente de relleno a
la unidad 19 como corriente 2b. El absorbente regenerado, por
ejemplo una solución amínica, es reciclado en el absorbedor 16 a
través del conducto 20. El agua se retira en la unidad 20 de la
corriente 21 de CO_{2}. El agua de tratamiento procedente de las
unidades 22 y 14 es reciclada para el saturador 3. La corriente de
CO_{2} muy concentrado puede ser comprimida y suministrada a
través de la tubería 23 para uso posterior, por ejemplo como gas de
inyección en un campo de petróleo o gas. La corriente 17 de gas
procedente del absorbedor 16 de CO_{2} se compone principalmente
de hidrógeno y nitrógeno, con pequeñas cantidades de CO, CO_{2} y
CH_{4}. Esta corriente 17 se usará entonces como combustible para
una turbina 24 de gas de ciclo combinado a la que se suministra el
aire 25. Opcionalmente puede ser suministrado vapor 10 a la turbina
24 para la reducción de NOX. Al menos parte de la corriente 17
puede ser utilizada en una pila eléctrica de combustible para
generar potencia eléctrica de corriente continua. Si la potencia
eléctrica ha de ser usada para electrólisis entonces no será
necesario un rectificador con esta generación de potencia eléctrica
opcional. El escape 26 de la turbina 24 intercambia calor con agua
en el generador 27 de vapor y el vapor procedente de este puede ser
sobre calentado en el intercambiador 30 de calor antes de que la
corriente 31 sea suministrada a un generador 32 de potencia al cual
puede suministrarse también el vapor 10. El escape 28 puede ser
reciclado para la unidad 6 de reformador o combinado con el
suministro 25 de aire para la turbina 24 de gas.
En la figura 2 están integradas una fábrica de
amoniaco y una fábrica de metanol en el procedimiento básico según
la figura 1.1. El procedimiento combinado puede comprender dichas
dos fábricas o una de ellas. Gas 34 de síntesis puede ser tomado de
la corriente 11 y suministrado para una síntesis 35 de metanol. Gas
37 de síntesis no convertido puede ser reciclado para la corriente
11 de gas de síntesis y el metanol producido es extraído por medio
del conducto 36. El gas 34 de síntesis puede ser tratado
alternativamente en una unidad de membrana de separación de gases
para retirar hidrógeno y dióxido de carbono para ser alimentados a
la síntesis de metanol. Esta alimentación puede ser suministrada con
dióxido de carbono adicional de la corriente 23. La otra fracción
de dicha unidad de membrana será reciclada entonces para la
corriente 11.
La alimentación para la síntesis de amoniaco
puede ser extraída de la tubería 17. Una corriente lateral 38 es
primero alimentada a la unidad 40 de separación de gases de
membrana para suministrar hidrógeno 42 a la tubería 39 para ajustar
3:1 la relación H_{2}:N_{2} antes de que esta mezcla de gases
sea tratada en una unidad 43 de metanización antes de la síntesis 44
de producción de amoniaco 45. El nitrógeno procedente de la unidad
40 de membrana es reciclado a través de la tubería 41 para
alimentar la turbina 24 de hidrógeno.
Este ejemplo muestra el efecto de la presente
invención con respecto a la producción de potencia eléctrica, la
eficiencia y la recuperación de dióxido de carbono como una
corriente concentrada en un procedimiento dentro de la figura 1. El
ejemplo muestra además la eficiencia, la recuperación de dióxido de
carbono concentrado y la producción de potencia total del
procedimiento en comparación con el mismo para un procedimiento que
aplica un transformador primario secundario para la producción de
gas de síntesis. Este ejemplo ilustrativo muestra los efectos de
reciclar el escape para el ATR y muestra también los efectos de
combinar el ATR con un intercambiador reformador. En la tabla
siguiente dicha combinación es ATR-RE. El
procedimiento según la invención se compara con la utilización de
una combinación de un transformador
primario-secundario para producir gas de síntesis,
SR/PR en la tabla. La relación vapor:carbono molar en la
alimentación para el reformador se expone como Vapor:C en la
tabla.
En los resultados anteriores puede verse que el
procedimiento según la invención puede recuperar tanto como el
95,8% del CO_{2} producido. Los resultados muestran además que
dentro del concepto inventado la eficiencia, la producción de
potencia y el CO_{2} varían dependiendo de las condiciones de
funcionamiento y que el procedimiento tiene gran flexibilidad. La
formación de NOX será generalmente una función del % de hidrógeno
en el gas alimentado a la turbina de gas.
La presente invención proporciona un
procedimiento que produce dióxido de carbono limpio adecuado como
gas de accionamiento para ser inyectado en depósitos de petróleo.
La central de IRCC puede funcionar por tanto con una emisión mínima
de dióxido de carbono. Además, el procedimiento proporciona una
mezcla de gases combustibles de combustión limpia basada en el
hidrógeno, adecuados para la tecnología de combustión en turbinas
de gas ordinarias. Puede ser efectuada una dilución moderada con
vapor de la mezcla de gases alimentada a la turbina de gas como
única exigencia requerida para reducir NOX.
Claims (11)
1. Un procedimiento para producir energía
eléctrica, vapor y dióxido de carbono en forma concentrada a partir
de un material (1) de alimentación de hidrocarburos que comprende
la formación de un gas de síntesis en una unidad (ATR) (6) de
reactor autotérmico accionado de aire, intercambiando calor el gas
(8) de síntesis formado y produciendo de ese modo vapor (10),
caracterizado porque
al menos parte del gas de síntesis es tratado en
un una unidad (12) de convertidor de desplazamiento y el absorbedor
(16) y el desabsorbedor (19) de dióxido de carbono para la
formación de dióxido (21) de carbono concentrado y un gas (17) que
contiene hidrógeno pobre que al menos parcialmente se hace arder en
una turbina (24) de gas de ciclo combinado par la producción de
energía eléctrica, y en el que aire procedente de dicha turbina
(24) es suministrado a la unidad (6) de ATR, porque el escape (26)
de la turbina (24) de gas intercambia calor para la producción de
vapor que junto con el vapor (10) generado aguas arriba de dicha
unidad (12) es utilizado en un generador (32) de potencia para
producir energía eléctrica sustancialmente exenta de CO_{2}.
2. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se utiliza una unidad de transformador
que comprende un ATR (6) combinado con un intercambiador de
transformador.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque del 50 al 80% del material (1) de
alimentación se suministra al ATR (6) y el resto del material de
alimentación al intercambiador de transformador.
4. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se utiliza un transformador previo
aguas arriba de la unidad (6) de ATR.
5. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se utiliza una única unidad (12) de
reactor de desplazamiento de CO.
6. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se alimenta vapor a la turbina (24) de
gas para diluir la mezcla (17) de gas que contiene hidrógeno.
7. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se recicla gas de escape de la turbina
(24) de gas para la unidad (6) de ATR.
8. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque al menos una parte del escape de la
turbina (24) de gas se combina con el suministro (25) de aire a
dicha turbina.
9. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque parte del gas (11) de síntesis se
utiliza para la producción de metanol y porque el gas de síntesis
remanente es tratado además en las unidades (12, 16, 19) de aguas
abajo antes de ser utilizado para la producción de energía
eléctrica.
10. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque parte del gas (17) que contiene
hidrógeno pobre del absorbedor (16) de dióxido de carbono se
utiliza para la producción de amoniaco (45), lo cual comprende
separar dicho gas en una unidad (40) de membrana para ajustar la
relación de nitrógeno:hidrógeno a las condiciones de amoniaco y
devolver el nitrógeno separado a la corriente (17) de gas que
contiene hidrógeno, y en el que la corriente que contiene
nitrógeno:hidrógeno, en una relación 1:3, es tratada en una unidad
(43) de metanización antes de la síntesis del amoniaco.
11. Un procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque parte del gas (17) que contiene
hidrógeno pobre es alimentada desde el absorbedor (16) de dióxido
de carbono para ser utilizada como combustible para una pila
eléctrica de combustible destinada a producir energía eléctrica.
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