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.

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ES2206972T3
ES2206972T3 ES98939029T ES98939029T ES2206972T3 ES 2206972 T3 ES2206972 T3 ES 2206972T3 ES 98939029 T ES98939029 T ES 98939029T ES 98939029 T ES98939029 T ES 98939029T ES 2206972 T3 ES2206972 T3 ES 2206972T3
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turbine
atr
carbon dioxide
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ES98939029T
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Henrik O. Fjellhaug
Henning Reier Nilsen
Werner Soyez
Michel Saigne
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Original Assignee
Norsk Hydro ASA
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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.
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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.
Ejemplo 1
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.
TABLA 1
1
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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