ES2249226T3 - Planta de separacion de aire y sistema de generacion de potencia integrada. - Google Patents

Planta de separacion de aire y sistema de generacion de potencia integrada.

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ES2249226T3 ES00201097T ES00201097T ES2249226T3 ES 2249226 T3 ES2249226 T3 ES 2249226T3 ES 00201097 T ES00201097 T ES 00201097T ES 00201097 T ES00201097 T ES 00201097T ES 2249226 T3 ES2249226 T3 ES 2249226T3
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Alain Guillard
Giovanni Massimo
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Abstract

Un aparato integrado de separación de aire, que comprende: una unidad (1, 100) de separación de aire; medios (140) para enviar aire hasta la unidad de separación de aire, medios para enviar una corriente (3) de gas enriquecido en nitrógeno desde la unidad de separación de aire hasta un punto aguas arriba de un expansor (21, 150), y medios para enviar al menos un gas adicional (5, 24, 31, 180), que contiene al menos 25 moles-% de oxígeno y/o al menos 2 moles-% de argón y/o al menos 10 moles-% de dióxido de carbono, hasta la corriente de gas enriquecido en nitrógeno en un punto aguas arriba del expansor; medios para mezclar dicho al menos un gas adicional con la corriente enriquecida en nitrógeno procedente de la unidad de separación de aire en un punto de mezcla para formar una mezcla gaseosa, y o bien medios para enviar la mezcla hasta la entrada del expansor o bien medios para enviar la mezcla gaseosa hasta una entrada de un combustor (160) aguas arriba de un expansor (150) de turbina de gas, y medios para enviar los gases de combustión desde el combustor hasta el expansor; y i) medios para alimentar el al menos un gas adicional desde la unidad de separación de aire hasta el punto de mezcla, y/o ii) medios para alimentar un fluido desde la unidad de separación de aire hasta una planta (29) y medios para extraer el al menos un gas adicional desde la planta.

Description

Planta de separación de aire y sistema de generación de potencia integrados.
Esta invención se refiere a una planta de separación de aire y a un procedimiento de separación de aire integrado con otro procedimiento. También se refiere a un procedimiento y a un sistema integrados de generación de potencia, que conllevan un procedimiento de separación de aire. El trabajo se recupera a partir de la corriente enriquecida en nitrógeno producida por la separación de aire, o bien por expansión de la corriente enriquecida en nitrógeno directamente o bien por combustión de la corriente enriquecida en nitrógeno con una corriente de combustible y del gas de expansión producido por la combustión. La presente invención está particularmente relacionada con un aparato y un procedimiento de sistema integrado de generación de potencia, en los que una corriente enriquecida en nitrógeno se envía desde una unidad de separación de aire hasta un punto aguas arriba del expansor de una turbina de gas.
Los sistemas integrados de este tipo son bien conocidos. Por ejemplo, el documento EP-A-0622535 describe un sistema integrado de generación de potencia en el que nitrógeno procedente de una unidad de separación de aire se mezcla con aire, y la mezcla se envía al compresor de una turbina de gas y posteriormente al combustor. El nitrógeno se enfría por expansión o adición de agua con anterioridad a la etapa de mezcla, para incrementar el gas en el compresor.
El documento EP-A-0538118 describe mezclar nitrógeno y aire comprimido procedente del compresor de aire con anterioridad a enviar la mezcla al combustor de una turbina de gas.
En el documento US-A-5.076.837, se calienta una corriente de nitrógeno utilizando una corriente de gas residual con anterioridad a ser expandida en una turbina. La corriente de gas residual se produce mediante un procedimiento químico, que utiliza oxígeno procedente de la unidad de separación de aire.
El documento EP-A-0225864 utiliza gases de combustión para precalentar nitrógeno procedente de un procedimiento de adsorción con anterioridad a la expansión del nitrógeno en una turbina.
El documento US-A-4.785.621 describe un compresor de aire que produce dos corrientes de aire, una de las cuales se envía a una unidad de separación de aire. La otra corriente de aire se mezcla con el nitrógeno producido por la separación de aire, se calienta utilizando el calor residual procedente de una turbina de quema de gas, y posteriormente se expande en una turbina.
Los documentos JP-A-57183529 y JP-A-57083
636 describen una planta de potencia de gasificación del carbón en la que el nitrógeno procedente de una unidad de separación de aire, se mezcla con aire, se comprime y se envía a un combustor para producir gas de combustión.
En el documento US-A-3.731.495, aire procedente de un compresor de turbina de gas se divide en tres partes. Una parte se alimenta a una unidad de separación de aire produciendo nitrógeno impuro, una parte se envía al combustor, y el resto se mezcla con los gases procedentes del combustor y con el nitrógeno impuro a una temperatura de alrededor de 732ºC.
El documento US-A-4.557.735 muestra una disposición similar en la que el nitrógeno que ha servido para regenerar los lechos adsorbentes se envía al combustor de una turbina de gas. En este caso, una corriente de aire se mezcla con el nitrógeno comprimido y se envía al combustor.
El documento EP-A-0568431 describe una unidad de separación de aire que produce oxígeno, argón y kriptón/xenón, que está integrada con una turbina de gas.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un aparato integrado de separación de aire de acuerdo con la reivindicación 1. De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11. Otros detalles del procedimiento y del aparato, se proporcionan en las reivindicaciones dependientes.
La invención será descrita ahora con mayor detalle haciendo referencia a las figuras siguientes:
Las figuras 1, 2, 3, 4 y 6, son diagramas esquemáticos de seis realizaciones del procedimiento de la presente invención, y
la figura 5 describe un aparato integrado de separación de aire, de acuerdo con la técnica anterior.
La figura 1 muestra el caso en que el nitrógeno se mezcla con aire para formar una corriente de aire enriquecida en nitrógeno; la mezcla se calienta a continuación y se envía a un punto aguas arriba del expansor.
El aire se comprime en un compresor 120 de una turbina de gas. Parte del aire 110 se envía al combustor 160, y el resto 140 se envía a una unidad 100 de separación de aire. La unidad de separación de aire puede recibir también aire procedente de otro compresor independiente (no mostrado).
La unidad de separación de aire es, típicamente, una unidad de destilación criogénica, que comprende al menos dos columnas enlazadas térmicamente, que contienen bandejas o paquetes estructurados. También puede comprender, adicionalmente, una columna de separación de argón alimentada desde una de las otras columnas o desde la otra columna. Alternativamente, puede comprender simplemente una única columna.
La unidad 100 de separación de aire, en el caso ilustrado, produce una corriente 41 enriquecida en oxígeno, que puede ser, por ejemplo, enviada a una unidad de gasificación de carbón (no mostrada), y corrientes 21, 43 enriquecidas en nitrógeno, a dos presiones diferentes. Una corriente 180 de aire, procedente del compresor 47, se mezcla opcionalmente con la corriente 43 de baja presión, enriquecida en nitrógeno, se comprime en el compresor 40, se mezcla con la corriente 21 de alta presión, enriquecida en nitrógeno, y se comprime adicionalmente en el compresor 20. Posteriormente, se calienta en el intercambiador 130 de calor contra el aire alimentado 140, el cual se enfría en el intercambiador 130 de calor antes de enfriarse en el interior de la unidad 100 de separación de aire hasta una temperatura adecuada para la destilación.
La corriente de aire puede ser mezclada alternativamente con la corriente enriquecida en nitrógeno, aguas abajo del compresor 40 o del compresor 20.
La corriente mezclada se envía entonces al combustor 160 con la corriente de combustible. Los gases de combustión son enviados al expansor, y son utilizados para generar electricidad o accionar un compresor.
La corriente mezclada puede ser enviada alternativamente a la entrada del expansor como se muestra mediante líneas discontinuas en la figura 1.
Alternativamente, el aire puede ser mezclado con la corriente enriquecida en nitrógeno aguas abajo de la etapa de calentamiento.
Puede ser ventajoso calentar la corriente enriquecida en nitrógeno/mezcla de aire en el intercambiador 19 de calor, aguas abajo del intercambiador 130 de calor, mediante intercambio de calor con una corriente gaseosa caliente 15, como se describirá con mayor detalle en lo que sigue.
En todos los casos, la corriente de aire puede ser sustituida por una corriente gaseosa que contenga al menos 50 moles-% de oxígeno gaseoso, argón o dióxido de carbono u otro gas que pueda ser expandido con seguridad en la turbina, con preferencia al menos 60 moles-% de oxígeno gaseoso, argón o dióxido de carbono, más preferiblemente al menos 70 moles-% de oxígeno gaseoso, argón o dióxido de carbono, y todavía más preferiblemente al menos 80 moles-% de oxígeno gaseoso, argón o dióxido de carbono, por ejemplo una corriente de oxígeno impuro, una corriente de argón, una corriente de dióxido de carbono.
De esta manera, resulta posible utilizar gas adicional para incrementar la masa de la corriente que ha ser expandida en la turbina de gas, e incrementar con ello la potencia que puede ser producida.
Se apreciará que la corriente gaseosa enriquecida en nitrógeno puede ser extraída en forma gaseosa desde las columnas de separación de aire, o puede ser extraída en forma líquida y evaporada contra la corriente de aire o la corriente de nitrógeno alimentadas, siguiendo una etapa opcional de presurización.
La corriente de nitrógeno o la corriente mezclada (dependiendo de si la corriente 180 se mezcla o no con las corrientes 21, 43 enriquecidas en nitrógeno) se calienta preferentemente hasta una temperatura de al menos 600ºC, con preferencia alrededor de 1000ºC, en el intercambiador 19, el cual puede ser un calentador de cristal de roca.
En la figura 2, la corriente de nitrógeno o la corriente mezclada (dependiendo de si la corriente 180 se mezcla o no con las corrientes 21, 43 enriquecidas en nitrógeno) se comprime hasta una presión de entre 10 y 30 bares en el compresor 20, a continuación se calienta hasta la temperatura ambiente, y se comprime hasta entre 30 y 100 bares en el compresor 25 antes de ser calentada hasta al menos 600ºC, con preferencia alrededor de 1000ºC en el intercambiador 19. La corriente de nitrógeno o la corriente mezclada, calentada, se envía a la turbina 35 o 35' dependiendo de si tiene que ser enviada a la cámara 160 de combustión o directamente a la entrada del expansor. Con preferencia, el compresor 25 y la turbina 35, 35' están acoplados.
En la figura 3, una unidad 1 criogénica de separación de aire comprende una doble columna, con una columna de baja presión que opera en una gama de entre alrededor de 5 hasta alrededor de 10 bares (no mostrada). La corriente 3 enriquecida en nitrógeno que contiene 90 moles-% de nitrógeno, producida por la columna de baja presión, se mezcla con gas adicional, en este caso una corriente gaseosa 5 enriquecida en dióxido de carbono que contiene 90 moles-% de dióxido de carbono a alrededor de la misma presión, y se comprime en el compresor 7 hasta una presión comprendida en una gama de alrededor de 15 hasta alrededor de 80 bares. El nitrógeno procedente de la columna de alta presión puede ser comprimido también en el compresor 7 y mezclado con la corriente enriquecida en dióxido de carbono.
Alternativamente, se puede utilizar una corriente enriquecida en nitrógeno procedente solamente de la columna de baja presión, o solamente de la columna de alta presión.
La doble columna puede ser sustituida por una columna simple o por una triple columna, o por un sistema que comprenda cuatro o más columnas. La unidad de separación de aire puede comprender también una columna de argón o una columna mezcladora.
El oxígeno puro 9 procedente de la unidad 1 de separación de aire se envía a un auto-reformador térmico 29 u otro tipo de reformador, junto con el gas natural 11 y vapor 13.
El gas 15 de síntesis se extrae del reformador 29 a una temperatura de alrededor de 1050ºC y una presión en el intervalo de alrededor de 20 a alrededor de 80 bares.
El gas de síntesis de enfría contra la mezcla 17 de nitrógeno y dióxido de carbono principalmente, comprimida en el compresor 7 de un intercambiador de calor 19 que puede ser un intercambiador de calor cerámico o un regenerador.
El gas de síntesis se purifica a continuación en la unidad 27 para eliminar el dióxido de carbono que contiene, y al menos parte de este dióxido de carbono se recicla como corriente 5 hacia el compresor 7.
La mezcla de dióxido de carbono y nitrógeno a alrededor de 1000ºC, procedente del intercambiador 19 de calor, se expande en una turbina 21 para producir energía y/o para accionar un compresor del sistema, tal como el compresor de la unidad 1 de separación de aire.
La corriente 5 enriquecida en dióxido de carbono puede ser sustituida por una corriente impura enriquecida en argón (al menos alrededor de 2 moles % de argón, con preferencia al menos 30 moles % de argón) o una corriente impura de oxígeno (al menos 25 moles % de oxígeno, con preferencia al menos alrededor del 60% de oxígeno). Alternativamente, una mezcla de gases cualesquiera, que contenga al menos el 10% de dióxido de carbono y/o al menos el 2% de argón y/o al menos 25 moles % de oxígeno, puede ser añadida a la corriente 3 enriquecida en nitrógeno, aguas arriba de la etapa de calentamiento en el intercambiador de calor 19, aguas arriba o aguas abajo del compresor 7 dependiendo de la presión a la que esté
disponible.
Las corrientes enriquecidas en argón o en oxígeno pueden proceder de la unidad 1 de separación de aire, de otra unidad de separación de aire, o de otra fuente.
Con preferencia, los gases añadidos son producidos por unidades que consumen un fluido producido por la unidad de separación de aire o por la turbina de gas.
El aire adicional puede proceder del mismo compresor 2 que comprime el aire para la unidad de separación de aire.
La mezcla de nitrógeno y de gas adicional puede ser la única que se alimente a la turbina.
Alternativamente, la turbina puede estar alimentada por gases de combustión procedentes de un combustor adicionalmente a la mezcla de nitrógeno.
La mezcla puede ser calentada utilizando fuentes de calor tales como escorias de un gasificador, gases de altos hornos, gas procedente del expansor de una turbina de gas, vapor, y similares.
En particular, la fuente de calor puede ser una unidad alimentada por un fluido enriquecido en oxígeno, enriquecido en argón o enriquecido en nitrógeno, procedente de la planta de separación de aire que produce un gas de producto o un gas residual a temperaturas por encima de la ambiental, y con preferencia por encima de 200ºC.
El compresor 2 de aire puede producir también aire para un combustor de combustible.
En la figura 4, el gas de nitrógeno se comprime en dos compresores 7, 25 para llevarlo a una presión comprendida entre 30 y 100 bares. El gas calentado se expande a continuación en dos expansores 35, 21.
En la figura 5 está mostrada una unidad de separación de aire en la que el aire comprimido procedente del compresor 1 se enfría por contacto indirecto con agua en los intercambiadores 4, 5 de calor antes de ser alimentado a los lechos 6, 7 de purificación, al intercambiador 9 de calor, y después al aparato 10 de destilación de aire. El agua 17 se ha enfriado previamente en una torre 16 de refrigeración por contacto directo con nitrógeno residual 19, 20 procedente de la unidad 10 de separación de aire. La corriente 19 enriquecida en nitrógeno se ha utilizado para regenerar los lechos 6, 7 de purificación, y por consiguiente contiene dióxido de carbono. O bien la corriente 19 o bien la corriente 20, o bien ambas corrientes 19 y 20, pueden ser enviadas hasta la torre 16 de refrigeración. Este tipo de aparato de refrigeración se describe en detalle en el documento US-A-5505050. En la parte superior de la torre, se produce una corriente de nitrógeno saturada con vapor de agua 24 que se mezcla con una corriente de gas 12 enriquecido en nitrógeno. En el caso preferido, en el que solamente se envía la corriente 20 hasta la torre de refrigeración, la corriente 24 contendrá entre 0 y 10%, con preferencia entre 0 y 2 moles % de oxígeno, entre 0 y 2 moles % de argón, 0% de dióxido de carbono, y alrededor de 5 moles % de agua, y el resto de la corriente es nitrógeno.
La corriente mezclada 36 se comprime a continuación en el compresor 38, y se envía al combustor 160 de una turbina de gas. El combustor se alimenta también con combustible y con aire comprimido 110 procedente del compresor 120.
Opcionalmente, la corriente comprimida procedente del compresor 38 puede ser calentada hasta una temperatura elevada (por ejemplo, por encima de 600ºC) antes de ser enviada a la turbina de gas. El calentamiento puede tener lugar, según se ha descrito anteriormente, por intercambio de calor indirecto con una corriente residual o con una corriente que requiera ser enfriada.
Alternativamente, según se muestra con líneas discontinuas, toda o parte de la corriente mezclada, puede ser enviada directamente a la entrada del expansor 150.
El compresor 120 puede suministrar, alternativamente, todo o parte del aire para la unidad de separación de aire.
Las líneas discontinuas 31 de las figuras muestran que otras corrientes de gas disponibles en el lugar, tales como corrientes de aire, vapor y/o gas que contenga al menos 20 moles-% de nitrógeno, argón, oxígeno y/o dióxido de carbono, pueden ser añadidas en diversos puntos del proceso.
Con preferencia, los gases añadidos están producidos por unidades que consumen un fluido producido por la unidad de separación de aire o por la turbina de gas.
La figura 6 muestra una variante de las otras figuras, en la que parte del nitrógeno calentado o de la mezcla gaseosa calentada se realimenta a la entrada del intercambiador 19. Esta etapa puede tener lugar a la presión a la que tiene lugar el intercambio o a una presión más baja si se utiliza el compresor 25 y el expansor 35. Puede ser necesario comprimir el gas reciclado si la caída de presión en el intercambiador 19 es grande. El resto del nitrógeno calentado o de la mezcla gaseosa calentada se envía a una cámara de combustión 160 o a una turbina 21, 35, 150, como se ha descrito anteriormente. Esta característica, según se ha mencionado, se aplica también al caso en que el gas enriquecido en nitrógeno no se mezcle con otro gas antes de ser enviado al expansor.
La etapa de reciclado es necesaria con el fin de evitar una diferencia de temperatura demasiado grande en un extremo del intercambiador 19 de calor. La corriente que se va a reciclar puede ser enfriada por diversos medios, incluyendo una unidad de refrigeración y/o un intercambiador de calor que permita un intercambio de calor con un fluido más frío, tal como el gas natural que se va a utilizar como combustible para la turbina de gas.

Claims (16)

1. Un aparato integrado de separación de aire, que comprende: una unidad (1, 100) de separación de aire; medios (140) para enviar aire hasta la unidad de separación de aire, medios para enviar una corriente (3) de gas enriquecido en nitrógeno desde la unidad de separación de aire hasta un punto aguas arriba de un expansor (21, 150), y medios para enviar al menos un gas adicional (5, 24, 31, 180), que contiene al menos 25 moles-% de oxígeno y/o al menos 2 moles-% de argón y/o al menos 10 moles-% de dióxido de carbono, hasta la corriente de gas enriquecido en nitrógeno en un punto aguas arriba del expansor; medios para mezclar dicho al menos un gas adicional con la corriente enriquecida en nitrógeno procedente de la unidad de separación de aire en un punto de mezcla para formar una mezcla gaseosa, y o bien medios para enviar la mezcla hasta la entrada del expansor o bien medios para enviar la mezcla gaseosa hasta una entrada de un combustor (160) aguas arriba de un expansor (150) de turbina de gas, y medios para enviar los gases de combustión desde el combustor hasta el
expansor; y
i) medios para alimentar el al menos un gas adicional desde la unidad de separación de aire hasta el punto de mezcla, y/o
ii) medios para alimentar un fluido desde la unidad de separación de aire hasta una planta (29) y medios para extraer el al menos un gas adicional desde la planta.
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un intercambiador (130) de calor, medios para enviar el aire hasta el intercambiador de calor, medios para enviar el aire desde el intercambiador de calor hasta la unidad (100) de separación de aire, medios para enviar la corriente de gas enriquecido en nitrógeno desde la unidad de separación de aire hasta el intercambiador de calor, medios para enviar la corriente enriquecida en nitrógeno desde el intercambiador de calor hasta el punto aguas arriba del expansor, y medios para enviar el al menos un gas adicional hasta la corriente de gas enriquecido en nitrógeno en un punto aguas arriba o aguas abajo del intercambiador de calor.
3. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que el expansor a cuya entrada se envía la mezcla gaseosa es una turbina (21).
4. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que comprende medios para añadir combustible a la mezcla gaseosa aguas arriba del combustor.
5. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende un compresor (120) para suministrar aire a la unidad (100) de separación de aire y/o al combustor (160).
6. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende compresores respectivos para comprimir aire para el combustor (160) y para la unidad (100) de separación de
aire.
7. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende medios (19, 130) para calentar la corriente enriquecida en nitrógeno, preferentemente aguas arriba o aguas abajo del punto de mezcla.
8. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en el que los medios para calentar la corriente enriquecida en nitrógeno comprenden un intercambiador de calor (19), y medios para enviar un producto gaseoso o corriente residual (15) desde una planta en la que tiene lugar un proceso exotérmico y al menos la corriente enriquecida en nitrógeno hasta el intercambiador de calor.
9. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende medios para alimentar un gas o un líquido (9) producido por la planta de separación de aire, o aire comprimido procedente de un compresor (120) de la instalación, hasta la planta (29) en la que tiene lugar el proceso exotérmi-
co.
10. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, que comprende medios para enviar una corriente (9) enriquecida en oxígeno desde la unidad de separación de aire hasta un reformador (29), y medios para extraer una corriente (5) enriquecida en dióxido de carbono a partir de un gas producido por el reformador, y medios para enviar el gas enriquecido en dióxido de carbono hasta la corriente de
nitrógeno.
11. Un procedimiento integrado de separación de aire, que utiliza una unidad (1, 100) de separación de aire y un expansor (21, 150), que comprende las etapas de: enviar aire a la unidad de separación de aire, enviar una corriente enriquecida en nitrógeno desde la unidad de separación de aire hasta un punto aguas arriba del expansor, y enviar al menos una corriente de gas adicional (5, 24, 31, 180) distinta de la corriente de combustible, hasta un punto aguas arriba del expansor, para formar una mezcla con la corriente enriquecida en nitrógeno; enviar la mezcla gaseosa hasta la entrada del expansor (21) o enviar la mezcla gaseosa hasta la entrada de un combustor (160) de un expansor (150) de una turbina de gas, conteniendo el al menos un gas adicional (5, 24, 31, 180) al menos 25 moles-% de oxígeno y/o al menos 2 moles-% de argón y/o al menos 10 moles-% de dióxido de carbono; y en el que el al menos un gas adicional es un gas producido por la unidad de separación de aire y/o un gas extraído de una planta alimentada por un fluido desde la unidad de separación de
aire.
12. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, en el que al menos un gas adicional (5, 24, 108) contiene al menos 70 moles-% de oxígeno y/o al menos 30 moles-% de argón o al menos 90 moles-% de dióxido de carbono.
13. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en el que al menos un gas adicional contiene al menos 80 moles-% de oxígeno o al menos 80 moles-% de argón o al menos 95 moles-% de dióxido de carbono.
14. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, que comprende extraer dicho gas adicional (5, 24, 31, 180) desde la unidad de separación de aire.
15. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la corriente de nitrógeno enriquecido se calienta, o bien antes o bien después de la etapa de mezcla, hasta una temperatura de al menos la temperatura ambiente, con preferencia de al menos 600ºC, antes de ser enviada al punto aguas arriba del expansor por intercambio indirecto de calor con una corriente gaseosa que es una corriente de producto o residual.
16. El procedimiento de la reivindicación 15, en el que la corriente gaseosa se produce mediante una unidad alimentada por una corriente enriquecida en oxígeno o una corriente enriquecida en nitrógeno o una corriente enriquecida en argón, procedente de la unidad (1, 100) de separación de aire, o por una corriente de aire comprimido procedente de un compresor (120) que también suministra aire a la unidad de separación de aire.
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