ES2276911T3 - Proceso integrado de separacion de aire y generacion de potencia. - Google Patents

Proceso integrado de separacion de aire y generacion de potencia. Download PDF

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Ovidu Marin
Jean-Pierre Maricourt
Olivier Charon
Pietro Di Zanno
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Un proceso integrado de separación de aire y generación de potencia, que comprende los pasos de: (a) introducir una fuente (24) de O2/N2 en una unidad (22) de separación de aire, (b) separar la fuente (24) de O2/N2 en al menos una corriente gaseosa (28) enriquecida en O2 y una corriente gaseosa (36) enriquecida en N2, (c) introducir al menos una porción de la corriente gaseosa (28) enriquecida en O2, que tiene una presión de al menos unos 3 bares (300 kPa), y combustible (14) en un combustor (12) para producir una mezcla de combustión, (d) quemar la mezcla de combustión para producir al menos un gas (18) de chimenea, (e) inyectar vapor (16) en el combustor (12), antes, durante y/o después del paso de quemar la mezcla de combustión, para producir una mezcla modificada de combustión de al menos vapor y gas de chimenea, (f) generar potencia introduciendo la mezcla modificada de combustión que sale del combustor en unos primeros medios de generación de potencia 32, (g) calentar al menos una porción de la corriente gaseosa (36) enriquecida en N2, que tiene una presión de al menos 3 bares (300 kPa), y (h) generar potencia introduciendo la corriente gaseosa calentada (36) enriquecida en N2 en unos segundos medios (42) de generación de potencia; en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N2 se calienta en un intercambiador (38) de calor que utiliza calor residual de la corriente de gas de chimenea-vapor (FG/S) que sale de los primeros medios (32) de generación de potencia.

Description

Proceso integrado de separación de aire y generación de potencia.
La presente invención se refiere a un proceso integrado de separación de aire y generación de potencia. Más específicamente, la presente invención se refiere a un proceso para separar al menos oxígeno y nitrógeno del aire e integrar el uso de oxígeno y nitrógeno en un proceso para generar eficazmente potencia eléctrica.
Discusión de antecedentes
La cogeneración supone utilizar una única fuente de combustible para producir simultáneamente, en la misma instalación, energía térmica, normalmente en forma de vapor, y energía eléctrica. Desde la Public Utility Regulatory Policy Act de 1978, los dueños de las instalaciones de cogeneración han recibido un incentivo financiero para vender potencia eléctrica en exceso a empresas de servicio público, mientras que en las empresas de servicio público se fomenta la compra de esa potencia eléctrica. Consecuentemente, ha habido un esfuerzo continuo para mejorar la eficiencia energética de las plantas de cogeneración, particularmente en Estados Unidos. Además, los costes volátiles y en alza del gas natural han aumentado el incentivo económico para que muchas plantas de cogeneración utilicen otras fuentes de combustible, como el carbón, por ejemplo.
Muchos procesos de cogeneración utilizan un ciclo combinado integrado de alta eficiencia para aumentar la eficiencia. Típicamente, un ciclo combinado es una turbina de vapor (es decir, ciclo Rankine) acoplada termodinámicamente a una turbina de gas (es decir, ciclo Brayton). Los sistemas de ciclo combinado de turbina de gas y vapor se suelen utilizar cuando el gas natural es la fuente de combustible porque el gas natural tiende a tener una concentración inferior de impurezas que pueden causar una corrosión peligrosa, alteración y rápido deterioro en las partes de la turbina de gas, particularmente en superficies de paleta de la turbina de gas. Por tanto, históricamente, el uso de sistemas de ciclo combinado de vapor/gas de alta eficiencia se desaconseja cuando se utiliza carbón como fuente de combustible debido a las diversas impurezas en el carbón que pueden causar corrosión de la turbina de gas. Consecuentemente, al utilizar un ciclo combinado de vapor/gas en un proceso de cogeneración de combustión de carbón, es importante limitar la exposición de la turbina de gas a impurezas de gas de chimenea y temperaturas que excedan significativamente el valor máximo admisible. La temperatura máxima admisible para una turbina de gas la dictan ante todo los materiales de construcción de la turbina de gas y sus otras condiciones de funcionamiento y está típicamente en un intervalo entre unos 1000ºC y unos 1450ºC. Limitar la exposición a impurezas del gas de chimenea y a temperaturas mayores ayudará a prevenir problemas de corrosión significativos con la turbina de gas y, por ello, a mantener bajos los costes de mantenimiento de equipo.
El documento US 4116005 de Willyoung propone utilizar un lecho fluidificado de combustor que contiene partículas que absorben azufre que son fluidificadas por un escape de aire de la turbina de gas, aproximadamente a presión atmosférica, que también proporciona una fuente de O_{2} para la combustión del carbón. Sin embargo, el sistema de Willyoung propuesto no consigue tampoco potenciar la eficiencia inherente de utilizar un ciclo combinado de vapor/gas en un proceso de cogeneración. También, la modificación de Willyoung de la cámara de combustión con un lecho fluidificado requiere gastos significativos y mantenimiento para limitar la corrosión de la turbina de gas.
Otro factor que cuestiona muchos procesos de cogeneración alimentados por carbón son emisiones gaseosas a la atmósfera, particularmente óxidos de nitrógeno (NO_{x}), tales como óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO_{2}) y óxido nitroso (N_{2}O), óxidos de azufre (SO_{x}), tales como dióxido de azufre (SO_{2}) y trióxido de azufre (SO_{3}), y dióxido de carbono (CO_{2}). Algunos defensores del calentamiento global relacionan emisiones en exceso de N_{2}O y CO_{2} con el cambio climático. También, las emisiones de NO_{x}, tales como NO o NO_{2}, con suficiente concentración, pueden ser tóxicas para la salud y el medio ambiente. Adicionalmente, las emisiones de SO_{x}, con suficiente concentración, pueden contribuir a la producción de "lluvia ácida", lo que puede tener un efecto perjudicial en diversas plantas y en la vida acuática. Así, es posible que muchos o todos estos gases pudiesen llegar a estar regulados de una manera más rigurosa, al menos en ciertos países o regiones desarrolladas, como Estados Unidos, Canadá, Japón y Europa. Consecuentemente, esta perspectiva de mejorar la rigurosidad reguladora para algunas o todas las emisiones gaseosas que son típicamente subproductos de la combustión de carbón ha hecho los procesos de cogeneración de combustible de carbón menos atractivos desde un punto de vista de costes de funcionamiento.
Por ejemplo, diversos países, incluyendo, entre otros, Francia, Alemania, Reino Unido, Australia, Estados Unidos, Canadá y Japón, han acordado buscar la aprobación interna y la adopción, en sus respectivas jurisdicciones, del Protocolo de Kyoto. El Protocolo de Kyoto, resultado de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, tuvo lugar en diciembre de 1997 en Kyoto, Japón. En el Protocolo de Kyoto cada participante acordó en principio "implantar y/o elaborar además políticas y medidas de acuerdo con sus circunstancias nacionales" para, entre otras cosas, potenciar la eficiencia de la energía y proteger las reservas de ciertos gases atmosféricos no controlados por el protocolo de Montreal (por ejemplo CO_{2}).
Generalmente, en el Protocolo de Kyoto los países participantes acordaron limitar las emisiones de gases de efecto invernadero especificados en el Protocolo, incluyendo CO_{2}, metano (CH_{4}), N_{2}O, hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre (SF_{6}), así como trabajar para reducir todas las emisiones de estos gases al menos un 5 por ciento por debajo de los niveles de 1990 en el periodo meta de 2008 a 2012. Hasta la fecha, no se ha aprobado ninguna enmienda legislativa a las enmiendas de la Ley de Aire Limpio (CAAA) de 1990 de los Estados Unidos que requiriese a las instalaciones que funcionan en Estados Unidos que cumplan con la meta de emisiones de gases de efecto invernadero del Protocolo de Kyoto. No obstante, la administración de Estados Unidos de 1996-2000 ha tomado una decisión política para fomentar la conformidad voluntaria con el Protocolo de Kyoto. De acuerdo con esto, se ha animado a las empresas que funcionan en Estados Unidos que tienen emisiones significativas de CO_{2} a trabajar voluntariamente hacia el nivel meta del Protocolo de Kyoto para los gases de efecto invernadero especificados. También, si no se advierte un progreso positivo en los objetivos del Protocolo, es posible que pudiesen surgir algunas enmiendas adicionales a las CAAA del Protocolo de Kyoto. Las enmiendas CAAA conforme al Protocolo de Kyoto podrían también estar motivadas si se desarrollan modelos para medir y predecir de manera más definitiva la extensión de los cambios climáticos globales basados en emisiones gaseosas pronosticadas y actuales. Así, limitar las emisiones gaseosas, particularmente de plantas de generación de potencia de combustible de carbón, mientras se mantiene un proceso de generación de potencia eficiente de energía, se está convirtiendo en un objetivo comercial más importante.
Por ejemplo, el documento US 5937652 de Abdelmalek propone producir energía de manera más eficiente y reducir las emisiones de CO_{2} con un proceso combinado de gasificación de carbón y de combustión de gas de síntesis (es decir, una mezcla de monóxido de carbono (CO) y gas hidrógeno (H_{2})). El paso de gasificación de carbón se lleva a cabo en una atmósfera libre de oxígeno (O_{2}), mientras se utilizan CO_{2} y vapor como oxidantes para el combustible de carbón. El calor de la reacción de la gasificación del carbón/CO_{2} se utiliza para producir vapor para accionar un generador/turbina de vapor que produce electricidad. También, Abdelmalek separa el CO_{2} del dióxido de azufre (SO_{2}) y otros gases descargados desde una caldera que utiliza un sistema de separador por ciclón divulgado en las patentes US 5403569 y US 5321946.
Abdelmalek indica que el proceso tiene una mayor eficiencia porque la reacción de gasificación se produce sin O_{2} mientras que el CO_{2} separado, que se recicla de vuelta a la cámara de gasificación para reaccionar con carbón, produce un gas de síntesis libre de nitrógeno (N_{2}), a saber una mezcla de CO y H_{2}. Esta mezcla de CO/H_{2} se combustiona entonces con O_{2} para generar calor. De acuerdo con Abdelmalek, el valor bruto del calor de su proceso combinado de gasificación de carbón (en el que hay poco o nada de O_{2}) y combustión de gas de síntesis, en el que CO y H_{2} reaccionan con O_{2} para producir el calor principal, es un 20% mayor frente a los procesos de combustión de carbón convencionales, en los que el carbón se quema utilizando O_{2} como oxidante principal. Abdelmalek también sostiene que su proceso reduce las emisiones de CO_{2} en un 20%. Además, Abdelmalek enseña que la química de reacción de combustión, particularmente cuando el carbón es una fuente de combustible (por ejemplo carbón + O_{2}), produce reacciones convencionales de tipo combustión limitadas de manera inherente en la medida en que se pueden hacer de manera algo más eficiente, incluso en el contexto de un proceso de cogeneración. Consecuentemente, Abdelmalek no consigue divulgar cómo mejorar la eficiencia de un proceso de cogeneración ante todo utilizando combustión directa de un combustible, tal como carbón, y/o reducir las emisiones de CO_{2} a la atmósfera, así como otras emisiones gaseosas, tales como óxido nitroso (NO), óxido nitroso (N_{2}O) y dióxido de nitrógeno (NO_{2}) (colectivamente llamados NO_{x}) y/o dióxido de azufre (SO_{2}) y trióxido de azufre (SO_{3}) (colectivamente llamados SO_{x}).
Otro ejemplo para producir CO_{2} y energía a partir del mismo proceso y fuente de combustible se divulga en el documento US 6047547 de Heaf. Heaf propone un sistema integrado portátil de cogeneración que produce potencia eléctrica, vapor y CO_{2} líquido y otros productos necesarios para producir y rellenar productos de bebida embotellados o enlatados. Específicamente, Heaf propone utilizar un generador de motor de combustión (CEG) para producir potencia eléctrica y una caldera de agua impulsada por combustión para producir vapor. Una unidad de recuperación de CO_{2} conectada con el CEG y la caldera de agua recibe gases de escape del CEG y de la caldera de agua para separar y recuperar el CO_{2} de los gases de escape y se utiliza un compresor para licuar el CO_{2} recuperado. Heaf sugiere que su sistema de cogeneración puede producir grandes cantidades de CO_{2} con uno y preferiblemente con ambos, el CEG y la caldera de agua impulsada por combustión. Pero con respecto a la eficiencia de funcionamiento, Heaf solo sugiere que su sistema integrado de cogeneración "es eficaz y ahorra costes cuando se incorpora en una instalación de producción de bebida". Pero Heaf no consigue cuantificar la eficiencia de su proceso de cogeneración propuesto. Además, Heaf no consigue divulgar ningún medio o métodos para mejorar la eficiencia de funcionamiento en sistemas de caldera impulsados por combustión utilizados fuera del contexto de producción de bebida e instalación de embotellado.
El documento US 5067837 de Rathbone y otros está dirigido a un proceso de separación de aire en combinación con un proceso químico. Una corriente de nitrógeno producida en la unidad de separación de aire se presuriza a al menos 5 atmósferas y se calienta mediante intercambio de calor con un fluido caliente producido en el proceso químico. El nitrógeno calentado se expande entonces en una turbina de expansión para producir trabajo. El nitrógeno que sale de la turbina: (a) se utiliza para calentar el oxígeno o combustible en un intercambiador de calor, (b) se ventila a la atmósfera, o (c) se utiliza para elevar vapor en un generador de vapor. Sin embargo, Rathbone sugiere utilizar O_{2} en una reacción de tipo oxidación parcial en la que el gas natural purificado reacciona con O_{2} para formar un gas de síntesis con un contenido de CO deseado (es decir, un proceso de gasificación). También, Rathbone sugiere utilizar N_{2} calentado solo con un gas caliente de síntesis producido a partir de un proceso de gasificación, mejor que un proceso de combustión que oxida el combustible de manera más completa para producir un gas de chimenea que ante todo comprende CO_{2} y, cuando el combustible es gas natural, CO_{2} y vapor de agua, entre otros productos de reacción. Además, Rathbone no consigue divulgar ningún medio o métodos para mejorar la eficiencia de funcionamiento en sistemas de caldera impulsados por combustión utilizados fuera del contexto 
\hbox{de un proceso de gasificación de gas natural.}
Los documentos US 5709077 (20 de enero de 1998), US 5715673 (10 de febrero de 1998), US 5956937 (28 de septiembre de 1999) y US 5970702 (26 de octubre de 1999), todos de Beichel y cedidos a Clean Energy Systems, Inc. (Sacramento, California), describen un sistema de generación de potencia en el que combustible a alta presión y O_{2} a alta presión se queman en un generador de gas para generar gas a alta temperatura. La temperatura de combustión se controla mediante agua fría inyectada en una cámara de mezcla de gas en el generador de gas. La mezcla de vapor/CO_{2} a alta temperatura y a alta presión del generador de gas se pasa a través de una serie de tres turbinas con recalentadores de inter-turbina entre las turbinas. El gas se condensa y el agua se recicla al generador de gas.
El documento US 5680764 (28 de octubre de 1997) de Viteri, también cedido a Clean Energy Systems, Inc., describe un sistema de generación de potencia en el que se introduce combustible y O_{2} presurizados en un generador de gas para alcanzar una combustión completa y gases calientes a máxima temperatura 6500ºR (6040ºF, 3300ºC). Los gases calientes se diluyen en agua para reducir la temperatura a 2000ºR (1540ºF, 840ºC). Cuando se utiliza hidrógeno como combustible, el gas accionador es vapor, y cuando se utiliza un hidrocarbono ligero, el gas accionador es vapor y CO_{2}. El gas caliente se expande en una turbina para impulsar un vehículo y entonces se condensa en agua para completar el ciclo de Rankine. Alrededor del 75% del agua se hace recircular hasta el generador de gas. En una realización, se reemplaza el ciclo de Rankine con los ciclos térmicos de Otto y Diesel para eliminar la necesidad de un condensador y un sistema de agua de recirculación. Dependiendo del combustible utilizado, se hace recircular vapor a baja temperatura (combustible de hidrógeno) o vapor/gases de CO_{2} (combustible de hidrocarbono) como fluido de trabajo en la realización de Otto y Diesel.
El documento US 6170264 (9 de enero de 2001), también de Viteri y cedido a Clean Energy Systems, Inc., describe el mismo proceso que el documento US 5680764 y además sugiere utilizar una planta de separación de aire. Se utiliza O_{2} enriquecido en un dispositivo de combustión y se ventila N_{2} enriquecido a la atmósfera. En una realización, el CO_{2} se mantiene alejado en localizaciones bajo el mar o bajo tierra a gran profundidad.
El documento EP 453059 describe la producción de una corriente gaseosa enriquecida en O_{2} y una corriente gaseosa enriquecida en N_{2} en una unidad de separación de aire. La corriente gaseosa enriquecida en O_{2} se mezcla con un combustible y finalmente con vapor para formar una mezcla que se quema en al menos un combustor. El gas de combustión del combustor acciona una turbina de gas.
El documento EP 926317 describe la combustión de una mezcla de combustible y vapor en un combustor y el uso del gas de combustión para accionar una turbina de gas. De acuerdo con una realización, una planta de separación de gas proporciona un vapor rico en N_{2} que se expande mediante trabajo para accionar un compresor.
El documento JP 11200886 describe el uso de una corriente calentada rica en N_{2} que sale de un separador de aire para accionar un compresor.
Típicamente, la eficiencia global de producción de energía de la mayoría de los procesos de cogeneración alimentados por carbón está en un intervalo de aproximadamente 25% a aproximadamente 35%. Consecuentemente, existe la necesidad de un proceso integrado de cogeneración para producir potencia eléctrica y energía térmica con eficiencia mejorada. Preferiblemente, la eficiencia total de un proceso mejorado de cogeneración sería superior aproximadamente a 40% y, más preferiblemente, superior aproximadamente a 50%.
También, el proceso de cogeneración de energía más eficiente debería tener un método para reducir los efectos de corrosión en las turbinas de gas utilizadas en un ciclo combinado de turbina de vapor/turbina de gas, siendo a la vez adaptable para incorporar, como se desee, un sistema para reducir y/o eliminar diversas emisiones gaseosas, tales como CO_{2}, NO_{x} y/o SO_{x}, a la atmósfera.
Sumario de la invención
De acuerdo con la invención, se proporciona un proceso integrado de separación de aire y generación de potencia, que comprende los pasos de:
(a) introducir una fuente de O_{2}/N_{2} en una unidad de separación de aire,
(b) separar la fuente de O_{2}/N_{2} en al menos una corriente gaseosa enriquecida en O_{2} y una corriente gaseosa enriquecida en N_{2},
(c) introducir al menos una porción de la corriente gaseosa enriquecida en O_{2}, que tiene una presión de al menos unos 3 bares (300 kPa), y combustible en un combustor para producir una mezcla de combustión,
(d) quemar la mezcla de combustión para producir al menos un gas de chimenea,
(e) inyectar vapor en el combustor, antes, durante y/o después del paso de quemar la mezcla de combustión, para producir una mezcla modificada de combustión de al menos vapor y gas de chimenea,
(f) generar potencia introduciendo la mezcla modificada de combustión que sale del combustor en unos primeros medios de generación de potencia,
(g) calentar al menos una porción de la corriente gaseosa enriquecida en N_{2}, que tiene una presión de al menos 3 bares (300 kPa), y
(h) generar potencia introduciendo la corriente gaseosa calentada enriquecida en N_{2} en unos segundos medios de generación de potencia;
en el que la corriente gaseosa enriquecida en N_{2} se calienta en un intercambiador de calor que utiliza calor residual de la corriente de vapor de gas de chimenea que sale de los primeros medios de generación de potencia.
Breve descripción de los dibujos
La naturaleza integrada de los pasos de la presente invención se entenderá mejor haciendo referencia a la siguiente descripción detallada de realizaciones preferidas y a los dibujos a los que se hace referencia en ella, en los que:
La figura 1 es un diagrama de flujo de una realización del proceso integrado que ilustra la separación de aire y la generación de potencia interdependientes que utiliza una corriente de gas de chimenea y vapor ("FG/S") que sale de un combustor y una corriente enriquecida en N_{2} producida por separación de aire y calentada con calor residual de la corriente de FG/S;
la figura 2 es un diagrama de flujo de otra realización del proceso integrado que ilustra la separación de aire y la generación de potencia interdependientes, en la que el vapor se produce con calor residual de la corriente de FG/S y la corriente enriquecida en N_{2} se calienta mediante mezclamiento con una porción del vapor;
la figura 3 es un diagrama de flujo de otra realización más del proceso integrado que ilustra la separación de aire y la generación de potencia interdependientes, con vapor producido en una caldera con calor residual de la corriente de FG/S;
la figura 4 es un diagrama de flujo de una realización adicional del proceso integrado que ilustra la separación de aire y la generación de potencia interdependientes, con una corriente enriquecida en agua precalentada con calor residual de la corriente enriquecida en N_{2}; y
la figura 5 es un diagrama de flujo de otra realización más del proceso integrado que ilustra la separación de aire y la generación de potencia interdependientes, con sistemas de tratamiento de corriente enriquecida en CO_{2} y gasificación de combustible.
En los dibujos, O_{2}/N_{2} significa una fuente de oxígeno y nitrógeno, O_{2} significa una corriente de gas enriquecida en oxígeno, N_{2} significa una corriente de gas enriquecida en nitrógeno, CO_{2} significa una corriente de gas enriquecida en dióxido de carbono, H_{2}O_{(}_{\lambda)} significa una corriente líquida enriquecida en agua y H_{2}O_{(g)} significa una corriente de vapor enriquecida en agua (es decir, vapor). "CO_{2} + H_{2}O_{(g)}" es una mezcla de al menos dióxido de carbono y vapor y "N_{2} + H_{2}O_{(g)}" es una mezcla de al menos nitrógeno y vapor.
Descripción detallada de realizaciones preferidas Definiciones
Por "unidad de separación de aire" o "ASU" se quiere decir cualesquiera medios de separación de gas o de líquido y proceso para utilizar los medios para separar dos o más componentes gaseosos y/o líquidos que incluyen, sin limitación, un sistema de membrana, un sistema criogénico, un sistema de adsorción por oscilación de vacío (VSA), un sistema de adsorción por oscilación de presión (PSA), un sistema de adsorción de oscilación térmica (TSA) y combinaciones de éstos. La ASU puede estar en el sitio o pueden transportarse corrientes de gas de O_{2} y/o N_{2}, por ejemplo, mediante una tubería desde una ASU a un lugar remoto.
Por "fuente de O_{2}/N_{2}" se quiere decir cualquier mezcla, ya sea en estado gaseoso, en estado líquido o una combinación de éstos, que comprenda al menos O_{2} y N_{2}, que puede ser separada en al menos una corriente enriquecida en O_{2} y una corriente de gas enriquecida en gas N_{2}.
Por "gas", se quiere decir que la corriente es ante todo gaseosa, pero puede haber partículas sólidas o líquido arrastrados.
Por "enriquecido", se quiere decir que el mayor componente de la corriente gaseosa excede la concentración media de ese mismo componente gaseoso en la atmósfera de la tierra. Por ejemplo, como aquí se usa, una "corriente de gas enriquecida en O_{2}" tendrá más de aproximadamente un 21% en volumen de O_{2} en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en N_{2}" tendrá más de aproximadamente un 78% en volumen de N_{2} en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en Ar" tendrá más de aproximadamente un 0,9% en volumen de argón (Ar) en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en CO_{2}" tendrá más de aproximadamente un 3x10^{-2}% en volumen de CO_{2} en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en He" tendrá más de aproximadamente un 5x10^{-4}% en volumen de helio (He) en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en Kr" tendrá más de aproximadamente un 1x10^{-4}% en volumen de criptón (Kr) en la corriente de gas, una "corriente de gas enriquecida en Xe" tendrá más de aproximadamente un 8x10^{-6}% en volumen de xenón (Xe) en la corriente de gas y así sucesivamente. Por consiguiente, una sola corriente de gas puede estar "enriquecida" con uno o más componentes gaseosos de interés.
Por "alta presión" o "presión más alta" se quiere decir una presión que es mayor o igual a unos 3 bares (300 kPa o 44,1 psi). Cuando se usa aquí, la referencia a las unidades de presión será absoluta, a menos que se estipule de otro modo.
La "eficiencia" del proceso integrado se calcula como un cociente entre la potencia total de salida que resulta del proceso integrado y la entrada teórica de calor que desprende el combustible introducido en la/s caldera/s.
Visión general del proceso
Un proceso integrado de separación de aire y generación de potencia produce potencia a partir de una corriente de gas a alta presión enriquecida en O_{2} y una corriente de gas a alta presión enriquecida en N_{2} de una fuente de O_{2}/N_{2} separada en una unidad de separación de aire ("ASU"). Al menos una porción de la corriente de gas a alta presión enriquecida en O_{2} se introduce en un combustor con combustible y vapor para producir una corriente de gas que contiene al menos gas de chimenea y vapor ("corriente de FG/S"). La potencia se genera pasando la corriente de FG/S a través de unos primeros medios de generación de potencia, por ejemplo una turbina de gas.
La corriente de gas a alta presión enriquecida en N_{2} se calienta y la potencia se genera a partir de la corriente calentada de gas a alta presión enriquecida en N_{2} utilizando unos segundos medios de generación de potencia, por ejemplo una turbina de gas.
Preferiblemente, el vapor utilizado en el combustor se produce calentando una corriente líquida enriquecida en agua en una caldera con calor residual en la corriente de FG/S que sale de la turbina de gas. Una porción de la corriente enriquecida en vapor puede utilizarse como fuente de vapor industrial.
La eficiencia global del proceso del proceso integrado está preferiblemente en un intervalo de aproximadamente 40% a aproximadamente 70%.
Haciendo referencia ahora a la figura 1, un sistema integrado 10 de separación de aire y generación de potencia de la presente invención tiene una ASU 22 para separar una fuente de O_{2}/N_{2}, por ejemplo aire 24, en una corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} y una corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2}. Un combustor 12 se utiliza para quemar combustible 14 y la corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2}. La potencia se genera a partir de la corriente 18 de FG/S que sale del combustor 12 pasando la corriente 18 de FG/S a través de unos medios de generación de potencia, por ejemplo una turbina 32 de gas. La potencia se genera también a partir de una corriente calentada 36 de gas enriquecida en N_{2} en unos medios de generación de potencia, por ejemplo una turbina 42 de gas.
Separación de aire
La ASU 22 produce una corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} y una corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} a partir de una fuente 24 de O_{2}/N_{2}, tal como aire. La fuente 24 de O_{2}/N_{2} introducida en la ASU 22 se separa en los productos deseados 26 incluyendo, sin limitación, uno o más de oxígeno, nitrógeno, argón, helio, criptón y xenón, en forma líquida o gaseosa independientemente. La producción de cada uno de estos componentes puede variarse, con el fin de satisfacer las demandas del cliente.
La corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} y la corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} tienen cada una una presión de al menos unos 3 bares (300 kPa). Dependiendo del tipo de ASU utilizada, cada una de las corrientes de gas enriquecida en O_{2} y enriquecida en N_{2} puede requerir compresión adicional para elevar la presión hasta al menos unos 3 bares (300 kPa), por ejemplo utilizando compresores. Por ejemplo, un compresor 92, ilustrado en la realización de la figura 5, puede utilizarse para comprimir la corriente 39 de gas enriquecida en N_{2}. Un compresor comparable (no mostrado) puede utilizarse para comprimir la corriente de gas enriquecida en O_{2}.
La ASU 22 puede ser, por ejemplo, sin limitación, una unidad criogénica, una unidad de membrana, un sistema de adsorción por oscilación de vacío (VSA), un sistema de adsorción por oscilación de presión (PSA), un sistema de adsorción por oscilación térmica (TSA) o una combinación de éstos. La ASU 22 puede estar en el sitio o pueden transportarse corrientes de gas enriquecidas en O_{2} y/o N_{2}, por ejemplo, por una tubería desde una ASU 22 a un lugar remoto.
Opcionalmente, la alimentación de corriente 24 de O_{2}/N_{2} a la ASU 22 se comprime (no mostrado) a una presión en un intervalo entre unos 3 bares (300 kPa) y unos 25 bares (2500 kPa) antes de ser separada.
Cuando un rastro de impurezas en la corriente líquida y/o gaseosa de alimentación puede llevar a la combinación de una impureza de combustible con un oxidante (por ejemplo acetileno en un gas o líquido enriquecido en O_{2}), existe un peligro potencial de explosión. Por consiguiente, deben tomarse precauciones especiales para reducir y/o eliminar ese peligro de explosión así como cualesquiera otros peligros potenciales de explosión. Así, el uso de cualquier fuente de ignición potencial debe mantenerse al mínimo, si no se elimina, particularmente en compresión de gas enriquecido en O_{2} y en sistemas para manejar gas enriquecido en O_{2} a presiones elevadas.
También, cuando se utiliza aire como fuente de O_{2}/N_{2}, debería ser tratado antes de introducirlo en la ASU 22. El proceso de tratamiento de aire puede incluir, sin limitación, un paso de filtración para eliminar y/o reducir a límites aceptables contaminantes potenciales de corriente de gas (por ejemplo partículas e hidrocarburos, si los hubiese) y un paso de compresión de gas, de acuerdo con precauciones de seguridad apropiadas. También, deberían ponerse en práctica procedimientos para proteger al personal que trabaja cerca de algún proceso criogénico (por ejemplo exposición a quemaduras criogénicas y asfixia) y cualquier proceso de alta temperatura y presión, así como para proteger el equipo utilizado en y cerca de esos procesos.
Al menos una porción de la corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} producida en la ASU 22 se utiliza como una entrada para el combustor 12.
La corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} puede producirse en la ASU 22 de varios modos. Por ejemplo, una corriente 28 de gas enriquecida en O_{2} producida en la ASU 22 puede comprimirse en un post-compresor de separación de aire (no mostrado). Alternativamente, una corriente substancialmente líquida presurizada enriquecida en O_{2} puede producirse utilizando la ASU 22 presurizando O_{2} líquido, producido en la ASU 22, con una acción de bombeo, por ejemplo (no mostrado). En este caso alternativo, la corriente substancialmente líquida presurizada enriquecida en O_{2} se pasa entonces a través de un intercambiador de calor (no mostrado) que calienta y vaporiza la corriente enriquecida en O_{2} mientras enfría la corriente de aire alimentada a la ASU 22.
En cualquier caso, la eficiencia del proceso integrado se incrementa utilizando una corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2} que tiene una presión de al menos unos 3 bares (300 kPa). Preferiblemente, la presión de la corriente 28 de gas enriquecida en O_{2} está en un intervalo entre unos 3 bares (300 kPa) y unos 300 bares (30000 kPa). Más preferiblemente, la presión de la corriente de gas enriquecida en O_{2} está en un intervalo entre unos 10 bares (1000 kPa) y unos 150 bares (15000 kPa). Lo más preferiblemente, la presión está en un intervalo entre unos 12 bares (1200 kPa) y unos 50 bares (5000 kPa).
Al menos una porción de la corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} producida en la ASU 22 se utiliza como una entrada para generación de potencia de N_{2}.
La corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} puede producirse de la misma manera que la corriente 28 de gas a alta presión enriquecida en O_{2}. Preferiblemente, la presión de la corriente de gas enriquecida en N_{2} está en un intervalo entre unos 3 bares (300 kPa) y unos 50 bares (5000 kPa). Más preferiblemente, la presión de la corriente de gas enriquecida en N_{2} está en un intervalo entre unos 10 bares (1000 kPa) y unos 40 bares (4000 kPa). Lo más preferiblemente, la presión está en un intervalo entre unos 12 bares (1200 kPa) y unos 30 bares (3000 kPa).
Combustión y generación de potencia de FG/S
El combustor 12 se utiliza para quemar combustible 14 y la corriente 28 de gas enriquecida en O_{2}. Mientras arde el combustible, se produce gas de chimenea. Una ventaja de utilizar una corriente de gas enriquecida en O_{2} como un oxidante para combustión de combustible es que la combustión es más completa. Una ventaja adicional de una alimentación enriquecida en O_{2} es que se reduce la producción de NO_{x} porque la fuente principal de nitrógeno para producir NO_{x} se ha reducido substancialmente con la ASU 22.
Sin embargo, utilizar una corriente de gas enriquecida en O_{2} produce una temperatura aumentada de combustión y, por lo tanto, el gas de chimenea producido tiene una temperatura elevada. Aunque depende del tipo de combustible y el contendido de O_{2} en la corriente de gas enriquecida en O_{2}, la temperatura de combustión está típicamente en un intervalo entre unos 3200ºC y unos 3700ºC (entre unos 5800ºF y unos 6700ºF). Sin embargo, los materiales típicos de la construcción para turbinas de gas utilizados a menudo para generar potencia a partir de gas de chimenea no pueden tolerar temperaturas tan altas.
Por lo tanto, de acuerdo con la invención, se utiliza una corriente 16 enriquecida en vapor, entre otros factores, para controlar la temperatura de combustión a una temperatura predeterminada inferior a la que se produciría utilizando una mezcla de combustión libre de vapor que comprenda el mismo combustible y la misma corriente gaseosa enriquecida en O_{2}. Por ejemplo, la temperatura de combustión y de gas de chimenea puede reducirse a unos 1200ºC (2200ºF) añadiendo vapor. La temperatura predeterminada está en función de, por ejemplo, sin limitación, los materiales de construcción para el combustor 12 y la turbina 32 de gas y la concentración de N_{2} presente, si la hay, en el combustor 12. Específicamente, evitar que la temperatura de la corriente de FG/S exceda su valor admisible máximo en la turbina 32 de gas, que puede variar en base a diversas condiciones de funcionamiento, ayudará a mejorar la eficiencia del proceso integrado, mientras que se reduce la corrosión de turbina de gas y los costes de mantenimiento relacionados. Por consiguiente, el vapor es, entre otras cosas, un agente de modificación de mezcla de combustión utilizado para controlar la temperatura de combustión.
Preferiblemente, se introducen O_{2} y combustible en el combustor 12 en una proporción aproximadamente estequiométrica, dependiendo de la composición química del combustible, para producir substancialmente CO_{2} o productos de combustión de CO_{2} y H_{2}O.
El combustible adecuado para el combustor 12 y/o la caldera 38 es un compuesto gaseoso, líquido o sólido que contiene carbono o una combinación de ellos. Ejemplos de combustibles adecuados son gas natural, carbón, suspensiones de carbón, coque de petróleo, betún, gasóleo y gasóleo de desecho, gas de gasificación, gas de síntesis, gas de coquería, gas de alto horno y combinaciones de éstos.
Preferiblemente, la corriente 16 enriquecida en vapor está en un intervalo de aproximadamente 70% molar a aproximadamente 99% molar del total de la corriente de gas enriquecida en O_{2}, el combustible y la corriente enriquecida en vapor introducidos en el combustor 12. Más preferiblemente, la corriente 16 enriquecida en vapor está en un intervalo de aproximadamente 75% molar a aproximadamente 95% molar del total de la corriente de gas enriquecida en O_{2}, el combustible y la corriente enriquecida en vapor introducidos en el combustor 12. Lo más preferiblemente, la corriente 16 enriquecida en vapor está en un intervalo de aproximadamente 80% molar a aproximadamente 92% molar del total de la corriente de gas enriquecida en O_{2}, el combustible y la corriente enriquecida en vapor introducidos en el combustor 12.
La corriente 16 enriquecida en vapor se añade antes, durante y/o después de la combustión de acuerdo con la eficiencia y la temperatura de funcionamiento del combustor deseadas para la globalidad del proceso. La cantidad de vapor añadida a la mezcla de combustión depende de un número de factores incluyendo, sin limitación, el tipo de combustible, la cantidad de O_{2} en la corriente de gas enriquecida en O_{2}, la temperatura de combustión, el momento en el que el vapor se añade en relación a la combustión, la temperatura del vapor y la temperatura deseada de salida de la corriente de FG/S. Bajo ciertas condiciones, puede ocurrir una carbonización perjudicial, que posiblemente indica una temperatura de combustión que es demasiado baja para mantener una reacción de combustión substancialmente completa (es decir, que produce ante todo CO_{2} o CO_{2} y H_{2}O). En tales circunstancias, podría ser deseable reducir la cantidad de vapor añadido antes o durante la combustión, con el fin de aumentar la temperatura de combustión y por ello disminuir el grado de carbonización perjudicial, si la hubiese.
Preferiblemente, el gas del combustor 12 está bien mezclado y es homogéneo. La corriente 18 de FG/S que sale del combustor 12 está compuesta al menos de gas de chimenea y vapor.
La potencia se genera introduciendo al menos una porción de la corriente 18 de FG/S desde el combustor 12 en unos medios de generación de potencia, que pueden comprender una turbina 32 de gas. Como el gas que entra en la turbina 32 de gas es una mezcla de gas de chimenea y vapor, la turbina funciona bajo un ciclo híbrido de Rankine/Brayton.
Utilizar la corriente 16 enriquecida en vapor aumenta la potencia generada en la turbina de gas reduciendo la temperatura de entrada de la corriente 18 de FG/S y aumentando el caudal de masa a través de la turbina de gas, como se muestra mediante la siguiente ecuación (1):
\vskip1.000000\baselineskip
(1)W = m\ (h_{i} - h_{o})
\vskip1.000000\baselineskip
en la que:
W es la potencia producida, kw (Btu),
m es el caudal de masa de gas, kg/s (lb_{m}/h),
h_{i} es la entalpía específica (es decir, contenido de calor) de gas en la entrada de turbina de gas, kJ/kg (Btu/lb_{m}), y
h_{o} es la entalpía específica (es decir, contenido de calor) de gas en la salida de turbina de gas, kJ/kg (Btu/lb_{m}).
La temperatura máxima de gas en la entrada de turbina de gas está limitada por el esfuerzo admisible máximo del material de turbina, que se excede cuando se utiliza una mezcla de combustión de combustible/O_{2} libre de vapor. Se añade vapor a la mezcla de combustión, reduciendo por ello h_{i}. Pero, como la adición de vapor aumenta el caudal de masa, se aumenta la potencia generada por la turbina.
La turbina 32 de gas puede conectarse a un generador de potencia (no mostrado) o a un compresor de ciclo (no mostrado), tal como, por ejemplo, sin limitación, un compresor de una ASU, para generar potencia.
La corriente 18 de FG/S puede ser filtrada antes de ser dirigida a los medios de generación de potencia. Por ejemplo, puede ser particularmente ventajoso filtrar la corriente 18 de FG/S cuando el combustible 14 utilizado en el combustor 16 es carbón. Otros combustibles que serían preferiblemente filtrados, como fuese apropiado, incluirían, sin limitación, coque de petróleo, betún, gasóleo, gasóleo de desecho, cada combustible mencionado anteriormente en combinación con gas natural o una combinación de éstos. Sin embargo, cuando el combustible es únicamente gas natural, probablemente no se requerirá filtración.
La filtración se puede ejecutar de una manera conocida para los expertos en la técnica incluyendo, por ejemplo, sin limitación, filtros de vela, ciclones y combinación de éstos.
La corriente 18 de FG/S que sale de los medios de generación de potencia se alimenta subsiguientemente a una caldera 38 para producir vapor, calentar la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} o una combinación de las dos.
Generación de potencia de N_{2}
La corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} producida en la ASU 22 se calienta y se genera potencia introduciendo la corriente calentada de gas a alta presión enriquecida en N_{2} desde la caldera 38 en unos medios de generación de potencia, que pueden comprender una turbina 42 de gas.
Dos realizaciones para calentar la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} están ilustradas en las figuras 1 y 2. En una realización, ilustrada en la figura 1, la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} se calienta utilizando calor residual de la corriente 34 de FG/S que sale de los medios de generación de potencia. Como se ilustra, la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} se calienta en un intercambiador de calor asociado con la caldera 38. La potencia se genera pasando la corriente calentada 36 de gas enriquecida en N_{2} a través de la turbina 42 de gas.
En otra realización, ilustrada en la figura 2, la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} se calienta mezclándola con vapor. Esta realización no cae dentro del alcance de las reivindicaciones. Preferiblemente, el vapor se produce en el proceso integrado de separación de aire y generación de potencia. Más preferiblemente, se produce una corriente 78 enriquecida en vapor calentándola con calor residual en la corriente 34 de FG/S que sale de los medios de generación de potencia, por ejemplo en un intercambiador de calor asociado con la caldera 38. En esta realización, la corriente 78 enriquecida en vapor y el gas 36 enriquecido en N_{2} se mezclan en una mezcladora 66. Preferiblemente, la corriente 78 enriquecida en vapor y el gas 36 enriquecido en N_{2} se introducen en la mezcladora 66 a presiones substancialmente similares.
La corriente mezclada 68 de gas enriquecida en N_{2} y enriquecida en vapor ("N_{2}/S") se utiliza entonces para generar potencia de manera similar a la potencia generada de la corriente 18 de FG/S. Una ventaja de generar potencia de la corriente 68 de N_{2}/S es un caudal de masa aumentado que, de acuerdo con la ecuación (1), incrementa la potencia producida en la turbina 42. Como el gas que entra en la turbina 42 de gas es una mezcla de N_{2} y vapor, la turbina funciona bajo un ciclo híbrido de Rankine/Brayton en la realización de mezcla de vapor.
La turbina 42 de gas puede conectarse a un generador de potencia (no mostrado) o a un compresor de ciclo (no mostrado), tal como, por ejemplo, sin limitación, un compresor de ASU, para generar potencia.
En la realización de la figura 2, la corriente de N_{2}/S que sale de la turbina 42 de gas se trata entonces en el condensador 96 para separar una corriente 98 enriquecida en agua de la corriente 44 de gas enriquecida en N_{2}. Preferiblemente, la corriente 98 enriquecida en agua se mezcla con la corriente 58 enriquecida en agua y se calienta en la caldera 38.
Alternativamente, una combinación de mezcla de vapor y transferencia de calor con la corriente de FG/S puede utilizarse para calentar la corriente 44 de gas enriquecida en N_{2}.
La temperatura de la corriente 36 de gas a alta presión enriquecida en N_{2} antes de calentarse depende de la ASU 22 y cualquier compresión o intercambio de calor subsiguiente, pero típicamente está en un intervalo entre unos 30ºC y unos 500ºC (entre unos 85ºF y unos 950ºF). En la realización en la que se calienta la corriente 36 de gas enriquecida en N_{2} en un intercambiador de calor asociado con la caldera 38, la corriente calentada de gas enriquecida en N_{2} está preferiblemente a una temperatura en un intervalo entre unos 800ºC y unos 1500ºC (entre unos 1450ºF y unos 2700ºF). En la realización de mezcla de vapor, la corriente 68 de N_{2}/S está preferiblemente a una temperatura en un intervalo entre unos 250ºC y unos 650ºC (entre unos 480ºF y unos 1200ºF).
Ejemplos de calderas 38 adecuadas son las calderas de combustible sólido pulverizado, calderas de combustible líquido pulverizado, calderas de lecho fluidificado, calderas a gas natural, calderas pirotubulares, calderas de locomotora, y calderas acuotubulares.
Preferiblemente, la caldera 38 funciona a una presión en un intervalo de aproximadamente 1 bar (100 kPa) a aproximadamente 5 bares (500 kPa). Más preferiblemente, la caldera 38 funciona a una presión en un intervalo de aproximadamente 1 bar (100 kPa) a aproximadamente 3 bares (300 kPa). Lo más preferiblemente, la caldera 38 funciona a una presión en un intervalo de aproximadamente 1 bar (100 kPa) a aproximadamente 1,5 bares
(150 kPa).
Opcionalmente, se introduce combustible, corriente de gas a alta presión enriquecida en O_{2} y/o vapor adicionales en un quemador de o conectado a la caldera 38.
Opcionalmente, cualquier energía térmica residual de la corriente de gas enriquecida en N_{2} que sale de los medios de generación de potencia se utiliza en un intercambiador 62 de calor (véanse las figuras 4 y 5), por ejemplo para precalentar el agua que entra a la caldera 38. El uso de la corriente de gas enriquecida en N_{2} para generar potencia y, opcionalmente, para intercambio de calor en el intercambiador 62 de calor es importante para alcanzar la eficiencia deseada de todo el proceso, mientras que reduce significativamente los costes de mantenimiento de la turbina de gas.
También, la corriente 44 de gas enriquecida en N_{2} que sale de la turbina 42 de gas o el intercambiador 62 de calor pueden ser utilizados como un producto. Dependiendo de los requisitos del producto, la corriente 44 de gas enriquecida en N_{2} puede ser tratada para retirar cualquier impureza.
Alternativamente o adicionalmente, la corriente 44 de gas enriquecida en N_{2} puede ser tratada para producir un producto gaseoso comprimido o un producto de N_{2} líquido. Además, opcionalmente, una porción de la corriente de gas enriquecida en N_{2} o N_{2} líquido puede ser tratada y reciclada de vuelta a la caldera 38 como una entrada de gas a alta presión para su intercambiador de calor.
Generación de vapor
Preferiblemente, el vapor 16 introducido en el combustor 12 se produce en el proceso integrado 10 de separación de aire y generación de potencia. Más preferiblemente, el vapor 16 se produce a partir de una corriente 58 enriquecida en agua separada de la corriente 52 de FG/S que sale de la caldera 38.
En una realización ilustrada en las figuras 3, 4 y 5, la corriente 52 de FG/S que sale de la caldera 38 se condensa en el condensador 54 para producir una corriente 56 enriquecida en CO_{2} y una corriente 58 enriquecida en agua. En la realización mostrada en la figura 3 la corriente 58 enriquecida en agua se calienta en la caldera 38 para producir una corriente 16 enriquecida en vapor. La corriente 16 enriquecida en vapor se inyecta entonces en el combustor 12 y sale como parte de la corriente 18 de FG/S.
En las realizaciones mostradas en las figuras 4 y 5, la corriente 58 enriquecida en agua se precalienta en un intercambiador 62 de calor mediante calor residual en la corriente de gas enriquecida en N_{2} que sale de la turbina 42 de gas. La corriente precalentada 64 enriquecida en agua que sale del intercambiador 62 de calor se dirige entonces a la caldera 38 para producir una corriente enriquecida en vapor. La corriente enriquecida en vapor producida en la caldera 38 preferiblemente tiene una temperatura en un intervalo entre unos 250ºC (480ºF) y unos 650ºC (1200ºF) y una presión en un intervalo entre unos 3 bares (300 kPa) y unos 300 bares (30000 kPa). Más preferiblemente, la presión de la corriente de gas enriquecida en vapor está en un intervalo entre unos 10 bares (1000 kPa) y unos 150 bares (15000 kPa). Lo más preferiblemente, la presión está en un intervalo entre unos 12 bares (1200 kPa) y unos 50 bares (5000 kPa). El límite más alto de presión de vapor está ampliamente limitado por la capacidad del equipo. Generalmente, la eficiencia del proceso integrado de generación de potencia y separación de aire se incrementa con presión creciente de vapor.
Preferiblemente, no hay substancialmente CO_{2} presente en la corriente 16 enriquecida en vapor.
Opcionalmente, como se muestra en las figuras 4 y 5, una porción de la corriente producida en la caldera 38 puede ser utilizada como vapor industrial 74 en otras áreas de la planta.
Tratamiento de gas de chimenea
En una realización preferida, mostrada en las figuras 3, 4 y 5, la corriente 52 de FG/S que sale de la caldera 38 se condensa en el condensador 54 para separar una corriente 56 enriquecida en CO_{2} y una corriente 58 enriquecida en agua. Además, un aspecto preferido de esta realización está ilustrado en la figura 5. En este aspecto preferido, la corriente enriquecida en CO_{2} que sale del condensador 54 se trata en el sistema 76 de tratamiento de gas de chimenea para producir una corriente tratada enriquecida en CO_{2}.
La composición de la corriente de FG/S depende del tipo de combustible, la composición y concentración del oxidante, la concentración del vapor inyectado, y la proporción C:H del combustible. Sin embargo, una corriente típica 52 de FG/S que sale del gas de chimenea de la caldera 38 contiene:
de aproximadamente 2 a aproximadamente 20% molar de CO_{2},
de aproximadamente 80 a aproximadamente 92% molar de H_{2}O,
cantidades de restos de NO_{x}, SO_{x} y ceniza.
En el sistema 76 de tratamiento de gas de chimenea, la corriente enriquecida en CO_{2} que sale del condensador 54 puede ser tratada para retirar o convertir ceniza, otra materia en partículas, NO_{x} y SO_{x} producidos en el combustor 12 y/o el quemador de la caldera 38. NO_{x} y SO_{x} pueden ser retirados o convertidos mediante técnicas conocidas para los expertos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, sin limitación, adsorbedores, dispositivos catalíticos y combinaciones de éstos.
Ceniza y otras materias en partículas pueden ser retiradas mediante técnicas conocidas para los expertos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, sin limitación, adsorbedores, separadores de impacto, separadores de ciclón, separadores de centrifugado, filtros, ciclones y combinaciones de éstos.
Además, el sistema 76 de tratamiento de gas de chimenea puede ser también utilizado para retirar cualquier agua residual que quede en la corriente enriquecida en CO_{2} después de condensar la corriente 52 de FG/S en el condensador 54. Este agua residual puede ser retirada mediante técnicas conocidas por los expertos en la técnica, incluyendo, por ejemplo, sin limitación, condensadores adicionales, separadores y combinaciones de éstos.
\newpage
En una realización, la corriente enriquecida en CO_{2} puede ser licuada en el sistema 76 de tratamiento de gas de chimenea para producir un producto de CO_{2} líquido. La corriente enriquecida en CO_{2} puede ser licuada mediante compresión y enfriamiento. El producto enriquecido en CO_{2} que puede ser utilizado en numerosas aplicaciones, incluyendo, por ejemplo, sin limitación, tratamiento de agua, bebidas e industria química.
Ventajosamente, gases nobles, tales como Ar, Xe y Kr, pueden ser separados del gas de chimenea en el sistema 76 de tratamiento de gas de chimenea. Los gases poco frecuentes pueden ser separados utilizando, por ejemplo, sin limitación, una columna de destilación (no mostrada) o procesos controlados de zona de congelación. Otros medios serán evidentes para los expertos en la técnica de separación de gases nobles.
Gasificación de combustible
En otro aspecto de la realización ilustrada en la figura 5, el combustible es tratado, antes de la combustión, en una unidad 82 de gasificación. En esta realización, el combustible 86 sólido o líquido, tal como, sin limitación, carbón, carbón animal, biomasa y residuo de aceite se oxida mediante reacción con un gas 84 enriquecido en O_{2} producido en la ASU 22 y corriente 74 enriquecida en vapor para producir gas de síntesis, compuesta de CO y N_{2}. Alternativamente, vapor y/o agua de otro punto en el proceso integrado de separación de aire y generación de potencia. Por ejemplo, el vapor 64 que sale del intercambiador 62 de calor se puede alimentar a la unidad 82 de gasificación.
Comparado con el combustor, el vapor actúa como un reactivo en la reacción que produce gas de síntesis. También, la cantidad de O_{2} añadida en la unidad 82 de gasificación es generalmente menor que la cantidad de O_{2} añadida en el combustor. Preferiblemente, la proporción de O_{2}:C añadida a la unidad de gasificación es menor que 0,5. Más preferiblemente, la proporción de O_{2}:C está en un intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 0,4.
Preferiblemente, el gas de síntesis 88 se utiliza como combustible en el combustor 12.
Ejemplos
El equipo lógico informático ASPEN fue utilizado para modelar el proceso integrado y para determinar la eficiencia del proceso. Se alcanzaron eficiencias en el intervalo de aproximadamente 45% a aproximadamente 70% para el proceso integrado de separación de aire y generación de potencia.
El equipo lógico informático ASPEN fue utilizado también para comparar la eficiencia del proceso integrado con y sin generación de potencia de N_{2}. Para una temperatura de FG/S de 2600ºF (1427ºC) en la salida del combustor, la eficiencia global del proceso fue del 48,3% sin generación de potencia de N_{2}. En las mismas condiciones, excepto tener el proceso integrado adicionalmente con un módulo de generación de potencia de N_{2} (por ejemplo, en el que la presión de descarga de N_{2} = 30 bares y la temperatura de descarga de N_{2} era 2000ºF (1093ºC), la eficiencia global del proceso aumentó a 54,4%.
Se han descrito procesos preferidos para poner en práctica la invención. Se entenderá que lo precedente es solo ilustrativo y que otras realizaciones del proceso integrado pueden ser empleadas sin salir del verdadero alcance de la invención definida en las siguientes reivindicaciones.

Claims (27)

1. Un proceso integrado de separación de aire y generación de potencia, que comprende los pasos de:
(a) introducir una fuente (24) de O_{2}/N_{2} en una unidad (22) de separación de aire,
(b) separar la fuente (24) de O_{2}/N_{2} en al menos una corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2} y una corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2},
(c) introducir al menos una porción de la corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2}, que tiene una presión de al menos unos 3 bares (300 kPa), y combustible (14) en un combustor (12) para producir una mezcla de combustión,
(d) quemar la mezcla de combustión para producir al menos un gas (18) de chimenea,
(e) inyectar vapor (16) en el combustor (12), antes, durante y/o después del paso de quemar la mezcla de combustión, para producir una mezcla modificada de combustión de al menos vapor y gas de chimenea,
(f) generar potencia introduciendo la mezcla modificada de combustión que sale del combustor en unos primeros medios de generación de potencia 32,
(g) calentar al menos una porción de la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2}, que tiene una presión de al menos 3 bares (300 kPa), y
(h) generar potencia introduciendo la corriente gaseosa calentada (36) enriquecida en N_{2} en unos segundos medios (42) de generación de potencia;
en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2} se calienta en un intercambiador (38) de calor que utiliza calor residual de la corriente de gas de chimenea-vapor (FG/S) que sale de los primeros medios (32) de generación de potencia.
2. El proceso de la reivindicación 1, en el que el vapor (16) inyectado en el combustor (12) no contiene substancialmente CO_{2} antes de la inyección.
3. El proceso de la reivindicación 1, en el que el vapor (16) inyectado en el combustor (12) se utiliza para controlar la temperatura del combustor a una temperatura predeterminada inferior a la temperatura de combustión que estaría utilizando una mezcla de combustión libre de vapor que comprende el mismo combustible y la misma corriente gaseosa enriquecida en O_{2}.
4. El proceso de la reivindicación 1 en el que el vapor (16) está en un intervalo de aproximadamente 70% molar a aproximadamente 99% molar del total de la corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2}, el combustible (14) y el vapor (16) en el combustor.
5. El proceso de la reivindicación 1, que comprende además el paso de:
(i) condensar la mezcla modificada de combustión en un condensador (54) para separar agua y CO_{2}.
6. El proceso de la reivindicación 5, que comprende además el paso de:
(j) dirigir el agua que sale del condensador (54) a una caldera (38) para producir vapor.
7. El proceso de la reivindicación 6, en el que el vapor producido en el paso (j) es inyectado en el combustor del paso (e).
8. El proceso de la reivindicación 6, en el que el vapor que sale de la caldera (38) tiene una presión en un intervalo entre unos 3 bares (300 kPa) y unos 300 bares (30000 kPa).
9. El proceso de la reivindicación 6, en el que el vapor que sale de la caldera (38) tiene una temperatura en un intervalo entre unos 250ºC (480ºF) y unos 650ºC (1200ºF).
10. El proceso de la reivindicación 1, en el que el combustible (14) es seleccionado del grupo que consiste en componentes gaseosos, líquidos y sólidos que contienen carbón, y combinaciones de éstos.
11. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2} tiene una presión en un intervalo entre unos 10 bares (1000 kPa) y unos 50 bares (5000 kPa).
12. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2} se presuriza mediante compresión en un compresor (92) antes de ser calentada.
13. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2} se presuriza en la unidad (22) de separación de aire bombeando nitrógeno líquido producido en la unidad (22) de separación de aire para producir una corriente presurizada substancialmente líquida enriquecida en N_{2} y calentando la corriente presurizada substancialmente líquida enriquecida en N_{2} en un intercambiador de calor mientras enfría aire comprimido.
14. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2} tiene una presión en un intervalo entre unos 10 bares (1000 kPa) y unos 300 bares (30000 kPa).
15. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2} se presuriza mediante compresión en un compresor antes de ser introducida en el combustor.
16. El proceso de la reivindicación 1, en el que la corriente gaseosa (28) enriquecida en O_{2} se presuriza en la unidad (22) de separación de aire bombeando oxígeno líquido producido en la unidad de separación de aire para producir una corriente presurizada substancialmente líquida enriquecida en O_{2} y calentando la corriente presurizada substancialmente líquida enriquecida en O_{2} en un intercambiador de calor mientras enfría aire comprimido.
17. El proceso de la reivindicación 6, en el que la corriente gaseosa (36) enriquecida en N_{2} que sale de los segundos medios para generar potencia (42) se dirige a un intercambiador (62) de calor para calentar el agua (58) que sale del condensador (54), antes de que el agua (58) se dirija a la caldera (38).
18. El proceso de la reivindicación 1, en el que la unidad (22) de separación de aire es seleccionada del grupo que consiste en una unidad criogénica, una unidad de membrana, un sistema de adsorción por oscilación de vacío, un sistema de adsorción por oscilación de presión, un sistema de adsorción por oscilación térmica y combinaciones de éstos.
19. El proceso de la reivindicación 18, en el que la fuente (24) de O_{2}/N_{2} se comprime antes de ser introducida en la unidad de separación de aire.
20. El proceso de la reivindicación 1, en el que la mezcla modificada de combustión se filtra antes de ser dirigida a los primeros medios para generar potencia (32).
21. El proceso de la reivindicación 5, que comprende además dirigir el CO_{2} separado del condensador (54) a un sistema (76) de tratamiento para producir una corriente tratada (66) enriquecida en CO_{2}.
22. El proceso de la reivindicación 21, que comprende además el paso de licuar la corriente enriquecida en CO_{2}.
23. El proceso de la reivindicación 21, que comprende además el paso de separar una corriente de gas noble antes, durante o después del paso de producir la corriente enriquecida en CO_{2}.
24. El proceso de la reivindicación 23, en el que la corriente de gas noble es seleccionada del grupo que consiste en una corriente de gas enriquecido en Ar, una corriente de gas enriquecido en Kr, una corriente de gas enriquecido en Xe y combinaciones de estas.
25. El proceso de la reivindicación 1, en el que los medios primero y segundo (42, 32) para generar potencia comprenden al menos una turbina de gas.
26. El proceso de la reivindicación 10, que comprende además introducir una reserva de alimentación de combustible en una unidad de gasificación para producir un combustible gaseoso.
27. El proceso de la reivindicación 1, en el que la eficiencia total del proceso integrado está en un intervalo de aproximadamente 40% a aproximadamente 70%.
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