ES2821408T3 - Sistemas y procedimientos para la producción de potencia que incluyen componentes de transporte de iones - Google Patents

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Abstract

Un sistema para la producción de potencia que comprende: una turbina (203) de producción de potencia configurada para expandir una corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado para producir una corriente de escape de turbina y para producir potencia; una fuente (270) de corriente que contiene oxígeno configurada para proporcionar una corriente que contiene oxígeno; una fuente (211) de combustible configurada para entrada de un combustible en la corriente de escape de turbina; un sistema de membrana de transporte de iones (ITM) (284) configurado para recibir la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada y configurado para recibir la corriente que contiene oxígeno, siendo el ITM (284) eficaz para la difusión de oxígeno de la corriente que contiene oxígeno en la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada para al menos parcialmente combustionar al menos una porción del combustible de entrada y para proporcionar una corriente calentada que contiene CO2; y un intercambiador (201) de calor recuperador configurado para transferir calor de la corriente que contiene CO2 a la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistemas y procedimientos para la producción de potencia que incluyen componentes de transporte de iones Campo de la descripción
La presente descripción se dirige a sistemas y procedimientos para la producción de potencia. En particular, puede llevarse a cabo producción de potencia en la que el oxígeno para su uso en la combustión de combustible se proporciona al menos parcialmente por difusión de oxígeno a través de una membrana de transporte de iones oxígeno.
Antecedentes
El documento EP 0916386 A1 describe un procedimiento para producir al menos una corriente de gas de producto de oxígeno y potencia, que comprende:
(a) comprimir una corriente de gas de alimentación que contiene oxígeno elemental;
(b) proporcionar al menos primera y segunda secciones de membrana de transporte de iones, presentando cada sección de membrana una zona de retentado en un lado de la sección de membrana y una zona de permeado en el otro lado;
(c) calentar la corriente de gas de alimentación utilizando el calor generado por una reacción dentro de la zona de permeado de la primera sección de membrana de transporte de iones para producir una corriente de gas de alimentación calentada;
(d) separar la corriente de gas de alimentación calentada utilizando la segunda sección de membrana de transporte de iones en una corriente de gas empobrecido en oxígeno en el lado de retentado y una corriente de gas que contiene oxígeno en el lado de permeado;
(e) extraer energía de al menos una corriente de gas a expandir, después de que esa corriente a expandir haya sido calentada directa o indirectamente por la reacción dentro de la primera zona de permeado, en una turbina de gas para producir potencia; y
(f) recuperar la corriente de gas que contiene oxígeno como corriente de producto de oxígeno.
En la patente de Estados Unidos núm. 8,596,075 concedida a Allam et al. se describensistemas y procedimientos para la generación de potencia que utilizan la combustión de combustible(s) de hidrocarburo o carbonoso con dióxido de carbono como fluido de trabajo. Dichos sistemas y procedimientos utilizan un sistema Brayton recuperador de alta presión con CO2 como fluido de trabajo en el que se utiliza oxígeno sustancialmente puro para la combustión de combustible a altas presiones (p.ej., aproximadamente 200 bar a 400 bar) y altas temperaturas (p.ej., alrededor de 600 °C a alrededor de 1600 °C). En algunos ejemplos, el combustible puede ser gas natural (i.e., una mezclade gases de hidrocarburo que consiste principalmente en metano), y/o un combustiblederivado de la oxidación parcial de carbón, biomasa y/o productos residuales de refinado de petróleo, tales como, por ejemplo, fracciones residuales pesadas de crudo o coque de petróleo.
La corriente de producto de combustión a dichas presiones y temperaturas se expande a través de una turbina con una presión de salida de alrededor de 20 bar a alrededor de 40 bar. La corriente expandida puede enfriarse después (p.ej., con un intercambiador de calor recuperador) y tratarse para la extracción de agua u otras impurezas para proporcionar una corriente sustancialmente pura de CO2, que puede comprimirse y recalentarse (p.ej., contra la corriente de salida de la turbina en el intercambiador de calor recuperador) antes de ser reciclado en el combustor. Opcionalmente, puede retirarse parte o todo el CO2 para secuestro y/o usos secundarios, tales como recuperación mejorada de crudo, tal como se describe en la patente de Estados Unidos núm. 8,869,889 concedida a Palmer et al. Dichos ciclos de potencia pueden proporcionar producción de potencia de alta eficiencia con captura de CO2 sustancialmente producido. Por ejemplo, dicho ciclo de producción de potencia que combustiona gas natural para proporcionar una corriente de entrada de turbina a una presión de 300 bar y una temperatura de 1150 °C y una corriente de salida de turbina a una presión de 30 bar puede exhibir una eficiencia neta (con una base de valor de calentamiento inferior) de alrededor de un 59% con captura completa de carbono. Esta alta eficiencia se logra en parte mediante la introducción de una segunda entrada de calor a un nivel de temperatura por debajo de alrededor de 400 °C para compensar la gran diferencia entre el calor específico del CO2 a temperaturas inferiores a la presión alta y baja utilizada en el sistema.
Un requisito clave para dichos ciclos de potencia son grandes cantidades de oxígeno gaseoso altamente presurizado, sustancialmente puro. Una planta de producción de potencia de 300 MW que funciona en condiciones como las tratadas anteriormente requiere comúnmente alrededor de 3500 toneladas métricas por día (tm/d) de oxígeno con una pureza del 99,5% y una presión mínima de 30 bar producido a partir de una planta criogénica de separación de aire. La inclusión de una planta de oxígeno aumenta de manera significativa el coste de capital de un sistema de producción de potencia que funciona tal como se describe anteriormente y también consume una gran cantidad de potencia durante el funcionamiento del ciclo de producción de potencia. Tal como se menciona anteriormente, dichos sistemas y procedimientos han demostrado proporcionar mayor eficiencia mediante la adición de calor que no es recuperado de la corriente de producto de combustión. En algunas realizaciones, el calor añadido se puede derivar de calor adiabático producido por compresores que aumentan la presión de una corriente de aire de entrada en un procedimiento de producción criogénica de oxígeno y adicionalmente calor derivado de al menos parte de la compresión de reciclaje de CO2. No obstante, la técnica requiere aún ciclos de producción de potencia adicionales que puedan lograr una alta eficiencia con captura sustancialmente completa de carbono y que puedan implementarse con gastos de inversión y costes de explotación reducidos.
Compendio de la descripción
La presente descripción se refiere a sistemas y procedimientos para la producción de potencia en los que puede proporcionarse oxígeno para la combustión de un combustible sin el requisito de una planta criogénica de separación de aire. En una o más realizaciones, el oxígeno puede derivarse de una corriente de aire (u otra corriente de concentración de oxígeno relativamente baja) vía transporte de iones. Por ejemplo, ciertas composiciones cerámicas de óxido mezclado con estructura cristalina de perovskita o brownmillerita que funcionan a temperaturas por encima de alrededor de 750 °C tienen la capacidad de difundir oxígeno desde una región de coeficiente de actividad de oxígeno alto a coeficiente de actividad de oxígeno bajo. La composición de cerámicas de óxido mezclado puede elegirse de manera que haya vacantes en la celosía cristalina donde iones oxígeno estarían normalmente presentes. Esto puede lograrse, por ejemplo, con óxidos metálicos monovalentes, divalentes, o trivalentes mezclados para obtener variantes de celosía cristalina que permiten que la estructura cristalina permanezca estable.
Los sistemas y procedimientos de la presente descripción pueden eliminar la necesidad de una o más piezas de equipamiento que se han considerado necesarias para la combustión de oxicombustible de alta eficiencia, tales como una unidad criogénica de separación de aire para proporcionar oxígeno de alta pureza y/o un combustor de oxicombustible de alta presión para calentar una corriente de fluido de trabajo presurizado antes de la expansión para la producción de potencia. La eliminación de dichos elementos puede proporcionar ahorros de coste significativos tanto en costes de equipamiento como en costes de explotación. Los ciclos de potencia ahora descritos pueden proporcionar el funcionamiento de la turbina de producción de potencia a una temperatura de entrada mucho más baja lo que permitirá la posible eliminación de corrientes internas de refrigeración de CO2 dentro de los álabes de turbina y la cubierta de turbina interior con el consecuente aumento en la eficiencia de la turbina y reducción en el coste de capital.
En una o más realizaciones, los presentes sistemas y procedimientos pueden eliminar la necesidad de un compresor de gas combustible de alta presión mediante la introducción de gas combustible en el sistema a la presión de descarga de la turbina. Por ejemplo, puede proporcionarse un combustible de gas natural directamente desde el gasoducto de gas natural a una presión de aproximadamente 30 bar.
En aún más realizaciones, los presentes sistemas y procedimientos pueden eliminar la necesidad de una dilución separada del oxígeno suministrado con el fin de controlar la temperatura adiabática de llama en el combustor. Por ejemplo, sistemas conocidos pueden mezclar CO2 con la corriente de oxígeno, y esto puede requerir un tren de compresión de CO2+O2 separado y una corriente separada en el intercambiador de calor recuperador. Según las realizaciones de la presente descripción, sin embargo, no se requiere un tren de compresión de CO2+O2.
En una realización ejemplar, la combustión de combustible puede lograrse vía transferencia de oxígeno de aire de baja presión a un espacio de combustión a través del cual fluye la corriente de combustible mezclada opcionalmente con un diluyente, tal como una corriente de escape de turbina de CO2. Si se desea, pueden incluirse uno o más elementos adecuados para proporcionar entrada de calor adicional. Por ejemplo, puede utilizarse una turbina de gas para proporcionar entrada de calor de baja temperatura utilizando el contenido de calor y nivel de temperatura del escape de la turbina de gas. Debido a las limitaciones de temperatura para la corriente de entrada de turbina de gas, incluso si se utilizan tecnologías extensas de refrigeración interna y recubrimiento protector, el escape de turbina de gas contendrá típicamente una concentración molar de oxígeno de alrededor de 12% a alrededor de 15%. El escape caliente de turbina de gas puede así utilizarse como alimentación de baja presión y alta temperatura que contiene oxígeno para un combustor de membrana de transporte de iones oxígeno ( iTm , por sus siglas en inglés) en lugar de o además del uso de una corriente calentada de aire de presión cercana a ambiente. El escape caliente de gas empobrecido en oxígeno que abandona el combustor ITM puede utilizarse para proporcionar entrada de calor de baja temperatura según sea necesario.
El uso de un calentador ITM que calienta el escape de turbina de CO2 puede ser útil para elevar la temperatura del escape de turbina antes de que entre en el extremo caliente de un intercambiador de calor recuperador. La corriente de entrada de turbina de alta presión puede abandonar el extremo caliente del intercambiador de calor recuperador y entrar en la turbina sin calentamiento adicional. La temperatura máxima de entrada de turbina puede definirse como la máxima temperatura que puede tolerarse para el intercambiador de calor recuperador basada en el material de construcción de diseño del intercambiador de calor, los márgenes de diseño, y los requerimientos de código legales. A partir de una presión de funcionamiento elevada de alrededor de 200 bar a alrededor de 400 bar, y utilizando el mejor diseño actual tal como los intercambiadores de calor de alta presión compactos de unión por difusión HEATRIC con las mejores aleaciones de temperatura elevada actualmente disponibles, ahora es posible una temperatura de entrada de turbina de alrededor de 750 °C a alrededor de 850 °C, y se espera que puedan lograrse temperaturas aún más elevadas utilizando aleaciones de temperatura más elevada.
En una o más realizaciones, la eficiencia de un ciclo de producción de potencia puede maximizarse mediante el funcionamiento del ciclo a la limitación de temperatura impuesta por las limitaciones de diseño del intercambiador de calor recuperador. Por ejemplo, un rango de temperatura de funcionamiento de alrededor de 750 °C a alrededor de 850 °C para una temperatura de entrada de turbina es ahora el límite superior para una turbina de alta presión que funciona sin refrigeración interna de los álabes o la cubierta interior (pero podría suponer algunos recubrimientos protectores aplicados internamente). Reducir la temperatura de entrada de turbina desde el rango superior típico de alrededor de 1100°C a 1200°C hasta un rango inferior de alrededor de 750°C a 850°C da lugar a un descenso significativo de la salida de potencia para un flujo de entrada de turbina fijo. Sorprendentemente, esto no da lugar a un descenso grande correspondiente de la eficiencia térmica total de un ciclo de producción de potencia según la presente descripción. Dicha eficiencia térmica puede estar en el rango de alrededor del 52% a alrededor del 54% (base de valor de calentamiento inferior, LHV por sus siglas en inglés) basado en las limitaciones actuales de diseño de componentes y en el desempeño optimizado. Un sistema que funciona en condiciones como las descritas en la presente memoria puede conservar la capacidad de capturar cerca del 100% del CO2 derivado de la combustión de gas combustible. La integración de turbina de gas permite la captura del 100% del CO2 del gas combustible que entra en el combustor ITM para alimentar el ciclo de producción de potencia. El CO2 derivado de la entrada de combustible de turbina de gas se ventearía normalmente a la atmósfera. Esto da lugar a una reducción de la captura total de CO2 para una turbina de gas de dimensionamiento máximo opcionalmente integrada con el sistema ahora descrito hasta un rango de alrededor del 60% a alrededor del 70%.
En algunas realizaciones, los sistemas y procedimientos ahora descritos pueden proporcionar un sistema de turbina de dos fases que utiliza una etapa de calentamiento intermedia con un segundo calentador ITM que proporciona la máxima eficiencia alcanzable para la producción de potencia. La turbina empleada para la producción de potencia puede ser una unidad de dos fases con la primera turbina descargando a una presión intermedia. La corriente de descarga puede recalentarse después empleando un combustor de gas combustible ITM hasta una temperatura elevada antes de expandirse en una turbina de segunda fase a la presión de descarga de turbina final.
En una o más realizaciones, puede utilizarse una membrana cerámica de transporte de iones oxígeno de alta temperatura para transferir oxígeno de una corriente que contiene O2 (preferiblemente una corriente calentada y preferiblemente una corriente de baja presión) a una corriente que contiene componentes de combustible (p.ej., CH4, H2, CO, hidrocarburos de peso molecular alto, y mezclas de estos componentes) y opcionalmente CO2 (dicha corriente puede calentarse y puede estar a alta presión). El O2 transferido resultante oxida el combustible produciendo calor y los productos CO2 más H2O. El calor liberado eleva la temperatura del CO2 y los productos de combustión. Si se desea, la ITM puede configurarse para combustionar u oxidar solo parcialmente uno o más componentes de combustible. Por ejemplo, un combustible carbonoso se puede combustionar u oxidar parcialmente para formar al menos CO como producto de oxidación parcial.
En una o más realizaciones, la corriente de CO2 puede ser una corriente de salida de turbina de una primera o segunda turbinaque después de calentarse en la unidad ITM por combustión de los componentes de combustible contenidos con oxígeno difundido finalmente se convierte en la corriente de retorno que entra en un intercambiador de calor recuperador.
En una o más realizaciones, la primera corriente de CO2 calentada se puede pasar en transferencia de calor indirecta a una segunda corriente de CO2 de alta presión elevando la temperatura de la segunda corriente de CO2. En una o más realizaciones, la segunda corriente de CO2 se puede pasar a la primera turbina de producción de potencia.
En una o más realizaciones, la primera o segunda corriente de descarga de turbina de producción de potencia a la presión de sistema más baja se emplea en todo o en parte para proporcionar la primera corriente de CO2.
En algunas realizaciones, se puede configurar un sistema y procedimiento para la producción de potencia de manera que un combustible es combustionado en presencia de una corriente de oxígeno puro para proporcionar calor a un fluido de trabajo circulante en un ciclo de potencia. Dicho sistema y procedimiento puede estar caracterizado por una o más de las siguientes afirmaciones, que pueden combinarse en cualquier orden o número. El oxígeno puede proporcionarse por difusión a través de un sistema de membrana de transporte de iones oxígeno. El oxígeno puede difundirse desde una corriente de aire precalentada.
El oxígeno puede difundirse en una corriente precalentada del fluido de trabajo en el ciclo de potencia que contiene componentes que pueden oxidarse por reacción con oxígeno puro, liberando calor de combustión.
Pueden proporcionarse medios para precalentar tanto la corriente de aire de alimentación como el fluido de trabajo de alimentación antes de entrar en la unidad ITM.
Pueden proporcionarse medios para generar potencia desde el fluido de trabajo circulante en un ciclo de potencia empleando una unidad de generación de potencia de turbina.
El fluido de trabajo circulante puede ser dióxido de carbono.
Un ciclo de potencia que emplea CO2como fluido de trabajo puede llevarse a cabo puede particularmente incluir la combustión de un gas combustible gaseoso mezclado con la corriente de escape de turbina empleando oxígeno sustancialmente puro que se difunde a través de un sistema de membrana de transporte de iones oxígeno para precalentar el escape de turbina hasta una temperatura más elevada.
Puede utilizarse un intercambiador de calor recuperador de manera que el escape de turbina calentado se enfríe al tiempo que calienta el flujo de entrada de turbina.
El fluido de trabajo de CO2 puede enfriarse hasta temperatura cercana a ambiente y puede separarse el agua condensada.
Puede emplearse un sistema de compresión que recicla la corriente enfriada de escape de turbina purificada desde la presión de descarga de turbina hasta la presión de entrada de turbina.
Una corriente de producto de CO2 netapuede derivarse de la oxidación del carbono presente en la corriente de gas combustible y puede retirarse a cualquier presión entre las presiones de entrada y salida del compresor.
Puede proporcionarse una fuente de calor adicional para introducir calor añadido a la corriente de reciclaje de CO2 presurizado además del calor proporcionado desde la corriente de escape de turbina de refrigeración.
La presión de entrada de turbina puede ser de alrededor de 200 bar a alrededor de 400 bar.
La presión de salida de turbina puede ser de alrededor de 20 bar a alrededor de 40 bar.
La corriente de alimentación que contiene oxígeno para la membrana de transporte de iones oxígeno puede ser aire. La corriente de alimentación que contiene oxígeno para la membrana de transporte de iones oxígeno puede ser una corriente de escape de turbina de gas.
La presión de la corriente de alimentación que contiene oxígeno puede ser 1,4 bar o menos.
La turbina puede ser una unidad de dos fases en la que la corriente de descarga de la turbina de primera fase se calienta en un primer combustor de membrana de transporte de iones oxígeno para convertirse en la entrada a la turbina de segunda fase, y la descarga de turbina de segunda fase se calienta en una segunda unidad de combustión de membrana de transporte de iones oxígeno para convertirse en la corriente de descarga de turbina de entrada que entra en el extremo caliente del intercambiador de calor recuperador.
La presión de entrada de la turbina de segunda fase puede estar en el rango de alrededor de 70 bar a alrededor de 120 bar.
Una porción del escape de turbina de temperatura cercana a ambiente se puede reciclar y calentar en el intercambiador de calor recuperador hasta la temperatura de entrada de la primera o única turbina, después añadirse al escape de turbina para elevar su temperatura y permitir variación en las temperaturas de entrada del combustor ITM tanto para la corriente que contiene oxígeno como para la corriente de escape de turbina.
La geometría de la membrana de transporte de iones oxígeno puede ser en forma de un tubo de sección transversal circular que presenta el gas que contiene oxígeno de baja presión en el exterior del tubo y el escape de turbina más las corrientes de gas combustible en el interior del tubo.
El tubo ITM puede ser cerrado en el extremo situado más abajo y provisto de un tubo interior a través del cual se extrae el escape de turbina calentado de producto.
La corriente que contiene oxígeno puede fluir en un tubo colocado de manera concéntrica al tubo ITM y rodeando el tubo ITM.
Los tres tubos concéntricos pueden estar montados verticalmente con cada uno sellado en una de tres planchas de tubo contenidas en un vaso de presión definiendo la plancha de tubo superior un espacio que presenta la corriente de salida de escape de turbina calentada, definiendo la plancha de tubo central un espacio que presenta la corriente de escape de turbina de entrada, y definiendo la plancha de tubo inferior un espacio que presenta la corriente de entrada que contiene oxígeno.
El tubo concéntrico exterior que contiene oxígeno puede ser de extremo abierto de manera que la corriente que contiene oxígeno empobrecido ventea al vaso de presión y pasa hacia arriba para ser extraída debajo de la plancha de tubo inferior.
En algunas realizaciones, un sistema para la producción de potencia puede comprender: una turbina de producción de potencia configurada para expandir una corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado para producir una corriente de escape de turbina y para producir potencia; una fuente de corriente que contiene oxígeno configurada para proporcionar una corriente que contiene oxígeno; una fuente de combustible configurada para la entrada de un combustible en la corriente de escape de turbina; un sistema de membrana de transporte de iones (ITM) configurado para recibir la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada y configurado para recibir la corriente que contiene oxígeno, siendo el ITM eficaz para la difusión de oxígeno de la corriente que contiene oxígeno en la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada para combustionar al menos parcialmente al menos una porción del combustible de entrada y para proporcionar una corriente que contiene CO2 calentada; y un intercambiador de calor recuperador configurado para transferir calor de la corriente que contiene CO2 a la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado.
El sistema puede definirse además en relación con una cualquiera o más de las siguientes afirmaciones, que pueden combinarse en cualquier orden o número.
El sistema puede comprender además un separador configurado para recibir la corriente que contiene CO2 del intercambiador de calor recuperador y generar una corriente de CO2 sustancialmente puro.
El sistema puede comprender además al menos un compresor configurado para comprimir al menos una porción del CO2 sustancialmente puro y proporcionar el CO2 reciclado.
El sistema puede comprender además al menos una fuente de calor añadido configurada para añadir calor a la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado además del calor transferido desde la corriente que contiene CO2.
El sistema puede comprender además uno o ambos de un precalentador de corriente que contiene oxígeno configurado para calentar la corriente que contiene oxígeno situado másarriba de la ITM y un precalentador de corriente de escape de turbina configurado para calentar la corriente de escape de turbina situada másarriba de la ITM.
La fuente de corriente que contiene oxígeno puede ser aire.
La fuente de corriente que contiene oxígeno puede ser una corriente de escape de una turbina de gas.
La turbina de producción de potencia puede comprender una serie de al menos dos turbinas.
El sistema puede comprender al menos una primera ITM y una segunda ITM.
La ITM puede comprender una membrana de difusión que tiene forma de tubo, presentando la membrana de difusión una superficie exterior configurada para ponerse en contacto con la corriente que contiene oxígeno y una superficie interior configurada para ponerse en contacto con la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada.
La membrana de difusión que tiene forma de tubo puede presentar un extremo situado másarriba que es abierto y un extremo situado másabajo que es cerrado.
La ITM puede comprender un tubo metálico interior posicionado dentro de la membrana de difusión que tieneforma de tubo.
La ITM puede comprender un tubo metálico exterior que está rodeando y es concéntrico a la membrana de difusión que tiene forma de tubo.
La ITM puede comprender un vaso de presión exterior.
En algunas realizaciones, un procedimiento para la producción de potencia puede comprender: expandir una corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado en una turbina de producción de potencia para producir una corriente de escape de turbina y para producir potencia; proporcionar una corriente que contiene oxígeno desde una fuente de corriente que contiene oxígeno; introducir un combustible desde una fuente de combustible en la corriente de escape de turbina para formar una corriente combinada de escape de turbina/combustible; pasar la corriente que contiene oxígeno y la corriente combinada de escape de turbina/combustible a través de un sistema de membrana de transporte de iones (ITM) que es eficaz para la difusión de oxígeno de la corriente que contiene oxígeno en la corriente combinada de escape de turbina/combustible con el fin de combustionar u oxidar al menos parcialmente al menos una porción del combustible en la corriente combinada de escape de turbina/combustible y para proporcionar una corriente que contiene CO2 calentada; y calentar la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado en un intercambiador de calor recuperador utilizando calor de la corriente calentada que contiene CO2 antes de expandir la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado en la turbina de producción de potencia.
El procedimiento puede definirse además en relación con una cualquiera o más de las siguientes afirmaciones, que pueden combinarse en cualquier orden o número.
El procedimiento puede comprender además purificar la corriente que contiene CO2 para proporcionar una corriente de CO2 sustancialmente puro.
El procedimiento puede comprender además comprimir al menos una porción del CO2 sustancialmente puro en al menos un compresor para formar el CO2 reciclado.
Al menos una porción del CO2 reciclado puede estar en estado supercrítico.
La corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado puede estar a una presión de alrededor de 200 bar o mayor. El procedimiento puede comprender además calentar la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado empleando calor añadido de una fuente diferente de la corriente calentada que contiene CO2.
El procedimiento puede comprender además calentar uno o ambos de la corriente que contiene oxígeno y el escape de turbina situado másarriba de la ITM.
La fuente de corriente que contiene oxígeno puede ser aire.
La fuente de corriente que contiene oxígeno puede ser una corriente de escape de una turbina de gas.
La turbina de producción de potencia puede comprender una serie de al menos dos turbinas.
El procedimiento puede comprender el uso de al menos una primera ITM y una segunda ITM.
La ITM puede comprender una membrana de difusión que tiene forma de tubo, presentando la membrana de difusión una superficie exterior configurada para ponerse en contacto con la corriente que contiene oxígeno y una superficie interior configurada para ponerse en contacto con la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada.
La membrana de difusión que tiene forma de tubo puede presentar un extremo situado másarriba que es abierto y un extremo situado másabajo que es cerrado.
La ITM puede comprender un tubo metálico interior posicionado dentro de la membrana de difusión que tiene forma de tubo.
La ITM puede comprender un tubo metálico exterior que está rodeando y es concéntrico a la membrana de difusión que tiene forma de tubo.
La ITM puede comprender un vaso de presión exterior.
La corriente de escape de turbina puede presentar una presión de alrededor de 80 bar o menos.
La corriente que contiene oxígeno puede estar a una presión no mayor de 10 bar.
Breve descripción de las figuras
La fig. 1a es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 1b es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 1c es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 2 es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 3 es una sección transversal parcial de un calentador de escape de turbina de membrana de transferencia de iones según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 4 es una sección transversal parcial de una porción del calentador de escape de turbina de membrana de transferencia de iones de la fig. 3;
La fig. 5 es una sección transversal parcial de un tubo en disposición de tubo de un calentador ITM según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 6 es una sección transversal parcial de una sección de pared de un calentador ITM según las realizaciones de la presente descripción;
La fig. 7 es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción; y
La fig. 8 es una representación esquemática de un sistema y procedimiento para la producción de potencia según las realizaciones de la presente descripción.
Exposición detallada de la descripción
La presente descripción se describirá más completamente en lo sucesivo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran algunas, pero no todas las implementaciones de la descripción. En efecto, varias implementaciones de la descripción pueden estar expresadas de muchas formas diferentes y la misma no debería interpretarse como limitada a las implementaciones expuestas en la presente memoria; antes bien, estas implementaciones ejemplares se proporcionan de manera que la presente descripción será minuciosa y completa, y transmitirá de manera completa el alcance de la descripción a los expertos en la materia. Por ejemplo, a menos que se indique otra cosa, algo que se describe como un/a primero/a, segundo/a o similar no debería interpretarse que implica un orden particular. Asimismo, algo que puede que se describa como que está encima de algo más (a menos que se indique otra cosa) puede en su lugar estar debajo, y viceversa; y de manera similar, algo descrito como que está a la izquierda de algo más puede en su lugar estar a la derecha, y viceversa. Tal como se utilizan en la memoria descriptiva, y en las reivindicaciones anejas, las formas singulares «un», «uno», «una», «el», «la», incluyen referentes plurales a menos que el contexto claramente dicte otra cosa. Números de referencia iguales se refieren a elementos iguales a lo largo de la descripción.
La presente descripción se refiere a sistemas y procedimientos de producción de potencia que utilizan un combustor de membrana de transporte de iones (ITM). Dicho combustor ITM puede estar combinado con una variedad de elementos adicionales para proporcionar sistemas y procedimientos de producción de potencia. Ejemplos no limitativos de elementos que pueden estar incluidos en un sistema de producción de potencia según la presente descripción se describen en la patente de Estados Unidos núm. 8,596,075, patente de Estados Unidos núm.
8,776,532, patente de Estados Unidos núm. 8,959,887, patente de Estados Unidos núm. 8,986,002, patente de Estados Unidos núm. 9,068,743, patente de Estados Unidos núm. 9,416,728, patente de Estados Unidos núm.
9,546,814, patente de Estados Unidos núm. de publicación 2012/0067054, y patente de Estados Unidos núm. de publicación 2013/0213049.
Los sistemas y procedimientos tal y como se describen en la presente memoria pueden así incluir cualquier combinación de las realizaciones descritas en los documentos anteriores.
La producción de potencia de alta eficiencia en un procedimiento de combustión de oxicombustible que utiliza CO2como fluido de trabajo puede requerir una planta criogénica separadora de aire separada para producir oxígeno. Este debe suministrarse al combustor a una concentración molar controlada de alrededor de 20% a alrededor de 30% precalentada hasta comúnmente por encima de 700 °C. El oxígeno se diluye con CO2, lo que requiere un tren compresor de O2/CO2 separado o, alternativamente, se requiere una planta criogénica de separación de aire más compleja que suministre oxígeno puro a la presión del combustor con un consumo de potencia significativamente más elevado. Además, el metano empleado como combustible en dichos ciclos debe comprimirse hasta una presión de alrededor de 305 bar utilizando un compresor de alta presión.
En una o más realizaciones de la presente descripción, el requisito de uno o más de dichos elementos puede eliminarse y reemplazarse por un combustor ITM. Asimismo, la presente descripción proporciona una variedad de ciclos de producción de potencia en los que se utiliza un combustor ITM como la única fuente de producción de oxígeno y/o como el único elemento de combustión, así como ciclos en los que un combustor ITM puede combinarse con otras fuentes de oxígeno (p.ej., una unidad criogénica de separación de aire) y/o con uno o más combustores diferentes. El combustor ITM puede utilizarse en un ciclo cerrado, un ciclo semicerrado, o un sistema de ciclo abierto.
En la fig. 1a se muestra una realización ejemplar, en la que se utiliza una unidad 184 de membrana de transporte de iones (ITM) que funciona a temperaturas superiores a 700 °C para proporcionar calor (Q) a un ciclo 193 de producción de potencia. El ciclo 193 de producción de potencia puede ser cualquier ciclo en el que un fluido de trabajo (p.ej., H2O, CO2, o N2) se calienta y enfría repetidamente para la generación de potencia. El ciclo 193 de producción de potencia puede incluir cualquier número de fases de calentamiento y refrigeración, así como cualquier número de fases de presurización y expansión. Tal como se ilustra, la unidad 184 ITM está provista de una corriente 178 de entrada de aire y una corriente 112 de gas combustible (p.ej., CH4). Dentro de la unidad 184 ITM, el oxígeno 105 se difunde desde la corriente 178 de aire en la corriente 112 de gas combustible y, el gas combustible se combustiona. La corriente 112 de gas combustible puede opcionalmente estar diluida con un gas inerte tal como CO2. Preferiblemente, una mayor parte (p.ej., mayor de 50% en moles, mayor de 70 % en moles, o mayor de 80 % en moles) del O2 en la corriente 178 de entrada de aire se separa en la unidad 184 ITM, y una corriente 179 de aire empobrecido sale de la unidad ITM. Una corriente181 de producto de combustión (que puede comprender sustancialmente solo CO2 y H2O o que puede incluir impurezas adicionales, dependiendo del combustible empleado) sale también de la unidad 184 ITM, y la corriente de producto de combustión puede pasarse a través de una turbina de producción de potencia, ventearse, o manipularse vía otros medios reconocidos en la técnica.El sistema ilustrado en la fig. 1a puede ser particularmente útil para el suministro de calor desde la unidad 184 ITM a un sistema cerrado de producción de potencia.
En la fig. 1b se muestra una realización ejemplar adicional, en la que una unidad 184 ITM se utiliza como un sistema semicerrado. Tal como se ilustra, la unidad 184 ITM se combina con un ciclo 193 de producción de potencia de manera que una corriente 180 de fluido de trabajo se pasa directamente a través de la unidad ITM. Como ejemplo, la corriente de fluido de trabajo puede comprender CO2 o puede estar sustancialmente formada completamente de CO2. La unidad 184 ITM está provista de una corriente 178 de entrada de aire y una corriente 112 de gas combustible (p.ej., CH4), que puede inyectarse directamente en la unidad ITM o puede añadirse a la corriente 180 de fluido de trabajo. De nuevo, dentro de la unidad 184 ITM, el oxígeno 105 se difunde desde la corriente 178 de aire en la mezcla de la corriente 112 de gas combustible y la corriente 180 de fluido de trabajo de manera que el gas combustible se combustiona. La corriente 179 de aire empobrecido sale de la unidad iT m , y la corriente 181 de producto de combustión sale de la unidad 184 ITM para ser utilizada adicionalmente en el ciclo 193 de producción de potencia.
En una o más realizaciones, el sistema ilustrado en la fig.1b puede incluir elementos adicionales que pueden modificar la función de la unidad ITM. En algunas realizaciones, la unidad ITM se puede hacer funcionar sustancialmente solo para el suministro de O2. Por ejemplo, una corriente de fluido de trabajo de CO2 y la corriente de aire pueden pasarse a través de la unidad ITM para proporcionar una corriente combinada de O2/CO2 que puede introducirse en un combustor para la combustión de un combustible gaseoso. En otras realizaciones, la unidad ITM puede funcionar sustancialmente como un precalentador. Por ejemplo, una corriente de aire, una corriente de fluido de trabajo de CO2, y una corriente de gas combustible pueden pasarse a través de la unidad ITM de manera que la corriente de fluido de trabajo de CO2 es precalentada antes de pasarse a un combustor con gas combustible y O2 añadidos (como desde una unidad de separación de aire). En dichas realizaciones, puede posicionarse un elemento adicional de calentamiento (p.ej., un intercambiador de calor recuperador) situado másarriba y/o situado másabajo de la unidad ITM. Dichas realizaciones se ilustran esquemáticamente en la fig. 1c. Tal como se ve en la misma, una corriente 180 de fluido de trabajo puede pasar secuencialmente a través de un intercambiador 101a de calor opcional, una unidad 184 ITM, otro intercambiador 101b de calor opcional, y un combustor 102, del que sale una corriente 181 de producto de combustión. Por consiguiente, es evidente que uno o más aspectos de la fig. 1c pueden combinarse con un sistema tal como se describe con relación a la fig. 1b.
En algunas realizaciones, los sistemas y procedimientos según la presente descripción pueden describirse con relación a la fig. 2. En la misma se ilustra un sistema que utiliza una sola turbina que expande una corriente de CO2 de alta presión, que se ha calentado en un intercambiador de calor recuperador. La corriente de escape de turbina se calienta en un calentador ITM antes de entrar en el intercambiador de calor recuperador donde calienta la corriente de CO2 de alta presión.
Tal como se ilustra en la fig. 2, se proporciona una unidad 284 ITM con una corriente 278 precalentada de entrada de aire que entra en la unidad ITM a una presión de alrededor de 1,25 bar y una temperatura de alrededor de 750 °C. Dentro de la unidad 284 ITM también hay una alimentación de flujo 280 precalentado de descarga de turbina (que puede comprender sustancialmente solo CO2 -p.ej., al menos 98 % en moles, al menos 99 % en moles, o al menos 99,5 % en moles de CO2) a una presión de alrededor de 30 bar y una temperatura de alrededor de 750 °C y que está mezclado con una corriente 212 de CH4 a una presión de alrededor de 30 bar que se ha precalentado hasta una temperatura de alrededor de 550 °C en el intercambiador 201 de calor. En la unidad 284 ITM, el flujo 280 de descarga de turbina y la corriente 212 de CH4 pueden caracterizarse como una corriente combinada de CO2/CH4. La corriente 212 de CH4 se toma directamente de un gasoducto de gas natural, corriente 211, sin necesidad de un compresor de alta presión. Se entiende que, en algunas realizaciones, puede proporcionarse una corriente de CH4 diferente (p.ej., gas natural u otro combustible carbonoso gaseoso), y el sistema puede incluir un compresor de CH4. Dentro de la unidad 284 ITM, el oxígeno se difunde desde la corriente 278 de aire de baja presión en la corriente de CO2/CH4de presión significativamente más elevada debido a la concentración de oxígeno de muy bajo equilibrio en el lado de CO2/CH4 a temperaturas entre la entrada a alrededor de 750 °C y la salida a alrededor de 1020 °C -i.e., en el rango de <10"15 bar.
En la realización ilustrada mostrada en la fig. 2, el punto de diseño para la difusión de oxígeno es para que el 90 % del oxígeno en la corriente 278 de aire de alimentación se difunda a través de la membrana en la unidad 284 ITM abandonando una corriente 279 de salida de aire empobrecido a 1020 °C, que es sustancialmente la misma temperatura de salida para la corriente 281 de CO2 en la que todo el CH4 que entró en la unidad ITM se ha oxidado a CO2 y H2O. Preferiblemente, las corrientes de entrada (i.e., aire, CO2 , y CH4) que entran en la unidad 284 ITM están a temperaturas de alrededor de 700 °C o mayores (p.ej., de alrededor de 700 °C a alrededor de 1200 °C, de alrededor de 700 °C a alrededor de 1000 °C, o de alrededor de 700 °C a alrededor de 850 °C) ya que las temperaturas más elevadas favorecen la movilidad de iones oxígeno en la celosía cristalina de la membrana cerámica de óxido mezclado de perovskita utilizada en la unidad ITM. Se proporciona un intercambiador 283 de calor precalentador ITM para calentar la corriente 274 de aire (a una presión de alrededor de 1,3 bar y una temperatura de alrededor de 682,6 °C) y la corriente 209 de descarga de turbina de CO2 (a una presión de alrededor de 30 bar y una temperatura de alrededor de 506,5 °C) hasta la temperatura de entrada de ITM de 750 °C empleada en la realización ilustrada. En una o más realizaciones, la turbina 209 puede presentar una presión de salida de alrededor de 100 bar o menos, alrededor de 80 bar o menos, alrededor de 60 bar o menos, o alrededor de 40 bar o menos (p.ej., hasta 1 bar). La presión de salida, por ejemplo, puede ser de alrededor de 1 bar a alrededor de 80 bar, de alrededor de 5 bar a alrededor de 70 bar, de alrededor de 10 bar a alrededor de 60 bar, de alrededor de 15 bar a alrededor de 50 bar, o de alrededor de 20 bar a alrededor de 40 bar. La corriente 275 de aire empobrecido y la corriente 282 de CO2/H2O abandonan el precalentador 283 a alrededor de 840 °C.
La corriente 282 de CO2/H2O a una presión de alrededor de 29,7 bar se enfría en el intercambiador 201 de calor recuperador abandonando como corriente 213 a una temperatura de alrededor de 75 °C. Esta corriente se enfría más hasta alrededor de 20 °C contra agua circulante en un refrigerador 215 de contacto directo que presenta una sección 214 compacta y un sistema de circulación de agua que comprende una bomba 216, un refrigerador 217 de agua indirecto y corrientes 219, 220 y 221 de flujo. El refrigerador 215 de contacto directo funciona como un separador para separar el agua excedente producida a partir de la combustión de CH4, dicha agua abandona como corriente 218. El refrigerador 215 de contacto directo puede así proporcionar CO2 sustancialmente puro (p.ej., al menos 95 % en moles, al menos 98 % en moles, al menos 99 % en moles, o al menos 99,5 % en moles de CO2) como una corriente enfriada de descarga. La corriente enfriada de CO2 de descarga se divide. Una corriente 261 neta de producto de CO2 derivada de CO2 producido a partir de la oxidación de CH4 se extrae para su eliminación. En particular, el CO2 neto puede extraerse para secuestro, para su uso en recuperación mejorada de crudo, para venta, o para otros usos finales. La corriente 222 de reciclaje de CO2 remanente se comprime en el compresor de reciclaje de CO2 de dos fases (en el que la corriente 238 que sale del compresor 259 de primera fase se enfría en el refrigerador intermedio 260 antes del paso a través del compresor 225 de segunda fase) para producir una corriente 227 de descarga de segunda fase a una presión de alrededor de 70 bar. Una porción 235 de la corriente 227 de descarga de segunda fase a una temperatura de alrededor de 51 °C y una presión de alrededor de 70 bar se extrae y se comprime en un compresor 236 adiabático hasta una presión de alrededor de 304 bar y una temperatura de alrededor de 183,2 °C abandonando como corriente 237. Tal como se trata a continuación, el compresor 236 adiabático puede funcionar como una fuente de calor añadido para proporcionar calor añadido al flujo de reciclaje de CO2 en la corriente 230 en el intercambiador 201 de calor. La porción remanente de la corriente 227 se enfría hasta una temperatura de alrededor de 18 °C en el intercambiador 226 de calor enfriado por agua produciendo corriente 228 que es un fluido de CO2 supercrítico de alta densidad. Esta corriente se comprime hasta alrededor de 304 bar en una bomba 229 centrifugadora multifase. En una o más realizaciones, la presión del CO2 de reciclaje que abandona la bomba 229 centrifugadora multifase puede ser de alrededor de 150 bar o mayor, alrededor de 200 bar o mayor, alrededor de 250 bar o mayor, o alrededor de 300 bar o mayor (p.ej., de alrededor de 150 a alrededor de 500 bar, de alrededor de 200 a alrededor de 450 bar, o de alrededor de 250 a alrededor de 400 bar). Considerando dichas presiones, la corriente de trabajo que se expande en la turbina 203 puede estar a sustancialmente la misma presión que cualquiera de los rangos anteriormente mencionados. La corriente 230 de descarga a una temperatura de alrededor de 37 °C se calienta en el intercambiador 201 de calor recuperador hasta una temperatura de alrededor de 800 °C contra la corriente 282 de refrigeración de CO2/H2O calentado que entra en el intercambiador de calor recuperador a una temperatura de alrededor de 840 °C. La corriente 237 caliente de descarga de compresor de CO2 entra en el intercambiador 201 de calor donde se mezcla con el flujo principal de reciclaje de CO2 en la corriente 230 de manera que proporciona la fuente de entrada de calor de baja temperatura proporcionada externamente requerida para lograr elevada eficiencia en el ciclo de potencia. Las tres fases de compresión 259, 225 y 236 de CO2 son todas parte de un solo compresor de CO2 que está montado en el mismo eje que la turbina 203, y el compresor de CO2 es accionado por la turbina. La corriente 210 total de reciclaje de CO2 (que puede definirse como una corriente de trabajo que comprende CO2) calentada hasta alrededor de 800 °C en el intercambiador 201 de calor recuperador es la alimentación para la turbina 203 de potencia que acciona el generador 204 eléctrico. La corriente 275 de aire empobrecido a una temperatura de alrededor de 840 °C se enfría en el intercambiador 277 de calor contra una corriente 273 de entrada de aire a una temperatura de alrededor de 45 °C y abandona una corriente 276 enfriada de aire empobrecido a una temperatura de alrededor de 55 °C y ventea a la atmósfera. La corriente 270 de aire de entrada se comprime hasta una presión de alrededor de 1,4 bar y una temperatura de alrededor de 45 °C en un soplador 271 de aire accionado por un motor 272 eléctrico. Para mantener los diferenciales de presión deseados tal como se describe de otro modo en la presente memoria, puede ser preferible que el aire de entrada se comprima hasta una presión no mayor de 20 bar, no mayor de 15 bar, no mayor de 10 bar, no mayor de 5 bar, o no mayor de 2 bar, dependiendo de la presión de la corriente de escape de turbina (i.e. la corriente de CO2/CH4) pasada a través de la ITM contra la corriente de aire.
El nivel de temperatura de entrada para la turbina 203 de 800 °C puede variar basado en la limitación de temperatura del intercambiador 201 de calor a la presión de funcionamiento de 300 bar. Dependiendo del máximo nivel de esfuerzo de diseño en la sección de extremo caliente del intercambiador 201 de calor recuperador la presión del CO2 de alta presión podría estar en el rango de 200 bar a 400 bar y la temperatura de entrada de la turbina podría estar en el rango de alrededor de 700°C a 850°C. El nivel de temperatura de 800 °C para la entrada de turbina significa que no es necesario proporcionar flujo de refrigeración para limitar las temperaturas en los álabes de la turbina y la cubierta de alta presión. Esto simplifica la turbina y unido a la ausencia del combustor interno proporciona una unidad mucho más barata sin pérdida de eficiencia causada por la mezcla de CO2 de refrigeración de baja temperatura con CO2 de expansión de alta temperatura.
Opcionalmente puede haber una corriente de reciclaje de CO2285, tomada de la entrada de la corriente 222 de compresor de reciclaje de CO2 y comprimida en un soplador 286 de ratio de baja presión accionado por un motor 290 eléctrico. La corriente 287 de descarga se calienta hasta 800°C en el intercambiador 201 de calor recuperador abandonando como corriente 288 y esta se mezcla con la corriente 209 de escape de turbina para elevar su temperatura.La función de esta corriente es permitir la entrada de calor a la unidad 284 ITM y que el intercambiador 283 de calor precalentador se ajuste para permitir variación en la temperatura del aire y que las corrientes 278 y 280 de entrada de ITM de escape de turbina se adapten al desempeño de la membrana iT m . En algunas realizaciones, el calor producido por la ITM puede utilizarse para proporcionar una variedad de productos. Por ejemplo, al menos una porción del calor puede emplearse para producir vapor u otros subproductos obtenidos térmicamente.
Los elementos mencionados con relación a la fig. 2, tales como intercambiadores de calor, bombas, compresores, turbinas, refrigeradores, y similares se describen en las anteriormente mencionadas patente de Estados Unidos núm. 8,596,075, patente de Estados Unidos núm. 8,776,532, patente de Estados Unidos núm. 8,959,887, patente de Estados Unidos núm. 8,986,002, patente de Estados Unidos núm. 9,068,743, patente de Estados Unidos núm.
9,416,728, patente de Estados Unidos núm. 9,546,814, patente de Estados Unidos núm. de publicación 2012/0067054, y patente de Estados Unidos núm. de publicación 2013/0213049 y dichos elementos pueden utilizarse en cualquiera de las realizaciones descritas en la presente memoria.
En una o más realizaciones, una unidad ITM (o combustor ITM) puede ser como se ilustra en la fig. 3, la fig. 4, la fig.
5, y la fig. 6. Se basa en el uso de un tubo circular liso para la geometría de la membrana ITM con el escape de turbina de 30 bar más combustible CH4 dentro del tubo mientras el aire de baja presión rodea al tubo. Puede fabricarse un tubo ITM cerámico a partir de un material de óxido mezclado de perovskita que se describe en la bibliografía. Véase, por ejemplo, Repasky et al., ITM Oxygen Technology: Scale-Up Toward Clean Energy Applications, International Pittsburg Coal Conference, Pittsburg, PA, 15-18 de octubre de 2012, y la patente de Estados Unidos núm. 5,447,555 concedida a Ye et al. cuyas descripciones se incorporan en la presente por referencia.
Tal como se ilustra en la fig. 3 y la fig. 6, el tubo comprende una capa 318 de perovskita porosa con una capa 317 de difusión impermeable muy delgada de cerámica de perovskita sólida en la superficie exterior del tubo. La difusión de iones oxígeno ocurre a través de esta capa 317 delgada a temperaturas entre 750 °C y 1020 °C debido a la diferencia en concentración de iones oxígeno de equilibrio entre el lado de aire de baja presión y el escape de turbina de CO2/CH4 de presión más alta más combustible dentro del tubo. La ITM actúa como una célula electroquímica cortocircuitada con transferencia de electrones a través de los iones metálicos proporcionando la ionización de las moléculas de oxígeno en la interfaz de aire mientras las moléculas de oxígeno ceden sus electrones y pasan fuera de la capa de difusión cerámica en la interfaz de CO2/CH4. La tasa de difusión puede calcularse como:
D“ ln [(P1)/(P2)] x (1/t)],
donde D es la tasa de difusión, P1 y P2 son las presiones parciales de equilibrio del oxígeno en el lado de aire y el lado de CO2/CH4 de la membrana, respectivamente, y t es el espesor de la capa 317 de difusión sólida de perovskita.
La fig. 3 muestra una configuración ejemplar de un sistema integrado de membrana de transporte de iones (ITM) contenido en un vaso 330 de presión. El ITM incluye una pluralidad de tubos concéntricos para el flujo de las varias corrientes y la difusión de oxígeno a través de la membrana de difusión. Tal como se ve en la vista hacia abajo de la sección transversal de la fig. 5, la pluralidad de tubos incluye un tubo 309 metálico exterior y un tubo 307 metálico interior separados por un tubo 308 de membrana de difusión, que es un miembro cerámico de perovskita tal como se describe anteriormente de otro modo. Un espacio 310 anular exterior está presente entre el tubo 309 metálico exterior y el tubo 308 de membrana de difusión, y un espacio 311 anular interior está presente entre el tubo 307 metálico interior y el tubo 308 de membrana de difusión. El tubo 307 metálico interior está suspendido de una plancha 302 de tubo superior, el tubo 308 de membrana de difusión está suspendido de una plancha 304 de tubo central, y el tubo 309 metálico exterior está suspendido de una plancha 306 de tubo inferior.
La corriente 314a de alimentación de CO2/CH4 a una temperatura de 750°C entra en una boquilla 314 dentro del espacio 303 y fluye hacia abajo a través de los espacios 311a y 311b anulares interiores entre los tubos 307a y 307b metálicos interiores y los respectivos tubos 308a y 308b de membrana de difusión. La corriente 313a calentada de aire a una temperatura de alrededor de 750°C entra a través de una boquilla 313 enun espacio 305 y fluye hacia abajo a través de los espacios 310a y 310b anulares exteriores entre los tubos 308a y 308b de membrana de difusión y los tubos 309a y 309b metálicos exteriores de diámetro más grande, que son de extremo abierto. Los tubos 308a y 308b de membrana de difusión presentan extremos 308c y 308d inferiores sellados, respectivamente. La mezcla de CO2/CH4 calentada se mueve hacia el extremo inferior de cada tubo de membrana de difusión y entra en los extremos inferiores de los tubos 307a y 307b metálicos internos situados centralmente dentro de los tubos 308a y 308b de membrana de difusión. El oxígeno se difunde a través de la capa 317 impermeable de perovskita y oxida el CH4 contenido en la corriente 314a de CH4/CO2 que entra a través de la boquilla 314 desprendiendo calor de combustión que eleva la temperatura de la corriente de CH4/CO2 hasta 1020 °C. La corriente 312a de aire caliente empobrecido se descarga a través del extremo inferior abierto de los tubos 309a y 309b metálicos exteriores en el área 316 de base del vaso 330 de presión aislado internamente y pasa hacia arriba a través del espacio 317 dentro del vaso 330 de presión y se descarga desde la boquilla 312 que está justo debajo de la plancha 306 de tubo inferior. Esta disposición permite la libre expansión hacia abajo de los tubos 308a y 308b de membrana de difusión, los tubos 307a y 307b metálicos interiores, y los tubos 309a y 309b metálicos exteriores al elevarse las temperaturas desde ambiente. La plancha 302 de tubo superior presenta una diferencia de presión muy baja a través de la misma debido al descenso de presión a lo largo de los tubos 308a y 308b de membrana de difusión y los tubos 307a y 307b metálicos interiores. Solo tiene que soportar el peso de los tubos 307a y 307b metálicos interiores. La superficie superior de la plancha 302 de tubo superior debe estar aislada térmicamente mientras que la superficie inferior no está aislada garantizando que la plancha de tubo superior permanece a una temperatura de aproximadamente 750 °C que es la temperatura de la corriente 314a de CO2/CH4 que entra en el espacio 303 desde la boquilla 314. La penetración de los tubos 307a y 307b metálicos interiores en la plancha 302 de tubo superior debe tener collares aislantes para evitar que el flujo de salida a 1020 °C caliente la plancha de tubo indebidamente. El espacio 301 de recogida sobre la plancha 302 de tubo superior y el conducto 315 de salida están ambos aislados internamente.
La plancha 306 de tubo inferior solo soporta el peso de los tubos 309a y 309b metálicos exteriores que contienen el aire. Presenta una diferencia de presión mínima debido al descenso de presión a través de los tubos 309a y 309b metálicos de aire exteriores y el flujo de lado de carcasa en el espacio 317. Su temperatura de funcionamiento está entre 750 °C (la corriente de entrada de aire desde la boquilla 313) y 1020 °C (la corriente de salida de aire empobrecido que abandona a través de la boquilla 312). La parte inferior de la plancha 306 de tubo inferior puede estar aislada para mantener su temperatura a aproximadamente 750 °C. La plancha 304 de tubo central más altamente cargada está bajo diferencia de presión de alrededor de 30 bar a una temperatura media de alrededor de 750 °C. El ejemplo actual supone que las corrientes de entrada de aire y CO2/CH4 en las boquillas 313 y 314, respectivamente, están a una temperatura de alrededor de 750 °C. Esta temperatura puede reducirse para permitir un diseño de plancha de tubo viable a costa de una tasa inicial inferior de difusión de oxígeno en los tubos 308a y 308b de membrana de difusión y en consecuencia un aumento de la longitud de tubo o un aumento del número de tubos. Una característica crítica del diseño es el procedimiento de sellado de los tubos 308a y 308b de membrana de difusión en la plancha 304 de tubo central que está a una temperatura de 750 °C. Los medios de sellado deben acomodar la diferencia significativa entre el coeficiente de expansión de los tubos 308a y 308b de membrana de difusión y la plancha 304 de tubo central metálica. Estos objetivos pueden lograrse tal como se muestra en la fig. 4 utilizando primero collares 321 metálicos aislantes que rodean el tubo 308 de membrana de difusión el cual es soldado por sellado a la plancha 304 de tubo central. La junta 320 entre el tubo 308 cerámico y el collar 321 se llena con un espesor de una aleación metálica que está por debajo de su punto de fusión a la temperatura de entrada de aire y CO2/H2O de 750 °C pero que es muy dúctil y fácilmente y reversiblemente deformable al elevarse la temperatura de manera que la diferencia en expansión entre el collar y el tubo cerámico puede acomodarse sin imponer un esfuerzo significativo en el tubo cerámico o proporcionar un recorrido de escape. Un material adecuado es plata o posiblemente una aleación de níquel oro o níquel paladio que presentan puntos de fusión de alrededor de 1000 °C o superiores. Nótese, que en la anterior descripción, las temperaturas que se han especificado se refieren a las temperaturas totales de entrada y salida de la unidad 284 ITM. En la práctica el diseño de tubos concéntricos permite la transferencia de calor entre la corriente de aire de entrada en el espacio 310 y la corriente de aire de retorno dentro del espacio 317 de lado de carcasa. De manera similar la corriente calentada de CO2 que pasa a través de los tubos 307a y 307b metálicos interiores transferirá calor a la corriente 313 de entrada que pasa hacia abajo en el espacio 311 anular.
Otras geometrías para la unidad ITM son posibles. Por ejemplo, varias entidades han desarrollado previamente unidades ITM empleadas en los campos de la producción de oxígeno, combustión de gas combustible, y producción de gas sintético de H2+CO. Asimismo, aunque la descripción anterior se refiere a dos tubos 307a y 307b metálicos interiores, dos tubos 308a y 308b de membrana de difusión, y dos tubos 309a y 309b metálicos exteriores, la unidad ITM puede comprender solo uno de cada uno de los respectivos tubos o puede comprender tres o más de cada uno de los respectivos tubos.
Tal como se describe anteriormente, un ciclo de producción de potencia que incorpora una unidad ITM tal como se describe en la presente memoria puede incluir elementos adicionales útiles para la compresión, combustión, y/o expansión de una corriente que incluye un fluido de trabajo. En una o más realizaciones, un ciclo de producción de potencia que incluye una unidad ITM configurada para la combustión de un combustible puede incluir además una turbina de gas. En dichas realizaciones, el escape de gas caliente de la turbina de gas puede emplearse como una fuente de oxígeno en la unidad ITM y para proporcionar parte o toda la entrada de calor de bajo nivel (p.ej., por debajo de una temperatura de 400 °C) que pueda requerirse para proporcionar los niveles deseados de eficiencia.
Realizaciones ejemplares de un ciclo de producción de potencia que combina una unidad ITM y una turbina de gas son evidentes con relación a la fig. 7. Tal como se ilustra en la misma, un escape de turbina de una sola fase pasa a un calentador ITM que utiliza el escape que contiene oxígeno caliente de una turbina de gas para proporcionar parte o todo el oxígeno que se difunde a través de la membrana ITM.
Tal como se ve en la fig. 7, una turbina 542 de gas con una corriente 540 de flujo de entrada de aire y flujo 541 de combustible de gas natural acciona un generador 543 eléctrico. Un ejemplo no limitativo de una turbina de gas que puede utilizarse es la turbina de gas GE 6F.03. En las realizaciones ilustradas, la turbina 542 de gas presenta una corriente 574 de escape a una presión de alrededor de 1,03 bar y una temperatura de alrededor de 601 °C. Esta corriente se mezcla con una corriente 589 de flujo de aire de reemplazo precalentada y la corriente 591 mezclada entra en el intercambiador 585 de calor a una temperatura de alrededor de 595,2 °C. La corriente 591 presenta suficiente contenido de oxígeno basado en el 90% del oxígeno que se difunde a través de la membrana de perovskita en el combustor 584 ITM para proporcionar la combustión del CH4 de la corriente de escape de turbina.
La corriente 589 de aire se produce desde un soplador 587 de aire accionado por un motor 588 eléctrico y que presenta una corriente 586 de entrada de aire y una corriente 590 de descarga de aire a una temperatura de alrededor de 45 °C y una presión de alrededor de 1,4 bar que es calentada después contra la corriente 575 enfriada de escape de turbina de gas en el intercambiador 545 de calor. Una porción de la corriente 546 de CO2de reciclaje de 300 bar se calienta también en el intercambiador 545 de calor produciendo corriente 592 a una temperatura de alrededor de 183,2 °C que se mezcla con el flujo 537 de descarga de compresor de CO2 caliente también a aproximadamente la misma temperatura para producir la corriente 544 de flujo de baipás total de CO2, que entra en el intercambiador 501 de calor recuperador y se reincorpora al flujo principal de reciclaje de CO2 de alta presión. La descarga de turbina de gas pasa a través de seis secciones de intercambiador de calor que reducen la presión desde 1,03 bar en la salida de turbina de gas hasta 0,68 bar en la salida del intercambiador 545 de calor. La corriente 547 se comprime en el soplador 548 accionado por motor 549 eléctrico hasta una presión de alrededor de 1,02 bar, y el escape 576 de turbina se descarga a la atmósfera.
El calentador 584 ITM recibe una corriente 578 precalentada de entrada de oxidante a una temperatura de alrededor de 797 °C y recibe una corriente 580 precalentada de entrada de turbina de CO2 a una temperatura de alrededor de 750 °Cque se ha mezclado con una corriente 512 precalentada de CH4 que abandona el intercambiador 501 de calor recuperador a una temperatura de alrededor de 550 °C. La corriente 512 de CH4 se toma directamente de un gasoducto de gas natural, corriente 511, sin necesidad de un compresor de alta presión. Dicha mezcla puede ser útil para evitar una reacción de reformación entre el metano y el CO2 que enfriaría el gas de CO2 por debajo de una temperatura de entrada deseada por encima de 700 °C al combustor ITM para asegurar una difusión de oxígeno rápida. Los intercambiadores 583, 585 y 596 de calor sirven para aumentar la temperatura de la corriente 509 de salida de turbina de CO2 que sale de la turbina 503 de CO2 a una temperatura de alrededor de 506,5 °C hasta una temperatura de alrededor de 750 °C en la entrada del combustor 584 ITM mientras que la temperatura del escape de turbina de gas más la corriente 591 de aire es aumentada de alrededor de 597 °C a alrededor de 797 °C. La corriente 509 de descarga de turbina de CO2 pasa a través del intercambiador 596 de calor para formar una corriente 550, que pasa a través del intercambiador 583 de calor para formar la corriente 580 dentro de la cual se fusiona la corriente 512. Al salir del combustor 584 ITM, la corriente 581 pasa de nuevo a través del intercambiador 583 de calor abandonando como corriente 582 para entrar en el intercambiador 501 de calor. También al salir del combustor 584 ITM, la corriente 579 pasa de nuevo a través del intercambiador 583 de calor abandonando como corriente 552, que pasa a través del intercambiador 585 de calor abandonando como corriente 551, que pasa a través del intercambiador 596 de calor y abandona como corriente 575.
La corriente 582 de flujo de salida de turbina de CO2 entra en el intercambiador 501 de calor recuperador habiendo sido calentada desde una temperatura de alrededor de 506,5 °C hasta una temperatura de alrededor de 840 °C. La corriente 575 de escape de turbina de gas empobrecido en oxígeno más aire empobrecido entra en el precalentador 545 de CO2 más aire de 300 bar a una temperatura de alrededor de 520 °C y proporciona el calor añadido de baja temperatura requerido para alcanzar los niveles de eficiencia deseados y el calor requerido para precalentar la corriente 590 de aire.
La corriente 582 de flujo de salida de turbina de CO2 sale del intercambiador 501 de calor recuperador como corriente 513, que es adicionalmente enfriada en un refrigerador 514 de agua, y después contra agua circulante en un refrigerador 515 de contacto directo que presenta una sección compacta y un sistema de circulación de agua que comprende una bomba 516, un refrigerador 517 de agua indirecto y corrientes 519, 520 y 521 de flujo. El agua excedente producida a partir de la combustión de CH4 abandona como corriente 518. La corriente enfriada de CO2 de descarga se divide. Una corriente 561 neta de producto de CO2 derivada de CO2 producido a partir de oxidación de CH4 se extrae para su eliminación. La corriente 522 de reciclaje de CO2 remanente se comprime en el compresor de reciclaje de CO2 de dos fases con compresor 559 de primera fase y compresor 525 de segunda fase. La corriente que sale del compresor 559 de primera fase se divide siendo enfriada la corriente 528 en el refrigerador 560 intermedio antes de pasar a través del compresor 525 de segunda fase para producir una corriente 527 de descarga de segunda fase. Otra porción (corriente 535) de la descarga del compresor 559 de primera fase se elimina y se comprime en un compresor 536 adiabático y abandona como corriente 537, que se combina con la corriente 592 para formar la corriente 544 de flujo de baipás total de CO2. La corriente 527 que sale del compresor 525 de segunda fase se enfría en el intercambiador 526 de calor enfriado por agua produciendo corriente 528 que es un fluido de CO2 supercrítico de alta densidad. Esta corriente se comprime en una bomba 529 centrifugadora multifase. La corriente que sale de la bomba 529 centrifugadora multifase se divide en corriente 530 de descarga y corriente 546 de CO2 de reciclaje. La corriente 530 de descarga se calienta en el intercambiador 501 de calor recuperador contra la corriente 582 de flujo de salida de turbina de CO2 y se combina con la corriente 544 de flujo de baipás total de CO2 para formar una corriente 510 que pasa a la turbina 503 de CO2 a 800°C que acciona el generador 504 eléctrico.
La adición de una turbina de gas da lugar a un aumento significativo de salida de potencia neta con la misma eficiencia total que el ciclo de producción de potencia que no incluye la turbina de gas. En algunas realizaciones, una central de potencia de ciclo combinado de turbina de gas existente se puede retroajustar a un ciclo de producción de potencia que utiliza CO2 reciclado como fluido de trabajo y que también incluye una unidad ITM tal como se describe en la presente memoria. Esto puede ser útil para aumentar la salida de potencia y reducir la emisión de CO2 por kWh de electricidad producida hasta un 65% para cumplir con futuras regulaciones de emisión de CO2.
La eficiencia térmica del sistema propuesto puede mejorarse de manera significativa utilizando una turbina de CO2 de dos fases con recalentamiento entre las fases. La turbina de primera fase toma su flujo de entrada directamente del intercambiador de calor recuperador, por ejemplo, a una temperatura de alrededor de 800 °C y una presión de alrededor de 300 bar. El flujo de descarga de la turbina de segunda fase entra en el calor recuperador a una temperatura de alrededor de 815 °C y una presión de alrededor de 30 bar habiendo sido calentado en dos calentadores ITM separados en serie. En dicho sistema de dos fases, la temperatura de entrada de la segunda turbina puede aumentarse hasta alrededor de 1000 °C en un intercambiador de calor de presión intermedia contra el escape de turbina de 30 bar calentado. Esta temperatura más elevada será aceptable en el diseño del recalentador intermedio debido a la selección de la máxima presión intermedia permitida. La presión intermedia seleccionada está en el rango de alrededor de 70 bar a alrededor de 120 bar en algunas realizaciones. Para este caso particular la presión intermedia seleccionada puede ser de alrededor de 95 bar. El segundo calentador ITM eleva el flujo de salida de la turbina de segunda fase de 30 bar del recalentador hasta alrededor de 815 °C.
Realizaciones adicionales de la descripción se ilustran con relación a la fig. 8. En la misma se ilustra un sistema de turbina de dos fases con ambos flujos de escape de turbina siendo calentados en calentadores ITM y con las corrientes de escape siendo calentadas para calentar las dos corrientes de entrada de turbina. Por consiguiente, es evidente que los presentes sistemas y procedimientos pueden incorporar una pluralidad de turbinas y/o una pluralidad de calentadores ITM. Asimismo, si se desea, puede utilizarse una pluralidad de calentadores ITM en paralelo con el fin de permitir cargas inferiores en los calentadores individuales.
Las eficiencias pueden aumentarse empleando dos turbinas en serie que funcionan en larelaciónde presión total de típicamente alrededor de 300 bar a alrededor de 30 bar. En la fig. 8, la primera turbina 603 funciona con una presión de entrada de alrededor de 300 bar y una temperatura de alrededor de 800 °C llegando su corriente de entrada directamente del intercambiador 601 de calor recuperador. La turbina presenta una presión de salida en el rango de alrededor de 70 bar a alrededor de 120 bar. Este rango de presión se escoge para permitir que la presión de salida sea suficientemente baja para permitir que esta corriente se caliente en un intercambiador de calor hasta alrededor de 1000 °C y sin embargo suficientemente alta para maximizar la salida de potencia de la turbina 632 de segunda fase que descarga a típicamente alrededor de 30 bar. Esta combinación de temperatura/presión es posible utilizando aleaciones actuales de alto contenido en níquel con un procedimiento de fabricación de intercambiadores de calor de unión por difusión representado por los intercambiadores de calor HEATRIC. Estarelaciónde presión junto con las presiones muy elevadas de entrada y salida de la primera fase también puede permitir que la primera fase no enfriada sea un diseño de rueda centrifugadora de influjo radial en vez de una configuración de turbina de álabes axial para sistemas grandes de salida de potencia de 300 MW o más. Para los ejemplos trabajados en la sección de resultados el flujo de la turbina de primera fase es 7,5 millones lb/h (3,4 millones kg/h). El flujo volumétrico de entrada es alrededor de 24700 m3/h que daría lugar a un diámetro de rueda de turbina centrifugadora de menos de 1 metro para una potencia de salida neta de 290 MW. El empleo de una sola rueda de turbina de flujo radial para la primera fase sería particularmente atractivo para centrales de menor dimensionamiento. El flujo de salida de la turbina de primera fase en la corriente 634 a una temperatura de alrededor de 650 °C a alrededor de 750 °C se calienta en el intercambiador 648 de calor hasta una temperatura de alrededor de 900 °C a alrededor de 1100 °C, y este es el flujo de entrada en la corriente 639 a la turbina 632 de segunda fase. El calor se proporciona por el flujo de CO2 de descarga (a alrededor de 30 bar) de la turbina 632 de segunda fase que ha sido calentado hasta una temperatura de alrededor de 900 °C a alrededor de 1100 °C en un primer calentador ITM. El flujo de salida de la turbina de segunda fase que abandona el intercambiador de calor se calienta después hasta una temperatura de alrededor de 810 °C a alrededor de 850 °C en un segundo calentador ITM antes de entrar en el intercambiador de calor recuperador para calentar la corriente de entrada de CO2 de la turbina de primera fase hasta alrededor de 800 °C.
Una corriente 645 de CO2 de reciclaje a una presión de alrededor de 300 bar y una temperatura de alrededor de 800 °C entra en una turbina 603 de primera fase y se descarga como corriente 634 a alrededor de 95 bar y alrededor de 691 °C. Se calienta en el intercambiador 648 de calor A 1010 °C y pasa como corriente 639 a la turbina 632 de segunda fase abandonando a alrededor de 30 bar y alrededor de 799 °C como corriente 631. Esta corriente entra en un combustor 647 ITM de primera fase después de mezclarse con una cantidad 652 de corriente 612 de CH4 a una presión de alrededor de 30 bar y una temperatura de alrededor de 550 °C que ha sido calentada en el intercambiador 601 de calor recuperador. La corriente 612 de CH4 se toma directamente de un gasoducto de gas natural, corriente 611, sin necesidad de un compresor de alta presión. El metano se combustiona en 647, empleando oxígeno puro que se difunde desde una corriente 643 de aire precalentada a una presión de alrededor de 1,2 bar y una temperatura de alrededor de 750 °C. La corriente 644 de aire empobrecido y la corriente 654 calentada de salida de turbina de la turbina 632 de segunda fase abandonan el combustor 647 ITM a una temperatura de alrededor de 1020 °C y entran en el intercambiador 648 de calor para proporcionar el precalentamiento a la corriente 639 de flujo de entrada de turbina para la turbina 632 de segunda fase.
El flujo 609 de descarga de turbina enfriado que abandona el intercambiador 648 de calor a una temperatura de alrededor de 700 °C se mezcla con una cantidad 653 de corriente 612 de CH4 a una temperatura de alrededor de 550 °C y una presión de alrededor de 30 bar para formar una corriente 655 combinada. Una corriente 642 de entrada de aire (a una presión de alrededor de 1,3 bar y una temperatura de alrededor de 666 °C) junto con la corriente 655, se calientan en un precalentador 646 hasta alrededor de 750 °C. La corriente 680 de CO2 calentada y la corriente 678 de aire calentada abandonan el precalentador 646 y entran en el calentador 684 ITM a una temperatura suficientemente alta para garantizar la difusión rápida de oxígeno para optimizar el diseño del calentador 684 ITM. La corriente 681 de CO2 combustionada y calentada y la corriente 679 de aire empobrecido salen del calentador 684 ITM y después pasan a través del precalentador 646 para proporcionar el necesario precalentamiento requerido. La corriente 678 de aire precalentada calentada en 646 hasta una temperatura de alrededor de 750 °C se divide de manera que parte de la corriente proporciona oxígeno en el combustor 684 ITM y la corriente 643 remanente proporciona oxígeno en el primer combustor 647 ITM. Las corrientes totales de aire empobrecido que abandonan los intercambiadores 646 y 648 de calor como corriente 656 y corriente 633, respectivamente, se combinan como corriente 675 que entra en el intercambiador 677 de calor precalentador de aire y se descarga a la atmósfera a alrededor de 55 °C como corriente 676. La corriente 670 de aire de entrada se comprime hasta una presión de alrededor de 1,4 bar en el compresor 671 por motor 672 eléctrico. La corriente 673 de descarga del compresor 671 se calienta en el intercambiador 677 de calor hasta alrededor de 666 °C abandonando como corriente 642.
La corriente 682 de descarga de CO2 calentada que abandona el precalentador 646 a una temperatura de alrededor de 815 °C entra en el intercambiador 601 de calor recuperador donde se enfría hasta alrededor de 75 °C y sale como corriente 661. Una corriente 658 lateral de la corriente 661 pasa a través de un intercambiador 650 de calor abandonando a alrededor de 25 °C como corriente 657 donde se reincorpora a la corriente 680 de CO2 total (a alrededor de 29 bar), y la corriente 690 total de CO2/H2O así formada entra en el refrigerador 615 de agua de contacto directo equipado con una sección 624 compacta de flujo contracorriente.El intercambiador 650 de calor presenta una corriente 651 de CO2 de entrada a una temperatura de alrededor de 51 °C y una presión de alrededor de 70 bar tomada desde la descarga 692 del compresor 625 de reciclaje de CO2 de segunda fase que está a una temperatura de alrededor de 70 °C. Esta corriente que comprende alrededor del 5% del flujo total de reciclaje de CO2 se comprime hasta alrededor de 96 bar y una temperatura de alrededor de 227 °C en el compresor 640 accionado por motor 649 eléctrico. La corriente 641 de descarga entra en la turbina dos 632 para proporcionar servicio de refrigeración interna. Nótese que la temperatura de funcionamiento de la turbina 632 de segunda fase necesita el uso de refrigeración interna de los álabes de turbina y la cubierta interior junto con el suministro de recubrimientos protectores en interiores a alta temperatura. Hay un sistema de circulación de agua asociado al refrigerador 615 de agua que comprende una bomba 616 de agua y un refrigerador 617 de agua indirecto con líneas 619, 620 y 621 de circulación. La corriente 618 neta de producto de agua líquida formada a partir del producto de la combustión de CH4 abandona la base del refrigerador 615 de contacto directo.
La corriente 622 de CO2 enfriada que sale del refrigerador 615 de agua a una temperatura de alrededor de 18 °C se divide en dos corrientes. La corriente 691 neta de producto de CO2 abandona el sistema a una temperatura de alrededor de 18 °C y una presión de alrededor de 29 bar. El grueso de la corriente 622 enfriada de CO2 a alrededor de 29 bar se comprime hasta alrededor de 45 bar y una temperatura de alrededor de 51 °C en un compresor 659 de reciclaje de CO2 de primera fase. El flujo de descarga se divide en dos partes. Aproximadamente un 59,4% de la corriente 622 total de CO2 se enfría hasta alrededor de 18 °C en el refrigerador 660 intermedio de segunda fase para formar la corriente 638, que entra en el compresor 625 de reciclaje de CO2 de segunda fase. Alrededor de un 35,6% de la corriente total de CO2 (como corriente 635) entra en un compresor 636 de CO2 de tercera fase que presenta una corriente 637 de salida a alrededor de 183,2 °C y una presión de alrededor de 305 bar que después se une a la corriente 630 principal de reciclaje de CO2 a alrededor de 300 bar y alrededor de 183 °C en el intercambiador 601 de calor recuperador. Tal como antes, el compresor 636 de CO2 de tercera fase puede funcionar como una fuente de calor añadido de manera que la corriente 637 calentada proporciona calentamiento de bajo grado a la corriente 630 de reciclaje de CO2 en el intercambiador 601 de calor. El calor añadido se añade al calentamiento recuperador de la corriente 630 de reciclaje de CO2 que utiliza calor de la corriente 682de escape de la ITM 684. Las fases 659, 625 y 636 de compresor de reciclaje de CO2 son todas parte de un solo tren compresor que está accionado por una extensión de eje de las turbinas 603 y 632 de dos fases que a su vez están dentro de una sola cubierta o conjunto de turbina. Las turbinas accionan un generador 682 eléctrico. La corriente 692 de flujo de descarga del compresor 625 de segunda fase a una temperatura de alrededor de 51 °C se divide en una corriente 651 que comprende alrededor del 5% del flujo originalmente en la corriente 622 que se convierte en la corriente 641 de refrigeración para la turbina 632 y la corriente 627 de flujo de reciclaje de CO2 remanente. Esta corriente 627 se enfría en un refrigerador 626 de agua hasta alrededor de 18 °C para formar una corriente 628 de CO2 supercrítico a una densidad de alrededor de 830 kg/m3. El fluido de CO2 de alta densidad supercrítico es bombeado en una bomba 629 centrifugadora multifase hasta alrededor de 304 bar y alrededor de 37 °C. Una vez sale de la corriente 630 después entra en el intercambiador 601 de calor recuperador donde se calienta para convertirse en la mayor porción del flujo de entrada de la primera turbina.
Resultará evidente para los expertos en la técnicaque en la práctica se añadirán al proceso líneas de baipás necesarias, líneas de venteo, líneas de purga de gas, además de válvulas de control, venteos, líneas de instrumentación y otros sistemas necesarios para facilitar todos los modos de funcionamiento y garantizar condiciones de funcionamiento seguras para las unidades. Por ejemplo, durante la puesta en marcha, puede ser deseable realizar un baipásen uno o más de los intercambiadores de calor y/o una o más turbinas hasta que se haya logrado un conjunto definido de condiciones de funcionamiento (p.ej., temperatura de funcionamiento, presión, tasa de flujo, etc.).
La siguiente tabla compara los casos 1, 2 y 3 (correspondientes a los sistemas ilustrados en la fig. 2, la fig. 7, y la fig.
8, respectivamente) con el caso base que es un sistema convencional de potencia de ciclo de CO2 con un sistema criogénico de separación de aire que funciona en condiciones ISO con oxígeno producido a una presión de 305 bar directamente desde la ASU (unidad de separación de aire, por sus siglas en inglés). En todos los casos, el flujo total de CO2 que entra en la turbina a una presión de 300 bar es 7,5 x 106 lb/h (77286,08 kmol/h), y la presión de entrada de la primera turbina es de 300 bar. La turbina de única fase presenta una presión de salida de 30 bar. La turbina de dos fases presenta una presión de salida de primera fase de 95 bar (que es la presión de entrada aproximada de la turbina de segunda fase) y una presión de salida de turbina de segunda fase de 30 bar. El combustible es metano puro. Todo el producto de CO2 se produce a una presión de 29 bar. Las pérdidas del generador eléctrico más el transformador del 1% de potencia neta de eje de turbina se toman para los casos 1, 2 y 3.
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Muchas modificaciones y otras realizaciones de la invención acudirán a la mente de un experto en la técnicaa la que esta invención pertenece que tengan el beneficio de las enseñanzas presentadas en las anteriores descripciones y dibujos asociados. Por lo tanto, debe entenderse que la presente invención no se limitará a las realizaciones específicas descritas y que se pretende que las modificaciones y otras realizaciones estén incluidas en el alcance de las reivindicaciones anejas. Aunque en la presente memoria se emplean términos específicos, estos se utilizan únicamente en un sentido genérico y descriptivo y no con fines de limitación.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema para la producción de potencia que comprende:
una turbina (203) de producción de potencia configurada para expandir una corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado para producir una corriente de escape de turbina y para producir potencia;
una fuente (270) de corriente que contiene oxígeno configurada para proporcionar una corriente que contiene oxígeno;
una fuente (211) de combustible configurada para entrada de un combustible en la corriente de escape de turbina; un sistema de membrana de transporte de iones (ITM) (284) configurado para recibir la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada y configurado para recibir la corriente que contiene oxígeno, siendo el ITM (284) eficaz para la difusión de oxígeno de la corriente que contiene oxígeno en la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada para al menos parcialmente combustionar al menos una porción del combustible de entrada y para proporcionar una corriente calentada que contiene CO2; y
un intercambiador (201) de calor recuperador configurado para transferir calor de la corriente que contiene CO2 a la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado.
2. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además un separador (215) configurado para recibir la corriente que contiene CO2 del intercambiador (277) de calor recuperador y generar una corriente de CO2 sustancialmente puro; y opcionalmente que comprende además al menos un compresor (259, 225) configurado para comprimir al menos una porción del CO2 sustancialmente puro y proporcionar el CO2 reciclado.
3. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además al menos una fuente (236) de calor añadido configurada para añadir calor a la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado además del calor transferido desde la corriente que contiene CO2.
4. El sistema de la reivindicación 1, que comprende además uno o ambos de un precalentador (277) de corriente que contiene oxígeno configurado para calentar la corriente que contiene oxígeno situado másarriba del ITM (284) y un precalentador (283) de corriente de escape de turbina configurado para calentar la corriente de escape de turbina situada másarriba del ITM.
5. El sistema de la reivindicación 1, en el que se cumplen una o más de las siguientes condiciones:
la fuente de corriente que contiene oxígeno es aire;
la fuente de corriente que contiene oxígeno es una corriente de escape de una turbina (542) de gas;
la turbina (203) de producción de potencia comprende una serie de al menos dos turbinas (603, 632);
el sistema comprende al menos una primera ITM (647) y una segunda ITM (684).
6. El sistema de la reivindicación 1, en el que la ITM comprende una membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b), presentando la membrana de difusión una superficie exterior configurada para ponerse en contacto con la corriente que contiene oxígeno y una superficie interior configurada para ponerse en contacto con la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada.
7. El sistema según la reivindicación 6, en el que se cumplen una o más de las siguientes condiciones:
la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b) presenta un extremo situado másarriba que es abierto y un extremo (308c, 308d) situado másabajo que es cerrado;
la ITM (284) comprende un tubo (307a, 307b) metálico interior posicionado dentro de la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b);
la ITM (284) comprende un tubo (309a, 309b) metálico exterior que está rodeando y es concéntrico a la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b);
la ITM (284) comprende un vaso (330) de presión exterior.
8. Un procedimiento para la producción de potencia, comprendiendo el procedimiento:
expandir una corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado en una turbina (203) de producción de potencia para producir una corriente de escape de turbina y para producir potencia;
proporcionar una corriente que contiene oxígeno desde una fuente (270) de corriente que contiene oxígeno; introducir un combustible desde una fuente (211) de combustible en la corriente de escape de turbina para formar una corriente combinada de escape de turbina/combustible;
pasar la corriente que contiene oxígeno y la corriente combinada de escape de turbina/combustible a través de un sistema (ITM) (284) de membrana de transporte de iones que es eficaz para la difusión de oxígeno de la corriente que contiene oxígeno en la corriente combinada de escape de turbina/combustible con el fin de al menos parcialmente combustionar al menos una porción del combustible de la corriente combinada de escape de turbina/combustible y proporcionar una corriente calentada que contiene CO2;y
calentar la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado en un intercambiador (201) de calor recuperador utilizando calor de la corriente calentada que contiene CO2 antes de expandir la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado en la turbina de producción de potencia.
9. El procedimiento de la reivindicación 8, que comprende además purificar la corriente que contiene CO2 para proporcionar una corriente de CO2 sustancialmente puro; y preferiblemente que comprende además comprimir al menos una porción del CO2 sustancialmente puro en al menos un compresor (259, 225) para formar el CO2 reciclado; y más preferiblemente en el que al menos una porción del CO2 reciclado está en un estado supercrítico.
10. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que la corriente de trabajo que comprende CO2 reciclado está a una presión de alrededor de 200 bar o mayor.
11. El procedimiento de la reivindicación 8, que comprende además calentar la corriente de trabajo que comprende el CO2 reciclado utilizando calor añadido desde una fuente diferente de la corriente calentada que contiene CO2.
12. El procedimiento de la reivindicación 8, que comprende además calentar uno o ambos de la corriente que contiene oxígeno y el escape de turbina situada másarriba de la ITM (284).
13. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que se cumplen una o más de las siguientes condiciones:
la fuente de corriente que contiene oxígeno es aire;
la fuente de corriente que contiene oxígeno es una corriente de escape de una turbina (542) de gas;
la turbina (203) de producción de potencia comprende una serie de al menos dos turbinas (603, 632);
el sistema comprende al menos una primera ITM (647) y una segunda ITM (684);
la corriente de escape de turbina presenta una presión de alrededor de 80 bar o menos;
la corriente que contiene oxígeno está a una presión no mayor de 10 bar.
14. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que la ITM (284) comprende una membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b), presentando la membrana de difusión una superficie exterior configurada para ponerse en contacto con la corriente que contiene oxígeno y una superficie interior configurada para ponerse en contacto con la corriente de escape de turbina con el combustible de entrada.
15. El procedimiento de la reivindicación 14, en el que se cumplen una o más de las siguientes condiciones:
la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b) presenta un extremo situado másarriba que es abierto y un extremo situado másabajo que es cerrado;
la ITM comprende un tubo (307a, 307b) metálico interior posicionado dentro de la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b);
la ITM comprende un tubo (309a, 309b) metálico exterior que está rodeando y es concéntrico a la membrana de difusión que tiene forma de tubo (308a, 308b);
en el que la ITM comprende un vaso (330) de presión exterior.
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