ES2963067T3 - Craqueo de amoníaco - Google Patents
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Abstract
Un proceso para generar energía usando una turbina de gas, que comprende las etapas de: (i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir gas amoníaco precalentado; (ii) introducir el gas amoníaco precalentado en un dispositivo de craqueo de amoníaco adecuado para convertir el gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno; (iii) convertir el gas amoniaco precalentado en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en el dispositivo; (iv) enfriar la mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada; (v) introducir la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en una turbina de gas; y (vi) quemar la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en la turbina de gas para generar energía. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Craqueo de amoníaco
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un proceso para generar energía usando una turbina de gas en alta mar, en donde el proceso implica el craqueo de gas amoníaco. La invención también se refiere a un sistema para generar energía utilizando una turbina de gas en alta mar, en donde el sistema comprende un dispositivo de craqueo de amoníaco.
Antecedentes
El craqueo de amoníaco (NH3) es la descomposición o disociación del amoníaco en sus componentes constituyentes, concretamente hidrógeno y nitrógeno, y se produce según la ecuación (i):
2N H 3^N 2 3H2 (i)
Como la reacción directa es endotérmica (AH = 46,22 kJmol-1), el craqueo de amoníaco normalmente se lleva a cabo a presiones y temperaturas elevadas y también en presencia de un catalizador para garantizar un proceso de craqueo eficiente.
El craqueo de amoníaco tiene una aplicación bien conocida a pequeña escala en pilas de combustible, por ejemplo, pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (véase el Capítulo 13 de "Hydrogen Energy - Challenges and Perspectives", publicado el 17 de octubre de 2012, para una revisión).
Las turbinas de gas se utilizan comúnmente para generar energía en las centrales eléctricas quemando combustible en ellas. Se pueden utilizar combustibles no renovables, por ejemplo, gasolina, gas natural, propano, diésel y queroseno. Sin embargo, también se emplean fuentes de combustible renovables, por ejemplo, biogás y biodiésel. Uno de los principales problemas asociados con la combustión de combustibles como estos en turbinas de gas es la producción resultante del gas dióxido de carbono (CO2). Niveles altos de CO2 en la atmósfera son perjudiciales para el medio ambiente y son una causa conocida del calentamiento global. Por tanto, es necesario proporcionar combustibles para su uso en turbinas de gas que no generen CO.2tras la combustión,o de las cuales se debe eliminar el CO2 antes de la combustión.
El amoníaco es un ejemplo de combustible completamente libre de carbono. El principal problema asociado al uso directo de amoniaco como combustible en turbinas de gas es que durante el proceso de combustión, el amoníaco se oxida en óxidos de nitrógeno NO y NO.2 (genéricamente conocido como NOx). Las emisiones de NOx contribuyen a una serie de problemas ambientales, incluida la formación de niebla tóxica, lluvia ácida y calentamiento global. Por tanto, es necesario reducir la cantidad de emisiones de NOx generadas en las centrales eléctricas.
El hidrógeno es una fuente de combustible respetuosa con el medio ambiente muy buscada, ya que no contiene carbono y el único producto de su combustión es el agua. Hay, sin embargo, una serie de problemas asociados con el uso de hidrógeno como combustible. En primer lugar, es a la vez difícil y caro de transportar y almacenar gas hidrógeno. Una forma de solucionar este problema es comprimir primero el gas o convertirlo en líquido. Sin embargo, estos procesos requieren una cantidad significativa de energía y pueden resultar costosos. En segundo lugar, la infraestructura existente de las centrales eléctricas no se puede utilizar para almacenar o transportar hidrógeno y se necesitan contenedores y vehículos de almacenamiento especialmente diseñados para poder soportar las bajas temperaturas y presiones necesarias. Esto, por supuesto, aumenta el coste del uso de hidrógeno como combustible. En tercer lugar, el hidrógeno es un gas extremadamente inflamable y los problemas de seguridad relacionados con la manipulación de este combustible son motivo de preocupación.
Existen tres métodos para la captura de CO2: poscombustión (eliminación de CO2 de los gases de escape), combustión de oxicombustible (quemar combustible fósil con oxígeno) y precombustión (convertir combustible fósil en hidrógeno y eliminar el CO2 de la corriente de hidrógeno). Sin embargo, todos los métodos necesitan un método para transportar y almacenar CO2 cerca del sitio de captura. En muchos casos, esto puede resultar complicado si no se dispone de un almacenamiento seguro y adecuado.
El ciclo combinado de gasificación integrada (IGCC) es una tecnología que utiliza un gasificador de alta presión para convertir el carbón y el ciclo combinado de reformado integrado (IRCC) utiliza el reformado para convertir el gas natural en una mezcla de combustible de hidrógeno y nitrógeno. También conocido como captura de CO2 precombustión, el IGCC y el IRCC implican la eliminación de CO2 de la mezcla de combustible antes de su combustión. Un ejemplo del uso de la tecnología IRCC es el proyecto Norsk Hydro Hydrokraft (véase Andenaes, S. y R.A. Battista (2000) Integrated Hydrogen Fueled Gas Turbines for Low CO2 Emission Power Plant. EFI, Green Technologies, 31 de enero). En este proyecto, se generó un combustible libre de carbono a partir de gas natural siguiendo las siguientes etapas:
(i) Se eliminó el carbono del gas natural y se convirtió en monóxido de carbono (CO) mediante reacción con vapor y aire;
(ii) El CO resultante se hizo reaccionar con vapor para producir hidrógeno y CO2;
(iii) El OC2 se separó del hidrógeno para dar un combustible de hidrógeno básico, que luego podría combinarse con otros aditivos, por ejemplo, nitrógeno, agua.
Como parte del proyecto Hydrokraft, los combustibles recién producidos se probaron quemándolos en turbinas de gas 9F de gran tamaño. Se descubrió que una mezcla de 40-60 % de hidrógeno, 40-60 % de nitrógeno y 10-20 % de agua era necesaria para garantizar una alta eficiencia de la turbina y también para mantener la formación de NOx a niveles de ppm. Por lo tanto, se ha descubierto que un combustible de esta composición es eficiente y seguro para su uso en una turbina de gas. Un ejemplo del uso de IGCC se divulga en el documento publicado en https://powergen.gepower.com/content/dam/gepower-pgdp/global/en_US/documents/technical/ger/ger-4207-ge-igcctechnology-experience-advanced-gas-turbines.pdf. Desafortunadamente, estos procesos existentes para producir dicho combustible implican la producción y captura de gas CO2.
Por lo tanto, todavía existe la necesidad de proporcionar un combustible eficiente para su uso en turbinas de gas que esté libre de carbono o que evite la captura de CO2 en la central eléctrica, genera mínimas emisiones de NOx tras la combustión y también es fácil de manipular y almacenar.
El documento JP2012255420 divulga un sistema de turbina de gas que quema amoníaco y lo convierte en energía.
Sumario de la invención
Ahora se ha descubierto que el proceso de craqueo del amoníaco, que ya se sabe que es útil en pilas de combustible, se puede integrar con una turbina de gas en alta mar para la generación eficiente de energía mediante la combustión en la misma de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno producida durante el proceso de craqueo de amoníaco.
Así, visto desde un aspecto, la invención proporciona un proceso para generar energía usando una turbina de gas en alta mar, que comprende las etapas de:
(i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir gas amoníaco precalentado;
(ii) introducir dicho gas amoníaco precalentado en un dispositivo de craqueo de amoníaco, en donde dicho dispositivo es adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno;
(iii) convertir dicho gas amoniaco precalentado en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo; (iv) enfriar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada;
(v) eliminar el gas amoníaco no convertido de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(vi) introducir dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en una turbina de gas en alta mar; y
(vii) quemar dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
Vista desde otro aspecto, la invención proporciona un sistema para generar energía utilizando una turbina de gas en alta mar, que comprende:
(i) un intercambiador de calor y vaporizador que comprende una entrada para amoníaco líquido y una salida para amoníaco gaseoso precalentado;
(ii) un dispositivo de craqueo de amoníaco que comprende una entrada para dicho gas amoníaco precalentado y una salida para una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco contiene un catalizador;
(iii) una unidad de refrigeración que comprende una entrada para dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(iv) una unidad de lavado de amoníaco, que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco; y
(v) una turbina de gas en alta mar que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco, en donde dicha turbina de gas en alta mar es adecuada para la combustión de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno para generar dicha energía.
Descripción detallada
Tal como se usa en el presente documento, la expresión "craqueo de amoníaco" se refiere a la descomposición o disociación (típicamente descomposición o disociación térmica) de amoníaco en sus componentes constituyentes de hidrógeno y nitrógeno.
Tal como se usa en el presente documento, la expresión "dispositivo de craqueo de amoníaco" se refiere a un dispositivo adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en un proceso de craqueo de amoníaco, por ejemplo un dispositivo catalítico de craqueo de amoníaco que contiene un catalizador tal como un catalizador de níquel. La temperatura de disociación en presencia de dicho catalizador en dicho dispositivo está típicamente en la región de 500-1100 °C, por ejemplo, 850-950 °C.
El amoníaco es uno de los productos químicos básicos más producidos en el mundo (solo superado por el ácido sulfúrico), produciéndose actualmente más de 140 millones de toneladas cada año. Por tanto, ya está bien establecido un sistema de distribución mundial de amoníaco.
Como se ha analizado anteriormente, el hidrógeno es un combustible deseable para la combustión en turbinas de gas debido a sus propiedades respetuosas con el medio ambiente. Desafortunadamente, los factores tales como la dificultad de almacenamiento y transporte del hidrógeno hacen que su aplicación hasta la fecha en turbinas de gas haya sido limitada. La aplicación del amoníaco como combustible directo en turbinas de gas también ha sido limitada, debido a la tendencia del amoníaco a producir emisiones de NOx durante la combustión.
Para superar estos problemas, los presentes inventores han descubierto que se puede realizar un proceso de craqueo de amoníacoin situen una central eléctrica para generar un combustible que comprende una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, que luego puede quemarse directamente en una turbina de gas en alta mar para generar energía. Se evita así la necesidad de transportar o almacenar gas hidrógeno, dado que existe la posibilidad de producir emisiones de NO<x>durante la combustión.
El amoníaco se puede licuar a temperatura ambiente y a una presión de aproximadamente 0,8-1 MPa (8-10 bares). Esto significa que se puede almacenar fácilmente en la infraestructura existente en las centrales eléctricas; no es necesario proporcionar equipos especializados capaces de soportar bajas temperaturas y presiones, como sería el caso del combustible de hidrógeno. Aunque el amoníaco es una sustancia química tóxica, la presente invención prevé el almacenamiento y manipulaciónin situde amoníaco de manera que su uso siempre sea supervisado por personas expertas. Además, y a diferencia del hidrógeno, el amoníaco tiene un olor que puede detectarse incluso en niveles de concentración seguros, lo que significa que cualquier fuga se puede identificar rápidamente.
La presente invención proporciona un proceso para generar energía usando una turbina de gas en alta mar, que comprende las etapas de:
(i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir gas amoníaco precalentado;
(ii) introducir dicho gas amoníaco precalentado en un dispositivo de craqueo de amoníaco, en donde dicho dispositivo es adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno;
(iii) convertir dicho gas amoniaco precalentado en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo; (iv) enfriar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada;
(v) eliminar el gas amoníaco no convertido de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(vi) introducir dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en una turbina de gas en alta mar; y
(vii) quemar dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
La etapa de vaporizar y precalentar el amoníaco líquido se produce preferentemente en un aparato que comprende un intercambiador de calor y un vaporizador. La conversión de amoníaco líquido en amoníaco gaseoso precalentado se realiza preferentemente a una temperatura de 300-700 °C. La conversión de amoníaco líquido en amoníaco gaseoso precalentado se realiza preferentemente a una presión de 0,22-5,5 MPa (2-50 barg).
Si es necesario, el gas amoniaco precalentado se puede bombear a una presión que coincida con la presión del combustible requerida para la turbina de gas en alta mar antes de introducirlo en el dispositivo de craqueo de amoniaco. Preferentemente, el gas amoniaco precalentado se bombea a una presión de 1,65-4,4 MPa (15-40 barg), dependiendo del tipo y tamaño de la turbina de gas en alta mar.
Como la reacción de craqueo de amoníaco es un proceso endotérmico, normalmente se necesita una fuente de combustible para ayudar a la conversión del gas amoníaco precalentado en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en el dispositivo de craqueo de amoníaco. Se puede emplear cualquier fuente de combustible adecuada, por ejemplo, gas natural. Preferentemente, la fuente de combustible comprende una parte de la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno producida en el dispositivo de craqueo de amoníaco. Más preferentemente, la fuente de combustible comprende 10-20 % de una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno.
El proceso de craqueo de amoníaco que tiene lugar en el dispositivo de craqueo de amoníaco, en el que el gas amoniaco precalentado se convierte en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, preferentemente se produce a una temperatura de 500-1100 °C. El dispositivo de craqueo de amoníaco es típicamente un dispositivo catalítico de craqueo de amoníaco. El dispositivo catalítico de craqueo de amoníaco es preferentemente un reactor de reformado, más preferentemente un reactor de reformado presión-presión por convección. Preferentemente, se alimenta un suministro de aire comprimido al dispositivo de craqueo de amoníaco. Más preferentemente, el aire comprimido se extrae de la turbina de gas en alta mar y se introduce en el reactor de reformado presión-presión por convección antes de que tenga lugar el proceso de craqueo de amoníaco. El uso de aire comprimido reciclado de esta manera reduce la cantidad de energía requerida por el proceso porque evita la necesidad de un paso adicional de compresión de aire para proporcionar aire comprimido para el dispositivo de craqueo de amoníaco.
Preferentemente se emplea un catalizador en el dispositivo de craqueo de amoníaco para garantizar un proceso de craqueo eficiente. Se puede utilizar una amplia gama de metales como catalizador de craqueo de amoníaco, especialmente metales de transición tales como el níquel (por ejemplo, como óxido de níquel), hierro (por ejemplo, como óxido de hierro), manganeso, platino, paladio, lantano (por ejemplo, como óxido de lantano), molibdeno y circonio, o una mezcla de dos o más de dichos catalizadores. Preferentemente, el catalizador es un catalizador de níquel, por ejemplo, catalizadores de níquel soportados (sobre espinelas de magnesio y aluminio), tales como el catalizador no alcalino a base de níquel R-87 HEAT-X.® comercializado por Haldor Topside.
Se ha descubierto que los catalizadores soportados son catalizadores particularmente eficaces para el proceso de craqueo de amoníaco. Los ejemplos incluyen níquel u óxido de níquel soportado sobre alúmina o alúmina de magnesio y óxido de hierro soportado sobre alúmina. También se pueden emplear aleaciones metálicas, por ejemplo, una aleación de níquel-rutenio o R-87 HEAT-X® descrito anteriormente.
Una vez que se completa el proceso de craqueo del amoníaco, la mezcla resultante de hidrógeno y nitrógeno se enfría para dar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada. Preferentemente, la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se enfría a una temperatura de 40-300 °C. Una vez enfriado, cualquier gas amoniaco no convertido se elimina de la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno, por ejemplo mediante el uso de un depurador de agua. Es aconsejable eliminar el amoníaco que no haya reaccionado en esta etapa del proceso para evitar la formación de NO<x>en la última etapa de combustión.
La composición de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno una vez enfriada se puede ajustar mediante técnicas de purificación, por ejemplo, membranas o adsorción por cambio de presión. La composición de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno que sale del dispositivo de craqueo de amoníaco se puede ajustar utilizando técnicas de purificación, por ejemplo, membranas o adsorción por cambio de presión.
Una parte de los gases de combustión que salen del dispositivo de craqueo de amoníaco, que comprende principalmente de nitrógeno y agua, se puede alimentar a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno. Preferentemente, los gases de combustión contienen menos del 2 % de oxígeno, de manera que exista un bajo riesgo de ignición de los gases de combustión.
Para hacer que el proceso de la invención sea lo más eficiente posible, la energía se puede recuperar en varias etapas. Por ejemplo, una parte de los gases de combustión que salen del dispositivo de craqueo de amoníaco se puede expandir en un expansor para recuperar energía del mismo. El exceso de calor generado por el dispositivo de craqueo de amoníaco también se puede utilizar para producir vapor, por ejemplo en una unidad de generador de vapor con recuperación de calor (HRSG) aguas abajo. Luego, al menos una parte del vapor producido se puede alimentar al hidrógeno y al nitrógeno enfriados antes de su introducción en la turbina de gas en alta mar. Además, el exceso de calor generado por la turbina de gas en alta mar se puede utilizar para producir vapor, por ejemplo en una unidad HRSG aguas abajo. Al menos una parte del vapor producido se puede alimentar al hidrógeno y al nitrógeno enfriados antes de su introducción en la turbina de gas en alta mar. Preferentemente, la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que comprende al menos una parte de dicho vapor a introducir en la turbina de gas en alta mar comprende entre un 40-60 % de hidrógeno, 40-60 % nitrógeno y 10-20 % de agua.
Las turbinas de gas utilizadas en los procesos de la invención son turbinas de gas en alta mar. La turbina de gas en alta mar está conectada preferentemente a un tanque flotante de almacenamiento de amoníaco.
Los sistemas de energía renovable se utilizan cada vez más para la generación de energía como una alternativa más respetuosa con el medio ambiente que los sistemas convencionales, que a menudo implican la quema de combustibles. Las turbinas eólicas, por ejemplo, generan energía como resultado de la fuerza del viento que actúa sobre ellos, mientras que los paneles solares generan energía capturando la energía solar que cae sobre ellos. En ambas situaciones, la energía solo se puede generar cuando las condiciones ambientales son correctas para el sistema de energía renovable específico que se está empleando y, por ejemplo, en el caso de una turbina eólica no se generará energía en un día tranquilo sin viento. A pesar de la ventaja de ser más respetuosos con el medio ambiente, por lo tanto, los sistemas de energía renovable pueden ser algo poco fiables en términos de generación de energía.
Por lo tanto, en una realización de la presente invención, una turbina de gas en alta mar está asociada a un sistema de energía renovable, que comprende preferentemente una turbina eólica, de modo que cuando el sistema de energía renovable no pueda generar energía, la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno se quema en la turbina de gas en alta mar para generar energía. De esta manera, la energía se puede generar de manera continua para asegurar un suministro más fiable de la misma.
Un proceso particularmente preferido de la invención comprende las etapas de:
(i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir dicho gas amoníaco precalentado;
(ii) introducir dicho gas amoníaco precalentado en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco que contiene un catalizador, en donde dicho dispositivo es adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno;
(iii) extraer aire de combustión de dicha turbina de gas en alta mar;
(iv) introducir dicho aire de combustión en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco;
(v) convertir dicho gas amoniaco precalentado en dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo que contiene un catalizador;
(vi) enfriar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada; (vii) eliminar el gas amoníaco sin convertir de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(viii) introducir al menos una parte de los gases de combustión que comprenden nitrógeno y agua que salen de dicho dispositivo de craqueo de amoníaco en dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(ix) introducir dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión en dicha turbina de gas en alta mar; y
(x) quemar dicho hidrógeno y nitrógeno enfriados y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
La presente invención también proporciona un sistema para generar energía usando una turbina de gas en alta mar, que comprende:
(i) un intercambiador de calor y vaporizador que comprende una entrada para amoníaco líquido y una salida para amoníaco gaseoso precalentado;
(ii) un dispositivo de craqueo de amoníaco que comprende una entrada para dicho gas amoníaco precalentado y una salida para una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco contiene un catalizador;
(iii) una unidad de refrigeración que comprende una entrada para dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(iv) una unidad de lavado de amoníaco, que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco; y
(v) una turbina de gas en alta mar que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco, en donde dicha turbina de gas en alta mar es adecuada para la combustión de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno para generar dicha energía.
Un sistema particularmente preferido de la invención comprende:
(i) un intercambiador de calor y vaporizador que comprende una entrada para amoníaco líquido y una salida para amoníaco gaseoso precalentado;
(ii) un dispositivo de craqueo de amoníaco que comprende una primera entrada para dicho gas amoníaco precalentado, una segunda entrada para el aire de combustión, una primera salida para una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, y una segunda salida para gases de combustión, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco contiene un catalizador;
(iii) una unidad de refrigeración que comprende una entrada para dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(iv) una unidad de lavado de amoníaco, que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco; y
(v) una turbina de gas en alta mar que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco y al menos una parte de dichos gases de combustión, y una salida para dicho aire de combustión, en donde dicha turbina de gas en alta mar es adecuada para la combustión de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión para generar dicha energía.
Preferentemente, se alimenta un suministro de aire comprimido al dispositivo de craqueo de amoníaco. Más preferentemente, el suministro de aire comprimido se extrae de la turbina de gas en alta mar. El uso de aire comprimido reciclado de esta manera reduce la cantidad de energía requerida por el sistema porque evita la necesidad de un paso adicional de compresión de aire para proporcionar aire comprimido para el dispositivo de craqueo de amoníaco.
El dispositivo de craqueo de amoníaco comprende preferentemente una entrada adicional para una parte de la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno producida en el dispositivo de craqueo de amoníaco.
Las turbinas de gas utilizadas en los sistemas de la invención son turbinas de gas en alta mar. La turbina de gas en alta mar está conectada preferentemente a un tanque flotante de almacenamiento de amoníaco.
En una realización de la presente invención, la turbina de gas en alta mar está asociada a un sistema de energía renovable, que comprende preferentemente una turbina eólica, de modo que cuando el sistema de energía renovable no pueda generar energía, la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno se quema en la turbina de gas en alta mar para generar energía. De esta manera, la energía se puede generar de manera continua para asegurar un suministro más fiable de la misma.
Preferentemente, los sistemas de la presente invención comprenden además una unidad de purificación para ajustar la composición de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno antes de su introducción en la unidad de refrigeración.
Para hacer que los sistemas de la invención sean lo más eficientes posible, la energía se puede recuperar en varias etapas. Por ejemplo, el exceso de calor generado por el dispositivo de craqueo de amoníaco se puede utilizar para producir vapor, por ejemplo en una unidad HRSG aguas abajo. Además, el exceso de calor generado por la turbina de gas en alta mar se puede utilizar para producir vapor, por ejemplo en una unidad HRSG aguas abajo.
La invención proporciona una serie de ventajas:
• Los combustibles a base de carbono están ampliamente disponibles (por ejemplo, carbón, gas natural) pero generan CO2 tras la combustión, que tiene un impacto negativo sobre el medio ambiente, por ejemplo, un aumento de los niveles de CO2 es un factor que contribuye al problema del calentamiento global. El proceso de craqueo de amoníaco de la invención genera una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, que es un combustible sin CO2 que se puede utilizar en turbinas de gas en alta mar.
• La tecnología existente para producir combustible sin CO2 implica captura de CO2 en la central eléctrica. Como alternativa, el hidrógeno se puede utilizar como combustible directamente, sin embargo, debe comprimirse o convertirse en líquido antes de su transporte o almacenamiento. En ambos casos, se requiere equipo especializado, lo que da como resultado un gasto adicional.
• El amoníaco es un producto barato y ampliamente disponible, por ejemplo, se usa a escala mundial como fertilizante. Por tanto, se garantiza un suministro fiable de amoníaco, el material de partida para los procesos de la presente invención.
• A diferencia del hidrógeno, el amoníaco es un líquido a la misma temperatura y presión que el GLP, lo que significa que se almacena y manipula fácilmente. Ya existe una red mundial de distribución de amoníaco, por lo que no existen barreras para el transporte de amoníaco a las centrales eléctricas.
• La invención prevé la generaciónin situde combustible (en forma de una mezcla de hidrógeno y nitrógeno) a partir de amoníaco. Una corriente secundaria de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se puede purificar hasta obtener la calidad de una pila de combustible. Por tanto, no es necesario tomar disposiciones para la distribución del combustible; simplemente se puede generar bajo demanda. Y formar la base para un centro y un sistema de distribución de hidrógeno.
• La invención permite la producción de energía a gran escala utilizando turbinas de gas en alta mar de escala industrial existentes. Por tanto, la instalación de los sistemas de la invención implica un bajo coste de capital porque no se requiere equipo nuevo o especializado. Además, los sistemas de la invención son compactos y requieren solo un número mínimo de componentes.
• Los procesos y sistemas de la invención son altamente eficientes energéticamente. Por ejemplo, la energía se puede recuperar en varias etapas del proceso, por ejemplo, en una unidad HRSG o turbo expansor. Si se utiliza una unidad HRSG, el vapor producido allí se puede alimentar a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno para ajustar la composición del combustible. Los gases de combustión que salen del dispositivo de craqueo de amoníaco, que comprende principalmente de nitrógeno y agua, también se pueden alimentar a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno para ajustar la composición del combustible. Como alternativa, suministrar al dispositivo de craqueo de amoníaco una alimentación de aire comprimido extraído de la turbina de gas en alta mar evita la necesidad de una etapa adicional de compresión de aire. Además, una parte de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno producida en el dispositivo de craqueo de amoníaco se puede devolver al dispositivo de craqueo de amoníaco para que actúe como fuente de combustible para impulsar la reacción de craqueo endotérmico.
• Los combustibles producidos según la invención generan un mínimo de emisiones de NO<x>por combustión, lo cual es ventajoso considerando los numerosos problemas ambientales causados por el NO<x>. Además, la composición del combustible se puede ajustar u optimizar (por ejemplo, mediante la adición de gases de combustión que comprenden nitrógeno y agua, mediante la adición de vapor de una unidad HRSG y/o mediante la adición de amoníaco) de modo que las emisiones de NO<x>durante la combustión sean lo más bajas posible y también que se logre una alta eficiencia de la turbina de gas.
• Los sistemas de la invención son extremadamente flexibles y por lo tanto pueden integrarse con cualquier central eléctrica existente que comprenda una turbina de gas en alta mar.
• Los sistemas de la invención también pueden integrarse con un sistema de energía renovable (por ejemplo, uno que comprenda una turbina eólica o un panel solar) de modo que cuando el sistema de energía renovable no pueda generar energía debido a condiciones ambientales subóptimas, los sistemas de la invención pueden generar energía quemando una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno generada según los procesos de la invención. Por lo tanto, la energía se puede generar de manera continua para garantizar un suministro más fiable.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra un primer sistema para generar energía usando una turbina de gas según la presente invención.
La Figura 2 muestra un segundo sistema para generar energía usando una turbina de gas según la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Con referencia a la Figura 1, a continuación se describirá el funcionamiento de un primer sistema según la invención. El amoníaco líquido entra en el intercambiador de calor y al vaporizador 1 donde se vaporiza y precalienta para producir gas amoníaco precalentado. El gas amoniaco precalentado entra entonces en un dispositivo de craqueo de amoniaco 2, que contiene un catalizador. El dispositivo de craqueo de amoníaco 2 también está provisto de una entrada para aire comprimido. En el dispositivo 2, se produce el proceso de craqueo de amoníaco y el gas amoníaco precalentado se convierte en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno. Esta mezcla de hidrógeno y nitrógeno pasa a través del intercambiador de calor y el vaporizador 1, y la mayoría luego entra en la unidad de refrigeración 3 para refrigeración adicional, utilizando agua de refrigeración o refrigeración por aire. Una parte de la mezcla de hidrógeno y nitrógeno se recicla nuevamente al dispositivo 2 de craqueo de amoníaco para impulsar la reacción de craqueo endotérmico. La mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de la unidad de refrigeración 3 se puede purificar opcionalmente en una unidad de purificación 4. Cualquier amoníaco que no haya reaccionado y que quede en la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno (que opcionalmente también ha sido purificada) se elimina en una unidad de lavado de amoníaco 5, que puede ser, por ejemplo, un depurador de agua. La mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de la unidad de lavado de amoníaco 5 se envía luego a una turbina de gas 6 donde se quema para generar energía. El gas de escape de la turbina de gas es un gas de escapa completamente libre de CO2.
El exceso de calor se elimina de los gases de combustión que salen del dispositivo de craqueo de amoníaco 2 en una unidad HRSG 7. El vapor producido en la unidad HRSG 7 se puede añadir opcionalmente a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que entra en la turbina de gas 6. Los gases de combustión que pasan a través de la unidad 7 también pueden añadirse opcionalmente a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que entra en la turbina de gas 6. Además, una parte del amoniaco que entra en el sistema puede, opcionalmente, sortear el intercambiador de calor y el vaporizador 1 para ser añadida a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que entra en la turbina de gas 6.
El exceso de calor generado por la turbina de gas se puede utilizar opcionalmente para producir vapor en una unidad HRSG 8. Al menos una parte del vapor producido allí se puede alimentar a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que entra en la turbina de gas 6.
Con referencia a la Figura 2, a continuación se describirá el funcionamiento de un segundo sistema según la invención. El amoníaco líquido entra en el intercambiador de calor y al vaporizador 9 donde se vaporiza y precalienta para producir gas amoníaco precalentado. El gas amoniaco precalentado entra entonces en un dispositivo de craqueo de amoniaco 10, que es un reformador presión-presión y contiene un catalizador, por ejemplo, un catalizador de níquel soportado como R-87 HEAT-X® comercializado por Haldor Topside. El dispositivo de craqueo de amoníaco 10 también está provisto de una entrada para aire comprimido, que se obtiene de la turbina de gas 11. En el dispositivo 10, se produce el proceso de craqueo de amoníaco y el gas amoníaco precalentado se convierte en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno. Esta mezcla de hidrógeno y nitrógeno pasa a través del intercambiador de calor y el vaporizador 9 y una parte se recicla nuevamente al dispositivo de craqueo de amoníaco 10 para impulsar la reacción de craqueo endotérmico. La mezcla restante de hidrógeno y nitrógeno se enfría en el intercambiador de calor y vaporizador 9. Cualquier amoníaco sin reaccionar que quede en la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno se elimina en una unidad de lavado de amoníaco 12, que puede ser, por ejemplo, un depurador de agua. La mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de la unidad de depuración 12 se envía luego a la turbina de gas 11 donde se quema para generar energía. El gas de escape de la turbina de gas es un gas de escapa completamente libre de CO2.
El exceso de calor se elimina de los gases de combustión que salen del dispositivo 10 de craqueo de amoníaco en una unidad 13 de recuperación de calor (por ejemplo, una unidad HRSG o un turboexpansor). Al menos una parte de los gases de combustión que pasan a través de la unidad 13 se añade a la mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que entra en la turbina de gas 11. El exceso de calor generado por la turbina de gas se utiliza para producir vapor en una unidad HRSG 14.
Claims (27)
1. Un proceso para generar energía utilizando una turbina de gas en alta mar, que comprende las etapas de:
(i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir gas amoníaco precalentado;
(ii) introducir dicho gas amoníaco precalentado en un dispositivo de craqueo de amoníaco, en donde dicho dispositivo es adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno;
(iii) convertir dicho gas amoniaco precalentado en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo; (iv) enfriar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar una mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada;
(v) eliminar el gas amoníaco no convertido de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(vi) introducir dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en una turbina de gas en alta mar; y
(vii) quemar dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una fuente de combustible ayuda a la conversión de dicho gas amoníaco precalentado en dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco, opcionalmente en donde dicha fuente de combustible comprende una parte de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno.
3. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde dicha vaporización y precalentamiento de dicho amoníaco líquido se produce a una temperatura de 300-700 °C y/o a una presión de 0,2-5,5 MPa (2-50 barg).
4. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde dicho gas amoniaco precalentado se puede bombear a una presión que coincida con la presión del combustible requerida para la turbina de gas en alta mar antes de introducirlo en dicho dispositivo de craqueo de amoniaco.
5. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco es un dispositivo de craqueo de amoníaco catalítico que contiene un catalizador.
6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicho catalizador se selecciona entre catalizadores de níquel, catalizadores de hierro, catalizadores de manganeso, catalizadores de platino, catalizadores de paladio, catalizadores de lantano, catalizadores de molibdeno y catalizadores de circonio, o mezclas de los mismos.
7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en donde dicho catalizador es un catalizador de níquel.
8. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 6 o 7, en donde dicho catalizador está soportado sobre alúmina o alúmina magnésica.
9. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde dicha conversión de dicho gas amoníaco precalentado en dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno se produce a una temperatura de 500-1100 °C.
10. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno se enfría a una temperatura de 40-300 °C.
11. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la composición de dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno se ajusta usando técnicas de purificación.
12. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde una parte de los gases de combustión que salen de dicho dispositivo de craqueo de amoníaco se alimenta a dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno.
13. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde una parte de los gases de combustión que salen del dispositivo de craqueo de amoníaco se expande en un expansor para recuperar energía del mismo.
14. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde el exceso de calor generado por dicho dispositivo de craqueo de amoníaco se utiliza para producir vapor y al menos una parte de dicho vapor se alimenta a dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno antes de su introducción en dicha turbina de gas en alta mar.
15. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en donde el exceso de calor generado por dicha turbina de gas en alta mar se utiliza para producir vapor y al menos una parte de dicho vapor se alimenta a dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno antes de su introducción en dicha turbina de gas en alta mar.
16. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en donde dicha turbina de gas en alta mar es una turbina de gas en alta mar conectada a un tanque flotante de almacenamiento de amoníaco.
17. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en donde dicha turbina de gas en alta mar está asociada a un sistema de energía renovable, de tal manera que cuando dicho sistema de energía renovable no sea capaz de generar energía, dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno se quema en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
18. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 17, en donde dicho sistema de energía renovable comprende una turbina eólica.
19. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende las etapas de:
(i) vaporizar y precalentar amoníaco líquido para producir dicho gas amoníaco precalentado;
(ii) introducir dicho gas amoníaco precalentado en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco que contiene un catalizador, en donde dicho dispositivo es adecuado para convertir gas amoníaco en una mezcla de hidrógeno y nitrógeno;
(iii) extraer aire de combustión de dicha turbina de gas en alta mar;
(iv) introducir dicho aire de combustión en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco;
(v) convertir dicho gas amoniaco precalentado en dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno en dicho dispositivo que contiene un catalizador;
(vi) enfriar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno para dar dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno enfriada; (vii) eliminar el gas amoníaco sin convertir de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(viii) introducir al menos una parte de los gases de combustión que comprenden nitrógeno y agua que salen de dicho dispositivo de craqueo de amoníaco en dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(ix) introducir dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión en dicha turbina de gas en alta mar; y
(x) quemar dicho hidrógeno y nitrógeno enfriados y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
20. Un sistema para generar energía mediante una turbina de gas en alta mar, que comprende:
(i) un intercambiador de calor y vaporizador que comprende una entrada para amoníaco líquido y una salida para amoníaco gaseoso precalentado;
(ii) un dispositivo de craqueo de amoníaco que comprende una entrada para dicho gas amoníaco precalentado y una salida para una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco contiene un catalizador;
(iii) una unidad de refrigeración que comprende una entrada para dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(iv) una unidad de lavado de amoníaco, que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco; y
(v) una turbina de gas en alta mar que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco, en donde dicha turbina de gas en alta mar es adecuada para la combustión de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno para generar dicha energía.
21. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende:
(i) un intercambiador de calor y vaporizador que comprende una entrada para amoníaco líquido y una salida para amoníaco gaseoso precalentado;
(ii) un dispositivo de craqueo de amoníaco que comprende una primera entrada para dicho gas amoníaco precalentado, una segunda entrada para el aire de combustión, una primera salida para una mezcla de hidrógeno y nitrógeno, y una segunda salida para gases de combustión, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco contiene un catalizador;
(iii) una unidad de refrigeración que comprende una entrada para dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno;
(iv) una unidad de lavado de amoníaco, que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y una salida para una mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco; y
(v) una turbina de gas en alta mar que comprende una entrada para dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno que sale de dicha unidad de lavado de amoníaco y al menos una parte de dichos gases de combustión, y una salida para dicho aire de combustión, en donde dicha turbina de gas en alta mar es adecuada para la combustión de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno y dicha al menos una parte de dichos gases de combustión para generar dicha energía.
22. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 20 o 21, en donde dicho dispositivo de craqueo de amoníaco comprende una entrada adicional para una parte de dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno producida en dicho dispositivo de craqueo de amoníaco.
23. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, en donde dicha turbina de gas en alta mar es una turbina de gas en alta mar conectada a un tanque flotante de almacenamiento de amoníaco.
24. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, en donde dicha turbina de gas en alta mar está asociada a un sistema de energía renovable, de tal manera que cuando dicho sistema de energía renovable no sea capaz de generar energía, dicha mezcla enfriada de hidrógeno y nitrógeno se puede quemar en dicha turbina de gas en alta mar para generar dicha energía.
25. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 24, en donde dicho sistema de energía renovable comprende una turbina eólica.
26. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, que comprende además una unidad de purificación para ajustar la composición de dicha mezcla de hidrógeno y nitrógeno antes de su introducción en dicha unidad de refrigeración.
27. Un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 26, que comprende además una unidad HRSG aguas abajo de dicho dispositivo de craqueo de amoníaco y/o aguas abajo de dicha turbina de gas en alta mar.
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