ITMI20072249A1 - Sistemi e procedimenti per la riduzione di emission i di nox - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

PRECEDENTI DELL'INVENZIONE

[0001] Questa descrizione ha per oggetto un sistema per la riduzione di emissioni in un sistema di generazione di potenza che utilizza del gas combustibile arricchito con idrogeno per 1' abbattimento delle emissioni nello scarico di una turbina a gas.

[0002] Le preoccupazioni per l'inquinamento atmosferico a livello mondiale hanno condotto a dei più contenuti standard di emissioni. Questi standard regolano le emissioni di ossidi di azoto, di idrocarburi non combusti (UHC), e di monossido di carbonio (CO) generate come risultato di operazioni di motori di turbine a gas. In particolare, l'ossido di azoto si forma entro un motore di turbina a gas come risultato di una elevata temperatura della fiamma della camera di combustione durante 1'operazione .

[0003] L'uso di combustibili idrocarbonici in una camera di combustione di una turbina in operazione è ben noto. In generale aria e combustibile vengono alimentati in una camera di combustione nella quale il combustibile viene bruciato in presenza di aria per produrre il gas caldo di combustione. Il gas caldo di combustione viene quindi alimentato ad una turbina nella quale esso si raffredda e si espande per produrre potenza. Sottoprodotti della combustione del carburante includono tipicamente delle tossine dannose per l'ambiente, quali ossido di azoto e biossido di azoto (collettivamente chiamati N0X), CO, UHC (per esempio metano e composti organici volatili che contribuiscono alla formazione di azoto atmosferico), ed altri ossidi, ivi inclusi ossidi di zolfo (per esempio S02ed S03).

[0004] Vi sono due fonti di emissione di NOxnella combustione di un combustibile. La fissazione di azoto atmosferico nella fiamma della camera di combustione (noto come NOxtermico) è la fonte principale di NOx. La conversione di azoto trovato nel combustibile (noto come azoto legato al combustibile) è una fonte secondaria di emissioni di NOx. La quantità di NOxgenerata dall'azoto legato al combustibile può essere controllata attraverso una appropriata scelta della composizione del combustibile e del trattamento del gas della postcombustione. Come in tutti i motori termici ciclici una più elevata temperatura di combustione significa una maggiore efficienza. Tuttavia, un problema causato da delle più elevate temperature di combustione è la quantità di N0Xtermico che viene generato. L'NOxtermico generato è una funzione esponenziale della temperatura della fiamma della camera di combustione e del tempo durante il quale la miscela di combustibile rimane alla temperatura della fiamma. Ogni miscela di combu-stibile-aria ha una temperatura della fiamma caratteristica che è una funzione del rapporto aria-combustibile (espresso come rapporto di equivalenza, cp) della miscela ariacombustibile bruciata nella camera di combustione. Quindi, la quantità di N0Xtermico generata è basata sul tempo di permanenza, sulla pressione e sul rapporto di equivalenza di una particolare miscela aria-combustibile. Il rapporto di equivalenza (cp) è definito dal seguente rapporto:

cp = (mf/mo) effettivo / (mf/mo) stechiometrico, in cui "mo" è la massa dell'ossidante ed "mf" è la massa del combustibile.

[0005] Il tasso della produzione di NOxè il più elevato ad un rapporto di equivalenza di 1,0, quando la temperatura della fiamma è uguale alla temperatura adiabatica stechiometrica della fiamma. A condizioni stechiometriche, il combustibile e l'ossigeno vengono completamente consumati. In generale, il tasso di generazione di N0Xdiminuisce con la diminuzione del tasso di equivalenza (cioè, esso è inferiore ad 1,0 e la miscela aria-combustibile è povera di combustibile) . A rapporti di equivalenza inferiori ad 1,0, è disponibile più aria, e quindi più ossigeno, di quanto sia richiesto per una combustione stechiometrica. Questo ha come risultato una temperatura inferiore della fiamma, il che, a sua volta, riduce la quantità di NOxgenerata. Tuttavia, con la diminuzione del rapporto di equivalenza, la miscela aria-combustibile diventa molto povera di combustibile e la fiamma non brucerà bene e potrà diventare instabile e spegnersi. Quando il rapporto di equivalenza eccede 1,0, si ha una quantità di combustibile in eccesso rispetto a quella che può essere bruciata dall'ossigeno a disposizione (miscela ricca di combustibile) . Anche questo ha come risultato una temperatura della fiamma inferiore alla temperatura adiabatica della fiamma, il che, a sua volta, conduce ad una significativa riduzione nella formazione di NOx; comunque del combustibile viene sprecato rendendo un tale sistema costoso ed inefficiente .

[0006] I sistemi di generazione di potenza della tecnica precedente usano flussi arricchiti di idrogeno in turbine a gas per ridurre la generazione di NOxmediante la riduzione della temperatura della fiamma ed un aumento di operabilità. La generazione di idrogeno può tuttavia essere costosa, e questi sistemi di generazione di potenza operano qualche volta con una efficienza meno che ottimale. Quello che occorre è un metodo per la riduzione delle emissioni di NOxnei sistemi di generazione di potenza mediante l'uso di un flusso arricchito con idrogeno con una contemporanea riduzione del costo di produzione sia della energia sia dell'idrogeno, in modo da giungere a dei maggiori vantaggi nell'efficacia e nella operabilità del sistema.

[0007] Di conseguenza, permane la necessità di disporre di un migliore sistema di generazione di potenza usando dei gas combustibili arricchiti con idrogeno che possano abbattere le emissioni delle turbine a gas senza causare alcuna perdita nell'efficienza del procedimento.

BREVE RIASSUNTO

[0008] Vengono qui descritti sistemi e procedimenti per la riduzione di emissioni dannose in un sistema per la generazione di potenza. In una realizzazione, un sistema per ridurre le emissioni di N0Xinclude un reformer configurato per ricevere un combustibile e per produrre un flusso arricchito con idrogeno, un sistema di combustione configurato per bruciare il flusso arricchito con idrogeno e produrre elettricità ed un flusso di scarico, ed un recuperatone configurato per recuperare calore dal flusso di scarico, in cui il calore recuperato viene riciclato indietro al reformer.

[0009] In un'altra realizzazione, un sistema per la riduzione delle emissioni di NOxinclude un reformer configurato per ricevere un combustibile e per produrre un flusso arricchito con idrogeno, in cui il flusso arricchito con idrogeno comprende monossido di carbonio, biossido di carbonio, idrogeno, ed il combustibile, una unità di separazione in comunicazione fluida con il reformer, in cui l'unità di separazione è configurata in modo da ricevere il flusso arricchito con idrogeno per separare il biossido di carbonio dal flusso arricchito con idrogeno e per produrre un flusso ricco in biossido di carbonio, un sistema di combustione in comunicazione fluida con il reformer e l'unità di separazione che include una camera di combustione comprendente una prima fase ed una seconda fase configurate per ricevere il flusso arricchito con idrogeno ed il flusso ricco in biossido di carbonio, in cui il flusso arricchito con idrogeno viene combusto nella prima fase ed il flusso ricco in biossido di carbonio viene combusto nella seconda fase, ed in cui la camera di combustione produce energia termica ed un flusso di gas misto compresso caldo, ed un generatore di turbina a gas in comunicazione fluida con la camera di combustione, in cui il generatore della turbina a gas è configurato in modo da espandere il flusso di gas misto compresso caldo e da produrre energia elettrica ed un flusso di scarico, ed un recuperatone in comunicazione fluida con il sistema di combustione configurato per recuperare energia termica dalla camera di combustione ed il flusso di scarico, in cui il calore recuperato viene riciclato indietro al reformer.

[0010] Un procedimento per ridurre le emissioni di NOxinclude il reforming di un combustibile con un reformer per produrre un flusso arricchito con idrogeno, in cui il flusso arricchito con idrogeno comprende monossido di carbonio, biossido di carbonio, idrogeno ed il combustibile, la separazione del biossido di carbonio dal flusso arricchito con idrogeno con una unità di separazione per produrre un flusso ricco in biossido di carbonio, la combustione in una prima fase di una camera di combustione del flusso arricchito con idrogeno, la combustione in una seconda fase della camera di combustione del flusso ricco in biossido di carbonio, in cui la combustione nella prima fase e nella seconda fase produce energia termica ed un flusso di gas misto compresso caldo, l'espansione del flusso di gas misto compresso caldo per produrre elettricità ed un flusso di scarico, il recupero dell'energia termica dalla camera di combustione e dal flusso di scarico e il riciclo dell'energia termica recuperata al reformer.

[0011] Le caratteristiche qui sopra descritte ed altre caratteristiche sono esemplificate dalle figure che seguono e dalla loro descrizione dettagliata.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0012] Si faccia ora riferimento alle figure, che sono realizzazioni esemplificative ed in cui gli elementi uguali sono numerati nello stesso modo.

[0013] La Figura 1 illustra un diagramma di flusso di un procedimento schematico di un primo sistema esemplificativo di generazione di potenza;

[0014] La Figura 2 illustra graficamente la variazione delle emissioni e l'operabilità con il rapporto combustibile - aria alla temperatura della zona di combustione e l'operabilità di una camera di combustione usando un combustibile arricchito con idrogeno ;

[0015] La Figura 3 illustra un diagramma di flusso di un procedimento schematico di un sistema esemplificativo di reformer;

[0016] La Figura 4 illustra un diagramma di flusso di un procedimento schematico di un altro sistema esemplificativo di reformer; e

[0017] La Figura 5 illustra un diagramma di flusso di un procedimento schematico di ancora un altro sistema esemplificativo di reformer.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE REALIZZAZIONI PREFERITE

[0018] Vengono qui descritti dei sistemi di generazione di potenza e dei metodi migliorati per la riduzione delle emissioni di ossidi di azoto (NOx) in turbine a gas a ciclo semplice. Al contrario dei sistemi per la generazione di potenza della tecnica precedente, i sistemi qui descritti usano del combustibile arricchito con idrogeno a bassa concentrazione di idrogeno, così da ridurre la temperatura della fiamma in una camera di combustione e da catturare e riciclare l'energia da un flusso di scarico della camera di combustione per aumentare l'efficienza del procedimento e per ridurre i costi di reforming. Inoltre, i sistemi che vengono descritti possono essere retroadattat i agli esistenti sistemi di generazione di potenza per assicurare i medesimi ridotti costi di reforming e la migliore efficienza. La terminologia qui impiegata ha uno scopo descrittivo e non limitativo. I dettagli specifici strutturali e funzionali qui descritti non devono essere interpretati come limitativi, ma più semplicemente come una base per le rivendicazioni ed una fonte rappresentativa per suggerire a chi sia esperto nella tecnica vari modi di applicare l'invenzione. Inoltre, come essi vengono qui impiegati, i termini "primo", "secondo" e simili non denotano alcun ordine di importanza, ma vengono piuttosto usati per distinguere un elemento da un altro, ed i termini "il", "la", "i", "gli", "le" "un", "uno", "una" non denotano alcuna limitazione di quantità, ma denotano piuttosto la presenza di almeno uno degli articoli menzionati. Inoltre, tutte le gamme riferite alla medesima quantità di un dato componente o di una determinata misurazione sono inclusive dei punti finali e sono indipendentemente combinabili .

[0019] Riferendosi ora alla Figura 1, viene illustrato un sistema esemplificativo di potenza 100. Il sistema 100 comprende un reformer 110 configurato per riformare un combustibile 112 in modo da fornire un flusso arricchito con idrogeno 114. Il flusso arricchito con idrogeno 114 viene mescolato con un combustibile supplementare 120 e con un ossidante 122 e viene introdotto e bruciato in un sistema di combustione 116 per produrre potenza, per esempio elettricità, che può essere collegata ad una rete di distribuzione 118.

[0020] Il sistema 100 genera potenza, mentre riduce gli inquinanti NOxmediante l'uso del flusso arricchito con idrogeno 114 avente una bassa concentrazione di idrogeno. Il combustibile arricchito con idrogeno abbassa la temperatura della fiamma del sistema di combustione 116 rispetto all'uso di solo combustibile, per esempio gas naturale. Come è stato discusso in precedenza, qui la temperatura della fiamma è una funzione del rapporto di equivalenza, rapporto di equivalenza che è una misura del rapporto tra combustibile ed ossidante nel sistema di combustione. Ad un rapporto di equivalenza pari ad 1,0, vengono raggiunte le condizioni stechiometriche e la temperatura della fiamma è la più elevata. È a queste elevate temperature della fiamma che tipicamente viene generata la maggior quantità di N0X. A dei rapporti di equivalenza inferiori ad 1,0, il sistema di combustione 116 è in condizioni "povere" e la produzione di NOxdecresce rapidamente. Un sistema di combustione può essere operativo a condizioni povere riducendo il flusso di combustibile od aumentando il flusso ossidante; tuttavia la finestra di operabilità a queste condizioni è limitata e si possono verificare dei problemi di estinzione della fiamma. Inoltre, se la temperatura della fiamma è troppo bassa, si può avere la presenza di troppo monossido di carbonio e di idrocarburi non bruciati. Drogando il combustibile con gas idrogeno, è possibile avere una finestra di operabilità più ampia dovuta al più basso limite di infiammabilità dell'idrogeno. Inoltre, aggiungendo il flusso arricchito con idrogeno 114 al sistema di combustione 116, viene vantag-giosamente mantenuta una stabile alimentazione di combustibile mentre viene minimizzata la produzione di inquinante, a differenza del tentativo di controllare le emissioni mediante l'oscillazione dell'alimenta-zione di combustibile che può dar luogo a dei danni fisici al sistema di combustione.

[0021] La Figura 2 mostra una rappresentazione grafica della migliorata finestra di operabilità per delle ridotte emissioni di N0Xusando del combustibile arricchito con idrogeno rispetto al solo combustibile, per es. gas naturale. Drogando il gas naturale con idrogeno, viene creata una più ampia finestra di operabilità per la generazione di potenza mantenendo, allo stesso tempo, una bassa emissione. Per ottenere questa migliore finestra di operabilità, è richiesta soltanto una bassa concentrazione di idrogeno. Di preferenza, è richiesta una percentuale di idrogeno nel combustibile inferiore a circa il 10 per cento (voi.) e meglio ancora una percentuale compresa tra circa l'I per cento e circa il 3 per cento in volume. Mentre una tale concentrazione riduce le emissioni dannose e migliora le prestazioni della camera di combustione, la bassa concentrazione di idrogeno significa anche dei ridotti costi di reforming rispetto a sistemi che impiegano idrogeno a delle concentrazioni elevate, fino all'uso di idrogeno sostanzialmente puro. Come verrà discusso in maggior dettaglio più avanti, possono essere impiegati dei reformer quali reformer ad ossidazione parziale catalitica (CPO), perché tali reforming generano un prodotto di reforming con dei rapporti tra idrogeno e monossido di carbonio relativamente bassi .

[0022] Facendo nuovamente riferimento alla Figura 1, il sistema 100 comprende inoltre un recuperatone 124. Il recuperatone 124 converte opportunamente il calore dal flusso del sistema di scarico 126, che altrimenti andrebbe perduto in questo sistema a ciclo semplice, per riciclare il calore 128 indietro al reformer 110. Opzionalmente, il recuperatone 124 può ulteriormente generare il vapore 130 dal flusso di scarico 126 per riformare il combustibile 112. Il recuperatone 124 converte vantaggiosamente ciò che sarebbe altrimenti calore perduto dal sistema di combustione 116 in energia usata dal reformer 110. Il riciclaggio migliora l'efficienza complessiva del processo mentre riduce ulteriormente i costi operativi del reformer 110.

[0023] Il reformer 110 può essere qualunque reformer adatto a produrre un flusso di combustibile arricchito con idrogeno. Le Figure 4 e 5 illustrano due sistemi di reformer esemplificativi 300 e 400. Il sistema di reformer 300 della Figura 4 comprende un pre-reformer a vapore 310. La combinazione del combustibile 312 con il calore 328 ed il vapore 330, entrambi i quali possono essere riciclati dal recuperatone (non mostrato), promuove il reforming del combustibile, per esempio gas naturale, come è mostrato nelle reazioni 1 e 2 qui sotto riportate.

CnHm+ nH20 → n CO (m/2 n) H2( 1 )

CO H20 → C02+ H2( 2 )

[0024] La reazione di reforming 1 ha luogo in presenza di un idoneo catalizzatore di reforming a vapore, quale il nichel. La reazione di reforming 1 è altamente endotermica; di conseguenza il flusso di calore 328 dal recuperatore viene riciclato indietro al pre-reformer 310 per fornire calore per la reazione. Il processo di reforming conduce alla formazione di un gas riformato (comunemente noto anche come syngas o gas di sintesi), che viene designato come il flusso arricchito con idrogeno 314. Il flusso arricchito con idrogeno 314 consiste in monossido di carbonio (CO), biossido di carbonio (C02), idrogeno (H2), combustibile inutilizzato, ed acqua. Il flusso arricchito con idrogeno 314 può essere opzionalmente pre-trattato prima di entrare nel sistema di combustione (non mostrato) . Un raffreddatore 332 ed una fase di rimozione dell'acqua 334, designati come componenti opzionali del sistema di reformer 300 con delle linee tratteggiate, possono essere usati per raffreddare e rimuovere acqua dal flusso arricchito con idrogeno 314.

[0025] La Figura 5 illustra una seconda realizzazione esemplificativa di un sistema di reformer 400. Il sistema di reformer 400 consiste in reformer 410 a parziale ossidazione catalitica (CPO) , piuttosto che in un pre-reformer a vapore del sistema 300. Per il reforming CPO viene usato un ossidante 422 insieme con un combustibile 412 e con vapore 430 per formare il flusso arricchito con idrogeno 414. Il reforming CPO avviene in due fasi di reazione 3 e 4 come è mostrato qui sotto:

CnHm+ n/202 → nCO m/2H2( 3 ) CnHm+ nH20 → nCO (m/2 n) H2( 4 )

[0026] La reazione 3 è esotermica, mentre la reazione 4 è endotermica. Il combustibile 412 viene miscelato con l'ossidante 422 e simultaneamente parzialmente ossidato nella reazione 3 e riformato a vapore nella reazione 4. Opzionalmente, più idrogeno e C02possono essere creati continuando il reforming mediante una terza reazione 5, riportata qui sotto.

CO H20 <— > H2+ C02(5)

[0027] La reazione 5 è nota come reazione shift del gas d'acqua e viene svolta in presenza di un catalizzatore. Il C02prodotto da questa reazione può essere opportunamente separato ed essere usato nel sistema di combustione (non mostrato), come verrà descritto in maggior dettaglio più avanti. Così come il sistema di reforming a vapore 300 di cui sopra, il sistema di reforming CPO 400 può anche includere un raffreddatore 432 e la fase di rimozione dell'acqua 434, designati come componenti opzionali del sistema di reformer 400 da linee tratteggiate, per raffreddare e rimuovere acqua dal flusso arricchito con idrogeno 414.

[0028] In operazione, i reformer sono ottimizzati per produrre un flusso arricchito con idrogeno avente una concentrazione di idrogeno inferiore a circa il 10 per cento (peso/vol.) . A questa bassa concentrazione, il sistema generatore di potenza descritto è in grado di operare ad un costo ridotto rispetto a dei sistemi che usano delle concentrazioni elevate, o persino dei flussi puri alimentati con idrogeno nelle loro camere di combustione. Usando una bassa concentrazione di idrogeno nel combustibile, i costi operativi del reformer vengono ridotti, e non è necessaria alcuna costosa attrezzatura di separazione per aumentare ulteriormente la concentrazione di idrogeno .

[0029] Facendo ancora riferimento alla Figura 1, 11 flusso arricchito con idrogeno 114 entra nel sistema di combustione 116. Il sistema di combustione 116 può comprendere inoltre un compressore 132, una camera di combustione 134, ed un generatore di turbina a gas 136. Il flusso arricchito con idrogeno 114, entrando nella camera di combustione 134 del sistema di combustione 116, può non essere abbastanza caldo e pressurizzato per dare potenza alla turbina a gas 136; perciò, il flusso 114 può essere aumentato con del combustibile supplemen-tare 120 e con ossidante 122. Dopo aver aggiunto il combustibile addizionale 120 e l'ossidante 122 alla camera di combustione 134, il flusso di gas misto 138 è sufficientemente caldo e pressurizzato per dare efficacemente potenza al generatore della turbina a gas 136, qui risultando nella efficiente produzione di elettricità, inviata alla rete di distribuzione 118, e di un flusso di scarico caldo 126 recuperato dal recuperatore 124.

[0030] I combustibili 112 e 120 possono comprendere qualsiasi combustibile gassoso o liquido quale, per esempio, gas naturale, metano, nafta, butano, propano, diesel, cherosene, un combustibile per l'aviazione, un combustibile derivato dal carbone, un combustibile bio, un combustibile stock idrocarbonico ossigenato, e loro miscele, ivi comprendendo uno o più dei combustibili sopra elencati. In alcune realizzazioni, il combustibile può di preferenza includere del gas naturale. L'ossidante 122 può comprendere qualsiasi gas adatto contenente ossigeno, quali, per esempio, aria, aria ricca di ossigeno, aria povera di ossigeno, ossigeno puro e simili. Come affermato qui sopra, il flusso arricchito con idrogeno 114 può comprendere monossido di carbonio, biossido di carbonio, idrogeno, combustibile inutilizzato, ed acqua. Per il sistema come esso è qui descritto, il flusso arricchito con idrogeno ha di preferenza meno di circa il 10 per cento peso/voi . di idrogeno e ancora meglio tra circa l'i per cento di idrogeno e circa il 3 per cento di idrogeno peso/voi . La quantità di idrogeno nel flusso 114 è esattamente sufficiente ad ampliare la finestra di operabilità della temperatura della fiamma, come è mostrato nella Figura 2. Delle concentrazioni maggiori di idrogeno hanno come risultato più elevati costi delle attrezzature ed più elevati costi operativi, oltre che la possibilità di produrre l'effetto avverso di aumentare le emissioni di NOxnel sistema.

[0031] In operazione, l'ossidante compresso 122 viene fatto affluire alla camera di combustione 134 miscelato con il combustibile supplementare 120 e con il flusso arricchito con idrogeno 114, e viene acceso. In alcune realizzazioni, i bruciatori della camera di combustione 134 possono utilizzare delle pre-miscele di combustibile 114 e 120 e di ossidante 122 e possono comprendere dei sistemi di flusso turbinante premiscelato o dei sistemi di flusso non turbinante. Possono essere utilizzati dei turbinatori radiali, assiali e/o dei turbinatori doppi controrotanti. La camera di combustione 134 produce energia termica e dei gas misti compressi caldi 138, che vengono inviati al generatore della turbina a gas 136. I gas misti compressi 138 vengono espansi per mettere in azione la turbina e vengono successivamente scaricati sotto forma di flusso di scarico 126 al recuperatore 124. La rotazione della turbina prodotta dai gas misti espansi ad alta pressione può essere convertita in energia elettrica mediante un generatore del generatore della turbina a gas 136 in un modo generalmente noto a chi sia esperto nella tecnica. L'energia elettrica può quindi essere trasferita alla rete di distribuzione 118.

[0032] Opzionalmente, la camera di combustione 134 può avere delle fasi multiple di operazione. In una prima fase, il flusso arricchito con idrogeno 114 può essere iniettato nella camera di combustione 134.

Come affermato in precedenza il combustibile ricco in idrogeno riduce la temperatura della fiamma mentre viene aumentato lo scarso margine di estinzione. La camera di combustione è pertanto in grado di operare ad una temperatura ridotta, abbassando così le emissioni di N0Xsenza soffrire di alcun effetto sulla operabilità, come l'estinzione della fiamma. In una seconda fase, un flusso ricco in C02121 può essere iniettato nella camera di combustione dopo l'iniezione del combustibile arricchito con idrogeno 114. Il flusso ricco in C02121 viene iniettato per pre-miscelare il combustibile arricchito con idrogeno nella seconda fase nell'aria e per ridurre ulteriormente la temperatura della fiamma. Con l'uso di un flusso ricco in C02nella camera di combustione, il potenziale di alta pressione del flusso può essere sfruttato espandendo il gas sulla turbina per generare potenza. Come è stato descritto, mantenendo il flusso di combustibile arricchito con idrogeno dentro la camera di combustione si riducono le emissioni di N0Xriducendo ulteriormente le temperature della fiamma.

[0033] Questo flusso ricco in C02121 opzionale può essere prodotto mediante un secondo reformer operante a dei regimi di temperatura diversi da quello del sistema di reformer 300, per produrre un flusso di combustibile ricco in C02in un modo noto a chi sia esperto nella tecnica. In alternativa, usando il sistema di reformer 400, il C02può essere separato dopo il verificarsi della reazione shift del gas d'acqua 5 con una unità di separazione di dispositivo di separazione (non mostrata) . L'unità di separazione del C02può applicare vari metodi noti alla tecnica, ivi includendo, ma senza limitarvisi, l'adsorbimento per oscillazioni di pressione, gli assorbimenti chimici, e la separazione con membrana per separare il C02dal flusso arricchito con idrogeno .

[0034] L'adsorbimento per oscillazioni di pressione (PSA) può essere usato per la separazione di biossido di carbonio da una miscela di gas contenente idrogeno. Nelle tecniche PSA, ad elevata pressione parziale, dei setacci molecolari solidi possono assorbire biossido di carbonio con maggior forza dell'idrogeno. Come risultato, ad una pressione elevata, il biossido di carbonio viene rimosso dalla miscela di gas contenente l'idrogeno quando questa miscela viene fatta passare attraverso un letto di adsorbimento. La rigenerazione del letto viene effettuata per depressurizzazione e purga.

Tipicamente, per operazioni critiche, viene usata una pluralità di contenitori di adsorbimento per una separazione continua di biossido di carbonio, in cui viene usato un solo letto di adsorbimento mentre gli altri vengono rigenerati.

[0035] Un'altra tecnica per la separazione di biossido di carbonio da un flusso di gas è l'assorbimento chimico usando degli ossidi quali ossido di calcio (CaO) ed ossido di magnesio (MgO) od una loro combinazione. In una realizzazione, a pressione ed a temperatura elevate, il CO2viene assorbito da CaO formando carbonato di calcio (CaC03), rimuovendo in tal modo C02dalla miscela di gas. Il CaO sorbente viene rigenerato per calcinazioni di CaC03, che può di nuovo riformare CaC03in CaO.

[0036] La tecnologia di separazione con membrana può anche essere usata per la separazione di biossido di carbonio da un flusso di gas. I procedimenti con membrana, in generale, sono energeticamente più efficienti e più facili da eseguire dei procedimenti di assorbimento. Le membrane usate per la separazione di biossido di carbonio ad alta temperatura includono membrane di zeolite e di ceramica che sono selettive rispetto al CO2.

Comunque, l'efficienza delle tecno-logie di separazione con membrana è bassa, e, con la separazione con membrana, può non essere ottenuta una separazione completa del biossido di carbonio. Tipicamente, i separatori a membrana operano più efficientemente a pressioni elevate, e l'uso di un separatore a membrana per separare il biossido di carbonio dal flusso in uscita 60 dal reattore shift 56 può essere assicurato mediante una ulteriore compressione del flusso in uscita 60 prima della separazione di CO2.

[0037] Una tecnica ancora differente usata per la separazione di C02dal flusso arricchito con idrogeno 114 può includere, ma senza esservi limitata, l'assorbimento chimico di CO2con l'uso di ammine. Il flusso arricchito con idrogeno 114 può venir raffreddato fino ad una temperatura adatta per usare l'assorbimento chimico di biossido di carbonio con l'uso di ammine. Questa tecnica si basa su dei solventi di alcanol ammine che hanno la capacità di assorbire biossido di carbonio a delle temperature relativamente basse, e che vengono facilmente rigenerate aumentando la temperatura dei solventi ricchi. Un flusso ricco in biossido di carbonio viene ottenuto dopo la rigenerazione del solvente ricco. I solventi che vengono usati in questa tecnica possono includere trietanolammina, monoetanolammina, dietanol-ammina, diisopropanolammina, diglicolammina e metil-dietanolammina .

[0038] In alcune realizzazioni, il separatore del biossido di carbonio può comprendere almeno un letto di adsorbimento in cui, per separare il biossido di carbonio dal flusso arricchito con idrogeno 114, viene usata una tecnica PSA. In alcune altre realizzazioni, il separatore del biossido di carbonio può consistere almeno in un contenitore di assorbimento, in cui viene impiegata una tecnica di assorbimento chimico. In ancora una differente realizzazione, il separatore del biossido di carbonio consiste almeno in un separatore a membrana. Usando le varie tecniche qui descritte, un flusso ricco in biossido di carbonio può essere generato dal dispositivo di separazione.

[0039] Alimentando la camera di combustione con un flusso di combustibile arricchito con idrogeno, e con un flusso opzionale ricco in C02, gli inquinanti ambientali, in particolare le emissioni di NOx, possono essere ridotti da circa 9 parti per milione (ppm) a circa 3 ppm o meno. Questo consente ai correnti sistemi di generazione di potenza di soddisfare i sempre più severi standard riguardanti le emissioni EPA. Nei sistemi di potenza della tecnica precedente, viene richiesta una attrezzatura aggiun-tiva per l'ulteriore trattamento dei gas di scarico della combustione in modo da poter soddisfare gli standard delle emissioni, quali i sistemi di riduzione catalitica selettiva (SCR), le trappole per N0X, e simili. Una simile attrezzatura non solo è costosa, ma essa richiede dello spazio aggiuntivo che può essere limitato nei sistemi di potenza esistenti. Poiché il sistema qui descritto riduce vantaggiosamente le emissioni dentro la camera di combustione, la sola caratteristica aggiuntiva richiesta per tali esistenti sistemi di potenza è il recuperatone, il quale richiede meno spazio e meno investimenti rispetto ai dispositivi di trattamento post combustione sopra descritti. Inoltre, il recuperatone offre il vantaggio di recuperare il calore che andrebbe altrimenti perduto dal sistema di combustione e, come risultato, riduce i costi operativi del sistema di reformer.

[0040] Il recuperatone 124 può essere un tipo noto di scambiatore di calore, per cui l'energia termica dalla camera di combustione e dal flusso di scarico 126 può essere trasferita, per esempio, ad un flusso di aria compressa, senza mescolare il due flussi. Con il riscaldamento del flusso di aria compressa con il flusso di scarico 126, viene evitato il costo dei riscaldatori convenzionali o dei riscaldatori rigenerativi per aumentare la temperatura del reformer 110, e, a sua volta, il flusso di scarico 126 viene raffreddato prima di essere scaricato nell 'atmosfera .

Opzionalmente, l'energia termica del sistema di combustione 116 può ulteriormente riscaldare un flusso di acqua in entrata per produrre il vapore 130, il quale può quindi essere riciclato al reformer 110 .

[0041] Nella Figura 3, è illustrato un sistema combinato ciclico 150 avente un generatore di vapore di recupero di calore (HRSG) 152 in luogo del recuperatone 124 nel sistema a ciclo semplice 100. L'HRSG 152 utilizza il calore disperso dal gas di scarico 126 della turbina a gas 136 per generare un vapore 156 e fornire calore per il reformer 110. Dell' acqua 154 viene fatta passare attraverso 1'HRSG 152. Il calore a grado elevato dallo scappamento 126 della turbina a gas viene trasferito all'acqua per formare il vapore 156 ed un calore a basso grado 160. Una porzione del vapore 156 viene inviata ad una turbina a vapore 158, in cui il vapore viene espanso e raffreddato generando in tal modo della energia meccanica. L'energia meccanica viene successivamente convertita in energia elettrica mediante un generatore e viene inviata alla rete di distribuzione 118. Opzionalmente, il vapore espanso raffreddato può uscire dalla turbina a vapore 158 ed essere ulteriormente raffreddato e condensato in un condensatore per formare l'acqua 154 per l'HRSG 152, formando in tal modo un loop di riciclo ed aumentando l'efficienza del sistema nel suo complesso.

[0042] Il calore di basso grado rimanente 160 dello scarico 126 della turbina a gas viene inviato al reformer isotermico 110 a bassa temperatura, il quale utilizza il calore di basso grado 160 per condurre la reazione di reforming endotermica e riformare il combustibile 112. Il calore di basso grado 160 viene estratto dal reformer 110 ed il gas di scarico raffreddato risultante viene inviato alle ciminiere per essere immesso nell'atmosfera.

[0043] Ribadendo quanto sopra, come qui descritto i sistemi ed i procedimenti sopra citati incorporano l'uso di un combustibile arricchito con idrogeno a bassa concentrazione nel sistema di combustione con un recuperatone per riciclare nel reformer il calore a basso grado dello scarico della turbina a gas aumentando in tal modo il modesto margine di estinzione, riducendo le emissioni dannose, ed aumentando l'efficienza del sistema, tutto questo riducendo contemporaneamente i costi operativi. Il reformer viene opportunamente configurato per essere isotermico ed operante a basse temperature, essendo in tal modo in grado di utilizzare il calore di basso grado dello scarico della turbina a gas per riformare il combustibile e per produrre un combustibile arricchito con idrogeno. Il sopra descritto sistema può anche essere vantaggiosamente retro-adattato ad un preesistente sistema di generazione di potenza allo scopo di corrispondere ai mutevoli standard sulle emissioni nell'ambiente.

[0044] Sebbene questa invenzione sia stata descrit- ta con riferimento ad una realizzazione esemplifi- cativa, si comprenderà da parte di chi è esperto nella tecnica che varie modifiche vi possono essere apportate e che degli equivalenti possono essere sostituiti ad alcuni dei suoi elementi senza allontanarsi dall'ambito dell'invenzione stessa. Inoltre, molte modifiche possono essere apportate, per adattare una situazione particolare o dei materiali particolari, ai suggerimenti dell'invenzione, senza allontanarsi dal suo ambito essenziale. Di conse-guenza, si intende che questa invenzione non sia da considerarsi limitata alla particolare realizzazione descritta come il modo migliore contemplato per metterla in pratica, ma che questa invenzione stessa includa tutte le realizzazioni che cadono nell'ambito delle rivendicazioni allegate

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema (100, 150) per la riduzione di emissioni di NOx, consistente in: un reformer (H O, 300, 400) configurato per ricevere un combustibile (112, 312, 412) e per produrre un flusso arricchito con idrogeno (114, 314, 414), in cui il flusso arricchito con idrogeno comprende un volume inferiore od uguale a circa il 10 per cento di idrogeno; un sistema di combustione (116) configurato per bruciare il flusso arricchito con idrogeno e produrre elettricità ed un flusso di scarico (126); e un recuperatone (124, 152) configurato per recuperare calore (128) dal flusso di scarico, in cui il calore recuperato viene riciclato indietro al reformer .
2. 2. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, in cui il flusso arricchito con idrogeno comprende da circa 1 volume per cento a circa 3 volumi per cento di idrogeno.
3. 3. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, in cui il flusso arricchito con idrogeno amplia una finestra di operabilità del sistema di combustione.
4. 4. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, in cui il calore recuperato dal flusso di scarico viene usato per generare un vapore.
5. 5. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, in cui il reformer è un pre-reformer di vapore (310) od un reformer catalitico di ossidazione parziale (410).
6. 6. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, in cui le emissioni di NOxvengono ridotte da circa 9 parti per milione ad una quantità inferiore o uguale a 3 parti per milione.
7. 7. Il sistema (100, 150) della Rivendicazione 1, che comprende inoltre un secondo reformer configurato per ricevere il combustibile e produrre un flusso ricco in biossido di carbonio (121), in cui il flusso ricco in biossido di carbonio viene bruciato nel sistema di combustione.
8. 8. Un procedimento per ridurre le emissioni di NOx, comprendente : il reforming con un reformer (100, 300, 400) di un combustibile (112) per produrre un flusso arricchito con idrogeno (114, 314, 414), in cui il flusso arricchito con idrogeno comprende monossido di carbonio, biossido di carbonio, il combustibile, ed una quantità inferiore od uguale a circa 10 volumi per cento di idrogeno; la separazione del biossido di carbonio dal flusso arricchito con idrogeno con una unità di separazione per produrre un flusso ricco in biossido di carbonio (121); la combustione, in una prima fase di una camera di combustione (134), del flusso arricchito con idrogeno ; l'iniezione, in una seconda fase della camera di combustione, del flusso ricco in biossido di carbonio per bruciare ulteriormente il flusso arricchito con idrogeno, in cui la combustione nella prima fase e nella seconda fase produce energia termica ed un flusso di gas misto compresso caldo (138); l'espansione del flusso di gas misto compresso caldo per produrre elettricità ed un flusso di scarico (126 ); il recupero di energia termica (128, 160) dalla camera di combustione e dal flusso di scarico; e il riciclaggio dell'energia termica recupe- rata al reformer.
9. 9. Il procedimento della Rivendicazione 8, in cui il flusso arricchito con idrogeno (114, 314, 414) comprende da circa 1 volume per cento a circa 3 volumi per cento di idrogeno.
10. 10. Il procedimento della Rivendicazione 8, in cui la riduzione delle emissioni di NOxriduce le emissioni di NOxda circa 9 parti per milione ad una quantità inferiore o uguale a circa 3 parti per milione .