MXPA99004359A - Dispositivo de expansion del gas de sintesis situado inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustion - Google Patents

Dispositivo de expansion del gas de sintesis situado inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustion

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MXPA99004359A
MXPA99004359A MXPA/A/1999/004359A MX9904359A MXPA99004359A MX PA99004359 A MXPA99004359 A MX PA99004359A MX 9904359 A MX9904359 A MX 9904359A MX PA99004359 A MXPA99004359 A MX PA99004359A
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C Jahnke Frederick
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Abstract

La presente invención se refiere a un sistema para aumentar la eficiencia de una unidad generadora de energía, el sistema incluye un medio para producción de gas de síntesis para producir gas de síntesis a temperatura y presión elevadas para la reacción de oxidación parcial de un combustible hidrocarbonado en un gasificador, en donde la síntesis de gas es utilizada como un combustible en la unidad generadora de energía para producir energía;el sistema además incluye un expansor de gas a elevada temperatura situado inmediatamente aguas arriba de la unidad generadora de energía;un combustor localizado inmediatamente aguas arriba del expansor de gas elevada temperatura;y una desviación alrededor del combustor conectando al expansor de gas a elevada temperatura a una fuente del gas de síntesis.

Description

DISPOSITIVO DE EXPANSIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS SITUADO INMEDIATAMENTE AGUAS ARRIBA. DE LA TURBINA. DE COMBUSTIÓN FUNDAMENTO DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención Esta invención se relaciona con mejoras en la producción de gas combustible mediante la oxidación parcial de combustibles hidrocarbonáceos y en la combustión de dicho gas combustible en una turbina de gas para la producción de energía y, más particularmente, la invención se relaciona con un proceso de ciclo combinado de gasificación integrado y altamente eficaz ("IGCC") que incorpora el enfriamiento del gas por etapas y que funciona a una elevada presión para permitir el uso, en la generación de energía, del máximo calor procedente del gas combustible enfriado. 2. Estado de la Técnica Los sistemas de generación de energía con enfriamiento se emplean a escala mundial para generar energía a partir de la gasificación de una fuente de combustible. En tales sistemas, se obtiene una corriente de gas de síntesis o de gas combustible singas, en bruto, que comprende H2, CO, C02 y H20, mediante la reacción de oxidación parcial de un combustible hidrocarbonáceo con un gas que contiene oxigeno libre, normalmente en presencia de un moderador de la temperatura en un reactor de gasificación con enfriamiento. El singas producido se enfria por enfriamiento en agua para producir una corriente de singas saturado enfriado a una temperatura normalmente del orden de 232 a 288°C y generalmente a una presión de 49 a 105 kg/cm2 absolutos aproximadamente. Una descripción más detallada de dicho proceso se ofrece en la Patente US No. 5.345.756 de Jahnke et al, la cual se incorpora aquí solo con fines de referencia. El singas producido se purifica generalmente en una unidad de separación de gas ácido empleando un disolvente físico o químico para separar H2S y COS de la corriente gaseosa. El singas purificado se alimenta luego como gas combustible al combustor de una turbina de gas con un moderador de la temperatura tal como nitrógeno. SUMARIO DE LA INVENCIÓN La invención mejora la fiabilidad y eficacia de la combustión de un gas de síntesis como combustible en una turbina de combustión para producir energía, mediante la incorporación de una turbina o dispositivo de expansión del gas de síntesis inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustión. El incremento de eficacia se produce como consecuencia de la salida de energía adicional del dispositivo de expansión y por la reducción o eliminación de la compresión de nitrógeno de una unidad de separación de aire para el control de óxidos de nitrógeno. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de flujos esquemático de una modalidad que utiliza una sangría de aire de la turbina de combustión como la fuente de oxígeno para la combustión parcial del singas en un combustor. La Figura 2 es un diagrama de flujos esquemático de la modalidad de la Figura 1 incluyendo un sistema de desulfuración opcional. La Figura 3 es un diagrama de flujos esquemático de una modalidad que utiliza oxígeno a elevada presión procedente de una unidad de separación de aire como la fuente de oxígeno para la combustión parcial del singas en un combustor. La Figura 4 es un diagrama de flujos esquemático de una modalidad en donde el singas se calienta mediante intercambio de calor con la descarga de la turbina de combustión en los tubos de un generador de vapor de agua con recuperación de calor. Los números de referencia correspondientes representan partes también correspondientes en cada una de las Figuras . DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS De acuerdo con la presente invención, el dispositivo o turbina de expansión del singas está situado inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustión. La mezcla de singas que entra en el dispositivo de expansión se encuentra a una temperatura elevada del orden de 426 a 538°C aproxima-damente. Debido a que el gas que entra en el dispositivo de expansión se encuentra a elevada temperatura, se puede extraer una gran cantidad de energía a partir del volumen en expansión del singas caliente antes de que éste entre en la turbina de combustión, mejorando con ello en gran medida la eficacia del ciclo de producción de energía. El gas combustible que sale del dispositivo de expansión sigue caliente y cualquier calor no convertido en energía por el dispositivo de expansión es llevado directamente a la turbina de combus-tión en donde se recupera. En una modalidad de la invención, se separa una corriente de sangría de aire caliente de la descarga del compresor de la turbina de combustión antes de entrar en la sección combustora de la turbina de combustión. La corriente de sangría de aire caliente se enfría por intercambio de calor con otras corrientes del proceso o por cualquier otro medio de enfriamiento que pueda ser usado de manera eficaz. Después del enfriamiento, la corriente de aire puede ser saturada con agua y comprimida a una presión de 70 a 84 kg/cm2 manométricos aproximadamente. La corriente de aire puede ser saturada también con agua o nitrógeno para mejorar la eficacia del ciclo, incluso aunque el agua absorbida por la corriente de aire aumente la carga del compresor. Alternativamente, la corriente de aire o gas puede ser saturada, o bien puede recibir una saturación adicional, aguas abajo de un compresor secundario. Sin embargo, en este punto, la corriente de gas llega a calentarse como resultado del calor de compresión, con lo que el uso de un saturador no resulta tan eficaz. Según otra opción, parte del aire procedente de la turbina de combustión se puede dirigir hacia una unidad de separación de aire, lo cual permite reducir el tamaño y la energía del compresor de aire de la unidad de separación de aire. Igualmente, y según otra opción, el nitrógeno proceden-te de la unidad de separación del aire se puede comprimir y enviar a la turbina de combustión o al singas o aire aguas arriba del dispositivo de expansión, para aumentar así la salida de energía y reducir la formación de óxidos de nitrógeno (NOx) en la turbina de combustión. Con referencia ahora a la Figura 1, un singas dulce a elevada presión 2 procedente de la unidad de separación de gas ácido (no ilustrada) entra en el saturador de singas 4 en donde se satura con agua 6, saliendo como la corriente de singas saturada 8. El saturador de singas 4 está equipado también con una salida de agua 9. Una sangría de corriente de aire caliente 10, a una presión de 14 a 21 kg/cm2 manométricos aproximadamente y a una temperatura de 260 a 427°C aproximadamente, se extrae de la turbina de combustión 12 y se pasa a través del primer intercambiador de calor 14 en donde libera calor hacia una corriente de agua 16 de alimentación de una caldera, para formar una corriente de vapor de agua a elevada presión 18. La corriente de aire frío 20 sale del intercambiador de calor 14 y entra en el segundo intercambiador de calor 22 en donde se enfría adicionalmente y de donde sale como otra corriente de aire enfriado adicionalmente 24. Opcionalmente, una porción 13 de la corriente de aire frío 24 puede ser enviada a la unidad de separación de aire. La turbina de combustión 12 está equipada también con una entrada de aire 11. La corriente de aire frío 24 entra en el tercer intercambiador de calor 30 en donde se enfría adicionalmente y de donde sale como una corriente de aire frío 32 que entra en el saturador de aire 34 en donde el aire se satura con el agua de entrada procedente de la línea 36. El saturador está equipado con una salida de agua 37. El aire saturado 38 sale del saturador de aire 34 y entra en el compresor secundario 40 en donde se comprime desde 14-21 kg/cm2 manométricos aproximadamente a 70-84 kg/cm2 manométricos aproximadamente, la cual es la presión operativa típica del gasificador, para salir entonces como la corriente de aire comprimido 42 la cual entra en el combustor 28 junto con la corriente de singas 26. La corriente de singas saturado 8 pasa a través del intercambiador de calor 22 en donde se calienta por intercambio con el aire que pasa a través del mismo y de donde sale como la corriente de singas saturado caliente 26, para entrar entonces en el combustor 28 en donde experimenta la combustión. Un enfriador intermedio, no mostrado, puede ser usado opcionalmente con el compresor secundario 40. Sin embargo, puesto que el calor de compresión entra en el combustor 28 y se convierte energía extra en valor calorífico, puede resultar práctica una elevada relación de compresión sin enfriamiento intermedio. Como se ha indicado, la corriente de aire comprimido 42 entra en el combustor 28 con la corriente de singas 26 y experimenta combustión para producir una mezcla de productos de combustión y singas en exceso a una elevada temperatura. En general, solo una porción de la corriente de singas 26, del orden del 1 al 5% aproximadamente del singas total, experimenta combustión en el combustor 28. El grueso del singas a elevada presión se desvía del combustor 28 a través de la línea 44 y se mezcla con los gases de combustión 29 que salen del combustor 28, para formar la mezcla 46 de gases de combustión 29 y singas 44 a una temperatura de 538°C aproximadamente. La temperatura en la cámara de combustión del combustor 28 se puede modificar ajustando la cantidad de singas en la corriente 44 que se desvía del combustor 28. En el caso de que se envíen cantidades más pequeñas de singas a través del combustor 28, se pueden obtener temperaturas significativamente más altas en la corriente de gas sin mezclar 29. La corriente de gas mezclado 46 entra entonces en el dispositivo de expansión 48, el cual está acoplado a un generador 50. Del dispositivo de expansión 48 se puede extraer fácilmente una cantidad más grande de energía por medio del generador 50, debido al calentamiento del singas, mejorando así la eficacia del ciclo. Los gases 52 que salen del dispositivo de expansión 48 seguirán calientes, a temperaturas de 121 a 371°C aproximadamente. Los gases calientes 52 sirven como combustible para la turbina de combustión 12. De este modo, cualquier calor de los gases 46 no convertido en energía por el dispositivo de expansión 48, saldrá como calor en el gas combustible 52 hacia la turbina de combustión 12 y será recuperado por el generador 54. Controlando adecuadamente el funcionamiento del sistema, el gas combustible 52 que entra en el dispositivo de expansión 48 se puede mantener a un nivel de kilocal/m3 en condiciones normales suficientemente bajo, para reducir al mínimo la producción de óxidos de nitrógeno (NOx) mientras que, al mismo tiempo, se mantiene un valor de calentamiento suficientemente alto, del orden de 720 a 1350 kilocal/m3 en condiciones normales aproximadamente, para asegurar una combustión eficaz en la turbina de combustión 12. El valor de calentamiento del gas combustible 52 es controlado regulando la cantidad de aire usado para combus-tionar previamente una parte del singas 26 en el combustor 28 antes de la entrada de la corriente de gas 46 en el dispositivo de expansión 48 y también por la cantidad de agua de saturación 36 añadida al saturador de aire 34 con entrada de aire a elevada presión. Opcionalmente, se puede añadir una corriente de nitrógeno o de singas a la corriente de combus-tibie antes de entrar en el dispositivo de expansión, o bien aguas abajo del dispositivo de expansión a través de la línea opcional 58 de la turbina de combustión 12. La Figura 2 es una modalidad de desulfuración a elevada temperatura en donde los gases de combustión combina-dos 46 resultantes del combustor 28 y la corriente de singas desviada 44 entran en un sistema de desulfuración a elevada temperatura consistente en lechos 60 y 62 de ferrita de zinc o de otro material similar y salen a través de la línea 64 agotados en azufre. La mayoría del contenido en azufre del gas de combustión 46 que entra en el sistema de desulfuración a elevada temperatura ha sido ya separado a través de uno de los procesos de desulfuración a baja temperatura convencionales bien conocidos para los expertos en la materia. Muchos de estos procesos incluyen una etapa de hidrólisis de COS para aumentar la separación de azufre en 1-2% aproximadamente. El uso del sistema de desulfuración a elevada temperatura aquí descrito elimina la necesidad de la hidrólisis de COS y separa las últimas trazas de azufre. Debido a que el sistema de desulfuración opera únicamente sobre las últimas trazas de azufre, las dimensiones del sistema de desulfuración a elevada temperatura son muy pequeñas en comparación con un sistema que elimina la totalidad del azufre del singas. Además, los gases ricos en azufre proce-dentes de la regeneración de los lechos 60 y 62, utilizando vapor de agua y 02 introducidos a través de la línea 66, se pueden retornar a través de la línea 68 hacia el gasificador (no ilustrado) , eliminando con ello la necesidad de realizar cualquier otro procesado adicional para la recuperación de azufre y haciendo que el procesado discontinuo o la regeneración de los lechos de separación de azufre puedan ser operaciones prácticas . La Figura 3 es un proceso simplificado que utiliza oxígeno puro en lugar de oxígeno y aire como oxidante para quemar parte del singas para aumentar la temperatura. En este caso, el sistema de procesado de sangría de aire, descrito en la Figura 1, se sustituye por oxígeno a elevada presión procedente de una unidad de separación de aire (no mostrada) , el cual se alimenta por la línea 70 al interior del combustor 28 y se quema con la porción del gas de síntesis a elevada presión 26 procedente de la unidad de separación de gas ácido o del saturador de singas 4. El gas de síntesis dulce a elevada presión 8 procedente del saturador de singas 4 entra en el intercambiador de calor 14 y sale por la línea 26 para dirigirse al combustor 28. La ventaja de esta modalidad es que puede disponerse fácilmente del oxígeno a presión elevada como una corriente lateral o corriente de deslizamiento con respecto al oxígeno que está siendo alimentado al gasificador. Esta modalidad se puede emplear también para adaptar los sistemas generadores de energía por gasificación a elevada presión ahora existentes. La Figura 4 muestra una variación del calentamiento del singas solo mediante intercambio de calor, evitando con ello la combustión de parte del mismo en el combustor 28. Esta modalidad constituye la disposición más eficaz para calentar el singas a una temperatura elevada. La corriente de singas 8 saturada con agua entra en el generador de vapor de agua con recuperación de calor 80 en donde se calienta indirectamente por los gases de descarga calientes 82 que salen de la turbina de combustión 12. El calentamiento del singas 8 se realiza preferentemente enviando el singas a través de tubos del generador de vapor de agua con recuperación de calor 80, de manera similar a la forma en la cual se supercalienta el vapor de agua, aunque también se puede emplear un calentamiento indirecto. Como consecuencia de las altas temperaturas disponibles a partir de la descarga de la turbina de combustión, el singas se puede calentar fácilmente a una temperatura de 371 a 538°C aproximadamente sin la combustión de cualquier singas, saliendo éste como la corriente 84. El uso de calor procedente directamente del generador de vapor de agua con recuperación de calor 80 resulta más eficaz para calentar el singas en el dispositivo de expansión 48 que la combustión de una porción del singas con oxígeno, y elimina la energía asociada con la producción de oxígeno. Con el dispositivo de expansión 48 situado inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustión 12, esta disposición constituye una modalidad más práctica que el hecho de situar el dispositivo de expansión 48 en la parte media del tren de enfriamiento en donde se requeriría una línea o tubería de transferencia de singas muy larga. Por tanto, el dispositivo de expansión 48 se puede situar en la línea de singas caliente 84 inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustión 12. Con ello se elimina cualquier necesidad de tener que enfriar el gas de salida del dispositivo de expansión y se reducen los costes. La temperatura de entrada del dispositivo de expansión 48 se regula preferentemente para obtener una temperatura de salida de 288°C para el gas combustible de salida 52 y permite el uso de válvulas standard para el control del combustible a elevada temperatura en el gas combustible 52 alimentado a la turbina de combustión 12. En general, esto requiere una temperatura de alimentación del orden de 427 a 538°C aproximadamente para la alimentación de singas caliente 84 al dispositivo de expansión 48. La alimentación 84 al dispositivo de expansión 48 puede calentarse previamente por cualquiera de los medios descritos, incluyendo la transferencia de calor a 288°C aproximadamente con vapor de agua u otras corrientes del proceso. El equilibrio del calentamiento a una temperatura de 427°C y superior aproximadamente se puede conseguir mediante la combustión de oxígeno o aire dentro del singas en el combustor 28 o por intercambio de calor en el generador de vapor de agua con recuperación de calor 80. El saturador de singas 4 puede ser sustituido por un saturador de nitrógeno. Para un diseño integrado de la unidad de separación de aire, las corrientes de gas combustible y nitrógeno tienen casi las mismas velocidades de flujo y esta variación tendrá poco impacto sobre los costes. El dispositivo de expansión puede acoplarse y accionar a un compresor de nitrógeno, eliminando así la necesidad de un generador y de sus pérdidas asociadas en cuanto al coste de capital eléctrico y eficacia. Esta invención presenta varias ventajas. En primer lugar, puede proporcionar un combustible de bajas kilocalo-rías/m3 en condiciones normales, el cual puede ser controlado a un nivel óptimo de contenido en kilocalorías para proporcionar así una combustión eficaz y un mínimo de N0X. La invención puede eliminar la necesidad de comprimir nitrógeno procedente de la unidad de separación de aire para controlar el contenido en kilocalorías, eliminando con ello la necesidad de tener que comprimir gas inerte a partir de un nivel de presión relativamente bajo. Igualmente, la invención elimina azufre del gas con anterioridad a la expansión, mejorando así la fiabilidad y disminuyendo los costes de inversión para la unidad de expansión. La invención maximiza también la temperatura del gas que se dirige al dispositivo de expansión, lo cual permitirá la máxima producción de energía y mejorará la eficacia del ciclo global cuando se utiliza el dispositivo de expansión. La invención puede permitir la producción eficaz de energía por gasificación usando un diseño standard de unidad de separación de aire a presión u oxígeno de la tubería. También puede reducir las emisiones de azufre a niveles de partes por millón (ppm) cuando se incorpora una unidad de desulfuración a elevada temperatura. El sistema puede quedar en derivación cuando sea necesario efectuar el mantenimiento del mismo, con un impacto mínimo sobre el ciclo de energía. Cuando el sistema esté en el modo de derivación, se podría usar inyección de vapor de agua para mantener la baja producción de N0X y el combustible de singas podría dirigirse directamente desde el saturador de singas al combustor.

Claims (10)

  1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención, se considera como novedad y, por tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones: 1.- Un sistema para aumentar la eficacia de una unidad generadora de energía, en donde se produce un gas de síntesis a temperatura y presión elevadas mediante la reacción de oxidación parcial de un combustible hidrocar-bonáceo en un gasificador y en donde se emplea el gas de síntesis como combustible en la unidad generadora de energía para producir así energía, caracterizado porque comprende un dispositivo de expansión de gas a elevada temperatura situado inmediatamente aguas arriba de la unidad generadora de energía.
  2. 2.- Un sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende también un saturador de gas de síntesis, una instalación de intercambio de calor y un combustor aguas arriba del dispositivo de expansión de gas a elevada temperatura.
  3. 3.- Un sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende también al menos un intercambiador de calor conectado con un suministro de aire procedente de la unidad generadora de energía, un saturador de aire y un compresor.
  4. 4.- Un sistema según la reivindicación 2, caracte- rizado porque comprende también un sistema de desulfuración a elevada temperatura para separar azufre de los gases que salen del combustor.
  5. 5.- Un sistema según la reivindicación 1, caracte-rizado porque la unidad generadora de energía es una turbina de combustión.
  6. 6.- Un proceso para aumentar la eficacia de un sistema generador de energía, en donde se obtiene un gas de síntesis a temperatura y presión elevadas mediante la reacción de oxidación parcial de un combustible hidrocar-bonáceo en un gasificador y en donde el gas de síntesis se emplea como combustible para generar energía en una turbina de combustión, y en donde dicho gas de síntesis se limpia y se enfría antes de alimentarlo como combustible a dicha turbina de combustión, caracterizado porque comprende expansionar el volumen del gas de síntesis mediante reducción de su presión en una unidad de expansión; y extraer energía del gas de síntesis expansionado en un generador acoplado con la unidad de expansión inmediatamente antes de utilizar el gas de síntesis como combustible para la turbina de combustión.
  7. 7.- Un proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque una porción del gas de síntesis se combustiona parcialmente antes de su expansión.
  8. 8.- Un proceso según la reivindicación 6, caracte-rizado porque el gas de síntesis parcialmente combustionado antes de la expansión se mezcla con una porción de gas de síntesis sin combustionar.
  9. 9.- Un proceso según la reivindicación 8, caracterizado porque la porción del gas de síntesis sin combustionar se separa del gas de síntesis, antes de combustionarse parcialmente.
  10. 10.- Un proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque la corriente de gas de síntesis parcialmente combustionado experimenta una desulfuración a elevada temperatura.
MXPA/A/1999/004359A 1997-09-12 1999-05-12 Dispositivo de expansion del gas de sintesis situado inmediatamente aguas arriba de la turbina de combustion MXPA99004359A (es)

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US058747 1997-09-12
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