MXPA99011278A - Extraccion de aire en un proceso de gasificacion - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un proceso para generar energía con gassin en una turbina de combustión que comprende un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión, el proceso estácaracterizado por que comprende:a) mezclar de manera continua hidrocarburos gaseosos con el gas sintético para producir un gas combustible;b) controlar la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al gas combustible para hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, o para cumplir con la capacidad de la cámara de combustión deseada;c) introducir el gas combustible a la cámara de combustión;y d) extraer de manera continua una fracción de aire comprimido del compresor de aire y suministrar este aire comprimido a una unidad de separación de aire, utilizada en la manufactura de gas sintético, donde el aire comprimido suministrado proporciona una fracción de los requerimientos de aire comprimido de la unidad de separación de aire.

Description

EXTRACCIÓN DE AIRE EN UN PROCESO DE GASIFICACIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con la manufactura y combustión de gas sintético, o gassin, para la generación de energía. En particular, la invención se relaciona con la utilización más eficiente de una turbina de combustión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La gasificación y subsecuente combustión de ciertos materiales carbonáceos, proporciona un método ambientalmente amigable para la generación de energía a partir de estas alimentaciones de otra manera, no amigables ambientalmente. El carbón, las alimentaciones basadas en petróleo, incluyendo el coque de petróleo y otros materiales carbonáceos, residuos de hidrocarburos, aceites residuales y productos secundarios del petróleo crudo pesado, son utilizados comúnmente para las reacciones de gasificación que producen mezclas de hidrógeno gaseoso y de onóxido de carbono gaseoso, comúnmente referidos como "gas sintético" o simplemente "gassin". El gassin usualmente contiene muchos contaminantes, tales como el amoniaco y el sulfuro de hidrógeno. Estos contaminantes son removidos antes de la combustión del gas. El gassin puede, por lo tanto, utilizarse como un combustible limpio para generar energía . El proceso de gasificar el material carbonáceo requiere aire a alta presión. Los reactores de gasificación más eficiente operan a presiones en exceso de 10 atmósferas, con frecuencia en exceso de 80 atmósferas de presión. El material carbonáceo se gasifica en un reactor de oxidación parcial, reaccionando con cantidades limitadas de un gas que contiene oxigeno. Los procesos de gasificación más eficientes, usan oxigeno sustancialmente puro, mayor del 95% en mol. Para obtener este oxigeno, se suministra una planta de separación de aire, con aire comprimido. El producto de la planta de separación de aire son dos corrientes, una de oxigeno sustancialmente puro y la otra de nitrógeno principalmente. El oxígeno está a una presión menor que la corriente de aire que se envió a la unidad de separación de aire, y el oxígeno con frecuencia necesita ser comprimido nuevamente antes de la introducción en el reactor. Estos reactores de gasificación requieren grandes cantidades de aire comprimido, y la economía del proceso depende de la utilización eficiente de los productos secundarios. La reacción de oxidación parcial que se utiliza para gasificar el material carbonáceo es exotérmica, y el calor generado en el reactor de gasificación es utilizado de manera ventajosa para producir energía. Pero el gassin es un producto parcialmente oxidado cuando se compara con los hidrocarburos. Y el quemado subsecuente del gassin, requiere, por lo tanto, de menos oxígeno que para una cantidad similar de hidrocarburos. Una unidad de gasificación/generación de energía usualmente comprende una unidad de separación de aire, un gasificador y una turbina de combustión. La unidad de separación de aire proporciona el oxígeno al gasificador. El gasificador convierte el oxígeno y el hidrocarburo en un combustible gaseoso que se puede quemar, limpio, es decir, el gassin. La turbina de combustión utiliza el combustible del gasificador para generar energía. Las turbinas de combustión están comercialmente disponibles en tamaños discretos. Por lo tanto, en los proyectos donde la cantidad de energía deseada está fija o donde la cantidad de la alimentación al gasificador está fija, la turbina de combustión a veces es demasiado grande para la aplicación deseada, lo cual daña la economía del proyecto. Los sistemas típicos se describen en, por ejemplo, las Patentes US Nos. 4,0017,272; 5,081,845; 5,295,350; 5,394,686; 5,410,869; 5,421,166; 5,501,078; 5,609,041, las cuales se incorporan aquí como referencia. Lo que se necesita es un proceso para hacer más eficiente la utilización de la turbina de combustión, sin importar si el suministro de gassin está fijo o si la cantidad de energía deseada está fija.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La invención es un proceso para generar energía a partir del gassin en una turbina de combustión, que incluye un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión. La invención involucra extraer continuamente una fracción del aire comprimido del compresor de aire y suministrar este aire comprimido a una unidad de separación de aire, utilizada en la manufactura de gassin, donde el aire comprimido suministrado, proporciona una fracción de los requerimientos del aire comprimido de una unidad de separación de aire utilizada en la manufactura de gassin. La invención también involucra mezclar continuamente hidrocarburos gaseosos con el gas sintético para producir un gas combustible, controlar la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al gas combustible para hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, e introducir el gas combustible a la cámara de combustión. Los dos procesos se utilizan ventajosamente en combinación.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se utiliza aquí, el término "turbina de combustión" es un aparato que incluye un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión. El aire es comprimido para suministrar el oxígeno requerido para la combustión. El aire comprimido es luego alimentado a la cámara de combustión con un gas combustible. Los productos de la combustión se desplazan a través de un expansor para generar energía. Como se utiliza aquí, el término "gas sintético" o "gassin", se refiere a gases que comprenden hidrógeno gaseoso, monóxido de carbono gaseoso, o una mezcla de los mismos. La relación de hidrógeno a monóxido de carbono puede, pero no necesariamente, ser de aproximadamente uno a uno. Con frecuencia hay algunos inertes en el gassin, particularmente nitrógeno. La invención es un proceso para generar energía con gassin. El gassin puede manufacturarse por cualquier método de oxidación parcial. Típicamente, el gassin es manufacturado en un reactor de oxidación parcial, o gasificación, donde los combustibles carbonáceos se hacen reaccionar con oxígeno para crear hidrógeno y monóxido de carbono. Los procesos de gasificación se conocen en la técnica. Ver, por ejemplo, la Patente US 4,099,382 y la Patente US 4,178,758, las descripciones de las cuales de incorporan aquí como referencia. De manera preferida, el proceso de gasificación utiliza oxígeno sustancialmente puro, esto es, un gas con arriba de aproximadamente 95 por ciento en mol de oxígeno. Las turbinas de combustión son unidades integrales que consisten de una cámara de combustión, una turbina de expansión y un compresor de aire. Estas unidades están diseñadas para combustible convencional, tal como gas natural. El componente principal del gas natural es el metano. Una molécula de metano se combina con dos moléculas de oxígeno, las cuales se obtienen del compresor de aire, en un proceso de combustión. Por otra parte, dos moléculas de gassin, sean de hidrógeno gaseoso, monóxido de carbono o ambas, reaccionan con sólo una molécula de oxígeno en un proceso de combustión. Por lo tanto, la combustión de una cantidad dada de gassin, requiere aproximadamente un cuarto del aire requerido para quemar una cantidad similar de gas natural . El compresor de aire, la cámara de combustión, y la turbina en una turbina de combustión, se hacen coincidir para las demandas de aire comprimido más altas de un combustible, tal como gas natural. La porción del compresor de aire de la turbina de combustión se sobredimensiona cuando el gas sintético de un gasificador se utiliza como el combustible. Debido a que estas unidades se manufacturan y venden en tamaños discretos, usualmente están sobredimensionadas para una aplicación particular. Si la cantidad de energía requerida para la turbina está fija, la salida de energía de la unidad del ciclo combinado debe reducirse. En la presente invención, esto se logra extrayendo el aire del compresor de aire de la turbina de combustión, a ser utilizado como alimentación de la unidad de separación de aire. Esto reduce la salida de energía de la turbina de combustión, y reduce los costos capitales del proyecto, disminuyendo el tamaño del compresor de aire en la unidad de separación de aire. La invención comprende, por lo tanto, un proceso para generar energía a partir de gassin, en una turbina de combustión que comprende un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión. El proceso comprende extraer continuamente una fracción del aire comprimido del compresor de aire, y suministrar este aire comprimido a una unidad de separación de aire utilizada en la manufactura del gas sintético, donde el aire comprimido suministrado proporciona una fracción de los requerimientos de aire comprimido de la unidad de separación de aire. La unidad de separación de aire suministra oxígeno que es utilizado en la manufactura de gas sintético. Al menos aproximadamente 20 por ciento, de preferencia al menos aproximadamente 40 por ciento, y de manera más preferida al menos 50 por ciento de la salida del compresor- de aire suministrada por la turbina de combustión, se envía a la unidad de separación de aire. Este aire comprimido se convierte a continuación en la porción del gas que contiene oxígeno que se alimenta al reactor de gasificación. La cantidad de aire comprimido de la turbina de combustión derivado a la unidad de separación de aire, puede regularse de manera ventajosa con, por ejemplo, una válvula de control de posición variable. En el caso de que el reactor de gasificación esté funcionando con una salida reducida, la cantidad de oxígeno requerida por el reactor de gasificación disminuirá. Si se agrega un combustible suplementario, tal como gas natural, para mantener operando la turbina, los requerimientos de oxígeno de la turbina de combustión puede aumentar bastante. Una válvula de posición variable puede utilizarse de manera ventajosa para desviar el aire comprimido al sistema de generación de energía, donde el aire se necesita más, sea en la cámara de combustión o en la unidad de separación de aire. Otro aspecto de esta invención es agregar un combustible suplementario para incrementar el valor del calentamiento del gas combustible resultante, para obtener una salida de la turbina en funcionamiento más uniforme, o para utilizar de manera más cercana la capacidad total de la turbina de combustión. La invención, por lo tanto, también comprende un proceso para generar energía con gassin, en una turbina de combustión que comprende un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión. La invención involucra verificar el flujo de gassin para detectar los incrementos o disminuciones en la velocidad del gassin, mezclar continuamente hidrocarburos gaseosos con el gas sintético para producir un gas combustible, controlar la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al gas combustible para hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, o para hacer coincidir la capacidad absoluta de la cámara de combustión, e introducir el gas combustible en la cámara de combustión. El proceso de verificar el flujo de gassin para detectar los incrementos o disminuciones en la velocidad del gassin, simplemente es útil para variar la cantidad de hidrocarburos agregados. Si la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados está esencialmente fija, no hay necesidad de verificar la velocidad del gassin, Este proceso utiliza de manera más completa la capacidad de la turbina de combustión. Por hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, significa que la salida del compresor de aire a la cámara de combustión, proporcione entre aproximadamente el 90% y 130%, de preferencia entre aproximadamente el 96% y 104%, del aire requerido para la combustión completa del gas combustible introducido a la cámara de combustión. Por la combustión completa del gas combustible, significa que al menos 95 por ciento en peso de los componentes del gas combustible, es decir, monóxido de carbono, hidrógeno e hidrocarburos, en el gas combustible, se oxidan a dióxido de carbono y agua. El gassin es mezclado continuamente con hidrocarburos gaseosos. Los gases pueden mezclarse por mezclado en la tubería o en la cámara de combustión. Si el hidrocarburo gaseoso consiste de gotas de líquido finamente dispersas, entonces las gotas pueden suspenderse en el gassin o en una corriente separada de gas, la cual puede entonces mezclarse con el gassin. Los hidrocarburos gaseosos comprenden uno o más de gas natural, hidrocarburos ligeros gaseosos o gotas de combustible líquido finamente dispersas. Los hidrocarburos ligeros gaseosos incluyen líquidos de gas natural, tales como etano, propano, butanos, pentanos, hexanos o mezclas de los mismos. Con frecuencia es ventajoso operar la turbina de combustión a la capacidad de la cámara de combustión. Con frecuencia habrá capacidad del aire comprimido en exceso, si el combustible es una mezcla de gas natural y gassin, y la capacidad de la cámara de combustión puede ser limitada por la capacidad gaseosa del rendimiento de la cámara de combustión. Sin embargo, si el combustible suplementario es de hidrocarburos ligeros gaseosos, o hidrocarburos líquidos finamente dispersos, entonces la capacidad de la cámara de combustión puede estar limitada por el suministro de aire comprimido. Finalmente, la capacidad de la cámara de combustión puede estar limitada por la capacidad de generación de energía de la turbina de combustión. Agregando un combustible suplementario a la cámara de combustión, puede estabilizarse la salida de la turbina de combustión. Esto a su vez, permite que la turbina de combustión suministre gas comprimido a la unidad de separación de aire, cuando el gasificador no está en operación. El combustible suplementario puede permitir que la turbina funcione durante periodos cuando la producción de gassin es limitada severamente o interrumpida. Para permitir la operación ininterrumpida de la turbina durante las interrupciones en el proceso de gasificación, se prefiere que al menos un 25 por ciento del valor de calentamiento del gas combustible, se origine de los hidrocarburos gaseosos suplementarios durante las operaciones normales . Los hidrocarburos gaseosos y el gassin, se mezclan de manera ventajosa antes de la introducción a la cámara de combustión, para asegurar que el gas combustible está bien mezclado. Es ventajoso tener una válvula de control de posición variable, u otro controlador de flujo, en la línea de entrada del hidrocarburo gaseoso, de manera que la cantidad de hidrocarburos gaseosos introducidos al gas combustible, pueda variarse para cumplir con los requerimientos de energía, o para uniformar las variaciones en la velocidad de producción del gassin, para mantener en operación la turbina de combustión a una capacidad deseada, o para hacer coincidir la salida del compresor de aire de la turbina de combustión a la cámara de combustión, con los requerimientos de oxígeno del gas combustible. En los momentos cuando la producción de gassin es elevada, la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al combustible, puede reducirse. Sin embargo, también es ventajoso agregar siempre algo de hidrocarburos gaseosos al gas combustible. También es ventajoso tener una capacidad del combustible de hidrocarburos gaseosos suplementarios suficiente, de manera que si el proceso de gasificación se interrumpe, entonces la cantidad de hidrocarburos gaseosos que se introduce, es suficiente para mantener la turbina en operación. Conforme el gasificador vuelve a operar, la cantidad de hidrocarburos gaseosos puede reducirse para efectuar la transición uniforme nuevamente a un gas mezclado sin interrumpir la operación de la turbina de combustión.

También es ventajoso tener un medio para detectar o calcular la fracción del gas combustible que es de hidrocarburos gaseosos suplementarios. El valor de calentamiento del gas combustible, y posteriormente la cantidad de aire requerida para lograr la combustión completa, dependerá de esta fracción. Es, por lo tanto, ventajoso tener un medio que controle la válvula que permita que la desviación del aire comprimido de la turbina de combustión a la unidad de separación de aire se afecte por la cantidad de hidrocarburos gaseosos en el gas combustible. Si el gas combustible tiene una fracción incrementada de hidrocarburos gaseosos, la cantidad de aire comprimido desviada a la unidad de separación de aire puede tener que ser reducida para suministrar suficiente aire a la cámara de combustión. El hidrocarburo gaseoso preferido es el gas natural. El gas natural con calidad para tubería, es un gas que comprende usualmente al menos 95 por ciento en mol de metano. El gas natural utilizado en la presente invención, no necesita ser de calidad para tubería, y puede contener cantidades sustanciales de inertes, tales como dióxido de carbono y nitrógeno. El gas natural de preferencia comprende al menos aproximadamente 50, de manera más preferida al menos aproximadamente 75 por ciento en mol de metano. En las aplicaciones en donde los hidrocarburos gaseosos comprenden gas natural, se prefiere que al menos aproximadamente 25 por ciento, de manera más preferida al menos aproximadamente 40 por ciento y de manera aún más preferida, al menos aproximadamente 50 por ciento en volumen del gas combustible comprenda gas natural . En muchas aplicaciones, es ventajoso remover tanto la porción de aire comprimido de la turbina de combustión para usarse en la unidad de separación de aire, como agregar hidrocarburos gaseosos suplementarios al gas combustible. Esto permite un uso más efectivo de la capacidad de la turbina de combustión, y utiliza la capacidad en exceso del compresor de aire de la turbina de combustión, y permite la operación ininterrumpida de la turbina de combustión, durante las interrupciones en el proceso de gasificación. Cuando ambos aspectos de la invención se utilizan simultáneamente, se prefiere que los hidrocarburos gaseosos comprendan al menos aproximadamente 20, de manera más preferida al menos aproximadamente 30 por ciento del valor de calentamiento del gas natural, y también se prefiere que al menos aproximadamente 15, de manera más preferida al menos aproximadamente 30 por ciento de la salida del compresor de aire suministrado por la turbina de combustión, se derive hacia la unidad de separación de aire.

BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO La Figura 1 es un esquema de una modalidad de la invención, que comprende un gasificador (10) , una unidad de separación de aire (12) que suministra oxígeno al gasificador (10), a través de medios de conducción (28), un compresor de aire (14) que toma aire a baja presión o presión atmosférica de los medios de conducción (32), y suministra al menos una porción del aire comprimido requerido por la unidad de separación de aire (12), una turbina de combustión que comprende un compresor de aire de la turbina de combustión (18), una cámara de combustión (20), y una turbina de expansión (22). El gassin es transportado a la cámara de combustión (20), a través de los medios de conducción (16), y el combustible de hidrocarburo gaseoso suplementario se transporta a la cámara de combustión (20) a través de los medios de conducción (24) . El gassin y el combustible de hidrocarburo gaseoso suplementario se mezclan de manera ventajosa antes de alcanzar la cámara de combustión (20). El exceso de aire comprimido del compresor de aire de la turbina de gas (18), se transporta a la unidad de separación de aire (12) a través de los medios de conducción (24) .

Claims (15)

CAPITULO REIVINDICATORÍO Habiendo descrito la invención, se considera como una novedad, y por lo tanto, se reclama lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES :

1. Un proceso para generar energía con gassin en una turbina de combustión que comprende un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión, el proceso está caracterizado porque comprende a. mezclar de manera continua hidrocarburos gaseosos con el gas sintético para producir un gas combustible, b. controlar la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al gas combustible para hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, o para cumplir con la capacidad de la cámara de combustión deseada, y c. introducir el gas combustible a la cámara de combustión.

2. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los hidrocarburos gaseosos comprenden uno o más de gas natural, hidrocarburos ligeros gasificados o gotas de combustible líquido dispersas finamente en gas.

3. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, además, controlar la velocidad de introducción del gas combustible, de manera que la salida del compresor de aire proporcione entre aproximadamente 90% y 130% del aire requerido para completar la combustión del gas combustible.

4. El proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque los hidrocarburos gaseosos comprenden al menos aproximadamente 25 por ciento del valor de calentamiento del gas combustible.

5. El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los hidrocarburos gaseosos comprenden gas natural.

6. El proceso de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el gas natural comprende al menos 25 por ciento en volumen de gas combustible.

7. El proceso de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el gas natural comprende al menos 40 por ciento en volumen de gas combustible.

8. El proceso de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el gas natural comprende al menos 50 or ciento en volumen de gas combustible.

9. Un proceso para generar energía a partir_ de gassin in una turbina de combustión que comprende un compresor de aire, una cámara de combustión y una turbina de expansión, el proceso está caracterizado porque comprende extraer de manera continua una fracción del aire comprimido del compresor de aire, y suministrar este aire comprimido a una unidad de separación de aire, utilizada en la manufactura de gas sintético, donde el aire comprimido suministrado proporciona una fracción de los requerimientos de aire comprimido de la unidad de separación de aire.

10. El proceso de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque al menos aproximadamente 20 por ciento de la salida del compresor de aire se desvía a la unidad de separación de aire.

11. El proceso de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque al menos aproximadamente 40 por ciento de la salida del compresor de aire se desvía a la unidad de separación de aire.

12. El proceso de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque al menos aproximadamente 50 por ciento de la salida del compresor de aire se deriva a la unidad de separación de aire.

13. El proceso de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque comprende además, a. mezclar de manera continua hidrocarburos gaseosos con el gas sintético para producir un gas combustible, b. controlar la cantidad de hidrocarburos gaseosos agregados al gas combustible para hacer coincidir la salida del compresor de aire con los requerimientos de aire de la cámara de combustión, o para cumplir con la capacidad de la cámara de combustión deseada, y c. introducir el gas combustible a la cámara de combustión.

14. El proceso de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque los hidrocarburos gaseosos comprenden al menos aproximadamente 20 por ciento del valor de calentamiento del gas combustible, y donde al menos aproximadamente 15 por ciento de la salida del aire del compresor se deriva hacia la unidad de separación.

15. El proceso de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque los hidrocarburos gaseosos comprenden al menos aproximadamente 30 por ciento del valor de calentamiento del gas combustible, y donde al menos aproximadamente 30 por ciento de la salida del aire del compresor se deriva hacia la unidad de separación.