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ES2554610T3 - Generación de energía a partir de gas natural con la captura de dióxido de carbono - Google Patents

Generación de energía a partir de gas natural con la captura de dióxido de carbono Download PDF

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ES2554610T3
ES2554610T3 ES10715441.1T ES10715441T ES2554610T3 ES 2554610 T3 ES2554610 T3 ES 2554610T3 ES 10715441 T ES10715441 T ES 10715441T ES 2554610 T3 ES2554610 T3 ES 2554610T3
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Rodney J. Allam
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Gtlpetrol LLC
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Abstract

Un método para producir una mezcla de gas combustible, que comprende: hacer reaccionar exotérmicamente una primera parte de una corriente de alimentación de hidrocarburos con al menos un gas oxidante que comprende oxígeno molecular, para producir un producto de gas de síntesis generado exotérmicamente; reformar endotérmicamente una segunda parte de la corriente de alimentación de hidrocarburos con vapor de agua sobre un catalizador en un reformador de intercambio de calor, para producir un producto de gas de síntesis reformado endotérmicamente, en donde al menos una parte del calor utilizado en la generación del producto de gas de síntesis reformado endotérmicamente se obtiene recuperando calor del producto de gas de síntesis generado exotérmicamente y el producto de gas de síntesis reformado endotérmicamente; combinar el producto de gas de síntesis generado exotérmicamente y el producto de gas de síntesis reformado endotérmicamente para producir una corriente de gas de síntesis combinada; enfriar la corriente de gas de síntesis combinada para producir vapor de agua en una caldera de recuperación de calor; reducir la presión de la corriente de gas de síntesis combinada enfriada en una turbina de expansión productora de energía a la presión requerida para una corriente de alimentación de gas combustible sustancialmente exenta de CO2 a una turbina de gas productora de energía; hacer reaccionar catalítica la corriente de gas de síntesis combinada en uno o más reactores de desplazamiento de monóxido de carbono catalíticos para generar una corriente desplazada combinada que incluye H2 y CO2 adicionales; enfriar la corriente de gas de síntesis desplazada combinada hasta cerca de la temperatura ambiente en un intercambiador de calor de aleta y placa multi-corriente de múltiples pasadas que calienta el agua requerida para la producción de vapor de agua para el sistema de generación de gas de síntesis y pre-calienta producto de gas combustible y evapora agua para la mezcladura con el producto de gas combustible; separar CO2 de la corriente de gas de síntesis desplazada combinada por encima de un umbral especificado para producir una corriente de combustible con un contenido mínimo de CO2; generar oxígeno en una unidad de separación de aire que es suministrada con aire producido de compresores de aire accionados por una primera turbina de gas; utilizar al menos parte del nitrógeno procedente de la unidad de separación de aire a mezclar con el gas de síntesis agotado en CO2 más agua evaporada para proporcionar un gas combustible para una segunda turbina de gas productora de energía, y utilizar al menos parte del calor en el escape de la primera turbina de gas para proporcionar al menos parte del calor requerido para pre-calentar alimentaciones de combustible más oxígeno más vapor de agua al sistema de generación de gas de síntesis.

Description

DESCRIPCION
Generacion de energfa a partir de gas natural con la captura de dioxido de carbono CAMPO TECNICO
Esta invencion se refiere a la generacion de productos de gas de smtesis de H2 + CO y, mas particularmente, a la 5 generacion de energfa a partir de gas natural o hidrocarburos con la captura de carbono.
ANTECEDENTES
El gas natural y los hidrocarburos son una fuente principal de combustible para la generacion de energfa electrica mediante sistemas de turbina de gas de ciclo/turbina de vapor combinados. Existe una necesidad urgente de desarrollar medios para capturar CO2 para el secuestro en formaciones geologicas para evitar la emision de CO2 a la 10 atmosfera en el escape de la turbina de gas, en donde contribuira al aumento de la temperatura y al calentamiento global en general. Con el fin de producir energfa a partir de combustible de gas natural con captura de CO2, es necesario convertir primero el gas natural en una mezcla de gas de smtesis de hidrogeno y monoxido de carbono (H2 + CO) utilizando una oxidacion parcial (POX) o reformado de vapor de agua catalftico/gas natural (SMR) o reformado autotermico (ATR). A esto le sigue la conversion con desplazamiento catalftico de CO con vapor de agua 15 en CO2 y H2. Las reacciones (basados en metano) son:
2CH4+ O2 = 2CO + 4H2 CH4 + H2O = CO + 3H2 CO + H2O = CO2+ H2
CO2 se separa del gas de smtesis mediante lavado con un disolvente ffsico o qrnmico o por otros medios que 20 producen una corriente de producto CO2 sustancialmente pura y una corriente de H2 sustancialmente pura con un contenido mmimo de CO y CH4 y CO2. El producto de H2 se mezcla entonces preferiblemente con una cantidad maxima de N2 de la unidad de separacion de aire para producir una corriente de H2 + N2 que puede luego ser opcionalmente precalentada para dar un combustible optimo para la turbina de gas.
El documento US 2003/119919 A1 describe procedimientos y un aparato para la produccion de gas de smtesis a 25 partir de un combustible hidrocarbonado y vapor de agua y/o gas oxfgeno.
El documento US 2004/216465 A1 describe una planta para producir lfquidos de Fischer-Tropsch y energfa con emisiones de CO2 muy reducidas.
El documento US 2008/155984 A1 describe un sistema de ciclo combinado con captura parcial de CO2.
SUMARIO
30 La presente invencion se refiere a un metodo de producir una mezcla de gas combustible segun se define en la reivindicacion 1 adjunta. La presente invencion esta dirigida, en general, a la generacion de energfa a partir de gas natural con captura de CO2 para el secuestro, por ejemplo, en una formacion geologica, en relacion con la generacion de un gas combustible sustancialmente exento de componentes que contienen carbono para la generacion de energfa. En algunas implementaciones, un metodo incluye combinar la generacion de energfa de alta 35 eficiencia a partir de sistemas de ciclo combinado de turbinas de gas alimentadas con gas natural con CO2 capturado para el secuestro. En algunos casos, este metodo a modo de ejemplo puede eliminar, minimizar o reducir de otro modo las emisiones de CO2 a la atmosfera en union con la generacion de productos de smtesis. Pafses como Estados Unidos, Reino Unido y otros pafses europeos producen una parte significativa de la energfa electrica a partir de gas natural, y el uso de este metodo a modo de ejemplo se pueden reducir las emisiones de gases de 40 efecto invernadero.
El metodo incluye la produccion de un gas combustible rico en hidrogeno para una turbina de gas lastrada con nitrogeno y vapor de agua y sobrecalentada a una temperatura superior a su punto de rodo. El gas combustible puede tener un contenido mmimo o reducido de CO2 o componentes combustibles CO y CH4 que contienen carbono,
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de modo que, cuando se quema en una turbina de gas adecuada, se pueden minimizar o reducir las emisiones de CO2 a la atmosfera. Estos metodos a modo de ejemplo pueden resultar en una captura de la mayor parte del carbono presente en la alimentacion total de gas natural en forma de CO2 comprimido a la presion de suministro de gaseoductos para el secuestro.
En algunas implementaciones, uno o mas metodos pueden lograr una eficiencia de generacion electrica neta global de mas de 47% de acuerdo con la base del Valor a Bajo Calentamiento (LHV) en condiciones de la Organizacion Internacional de Normalizacion (ISO) tal como en el intervalo de aproximadamente de 49% a 51%, utilizando, por ejemplo, los datos publicados para el rendimiento de la turbina de gas GE 7B. Simultaneamente, el carbono capturado de la alimentacion de gas natural tal como CO2 comprimido a la presion del gaseoducto puede ser mayor que 80% y, en algunas implementaciones, mayor que 89% del carbono alimentado total.
El metodo de la presente invencion genera el gas combustible sobrecalentado de H2 + N2 + vapor de agua en un sistema del proceso en el que se genera internamente dentro del sistema de generacion de gas combustible sustancialmente toda la energfa auxiliar requerida para la produccion y compresion de oxfgeno/nitrogeno, separacion y compresion del CO2 a la presion del gaseoducto, y otros consumidores de energfa menores asociados con el sistema total de generacion de gas combustible. En otras palabras, dichos sistemas pueden operar independientemente de fuentes de alimentacion externas y sin energfa importada de, por ejemplo, el sistema de generacion de energfa de ciclo combinado de turbina de gas.
Es el objeto de esta invencion mostrar una nueva disposicion de intercambio de calor para maximizar la recuperacion de calor eficiente para producir el gas combustible de mejor calidad para la turbina de gas y proporcionar toda la potencia necesaria para el sistema de generacion de gas combustible. Es un objetivo adicional de la invencion producir el gas de smtesis a partir de una combinacion de POX/GHR mas una caldera de vapor en un solo recipiente compacto para permitir que el sistema sea modularizado en tamanos grandes para minimizar o reducir de otro modo el costo de capital erigido.
Los detalles de una o mas realizaciones de la invencion se exponen en los dibujos adjuntos y en la descripcion siguiente. Otras caractensticas, objetos y ventajas de la invencion resultaran evidentes a partir de la descripcion y los dibujos, y de las reivindicaciones.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La FIGURA 1 es un diagrama de bloques que ilustra un sistema para generar energfa y secuestrar CO2 de acuerdo con algunas implementaciones;
las FIGURAS 2 y 3 ilustran condiciones operativas a modo de ejemplo para el sistema en la FIGURA 1; la FIGURA 4 ilustra un sistema de generacion de gas de smtesis combinado a modo de ejemplo; la FIGURA 5 ilustra una parte del sistema de generacion de gas de smtesis combinado a modo de ejemplo ilustrado en la FIGURA 4;
la FIGURA 6 ilustra otra parte del sistema de generacion de gas de smtesis combinado a modo de ejemplo ilustrado en la FIGURA 4;
la FIGURA 7 ilustra un procedimiento de produccion de gas de smtesis utilizando el sistema a modo de ejemplo ilustrado en la FIGURA 4;
la FIGURA 8 ilustra una porcion de un sistema de generacion de gas de smtesis combinado a modo de ejemplo; la FIGURA 9 ilustra una seccion transversal a modo de ejemplo del sistema de generacion de gas de smtesis a modo de ejemplo ilustrado en la FIGURA 8; y
la FIGURA 10 ilustra una seccion transversal a modo de ejemplo del sistema de generacion de gas de smtesis a modo de ejemplo ilustrado en la FIGURA 8.
Los sfmbolos de referencia iguales en los diversos dibujos indican elementos iguales.
DESCRIPCION DETALLADA
El metodo de la presente invencion incluye la produccion de gas combustible de H2+ N2 + vapor de agua para un sistema de generacion de energfa electrica de ciclo combinado de turbina de gas. Por ejemplo, un sistema de gas de smtesis puede incluir una reaccion de generacion de gas de smtesis en un reactor combinado de oxidacion parcial (POX) y reformador catalttico calentado por gas (GHR) (POX/GHR) para producir un gas de smtesis de CO + H2 a 60 bares hasta 100 bares de presion mediante el uso de una muy alta relacion de vapor de agua a carbono activo en
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el GHR de 5 a 12 para limitar el escape de CH4 del GHR. Ademas, la potencia para una Unidad de Separacion de Aire (ASU) para producir ox^geno para la POX es proporcionada por una turbina de gas que esta descargando su escape a traves de un calentador del proceso encendido para proporcionar funciones de calentamiento y sobrecalentamiento de los flujos de alimentacion de gas natural/vapor de agua/oxfgeno a la POX y GHR. Reactores de desplazamiento de alta y baja temperatura convencionales convierten la mayor parte del CO en el gas de smtesis en H2 y CO2 por reaccion con vapor de agua en reactores cataltticos. El calor se recupera mediante el precalentamiento del agua de alimentacion de la caldera. El exceso de calor producido a niveles de temperatura inferiores se utiliza para el precalentamiento y, opcionalmente, tambien para la humidificacion de la corriente de gas combustible producto.
En la presente disposicion, la ASU puede suministrar sustancialmente todo el nitrogeno mas argon a la alimentacion de aire como un producto de nitrogeno comprimido adicional que contiene, por ejemplo, no mas de 1,0% de oxfgeno para la mezcladura con la corriente rica en hidrogeno. El nitrogeno puede ser mezclado con la corriente rica en hidrogeno despues de la separacion de CO2 utilizando un proceso de lavado ffsico y/o qmmico convencional tal como, por ejemplo, Selexol o MDEA. En algunas implementaciones, la combinacion POX/GHR puede tener un requisito de oxfgeno muy bajo que limita el flujo de nitrogeno a aproximadamente 2/3 el flujo de hidrogeno.
El gas de smtesis que abandona el reactor GHR se hace pasar por una caldera de vapor de agua para la recuperacion de calor que genera una parte sustancial del requisito de vapor de agua del proceso a alta presion del sistema de generacion de gas de smtesis, siendo generada la parte restante en el calentador de proceso encendido de escape de la turbina de gas. Este calentador encendido tambien sobrecalienta el vapor de agua y calienta el gas natural a la alta temperatura requerida para las alimentaciones al sistema de generacion de gas de smtesis. Calor a baja temperatura se recupera del calentador encendido para el precalentamiento del agua de alimentacion y la generacion de vapor a baja presion. El contenido calonfico del gas de smtesis que abandona la caldera de vapor de agua junto con el calor generado en los reactores de desplazamiento catalftico a alta y baja temperatura debe ser recuperado de manera eficiente a los mas altos niveles posibles de temperatura para el precalentamiento de gas natural, el agua de alimentacion del proceso y el precalentamiento del agua de alimentacion de la caldera, generacion de vapor de agua a baja presion para el sistema de separacion de CO2 y para el precalentamiento de gas combustible con humidificacion opcional de la corriente de gas combustible. La generacion de vapor de agua para combinar con la mezcla de H2 + N2 se puede maximizar o incrementar de otra manera mediante recuperacion de calor a partir del enfriamiento de gas de smtesis y el calor de desplazamiento de la reaccion de modo que el contenido de H2 en el combustible de la turbina de gas se puede reducir a 40% hasta 60% en intervalo de volumen. Esta reduccion puede llevarse a cabo mezclando el H2 + N2 a una temperatura en el intervalo de la ambiente a 60°C junto con suficiente agua lfquida para recuperar de manera optima sustancialmente todo medio al calor de baja calidad disponible por encima del intervalo de temperaturas de la corriente de gas de smtesis de H2+ H2O + CO + CO2 + CH4 refrigerante. A medida que se calienta el H2 + N2 + agua lfquida, el agua puede evaporarse progresivamente a medida que aumenta la temperatura para recuperar sustancialmente todo el calor del proceso disponible.
Calor en forma de vapor de agua a baja presion, por ejemplo, a 3 bares hasta 5 bares de presion tambien puede utilizarse para la regeneracion de los disolventes lfquidos de CO2 en el sistema de lavado de CO2. Este vapor de agua se puede generar a los niveles de temperatura mas altos a medida que se enfna la mezcla de gas de smtesis dejando el medio y los niveles de temperatura mas bajos para la recuperacion de calor al flujo de H2/N2/vapor de agua.
En conjunto, sustancialmente la totalidad de la recuperacion de calor puede llevarse a cabo en un intercambiador de calor multicanal de aleta y placa en donde se enfnan las corrientes de gas de smtesis y en donde flujos precisos de gas H2 + N2 y de agua lfquida se puede introducir en cada uno de los pasajes de calentamiento. Este intercambiador de calor tambien puede actuar como un generador de vapor de agua a baja presion y tambien puede enfriar el exceso de sangrado de aire desde la seccion del compresor de turbina de gas utilizada como parte de la corriente de aire de alimentacion de la ASU.
En algunas implementaciones, el nuevo procedimiento puede retener la presion de generacion de gas de smtesis en 60 bares a 100 bares para minimizar o reducir de otro modo el tamano de las unidades POX/GHR/WBH del gas de smtesis y para utilizar el exceso de presion mediante la expansion del gas de salida de la Caldera de Calor Residual (WHB) en una turbina de descarga de presion productora de energfa. En algunos casos, la turbina de descarga de presion productora de energfa puede operar a una presion de entrada de 60 bares a 100 bares y una presion de salida de 25 bares a 35 bares. En algunas implementaciones, se pueden incluir uno o mas de los siguientes: combinacion POX/GHR/turbina de gas; presion del gas de smtesis de alta presion (> 60 bar); alta relacion de vapor de agua a carbono activo en GHR para un escape bajo de CH4; combustible de N2/vapor/H2 sobrecalentado para la
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turbina de gas; precalentamiento y sobrecalentamiento de alimentaciones de gas de smtesis en el calentador encendido de escape de la turbina de gas; POX/GHR/WHB mostrada como un solo recipiente compuesto; recuperacion de calor de gas de smtesis del escape del WHB + calor de reaccion de desplazamiento como el contenido de vapor de agua en la corriente de gas combustible presurizado de la turbina de gas y/u otros aspectos.
En algunas implementaciones, uno o mas metodos pueden limitar la cantidad de N2 disponible para la mezcla con el H2 a aproximadamente 2/3 del flujo de H2. Las turbinas de gas pueden operar con una cantidad tan baja como 40% de H2 que da margen para un gran contenido de vapor de agua en la mezcla de gas combustible de H2/N2/vapor. En algunas implementaciones, esta gran generacion de vapor puede proceder de la recuperacion de calor como calor sensible y de la reaccion de desplazamiento del escape de WHB hasta la temperatura ambiente. La inyeccion de un lfquido y un gas de una manera controlada en una sola pasada o paso de un intercambiador de calor pueden evaporar progresivamente el lfquido, ya que la temperatura de la corriente se eleva debido a la transferencia de calor. Esto puede resultar en la maximizacion o el aumento de otra manera de la transferencia de calor al lfquido que se evapora a lo largo de un intervalo de temperaturas. El tipo de intercambiador de calor utilizado puede ser un intercambiador de calor de multi-corriente de aleta y placa de un tipo tfpicamente fabricado por companfas tales como Sumitomo, Chart y Linde. Sustancialmente toda la transferencia de calor aguas abajo de la WHB puede tener lugar en un intercambiador de calor multi-vapor de agua, multi-canal soldado con aleta y placa de acero inoxidable. La funcion principal de este intercambiador de calor puede ser para calentar una corriente de H2 + N2 con contenido controlado de agua lfquida para evaporar sustancialmente todo el agua a lo largo de un intervalo de temperaturas progresivamente creciente. El agua Uquida y las corrientes de gas de H2 + N2 se pueden alimentar por separado en un solo paso del intercambiador de calor hecho de una pluralidad de pasadas separadas. El diseno del intercambio de calor puede permitir que una fraccion de agua controlada se mezcle con una fraccion de gas controlada en la entrada de cada pasada. El diseno puede ser capaz de garantizar una relacion razonable de gas a lfquido dentro de lfmites definidos que se establecera en cada pasada. Cualquier exceso de calor, particularmente calor disponible en el nivel de temperaturas mas alto se puede utilizar para producir vapor de agua a baja presion para la regeneracion por calentamiento del sistema de absorcion de CO2. En algunas implementaciones, la corriente de combustible de la turbina de gas puede estar sustancialmente libre de vapor de agua con el fin de limitar la presion parcial del vapor de agua en la seccion del expansor de la turbina de gas para maximizar la temperatura de entrada de la seccion de la turbina de expansion y asf maximizar la salida de energfa de la turbina de gas.
La generacion de gas de smtesis a 60 bares hasta 100 bares de presion puede ser una caractenstica peculiar al uso de una combinacion POX/GHR acoplado a una alta relacion de vapor de agua a carbono en el gHr que puede limitar el escape de CH4 y maximizar o aumentar de otra manera la captura de CO2. La turbina de gas puede utilizar una presion del combustible en el intervalo de 25 bares a 35 bares. Puede utilizarse una turbina de descarga de presion a elevada temperatura productora de energfa para reducir la temperatura y presion de la mezcla gaseosa que abandona el WHB, aumentando asf la eficiencia general de la produccion de energfa.
La FIGURA 1 ilustra un sistema de smtesis 100 a modo de ejemplo para la generacion de energfa y el secuestro de CO2 de acuerdo con algunas implementaciones de la presente descripcion. En diversas implementaciones, una corriente de alimentacion es procesada para producir corrientes de gas de smtesis (p. ej., corrientes que incluyen hidrogeno, monoxido de carbono y dioxido de carbono). Las corrientes de alimentacion procesadas pueden incluir una diversidad de corrientes de alimentacion que incluyen metano tal como gas natural, combustibles de hidrocarburos, gases ricos en metano como metano en lechos de carbon o biogas (p. ej., corriente producida a partir de la descomposicion anaerobia de la materia). Las corrientes de alimentacion pueden incluir hidrocarburos lfquidos o gaseosos tales como gas natural y gas licuado de petroleo y destilados. Con referencia a la FIGURA 1, el gas de alimentacion 25 penetra en el reactor de gas de smtesis 2.
En algunas implementaciones, el reactor de gas de smtesis 2 puede incluir un sistema combinado de generacion de gas de smtesis que integra un reactor de oxidacion parcial (POX) y un reformador catalttico calentado por gas (GHR) (p. ej., un reformador catalttico de vapor de agua/hidrocarburos calentado por conveccion) de modo que el gas de smtesis producido por el POX se mezcla con el gas de smtesis procedente del GHR. La corriente combinada se puede utilizar para calentar el GHR (p. ej., puesto que el gas de smtesis producido por el POX y el GHR puede tener una temperatura suficiente para calentar la mezcla de gas natural de alimentacion y el vapor de agua que penetra en el GHR para producir gas de smtesis), que se discute con mas detalle con respecto a la FIGURA 4.
La corriente combinada, que incluye gas de smtesis, puede abandonar el lado de la carcasa del GHR enfriado y se puede enfriar mas en una caldera de calor residual (WHB). En sistemas de generacion de gas de smtesis en tres etapas, la WHB puede ser una etapa integrada del sistema de generacion de gas de smtesis tal como se ilustra en el reactor 2. En sistemas de generacion de gas de smtesis de dos etapas, la WHB puede ser un reactor separado. El calor procedente de la corriente combinada que abandona el lado de la carcasa del GHR puede calentar el agua de
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alimentacion de la caldera para producir vapor procedente del separador 29 para ser utilizado por el GHR tal como se ilustra por la corriente 28 y como corriente de vapor de agua 30 para el precalentamiento de la corriente de O2 4 en el calentador de vapor de agua 31. El vapor de agua 28 puede ser producido por la WHB a una presion lo suficientemente alta como para permitir que el vapor de agua se mezcle con el combustible hidrocarbonado para el GHR y/o la POX. En algunas implementaciones, la corriente de vapor de agua y de alimentacion resultante puede ser adicionalmente pre-calentada por medios externos.
El gas de smtesis de H2 + CO, que tambien contiene CO2, H2O, CH4 y un poco de N2 y argon (A) se produce como corriente 1 del reactor 2 de POX/GHR/WHB combinada. La unidad de separacion de aire (ASU) 3 puede producir una corriente de oxfgeno 4 que se puede utilizar para oxidar parcialmente una corriente de gas natural 5, opcionalmente comprimido en el compresor 6 y precalentado en el calentador 23 encendido de escape de la turbina de gas, para producir una corriente de gas de smtesis que se mezcla con el gas de smtesis generado en el GHR y la corriente combinada fluye a continuacion a traves del lado de la carcasa que pasa por encima de los tubos llenos de catalizador del GHR, y luego a traves de la WHB.
La corriente de gas de smtesis 1 pasa a traves de un reactor 7 de conversion de desplazamiento catalttico de alta temperatura y se reduce en presion en la turbina de expansion 8 productora de energfa. La corriente de gas de smtesis 9 expandida se enfna en el intercambiador de calor 10 de aleta y placa de acero inoxidable multi-canal y luego se hace pasar a traves de un reactor 11 de conversion de desplazamiento catalttico de baja temperatura. La corriente 12 de gas H2 + CO2 de salida vuelve luego a entrar en el intercambiador de calor 10 de aleta y placa en donde se enfna mediante enfriamiento a temperatura cercana a la ambiente frente al agua de refrigeracion en el intercambiador de calor 42. Agua lfquida se separa en 13 y CO2 se elimina en el sistema de doble flash MDEA 14. El nitrogeno 17 de la ASU 3 es comprimido en 15 y es mezclado con la corriente de H2 que abandona la unidad de MDEA. La corriente de H2 + N216 penetra en la base del intercambiador de calor 10 de aleta y placa a traves de un sistema distribuidor de lfquido/gas, en donde el agua purificada pre-calentada 18 se mezcla justamente en el lfquido requerido para la relacion de gas en cada una de las pasadas. La mezcla de gas de H2 + N2 + vapor de agua 19 abandona el intercambiador de calor 10 de aleta y placa tfpicamente 50°C por encima de su punto de rocm. Parte de esta se utiliza entonces como combustible para la turbina de gas 20. La mayor parte de esta corriente 101 se convierte en la corriente de alimentacion de gas combustible a un sistema de generacion de energfa de ciclo combinado de turbina de gas que operan en una corriente sustancialmente libre de CO2.
La turbina de gas 20 acciona un compresor de aire 21 que proporciona una corriente de aire 43 a la ASU 3, y un generador electrico 22. Opcionalmente, unidades 20, 21, 22 y 8 pueden estar todas unidas mecanicamente. El escape de la turbina de gas penetra en un calentador 23 encendido, en donde gas natural adicional se quema en un quemador suministrado opcionalmente con su propio suministro de aire desde un soplador 24.
Una corriente de gas natural comprimido 25 que abandona el compresor 6 se precalienta en el calentador 23, despues se desulfura en un sistema de eliminacion de azufre 26. Una corriente de agua de alimentacion de la caldera bombeada a alta presion en 47 se precalienta en el calentador 23 y se calienta adicionalmente a una temperatura cercana a su punto de ebullicion en el intercambiador de calor 10. El agua de alimentacion de la caldera caldeada se vaporiza en la WHB, mostrada con circulacion natural de alimentacion de agua y un separador de vapor de agua 29.
El vapor de agua producido se divide con la parte 30 que se utiliza para precalentar la alimentacion de oxfgeno al quemador POX en el intercambiador de calor 31. La mayor parte del flujo de vapor de agua 28 es recalentada en el calentador 23, es mezclada con el gas natural 34 calentado desulfurado y la corriente de gas natural/vapor de agua combinada 35 es la alimentacion a la GHR en 2. Una corriente 36 de vapor de agua a baja presion adicional se produce en parte en el extremo caliente del intercambiador de calor 10 y en parte en el calentador 23 a partir de una corriente de agua de alimentacion a la caldera bombeada en 37. Una corriente de vapor de agua 38 adicional procedente del sistema de vapor de agua de ciclo combinado se anade opcionalmente a la corriente 36 y la corriente de vapor de agua 39 a baja presion combinada se utiliza para el servicio de regeneracion en el lavador de CO2 14. La corriente de CO2 41, separada en 14, se comprime a la presion del gaseoducto en 40. Opcionalmente, el gas de escape procedente del calentador 23, la corriente 46, puede ser reforzado en presion en el ventilador 44 para eliminar cualquier presion de retorno en la turbina de gas y para proporcionar suficiente presion en la corriente de descarga 45 para permitir que el gas residual sea dirigido a traves de una columna de lavado separada al sistema MDEA 14 para eliminar la mayor parte de la corriente de CO2. Esto se puede utilizar si sustancialmente toda la corriente 19 se utiliza como combustible para el sistema de generacion de energfa de ciclo combinado y la turbina de gas 20 opcionalmente utiliza combustible de gas natural.
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Una especificacion opcional para la corriente total de gas combustible sena producir una corriente de gas combustible seco en la que corriente de gas combustible contendna aproximadamente 60% en moles de H2 con un contenido mmimo de CO y CH4, y siendo el resto N2. Esta corriente proporcionana el gas combustible a la camara de combustion de la turbina de gas. Ademas, sena necesario nitrogeno o corriente de aire adicional a una presion correspondiente a la presion de la camara de combustion que proporcionana diluyentes adicionales para los productos de combustion antes de que penetren en la seccion de expansor de la turbina de gas. Una turbina de gas tfpica, tal como GE 7B, requerina una presion de gas combustible de 32,5 bares y una presion de N2 o aire diluyente de 23,1 bares. Tanto el gas combustible seco como la corriente de N2 o aire diluyente se calientan en el intercambiador de calor de aleta de placa 10 a la temperatura maxima posible.
Las condiciones del procedimiento dadas en las tablas 202 y las tablas 204 de las FIGURAS 2 y 3 producen una corriente de alimentacion sobre-calentada de gas combustible que se utiliza en un sistema de cogeneracion de turbina de gas para producir energfa electrica. Se da el equilibrio de masa y calor para el caso de la alimentacion seca basado en el rendimiento proyectado para una turbina de gas GE 7B utilizando combustible H2 derivado de gas natural que tiene un poder calonfico (base LVG) de 34,70 MJ/m3 (931.98btu/scf) y que contiene 4,28% en moles de CO2. La turbina de gas auxiliar era una unidad de accionamiento directo GE LM2500PE con una potencia en el eje de 23,25 Mw. La eficiencia neta global de todo el sistema se calcula que es 45,6% (base del poder calonfico inferior). La correspondiente recuperacion general de CO2 de la alimentacion total de gas natural es de 90,3%. La potencia neta total es de 307,3 MW. El CO2 total capturado y comprimido a la presion del gaseoducto es 122,2 toneladas metricas por hora. Sin embargo, estos valores y los parametros son solamente con fines de ilustracion y el sistema 100 puede utilizar algunos, todos o ninguno de ellos.
La FIGURA 4 ilustra un sistema de generacion de gas de smtesis 400 a modo de ejemplo y las FIGS. 5 y 6 ilustran porciones del sistema de generacion de gas de smtesis 400. Convencionalmente, el POX, el GHR y la WHB se construyen como tres unidades separadas, por ejemplo, recipientes a presion separados conectados por tubenas y situados en una estructura de soporte. La disposicion general requiere una costosa tubena aislada internamente y/o tubenas de acero de alta aleacion, y soportes asociados, etc. Un sistema de generacion de gas de smtesis combinado puede reducir los costos (p. ej., dado que se puede utilizar la tubena menos costosa y dado que se pueden eliminar las conexiones entre unidades separadas previamente) al tiempo que se mantiene el proceso y las caractensticas operativas y de mantenimiento y de seguridad deseadas en un sistema de generacion de gas de smtesis. Otra caractenstica de una sola unidad de reactor para las operaciones secuenciales de oxidacion parcial, reforma auto-termica y, opcionalmente, recuperacion de calor residual es para generar internamente vapor de agua, de modo que la corriente de gas de smtesis pasa a traves de la unidad compuesta sin requerir que el gas de smtesis pase a traves de cualquier conexion de la tubena entre las unidades.
El sistema de generacion de gas de smtesis 400 ilustrado es un sistema de generacion de gas de smtesis en tres etapas, en el que la etapa de POX 401, la etapa de GHR 405 y la etapa de WHB 414 estan dispuestas verticalmente. Una disposicion vertical puede disminuir la huella requerida para el sistema de generacion de gas de smtesis combinado en comparacion con los sistemas convencionales de generacion de gas combinados y/o los sistemas convencionales de generacion de gas de unidades separadas. La reduccion de la huella del sistema puede ser mas rentable (p. ej., puede reducir los requisitos de terreno), puede permitir que el sistema pueda ser movido en entornos de huella reducidos y/o puede permitir que el sistema combinado de generacion de gas de smtesis (p. ej., junto con otros componentes del proceso global) sea fabricado como un solo modulo de dimensiones compactas y un peso mmimo.
Tal como se ilustra, la etapa de POX 401 esta situada proxima a la parte inferior del sistema de generacion de gas de smtesis 400. La etapa de WHB 414 esta situada proxima a la parte superior del sistema de generacion de gas de smtesis 400 y la etapa de GHR 405 esta situada entre la etapa de WHB y la etapa de POX. La etapa de POX 401 puede incluir un conjunto de quemador de POX 402 que incluye una entrada de alimentacion de combustible 403 y otra entrada 404. Una corriente de oxfgeno y/o una corriente de vapor de agua se pueden proporcionar a la etapa de POX 401 a traves de la otra entrada 404. Los quemadores del conjunto de quemadores 402 pueden estar configurados para inhibir zonas de poca o insignificante mezcladura en la etapa de POX 401. Por ejemplo, los quemadores pueden estar configurados para producir un flujo de vortice estable.
Un espacio de mezcla 406 puede residir por encima de la etapa de POX 401 y por debajo de los tubos 407 de la etapa de GHR 405. El espacio de mezcla 406 puede incluir un volumen suficiente para la mezcla eficiente de los gases de alta temperatura producidos por la etapa de POX 401 y los gases de salida de los tubos 407 del GHR 405 y/o para tiempo de permanencia suficientes para las reacciones a alta temperatura. Esto puede producir el rendimiento maximo de gas de smtesis y minimizar la produccion de partmulas de carbono solidas. Los tubos 407 pueden estar al menos parcialmente llenos con un catalizador adecuado para la reforma de vapor de agua catalttico
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de la corriente de alimentacion que penetra en la etapa de GHR a traves de la entrada 419 de GHR que corresponde a la corriente 35 en la FIGURA 1. Los tubos 407 de la etapa de GHR 405 pueden incluir una restriccion 409 (p. ej., una boquilla de salida) para aumentar la velocidad de descarga de gas. El aumento de la velocidad de descarga de gas puede fomentar una buena mezcladura entre las corrientes de gas producto de POX y GHR. La mezcladura tambien puede ser fomentada mediante la disposicion de una placa perforada 408 en la corriente de flujo de gas combinada (p. ej., gas combinado de los tubos 407 de la etapa de GHR 405 y la etapa de POX 401). La placa 408 esta situada por encima de las boquillas de salida 409 de los tubos de GHR 407. Una capa de partmulas (p. ej., la capa de partmulas 860 en la FIGURA 8) puede incluir granulos solidos o nodulos conformados solidos 860 se pueden colocar encima de la placa perforada. Estos granulos o nodulos pueden incluir un material inerte tal como alumina o silice, u otros materiales inertes capaces de soportar la temperatura de trabajo. Los granulos o nodulos pueden filtrar al menos una parte de las partmulas de carbono producidas en el reactor de POX para prevenir el arrastre excesivo al reactor de GHR. El carbono atrapado en la superficie de estos granulos o nodulos reaccionara rapidamente con vapor de agua en exceso, presente en la corriente de gas de smtesis combinada (p. ej., a temperaturas de trabajo superiores a 1000°C), y esta eliminacion continua de carbono solido depositado inhibira el bloqueo debido al carbono solido. En algunas implementaciones, los granulos o nodulos pueden incluir catalizadores tales como catalizadores para fomentar la reaccion de desplazamiento del gas de agua. Vease la ecuacion (1). Esto puede establecer un enfoque cercano al equilibrio que permitira, en las condiciones de alta temperatura, la conversion de una parte del dioxido de carbono presente en la corriente de gas de smtesis en monoxido de carbono por la reaccion exotermica con hidrogeno. Esto tambien puede reducir la temperatura del gas de smtesis.
CO2 + H2 = CO + H2O (ecuacion (1))
Los tubos 407 de la etapa de GHR 405 puede estar acoplado (por ejemplo, fijado) a una placa de tubos 407' tal como se muestra en la FIG. 5. La placa de tubos 407' puede estar soportada sobre un anillo de soporte 410 que esta acoplado (p. ej., soldado) a la carcasa 411 de la etapa de POX 401 y la etapa de GHR 405. La posicion de la placa de tubos de GHR 407' en el anillo de soporte 410 puede ser retenida por miembros de acoplamiento 421 (p. ej., esparragos, tornillos, etc.).
Una corriente de alimentacion de GHR, que puede incluir vapor de agua y/o una parte de la alimentacion de hidrocarburos, puede fluir a la etapa de GHR 405 a traves de una entrada de GHR 419. La entrada de GHR puede incluir una parte flexible 424, por ejemplo, para compensar la expansion termica cuando la unidad esta en su temperatura de trabajo. La etapa de GHR 405 puede incluir una cubierta de cabecera 420 proxima a la parte superior de una etapa de GHR. La cubierta de cabecera 420 puede estar acoplada, descentrada, a una brida superior de la etapa de GHR 405 utilizando un miembro de acoplamiento 422 (p. ej., esparragos, tornillos, etc.) de modo que cubra (al menos una parte de) la seccion superior de los tubos de GHR 407. La seccion superior entera de los tubos de GHR 407 puede estar cubierta por la cubierta de cabecera 420. Una parte interna de la boquilla de entrada 419 puede ser separada de la pared 411 del recipiente para facilitar la separacion de la cabecera de la parte superior de GHR 420 y/o permitir el acceso a cada uno de los tubos del reactor lleno de catalizador.
Tal como se ilustra, la etapa de GHR 405 incluye un lado de la carcasa con deflectores por segmentos. El lado de la carcasa de la etapa de gHr 405 tiene un recorte segmentario 412 en la placa de tubos para permitir que la corriente de gas de smtesis salga del lado de la carcasa de la etapa de GHR 405 en el espacio 413 por debajo de la etapa de WHB 414. La etapa de WHB 414 incluye, acoplado al lado de la carcasa, un tubo 415 de entrada de agua de alimentacion de la caldera (p. ej., proxima a la base de la etapa de WHB) y un tubo de arrastre 416 de vapor de agua de salida o de vapor de agua mas agua (p. ej., proxima a la parte superior de la etapa de WHB). La etapa de WHB 414 incluye una cubierta superior 427 con un tubo 418 de salida de gas de smtesis.
Tal como se ilustra, la corriente de alimentacion de GHR puede ser proporcionada a traves de la entrada de GHR 419 a la zona 420', que esta encerrada por la cubierta de cabecera. La corriente de alimentacion de GHR puede fluir desde la zona 420' encerrada por la cubierta de cabecera 420 a los tubos 407. La cubierta de cabecera puede inhibir la comunicacion entre la alimentacion de entrada en la tubena 419 y el gas producto en el espacio 413. Al menos partes de la corriente de alimentacion de GHR pueden someterse a la reforma de vapor catalttico para producir gas de smtesis. La corriente de producto puede salir a traves de las boquillas 409 de los tubos 407 para mezclarse con los gases procedentes de la etapa de POX del sistema de generacion de gas de smtesis combinada. Esta corriente combinada puede fluir a traves de la placa perforada 408 hacia el lado de la carcasa de la etapa de GHR para proporcionar calor a los tubos para la reforma de vapor catalftica de la corriente de alimentacion de GHR en los tubos 407. Al proporcionar calor a la corriente en los tubos 407, la corriente de gas combinada puede ser enfriada.
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La refrigeracion y transferencia de calor desde el flujo de gas de smtesis en el lado de la carcasa pueden ser mejoradas mediante la inclusion de deflectores horizontales espaciados regularmente (p. ej., separados verticalmente, que dirigen el flujo del lado de la carcasa sobre la parte exterior de los tubos 407 de una manera optima consistente con las limitaciones de cafda de presion a traves del lado de la carcasa del GHR 405). Tal como se ilustra los deflectores tienen recortes segmentados dispuestos alternativamente para facilitar el flujo de gas del lado de la carcasa de un espacio de deflector a otro. La disposicion de los deflectores permite que el recorte en la placa de tubos coincida con el tamano del deflector y la ubicacion en relacion con el haz de tubos, de manera que el flujo de gas del lado de la carcasa pueda salir a traves del recorte de la placa de tubos 412. En algunas implementaciones, se puede utilizar una disposicion de deflector en forma de disco y rosquilla. La corriente de gas enfriada puede salir del lado de la carcasa de la etapa de GHR 405 en la abertura 412 para que fluya al interior del espacio 413 dispuesto entre la etapa de WHB 414 y la etapa de GHR 405. La corriente de gas enfriada puede entonces fluir hacia el lado del tubo de la etapa de WHB 414 y puede proporcionar calor para producir vapor de agua del agua de alimentacion de la entrada 415, que puede enfriar adicionalmente la corriente de gas combinada enfriada. El vapor de agua producido o vapor de agua mas agua producido puede salir de WHB en la salida 416. Una parte o la totalidad de la corriente de vapor, opcionalmente con procesamiento adicional que puede incluir un calentamiento adicional, podna proporcionarse a la etapa de GHR 405 y/o a la etapa de POX 401. La corriente de gas de smtesis combinada enfriada adicionalmente puede salir de la etapa WHB y/o el sistema de gas de smtesis combinada en la salida 418 de gas de smtesis.
En algunas implementaciones, las partes metalicas expuestas o partes de las mismas (p. ej., las partes metalicas expuestas incluyendo opcionalmente la superficie expuesta de la placa de tubos WHB) en el espacio 413 pueden incluir un revestimiento protector 423 (p. ej., el revestimiento puede estar revestido, el revestimiento puede ser una capa superior de las partes, el revestimiento puede ser una capa acoplada de forma desmontable, etc.). El revestimiento protector 423 puede ser sustancialmente impermeable a los gases y/o puede aplicarse despues de haberse instalado la etapa de GHR 405 con la cubierta de cabecera 420. El revestimiento protector 423 puede ser retirada si el haz de GHR necesita ser reemplazado en el futuro. Un aislamiento protector puede cubrir, al menos en parte, los miembros de acoplamiento 421 y 422. La cara inferior de la placa de tubos de gHr 409, o al menos partes de la misma, se puede recubrir con un revestimiento 424 estanco a los gases. El revestimiento 424 puede permitir que la placa de tubos sea construida a partir de un material menos costoso que los tubos de GHR 407 (p. ej., los tubos de GHR pueden incluir aleaciones de mquel tales como 693 o 617). La pared del recipiente en la etapa de POX 401 y la etapa de GHR 405 puede estar aislada internamente con una capa de aislamiento 425. La capa de aislamiento 425 puede incluir un aislamiento ceramico permanente. La envuelta del recipiente en la region del espacio 413 puede estar aislada internamente con una capa de aislamiento 426, que puede incluir, en algunas implementaciones, un aislamiento ceramico permanente.
Aunque en la FIGURA 4 se ilustra una implementacion de un sistema de generacion de gas de smtesis de tres etapas, se pueden anadir, eliminar y/o modificar diversos componentes y/o caractensticas. Por ejemplo, las etapas se pueden disponer de forma horizontal u oblicua. Como otro ejemplo, la etapa de POX se puede disponer proxima a la parte superior de un sistema de generacion de gas de smtesis. La etapa de GHR se puede disponer proxima (p. ej., adyacente, por debajo, etc.) a la etapa de POX y/o la etapa de WHB. El sistema puede estar dispuesto en una configuracion vertical u oblicua con el POX en la parte superior, seguido por el GHR y con la WHB en la parte inferior. La disposicion vertical mostrada en la FIGURA 4 puede permitir que el haz de tubos de GHR sea facilmente desprendido de la envuelta despues de la separacion de la seccion de caldera del calor residual. Como otro ejemplo, un tubo puede ser un conducto. En algunas implementaciones, otras capas de aislamiento 425 y/o 426 pueden incluir un tipo diferente de aislamiento. Un area de seccion transversal de una etapa de POX y una etapa de GHR puede ser aproximadamente similar en tamano. En algunas implementaciones, el sistema de generacion de gas de smtesis combinado puede ser un unico recipiente presurizado que incluye tres etapas. Como otro ejemplo, el vapor de agua producido por la etapa de WHB puede combinarse con corriente de alimentacion y/o puede proporcionarse a un precalentador. El vapor de agua producido por la etapa de WHB puede no ser proporcionado a un sistema de tubenas externas al sistema combinado de gas de smtesis, sino mas bien puede ser proporcionado internamente a la etapa de POX y/o la etapa de GHR.
La FIGURA 7 ilustra un procedimiento 700 a modo de ejemplo para la produccion de gas de smtesis utilizando un sistema combinado de generacion de gas de smtesis tal como el sistema combinado de generacion de gas de smtesis ilustrado en la FIGURA 4. Una corriente de alimentacion puede ser parcialmente oxidada en una etapa de oxidacion parcial de un reactor de tres etapas, utilizando al menos un quemador proximo a una parte inferior del reactor de tres etapas (operacion 702). Por ejemplo, una corriente de gas natural, una corriente de aire y/o vapor de agua se pueden proporcionar a una etapa de pOx de un reactor de tres etapas. Se puede inhibir (operacion 704) una distribucion de la temperatura en la etapa de POX mayor que un intervalo especificado. Por ejemplo, el o los quemadores de un POX pueden estar disenados para alcanzar una temperatura de reaccion sustancialmente
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uniforme en la etapa de POX. Zonas limitantes de poca o insignificante mezcladura pueden aumentar los rendimientos de gas de smtesis, reducir los costos de produccion de gas de smtesis y/o fomentar temperaturas de reaccion uniformes en la etapa de POX, por ejemplo. Se puede inhibir la produccion libre de carbono y/o de hollm (operacion 706). Por ejemplo, el o los quemadores de la pOx pueden estar disenados o seleccionados de modo que se minimice la produccion libre de carbono y/o de hollm.
Se puede permitir que los gases en la etapa de POX del reactor de tres etapas se mezclen (p. ej., debido al patron de flujo de los gases) de manera que sean inhibidas las zonas de poca o insignificante mezcladura en la etapa de POX (operacion 708). Por ejemplo, los quemadores de la POX pueden estar situados de tal manera que se minimicen o inhiban las zonas de poca o insignificante mezcladura. Se puede producir un flujo de vortice estable en la etapa de POX para inhibir zonas de poca o insignificante mezcladura. La etapa de POX puede tener un volumen suficiente para que tenga lugar una mezcladura eficiente de los gases de alta temperatura producidos por el quemador y un tiempo de permanencia suficiente para que tengan lugar las reacciones de alta temperatura, lo que puede maximizar la produccion de gas de smtesis y minimizar la produccion de partmulas de carbono solidas (p. ej., produccion de partmulas de carbono cero o minima).
Se puede permitir que los gases procedentes de la etapa de POX y los gases de los tubos de la etapa de GHR se mezclen (operacion 710). Por ejemplo, se puede permitir que los gases procedentes de la etapa de POX y la etapa de GHR se mezclen en la zona de mezcladura dispuesta entre los tubos de la etapa de GHR y la etapa de POX. El gas procedente de los tubos del GHR puede incluir gas de smtesis producido por reforma de vapor catalttica de la corriente de alimentacion y/o la corriente de vapor que penetra en los tubos de la etapa de GHR. Gas producto de la etapa de GHR puede salir de las boquillas de los tubos para fomentar la mezcladura entre los gases procedentes de la Pox y los tubos del GHR (operacion 712).
La corriente de gas combinada puede fluir a traves de una placa perforada (operacion 714). Por ejemplo, la corriente de gas combinada puede fluir a traves de una placa perforada situada proxima a la zona de mezcladura del lado de la carcasa de la etapa de GHR. La placa perforada puede soportar una capa de partmulas que puede actuar como un dispositivo de eliminacion de carbono y/o una seccion catalftica, para alcanzar el equilibrio para la reaccion de desplazamiento de agua y gas y/o enfriar la mezcla de gas de smtesis combinada. El lado de la carcasa del GHR puede ser provisto de deflectores. El permitir que la corriente de gas combinada fluya a traves de la placa perforada puede imponer una cafda de presion a traves de la placa perforada, lo que puede provocar un flujo mas uniforme (p. ej., cuando se compara con el flujo sin el uso de una placa perforada) a traves de la placa perforada a lo largo de una seccion transversal del espacio de mezcladura.
El vapor y/o la alimentacion en los tubos de la etapa de GHR pueden calentarse (operacion 716). Por ejemplo, la corriente de gas combinada en el lado de la carcasa del GHR puede proporcionar calor para calentar la corriente en el lado del tubo de la etapa de GHR.
La corriente de gas combinada enfriada puede fluir desde el lado de la carcasa de la etapa de GHR a la etapa de WHB (operacion 718). El agua de alimentacion a la WHB se puede calentar utilizando el gas enfriado para producir vapor de agua que debe ser proporcionado a la etapa de GHR y/o la etapa de POX (operacion 720). La corriente de gas combinada enfriada se puede enfriar adicionalmente al proporcionar el calor para producir vapor de agua en el WHB. La corriente de gas combinada refrigerada, que incluye gas de smtesis, puede fluir desde el WHB (operacion 722).
El procedimiento 700 puede ser implementado por diversos sistemas tales como los sistemas 100 y 400. Ademas, se pueden anadir, eliminar o modificar diversas operaciones. Por ejemplo, en un reactor de gas de smtesis combinado de dos etapas, las operaciones 718, 720 y/o 722 no puede llevarse a cabo por el sistema de gas de smtesis combinado. Como otro ejemplo, la corriente de vapor de agua producida puede ser proporcionada a un pre- calentador y/o puede ser mezclada con una parte de una corriente de alimentacion. En alguna implementacion, el procedimiento 700, o partes del mismo, pueden ser realizado por un reactor de dos etapas (p. ej., un reactor que incluye una etapa de POX y una etapa de GHR).
La FIGURA 8 ilustra una parte de un sistema de generacion de gas de smtesis 800 a modo de ejemplo. Tal como se ilustra, el sistema de generacion de gas de smtesis 800 incluye un reactor de dos etapas con una etapa de POX 810 y una etapa de GHR 820 integradas. Una corriente de alimentacion, corriente de oxfgeno y/o corriente de vapor puede ser proporcionada a un quemador 812 de la etapa de POX 810. La corriente de alimentacion se puede oxidar parcialmente para producir gas de smtesis. Una corriente de alimentacion y una corriente de vapor de agua se pueden proporcionar al lado del tubo de una etapa de GHR 820. En los tubos 822, que incluyen un catalizador, al
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menos una parte de la corriente de alimentacion en los tubos puede ser cataltticamente reformada con vapor para producir gas de smtesis. La corriente de gas procedente de los tubos 822 de la etapa de GHR 820 y los gases en la etapa de POX 810 se pueden mezclar y se deja que fluyan a traves de la placa perforada 830. La corriente de gas combinada puede fluir a traves de la placa perforada 830 y la capa de partmulas 860 al lado de la carcasa de la etapa de gHr. El calor procedente de la corriente de gas combinada puede ser proporcionado a la corriente en los tubos de la etapa de GHR. El permitir que el calor procedente de la corriente de gas combinada a utilizar para calentar la corriente en los tubos del lado de GHR puede proporcionar ahorros de costos y puede producir un mayor rendimiento de gas de smtesis.
La forma de la parte superior de la etapa de POX 810 puede ser tal que se constituye el revestimiento 850 del recipiente interno refractario (p. ej., de modo que existan salientes en una cavidad del recipiente) y/o salientes pueden estar acoplados a una zona interna del recipiente de manera que los tubos 822 estan distribuidos aproximadamente de manera uniforme a traves de la seccion transversal de salida del flujo de gas POX tal como se ilustra en las FIGS. 8-10. La FIGURA 9 ilustra una vista en seccion transversal de una parte superior 900 de una etapa de POX. Tal como se ilustra, dos segmentos deflectoras 910 estanan dispuestos proximos a los bordes de la seccion transversal, asumiendo que no hubiera tubos 920 a traves de los segmentos deflectoras. Tal como se ilustra en la FIGURA 10, para una disposicion de GHR en forma de disco y rosquilla, una seccion transversal 1000 de los cuales se ilustra en la FIGURA 10, los segmentos 1010 senan un anillo anular y tambien puede ser una zona vacfa circular en la placa perforada 1020 por encima de las boquillas de salida de GHR.
Tal como se ilustra en la FIGURA 8, una placa perforada 830 puede estar dispuesta proxima a los extremos del tubo de GHR 822 (p. ej., por encima de las boquillas de salida de los tubos). Los tubos de GHR pueden penetrar en la placa perforada 830. La placa 830 puede incluir aberturas para las penetraciones de tubos de GHR y un segundo conjunto de aberturas, que puede ser mas pequeno. La corriente de gas procedente de la zona de mezcladura puede pasar a traves del segundo conjunto de aberturas al lado de la carcasa del GHR. El segundo conjunto de aberturas puede provocar una cafda de presion adicional y/o asegurar un flujo uniforme a lo largo de la seccion transversal del espacio de mezcladura de POX/GHR. Por encima de esta placa perforada 830 y la capa de partmulas 860, el flujo de gas de smtesis combinado puede ser asimetrico a medida que el flujo de gas penetra en la seccion de intercambio de calor con deflectores.
Diversas implementaciones de los reactores de tres etapas y/o reactores de dos etapas pueden incluir una o mas o ninguna de las siguientes caractensticas. Un area de seccion transversal del recipiente (p. ej., diametro) entre la etapa de POX y la de GHR puede ser similar o diferente. Por ejemplo, el recipiente puede reducirse entre la etapa de POX y la etapa de GHR y/o a traves de la etapa de GHR. Como otro ejemplo, el recipiente puede tener un area de seccion transversal aproximadamente constante a lo largo de toda la longitud del recipiente. En algunas implementaciones, un lado de la carcasa de la etapa de GHR puede incluir una capa de material de empaquetamiento tal como un material de empaquetamiento inerte en forma de ceramica (p. ej., en el espacio 860 ilustrado en la FIGURA 8). El empaquetamiento puede estar dispuesto por encima de la placa perforada y puede atrapar partmulas de carbono producidas por el quemador de POX (p. ej., partmulas de carbono se pueden producir en particular durante el arranque del sistema, al ser llevado hasta la temperatura de trabajo). Una caractenstica del sistema puede ser que cuando el sistema se hace funcionar a temperaturas por encima de aproximadamente novecientos grados Celsius, cualquier carbono atrapado en la capa de empaquetamiento se gasificara a CO y H2 cuando se hace reaccionar por reaccion con vapor de agua y/o CO2.
Otra caractenstica del sistema puede ser que el quemador de POX puede ser una sola unidad o multiples unidades, cada una de ellas con entradas de oxfgeno, de alimentacion de combustible y/o de vapor de agua separadas. El o los quemadores de POX pueden estar dispuestos cerca de la cabecera inferior de la etapa de POX y se encienden verticalmente hacia arriba. El o los quemadores pueden estar disenados para fomentar la retro-mezcladura del gas de smtesis producto caliente en la zona de reaccion de oxfgeno primario/hidrocarburos de alta temperatura para asegurar un intervalo de temperaturas de reaccion. El o los quemadores tambien pueden estar disenados para minimizar, inhibir y/o eliminar carbono libre o la produccion de hollin por parte del quemador.
Otra caractenstica del sistema puede incluir la recirculacion que puede ser provocada por el diseno del quemador y puede proporcionar un patron de flujo del gas de descarga que proporciona un flujo de vortice estable inmediatamente por encima de cada uno de los quemadores. El flujo de vortice estable puede proporcionar un patron de flujo de gas de recirculacion grande de nuevo a la zona de reaccion del quemador. En algunas implementaciones, puede existir un nivel mmimo de flujo de recirculacion a granel en la zona principal de la etapa de POX. Por ejemplo, mas de 90% del gas de smtesis POX puede tener un tiempo de permanencia de 4 segundos o mas para permitir que el tiempo maximice la produccion de gas de smtesis en el reactor de POX.
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Otra caractenstica del sistema puede incluir que la mezcladura del flujo de gas de smtesis de la salida de los tubos de GHR y el flujo de gas de smtesis de POX puede ser independiente de los patrones de flujo en el sistema de quemador de pOx. Por lo tanto, se puede implementar el patron de flujo apropiado para cada una de las etapas de mezcladura. En algunas implementaciones, un mecanismo primario para mezclar el gas de smtesis de salida de GHR de cada uno de los tubos llenos de catalizador es a traves del uso de una boquilla de restriccion proxima a un extremo de cada uno de los tubos. El gas que sale de la boquilla puede tener una velocidad media de salida de al menos aproximadamente 20 metros/segundo y/o de aproximadamente 30 a 80 metros/segundo. Estas corrientes de gas a alta velocidad pueden provocar que la mayona del gas circundante se mezcle con el producto de gas de smtesis que sale de los tubos de GHR.
Otra caractenstica del sistema puede incluir que la etapa del recipiente del reactor de GHR puede estar dispuesta con tubos de GHR en una configuracion de intercambiador de calor con deflectores utilizando un deflector segmentado o una disposicion de deflectores en forma de disco y rosquilla.
Otra caractenstica del sistema puede incluir ahorros de costes significativos (p. ej., disminuyendo los requisitos de tubenas, huella disminuida, recuperacion y utilizacion mas eficiente de calor, etc.). Por ejemplo, en algunas implementaciones, la tubena no es necesaria para las corrientes de gas producto (p. ej., gas de smtesis) fluya entre multiples recipientes. La tubena requerida para recipientes separados es comunmente de alta temperatura, con aislamiento interior con tubo de acero externo de alta presion de gran diametro que debe ser una camisa de agua para mantener constante o vigilado cualquier posible calentamiento local de la temperatura debido a problemas con el aislamiento interior. La reduccion de la necesidad de este tipo de tubenas costoso puede disminuir los costes de puesta a punto (p. ej., debido a una instalacion mas facil, menos tubena requerida, etc.) y la produccion de gas de smtesis (p. ej., ya no se necesitara vigilar, reparar o sustituir la costosa tubena). Como otro ejemplo, cuando se utilizan tres recipientes separados, se requiere una separacion minima vertical y una separacion horizontal entre los recipientes (p. ej., por disposiciones gubernamentales y/o industriales, tales como DOW Fire and Safety Standards) para alojar las conexiones de la tubena de gas de smtesis a alta temperatura. Esto significa que los tres recipientes estan soportados en un marco de acero caro con un area en seccion transversal y una altura significativos. Un unico recipiente puede estar libremente dispuesto con un espacio libre adecuado para la separacion de los quemadores de la base del recipiente. Puede no ser necesaria una estructura de acero de soporte y/o se puede requerir significativamente menos acero de soporte en comparacion con los sistemas que utilizan recipientes separados. Ademas, el costo de una sola unidad es significativamente menor que tres unidades. Por ejemplo, hay dos cabezales de recipientes de alta presion, en lugar de seis en unidades individuales. Ademas, se puede conseguir un ahorro de costes y un ahorro de tiempo, ya que se requiere una codificacion y aprobacion de un recipiente cuando se utiliza una sola unidad, en contraposicion a tres unidades o dos unidades.
Otra caractenstica del sistema incluye que una sola unidad puede ser construida como un conjunto modular totalmente fabricado y transportable que tambien puede incluir otros componentes aguas arriba y aguas abajo con un rendimiento mucho mayor que una configuracion de tres recipientes. Otra caractenstica incluye un riesgo disminuido de fallo refractario, ya que la disposicion refractaria, la ubicacion y la cantidad pueden ser mas favorables que un diseno con tubena de interconexion con aislamiento interior.
Otra caractenstica del sistema puede incluir que aproximadamente el mismo o un menor numero de problemas significativos estan asociados con la puesta en marcha y el funcionamiento con un solo recipiente. De hecho, menos problemas pueden estar asociados con un solo recipiente en comparacion con las dos o tres unidades separadas, ya que en la practica se pondra en marcha la totalidad del tren de gas de smtesis de tres recipientes, desconectados y hechos funcionar como una sola unidad, sin valvulas de aislamiento entre las tres unidades. Otra caractenstica puede ser que los sensores para vigilar el rendimiento de las plantas se pueden colocar facilmente dentro de la dotacion de un solo recipiente. Ademas de ello, el mantenimiento y la inspeccion pueden facilitarse en la configuracion de un solo recipiente, cuando se compara con el mantenimiento y la inspeccion de multiples unidades.
Otra caractenstica puede incluir la mezcladura de vortice estable de la etapa de POX. Por ejemplo, los sistemas descritos en la Patente de EE.UU. N° 4.741.885 incluyen una disposicion de remolino de quemadores de POX a lo largo de una longitud de un recipiente para inducir un flujo de vortice con un componente central ascendente que tiene una seccion transversal correspondiente a la seccion transversal del area del tubo en el GHR. El uso de multiples quemadores dispuestos tangencialmente alrededor de la periferia de la seccion de POX e inclinados en un angulo con el eje radial en cada posicion del quemador y tambien inclinada hacia arriba provoca un movimiento de remolino ascendente a ser inducido en la cavidad de la etapa de POX. Sin embargo, se produciran las zonas muertas o areas con mezcladura o velocidades de flujo insignificantes. Las zonas muertas pueden provocar un perfil desigual de temperaturas de reaccion en la etapa de POX y/o un rendimiento disminuido de gas de smtesis. Ademas, el sistema descrito en el documento US 4.741.885 provoca un diferencial de presion a traves de la unidad.
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Este diferencial de presion es altamente indeseable. Una desventaja adicional es que la formacion de vortice se encuentra en todo el cuerpo del espacio de POX y sirve para inducir que producto de gas de smtesis a una temperature mas baja sea descargado al espacio de POX, por lo tanto reduciendo localmente la temperature del espacio de POX y previniendo la conversion maxima de la los gases de los quemadores de POX al gas de smtesis debido a la variacion en la temperature y el tiempo de permanencia provocados por esta disposicion.
Aunque las corrientes se han descrito para que incluyan diversos componentes en las implementaciones, las corrientes pueden incluir uno o mas de otros componentes. Por ejemplo, aunque la corriente de alimentacion se describa como incluyendo metano, la corriente de alimentacion puede incluir otros componentes tales como otros hidrocarburos (p. ej., etano, propano, butano, pentano, etc.), otros compuestos que contienen carbono (p. ej., dioxido de carbono, monoxido de carbono, alcoholes, etc.), compuestos organicos, compuestos que contienen azufre (p. ej., compuestos organicos de azufre, sulfuro de hidrogeno, etc.), nitrogeno, argon, etc. La corriente de alimentacion puede ser gas natural, gases asociados con la produccion de petroleo crudo, gases de escape combustibles de otros procesos tales como operaciones de refinena, hidrocarburos lfquidos, etc. En algunas implementaciones, cuando la corriente de alimentacion puede ser gas natural procesado, por ejemplo, los compuestos de azufre en el gas natural pueden ser separados o al menos parcialmente separados para evitar danos al catalizador, particularmente en el GHR. Como otro ejemplo, aunque el gas de smtesis se describe como incluyendo monoxido de carbono e hidrogeno, el gas de smtesis tambien puede incluir otros componentes tales como gases inertes (p. ej., nitrogeno o argon). Como otro ejemplo, una corriente de oxfgeno puede incluir gases inertes o nitrogeno, ademas de oxfgeno.
Aunque las corrientes se describen como corrientes de gas o incluyendo gases, tambien pueden existir otras formas de materia en las corrientes. Por ejemplo, la corriente puede incluir un lfquido. Como ejemplo, las corrientes en la etapa de WHB pueden incluir agua y vapor de agua.
Aunque diversas caractensticas se describen en union con una descripcion del reactor de dos etapas o reactor de tres etapas, diversas caractensticas se pueden aplicar a cualquiera de los dos.
Aunque los tubos se describen en diversas implementaciones, se pueden utilizar otros conductos, segun sea apropiado. Aunque los recipientes se describen en diversas implementaciones, se pueden utilizar otros tipos de recipientes (p. ej., de diversas formas y disenos), segun sea apropiado.
Aunque se ha descrito anteriormente una implementacion espedfica del sistema, se pueden anadir, eliminar y/o modificar diversos componentes. Ademas, las diversas temperaturas y/o concentraciones se describen a titulo de ejemplo. Las temperaturas y/o concentraciones pueden variar, segun sea apropiado.
Tal como se utiliza en esta memoria, las formas singulares "un", "una" y "el", “la” incluyen referentes plurales, a menos que el contenido indique claramente lo contrario. Asf, por ejemplo, la referencia a "una corriente" incluye una combinacion de dos o mas corrientes y una referencia a "una alimentacion" incluye diferentes tipos de alimentaciones.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para producir una mezcla de gas combustible, que comprende:
    hacer reaccionar exotermicamente una primera parte de una corriente de alimentacion de hidrocarburos con al menos un gas oxidante que comprende oxfgeno molecular, para producir un producto de gas de smtesis generado 5 exotermicamente;
    reformar endotermicamente una segunda parte de la corriente de alimentacion de hidrocarburos con vapor de agua sobre un catalizador en un reformador de intercambio de calor, para producir un producto de gas de smtesis reformado endotermicamente, en donde al menos una parte del calor utilizado en la generacion del producto de gas de smtesis reformado endotermicamente se obtiene recuperando calor del producto de gas de smtesis generado 10 exotermicamente y el producto de gas de smtesis reformado endotermicamente;
    combinar el producto de gas de smtesis generado exotermicamente y el producto de gas de smtesis reformado endotermicamente para producir una corriente de gas de smtesis combinada;
    enfriar la corriente de gas de smtesis combinada para producir vapor de agua en una caldera de recuperacion de calor;
    15 reducir la presion de la corriente de gas de smtesis combinada enfriada en una turbina de expansion
    productora de energfa a la presion requerida para una corriente de alimentacion de gas combustible sustancialmente exenta de CO2 a una turbina de gas productora de energfa;
    hacer reaccionar catalttica la corriente de gas de smtesis combinada en uno o mas reactores de desplazamiento de monoxido de carbono cataltticos para generar una corriente desplazada combinada que incluye 20 H2 y CO2 adicionales;
    enfriar la corriente de gas de smtesis desplazada combinada hasta cerca de la temperatura ambiente en un intercambiador de calor de aleta y placa multi-corriente de multiples pasadas que calienta el agua requerida para la produccion de vapor de agua para el sistema de generacion de gas de smtesis y pre-calienta producto de gas combustible y evapora agua para la mezcladura con el producto de gas combustible;
    25 separar CO2 de la corriente de gas de smtesis desplazada combinada por encima de un umbral
    especificado para producir una corriente de combustible con un contenido mmimo de CO2;
    generar oxfgeno en una unidad de separacion de aire que es suministrada con aire producido de compresores de aire accionados por una primera turbina de gas;
    utilizar al menos parte del nitrogeno procedente de la unidad de separacion de aire a mezclar con el gas de 30 smtesis agotado en CO2 mas agua evaporada para proporcionar un gas combustible para una segunda turbina de
    gas productora de energfa, y
    utilizar al menos parte del calor en el escape de la primera turbina de gas para proporcionar al menos parte del calor requerido para pre-calentar alimentaciones de combustible mas oxfgeno mas vapor de agua al sistema de generacion de gas de smtesis.
    35 2. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el producto de gas de smtesis generado exotermicamente se genera
    utilizando un quemador de oxidacion parcial seguido de una seccion reformadora catalttica en un reformador de vapor de agua mas hidrocarburos calentado por conveccion.
  2. 3. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la corriente de alimentacion incluye metano.
  3. 4. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el CO2 separado de la corriente de gas de smtesis combinada incluye 40 al menos 80% de un carbono total presente en la alimentacion de hidrocarburos total al sistema de generacion de
    gas de smtesis y a la primera turbina de gas.
  4. 5. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el CO2 se separa utilizando al menos un uno de un proceso de lavado ffsico convencional o un proceso de lavado qmmico convencional.
  5. 6. El metodo de la reivindicacion 1, en el que el CO2 se separa en un sistema de reactor ciclico de conversion de 45 desplazamiento de CO y de adsorcion de CO2 combinado que opera por encima de 250°C.
  6. 7. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la relacion de vapor de agua a atomos de carbono combinados con H2 en la alimentacion de hidrocarburos es mayor que 5.
  7. 8. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la presion de la corriente de gas de smtesis combinada que abandona la caldera de vapor de agua es mayor que 60 bares.
    50 9. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la presion de salida del expandidor de gas de smtesis esta por debajo
    de 45 bares.
  8. 10. El metodo de la reivindicacion 1, en el que la energfa generada por la primera turbina de gas proporciona toda la ene^a requerida para la corriente mixta de gas combustible agotada en CO2 total suministrada a la segunda turbina de gas para la produccion de ene^a.
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