ES2608344A2

ES2608344A2 - Planta térmica con regasificación de GNL y captura de CO2

Info

Publication number: ES2608344A2
Application number: ES201500152A
Authority: ES
Inventors: Manuel ROMERO GÓMEZ; Ramón FERREIRO GARCÍA; José CARBIA CARRIL; Javier ROMERO GÓMEZ; Álvaro BAALIÑA INSUA
Original assignee: Universidade da Coruna
Current assignee: Universidade da Coruna
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2017-04-07
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: ES2608344B1; ES2608344R1

Abstract

La presente invención denominada "Planta térmica con regasificación de GNL y captura de CO2", permite el aprovechamiento de la energía de refrigeración que se genera en la regasificación del GNL, al mismo tiempo, que captura el CO2 procedente de los gases de combustión y está compuesta por: - Un sistema de regasificación del GNL mediante un ciclo Brayton cerrado y expansión directa del GN en una turbina. - Un ciclo Brayton cerrado que opera a altas temperaturas y tiene como sumidero de calor el proceso de regasificación del GNL. - Un sistema de oxicombustión que integra un ciclo Rankine que opera con CO2 en condiciones de condensación próximas a la crítica, y permite la captura de CO2 que se genera en la oxicombustión, obteniendo de este modo, una planta térmica de alta eficiencia y nulas emisiones contaminantes.

Description

PLANTA TÉRMICA CON REGASIFICACIÓN DE GNL Y CAPTURA DE CO2

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCiÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de la conversión de energía térmica procedente de combustibles fósiles en energía eléctrica, mediante plantas térmicas
con captura de CO2, procedente de los gases de combustión, asociadas a la regasificación de gas natural licuado (GNL).

OBJETIVO DE LA INVENCiÓN

El objetivo de la presente invención denominada quot;Planta térmica con regasificación de GNL y captura de CO2'', es la conversión de energía térmica a eléctrica mediante una planta que permita el aprovechamiento de la energía de refrigeración que se genera en el proceso de regasificación del GNL, y con captura de CO2 procedente de los gases de combustión, obteniendo de este modo, una planta térmica de alta eficiencia y nulas emisiones contaminantes de CO2•

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

El GNL se almacena en las plantas de regasificación en tanques criogénicos, a una temperatura aproximadamente de -160 oC a una presión ligeramente superior a la atmosférica. Sin embargo, el GNL debe ser regasificado antes de su distribución hacia los usuarios finales del gas. En este proceso de regasificación del GNL se libera una cantidad importante de energía de refrigeración, que con los sistemas convencionales se transmite al agua de mar o a otro fluido que trabaja como fuente de calor sin un aprovechamiento energético. Por ello, surge la necesidad de adoptar un método eficiente que permita recuperar esta energía de refrigeración del GNL como en un sumidero frío de una planta térmica para generar energía eléctrica. Existen varias patentes que asocian la generación de energra eléctrica con aprovechamiento de la energía de refrigeración del GNL. En los documentos WO 2006111957 A2, US 943292 y US 4444015 A, se presentan patentes ~on distintas configuraciones de ciclos Rankine, donde el GNL se utiliza para condensar el fluido de trabajo del ciclo a una temperatura inferior a la atmosférica. En la patente número US 20060174627 A1 informan de un ciclo Brayton abierto, donde se emplea el aire de admisión del compresor de la turbina de gas para conseguir la vaporización del GNL, al mismo tiempo que se baja la temperatura del aire, reduciendo así el trabajo de compresión. En el documento de la patente US 7398642 B2 se muestra un sistema de regasificación que se basa en la refrigeración intermedia de dos compresores de un ciclo de gas.f Otra opción para los ciclos Brayton se plasma en la patente US 790333, aquí el GNL ¡a distintos niveles de presión se utiliza para enfriar el fluido de trabajo a la entrada del Gompresor. También es habitual asociar la regasificación del GNL con la generación de energía eléctrica en ciclos combinados a base de turbinas de gas y ciclos Rankine de vapor de agua. Esta elección se refleja en las patentes WO 2002097252 A 1, US 20090282836 A1, WO 19~5016105 A1, WO 2004109180 A1 Y US 6367258, donde se muestran diferentes estructuras que integran la regasificación y los ciclos combinados. Estas estructuras se basan en emplear la energía de refrigeración del GNL para enfriar el aire de admisión de la turbina de gas y poder realizar la condensación del ciclo de

I

vapor a unaltemperatura inferior a la atmosférica. En la patente WO 1991005145 A1 también se ~resenta un ciclo combinado, con la diferencia de que el fluido de trabajo del ciclo Ra~kine es el CO2 y se condensa a-56.7 oC, gracias al aporte de energía del GNL.

¡

En el estadol actual de la tecnología relacionada con la generación de energía eléctrica con combus~ibles fósiles asociada a la regasificación del GNL, no es conocida ninguna alternativa tfcnOIÓgiCa semejante a la de las características de este invento, que permite recuperar la energía refrigeración del GNL y la captura de CO2, procedente de los gases del combustión.

BREVE DE,CRIPCIÓN DE LA INVENCiÓN

La present~ invención se refiere a una planta térmica alimentada por GN, que aprovecha la energía de refrigeración del GNL y permite la captura de CO2 procedente de los gases de combustión, y consiste en la combinación de los siguientes sistemas: -Un sistema de regasificación del GNL mediante un ciclo Brayton cerrado (CBC) y expansión directa del GN en una turbina, acoplada a un generador eléctrico. -Un CBC que opera a altas temperaturas y tiene como sumidero de calor el proceso de regasificación del GNL.

-Un sistema de oxicombustión que integra un ciclo Rankine (CR) que opera con CO2 en condiciones de condensación cuasi-crítica (próxima a las condiciones del punto crítico), y permite la captura de CO2 que se genera en la oxicombustión. Ambos sistemas se hallan estructurados de manera que los gases de la oxicombustión ceden primero calor al CBC, luego al CO2 del CR al mismo tiempo que se consigue la condensación del vapor de agua de los gases, y a continuación calientan al GN antes de la entrada al expander y finalmente se envían al condensador del CR, donde se extraen los gases incondensables y se captura el CO2 en estado líquido, a una temperatura próxima a la del medio de refrigeración del condensador que puede ser agua o aire.

DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

En esta sección se describen a modo ilustrativo y no limitativo, los componentes que constituyen la planta para facilitar la compresión de la invención en donde se hace referencia a las siguientes figuras:

Figura 1. Montaje esquemático de la planta térmica con aprovechamiento de la energía de refrigeración del GNL y captura de CO2 procedente de los gases de combustión. Figura 2. Sistema de regasificación del GNL. Figura 3. Ciclo Brayton cerrado Figura 4. Sistema de oxicombustión con ciclo Rankin de CO2 integrado.

Los componentes referenciados en las figuras 1, 2, 3 Y 4 se identifican como sigue: -Línea de suministro de GNL (1). -Bomba de suministro de GNL de alta presión (2). -Intercambiador de calor entre el fluido de trabajo de CBC y el GNL (3). -Intercambiador de calor entre los gases de la oxicombustión y el GN (4). -Turbina de expansión directa del GN (5). -Generador eléctrico de la turbina de expansión directa del GN (6). -Línea de distribución de GN a usuarios (7). -Línea de suministro de GN como combustible a la planta térmica (8). -Compresor del CBC (9). -Turbina de alta presión del CBC (10).

-Turbina de baja presión del CBC (11). -Regenerador de calor del CBC (12). -Generador eléctrico del CBC (13). -Unidad de separación de aire (14). -Compresor del oxígeno de la oxicombustión (15). -Intercambiador de calor entre el agua condensada de los gases y el oxígeno de la oxicombustión (16). -Cámara de combustión (17). -Flujo de gases de combustión generados por la oxicombustión (18). -Intercambiador de calor entre los gases de la oxicombustión y el fluido de trabajo del CBC (19). -Intercambiador de calor entre los gases de la oxicombustión y el fluido de trabajo del CBC (20). -Intercambiador de calor entre los gases de la oxicombustión y el CO2 del CR (21). -Condensador del CR (22). -Línea de extracción de incondensables (23). -Línea de extracción para la captura de CO2 en estado líquido (24). -Bomba del CR (25). -Turbina del CR (26) -Generador eléctrico del CR (27). -Intercambiador de calor entre el agua condensada de los gases y el GN para la oxicombustión (28). -Línea de extracción del agua condensada de los gases de la oxicombustión (29).

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

En esta invención se presenta una planta térmica que se caracteriza por su novedosa estructura para aprovechar la energía de refrigeración del GNL mediante un CBC combinado con la expansión del GN en una turbina de expansión directa y además, permite la captura de CO2 a través de un sistema de oxicombustión y un CR de CO2 que opera en condiciones de condensación cuasi-crítica. A continuación, se procede a describir los diferentes sistemas de la planta térmica objeto de la invención: -Sistema de regasificación del GNL (figura 2): es donde se realiza la regasificación del GNL, al mismo tiempo que se aprovecha su energía de refrigeración para enfriar el fluido de trabajo a la entrada del compresor del CSC. El GNL procedente de la línea de suministro (1) se comprime con la bomba (2) a una presión superior a la de distribución del GN hacia el gaseoducto de distribución. La regasificación del GNL se realiza en el intercambiador de calor (3) mediante el calor aportado por el fluido de trabajo del CSC. A continuación, el GN se sobrecalienta en el intercambiador de calor

(4) mediante los gases de la oxicombustión antes de la entrada a la turbina de expansión directa (5), que está acoplada al generador eléctrico (6). A la salida de la turbina (5) el GN se encuentra a la presión de distribución del gas hacia la línea de distribución del GN a los usuarios (7). Si la temperatura a la salida de la turbina (5) es inferior a establecida por las condiciones de distribución, se puede instalar un intercambiador de calor con agua o aire.

-: Ciclo Srayton cerrado (figura 3): el CSC es un ciclo regenerativo con dos etapas de expansión y recalentamiento intermedio, utiliza el proceso de regasificación del GNL como sumidero de calor y puede utilizar como fluido de trabajo helio, nitrógeno, argón

o aire seco. El fluido de trabajo se enfría en el intercambiador de calor (3), con la energía de refrigeración del GNL, hasta temperaturas criogénicas pudiendo alcanzar valores de -150 oC. El fluido de trabajo se comprime en el compresor (9), recupera el calor en el regenerador (12), se sobrecalienta con la energía suministrada por los gases de la oxicombustión en el intercambiador de calor (19), se expande en la turbina de alta (10), se recalienta en el intercambiador (20), vuelve a expandirse en la turbina de baja (11) y finalmente se recupera su energía térmica en el regenerador (12).

-: Sistema de oxicombustión con ciclo Rankin de CO2 integrado (figura 4): La tecnología de la oxicombustión permite reducir prácticamente a cero las emisiones de CO2 y de NOx por lo que se considera, como una opción importante para hacer frente a las restricciones ambientales, en particular, a las emisiones de gases de efecto invernadero. El proceso de oxicombustión utiliza O2 en vez de aire para la reacción con el combustible, que en este caso preferiblemente será GN y tiene lugar, en condiciones de exceso de O2 ligeramente superior a la estequiométrica. En los productos de este tipo de combustión se obtiene vapor de agua y elevadas concentraciones de CO2, lo que permite una separación más fácil del CO2 y la casi nula formación de NOx.

Para reducir la temperatura de la oxicombustión se emplea el CO2. El CR es medio de recirculación de CO2 que permite bajar la temperatura de la combustión, al mismo tiempo que transforma la energía térmica de los gases de combustión en energía eléctrica por medio de una turbina acoplada a un generador eléctrico, y captura el CO2 en estado líquido, logrando de este modo, una planta térmica sin emisiones contaminantes y con aprovechamiento de la energía de refrigeración del GNL. El proceso comienza con la obtención del O2 en la unidad de separación de aire (14). A continuación se comprime en el compresor (15) hasta la presión de la combustión y luego, aumenta su temperatura en el intercambiador de calor (16) con el agua condensada extraída de los gases de combustión. Los otros dos elementos a la entrada de la cámara de combustión (17) son el GN, que se toma de la línea de suministro (8) y también es calentado por el agua condensada en el intercambiador de calor (28), y el CO2 procedente de la evacuación de la turbina del CR (26). El CO2 en las condiciones a la salida de la turbina (26) aún tiene una temperatura elevada, por lo que permite una reducción en el consumo de GN. La combustión se realiza a una presión superior a la presión de condensación del CO2 a temperatura del agua de refrigeración del condensador. El flujo de gases obtenido de la oxicombustión (18) cede calor al CBC por medio de los intercambiadores de calor (19) y (20). A continuación los gases transfieren parte de su energía térmica al CO2 procedente de la bomba del condensador en el intercambiador (21), al mismo tiempo que el vapor de agua de los gases se condensa. El agua condensada se envía por la línea de extracción del agua condensada (29) a los intercambiadores de calor del O2 (16) Y del GN (28). A la salida del intercambiador de calor (21), el agua se obtiene como líquido saturado a la temperatura correspondiente a la presión parcial del vapor de agua en la mezcla de los gases. Después de pasar por el intercambiador de calor (21); la composición de los gases es prácticamente CO2 y pequeñas proporciones de gases incondensables, como puede ser O2 y N2 entre otros componentes. A continuación, en el intercambiador de calor (4), los gases calientan el GN antes de ser introducido en la turbina (5). Luego se envían al

condensador (22) donde se extraen los gases incondensables por la línea de extracción (23) y el CO2 pasa a estado líquido. La condensación se realiza en

condiciones próximas al punto crítico y con agua u otro medio de refrigeración a temperatura ambiente.

El siguiente paso es la captura de CO2 por la línea de extracción de CO2 (24), para su

posterior transporte y almacenamiento, y el resto se recircula con la bomba (25). La cantidad de CO2 que se captura se corresponde con el CO2 generado por el GN en la oxicombustión y el que se recircula, a través del CR, es el necesario para enfriar la oxicombustión hasta temperatura deseada. El CO2 que circula por el CR se bombea a una presión superior a la crítica con la bomba (25), aumenta su temperatura en el intercambiador de calor (21) Y finalmente se expande hasta la presión de la combustión en la turbina (26), acoplada a generador eléctrico (27), finalizando el ciclo.

DESCRIPCiÓN DE REALIZACiÓN ES PREFERENTES DE LA INVENCiÓN

En coherencia con la descripción del invento, se resalta una realización preferente de la invención mostrada la figura 1 y constituida por los siguientes sistemas: -Un sistema de regasificación del GNL mediante un ciclo Brayton cerrado y expansión directa del GN en una turbina, acoplada a un generador eléctrico (figura 2). -Un CBC que opera a altas temperaturas y tiene como sumidero de calor el proceso de regasificación del GNL (figura 3). -Un sistema de oxicombustión que integra un ciclo Rankine (CR) que opera con CO2 en condiciones de condensación cuasicríticas, y permite la captura de CO2 que se genera en la oxicombustión del GN (figura 4). Ambos sistemas se hallan estructurados de manera que los gases de la oxicombustión ceden primero calor al CBC, luego al CO2 del CR al mismo tiempo que se consigue la condensación del vapor de agua de los gases, y a continuación calientan al GN antes de la entrada al expander y finalmente se envían al condensador del CR, donde se extraen los gases incondensables y se captura el CO2 en estado líquido, a una temperatura próxima a la del medio de refrigeración del condensador que puede ser agua o aire.

Claims

REIVINDICACIONES

18• Una planta térmica con regasificación de GNL y captura de CO2 procedente de los gases de combustión, que comprende:

(a)

Sistema de regasificación de GNL compuesto por: -Una línea de suministro de GNL (1). -Una bomba (2) para el GNL. -Un intercambiador de calor (3) que permita la regasificación del GNL con el fluido de trabajo de un ciclo Brayton cerrado. -Un intercambiado de calor (4) para aumentar la temperatura del GN. -Una turbina de expansión directa (5) acoplada a un generador eléctrico (6). -Una línea de suministro de GN a usuarios (7).

(b)

Ciclo Brayton cerrado compuesto por: -Un intercambiador de calor (3) para el enfriar el fluido de trabajo con la energía de refrigeración del GNL. -Un compresor (9). -Una turbina de alta presión (10). -Una turbina de baja presión (11). -Un generador eléctrico (13). -Un regenerador (12). -Un intercambiador de calor (19) antes de la turbina de alta presión. -Un intercambiador de calor (20) antes de la turbina de baja presión.

(c)

Sistema de oxicombustión con ciclo Rankin de CO2 integrado compuesto por: -Una unidad de separación de aire (14). -Un compresor (15) para el oxígeno de la oxicombustión. -Un intercambiador de calor (16) para el oxígeno de la oxicombustión. -Una cámara de combustión (17). -Un intercambiador de calor (19) entre los gases de la oxicombustión y el fluido de trabajo del ciclo Brayton. -Un intercambiador de calor (20) entre los gases de la oxicombustión y el fluido de trabajo del ciclo Brayton. -Un intercambiador de calor (21) entre los gases de la oxicombustión y el CO2 del ciclo Rankine. -Un condensador (22) para el ciclo Rankine. -Una línea de extracción de incondensables (23) en el condensador (22).

-Una línea de extracción que permita la captura de CO2 en estado líquido (24). -Una bomba (25) para el ciclo Rankine. -Una turbina de CO2 (26). -Un generador eléctrico (27). -Un intercambiador de calor (28) entre el agua condensada de los gases y el GN para la oxicombustión. -Una línea de extracción de agua condensada (29) procedentes de los gases de la oxicombustión.
28. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 18, en la que la presión de regasificación del GNL es superior a su presión crítica y a la presión de distribución del GN hacia los gaseoductos de suministro hacia los usuarios del gas.

3a. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 18, en la que el fluido de trabajo del ciclo Brayton puede ser helio, nitrógeno, argón o aire seco.
48. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 38, en la que el fluido de trabajo del ciclo Brayton puede alcanzar temperaturas inferiores a los -100 oC, a la entrada del compresor y temperaturas elevadas superiores a los 600 oC, a la entrada de la turbina de alta y baja.
58. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 48, en la que el aporte de calor al ciclo Brayton se realiza con la energía de los gases de una oxicombustión.
68. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 58, en la que la oxicombustión se realiza a una presión superior a la presión de condensación del CO2 a temperatura del medio de refrigeración del condensador que puede ser agua o aire.

78• La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 68, en la que la temperatura de la oxicombustión se reduce con CO2 procedente de la turbina del ciclo Rankine.

8a. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 78, en la que la condensación de CO2 se realiza en condiciones próximas a la crítica.
98. La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 88, en la que la turbina de alta y la turbina de baja del ciclo Brayton cerrado están acopladas a un generador eléctrico.

108• La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 98, en la que la turbina de expansión directa del GN está acoplada a un generador eléctrico.

11 8• La planta térmica de acuerdo con la reivindicación 98, en la que la turbina del ciclo Rankine está acoplada a un generador eléctrico.
128. Un procedimiento de la planta térmica de acuerdo a la reivindicación 18, en la el GNL se bombea a una presión superior a la crítica y a la presión de distribución del GN, se regasifica con el aporte de calor del fluido de trabajo del ciclo Brayton cerrado, se sobrecalienta con los gases de la oxicombustión y finalmente se expande en una turbina hasta la presión de distribución del GN.
138. El procedimiento de la reivindicación 128, en el que el fluido de trabajo del ciclo Brayton es enfriado a la entrada del compresor por el proceso de regasificación del GNL, realiza un ciclo regenerativo con dos etapas de expansión y recalentamiento intermedio y absorbe calor de los gases de la oxicombustión.
148. El procedimiento de la reivindicación 138, en el que para reducir la temperatura de la oxicombustión se emplea CO2. El ciclo Rankine es medio de recirculación de CO2 que permite bajar la temperatura de la combustión, al mismo tiempo que transforma la energía térmica de los gases de combustión en energfa eléctrica por medio de una turbina acoplada a un generador eléctrico.

158• El procedimiento de la reivindicación 148, en el que los gases de la oxicombustión ceden primero calor al fluido de trabajo del ciclo Brayton, luego al CO2 del ciclo Rankine al mismo tiempo que se consigue la condensación del vapor de agua de los gases, y a continuación calientan al GN antes de la entrada al expander y finalmente se envían al condensador del ciclo, donde se extraen los gases incondensables y se captura el CO2 en estado líquido, a una temperatura próxima a la del medio de refrigeración del condensador que puede ser agua o aire.

168• El procedimiento de la reivindicación 158, en el que el agua condensada de los

gases de la oxicombustión se utiliza para calentar el GN y el O2 que se necesita para

la realizar la oxicombustión.

r1

(8) (29)

(16) (15)

~ (14)

(1)

(3)

(2)

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FIGURA 1

FIGURA 2

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Y

(3)

FIGURA 3

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(23)

(25) (24)

FIGURA 4