ES3013252T3 - Hydrogen-fuelled gas turbine power system and method for its operation - Google Patents

Abstract

Sistema de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno que comprende un compresor (22), una cámara de combustión (24) y una turbina (26), así como un dispositivo de suministro de combustible (10). El dispositivo de suministro de combustible (10) consiste en un sistema de reactor de producción de gas hidrógeno con al menos un reactor (12) basado en el reformado de metano con vapor mejorado por sorción (SE-SMR) y/o el desplazamiento de gas de agua mejorado por sorción (SE-WGS) de gas de síntesis. El reactor (12) está conectado en un circuito cerrado a un regenerador (14) para la circulación y regeneración de un absorbedor de CO<Sub>2</Sub> entre el reactor (12) y el regenerador (14). Además, existe un circuito cerrado de intercambio de calor (21) entre el regenerador (14) del sistema de reactor de producción de gas hidrógeno (10) y el extremo aguas abajo de la cámara de combustión (24) o el extremo aguas arriba de la turbina (26). También se contempla un método para su uso. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema eléctrico de turbina de gas alimentado con hidrógeno y método para su funcionamiento

La presente invención se refiere a un sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se indica en el preámbulo de la reivindicación 1. De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un método para generar energía en una planta eléctrica de turbina de gas alimentada con hidrógeno como se indica en el preámbulo de la reivindicación 10.

Antecedentes

La captura y almacenamiento de carbono (CCS) constituye una gama de tecnologías que se están desarrollando para ayudar a mitigar las consecuencias negativas del cambio climático provocado por el hombre mediante el aislamiento del CO2 producido durante la combustión de combustibles (por ejemplo, gas, hidrocarburos líquidos, carbón y biomasa) y de las industrias que emiten CO2 (hierro y acero, aluminio, silicio, ferrosilicio, cemento, etc.). La captura de CO2 se puede obtener mediante tres métodos principales: postcombustión, precombustión y combustión en oxígeno casi puro. El flujo de CO2 separado puede ser utilizada y/o contenido en formaciones geológicas. En una situación de precombustión, el hidrógeno o los gases ricos en hidrógeno han conducido históricamente a temperaturas de combustión que son demasiado altas para las turbinas de gas convencionales.

Sin embargo, el desarrollo reciente de la tecnología (premezcla de combustible y aire, desarrollo de quemadores para combustibles ricos en hidrógeno, desarrollo de sistemas de materiales de mayor temperatura (aleación base/superaleaciones, capa de unión y recubrimientos de barrera térmica)) ha hecho viable la captura de CO2 de precombustión para el uso en turbinas de gas alimentadas con hidrógeno.

El combustible de hidrógeno se puede hacer de manera eficiente (en un paso del proceso) a partir de gas de síntesis limpio y desulfurado (de cualquier origen) o gas natural y agua mediante procesos conocidos como cambio de gas de agua mejorado por sorción (SE-WGS) y/o reformado de metano con vapor mejorado por sorción (SE-SMR), también llamado reformado mejorado por sorción (SER), caracterizado por utilizar CaO como absorbedor de CO2 (ref. WO 2011/078681 A1 y el Departamento de Energía de US), también llamado bucle de Ca (Dean et al.: 2011), cuando se utiliza en casos de postcombustión (EP I 495794 A1).

Se producen las siguientes reacciones (dependiendo del combustible utilizado):

a) Hidrógeno producido a partir de gas de síntesis (gas con cantidades variables de hidrógeno y CO), desplazamiento de gas de agua mejorado por sorción (SE-WGS), ejemplificado por la siguiente reacción: CaO CO H2 H2O = CaCOa 2H2

b) Hidrógeno producido a partir de gas natural (principalmente CH4), reformado con vapor mejorado por sorción (SE-SMR): CaO CH4+ 2H2O = CaCOa 4H2

c) Hidrógeno producido a partir de una mezcla de gas de síntesis y gas natural (o gas rico en metano) se produciría de acuerdo con la siguiente "ecuación" (no balanceada): CaO CO H2 CH4 H2O = CaCOa H2

La temperatura para todas las reacciones está entre 500 y 650 °C. Estas reacciones son ligeramente exotérmicas y pueden tener que ser enfriadas mediante la adición de agua o intercambio de calor. La reacción c) representa la suma de las reacciones a) y b) Todas las reacciones conducirían a los mismos productos (calcita e hidrógeno), independientemente de las proporciones del gas de síntesis y gas natural en la mezcla de combustible introducida en la unidad de producción de hidrógeno, si la cantidad del absorbedor CaO-CO2 es lo suficientemente alta para acomodar todo el carbono en la reacción.

En la unidad de producción de hidrógeno se incluye un CO2 regenerador absorbedor (calcinador), donde el carbonato de calcio sólido (CaCOa) del proceso de producción de hidrógeno se regenera de acuerdo con la siguiente reacción: CaCOa = CaO CO2. Si no se utiliza ningún combustible de hidrocarburo (o combustible que contenga CO) para realizar este proceso altamente endotérmico (se necesitan aproximadamente de 850 a 950 °C), la cantidad total de CO2 se captura “100 % puro” y puede utilizarse y/o almacenarse.

Es muy importante realizar este proceso de regeneración endotérmica de forma sostenible en términos de coste y eficiencia energética. Esto se puede lograr proporcionando calor, o calor residual, que se puede transferir de dos maneras diferentes, es decir, directa o indirectamente. La transferencia de calor directa implica una oxicombustión del combustible; por lo tanto, se requiere el uso de una unidad de separación de aire (ASU). El intercambio de calor indirecto requiere la integración de un intercambiador de calor de alta temperatura en el regenerador. El calor podría tomarse de una pila de combustible de alta temperatura (SOFC) (como en el documento WO 2011/078681 A1).

Otra opción sería utilizar un dispositivo generador de energía eléctrica de alta temperatura para calcinar el carbonato de calcio, como se ha sugerido muy brevemente en el documento WO01/42132 a 1. Sin embargo, esta publicación no dice nada con respecto a cómo se debe realizar dicha calcinación.

Otras publicaciones en esta área técnica que vale la pena mencionar son US 2008/155984 A1,

US 2007/0130957 A1, US 2008/0141643 A1, US 2008/0161428 A1, US 5490377 A,

US 2018/214815 A1, WO 2020/165440 A1, y US 2005/201929 A1.

Si bien las turbinas de gas natural convencionales pueden dar temperaturas demasiado bajas para un rendimiento eficiente de la reacción de regeneración del absorbedor CaO-CO2, la, alta temperatura desafiante en el extremo del combustor y la entrada de la turbina de una turbina de gas alimentada con hidrógeno, por otro lado, podría beneficiarse del enfriamiento causado por un bucle de intercambio de calor eficiente.

Objetivo

El objetivo de la presente invención es proporcionar una planta de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno que sea rentable y energéticamente eficiente, capaz de operar en condiciones sostenibles. Es un objeto derivado para aliviar el problema de la temperatura excesiva en el extremo del combustor y/o la entrada de la turbina de gas alimentada con hidrógeno.

Es además un objeto derivado proporcionar un método para el funcionamiento de dicha planta de energía. Es un objetivo inherente proporcionar una planta de energía en la que se capture CO2 de una manera altamente efectiva.

La presente invención

Los objetos mencionados anteriormente se logran mediante la presente invención que, de acuerdo con un primer aspecto, consiste en una planta de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno como se define en la reivindicación 1.

De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un método tal como se define en la reivindicación 10. Las realizaciones preferidas se divulgan mediante reivindicaciones dependientes.

La sostenibilidad es una palabra clave y un denominador común para el proceso global ilustrado por el hecho de que la presente invención permite la captura integrada de CO2. El bucle de transferencia de calor, entre -por un lado - el extremo del combustor y/o la entrada de la turbina de la turbina de gas alimentada con hidrógeno y - por el otro lado - el regenerador (calcinador), comprende un compartimento hueco en forma de anillo en el extremo corriente abajo del combustor o en la entrada de la turbina. El medio de transferencia de calor puede ser diferentes gases, tal como, por ejemplo; hidrógeno, vapor de agua, CO2, aire, helio, diferentes mezclas de gases o fluidos tales como aceites minerales, hidrocarburos y diferentes tipos de sales fundidas.

Por lo tanto, de acuerdo con la presente invención, la alta temperatura requerida para la regeneración del absorbedor de CaO se garantiza mediante un bucle de intercambio de calor diseñado específicamente entre el extremo corriente abajo (caliente) del combustor o el extremo corriente arriba de la turbina de una turbina de gas alimentada con hidrógeno, donde la temperatura puede alcanzar de 1800 a 1900 °C, y el regenerador del absorbedor de CaO.

Vale la pena mencionar que las turbinas de gas, incluidas las turbinas de gas alimentadas con hidrógeno, abarcan una serie de configuraciones y diseños generales diferentes, y que la presente invención es adaptable a todas estas configuraciones y diseños. Por ejemplo, con respecto a la(s) cámara(s) de combustión de las turbinas de gas, en algunas realizaciones la(s) misma(s) puede(n) tener la forma de una cámara anular entre el compresor y la turbina y tener un eje común con el eje del compresor y la turbina. En otras realizaciones, la cámara de combustión puede estar dividida en dos o más cámaras de combustión independientes, cada una de las cuales se coloca fuera del eje del compresor y la turbina. De este modo, dos, tres o cuatro cámaras de combustión independientes se pueden disponer en paralelo alrededor del eje que conecta el compresor con la turbina.

Más detalles de la presente invención

A continuación se ilustran diferentes realizaciones de la invención con referencia a los dibujos adjuntos, donde; La Figura 1 es una vista esquemática de la primera realización de la presente invención.

La Figura 2a es una vista esquemática de la segunda realización de la presente invención.

La Figura 2b es una vista esquemática de una variante de la segunda realización de la presente invención.

La Figura 3 es una vista esquemática de la tercera realización de la presente invención.

La Figura 4 es una vista esquemática de la cuarta realización de la presente invención.

La Figura 5 es una vista esquemática de la quinta realización de la presente invención.

Las Figuras 6a y 6b son vistas en sección transversal de dos variantes de un detalle de la presente invención.

La Figura 7 es una vista esquemática de una sexta realización de la presente invención.

Ahora, refiriéndonos a la Figura 1, el sistema de energía generalmente está compuesto por una turbina 20 de gas alimentada con hidrógeno y un dispositivo 10 de suministro de combustible. El dispositivo 10 de suministro de combustible consiste principalmente de i) un reactor o reformador 12 dispuesto para recibir agua 3 y un combustible base que en la realización de la Figura 1 es metano o un gas 1 rico en metano y ii) un regenerador 14. La turbina 20 de gas alimentada con hidrógeno está compuesta por las partes principales i) un compresor 22, ii) un combustor 24 (con un compartimento cilíndrico para intercambio de calor en el extremo) dispuesto para recibir un flujo de hidrógeno 17 del reactor 12 y aire 23 comprimido del compresor 22, y iii) una turbina 26 dispuesta para recibir gases 25 de combustión a alta temperatura del combustor 24 y generar de ese modo electricidad 29. Además de la generación de energía eléctrica, la turbina también puede propulsar equipos mecánicos para diversos propósitos.

Además de la Figura 1, el reformador 10 de combustible se basa en el método SE-SMR (o SER) de producción de hidrógeno, dispuesto en una situación de precombustión de CO2. Un regenerador 14 absorbedor de CO2 que contiene CaO - y un sistema 21 de transferencia de calor indirecto entre el extremo de alta temperatura (corriente abajo) del combustor 24 de la turbina de gas alimentado con hidrógeno y el regenerador 14 absorbedor de CO2 - proporciona el calor requerido para la liberación de CO2 lo que permite que un flujo 19 de CO2 sustancialmente puro se descargue del regenerador 14.

El calor transferido por el sistema 21 de transferencia de calor indirecto es recogido por un miembro 28 en forma de anillo en el extremo corriente abajo del combustor 24 y liberado en un intercambiador de calor en el regenerador 14, y forma un bucle (21) de intercambio de calor cerrado entre el regenerador (14) del sistema (10) reactor de producción de gas hidrógeno y al menos uno del extremo corriente abajo del combustor (24) de la turbina (20) de gas alimentada con hidrógeno y el extremo corriente arriba de la turbina (26) de dicha turbina de gas alimentada con hidrógeno.

Un flujo 1 de combustible CH4 se carga a un reactor 12 que forma parte del sistema de suministro de combustible de hidrógeno que está dispuesto para reformar el combustible y ocuparse del CO2 liberado en el proceso de reformado, SE-SMR (o SER) por medio de un absorbedor que contiene CaO. En la realización de la Figura 1, el combustible es metano o un gas rico en metano, tal como gas natural. Un gas 17 hidrógeno sustancialmente puro sale de la unidad reformadora. En el reactor 12 el proceso de reformado implica una reacción entre el combustible (CH4), agua (vapor) y CaO en la que este último se convierte en CaCO3 en una reacción exotérmica. El CaCOa hecho a partir del CO2 en el proceso de reformado, se regenera posteriormente en CaO en un proceso endotérmico que se describirá más adelante. El agua 3 en forma vaporizada también se carga en el reactor 12.

El gas 17 hidrógeno sustancialmente puro sale del reformador para ser cargado en el combustor 24 (o área del combustor) de la turbina de gas alimentada con hidrógeno. El aire 23 comprimido del compresor 22 de la turbina 20 de gas alimentada con hidrógeno también se carga en el combustor 24. El gas 17 hidrógeno y el aire 23 comprimido pueden ser premezclados (no se muestra) antes de ser cargados en el combustor 24. La mezcla se quema a altas temperaturas, normalmente entre 1800 y 1900 °C.

La corriente 25 de gas de alta temperatura y alta presión que ingresa a la turbina 26 se expande a través de la turbina para producir electricidad.

Como se indicó anteriormente, el CaCO3 13 generado en la unidad reformadora necesita ser regenerado a CaO 15 para su reutilización como agente de captura de CO2en el reactor 12. Esto tiene lugar en el regenerador 14 que forma una segunda parte del dispositivo 10 de suministro de combustible de hidrógeno.

La regeneración de CaCO3 necesita una temperatura de aproximadamente 850 a 950 °C para funcionar eficientemente. Este es un proceso endotérmico que consume energía. A presión normal, el proceso se ejecuta a temperaturas de aproximadamente 870 °C y superiores. Por lo tanto, esta es una realización preferida. La energía necesaria, o calor, para este proceso, es de acuerdo con la presente invención proporcionada por el combustor 24 de la turbina de gas alimentada con hidrógeno. Un bucle de calor cerrado, que utiliza por ejemplo hidrógeno como medio de transferencia de calor, que circula entre el extremo de alta temperatura del combustor 24 y el regenerador 14 que demanda energía del sistema del dispositivo de suministro de combustible tiene dos funciones;

1) Suministrar suficiente calor a aproximadamente 900 °C para la regeneración del absorbedor de CO2-, que contiene CaO y

2) Ayudar a enfriar las partes relevantes de la turbina a un nivel aceptable para el uso estable a largo plazo de la turbina de gas alimentada con hidrógeno, mediante la reducción de la necesidad de aire de dilución en la turbina.

El medio de intercambio de calor de bucle cerrado puede ser cualquier medio capaz de manejar temperaturas experimentadas en el combustor 24 y preferiblemente debería ser capaz de manejar temperaturas de aproximadamente 1800 a 1900 °C.

La cantidad total de CO2 de este de proceso de captura de CO2 de precombustión es liberado del regenerador, capturado, almacenado y/o utilizado.

El gas 27 de escape de alta calidad (N2, H2O y O2) que sale de la turbina 26 a temperaturas de más de 500 °C, se puede utilizar opcionalmente para diversos fines. El calor 11 de la reacción exotérmica SE-SMR también tendría un uso opcional. El calor 11 puede utilizarse, por ejemplo, en una planta de gasificación para convertir material carbonoso sólido en gases más fácilmente explotables, tales como gas de síntesis o gas natural, o puede utilizarse para precalentar el aire del compresor 22.

La atención se dirige Ahora a la Figura 2, que muestra una planta de producción de energía, donde una turbina de gas alimentada con hidrógeno se combina con un reformador de combustible basado en gas de síntesis, es decir, un método SE-WGS de producción de hidrógeno, dispuesto en una situación de precombustión de CO2. Un regenerador 14 absorbedor de CO2 que contiene CaO - y un sistema 21 de intercambio de calor indirecto entre el combustor 24 de turbina de gas alimentado con hidrógeno y el regenerador 14 absorbedor de CO2 -proporciona calor para la regeneración absorbedora y libera CO219 para la captura, almacenamiento y/o uso de CO2.

La mayoría de los componentes de la Figura 2a son los mismos que los de la Figura 1. Una diferencia entre la Figura 1 y la Figura 2 es principalmente que el combustible 1' suministrado al dispositivo de suministro de combustible de gas hidrógeno es gas de síntesis. Además, el miembro 28' en forma de anillo del sistema 21 de transferencia de calor es algo más ancho que el miembro 28 en forma de anillo mostrado en la Figura 1, proporcionando un área de superficie de contacto más amplia con el gas 25 de combustión caliente que sale del combustor 24, permitiendo así una mayor tasa de transferencia de calor.

La Figura 2b muestra esencialmente lo mismo que la Figura 2a, con la diferencia de que el miembro 28" en forma de anillo del sistema de transferencia de calor cubre - o constituye - en parte un área corriente abajo del combustor 24, en parte un extremo corriente arriba de la turbina 26, aumentando así aún más su área de superficie de contacto con el gas 25 de combustión caliente.

Se debe entender que, si bien se muestra para la realización en la que el gas de síntesis es el combustible, las diferentes realizaciones del miembro 28, 28' y 28" en forma de anillo funcionan igualmente bien con gas natural como combustible o una combinación de los dos tipos de combustible.

La atención se dirige ahora a la Figura 3, que muestra una planta de producción de energía, donde el hidrógeno en una situación de precombustión se produce mediante el método de producción de hidrógeno SE-SMR para su uso en una turbina de gas alimentada con hidrógeno. En esta realización, el calor del gas de escape caliente que sale de la turbina se recupera para la generación de vapor a alta presión para la producción de energía/electricidad 29' adicional mediante una turbina 32 de vapor.

La mayoría de los componentes de la Figura 3 son los mismos que los de la Figura 1. La diferencia entre la Figura 1 y la Figura 3 es principalmente que la energía eléctrica adicional es generada por una turbina 32 de vapor, una configuración denominada un ciclo combinado. Para este fin, el gas de escape caliente que sale de la turbina 26 se utiliza para generar vapor en un generador 30 de vapor y el vapor generado se carga en la turbina 32 de vapor.

La atención se dirige ahora a la Figura 4, que muestra una planta de producción de energía, donde el hidrógeno en una situación de precombustión se produce a partir de gas de síntesis, en un método de producción de hidrógeno SE-WGS, para su uso en una turbina de gas alimentada con hidrógeno como se discutió previamente. El calor del gas 27 de escape caliente que sale de la turbina 26 se recupera en esta realización, para la generación de vapor a alta presión para la producción de energía/electricidad adicional mediante una turbina de vapor.

La mayoría de los componentes de la Figura 4 son los mismos que los de las Figuras 2a y 2b. La diferencia entre la Figura 2b y la Figura 4 es principalmente que la energía 29' eléctrica adicional es generada por un generador 30 de vapor en combinación con una turbina 32 de vapor, una configuración llamada ciclo combinado, como ya se ha comentado con referencia a la Figura 3.

Se debe enfatizar que todas las realizaciones descritas en este documento podrían abarcar el paso adicional de generación de energía descrito con referencia a las Figuras 3 y 4.

A continuación, se dirige la atención a la Figura 5, que muestra una planta de producción de energía, donde el hidrógeno en una situación de precombustión se puede producir alternativamente a partir de una fuente de gas natural (o metano) mediante el método de producción de hidrógeno SE-SMR, o a partir de una fuente de gas de síntesis mediante el método de producción de hidrógeno SE-WGS, o a partir de cualquier combinación de dichas fuentes para su uso en una turbina de gas alimentada con hidrógeno. El regenerador 14 absorbedor de CO2 - que contiene CaO y un sistema 21 de transferencia de calor indirecto entre el combustor 24 de la turbina de gas alimentada con hidrógeno y el regenerador 14 absorbedor de CO2 - proporciona calor para la regeneración de CaO y la liberación de CO2 para su captura, almacenamiento y/o uso como se discutió con referencia a realizaciones anteriores. El sistema de captura de CO2 es el mismo que el descrito en todas las realizaciones anteriores.

En la Figura 5, se indica un reactor/reformador 12 común para recibir los dos tipos de gases de origen. Esto significa que el reformado SE-SMR y la reacción SE-WGS se realizan simultáneamente en el mismo reactor y en las mismas condiciones. Se ha comprobado que esto no constituye un problema. Como alternativa, se pueden utilizar reactores/reformadores separados para cada gas de origen, CH4 y gas de síntesis. En tal caso, los dos reactores pueden estar conectados a un regenerador común o a regeneradores independientes. Sin embargo, la configuración más simple es, la que se muestra.

La Figura 5 también muestra un flujo 16 separado de H2 para uso externo, e ilustra el hecho de que el presente método y dispositivo permiten la producción simultánea de energía en forma de electricidad, calor e hidrógeno de alta calidad.

El absorbedor que contiene CaO puede estar basado simplemente en CaO de rocas/minerales naturales, pero también puede ser un absorbedor que contenga CaO fabricado sintéticamente, por ejemplo, del tipo descrito por el documento WO 2011/005114. La ventaja de un absorbedor sintético de este tipo es que soporta un alto número de ciclos de regeneración sin perder una capacidad de absorción significativa.

Las Figuras 6a y 6b muestran dos configuraciones alternativas del miembro 28' en forma de anillo mostrado en las Figuras 2a y 5. En la configuración mostrada en la Figura 6a, la entrada a 281 y la salida de 282 el miembro 28'a en forma de anillo son adyacentes entre sí y el fluido de transferencia de calor fluye en un círculo casi completo en una y la misma dirección en todo el vacío dentro del miembro en forma de anillo. El interior del miembro 28'a en forma de anillo puede o no estar provisto de nervaduras 283 que sirven para aumentar el área de superficie que el gas 25 de combustión caliente contacta en su camino desde el combustor 24 a la turbina 26. En la dirección del flujo de gas a través del compresor y la turbina, tales nervaduras pueden tener una extensión que corresponde a -o es menor que- la extensión del miembro en forma de anillo. El tamaño y el perfil de las nervaduras 283, si están presentes, se adaptarán al espacio disponible. Su extensión radial puede variar a lo largo de su longitud, al igual que su grosor, para optimizar no sólo su tamaño sino también sus propiedades aerodinámicas. Opcionalmente, las nervaduras también pueden estar ligeramente curvadas a lo largo de su longitud para aumentar el contacto con el flujo de gas que pasa. Al menos partes de las nervaduras pueden estar ubicadas en un área longitudinal de la turbina en la que no hay álabes presentes que ocupen parte de su sección transversal.

En la Figura 6b, la entrada 281 y la salida 282 del miembro 28'b en forma de anillo están ubicadas en lados opuestos del mismo, y el fluido de transferencia de calor que entra en el vacío en el miembro 28'b en forma de anillo en su entrada, se divide en dos flujos parciales que fluyen cada uno en un semicírculo hacia la salida en el lado opuesto del miembro 28'b en forma de anillo.

Para todas las realizaciones mostradas, el miembro 28, 28' y 28" en forma de anillo puede tener entrada y salida en cualquiera de las configuraciones mostradas e incluso en otras configuraciones. Además, el miembro en forma de anillo puede estar diseñado y configurado de una manera que sea reemplazable cuando está desgastado, por ejemplo, al poder ser conectable al combustor 24 y a la turbina 26 mediante roscas o similares.

El miembro 28, 28', 28" en forma de anillo, cuando se ensambla a la turbina de gas alimentada con hidrógeno, se convierte en una parte de la misma y puede verse como el extremo corriente abajo del combustor 24, el extremo corriente arriba de la turbina 26 o un miembro de conexión entre los dos.

El material para el miembro 28, 28', 28" en forma de anillo se selecciona entre materiales que tienen una conductividad térmica aceptable en combinación con una tolerancia aceptable para altas temperaturas. Por lo tanto, los materiales generalmente elegidos para la pared de un combustor o turbina como se ha descrito anteriormente son candidatos prometedores.

La Figura 7 muestra una realización de la presente invención que difiere de las realizaciones anteriores con respecto al combustor que en la realización de la Figura 7 está compuesto por dos cámaras 24a, 24b de combustión separadas que están desplazadas del eje entre el compresor 22 y la turbina 26. También, el elemento de intercambio de calor representado anteriormente como característica 28, 28' y 28" se reemplaza por un intercambiador 78 de calor que también está desplazado del eje entre el compresor y la turbina. La disposición del intercambiador 78 de calor desplazado de dicho eje implica que no contribuye a un aumento de la dimensión de longitud de la turbina, y permite el uso de diversos tipos y tamaños de elementos de intercambio de calor, mejorando así enormemente la versatilidad del sistema. Esta combinación facilita el diseño del sistema de una manera que permita un ajuste fino del calor que se transferirá al regenerador 14. En la Fig. 7, el gas 25a caliente se dirige desde los combustores al intercambiador 78 de calor, y los mismos gases se descargan desde el intercambiador 78 de calor a una temperatura algo más baja que el flujo 25b de gas que a su vez se dirige a la turbina 26. Naturalmente, la trayectoria del flujo desde los combustores 24a, 24b hasta y a través del intercambiador 78 de calor y luego hasta la turbina 26, debe tener una forma y unas dimensiones que permitan un flujo de gas eficiente a un caudal elevado con una caída de presión aceptablemente baja.

Con todas las versiones de la presente invención, se pueden instalar elementos de intercambio de calor adicionales a los discutidos, mostrados y/o reivindicados, por ejemplo, para enfriar partes calientes más de lo que se logra con los elementos 28, 28', 28" o 78.

Inherentes al diseño de la turbina son las medidas de seguridad que no se discuten en el presente documento y que principalmente estarán de acuerdo con el estándar en este campo de la tecnología, tales como medidas para el corte inmediato del combustible en caso de deslastre de carga o durante paradas de emergencia, con el fin de evitar que la turbina exceda la velocidad. Debido a la presencia de cantidades significativas de energía acumulada en el intercambiador de calor durante el funcionamiento normal, se pueden tomar medidas de seguridad adicionales para evitar que la turbina se acelere demasiado en tales situaciones.

La presente invención es una combinación única de tecnologías que permiten un control mejorado de temperatura del combustor y la turbina de una planta de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno de una manera en la que el calor retirado del combustor se utiliza de la manera más eficiente en un regenerador para un absorbedor de CO2 en el que el requisito de temperatura es (también) un desafío. Esto se logra en un sistema de captura de CO2 previa a la combustión, que es la forma más eficiente de captura de CO2 en una planta de energía de este tipo. Esta combinación única de ventajas sobre la técnica anterior hace del presente método y sistema un buen ejemplo de una invención sinérgica.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno con captura de CO2 por precombustión, cuyas partes principales están constituidas por un compresor (22), un combustor (24), una turbina (26) y un dispositivo (10) de suministro de combustible para suministrar el combustible a la turbina (20) de gas alimentada con hidrógeno,

- estando adaptada la turbina (26) para su conexión a medios auxiliares para la generación de energía en forma de energía eléctrica;

-teniendo el dispositivo (10) de suministro de combustible la forma de un sistema de reactor de producción de gas de hidrógeno con al menos un reactor (12) seleccionado del grupo que consiste en i) un reactor capaz de soportar el reformado de metano con vapor mejorado por sorción (SE-SMR) de metano y ii) un reactor capaz de soportar el cambio de gas de agua mejorado por sorción (SE-WGS) de gas de síntesis, o una combinación de los dos;

- el reactor (12) estando conectado en un bucle cerrado con un regenerador (14) para hacer circular y regenerar un absorbedor de CO2 que contiene CaO entre el reactor (12) y el regenerador (14),

caracterizado por la presencia de un bucle (21) de intercambio de calor cerrado entre el regenerador (14) del sistema (10) de reactor productor de gas hidrógeno de y al menos uno de los extremos corriente abajo del combustor (24) de la turbina (20) de gas alimentada con hidrógeno y el extremo corriente arriba de la turbina (26) de dicha turbina de gas alimentada con hidrógeno, lo que permite la función de elevar la temperatura en el regenerador (14) a 900 °C mientras que simultáneamente se reduce la temperatura en el extremo corriente arriba de la turbina (26) de la turbina (20) de gas alimentada con hidrógeno y se enfrían las partes relevantes de la turbina (20) a un nivel aceptable para el uso estable a largo plazo de la turbina de gas alimentada con hidrógeno y se reduce la necesidad de aire de dilución para la turbina.

2. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el reactor (12) tiene un conducto de entrada adaptado para recibir un flujo de gas de una fuente rica en metano, de una fuente de gas de síntesis o de una combinación de una fuente rica en metano y una fuente de gas de síntesis.

3. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en donde el reactor (12) tiene un conducto de entrada adaptado para recibir una fuente de vapor.

4. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se revindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de intercambio de calor para el sistema (21) de intercambio de calor se selecciona entre medios de intercambio de calor capaces de manejar temperaturas de hasta al menos 1500 °C.

5. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un generador (30) de vapor dispuesto para recibir gases de escape calientes de la turbina y para cargar el vapor generado en la misma a una turbina (32) de vapor para la generación adicional de electricidad.

6. El sistema de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el bucle de intercambio de calor cerrado entre el regenerador (14) del sistema de reactor de producción de gas hidrógeno y al menos uno de los extremos corriente abajo del combustor (24) del sistema de energía de la turbina de gas alimentada con hidrógeno (20) y el extremo corriente arriba de la turbina (26) de dicho sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno comprende un elemento (28, 28', 28") que tiene la forma de un anillo hueco con esencialmente el mismo diámetro que el extremo corriente abajo del combustor (24) y el extremo corriente arriba de la turbina, y está dispuesto para ser conectado entre el combustor (24) y la turbina (26) y servir de puente entre ellos.

7. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se reivindica en la reivindicación 6, en donde el elemento (28, 28' y 28") hueco en forma de anillo es reemplazable.

8. El sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno como se reivindica en la reivindicación 6, en donde el elemento (28, 28' y 28") hueco en forma de anillo se proporciona como una serie de anillos de un diámetro común pero diferentes anchos.

9. El sistema de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno como se reivindica en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el bucle de intercambio de calor cerrado entre el regenerador (14) del sistema de reactor de producción de gas hidrógeno y al menos uno de los extremos corriente abajo del combustor (24) del sistema de energía de la turbina (20) de gas alimentada con hidrógeno y el extremo corriente arriba de la turbina (26) de dicho sistema de energía de turbina de gas alimentado con hidrógeno comprende un intercambiador (78) de calor especializado dispuesto para enfriar el escape del combustor (24) antes de que entre en la turbina (26).

10. Método para generar energía en una planta de energía de turbina de gas alimentada con hidrógeno con captura de CO2 de precombustión que comprende:

- alimentar un gas seleccionado del grupo que consiste en un gas rico en metano y un gas de síntesis o una combinación de los mismos a un sistema (10) de reactor de producción de gas hidrógeno con al menos un reactor (12) seleccionado del grupo que consiste en i) un reactor capaz de soportar el reformado de metano con vapor mejorado por sorción (SE-SMR) de metano y ii) un reactor capaz de soportar el cambio de gas de agua mejorado por sorción (SE-WGS) de gas de síntesis,

- convertir el gas cargado en hidrógeno por medio de al menos una reacción seleccionada del grupo que consiste en SE-SMR y SE WGS mientras se captura CO2 en el reactor (12) por medio de un absorbedor de CO2 que contiene CaO natural o sintético,

- reciclar el absorbedor de CO2 mediante un paso de regeneración bajo liberación de CO2 puro a una temperatura de al menos 850 °C,

- cargar el gas hidrógeno producido en el sistema de reactor de producción de gas alimentado con hidrógeno en el combustor (24) de una turbina de gas junto con aire comprimido y alimentar la turbina (26) con esta mezcla combinada de combustible, caracterizado en

- realizar intercambio de calor entre el combustor (24) y el paso de regeneración del absorbedor de CO2 para asegurar así un nivel de temperatura mínimo en el paso de regeneración del absorbedor de CO2.

11. El método como se reivindica en la reivindicación 10, en donde el intercambio de calor se controla de manera que se garantice una temperatura de al menos 872 °C en el paso de regeneración.

12. El método como se reivindica en la reivindicación 10 o 11, en donde el calor (11) desarrollado en el reactor (12) se utiliza como una fuente de energía para fines externos.

13. El método como se reivindica en la reivindicación 12, en donde el calor (11) se utiliza para la gasificación de material carbonoso sólido.