ES2602428T3

ES2602428T3 - Combustión de oxi-combustible con control de la contaminación integrado

Info

Publication number: ES2602428T3
Application number: ES06846819.8T
Authority: ES
Inventors: Brian R. Patrick; Thomas L. Ochs; Cathy A. Summers; Danylo B. Oryshchyn; Paul C. Turner
Original assignee: Jupiter Oxygen Corp
Current assignee: Jupiter Oxygen Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2017-02-21
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: AU2006332510B2; EP1969286B1; JP2018173271A; CA2635611C; EP2495493A2; US8087926B2; MX340820B; CN101375099A; EP1969286A2; US20120222593A1; KR101553316B1; JP6224887B2; EA018644B1; US20140230703A1; US20070207419A1; PL1969286T3; CN103216844A; KR20140015628A; AU2006332510A1; MX2008008499A

Abstract

Un método de combustión y de extracción de contaminantes integrado que comprende las etapas de: proporcionar un horno que tiene al menos un quemador y que está configurado para evitar esencialmente la introducción de aire; proporcionar un suministro de oxígeno (15) para suministrar oxígeno a dicho al menos un quemador a una pureza predeterminada superior al 21 por ciento; proporcionar un suministro de combustible a base de carbono (14) para suministrar un combustible a base de carbono a dicho al menos un quemador; limitar un exceso bien del oxígeno o del combustible a base de carbono hasta menos del 5 por ciento más allá de la proporción estequiométrica; controlar la combustión del combustible a base de carbono (14) para producir una temperatura de la llama en un exceso de 1650 ºC (3000 grados F) y una corriente de gas de combustión que contiene CO2 y otros gases, y que está sustancialmente exenta de compuestos gaseosos producidos por combustión que contienen nitrógeno no portado por el combustible; dirigir dicha corriente de gas de combustión (26) a un sistema de extracción de contaminantes integrado que incluye al menos un intercambiador de calor de contacto directo (28, 40) dispuesto en serie con al menos un compresor (36, 46, 48, 54); extraer múltiples contaminantes, incluyendo contaminantes solubles y partículas atrapadas, así como vapores condensables en un solo proceso previo a la descarga de dicho gas de combustión en la atmósfera mediante: poner en contacto directo el gas de combustión con un líquido de refrigeración (30) en el al menos un intercambiador de calor (28, 40) para producir una corriente de líquido cargada de contaminantes (32) que incluye contaminantes solubles y partículas atrapadas y una corriente de gas de combustión separada; descargar (32, 74) dicho líquido cargado de contaminantes; tras la salida del al menos un intercambiador de calor de contacto directo (28, 40), cargar la corriente de gas de combustión separada (34, 44) en el al menos un compresor (36, 46, 48, 54) para comprimir la corriente de gas de combustión separada con el fin de producir vapores condensables y gases no condensables; condensar dichos vapores condensables por medio de un condensador (58); secuestrar y extraer los vapores condensados; filtrar dichos gases no condensables por medio de un filtro de mercurio (64) y; acumular los gases no condensables del filtro de mercurio (64) en un acumulador (66); y liberar los gases del acumulador (66) a la atmósfera.

Description

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DESCRIPCION

Combustion de oxi-combustible con control de la contaminacion integrado Antecedentes de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema integrado de combustion y de control de la contaminacion de tipo oxigeno combustible. Mas concretamente, la presente invencion se refiere a un sistema de combustion de tipo oxi- combustible que tiene control integrado de la contaminacion para reducir eficazmente, a casi cero, las emisiones de las fuentes de combustion.

Los sistemas de combustion de tipo oxi-combustible son conocidos en la tecnica. Dichos sistemas usan oxigeno esencialmente puro para la combustion con combustible en proporciones casi estequiometricas y a altas temperaturas de la llama para la production de energia de alta eficiencia. Los sistemas de oxi-combustible se usan en las calderas con el fin de producir vapor para la generation de electricidad, y en los entornos industriales tales como en el reciclaje del aluminio en aluminio fundido para la refundicion. Tambien se contempla la posibilidad de usar la combustion de oxi-combustible para la incineration de residuos, asi como para otras aplicaciones industriales y ambientales. La tecnologia de oxi-combustible y los usos para dicha tecnologia se desvelan en Gross, patentes de EE.UU. n.° 6.436.337, 6.596.220, 6.797.228 y 6.818.176.

Ventajosamente, dado que la combustion de oxi-combustible usa oxigeno en lugar de aire como fuente de oxigeno, hay una reduction concomitante del gas de combustion producido. Ademas, la combustion se lleva a cabo de manera que los productos de combustion del NOx son casi nulos y se deben casi exclusivamente al nitrogeno portado por el combustible. Esto es porque se usa oxigeno en lugar de aire como fuente de oxigeno, hay menor flujo masico y nada de nitrogeno que contribuya a la formation del NOx.

Aunque la combustion de tipo oxi-combustible proporciona la generacion de energia de combustion eficaz y con emisiones reducidas, todavia hay una cantidad bastante sustancial de emisiones que se producen durante el proceso de combustion. Ademas, dado que el volumen de gas es menor, debido al uso de oxigeno en lugar de aire, la concentration de otros contaminantes es mayor. Por ejemplo, la masa de SOx y de particulas no variara, no obstante, la concentracion aumentara debido al reducido volumen global.

Los sistemas de control o elimination de la contaminacion son conocidos en la tecnica. Estos sistemas pueden, por ejemplo, usar un contacto directo entre los gases de combustion y los equipos del proceso aguas abajo, tales como precipitadores y depuradores para eliminar las particulas, los compuestos que contienen azufre y los compuestos que contienen mercurio. Otros sistemas usan el decapado por compresion en serie de los contaminantes para eliminar los contaminantes y recuperar energia de la corriente de gas de combustion. Dicho sistema se desvela en la Ochs, patente de EE.UU. n° 6.898.936. A la luz del documento US 2004/237909 A1, se sabe que los gases de escape que salen del depurador se introducen en una zona de refrigeration y, despues, se dividen en una proportion principal, que se mezcla con O2 y que entra en los conductos del sistema de cebado de gases (GPS), y en una parte menor que se carga en un compresor.

Por consiguiente, existe la necesidad de un sistema de combustion que produzca un volumen de gases de combustion bajo con la eliminacion integrada de los contaminantes. De manera deseable, dicho sistema aprovecha los sistemas de combustion y de control de contaminantes conocidos para producir de manera eficaz energia de combustion en combination con una produccion reducida de contaminantes y la captura del resto de contaminantes que se producen.

Breve sumario de la invencion

Un sistema integrado de combustion y de extraction de contaminantes de tipo oxi-combustible incluye las caracteristicas de la revindication 3. Reduce el volumen de gases de combustion, elimina el NOx y captura los gases condensables. El sistema incluye un sistema de combustion que tiene un horno con al menos un quemador que esta configurado para evitar esencialmente la entrada de aire. Un suministro de oxigeno proporciona oxigeno con una pureza predeterminada superior al 21 por ciento, y un suministro de combustible a base de carbono proporciona un combustible a base de carbono. El oxigeno y el combustible se introducen en el horno en una proporcion controlada. La combustion se controla para producir una temperatura de la llama superior a 1.640 °C (3000 °F) y una corriente de gases de combustion que contiene CO2 y otros gases, y que esta esencialmente exenta de compuestos gaseosos producidos por combustion que contienen nitrogeno no portado por el combustible.

El sistema de extraccion de contaminantes incluye al menos un intercambiador de calor de contacto directo para llevar el gas de combustion en contacto directo con un liquido de refrigeracion, preferentemente agua, para producir una corriente de liquido cargada de contaminantes y una corriente de gases de combustion separada. El sistema incluye al menos un compresor para recibir y comprimir la corriente de gases de combustion separada.

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Preferentemente, el sistema incluye una serie de intercambiadores de calor y compresores para enfriar y comprimir el gas de combustion. De acuerdo con la invencion, el gas de combustion se enfria y se comprime, y la corriente de gases de combustion separada se separa en gases no condensables y gases condensables. Los gases condensables, en gran parte CO2, se condensan en un estado esencialmente liquido y se secuestran. El CO2 se puede volver a hacer circular, en parte, para transportar un combustible solido tal como carbon al horno.

Un metodo de combustion de oxi-combustible integrado con extraccion de contaminantes de acuerdo con la invencion incluye las caracteristicas de la reivindicacion 1. El metodo incluye proporcionar un horno que tenga al menos un quemador, y que esta configurado para impedir esencialmente la introduccion de aire, proporcionando un suministro de oxigeno para suministrar oxigeno a una pureza predeterminada superior al 21 por ciento y proporcionar un suministro de combustible a base de carbono para suministrar un combustible a base de carbono.

Cualquiera o ambos del combustible a base de oxigeno o el combustible a base de carbono estan limitados a menos del 5 por ciento en la proportion estequiometrica, y se controla la combustion para producir una temperatura de la llama en un exceso de 1.650 °C (3000 °F) y una corriente de gas de combustion que contiene CO2 y otros gases, y que esta esencialmente exenta de compuestos gaseosos producidos por combustion que contienen nitrogeno no portado por el combustible.

Se proporciona el sistema de extraccion de contaminantes, que incluye un intercambiador de calor de contacto directo en disposition en serie con un compresor. El gas de combustion se pone en contacto directo con un liquido de refrigeration, preferentemente con agua, en el intercambiador de calor para producir una corriente de liquido cargada de contaminantes y una corriente de gas de combustion separada. La corriente de gas de combustion separada se introduce en el compresor para comprimir la corriente de gas de combustion separada.

En un metodo preferido, se llevan a cabo las etapas de refrigeracion de la corriente de gas de combustion separada y de compresion de la corriente de gas de combustion separada enfriada.

Estas y otras caracteristicas y ventajas de la presente invencion seran evidentes a partir de la siguiente description detallada, junto con las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripcion de las diversas vistas de las figuras

Los beneficios y las ventajas de la presente invencion seran mas evidentes para los expertos habituales en la materia relevante despues de revisar la siguiente descripcion detallada y las figuras adjuntas, en las que:

La FIG. 1 es un diagrama de flujo de un sistema de combustion de oxi-combustible y de extraccion de contaminantes integrado que se monto para el ensayo de los principios de la presente invencion.

Descripcion detallada de la invencion

Aunque la presente invencion es susceptible de realizarse de diversas formas, en la figura, se muestra, y se describira de aqui en adelante una realization actualmente preferida, entendiendose que la presente divulgation ha de considerarse una ejemplificacion de la invencion y no pretende limitar la invencion a la realizacion ilustrada en concreto.

Como se trata en las patentes anteriormente mencionadas concedidas a Gross, un sistema de combustion de oxi- combustible usa oxigeno esencialmente puro, en combination con una fuente de combustible para producir calor, mediante la production de la llama (es decir, la combustion), de una manera eficaz, no adversa para el medio ambiente. Se puede usar oxigeno, que es suministrado por un agente oxidante, a concentraciones del aproximadamente 85 por ciento al aproximadamente 99+ por ciento, sin embargo, es preferible tener la concentration de oxigeno (es decir, la pureza de suministro de oxigeno) lo mas alta posible.

En dicho sistema, el oxigeno de alta pureza se carga, junto con la fuente de combustible en proporciones estequiometricas, en un quemador de un horno. Se encienden el oxigeno y el combustible para liberar la energia almacenada en el combustible. Para los fines de la presente descripcion, la referencia al horno se ha de interpretar en sentido amplio para incluir cualquier generador termico industrial o comercial que queme combustibles fosiles (a base de carbono). Por ejemplo, se contemplan las calderas acuotubulares para la generation de energia electrica, asi como los hornos de fuego directo para aplicaciones industriales para su uso en el sistema de combustion de oxi- combustible. En un sistema preferido, la concentracion de oxigeno o la pureza es tan alta como sea posible para reducir la produccion de gases de efecto invernadero.

Se contempla que se puede usar esencialmente cualquier fuente de combustible. Por ejemplo, se puede cargar oxigeno junto con gas natural para la combustion en un horno. Otras fuentes de combustible contempladas incluyen aceites incluyendo aceites refinados, asi como aceites usados, madera, carbon, polvo de carbon, desperdicios (desechos de basura), desechos y productos animales, y similares. Los expertos en la materia reconoceran la miriada de fuentes de combustible que se pueden usar con el presente sistema de oxi-combustible.

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En comparacion con los procesos de combustion convencionales que usan aire como agente oxidante para suministrar ox^geno, en lugar de oxigeno esencialmente puro, para la combustion, el sistema de oxi-combustible tiene un caudal de flujo general enormemente reducido. El componente de ox^geno del aire (aproximadamente el 21 por ciento) se usa en la combustion, mientras que el resto de componentes (esencialmente, nitrogeno) se calientan en y se agotan desde el horno. Por otra parte, el presente proceso usa oxigeno en una proporcion estequiometrica con respecto al combustible. Es decir, solo se carga suficiente oxigeno de forma proporcional al combustible para asegurar la combustion completa del combustible. Por lo tanto, el oxigeno no se introduce en "exceso" en el sistema de combustion.

Se logran muchas ventajas y beneficios usando el sistema de combustion de oxi-combustible. Aparte de una mayor eficiencia (o, por el contrario, de una reduction del consumo de combustible para producir una cantidad equivalente de energia), debido a la entrada reducida de gas, hay una reduccion espectacular del volumen de gas de combustion. Basandose en la diferencia entre el uso de aire, que es del 21 por ciento de oxigeno, y de oxigeno puro, el caudal volumetrico es de aproximadamente una quinta parte (1/5) usando un sistema de combustion de oxi- combustible, en comparacion con un sistema de combustion de suministro de aire convencional. Ademas, debido a que no se absorbe energia por parte de los materiales no relacionados con la combustion (por ejemplo, el oxigeno o el nitrogeno en exceso), hay mas energia disponible para el proceso subyacente.

Ventajosamente, el volumen de gas reducido (y, por lo tanto, el volumen de gas de combustion) tambien aumenta el tiempo de permanencia de los gases en el horno o en la caldera para proporcionar una mayor oportunidad para la transferencia de calor.

En tanto en cuanto el volumen global de gas de combustion se reduce enormemente, ahora se puede usar el procesamiento altamente eficiente aguas abajo que, de otro modo, no estaria disponible o no seria practico, en entornos industriales y de generation de energia a gran escala.

Por consiguiente, la presente invention usa la combustion de oxi-combustible junto con la extraction de multiples contaminantes a traves de la condensation integrada de H2O y CO2 con el arrastre de las particulas, y la disolucion y la condensacion de otros contaminantes incluyendo el SO2. Dichos sistema y metodo de extraccion de contaminantes se desvelan en la patente anteriormente mencionada concedida a Ochs et al.

La consolidation de la extraccion de los contaminantes en un solo proceso tiene el potencial de reducir los costes y de reducir los requisitos de energia para el funcionamiento de dicho sistema. Puede haber productos no condensables de la combustion, incluyendo el oxigeno y el argon, presentes en los productos de combustion. Aunque el sistema de combustion de oxi-combustible se hace funcionar en o muy cerca de la estequiometria (preferentemente, en el 5 por ciento de la estequiometria), puede haber oxigeno en el gas de combustion. El argon puede proceder del proceso de separation del aire (que queda en el oxigeno producido). Tambien puede haber cantidades relativamente bajas de nitrogeno presentes como portadas en el combustible o como fuga en el aire en el equipo de proceso subyacente.

En el proceso de combustion, se producen vapores condensables tales como H2O, CO2, SOx, y aunque en una cantidad minima, NOx, y son las dianas para la condensacion. Cuando, en la presente invencion, se hace referencia a los productos de combustion, se supone que estan presentes estos vapores condensables y gases no condensables, asi como particulas y otros contaminantes.

La parte de control de contaminantes del sistema tambien puede realizar la reparation y la recuperation de energia a partir de los productos de combustion de una planta de energia de combustible fosil que tenga una camara de combustion de combustibles fosiles (por ejemplo, una caldera, un horno, una turbina de combustion o similares), un compresor, una turbina, un intercambiador de calor y una fuente de oxigeno (que podria ser una unidad de separacion de aire). Los expertos en la materia entenderan y apreciaran que la referencia a, por ejemplo, un compresor, incluye mas de un compresor.

Los productos de combustion de la planta de energia de combustibles fosiles pueden incluir gases no condensables tales como el oxigeno y el argon; vapores condensables tales como vapor de agua, y gases acidos tales como SOx y (de nuevo, aunque en cantidades minimas, NOx); y CO2 y contaminantes tales como particulas y mercurio. El proceso de extraccion y secuestro de los contaminantes incluye el cambio de la temperatura y/o la presion de los productos de combustion mediante el enfriamiento y/o la compresion de los productos de combustion a una combination de temperatura/presion por debajo del punto de rocio de algunos de o todos los vapores condensables.

Este proceso se lleva a cabo para condensar el liquido que tiene algunos gases acidos disueltos y/o arrastrados en el mismo y/o que condensa directamente los gases acidos (tales como CO2 y SO2) de los productos de combustion. Se lleva a cabo ademas para disolver algunos de los contaminantes, recuperandose de este modo los productos de combustion. Disolver en el contexto de la presente divulgation significa arrastrar y/o disolver.

Dicho proceso se repite a traves de una o mas etapas de enfriamiento y/o compresion con la condensacion y separacion de los vapores condensables y de los gases acidos. Tambien se puede realizar la recuperacion del calor

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en forma bien de calor latente y/o de calor sensible. La condensacion reduce la energia necesaria para la compresion continuada mediante la reduccion de la masa y de la temperatura, hasta que el gas de combustion parcialmente reparado es bajo en CO2, SO2 y H2O. Tras ello, el resto de gases de combustion se envia a un tubo de escape.

El combustible fosil puede ser cualquiera de los citados anteriormente. En ciertos casos, los contaminantes incluiran partfculas fina y/o metales pesados tales como el mercurio y otros metales tales como el vanadio.

La presente invencion tambien se refiere a tecnicas de ahorro de energia durante la recirculacion del gas de combustion y la extraccion de los contaminantes, de manera que los sistemas de generacion de energia pueden mejorar esencialmente su eficiencia. Por ejemplo, en el caso de un sistema de carbon pulverizado (PC) subcritico sin recuperacion de energia, el rendimiento puede caer del 38,3 % de eficiencia termica (para un sistema moderno sin eliminacion del CO2) hasta un minimo del 20,0 % (para el sistema con eliminacion del CO2 y sin recuperacion de energia). Un sistema de acuerdo con una realizacion de la presente invencion se puede realizar al 29,6 % (con eliminacion del CO2) si se incluye la recuperacion de energia en el diseno del modelo. Se preve que se lograran las mejores eficiencias. La presente combustion de oxi-combustible con control integrado de la contaminacion es aplicable a la nueva construccion, repotenciacion y modernizaciones.

En un sistema ilustrativo que usa el presente proceso de oxi-combustible e IPR, se preven los gases de combustion descritos en la tabla que se presenta a continuacion. Los gases de combustion saldran de la region de combustion o de la zona del horno, donde pasaran a traves de un ciclon/dispositivo de envoltura con bolsa o precipitador electrostatico para la eliminacion de las particulas gruesas. El gas de combustion pasa luego a traves de un intercambiador de calor de contacto directo (DCHX). En esta unidad, los gases de combustion entran en contacto con un liquido mas frio. Esta etapa de enfriamiento permite que los vapores se condensen. La etapa tambien permite la disolucion de los contaminantes solubles y de las particulas finas arrastradas.

Los gases que salen de la primera columna estan ahora mas limpios y esencialmente exentos de contaminantes. Estos gases se comprimen y pueden continuar a un DCHX sucesivo y una etapa de compresion. Se usa una etapa final de compresion y de intercambio termico para separar el oxigeno, el argon y el nitrogeno (minimo) del CO2. Tambien se usa una trampa de mercurio para eliminar el mercurio gaseoso antes de su liberacion a la atmosfera.

La siguiente tabla muestra los resultados esperados en forma de una comparacion del presente sistema de combustion de oxi-combustible e IPR con un proceso de combustion de aire convencional. Como muestran los resultados, el volumen de gases de combustion al principio es menor en el sistema de combustion de oxi- combustible en virtud de la eliminacion del nitrogeno de la corriente de entrada. En el presente sistema, el IPR sirve para reducir aun mas el caudal y el flujo de gas a traves de sucesivas etapas de compresion y de enfriamiento. A medida que van progresando los gases de combustion a traves de los procesos combinados, el producto final es CO2 capturado para el secuestro.

TABLA 1 - COMPARACION DE LAS PROPIEDADES Y DE LAS COMPOSICIONES DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTION DE OXI-COMBUSTIBLE TRATADOS CON IPR CON LOS DE UNA CALDERA DE CARBON

: Convencional tras economizador Escape de oxi- combustible Tras la 1a combustion Tras la 2a combustion Tras la 3a combustion

Flujo de gas (kg/h): 1.716.395 686.985 364.367 354.854 353.630

Caudal (m3/h): 1.932.442 826.995 72.623 15.944 661

Presion de entrada (MPa absolutos (psig)): 0,10 (14,62) 0,11(15,51) 0,43 (62) 1,82 (264) 10,34 (1.500)

Temp. de entrada (°C; (°F)): 132 (270) 427 (800) 172 (342) 162 (323) 31,2 (88,2)

Densidad (kg/m3): 0,8882 0,8307 5,02 22,26 534,61

H2O (fraccion): 0,0832 0,33222 0,0695 0,00994 0,0004

Ar (fraccion): 0,0088 0,01152 0,0163 0,01730 0,0175

CO2 (fraccion): 0,1368 0,61309 0,8662 0,92161 0,9305

N2 (fraccion): 0,7342 0,00904 0,0128 0,01359 0,0137

O2 (fraccion): 0,0350 0,02499 0,0353 0,03755 0,0379

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SO2 (fraction): 0,0020 0,00913 0,0000 0,00000 0,0000

Como se puede ver a partir de los datos de la Tabla 1, el volumen de los productos de combustion se ha reducido de manera significativa como resultado de las sucesivas etapas de compresion y de enfriamiento. El resultado es una captura de CO2 y el posterior secuestro, que es el objetivo final. El CO2 resultante se puede almacenar o usar en, por ejemplo, una aplicacion comercial o industrial.

Se construyo un sistema de ensayo 10 para determinar los resultados reales con respecto a la combustion de oxi- combustible junto con el secuestro de CO2 y la extraccion de contaminantes. En la FIG. 1, se ilustra un diagrama esquematico del sistema de ensayo. El sistema 10 incluye una camara de combustion de oxigeno 12 que tiene una alimentacion de carbon 14 (con CO2 como gas portador 16) y una alimentacion de oxigeno 18. El carbon se alimento a una velocidad de 12,25 kg/h (27 libras por hora (pph)), portado por el CO2 a una velocidad de 18,14 kg/h (40 pph) y ox^geno a una velocidad de 23,59 kg/h (52 pph). Dado que el sistema 10 era un sistema de ensayo en lugar de un sistema comercial o industrial (por ejemplo, una caldera comercial para la generation electrica), la camara de combustion 12 se enfrio con agua de refrigeration para servir como un sumidero de energia/calor.

Los gases 10 de la camara de combustion fluyeron a un ciclon/dispositivo de envoltura con bolsa 22 en el que la ceniza (como en 24) se retiro a una velocidad de aproximadamente 0,45 kg/h (1 pph). Tras la elimination de la ceniza 24, se mantuvieron aproximadamente 53,52 kg/h (118 pph) de gases de combustion en la corriente de gas de combustion 26 a una temperatura de salida que era inferior a aproximadamente 149 °C (300 °F).

El resto de gases de combustion 26 se cargaron luego a un intercambiador de calor 28 de contacto directo (el primer intercambiador de calor). Se pulverizo directamente agua (indicada en 30) en la corriente de gas de combustion caliente 26. El agua de refrigeracion condenso parte del vapor de agua caliente y retiro aun mas los contaminantes solubles y la particula arrastrada (vease la descarga en 32). Se condensaron aproximadamente 5,90 kg/h (13 pph) de vapor de agua en el primer intercambiador de calor 28 - los gases de combustion que permanecieron 34 estaban presentes a una velocidad de aproximadamente 47,63 kg/h (105 pph).

Tras salir del primer intercambiador de calor 28, el resto de gases 34 se cargo en un primer compresor de baja presion 36, (a una presion de entrada de aproximadamente la atmosferica), y salieron del compresor 36 a una presion de calibre aproximadamente 1,21 MPa (175 libras por pulgada cuadrada (psig)). Como resultado de la etapa de compresion, la temperatura de los gases 38 aumento. El resto de gases de combustion se cargo despues en un segundo intercambiador de calor 40 de contacto directo en el que se pusieron en contacto directo con una corriente de agua de refrigeracion como en 42. La corriente de salida 44 libero aproximadamente 1,81 kg/h (4 pph) mas de agua y, por lo tanto, resulto tener un caudal de gas de combustion/de escape de salida 44 de aproximadamente 45,81 kg/h (101 pph).

Tras el segundo intercambiador de calor 40, los gases 44 se comprimieron mas hasta un calibre de aproximadamente 1,72 MPa (250 psig) en un segundo compresor 46. Aunque la segunda etapa de compresion produjo un aumento de la temperatura, se determino durante el ensayo que no era necesaria una tercera etapa de intercambio termico. Se apreciara que en un funcionamiento a mayor escala, sin embargo, pueden ser necesarias dichas etapas de intercambio termico/refrigeracion adicionales.

A continuation, se llevo a cabo una tercera etapa de compresion, en un tercer compresor 48, en el resto de gases de combustion 50 para aumentar la presion de la corriente de gas 52 de salida hasta un calibre de aproximadamente 4,69 MPa (680 psig). Una vez mas, se determino que aunque la temperatura de los gases aumento, no fue necesario el enfriamiento activo o directo en tanto en cuanto las perdidas al ambiente a traves del sistema de tuberias portador de los gases fueron suficientes para reducir la temperatura de los gases.

Se llevo a cabo una compresion final, en un compresor final 52, de los gases para aumentar la presion de los gases hasta aproximadamente 13,79 MPa (2.000 psig). Tras la etapa de compresion final, se cargo el resto de los gases 56 en un intercambiador de calor 58, el intercambiador de calor final, en el que la temperatura de la corriente 56 se redujo por debajo del punto de rocio de los gases y, como resultado de ello, comenzo la condensation de los gases. El condensado (como en 60), que era principalmente CO2 licuado (a una velocidad de 36,29 kg/h (80 pph), se extrajo y se secuestro. En el presente caso, el CO2 se embotello y retuvo.

Los gases no condensables (como en 62), que incluian una pequena cantidad de CO2, se pasaron a traves de un filtro de mercurio 64 y, posteriormente, se mezclaron en un acumulador 66. El acumulador 66 proporciono flexibilidad en el control del caudal del sistema. Los gases 68 del acumulador 66 se descargaron a la atmosfera. El caudal desde el acumulador 66, normalizado con respecto a un estado estacionario de todo el sistema, fue de aproximadamente 9,53 kg/h (21 pph).

Los expertos en la materia apreciaran que el sistema ilustrativo 10 anteriormente presentado tenia fines de ensayo y de verification, y que el numero y la position de las etapas de compresion y de enfriamiento se pueden cambiar, y probablemente se cambiaran, para adaptarse a un determinado diseno y/o resultado deseado. Ademas, tambien se

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pueden incorporar varios puntos de inyeccion qmmica 70, filtros 72, derivaciones 74 y similares al sistema 10 y, por consiguiente, la totalidad de dichos cambios pertenece al alcance y al espiritu de la presente invencion.

El ahorro de combustible proyectado y otros aumentos de la eficiencia del presente sistema de combustion de oxi- combustible con IPR son tales que el costo de este proceso combinado se preve que sea competitivo con las tecnologias de combustion actuales. Ademas, la perspectiva de nuevas exigencias reguladoras esta haciendo que los disenadores de plantas de energia vuelvan a examinar las metodologias convencionales usadas para eliminar los contaminantes, lo que solo serviria para mejorar la economia subyacente a dicha metodologia.

Se apreciara que el uso de sistemas de combustion de oxi-combustible con IPR en muchas aplicaciones industriales y de generacion de energia puede proporcionar el consumo reducido de combustible con una produccion de energia o generacion de calor equivalentes. El consumo reducido de combustible, junto con el uso eficiente del combustible (es decir, una combustion eficiente) y el IPR integrado, proporciona una reduccion significativa de los costes operativos, y la reduccion y el secuestro de las emisiones de otros gases de escape/combustion.

Debido a la variedad de combustibles industriales que se pueden usar, tales como el carbon, el gas natural, diversos aceites (aceite de calentamiento y de desecho), madera y otros residuos reciclados, junto con los diversos metodos, actuales y propuestos, de generacion de oxigeno, los expertos en la materia reconoceran el enorme potencial, con respecto a la aplicabilidad comercial e industrial, del presente sistema de combustion. La selection del combustible se puede realizar basandose en la disponibilidad, los factores economicos y los problemas ambientales. Por lo tanto, no se especifica un tipo de combustible; mas bien una gran cantidad, y de hecho, todos los combustibles a base de carbono son compatibles con el sistema actual. Por consiguiente, las etapas de elimination de material particulado del sistema de IPR integrado pueden variar.

En cuanto a la fuente de oxigeno para los quemadores de oxi-combustible (sistema de combustion), hay muchas tecnologias aceptables para la produccion de oxigeno a niveles de alta pureza, tales como la criogenica, los sistemas de membrana, las unidades de absorcion, la hidrolisis y similares. La totalidad de dichos usos de combustible y de suministros de oxigeno estan dentro del alcance de la presente invencion.

En general, el uso de combustion de tipo oxigeno-combustible frente a los sistemas, actuales o tradicionales, de combustion de aire ofrece ventajas significativas en muchos campos. La primera es la capacidad para funcionar a niveles estequiometricos exactos sin el obstaculo de nitrogeno en el sobre de combustion. Esto permite una mayor eficiencia del uso de combustible, al tiempo que reduce en gran medida los niveles de NOx en la aplicacion de combustion. De manera significativa, se requiere menos combustible para alcanzar los mismos niveles de produccion de energia, lo que a su vez, reduce los costes operativos globales. En el uso de menos combustible para la obtencion de la misma produccion de energia, se produce una reduccion natural de las emisiones. El ahorro de combustible y la disminucion de las emisiones no son mas que solo dos de los beneficios proporcionados por el sistema actual. En combination con el sistema de extraction de contaminantes integrado (IPR), el actual sistema de IPR de oxi-combustible proporciona niveles de eficiencia y control de la contamination mucho mayores que los sistemas conocidos.

Se preve que las camaras de combustion (por ejemplo, las calderas) se disenaran en torno a sistemas de combustion para combustible utilizando oxigeno con el IPR integrado para sacar el maximo provecho de los beneficios de estos sistemas. Tambien se anticipa que los ajustes o las modificaciones de los equipos existentes tambien proporcionaran muchos de estos beneficios tanto para el operador (por ejemplo, utilidad) como para el medio ambiente.

Claims

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10

15

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25

30

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40

45

50

55

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65

REIVINDICACIONES

1. Un metodo de combustion y de extraccion de contaminantes integrado que comprende las etapas de:

proporcionar un horno que tiene al menos un quemador y que esta configurado para evitar esencialmente la introduccion de aire;

proporcionar un suministro de ox^geno (15) para suministrar ox^geno a dicho al menos un quemador a una pureza predeterminada superior al 21 por ciento;

proporcionar un suministro de combustible a base de carbono (14) para suministrar un combustible a base de carbono a dicho al menos un quemador;

limitar un exceso bien del oxigeno o del combustible a base de carbono hasta menos del 5 por ciento mas alla de la proporcion estequiometrica;

controlar la combustion del combustible a base de carbono (14) para producir una temperatura de la llama en un exceso de 1650 °C (3000 grados F) y una corriente de gas de combustion que contiene CO2 y otros gases, y que esta sustancialmente exenta de compuestos gaseosos producidos por combustion que contienen nitrogeno no portado por el combustible;

dirigir dicha corriente de gas de combustion (26) a un sistema de extraccion de contaminantes integrado que incluye al menos un intercambiador de calor de contacto directo (28, 40) dispuesto en serie con al menos un compresor (36, 46, 48, 54);

extraer multiples contaminantes, incluyendo contaminantes solubles y particulas atrapadas, asi como vapores condensables en un solo proceso previo a la descarga de dicho gas de combustion en la atmosfera mediante:

poner en contacto directo el gas de combustion con un liquido de refrigeracion (30) en el al menos un intercambiador de calor (28, 40) para producir una corriente de liquido cargada de contaminantes (32) que incluye contaminantes solubles y particulas atrapadas y una corriente de gas de combustion separada; descargar (32, 74) dicho liquido cargado de contaminantes;

tras la salida del al menos un intercambiador de calor de contacto directo (28, 40), cargar la corriente de gas de combustion separada (34, 44) en el al menos un compresor (36, 46, 48, 54) para comprimir la corriente de gas de combustion separada con el fin de producir vapores condensables y gases no condensables; condensar dichos vapores condensables por medio de un condensador (58); secuestrar y extraer los vapores condensados;

filtrar dichos gases no condensables por medio de un filtro de mercurio (64) y; acumular los gases no condensables del filtro de mercurio (64) en un acumulador (66); y liberar los gases del acumulador (66) a la atmosfera.
2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, que incluye las etapas de enfriar (42) la corriente de gas de combustion separada (38) y comprimir (46) la corriente de gas de combustion separada enfriada (44).
3. Un sistema de combustion de tipo oxigeno-combustible y de extraccion de contaminantes integrado que comprende:

un sistema de combustion que incluye un horno que tiene al menos un quemador y que esta configurado para evitar esencialmente la introduccion de aire;

un suministro de oxigeno (18) para suministrar oxigeno a dicho al menos un quemador a una pureza predeterminada superior al 21 por ciento;

un suministro de combustible a base de carbono (14) para suministrar un combustible a base de carbono a dicho al menos un quemador;

medios para cargar el oxigeno y el combustible a base de carbono en el horno en una proporcion controlada entre si;

medios para controlar la combustion del combustible a base de carbono con el fin de producir una temperatura de la llama deseada y una corriente de gas de combustion que contenga CO2 y otros gases, y que este esencialmente exenta de compuestos gaseosos producidos por combustion que contengan nitrogeno no portado por el combustible; y

un sistema de extraccion de contaminantes para extraer multiples contaminantes en un solo proceso, incluyendo el sistema de extraccion de contaminantes:

al menos un intercambiador de calor de contacto directo (28, 40) para poner en contacto directo el gas de combustion (26) con un liquido de refrigeracion para producir una corriente de liquido cargada de contaminantes (32) que incluya contaminantes solubles y particulas atrapadas (32) y una corriente de gas de combustion separada (34, 44), configurado para descargar dicha corriente de liquido cargada de contaminantes (32);

al menos un compresor (36, 46, 48, 52, 54) para comprimir la corriente de gas de combustion separada (34, 44) y producir vapores condensables (60) y gases no condensables (62),

un condensador (58) para condensar los vapores condensables (60) de dicha corriente de gas de combustion separada (34, 44),

medios para extraer y secuestrar dichos vapores condensables (60),

un filtro de mercurio (64) para filtrar los gases no condensables (62) de dicha corriente de gas de combustion separada (34, 44) una vez eliminados dichos vapores condensables (60),

un acumulador (66) para recibir los gases no condensables (62) filtrados purgados por dicho filtro de mercurio (64) y liberar los gases a la atmosfera.

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4. El sistema integrado de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el intercambiador de calor (28, 40) se usa en una etapa de condensacion de gas a liquido para producir una corriente de condensado y en el que hay mas de una etapa de condensacion.

10 5. El sistema integrado de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el combustible a base de carbono (14) es un

combustible solido.
6. El sistema integrado de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que el combustible solido (14) es carbon.

15 7. El sistema integrado de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que el medio de control esta configurado para

controlar la combustion del combustible a base de carbono (14) con el fin de producir una temperatura de la llama en exceso de 1650 °C (3000 grados F).