Información Tecnológica-Vol. 17 N°6-2006, pág.: 141-146

MODELADO Y SIMULACION

Simulación de un Sistema de Gasificación Integrado a un Ciclo Combinado

Simulation of an Integrated Gasifier Combined Cycle System

Eliseo Martínez, William Vicente* y Martín Salinas-Vázquez
Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad Universitaria, 04510 México D.F.-México (e-mail: wvicenter@ii.unam.mx)

* autor a quien debe ser dirigida la correspondencia

Resumen

Se presenta la aplicación de un modelo numérico para simular un sistema de gasificación integrado a un ciclo combinado. El modelo considera un enfoque global para cada uno de los equipos del sistema y una condición de equilibrio químico para la composición del gas de síntesis. El combustible que se utiliza es coque de petróleo y se caracteriza de la forma C_mH_nN_sS_r. Los balances de materia y energía aplicados al sistema se resuelven mediante el método de Gauss-Jordan. Los resultados se comparan con datos de plantas en operación. El análisis comparativo muestra que la metodología para la evaluación técnica de sistemas de gasificación integrados a ciclos combinados es aceptable.

Palabras clave: gasificación, simulación, ciclo combinado, coque de petróleo, gas de síntesis

Abstract

A numerical model is used for simulating an integrated gasifier combined cycle system. The model considers a general approach for each piece of equipment in the system and the chemical equilibrium for the composition of the syngas. Coke is used as the fuel, and is described by the form C_mH_nN_sS_r. Mass and energy balances are solved using the Gauss-Jordan method. The results were compared with data obtained from plants in operation. The comparative analysis showed that the evaluation methodology for the integrated gasifier combined cycle system was acceptable.

Keywords: gasification, simulation, combined cycle, petroleum coke, syngas

INTRODUCCIÓN

La gasificación es un proceso químico en el cual las partículas de combustible se queman parcialmente para formar una mezcla de gases: CO, H₂, H₂S+COS, CH₄, CO₂, con partículas inquemadas, denominado gas de síntesis (Matar, 1982). Este gas pasa por un sistema de limpieza para su incorporación a ciclos de potencia, esquemas de cogeneración, procesos de refinación de petróleo, etc. Un ejemplo de un sistema de gasificación integrado al ciclo combinado (IGCC) se muestra en la Figura 1. El proceso inicia con la oxidación parcial del combustible en el gasificador (IV). El producto de las reacciones químicas es el gas de síntesis crudo a alta temperatura (GSC). El gas es enfriado en un Intercambiador de calor (V), donde se produce vapor saturado de alta presión. Este vapor es utilizado posteriormente para calentamiento del gas de síntesis saturado (VIII). El flujo de gases fríos (GSF) pasa a un sistema de remoción de partículas, que se realiza mediante un lavado húmedo (VI). Las partículas removidas son tratadas en una unidad de separación de carbón (F), donde se remueve la escoria para su recirculación al gasificador. El flujo de gases limpios de materia sólida (GSL) pasa a un sistema de conversión de COS a H₂S mediante un proceso de hidrólisis en una torre de absorción empacada (B). Posteriormente, los gases pasan a un proceso Rectisol (C) de separación de H₂S y CO₂. Los gases separados: H₂S y CO₂, son enviados al proceso Claus (E) para la recuperación de azufre. Los gases limpios (GSR) son mezclados con líquido saturado proveniente del economizador de media presión (MP). El proceso de saturación del gas de síntesis limpio, se realiza en un saturador (D) para minimizar la formación de NOx. El gas de síntesis saturado (GSS) se mezcla con el nitrógeno (VII) proveniente de la planta de separación de aire (A). El flujo de gases total (GST) se calientan (VIII) con vapor saturado de alta presión (AP) proveniente del sistema de enfriamiento del gasificador. El vapor utilizado se condensa y retorna al evaporador de AP. El gas de síntesis saturado y calentado (GSTC) se integra al ciclo Brayton, donde se genera electricidad y un elevado flujo de gases a presión ligeramente mayor a la atmosférica. Estos gases a alta temperatura son utilizados en un recuperador de calor sin postcombustión (XV) para la generación de vapor de alta y media presión. Finalmente, el vapor generado se utiliza en las turbina de vapor (XVI) del ciclo Rankine.

La mayoría de los trabajos en gasificación se enfocan principalmente en los fenómenos fisicoquímicos que ocurren en el proceso de gasificación para predecir la formación del gas de síntesis (Fletcher et al., 2000; Chen et al., 2000, Vicente et al., 2003; y Yuehong et al.,  2006). Pocos trabajos están enfocados en simulaciones de Sistemas de Gasificación Integrados a Ciclos Combinados (Zheng y Furinsky, 2005). Zheng y Furinsky (2005) realiza la simulación de un sistema IGCC que utiliza carbón mineral como combustible y se consideran 4 tipos de gasificadores comerciales.

El objetivo del presente trabajo es analizar numéricamente este sistema de gasificación integrado a un ciclo combinado. El combustible utilizado es coque de petróleo. De acuerdo al análisis comparativo con datos de plantas en operación, la metodología propuesta resulta aceptable.

METODOLOGÍA DE CÁLCULO

El gasificador se analiza termoquímicamente para predecir la formación de especies del gas de síntesis. El análisis se realiza mediante el planteamiento del balance atómico en la reacción principal (ecuación (1)). Esta reacción se acompaña de las constantes de equilibrio para las reacciones homogéneas y heterogéneas (ecuaciones (2) a (5)). El análisis termoquímico proporciona un sistema de ecuaciones no lineales, que se resuelve con el método numérico de Newton-Rapson. Las reacciones consideradas son:

donde A, B y ν_i son los coeficientes estequiométricos del oxígeno,  vapor de  agua y  de los productos, respectivamente.

Fig. 1: Sistema de gasificación integrado al ciclo combinado (IGCC).

Las constantes de equilibrio se determinaron mediante la siguiente relación:

donde k, R, T y ∆H⁰ son la constante de equilibrio, la constante universal de los gases, la temperatura y la entalpía de formación o calor de reacción respectivamente. El sub-índice 1 esta referido a condiciones estándar. El valor de la constante k₁ se obtiene con la energía libre de Gibbs (Smith, et al., 1996).

El análisis hidrodinámico al lavador Venturi considera la evaluación de la caída de presión que tiene el gas de síntesis y la energía consumida por el equipo. El método que se utiliza para calcular la caída de presión es el propuesto por Yung, et al. (1977). La energía consumida por este equipo se determina por el método sugerido por Semarau (1980).

El análisis estequiométrico del sistema total de limpieza del gas de síntesis se complementa con datos reportados por las refinerías de “Pernis” y “El Dorado”. En el proceso de conversión de gases ácidos se considera que todo el COS se convierte en H₂S (Rhodes, 1996, y Reed y Kohre, 1979). En el proceso Rectisol, se considera un porcentaje de separación de H₂S y CO₂ del 98% (Anand, et al., 1992; y Fong y Christensen, 1997). En el proceso Claus, se considera que la separación de azufre de la corriente de H₂S es de 99% (Zuideveld, et al., 1998). La energía consumida por los equipos se  determina a  través de experiencias industriales en plantas de gasificación (Holt, 1998).

La turbina de gas se analiza termodinámicamente para evaluar las condiciones de salida de los gases de combustión. Esto se lleva a cabo, considerando la teoría desarrollada para el ciclo de potencia Brayton. La formación de especies que se emiten al medio ambiente se determinan usando la suposición de equilibrio químico para la mezcla de gases. Las reacciones que se utilizan en este sistema son:

La planta de separación de aire se analiza termodinámicamente para evaluar los flujos de aire utilizado y de nitrógeno producido, de acuerdo con el requerimiento de oxígeno en el gasificador. La energía consumida en la planta de separación se determina con datos reportados industrialmente (BOC Technologies, 2004).

El análisis del ciclo combinado contempla los balances de materia y energía involucrados en cada proceso del ciclo. El recuperador de calor se analiza con la tecnología “Pinch-point” para maximizar los rendimientos térmicos. La integración del método “Pinch” con los balances de materia y energía se corroboraron con la finalidad de evitar cruces térmicos. Los resultados obtenidos en las fases anteriores se integran y modelan a diferentes condiciones de operación. La metodología utilizada para realizar tal propósito es la propuesta por Martínez, 2000. Para el modelado del sistema se utilizó el software comercial Matlab. La simulación se efectuó en una computadora Pentium 4 a 1.2 MHz.

RESULTADOS

Los resultados de la Simulación global del sistema IGCC se muestran en la Tabla 1. La simulación se realizó para un consumo de 27.63 kg/s de coque de petróleo. En el análisis se consideró una composición, en fracción másica, de 81.32% de carbono, 2.87% de hidrógeno, 0.88% de nitrógeno, 6.16% de azufre, 0.32% de cenizas, 0.45% de oxígeno y 8% de humedad, así como un poder calorífico inferior de 31802.3 kJ/kg.

En la Tabla 1 se observa un rendimiento total del sistema IGCC (η_IGCC) de 40.56 %. El consumo de energía en la planta de separación del aire (W_crig) representa el 17.35 % con respecto a la energía total generada en el sistema (434.4 MW). El consumo de energía de los equipos involucrados en todo el proceso de limpieza de gases (W_aux) representa el 0.8 %.

Por lo tanto, se concluye que la planta de separación de aire impacta considerablemente al rendimiento del sistema IGCC. En la Tabla 1, W_elec se refiere a la potencia neta generada por el sistema global.

Las emisiones de óxidos de azufre y de nitrógeno están por debajo de las normas ambientales (EPA, 2004). Las emisiones de dióxido de carbono, nitrógeno, vapor de agua y oxígeno libre representan en conjunto el 99.8 % del flujo de gases totales, que confirma esta tecnología como adecuada para el aprovehamiento de residuos energéticos. Las predicciones del gas de síntesis producido en el gasificador y los datos reportados por algunos tecnólogos (Phillips y Mahagoakar, 1995; y Falseti, 1993) se muestran en la Tabla 2.

Tabla 1: Resultados de la simulación numérica del sistema IGCC.

Tabla 2: Comparación de las predicciones del Gas de síntesis
con datos experimentales.

En la Tabla 1 se observan variaciones entre lo reportado experimentalmente y lo calculado. Estas diferencias se deben, principalmente, a la suposición de que la mezcla de gases está en equilibrio químico. Los rendimientos predichos para la planta se compararon con datos reportados para algunos sistemas IGCC (Holt, 2003), los cuales se presentan en la tabla 3. las predicciones muestran resultados aceptables.

Tabla 3: Rendimientos de diversos Sistemas IGCC.

CONCLUSIONES

Comparaciones con datos experimentales, muestran que las predicciones de las especies en el gasificador se calculan aceptablemente. En la simulación se observaron incongruencias en la formación de especies con algunas reacciones secundarias. Por lo tanto, una adecuada selección de las reacciones secundarias es importante para la obtención de resultados fiables. Una alternativa para mejorar las predicciones del gas de síntesis es el planteamiento de un análisis detallado del proceso de combustión/gasificación.

En los resultados se muestra que el proceso de separación del aire impacta considerablemente el rendimiento del sistema. Por lo tanto, una manera de mejorar el rendimiento de los sistemas IGCC es la eliminación de esta planta. Por ello, se propone como trabajo futuro, un análisis detallado de sistemas de lecho fluidizado circulante, que utilizan aire como comburente, y no oxígeno puro, como el de la planta analizada.

La simulación produce resultados, que por comparación con datos experimentales, son suficientemente aceptables. Por lo tanto, este modelo permite su uso para el diseño de estrategias de operación de sistemas IGCC.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por la DGAPA-UNAM, bajo el proyecto IN106702.

REFERENCIAS

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