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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.17 n.6 La Serena  2006

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642006000600021 

 

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 CmHnNsSr. 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 CmHnNsSr. 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:

CmHnNsSr + AO2+ BH2O ® νCOCO + νH2H2 + νCO2CO2+ νCH4 CH4+ νNN+ νH2SH2S+ νH2OH2O

(1)

H2O + C ® H2 + CO

(2)

2H2 + C ® CH4

(3)

H2O + CH4 ® 3H2 + CO

(4)

H2O + CO Û H2 +CO2

(5)

donde A, B y νi 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:

(6)

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:

CO + ½ O2 ® CO2

(7)

CH4 + 2O2 ® 2H2O + CO2

(8)

H2S + 3/2 O2 ® H2O + SO2

(9)

2H + ½ O2 ® H2O

(10)

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 (ηIGCC) de 40.56 %. El consumo de energía en la planta de separación del aire (Wcrig) 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 (Waux) 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, Welec 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.

Flujos en el Gasificador (kg/s)

Syngas crudo

21.51

Sólidos

0.28

Azufre recuperado

3.80

Gases totales

982.01

Flujo de emisiones (kg/s)

CO2

74.63

SO2

0.15

H2O

49.62

N2

712.91

O2

143.62

Ar

1.02

NO

0.06

Rendimientos del Sistema

Welec [MW]

356.4

Wcriog [MW]

74.5

Waux[MW]

3.5

ηIGCC[%]

40.56

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

(% mol)

Tecnólogo

 

Texaco

Shell

Predicción

CO

53.3

63.9

28.63

H2

32.5

25.8

33.35

CO2

12.2

3.1

35.53

CH4

0.1

0.014

0.8

N2

0.5

5.5

0.3

H2S+COS

1.4

1.59

2.11

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.

Planta

Wgenerada (MW)

Eficiencia (%)

Wabash

290.0

41.2

Tampa

317.0

38.9

Bulggeum

283.0

43.0

Elcogas

320.4

42.2

Simulación

356.4

40.5

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

Anand A.K.,  Jahnke F. C. y  Olson, R.R. Jr., “High efficiency quench gasification combined cycle with integrated air separation”, 11th Conference on Gasification Power Plants, 1-16, San Francisco, California (1992).        [ Links ]

BOC Gases, [fecha de consulta: 17 de mayo de 2004], http://www.boc.com, (2004).        [ Links ]

Chen, C., Horio, M., y Kojima, T., “Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers. Part I: Modeling of coal gasification in an entrained flow gasifier”, Chemical Enginnering Science, 3861-3874, 55 (2000).        [ Links ]

Falsetti, J.S., “Gasification process for maximing refinery profitability”, 1-4. Hydrocarbon Technology International (1993).        [ Links ]

Fletcher, D.F., y otros tres autores, “A CFD based combustion model of an entrained flow biomass gasifier, Applied Mathematical Modelling”, 165-182, 24 (2000).        [ Links ]

Fong, W.F. y Christensen, C.R., “Integrated gasification combined cycle for electric power generation using Texaco´s gasification technologies”, 12th U. S. Korea Joint Workshop on Energy Environment, 1-14, Taejon, Korea (1997).        [ Links ]

Holt, N., “IGCC Power Plants-EPRI Design & Cost Studies”, EPRI/GTC Gasification Technologies Conference, 1-14, Palo Alto, California (1998).        [ Links ]

Holt, N., “Operating experience and improvement opportunities for coal-based IGCC plants”, EPRI, 1-5, (2003).        [ Links ]

Martínez, E. E., “Estudio de Tecnologías Potencialmente Utilizables para la Combustión de Coque de Petróleo de la Refinería de Cadereyta”, Tesis de Maestría, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, México D.F., México (2000).        [ Links ]

Phillips, J.N. y Mahagoakar, U., “Shell coal gasification process recent results on low ash feedstocks, including petroleum coke”, Gasification Symposium, 1-6, México, D.F., México (1995).        [ Links ]

Reed, C.L., y Kohre, C.J., “Make Syngas by Partial Oxidation”, Hydrocarbon Processing, 191-194 (1979).        [ Links ]

Rhodes, A.K., “Kansas Refinery starts up Coke Gasification Unit”, Oil and Gas Journal, 1-4, August 5 (1996).        [ Links ]

Semarau, K.T., “Practical Process Design of particulates scrubbers”, Industrial Air Pollution Engineering, V. Casseno, McGraw Hill (1980).        [ Links ]

United States Environmental Protection Agency (EPA), [fecha de consulta: 21 de agosto de 2004], http://www.epa.gov/omswww/ (2004).        [ Links ]

Vicente, W. y otros tres autores, “An Eulerian Model for the Simulation of an Entrained Flow Coal Gasifier”, Applied Thermal Enginnering, 23, 1993-2008 (2003).        [ Links ]

Yuehong, Z., Hao, W. y Zhihong, X., “Conceptual design and simulation study of a cogasifcation technology”, Energy Conversion and Management, 1416-1428, 47 (2006).        [ Links ]

Yung C. S., Barbarika, H.F., y Calvert, S., “Pressure Loss in Venturi Scrubbers”, Journal of the Air Pollution Control Association, 348-351, 27 (1977).        [ Links ]

Zheng, L. y Furinsky, E., “Comparasion of Shell, Texaco, BGL and KWR gasifiers as a part of IGCC Plant Computer Simulations”, Energy Conversion and Management, 1767-1779, 46, (2005).        [ Links ]

Zuideveld, P.L. y otros tres autores, “Initial Operation of Shell Pernis residue gasification proyect”, Gasification Technologies Conference, 1-10, (1998).        [ Links ]

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