MX2007010081A

MX2007010081A - Preparacion de combustible de turbina de gas y metodo de introduccion.

Info

Publication number: MX2007010081A
Application number: MX2007010081A
Authority: MX
Inventors: Raymond Francis Drnevich; Vasilis Papavassiliou
Original assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-10-17
Also published as: KR20070103781A; JP5094420B2; WO2006091379A3; JP2008530449A; CN101194090A; EP1861601B1; US7395670B1; CA2598276A1; EP1861601A2; CN100557215C; EP1861601A4; US20080168774A1; CA2598276C; KR101265355B1; WO2006091379A2; BRPI0608359A2

Abstract

Metodo para preparar e introducir combustible en los combustores (28) de una turbina de gas (20) en la cual una alimentacion conteniendo hidrocarburo (10), oxigeno (36) y vapor (35) se introducen en un reactor de oxidacion parcial catalitico (12) a una proporcion de oxigeno a carbono de entre aproximadamente 0.08 y aproximadamente 0.25 y una proporcion de agua a carbono de entre aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.5. La alimentacion conteniendo hidrocarburo contiene no menos de aproximadamente 15 por ciento en volumen en una base seca de hidrocarburos con al menos dos atomos de carbono y/o al menos aproximadamente 3 por ciento en volumen de olefinas. La alimentacion (10), oxigeno (36) y vapor (35) se introducen en el reactor (12) a una temperatura no mayor a 600 degree C para producir una corriente de producto (14) a una temperatura de entre aproximadamente 600 degree C y 860 degree C y que contiene menos de aproximadamente 0.5 por ciento de olefinas y menos de 10 por ciento de hidrocarburos con dos o mas atomos de carbono en una base seca. La corriente de producto (14) puede utilizarse como toda o una parte del combustible a la turbina de gas (20).

Description

PREPARACIÓN DE COMBUSTIBLE DE TURBINA DE GAS Y MÉTODO DE INTRODUCCIÓN Campo de la Invención La presente invención se refiere a un método para la preparación e introducción de combustible en combustores de una turbina de gas. Más particularmente, la presente invención se refiere a tal método en el cual una corriente de alimentación que contiene hidrocarburo se hace reaccionar con vapor y oxígeno en un reactor de oxidación parcial catalítica a fin de reducir el contenido de hidrocarburos pesados de tal corriente hasta niveles aceptables antes de su introducción en combustores de una turbina de gas.

Antecedentes de la Invención Las turbinas de gas se utilizan en una variedad de accesorios industriales para el suministro de energía a una carga, generalmente un generador eléctrico. Una turbina de gas consiste en un compresor para comprimir aire y un expansor para recuperar la energía proveniente del aire comprimido después de haberse calentado. El aire comprimido se caliente entonces dentro de un conjunto de combustores localizados entre el compresor y el expansor. Las turbinas de gas se diseñan para quemar una variedad de combustibles tales como gas natural, gas de petróleo licuado y gases de síntesis que contienen hidrógeno y monóxido de carbono, así como también combustibles líquidos, tales como aceite combustible #2. Adicionalmente, los gases que se producen a partir de la producción de acero, tales como gases de alto horno y gases de horno de coque también se utilizan. Los gases de alto horno se mezclan típicamente con otros gases ya que no tienen suficiente valor de calentamiento para utilizarse solos. Los gases de horno de coque contienen demasiado hidrógeno para utilizarse en conexión con sistemas de combustión de pre-mezcla pobre. Los gases de horno de coque pueden producirse con un elevado contenido de hidrocarburos que contienen dos o más átomos de carbono o un elevado contenido de olefina que pueden fracturarse térmicamente y producir depósitos de carbono en componentes de combustión de turbina de gas. Aunque la mezcla de tales gases reducirá los problemas asociados con el craqueo térmico, el grado en el cual se mezclan tales gases también actuará como una limitación en la utilización de tales gases. Existen gases de descarga producidos en refinerías, por ejemplo, gases de refinería dulces y gases de descarga del fraccionador catalítico de fluido, que similarmente contienen un alto contenido de hidrocarburos con os o más átomos de carbono y tienen el potencial de craqueo térmico. Existen problemas similares en el uso de otros tipos de gases de descarga y sub-productos producidos en otras instalaciones de producción química. Un problema adicional es que la conformación de tales gases puede variar con el tiempo y por lo tanto su uso como combustible de turbina de gas puede ser altamente problemático.

Como se discutirá, la presente invención proporciona un método en el cual los combustibles se pre-tratan en un reactor de oxidación parcial catalítica a fin de disminuir el contenido de hidrocarburos pesados de tales gases, por ejemplo, los hidrocarburos con dos o más átomos de carbono y/o contenidos de olefina altamente inaceptables hasta niveles aceptables a fin de ser utilizados como una fuente de combustible para una turbina de gas. Además, tal tratamiento también amortigua el efecto de variabilidad en la consistencia de la conformación de hidrocarburos de tales gases. Breve Descripción de la Invención La presente invención proporciona un método para la preparación e introducción de combustible en combustores de la turbina de gas. De acuerdo con el método, una corriente de alimentación que contiene hidrocarburos se introduce en un reactor de oxidación parcial catalítica junto con una corriente que contiene oxígeno y una corriente de vapor. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburos comprende no menos de aproximadamente 1 5 por ciento en volumen en una base seca de hidrocarburos con al menos dos átomos de carbono y/o al menos aproximadamente 3 por ciento en volumen de olefinas. La corriente de alimentación de hidrocarburos, la corriente que contiene oxígeno y la corriente de vapor se introducen en el reactor de oxidación parcial catal ítico a fin de que se obtenga una mezcla de reacción, antes del contacto con catalizador, que tiene una proporción de oxígeno a carbono de entre aproximadamente 0.8 y aproximadamente 0.25 y una proporción de agua respecto a carbono de entre aproximadamente 0.05 y aproximadamente 0.5. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburos se introduce en el reactor catalítico sola o en combinación con una corriente de vapor a una temperatura de no más de aproximadamente 600°C. La mezcla de reacción se hace reaccionar dentro del reactor de oxidación parcial catalítico a fin de que se produzca una corriente de producto a una temperatura de entre aproximadamente 600°C y aproximadamente 860°C. La corriente de producto tiene un contenido de hidrocarburos que consiste en metano, menor de aproximadamente 0.5 por ciento de olefinas en volumen sobre una base seca, menor de aproximadamente 10 por ciento de alcanos con dos o más átomos de carbono sobre una base seca y un contenido de hidrocarburo remanente de menos de aproximadamente 1.0 por ciento en volumen sobre una base seca de hidrocarburos diferentes de metano, alcanos y olefinas. El contenido remanente de la corriente de producto comprende hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de agua. La corriente de producto se enfría entonces e introduce en los combustores de la turbina de gas a fin de que la corriente de producto constituya al menos parte del combustible requerido para soportar la combustión dentro de los combustores. La corriente de combustible puede formarse mediante combinación de la corriente de producto, como una primer corriente de combustible, con una segunda corriente de combustible para formar una corriente de combustible combinada y así mismo enfriar, al menos en parte, la corriente de producto. La segunda corriente de combustible puede ser gas natural. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburos puede combinarse con la corriente de vapor para formar una corriente combinada. La corriente combinada se introduce en el reactor de oxidación parcial catalítico para formar la mezcla de reacción. El calor puede transferirse de manera indirecta de la corriente de producto a la corriente combinada, pre-calentando así mismo la corriente combinada y enfriando al menos en parte la corriente de producto. Una corriente de aire puede comprimirse para formar la corriente que contiene oxígeno. Una corriente de agua de reposición puede bombearse para formar una corriente de agua presurizada. La corriente de producto se templa entonces con la corriente de agua presurizada. La corriente de vapor puede producirse mediante bombeo de una corriente de agua de reposición para formar una corriente de agua presurizada. El calor se transfiere de manera indirecta desde la corriente de producto hacia la corriente de agua presurizada dentro de un termopermutador. Esto enfria la corriente de producto y forma así la corriente de vapor. Adicionalmente, una corriente que contiene oxígeno puede formarse mediante compresión de una corriente de aire, para formar así una corriente de aire comprimido.

El calor se transfiere indirectamente desde la corriente de producto hacia la corriente de aire presurizado. Esto pre-calienta ia corriente de aire comprimido y también enfría la corriente de producto. La corriente de aire puede ser una corriente de aire sangrado proveniente de una sección de compresor de la turbina de gas. En cualquier modalidad, los combustores pueden ser combustores de pre-mezcla pobre y cada uno de los combustores de pre-mezcla pobre puede tener una zona primaria de mezclado para mezclar combustible y aire del compresor a fin de obtener una mezcla de combustible y una zona de combustión secundaria corriente abajo para quemar la mezcla de combustible. Cada uno de los combustores de pre-mezcla pobre puede tener toberas de combustible primarias para alimentar una corriente de combustible primaria, que constituye parte del combustible, hacia la zona de mezclado primaria y una tobera de combustible secundaria para introducir una corriente de combustible secundaria, que constituye una parte remanente del combustible, hacia la zona de combustión secundaria y corriente debajo de las toberas de combustible primarias a fin de asegurar la estabilidad de la combustión. Cuando el hidrógeno dentro de la corriente de producto se presenta en una cantidad que es al menos aproximadamente 10 por ciento en volumen, la corriente de combustible secundaria introducida por la tobera de combustible secundaria, puede constituir a corriente de producto. La corriente de producto puede enfriarse mediante bombeo de una corriente de agua de reposición a fin de formar una corriente de agua presurizada y templar la corriente de producto con la corriente de agua presurizada. El calor también puede transferirse de manera indirecta desde la corriente de producto hacia la segunda corriente de combustible. La corriente de combustible primaria puede ser gas natural . En cualquier modalidad, la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos puede ser un gas de descarga FCC, un gas de descarga de coque, gas de horno de coque o un gas de refinería dulce.

Breve Descripción de los Dibujos Aunque la especificación concluye con reivindicaciones que señalan de manera distintiva la materia sujeto que los Solicitantes consideran como su invención, se cree que la invención se entendería mejor cuando se tome en conexión con los dibujos acompañantes, en los cuales: La Fig. 1 es una ilustración esquemática de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención; La Fig. 2 es una modalidad alternativa de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención; La Fig. 3 es una ilustración esquemática de una modalidad adicional de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención; La Fig. 4 es una ilustración esquemática de una modalidad aún adicional de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención; La Fig. 5 es una ilustración esquemática de una modalidad de un aparato para llevar a cabo un método de acuerdo con la presente invención, que se conecta con el uso de un combustor de pre-mezcla pobre; y La Fig. 6 es una ilustración esquemática de un combustor de pre-mezcla pobre del tipo que se ilustra de manera esquemática en la Fig. 6.

Descripción Detallada Con relación a la Fig. 1 , una corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 ("Corriente HC") se pre-trata en un reactor de oxidación parcial catalítico 12 ("CPOX") para producir una corriente de producto 14 que se combina con una corriente de gas natural 16 ("NG") u otra corriente de combustible que tiene un valor de calentamiento suficiente, a fin de formar una corriente de combustible 18 que se introduce como combustible en una turbina de gas 20. La turbina de gas 20 tiene una sección de compresión 22 que puede ser una serie de etapas. La sección de compresor 22 comprime una corriente de aire 24 para formar una corriente de aire de compresor 26 que se calienta por combustión de la corriente de combustible 18 en combustores 28 a fin de producir una corriente de gases de escape 30. La corriente de gases de escape 30 se introduce en una sección de turbina 32 que se conecta a una carga que puede ser un generador eléctrico. La sección de compresor 22 y la sección de expansor 32 se acoplan mecánicamente en conjunto. Los combustores 28 pueden consistir en combustores que se instalan alrededor de la sección de compresor 22 en una manera muy conocida en la materia. El expansor 32 puede dividirse en dos secciones independientes. La primer sección se encuentra sobre el mismo eje que el compresor 22 y la segunda sección se encuentra sobre un segundo eje que se conecta a una carga 34. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 tiene un contenido de hidrocarburos de al menos 15 por ciento en volumen sobre una base seca de hidrocarburos con dos o más hidrocarburos y/o al menos aproximadamente 3 por ciento en volumen de olefinas. Por ejemplo, tal corriente podría ser un gas de descarga de refinería, tal como un gas de descarga de fraccionador catalítico de fluido, un gas de descarga de coque o un gas de refinería dulce. Los gases de horno de coque que tienen un contenido elevado de hidrocarburos es otra posibilidad. Como se mencionó arriba, tal alimentación es inadecuada como un combustible para la turbina de gas 20 debido a que el contenido de hidrocarburo tiene un elevado potencial de craqueo de carbono. Con objeto de reducir el contenido de hidrocarburos antes mencionado hasta niveles aceptables, la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 se introduce en el reactor de oxidación parcial catalítico 12 junto con una corriente de vapor 35 y una corriente que contiene oxígeno 36 a fin de formar una mezcla de reactivo dentro del reactor de oxidación parcial catalítico 12 que a su vez se contacta con un catalizador. Debe observarse que la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10, la corriente de vapor 35 y la corriente que contiene oxígeno se encuentran todas a una presión suficiente para permitir que se produzca la corriente de producto 14 a una presión suficiente para combinación con la corriente de gas natural 16 o para introducción individual en combustores 28. La corriente de vapor 35 se agrega a una velocidad de entre aproximadamente .05 a aproximadamente 0.5 de la proporción de agua respecto a carbono dentro de la mezcla de reacción. La proporción de adición de vapor es importante ya que ayuda a la reformación de las olefinas y otros hidrocarburos con más de dos átomos de carbono. Demasiado vapor es indeseable debido a que un vapor excesivo también disminuirá la temperatura dentro del reactor de oxidación parcial catalítico 12 y, por lo tanto, evitará la descomposición de los hidrocarburos de mayor orden en metano, monóxido de carbono, hidrógeno y etc. Además, el vapor en exceso diluirá el contenido de combustible volumétrico de la corriente de producto. La corriente que contiene oxígeno 36, la cual puede ser aire, aire enriquecido con oxígeno u otro gas que contiene oxígeno, se agrega a una velocidad de entre aproximadamente 0.8 y aproximadamente 0.25 de proporción de oxígeno a carbono dentro de la mezcla de reacción. Esto puede hacerse mediante el uso de un tubo rociador o mezcladora estática o monolito de espuma cerámica o metálico reticulado. El monolito de espuma proporciona una trayectoria sinuosa que puede proporcionar la mezcla segura y completa del oxígeno a una caída de presión relativamente baja. Las proporciones de hidrocarburo, vapor y oxígeno pueden controlarse al controlar las velocidades de flujo de las corrientes antes mencionadas mediante, por ejemplo, válvulas no ilustradas. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburo 10 y la corriente de vapor 35 se combinan preferentemente para formar una corriente combinada 38 que se introduce en el reactor de oxidación parcial catal ítico 12 a una temperatura de no más de 600°C a fin de evitar el craqueo de hidrocarburos de mayor orden. Como podría apreciarse, las corrientes antes mencionadas podrían introducirse por separado. Aunque no se requiere, la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 puede pre-calentarse para conservar oxígeno. La temperatura de la salida del reactor de oxidación parcial catal ítico 12 se mantiene entre aproximadamente 600°C y aproximadamente 860°C para reducir preferentemente el contenido de olefinas en los hidrocarburos con dos o más átomos hasta niveles aceptables. A temperaturas de salida por debajo de aproximadamente 600°C existe insuficiente reactividad para reducir la olefina y el contenido de hidrocarburos pesados hasta niveles aceptables. A temperaturas de salida por encima de aproximadamente 860°C existe demasiado oxígeno, en otras palabras, más del necesario y además el metano y otros hidrocarburos se oxidarán en óxidos de carbono, hidrógeno y agua para reducir el valor de calentamiento de la corriente de producto 14 y, por consiguiente, su utilidad como un combustible. Si la reacción toma lugar dentro de los límites de temperatura arriba discutidos y las condiciones de alimentación de la mezcla de reacción, el oxígeno se consume totalmente y el agua se reduce hasta menos de 15 por ciento en volumen en la salida del reactor de oxidación parcial 12. Bajo tales condiciones, los hidrocarburos saturados en la alimentación reaccionaran pero a una velocidad menor que las olefinas. El peso molecular mayor de hidrocarburos con más de dos átomos de carbono también se convierte en hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y metano. En las condiciones de reacción especificadas, la corriente de producto 14 contendrá menos de aproximadamente 0.5 por ciento de olefinas en volumen sobre una base seca y menos de aproximadamente 10 por ciento en volumen sobre una base seca de alcanos con dos o más átomos de carbono. A tales temperaturas, pueden existir otros hidrocarburos pero en cantidades residuales y, en cualquier caso, menos de aproximadamente 1 por ciento en volumen sobre una base seca. El contenido remanente comprenderá metano, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de agua. Tal corriente de producto tratado 14 es adecuada para utilizarse en parte o de manera individual como un combustible para turbina de gas 20.

El reactor de oxidación parcial catalítico 12 contiene un catalizador de oxidación parcial que es preferentemente un monolito metálico cubierto con un estrato catalítico que contiene platino, rodio, paladio, níquel o rutenio. La estructura del monolito puede ser espuma reticulada, redecilla o una hoja corrugada enrollada en una configuración de espiral. Las perlas de cerámica cubiertas de catalizador o monolitos de cerámica en la forma de espuma reticulada o estructura de redecilla son otras posibilidades. Se cree que el catalizador metálico soportado tiene mejor desempeño que otros catalizadores soportados ya que tiene mejor conductividad de calor, un perfil de temperatura más uniforme que otras formas de catalizador y una menor temperatura de operación. Todos estos factores permiten la destrucción más selectiva de olefinas sin convertir demasiado de las parafínas, por ejemplo, etano en olefinas. Un catalizador útil puede obtenerse de Sud Chemie de Louisville, Kentucky, EUA, el cual se encuentra en la forma de un monolito que se vende como PC-POX 1 en FECRALY. Los datos experimentales han confirmado que las velocidades espaciales de aproximadamente 46,000 horas"1 son eficaces para la mezcla de reacción con tal catalizador para producir un producto que tiene olefina y otros hidrocarburos con contenido de más de 2 átomos de carbono que son aceptables para utilizarse dentro de una turbina de gas. Para tales propósitos, la velocidad espacial se define como la proporción de la velocidad de flujo del gas volumétrico a temperatura y presión estándares, dividida entre el valor del reactor vacío. Prácticamente, puede registrarse un tiempo de residencia mayor y por lo tanto pueden requerirse velocidades espaciales de al menos 10,000 horas'1 para que se traten ciertas alimentaciones. Con objeto de operar cualquier modalidad de la presente invención, las proporciones preliminares de agua a carbono y de oxígeno a carbono y las temperaturas de salida deseadas por obtenerse, pueden determinarse mediante técnicas de simulación conocidas para una alimentación dada. La conformación de la alimentación puede determinarse mediante cromatografía de gas. Los ajustes más finos a tales proporciones, velocidades de alimentación y etc. , pueden hacerse en el campo mediante análisi s de la corriente de producto 14. Tales ajustes más finos pueden involucrar el muestreo y análisis de la corriente de producto 14 mediante el uso de cromatografía de gas. Preferentemente, pueden desarrollarse datos suficientes a fin de que el desempeño pudiera predecirse sin análisis mediante cromatografía de gas. Existen posibles aplicaciones para la presente invención, en las cuales la corriente producto 14 se utiliza como el único combustible para la turbina de gas 20. Esto dependería, por supuesto, de su valor de calentamiento y de la compatibilidad con el combustor de la turbina de gas 28. En la mayoría de los casos, la corriente de producto 14 se utilizará como un adjunto y, por consiguiente, se mezclará con otra corriente de combustible, por ejemplo, la corriente de gas natural 16. Sin embargo, ya que los hidrocarburos de coqueo potencial se han controlado hasta niveles similares a aquellos encontrados en el gas natural, tales corrientes tratadas como corriente de producto 14 pueden utilizarse en cantidades mayores a las contempladas en la técnica anterior. Como se mencionó arriba, las turbinas de gas pueden diseñarse para funcionar en gases de proceso, tales como gases de horno de coque, tomando en cuenta que los hidrocarburos más pesados se retiran mediante depuración. Los niveles elevados de hidrocarburos de mayor peso molecular, especialmente olefinas, pueden formar carbono dentro de combustores de turbina de gas y dar como resultado la erosión y bioincrustación de los componentes de turbina de gas y la emisión de "humo" en los gases de escape de la turbina de gas. Sin embargo, la cantidad de variación del valor de calentamiento para un diseño de sistema de combustible dado se encuentra limitada. Las toberas de combustible se diseñan para operar dentro de velocidades de flujo volumétrico, específicas. Los rangos en los valores de calentamiento pueden acomodarse al incrementar o disminuir el área de tobera de combustible o la temperatura del gas. Para un combustor existente diseñado para un combustible tal como gas natural, el área de la tobera de gas combustible se encuentra fija. La temperatura del combustible puede ajustarse para mantener la corriente de combustible 18 dentro de la densidad de energía deseada para propósitos de control de la turbina de gas. Una medida de la inter-cambiabilidad de los combustibles de gas para un diseño de sistema dado es el índice Wobbe. El índice Wobbe es igual a una proporción del valor de calentamiento inferior del combustible y la raíz cuadrada de un producto de la gravedad específica del combustible con relación al aire y la temperatura del combustible. Típicamente, el combustible se suministra a una temperatura que no excede más o menos de 5 por ciento del índice Wobbe. Por consiguiente, en situaciones de retro-ajuste o situaciones en las cuales la turbina de gas no se modifica, la corriente de producto 14 o una mezcla que incluye corriente de producto 14, por ejemplo, corriente de combustible 18, se utiliza en una manera que cumpla con el índice Wobbe del diseño de un combustor de turbina de gas en particular. Los grados de libertad que determinarán el uso de la corriente de producto 14 son su composición y temperatura y, si se mezclan, la composición y temperatura de la mezcla o, por ejemplo, la corriente de combustible 18. En una situación en la cual la corriente de producto 14 está por usarse sola, su temperatura puede ajustarse a través de intercambio térmico con corrientes de reacción para el reactor de oxidación parcial catalítico 12 y, si es necesario, mediante enfriamiento adicional . En caso de mezcla, puede obtenerse un control de temperatura adicional o único mediante control de las velocidades de flujo de la corriente de producto 14 y la otra corriente de combustible, por ejemplo, corriente de gas natural 16. El menor valor de calentamiento de la mezcla también puede controlarse al controlar las velocidades de flujo. En la práctica, la composición de la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 puede variar para variar, a su vez, la composición y temperatura de la corriente de producto 14 y, por consiguiente, cualquier índice Wobbe calculado. Como se indicó arriba, si la composición y temperatura de la corriente de producto 14 se controla, entonces el control de la mezcla de las corrientes es un asunto simple y directo de control de las velocidades de flujo de las dos corrientes. En la mayoría de las situaciones operacionales , el uso de la oxidación parcial catalítica amortiguará las variaciones de alimentación ya que tal reacción preferentemente retira los hidrocarburos más pesados que son las variables más probables en la alimentación. No obstante, en general, todo lo que se requiere es controlar la temperatura de la mezcla una vez que se selecciona una proporción de mezcla mediante el uso de los controles de pre-calentamientos de combustible de turbina. Si se requiere control adicional debido a variabilidad en la composición de la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10, puede obtenerse un grado de control más fino limitando la cantidad de corriente de producto 14 que se mezcla con la corriente de gas natural 6 hasta menos de aproximadamente diez por ciento. Por supuesto, este puede ser el curso de acción menos deseable. Un control más deseable es amortiguar las variaciones de alimentación mediante operación del reactor de oxidación parcial catalítico 12 con una proporción ligeramente mayor de oxígeno respecto a carbono que el mínimo requerido para mantener olefinas a menos de 0.5 por ciento y otros hidrocarburos con más de dos átomos de carbono en menos de 10 por ciento. El oxígeno en exceso para tales propósitos puede encontrarse entre aproximadamente 10 por ciento y aproximadamente 15 por ciento más que la cantidad mínima requerida. Esto es suficiente para controlar un incremento de 10 a 30 por ciento en la composición de un solo componente, por ejemplo, etileno, en el gas de alimentación. Además, es importante controlar la cantidad de combustible suministrada a la turbina de gas para adecuarse a los requerimientos de combustible para una condición operativa de la turbina de gas dada. Esto puede llevarse a cabo mediante monitoreo de la composición de la corriente que contiene hidrocarburos 10, nuevamente mediante cromatografía de gas y mediante el uso de los resultados de tal monitoreo para establecer la velocidad de flujo a fin de adecuarse a los requisitos de la turbina de gas. Tal operación del reactor de oxidación parcial catalítica 12 amortiguará esencialmente las variaciones de alimentación a fin de que no den como resultado diferencias sustanciales en el índice Wobbe y los requisitos de combustible de la turbina de gas puedas suministrarse de manera consistente. Una estrategia aún adicional para el control de la reacción dentro del reactor de oxidación parcial catalítico 12 en respuesta a las variaciones de alimentación es ajustar la proporción de oxígeno a carbono y la proporción de vapor a carbono a fin de que la temperatura de salida del reactor de oxidación parcial catalítico 12 se mantenga dentro de una ventana muy angosta. El mantenimiento de la temperatura en una ventana angosta dará como resultado una escasa variabilidad de composición dentro de la corriente de producto 14. La variación de alimentación puede dar como resultado que se presente más o menos carbón en la alimentación que contiene hidrocarburo 10. Si el contenido de carbono en la alimentación que contiene hidrocarburos 10 se incrementa, si, por ejemplo, se incrementa la concentración de etileno en la alimentación y no se toma acción correctiva alguna, entonces la temperatura de la corriente de producto 14 disminuirá. Sucederá lo opuesto si el contenido de carbono en la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 disminuye. Las variaciones de temperatura conducirán a fluctuaciones en la composición, lo cual afectará la temperatura y el valor de calentamiento de la corriente de producto 14, la cual entonces se mezclará con la corriente de gas natural de turbina. Prácticamente, con objeto de mantener constantes las proporciones de vapor a carbono y de oxígeno a carbono, puede controlarse la velocidad de flujo de la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10. Por ejemplo, si se incrementa l a concentración de carbono de la alimentación, puede disminuirse el flujo de la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10, por ejemplo, mediante una válvula de control, con objeto de mantener igual la proporción de carbono a oxígeno y la proporción de vapor a carbono y finalmente la temperatura de la corriente de producto 14 en el rango deseado. Esta acción contrarrestará la disminución de temperatura que tendría la mayor concentración de alimentación de carbono a fin de que la temperatura permanezca dentro de la ventana angosta. El mantener la temperatura dentro de 5 a 15 grados de un punto fijo es suficiente. El punto de temperatura fijo a mantenerse se determina sobre una base de caso por caso ya que dependerá de la composición promedio de la corriente de alimentación que contiene hidrocarburo 10 y, como se mencionó arriba, se encontrará entre aproximadamente 600°C y aproximadamente 860°C. Como puede apreciarse por aquellos expertos en la materia, podría utilizarse una combinación de los diferentes esquemas de control . Además, tal combinación o cualquiera de los esquemas de control mencionados con anterioridad podría implementarse manualmente ya que, prácticamente, ocurren variaciones de alimentación durante un periodo de tiempo suficientemente largo. Por supuesto, es posible el control automatizado. Con relación a la Fig. 2, se ilustra una modalidad alternativa de la Fig. 1 que tiene la ventaja de pre-calentar la corriente combinada 38 mientras reduce la temperatura de la corriente de producto 14 hasta niveles aceptables y de ayudar a cumplir el índice Wobbe de los combustores 28 y mejorar así el grado hasta el cual puede utilizarse la corriente de producto 14 como reposición para la corriente de combustible 18. Como se ilustra, un termopermutador 46 pre-calienta la corriente combinada 38 mientras enfría la corriente de producto 14. La corriente combinada pre-calentada 38 tiene la ventaja adicional de disminuir el uso de oxígeno requerido a fin de mantener la temperatura de salida del reactor y mantener el contenido adecuado de hidrocarburos. Con relación a la Fig. 3, se proporciona un control de temperatura alterno mediante bombeo de una corriente de agua de reposición 48 formada de agua des-ionizada ("DI") con una bomba 50 para producir una corriente presurizada 52 que se encuentra a una presión suficiente para introducirse en una torre de templado 54 ("Templado") junto con la corriente de producto 14. Como resultado, la corriente de producto 14 se encontrará a una menor temperatura después de su combinación con la corriente de gas natural 16 y contendrá vapor de agua que tenderá a disminuir las emisiones de NOx de la turbina de gas 20 y proporcionará ligeramente más masa por expandirse en la sección de turbina 32. La corriente que contiene oxígeno en esta modalidad, así como cualquier modalidad, puede ser una corriente de aire 56 que se comprime por un compresor 58 para producir una corriente de aire comprimido a fin de servir como la corriente que contiene oxígeno 36. La corriente que contiene oxígeno 36 se introduce junto con la corriente de alimentación que contiene hidrocarburo 10 y la corriente de vapor 34 en el reactor de oxidación parcial catalítico 12. La compresión de la corriente de aire 56 es requerida ya que, como se indica arriba, la corriente de vapor 34 y la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 se obtienen a presión. Ya que el calor de la compresión no se retira de la corriente de aire comprimido que forma la corriente que contiene oxígeno 36, puede ayudar a suministrar calor a la mezcla de reacción por consumirse dentro del reactor de oxidación parcial catalítico 12 a fin de ayudar a reducir la utilización de oxígeno. La Fig. 4 ilustra una modalidad de la presente invención en la cual una corriente de agua de reposición 62 se bombea mediante la bomba 64 para producir una corriente presurizada 66 que es de una presión suficiente que cuando se introduzca en un quemador 68 u otro dispositivo de intercambio térmico, la corriente de vapor 34 se encontrará a suficiente presión para combinarse, a su vez, con la corriente que contiene hidrocarburo 10. La corriente combinada resultante 38 se introduce en el reactor de oxidación parcial catalítico 12. La corriente de producto 14 intercambia calor de manera indirecta con la corriente presurizada 66 dentro del quemador 68 a fin de elevar el vapor y, como resultado, enfriarse para formar una corriente de producto parcialmente enfriado 14a. La corriente de producto parcialmente enfriado 14a se enfría entonces adicionalmente dentro del termopermutador 72 para producir una corriente de producto enfriado 14b que se combina con la corriente de gas natural 16. Al mismo tiempo, una corriente de aire 74 se' comprime por un compresor 76 para producir una corriente de aire comprimido 78 que se calienta dentro del termopermutador 80 contra el enfriamiento de la corriente de producto parcialmente enfriado 14a a fin de producir la corriente que contiene oxígeno 36 que se calienta y así mismo puede servir para calentar la mezcla de reacción a reaccionar dentro del reactor de oxidación parcial catalítico 12.

La Fig. 5 ilustra una modalidad alternativa de la Fig. 3 en la cual una corriente de aire sangrado 26a se extrae de la corriente de compresor 26. La corriente de aire sangrado 26a se comprime además por el compresor 82 y se introduce directamente en el reactor de oxidación parcial catalítico 12. Esta modalidad ayuda a reducir el deber de compresión de la compresión separada proporcionada por el compresor 58. Debe observarse que los combustores 28 pueden ser combustores de difusión o combustores de pre-mezcla pobre también conocidos como combustores bajos en Nos, secos. En los combustores de difusión, la mezcla de combustible/aire y la combustión toman lugar de manera simultánea en una zona de combustión primaria. En los combustores de pre-mezcla pobre, el combustible y el aire se mezclan en una etapa de mezcla inicial o primaria. La mezcla resultante se alimenta entonces en una etapa de combustión secundaria donde toma lugar la combustión. Existe una variedad de técnicas conocidas de etapas de aire y de combustible que se utilizan en tales combustores. Los combustores de pre-mezcla pobre son particularmente sensibles al contenido de hidrógeno y las variaciones composicionales del combustible y el uso de los combustibles con un contenido de hidrógeno en o por encima de aproximadamente diez por ciento en volumen son problemáticos en tales combustores. Con relación a la Fig. 6, se ilustra una modalidad adicional alternativa que es particularmente adecuada para utilizarse con un combustor de pre-mezcla pobre 28' donde el contenido de hidrógeno de la corriente de producto 14 es diez por ciento y mayor. La modalidad ilustrada es algo similar a la ilustrada en la Fig. 3 excepto que la corriente de gas natural 16 se pasa de manera concurrente a través de un termopermutador 84 que actúa para enfriar la corriente de producto 14 mientras calienta la corriente de gas natural 16. Como se discutirá posteriormente, la corriente de gas natural 16 y la corriente de producto 14 se alimentan por separado al combustor de pre-mezcla pobre 28'. Con relación a la Fig. 7, el combustor de pre-mezcla pobre 28' está provisto con una zona de mezcla primaria 86 en la cual el aire y el combustible se mezclan en proporciones que dil uyen el combusti ble. El combustible se quema dentro de una zona de combustión secundaria 88 y se enfría dentro de una zona de enfriamiento 90. El combustor de pre-mezcla pobre 28' está provisto con un revestimiento de combustión 92 que tiene ranuras 94 para introducción de aire en la dirección de las fechas. Parte de l a corriente de aire comprimido 26 entra al combustor de pre-mezcl a pobre 28' como una corriente "A" y , típicamente, otra parte "B" se utiliza para propósitos de enfriamiento. La corriente de gas natural 16 se introduce en las toberas de combustible primarias 92. La corriente de producto 14 se introduce en la tobera de combusti bl e secundaria 94 donde el contenido de hidrógeno de la corriente no es particularmente sensible. Como se mencionó arriba, los combustores 28 podrían ser combustores de pre-mezcla pobre, tales como el combustor de premezcla pobre 28' con partes de la corriente de combustible 18 introduciéndose tanto en la tobera de combustible primaria 92 como en la tobera de combustible secundaria 94. Además, incluso en un caso en que la corriente de producto 14 tenga un contenido de hidrógeno inadecuadamente elevado y a aproximadamente por encima de diez por ciento, la mezcla de la corriente de producto 14 con la corriente de gas natural 16 podría disminuir el contenido de hidrógeno de la corriente de combustible 18 sobre una base volumétrica a fin de permitir que tal corriente mezclada se inyecte en ambas toberas de combustible, primaria y secundaria, 92 y 94, respectivamente. Un ejemplo calculado se llevó a cabo para un típico combustor de pre-mezcla pobre diseñado para operar con un combustible de gas natural a una temperatura de gas de aproximadamente 204°C. Este ejemplo calculado se discutirá con respecto a la modalidad de la presente invención ilustrada en la Fig. 2. La composición de gas natural se da en la Tabla abajo establecida. El reactor de oxidación parcial catalítico 12 se simuló como un reactor Gibbs. El índice Wobbe del gas natural a 100°C es de aproximadamente 45.625 calculado mediante medios convencionales. Como se indicó arriba, una turbina de gas puede aceptarse como gas con un índice Wobbe dentro de 5 por ciento del valor de diseño o en el rango de entre aproximadamente 43.343 y aproximadamente 47.907 en caso de gas natural a la temperatura antes mencionada. En el ejemplo, la corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 se forma de un gas de descarga de refinería típico, producido por un fraccionador catalítico de fluido. La corriente de alimentación que contiene hidrocarburos 10 tiene una composición dada en la Tabla, abajo establecida, y una velocidad de flujo de aproximadamente 5 por ciento de la velocidad de flujo volumétrico de la corriente de gas natural 16. La corriente de vapor 34, que tiene una velocidad de flujo de aproximadamente 10 por ciento de la velocidad de flujo volumétrico de la corriente que contiene hidrocarburo 10 y una temperatura de aproximadamente 250°C, se mezcla con la corriente de alimentación que contiene hidrocarburo 10 para producir la corriente combinada 38 que, a su vez, se alimenta al reactor de oxidación parcial catalítico 12 que opera a una presión de aproximadamente 300 psig. Una corriente que contiene oxígeno 36 de oxígeno sustancialmente puro que tiene una velocidad de flujo que es de aproximadamente 7 por ciento de la velocidad de flujo volumétrico de la corriente que contiene hidrocarburo 10 y una temperatura de aproximadamente 21 °C, también se introduce en el reactor de oxidación parcial catalítico 12. La temperatura de la corriente de producto 14 se calcula a 720°C y tiene una composición también establecida en la Tabla 1 .

La corriente de producto 14 se enfría en el termopermutador 46 y se mezcla con la corriente de gas natural 16 que tiene una temperatura de aproximadamente 20°C a fin de producir la corriente de combustible 18 por alimentarse como combustible en los combustores 28. La composición de la corriente de combustible 18 se menciona en la última columna de la Tabla 1. La corriente de combustible 18 se controla a una temperatura de aproximadamente 80°C, lo cual se encontraría por encima del punto de condensación para agua en tal corriente y procesaría un í ndice Wobbe calculado de 43.557, el cual se encuentra en el rango de los límites de índice Wobbe de gas natural arriba establecidos. Gomo puede apreciarse, tal cálculo podría utilizarse como una medida del ajuste preliminar a las proporciones de vapor y oxígeno respecto a carbono arriba mencionadas. Tabla Aunque la presente invención se ha descrito con relación a una modalidad preferida, como ocurrirá con aquellos expertos en l a materia, pueden hacerse numerosos cambios, adiciones y omisiones sin apartarse del espíritu y alcance de la presente invención.

Claims

REIVINDICACION ES 1 . Un método para preparar e introducir combustible en combustores de una turbina de gas, caracterizado dicho método porque comprende: introducir, en un reactor de oxidación parcial catalítico, una corriente de alimentación que contiene hidrocarburo que comprende no menos de aproximadamente 15 por ciento en volumen sobre una base seca de hidrocarburos con al menos dos átomos de carbono y/o al menos aproximadamente 3 por ciento en volumen de olefinas junto con una corriente que contiene oxígeno y una corriente de vapor a fin de que se obtenga una mezcla de reacción dentro del reactor de oxidación parcial catalítico, antes del contacto con catalizador, teniendo una proporción de oxígeno a carbono de entre aproximadamente 0.08 y aproximadamente 0.25 y una proporción de agua a carbono de entre aproximadamente 0.05 y aproximadamente 0.5; introduciéndose la corriente de alimentación que contiene hidrocarburo en el reactor catalítico sola o en combinación con la corriente de vapor a una temperatura no mayor de aproximadamente 600°C; reaccionar dicha mezcla de reacción dentro del reactor de oxidación parcial catalítico a fin de que se produzca una corriente de producto a una temperatura de entre aproximadamente 600°C y aproximadamente 860°C, teniendo la corriente de producto un contenido de hidrocarburo que consiste en metano, menor de aproximadamente 0.5 por ciento de olefinas en volumen sobre una base seca, de menos de aproximadamente 10 por ciento de alcanos con dos o más átomos de carbono sobre una base seca y menos de aproximadamente 1 por ciento en volumen sobre una base seca de hidrocarburos diferentes del metano, alcanos y olefinas y comprendiendo un contenido remanente, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de agua; enfriar la corriente de producto; e introducir la corriente de producto en los combustores a fin de que la corriente de producto constituya al menos parte del combustible requerido para soportar la combustión dentro de los combustores.
2. El método según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha corriente de alimentación que contiene hidrocarburo es un gas de descarga de FCC, un gas de descarga de coque, gas de refinería dulce, o gas de horno de coque.
3. El método según la reivindicación 1 , caracterizado porque la corriente de combustible se forma al combinar la corriente de producto, como una primer corriente de combustible, con una segunda corriente de combustible, para enfriar así al menos en parte la corriente de producto mediante intercambio térmico directo.
4. El método según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende además: combinar la corriente de alimentación que contiene hidrocarburo con la corriente de vapor para formar una corriente combinada; introducir la corriente combinada en el reactor de oxidación parcial catalítico; y transferir indirectamente el calor proveniente de la corriente de producto a la corriente combinada, para pre-calentar así la corriente combinada y para enfriar al menos en parte la corriente de producto.
5. El método según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende además: comprimir una corriente de aire para formar la corriente que contiene oxígeno; bombear una corriente de agua de reposición para formar una corriente de agua presurizada; y templar la corriente de producto con la corriente de agua presurizada. 6 El método según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende además producir la corriente de vapor al bombear una corriente de agua de reposición para formar una corriente de agua presurizada y transferir de manera indirecta el calor proveniente de la corriente de producto a la corriente de agua presurizada dentro de un termopermutador, para enfriar así la corriente de producto y para formar la corriente de vapor. 7. El método según la reivindicación 6, caracterizado porque comprende además formar la corriente que contiene oxígeno mediante compresión de una corriente de aire para formar una corriente de aire comprimido y transferir indirectamente el calor proveni ente de la corriente de producto a la corriente de ai re comprimido, pre-calentando así la corriente de aire comprimido y enfriando también la corriente de producto. 8. El método según la reivindicación 6, caracterizado porque la corriente de aire es una corriente de aire sangrado proveniente de una sección de compresor de la turbina de gas . 9. El método según la reivindicación 3, caracterizado porque la segunda corriente de combustible es gas natural . 1 0. El método según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque dichos combustores son combustores de pre-mezcla pobre. 1 1 . El método según la reivi ndicación 1 0, caracterizado porque cada uno de dichos combustores tiene una zona de mezcla primaria para mezclar el combustible y ai re de compresor para obtener una mezcla de combustible, una zona de combustión secundaria corriente abajo para quemar la mezcla de combusti ble, toberas de combustible primarias para alimentar una corriente de combustible pri maria, que constituye parte del combusti ble, haci a la zona de mezcla primaria y una tobera de combusti ble secundari a para introducir una corriente de combustible secundaria, que constituye una parte remanente del combustible, en la zona de combustión secundaria y corriente debajo de las toberas de combustible pri mari as para estabilizar la combustión. 1 2. El método según la reivindicación 1 1 , caracterizado porque: la corriente de producto contiene al menos aproximadamente 10 por ciento en volumen de hidrógeno; y la corriente de combustible secundaria introducida por la tobera de combustible secundaria constituye la corriente de producto. 13. El método según la reivindicación 12, caracterizado porque la corriente de producto se enfría al : bombear una corriente de agua de reposición para formar una corriente de agua presurizada; templar la corriente de producto con la corriente de agua presurizada; y transferir indirectamente el calor proveniente de la corriente de producto a la segunda corriente de combustible. 14. El método según la reivindicación 13, caracterizado porque la corriente de combustible primaria es gas natural.