用于在包括固體氧化物燃料電池的發電設備中的可持續生產能量的方法
【專利說明】用于在包括固體氧化物燃料電池的發電設備中的可持續生 產能量的方法
[0001] 本發明涉及如權利要求1的前序部分所指出的用于可持續生產能量的方法。
【背景技術】
[0002] 國際能源署（IEA)已將能量效率定義為減少溫室氣體（GHG)的最重要步驟之一 (參見IEA's Blue Map Scenario 2010)。此外，電力行業和許多能量密集型工業行業（例 如鐵和鋼、鋁、硅、硅鐵、水泥等）中的CCS(碳捕集與封存）的成功開發和應用潛在地代表 了電力生產和工業中的直接大規模減少GHG排放的最重要選項。
[0003] 公布號W0 2004/025767 (Vik等人）公開了由含烴流發電的設備。根據一個實施方 案，將固體氧化物燃料電池（S0FC)用于發電。該工藝包括重整燃料從而生產氫氣，然后將 其與其它組分分離，以將純的氫氣用作燃料電池的進料。可以在所述工藝中通過石灰（CaO) 吸收劑在氫氣生產反應器直接捕集在重整期間產生的C02。將在該工藝中形成的固體碳酸 鈣（CaC03)轉移至吸收劑再生反應器。可以將在該工藝中形成的C02(參見反應II)儲存或 用于其中需要C02的工藝中。Vik等人的工藝針對其中不需要過量的熱和其中電力和氫氣 聯產的高效率是首要目的的應用。
[0004] W0 2011/078681 A1教導了允許由不管是化石還是生物來源的含碳燃料（固體或 氣體）的成本和能量有效的可持續回收和生產能量的方法。該方法提供了有效的C02捕集， 并且允許以電力、氫氣和熱的形式高度通用地生產能量。在該方面的"通用性"應理解為這 些能量形式的量的比例可以通過簡單地改變工藝中的參數而在寬的限度內變化。該公布還 在其中將CaO用于捕集C02的工藝中將固體氧化物燃料電池用于生產能量。在該工藝中將 CaO轉變為0&〇)3并隨后在進一步在下文描述的也被稱為鈣循環的次級封閉循環工藝中再 生。
[0005] 將石灰（CaO)用于捕集C02。然后在約650°C (650°C ±150°C )的溫度形成碳 酸鈣（CaC03)/石灰石（碳酸化工藝，參見以下反應）。將所述碳酸鈣（CaC03)轉移至 另一反應器用于吸收劑再生（煅燒工藝）。在該工藝步驟中，將所述碳酸鈣加熱至超過 800°C (800°C_950°C)的溫度，在再生石灰吸收劑（CaO)的同時釋放C02。然后將吸收劑 (CaO)轉移至C02捕集反應器。
[0006]
[0007] 鈣循環相比于更接近市場的(：02捕集方案具有許多優點（參見Chemical Engineering Research and Design 89(2011)， Review:The calcium looping cycle for C02capture from power generation, cement manufacture and hydrogen production, Dean et al.)。Ca循環的燃燒后應用可應用于由天然氣（CH4)、氣化煤（合成 氣）的電力生產和用于一定范圍的不同高溫工業工藝。然而，需要致力于能量優化（采用 相同的能量輸入生產更多的電力）、能量有效的C02捕集（通過Ca循環方法）和利用來自 尚溫工業如鐵/鋼、錯、娃、娃鐵、水泥、制造等的廢熱的新技術。
[0008] 發明目的
[0009] 本發明的目的在于進一步改進根據W0 2004/025767和W02011/078681 A1的發明 的方法，提供甚至更加成本和能量有效的方法。
[0010] 發明簡述
[0011] 上述目的通過如權利要求1所限定的本發明得以滿足。
[0012] 本發明的優選實施方案由從屬權利要求公開。
[0013] 如本領域技術人員將要看到那樣，本方法保留了上文評論的在先發明的有利特 征，但是包括與其它產生高溫的煙道氣工藝的組合，使得整個工藝甚至更加成本和能量有 效。
[0014] 因此，將其中CaO轉化成CaC03的碳捕集工藝的放熱特性用于進一步升高高溫煙 道氣的溫度，使得該煙道氣對于隨后的能量回收利用而言甚至更有用。
[0015] 可持續性仍然是整個工藝的關鍵詞和共同特征。
[0016] 本文中所使用的"另一工藝"應理解為主要獨立于在S0FC中的能量生產運行和典 型地進行來用于生產機械物品如鐵、鋼、水泥等的工藝。同樣地，所述"另一工藝"將典型地 是本身已知但沒有在本文上下文中出現的工藝。
[0017] 發明詳述
[0018] 下文參考所附的附圖闡釋本發明的不同實施方案，其中：
[0019] 圖1給出了不具有C02捕集設施的聯合循環的燃氣發電設備的示意圖。
[0020] 圖2給出了涉及電力生產的本發明的示意圖。
[0021] 圖3和3a給出了涉及來自高溫工業（如鐵/鋼、鋁、硅、硅鐵、其它金屬、水泥等） 的廢氣的具有總體co2捕集的本發明的示意圖。
[0022] 圖4給出了涉及與氫氣生產結合的電力生產的本發明的示意圖。
[0023] 圖5和5a給出了涉及來自高溫工業（如鐵/鋼、鋁、硅、硅鐵、其它金屬、水泥等） 的廢氣的具有總體整合的〇)2捕集的與氫氣生產結合的本發明的示意圖。
[0024] 圖6顯示了在圖3中所示的實施方案的變型，在較低的溫度提供廢氣。
[0025] 與聯合循環的燃氣電廠的簡單的（通常的）略圖（圖1)相比，圖2闡釋了與由對 聯合的燃氣電力設施相同的燃料輸入生產更多電力（電）結合的用于〇)2捕集的成本有效 和能量有效的方法。圖2顯示了將天然氣（CH4)或合成氣和空氣進料至燃氣輪機，為市場生 產電力/電。將具有C02(3-5% )的熱的廢氣（大約500°C )轉移至反應器（流化床），在 其中使精細粉末熱石灰（CaO)與C02反應以形成碳酸鈣。該反應（Ca0+C02-CaC0 3)是放 熱的（具有AH° = +178kJ/mol，Dean，C.等人，2011)并且導致殘余氣體（主要是N2、02) 的溫度升高（500°C- 700°C或更高），并且因此通過已知的技術提供了另外的能量以驅動 蒸汽循環（生產更高壓力的蒸汽）。來自燃天然氣的電廠的煙道氣中的C02濃度典型地為 3-5%，提供大約160°C _260°C的溫度上升。來自燃粉煤的電廠的煙道氣中的0)2濃度典型 地為10-15%，提供大約480°C _660°C的溫度上升。來自整合的氣化聯合循環電廠的煙道氣 中的〇)2濃度典型地為30_32%，提供超過1000°(：的溫度上升。在后兩種情況下，0)2捕集 將不得不采用整合的冷卻/熱交換進行或在兩個或更多個步驟中進行以將溫度保持足夠 低以使吸收成為可能。當溫度升高至給定C02濃度的平衡溫度時，吸收將會停止。表1中 給出了反應CaC03- Ca0+C0 2的平衡。
[0028] 表1 :吸收平衡溫度和壓力
[0029] 將在C02捕集反應器（碳酸化器）中形成的碳酸鈣轉移至煅燒器（參見圖2)，根 據以下反應式用于CaO吸收劑的再生并釋放0)2用于儲存或使用：
[0030] CaC03-Ca0+C0 2〇
[0031] (出于簡化的原因，圖2中沒有示出熱交換以冷卻來自煅燒器的熱CaO(至 650±150°C)和在煅燒工藝之前預熱CaC03)。煅燒所必需的熱根據本發明通過固體氧化 物燃料電池（S0FC，參見圖2)而不是例如煤的氧化燃燒（Dean等人，2011)來提供。可以 將天然氣用作S0FC的主要能量來源（參見圖2)。然而可選的可能性還有其它氣體，如在 (TO2011/078681Al，Raaheim和Vik)中建議的合成氣或氫氣（在不同實施方案中使用）。
[0032] 設置來自S0FC的0)2捕集以通過來自燃料電池的陽極廢氣中的燃料的剩余部分 在純氧中的燃燒而進行。氧氣可以通過使用氧氣栗獲得。值得注意的是，與通過更常規的 方法（W0 2011/078681 Al，Raaheim和Vik)的5至10%的減少相比，該〇)2捕集方法使效 率降低了 2-3%。
[0033] 朝向最大生產熱（50-70% )和最小生產電（30-50% )的方向引導或設置S0FC的 性能。由S0FC生產熱將會與Ca循環工藝所需的熱能或來自燃氣輪機的熱的廢氣中的C02的量一致。將聯產的電連同通過燃氣和蒸汽輪機生產的電力一起輸送到市場（參見圖2)。
[0034] 然而，存在其它高溫工業情況（