用于在包括固体氧化物燃料电池的发电设备中的可持续生产能量的方法
【专利说明】用于在包括固体氧化物燃料电池的发电设备中的可持续生 产能量的方法
[0001] 本发明涉及如权利要求1的前序部分所指出的用于可持续生产能量的方法。
【背景技术】
[0002] 国际能源署（IEA)已将能量效率定义为减少温室气体（GHG)的最重要步骤之一 (参见IEA's Blue Map Scenario 2010)。此外，电力行业和许多能量密集型工业行业（例 如铁和钢、铝、硅、硅铁、水泥等）中的CCS(碳捕集与封存）的成功开发和应用潜在地代表 了电力生产和工业中的直接大规模减少GHG排放的最重要选项。
[0003] 公布号W0 2004/025767 (Vik等人）公开了由含烃流发电的设备。根据一个实施方 案，将固体氧化物燃料电池（S0FC)用于发电。该工艺包括重整燃料从而生产氢气，然后将 其与其它组分分离，以将纯的氢气用作燃料电池的进料。可以在所述工艺中通过石灰（CaO) 吸收剂在氢气生产反应器直接捕集在重整期间产生的C02。将在该工艺中形成的固体碳酸 钙（CaC03)转移至吸收剂再生反应器。可以将在该工艺中形成的C02(参见反应II)储存或 用于其中需要C02的工艺中。Vik等人的工艺针对其中不需要过量的热和其中电力和氢气 联产的高效率是首要目的的应用。
[0004] W0 2011/078681 A1教导了允许由不管是化石还是生物来源的含碳燃料（固体或 气体）的成本和能量有效的可持续回收和生产能量的方法。该方法提供了有效的C02捕集， 并且允许以电力、氢气和热的形式高度通用地生产能量。在该方面的"通用性"应理解为这 些能量形式的量的比例可以通过简单地改变工艺中的参数而在宽的限度内变化。该公布还 在其中将CaO用于捕集C02的工艺中将固体氧化物燃料电池用于生产能量。在该工艺中将 CaO转变为0&〇)3并随后在进一步在下文描述的也被称为钙循环的次级封闭循环工艺中再 生。
[0005] 将石灰（CaO)用于捕集C02。然后在约650°C (650°C ±150°C )的温度形成碳 酸钙（CaC03)/石灰石（碳酸化工艺，参见以下反应）。将所述碳酸钙（CaC03)转移至 另一反应器用于吸收剂再生（煅烧工艺）。在该工艺步骤中，将所述碳酸钙加热至超过 800°C (800°C_950°C)的温度，在再生石灰吸收剂（CaO)的同时释放C02。然后将吸收剂 (CaO)转移至C02捕集反应器。
[0006]
[0007] 钙循环相比于更接近市场的(：02捕集方案具有许多优点（参见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循环的燃烧后应用可应用于由天然气（CH4)、气化煤（合成 气）的电力生产和用于一定范围的不同高温工业工艺。然而，需要致力于能量优化（采用 相同的能量输入生产更多的电力）、能量有效的C02捕集（通过Ca循环方法）和利用来自 尚温工业如铁/钢、错、娃、娃铁、水泥、制造等的废热的新技术。
[0008] 发明目的
[0009] 本发明的目的在于进一步改进根据W0 2004/025767和W02011/078681 A1的发明 的方法，提供甚至更加成本和能量有效的方法。
[0010] 发明简述
[0011] 上述目的通过如权利要求1所限定的本发明得以满足。
[0012] 本发明的优选实施方案由从属权利要求公开。
[0013] 如本领域技术人员将要看到那样，本方法保留了上文评论的在先发明的有利特 征，但是包括与其它产生高温的烟道气工艺的组合，使得整个工艺甚至更加成本和能量有 效。
[0014] 因此，将其中CaO转化成CaC03的碳捕集工艺的放热特性用于进一步升高高温烟 道气的温度，使得该烟道气对于随后的能量回收利用而言甚至更有用。
[0015] 可持续性仍然是整个工艺的关键词和共同特征。
[0016] 本文中所使用的"另一工艺"应理解为主要独立于在S0FC中的能量生产运行和典 型地进行来用于生产机械物品如铁、钢、水泥等的工艺。同样地，所述"另一工艺"将典型地 是本身已知但没有在本文上下文中出现的工艺。
[0017] 发明详述
[0018] 下文参考所附的附图阐释本发明的不同实施方案，其中：
[0019] 图1给出了不具有C02捕集设施的联合循环的燃气发电设备的示意图。
[0020] 图2给出了涉及电力生产的本发明的示意图。
[0021] 图3和3a给出了涉及来自高温工业（如铁/钢、铝、硅、硅铁、其它金属、水泥等） 的废气的具有总体co2捕集的本发明的示意图。
[0022] 图4给出了涉及与氢气生产结合的电力生产的本发明的示意图。
[0023] 图5和5a给出了涉及来自高温工业（如铁/钢、铝、硅、硅铁、其它金属、水泥等） 的废气的具有总体整合的〇)2捕集的与氢气生产结合的本发明的示意图。
[0024] 图6显示了在图3中所示的实施方案的变型，在较低的温度提供废气。
[0025] 与联合循环的燃气电厂的简单的（通常的）略图（图1)相比，图2阐释了与由对 联合的燃气电力设施相同的燃料输入生产更多电力（电）结合的用于〇)2捕集的成本有效 和能量有效的方法。图2显示了将天然气（CH4)或合成气和空气进料至燃气轮机，为市场生 产电力/电。将具有C02(3-5% )的热的废气（大约500°C )转移至反应器（流化床），在 其中使精细粉末热石灰（CaO)与C02反应以形成碳酸钙。该反应（Ca0+C02-CaC0 3)是放 热的（具有AH° = +178kJ/mol，Dean，C.等人，2011)并且导致残余气体（主要是N2、02) 的温度升高（500°C- 700°C或更高），并且因此通过已知的技术提供了另外的能量以驱动 蒸汽循环（生产更高压力的蒸汽）。来自燃天然气的电厂的烟道气中的C02浓度典型地为 3-5%，提供大约160°C _260°C的温度上升。来自燃粉煤的电厂的烟道气中的0)2浓度典型 地为10-15%，提供大约480°C _660°C的温度上升。来自整合的气化联合循环电厂的烟道气 中的〇)2浓度典型地为30_32%，提供超过1000°(：的温度上升。在后两种情况下，0)2捕集 将不得不采用整合的冷却/热交换进行或在两个或更多个步骤中进行以将温度保持足够 低以使吸收成为可能。当温度升高至给定C02浓度的平衡温度时，吸收将会停止。表1中 给出了反应CaC03- Ca0+C0 2的平衡。
[0028] 表1 :吸收平衡温度和压力
[0029] 将在C02捕集反应器（碳酸化器）中形成的碳酸钙转移至煅烧器（参见图2)，根 据以下反应式用于CaO吸收剂的再生并释放0)2用于储存或使用：
[0030] CaC03-Ca0+C0 2〇
[0031] (出于简化的原因，图2中没有示出热交换以冷却来自煅烧器的热CaO(至 650±150°C)和在煅烧工艺之前预热CaC03)。煅烧所必需的热根据本发明通过固体氧化 物燃料电池（S0FC，参见图2)而不是例如煤的氧化燃烧（Dean等人，2011)来提供。可以 将天然气用作S0FC的主要能量来源（参见图2)。然而可选的可能性还有其它气体，如在 (TO2011/078681Al，Raaheim和Vik)中建议的合成气或氢气（在不同实施方案中使用）。
[0032] 设置来自S0FC的0)2捕集以通过来自燃料电池的阳极废气中的燃料的剩余部分 在纯氧中的燃烧而进行。氧气可以通过使用氧气栗获得。值得注意的是，与通过更常规的 方法（W0 2011/078681 Al，Raaheim和Vik)的5至10%的减少相比，该〇)2捕集方法使效 率降低了 2-3%。
[0033] 朝向最大生产热（50-70% )和最小生产电（30-50% )的方向引导或设置S0FC的 性能。由S0FC生产热将会与Ca循环工艺所需的热能或来自燃气轮机的热的废气中的C02的量一致。将联产的电连同通过燃气和蒸汽轮机生产的电力一起输送到市场（参见图2)。
[0034] 然而，存在其它高温工业情况（