CN1037941C - 利用和回收燃烧废气中二氧化碳的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及从燃烧装置的矿物燃料燃烧废气中回收二氧化碳气体的方法，其中将燃料气体供给熔融碳酸盐燃料电池的阳极室，并将氧化性气体供给燃料电池的阴极室，将出自燃烧装置的燃烧废气作为部分氧化性气体供给阴极室，使燃烧废气中的CO2在阴极上同氧化性气体中的O2发生反应，生成碳酸根离子，使此碳酸根离子透过燃料电池的电解质，到达阳极，使碳酸根离子在阳极上同燃料气体中的氢发生反应，生成CO2和H2O，阳极上所产生的含CO2和H2O的阳极废气从阳极室排出，将H2O从阳极排出气中分离掉，并回收高浓度CO2气体。

Description

利用和回收燃烧废气中二氧化碳的方法和装置
本发明涉及利用和回收矿物燃料(如煤)的燃烧废气中所含二氧化碳的方法和装置，以图在该燃烧废气排入大气以前除去其中所含的二氧化碳气体。
使用矿物燃料的燃烧装置排出燃烧废气其中含有大量二氧化碳，特别是用煤、液化天然气(LNG)和石油的热电站所产生的废气或由燃气涡轮发电机组所产生的废气，其量甚大，同时，由热电站产生的废气中的所含二氧化碳也很惊入。按照惯例，热电站产生的大量废气被排入大气，其中所含的二氧化碳不予回收。近来，已提出各种回收二氧化碳的方法。例如，有人提出将该废气排入公海或将其变成有用物质再循环使用。
下表说明热电站排出的二氧化碳量对装机容量和所产生能量的关系。表中所用装机容量和所产生能量的数值，是按1985年的实际结果制定的1995年发电站建造规划而确定的。
        装机容量     产生的能量           二氧化碳排放率
        (×104KW)   (×108KWH)  Nm3/KWH  ×108Nm3 比率
煤        2300           990        0.42       416       32.1
液化天    4300           1660       0.24       398       30.8
然气
石油      5100           1660       0.30       480       37.1
合计      11700          4250                  1294      100
如上表所示，燃煤的热电站排出0.42Nm3/KWH二氧化碳，燃烧液化天然气的热电站排出0.24Nm3/KWH二氧化碳，而燃烧石油的热电站排出0.3Nm3/KWH二氧化碳，由此证明，这些热电站都排出大量二氧化碳。
如上所述，由于大量二氧化碳从热电站排入大气，发自地球表面的长波长辐射被所排放的二氧化碳吸收。这阻止了长波长辐射穿透大气层，从而使地球表面和低层大气变热，并导致温室效应和环境污染问题。作为防止温室效应的措施，回收热电站排放的二氧化碳是绝对必要的，并且其有效回收方法已有人作了研究。但是，如上所述，由热电站排出的二氧化碳颇为巨大，通常，燃料气体中所含的SOx和NOx浓度仅很小(至多150-200ppm)，而二氧化碳的浓度据说为数十万ppm。可以相信，采用现行脱除技术(如废气脱硫法或脱氮法)处理二氧化碳是不可能的，而且至今还未研制出在大量空气稀释条件下回收二氧化碳的经济方法。至于被推荐为二氧化碳处置方法之一的将二氧化碳排入大海的方法，须将以某种方式回收的二氧化碳经液化后排入海中，这又会在回收、液化和将二氧化碳运送到海面时，产生额外耗费电能的问题。
本发明的一个目的是，提供一种用来回收矿物燃料燃烧装置所排燃烧废气中含有的二氧化碳，以将释入大气的二氧化碳量减到最小程度的方法和装置。
本发明的另一个目的是，提供一种利用燃烧废气中所含二氧化碳进行熔融碳酸盐燃料电池的电池反应的方法和装置。
本发明一方面提供从矿物燃料燃烧废气中回收二氧化碳的方法，其中使用熔融碳酸盐燃料电池及烃水蒸汽转化装置，所述燃料电池具有阳极、阳极室、阴极、阴极室及电解质，所述烃水蒸汽转化装置具有转化室及燃烧室，所述烃水蒸汽转化装置与熔融碳酸盐燃料电池的阳极室出口相连，该方法包括：
将燃料气体供入燃料电池的阳极室，并将氧化性气体供入阴极室；
将燃烧废气作为部分氧化性气体供入阴极室；
使燃烧废气中的CO2在阴极上，同氧化性气体中的O2发生反应，产生碳酸根离子；
使碳酸根离子通过燃料电池的电解质，并到达阳极；
使碳酸根离子在阳极上同燃料气体中的氢发生反应，产生CO2和H2O；
从阳极室排出在阳极上产生的阳极废气，该气体含有CO2、H2O、未反应的H2，以及CO；
该方法的特征在于，
从烃水蒸汽转化装置的燃烧室中排出的阳极废气中分离出H2O，并回收高浓度的CO2气体。
本发明还提供了利用和回收矿物燃料燃烧废气中二氧化碳气体的方法，该方法包括：
将矿物燃料燃烧废气与空气混合，将该混合气体作为氧化性气体供给熔融碳酸盐燃料电池的阴极室；
将燃料气体供给熔融碳酸盐燃料电池的阳极室；
使燃烧废气中的二氧化碳与氧化性气体中的氧气在阴极上发生反应，生成碳酸根离子，使该碳酸根离子透过熔融碳酸盐燃料电池的电解质，并抵达阳极，使该碳酸根离子与燃料气体中的氢在阳极上发生反应，生成二氧化碳和水；
从阳极室释出阳极废气，该阳极废气含有在阳极上生成的二氧化碳和水；以及
从阳极废气中分离水，以回收高浓度的二氧化碳气体。
本发明还提供进行上述方法用的装置，该装置包括：
熔融碳酸盐燃料电池，其包括多个组合在一起的电池单元，每个电池单元又包括浸透熔融碳酸盐的电解质片、阳极、阳极室、阴极及阴极室，其中电解质片夹在阳极和阴极之间；
将燃料气体供入放燃料电池的阳极室之中的管线；
将氧化性气体供入燃料电池的阴极室之中的管线；
将燃烧装置中燃烧产生的气体-燃烧废气供入阴极室的管线；
其特征在于，该装置进一步包括从阳极废气中分离出H2O并回收CO2的装置。
附图简要说明：
图1是说明本发明一个实施方案的装置示意图；
图2是说明本发明另一个实施方案的装置示意图；
图3是说明本发明又一个实施方案的框图；
图4是具体说明图3中部分装置的例图；
图5是说明本发明再一个实施方案的简图；
图6举例说明图5中的一部分；
图7是本发明另一个实施方案的示意图；
图8举例说明本发明另一个实施方案的示意图；
图9表示废气与空气的摩尔比以及二氧化碳回收率的控制范围；图10是说明烃水蒸气转化装置燃烧室出口处氧的速率和图9中控制范围内二氧化碳的减少比率的曲线图。
下面将参照附图，进一步说明本发明的实施方案。
图1中，电解质片(电解质极板)1包含浸透多孔物质，作电解质用的熔融碳酸盐，它固定在阴极(氧电极)C和阳极(燃料电极)A之间，在阴极C上形成阴极室2，用以引入含有二氧化碳、水和氮气的氧化性气体，在阳极A上形成阳极室3，用以引入含有氢气、二氧化碳和水的燃料气体。每个燃料电池单元由电解质片1、阴极C、阳极A、阴极室2和阳极室3构成。熔融碳酸盐燃料电池FC由多层电池单元叠合而成。
熔融碳酸盐燃料电池系统I与使用矿物燃料的燃烧装置II联合，也即，燃烧装置II的燃烧废气管线5与氧化性气体供给管线4相连。管线4与熔融碳酸盐燃料电池FC中阴极室2的供料侧相连，从而可将矿物燃料燃烧废气G作为部分氧化气体CG供入阴极室2。烃水蒸气转化装置6的转化室6a，通过燃料气体管线7与阳极室3相连，以将在烃水蒸气转化装置中转化过的燃料气体AG供入阳极室3。另一方面，阳极室3的排气侧通过阳极废气管8与烃水蒸气转化装置6的燃烧室6b相连。甲烷(CH4)和水蒸汽(H2O)通过供料管线15作为燃料供入烃水蒸汽转化装置6的转化室6a，在转化室6a中转化后再供入阳极室3。在阳极室3中反应产生的二氧化碳和水，以及未反应的氢气作为阳极废气排入阳极废气管线8。数字9表示气-液分离器，它通过管线10与烃水蒸气转化装置6相连，从而将烃水蒸汽转化装置6中转化室6b所释放的阳极废气(二氧化碳，水)中含的水分离掉。该气液分离器9还通过管线12与冷凝器11相连，该冷凝器将经气液分离器9分离掉水后的二氧化碳冷凝，从而使二氧化碳得以冷凝并同氮气分离，而且将二氧化碳以液体状态加以回收。数字13表示将空气或纯氧供到阳极废气管线8中的管线，数字14表示与阴极室2的排气侧相连的阴极废气管线。
除了二氧化碳和氧气作为氧化性气体CG被引入延伸到阴极室2的氧化性气体供料管线4以外，还通过燃烧废气管5将已待排入大气的矿物燃料燃烧废气G供给阴极室2，从而将燃烧废气G中所含的二氧化碳用作部分氧化性气体。
使供入燃料电池FC阴极室2中的燃烧废气G中所含二氧化碳，在阳极C上与氧化性气体一起发生如下反应：
……    (1)并转变成碳酸根离子(CO3 2-)。该碳酸根离子CO3 2-从阴极C电泳迁移到电解质片1之中，并抵达阳极A。
另一方面，在烃水蒸气转化装置6中转化过的燃料气体从燃料气体供料管线7供入阳极室3。因而，使供到阳极室3的燃料气体AG与碳酸根离子CO3 2-接触，在阳极A上产生如下反应：
………    (2)二氧化碳和氢气从阳极A释放到阳极室3，阳极室3以阳极废气形式释出二氧化碳和水，阳极废气中还含有未反应的氢气。该阳极废气与经管线13供给的空气或纯氧混合。空气或纯氧的量足以使氢气燃烧。在燃烧室6b中用空气或纯氧使该阳极废气燃烧。管线13在管线8连到烃水蒸汽转化装置6中燃烧室6b的行程中，与管8相连。该阳极废气可用作烃水蒸汽转化装置的热源。由燃烧室6b排出二氧化碳和水，并经管线10导入气液分离器9。在分离器9中分离掉水，排出二氧化碳供回收。在此情况下，倘若要以液体状态回收二氧化碳，则通过管线12将二氧化碳导入冷凝器11中进行冷凝。为使回收效果更好，可使回收后的二氧化碳进行反应。例如，使回收后的二氧化碳与镁或钙反应，生成氧化镁(MgO)或氧化钙(CaO)。MgO可用作催化剂、吸附剂、镁氧水泥和药物，而CaO可用作炉子和坩埚的内衬，建筑材料和土壤调节剂。可使回收后的二氧化碳与碳酸钠(Na2CO3)和H2O反应，生成碳酸氢钠(2NaHCO3)。该碳酸氢钠可用作灭火剂、药品、清洁剂和焙烤粉。此外，可使回收后的二氧化碳与氧化钙(CaO)反应，生成碳酸钙(CaCO3)。碳酸钙可用作工业原料，牙齿修补料和药物。
在燃烧废气CG的回收过程中，使阴极C端产生的碳酸根离子CO3 2-透过电解质片1抵达阳极A，并通过在阳极A上的反应，向阳极室3释放二氧化碳和水，致使阴极C向周围释放电子，从而使其电位比周围高。相反，阳极A接收周围的电子，从而使其电位比周围低。由于阴极C和阳极A之间的电位差，而产生电能。
图2说明本发明的另一个实施方案，它显示这样一种情况：废气热量要废弃时，利用废气作烃水蒸气转化装置6的热源。也就是说，当烃水蒸汽转化装置6所需的热由阳极废气以外的任何其它来源产生时，将高温燃烧废气从矿物燃料管线16供到燃烧室6b中，并将空气从管线16供到燃烧室6b，使之在燃烧室6b中燃烧，并从废气管线17排出。
阳极排气管线8与气液分离器9相连，从而使来自阳极室3的阳极废气不进入烃水蒸汽转化装置6的燃烧室6b，而直接导入气液分离器9。
在该实施方案中，同样也在分离阳极废气中的水以后，再冷凝并回收二氧化碳。
如上所述，按照本发明，矿物燃料燃烧废气中所含的二氧化碳可作为部分氧化性气体供给燃料电池的阴极，如此就不需排入大气，并且通过阴极端的反应将其以碳酸根离子的形式传递到阳极端，然后通过阳极上的反应，以二氧化碳和水的形式除去，再通过分离掉水或通过进一步浓缩二氧化碳来回收二氧化碳。这样就能避免因燃烧废气中二氧化碳排入大气而导致的的温室效应，同时不仅能产生电能，而且还能节省供给阴极的氧化性气体。
图3和4合起来，说明本发明的一个实施方案。将气化煤的熔融碳酸盐燃料电池发电装置IV与燃煤热电装置III相结合，热电置III产生的废气不需排放到大气中，而是作部分氧化性气体供给发电装置IV中的熔融碳酸盐燃料电池FC的阴极室，该废气中的二氧化碳用作阴极反应所需的二氧化碳。从含有二氧化碳的废气中分离并回收二氧化碳，从而使该燃料电池阴极室所释放废气中的二氧化碳含量降低。
采用气化煤的碳酸盐燃料电池发电装置IV包括五个分系统，即气化、气体纯化、燃料电池、残留物循环和电能转变调节诸分系统。该燃料电池系统中的熔融碳酸盐燃料电池FC如图1所示，来自热电装置III的废气通过废气利用管20直接引到阴极空间2的入口。部分燃料气体和流经循环管线22的阳极废气通过燃料气体管线21分流到阳极室3。空气供给管线23与废气利用管线20相连，阳极废气管线24通过催化燃烧器25与废气利用管线20相连接，从而，除废气以外，空气也作为氧化性气体从空气供给管线23供到阴极室2中，而从阳极室3中排出的另一部分阳极废气，则可经由催化燃烧器25从管线24供到阴极室2中。支管线26与催化燃烧器25相连，它对在催化燃烧器25中燃烧未反应的氢气或阳极废气中所含CO，供给所需的空气。由阴极室2释放的阴极废气，从排气管线27排放到大气中，而部分阳极废气通过管线28排出，以回收二氧化碳。
废气利用管线20与燃料电池FC的阴极室2相连，以引入热电装置III所排出的废气，从而将来自热电装置的大量废气作为部分氧化性气体供到燃料电池FC的阴极室2中。因此，阴极室2中进行反应所需的二氧化碳取自废气利用管20供来的废气。同时，含有稀少二氧化碳的废气通过排气管线27从阴极室2的出口释出。
于是，如前所述，假定一个1,000,000KW的燃煤热电站释放的废气中所含二氧化碳的排放率为0.42Nm3/KWH。实施本发明时，使一个500,000KW的燃煤热电装置III与一个气化煤熔融碳酸盐燃料，它消耗的煤等于500,000KW燃煤热电装置的耗煤量，联合装置的耗煤量相当于1,000,000KW燃煤热电装置所耗的煤。将热电装置III中释出的废气供给阴极室2，这就等于将含0.42Nm3/KWH二氧化碳的废气作为部分氧化性气体由热电装置III供到气化煤熔融碳酸盐燃料电池FC的阴极室2中。这样大量的二氧化碳与从空气供给管线23供给阴极室2的二氧化碳一起用于阴极室2中进行的反应式(1)所示反应，并转变成碳酸根离子CO3 2-。该碳酸根离子CO3 2-在电解质板1中电泳迁移，并传递到阳极3。在阳极端，发生反应式(2)所示的反应，阳极室3释出二氧化碳和水，其一部分被供到阴极2并用来进行反应。由于熔融碳酸盐燃料电池C发电效率高，其输出电量达650,000KW，从而加上热电装置III的电力输出500,000KW，使总输出电量可达1150,000KW。该系统不仅使其输出电量超过现有的1,000,000KW热电装置，而且还可在阴极反应中利用，可以冷凝二氧化碳的形式作为阳极废气而除出的二氧化碳。因此，由该热电发电机和熔融碳酸盐燃料电池发电装置的联合系统排入大气的二氧化碳，仅仅是未能分离和在阴极未能利用的二氧化碳，其量减少到仅为0.1Nm3/KWH。使用该系统时，释放到大气中的二氧化碳量极微。
图5和图6说明本发明的另一个实施方案。将采用液化天然气(LNG)的热电装置V与转化天然气熔融碳酸盐燃料电池发电装置IV联合安装，将热电装置V释放的废气二氧化碳在熔融碳酸盐燃料电池FC中用来发电，以分离二氧化碳，从而提高LNG热电装置V和熔融碳酸盐燃料电池发电装置IV的总输出电量，同时降低由燃料电池阴极所释放废气中的二氧化碳含量。
在转化天然气熔融碳酸盐燃料电池发电装置VI所用的燃料电池FC，与图1中的相同。阳极室3设计成能从燃料气体供给管线31接受经烃水蒸汽转化装置30中转化室30a转化过的燃料气体。阴极室2设计成能接受废气利用管线32导来的热电装置V所释的废气。由空气供给管线33引来的空气也供到阴极室2，从管线34经过废气利用管线32将烃水蒸汽转化装置30的燃烧室30b所释含二氧化碳气体供给阴极室2，经过阳极废气管线35将阳极废气供给烃水蒸汽转化装置30的燃烧室30b，而且由支管线36供入一部分空气，由废气管线37排出部分阳极废气。
在该实施方案中，如上所述，LNG热电装置V的CO2排放率为0.24Nm3/KWH，但是，由于将含有如此大量CO2的废气作部分氧化性气体从废气利用管线32供给转化天然气熔融碳酸盐燃料电池的阴极室2，通过将废气中的CO2用于阴极反应而从热电装置V排出的废气中分离CO2，就可将阴极2经由废气管线38所释废气中的CO2浓度控制到0.1Nm3/KWH。如果为图5所示，将热电装置V与转化天然气熔融碳酸盐燃料电池装置VI联合，构成一套相当于现有1,000,000KWLNG热电站的装置，热电装置V的装机容量为500,000KW，由于转化天然气熔融碳酸盐燃料电池FC的发电效率高，发电输出量可达680,000KW，总起来，输出电量可达1,180,000KW。
图7说明本发明另一种实施方案。在前述各实施方案中，热电装置和熔融碳酸盐燃料电池装置联合，并利用来自热电装置的废气中所含CO2，通过熔融碳酸盐燃料电池发电，来分离和回收CO2，从而将含有稀少CO2的气体排入大气。而在本实施方案中，使燃气涡轮发电机组VII与熔融碳酸盐燃料电池发电装置VII联合安装，燃气涡轮发电机组在高峰负荷时发电。这时，利用待释放到大气的废气作熔融碳酸盐燃料电池FC的部分氧化性气体，同时，将含少量CO2的气体排放到大气中。也即，例如，将简单开式循环燃气涡轮发电机组VII和转化天然气熔融碳酸盐燃料电池装置VIII联合，燃气涡轮发电机组VII中涡轮发动机40的废气利用管线41与熔融碳酸盐燃料电池FC中阴极室2的入口相连，使来自空气供给管线42的空气和经过管线44来自烃水蒸汽转化装置43中燃烧段43B的燃烧气体，在管线41中汇合。燃气涡轮发电机组VII，使从燃料供给管线45供到燃烧室46的燃料同从压气机47引入的空气一起燃烧，用燃烧室46释放的高温高压燃烧气体驱动涡轮发动机40，用直接与涡轮发动机40相连的发电机48发电。转化天然气熔融碳酸盐燃料电池发电装置VIII设计成可将电解质极1置于阴极C和阳极A之间，分别将氧化性气体供给阴极室2，将燃料气体供给阳极室3。天然气(CH4)和水蒸气(H2O)在烃水蒸汽转化装置43的转化段43a中转化后，供到燃料电池FC的阳极室3。将动力涡轮发动机49使之旋转的压气器50所压缩的空气供给阴极室2。由阴极室2释放的阴极废气流过阴极废气管线52，再经过压缩机59供回空气供给管42。由阴极室2释放的阴极废气流过阴极废气管线52，在被空气预热器51中的空气吸去其热量后，再将之导入动力涡轮发动机49以驱动该涡轮发动机49，再由发电机53发电。由阳极室3释放的阳极废气，通过阳极废气管线54导入烃水蒸汽转化装置43的燃烧室43b。通过管线55将空气供给燃烧室43b，用该空气使阳极废气中所含的未反应可燃气体燃烧，将烃水蒸汽转化装置43中燃烧室43b所排含CO2的气体供到阴极室2。此外，通过管线56除去部分阳极废气。通过废气管线57将来自动力涡轮发动机49的阴极废气排入大气。
由于在涡轮发动机40和阴极室2之间以一定方式装接了废气利用管线41，致使来自燃气涡轮发电机组VII中涡轮发动机40的废气被导入燃料电池FC中阴极室2的进气口，燃气涡轮发电机组VII和熔融碳酸盐燃料电池发电装置VIII联合，可同时得到由这两个装置输出的电能。数字58代表一条阴极循环管线。
在该实施方案中，假定燃气涡轮发电机组VII的电能输出为15MW，熔融碳酸盐燃料电池FC的电能输出为26.2MW，直接与动力涡轮发动机49相连接发电机53的输出电量为4.5MW。因此，若只启动燃料电池发电装置VIII时，其电能输出为上述者之和，即26.2+4.5＝30.7M。当启动仅在高峰负荷条件下工作的燃料气涡轮发电机组VII时，可使通过启动动力涡轮发动机49而发电的发电机53增加发电量，从而使输出电量进一步提高9.1MW，总输出电量变为：
        15+26.2+4.5+9.1＝54.8MW。这意味，该联合系统是一个50MW级的发电系统。此外，由于燃气涡轮发电机组VII不需要任何象涡轮发电机组所需的冷凝器，所以建造成本低。因此，与只启动熔融碳酸盐燃料电池发电装置VIII的情况相比，同燃气涡轮发电机组一起启动，可明显降低每1KW电能的单价。因此，举例来说，若30MW级的转化天然气燃料电池发电系统VIII造价是7.5万亿日元，燃气涡轮发电机组VII的造价是1.2万亿日元，当只启动燃料电池发电系统VIII时，其成本是7.5万亿日元÷30MW＝250,000日元/KW，而当启动燃气涡轮发电机组VII，使其输出电量变为50MW级时，其成本更低即(7.5万亿日元÷1.2万亿日元)÷50MW＝174,000日元/KW。
在最大负荷条件下工作时，由于燃气涡轮发动机40的废气作为部分氧化性气体供给燃料电池FC的阴极室2而不排入大气，该废气中所含的CO2作为阴极反应所需的CO2加以利用。因此，从阴极室2排入大气的CO2量很少，同上述各实施方案的情况一样，也即，可使CO2排放率为0.1Nm3/KWH。
在所有上述实施方案中，由于从燃料电池FC阳极室3排出的CO2+H2O(阳极废气)，以及部分未反应的H2和CO，通过支管线56被抽离循环管线，故而在后续过程中，将CO2、H2O、未反应的H2和CO加以分离，以回收CO2。回收后的CO2可有效地利用，例如，使CO2与镁和钙反应，生成氧化镁(MgO)和氧化钙(CaO)。MgO可用来生产催化剂、吸收剂、镁氧水泥和药物，而CaO可用作炉子和坩埚的内衬、建筑材料和土壤调节剂。如上所回收的CO2可用于蔬菜种植，或可固化成无害物质后再排到环境中。
在上述各实施方案中，对热电装置III或V和燃料电池发电系统IV和V的联合，以及燃气涡轮发电机组VII和燃料电池发电装置VIII的联合，已作为例子加以说明，但是不用多说，本发明并不限于热电装置和燃料电池发电系统的联合。例如，燃料电池发电装置可与一种力图分离CO2并产生电能的装置相结合，该装置产生的气体含有大量CO2，例如炼铁厂或造纸厂以及热电站。
图8表示按本发明利用和回收CO2的系统。该系统包括一个熔融碳酸盐燃料电池发电系统X和一个CO2分离器XI。将经处理的天然气热电装置IV所释含有CO2气体与新鲜空气一起供给熔融碳酸盐燃料电池FC的阴极室2，将转化过的天然气(转化过的原料气体)供给阳极。CO2分离器XI从含有CO2的气体中分离出CO2。
更详细地说，熔融碳酸盐燃料电池发电系统有一组叠合在一起的燃料电池单元。每个电池单元包括夹在阴极(氧电极)C和阳极(燃料电极)A中间，浸透熔融碳酸盐的电解质板1。在阴极C和阳极A上分别形成阴极室2和阳极室3，以构成一个电池单元。在新鲜空气与由热电装置XI通过废气利用管线60排出的废气一起经过滤器61过滤以后，再经过压气器62压缩，然后通过氧化性气体供给管线63供入由多层电池单元叠合而成的燃料电池FC的阴极空间2。同时，由阴极室2释放的阴极废气，在从阴极废气管线64导入涡轮发动机66之后，排放到大气中，使部分阴极废气通过支管线67导入烃水蒸汽转化装置68的燃烧室68b。从烃水蒸汽转化装置68的燃烧室68b中释出的废气，经压缩机69压缩后，从管线70供到阴极室2。另一方面，使天然气NG在天然气预热器71中预热，然后使其通过天然气供给管线72，导入烃水蒸汽转化装置68的转化室68a，在该转化室68a中天然气被转化成燃料气FG，最后从燃料气供料管线73供入阳极室3。从阳极室3释出的阳极废气，通过换热器74、蒸发器75和冷凝器76被导入气液分离器77。在分离器77中，分离出阳极废气中所含的水(H2O)，将含有CO2的气体由导管78引入CO2分离器XI，以分离并回收CO2。然后用79对气液分离器77中分离得到的H2O加压，将水送入液体贮存容器80之后，用蒸发器75使水成蒸汽，然后导入天然气供料管线72的中间部位，使水蒸汽与天然气混合。
经气液分离器77分离水后，排出的气体进入CO2分离器XI以分离CO2，经分离的CO2从回收管线81排出并回收，然后送入CO2处理装置82。此外，CO2分离器XI有两种类型：一种以气体状态回收CO2，另一种用深冷液冷却CO2，以液体状态回收CO2。
为从热电装置IX释放的废气中回收CO2，使该废气通过废气利用管线60，与空气一起经压缩机62压缩后引入氧化性气体供料管线63，供给阴极室2。另一方面，经CO2分离器XI气化后的天然气被导入天然气供料管线72，在烃水蒸汽转化装置68中转化后，用作燃料气体FG，在阳极室3中进行电池反应，以浓缩并从阳极室3中排出CO2。
在阴极端和阳极端同时发生反应时，产生电能，CO2从阴极移到阳极。阳极室3中的气体流速是阴极室2中气体流速的几分之一，因此，移向阳极室3的CO2被浓缩，从而浓度要大好几倍。所以，在燃料电池FC中，除产生电能外，还能浓缩CO2。
含有在阳极室3中冷却的CO2的阳极气体，经由换热器74、蒸发器75及冷凝器76，送到气液分离器77。在气液分离器77中，分离并除去水，经引导管线引向CO2分离XI。在CO2分离器XI中，从阳极气体中分离CO2，并将之从该分离器中排出，通过回收管线81予以回收。将回收所得的CO2送到CO2处理装置82中。在此情况下，若要以气体形式回收CO2，则分离CO2后无需再进行处理，可是，若要以液体形式回收CO2则需用深冷液体来冷却CO2。经用CO2分离器XI回收CO2之后，由管线83将剩余气体，经由燃料电池发电装置的换热器74，导向烃水蒸汽转化装置68的燃烧室68b，再循环回到阴极室2中。
就CO2的回收而言，如果处理的废气含9％CO2(相对于总气体流量而言)，则举例来说，进入阴极室2的气体中CO2浓度为7％，在阳极室3的出口被浓缩到42％，从CO2引导管线78导向CO2分离器XI的气体中CO2浓度被浓缩到82％，从CO2分离器XI导向管线83的气体中CO2浓度为74％，由CO2分离器XI回收的气体中CO2浓度为100％，而经由涡轮发动机65排放到大气的气体中CO2浓度可减到3％。
为了取得此种结果，应对废气与供入阴极室2的新鲜空气的摩尔比和CO2分离器XI的CO2回收比选定某一范围。为此，建议采用如下范围：
(1)将废气与供入空气的摩尔比保持在1-0.65的范围内；
(2)将来自CO2分离器XI中回收管线81的被回收CO2体积，保持在由导管78引入CO2分离器XI的CO2体积的0.2-0.4。
规定这些操作范围，是为了：
(I)保证燃料电池FC阴极室2进口处CO2和O2的含量，和烃水蒸汽转化装置68中燃烧室68b出口处O2的含量均合适；
(II)使自装置中所释出气体的CO2减少比率小于1，也即，应使通过涡轮发动机65之后释向大气的CO2与废气中CO2含量之比减小到1以下。
根据上述各操作条件，倘若如图9中线A所示，将废气与空气的摩尔比调整到1-0.65，并如直线B所示，将CO2分离器XI的CO2回收率调整到0.2-0.4，则烃水蒸汽转化装置68的燃烧室出口处的O2含量和CO2减少比率会满足条件(I)和(II)。
在上述说明中，如果将CO2回收率调整到大约0.2-0.4，如图9所示，则随着CO2被液化、分离，CO2的分压就会增大，而且所需的功就可以减小。
本发明不局限于上述任何一种实施方案。上述各实施方案虽然均涉及从烧天然气的热电装置所释出的燃烧废气中回收CO2，以利用所回收的CO2发电，但同样的原理也可用于热电装置以外的装置所释出的气体，而且上述熔融碳酸盐燃料电池发电装置只不过是一个例子。同样，在涡轮发动机65的下游管线66中还可装上另一个熔融碳酸盐燃料电池。

Claims (12)

1、使用熔融碳酸盐燃料电池(FC)及烃水蒸汽转化装置(6)，从矿物燃料燃烧废气(G)中回收二氧化碳的方法，所述燃料电池具有阳极(A)、阳极室(3)、阴极(C)、阴极室(2)及电解质(1)，所述烃水蒸汽转化装置具有转化室(6a)及燃烧室(6b)，所述烃水蒸汽转化装置(6)与熔融碳酸盐燃料电池(FC)的阳极室(3)出口相连，该方法包括：
将燃料气体供入燃料电池(FC)的阳极室(3)，并将氧化性气体供入阴极室(2)；
将燃烧废气(G)作为部分氧化性气体供入阴极室(2)；
使燃烧废气(G)中的CO2在阴极上，同氧化性气体中的O2发生反应，产生碳酸根离子；
使碳酸根离子通过燃料电池(FC)的电解质(1)，并到达阳极(A)；
使碳酸根离子在阳极(A)上同燃料气体中的氢发生反应，产生CO2和H2O；
从阳极室(3)排出在阳极(A)上产生的阳极废气(8)，该气体含有CO2、H2O、未反应的H2，以及CO；
该方法的特征在于，
从烃水蒸汽转化装置(6)的燃烧室(6b)中排出的阳极废气中分离出H2O，并回收高浓度的CO2气体。
2、如权利要求1的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：
将阳极废气(8)作为可燃性气体供入烃水蒸汽转化装置(6)的燃烧室(6b)，在该转化装置的燃烧室(6b)中燃烧。
3、如权利要求1或2的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：
将已从中除去CO2的阴极废气(G)从阴极室(2)排放到大气中。
4、如权利要求3的方法，其特征在于，该方法进一步包括以下步骤：
用水蒸气将如天然气的气体转化为燃料气体(AG)，并将该燃料气体供入燃料电池(FC)的阳极室(3)中。
5、如权利要求1的方法，其特征在于，矿物燃料燃烧装置为涡轮发电机(VI)，而且该方法进一步包括以下步骤：
将空气供入涡轮发电机(VI)的压气机(47)，以压缩空气；
将天然气供入已压缩过的空气中，以燃烧天然气，并将燃烧后的气体供入涡轮发动机，以驱动发电机；
将涡轮发动机(40)中排出的燃烧废气(G)同空气混合，并将该燃烧废气作为氧化性气体，供入阴极室(2)。
6、如权利要求1的方法，其特征在于，氧化性气体包括矿物燃料燃烧废气与空气的混合物。
7、从使用矿物燃料燃烧装置(II)的矿物燃料燃烧废气中，回收二氧化碳气体的装置，该装置包括：
熔融碳酸盐燃料电池(FC)，其包括多个组合在一起的电池单元，每个电池单元又包括浸透熔融碳酸盐的电解质片(1)、阳极(A)、阳极室(3)、阴极(C)及阴极室(2)，其中电解质片(1)夹在阳极(A)和阴极(C)之间；
将燃料气体供入放燃料电池(FC)的阳极室(3)之中的管线(7)；
将氧化性气体供入燃料电池(FC)的阴极室(2)之中的管线(4)；
将燃烧装置(II)中燃烧产生的气体-燃烧废气供入阴极室(2)的管线(5)；
其特征在于，该装置进一步包括从阳极废气中分离出H2O并回收CO2的装置(9，11)。
8、如权利要求7的装置，其特征在于，该装置进一步包括烃水蒸汽转化装置(6，30)，该装置具有以水蒸汽转化天然气用的转化室(6，30a)和维持转化室转化反应用的燃烧室(6，30b)；
将被烃水蒸汽转化装置(6，30)的转化室(6，30a)所转化的燃料气体供入燃料电池(FC)的阳极室(3)的管线(7，31)；以及
将氧化性气体供入燃料电池(FC)的阴极室(2)之中的装置(4)。
9、如权利要求7或8的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
将燃烧装置(III)的废气出口同燃料电池(FC)的阴极室(2)连接起来的二氧化碳利用管线(20)；以及
将空气供入二氧化碳利用管线(20)的管线(23)。
10、如权利要求7或8的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
将燃烧装置(V)的废气出口同燃料电池(FC)的阴极室(2)相连的二氧化碳气体利用管线(32)；以及
将空气供入二氧化碳利用管线(32)的管线(34，36)。
11、如权利要求7的装置，其特征在于，矿物燃料燃烧装置为燃气涡轮发电机(VI)，而且该装置进一步包括：
烃水蒸汽转化装置(43)，该转化装置有一个以水蒸汽转化天然气的转化室(43a)，和一个维持转化室中转化反应的燃烧室(43b)；
用来将燃烧废气供入阴极室(2)、使涡轮发动机(40)与阴极室(2)相连通的二氧化碳利用线(41)；以及
将压缩空气供入二氧化碳利用管线(41)的装置(50，42)。
12、如权利要求10的装置，其特征在于，该装置进一步包括：
抽取阳极废气并从阳极废气中分离H2O和回收CO2的装置(XI，82)。
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