CN107530618A - 低排放燃烧加热器 - Google Patents

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Abstract

在各种方面中，提供用于将熔融碳酸盐燃料电池与用于发电的燃烧加热器集成，同时也降低或最小化该燃烧加热器生成的烟气中存在的CO2量的系统和方法。该熔融碳酸盐燃料电池可与燃烧加热器集成使用以使来自燃烧加热器的烟气的至少一部分流经燃料电池的阴极，并将至少一部分阴极排气送回燃烧加热器的对流段。

Description

低排放燃烧加热器
发明领域
在各种方面中，本发明涉及使用熔融碳酸盐燃料电池发电和从燃烧加热器(firedheater)烟气中除去CO2。
发明背景
熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料发电。可通过在燃料电池上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应产生含氢气的气态产物的烃质材料。替换地或附加地，燃料可以在熔融碳酸盐燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整燃料的条件。替换地或附加地，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。
Journal of Fuel Cell Science and Technology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.Fuel Cell Sci.and Tech.,第9卷，2012年2月)描述了一种将燃烧发电机与熔融碳酸盐燃料电池组合的发电系统。描述了燃料电池的各种布置和运行参数。来自燃烧发电机的燃烧输出部分用作燃料电池阴极的输入。Manzolini文章中的模拟的一个目标是使用MCFC从发电机的废气中分离CO2。Manzolini文章中描述的模拟确立了660℃的最大出口温度并指出入口温度必须足够更冷以虑及经过燃料电池的升温。基础模型实例中MCFC燃料电池的电效率(即发电量/燃料输入)为50％。针对CO2封存(sequestration)优化的试验模型实例中的电效率也是50％。
Desideri等人的文章(Intl.J.of Hydrogen Energy,Vol.37,2012)描述了使用燃料电池分离CO2的发电系统的性能的建模方法。利用阳极排气再循环到阳极入口和阴极排气再循环到阴极入口来改进燃料电池的性能。模型参数描述了50.3％的MCFC电效率。
燃烧加热器用于通过烃在空气中的燃烧加热工艺料流(气体和/或液体)。通过燃烧反应产生二氧化碳(CO2)，一种温室气体，并定期在烟气中排放到大气中。可以通过将来自一个或多个加热器的热烟气经大直径保温管送往共用CO2分离单元实现从传统燃烧加热器的烟气中分离CO2。
发明概述
在一个方面中，提供一种使用熔融碳酸盐燃料电池处理燃烧加热器生成的烟气的方法，所述方法包括：将燃料和氧化剂引入燃烧加热器；在所述燃烧加热器中燃烧燃料以产生包含第一CO2含量的烟气；将至少一部分烟气送入多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口以生成阳极排气和具有第二CO2含量的阴极排气，第二CO2含量与第一CO2含量的比率为大约0.5:1或更低；和将至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气送入所述燃烧加热器的对流加热段。
在另一方面中，提供一种使用集成熔融碳酸盐燃料电池的用于发电的燃烧加热器，所述燃烧加热器包括阳极和阴极，所述燃烧加热器包含：辐射加热段；任选与所述辐射加热段流体连通和/或位于所述辐射加热段内的燃烧嘴，其生成包含CO2烟气；多个熔融碳酸盐燃料电池，所述熔融碳酸盐燃料电池具有与所述辐射加热段流体连通的阴极入口以接收至少一部分烟气，所述多个熔融碳酸盐燃料电池进一步具有配置成排出阴极排气的多个阴极出口和配置成排出阳极排气的多个阳极出口；和与所述多个阴极出口流体连通以从中接收至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气的对流段，所述对流段包含多个对流管以从所述阴极排气中除去热能。
附图简述
图1示意性显示箱式燃烧加热器。
图2示意性显示集成在燃烧加热器内的熔融碳酸盐燃料电池的一个实例。
图3示意性显示集成在燃烧加热器内的熔融碳酸盐燃料电池的一个实例。
图4示意性显示熔融碳酸盐燃料电池的运行的一个实例。
图5显示布置在燃烧加热器内的多个熔融碳酸盐燃料电池。
图6示意性显示熔融碳酸盐燃料电池排的一个实例的视图。
图7A和7B示意性显示与燃烧加热器集成的熔融碳酸盐燃料电池排的布置的实例。
图8A和8B示意性显示与燃烧加热器集成的熔融碳酸盐燃料电池排的布置的实例。
图9显示来自用于在各种燃烧加热器配置中布置熔融碳酸盐燃料电池排的计算的数据。
图10示意性显示集成在燃烧加热器内的熔融碳酸盐燃料电池的一个实例。
图11示意性显示各种燃烧加热器和熔融碳酸盐燃料电池配置的实例。实施方案详述
综述
在各种方面中，提供将熔融碳酸盐燃料电池并入用于发电的燃烧加热器系统中的系统和方法，同时也减少或最小化离开燃烧加热器的烟气中存在的CO2和/或NOx的量。熔融碳酸盐燃料电池集成到燃烧加热器系统中可提供各种优点。但是，实现熔融碳酸盐燃料电池集成在燃烧加热器系统中的益处需要克服若干障碍。
在传统燃烧加热器中，典型的所需运行条件可基于相对于输送至加热器的燃料量，将加热器生成的热量最大化。从工艺角度看，这可部分通过控制输送至燃烧加热器的燃烧区的燃料和氧气的相对量实现。在最低限度上，氧气量可足以满足输送至燃烧加热器的燃料的完全燃烧的化学计量需求。但是，从实用角度看，燃烧加热器通常用过量氧气运行。例如，使用天然气作为燃料源的燃烧加热器可用0.15至0.35的相对过量的总加热器氧化剂运行。由于通常使用空气作为氧源，将过量氧气引入燃烧反应会降低可能实现的最大热产量。但是，过量空气可避免由于燃料组成变化和/或在燃料和氧气的化学计量理想比率的燃烧过程中由于燃料和氧气的不理想混合造成的不完全燃烧。
在使用0.15至0.35的相对过量总加热器氧化剂(RETHO)的燃烧加热器的传统运行过程中，燃料的完全燃烧可产生至少大约1.5比1，或至少大约2比1，和通常至少大约3比1的所得烟气中的CO2/O2比。例如，来自天然气和空气燃烧的典型烟气可具有大约12摩尔％的CO2含量和大约4摩尔％的O2含量。这种类型的比率会不适合通过使烟气经过熔融碳酸盐燃料电池阴极而从烟气中显著分离CO2。在熔融碳酸盐燃料电池中，传送经过熔融碳酸盐电解质的每2摩尔CO2消耗1摩尔O2。由于在O2浓度降至大约1.5摩尔％或更低，或大约1.0摩尔％或更低时熔融碳酸盐燃料电池的效率会开始下降，在这一实例中如果需要跨过燃料电池膜传送多于大约一半的CO2，则传统烟气中存在的O2量可能带来挑战。
为了克服这一集成障碍，燃烧加热器可以用超过通常适用于该燃烧加热器的优化运行的量的过量氧气运行。这可以通过用如以0.27至0.65的相对过量总加热器氧化剂(RETHO)值为特征的过量氧气运行燃烧加热器实现。下面提供相对过量总加热器氧化剂的正式定义。提供额外过量氧气的目标可以是在仍保持至少大约1.0摩尔％或至少大约1.5摩尔％或至少大约2.0摩尔％或至少大约2.5摩尔％或至少大约3.0摩尔％的阴极排气中的O2浓度的同时提供足以实现阴极中的所需CO2传送水平的氧气。例如，在烟气中含8.2摩尔％CO2的由气相燃料供能的传统燃烧加热器可以用0.15至0.35的相对过量总加热器氧化剂值运行。
在各种方面中，与熔融碳酸盐燃料电池集成的燃烧加热器可以用0.27至0.65的相对过量总加热器氧化剂(RETHO)值运行。例如，与熔融碳酸盐燃料电池集成的燃烧加热器可以用至少大约0.27、或至少大约0.3、或至少大约0.33、或至少大约0.37、或至少大约0.4、或至少大约0.43、或至少大约0.47、或至少大约0.5和/或大约0.65或更低、或大约0.60或更低、或大约0.55或更低、或大约0.50或更低、或大约0.47或更低、或大约0.43或更低、或大约0.40或更低、或大约0.37或更低、或大约0.33或更低的RETHO值运行。要指出，RETHO值的各上述下限明确地与RETHO值的各上述上限结合考虑。为进一步例示RETHO值，与配置成将烟气(进入阴极之前)中存在的CO2的大约80％转移至MCFCs的阳极排气料流、同时在阴极排气中具有大约1摩尔％过量O2的熔融碳酸盐燃料电池集成的天然气燃烧加热器可对应于大约0.27的RETHO值。作为另一实例，与配置成将烟气(进入阴极之前)中存在的CO2的大约90％转移至MCFCs的阳极排气料流、同时在阴极排气中具有大约5摩尔％过量O2的熔融碳酸盐燃料电池集成的天然气燃烧加热器可对应于大约0.65的RETHO值。
使用熔融碳酸盐燃料电池从燃烧加热器烟气中除去CO2的另一系列障碍可与减少或最小化集成燃烧加热器和熔融碳酸盐燃料电池的运行所需的能量损失和/或能量消耗相关联。在传统燃烧加热器中，来自燃烧加热器的烟气的出口温度通常为大约130℃至450℃。这小于熔融碳酸盐燃料电池的典型运行温度，因此在这样的传统配置中，在燃料电池中加工前需要额外能量加热烟气。但是，为了在熔融碳酸盐燃料电池中加工这样的烟气，在这样的传统配置中需要将气体传送至一系列这样的燃料电池。这代表大量气体的传送，它们会需要在保温管道中传送以(尽可能)保持烟气的温度。在传送至燃料电池阵列以供加工的过程中的任何热损失可代表在引入到燃料电池中前需要消耗的额外能量。离开典型工业规模燃烧加热器的烟气和/或CO2的流速会明显大于传统燃料电池堆可处理的流速的事实进一步加剧这样的热损失。因此，会需要某一类型的岐管将烟气分布到燃料电池中，以产生用于热损失的额外管道表面积。
在各种方面中，通过在燃烧加热器内集成熔融碳酸盐燃料电池的运行，可以解决上述困难。在一些方面中，该集成可相当于熔融碳酸盐燃料电池物理集成在燃烧加热器的对流区内和/或在加热器的辐射加热区和对流区之间的过渡区中。附加地或作为选择地，该集成可相当于熔融碳酸盐燃料电池和燃烧加热器位于同一隔热空间中。
再附加地或作为选择地，该集成可包括改进燃烧加热器的运行以改进燃烧加热器和燃料电池的综合集成的运行。来自燃烧加热器的典型烟气的O2含量会不足以在熔融碳酸盐燃料电池内除去所需量的CO2。当燃料电池与燃烧加热器集成时，在燃烧后将额外的氧气引入燃烧加热器的尝试会带来困难。代替在燃烧后将额外的气体引入燃烧加热器，可以改进该燃烧加热器的运行以在燃烧反应过程中包括额外的氧气。这会降低该燃烧加热器提供的火焰温度，但可带来燃烧加热器和燃料电池的改进的综合运行。
将熔融碳酸盐燃料电池与燃烧加热器集成的一个潜在优点可以与通常可用于燃烧加热器的外壳的体积相关联。由于燃烧加热器具有有限的横截面，可以在燃烧加热器内插入多个熔融碳酸盐燃料电池以使所述多个熔融碳酸盐燃料电池基本填满燃烧加热器的横截面积。在一个方面中，可以将MCFCs安装在燃烧加热器的辐射加热段和对流段之间。这可允许燃料电池和燃烧加热器的壁的组合充当燃料电池的阴极入口的岐管，因为经过燃烧加热器的烟气被迫经过燃料电池阴极之一以继续向下游流经对流加热段。通过利用燃烧加热器的壁形成阴极输入岐管，可以降低与MCFCs相关的导管或流道的总量。在一些方面中，这种类型的配置的益处可包括通过降低将阴极岐管隔热的需求而降低通常与MCFC安装相关的隔热量。附加地或作为选择地，这种类型的配置的益处可包括与安装分开的燃烧加热器和MCFC系统相比的其它效率改进，如消除在将烟气从燃烧加热器传送至分开的MCFC系统时发生的热损失。
在一些备选方面中，从燃烧加热器的辐射段通往对流段的气流的至少一部分可经过安装在次级流路内的多个MCFCs。在这样的备选方面中，可迫使经过次级流路的这部分气流经过MCFC阴极，如通过成排或作为填充次级流路的横截面积的阵列布置MCFCs。气流的剩余部分可直接从辐射段通往燃烧加热器的对流段。在这样的备选方面中可以实现类似的益处，如改进的效率和/或避免由热烟气传送至外部MCFC系统造成的热损失。
另一优点可在于，将熔融碳酸盐燃料电池并入燃烧加热器中可允许来自燃烧加热器中的燃烧嘴(burner)的烟气在输入料流的温度适用于燃料电池的燃烧加热器位置进入熔融碳酸盐燃料电池的阴极。另一优点在于将MCFC产生或消耗的热集成到燃烧加热器中而不需要独立系统可能需要的附加或外部热交换。例如，可以在MCFC下游的对流加热段的一部分中从阴极排气中提取MCFC产生的热。任选地，阳极排气也可用于向燃烧加热器的对流段供热。
另一优点可以与在燃烧源而非在远程位置分离CO2相关联。该MCFC从阴极入口料流中除去CO2并将其传送至阳极出口料流，其可具有小得多的流体体积。随后可以使用较小的管道将该较小的阳极出口料流传送至CO2脱除系统，以节省建造费用。可加工来自安装在多个燃烧加热器中的MCFCs的阳极出口料流的集中CO2脱除系统将随之需要处理的气流量小于处理来自多个燃烧加热器的合并烟气体积。
基于一个或多个上述优点，将MCFCs集成在燃烧加热器系统内的另一优点是相对于将该系统供能所消耗的燃料量，从燃烧加热器系统转移至工艺流体的总热的改进。
燃烧加热器和MCFC配置
由于燃料电池可以有效地并联运行，传统熔融碳酸盐燃料电池设计可以涉及将多个燃料电池堆并入外壳中，然后使用岐管将用于燃料电池的阴极入口的气体料流分配至各种外壳。并流配置的优点可在于通过岐管供料的MCFC堆或模块可以遇见标称类似的输入气体条件(压力、温度、组成、流速)和/或可以产生类似的输出和性能参数。传统并流配置可能不影响燃料电池电输出如何合并，因为电池(或堆或阵列)电输出可以以并联配置、串联配置、或并联和串联配置的组合布置。
使用熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)加工大规模含CO2料流，如来自燃烧加热器的排气料流的挑战之一可以是提供足够数量的MCFCs以有效加工该排气料流量。用于加工含CO2的烟气的MCFC系统的配对会需要非常大量的堆或阵列，这如果单独安装，需要大量的阀门、互连、导管和岐管。例如，为了加工单个燃烧加热器的烟气，可能需要复杂的岐管将烟气分布到一个或多个燃料电池外壳。单独的MCFC系统还需要发电厂内的额外占用空间。许多化学加工设施可具有几十或几百个燃烧加热器。因此，用于紧邻各燃烧加热器设置MCFC的总占用空间会相当大。
节省设备占用空间的一种方式可以是将熔融碳酸盐燃料电池并入燃烧加热器中。将MCFC’s并入燃烧加热器中可允许燃烧加热器的壁充当用于引导燃烧加热器中的气流经过多个MCFC’s的岐管。在一些方面中，可以在辐射加热段和对流段之间插入MCFC’s。通常，辐射加热段可具有比对流加热段大的横截面积。在另一些方面中，在燃烧加热器的横截面积在对流段中变窄之前，可以增大辐射加热段的壁以为MCFCs创造容积。一旦经过辐射加热段中的最后一个传热元件，在一些实施方案中，烟气温度可高于MCFC的所需运行温度。在这种情况下，可以在最后一个辐射传热管下游和MCFCs中的阴极入口上游提供附加传热段(或称作过渡段)。可以确定该附加传热段的尺寸以将烟气冷却至MCFC的阴极进料所需的温度。该附加传热段可充当防护段(shield section)，以使MCFC和/或燃烧加热器中的下游元件不暴露在过度温度下。在各种方面中，该附加传热段可将烟气温度降低至少大约25℃、或至少大约50℃、或至少大约100℃、或最多大约250℃或更低。附加地或作为选择地，在各种方面中，该附加传热段可将温度降至大约700℃或更低、或大约650℃或更低。
该附加传热段可安装在具有与安装MCFCs的部分一致的横截面的燃烧加热器部分中。MCFC可以安装在燃烧加热器中具有最宽可用横截面积的位置。一般而言，燃烧加热器中的最大横截面积在辐射段中。相应地，MCFCs可以安装在具有与辐射加热段的横截面积类似的横截面积的区段中。例如，具有圆柱形辐射加热段的燃烧加热器的主体可向上延长以为MCFCs提供容积。对于箱式燃烧加热器，通常可提供较大横截面积。在箱式燃烧加热器中，MCFCs可位于使MCFCs在辐射加热段上方的位置，以使温度适当。该位置还可具有辐射加热段的横截面积，以使单层MCFC排或阵列可提供足以实现所需CO2脱除量的MCFCs数。
燃烧加热器可由于燃料燃烧而产生热。燃烧加热器广泛用于石油精炼、石油化学工厂和其它化学工艺工业中的加热用途。图1显示箱式燃烧加热器100的代表性实例。
燃烧加热器通常可以用两个分开的加热段构建：辐射段110，不同地称作燃烧室或火箱，和对流段120，接着是烟囱130。在辐射段110中由燃料的燃烧生成的热烟气113接着流入对流段120，在此烟气113接触管束125(其含有用于加热的流体)，接着作为冷却的烟气117经烟囱130离开该炉。辐射段110可具有比对流段120大的横截面积。过渡段111可以将流体从辐射段110成漏斗形引向对流段120。在一个方面中，过渡段111可以是辐射段111的一部分。
在如图1中所示的箱式燃烧加热器100中，燃烧嘴119可位于加热器的底部108。可以将燃料118(如甲烷)供入燃烧嘴119。在辐射段110中，管112可以以任何方便的型式围绕火箱壁。在对流段中，管可以以任何方便的型式位于对流段内和/或围绕对流段的壁。在运行过程中，要通过燃烧加热器加热的流体可以分割在传热管的一个或多个“行程(passes)”(如传热管的多个行程)之间。在图1中所示的实例中，显示传热管的两个行程。行程之一可以在流体在142处进入管112的位置开始。在142处进入的流体可经由管行经对流段并进入辐射段，在此该流体在经过辐射段时继续被加热。该流体可以最后在辐射段底部在114处离开。第二个行程可对应于在114处进入和在116处离开的流体。任选地，在辐射段的上部以及管上部的纵向翅片中可包括辐射锥。该流体行经管的路径可使该流体从燃烧加热器顶部附近的相对较冷位置去往加热器底部的相对较热位置。
尽管图1显示箱式燃烧加热器的一个实例，但MCFCs也可并入立式圆筒燃烧加热器中。立式圆筒燃烧加热器具有与图1的箱式加热器类似的元件。主要区别是箱式燃烧加热器中的辐射段和对流段的细长形状vs立式圆筒燃烧加热器的(大致圆)筒形。
在一个方面中，可以修改传统燃烧加热器以包括多个熔融碳酸盐燃料电池。这一区段可被描述为CO2捕集区。在从上往下观看横截面时，该CO2捕集区可以呈正方形或矩形。该正方形或矩形会非常适合容纳多个传统上为正方形或矩形的燃料电池堆。例如，在圆筒形加热器中，该CO2捕集区的尺寸和形状可以以3x 4网格形式容纳12个熔融碳酸盐燃料电池堆。可以在圆筒形辐射加热段和正方形或矩形CO2捕集区之间提供过渡区。也可以提供第二过渡区以将阴极出口料流带入圆筒形对流段。对于箱式燃烧加热器，辐射区和对流区的箱性质可以提供适用于包含MCFCs的矩形横截面积。
在一个方面中，包含多个熔融碳酸盐燃料电池的CO2捕集区可以在烟气温度适合引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极中的位置热集成到燃烧加热器中。根据燃烧加热器的所需运行参数，可以在熔融碳酸盐燃料电池的上游提供附加传热段以降低烟气温度。该附加传热段可以与辐射加热段或对流加热段中的管流体集成。在一个方面中，该附加传热段可以呈现包含对流加热管(如不含翅片的加热管)的护罩(shield)形式。
在CO2捕集区中从烟气中除去CO2后，可以将CO2减少的烟气(也被描述为阴极出口流)引入对流段以进一步加热工艺流体。可相对于经过阴极前的烟气的CO2浓度表征阴极出口流的CO2浓度。在各种方面中，离开阴极的烟气(阴极出口排气)中的CO2摩尔浓度相对于进入阴极的烟气(阴极入口的输入气体)中的CO2摩尔浓度的比率可以为大约0.4或更低、或大约0.3或更低、或大约0.2或更低、或大约0.1或更低。
现在转向图2，提供具有集成熔融碳酸盐燃料电池170的燃烧加热器200的图。上文已就图1的燃烧加热器100描述了燃烧加热器200的许多特征。不同于图1中的燃烧加热器100，除熔融碳酸盐燃料电池段170外还提供任选的附加传热段160。该任选的附加传热段160可包含例如对流加热管(任选无翅片)。对于在辐射段顶部的烟气温度高于所需值的配置，该任选的附加传热段160可降低进入燃料电池之前的烟气温度。烟气113经过该附加传热段并进入燃料电池的阴极入口。阴极出口流172流经对流加热段120并作为冷却的阴极出口流174流出烟囱130。还显示用于引入附加空气(或另一含O2的气体)的任选入口106。
在燃烧加热器运行过程中的CO2含量和O2含量
在各种方面中，可以在将烟气送入MCFCs的阴极之前在烟气中提供额外的氧气。在典型燃烧反应中，通常可以实现基本完全燃烧，在燃烧后仅留下适量的氧气。由于空气是用于燃烧的氧气的常见来源，提供过量氧气也相当于用过量氮气稀释燃料流的总燃料含量。但是，当燃烧加热器与用于脱除CO2的熔融碳酸盐燃料电池集成时，在烟气中可存在额外的氧气以允许阴极反应。例如，基于燃料电池中的阴极反应的化学计量学，烟气中的O2的摩尔％可以为CO2的摩尔％的至少一半。为了允许燃料电池有效运行，除最低化学计量需求外，该燃烧加热器还可以用0.27至0.65的相对过量总氧化剂运行。在经过MCFC阴极后烟气的氧含量可以为至少大约1摩尔％、或至少大约1.5摩尔％、或至少大约2摩尔％、或至少大约3摩尔％、或最多大约10摩尔％。可以在燃烧前引入(如通过添加空气)烟气中的额外氧气，或可以在燃烧后引入额外氧气，如通过使用任选的附加空气入口。但是，使用附加空气入口的一个缺点可在于该附加入口会降低燃烧加热器的效率。这部分可归因于在燃烧加热器的隔热中需要额外的开口和/或部分归因于该附加空气会稀释烟气中的加热的燃烧产物的事实。附加地或作为选择地，除非充分加热这种附加空气流，该附加空气流会冷却烟气，由此降低对流段中的传热量。
在各种方面中，进入MCFC阴极前的烟气中的CO2量可以为大约6摩尔％至大约15摩尔％，或大约8摩尔％至大约15摩尔％。例如，进入MCFC阴极前的烟气的CO2含量可以为至少大约6摩尔％、或至少大约8摩尔％、或至少大约9摩尔％、或至少大约10摩尔％、和/或大约15摩尔％或更低、或大约14摩尔％或更低、或大约13摩尔％或更低、或大约12摩尔％或更低，和/或任何上文指定的下限与任何上文指定的上限的组合。在除去CO2后，来自MCFCs的阴极排气可具有大约6摩尔％或更低、或大约5摩尔％或更低、或大约4摩尔％或更低、或大约3摩尔％或更低、或大约2摩尔％或更低、或大约1摩尔％或更低的CO2含量。除去的CO2量可相当于大约0.5或更低、或大约0.4或更低、或大约0.3或更低、或大约0.2或更低、或大约0.1或更低的阴极排气中的CO2与进入阴极的烟气中的CO2的比率。根据该方面，只有一部分烟气可经过MCFC阴极。经过阴极的这部分烟气可以为至少大约20体积％、或至少大约30体积％、或至少大约40体积％、或至少大约50体积％、或至少大约60体积％、或至少大约70体积％、和/或大约100体积％或更低、或大约99体积％或更低、或大约95体积％或更低、或大约90体积％或更低、或大约80体积％或更低、或大约70体积％或更低、或大约60体积％或更低、或大约50体积％或更低、和/或任何上述下限和任何上述上限的组合。
在各种方面中，经燃烧加热器的辐射段向上进入对流段的烟气的表观速度可以大致适合用作MCFC阴极的进料。根据该方面，进入MCFC阴极的气流的表观速度可以为大约0.5m/s至大约1.7m/s。例如，该表观速度可以为大约1.7m/s或更低、或大约1.5m/s或更低、或大约1.4m/s或更低、或大约1.3m/s或更低。
在一些配置中，可通过使MCFCs的阴极以使得在阴极内的流向不同于(即不平行于)燃烧加热器中的烟气主要流向的角度取向而提高阴极的可用横截面积。例如，代替将阴极的流向与燃烧加热器中的流向对齐，阴极的流向可以垂直于燃烧加热器中的流向。在这种类型的配置中，在燃烧加热器中可包括多个MCFCs排。这种类型的配置可造成一定的额外压降，因为烟气在进入阴极时和在离开阴极后都会改变方向。但是，MCFCs垂直于烟气流取向(或另一取向)可允许一排MCFCs由任意数量的堆构成，以可在固定横截面积内提供足够数量的MCFCs。可以设计流路以使所有或基本所有烟气经过MCFC阴极，或可以设计流路以使仅一部分烟气经过MCFC阴极。
图5是显示可通过使燃料电池阴极的流向基本垂直于燃烧加热器的流向取向而提高或最大化燃料电池170的可用表面积的布置的一个实例的图。这可被称作燃料电池的垂直取向。在图5中，显示四个燃料电池堆180,182,184和186的剖视图。图5是燃烧加热器的横截面。在一个方面中，所述多个熔融碳酸盐燃料电池包含4排燃料电池。更通常，图5中的配置显示具有成排的燃料电池，其中来自两个邻排的阴极排气在继续进入燃烧加热器的对流段之前合并。因此，经过燃料电池堆180和184的阴极的流向与经过燃料电池堆182和186的流向相反。在另一些方面中，来自各燃料电池排的阴极排气可进入单独的出口通道。烟气113可经所示三个通道之一进入阴极入口端181,183,185和187。左通道190以左燃料电池堆180的面和燃烧加热器的壁(未显示)为界。中心通道191以中间偏左燃料电池堆182和中间偏右燃料电池堆184为界。右通道192以右燃料电池堆186的面和燃烧加热器的壁(未显示)为界。阴极入口可以是烟气113可经其离开通道的唯一开口。阴极排气172离开燃料电池堆并流经由左燃料电池堆180和中心偏左燃料电池堆182形成的左排气通道。阴极排气174离开燃料电池堆并流经由中心偏右燃料电池堆184和右燃料电池堆186形成的右排气通道。
除阴极外，MCFCs还包括阳极。如图2中所示，但如任何方便的圆筒式、箱式或其它形式的燃烧加热器中可包括，阳极入口岐管176可将阳极入口流分配至熔融碳酸盐燃料电池的阳极入口。阳极出口岐管178可接收来自熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口的阳极出口流。所述多个燃料电池170还可生成电力，其被电气系统171接收。
附加燃烧加热器配置
现在转向图3，提供具有集成的熔融碳酸盐燃料电池170的燃烧加热器300的图。之前已参照图2的燃烧加热器200描述了燃烧加热器300的许多特征。不同于燃烧加热器200，没有提供附加加热段160。当烟气113的温度适合用作MCFC中的阴极入口流时，可以省略附加加热段。例如，具有大约700℃或更低、或大约650℃或更低的温度的烟气可以适合用于MCFC的阴极。
在另一些方面中，可以为熔融碳酸盐燃料电池和/或燃烧加热器提供其它类型的修改。这可包括修改熔融碳酸盐燃料电池的功率密度，例如通过在低于大约0.75或大约0.80伏特的传统运行电压的电压下运行燃料电池；修改燃料电池的形状或几何以相对于接收的气流提高或降低燃料电池堆中的阴极的面的横截面积和/或容纳经过阴极的更高流量；或它们的组合。烟气、阴极排气和阳极排气
MCFCs与燃烧加热器集成可改变燃烧加热器生成的排气的性质。特别地，传统燃烧加热器通常可生成单一烟气。相反，集成的燃烧加热器和MCFC系统可生成脱CO2的一次烟气和阳极排气形式的二次“烟气”。
阳极排气可相当于相对于传统烟气富集CO2的气体料流。可与燃烧加热器生成的主要烟气比较地表征阳极排气的量。在各种方面中，阳极排气的体积可以是来自燃烧加热器的脱CO2烟气(CO2-depleted flue gas)的体积的大约25％或更低，或该体积的大约20％或更低、或大约15％或更低、或大约10％或更低。附加地或作为选择地，阳极排气中的CO2浓度可以为至少大约10体积％、或至少大约20体积％、或至少大约30体积％、或至少大约40体积％和/或大约60体积％或更低、或大约50体积％或更低。附加地或作为选择地，进入MCFCs的阴极的CO2的至少大约50％可作为阳极排气的一部分离开MCFCs，或至少大约60％、或至少大约70％、或至少大约80％或至少大约90％。再进一步附加地或作为选择地，可相对于进入阴极排气的CO2量表征阳极排气中的CO2总量。当将H2以外的燃料引入熔融碳酸盐燃料电池阳极时，阳极中的燃料重整会导致在阳极中形成额外的CO2。在各种方面中，阳极排气中的CO2量可以为进入阴极的CO2的至少大约50％、或至少大约75％、或至少大约100％、或至少大约110％、或至少大约120％。
在各种方面中，为燃烧加热器的燃烧嘴提供额外空气(或其它氧气)还可降低燃烧加热器产生的NOX的量。NOX通常据信基于燃烧嘴的火焰温度生成。向传送至燃烧嘴的料流中加入额外空气可降低火焰温度。火焰温度的降低可导致NOX的产量降低。附加地或作为选择地，使烟气在离开燃烧加热器之前经过燃料电池阴极还可减少或最小化烟气中存在的NOX量。在燃料电池阴极中，阴极入口料流中存在的NOX还可经过与CO2类似的电化学反应，因此可经过熔融碳酸盐电解质传送含氮离子。这可降低或最小化阴极排气的NOX含量。再进一步附加地或作为选择地，燃料电池阴极还可破坏NOX。基于用于降低经过阴极排气后的烟气中的NOX量的一种或多种上述机制，有可能减轻或甚至可能消除对燃烧加热器的附加NOX控制的需要，由此减轻或最小化对排放控制设备的需要和/或通过消除驱动烟气经过这样的排放控制设备所需的压降(和动力风扇)而改进效率。
备选配置
如本文所用，熔融碳酸盐燃料电池排(MCFCR)被定义为并排布置的一个或多个MCFC堆。该堆的阴极入口朝向相同方向，阴极出口朝向相反方向。该MCFCR具有经阳极入口集管连向该堆阳极的单个阳极入口，经阳极通向阳极出口集管，并最终通向单个阳极出口。图6使用侧(正)视图610、顶视图620和端视图630示意性显示MCFCR。
在一些方面中，当熔融碳酸盐燃料电池与燃烧加热器集成时，燃料电池可布置为一个或多个MCFCRs。MCFCRs可以各种配置布置在燃烧加热器内。例如，MCFCRs可如图7A中所示以水平配置布置在燃烧加热器内。在图7A中，MCFCRs 710位于辐射段715上方的燃烧加热器700区域中，因此MCFCRs 710可被视为对流段725的一部分。但是，MCFCRs所位于的横截面积类似于辐射段715的横截面。对流段的这种类型的较大横截面部分可被称作过渡区或附加传热段735。这种类型的过渡区可在概念上看起来在辐射段和对流段之间并可以是适用于MCFCRs的位置，因为烟气的温度适合在熔融碳酸盐燃料电池中加工，同时横截面积足够大以容纳足够数量的水平取向的燃料电池以有效加工烟气。在图7A中，布置MCFCRs以使燃料电池排的方向大致垂直于燃烧加热器内的烟气主要流向。可以使燃料电池排取向以使阴极内的流向大致平行于燃烧加热器内的主要流向。或者，阴极内的流向可相对于主要流向偏离任何方便的量，如阴极内的流向大致垂直于燃烧加热器内的烟气主要流向。附加地或作为选择地，如果可将足够的燃料电池布置在对流区后部的较窄横截面积内，该水平布置的MCFCRs可位于这一位置。
作为水平取向的替代，MCFCRs 740可以垂直取向布置在对流段和/或附加传热段内。在图7B中显示MCFCRs 740的垂直取向。在这种类型的配置中，加工烟气所需的燃料电池的数量可能大于可以水平取向容纳在燃烧加热器的横截面积中的燃料电池数量。为了为所需燃料电池量提供额外空间，MCFCRs可以取向成使燃料电池排的方向大致平行于主要流向。在这种类型的取向中，燃料电池阴极中的流向可以大致垂直于烟气的主要流向。
用于布置与燃烧加热器集成的MCFCRs的另一些选项可涉及将MCFCRs置于热集成的相邻外壳中。图8A和8B显示将MCFCRs布置在相邻外壳中的实例。在图8A中，将MCFCRs 840垂直布置在与对流段825相邻的外壳845中。在运行过程中，燃烧加热器中的至少一部分烟气离开主要流路并进入相邻外壳845。然后使烟气的转向部分经过相邻外壳中的熔融碳酸盐燃料电池并在下游位置回到燃烧加热器。要指出，在一些方面中，可以将所有或基本所有烟气转移到相邻外壳中以通过熔融碳酸盐燃料电池加工。
图8B显示类似类型的相邻配置，不同的是外壳846与辐射段815而非对流段相邻。再另一些选项可涉及以水平取向而非垂直取向布置MCFCRs。
在一些方面中，该燃烧加热器可以是自然通风燃烧加热器。自然通风燃烧加热器可利用温烟气的浮力将空气吸过该炉并保持该炉的辐射段和对流段中的轻微负压(即略低于环境压力)。这种设计可提供高度固有安全性，因为加热器箱泄漏导致空气泄漏到该炉中而非在加热器以轻微正压(即略高于环境压力)运行时会发生的热烟气从加热器中漏出。可通过烟气的密度和排气烟囱的高度设定浮力驱动力的量。较低密度的烟气和/或较高的排气烟囱可提供较高的浮力驱动力。提高的烟气温度可提高浮力，但这浪费热并降低加热器效率。本发明的一个优点在于，从烟气中除去CO2(分子量44)和O2(分子量32)可降低烟气密度和改进浮力驱动力。但是，即使在这种改进下，浮力驱动力通常也相对较小。如果在燃烧加热器的流路内存在足够大小的额外压降，则该额外压降可能破坏自然通风流型。在各种方面中，燃料电池堆和燃烧加热器的集成可通过将燃料电池堆置于加热器气体流路内或紧邻加热器气体流路而提供优点。这种布置可降低或最小化与燃料电池堆相关的压降，这可允许综合加热器-燃料电池组装件在自然通风运行中运行。在这种类型的自然通风燃烧加热器/燃料电池方面中，烟气浮力可足以将空气吸入加热器，以保持轻微负压，同时也提供压力驱动力以将烟气吸过燃料电池阴极。
在另一些方面中，燃烧加热器可以利用空气/烟气热交换通过将热从烟气转移至进入的空气而改进加热器效率。被称作强制通风燃烧加热器的这种加热器可以使用循环鼓风机取出一部分烟气，驱使其经过热交换器(对着进入的空气)，然后将烟气送回排气烟囱。在这样的加热器中，仍可通过烟囱中的浮力保持略微负的加热器箱压力。但是，较冷的烟气温度可带来提供足够浮力的挑战。在各种方面中，燃料电池堆和燃烧加热器的集成可通过将燃料电池堆置于加热器气体流路内或紧邻加热器气体流路以使压降最小化而提供优点。附加地或作为选择地，从烟气中除去CO2可增强浮力和/或允许使用较低温度的烟气，这也可改进加热器效率。
本文所述的配置可适用于各种类型和/或配置的燃烧加热器，包括箱式或舱式和立式或圆筒。附加地或作为选择地，本文所述的配置可适用于专门化的燃烧加热器，如与用于实施化学反应的其它加工设备集成的燃烧加热器。这样的专门化燃烧加热器的实例可包括，但不限于，蒸汽-甲烷重整器、乙烯炉和延迟焦化炉。
定义
燃烧加热器：如本文所用，燃烧加热器被定义为一种类型的炉，其中燃烧燃料以产生用于工艺流体的热。在本发明的方面中，MCFCs可以安装在各种类型的燃烧加热器(包括箱式燃烧加热器和立式圆筒形燃烧加热器)中。燃烧加热器可包括辐射加热段和对流加热段。燃烧加热器可用于加热各种工业过程中的工艺流体。工艺流体流经辐射管和对流管。在这一定义中包括在工艺管中具有化学反应的那些燃烧加热器，如蒸汽-甲烷重整器、乙烯裂解炉和延迟焦化炉。
辐射加热段：如本文所用，辐射加热段被定义为燃烧加热器的区段，其中大部分的热经由辐射加热而非对流加热传递至工艺流体。辐射加热段有时可被称作辐射段。辐射加热管接收来自燃料(如甲烷)的燃烧的辐射。在一个方面中，辐射加热管可位于辐射加热段的外部周围。辐射管可以垂直、水平或以另一些布置取向。辐射管由可耐受火箱的高温的材料构成。
对流加热段：如本文所用，对流加热段被定义为燃烧加热器的区段，其中大部分的热经由对流加热而非辐射加热传递至工艺流体。对流加热段有时可被称作对流段。对流加热管可包括翅片并配置成经对流加热。
注入总加热器氧化剂(ITHO)：如本文所用，注入总加热器氧化剂被定义为从辐射段的入口到对流段的出口的进入燃烧加热器的游离氧气料流的所有摩尔流速的总和。
总加热器燃烧燃料(THCF)：如本文所用，总加热器燃烧燃料被定义为从辐射段的入口到对流段的出口的进入燃烧加热器的燃烧燃料的所有摩尔流速的总和。要指出，这明确排除引入MCFC堆的阳极的所有燃料料流。引入MCFC堆的阳极流路的燃料料流在独立的流路中。尽管可经由跨过电解质的传送在MCFC的阴极流路和阳极流路之间发生有限的流体连通，但这样的流体连通不允许进入阳极入口的气体经由阴极流路转移到燃烧加热器中的烟气中。因此，引入阳极流路的燃烧燃料不成为燃烧加热器中的输入流和/或烟气的一部分。
化学计量总加热器氧化剂(STHO)：如本文所用，化学计量总加热器氧化剂被定义为完全燃烧总加热器燃烧燃料以将所有烃分子转化成二氧化碳和水所需的游离氧气的摩尔流速。
过量总加热器氧化剂(ETHO)：如本文所用，过量总加热器氧化剂被定义为通过从注入总加热器氧化剂中减去化学计量总加热器氧化剂而得的值。
相对过量总加热器氧化剂(RETHO)：如本文所用，相对过量总加热器氧化剂被定义为通过将过量总加热器氧化剂除以化学计量总加热器氧化剂而得的值。相对过量总加热器氧化剂(RETHO)可用于区分具有集成燃料电池的燃烧加热器的运行与传统燃烧加热器的运行。例如，下列公式可用于估算通过天然气燃烧的燃烧加热器的REHTO：
在此，xO2是对流段出口处的氧气摩尔分数，且β是从烟气料流中除去的CO2分数。对于xO2＝0.03的典型值，RETHO对于传统燃烧加热器(β＝0)为0.1834，且RETHO对于具有运行至实现90％CO2回收(β＝0.9)的集成熔融碳酸盐燃料电池的燃烧加热器为0.4681。对于其它xO2值，这一关系会是一致，即传统燃烧加热器的RETHO可以比以类似燃烧负荷运行的具有集成燃料电池的燃烧加热器的RETHO小大约βxO2倍。
燃烧加热器路径长度：如本文所用，燃烧加热器路径长度被定义为从燃烧加热器中的燃烧嘴或火箱到燃烧加热器外壳内的最远对流加热管的中点的直线距离。在来自不同位置的测量得出不同距离的情况下，选择尽可能最小的距离。要指出，最小烟气流路长度可能不同于燃烧加热器路径长度。特别地，如果MCFCs位于相邻体积中和/或如果经过MCFC阴极的烟气流路没有与燃烧加热器中的主要流向对齐，加热器内的最小流路长度大于与燃烧加热器路径长度对应的直线距离。
烟气流路长度：如本文所用，烟气流路长度被定义为烟气分子在它们从辐射段中的燃烧嘴到对流段中的最后一个对流加热管的路径中经过的平均直线距离。在一些方面中，烟气流路长度与燃烧加热器路径长度的比率可以为至少大约1.0至3.0、或大约1.1至大约3.0、或大约1.0至大约2.8、或大约1.1至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.1至大约2.5、或大约1.0至大约2.2、或大约1.1至大约2.2。
毗连隔热环境：如本文所用，毗连隔热环境是指燃烧加热器和相关熔融碳酸盐燃料电池的热集成环境。在与燃烧加热器相同的隔热环境内并与燃烧加热器内部的距离小于燃烧加热器路径长度的两倍的熔融碳酸盐燃料电池被定义为形成与燃烧加热器的毗连隔热环境。
综合燃烧加热器和燃料电池能量热效率：如本文所用，综合燃烧加热器和燃料电池能量热效率被定义为来自燃烧加热器和熔融碳酸盐燃料电池的组合的指定能量输出vs燃烧加热器和熔融碳酸盐燃料电池的运行所需的能量输入的比率。如本文所用，指定能量输出是a)传递至燃烧加热器的工艺流体的热能，b)来自MCFC的电输出，和c)MCFC的化学输出，和d)通过燃料电池反应产生的热能。
合成气:在本说明书中，合成气被定义为H2和CO的任何比率的混合物。任选地，H2O和/或CO2可存在于合成气中。任选地，惰性化合物(如氮)和残留可重整燃料化合物可存在于合成气中。如果H2和CO以外的组分存在于合成气中，合成气中H2和CO的总体积百分比可以为合成气总体积的至少25体积％，如至少40体积％，或至少50体积％，或至少60体积％。附加地或作为选择地，合成气中H2和CO的总体积百分比可以为100体积％或更低，如95体积％或更低或90体积％或更低。
可重整燃料:可重整燃料被定义为含有可重整生成H2的碳-氢键的燃料。烃是可重整燃料的实例，其它烃质化合物，如醇也是。尽管CO和H2O可参与水煤气变换反应以形成氢气，CO不被视为这一定义下的可重整燃料。
可重整氢含量:燃料的可重整氢含量被定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H2生成最大化而形成的H2分子数。要指出，H2按定义具有1的可重整氢含量，尽管H2本身不被定义为本文中的可重整燃料。类似地，CO具有1的可重整氢含量。尽管CO严格来讲不是可重整的，但驱使水煤气变换反应完全会导致CO交换成H2。作为可重整燃料的可重整氢含量的实例，甲烷的可重整氢含量为4个H2分子，而乙烷的可重整氢含量为7个H2分子。更概括地，如果燃料的组成为CxHyOz，则该燃料在100％重整和水煤气变换下的可重整氢含量为n(H2最大重整)＝2x+y/2–z。基于这一定义，电池内的燃料利用率可随之表示为n(H2ox)/n(H2最大重整)。当然，可基于各组分的可重整氢含量确定组分混合物的可重整氢含量。也可以以类似方式计算含有其它杂原子，如氧、硫或氮的化合物的可重整氢含量。
氧化反应:在这一论述中，燃料电池的阳极内的氧化反应被定义为是相当于通过与CO3 2-反应而将H2氧化以形成H2O和CO2的反应。要指出，在阳极中的氧化反应的这一定义中不包括阳极内的重整反应，在重整反应中含碳-氢键的化合物被转化成H2和CO或CO2。水煤气变换反应类似地在氧化反应的这一定义之外。进一步指出，提到燃烧反应被定义是提到H2或含碳-氢键的化合物在非电化学燃烧器，如燃烧供能发电机的燃烧区中与O2反应形成H2O和碳氧化物的反应。
本发明的方面可调节阳极燃料参数以实现燃料电池的所需运行范围。阳极燃料参数可以直接地和/或与其它燃料电池工艺相关地，以一种或多种比率的形式表征。例如，可以控制阳极燃料参数以实现一种或多种比率，包括燃料利用率、燃料电池热值利用率、燃料过剩率、可重整燃料过剩率、可重整氢含量燃料比及其组合。
燃料利用率:燃料利用率是用于表征阳极运行的一个选项，其基于相对于输入料流的可重整氢含量的氧化的燃料量，可用于确定燃料电池的燃料利用率。在这一论述中，“燃料利用率”被定义为是为发电而在阳极中氧化的氢量(如上所述)与阳极进料(包括任何相关重整段)的可重整氢含量的比率。可重整氢含量已在上文定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H2生成最大化而形成的H2分子数。例如，引入阳极并暴露在蒸汽重整条件下的各甲烷导致在最大产量下生成4H2分子当量。(取决于重整和/或阳极条件，重整产物可相当于非水煤气变换产物，其中一个或多个H2分子取而代之地以CO分子的形式存在)。因此，甲烷被定义为具有4个H2分子的可重整氢含量。作为另一实例，在这一定义下乙烷具有7个H2分子的可重整氢含量。
阳极中的燃料利用率也可以通过基于由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值与送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值的比率定义热值利用率来表征。可以使用进入和离开燃料电池阳极的燃料组分的流速和低位发热值(LHV)计算本文所用的“燃料电池热值利用率”。因此，燃料电池热值利用率可作为(LHV(anode_in)–LHV(anode_out))/LHV(anode_in)计算，其中LHV(anode_in)和LHV(anode_out)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV。在这一定义中，可作为输入和/或输出料流中各燃料组分的数值总和计算料流或流的LHV。各燃料组分在该总和中的份额可相当于燃料组分的流速(例如摩尔/小时)乘以燃料组分的LHV(例如焦耳/摩尔)。
低位发热值:低位发热值被定义为燃料组分燃烧成气相完全氧化产物(即气相CO2和H2O产物)的焓。例如，阳极输入料流中存在的任何CO2不构成阳极输入的燃料含量，因为CO2已完全氧化。对于这一定义，由于阳极燃料电池反应而在阳极中发生的氧化量被定义为作为如上定义的阳极中的电化学反应的一部分的阳极中的H2氧化。
要指出，对于阳极输入料流中的唯一燃料是H2的特殊情况，在阳极中可发生的涉及燃料组分的唯一反应是H2转化成H2O。在这种特殊情况中，燃料利用率简化成(H2-速率-入－H2-速率-出)/H2-速率-入。在这种情况下，H2是唯一的燃料组分，因此H2LHV会从该方程中消去。在更常见的情况下，阳极进料可能含有例如各种量的CH4、H2和CO。由于这些物类通常可以不同量存在于阳极出口中，可能需要如上所述求和以测定燃料利用率。
作为对燃料利用率的替代或补充，可以表征燃料电池中的其它反应物的利用率。例如，附加地或作为选择地，可以就“CO2利用率”和/或“氧化剂”利用率表征燃料电池的运行。可以以类似方式规定CO2利用率和/或氧化剂利用率的值。
电效率:本文所用的术语“电效率”(“EE”)被定义为由燃料电池产生的电化学动力除以燃料电池的燃料输入的低位发热值(“LHV”)率。燃料电池的燃料输入包括送往阳极的燃料以及用于保持燃料电池的温度的任何燃料，如送往与燃料电池相关的燃烧器的燃料。在本说明书中，由该燃料产生的动力可以以LHV(el)燃料率(fuel rate)描述。
电化学动力:本文所用的术语“电化学动力”或LHV(el)是由燃料电池中连接阴极与阳极的电路和跨过燃料电池电解质的碳酸根离子转移生成的动力。电化学动力不包括燃料电池上游或下游的设备产生或消耗的动力。例如，由燃料电池排气料流中的热产生的电不被视为电化学动力的一部分。类似地，由燃料电池上游的燃气轮机或其它设备生成的动力不是生成的电化学动力的一部分。“电化学动力”不考虑燃料电池运行过程中消耗的电力或由直流电转化成交流电引起的任何损失。换言之，不从燃料电池产生的直流电力中减去用于维持燃料电池运行或以其它方式运行燃料电池的电力。本文所用的功率密度是电流密度乘以电压。本文所用的总燃料电池功率是功率密度乘以燃料电池面积。
燃料输入:本文所用的术语“阳极燃料输入”，被称作LHV(anode_in)，是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(in)，是送往燃料电池的燃料总量，包括阳极入口料流内的燃料量和用于保持燃料电池的温度的燃料量。基于本文提供的可重整燃料的定义，该燃料可包括可重整和不可重整的燃料。燃料输入不同于燃料利用率。
总燃料电池效率:本文所用的术语“总燃料电池效率”(“TFCE”)被定义为：由燃料电池生成的电化学动力加上由燃料电池生成的合成气的LHV的速率，除以阳极的燃料输入的LHV的速率(the rate of LHV)。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)，其中LHV(anode_in)是指送往阳极的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV的速率，且LHV(sg net)是指在阳极中产生合成气(H2、CO)的速率，其是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。LHV(el)描述燃料电池的电化学动力生成。总燃料电池效率不包括由该燃料电池生成的热，其用于燃料电池外的有益利用。在运行中，由燃料电池生成的热可能被下游设备有益利用。例如，该热可用于生成额外的电力或用于加热水。当在本申请中使用该术语时，在燃料电池外实施的这些用途不是总燃料电池效率的一部分。总燃料电池效率仅针对燃料电池运行，并且不包括燃料电池上游或下游的动力生成或消耗。
化学效率:本文所用的术语“化学效率”被定义为燃料电池的阳极排气中的H2和CO的低位发热值或LHV(sg out)除以燃料输入或LHV(in)。
电效率和总系统效率都不考虑上游或下游工艺的效率。例如，可以有利地使用涡轮机排气作为燃料电池阴极的CO2源。在这种布置中，涡轮机的效率不被视为电效率或总燃料电池效率计算的一部分。类似地，来自燃料电池的输出物可作为输入物再循环到燃料电池。当以单程模式计算电效率或总燃料电池效率时不考虑再循环回路。
生成的合成气:本文所用的术语“生成的合成气”是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。合成气可以至少部分用作阳极的输入或燃料。例如，系统可包括阳极再循环回路，其将来自阳极排气的合成气送回阳极入口，在此对其补充天然气或其它合适的燃料。生成的合成气LHV(sg net)＝(LHV(sg out)-LHV(sg in))，其中LHV(sg in)和LHV(sg out)分别是指阳极入口中的合成气和阳极出口料流或流中的合成气的LHV。要指出，通过阳极内的重整反应生成的至少一部分合成气通常可以在阳极中用于发电。用于发电的氢气不包括在“生成的合成气”的定义中，因为其不离开阳极。本文所用的术语“合成气比率”是生成的净合成气的LHV除以阳极的燃料输入的LHV或LHV(sg net)/LHV(anode in)。可以使用合成气和燃料的摩尔流速代替LHV以表示摩尔基合成气比率和摩尔基生成的合成气。
汽碳比(S/C):本文所用的汽碳比(S/C)是料流中的蒸汽与料流中的可重整碳的摩尔比。CO和CO2形式的碳不计为这一定义中的可重整碳。可以在该系统中的不同点测量和/或控制汽碳比。例如，可以控制阳极入口料流的组成以实现适合阳极中的重整的S/C。可作为H2O的摩尔流速除以(燃料的摩尔流速乘以燃料中的碳原子数(例如甲烷为1)的乘积)给出S/C。因此，S/C＝fH20/(fCH4X#C)，其中fH20是水的摩尔流速，其中fCH4是甲烷(或其它燃料)的摩尔流速且#C是燃料中的碳数。
燃料电池和燃料电池部件:在这一论述中，燃料电池可相当于单电池，其中阳极和阴极被电解质隔开。阳极和阴极可接收输入气流以促进各自的阳极和阴极反应，以将电荷传输过电解质和生成电力。燃料电池堆可代表集成单元中的多个电池。尽管燃料电池堆可包括多个燃料电池，但燃料电池通常可以并联并可(大致)表现得像它们集体代表尺寸更大的单燃料电池。当向燃料电池堆的阳极或阴极输送输入料流时，该燃料堆可包括用于在该堆中的各电池之间分配输入料流的流动通道和用于合并来自各电池的输出料流的流动通道。在这一论述中，燃料电池阵列可用于表示串联、并联或以任何其它方便的方式(例如串联和并联的组合)布置的多个燃料电池(如多个燃料电池堆)。燃料电池阵列可包括燃料电池和/或燃料电池堆的一个或多个段，其中来自第一段的阳极/阴极输出可充当第二段的阳极/阴极输入。要指出，燃料电池阵列中的阳极不必以与该阵列中的阴极相同的方式连接。为方便起见，燃料电池阵列的第一阳极段的输入可以被称作该阵列的阳极输入，且燃料电池阵列的第一阴极段的输入可以被称作该阵列的阴极输入。类似地，最终阳极/阴极段的输出可以被称作该阵列的阳极/阴极输出。
应该理解的是，在本文中提到使用燃料电池通常是指由单燃料电池构成的“燃料电池堆”，更通常是指使用流体连通的一个或多个燃料电池堆。通常可以将独立燃料电池元件(板)一起“堆叠”在被称作“燃料电池堆”的矩形阵列中。这种燃料电池堆通常可以获取进料流并将反应物分配在所有单独的燃料电池元件之间，然后可以从各元件收集产物。当被视为一个单元时，燃料电池堆在运行中可以被当作整体，尽管由许多(通常数十或数百)单独燃料电池元件构成。这些单独燃料电池元件通常可具有类似电压(因为反应物和产物浓度类似)，当这些元件电串联时，总电输出可来自所有电池元件中的所有电流的总和。电池堆也可以串联布置以产生高电压。并联布置可提升电流。如果可提供足够大体积的燃料电池堆以加工给定排气流，则本文描述的系统和方法可以与单个熔融碳酸盐燃料电池堆一起使用。在本发明的另一些方面中，由于多种原因可能合意或需要的是多个燃料电池堆。
对本发明而言，除非另行规定，术语“燃料电池”应被理解为也是指和/或被定义为包括涉及具有单输入和输出的由一个或多个单独燃料电池元件的组合构成的燃料电池堆，因为这是燃料电池在实践中的通常使用方式。类似地，除非另行规定，术语燃料电池(复数)应被理解为也是指和/或被定义为包括多个独立的燃料电池堆。换言之，除非特别说明，本文内的所有提及可互换地是指燃料电池堆作为“燃料电池”运行。例如，商业规模的燃烧发电机生成的排气体积可能太大以致无法通过常规尺寸的燃料电池(即单电池堆)加工。为了加工整个排气，可以并联布置多个燃料电池(即两个或更多个独立的燃料电池或燃料电池堆)，以使各燃料电池可加工(大致)相等部分的燃烧排气。尽管可以使用多个燃料电池，但考虑到其(大致)相等部分的燃烧排气，各燃料电池通常可以大致类似的方式运行。
“内部重整”和“外部重整”:燃料电池或燃料电池堆可包括一个或多个内部重整段。本文所用的术语“内部重整”是指在燃料电池、燃料电池堆的主体内或以其它方式在燃料电池组件内发生的燃料重整。通常与燃料电池联合使用的外部重整在位于燃料电池堆外的独立设备件中进行。换言之，外部重整器的主体不与燃料电池或燃料电池堆的主体直接物理接触。在典型的布置中，可以将来自外部重整器的输出送入燃料电池的阳极入口。除非特别另行说明，本申请内描述的重整是内部重整。
内部重整可以在燃料电池阳极内进行。附加地或作为选择地，内部重整可以在集成在燃料电池组件内的内部重整元件内进行。集成的重整元件可位于燃料电池堆内的燃料电池元件之间。换言之，电池堆中的盘之一可以是重整段而非燃料电池元件。一方面，燃料电池堆内的流动布置将燃料导向内部重整元件，然后导入燃料电池的阳极部分。因此，从流动角度看，内部重整元件和燃料电池元件可串联布置在燃料电池堆内。本文所用的术语“阳极重整”是在阳极内发生的燃料重整。本文所用的术语“内部重整”是在集成的重整元件内而非在阳极段中发生的重整。
在一些方面中，在燃料电池组件内的重整段可以被认为与燃料电池组件中的阳极相关。在另一些方面中，对于可与阳极相关(如与多个阳极相关)的燃料电池堆中的重整段，可提供将来自重整段的输出料流送入至少一个阳极的流动路径。这可相当于具有燃料电池板的初始段，该段不与电解质接触而是仅充当重整催化剂。相关重整段的另一选项可以是具有单独的集成重整段作为燃料电池堆中的元件之一，其中将来自集成重整段的输出送回燃料电池堆中的一个或多个燃料电池的输入侧。
从热集成角度看，燃料电池堆中的特征高度可以是单独燃料电池堆元件的高度。要指出，独立的重整阶段或独立的吸热反应阶段在该堆中可具有与燃料电池不同的高度。在这种情况下，可以使用燃料电池元件的高度作为特征高度。在一些方面中，集成的吸热反应阶段可以被定义为与一个或多个燃料电池热集成的阶段，以使该集成的吸热反应阶段可利用来自燃料电池的热作为重整的热源。这种集成的吸热反应阶段可以被定义为与向该集成阶段供热的任何燃料电池相距不到一个堆元件高度的5倍。例如，集成的吸热反应阶段(如重整阶段)可以与热集成的任何燃料电池相距不到一个堆元件高度的5倍，如不到一个堆元件高度的3倍。在这一论述中，代表燃料电池元件的相邻堆元件的集成重整阶段或集成吸热反应阶段可以被定义为与相邻燃料电池元件相距大约一个堆元件高度或更低。
在一些方面中，与燃料电池元件热集成的独立重整阶段还可相当于与燃料电池元件相关的重整阶段。在这样的方面中，集成的燃料电池元件可以向相关重整阶段提供至少一部分热，且相关重整阶段可以将至少一部分重整阶段输出物作为燃料料流供往集成的燃料电池。在另一些方面中，独立重整阶段可以与燃料电池集成以传热，但不与燃料电池相关。在这种类型的情况中，该独立重整阶段可以从燃料电池接收热，但不使用重整阶段的输出物作为燃料电池的输入。相反，可以将这种重整阶段的输出物用于另一用途，如将该输出物直接添加到阳极排气料流中，或形成来自燃料电池组件的独立输出料流。
更通常，燃料电池堆中的独立堆元件可用于进行可利用集成的燃料电池堆元件提供的废热的任何方便类型的吸热反应。代替适用于对烃燃料料流进行重整反应的板，独立堆元件可具有适用于催化另一类型的吸热反应的板。燃料电池堆中的歧管或入口岐管的其它布置可用于向各堆元件提供适当的输入料流。也可以使用类似的歧管或出口岐管的其它布置从各堆元件中取出输出料流。任选地，可以从燃料电池堆中取出来自堆中的吸热反应阶段的输出料流而不使该输出料流经过燃料电池阳极。在这样的任选方面中，放热反应的产物因此在不经过燃料电池阳极的情况下离开燃料电池堆。可以在燃料电池堆中的堆元件中进行的其它类型的吸热反应的实例包括乙醇脱水以形成乙烯，和乙烷裂化。
再循环:如本文定义，一部分燃料电池输出(如阳极排气或从阳极排气中分离或取出的料流)再循环到燃料电池入口，这可相当于直接或间接再循环料流。料流直接再循环到燃料电池入口被定义为不经过中间过程的料流再循环，而间接再循环涉及使料流经过一个或多个中间过程后的再循环。例如，如果阳极排气在再循环之前经过CO2分离段，这被视为阳极排气的间接再循环。如果将阳极排气的一部分，如从阳极排气中取出的H2料流送入用于将煤转化成适合引入燃料电池的燃料的气化器，这也被视为间接再循环。
阳极输入和输出
在本发明的各种方面中，可以向MCFC阵列供入在阳极入口接收的燃料，其包含例如氢气和烃，如甲烷(或者，可能含有不同于C和H的杂原子的烃质或类烃化合物)。送入阳极的大部分甲烷(或其它烃质或类烃化合物)通常可以是新鲜甲烷。在本说明书中，新鲜燃料，如新鲜甲烷是指不是从另一燃料电池工艺再循环而来的燃料。例如，从阳极出口料流再循环到阳极入口的甲烷不可被视为“新鲜”甲烷，而是可以被描述为再生甲烷。所用燃料源可以与其它部件分享，如涡轮机，涡轮机利用一部分燃料源向阴极输入提供含CO2料流。该燃料源输入可包括与该燃料成一定比例的水，所述比例适于重整段中重整烃(或类烃)化合物生成氢气。例如，如果甲烷是用于重整以生成H2的燃料输入，水与燃料的摩尔比可以为大约1比1至大约10比1，如至少大约2比1。4比1或更大的比率对外部重整是典型的，但更低的值对内部重整是典型的。在H2作为燃料源的一部分的程度上，在一些任选方面中，在燃料中可能不需要额外的水，因为阳极处的H2氧化可倾向于产生可用于重整该燃料的H2O。燃料源还可任选含有该燃料源附带的组分(例如，天然气进料可含有一定含量的CO2作为附加组分)。例如，天然气进料可含有CO2、N2和/或其它惰性(稀有)气体作为附加组分。任选地，在一些方面中，该燃料源还可含有CO，如来自阳极排气的再循环部分的CO。进入燃料电池组件的燃料中的CO的附加或替代的可能来源可以是由进入燃料电池组件之前对燃料进行的烃燃料蒸汽重整生成的CO。
更通常，各种类型的燃料料流可适合用作熔融碳酸盐燃料电池的阳极的输入料流。一些燃料料流可相当于含有烃和/或还可包含不同于C和H的杂原子的类烃化合物的料流。在这一论述中，除非另行规定，用于MCFC阳极的含烃燃料料流的提及被定义为包括含有这样的类烃化合物的燃料料流。烃(包括类烃)燃料料流的实例包括天然气、含C1-C4碳化合物(如甲烷或乙烷)的料流和含有更重的C5+烃(包括类烃化合物)的料流以及它们的组合。用于阳极输入中的可能的燃料料流的另一些附加或替代的实例可包括生物气类型的料流，如由有机材料的天然(生物)分解产生的甲烷。
在一些方面中，熔融碳酸盐燃料电池可用于加工由于存在稀释剂化合物而具有低能量含量的输入燃料料流，如天然气和/或烃料流。例如，甲烷和/或天然气的一些来源是可包括显著量的CO2或其它惰性分子，如氮、氩或氦的来源。由于存在提高量的CO2和/或惰性物，可降低基于该来源的燃料料流的能量含量。低能量含量的燃料用于燃烧反应(如用于为燃烧供能的涡轮机供能)会造成困难。但是，熔融碳酸盐燃料电池可基于低能量含量的燃料源发电并对燃料电池的效率具有降低的或最小的影响。附加气体体积的存在可需要附加的热将燃料温度升至用于重整和/或阳极反应的温度。另外，由于燃料电池阳极内的水煤气变换反应的平衡性质，附加CO2的存在可影响阳极输出中存在的H2和CO的相对量。但是，另外，惰性化合物对重整和阳极反应可只具有极小的直接影响。熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO2和/或惰性化合物(当存在时)的量可以为至少大约1体积％，如至少大约2体积％，或至少大约5体积％，或至少大约10体积％，或至少大约15体积％，或至少大约20体积％，或至少大约25体积％，或至少大约30体积％，或至少大约35体积％，或至少大约40体积％，或至少大约45体积％，或至少大约50体积％，或至少大约75体积％。附加地或作为选择地，熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO2和/或惰性化合物的量可以为大约90体积％或更低，如大约75体积％或更低，或大约60体积％或更低，或大约50体积％或更低，或大约40体积％或更低，或大约35体积％或更低。
阳极输入料流的可能来源的另一些实例可对应于炼油和/或其它工业工艺的输出料流。例如，炼焦是在许多炼油厂中用于将重质化合物转化成较低沸程的常见工艺。炼焦通常产生含有在室温下为气体的多种化合物(包括CO和各种C1-C4烃)的废气。这种废气可用作阳极输入料流的至少一部分。附加地或作为选择地，另一些炼油厂废气料流可适合包含在阳极输入料流中，如在裂化或其它炼油厂工艺过程中生成的轻馏分(C1-C4)。附加地或作为选择地，另一些合适的炼油厂料流可包括含CO或CO2的炼油厂料流，其还含有H2和/或可重整燃料化合物。
附加地或作为选择地，阳极输入的另一些可能的来源包括具有提高的水含量的料流。例如，来自乙醇厂(或另一类型的发酵工艺)的乙醇输出料流在最终蒸馏之前可包括相当一部分的H2O。这样的H2O通常可对燃料电池的运行仅造成极小的影响。因此，醇(或其它发酵产物)和水的发酵混合物可用作阳极输入料流的至少一部分。
生物气或沼气是阳极输入的另一附加或替代的可能来源。生物气可能主要包含甲烷和CO2并通常通过有机物的分解或消化产生。厌氧菌可用于消化有机物并产生生物气。可以在用作阳极输入之前从生物气中除去杂质，如含硫化合物。
来自MCFC阳极的输出料流可包括H2O、CO2、CO和H2。任选地，该阳极输出料流还可具有进料中的未反应燃料(如H2或CH4)或惰性化合物作为附加输出组分。代替使用这种输出料流作为向重整反应供热的燃料源或作为用于加热电池的燃烧燃料，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO2与具有作为另一工艺的输入的潜在价值的组分，如H2或CO分离。H2和/或CO可用作用于化学合成的合成气、用作用于化学反应的氢源和/或用作具有降低的温室气体排放的燃料。
在各种方面中，阳极的输出料流的组成可受若干因素影响。可影响阳极输出组成的因素可包括阳极的输入料流的组成、由燃料电池生成的电流量和/或阳极出口的温度。由于水煤气变换反应的平衡性质，阳极出口的温度是有关联的。在典型阳极中，构成阳极壁的至少一个板可适用于催化水煤气变换反应。因此，如果a)阳极输入料流的组成已知，b)阳极输入料流中的可重整燃料的重整程度已知，和c)从阴极传输到阳极的碳酸根的量(对应于生成的电流量)已知，则可基于水煤气变换反应的平衡常数确定阳极输出的组成。
Keq＝[CO2][H2]/[CO][H2O]
在上述方程中，Keq是该反应在给定温度和压力下的平衡常数，且[X]是组分X的分压。基于水煤气变换反应，可以指出，阳极输入中提高的CO2浓度可倾向于导致额外的CO形成(以H2为代价)，而提高的H2O浓度可倾向于导致额外的H2形成(以CO为代价)。
为了测定阳极输出的组成，可以使用阳极输入的组成作为起点。然后可以改变这种组成以反映在阳极内可能发生的任何可重整燃料的重整程度。这种重整可降低阳极输入的烃含量，变换成增加的氢气和CO2。接着，基于生成的电流量，可以降低阳极输入中的H2量，变换成额外的H2O和CO2。然后可以基于水煤气变换反应的平衡常数调节这种组成以测定H2、CO、CO2和H2O的出口浓度。
表1显示对于典型类型的燃料在不同燃料利用率下的阳极排气组成。阳极排气组成可反映阳极重整反应、水煤气变换反应和阳极氧化反应的综合结果。表1中的输出组成值通过假设阳极输入组成具有大约2比1的汽(H2O)/碳(可重整燃料)比而计算。假设可重整燃料是甲烷，假设其100％重整成氢气。假设阳极输入中的初始CO2和H2浓度可忽略不计，而输入N2浓度为大约0.5％。如该表中所示使燃料利用率Uf(如本文中定义)从大约35％到大约70％改变。为了测定平衡常数的准确值，假设燃料电池阳极的出口温度为大约650℃。
表1-阳极排气组成
表1显示在条件和阳极输入组成的特定设置下的阳极输出组成。更通常，在各种方面中，阳极输出可包括大约10体积％至大约50体积％H2O。H2O的量可在很大程度上变化，因为阳极中的H2O可由阳极氧化反应产生。如果将超过重整所需量的过量H2O引入阳极，则除由于燃料重整和水煤气变换反应消耗(或生成)的H2O外，该过量H2O通常会大多未反应地通过。阳极输出中的CO2浓度也可很大程度上变化，如大约20体积％至大约50体积％CO2。生成的电流量以及阳极输入料流中的CO2量都可影响CO2量。附加地或作为选择地，取决于阳极中的燃料利用率，阳极输出中的H2量可以为大约10体积％H2至大约50体积％H2。在阳极输出中，CO量可以为大约5体积％至大约20体积％。要指出，对于给定燃料电池，阳极输出中的相对于H2量的CO量可部分取决于在燃料电池中存在的温度和压力下的水煤气变换反应的平衡常数。附加地或作为选择地，阳极输出还可包括5体积％或更少的各种其它组分，如N2、CH4(或其它未反应的含碳燃料)和/或其它组分。
任选地，如果需要，可在阳极输出后包括一个或多个水煤气变换反应段以将阳极输出中的CO和H2O转化成CO2和H2。可以例如通过在较低温度下使用水煤气变换反应器将阳极输出中存在的H2O和CO转化成H2和CO2来提高阳极输出中存在的H2量。或者，可以提高温度并可以逆转水煤气变换反应，以由H2和CO2产生更多CO和H2O。水是在阳极处发生的反应的预期输出，因此该阳极输出通常可具有与阳极输出中存在的CO量相比过量的H2O。或者，可以在阳极出口后但在水煤气变换反应前将H2O添加到料流中。由于在重整过程中的不完全碳转化和/或由于在重整条件或在阳极反应过程中存在的条件下H2O、CO、H2和CO2之间的平衡反应(即水煤气变换平衡)，在阳极输出中可存在CO。水煤气变换反应器可以在以CO和H2O为代价进一步朝形成CO2和H2的方向驱动该平衡的条件下运行。较高温度可以往往有利于形成CO和H2O。因此，运行水煤气变换反应器的一个选项可以是在合适的温度，例如大约190℃至大约210℃下使阳极输出料流暴露在合适的催化剂，如包括氧化铁、氧化锌、载铜氧化锌等的催化剂下。任选地该水煤气变换反应器可包括用于降低阳极输出料流中的CO浓度的两个段，其中第一较高温段在至少大约300℃至大约375℃的温度下运行，第二较低温段在大约225℃或更低，如大约122℃至大约210℃的温度下运行。除提高阳极输出中存在的H2量外，附加地或作为选择地，水煤气变换反应可以以CO为代价提高CO2量。这可以将难除去的一氧化碳(CO)变换成二氧化碳，二氧化碳可以更容易地通过冷凝(例如低温脱除)、化学反应(如胺脱除)和/或其它CO2脱除法除去。附加地或作为选择地，可能合意的是提高阳极排气中存在的CO含量以实现所需H2/CO比。
在经过任选水煤气变换反应段后，可以使阳极输出经过一个或多个分离段以从阳极输出料流中除去水和/或CO2。例如，可通过单独或组合使用一种或多种方法对阳极输出进行CO2分离来形成一个或多个CO2输出料流。这些方法可用于生成具有90体积％或更高，如至少95％体积％CO2或至少98体积％CO2的CO2含量的CO2输出料流。这些方法可回收阳极输出的CO2含量的大约至少70％，如阳极输出的CO2含量的至少大约80％，或至少大约90％。或者，在一些方面中可能合意的是回收阳极输出料流内的仅一部分CO2，回收的CO2部分为阳极输出中的CO2的大约33％至大约90％，如至少大约40％，或至少大约50％。例如，可能合意的是使一些CO2留在阳极输出料流中以在随后的水煤气变换段中实现所需组成。合适的分离方法可包括使用物理溶剂(例如，SelexolTM或RectisolTM)；胺或其它碱(例如，MEA或MDEA)；制冷(例如，深冷分离)；变压吸附；真空变压吸附(vacuum swing adsorption)；和它们的组合。深冷CO2分离器可以是合适的分离器的一个实例。随着将阳极输出冷却，阳极输出中的大部分水可作为冷凝(液)相分离出。贫水阳极输出料流的进一步冷却和/或加压可随后分离高纯CO2，因为阳极输出料流中的其它剩余组分(如H2、N2、CH4)不容易形成冷凝相。取决于运行条件，深冷CO2分离器可回收流中存在的CO2的大约33％至大约90％。
从阳极排气中除水以形成一个或多个水输出料流也是有益的，无论这是在进行CO2分离之前、之中还是之后。阳极输出中的水量可随所选运行条件而变。例如，在阳极入口建立的汽/碳比可影响阳极排气中的水含量，高汽/碳比通常导致大量的水，其可以未反应地通过阳极和/或仅由于阳极中的水煤气变换平衡而反应。根据该方面，阳极排气中的水含量可相当于阳极排气中的体积的多达大约30％或更大。附加地或作为选择地，水含量可以为阳极排气体积的大约80％或更小。尽管可通过压缩和/或冷却及随之冷凝除去这样的水，但这种水的脱除可需要额外的压缩机功率和/或热交换表面积和大量的冷却水。除去一部分这种过量水的一种有益方式可基于使用吸附剂床，其可从湿阳极流出物中捕获水分，然后可利用干燥的阳极进料气“再生”，以向阳极进料提供额外的水。HVAC-型(加热、通风和空气调节)吸附轮设计是适用的，因为阳极排气和入口可在压力上类似，且从一个料流到另一料流的轻微泄漏对整个工艺的影响极小。在使用深冷法进行CO2脱除的实施方案中，在CO2脱除之前或之中除水可能是合意的，包括通过三乙二醇(TEG)系统和/或干燥剂除水。相反，如果使用胺洗除去CO2，则可以在CO2脱除段下游从阳极排气中除水。
代替性地或除了CO2输出料流和/或水输出料流外，阳极输出还可用于形成一个或多个含有所需化学或燃料产物的产物料流。这样的产物料流可相当于合成气料流、氢气料流或合成气产物和氢气产物料流两者。例如，可形成含有至少大约70体积％H2，如至少大约90体积％H2或至少大约95体积％H2的氢气产物料流。附加地或作为选择地，可形成含有总共至少大约70体积％的H2和CO，如至少大约90体积％的H2和CO的合成气料流。所述一个或多个产物料流可具有相当于阳极输出中的总H2和CO气体体积的至少大约75％，如总H2和CO气体体积的至少大约85％或至少大约90％的气体体积。要指出，基于利用水煤气变换反应段在产物之间进行转化，产物料流中H2和CO的相对量可能不同于阳极输出中的H2/CO比。
在一些方面中，可能合意的是除去或分离阳极输出中存在的一部分H2。例如，在一些方面中阳极排气中的H2/CO比可以为至少大约3.0:1。相反，利用合成气的工艺，如费托合成可以以不同比率，如接近2:1的比率消耗H2和CO。一个备选方案可以是利用水煤气变换反应改变阳极输出的含量以具有更接近所需合成气组成的H2/CO比。另一备选方案可以是利用膜分离除去阳极输出中存在的一部分H2以实现所需H2/CO比，或使用膜分离和水煤气变换反应的组合。利用膜分离除去阳极输出中的仅一部分H2的一个优点可以是在相对温和条件下进行所需分离。由于一个目标可以是产生仍具有显著H2含量的渗余物，可通过膜分离生成高纯氢的渗透物而不需要苛刻的条件。例如，渗透物侧可以在比环境压力高的压力下，同时仍具有足以进行膜分离的驱动力，而非在膜渗透物侧上具有大约100kPaa或更低(如环境压力)的压力。附加地或作为选择地，可以使用吹扫气体如甲烷提供膜分离的驱动力。这可降低H2渗透物料流的纯度，但取决于该渗透物料流的所需用途，可能是有利的。
在本发明的各种方面中，至少一部分阳极排气料流(优选在分离CO2和/或H2O后)可用作燃料电池和相关重整段外的工艺的进料。在各种方面中，阳极排气可具有大约1.5:1至大约10:1，如至少大约3.0:1，或至少大约4.0:1，或至少大约5.0:1的H2/CO比。可以由阳极排气生成或取出合成气料流。阳极排气，任选在分离CO2和/或H2O之后和任选在进行水煤气变换反应和/或膜分离以除去过量氢气之后，可相当于含有相当一部分H2和/或CO的料流。对于具有相对较低CO含量的料流，如H2/CO比为至少大约3:1的料流，该阳极排气可适合用作H2进料。可获益于H2进料的工艺的实例可包括，但不限于，炼油厂工艺、氨合成装置或(不同)发电系统中的涡轮机或其组合。根据用途，更低的CO2含量可能是合意的。对于具有小于大约2.2比1和大于大约1.9比1的H2/CO比的料流，该料流可适合用作合成气进料。可获益于合成气进料的工艺的实例可包括，但不限于，气至液装置(如使用借助非变换催化剂的费托法的装置)和/或甲醇合成装置。用作外部工艺的进料的阳极排气的量可以是任何方便的量。任选地，当使用一部分阳极排气作为外部工艺的进料时，第二部分的阳极排气可再循环到阳极输入和/或再循环到燃烧供能发电机的燃烧区。
可用于不同类型的费托合成工艺的输入料流可提供可以适合由阳极输出生成的不同类型的产物料流的一个实例。对于使用变换催化剂，如铁基催化剂的费托合成反应系统，该反应系统的所需输入料流除H2和CO外还可包括CO2。如果在输入料流中不存在足量的CO2，则具有水煤气变换活性的费托催化剂可消耗CO以生成额外的CO2，导致可能CO不足的合成气。为了将这种费托工艺与MCFC燃料电池集成，可以运行阳极输出的分离段以保持合成气产物中的所需CO2(和任选H2O)量。相反，对基于非变换催化剂的费托催化剂，产物料流中存在的任何CO2可充当费托反应系统中的惰性组分。
在用吹扫气体，如甲烷吹扫气体吹扫膜的方面中，甲烷吹扫气体可相当于用作阳极燃料或用于不同的低压工艺，如锅炉、炉、燃气轮机或其它燃料消耗装置的甲烷料流。在这一方面中，跨过该膜的低水平CO2渗透可具有极小后果。可能渗透过膜的这种CO2对阳极内的反应具有极小影响，并且这种CO2可保留在阳极产物中。因此，由于渗透而跨膜损失的CO2(如果有的话)不需要再转移通过MCFC电解质。这可以显著降低对透氢膜的分离选择性要求。这可允许例如使用具有较低选择性的较高渗透率膜，其可以使使用较低压力和/或降低的膜表面积成为可能。在本发明的这一方面中，吹扫气体的体积可以为阳极排气中的氢气体积的大倍数，这能使渗透物侧上的有效氢气浓度保持接近0。由此分离的氢气可并入涡轮机的进料甲烷中，在此其可以如上所述增强涡轮机燃烧特征。
要指出，在阳极中生成的过量H2可代表已分离出温室气体的燃料。阳极输出中的任何CO2可容易地从阳极输出中分离，如通过使用胺洗、深冷CO2分离器和/或变压或真空变压吸附法。阳极输出的几种组分(H2、CO、CH4)不容易除去，而CO2和H2O通常可以容易除去。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中的CO2的至少大约90体积％，形成相对高纯的CO2输出料流。因此，可以有效分离出在阳极中生成的任何CO2以形成高纯CO2输出料流。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有化学和/或燃料价值的组分以及降低量的CO2和/或H2O。由于由原始燃料(在重整前)生成的相当一部分CO2可已被分离出，可以降低由剩余部分的阳极输出的随后燃烧生成的CO2量。特别地，在剩余部分的阳极输出中的燃料是H2的程度上，通常不能由这种燃料的燃烧形成额外的温室气体。
可以对阳极排气施以各种气体加工选择，包括水煤气变换和组分的互相分离。
阴极输入和输出
传统上，可基于在消耗送往阳极的燃料料流中的一部分燃料的同时提取所需荷载来运行熔融碳酸盐燃料电池。然后可通过该荷载、阳极的燃料输入、向阴极提供的空气和CO2和燃料电池的内电阻确定燃料电池的电压。送往阴极的CO2传统上可部分地使用阳极排气作为至少一部分阴极输入料流来提供。相反，本发明可以对阳极输入和阴极输入使用分开/不同的来源。通过消除阳极输入流和阴极输入流的组成之间的任何直接联系，可提供用于运行燃料电池的附加选项，以例如生成过量合成气、以改进二氧化碳捕集和/或改进燃料电池的总效率(电+化学动力)等。
在熔融碳酸盐燃料电池中，跨过燃料电池中的电解质的碳酸根离子传输可提供从第一流动路径向第二流动路径传输CO2的方法，其中该传输方法可允许从较低浓度(阴极)向较高浓度(阳极)传输，这可因此有利于捕集CO2。该燃料电池对CO2分离的选择性部分可基于能使该电池生成电力的电化学反应。对于有效地不参与燃料电池内的电化学反应的非反应性物类(如N2)，可以存在不明显的反应量和从阴极到阳极的传输。相反，阴极和阳极之间的电位(电压)差可提供跨燃料电池传输碳酸根离子的强驱动力。因此，熔融碳酸盐燃料电池中的碳酸根离子传输可允许以相对较高的选择性从阴极(较低CO2浓度)向阳极(较高CO2浓度)传输CO2。但是，使用熔融碳酸盐燃料电池脱除二氧化碳的一个挑战可能在于，该燃料电池具有有限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。随着CO2浓度下降到大约1.5体积％以下，由碳酸盐燃料电池生成的电压和/或功率开始快速降低。随着CO2浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一时刻，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎不能或完全不能发生碳酸根的进一步传输且燃料电池停止工作。因此，在商业可行的运行条件下来自燃料电池的阴极段的排气中可能存在至少一些CO2。
可基于阴极入口源的CO2含量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。适合用作阴极输入料流的含CO2料流的一个实例可以是来自燃烧源的输出或排气流。燃烧源的实例包括，但不限于，基于天然气的燃烧、煤的燃烧和/或其它烃型燃料(包括生物衍生燃料)的燃烧的来源。另外或替代的来源可包括其它类型的锅炉、火焰加热器、炉和/或燃烧含碳燃料以加热另一物质(如水或空气)的其它类型的装置。大致上，来自燃烧源的输出料流的CO2含量可以为该流的次要部分。甚至对较高CO2含量的排气流，如来自燃煤燃烧源的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO2含量可以为大约15体积％或更低。更通常，来自燃烧源的输出或排气流的CO2含量可以为至少大约1.5体积％，或至少大约1.6体积％，或至少大约1.7体积％，或至少大约1.8体积％，或至少大约1.9体积％，或至少大于2体积％，或至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。附加地或作为选择地，来自燃烧源的输出或排气流的CO2含量可以为大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约9体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约7体积％或更低，或大约6.5体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约5.5体积％或更低，或大约5体积％或更低，或大约4.5体积％或更低。上文给出的浓度是基于干燥基础。要指出，在来自一些天然气或甲烷燃烧源(如作为可能包括或可能不包括排气再循环回路的发电系统的一部分的发电机)的排气中可存在更低的CO2含量值。
附加地或作为选择地，阴极输入料流的其它可能的来源包括生物制CO2来源。这可包括例如，在生物衍生化合物的加工过程中生成的CO2，如在乙醇生产过程中生成的CO2。一个附加或替代的实例可包括通过生物制燃料的燃烧，如木质纤维素的燃烧生成的CO2。另一些附加或替代的可能CO2来源可对应于来自各种工业工艺的输出或排气流，如由钢、水泥和/或纸的制造装置生成的含CO2料流。
另一附加或替代的可能CO2来源可以是来自燃料电池的含CO2料流。来自燃料电池的含CO2料流可对应于来自不同燃料电池的阴极输出料流、来自不同燃料电池的阳极输出料流、从燃料电池的阴极输出到阴极输入的再循环料流和/或从燃料电池的阳极输出到阴极输入的再循环料流。例如，在传统条件下以独立模式运行的MCFC可生成具有至少大约5体积％的CO2浓度的阴极排气。这样的含CO2的阴极排气可用作根据本发明的一个方面运行的MCFC的阴极输入。更通常，可以另外或替代性地使用产生来自阴极排气的CO2输出的其它类型的燃料电池，以及不是由“燃烧”反应和/或燃烧供能发电机生成的其它类型的含CO2料流。任选但优选地，来自另一燃料电池的含CO2料流可来自另一熔融碳酸盐燃料电池。例如，对于就阴极而言串联的熔融碳酸盐燃料电池，来自第一熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输出可用作第二熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输入。
对于来自燃烧源以外的来源的各种类型的含CO2料流，该料流的CO2含量可在很大程度上变化。阴极输入料流的CO2含量可含有至少大约2体积％的CO2，或至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。附加地或作为选择地，阴极输入料流的CO2含量可以为大约30体积％或更低，如大约25体积％或更低，或大约20体积％或更低，或大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约4体积％或更低。对于一些更高CO2含量的料流，CO2含量可高于大约30体积％，如仅含附带量的其它化合物的基本由CO2构成的料流。例如，无排气再循环的燃气轮机可产生具有大约4.2体积％的CO2含量的排气料流。在EGR下，燃气轮机可产生具有大约6-8体积％的CO2含量的排气料流。甲烷的化学计量燃烧可产生具有大约11体积％的CO2含量的排气料流。煤的燃烧可产生具有大约15–20体积％的CO2含量的排气料流。使用炼油厂废气的火焰加热器可产生具有大约12–15体积％的CO2含量的排气料流。无任何EGR的用低BTU气体运行的燃气轮机可产生具有～12体积％的CO2含量的排气料流。
除CO2外，阴极输入料流还必须包括O2以提供阴极反应所必需的组分。一些阴极输入料流可基于以空气作为组分。例如，可通过在空气存在下燃烧烃燃料形成燃烧排气料流。这种燃烧排气料流或由于包括空气而具有氧含量的另一类型的阴极输入料流可具有大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低的氧含量。附加地或作为选择地，阴极输入料流的氧含量可以为至少大约4体积％，如至少大约6体积％，或至少大约8体积％。更通常，阴极输入料流可具有适用于进行阴极反应的氧含量。在一些方面中，这可相当于大约5体积％至大约15体积％，如大约7体积％至大约9体积％的氧含量。对于许多类型的阴极输入料流，CO2和O2的总量可相当于该输入料流的小于大约21体积％，如该料流的小于大约15体积％或该料流的小于大约10体积％。可以将含氧空气料流与具有低氧含量的CO2源合并。例如，通过煤燃烧生成的排气料流可包括低氧含量，其可以与空气混合形成阴极入口料流。
除CO2和O2外，阴极输入料流还可以由惰性/非反应性物类，如N2、H2O和其它典型的氧化剂(空气)组分构成。例如，对于衍生自燃烧反应排气的阴极输入，如果使用空气作为用于燃烧反应的氧化剂来源的一部分，则该排气可包括空气的典型组分，如N2、H2O和存在于空气中的次要量的其它化合物。取决于用于燃烧反应的燃料源的性质，基于燃料源的燃烧之后存在的附加物类可包括H2O、氮氧化物(NOx)和/或硫氧化物(SOx)和存在于燃料中和/或作为燃料中存在的化合物的部分或完全燃烧产物的其它化合物(如CO)中的一种或多种。这些物类可以以不毒化阴极催化剂表面的量存在，尽管它们可能降低总阴极活性。这样的性能降低可能是可接受的，或可通过已知的污染物去除技术将与阴极催化剂相互作用的物类减至可接受的水平。
阴极输入料流(如基于燃烧排气的阴极输入料流)中存在的O2量可有利地足以提供燃料电池中的阴极反应所需的氧。因此，O2的体积百分比可以有利地为该排气中的CO2量的至少0.5倍。任选地，如果必要，可以向阴极输入中加入额外空气以向阴极反应提供足够的氧化剂。当使用某种形式的空气作为氧化剂时，阴极排气中的N2量可以为至少大约78体积％，例如至少大约88体积％，和/或大约95体积％或更低。在一些方面中，阴极输入料流可另外或替代性地含有通常被视为污染物的化合物，如H2S或NH3。在另一些方面中，可以净化阴极输入料流以降低或将此类污染物的含量减至最低。
适用于运行MCFC的温度可以为大约450℃至大约750℃，如至少大约500℃，例如具有大约550℃的入口温度和大约625℃的出口温度。在进入阴极之前，可以向燃烧排气引入热，或如果需要，从燃烧排气中除热以例如向其它工艺(如阳极的燃料输入的重整)供热。例如，如果阴极输入料流的来源是燃烧排气料流，则该燃烧排气料流的温度可大于阴极入口的所需温度。在这一方面中，可以在用作阴极输入料流之前从燃烧排气中除热。或者，该燃烧排气可以在极低温度下，例如在燃煤锅炉上的湿气体洗涤器后，在这种情况下该燃烧排气可低于大约100℃。
熔融碳酸盐燃料电池运行
在一些方面中，可以以单程或一次通过模式运行燃料电池。在单程模式中，不将阳极排气中的重整产物送回阳极入口。因此，在单程运行中不将合成气、氢气或一些其它产物从阳极输出直接再循环到阳极入口。更通常，在单程运行中，阳极排气中的重整产物也不间接送回阳极入口，如通过利用重整产物加工随后引入阳极入口的燃料料流。任选地，来自阳极出口的CO2可以在MCFC以单程模式运行的过程中再循环到阴极入口。更通常，在另一些方面中，对于以单程模式运行的MCFC，可能发生从阳极出口到阴极入口的再循环。附加地或作为选择地，来自阳极排气或输出的热可以在单程模式中再循环。例如，阳极输出料流可经过热交换器，热交换器将阳极输出冷却并将另一料流，如阳极和/或阴极的输入料流加温。将来自阳极的热再循环到燃料电池与在单程或一次通过运行中的使用是一致的。任选但不优选地，在单程模式中可以燃烧阳极输出的成分以向燃料电池供热。
图4显示用于发电的MCFC的运行的一个示意性实例。在图4中，燃料电池的阳极部分可接收燃料和蒸汽(H2O)作为输入，并输出水、CO2和任选过量H2、CH4(或其它烃)和/或CO。燃料电池的阴极部分可接收CO2和一些氧化剂(例如空气/O2)作为输入，输出相当于在贫氧的氧化剂(空气)中的降低量的CO2。在燃料电池内，在阴极侧形成的CO3 2-离子可跨电解质传输以提供在阳极处发生的反应所需的碳酸根离子。
在熔融碳酸盐燃料电池，如图4中所示的示例性燃料电池内可发生若干反应。重整反应可以是任选的并且如果直接向阳极提供足够的H2，则可以减少或消除省掉该反应。下列反应基于CH4，但在燃料电池中使用其它燃料时，可发生类似反应。
(1)<阳极重整>CH4+H2O＝>3H2+CO
(2)<水煤气变换>CO+H2O＝>H2+CO2
(3)<重整和水煤气变换的组合>CH4+2H2O＝>4H2+CO2
(4)<阳极H2氧化>H2+CO3 2-＝>H2O+CO2+2e-
(5)<阴极>1/2O2+CO2+2e-＝>CO3 2-
反应(1)代表基本的烃重整反应以生成用于燃料电池的阳极的H2。反应(1)中形成的CO可通过水煤气变换反应(2)转化成H2。反应(1)和(2)的组合显示为反应(3)。反应(1)和(2)可以在燃料电池外进行，和/或重整可以在阳极内进行。
分别在阳极和阴极处的反应(4)和(5)代表造成燃料电池内的电力发生的反应。反应(4)将存在于进料中或任选由反应(1)和/或(2)生成的H2与碳酸根离子合并以形成H2O、CO2和送往电路的电子。反应(5)使O2、CO2和来自该电路的电子合并形成碳酸根离子。由反应(5)生成的碳酸根离子可跨燃料电池的电解质传输以提供反应(4)所需的碳酸根离子。与碳酸根离子跨电解质的传输相结合，然后可通过在阳极和阴极之间提供电连接形成闭合电流回路。
在各种实施方案中，运行燃料电池的目标可以是改进燃料电池的总效率和/或燃料电池+集成化学合成工艺的总效率。这通常不同于燃料电池的传统运行，其中目标可以对于利用供给电池的燃料发电以高电效率运行燃料电池。如上定义，可通过将燃料电池的电输出加上燃料电池输出的低位发热值再除以燃料电池的输入组分的低位发热值来确定总燃料电池效率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sg out))/LHV(in)，其中LHV(in)和LHV(sgout)分别是指送往燃料电池的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)和阳极出口料流或流中的合成气(H2、CO和/或CO2)的LHV。这可提供燃料电池和/或集成化学工艺生成的电能+化学能的量度。要指出，在总效率的这一定义下，燃料电池内使用的和/或集成的燃料电池/化学合成系统内使用的热能可对总效率有贡献。但是，该定义不包括从燃料电池或集成的燃料电池/化学合成系统中交换或以其它方式取出的任何过量热。因此，如果来自燃料电池的过量热例如用于生成蒸汽以通过蒸汽轮机发电，则总效率的定义中不包括这样的过量热。
可以控制一些运行参数以用过量可重整燃料运行燃料电池。一些参数可类似于目前对燃料电池运行推荐的参数。在一些方面中，燃料电池的阴极条件和温度输入可类似于文献中推荐的那些。例如，可以在熔融碳酸盐燃料电池典型的燃料电池运行温度范围内实现所需电效率和所需总燃料电池效率。在典型运行中，温度可跨燃料电池提高。
在另一些方面中，燃料电池的运行参数可背离典型条件从而运行燃料电池以使温度从阳极入口到阳极出口和/或从阴极入口到阴极出口降低。例如，将烃转化成H2和CO的重整反应是吸热反应。如果相对于用于产生电流的氢的氧化量，在燃料电池阳极中进行足量重整，则该燃料电池中的净热平衡可以是吸热的。这可导致燃料电池的入口与出口之间的降温。在吸热运行过程中，可以控制燃料电池中的温度降低以使燃料电池中的电解质保持熔融态。
可以以不同于目前推荐的方式控制的参数可包括向阳极提供的燃料量、向阳极提供的燃料的组成、和/或没有合成气从阳极排气显著再循环到阳极输入或阴极输入的情况下阳极输出中的合成气的分离和捕集。在一些方面中，不能允许发生合成气或氢气从阳极排气直接或间接再循环到阳极输入或阴极输入。在附加或替代性的方面中，可发生有限量的再循环。在这样的方面中，从阳极排气到阳极输入和/或阴极输入的再循环量可小于阳极排气的大约10体积％，如小于大约5体积％或小于大约1体积％。
在一些方面中，与燃烧加热器集成的熔融碳酸盐燃料电池生成的电力可用于向与燃烧加热器、燃料电池和/或在与该集成燃烧加热器相关的加工链中的其它设备关联的各种类型的设备供能。可至少部分由该熔融碳酸盐燃料电池生成的电力供能的设备的实例包括，但不限于，燃烧加热器的诱导和/或强制通风扇；泵，如分离段中使用的那些；和压缩机，如可用于使H2或CO2达到管道压力的压缩机。
附加集成选项
在各种方面中，可以将来自燃烧加热器的烟气送入如上所述作为燃烧加热器的结构的一部分并入的MCFC。优选地，该燃气加热器可燃烧天然气、甲烷气体或另一烃气体。产生的含CO2的排气料流，在此为烟气，可以在与MCFC运行相容的升高的温度(如300℃至700℃，例如500℃至650℃)下产生。用于燃烧加热器内的燃烧的燃料气体源可在进入燃烧加热器的燃烧嘴之前可任选但优选清除可使MCFC中毒的污染物，如硫。
为了与燃烧源集成，用于加工燃料电池阳极的一些备选配置可以是合意的。例如，一个备选配置可以是将至少一部分来自燃料电池阳极的排气再循环到燃料电池阳极的输入。来自MCFC阳极的阳极输出料流可包括H2O、CO2、任选CO和任选但通常是未反应的燃料(如H2和/或CH4)作为主要输出组分。代替使用这种输出料流作为外部燃料料流和/或与另一工艺集成的输入料流，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO2与具有潜在燃料价值的组分(如H2或CO)分离。然后可以将具有燃料价值的组分再循环到阳极的输入。
这种类型的配置可提供一个或多个益处。首先，可以通过任何合适的方法，如通过使用深冷CO2分离器或胺洗涤分离器从阳极输出中分离CO2。阳极输出的几种组分(H2、CO、CH4)不是易冷凝组分，而CO2和H2O可独立地作为冷凝相分离。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中至少大约90体积％的CO2以形成相对高纯的CO2输出料流。或者，在一些方面中可以从阳极输出中除去较少CO2，因此可分离出阳极输出中大约50体积％至大约90体积％的CO2，如大约80体积％或更少或大约70体积％或更少。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有燃料价值的组分以及降低量的CO2和/或H2O。分离后的这部分阳极输出可再循环以与附加燃料一起用作阳极输入的一部分。在这种类型的配置中，即使在经过MCFC的单程中的燃料利用率可能是低的，但未用的燃料可有利地再循环以再次经过阳极。因此，单程燃料利用率可在降低的水平，同时避免了未燃的燃料损失(排放)到环境中。
作为将一部分阳极排气再循环到阳极输入的补充或替代，另一配置选项可以是使用一部分阳极排气作为涡轮机或其它燃烧装置，如锅炉、炉和/或火焰加热器的燃烧反应的输入。再循环到阳极输入和/或作为输入再循环到燃烧装置的阳极排气的相对量可以是任何方便或合意的量。如果阳极排气再循环到阳极输入和燃烧装置的仅一种中，则再循环量可以是任何方便的量，如用于除去CO2和/或H2O的任何分离后留下的那部分阳极排气的最多100％。当一部分阳极排气既再循环到阳极输入又再循环到燃烧装置时，总再循环量按定义可以为阳极排气的剩余部分的100％或更低。或者，可以使用阳极排气的任何方便的分流。在本发明的各种实施方案中，再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中附加地或作为选择地，再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。再附加地或作为选择地，在本发明的各种实施方案中，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中附加地或作为选择地，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。
附加实施方案
实施方案1.一种使用熔融碳酸盐燃料电池处理燃烧加热器生成的烟气的方法，所述方法包括：将燃料和氧化剂引入燃烧加热器；在所述燃烧加热器中燃烧燃料以产生包含第一CO2含量的烟气；将至少一部分烟气送入多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口以生成阳极排气和具有第二CO2含量的阴极排气，第二CO2含量与第一CO2含量的比率为大约0.5:1或更低；和将至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气送入所述燃烧加热器的对流加热段。
实施方案2.实施方案1的方法，其中供烟气经过所述熔融碳酸盐燃料电池阴极的烟气流路长度与燃烧加热器路径长度的比率为大约1.0至大约3.0、或大约1.0至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2、或大约1.1至大约3.0、或大约1.1至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中氧化剂的量相当于大约0.27至大约0.65、或至少大约0.37、或至少大约0.40、或至少大约0.43、或至少大约0.47、和/或大约0.60或更低、或大约0.55或更低、或大约0.50或更低的相对过量总加热器氧化剂值。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气包含送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的所述至少一部分烟气中所含的CO2的至少大约25％、或至少大约50％、或至少大约75％。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于所述燃烧加热器的毗连隔热环境内，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于与所述燃烧加热器相邻的体积内，或它们的组合。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中将基本所有烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极段中。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述方法进一步包括将所述烟气以大约0.4m/s至大约1.7m/s的表观速度送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述方法进一步包括：将可重整燃料引入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阳极；接收来自所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极排气；和将所述阳极排气送往CO2脱除系统。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中所述方法进一步包括，在所述将所述至少一部分烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口之前，将所述至少一部分烟气送过附加传热段。
实施方案10.实施方案9的方法，其中所述附加传热段配置成将烟气温度降至小于大约700℃。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池在大于大约1500mA/m2的电流密度下运行。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括运行所述多个熔融碳酸盐燃料电池以产生具有比引入所述阴极入口的烟气高的温度的阴极排气。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃料包含气相燃料，所述燃料任选包含天然气，其中所述氧化剂包含氧气，所述氧化剂任选通过将空气引入所述燃烧加热器引入，或它们的组合。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧加热器包含a)自然通风燃烧加热器，b)强制通风燃烧加热器，c)与蒸汽甲烷重整器、乙烯炉或延迟焦化炉的至少一种集成的燃烧加热器，或d)它们的组合。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于对流加热段中、位于附加传热段中，或它们的组合。
实施方案16.一种使用包含阳极和阴极的集成熔融碳酸盐燃料电池的用于发电的燃烧加热器，所述燃烧加热器包含：辐射加热段；燃烧嘴，其任选与所述辐射加热段流体连通和/或位于所述辐射加热段内，其生成包含CO2的烟气；多个熔融碳酸盐燃料电池，所述熔融碳酸盐燃料电池具有与所述辐射加热段流体连通的阴极入口以接收至少一部分烟气，所述多个熔融碳酸盐燃料电池进一步具有配置成排出阴极排气的多个阴极出口和配置成排出阳极排气的多个阳极出口；和与所述多个阴极出口流体连通以从中接收至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气的对流段，所述对流段包含多个对流管以从所述阴极排气中除去热能。
实施方案17.实施方案16的燃烧加热器，其中供烟气经过所述熔融碳酸盐燃料电池阴极的烟气流路长度与燃烧加热器路径长度的比率为大约1.0至大约3.0、或大约1.0至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2、或大约1.1至大约3.0、或大约1.1至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2。
实施方案18.实施方案16或17的燃烧加热器，其进一步包含位于所述辐射加热段和所述多个熔融碳酸盐燃料电池之间的附加传热段，所述附加传热段任选配置成将所述烟气冷却至小于大约700℃。
实施方案19.实施方案16-18任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于对流加热段中、位于附加传热段中，或它们的组合。
实施方案20.实施方案16-19任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池进一步包含配置成接收可重整燃料和生成阳极排气的阳极，所述阳极排气包含CO2和合成气。
实施方案21.实施方案16-20任一项的燃烧加热器，其中用于将烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口的岐管包含所述燃烧加热器的内壁。
实施方案22.实施方案16-21任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于所述燃烧加热器的毗连隔热环境内，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于与所述燃烧加热器相邻的体积内，或它们的组合。
实施方案23.实施方案16-22任一项的燃烧加热器，其中所述燃烧加热器包含a)自然通风燃烧加热器,b)强制通风燃烧加热器，c)与蒸汽甲烷重整器、乙烯炉或延迟焦化炉的至少一种集成的燃烧加热器，或d)它们的组合。
实施方案24.实施方案16-23任一项的燃烧加热器，其中所述燃烧嘴接收包含气相燃料的燃料，所述燃料任选包含天然气，其中所述燃烧嘴接收任选包含氧气的氧化剂，所述氧化剂任选通过将空气引入所述燃烧加热器引入，或它们的组合。
实施方案25.实施方案24的燃烧加热器，其中氧化剂的量相当于大约0.27至大约0.65、或至少大约0.37、或至少大约0.40、或至少大约0.43、或至少大约0.47、和/或大约0.60或更低、或大约0.55或更低、或大约0.50或更低的相对过量总加热器氧化剂值。
实施例
实施例1：详细配置实施例
对除在燃烧嘴后不加入额外空气外类似于图2中所示的配置的集成燃烧加热器配置进行详细计算。相反地，额外空气加到燃烧嘴进料中。该计算用于确定集成熔融碳酸盐燃料电池(作为MCFCR)的可行性。该计算部分基于Ibrahim和Al-Qassimi(Hassan Al-HajIbrahim and Mourhaf Al-Qassimi,“Simulation of heat transfer in the convectionsection of fired process heaters,”Chemical Engineering 54//1(2010)p.33-40)公开的详细燃烧加热器模拟，并且部分基于使用HysysTM模拟软件开发的经验熔融碳酸盐燃料电池模型。
MCFCR的堆数和配置：这一实施例中的燃烧加热器相当于图9的第1列中所示的燃烧加热器配置。图10还示意性显示关于基于计算达到的集成配置的另外细节，其类似于图2中所示的配置。但是，要指出，尽管图10看起来显示垂直配置，但这一实施例中所示的计算基于提供水平配置的MCFCRs。如图9的第1列中所示，该加热器的燃烧负荷(燃烧嘴负荷)为～105.7MBTU/hr。假设每MBTU产生～1.206kmol CO2，燃烧嘴产生的CO2量为(105.7)(1.206)≈127.5kmol/hr。在这一实施例中，假设每kmol/hr CO2需要0.0348MW的燃料电池。基于这一假设，需要(127.5)(.0348)≈4.44MW的燃料电池加工该燃烧加热器生成的烟气。
假设MCFC模块可堆叠至任何所需高度，将燃料电池堆的高度设定为～4.8m，以使该堆可水平横跨～4.8m宽的辐射段顶部。基于传统燃料电池堆设计，具有大约4.0m堆高度的基于如图9的第1列中所述的燃料电池的燃料电池堆可生成大约350kW的电力。假设电力与高度成比例，各～4.8m堆可生成(4.8/4)(350kW)≈420kW。基于这些计算，所需堆数为(4.44/0.420)≈10.6，对于这种MCFCR约等于11个堆。各堆为～1.5m宽，因此MCFCR的宽度为(11)(1.5)≈16.5m，这可适配在辐射段顶部的～20m宽度内。假设可能存在另外的壁占据该～20m宽度的剩余部分，以迫使燃烧加热器中的基本所有烟气经过MCFCR中的燃料电池。
MCFCR的位置：对单独的燃烧加热器的计算表明，在辐射段的末端，烟气温度为大约1073°K或大约800℃。为了使MCFCR的位置与这一温度匹配，在具有辐射段的横截面但具有更类似于对流段的传热特征的区域(即附加传热段)中包括附加管排。基于对单独的燃烧加热器的模拟，这一附加管排使烟气温度降至大约959°K或686℃，这适合作为MCFCR中的燃料电池的入口温度。图10显示在基于在MCFCR 1070上游包括附加管排1060以提供用于额外冷却烟气的附加传热段而选择的位置具有MCFCR 1070的燃烧加热器1000的一个实例。
所需额外空气、CO2和O2平衡：使用HysysTM模拟，使用两个限制计算所需额外空气的量和从烟气中除去的CO2的量。一个限制在于阴极出口气体应具有～0.01的CO2摩尔分数，这据信相当于仍允许燃料电池正常运行的阴极排气中的CO2含量。另一限制是具有～0.0382的阴极排气中的O2含量(摩尔分数)，这与用于没有附加燃料电池的燃烧加热器的模拟的O2含量相同。基于这些限制，该计算显示使用添加到燃烧嘴进料中的～317.5kmol/hr的额外空气，从烟气中除去～123.1kmol/hr CO2。这得出烟气中的CO2的～87.0％的模拟脱除。关于CO2和O2的摩尔流量和组成的另外细节列在表2中(所有值是近似值)。
表2–CO2和O2平衡
CO2平衡
阴极入口CO2，kmol/hr 141.50
阴极出口CO2，kmol/hr 18.43
阳极入口CO2，kmol/hr 1.01
阳极出口CO2，kmol/hr 151.01
阴极入口CO2，molf 0.0694
阴极出口CO2，molf 0.0100
阳极入口CO2，molf 0.0068
阳极出口CO2，molf 0.4147
O2平衡
送往燃烧嘴的空气，无MCFC，kmol/hr 1589.00
送往燃烧嘴的额外空气，存在MCFC，kmol/hr 317.50
阴极入口O2，kmol/hr 132.30
阴极出口O2，kmol/hr 70.78
阴极入口O2，molf 0.0649
阴极出口O2，molf 0.0382
表3提供这一实施例中的燃烧加热器在传统运行过程中和在具有集成MCFCR的运行过程中的相对过量总加热器氧化剂(RETHO)计算的细节(所有值是近似值)。在作为传统燃烧加热器运行时，计算RETHO值为～0.264。在用MCFC堆修改并运行以除去～87％的CO2时，在保持～0.0382的相同烟气烟囱O2摩尔分数的同时，RETHO猛增大约2倍至～0.517。
表3–相对过量加热器总氧化剂(REHTO)
无MCFC的REHTO Homs
烟气烟囱O2，molf 0.0382
注入加热器总氧化剂(IHTO)，kmol/hr 334
总加热器燃烧燃料(THFC)，kmol/hr 120
化学计量加热器总氧化剂(SHTO)，kmol/hr 264
过量总加热器氧化剂(ETHO)，kmol/hr 70
相对过量总加热器氧化剂(RETHO)，kmol/hr 0.2640
具有MCFC的REHTO
烟气烟囱O2，molf 0.0382
从烟气中除去的CO2分数 0.8698
注入加热器总氧化剂(IHTO)，kmol/hr 400
总加热器燃烧燃料(THFC)，kmol/hr 120
化学计量加热器总氧化剂(SHTO)，kmol/hr 264
过量总加热器氧化剂(ETHO)，kmol/hr 136
相对过量总加热器氧化剂(RETHO)，kmol/hr 0.5165
实施例2–热效率比较
基于实施例1中描述的燃烧加热器和集成燃烧加热器配置进行另外的计算以测定各种配置的相对热效率。图11示意性图解用于评估总热效率的三种燃烧加热器配置。第一种配置1110相当于实施例1中描述的传统燃烧加热器。第二种配置1120相当于通过将来自燃烧加热器的烟气送往独立的(即没有热集成)熔融碳酸盐燃料电池组而与来自实施例1的燃烧加热器一起使用熔融碳酸盐燃料电池。第三种配置1130相当于实施例1中描述的集成配置。表4概括在每种情况下的热效率计算(所有值是近似值)。
表4–热效率比较
表4的第一列显示以传统方式运行的燃烧加热器的效率的计算结果。对于这种情况，热效率简单地为工艺流体吸收的热(～23.58MW)与燃烧嘴提供的天然气的热值(～30.98MW)的比率，值为～76.1％。
表4的第二列显示配置成将所产生的烟气送往含有熔融碳酸盐燃料电池的外部、热独立加工单元的燃烧加热器的效率的计算结果。这种情况相当于用于脱除CO2的传统选择。如表4中的计算结果所示，能量输入除送往燃烧嘴的天然气的热值(～30.98MW)外还包括：a)供往MCFC的天然气的热值(～10.8MW)；b)加热额外空气所需的能量(～1.81MW)；c)使烟气从～381℃的烟囱出口温度达到～685℃的阴极入口温度所需的热(～4.74MW)；d)将H2与CO2分离所需的能量(～0.340MW)；和e)将CO2压缩至管道压力所需的能量(～0.731MW)。能量输出除来自加热器的工艺负荷外还包括：f)来自燃料电池的电能量(～4.07MW)；和g)制成的H2的热值(～2.87MW)。净结果是～61.8％的热效率。
表4的第三列显示如本文所述的集成燃烧加热器的效率的计算结果。在这种情况下不需要将烟气再热以使其达到MCFCR的阴极入口温度，因为其热集成到对流段中。因此，该集成燃烧加热器不需要来自表4的第二列中所示的计算的能量成本c)。因此，能量输入除送往燃烧嘴的天然气的热值(～30.98MW)外还包括：a)供往MCFC的天然气的热值(～10.8MW)；b)加热额外空气所需的能量(～1.81MW)；d)将H2与CO2分离所需的能量(～0.340MW)；和e)将CO2压缩至管道压力所需的能量(～0.731MW)。能量输出除来自加热器的工艺负荷外还包括：f)来自燃料电池的电能量(～4.07MW)；g)制成的H2的热值(～2.87MW)；h)来自燃料电池产生的热的工艺负荷(～1.68MW)；和j)来自阳极排气的工艺负荷(～1.14MW)。净结果是～74.6％的热效率，其明显高于如表4的第2列中所示的具有燃烧加热器及热独立的燃料电池的配置的效率。
实施例3：一般配置实施例
除实施例1中描述的配置外，图9还提供熔融碳酸盐燃料电池与另外两种类型的燃烧加热器尺寸和/或配置的集成的尺寸和配置细节的实例。在图9中，配置细节的第一部分相当于可适合通过与熔融碳酸盐燃料电池集成改进的三种不同的可能箱式燃烧加热器配置的特征。图9中的配置细节的第二部分相当于在各种燃烧加热器配置下如何布置MCFCRs以加工烟气的细节。
在图9中，第1和3列中的示例性燃烧加热器配置在辐射段顶部具有足够的横截面积以可使用单个水平取向的MCFCR加工烟气。对于第2列中的燃烧加热器配置，火箱(辐射加热段)的较小横截面积没有提供足够的横截面积以使足够数量的燃料电池水平取向以加工烟气。对于第2列中的燃烧加热器配置，类似于图8A中所示的配置，燃料电池作为2个MCFCRs布置在与对流段相邻的体积中。
尽管已参照特定实施方案描述和例示了本发明，但本领域普通技术人员会认识到，本发明适合于不一定例示在本文中的变动。因此，只应参考所附权利要求书确定本发明的真实范围。

Claims (25)

1.一种使用熔融碳酸盐燃料电池处理燃烧加热器生成的烟气的方法，所述方法包括：
将燃料和氧化剂引入燃烧加热器；
在所述燃烧加热器中燃烧燃料以产生包含第一CO2含量的烟气；
将至少一部分烟气送入多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口以生成阳极排气和具有第二CO2含量的阴极排气，第二CO2含量与第一CO2含量的比率为大约0.5:1或更低；和
将至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气送入所述燃烧加热器的对流加热段。
2.权利要求1的方法，其中供烟气经过所述熔融碳酸盐燃料电池阴极的烟气流路长度与燃烧加热器路径长度的比率为大约1.0至大约3.0、或大约1.0至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2、或大约1.1至大约3.0、或大约1.1至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2。
3.上述权利要求任一项的方法，其中氧化剂的量相当于大约0.27至大约0.65、或至少大约0.37、或至少大约0.40、或至少大约0.43、或至少大约0.47、和/或大约0.60或更低、或大约0.55或更低、或大约0.50或更低的相对过量总加热器氧化剂值。
4.上述权利要求任一项的方法，其中所述阳极排气包含送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的所述至少一部分烟气中所含的CO2的至少大约25％、或至少大约50％、或至少大约75％。
5.上述权利要求任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于所述燃烧加热器的毗连隔热环境内，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于与所述燃烧加热器相邻的体积内，或它们的组合。
6.上述权利要求任一项的方法，其中将基本所有烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极段中。
7.上述权利要求任一项的方法，其中所述方法进一步包括将所述烟气以大约0.4m/s至大约1.7m/s的表观速度送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池。
8.上述权利要求任一项的方法，其中所述方法进一步包括：将可重整燃料引入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阳极；接收来自所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极排气；和将所述阳极排气送往CO2脱除系统。
9.上述权利要求任一项的方法，其中所述方法进一步包括，在所述将所述至少一部分烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口之前，将所述至少一部分烟气送过附加传热段。
10.权利要求9的方法，其中所述附加传热段配置成将烟气温度降至小于大约700℃。
11.上述权利要求任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池在大于大约1500mA/m2的电流密度下运行。
12.上述权利要求任一项的方法，其进一步包括运行所述多个熔融碳酸盐燃料电池以产生具有比引入所述阴极入口的烟气高的温度的阴极排气。
13.上述权利要求任一项的方法，其中所述燃料包含气相燃料，所述燃料任选包含天然气，其中所述氧化剂包含氧气，所述氧化剂任选通过将空气引入所述燃烧加热器引入，或它们的组合。
14.上述权利要求任一项的方法，其中所述燃烧加热器包含a)自然通风燃烧加热器,b)强制通风燃烧加热器，c)与蒸汽甲烷重整器、乙烯炉或延迟焦化炉的至少一种集成的燃烧加热器，或d)它们的组合。
15.上述权利要求任一项的方法，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于对流加热段中、位于附加传热段中，或它们的组合。
16.一种使用包含阳极和阴极的集成熔融碳酸盐燃料电池的用于发电的燃烧加热器，所述燃烧加热器包含：
辐射加热段；
燃烧嘴，其任选与所述辐射加热段流体连通和/或位于所述辐射加热段内，其生成包含CO2的烟气；
多个熔融碳酸盐燃料电池，所述熔融碳酸盐燃料电池具有与所述辐射加热段流体连通的阴极入口以接收至少一部分烟气，所述多个熔融碳酸盐燃料电池进一步具有配置成排出阴极排气的多个阴极出口和配置成排出阳极排气的多个阳极出口；和
与所述多个阴极出口流体连通以从中接收至少一部分阴极排气，任选基本所有阴极排气或所有阴极排气的对流段，所述对流段包含多个对流管以从所述阴极排气中除去热能。
17.权利要求16的燃烧加热器，其中供烟气经过所述熔融碳酸盐燃料电池阴极的烟气流路长度与燃烧加热器路径长度的比率为大约1.0至大约3.0、或大约1.0至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2、或大约1.1至大约3.0、或大约1.1至大约2.8、或大约1.0至大约2.5、或大约1.0至大约2.2。
18.权利要求16或17的燃烧加热器，其进一步包含位于所述辐射加热段和所述多个熔融碳酸盐燃料电池之间的附加传热段，所述附加传热段任选配置成将所述烟气冷却至小于大约700℃。
19.权利要求16-18任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于对流加热段中、位于附加传热段中，或它们的组合。
20.权利要求16-19任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池进一步包含配置成接收可重整燃料和生成阳极排气的阳极，所述阳极排气包含CO2和合成气。
21.权利要求16-20任一项的燃烧加热器，其中用于将烟气送入所述多个熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口的岐管包含所述燃烧加热器的内壁。
22.权利要求16-21任一项的燃烧加热器，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于所述燃烧加热器的毗连隔热环境内，其中所述多个熔融碳酸盐燃料电池位于与所述燃烧加热器相邻的体积内，或它们的组合。
23.权利要求16-22任一项的燃烧加热器，其中所述燃烧加热器包含a)自然通风燃烧加热器，b)强制通风燃烧加热器，c)与蒸汽甲烷重整器、乙烯炉或延迟焦化炉的至少一种集成的燃烧加热器，或d)它们的组合。
24.权利要求16-23任一项的燃烧加热器，其中所述燃烧嘴接收包含气相燃料的燃料，所述燃料任选包含天然气，其中所述燃烧嘴接收任选包含氧气的氧化剂，所述氧化剂任选通过将空气引入所述燃烧加热器引入，或它们的组合。
25.权利要求24的燃烧加热器，其中氧化剂的量相当于大约0.27至大约0.65、或至少大约0.37、或至少大约0.40、或至少大约0.43、或至少大约0.47、和/或大约0.60或更低、或大约0.55或更低、或大约0.50或更低的相对过量总加热器氧化剂值。
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