CN110582462A - 具有燃料电池二氧化碳捕集的加压流化床燃烧器 - Google Patents

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Abstract

产生电力的系统和方法，将加压流化床燃烧器（PFBC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）结合在一起，以提供一种用于具有CO2捕集的发电的低成本的解决方案。将固体燃料引入到加压流化床燃烧器中以产生蒸汽、第一电量和包含CO2的烟气。将空气、天然气、至少一部分蒸汽和至少一部分包含CO2的烟气引入熔融碳酸盐燃料电池中，以产生第二电量和主要包含CO2的输出流。加压流化床燃烧器可以理想地是空气燃烧的，而引入其中的固体燃料可以理想地是细粉状形式的。

Description

具有燃料电池二氧化碳捕集的加压流化床燃烧器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年5月17日提交的序列号为62/507,398的美国临时专利申请的权益。共同未决的临时申请在此通过引用其整体并入本文，并且成为本文的一部分，包括但不限于在下文中具体出现的那些部分。
本申请的主题还与2009年6月5日提交的序列号为61/184,367的在先美国临时专利申请，2009年6月5日提交的序列号为61/184,384的在先美国临时专利申请；2009年6月5日提交的序列号为61/184,382的美国临时专利申请；2009年6月5日提交的序列号为61/184,383在先美国临时专利申请；2010年6月4日提交的序列号为12/794,218的在先美国专利申请，2017年2月14日公布的当前美国专利9,567,876；以及2016年3月30日提交的序列号为15/085,113的在先美国专利申请，2017年10月31日公布的当前美国专利9,803,512有关。美国专利9,567,876和美国专利9,803,512的公开内容也在此通过引用其整体并入本文或构成本文的一部分，包括但不限于在下文中具体出现的那些部分。
技术领域
本发明总体上涉及发电，更具体地，涉及利用固体燃料及CO2的捕集的发电。
背景技术
上述美国专利9,567,876和美国专利9,803,512确定并描述了例如为了在发电中使用或用于发电而已被开发以提供低成本的燃烧器解决方案的加压流化床燃烧器（PFBC）。
需要利用固体燃料和CO2捕集来发电，以最小化对电力成本（COE）的影响。当前采用的现有二氧化碳捕集技术是使用胺类溶剂的燃烧后捕集系统。根据DOE分析，与没有CO2捕集的燃煤发电厂相比，这些系统将电力成本提高了约75％。
发明内容
本发明的总体目的是提供改进的发电。
本发明的更具体的目的是克服上述一个或多个问题。
本发明结合了加压流化床燃烧器（PFBC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），从而为具有CO2捕集的发电提供了一种低成本的解决方案。加压流化床燃烧器提供了一种低成本的燃烧器解决方案，而熔融碳酸盐燃料电池则提供了产生电力而不是产生寄生负载的CO2分离能力。归因于包括和使用加压流化床燃烧器而导致的或与之相关的降低的资本成本与归因于包括和使用熔融碳酸盐燃料电池而导致的或与之相关的降低的运行成本相结合，大大改善了具有CO2捕集的发电的现有技术。
本发明的一个方面涉及一种用于产生电力的方法。根据一个实施例，一种用于产生电力的方法包括将固体燃料引入到加压流化床燃烧器中以产生蒸汽，第一电量和包含CO2的烟气。该方法进一步包括将空气、天然气、至少一部分蒸汽和至少一部分包含CO2的烟气引入熔融碳酸盐燃料电池中，以产生第二电量和主要包含CO2的输出流。
本发明的另一方面涉及一种用于产生电力的系统。根据一个实施例，一种用于发电的系统包括：加压流化床燃烧器，用于处理固体燃料以产生蒸汽、第一电量、以及包含CO2的烟气，和熔融碳酸盐燃料电池，其中引入空气、天然气、包含CO2的烟气和由加压流化床燃烧器产生的蒸汽以产生第二电量和主要为CO2的输出流。
根据结合所附权利要求书和附图的以下详细描述，其他目的和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。
附图说明
通过以下结合附图的描述，将更好地理解本发明的目的和特征，附图示出了根据本发明的一个实施例的处理系统或布置的简化示意图。
具体实施方式
如下详述，将加压流化床燃烧器（PFBC）与熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）结合，可望提供一种用于具有CO2捕集的发电的低成本解决方案。
更具体地，本文提出的加压流化床燃烧器（PFBC）的结合和使用允许固体燃料（例如包括但不限于煤、石油焦、生物质等或它们的组合）例如在紧凑的低成本燃烧器中燃烧。根据一个优选实施例，PFBC大约是传统燃煤锅炉尺寸的1/3，而成本却不到其1/2。尽管诸如当前正在开发的氧气燃烧加压流化床燃烧器被设想用于本发明的实践并包含在本文中，但在下文中，将具体参考使用空气燃烧加压流化床燃烧器的实施例来进一步描述本发明，伴随着这种空气燃烧操作，包括和使用燃料电池（例如用于CO2分离）的益处会更加明显。
本领域技术人员在本文提供的教导的指导下将理解和认识到使用空气燃烧加压流化床燃烧器可以理想地用于消除空气分离单元（ASU）的需求及由其产生的或与之相关的资本成本，该空气分离单元会产生氧气，并随之产生大量的寄生负载。例如，在特定实施例中，空气分离单元可贡献氧气燃烧加压流化床燃烧器发电厂的成本的约25％。
根据一个优选实施例，加压流化床燃烧器通过使用细粉状固体燃料来工作，以实现快速燃烧和小的燃烧器尺寸。如果需要，还可以将细粉状的吸附剂送入加压流化床燃烧器中以吸收硫。在本发明的一种优选实践中，燃料和吸附剂都被送入燃烧器的底部并被淘析，灰分和吸附剂从燃烧器的顶部出来并被收集在过滤器中。尽管快速的反应速率减小了燃烧器的尺寸，但是希望尽快地将热量相应地除去，以避免或防止煤和灰分的过热，其可能导致灰分结块和燃烧器结垢。为了除去热量并产生蒸汽，在一个实施例中，将锅炉管插入燃烧器中。但是，这样的锅炉管可能不能用来足够快地从热的燃烧器气体中除去热量。因此，在一个实施例中，添加了小固体颗粒的流化床。这可以理想地用于将传递至锅炉管的热增加例如三倍或更多倍。加压与流化床相结合，可使传热增加五倍或更多倍，允许充分除去热量。结果是紧凑的低成本燃烧器。
此外，如下文详述并且根据本发明的一个优选实施例，在加压流化床燃烧器中或由加压流化床燃烧器生成或产生的蒸汽的至少一部分被转移或提供至熔融碳酸盐燃料电池作为输入。该蒸汽可理想地用于燃料电池中的天然气或沼气原料的内部重整。这种蒸汽的生成、产生和使用消除了对单独的蒸汽发生器的需求。
固体燃料在加压流化床燃烧器中燃烧后，对烟气进行处理，以去除固体、水和过量的SOx以及可能导致燃料电池问题的其他微量杂质。然后将主要为N2和CO2以及微量NOX的烟气送入燃料电池。
熔融碳酸盐燃料电池接收以下输入流：1）烟气，2）空气，3）天然气和4）来自加压流化床燃烧器的蒸汽。燃料电池的输出为或包括：1）电力，2）现在主要是N2的烟气流，由于它已被去除了CO2和NOx，和3）带有H2、 N2（来自NOx）和水的主要是CO2的流。如果需要，主要是CO2的最后的流，可以进行额外的纯化步骤，以除去足够的H2，N2和水，以达到用于隔离或提高油回收的CO2纯度规格。
熔融碳酸盐燃料电池理想地用于产生能量，同时捕集CO2。熔融碳酸盐燃料电池通过将烟气流中的CO2与空气流中的氧气和电子流中的电子结合，在阴极处生成CO3 --。CO3 --和NOx通过燃料电池。剩余的烟气（主要是N2）可以理想地释放到大气中。
天然气和蒸汽被引入燃料电池，并使用燃料电池的热量进行重整过程，以产生H2和CO2。在燃料电池阳极，H2/CO2流与CO3 -- / NOx流混合。H2与CO3 --结合产生水（H2O），CO2和电（每个CO3 --离子2个电子）。 NOx将与H2结合生成N2和H2O。结果，输出流主要是带有水，H2和N2杂质的CO2。然后可以干燥该CO2流，并且可以除去微量的H2和N2以达到CO2纯度规格，例如用于隔离或提高油回收的规格。
对提出的本发明的主题进行的初步技术经济分析预测，COE损失仅为10-15%。与其他正在开发的技术相比，这是一个重大改进。此外，虽然这种电力成本计算假设不从出售纯化的CO2流中获得任何经济利益，但出售CO2可使COE与没有捕集CO2的燃煤电厂相提并论。
因此，根据本发明的一个方面的主要优点是，与市场上或正在开发的其他技术相比，具有碳捕集的固体燃料发电厂的电力成本低。
根据本发明的一方面的协同作用之一是燃料电池需要具有几乎无硫的烟气，以及PFBC能够通过在燃烧器中捕集95％的硫来低成本地传递这种烟气。
降低PFBC-FC的COE的因素之一是PFBC和燃料电池概念之间的协同作用。燃料电池大体上不能承受烟气中的硫超过1PPM。由于硫自然存在于煤中，因此通常必须在使用该煤的系统中或利用该煤的系统中提供昂贵的设备，以在燃料电池之前从烟气中去除硫。在标准工厂中，通常是由烟气脱硫（FGD）单元提供的，这很昂贵。在本发明中，PFBC采用了另一种脱硫方法。在一个实施例中，它使用粉碎的白云石既作为流化床中的床材料，又用作与燃料一起注入的小颗粒，以捕集燃烧器自身中高达95％的硫。结果，可以使用低成本的气体抛光单元来清除烟气中残留的微量硫。成本分析表明，这种方法可大大节省所需的烟气清除设备成本，并大大减少与处理和设备相关的寄生负载。
现在参考附图，其示出了例如以上所述并且根据本发明的一个实施例的处理系统或布置的简化示意图，该处理系统或布置大体由附图标记10表示。
例如，系统10包括例如带有或不带有热交换器的加压流化床燃烧器（PFBC），大体指定为12。PFBC12是空气燃烧的，并且如流14所示，以煤（或其他所需的固体燃料，最好是以细粉状或分割的形式）、空气和石灰石（或其他所需的吸附剂，最好是以细粉状或分割的形式）进料。
在将固体燃料在加压流化床燃烧器12中燃烧之后，将烟气和固体（通过流16表示）传递至分离处理阶段20（例如过滤器）并进行处理以去除固体（通过流22表示）。通过将来自分离处理阶段20且主要由烟气组成的流24引入烟气进一步处理阶段26，以去除水、HCl、NOx、SOx以及可能会给燃料电池带来问题的可能的其他微量杂质，这种被去除的物质由流30表示。然后将生成的“浓的”烟气（主要是N2和CO2）如流32所示送入燃料电池，具体地，如框34所示，送入燃料电池阴极侧。燃料电池阴极侧34还接收空气的输入流36。
从燃料电池阴极侧34去除诸如由CO2、NOx和贫化的烟气组成的流40。如果需要，可以对这种材料进行适当的如本领域中已知的热回收处理。
诸如主要由CO3和NOx组成的流42从燃料电池阴极侧34到达燃料电池阳极侧44。
熔融碳酸盐燃料电池，更具体地说是燃料电池阳极侧44，还从加压流化床燃烧器12接收天然气（流46）和蒸汽（流50）的输入流。燃料电池的输出是或者包括：电力（流52）和主要为CO2并具有H2、N2（来自NOx）和水的流54。如果需要，主要为CO2的流54可以进行另外的纯化步骤，例如由框56表示，并且例如可以采取压缩和冷却的形式，以除去足够的H2、 N2和水（通过流60表示）以达到CO2流62，例如可以满足用于以下一种或多种用途的纯度规格：隔离、提高油回收、化学生产、作为工业气体和食物产品的掺入，例如加入碳酸饮料中或用于碳酸饮料中。
尽管在前面的详细描述中，已经就本发明的某些优选实施例描述了本发明，并且出于说明的目的已经阐述了许多细节，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明容许其他实施例，且在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对本文所述的某些细节进行相当大的改变。

Claims (20)

1.一种产生电力的方法，所述方法包括：
将固体燃料引入到加压流化床燃烧器中以产生蒸汽、第一电量和包含CO2的烟气；以及
将空气、天然气、至少一部分所述蒸汽和至少一部分所述包含CO2的烟气引入熔融碳酸盐燃料电池中，以产生第二电量和主要包含CO2的输出流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压流化床燃烧器是空气燃烧的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被引入所述加压流化床燃烧器的固体燃料是细粉状形式的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固体燃料选自由煤、石油焦、生物质及其组合构成的组。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：还将细粉状的吸附剂引入所述加压流化床燃烧器以吸收硫。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括处理所述主要包含CO2的输出流以达到用于至少一种后续用途的CO2纯度规格，所述至少一种后续用途选自由隔离、提高油回收、化学生产、作为工业气体以及掺入食物产品中构成的组。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压流化床燃烧器产生包含烟气和燃烧固体的产物流，所述方法还包括以下步骤：
过滤所述产物流以将所述燃烧固体与所述烟气分离；以及
抛光处理分离出的烟气以去除杂质并形成主要由N2和CO2组成的浓的烟气。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述熔融碳酸盐燃料电池包括燃料电池阴极和燃料电池阳极，所述方法还包括：
将所述浓的烟气和空气引入所述燃料电池阴极以产生包含CO3和NOx的第一产物流和包含CO2、NOx和贫化的烟气的第二产物流；以及
将所述第一产物流、天然气和由所述加压流化床燃烧器产生的至少一部分蒸汽引入所述燃料电池阳极，以产生所述第二电量和包含CO2的输出流。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出流还包含选自由H2、H2O、N2及其组合构成的组的非CO2杂质，所述方法还包括：
纯化所述输出流以除去非CO2杂质。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述纯化包括压缩和冷却以去除非CO2杂质。
11.一种用于产生电力的系统，所述系统包括：
加压流化床燃烧器，用于处理固体燃料以产生蒸汽、第一电量和包含CO2的烟气；以及
熔融碳酸盐燃料电池，其中引入空气、天然气，所述包含CO2的烟气和由所述加压流化床燃烧器产生的蒸汽，以产生第二电量和主要包含CO2的输出流。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述加压流化床燃烧器是空气燃烧的。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，被引入所述加压流化床燃烧器中的所述固体燃料是细粉状形式的。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，固体燃料选自由煤、石油焦、生物质及其组合构成的组。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，引入到所述加压流化床燃烧器中的细粉状的吸附剂用于吸收硫。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，还包括处理组件以处理主要包含CO2的输出流以达到用于至少一种后续用途的CO2纯度规格，所述至少一种后续用途选自由隔离、提高油回收、化学生产、作为工业气体以及掺入食品产品中构成的组。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述加压流化床燃烧器产生包含烟气和燃烧固体的产物流，所述系统还包括：
分离器，用于处理所述产物流以将所述燃烧固体与所述烟气分离；以及
抛光单元，用于对分离出的烟气进行抛光处理，以去除杂质并形成主要由N2和CO2组成的浓的烟气。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述熔融碳酸盐燃料电池包括：
燃料电池阴极，其中引入所述浓的烟气和空气以产生包含CO3和NOx的第一产物流和包含CO2、 NOx和贫化的烟气的第二产物流； 和
燃料电池阳极，其中引入第一产物流、天然气和由所述加压流化床燃烧器产生的蒸汽以产生所述第二电量和包含CO2的输出流。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述输出流还包含选自由H2、H2O、N2及其组合构成的组的非CO2杂质，所述系统还包括：
纯化器，用于从所述输出流中去除非CO2杂质。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述纯化器包括压缩机和冷却器以去除非CO2杂质。
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