CN113169364A - 用于产生氢和生成电力的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于产生氢并且生成电力的方法。使用烃解离反应器将烃燃料源分解成氢和碳。在碳分离器中将碳与氢分离。使用直接碳燃料电池从分离的碳生成电力。

Description

用于产生氢和生成电力的方法
技术领域
本公开涉及一种用于产生氢并且生成电力的方法。
背景技术
用于产生氢和/或生成电力的常规方法导致大量的稀释的CO2烟道流。产生清洁的H2或电力通常需要添加昂贵的清洁系统以浓缩或捕获烟道流中的CO2，使得它适于封存。目前，处理这种烟道气体成本高昂。
因此，产生清洁的H2的当前方法成本比产生大量的稀释的CO2排放物的现有蒸汽甲烷重整(SMR)方法高得多。因此，在本领域中需要以等于或优于现有方法的成本生产清洁的工业H2。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种用于产生氢并且生成电力的方法，该方法包括：使用烃解离反应器将烃燃料源分解成氢和碳；在碳分离器中将碳与氢分离；以及使用直接碳燃料电池(DCFC)从分离的碳生成电力。
方法还可以包括使用氢分离器将分离的氢纯化。
方法还可以包括在碳分离器中将分离的碳与熔融碳酸盐电解质混合以形成浆料。从分离的碳生成电力可以包括：将浆料循环至DCFC，其中，在DCFC中，将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；以及将贫碳浆料循环远离DCFC。
将浆料循环至DCFC可以包括将浆料循环至DCFC的阳极和电解质流场，并且在阳极中，可以将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料。
将浆料循环至DCFC可以包括将浆料循环至DCFC的阳极而不循环至DCFC的电解质流场，并且在阳极中，可以将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料。
方法还可以包括在不将更多的熔融碳酸盐循环的情况下，在DCFC的阳极与阴极之间保持更多的熔融碳酸盐电解质。
方法还可以包括将电解质与DCFC接触并且单独地循环至浆料。
方法还可以包括：在碳分离器中，将额外的碳与贫碳浆料混合以形成额外的浆料；以及将额外的浆料循环至DCFC。
方法还可以包括在热交换器中冷却二氧化碳和贫碳浆料。方法还可以包括在分解烃燃料源之前，在热交换器中加热烃燃料源。
方法还可以包括将贫碳浆料、熔融碳酸盐电解质和二氧化碳中的一种或多种从DCFC循环至热交换器。
方法还可以包括：从碳分离器中的熔融碳酸盐电解质中去除分离的碳；以及将去除的碳转移至DCFC。从熔融碳酸盐电解质中去除分离的碳可以包括撇去或过滤分离的碳。
方法还可以包括：将熔融碳酸盐电解质循环至DCFC，其中，熔融碳酸盐电解质充当电解质；以及进一步将熔融碳酸盐电解质从DCFC循环至碳分离器。
方法还可以包括：在将去除的碳转移至DCFC之前，将去除的碳与燃料介质混合；以及将混合的碳和燃料介质循环至DCFC。
方法还可以包括处理分离的碳中的至少一些碳用于输出。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于产生氢并且生成电力的系统，该系统包括：烃解离反应器；碳分离器；直接碳燃料电池(DCFC)；以及流体循环系统，该流体循环系统被配置为：将烃燃料源循环至烃解离反应器以将烃燃料源分解成氢和碳；将所述氢和所述碳循环至所述碳分离器，用于将所述碳与所述氢分离；以及将分离的碳循环至DCFC，用于从分离的碳生成电力。
流体循环系统可以进一步被配置为将分离的氢循环至氢分离器，用于纯化分离的氢。流体循环系统可以进一步被配置为：将熔融碳酸盐电解质循环至碳分离器，用于与分离的碳混合以形成浆料；将浆料循环至DCFC，用于在DCFC中将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；以及将贫碳浆料循环远离DCFC。流体循环系统可以进一步被配置为将浆料循环至DCFC的阳极和电解质流场，用于在阳极中将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料。
流体循环系统可以进一步被配置为将浆料循环至DCFC的阳极而不循环至DCFC的电解质流场，用于在阳极中将包含在浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料。
流体循环系统可以进一步被配置为在不将进一步熔融碳酸盐循环的情况下，在DCFC的阳极与阴极之间保持进一步熔融碳酸盐电解质。流体循环系统可以进一步被配置为将与DCFC接触并且单独地循环至浆料。
流体循环系统可以进一步被配置为：使额外的碳和贫碳浆料循环至碳分离器，用于将额外的碳与贫碳浆料混合以形成额外的浆料；以及将额外的浆料循环至DCFC。系统还可以包括热交换器，并且流体循环系统还可以进一步被配置为将二氧化碳和贫碳浆料循环至热交换器，用于在热交换器中冷却二氧化碳和贫碳浆料。
系统还可以包括热交换器，并且流体循环系统可以进一步被配置为将烃燃料源循环至热交换器，用于在热交换器中加热烃燃料源。
流体循环系统可以进一步被配置为将贫碳浆料、熔融碳酸盐电解质和二氧化碳中的一种或多种从DCFC循环至热交换器。
系统还可以包括：碳去除装置，该碳去除装置被配置为从碳分离器中的熔融碳酸盐电解质中去除分离的碳；以及碳转移装置，该碳转移装置被配置为将去除的碳转移至DCFC。碳去除装置可以进一步被配置为从熔融碳酸盐电解质中撇去或过滤分离的碳。
流体循环系统可以进一步被配置为：将熔融碳酸盐电解质循环至DCFC，其中，熔融碳酸盐电解质充当电解质；以及将熔融碳酸盐电解质从DCFC循环至碳分离器。
流体循环系统可以进一步被配置为：在将去除的碳转移至DCFC之前，将去除的碳和燃料介质循环至碳分离器用于在其中混合；以及将混合的碳和燃料介质循环至DCFC。系统还可以包括碳处理设备，该碳处理设备用于处理分离的碳中的至少一些碳用于输出。
碳处理设备可以包括用于增加分离的碳中的至少一些碳的活化的反应器、用于将分离的碳中的至少一些碳进行造粒的造粒机、压机、或窑炉。根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生氢的方法，该方法包括：在热交换器中加热烃燃料源；使用所述烃解离反应器将所述加热的烃燃料源分解成氢和碳；在碳分离器中将碳与氢分离；以及将碳载体流体从热交换器循环至碳分离器并且返回至热交换器。方法还可以包括使用能量转换装置从分离的碳生成电力。
能量转换装置可以包括碳燃烧器。
能量转换装置可以包括燃料电池。燃料电池可以包括直接碳燃料电池或固体氧化物燃料电池。方法还可以包括使用氢分离器将分离的氢纯化。碳载体流体可以包含电解质。电解质可以包括碱性电解质或熔融碳酸盐电解质。
碳载体流体可以包括惰性载体流体。
方法还可以包括在碳分离器中将分离的碳与碳载体流体混合以形成浆料。
方法还可以包括通过以下从分离的碳生成电力：将浆料循环至能量转换装置，其中，在能量转换装置中，将包含在浆料中的至少一些碳转换为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；以及将贫碳浆料循环远离能量转换装置。
方法还可以包括：在碳分离器中，将额外的碳与贫碳浆料混合以形成额外的浆料；以及将额外的浆料循环至能量转换装置。
方法还可以包括在热交换器中冷却二氧化碳和贫碳浆料。
方法还可以包括使贫碳浆料、碳载体流体和二氧化碳中的一种或多种从能量转换装置循环至热交换器。
方法还可以包括从碳分离器中的碳载体流体去除分离的碳。
去除分离的碳可以包括撇去或过滤分离的碳。
使碳载体流体循环可以包括：将碳载体流体从碳分离器循环至能量转换装置；以及进一步将碳载体流体从能量转换装置循环至热交换器。方法还可以包括：将去除的碳与燃料介质混合；以及将混合的碳和燃料介质循环至能量转换装置。
方法还可以包括处理分离的碳用于输出。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于产生氢的系统，该系统包括：热交换器；烃解离反应器；碳分离器；以及流体循环系统，该流体循环系统被配置为：将烃燃料源循环至热交换器，用于在热交换器中加热；将加热的烃燃料源循环至烃解离反应器，用于将加热的烃燃料源分解成氢和碳；将氢和碳循环至碳分离器，用于将碳与氢分离；以及将碳载体流体从热交换器循环至碳分离器并且返回至热交换器。
系统可以包括在此描述的任何特征，并且特别是上文结合用于产生氢的方法所描述的任何特征。
本发明内容不一定描述所有方面的整个范围。在回顾具体实施方式的以下描述时，其他方面、特征和优点对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
现在将结合附图详细描述本公开的实施方式，其中：
图1是表示根据本公开的实施方式的三代热解的工艺的示意图；
图2是根据本公开的实施方式的用于产生氢和生成电力的系统的框图。使用熔融碳酸盐从富氢气体中分离固体碳，并且作为碳浆料循环至直接碳燃料电池，其中，浆料用作燃料、电解质和冷却剂。
图3是根据本公开的实施方式的用于产生氢和生成电力的系统的框图。使用熔融碳酸盐从富氢气体中分离固体碳，并且作为碳浆料循环至直接碳燃料电池，其中，浆料用作燃料流。
图4是根据本公开的实施方式的用于产生氢和生成电力的系统的框图。从碳分离器去除固体碳并且通过多种方法外部工艺用于多种用途，包括碳输出和用于直接碳燃料电池燃料。
具体实施方式
本公开寻求提供一种产生氢并且生成电力的改进的方法。虽然以下描述了本发明的各种实施方式，但本发明不限于这些实施方式，并且这些实施方的变型可以很好地落在本发明的范围内，所述范围将仅由所附权利要求书限制。
本公开描述了被设计为产生工业规模、清洁的H2、电力、热和纯的CO2流的三代热解(TGP)技术，其可以容易地被隔离或作为其他工业过程的原料进行销售。根据一些实施方式，TGP包括氢解离反应器(HDR)、直接碳燃料电池(DCFC)、熔融碳酸盐碳分离器(MCCS)、以及多流热交换器(MSHX)。目的是通过优化HDR、DCFC、MCCS和MSHX的整合来使TGP的效率最大化。
基于熔融碳酸盐电解质的常规高温碳燃料电池设计倾向于在阳极与阴极之间的多孔分离器基体内限制捕获电解质。电解质是静态的并且不流入或流出燃料电池。在这样的电池中，冷却是通过氧化剂和二氧化碳的阴极流来进行。这样的电池容易发生电解质损失和降解，因此需要频繁维修。将普通电解质并行地流至燃料电池缓解有问题的电解质维护，并且使得直接介质能够管理燃料电池的温度。当由HDR供应固体碳燃料时，使电解质流动进一步使得系统整合度更高。
整合这样的系统的关键挑战包括从HDR产品流中有效分离固体碳并且将其输送至DCFC。有效地提供各种子系统的加热和冷却需求带来了额外的挑战。本公开提出碳载体功能与燃料DCFC的新型整合、碳与HDR的分离功能、烃原料与HDR的预热功能、以及DCFC的冷却功能。
贯穿本公开，术语“直接碳燃料电池”(DCFC)可以指使用富碳材料作为原料或燃料的燃料电池。DCFC可以使用碳和氧来生成能量，其中二氧化碳作为副产物。
贯穿本公开，术语“热解”可以指在升高的温度下在惰性气氛中分解材料的行为。
贯穿本公开，术语“电解质”可以指具有离子电导特性的物质。
贯穿本公开，术语“PSA”可以指变压吸附，这是用于纯化气体(诸如，氢)的技术。
本公开的实施方式可以提供氢、电力、高级热量和接近纯的CO2流的生成。此外，本公开的实施方式可以提供以下整合：烃离解反应器，该烃离解反应器产生固体碳和富含氢(H2)的气体两者；直接碳燃料电池(DCFC)，该直接碳燃料电池使用所产生的碳来生成电力和热量；碳分离器；以及气体分离器，该气体分离器分离固体碳并且将H2从离开氢离解反应器的气体混合物纯化。
本公开的实施方式可以有助于以现有技术的代价或低于现有技术的代价产生清洁的H2和干净的清洁可调度电力。根据本公开的实施方式，三代热解处理(TGP)或类似TGP的系统可以部署在需要低成本和清洁的工业H2的场所，例如升级/精炼操作、氨和其他化学生产、钢和玻璃制造等，以及用于低成本清洁运输和用于大规模EE输出应用。此外，根据本公开的实施方式，TGP或类似TGP的系统可以部署以产生用于可调度应用的清洁电力。
本公开的实施方式可以执行氢离解，氢离解可以包括脉冲甲烷热解器(PMP)以将烃原料转化为碳和富H2气体。PMP可以是以Ekona Power Inc.的名义于2019年12月9日提交的PCT专利申请号PCT/CA2019/051765并且标题为“用于生产一种或多种产品的方法和反应器”中描述的热解器。例如，PMP可以包括原料气体反应器，该原料气体反应器包含：混合腔室；燃烧室；阀，该阀用于控制气体流入和流出混合室和燃烧室；点火器；以及一个或多个控制器，该一个或多个控制器被配置为执行方法，该方法包括：控制阀，以将原料气体(诸如，CH4和O2(或空气))引入混合室，其中，原料气体包括一种或多种气体；控制阀，以将可燃气体引入燃烧室中，其中，可燃气体包括一种或多种气体；以及之后，控制点火器以点燃可燃气体，以使得可燃气体经由燃烧室与混合室之间的一个或多个流体流动路径流入混合室，并且与原料气体混合，其中，将能量从可燃气体传递至原料气体，并且从而产生一种或多种产物。一种或多种产物可以包含碳、富含H2的合成气体(H2、CH4、CO、CO2)、H2O和氮气。
熔融盐碳载体可以用于DCFC中，并且还可以用于从PMP分离碳和富含H2的气体。可以使用相同的熔融盐/碳载体将热量传递至PMP的烃输入。DCFC可以是以Ekona Power Inc.的名义于2019年12月9日提交的PCT专利申请号PCT/CA2019/051767并且标题为“熔融碳酸盐直接碳燃料电池系统和方法”。例如，DCFC可以包括：多个燃料电池，每个燃料电池包括多孔燃料电池阳极和燃料电池阴极；熔融碳酸盐电解质；燃料供应设备，该燃料供应设备用于使包含碳颗粒和碳载体流体的燃料浆料并行地流至这些燃料电池阳极，其中，碳载体流体具有与熔融碳酸盐电解质相同的组成；氧化剂供应设备，该氧化剂供应设备用于使含氧流并行地流至燃料电池阴极；以及电解质循环设备，该电解质循环设备用于循环与多个燃料电池中的每一个接触的熔融碳酸盐电解质，其中，在直接碳燃料电池系统生成电力的操作期间，碳在燃料电池阳极处氧化以产生二氧化碳，并且在燃料电池阴极处，氧和二氧化碳反应以产生碳酸根离子。
本公开的实施方式可以使用脉冲甲烷热解器(PMP)用于氢离解反应器。此外，根据本公开的实施方式，描述了一种系统，该系统将富碳和富H2气体的分离与用于DCFC的电解质和燃料进料整合，将烃预加热至PMP中，并且冷却用于DCFC。
根据本公开的实施方式，DCFC反应器可以用例如碳和熔融盐电解质的浆料混合物从外部供给燃料。
根据本公开的实施方式，系统可以通过使用熔融电解质和/或熔融碳载体将碳与富H2气体分离并且将碳燃料进料与待进料至DCFC的熔融电解质合并来整合碳与富H2气体的分离。同样，熔融电解质/碳载体流可以用于冷却DCFC并且将烃原料预热至离解反应器中。
根据本公开的实施方式，PMP可以使用单级热解反应将原料烃转化为富碳和富H2气体。根据本公开的实施方式，系统还可以包括DCFC以产生电力和高等级热量。
本公开的每个实施方式可以提供以下的一种或多种：优化固体碳从H2和已经离开PMP的其他气体中的分离；优化固体碳与作为用于DCFC阳极的燃料的熔融电解质(或其他合适的碳载体流体)的混合；以及PMP、DCFC、MCCS和氢分离器之间的热利用和冷却要求的优化。以等于或优于现有方法的成本生产工业H2可能需要共同生成有价值的商品以抵消生产清洁的H2的成本。根据本公开的实施方式，可以使用三代热解(TGP)技术产生工业H2、电力、高等级热和CO2的纯流，其可以容易地隔离或作为其他工业过程的原料出售。TGP可以包含被配置以提供整合工艺的PMP、DCFC、碳分离器及氢分离器。TGP的效率可以通过优化PMP和DCFC以及碳分离器和氢分离器的整合而最大化。
参考图1，其描述根据本公开的实施方式的三代热解处理(TGP)1305，富H2气体和固体碳在PMP 1102中由合适的烃原料1200(例如，天然气(NG))产生。在碳管理子系统1308中分离富碳气体和富H2气体之后，将富H2气体流进料至气体分离器1108，其中将H2纯化至工业处理规格。将来自气体分离器1108的排出气体再循环回至PMP 1102，其中一些气体燃烧以提供热解工艺所需的反应热。碳通过碳管理子系统1308进料至DCFC 1103，其中将碳与碳载体结合并且进料至DCFC阳极。将氧气O2通过空气引入DCFC 1103的阴极，将碳和O2电化学转化为电力、热和清洁的CO2流1309。合成这种系统的一些挑战可能涉及有效地分离和管理碳燃料，并且有效地提供各种子系统的加热和冷却要求。本公开的实施方式可以涉及整合不同TGP子系统的功能以显著降低总体复杂度和成本的过程。具体地，本公开的实施方式可以整合(a)碳载体功能以为DCFC阳极供应燃料，(b)来自PMP 1102的碳分离功能，(c)烃原料至PMP 1102的预热功能，及(d)DCFC 1103的冷却功能。
本公开的每个实施方式提供以下的一种或多种：优化固体碳从H2和已经离开PMP的其他气体中的分离；优化固体碳与作为用于DCFC阳极的燃料的熔融电解质(或其他合适的碳载体流体)的混合；以及PMP、DCFC、MCCS和氢分离器之间的热利用和冷却要求的优化。
参见图2，根据本公开的实施方式示出用于将烃解离脉冲甲烷热解反应器(PMP)2102与DCFC 2103整合的熔融碳酸盐碳分离器(MCCS)2100和多流热交换器(MSHX)2101。具体地，MCCS 2100使用与来自DCFC 2103的DCFC电解质相同的循环熔融燃料介质，以简化从离开PMP2102的富H2气体分离碳，并且简化碳与熔融电解质的混合，从而实现DCFC 2103的连续碳加燃料功能。还描绘了熔融电解质碳分离器2100，其使用循环熔融碳载体(燃料介质)来简化碳从离开PMP 2102的富H2气体的分离，并且简化碳与熔融碳载体的混合，从而改进碳向DCFC 2103的递送。MSHX 2101设计成用离开DCFC 2103的热循环熔融电解质2210和/或碳载体流体和CO2 2208预热输入烃燃料和氧化原料2200至PMP 2102，并且冷却循环熔融电解质和/或碳载体流体以向DCFC 2103提供所需的冷却。
将原料烃2200离开DCFC 2103的热熔盐电解质2210和CO2 2208预热。然后将这些热烃引入PMP 2102中。同时，将热熔盐电解质和/或碳载体流体冷却，提供用于循环电解质DCFC操作所需的散热器。将熔融盐电解质和/或碳载体流体2211泵送至MCCS 2100。将固体碳和从PMP 2102产生的富H2气体2202送入MCCS 2100的熔盐塔的底部，其中富H2气体2203起泡至表面并且离开H2分离器PSA以产生工业级H2。在一些实施方式中，搅拌MCCS 2100的内容物以便将碳夹带至电解质中。
固体碳(i)与MCCS 2100中的熔融电解质混合以形成浆料2204，该浆料作为燃料被送至DCFC 2103的阳极2109，或者(ii)从熔融的电解质柱的顶部撇去以形成固体碳燃料，该固体碳燃料作为燃料被递送至DCFC 2103的阳极2109，或(iii)用作其他应用的固体碳产物。
根据图2的实施方式，氢离解反应器是产生富H2气体和固体碳2202的脉冲甲烷热解器(PMP)2102。DCFC 2103使用循环通过MCCS 2100的熔融碳酸盐(MC)电解质。来自PMP2102的富碳和富H2气体2202被送到MCCS 2100，其中它们与熔融碳酸盐电解质混合，富H2气体2203与碳分离，并且剩余的碳和熔融碳酸盐形成碳/熔融碳酸盐浆料2204。将碳/熔融碳酸盐浆料泵送至DCFC 2103，在DCFC 2103中，该碳/熔融碳酸盐浆料作为用于阳极2109的电解质和碳燃料两者操作。一些碳在DCFC 2103中被消耗，并且将贫碳的碳/熔融碳酸盐浆料2210泵送至MCCS 2100，引入在MCCS 2100中更多的碳和来自PMP 2102的富H2气体，并且过程继续。
纯CO2产物2208在气体分离器2102中与贫碳/熔融碳酸盐浆料分离，并且还通过MSHX 2101冷却并且通过CO2压缩机2104压缩以输出或封存。
根据一些实施方式，DCFC 2103具有单独的阳极和电解质流场以及入口联管箱1310，碳/熔融碳酸盐浆料被单独地递送至入口联管箱。或者，DCFC 2103仅将碳/熔融碳酸盐浆料输入至供应燃料浆料的电解质流场2211。该实施方式中的浆料用作电池电解质和电池的介导燃料。在一些情况下，浆料的全部或一部分穿透并且流过DCFC阳极电极2109，并且在DCFC 2103的出口处独立地收集。
根据一些实施方式，熔融碳酸盐电解质和/或碳/熔融碳酸盐浆料和在DCFC 2103中产生的CO2用于预热进入PMP 2102的烃流体原料。此通过降低PMP 2102的能量需求及提供DCFC 2103的所需冷却而使系统更有效率。例如，熔融碳酸盐电解质和/或碳/熔融碳酸盐浆料的流动可以处于不同的压力下，并且处于高于熔融电解质的固化温度的温度下。
参考图3，其示出图2的实施方式的变型，熔融碳酸盐电解质的仅一部分通过MCCS3100，该MCCS用于分离富含H2的气体并且与碳混合以产生碳/熔融碳酸盐浆料。然后将浆料3204送至DCFC 3103的阳极3109并且保持与纯熔融碳酸盐电解质3205分离。然后将贫碳的浆料3210返回至MCCS 3100，从而形成与纯熔融碳酸盐电解质分开的回路。DCFC电解质3205通过独立的熔融碳酸盐泵3105在DCFC 3103和MSHX 3101中循环，并且在独立的保持槽3107中缓冲。在实施方式中，DCFC燃料浆料和循环电解质为独立的流体流，但是各自将热量递送至MSHX 3101。根据实施方式，熔融碳酸盐DCFC电解质保持无碳，但仍循环用于从DCFC 3103除热。
DCFC 3103通过电化学转化阳极3109处进料的碳/熔融碳酸盐浆料中的碳和阴极处来自空气的O2来产生电力、高级热量和大部分纯的CO2流。大部分碳在DCFC 3103和贫碳的热碳/熔融碳酸盐浆料3210中被消耗，并且将热的CO2 3208泵入多流换热器3101，其中PMP原料(天然气和氧化剂)在进入PMP之前被预热，并且熔融碳酸盐电解质被冷却以用于DCFC操作。从MSHX 3101，将较冷的熔融碳酸盐电解质3211泵送至MCCS 3100，其中引入更多的来自PMP的富碳和H2气体。然后可以重复该过程。参见图4，示出另一实施方式，其中富碳和富H2气体4202被送至MCCS 4100。碳不与熔融碳酸盐电解质混合，而是漂浮到熔融碳酸盐液柱的顶部并且被撇去或过滤出。撇去(或过滤)碳的方法可以根据各种适合的方法中的任一种来执行，并且可以使用各种适合的系统中的任一种。举例而言，活性炭截取器4300可以由原动机4301驱动并且从MCCS 4100中喷出。固体碳可以通过碳管理装备(例如，递送机4302)移动以作为DCFC燃料进一步处理。各种碳处理方法可以包括在引入DCFC阳极之前，将碳形成为聚集的固体碳形式4303，以用作DCFC阳极的燃料或用于与另一流体载体4304(例如CO2)混合。固体碳可以替代地从系统中去除并且进行处理和/或输出以用于其他应用。
通常，除非另有说明，单数元件可以是复数，反之亦然，但不失一般性。
贯穿本说明书，已经阐述了具体细节以便提供对本公开的更全面的理解。然而，可以在没有这些细节的情况下实践本公开。在其他实例中，未详细示出或描述公知的元件，并且省略了步骤和特征的重复，以避免不必要地模糊本公开。因此，说明书被认为是说明性的而不是限制性的。
本领域的技术人员将清楚的是，可以对在此公开的具体细节进行进一步变化，从而产生在本公开的范围内的其他实施方式。本文描述的所有参数、材料和配置仅是示例，并且这种参数中的实际参数取决于特定实施方式。因此，本公开的范围应根据由权利要求限定的物质来解释。
术语
100 熔融碳酸盐碳分离器(MCCS)
101 多流热交换器(MSHX)
102 脉冲甲烷热解器(PMP)
103 直接碳燃料电池(DCFC)
104 CO2压缩机
105 MC/C浆料泵
106 纯熔融碳酸盐泵
107 纯熔融碳酸盐罐
108 气体分离器
109 DCFC阳极组件
110 DCFC阴极组件
111 DCFC电解质室
200 反应器原料(CH4、O2)
201 纯CO2产物
202 PMP产物(碳+合成气体)
203 富H2的合成气体
204 C/MC浆料
205 纯熔融碳酸酯
206 PMP烟道气体
207 贫碳的C/MC浆料
208 热的CO2
209 冷却的CO2
210 热的贫碳C/MC浆料
211 冷却的贫碳C/MC浆料
212 热的纯熔融碳酸酯
213 冷却的纯熔融碳酸酯
214 DCFC冷却剂
300 碳脱脂器
301 除碳器电动机
302 碳材料处理(例如，递送机)
303 碳处理
304 碳介质混合
305 总体.TGP工艺
306 工艺整合
307 热管理
308 碳管理
309 TGP输出
310 DCFC入口

Claims (76)

1.一种用于产生氢并且生成电力的方法，所述方法包括：
使用烃解离反应器将烃燃料源分解成氢和碳；
在碳分离器中将所述碳与所述氢分离；以及
使用直接碳燃料电池(DCFC)从所分离的碳生成电力。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使用氢分离器将所分离的氢纯化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
在所述碳分离器中，将所分离的碳与熔融碳酸盐电解质混合以形成浆料，
其中，从所分离的碳生成电力包括：
将所述浆料循环至所述DCFC，其中，在所述DCFC中，将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；以及
将所述贫碳浆料循环远离所述DCFC。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述浆料循环至所述DCFC包括将所述浆料循环至所述DCFC的阳极和电解质流场，并且其中，在所述阳极中，将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成所述贫碳浆料。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，将所述浆料循环至所述DCFC包括将所述浆料循环至所述DCFC的阳极而不循环至所述DCFC的电解质流场，并且其中，在所述阳极中，将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成所述贫碳浆料。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，还包括在不将更多的熔融碳酸盐循环的情况下，在所述DCFC的阳极与阴极之间保持更多的熔融碳酸盐电解质。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，还包括将电解质与所述DCFC接触并且单独地循环至所述浆料。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的方法，还包括：
在所述碳分离器中，将额外的碳与所述贫碳浆料混合以形成额外的浆料；以及
将所述额外的浆料循环至所述DCFC。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的方法，还包括：
在热交换器中冷却所述二氧化碳和所述贫碳浆料。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括，在分解所述烃燃料源之前，在热交换器中加热所述烃燃料源。
11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括将所述贫碳浆料、所述熔融碳酸盐电解质和二氧化碳中的一种或多种从所述DCFC循环至所述热交换器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，还包括：
从所述碳分离器中的熔融碳酸盐电解质中去除所分离的碳；以及
将所去除的碳转移至所述DCFC。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，从所述熔融碳酸盐电解质中去除所分离的碳包括撇去或过滤所分离的碳。
14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：
将所述熔融碳酸盐电解质循环至所述DCFC，其中，所述熔融碳酸盐电解质充当电解质；以及
进一步将所述熔融碳酸盐电解质从所述DCFC循环至所述碳分离器。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，还包括：
在将所去除的碳转移至所述DCFC之前，将所去除的碳与燃料介质混合；以及
将所混合的碳和燃料介质循环至所述DCFC。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，还包括：处理所分离的碳中的至少一些碳用于输出。
17.一种用于产生氢并且生成电力的系统，所述系统包括：
烃解离反应器；
碳分离器；
直接碳燃料电池(DCFC)；以及
流体循环系统，所述流体循环系统被配置为：
将烃燃料源循环至所述烃解离反应器，用于将所述烃燃料源分解成氢和碳；
将所述氢和所述碳循环至所述碳分离器，用于将所述碳与所述氢分离；并且
将所分离的碳循环至所述DCFC，用于从所分离的碳生成电力。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所分离的氢循环至氢分离器，用于纯化所分离的氢。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将熔融碳酸盐电解质循环至所述碳分离器，用于与所分离的碳混合以形成浆料；
将所述浆料循环至所述DCFC，用于在所述DCFC中将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；并且
将所述贫碳浆料循环远离所述DCFC。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所述浆料循环至所述DCFC的阳极和电解质流场，用于在所述阳极中将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成所述贫碳浆料。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所述浆料循环至所述DCFC的阳极而不循环至所述DCFC的电解质流场，用于在所述阳极中将包括在所述浆料中的至少一些碳转化为二氧化碳和电力，从而形成所述贫碳浆料。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
在不将更多的熔融碳酸盐循环的情况下，在所述DCFC的阳极与阴极之间保持更多的熔融碳酸盐电解质。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将电解质与所述DCFC接触并且单独地循环至所述浆料。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将额外的碳和所述贫碳浆料循环至所述碳分离器，用于将所述额外的碳与所述贫碳浆料混合以形成额外的浆料；并且
将所述额外的浆料循环至所述DCFC。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的系统，还包括：
热交换器，
其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所述二氧化碳和所述贫碳浆料循环至所述热交换器，用于在所述热交换器中冷却所述二氧化碳和所述贫碳浆料。
26.根据权利要求17至25中任一项所述的系统，还包括：
热交换器，
其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所述烃燃料源循环至所述热交换器，用于在所述热交换器中加热所述烃燃料源。
27.根据权利要求25或26所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所述贫碳浆料、所述熔融碳酸盐电解质和二氧化碳中的一种或多种从所述DCFC循环至所述热交换器。
28.根据权利要求17至27中任一项所述的系统，还包括：
碳去除装置，所述碳去除装置被配置为从所述碳分离器中的熔融碳酸盐电解质中去除所分离的碳；以及
碳转移装置，所述碳转移装置被配置为将所去除的碳转移至所述DCFC。
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述碳去除装置被进一步配置为从所述熔融碳酸盐电解质中撇去或过滤所分离的碳。
30.根据权利要求28或29所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所述熔融碳酸盐电解质循环至所述DCFC，其中，所述熔融碳酸盐电解质充当电解质；并且
将所述熔融碳酸盐电解质从所述DCFC循环至所述碳分离器。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
在将所去除的碳转移至所述DCFC之前，将所去除的碳和燃料介质循环至所述碳分离器用于在其中混合；并且
将所混合的碳和燃料介质循环至所述DCFC。
32.根据权利要求17至31中任一项所述的系统，还包括碳处理设备，所述碳处理设备用于处理所分离的碳中的至少一些碳用于输出。
33.根据权利要求32所述的系统，其中，所述碳处理设备包括用于增加所分离的碳中的至少一些碳的活化的反应器、用于将所分离的碳中的至少一些碳进行造粒的造粒机、压机、或窑炉。
34.一种用于产生氢的方法，所述方法包括：
在热交换器中加热烃燃料源；
使用烃解离反应器将所述加热的烃燃料源分解成氢和碳；
在碳分离器中将所述碳与所述氢分离；以及
将碳载体流体从所述热交换器循环至所述碳分离器并且返回至所述热交换器。
35.根据权利要求34的方法，还包括使用能量转换装置从所分离的碳生成电力。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，所述能量转换装置包括碳燃烧器。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，所述能量转换装置包括燃料电池。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述燃料电池包括直接碳燃料电池。
39.根据权利要求37所述的方法，其中，所述燃料电池包括固体氧化物燃料电池。
40.根据权利要求34至39中任一项所述的方法，还包括：使用氢分离器将所分离的氢纯化。
41.根据权利要求34至40中任一项所述的方法，其中，所述碳载体流体包括电解质。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述电解质包括碱性电解质。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，所述碳载体流体包括熔融碳酸盐电解质。
44.根据权利要求34至40中任一项所述的方法，其中，所述碳载体流体包括惰性载体流体。
45.根据权利要求34至44中任一项所述的方法，还包括：
在所述碳分离器中，将所分离的碳与所述碳载体流体混合以形成浆料。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述方法还包括：
通过以下步骤从所分离的碳生成电力：
将所述浆料循环至能量转换装置，其中，在所述能量转换装置中，将包括在所述浆料中的至少一些碳转换为二氧化碳和电力，从而形成所述贫碳浆料；以及
将所述贫碳浆料循环远离所述能量转换装置。
47.根据权利要求46的方法，还包括：
在所述碳分离器中，将额外的碳与所述贫碳浆料混合以形成额外的浆料；以及
将所述额外的浆料循环至所述能量转换装置。
48.根据权利要求46或47所述的方法，还包括：
在所述热交换器中冷却所述二氧化碳和所述贫碳浆料。
49.根据权利要求46至48中任一项所述的方法，还包括：将所述贫碳浆料、所述碳载体流体和二氧化碳中的一种或多种从所述能量转换装置循环至所述热交换器。
50.根据权利要求34至49中任一项所述的方法，还包括：
在所述碳分离器中，从所述碳载体流体去除所分离的碳。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，去除所分离的碳包括撇去或过滤所分离的碳。
52.根据权利要求34至51中任一项所述的方法，其中，循环所述碳载体流体包括：
将所述碳载体流体从所述碳分离器循环至能量转换装置；以及
进一步将所述碳载体流体从所述能量转换装置循环至所述热交换器。
53.根据权利要求50或51所述的方法，还包括：
将所去除的碳与燃料介质混合；以及
将所混合的碳和燃料介质循环至能量转换装置。
54.根据权利要求34至53中任一项所述的方法，还包括：处理所分离的碳用于输出。
55.一种用于产生氢的系统，所述系统包括：
热交换器；
烃解离反应器；
碳分离器；以及
流体循环系统，所述流体循环系统被配置为：
将烃燃料源循环至所述热交换器，用于在所述热交换器中加热；
将所述加热的烃燃料源循环至所述烃解离反应器，用于将所述加热的烃燃料源分解成氢和碳；
将所述氢和所述碳循环至所述碳分离器，用于将所述碳与所述氢分离；并且
将碳载体流体从所述热交换器循环至所述碳分离器并且返回至所述热交换器。
56.根据权利要求55所述的系统，还包括将所分离的碳循环至能量转换装置，用于从所分离的碳生成电力。
57.根据权利要求56所述的系统，其中，所述能量转换装置包括碳燃烧器。
58.根据权利要求57所述的系统，其中，所述能量转换装置包括燃料电池。
59.根据权利要求58所述的系统，其中，所述燃料电池包括直接碳燃料电池。
60.根据权利要求58所述的系统，其中，所述燃料电池包括固体氧化物燃料电池。
61.根据权利要求55至60中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所分离的氢循环至氢分离器，用于纯化所分离的氢。
62.根据权利要求55至61中任一项所述的系统，其中，所述碳载体流体包括电解质。
63.根据权利要求62所述的系统，其中，所述电解质包括碱性电解质。
64.根据权利要求62所述的系统，其中，所述碳载体流体包括熔融碳酸盐电解质。
65.根据权利要求55至61中任一项所述的系统，其中，所述碳载体流体包括惰性载体流体。
66.根据权利要求55至65中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：将所述碳载体流体循环至所述碳分离器，用于与所分离的碳混合以形成浆料。
67.根据权利要求66所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所述浆料循环至能量转换装置，其中，在所述能量转换装置中，将包括在所述浆料中的至少一些碳转换为二氧化碳和电力，从而形成贫碳浆料；并且
将所述贫碳浆料循环远离所述能量转换装置。
68.根据权利要求67所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将额外的碳和所述贫碳浆料循环至所述碳分离器，用于将所述额外的碳与所述贫碳浆料混合以形成额外的浆料；并且
将所述额外的浆料循环至所述能量转换装置。
69.根据权利要求67或68所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所述二氧化碳和所述贫碳浆料循环至所述热交换器，用于在所述热交换器中冷却所述二氧化碳和所述贫碳浆料。
70.根据权利要求55至69中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为将所述贫碳浆料、所述碳载体流体和二氧化碳中的一种或多种从所述能量转换装置循环至所述热交换器。
71.根据权利要求55至70中任一项所述的系统，还包括：
碳去除装置，所述碳去除装置被配置为从所述碳分离器中的所述碳载体流体中去除所分离的碳。
72.根据权利要求71所述的系统，其中，所述碳去除装置被进一步配置为从所述碳载体流体中撇去或过滤所分离的碳。
73.根据权利要求55至72中任一项所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所述碳载体流体从所述碳分离器循环至能量转换装置；并且
进一步将所述碳载体流体从所述能量转换装置循环至所述热交换器。
74.根据权利要求71或72所述的系统，其中，所述流体循环系统进一步被配置为：
将所去除的碳和燃料介质循环至所述碳分离器用于在其中混合；并且
将所混合的碳和燃料介质循环至能量转换装置。
75.根据权利要求55至74中任一项所述的系统，还包括碳处理设备，所述碳处理设备用于处理所分离的碳中的至少一些碳用于输出。
76.根据权利要求75所述的系统，其中，所述碳处理设备包括用于增加所分离的碳中的至少一些碳的活化的反应器、用于将所分离的碳中的至少一些碳进行造粒的造粒机、压机、或窑炉。
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