CN114988362A - 化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法，所述系统包括：燃料反应器、分离器、蒸汽反应器、分离塔、MCFC燃料电池和甲酸合成反应器相连接，所述方法包括：化学链制氢、MCFC燃料电池碳捕集和捕集后CO2的工业合成，首先利用化学链燃烧技术制取氢气技术为MCFC燃料电池提供燃料，解决了甲烷热解造成的阳极积碳的问题；并且利用太阳能为化学链燃烧提供能量，提高了燃料电池的发电功率；其次，利用MCFC燃料电池本身反应机理对电厂排放的烟气实现碳捕集，解决了电厂因碳捕集而导致的热效率降低的问题；最后将捕集后的CO2用于制作甲酸，实现能源的充分利用，提高系统的效率和经济性，减少CO2排放。
Description
技术领域
本发明涉及化学链制氢技术、燃料电池碳捕集以及捕集后CO2的工业合成，具体地说，是一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法。
背景技术
现有的二氧化碳捕集的方式主要有燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集三种类型。燃烧后捕集技术主要是从现有的燃煤电厂排放的烟气中回收CO2，其中利用化学溶剂吸收CO2是目前燃煤电厂中最普遍应用的燃烧后CO2捕集方法，但是化学溶剂吸收法最大的问题是CO2在解析过程需要从汽轮机中压缸抽汽，能耗过大，CO2捕集成本高。
MCFC是甲烷燃料电池，在进入燃料电池之前甲烷需要与水蒸汽发生重整反应生成H2和CO，随后H2和CO进入燃料电池的阳极参与电化学反应，但由于MCFC的工作温度在600～700℃，在此温度下甲烷会发生裂解反应，生成单质碳，附着在燃料电池的阳极板上，使燃料电池的活性降低甚至报废。
基于以上问题，本发明结合了化学链制氢技术与MCFC燃料电池的碳捕集功能，并且将捕集的CO2用于合成工业原料甲酸，目前尚未有与本发明相同的化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法的文献报道和实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法。以化学链燃烧技术制取氢气作为燃料电池发电的燃料，利用MCFC燃料电池的反应机理对电厂排放的烟气中的二氧化碳进行捕集，既能够解决燃料电池阳极积碳的问题，又能够实现二氧化碳捕集的过程，同时在化学链制氢过程添加太阳能作为辅助能源，降低燃料电池的热耗，增加系统能量利用效率。
实现本发明目的之一采用的技术方案是：一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统，其特征是，它包括：燃料反应器1、分离器2、蒸汽反应器3、分离塔4、MCFC燃料电池5、甲酸合成反应器6，所述的燃料反应器1的第一入口1-1输入燃料为CH4，所述的燃料反应器1的第二入口1-3与分离塔4的第一出口4-2相连，燃料反应器1的第一出口1-2与分离器2的入口2-1相连，分离器2的第一出口2-2与蒸汽反应器3的入口3-1相连，分离器2的第二出口2-3与甲酸合成反应器6的第一气体入口6-1相连，分离器2的第三出口2-4与蒸汽反应器3的第二入口3-2相连，蒸汽反应器3的入口3-1输入物质为H2O，蒸汽反应器3的出口3-3与分离塔4的入口4-1相连，分离塔4的第一出口4-3与甲酸合成反应器6的第三气体入口6-3相连，分离塔4的第二出口4-4与MCFC燃料电池5的第一入口5-1相连，燃料电池5的第二入口5-2输入物质为空气，燃料电池5的第三入口5-3输入物质为电厂排放的烟气，燃料电池5的第一出口5-4与蒸汽反应器3的入口3-1相连，燃料电池5的第二出口5-5与甲酸合成反应器6的第二气体入口6-2相连，燃料电池5的第三出口5-6输出物质为脱碳后的烟气，甲酸合成反应器6的出库输出物质6-4为甲酸。
实现本发明的目的之二采用的技术方案是，一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸方法，所述方法应用于权利要求1所述的化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统，其特征是，它包括以下步骤：
化学链制H2：CH4进入燃料反应器1与Fe3O4发生反应，产物进入分离器2进行分离，从分离器2出来的H2O为蒸汽反应提供水蒸气，FeO进入蒸汽反应器3与水蒸气反应，CO2进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料，H2O进入蒸汽反应器3与FeO发生反应，产物进入分离塔4进行分离，从分离塔4出来的Fe3O4进入燃料反应器1与CH4进行化学反应，H2一部分进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料，一部分进入MCFC燃料电池5提供电化学反应的燃料，在燃料反应器1和蒸汽反应器3中分别利用太阳能为反应提供热量；
MCFC燃料电池CO2捕集：来自电厂排放的烟气5-3以及补充的空气5-2进入MCFC燃料电池5的阴极，在MCFC燃料电池5的阴极板上CO2转化为CO3 2-，实现CO2的捕集，脱碳后的烟气从MCFC燃料电池5的阴极出口排出，分离塔4出口的H2进入MCFC燃料电池5的阳极，在阳极H2反应生成H2O，CO32-产生CO2，富集的CO2进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料，同时根据阴阳两极的电化学反应实现燃料电池的发电；
捕集后CO2用于制甲酸：从分离器2分离出的CO2和分离塔4分离出的一部分H2进入甲酸合成反应器6中，CO2和H2通过化合反应合成甲酸，实现捕集后CO2的工业合成。
进一步，化学链制氢中CH4和H2O分别在燃料反应器1和蒸汽反应器3中发生反应，制取H2同时捕集CO2；载氧体为铁的氧化物；太阳能为燃料反应器1和蒸汽反应器3提供热量。
进一步，MCFC燃料电池5阴极入口气体来自电厂排放的烟气以及补充的空气。
本发明的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法，通过化学链燃烧技术与MCFC燃料电池发电技术的耦合即实现低能耗制氢用于燃料电池发电，同时利用MCFC燃料电池特殊的反应机理对电厂排放的烟气中的CO2进行捕集，减少CO2捕集装置的能耗，提高电厂的热效率，并且将捕集的二氧化碳用于合成高热值的化工原料甲酸，提高了系统能量的利用率，也达到了节能减排的目的。
与现有的技术相比，本发明的化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统及其方法的进一步效果体现在：
1)利用化学链燃烧技术制取氢气为燃料电池提供燃料，解决了甲烷热解造成的阳极积碳的问题，并且利用太阳能为化学链燃烧提供能量，提高了燃料电池的发电功率；
2)利用MCFC燃料电池本身反应机理对电厂排放的烟气实现碳捕集，解决了电厂因碳捕集而导致的热效率降低的问题；
3)将捕集后的CO2用于制作甲酸，实现了系统的完整性，利用二氧化碳制作高热值的产品，提高了系统的效率和经济性。
附图说明
图1为本发明的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统流程图。
图中：1燃料反应器、2分离器、3蒸汽反应器、4分离塔、5MCFC燃料电池、6甲酸合成反应器；燃料反应器1包括：1-1第一入口、1-3第二入口、1-2气体出口、1-4太阳能供热端；分离器2包括：2-1气体入口、2-2液体出口、2-3气体出口、2-4固体出口；蒸汽反应器3包括：3-1气体入口、3-2固体入口、3-3气体出口、3-4太阳能供热端；分离塔4包括：4-1气体入口、4-2第一出口、4-3第二出口、4-4第三出口；MCFC燃料电池5包括：5-1第一入口、5-2第二入口、5-3第三入口、5-4第一出口、5-5第二出口、5-6第三出口；甲酸合成反应器6包括：6-1第一气体入口、6-2第二气体入口、6-3第三气体入口。
具体实施方式
下面结合图1和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，本发明的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统，包括：燃料反应器1、分离器2、蒸汽反应器3、分离塔4、MCFC燃料电池5、甲酸合成反应器6。图中的燃料反应器1的第一入口1-1输入燃料为CH4，太阳能供热端1-4为燃料反应器1提供热水，图中的燃料反应器1的第二入口1-3与分离塔4的第一出口4-2相连，图中的燃料反应器1的第一出口1-2与分离器2的入口2-1相连，图中的分离器2的第一出口2-2与蒸汽反应器3的入口3-1相连，图中的分离器2的第二出口2-3与甲酸合成反应器6的第一气体入口6-1相连，图中的分离器2的第三出口2-4与蒸汽反应器3的第二入口3-2相连，图中的蒸汽反应器3的入口3-1输入物质为H2O，图中的蒸汽反应器3的出口3-3与分离塔4的入口4-1相连，图中的分离塔4的第一出口4-3与甲酸合成反应器6的第三气体入口6-3相连，图中的分离塔4的第二出口4-4与MCFC燃料电池5的第一入口5-1相连，图中的MCFC燃料电池5的第二入口5-2输入物质为空气，图中的MCFC燃料电池5的第三入口5-3输入物质为电厂排放的烟气，图中的燃料电池5的第一出口5-4与蒸汽反应器3的入口3-1相连，图中的MCFC燃料电池5的第二出口5-5与甲酸合成反应器6的第二气体入口6-2相连，图中的MCFC燃料电池5的第三出口5-6输出物质为脱碳后的烟气，图中的甲酸合成反应器6的出口输出物质6-4为甲酸。
本发明的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸方法，即使用图1所示的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统的工作流程为：
化学链制H2：将温度为25℃，压力为1bar的CH4通入燃料反应器1中，与Fe3O4发生反应，反应温度为1000℃，产物进入分离器2进行分离，从分离器2出来的H2O为蒸汽反应提供水蒸气，FeO进入蒸汽反应器3与水蒸气反应，CO2进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料。将温度为25℃，压力为1bar的H2O通入蒸汽反应器3中，与FeO发生反应，反应温度为600℃，产物进入分离塔4进行分离，从分离塔4出来的Fe3O4进入燃料反应器1与CH4进行化学反应，产物H2一部分进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料，一部分进入MCFC燃料电池5提供电化学反应的燃料。在燃料反应器1和蒸汽反应器3中分别利用太阳能为反应提供热量。
MCFC燃料电池CO2捕集：MCFC燃料电池5阴极的第一入口5-2为补充的空气、阴极的第二入口为5-3来自电厂排放的烟气，在阴极电池板上CO2转化为CO32-，实现二CO2的捕集。脱碳后的烟气从MCFC燃料电池5阴极的出口排出。MCFC燃料电池5阳极的入口5-1与分离塔4第三出口4-4相连，MCFC燃料电池5阳极的第一出口5-4与蒸汽反应器3的入口3-1相连，将H2O送入蒸汽反应器3内，MCFC燃料电池阳极5阳极的第二出口5-5与甲酸合成反应器6第二气体入口6-2相连。H2进入MCFC燃料电池5的阳极，在阳极板上反应生成H2O，同时CO32-产生二氧化碳，富集的CO2进入甲酸合成反应器6为甲酸的合成提供原料。根据两极的电化学反应实现燃料电池的发电。
捕集后CO2用于制甲酸：分离器2分离出的CO2进入甲酸合成反应器6中，MCFC燃料电池5阳极排出的CO2进入甲酸合成反应器6中，分离塔4分离出的H2的一部分进入甲酸合成反应器6中，在进入甲酸合成反应器6中CO2和H2通过化合反应合成甲酸，实现捕集后CO2的工业合成。
以250MW亚临界燃煤电厂为例，集成MCFC燃料电池碳捕集系统后，CO2捕获率为85％，MCFC燃料电池发电138.93MW。燃煤电厂基准系统的效率是41.57％，MCFC的效率为54.66％。集成系统的发电效率达到58.8％，相比于MCFC燃料电池提高了4.14％。
本发明通过将化学链制氢技术和MCFC燃料电池结合起来，利用该技术为MCFC提供氢气可以避免MCFC中阳极的碳沉积，并且基于MCFC燃料电池自身的反应原理可以实现高效的碳捕集。最后将捕集的CO2用于制作高热值的工艺原料甲酸，实现集成系统减排的目的，进一步提高能量利用效率。
本发明的具体实施例并非穷举，本领域技术人员根据本发明所获得的启示，不经过创造性劳动的复制和改进均属于本发明权利保护的范围。
Claims (4)
1.一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统，其特征是，它包括：燃料反应器(1)、分离器(2)、蒸汽反应器(3)、分离塔(4)、MCFC燃料电池(5)、甲酸合成反应器(6)，所述的燃料反应器(1)的第一入口(1-1)输入燃料为CH4，所述的燃料反应器(1)的第二入口(1-3)与分离塔(4)的第一出口(4-2)相连，燃料反应器(1)的第一出口(1-2)与分离器(2)的入口(2-1)相连，分离器(2)的第一出口(2-2)与蒸汽反应器(3)的入口(3-1)相连，分离器(2)的第二出口(2-3)与甲酸合成反应器(6)的第一气体入口(6-1)相连，分离器(2)的第三出口(2-4)与蒸汽反应器(3)的第二入口(3-2)相连，蒸汽反应器(3)的入口(3-1)输入物质为H2O，蒸汽反应器(3)的出口(3-3)与分离塔(4)的入口(4-1)相连，分离塔(4)的第一出口(4-3)与甲酸合成反应器(6)的第三气体入口(6-3)相连，分离塔(4)的第二出口(4-4)与MCFC燃料电池(5)的第一入口(5-1)相连，燃料电池(5)的第二入口(5-2)输入物质为空气，燃料电池(5)的第三入口(5-3)输入物质为电厂排放的烟气，燃料电池(5)的第一出口(5-4)与蒸汽反应器(3)的入口(3-1)相连，燃料电池(5)的第二出口(5-5)与甲酸合成反应器(6)的第二气体入口(6-2)相连，燃料电池(5)的第三出口(5-6)输出物质为脱碳后的烟气，甲酸合成反应器(6)的出库输出物质(6-4)为甲酸。
2.一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸方法，所述方法应用于权利要求1所述的化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸系统，其特征是，它包括以下步骤：
化学链制H2：CH4进入燃料反应器(1)与Fe3O4发生反应，产物进入分离器(2)进行分离，从分离器(2)出来的H2O为蒸汽反应提供水蒸气，FeO进入蒸汽反应器(3)与水蒸气反应，CO2进入甲酸合成反应器(6)为甲酸的合成提供原料，H2O进入蒸汽反应器(3)与FeO发生反应，产物进入分离塔(4)进行分离，从分离塔(4)出来的Fe3O4进入燃料反应器(1)与CH4进行化学反应，H2一部分进入甲酸合成反应器(6)为甲酸的合成提供原料，一部分进入MCFC燃料电池(5)提供电化学反应的燃料，在燃料反应器(1)和蒸汽反应器(3)中分别利用太阳能为反应提供热量；
MCFC燃料电池CO2捕集：来自电厂排放的烟气(5-3)以及补充的空气(5-2)进入MCFC燃料电池(5)的阴极，在MCFC燃料电池(5)的阴极板上CO2转化为CO32-，实现CO2的捕集，脱碳后的烟气从MCFC燃料电池(5)的阴极出口排出，分离塔(4)出口的H2进入MCFC燃料电池(5)的阳极，在阳极H2反应生成H2O，CO32-产生CO2，富集的CO2进入甲酸合成反应器(6)为甲酸的合成提供原料，同时根据阴阳两极的电化学反应实现燃料电池的发电；
捕集后CO2用于制甲酸：从分离器(2)分离出的CO2和分离塔(4)分离出的一部分H2进入甲酸合成反应器(6)中，CO2和H2通过化合反应合成甲酸，实现捕集后CO2的工业合成。
3.根据权利要求2所述的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸方法，其特征是，化学链制氢中CH4和H2O分别在燃料反应器(1)和蒸汽反应器(3)中发生反应，制取H2同时捕集CO2；载氧体为铁的氧化物；太阳能为燃料反应器(1)和蒸汽反应器(3)提供热量。
4.根据权利要求2所述的一种化学链制氢耦合燃料电池碳捕集制取甲酸方法，其特征是，MCFC燃料电池(5)阴极入口气体来自电厂排放的烟气以及补充的空气。
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