ITMI20111160A1 - SYSTEM AND METHOD TO SEPARATE CO2 FROM COMBUSTION FUMES CONTAINING SOX AND NOX THROUGH FUEL CELLS IN CARBONATI FUSI (MCFC) - Google Patents

SYSTEM AND METHOD TO SEPARATE CO2 FROM COMBUSTION FUMES CONTAINING SOX AND NOX THROUGH FUEL CELLS IN CARBONATI FUSI (MCFC) Download PDF

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Paolo Capobianco
Biagio Passalacqua
Angelo Giovanni Perfumo
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Ansaldo Fuel Cells Spa
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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

"SISTEMA E METODO PER SEPARARE C02 DA FUMI DI COMBUSTIONE CONTENENTI SOX ED NOX MEDIANTE CELLE A COMBUSTIBILE A CARBONATI FUSI (MCFC) " "SYSTEM AND METHOD FOR SEPARATING C02 FROM COMBUSTION FUMES CONTAINING SOX AND NOX BY MEANS OF MELTED CARBONATE FUEL CELLS (MCFC)"

La presente invenzione à ̈ relativa a un sistema e un metodo per separare C02 da fumi di combustione contenenti SOX e NOX mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC). The present invention relates to a system and a method for separating C02 from combustion fumes containing SOX and NOX by means of molten carbonate fuel cells (MCFC).

In particolare, l'invenzione si colloca nel campo dei sistemi per la separazione di C02 da fumi di combustione e più specificatamente nel settore dei processi e dispositivi capaci di estrarre selettivamente C02 dai fumi in cui à ̈ diluita, per renderla disponibile concentrata in un flusso gassoso da cui sia facilmente separabile. Ancora più specificatamente, l'invenzione si inserisce nel campo dei sistemi MCFC-CCS , vale a dire dei sistemi in cui mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) si estrae C02 dai fumi in cui à ̈ diluita e la si concentra in un flusso gassoso ricco di vapore di H20 e sostanzialmente privo di N2 diluente, in modo da facilitarne la successiva cattura (CCS = "Carbon Capture and Storage"). In particular, the invention is placed in the field of systems for the separation of C02 from combustion fumes and more specifically in the field of processes and devices capable of selectively extracting C02 from the fumes in which it is diluted, to make it available concentrated in a flow gaseous from which it is easily separable. Even more specifically, the invention is part of the field of MCFC-CCS systems, i.e. systems in which, by means of molten carbonate fuel cells (MCFC), C02 is extracted from the fumes in which it is diluted and concentrated in a gaseous flow rich in H20 vapor and substantially free of N2 diluent, in order to facilitate its subsequent capture (CCS = "Carbon Capture and Storage").

Sono noti diversi schemi di impianto per sistemi MCFC-SCC, come descritti per esempio in JP3106418, EP04188 64, US7396603. Various installation diagrams for MCFC-SCC systems are known, as described for example in JP3106418, EP04188 64, US7396603.

In generale, le configurazioni note prevedono sistemi MCFC-CCS che hanno una sola batteria (stack) di celle, oppure una pluralità di batterie in parallelo (lato catodo) . In tutti i casi, il sistema comprende un dispositivo di manipolazione, in particolare per la separazione e il recupero di C02, che à ̈ disposto all'uscita finale dell'esausto anodico. In general, known configurations provide MCFC-CCS systems which have a single battery (stack) of cells, or a plurality of batteries in parallel (cathode side). In all cases, the system includes a manipulation device, in particular for the separation and recovery of C02, which is arranged at the final exit of the anode exhaust.

Anche per soluzioni con batterie in serie lato anodo, l'insegnamento della tecnica nota consisterebbe analogamente nel predisporre un unico dispositivo di manipolazione/separazione all'uscita anodica dell'ultima batteria della serie. Also for solutions with batteries in series on the anode side, the teaching of the known art would similarly consist in providing a single manipulation / separation device at the anode output of the last battery of the series.

In definitiva, le soluzioni note presentano tutte un dispositivo di manipolazione dell'esausto anodico, disposto unicamente all'uscita finale del sistema. Ultimately, the known solutions all have a device for manipulating the anodic waste, disposed only at the final outlet of the system.

Questa soluzione soffre di un inconveniente principale: alcuni contaminanti (per esempio, F) vanno abbattuti radicalmente, a prescindere dalla tipologia di batteria MCFC o dalle condizioni di processo, perché il loro accumularsi nelle celle porta inesorabilmente alla progressiva distruzione dei carbonati. Ma per altri contaminati, in particolare per SOx ed NOx, esistono dei margini di manovra. Per SOx ed NOx le soglie ammesse cambiano in funzione del tipo di batteria (ad esempio, con batterie tipo DIR a reformer diretto, le soglie di SOx ammesse sono di almeno un ordine di grandezza più stringenti che con batterie tipo IIR o ER) e, per un dato tipo di batteria, possono essere alzate se il gas anodico à ̈ ricco in H2, non solo in ingresso ma anche in uscita. This solution suffers from a main drawback: some contaminants (for example, F) must be radically eliminated, regardless of the type of MCFC battery or the process conditions, because their accumulation in the cells inevitably leads to the progressive destruction of the carbonates. But for other contaminants, in particular for SOx and NOx, there is room for maneuver. For SOx and NOx the permitted thresholds change according to the type of battery (for example, with DIR type batteries with direct reformer, the SOx thresholds allowed are at least one order of magnitude more stringent than with type IIR or ER batteries) and, for a given type of battery, they can be raised if the anode gas is rich in H2, not only at the inlet but also at the outlet.

Le soluzioni MCFC-CCS con dispositivo di manipolazione degli esausti solo sull'uscita finale anodica sono state concepite presupponendo fumi puliti. The MCFC-CCS solutions with exhaust handling device only on the final anodic outlet have been conceived assuming clean fumes.

Infatti in tali sistemi: In fact in such systems:

per avere un alto rendimento, ci vuole necessariamente un alto utilizzo di H2; to have a high yield, it necessarily takes a high use of H2;

- se l'utilizzo di H2 Ã ̈ elevato, il gas anodico, almeno in uscita, Ã ̈ impoverito in H2; - if the use of H2 is high, the anode gas, at least at the outlet, is depleted in H2;

- se il gas anodico (quantomeno in uscita) à ̈ povero in H2, la sensibilità a SOx ed NOx à ̈ alta; - if the anode gas (at least at the outlet) is poor in H2, the sensitivity to SOx and NOx is high;

- se la sensibilità a SOx ed NOx à ̈ alta, le soglie di inquinanti ammesse devono essere basse. - if the sensitivity to SOx and NOx is high, the pollutant thresholds allowed must be low.

In sostanza, per tali sistemi c'à ̈ incompatibilità tra alto rendimento delle celle MCFC e innalzamento delle soglie tollerabili di SOx ed NOx. Basically, for these systems there is incompatibility between the high efficiency of the MCFC cells and the raising of the tolerable thresholds of SOx and NOx.

Alcune delle soluzioni mostrate in US7396603 consentono in effetti di alzare il rendimento senza impoverire il gas anodico in uscita, in sistemi in cui il dispositivo di manipolazione dell'esausto anodico à ̈ solo sull'uscita finale: in queste soluzioni, l'idrogeno presente nell'uscita anodica della MCFC può essere tenuto alto perché trova comunque adeguato utilizzo all'interno del sistema o all'esterno; oppure viene ricircolato in ingresso anodo un flusso di H2 (o comunque ricco in H2) recuperato dall'organo di manipolazione dell'esausto anodico. Questi accorgimenti, che rendono possibile un rendimento elevato pur con un alto il tenore di H2 all'uscita anodica delle MCFC, hanno però effetti indiretti che impediscono comunque di alzare la soglie su H2S e ad NOx. Some of the solutions shown in US7396603 actually allow to increase the efficiency without depleting the anode gas at the outlet, in systems where the device for handling the anodic exhaust is only on the final outlet: in these solutions, the hydrogen present in the the anode output of the MCFC can be kept high because it is in any case suitable for use inside the system or outside; or a flow of H2 (or in any case rich in H2) recovered from the manipulation organ of the exhausted anode is recirculated at the anode inlet. These measures, which make it possible to achieve a high efficiency even with a high H2 content at the anode output of the MCFCs, however, have indirect effects which in any case prevent the thresholds on H2S and NOx from being raised.

In particolare, in una soluzione che ricorre a pile PEM ("proton exchange membrane", pile a membrana a scambio protonico) , la soglia su SOx in ingresso diventa quella bassissima imposta dai catalizzatori della pila PEM, sulla quale la MCFC trasferirebbe in forma di H2S tutto lo zolfo presente nei fumi che non fosse stato preventivamente abbattuto . In particular, in a solution that uses PEM cells ("proton exchange membrane"), the threshold on the input SOx becomes the very low threshold imposed by the catalysts of the PEM cell, onto which the MCFC would transfer in the form of H2S all the sulfur present in the fumes that had not been previously eliminated.

In un'altra soluzione, che prevede un ricircolo anodico completo di H2 dopo la separazione, si innesca un meccanismo di accumulo di N2 (cosiddetto "build-up di N2) che finisce inesorabilmente per bloccare la possibilità di lavare lato anodo l'elettrolita dai nitriti e/o nitrati che si vanno formando al catodo per reazione con gli NOx presenti nei fumi (il lavaggio cessa se e quando si arriva ad inibire la conversione dei nitriti e/o nitrati in N2 e H20) . Tale soluzione impone perciò soglie basse sugli NOx in entrata. In another solution, which provides for a complete anodic recirculation of H2 after separation, an accumulation mechanism of N2 is triggered (so-called "build-up of N2) which inexorably ends up blocking the possibility of washing the electrolyte from the anode side. nitrites and / or nitrates that are formed at the cathode by reaction with the NOx present in the fumes (washing stops if and when the conversion of nitrites and / or nitrates into N2 and H20 is inhibited). This solution therefore imposes low thresholds on incoming NOx.

In definitiva, per i sistemi MCFC-CCS noti con il dispositivo di manipolazione degli esausti solo sull'uscita anodica finale, le celle MCFC possono avere rendimenti elevati solo se si rispettano soglie stringenti su SOx ed NOx in ingresso catodo. Infatti: Ultimately, for known MCFC-CCS systems with the exhaust handling device only on the final anodic output, MCFC cells can have high yields only if stringent thresholds on SOx and NOx at the cathode input are respected. Indeed:

- o il gas anodico in uscita dalle celle MCFC à ̈ povero in H2 (per 1'incompatibilità tra alto rendimento e alto tenore di H2 nel gas di uscita anodica), - either the anode gas leaving the MCFC cells is low in H2 (due to the incompatibility between high efficiency and high H2 content in the anodic output gas),

- o il tenore di H2 nel gas anodico in uscita dalle celle MCFC à ̈ tenuto alto con accorgimenti che producono effetti retroattivi che accentuano la sensibilità a SOx e a NOx. - o the H2 content in the anode gas leaving the MCFC cells is kept high with measures that produce retroactive effects that accentuate the sensitivity to SOx and NOx.

È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un sistema e un metodo per separare C02 da fumi di combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) che sia privo degli inconvenienti qui evidenziati della tecnica nota; in particolare, à ̈ uno scopo del trovato quello di fornire un sistema di tipo MCFC-CCS che operi, rispetto ai sistemi noti, ad alta efficienza elettrica e al contempo con soglie più alte sugli SOx e sugli NOx nel gas catodico . It is an object of the present invention to provide a system and a method for separating C02 from combustion fumes by means of molten carbonate fuel cells (MCFC) which is free from the drawbacks highlighted herein of the known art; in particular, it is an object of the invention to provide a system of the MCFC-CCS type which operates, with respect to known systems, with high electrical efficiency and at the same time with higher thresholds on SOx and NOx in the cathode gas.

La presente invenzione à ̈ dunque relativa a un sistema e un metodo per separare C02 da fumi dì combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 13, nonché, per i caratteri addizionali preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti. The present invention therefore relates to a system and a method for separating C02 from combustion fumes by means of molten carbonate fuel cells (MCFC) as defined in essential terms in the annexed claims 1 and 13 respectively, as well as for the additional preferred characters, in the dependent claims.

In sostanza, l'invenzione consiste nell'innalzare il contenuto di H2 nelle uscite anodiche delle celle senza sprecare combustibile, con sistemi derivati dalla tecnica nota quali il ricircolo all'ingresso anodico di un flusso ricco in H2 oppure il recupero a fini di generazione elettrica dell'elevato contenuto di combustibile rimasto nell'esausto anodico mediante una combinazione "reattore di shift-pila PEM", ma avendo cura di aggiungere accorgimenti specifici che consentano sia di rimuovere H2S che di evitare meccanismi di accumulo di N2. Basically, the invention consists in raising the H2 content in the anode outputs of the cells without wasting fuel, with systems derived from the known art such as the recirculation at the anode inlet of a flow rich in H2 or the recovery for electrical generation purposes. of the high content of fuel left in the anodic exhaust by means of a combination "PEM shift reactor-pile", but taking care to add specific measures that allow both to remove H2S and to avoid N2 accumulation mechanisms.

L' invenzione ha quindi per oggetto un sistema MCFC costituito da una o più batterie di celle e abbinato a dei dispositivi di manipolazione degli esausti anodici; tipologia dei dispositivi di manipolazione e modalità di organizzazione dei flussi gassosi nel sistema sono tali da consentire al sistema nel suo complesso, con limitata esigenza di pulizia supplementare dei fumi trattati, di operare come separatore di C02 da fumi di combustione contenenti SOx ed NOx, generando nel contempo energia elettrica con elevata efficienza. The invention therefore relates to an MCFC system consisting of one or more batteries of cells and combined with devices for handling the anode waste; type of manipulation devices and organization modalities of the gaseous flows in the system are such as to allow the system as a whole, with limited need for additional cleaning of the treated fumes, to operate as a C02 separator from combustion fumes containing SOx and NOx, generating at the same time electricity with high efficiency.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will appear clear from the following description of a non-limiting example of its implementation, with reference to the figures of the annexed drawings, in which:

la figura 1 Ã ̈ una vista schematica di un sistema per separare C02 da fumi di combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) realizzato in accordo ad una prima forma di attuazione del trovato; Figure 1 is a schematic view of a system for separating C02 from combustion fumes by means of molten carbonate fuel cells (MCFC) made in accordance with a first embodiment of the invention;

- le figure da 2 a 4 sono rispettive viste schematiche di ulteriori forme di attuazione del trovato. Figures 2 to 4 are respective schematic views of further embodiments of the invention.

Con riferimento alla figura 1, un sistema 1 per separare C02 da fumi di combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) comprende una o più batterie 2 di celle MCFC, e un dispositivo 3 di manipolazione dell'esausto anodico. With reference to Figure 1, a system 1 for separating C02 from combustion fumes by means of fused carbonate fuel cells (MCFC) comprises one or more batteries 2 of MCFC cells, and a device 3 for handling the exhausted anode.

Nel seguito si farà riferimento, per semplicità, ad una batteria 2 di celle MCFC, schematicamente rappresentate come un unico blocco avente un comparto anodico 5 e un comparto catodico 6; ma resta inteso che il sistema 1 può comprendere più batterie 2 di celle MCFC collegate tra loro. In the following, reference will be made, for simplicity, to a battery 2 of MCFC cells, schematically represented as a single block having an anode compartment 5 and a cathode compartment 6; but it is understood that the system 1 can comprise several batteries 2 of MCFC cells connected together.

La batteria 2 Ã ̈ alimentata tramite una linea 7 di alimentazione anodica, che porta ad un ingresso anodico 8 del comparto anodico 5 un flusso di combustibile, e da una linea 9 di alimentazione catodica, che porta ad un ingresso catodico 10 del comparto catodico 6 un flusso di fumi di combustione da trattare, opzionalmente arricchito con aria. Battery 2 is powered by an anode power supply line 7, which leads to an anode input 8 of the anode compartment 5 a flow of fuel, and by a cathode power supply line 9, which leads to a cathode input 10 of the cathode compartment 6 a flow of combustion fumes to be treated, optionally enriched with air.

Il comparto catodico 6 ha una uscita catodica 11 collegata ad una linea 12 di scarico, mentre il comparto anodico 5 ha una uscita anodica 13 collegata, tramite una linea 14 di uscita anodica, al dispositivo 3. The cathode compartment 6 has a cathode output 11 connected to a discharge line 12, while the anode compartment 5 has an anode output 13 connected, via an anode output line 14, to the device 3.

Il dispositivo 3 comprende una pluralità di unità 15-18 funzionali disposte in serie lungo la linea 14 di uscita anodica per manipolare il flusso di esausto anodico uscente dalla batteria 2, e specificamente per eliminare H2 ed altri combustibili residui dall'esausto anodico. The device 3 comprises a plurality of functional units 15-18 arranged in series along the anode output line 14 to manipulate the flow of anode exhaust outgoing from the battery 2, and specifically to eliminate H2 and other residual fuels from the anode exhaust.

In particolare, il dispositivo 3 comprende, a partire dall'uscita anodica 13: una unità 15 di rimozione di H2S, una unità 16 di reazione di shift, una unità 17A di separazione di H20, almeno una unità 18 a pila PEM, e una ulteriore unità 17B di separazione di H20. In particular, the device 3 comprises, starting from the anode output 13: an H2S removal unit 15, a shift reaction unit 16, a H20 separation unit 17A, at least one PEM stack unit 18, and a further H20 separation unit 17B.

L'unità 15 di rimozione di H2S à ̈ collocata a monte delle altre unità del dispositivo 3 e specificamente della unità 16 di reazione di shift e della unità 18 a pila PEM. The H2S removal unit 15 is located upstream of the other units of the device 3 and specifically of the shift reaction unit 16 and of the PEM stack unit 18.

L'unità 18 a pila PEM ha un comparto anodico 21 disposto in serie alle precedenti unità del dispositivo 3 lungo la linea 14 di uscita anodica e alimentato quindi con il flusso che ha attraversato le precedenti unità del dispositivo 3, ed un comparto catodico 22 che à ̈ alimentato con aria. Dal comparto anodico 21 dell'unità 18 a pila PEM esce un flusso contenente H20 e C02 da cui, previa rimozione di H20 nell'unità 17B, si recupera un flusso di C02 . The PEM battery unit 18 has an anode compartment 21 arranged in series with the previous units of the device 3 along the anode output line 14 and therefore fed with the flow that has passed through the previous units of the device 3, and a cathode compartment 22 which It is powered with air. A flow containing H20 and C02 exits from the anode compartment 21 of the PEM cell unit 18 from which, after removing the H20 in the unit 17B, a flow of C02 is recovered.

Opzionalmente, l'unità 15 di rimozione di H2S à ̈ configurata anche per rimuovere una prima porzione di C02 presente nell'esausto anodico. Optionally, the H2S removal unit 15 is also configured to remove a first portion of C02 present in the anode exhaust.

Opportunamente, ma non necessariamente, in questa configurazione di impianto le celle MCFC della batteria 2 sono di tipo con reformer interno indiretto, o con reformer esterno, o di altro tipo ma non del tipo a reformer interno diretto (DIR). Conveniently, but not necessarily, in this plant configuration the MCFC cells of battery 2 are of the type with internal indirect reformer, or with external reformer, or of another type but not of the type with direct internal reformer (DIR).

La batteria 2 opera con basso utilizzo di H2: il contenuto di H2 nel flusso di esausto anodico può essere infatti mantenuto relativamente elevato, indicativamente nell'ordine di 30-50% voi., perché l'alto contenuto di H2 presente nell'esausto anodico à ̈ recuperato a fini di generazione elettrica; precisamente, l'esausto anodico ha un elevato contenuto di combustibile rimasto che viene sfruttato mediante la combinazione dell'unità 16 di reazione di shift e della unità 18 a pila PEM; si evitano però gli effetti negativi delle soluzioni note in quanto si rimuove H2S a monte dell'unità 16 di reazione di shift. Battery 2 operates with low H2 use: the H2 content in the anode exhaust stream can in fact be kept relatively high, approximately in the order of 30-50% vol., Because the high H2 content present in the exhaust anodic is recovered for the purpose of electricity generation; precisely, the exhausted anode has a high content of remaining fuel which is exploited by the combination of the shift reaction unit 16 and the PEM cell unit 18; however, the negative effects of the known solutions are avoided as H2S is removed upstream of the shift reaction unit 16.

Nella forma di attuazione di figura 2, nella quale (come anche nelle figure successive) i dettagli simili o uguali a quelli già descritti sono indicati con i medesimi numeri, il sistema 1 comprende sempre una batteria 2 di celle MCFC avente un comparto anodico 5 e un comparto catodico 6 (oppure, come già evidenziato, più batterie di celle MCFC collegate tra loro), e un dispositivo 3 di manipolazione dell'esausto anodico. In the embodiment of figure 2, in which (as also in the following figures) the details similar or identical to those already described are indicated with the same numbers, the system 1 always comprises a battery 2 of MCFC cells having an anode compartment 5 and a cathode compartment 6 (or, as already highlighted, several batteries of MCFC cells connected to each other), and a device 3 for handling the exhausted anode.

La batteria 2 Ã ̈ alimentata ancora tramite una linea 7 di alimentazione anodica, che porta al comparto anodico 5 un flusso di combustibile, e da una linea 9 di alimentazione catodica, che porta al comparto catodico 6 un flusso di fumi di combustione da trattare, opzionalmente arricchito con aria. The battery 2 is still powered by means of an anode power supply line 7, which brings a flow of fuel to the anodic compartment 5, and from a cathodic power supply line 9, which leads to the cathode compartment 6 a flow of combustion fumes to be treated. optionally enriched with air.

Il comparto catodico 6 ha una uscita catodica 11 collegata ad una linea 12 di scarico, mentre il comparto anodico 5 ha una uscita anodica 13 collegata, tramite una linea 14 di uscita anodica, al dispositivo 3. The cathode compartment 6 has a cathode output 11 connected to a discharge line 12, while the anode compartment 5 has an anode output 13 connected, via an anode output line 14, to the device 3.

Il dispositivo 3 comprende una unità 25 di separazione selettiva per C02, che separa dall'esausto anodico un flusso di C02 contenente H2S (pronto per essere inviato alle successive operazioni di sequestro) e, separatamente, un flusso di H20; il flusso trattato residuo, ricco in H2 e contenente anche i residui non rimossi dall'unità 25 di separazione, viene ricircolato all'ingresso anodico 8 tramite una linea 26 di ricircolo che si innesta sulla linea 7 di alimentazione anodica; il flusso trattato non viene però ricircolato interamente al comparto anodico 5, ma una sua porzione viene spillata tramite una linea 27 di diramazione che si diparte dalla linea 26 di ricircolo ed à ̈ collegata ad una unità 28 bruciatore, in particolare una unità a bruciatore catalitico . The device 3 comprises a selective separation unit 25 for C02, which separates from the anodic exhaust a flow of C02 containing H2S (ready to be sent to subsequent sequestration operations) and, separately, a flow of H20; the residual treated flux, rich in H2 and also containing the residues not removed by the separation unit 25, is recirculated to the anode inlet 8 by means of a recirculation line 26 which connects to the anode supply line 7; however, the treated flux is not entirely recirculated to the anodic compartment 5, but a portion of it is tapped through a branch line 27 which departs from the recirculation line 26 and is connected to a burner unit 28, in particular a catalytic burner unit .

In questo modo, il sistema 1 include una via di uscita per N2, costituita dalla linea 27 di diramazione; si può così stabilire un limite al fenomeno di accumulo di N2, essenziale per poter garantire il lavaggio lato anodo dai nitriti e/o nitrati che si vanno formando al catodo per reazione con gli NOx. In this way, the system 1 includes an exit way for N2, constituted by the branch line 27; it is thus possible to establish a limit to the N2 accumulation phenomenon, which is essential in order to guarantee washing on the anode side of the nitrites and / or nitrates that are formed at the cathode by reaction with NOx.

Onde ridurre la penalizzazione derivante dal fatto che la linea 27 di diramazione sottrae al ricircolo anche una porzione di H2, il sistema 1 include opzionalmente dei reformer esterni (non illustrati), disposti a valle dell'unità 28 bruciatore o integrati con esso in modo che il calore generato nell'unità 28 bruciatore sia sfruttato per riformare almeno una porzione del metano occorrente per l'alimentazione anodica della batteria 2. In order to reduce the penalty deriving from the fact that the branch line 27 also subtracts a portion of H2 from the recirculation, the system 1 optionally includes external reformers (not shown), arranged downstream of the burner unit 28 or integrated with it so that the heat generated in the burner unit 28 is exploited to reform at least a portion of the methane needed for the anode powering of the battery 2.

Anche in questa forma di attuazione à ̈ opportuno, sebbene non strettamente necessario, che le celle MCFC non siano del tipo a reformer interno diretto (DIR). Also in this embodiment it is advisable, although not strictly necessary, that the MCFC cells are not of the direct internal reformer (DIR) type.

Anche in questo caso, la batteria opera con basso utilizzo di H2: il ricircolo di H2 all'ingresso anodico consente infatti di mantenere un contenuto di H2 relativamente elevato nell'esausto anodico; il dispositivo 3 assicura al contempo sia di rimuovere H2S, sia di evitare, grazie alla linea di diramazione, meccanismi di "build up" di N2 nelle celle MCFC. Also in this case, the battery operates with low H2 use: the recirculation of H2 at the anodic inlet makes it possible to maintain a relatively high H2 content in the exhausted anode; the device 3 ensures at the same time both to remove H2S and to avoid, thanks to the branch line, mechanisms of "build up" of N2 in the MCFC cells.

Nella forma di attuazione di figura 3, il dispositivo 3 comprende due unità di separazione in serie: una prima unità 25A di separazione selettiva di H2, che estrae selettivamente dal flusso di esausto anodico solo H2, e una seconda unità 25B di separazione che tratta il flusso residuo per ricavare C02 idonea per il sequestro. In the embodiment of Figure 3, the device 3 comprises two separation units in series: a first H2 selective separation unit 25A, which selectively extracts only H2 from the anode exhaust stream, and a second separation unit 25B which treats the residual flow to obtain C02 suitable for seizure.

In maggior dettaglio, la prima unità 25A di separazione separa dal flusso di esausto anodico: un flusso di H2, che viene ricircolato interamente all'ingresso anodico tramite una linea 26 di ricircolo che si innesta sulla linea 7 di alimentazione anodica; un flusso di H20; e un flusso di gas residuo, contenente C02, H2S e residui. In greater detail, the first separation unit 25A separates from the anode exhaust flow: a flow of H2, which is entirely recirculated at the anode inlet by means of a recirculation line 26 which engages on the anode power supply line 7; a stream of H2O; and a residual gas stream, containing C02, H2S and residues.

Il flusso di gas residuo uscente dalla prima unità 25A di separazione non può essere pertanto inviato direttamente al sequestro, ma transita prima nella seconda unità 25B di separazione, che separa C02 idonea per il sequestro; preferibilmente, la seconda unità 25B di separazione comprende un ossicombustore 29 (di tipo noto) che elimina, tramite reazione con 02 e conversione in H20 e C02, i combustibili rimasti nel flusso residuo ricco in C02 uscito dalla prima unità 25A di separazione, e un separatore 30 finale di C02. The residual gas flow outgoing from the first separation unit 25A cannot therefore be sent directly to the sequestration, but first passes through the second separation unit 25B, which separates C02 suitable for sequestration; preferably, the second separation unit 25B comprises an oxy-combustor 29 (of known type) which eliminates, by reaction with O2 and conversion into H20 and C02, the fuels remaining in the residual flow rich in C02 exited from the first separation unit 25A, and a final separator 30 of C02.

Nella forma di attuazione di figura 4, come nello schema di figura 3, il dispositivo 3 comprende una prima unità 25A di separazione selettiva di H2, e una seconda unità 25B di separazione. In the embodiment of Figure 4, as in the diagram of Figure 3, the device 3 comprises a first H2 selective separation unit 25A, and a second separation unit 25B.

La prima unità 25A di separazione estrae selettivamente un flusso di H2 dal flusso di esausto anodico, che à ̈ ancora ricircolato (integralmente) all'ingresso anodico 8 tramite la linea 26 di ricircolo, e un flusso di H20; il flusso di gas residuo, contenente C02, H2S e residui, à ̈ inviato alla seconda unità 25B di separazione, che à ̈ configurata in modo da ricavare la C02 idonea per il sequestro, separandola da H2 e H20. The first separation unit 25A selectively extracts a flow of H2 from the flow of anodic exhaust, which is still recirculated (integrally) to the anode inlet 8 through the recirculation line 26, and a flow of H20; the residual gas flow, containing C02, H2S and residues, is sent to the second separation unit 25B, which is configured to obtain the C02 suitable for sequestration, separating it from H2 and H20.

Come già evidenziato, in tutte le configurazioni illustrate il sistema 1 può includere una pluralità di batterie 2 di celle MCFC. As already highlighted, in all the illustrated configurations the system 1 can include a plurality of batteries 2 of MCFC cells.

In particolare, le batterie possono essere collegate in serie lato anodo, e il sistema include una linea anodica che collega le uscite dei comparti anodici delle varie batterie. In questo caso, vantaggiosamente, il sistema include organi per spillamenti intermedi lungo la linea anodica collegati a rispettivi dispositivo di manipolazione aventi le caratteristiche descritte in precedenza, per estrarre selettivamente prodotti dagli esausti anodici di rispettive batterie. In particular, the batteries can be connected in series on the anode side, and the system includes an anode line that connects the outputs of the anode compartments of the various batteries. In this case, advantageously, the system includes means for intermediate tapping along the anode line connected to respective manipulation devices having the characteristics described above, to selectively extract products from the anode exhaust of respective batteries.

Resta infine inteso che al sistema e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall'ambito delle annesse rivendicazioni. Finally, it is understood that further modifications and variations may be made to the system and method described and illustrated here, which do not depart from the scope of the attached claims.

Claims (22)

RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) per separare CO2 da fumi di combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC), comprendente almeno una batteria (2) di celle MCFC avente un comparto anodico (5) e un comparto catodico (6), e un dispositivo (3) di manipolazione per trattare un flusso di esausto anodico uscente dalla batteria (2) di celle MCFC; il sistema (1) essendo caratterizzato dal fatto che il dispositivo (3) à ̈ configurato in modo tale da rimuovere H2S dall’esausto anodico e separare dall’esausto anodico un flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S, e da inviare il flusso contenente H2 al comparto anodico (5; 21) di una pila a combustibile in un modo che lasci una via d’uscita per N2 originato dalla conversione di NOx presenti nei fumi. CLAIMS 1. A system (1) for separating CO2 from combustion fumes using molten carbonate fuel cells (MCFC), comprising at least one battery (2) of MCFC cells having an anodic compartment (5) and a cathode compartment (6), and a manipulation device (3) for treating an anodic exhaust stream leaving the battery (2) of MCFC cells; the system (1) being characterized by the fact that the device (3) is configured in such a way as to remove H2S from the anode exhaust and separate from the anode exhaust a flow containing H2 and substantially H2S free, and to send the flow containing H2 to the anodic compartment (5; 21) of a fuel cell in a way that leaves an exit route for N2 originating from the conversion of NOx present in the fumes. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo (3) comprende una pluralità di unità (15-18; 25, 28) funzionali disposte in serie lungo una linea (14) di uscita anodica per manipolare il flusso di esausto anodico uscente dalla batteria (2) di celle MCFC. System according to claim 1, wherein the device (3) comprises a plurality of functional units (15-18; 25, 28) arranged in series along an anode output line (14) to manipulate the outgoing anodic exhaust stream from the battery (2) of MCFC cells. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S à ̈ inviato al comparto anodico (21) di una unità (18) a pila PEM. System according to claim 1 or 2, wherein the H2-containing and substantially H2S-free stream is sent to the anode compartment (21) of a PEM cell unit (18). 4. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S à ̈ inviato al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC, evitando o limitando l’accumulo di N2 in detto comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC. 4. System according to claim 1 or 2, in which the flow containing H2 and substantially H2S-free is sent to the anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells, avoiding or limiting the accumulation of N2 in said anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui il dispositivo (3) comprende, a partire da una uscita anodica (13) della batteria (2) di celle MCFC: una unità (15) di rimozione di H2S, una unità (16) di reazione di shift, una unità (17A) di separazione di H2O, e almeno una unità (18) a pila PEM avente un comparto anodico (21) collegato in serie alle precedenti unità (15-17) del dispositivo (3) e disposto a valle di esse. System according to claim 3, wherein the device (3) comprises, starting from an anode output (13) of the battery (2) of MCFC cells: an H2S removal unit (15), a unit (16) of shift reaction, an H2O separation unit (17A), and at least one PEM stack unit (18) having an anode compartment (21) connected in series to the previous units (15-17) of the device (3) and arranged downstream of them. 6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui l’unità (15) di rimozione di H2S à ̈ collocata a monte della unità (16) di reazione di shift e della unità (18) a pila PEM. System according to claim 5, wherein the H2S removal unit (15) is located upstream of the shift reaction unit (16) and the PEM stack unit (18). 7. Sistema secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui l’unità (15) di rimozione di H2S à ̈ configurata per rimuovere una prima porzione di CO2 presente nell’esausto anodico; una seconda porzione di CO2 presente nell’esausto anodico essendo separata a valle della unità (18) a pila PEM, rimuovendo H2O tramite una ulteriore unità (17B) di separazione. 7. System according to claim 5 or 6, wherein the H2S removal unit (15) is configured to remove a first portion of CO2 present in the anode exhaust; a second portion of CO2 present in the anode exhaust being separated downstream of the PEM cell unit (18), removing H2O through a further separation unit (17B). 8. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui il dispositivo (3) comprende: una unità (25) di separazione selettiva per CO2, che separa dall’esausto anodico un flusso di CO2 contenente H2S e pronto per essere inviato a successive unità di sequestro; una linea (26) di ricircolo che collega l’unità (25) di separazione ad una linea (7) di alimentazione anodica della batteria (2) di celle MCFC per ricircolare al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC un flusso trattato residuo, ricco in H2 e contenente anche i residui non rimossi dall’unità (25) di separazione; ed una linea (27) di diramazione che si diparte dalla linea (26) di ricircolo ed à ̈ collegata ad una unità (28) bruciatore, in particolare una unità a bruciatore catalitico, per spillare una porzione del flusso trattato residuo. 8. System according to claim 4, wherein the device (3) comprises: a selective separation unit (25) for CO2, which separates from the anode exhaust a CO2 stream containing H2S and ready to be sent to subsequent units of seizure; a recirculation line (26) that connects the separation unit (25) to an anode power supply line (7) of the battery (2) of MCFC cells to recirculate to the anode compartment (5) of the battery (2) of cells MCFC a residual treated flux, rich in H2 and also containing residues not removed from the separation unit (25); and a branch line (27) which departs from the recirculation line (26) and is connected to a burner unit (28), in particular a catalytic burner unit, to tap a portion of the residual treated flow. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui il sistema (1) include uno o più reformer esterni, disposti a valle dell’unità (28) bruciatore o integrati con esso, in modo che il calore generato nell’unità (28) bruciatore sia sfruttato per riformare almeno una porzione del combustibile occorrente per l’alimentazione anodica della batteria (2) di celle MCFC. System according to claim 8, wherein the system (1) includes one or more external reformers, arranged downstream of the burner unit (28) or integrated with it, so that the heat generated in the unit (28 ) burner is used to reform at least a portion of the fuel needed for the anodic power supply of the battery (2) of MCFC cells. 10. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui il dispositivo 3 comprende due unità (25) di separazione in serie; una prima unità (25A) di separazione essendo una unità di separazione selettiva di H2, che estrae selettivamente dal flusso di esausto anodico solo H2; una seconda unità (25B) di separazione essendo configurata in modo da trattare il flusso residuo uscente dalla prima unità (25A) di separazione e ricavare CO2 idonea per il sequestro. System according to claim 4, wherein the device 3 comprises two series separation units (25); a first separation unit (25A) being a selective H2 separation unit, which selectively extracts only H2 from the anodic exhaust stream; a second separation unit (25B) being configured in such a way as to treat the residual flow outgoing from the first separation unit (25A) and obtain CO2 suitable for sequestration. 11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui la prima unità (25A) di separazione separa dal flusso di esausto anodico un flusso di H2, che viene ricircolato interamente ad un ingresso anodico (8) della batteria (2) di celle MCFC tramite una linea (26) di ricircolo che si innesta su una linea (7) di alimentazione anodica. 11. System according to claim 10, wherein the first separation unit (25A) separates from the anode exhaust stream a stream of H2, which is recirculated entirely to an anode inlet (8) of the battery (2) of MCFC cells by means of a recirculation line (26) which connects to an anode power supply line (7). 12. Sistema secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui la seconda unità (25B) di separazione comprende un ossicombustore (29) che elimina, tramite reazione con O2 e conversione in H2O e CO2, i combustibili rimasti nel flusso residuo ricco in CO2 uscito dalla prima unità (25A) di separazione. System according to claim 10 or 11, wherein the second separation unit (25B) comprises an oxy-combustor (29) which eliminates, by reaction with O2 and conversion into H2O and CO2, the fuels remaining in the CO2-rich residual stream released from the first separation unit (25A). 13. Metodo per separare CO2 da fumi di combustione mediante celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC), comprendente le fasi di trattare un flusso di esausto anodico uscente da un comparto anodico (5) di una batteria (2) di celle MCFC in modo tale da rimuovere H2S dall’esausto anodico e separare dall’esausto anodico un flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S, e da inviare il flusso contenente H2 al comparto anodico di una pila a combustibile in modo tale da lasciare una via d’uscita per N2 originato dalla conversione di NOx presenti nei fumi. 13. Method for separating CO2 from combustion fumes by means of molten carbonate fuel cells (MCFC), comprising the steps of treating an anodic exhaust stream leaving an anodic compartment (5) of a battery (2) of MCFC cells in a such as to remove H2S from the anode exhaust and separate from the anode exhaust a flow containing H2 and substantially H2S-free, and to send the flow containing H2 to the anode compartment of a fuel cell in such a way as to leave a way of ™ output for N2 originating from the conversion of NOx present in the fumes. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui il flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S à ̈ inviato al comparto anodico (21) di una unità (18) a pila PEM. Method according to claim 13, wherein the H2-containing and substantially H2S-free stream is sent to the anode compartment (21) of a PEM cell unit (18). 15. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui il flusso contenente H2 e sostanzialmente privo di H2S à ̈ inviato al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC, evitando o limitando l’accumulo di N2 in detto comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC. 15. Method according to claim 13, in which the stream containing H2 and substantially H2S-free is sent to the anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells, avoiding or limiting the accumulation of N2 in said anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells. 16. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 14, comprendente, nell’ordine, le fasi di: rimuovere H2S dall’esausto anodico; condurre una reazione di shift sull’esausto anodico privo di H2S; inviare l’esausto anodico ad un comparto anodico (21) di una unità (18) a pila PEM. 16. Method according to claim 13 or 14, comprising, in order, the steps of: removing H2S from the anodic exhaust; conduct a shift reaction on the H2S-free anodic exhaust; send the anode exhaust to an anode compartment (21) of a PEM battery unit (18). 17. Metodo secondo la rivendicazione 13, 14 o 16, in cui insieme a H2S à ̈ rimossa dall’esausto anodico una prima porzione di CO2; una seconda porzione di CO2 presente nell’esausto anodico essendo separata a valle della unità (18) a pila PEM, rimuovendo H2O tramite una unità (17B) di separazione. 17. Method according to claim 13, 14 or 16, in which together with H2S a first portion of CO2 is removed from the anode exhaust; a second portion of CO2 present in the anodic exhaust being separated downstream of the PEM cell unit (18), removing H2O through a separation unit (17B). 18. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 15, comprendente le fasi di: separare selettivamente dall’esausto anodico un flusso di CO2 contenente H2S; ricircolare una prima porzione del flusso trattato residuo al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC; e inviare una seconda porzione del flusso trattato residuo ad una unità (28) bruciatore, in particolare una unità a bruciatore catalitico. 18. Method according to claim 13 or 15, comprising the steps of: selectively separating a stream of CO2 containing H2S from the anodic exhaust; recirculating a first portion of the residual treated flux to the anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells; and sending a second portion of the residual treated flow to a burner unit (28), in particular a catalytic burner unit. 19. Metodo secondo la rivendicazione 18, comprendente una fase di sfruttare almeno una parte del calore generato nell’unità (28) bruciatore per riformare almeno una porzione del combustibile alimentato al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC. Method according to claim 18, comprising a step of exploiting at least a part of the heat generated in the burner unit (28) to reform at least a portion of the fuel fed to the anode compartment (5) of the battery (2) of MCFC cells. 20. Metodo secondo la rivendicazione 13 o 15, comprendente una prima fase di separazione selettiva di H2, in cui si estrae selettivamente dal flusso di esausto anodico solo H2; e una seconda fase di separazione, condotta in serie alla prima fase di separazione e in cui si separa CO2 idonea per il sequestro. Method according to claim 13 or 15, comprising a first step of selective H2 separation, in which only H2 is selectively extracted from the anodic exhaust stream; and a second separation phase, carried out in series with the first separation phase and in which CO2 suitable for sequestration is separated. 21. Metodo secondo la rivendicazione 20, in cui il flusso di H2 separato nella prima fase di separazione dal flusso di esausto anodico à ̈ ricircolato interamente al comparto anodico (5) della batteria (2) di celle MCFC. Method according to claim 20, wherein the H2 stream separated in the first step of separation from the anode exhaust stream is entirely recirculated to the anode compartment (5) of the MCFC cell battery (2). 22. Metodo secondo la rivendicazione 21, in cui la seconda fase di separazione include una fase di ossicombustione che elimina, tramite reazione con O2 e conversione in H2O e CO2, i combustibili rimasti nel flusso residuo ricco in CO2 uscito dalla prima fase di separazione.Method according to claim 21, wherein the second separation step includes an oxy-combustion step which eliminates, by reaction with O2 and conversion to H2O and CO2, the fuels remaining in the CO2-rich residual stream coming out of the first separation step.
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