JP2020520044A

JP2020520044A - 燃料電池ｃｏ２捕捉を伴う加圧流動層燃焼装置

Info

Publication number: JP2020520044A
Application number: JP2019553907A
Authority: JP
Inventors: ダブリュー．フォレット，ウィリアム
Original assignee: ガステクノロジーインスティテュート
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2020-07-02
Also published as: WO2018213436A1; US20180335205A1; KR20200007821A; EP3625168A1; CN110582462A; EP3625168A4

Abstract

電力を生成するためのシステムおよび方法は、ＣＯ２捕捉を伴う、発電のための低コスト解決策を提供するために、加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）および溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を組み合わせる。固体燃料は、蒸気、第１の量の電力、ＣＯ２を含む煙道ガスを生産するために加圧流動層燃焼装置に導入される燃料である。第２の量の電力および主としてＣＯ２を含む出力ストリームを生産するために、空気、天然ガス、蒸気の少なくとも一部、およびＣＯ２を含む煙道ガスの少なくとも一部は、溶融炭酸塩型燃料電池に導入される。加圧流動層燃焼装置は望ましくは空気燃焼式であり、そこに導入される固体燃料は望ましくは微粉砕された形態であり得る。【選択図】図１

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１７年５月１７日に出願された米国仮特許出願６２／５０７，３９８号の利益を主張する。同時係属中の仮出願は、その全体が引用により本明細書に組み込まれ、以下に具体的に現れる部分を含むがこれらに限定されない本明細書の一部となる。

この出願の主題は、２００９年６月０５日に出願された先の米国仮特許出願第６１／１８４，３６７号；２００９年６月０５日に出願された先の米国仮特許出願第６１／１８４，３８４号；２００９年６月０５日に出願された先の米国仮特許出願第６１／１８４，３８２号；２００９年６月０５日に出願された先の米国仮特許出願第６１／１８４，３８３号；２０１０年６月０４日に出願された先の米国特許出願第１２／７９４，２１８号、現在では２０１７年２月１４日に発行された米国特許第９，５６７，８７６号；および、２０１６年５月３０日に出願された先の米国特許出願第１５／０８５，１１３号、現在では２０１７年１０月３１日に発行された米国特許第９，８０３，５１２号にも関連する。米国特許第９，５６７，８７６号および米国特許第９，８０３，５１２号の開示も、その全体が引用により本明細書に組み込まれ、以下に具体的に現れる部分を含むがこれらに限定されない本明細書の一部となる。

（技術分野）
本発明は一般に発電に関し、より具体的には固体燃料およびＣＯ_２の捕捉を伴う電力の発電に関する。

（関連技術の説明）
上記で特定された米国特許第９，５６７，８７６号および米国特許第９，８０３，５１２号は、発電における使用のため、または発電のためなどの、低コスト燃焼器の解決策を提供するために開発された加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）を特定し、記載している。

電気のコスト（ＣＯＥ）への影響を最小限に抑える、固体燃料およびＣＯ_２捕捉を伴う電力発電のための必要性が存在している。現在使用されている最先端ＣＯ_２捕捉技術はアミン溶媒を使用する燃焼後捕捉システムである。ＤＯＥ分析によると、これらのシステムは、ＣＯ_２捕捉を伴わない石炭火力発電所と比較して、電気のコストをおよそ７５％増加させる。

本発明の一般的な目的は、発電の改善を提供することである。

本発明のより具体的な目的は、上記の問題の１つ以上を克服することである。

主題発明の開発は、ＣＯ_２捕捉を伴う発電のための低コストの解決策を提供するために、加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）および溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を組み合わせる。加圧流動層燃焼装置は、低コスト燃焼器の解決策を提供し、溶融炭酸塩型燃料電池が、寄生的な負荷（ｐａｒａｓｉｔｉｃｌｏａｄ）を生成するのではなく、電気を生成するＣＯ_２分離能力を提供する。加圧流動層燃焼装置の包含および使用に起因しそれに関連し、またはそこから結果として生じる資本コストの削減と、溶融炭酸塩型燃料電池の包含および使用に起因しそれに関連し、またはそこから結果として生じる運転費用の削減の組み合わせは、ＣＯ_２捕捉を伴う発電の最先端技術を著しく改善する。

主題発明の開発の一態様は、電力を生成する方法に関連する。一実施形態によれば、電力を生成する方法は、蒸気、第１の量の電力、およびＣＯ_２を含む煙道ガスを生成するために、加圧流動層燃焼装置に固体燃料を導入する工程を含む。この方法は、第２の量の電力および主としてＣＯ_２を含む出力ストリームを生成するために、空気、天然ガス、蒸気の少なくとも一部、およびＣＯ_２を含む煙道ガスの少なくとも一部を溶融炭酸塩型燃料電池に導入する工程をさらに含む。

主題発明の開発の別の態様は、電力を生成するシステムに関連する。一実施形態によれば、電力を生成するシステムは、蒸気、第１の量の電力、およびＣＯ_２を含む煙道ガスを生成するために、固体燃料を処理する加圧流動層燃焼装置と、第２の量の電力および主としてＣＯ_２の出力ストリームを生成するために空気、天然ガス、ＣＯ_２を含む煙道ガス、および加圧流動層燃焼装置によって生産される蒸気が導入される溶融炭塩酸型燃料電池とを含む。

他の目的および利点は、添付の特許請求の範囲および図面とあわせて、以下の詳細な説明から当業者には明白となる。

本発明の目的および特徴は、本開発の一実施形態による処理システムまたは配置の単純化された概略図を示す図面とあわせて以下の説明からよりよく理解される。
本発明の一実施形態による処理システムまたは配置を示す概略図である。

以下に記載するように、加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）と溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を組み合わせると、望ましくはＣＯ_２捕捉を伴う発電の低コスト解決策を提供する。

より詳細には、本明細書で提案するような加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）の組み込みおよび使用は、例えば、コンパクトな低価格燃焼器の中で、石炭、石油コークス、バイオマスなど、またはそれらの組み合わせを、不必要に制限することなく含むものなどの固体燃料の燃焼を可能にする。好ましい一実施形態によれば、ＰＦＢＣは、従来の石炭ボイラーのおよそ１／３のサイズであり、コストは１／２未満である。現在開発中であるような酸素燃焼型加圧流動層燃焼装置は、主題開発の実施において使用することが想定されており、本明細書に包含されるが、主題開発は、ＣＯ_２分離のためなどの燃料電池の組み込みに付随する利益が、このような空気燃焼操作でより明らかとなるため、空気燃焼型加圧流動層燃焼装置を用いる実施形態への具体的な言及を行うことで以下にさらに説明される。

当業者および本明細書で提供される教示に導かれる者は、空気燃焼型加圧流動層燃焼器の利用および使用が、望ましくは酸素を生成する空気分離装置（ＡＳＵ）および、それに関連する大きな寄生的な負荷から結果として生じる、あるいはそれらに関連する資本コストの必要性を排除するのに役立つことができることを理解し、認識する。例えば、空気分離装置は、特定の実施形態において、酸素燃焼型加圧流動層燃焼装置発電所のコストのおよそ２５％を占める場合がある。

好ましい一実施形態によれば、加圧流動層燃焼装置は、微粉砕した固体燃料を使用することにより機能し、迅速な燃焼と小さな燃焼器サイズを達成する。必要に応じて、微粉砕した吸着剤も硫黄を吸収するなどのために加圧流動層燃焼装置に供給することができる。本発明の好ましい一つの実施では、燃料および吸着剤の両方は、燃焼器の底に供給されて、その中を通って浄化され、灰と吸着剤が燃焼器の上部から出て来て、分離機の中で捕捉される。速い反応速度は燃焼器サイズを縮小するが、熱は望ましくは、灰集塊化および燃焼器の汚れを引き起こしかねない石炭と灰の過熱を回避または防止するために、可能な限り速く対応して除去される。熱を除去して蒸気を生成するために、一実施形態では、ボイラー管は燃焼器に差し込まれる。しかしながら、そのようなボイラー管は、熱い燃焼器ガスから熱を十分に速く除去するのに役立たない場合がある。その結果、一実施形態では、小さな固体粒子の流動床が追加される。これは、望ましくは、ボイラー管への熱伝熱を例えば３倍以上増加させるのに役立つ。流動層と組み合わせた加圧により、熱伝達が５倍以上増加し、十分な熱除去を可能とする。その結果がコンパクトな低コスト燃焼器である。

さらに、以下に詳述するように、本発明の好ましい一実施形態によれば、加圧流動層燃焼装置の中で、あるいは加圧流動層燃焼装置によって生産または生成された蒸気の少なくとも一部は、転換され、または／および溶融炭酸塩型燃料電池に入力として提供される。
蒸気は、望ましくは、燃料電池中の天然ガスまたはバイオガス供給原料の内部改良のために利用することができる。そのような蒸気生産、生成および使用は、別個の蒸気発生器の必要をなくす。

固体燃料が加圧流動層燃焼装置の中で燃焼した後、煙道ガスは、燃料電池に問題を引き起こす可能性のある他の痕跡量の不純物と同様に、固体、水、および過剰なＳＯ_Ｘを除去するために処理される。その後、主として痕跡量のＮＯ_Ｘを備えたＮ_２およびＣＯ_２である煙道ガスは、燃料電池に供給される。

溶融炭酸塩型燃料電池は次の入力ストリーム、１）煙道ガス、２）空気、３）天然ガスおよび、４）加圧流動層燃焼装置からの蒸気、を受け取る。燃料電池の出力は、１）電力、２）ＣＯ_２とＮＯ_Ｘが除去されたため、現在主としてＮ_２である煙道ガスストリームと、３）主としてＨ_２、Ｎ_２（ＮＯ_Ｘ由来）と水を備えたＣＯ_２であるストリームであるか、あるいはそれらを含む。最後のストリームは主としてＣＯ_２であり、必要に応じて、隔離または石油増進回収法のためにＣＯ_２純度仕様を達成するのに十分な、Ｈ_２、Ｎ_２および水を除去するために、さらに精製工程を受ける場合がある。

溶融炭酸塩型燃料電池は、望ましくは、同時にＣＯ_２を捕捉しながら電力を生成するのに役立つ。溶融炭酸塩型燃料電池は、煙道ガスストリームのＣＯ_２を電子ストリームからの酸素および電子ストリームからの電子を組み合わせることにより、カソードでＣＯ_３ ⁻⁻を生成する。ＣＯ_３ ⁻⁻およびＮＯ_Ｘは燃料電池を通過する。煙道ガスの残り（主としてＮ_２）は、大気に放出することが望ましい場合がある。

天然ガスと蒸気は、燃料電池に導入され、Ｈ_２とＣＯ_２を生産するための燃料電池からの熱を用いる改良処理を受ける。燃料電池アノードでは、Ｈ_２／ＣＯ_２ストリームがＣＯ_３ ⁻⁻／ＮＯ_Ｘストリームと混合する。Ｈ_２はＣＯ_３ ⁻⁻と結合して、水（Ｈ_２Ｏ）、ＣＯ_２および電気（ＣＯ_３ ⁻⁻イオンごとに２つの電子）を生成する。ＮＯ_ＸはＨ_２と結合してＮ_２とＨ_２Ｏを生成する。結果として、出力ストリームは主としてＣＯ_２であり、水、Ｈ_２およびＮ_２の不純物を備える。その後、このＣＯ_２ストリームを乾燥することができ、痕跡量のＨ_２とＮ_２は、ＣＯ_２純度仕様、例えば隔離または石油増進回収法のための仕様を達成するために除去することができる。

主題開発の提案された発明の予備的な技術経済分析は、ＣＯＥペナルティがわずか１０−１５％であると予測している。これは、開発中の他の技術と比較して、重要な改良である。さらに、このような電力コストの計算では、精製されたＣＯ_２ストリームの販売（ｓａｌｌｉｎｇ）による経済的利益は想定されていないが、ＣＯ_２の販売（ｓａｌｅ）によりＣＯ_２捕捉なしの石炭工場と同じようなＣＯＥを据えることができる。

したがって、主題開発の一態様による主な利点は、市場にあるまたは開発中の他の技術と比較して、炭素捕捉を伴う固体燃料発電所のための低コストの電気である。

主題開発の一態様による相乗作用の１つは、燃料電池がほとんど硫黄を含まない煙道ガスを有するための必要性、および燃焼器中の硫黄の９５％を捕捉することによりこの煙道ガスを効果的に供給するＰＦＢＣの能力である。

ＰＦＢＣ−ＦＣのＣＯＥを削減する要因の一つは、ＰＦＢＣと燃料電池概念の間の相乗作用である。燃料電池は通常、煙道ガス中の硫黄が１ＰＰＭを超えることを許容できない。硫黄は石炭中に自然に発生するため、燃料電池の前に煙道ガスから硫黄を取り除くために、そのような石炭を利用するシステム内またはシステムに高価な機器を典型的に提供しなければならない。標準の工場では、これは通常、高価な排煙脱硫（ＦＧＤ）装置によって提供される。主題の開発では、ＰＦＢＣは硫黄除去の代替アプローチを採用している。一実施形態では、これは流動層中の流動媒体および燃料に注入した小さな粒子として、粉砕されたドロマイトを使用し、燃焼器自体中の硫黄の最大９５％を捕捉する。結果として、低コストガスポリッシュユニット（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｕｎｉｔ）は煙道ガス中に残る痕跡量の硫黄をきれいにするために使用することができる。コスト分析は、このアプローチが、必要な煙道ガス浄化装置のコストの大きな節約、および処理と装置に関連する寄生的な負荷の大きな削減を結果としてもたらすことを示す。

上記のような、および本開発の一実施形態による、全体として参照符号（１０）で示される処理システムまたは配置の簡略図を示す図に対する言及は行わない。

例えば、システム（１０）は、全体として（１２）で示される熱交換器の有無にかかわらず、加圧流動層燃焼装置（ＰＦＢＣ）を含む。ＰＦＢＣ（１２）は空気燃焼され、ストリーム（１４）で示されるように、石炭（または他の所望の固体燃料、好ましくは微粉砕または分割された形態）、空気および石灰石（または他の所望の吸着剤、好ましくは微粉砕または分割された形態）が供給される。

固体燃料が加圧流動層燃焼器（１２）で燃焼された後、煙道ガスと固体は（ストリーム（１６）で示されるように）濾過などの分離処理ステージ（２０）に送られ、ストリーム（２２）に示されるように固体を除去するように処理される。分離処理ステージ（２０）からの、および大部分が煙道ガスからなるストリーム（２４）は、燃料電池に問題を引き起こす可能性がある他の痕跡量の不純物と同等に、水、ＨＣｌ、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、を除去する、煙道ガスのさらなる処理ステージ（２６）に導入され、このような除去された材料はストリーム（３０）によって示されている。結果として生じる「飽和」煙道ガスは主にＮ_２およびＣＯ_２であり、その後ストリーム（３２）によって示されるように燃料電池に供給され、具体的にはボックス（３４）によって示されるように燃料電池カソード側に供給される。燃料電池のカソード側（３４）は、空気の入力ストリーム（３６）も受け取る。

ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、枯渇した煙道ガスなどで構成されるストリーム（４０）は、燃料電池のカソード側（３４）から除去される。必要に応じて、そのような材料は、当技術分野で知られているような適切な熱回収処理を受けてもよい。

主としてＣＯ_３とＮＯ_Ｘなどから構成されるストリーム（４２）は、燃料電池カソード側（３４）から燃料電池アノード側（４４）まで通過する。

溶融炭酸塩型燃料電池、より具体的には燃料電池アノード側（４４）は、加圧流動層燃焼装置（１２）からの天然ガスの入力ストリーム（ストリーム（４６））および加圧流動層燃焼装置（１２）からの蒸気（ストリーム（５０））の入力ストリームも受け取る。燃料電池の出力は次のものを含む：電力（ストリーム（５２））および主にＣＯ_２であり、Ｈ_２、Ｎ_２（ＮＯ_Ｘ由来）、から水を備えるストリーム（５４）。必要に応じて、主にＣＯ_２であるストリーム（５４）は、ボックス（５６）で示されるようなさらなる精製ステップを受けることができ、前記さらなる精製ステップは、工業用ガスとしての隔離、石油増進回収法、化学生産の１つまたは複数における使用および、例えば炭酸飲料中またはそのための食品製品への組み込みのための純度の仕様を満たすことができるようなＣＯ_２のストリーム（６２）を達成するのに十分なＨ_２、Ｎ_２および水を除去する（ストリーム（６０））ために圧縮および冷却の形をとることができる。

前述の詳細な説明では、本発明をその特定の好ましい実施形態に関連して説明し、多くの詳細を例示の目的で説明したが、本発明が追加の実施形態に影響されやすく、本明細書で説明される特定の詳細は、本発明の基本原理から逸脱することなく大幅に変更することができることは当業者には明らかである。

Claims

電力を生成する方法であって、該方法は、
蒸気、第１の量の電力、およびＣＯ_２を含む煙道ガスを生成するために、固体燃料を加圧流動層燃焼装置に導入する工程と；
第２の量の電力および主としてＣＯ_２を含む出力ストリームを生成するために、空気、天然ガス、蒸気の少なくとも一部、およびＣＯ_２を含む煙道ガスの少なくとも一部を溶融炭酸塩型燃料電池に導入する工程とを含む、方法。
加圧流動層燃焼装置が空気燃焼式である、請求項１に記載の方法。
加圧流動層燃焼装置に導入された固体燃料が微粉砕された形態である、請求項１に記載の方法。
固体燃料が石炭、石油コークス、バイオマス、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
硫黄を吸収するために加圧流動層燃焼装置に微粉砕された吸着剤をさらに導入する工程を含む、請求項１に記載の方法。
工業用ガスとしての隔離、石油増進回収法、化学生産、および食品への組み込みからなる群から選択される少なくとも１つのその後の使用のためのＣＯ_２純度仕様を達成するために、主にＣＯ_２を含む出力ストリームを処理する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
加圧流動層燃焼装置は、煙道ガスと燃焼固形物を含む生産ストリームを生成し、前記方法は、
煙道ガスから燃焼固形物を分離するために生産ストリームを濾過する工程と、
不純物を除去し、Ｎ_２とＣＯ_２から本質的になる飽和煙道ガスを形成するために分離された煙道ガスをポリッシュ処理する工程とをさらに含む、請求項１に記載の方法。
溶融炭酸塩型燃料電池は燃料電池カソードおよび燃料電池アノードを備え、前記方法が、
ＣＯ_３およびＮＯ_Ｘを含む第１の生産ストリーム、およびＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、枯渇した煙道ガスを含む第２の生産ストリームを生成するために飽和煙道ガスおよび空気を燃料電池カソードに導入する工程と；
第２の量の電力、およびＣＯ_２を含む出力ストリームを生成するために第１の生産ストリーム、天然ガス、および加圧流動層燃焼装置によって生産された蒸気の少なくとも一部を、燃料電池アノードに導入する工程とをさらに含む、請求項７に記載の方法。
出力ストリームはＨ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２およびそれらの組み合わせからなる群から選択される非ＣＯ_２不純物をさらに含み、前記方法が、
非ＣＯ_２不純物を除去するために出力ストリームを精製する工程をさらに含む、請求項８に記載の方法。
前記精製する工程は非ＣＯ_２不純物を除去するために圧縮および冷却を含む、請求項９に記載の方法。
電力を生成するためのシステムであって、該システムは、
蒸気、第１の量の電力、およびＣＯ_２を含む煙道ガスを生成するために固体燃料を処理する加圧流動層燃焼装置と；
第２の量の電力および主としてＣＯ_２を含む出力ストリームを生成するために空気、天然ガス、ＣＯ_２を含む煙道ガス、および加圧流動層燃焼装置によって生成される蒸気が導入される溶融炭酸塩型燃料電池とを備える、システム。
加圧流動層燃焼装置は空気燃焼式である、請求項１１に記載のシステム。
加圧流動層燃焼装置に導入した固体燃料が微粉砕された形態である、請求項１１に記載のシステム。
固体燃料が石炭、石油コークス、バイオマスおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１１に記載のシステム。
加圧流動層燃焼装置に導入した微粉砕された吸着剤が硫黄を吸収するように作用する、請求項１１に記載のシステム。
工業用ガスとしての隔離、石油増進回収法、化学生産、および食品への組み込みからなる群から選択される少なくとも１つのその後の使用のためのＣＯ_２純度仕様を達成するために、主としてＣＯ_２を含む出力ストリームを処理するための処理アセンブリをさらに含む、請求項１１に記載のシステム。
加圧流動層燃焼装置が煙道ガスおよび燃焼固形物を含む生産ストリームを生産し、前記システムが、
煙道ガスから燃焼固形物を分離するために生産ストリームを処理する分離器と、
不純物を除去し、Ｎ_２とＣＯ_２から本質的になる飽和煙道ガスを形成するために分離された煙道ガスをポリッシュ処理するポリッシュユニットとをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
溶融炭酸塩型燃料電池が、
ＣＯ_３とＮＯ_Ｘを含む第１の生産ストリームと、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘおよび枯渇した煙道ガスを含む第２の生産ストリームを生産するために、飽和煙道ガスと空気を導入される燃料電池カソードと；
第２の量の電力およびＣＯ_２を含む出力ストリームを生産するために、第１の生産ストリーム、天然ガス、および加圧流動層燃焼装置によって生産された蒸気を導入される燃料電池アノードとを備える、請求項１７に記載のシステム。
出力ストリームがＨ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｎ_２およびそれらの組み合わせからなる群から選択される非ＣＯ_２不純物をさらに備え、前記システムが、
出力ストリームから非ＣＯ_２不純物を除去するための清浄器をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
前記清浄器が非ＣＯ_２不純物を除去するために圧縮機および冷却機を備える、請求項１９に記載のシステム。