JP7333778B2 - 炭化水素施設において高純度co2を捕捉するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
炭化水素施設において高純度のCO2を捕捉するための方法は、炭化水素施設からのCO2排出を削減するとともに、電力を発生する。毎時100,000立方メートル(m3/時)のガス混合物を処理できる圧力スイング吸着システムとして作動する水素プラント10を仮定する。そのガス混合物は、体積に基づいて、72.5%のH2、20%のCO2、0.6%のCO、5.5%のCH4、および1.4%のH2Oの組成を有すると仮定する。この実施例の目的のために、圧力スイング吸着システムは、システムに供給されたH2の90%を純度99.9%で回収すると考える。ガス混合物供給の残りの成分は、空気と混合した後、溶融炭酸塩型燃料電池カソード24に供給されるボトム生成物中へとパージされる。開示の方法の有用性を実証するためのこの仮定のケースでは、溶融炭酸塩型燃料電池20において純粋なCO2流52としての捕捉および回収に基づいて、129,000トン/年のCO2排出の削減が期待される。さらに、溶融炭酸塩型燃料電池20は、運転により20メガワット(MW)の電力を発生することが期待される。発生した電力は、天然ガスなどの燃料の年間約2.45 x 109標準立方フィート(SCFY)の節約に相当する。溶融炭酸塩型燃料電池20の運転中に発生する水蒸気は、代替として生成されることを必要としない約134×103トン/年の水蒸気の節約も提供する。燃料および水蒸気の発生におけるかかる節約は、年間約2,000,000米ドル(USD)に相当すると推定される。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態1
炭化水素施設において高純度CO 2 を捕捉するための方法であって、
水素プラントを運転して、高純度水素流、および30%を超えるCO 2 濃度を有するCO 2 富化流を発生させることと、
溶融炭酸塩型燃料電池のアノード中に前記高純度水素流を導入することと、
前記CO 2 富化流およびO 2 を前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード中に導入することと、
前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード内でCO 2 とO 2 とを反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード出口から、炭酸塩およびカソード排出流を生成することと、
前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードからの炭酸塩を、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード内のH 2 と反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のアノード出口から電気およびアノード排出流を生成することであって、前記アノード排出流はCO 2 およびH 2 Oを含む、生成することと、
前記アノード排出流中の前記CO 2 を1つ以上の分離器において分離して、純粋なCO 2 流およびH 2 O流を形成することであって、前記純粋なCO 2 流はモルに基づいて80%~100%の純度を有する、形成することと、
前記純粋なCO 2 流を捕集することと、
を含む、方法。
実施形態2
前記方法が、前記分離器からの前記H 2 O流を水蒸気改質システムに提供して、前記水蒸気改質システムのための水蒸気を発生させることをさらに含む、実施形態1に記載の方法。
実施形態3
前記方法が、前記水蒸気改質システムに導入する前に、前記分離器からの前記H 2 O流の圧力を高めることをさらに含み、
前記H 2 O流の前記圧力が、少なくとも550psiまで増加される、実施形態2に記載の方法。
実施形態4
前記方法が、前記カソード排出流を前記水蒸気改質システムに提供して、前記カソード排出流中の残留炭化水素を前記水蒸気改質システム内のバーナーに燃料として供給することをさらに含む、実施形態1~3のいずれかに記載の方法。
実施形態5
前記水素プラントが、圧力スイング吸着システムである、実施形態1~4のいずれかに記載の方法。
実施形態6
前記水素プラントが、ベンフィールドシステムである、実施形態1~4のいずれかに記載の方法。
実施形態7
前記分離器が、前記アノード排出流からの前記H 2 Oを凝縮して、前記純粋なCO 2 流および前記H 2 O流を形成する、実施形態1~6のいずれかに記載の方法。
実施形態8
前記CO 2 富化流中のCH 4 、H 2 、CO、またはそれらの組み合わせを、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードにおいて酸化して、熱を発生させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池の温度を、600℃~700℃の範囲の溶融炭酸塩型燃料電池運転温度まで上げる、実施形態1~7のいずれかに記載の方法。
実施形態9
前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード中に導入されたO 2 が、空気流として提供される、実施形態1~8のいずれかに記載の方法。
実施形態10
炭化水素施設において高純度CO 2 を捕捉するためのシステムであって、
高純度水素流出口における高純度水素流およびCO 2 富化流出口における30%を超えるCO 2 濃度を有するCO 2 富化流を発生する水素プラントと、
アノード、カソード、および溶融炭酸塩電解質、を含む溶融炭酸塩型燃料電池と、
分離器と、を含み、
前記高純度水素流出口は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノードに作動的に接続され、
前記CO 2 富化流出口は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードに作動的に接続され、
O 2 供給源流は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードに作動的に接続されていて、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、前記水素プラントからのCO 2 と、前記O 2 供給源流からのO 2 とを、前記溶融炭酸型塩燃料電池の前記カソード内で反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード出口から炭酸塩およびカソード排出流を生成するように構成されていて、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード内において、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードからの炭酸塩と、前記水素プランからのH 2 とを、反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のアノード出口から電気およびアノード排出流を生成するように構成されていて、前記アノード排出流は、CO 2 およびH 2 Oを含み、
前記分離器は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード出口に作動的に接続された分離器入口と、純粋なCO 2 出口と、水出口と、を含み、前記分離器は、前記アノード排出流を分離して、純粋なCO 2 流およびH 2 O流を形成するように構成されていて、前記純粋なCO 2 流は、モルに基づいて、80%~100%の純度を有する、システム。
実施形態11
前記分離器からの前記H 2 O流を、前記水蒸気改質システムに、そして前記水蒸気改質システムのための発生器流に、提供するように構成された前記分離器の前記水出口に作動的に接続された水蒸気改質システムと、
前記水蒸気改質システムに導入する前に、前記分離器からの前記H 2 O流の圧力を高めるように構成されている昇圧ユニットと、をさらに含み、
前記昇圧ユニットは、前記水蒸気改質システムに導入する前に、前記H2O流の前記圧力を少なくとも550psiまで増加させる、実施形態10に記載のシステム。
実施形態12
前記システムが、前記分離器からの前記H 2 O流を、前記水蒸気改質システムに、そして前記水蒸気改質システムのための発生器流に、提供するように構成された前記分離器の前記水出口に作動的に接続された水蒸気改質システムをさらに含み、
前記水蒸気改質システムが、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード出口にさらに作動的に接続されていて、かつ、前記カソード排出流を前記水蒸気改質システムに提供して、前記カソード排出流中の残留炭化水素を前記水蒸気改質システム内のバーナーに燃料として供給するように構成されている、実施形態10に記載のシステム。
実施形態13
前記システムが、前記分離器からの前記H 2 O流を、前記水蒸気改質システムに、そして前記水蒸気改質システムのための発生器流に、提供するように構成された前記分離器の前記水出口に作動的に接続された水蒸気改質システムをさらに含み、
前記水蒸気改質システムが、前記水素プラントに作動的に接続されて、前記水素プラントへの供給流としてメタンおよびH 2 Oから合成ガスを発生させる、実施形態10に記載のシステム。
実施形態14
前記水素プラントが、圧力スイング吸着システムである、実施形態10~13のいずれかに記載のシステム。
実施形態15
前記水素プラントが、ベンフィールドシステムである、実施形態10~13のいずれかに記載のシステム。
Claims (12)
- 炭化水素施設において高純度CO2を捕捉するための方法であって、
水素プラントを運転して、高純度水素流、および30%を超えるCO2濃度を有するCO2富化流を発生させることと、
溶融炭酸塩型燃料電池のアノード中に前記高純度水素流を導入することと、
前記CO2富化流およびO2を前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード中に導入することと、
前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード内でCO2とO2とを反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード出口から、炭酸塩およびカソード排出流を生成することと、
前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードからの炭酸塩を、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード内のH2と反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のアノード出口から電気およびアノード排出流を生成することであって、前記アノード排出流はCO2およびH2Oを含む、生成することと、
前記アノード排出流中の前記CO2を1つ以上の分離器において分離して、純粋なCO2流およびH2O流を形成することであって、前記純粋なCO2流はモルに基づいて80%~100%の純度を有する、形成することと、
前記純粋なCO2流を捕集することと、
前記分離器からの前記H2O流を水蒸気改質システムに提供して、前記水蒸気改質システムのための水蒸気を発生させることであって、前記分離器からの前記H2O流の圧力を、前記水蒸気改質システムに導入する前に高め、前記H2O流の前記圧力が、少なくとも550psi(3.79MPa)まで増加されること、
を含む、方法。 - 前記方法が、前記カソード排出流を前記水蒸気改質システムに提供して、前記カソード排出流中の残留炭化水素を前記水蒸気改質システム内のバーナーに燃料として供給することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記水素プラントが、圧力スイング吸着システムである、請求項1~2のいずれかに記載の方法。
- 前記水素プラントが、ベンフィールドシステムである、請求項1~2のいずれかに記載の方法。
- 前記分離器が、前記アノード排出流からの前記H2Oを凝縮して、前記純粋なCO2流および前記H2O流を形成する、請求項1~4のいずれかに記載の方法。
- 前記CO2富化流中のCH4、H2、CO、またはそれらの組み合わせを、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードにおいて酸化して、熱を発生させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池の温度を、600℃~700℃の範囲の溶融炭酸塩型燃料電池運転温度まで上げる、請求項1~5のいずれかに記載の方法。
- 前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード中に導入されたO2が、空気流として提供される、請求項1~6のいずれかに記載の方法。
- 炭化水素施設において高純度CO2を捕捉するためのシステムであって、
高純度水素流出口における高純度水素流およびCO2富化流出口における30%を超えるCO2濃度を有するCO2富化流を発生する水素プラントと、
アノード、カソード、および溶融炭酸塩電解質、を含む溶融炭酸塩型燃料電池と、
分離器と、
水蒸気改質システムと、
昇圧ユニットと、
を含み、
前記高純度水素流出口は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノードに作動的に接続され、
前記CO2富化流出口は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードに作動的に接続され、
O2供給源流は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードに作動的に接続されていて、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、前記水素プラントからのCO2と、前記O2供給源流からのO2とを、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード内で反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソード出口から炭酸塩およびカソード排出流を生成するように構成されていて、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード内において、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソードからの炭酸塩と、前記水素プラントからのH2とを、反応させて、前記溶融炭酸塩型燃料電池のアノード出口から電気およびアノード排出流を生成するように構成されていて、前記アノード排出流は、CO2およびH2Oを含み、
前記分離器は、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記アノード出口に作動的に接続された分離器入口と、純粋なCO2出口と、水出口と、を含み、前記分離器は、前記アノード排出流を分離して、純粋なCO2流およびH2O流を形成するように構成されていて、前記純粋なCO2流は、モルに基づいて、80%~100%の純度を有し、
前記水蒸気改質システムは、前記分離器からの前記H2O流を、前記水蒸気改質システムに、そして前記水蒸気改質システムのための発生器流に、提供するように構成された前記分離器の前記水出口に作動的に接続されており、
前記昇圧ユニットは、前記分離器からの前記H2O流の圧力を、前記水蒸気改質システムに導入する前に、少なくとも550psi(3.79MPa)まで高めるように構成されている、
システム。 - 前記水蒸気改質システムが、前記溶融炭酸塩型燃料電池の前記カソード出口にさらに作動的に接続されていて、かつ、前記カソード排出流を前記水蒸気改質システムに提供して、前記カソード排出流中の残留炭化水素を前記水蒸気改質システム内のバーナーに燃料として供給するように構成されている、請求項8に記載のシステム。
- 前記水蒸気改質システムが、前記水素プラントに作動的に接続されて、前記水素プラントへの供給流としてメタンおよびH2Oから合成ガスを発生させる、請求項8に記載のシステム。
- 前記水素プラントが、圧力スイング吸着システムである、請求項8~10のいずれかに記載のシステム。
- 前記水素プラントが、ベンフィールドシステムである、請求項8~10のいずれかに記載のシステム。
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