PL248413B1

PL248413B1 - Sposób separacji dwutlenku węgla w instalacji do produkcji gazu syntezowego

Info

Publication number: PL248413B1
Application number: PL434817A
Authority: PL
Inventors: Rafał Bernat; Jarosław Milewski; Wojciech Smółka; Janusz Zdeb
Original assignee: Tauron Wytwarzanie Spolka Akcyjna
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2025-12-08
Also published as: PL434817A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób separacji dwutlenku węgla, zwłaszcza w instalacji do produkcji gazu syntezowego za pomocą węglanowych ogniw paliwowych, zwłaszcza do zastosowania w układach z elektrolizerem i reaktorem metanizacji, który to sposób polega na tym, że na każdy 1 kW mocy zainstalowanej ogniwa do katod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się dobraną w odpowiednich ilościach mieszaninę gazów: para wodna, azot, tlen, dwutlenek węgla o temperaturze od 510°C do 626°C i ciśnieniu atmosferycznym. Dwutlenek węgla z tlenem reagują na katodach tworząc jon węglanowy wnikający w elektrolit i z katod węglanowych ogniw paliwowych wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w określonych ilościach. Natomiast do anod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów: wodór, para wodna, o temperaturze od 684°C do 756°C i ciśnieniu atmosferycznym. Wodór reaguje na anodach ogniw z jonem węglanowym pobranym z elektrolitu tworząc dwutlenek węgla i parę wodną i z anod wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w określonych ilościach.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób separacji dwutlenku węgla za pomocą węglanowych ogniw paliwowych do zastosowania w instalacji składającej się z elektrolizera, separatora dwutlenku węgla oraz reaktora metanizacji, w którym zachodzi reakcja Sabatiera służącej do produkcji gazu syntezowego zawierającego metan, wodór, parę wodną i dwutlenek węgla.

Separacja dwutlenku węgla jest procesem znanym i dostępnym technologicznie. W obiektach energetycznych opalanych paliwami często stosuje się metodę absorpcji aminowej. W stanie techniki znane również są sposoby separacji dwutlenku węgla za pomocą węglanowych ogniw paliwowych.

W opisie patentowym CN106731508A przedstawiono układ do recyklingu i ponownego wykorzystania dwutlenku węgla z gazów wylotowych. Jednym z jego elementów jest wieża absorpcyjna, która z wykorzystaniem monoetanoloaminy umożliwia absorpcję dwutlenku węgla. Następnie, mieszanina jest podgrzewana i umożliwia uwolnienie dwutlenku węgla.

W opisie patentowym US2011311429A1 przedstawiono metodę usuwania i wychwytu dwutlenku węgla ze strumienia gazów zawierającą proces wystawienia strumienia gazów na wodny roztwór myjący, który usuwa dwutlenek węgla ze strumienia gazów i zatrzymuje w sobie. Następnie roztwór myjący jest przepuszczany przez membranę w celu usunięcia z niego nadmiaru wody. Kolejnym krokiem jest podgrzanie roztworu w celu uwolnienia dwutlenku węgla.

Węglanowe ogniwa paliwowe, MCFC (ang. Molten Carbonate Fuel Cells), to elektrochemiczne urządzenia, które pozwalają na wysokosprawną konwersję paliwa wodorowego do ciepła i energii elektrycznej. Podczas ich pracy niezbędne jest podawanie do ich katod dwutlenku węgla i tlenu, który jako jon węglanowy transportowany jest przez elektrolit do anod. Umożliwia to separację dwutlenku węgla z innego strumienia gazów, ponieważ elektrolit jest dla nich nieprzepuszczalny, a tlen przetransportowany do anod łączy się z podawanym tam wodorem generując wodę.

W opisie patentowym JP2004186074A przedstawiono metodę wychwytu dwutlenku węgla za pomocą węglanowych ogniw paliwowych, w której dostarczany jest gaz zawierający tlen oraz dwutlenku węgla do strony katodowej węglanowego ogniwa paliwowego.

W opisie patentowym EP1790027A2 przedstawiono kolejne zastosowanie węglanowych ogniw paliwowych, jako separatora dwutlenku węgla. Analogicznie, do katody kierowane są spaliny zawierające dwutlenek węgla i tlen z procesów spalania paliw kopalnych takich jak węgiel lub gaz.

Z dokumentu patentowego WO2013100711 A1 znany jest sposób separacji dwutlenku węgla w instalacji do produkcji gazu syntezowego za pomocą węglanowych ogniw paliwowych, w których do katody wprowadza się mieszaninę gazów tj. tlen, dwutlenek węgla, powietrze o temperaturze 650°C lub wyższej, która powoduje reakcję redukcji elektrochemicznej, w wyniku której powstaje jon węglanowy (CO3^2-), ciepło reakcji i woda. Jony węglanowe generowane w elektrodzie katodowej przemieszczają się do elektrody anodowej przez elektrolit umieszczony między elektrodą katodową a elektrodą anodową. Do anody jest dostarczany wodór (H2) w celu wytworzenia między innymi wody i dwutlenku węgla, gdy zachodzi reakcja utleniania elektrochemicznego z jonami węglanowymi (CO3^2-). Jednakże cytowany wynalazek WO2013100711 A1 opisuje ogólny proces separacji dwutlenku węgla za pomocą węglanowych ogniw paliwowych, jednak nie specyfikuje konkretnych zakresów ilościowych gazów wpływających i wypływających z katody i anody. Brak jest więc precyzyjnego dobrania optymalnych zakresów, co ma bezpośredni wpływ na efektywność i skuteczność procesu separacji CO2.

Znana jest znaczna liczba technologii umożliwiających separację dwutlenku węgla, między innymi technologie absorpcji, membranowe czy wykorzystujące węglanowe ogniwa paliwowe.

Niedogodnością opisanych powyżej rozwiązań jest fakt, że są one technicznie niekompatybilne z instalacjami do produkcji gazu syntezowego składającymi się z węglanowego ogniwa paliwowego, elektrolizera, oraz reaktora metanizacji. Niekompatybilność polega na niewłaściwej budowie klasycznych węglanowych ogniw paliwowych. Komory anodowe w klasycznych węglanowych ogniwach paliwowych są skonstruowane w ten sposób, że nominalna prędkość przepływu w kanale anodowym wynosi 1 cm/s.

W obecnym stanie techniki MCFC jest stosowany jako urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej oraz jako urządzenie do wychwytywania CO2. Udowodniono i opisano, że MCFC jako samodzielne urządzenie jest w stanie wychwytywać CO2 z różnych źródeł, takich jak elektrownie gazowe, węglowe i inne źródła.

Problemy techniczne rozwiązywane w niniejszym wynalazku są związane z nieoczywistym wykorzystaniem MCFC, który działa tu jako element zintegrowanej instalacji power-to-gas i współpracuje z elektrolizerem stałotlenkowym, reaktorem Sabatiera oraz urządzeniami pomocniczymi. Konfiguracja takiego układu i połączeń wymienionych urządzeń nie pozwala na traktowanie ich parametrów pracy i efektów działania w taki sam sposób, jak dla urządzeń samodzielnych, przedstawionych w stanie techniki. Niniejszy wynalazek przedstawia MCFC zintegrowany termicznie i elektrycznie z elektrolizerem stałotlenkowym i reaktorem Sabatiera, z czego wynikają dodatkowe nowe wymagania dotyczące warunków pracy i pojawiają się nowe efekty/cechy użytkowe. Jako element instalacji power-to-gas, MCFC jest znamienny tym, że:

1. Separuje CO2 z dostarczanego strumienia gazów spalinowych, przenosząc CO2 z katody na stronę anodową,

2. Dostarcza wyprodukowaną energię elektryczną w celu zbilansowania zapotrzebowania na energię elektrolizera stałotlenkowego,

3. Przepuszcza przez siebie strumień wodoru, wytworzonego dla reaktora Sabatiera i poprzez to utrzymuje równowagę termiczną przepływu. Wymienione powyżej efekty eksploatacji MCFC wymagały doboru odpowiednich warunków pracy, unikalnych i obowiązujących dla pracy w instalacjach typu power-to-gas.

Istotą wynalazku jest sposób separacji dwutlenku węgla w instalacji do produkcji gazu syntezowego za pomocą węglanowych ogniw paliwowych do zastosowania w układach z elektrolizerem i reaktorem metanizacji. Na każdy 1 kW mocy zainstalowanej ogniwa do katod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 510°C do 626°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9508 do 1,1082 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,7842 do 2,1914 kg/h. Dwutlenek węgla z tlenem reagują na katodach tworząc jon węglanowy wnikający w elektrolit i z katod węglanowych ogniw paliwowych wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9056 do 1,0572 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,6596 do 2,0512 kg/h. Natomiast do anod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 684°C do 756°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: wodór - od 0,0152 do 0,0280 kg/h; para wodna - od 0,0256 do 0,1756 kg/h. Wodór reaguje na anodach ogniw z jonem węglanowym pobranym z elektrolitu tworząc dwutlenek węgla i parę wodną i z anod wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: wodór - od 0,0070 do 0,0196 kg/h; para wodna - od 0,0770 do 0,2482 kg/h; metan - od 0,0000 do 0,0092 kg/h; tlenek węgla - od 0,0046 do 0,0222 kg/h, dwutlenek węgla - od 0,0384 do 0,1052 kg/h.

W przypadku instalacji składającej się z węglanowego ogniwa paliwowego, elektrolizera oraz reaktora metanizacji istotnym jest, gdy prędkość przepływu mieszaniny gazów przez kanał anodowy mieści się w zakresie od 3 do 5 cm/s i jest to prędkość nominalna dla komór anodowych węglanowego ogniwa paliwowego. Wynika to z faktu, że w celu osiągnięcia optymalnego technicznie stosunku molowego wodoru i dwutlenku węgla w reakcji metanizacji wynoszącego od 4:1 do 6:1, ogniwo paliwowe według wynalazku musi pracować ze stopniem utylizacji paliwa nieprzekraczającym 20% maksymalnego możliwego stopnia utylizacji paliwa.

Przykład

Sposób separacji dwutlenku węgla, zwłaszcza w instalacji do produkcji gazu syntezowego charakteryzuje się tym, że na każdy 1 kW mocy zainstalowanej ogniwa:

i. Do katod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 510°C do 626°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9508 do 1,1082 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,7842 do 2,1914 kg/h, dwutlenek węgla z tlenem reagują na katodach tworząc jon węglanowy wnikający w elektrolit i z katod węglanowych ogniw paliwowych wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9056 do 1,0572 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,6596 do 2,0512 kg/h, ii. Do anod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 684°C do 756°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: wodór - od 0,0152 do 0,0280 kg/h; para wodna - od 0,0256 do 0,1756 kg/h, wodór reaguje na anodach ogniw z jonem węglanowym pobranym z elektrolitu tworząc dwutlenek węgla i parę wodną i z anod wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: wodór - od 0,0070 do 0,0196 kg/h; para wodna - od 0,0770 do 0,2482 kg/h; metan od 0 do 0,0092 kg/h; tlenek węgla - od 0,0046 do 0,0222 kg/h, dwutlenek węgla - od 0,0384 do 0,1052 kg/h.

Prędkość nominalna przepływu mieszaniny gazów przez kanał anodowy w komorach anodowych węglanowego ogniwa paliwowego utrzymuje się w zakresie od 3 do 5 cm/s, tak by utrzymać stosunek molowy wodoru i dwutlenku węgla w reakcji metanizacji wynoszący od 4:1 do 6:1, a ogniwo paliwowe pracowało ze stopniem utylizacji paliwa nieprzekraczającym 20% maksymalnego możliwego stopnia utylizacji paliwa.

Claims

1. Sposób separacji dwutlenku węgla w instalacji do produkcji gazu syntezowego za pomocą węglanowych ogniw paliwowych do zastosowania w układach z elektrolizerem i reaktorem metanizacji, gdzie do katod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów zawierającą: parę wodną, azot, tlen, dwutlenek węgla, a do anod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów zawierającą: wodór i parę wodną, znamienny tym, że na każdy 1 kW mocy zainstalowanej ogniwa:

i. do katod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 510°C do 626°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9508 do 1,1082 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,7842 do 2,1914 kg/h, dwutlenek węgla z tlenem reagują na katodach tworząc jon węglanowy wnikający w elektrolit i z katod węglanowych ogniw paliwowych wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: para wodna - od 0,0244 do 0,0298 kg/h; azot - od 6,7618 do 8,1340 kg/h; tlen - od 0,9056 do 1,0572 kg/h; dwutlenek węgla - od 1,6596 do 2,0512 kg/h, ii. do anod węglanowych ogniw paliwowych wprowadza się mieszaninę gazów o temperaturze od 684°C do 756°C i ciśnieniu atmosferycznym w ilościach: wodór - od 0,0152 do 0,0280 kg/h; para wodna - od 0,0256 do 0,1756 kg/h, wodór reaguje na anodach ogniw z jonem węglanowym pobranym z elektrolitu tworząc dwutlenek węgla i parę wodną i z anod wypływa mieszanina gazów o temperaturze od 528°C do 650°C w ilościach: wodór - od 0,0070 do 0,0196 kg/h; para wodna - od 0,0770 do 0,2482 kg/h; metan - od 0,0000 do 0,0092 kg/h; tlenek węgla - od 0,0046 do 0,0222 kg/h, dwutlenek węgla - od 0,0384 do 0,1052 kg/h, przy czym prędkość nominalna przepływu mieszaniny gazów przez kanał anodowy w komorach anodowych węglanowego ogniwa paliwowego utrzymuje się w zakresie od 3 do 5 cm/s, tak by utrzymać stosunek molowy wodoru i dwutlenku węgla w reakcji metanizacji wynoszący od 4:1 do 6:1, a ogniwo paliwowe pracowało ze stopniem utylizacji paliwa nieprzekraczającym 20% maksymalnego możliwego stopnia utylizacji paliwa.