(57)【要約】  炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法の実施形態と、関連システムを提供する。その方法は、水素プラント（１０）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（２０）のアノード（２２）中に高純度水素流（１２）を導入することと、ＣＯ２富化流（１４）およびＯ２（１８）を溶融炭酸塩型燃料電池（２０）のカソード（２４）中に導入することと、カソード（２４）内でＣＯ２とＯ２とを反応させて、カソード出口（３２）から、炭酸塩およびカソード排出流（３０）を生成することと、カソード（２４）からの炭酸塩を、アノード（２２）内のＨ２と反応させて、アノード出口（４２）から電気およびアノード排出流（４０）を生成することであって、アノード排出流（４０）はＣＯ２およびＨ２Ｏを含む、生成することと、アノード排出流（４０）中のＣＯ２を１つ以上の分離器（５０）において分離して、純粋なＣＯ２流（５２）およびＨ２Ｏ流（５４）を形成することと、純粋なＣＯ２流を捕集することと、を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を含む、方法。
【請求項２】
前記方法が、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をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項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Ｈ２Ｏ流の圧力を高めることをさらに含み、
前記Ｈ２Ｏ流の前記圧力が、少なくとも５５０ｐｓｉまで増加される、請求項２に記載の方法。
【請求項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、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項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、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
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１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
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１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
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１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項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Ｏ２が、空気流として提供される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
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、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％の純度を有する、システム。
【請求項１１】
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Ｈ２Ｏ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、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムが、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、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムが、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Ｈ２Ｏから合成ガスを発生させる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項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、請求項１０〜１３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】
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１０〜１３のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年１０月１１日に出願された米国特許出願第１５／７３０，３２２号の優先権を主張し、その開示全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は、一般に、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に関し、より具体的には、水素プラントから発生されたＨ２によって溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を操作して、電気を発生させながら水素プラントで生成されたＣＯ２を管理することに関する。
【背景技術】
【０００３】
水素は、通常、プラントの運転の一環として、石油精製所や他の炭化水素処理施設で生成される。水素は、一般に、軽質炭化水素の水蒸気改質、部分酸化、自動熱改質、および無触媒部分酸化によって生成される。典型的な水素生成プロセスは、さらにＣＯ２を生成する。水素およびＣＯ２は分離され、廃棄ＣＯ２の流れと、他の非水素成分、例えばメタン（ＣＨ４）およびＣＯの流れを生成する。一般的な方法では、ＣＯ２含有流を水蒸気改質器に戻して単にリサイクルして、あらゆる非変換メタンを利用し、より多くの水素を生成するか、ＣＯ２含有流を集中燃料ガスシステムにリサイクルするか、またはＣＯ２含有流を大気に排出する。ＣＯ２は、水蒸気改質器または集中燃料ガスシステムにおいて効果的な燃焼には寄与せず、さらに、加熱由来の膨大な量の熱エネルギーを運ぶため、ＣＯ２を利用するこれらのプロセスの各々は、非効率的で無駄が多い。さらに、地球温暖化とＣＯ２排出の懸念、ならびに加熱されたＣＯ２を排出することから失われる膨大な量の熱エネルギーを考えると、ＣＯ２を単純に大気に排出することは環境的に望ましくない。
【０００４】
したがって、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉し、同時にＣＯ２排出を削減する方法および関連システムに対する継続的なニーズが存在する。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の実施形態は、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法を対象とする。水素プラントからの水素および二酸化炭素、ならびに酸素は、溶融炭酸塩型燃料電池に提供される。二酸化炭素および酸素は、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードにおいて炭酸塩を形成する。炭酸塩は、溶融炭酸塩型燃料電池の溶融炭酸塩電解質を通過し、アノード中に入る。水素プラントからの炭酸塩および水素は、アノードにおいて炭酸塩と反応して、二酸化炭素と、電子を発生する水とを形成し、その電子は電気を発生させるために使用される。本質的に、本方法および関連システムは、水素プラントで形成された水素および不純な二酸化炭素から、高純度の二酸化炭素流および電気を発生することができる。溶融炭酸塩型燃料電池から発生された電気は、システムの他のコンポーネントの操作に最終的に利用され得る。本開示の方法およびシステムは、ＣＯ２排出量を削減し、使用可能な電力を発生し、有用な純粋なＣＯ２流を発生することによって、特に、石油、ガス、および電力産業において、産業適用性を有する。
【０００６】
一実施形態によれば、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉する方法が提供される。その方法は、水素プラントを運転して、高純度の水素流、および３０％を超えるＣＯ２濃度を有するＣＯ２富化流を発生することと、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード中に高純度水素流を導入することと、ＣＯ２富化流およびＯ２を溶融炭酸塩型燃料電池のカソード中に導入することと、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード内でＣＯ２とＯ２とを反応させて、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、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードからの炭酸塩を、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード内のＨ２と反応させて、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、アノード排出流はＣＯ２およびＨ２Ｏを含む、生成することと、アノード排出流中の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、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、純粋なＣＯ２流を捕集することと、を含む。
【０００７】
さらなる実施形態では、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を提供する。そのシステムは、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、を含む。高純度水素流出口は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノードに作動的に接続される。ＣＯ２富化流出口は、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに作動的に接続される。Ｏ２供給源流は、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに作動的に接続される。溶融炭酸塩型燃料電池は、水素プラントからのＣＯ２と、Ｏ２供給源流からのＯ２とを、溶融炭酸型塩燃料電池のカソード内で反応させて、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る。溶融炭酸塩型燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード内において、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードからの炭酸塩と、水素プランからのＨ２とを反応させて、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、そのアノード排出流は、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含む。最後に、分離器は、溶融炭酸塩型燃料電池の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、分離器は、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、その純粋なＣＯ２流は、モルに基づいて、８０％〜１００％の純度を有する。
【０００８】
本明細書に記載の実施形態の付加的な特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、その説明から当業者には部分的に容易に明らかであるか、または特許請求の範囲、ならびに添付の図面に従う詳細な説明を含む本明細書に記載の実施形態の実施により認識されるであろう。
【０００９】
前述の一般的な説明および以下の発明を実施するための形態の両方は、様々な実施形態を説明し、特許請求される主題の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することが意図されることを理解されたい。添付の図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本明細書で説明される様々な実施形態を例示し、説明とともに、特許請求される主題の原理および動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の１つ以上の実施形態によるＣＯ２を、捕捉かつ精製するためのシステムの概略図である。
【図２】本開示の１つ以上の実施形態によるＣＯ２を、捕捉かつ精製するためのシステムの概略図である。
【図３】本開示の１つ以上の実施形態による溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここで、本開示および関連システムの炭化水素施設においてＣＯ２を捕捉して高純度ＣＯ２を生成するための方法の実施形態について詳細に言及する。図１および図２のＣＯ２捕捉システム５は、例示として提供されているが、本システムおよび方法は、他の構成を包含することを理解されたい。
【００１２】
水素は、様々な方法によって、石油精製所および他の炭化水素処理施設において、生成される。水素を生成するこれらの方法としては、軽質炭化水素の水蒸気改質、部分酸化、自動熱改質、および非触媒部分酸化、ならびに他の従来と異なる方法が挙げられる。
【００１３】
１つ以上の実施形態において、Ｈ２およびＣＯ２は、連続的な水蒸気改質および水性ガスシフトを介して生成される。具体的には、水蒸気改質では、メタン（ＣＨ４）および水から、Ｈ２およびＣＯが、３：１の比率で生成される。Ｈ２とＣＯの組み合わせは、通常、合成ガスと称される。水蒸気改質により、反応１に従って等モル量のＣＨ４およびＨ２Ｏから、Ｈ２およびＣＯが生成される。
【化１】
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全体的なＨ２生成を高めるために、反応１から生成された合成ガスは、水性ガスシフトステップを経る。水性ガスシフトでは、反応２に従ってＣＯがＣＯ２に変換される。
【化２】
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【００１４】
連続的な水蒸気改質および水性ガスシフトまたは他の水素生成方法から発生した水素ガス（Ｈ２）は、分離および精製することができる。Ｈ２精製は、様々なＣＯ２除去およびＨ２分離システムを使用して達成することができ、ＣＯ２富化流が生成される。ＣＯ２富化流は、他のガスの混合物と一緒に、最大７５％のＣＯ２濃度を有し得る。Ｈ２の精製および分離は、高純度水素流およびＣＯ２富化流が発生する水素プラントで完了される。
【００１５】
従来、水素プラントで発生したＣＯ２富化流は、改質器バーナーへの供給と一緒に含めるために水蒸気改質器に戻されてリサイクルされるか、または大気に排出される。ＣＯ２を改質器に戻してリサイクルすると、プロセス全体に何の利益ももたらすことなく、ＣＯ２が熱の形態でエネルギー担体として機能するため、炭化水素プラントの全体的なエネルギー消費が増加する。ＣＯ２は加熱されるが、その加熱は、ＣＯ２を、水素プラントにおける精製および分離プロセスから直接に、または改質器バーナーを通過してバーナーの排出煙突から出た後に、大気に単に排出するときに有益な目的に役立つ。排出されたＣＯ２はまた、環境にＣＯ２を放出することの環境への影響において追加の不利益も有する。さらに、排出されたＣＯ２はまた、水蒸気が存在する場合、水蒸気改質器のバーナーおよび関連の配管を、ＣＯ２の腐食性によって劣化させる場合がある。したがって、溶融炭酸塩型燃料電池では、ＣＯ２富化流を、高純度水素流の一部と組み合わせて利用して、高純度ＣＯ２流を生成し、電気を発生する。
【００１６】
１つ以上の実施形態において、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法は、水素プラント１０を運転して、高純度水素流１２と、２５％超のＣＯ２濃度を有するＣＯ２富化流１４と、を発生することを含む。次いで、高純度水素流１２は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２中に導入される。同時に、酸素（Ｏ２）１８と一緒にＣＯ２富化流１４は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４中に導入される。ＣＯ２およびＯ２は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４内で反応して、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード出口３２から炭酸塩およびカソード排出流３０を生成する。続いて、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４からの炭酸塩は、溶融炭酸塩電解質２６を通過し、溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２においてＨ２と反応して、電気と、溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード出口４２から提供されるアノード排出流４０と、を生成する。アノード排出流４０は、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含み得る。１つ以上の分離器５０において、ＣＯ２は、アノード排出流４０から分離されて、純粋なＣＯ２流５２およびＨ２Ｏ流５４を形成する。純粋なＣＯ２流５２は、例えば、食品グレードのＣＯ２として捕集され得る。
【００１７】
炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法の実施形態の各ステップを、ここでさらに詳細に提供する。
【００１８】
１つ以上の実施形態において、水素プラント１０は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムである。図１を参照すると、ＰＳＡシステムは、複数の容器１１０を含み、吸着剤材料への選択的ガス吸着が吸着床で起こる。吸着は、ガスコンポーネントの分圧、運転温度、およびガスコンポーネントと吸着剤材料の物理化学的特性の関数である。ＰＳＡシステムは、Ｈ２ガスの吸着剤との弱い吸着結合強度に基づいて、他のガスから水素を分離する。Ｈ２のように低極性の高揮発性コンポーネントは、ＰＳＡシステムへの供給流１６において予想されるＣＯ２などの分子、ならびにＨ２、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ、およびＣＯなどの他の不純物と比較して、実質的に非吸着性である。吸着床における異なる極性および吸着により、高純度のＨ２流１２と、ＰＳＡシステムから出るＣＯ２および不純物を含む別のＣＯ２富化流１４と、が得られる。
【００１９】
ＰＳＡシステムには複数のバリエーションが含まれ得る。少なくとも一実施形態において、ＰＳＡは、選択的ガス吸着のための４〜１２個の容器１１０を含む。さらなる実施形態では、ＰＳＡは、１〜２０個の容器１１０、２〜１６個の容器１１０、３〜１４個の容器１１０、または５〜１０個の容器１１０を含む。容器１１０の数は、ＰＳＡシステムへの供給流１６の流量、各容器１１０のサイズ、ＰＳＡシステムへの供給流１６におけるガスの相対濃度、および他のパラメーターに基づいて変更し得ることが理解されよう。様々な実施形態において、各吸着床の吸着材料は、酸化アルミナ、シリカゲル、活性炭、またはＣＯおよびＮ２のためのモレキュラーシーブを含む。
【００２０】
ＰＳＡシステムの運転により、高純度のＨ２流１２および別個のＣＯ２富化流１４が発生する。様々な実施形態において、ＰＳＡシステムからの高純度Ｈ２流１２は、少なくとも９５％の水素ガス、少なくとも９８％の水素ガス、少なくとも９９％の水素ガス、少なくとも９９．５％の水素ガス、少なくとも９９．９％の水素ガス、または少なくとも９９．９５％の水素ガスを含む。様々な別個または同時の実施形態において、ＰＳＡシステムからのＣＯ２富化流１４は、２５〜７５％のＣＯ２、２５〜５５％のＣＯ２、３５〜５５％のＣＯ２、または４５〜５５％のＣＯ２を含む。ＣＯ２富化流１４は、Ｈ２、ＣＨ４、Ｈ２Ｏ、およびＣＯのうちの１つ以上をさらに含み得る。
【００２１】
１つ以上の実施形態において、水素プラント１０は、ベンフィールドシステムである。図２を参照すると、ベンフィールドシステムは、吸収器２１０およびストリッパー２２０を含む。ＣＯ２は、吸収器２１０で吸収され、次いでストリッパー２２０でストリップされて供給流１６中のＣＯ２およびＨ２が、ベンフィールドシステムへ分離される。具体的には、溶媒は吸収剤として利用され、吸収器２１０において、変換された合成ガスからＣＯ２を吸収し、次いで、溶媒は、ストリッパー２２０に送られ、そこで溶媒は加熱されて、ＣＯ２が放出される。少なくとも一実施形態では、溶媒は炭酸カリウムである。反応３に従って、炭酸カリウムは、高圧でＣＯ２を吸収し、重炭酸カリウムを生成する。
【化３】
2020537807.tif 000005
重炭酸カリウムはストリッパー２２０に送られ、そこで重炭酸カリウムは低圧で加熱されて、ＣＯ２を放出し、反応３の逆で、炭酸カリウムが再生される。吸収器２１０からストリッパー２２０への重炭酸カリウムの供給２３０およびストリッパーから吸収器への炭酸カリウムの戻し供給２４０は、熱交換器２５０を通過して、供給２３０と戻し供給２４０との間で熱を移動させ、ベンフィールドシステムが必要とする外部エネルギー消費を低減することができる。
【００２２】
少なくとも１つの実施形態において、炭酸カリウムは、反応１に従ってメタンおよび水を合成ガスに変換する改質器の運転圧力において、反応３に従って、ＣＯ２を吸収することができる。例えば、炭酸カリウムは、約７００〜１０００°Ｆ（３７１〜５３８℃）の入口温度および約１４００〜１６００°Ｆ（７６０〜８７１℃）の出口温度において、２７５〜３５０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）の圧力で、ＣＯ２を吸収し得る。１つ以上の実施形態において、ベンフィールドシステムは、炭酸カリウムの代わりに、または炭酸カリウムに加えて、炭酸ナトリウムを利用することができる。続いて、発生した重炭酸塩溶液は、約２００〜２５０°Ｆ（９３〜１２１℃）および約０．５〜４ｐｓｉの圧力で加熱して、ＣＯ２を放出させ、重炭酸カリウムを炭酸カリウムに戻し、さらにＣＯ２と反応させるために吸収器２１０に戻す。
【００２３】
１つ以上の実施形態において、ベンフィールドシステムは、炭酸カリウムと組み合わせてアミンをさらに利用して、炭酸カリウムによるＣＯ２吸収速度を加速し得る。
【００２４】
様々な実施形態において、水素はまた、電気化学的精製システムまたは多孔性金属膜システムなどの他の方法によっても生成され得る。
【００２５】
水素プラント１０で発生したＣＯ２富化流１４を利用して、純粋なＣＯ２流５２、Ｈ２Ｏ流５４を生成し、電力を生成し得る。溶融炭酸塩型燃料電池２０の実装により、水素プラント１０からのＣＯ２富化流１４および高純度水素流１２の一部を利用して、ＣＯ２富化流１４を低品質から高品質に変換し得る。具体的には、ＣＯ２富化流１４は、溶融炭酸塩型燃料電池２０における利用により処理され、実質的に純粋なＣＯ２５２の流れを発生し得る。
【００２６】
図３を参照すると、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）２０は、アノード２２、カソード２４、および溶融炭酸塩電解質２６を含む。ＭＣＦＣ２０の動作温度が高いため、燃料電池内に存在する条件に耐えるために、様々なコンポーネントの材料を特に選択する必要がある。
【００２７】
１つ以上の実施形態において、アノード２２は、多孔性ニッケル（Ｎｉ）系合金を含む。様々な実施形態において、Ｎｉは、クロム（Ｃｒ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかと合金化されて、Ｎｉ系合金を形成してもよい。合金化金属は、約２〜１０重量パーセントの範囲でＮｉに添加し得る。ニッケル合金などの他の遷移金属合金もまた、燃料組成に応じた選択によりＭＣＦＣ  ２０におけるアノード２２として利用するのに好適である、ことが理解されよう。１つ以上の実施形態において、アノード２２は、約０．１〜１０マイクロメートル（μｍ）の平均寸法を有する細孔を含み得る。さらなる実施形態において、アノード２２は、約３〜６μｍの平均寸法を有する細孔を含み得る。アノード２２はまた、約４５〜７０体積％の総多孔率も含み得る。
【００２８】
１つ以上の実施形態において、カソード２４は、リチウム化酸化ニッケルに変換される多孔性Ｎｉを含む。リチウム化酸化ニッケルは、ＮｉＯ結晶構造内に挿入されたリチウムを含む。１つ以上の実施形態において、カソード２４内の細孔サイズは約１〜２０μｍの範囲である。さらなる実施形態では、カソード２４内の細孔サイズは約７〜１５μｍの範囲である。カソード２４はまた、約６０〜７０体積％の総多孔率も含み得る。カソード２４のＮｉＯは、カソード２４が溶融炭酸塩電解質２６と接触しているとき、ＣＯ２との反応により溶解する場合がある。この溶解は、電解質２６中のＮｉ金属の沈殿をもたらす場合があり、これは、Ｎｉ金属が導電性であり、ＭＣＦＣ２０が短絡する可能性があるため望ましくない。理論に拘束されることを望むものではないが、ＮｉＯカソード２４へのＭｇＯの添加は、カソード２４におけるＮｉ２＋の溶解度を減少させ、電解質２６における沈殿を相応に減少させることにより、この溶解を制限し得る、と考えられる。さらなる実施形態では、カソード２４は、カソード２４のＮｉ溶解の問題をほぼ完全に防止するＬｉＦｅＯ２−ＬｉＣｏＯ２−ＮｉＯ合金を含むことができる。
【００２９】
１つ以上の実施形態において、溶融炭酸塩電解質２６は、溶融炭酸塩の液体電解質を含む。様々な実施形態において、溶融炭酸塩は、炭酸リチウム（Ｌｉ）、炭酸ナトリウム（Ｎａ）、炭酸カリウム（Ｋ）、またはそれらの組み合わせを含む。１つ以上の実施形態において、溶融炭酸塩は、アノード２２とカソード２４との間に、溶融炭酸塩電解質２６の溶融炭酸塩を含有させるために、ＬｉＡｌＯ２などのセラミックマトリックスによって支持される。ＭＣＦＣ２０の上昇した運転温度は、溶融炭酸塩電解質２６を通る酸素の十分なイオン伝導率をもたらすために必要である。１つ以上の実施形態において、溶融炭酸塩電解質２６は、約５０〜６２％のＬｉ２ＣＯ３および３８〜５０％のＫ２ＣＯ３を含む。イオン伝導率が高いため、より多くの割合のＬｉ炭酸塩が、使用されるが、Ｌｉ炭酸塩は、ガス溶解度が低く、酸素のイオン拡散率が低いため、６２％に制限される。１つ以上の実施形態において、溶融炭酸塩電解質が約５０〜６２％のＬｉ２ＣＯ３および３８〜５０％のＮａ２ＣＯ３を含む炭酸ナトリウムが利用される。
【００３０】
運転中、ＣＯ２富化流１４およびＯ２１８は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４中に導入される。得られたＣＯ２とＯ２との混合物は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４においてＣＯ３２−イオン種に変換される。ＣＯ２およびＯ２からＣＯ３２−への変換は、反応４に従って完了する。
【化４】
2020537807.tif 000006
【００３１】
ＣＯ２およびＯ２から溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４において形成された炭酸イオン種（ＣＯ３２−）は、その後、溶融炭酸塩電解質２６を通って溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２に向かって移動する。
【００３２】
水素プラント１０からの高純度水素流１２は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２中に導入される。高純度水素流１２は、カソード２４から溶融炭酸塩電解質２６を通ってアノード２２中に送られたＣＯ３２−によって酸化される。炭酸イオン種および水素は、反応５に従って反応して、ＣＯ２、水、および電気を生成する。
【化５】
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【００３３】
溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２に供給される高純度水素流１２は、様々な実施形態では、最大５％の非Ｈ２コンポーネントを含み得る。例えば、高純度水素流１２は、Ｈ２に加えて、水、未変換炭化水素、ＣＯ、およびＣＯ２のうちの１つ以上を含み得る。高純度水素流１２中の不純物は、運転中に炭素が堆積した結果として溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２の効率に影響を及ぼす場合がある。しかしながら、耐性のあるアノード材料を使用すると、劣化を最小限に抑えることができる。二酸化硫黄（ＳＯ２）もまた、不純物として水素流１２に存在する場合がある。ＳＯ２由来の硫黄は、Ｎｉと、またはアノード中の他の金属と、反応し、電気化学的に不活性なＮｉＳ種を形成し、ＭＣＦＣの劣化をもたらす場合がある。さらに、ＡｒおよびＮ２などの他の不活性不純物は、生成されたＣＯ２と共にアノードから出る場合がある。
【００３４】
ＣＯ２富化流１４およびＯ２１８をカソード２４中に導入すると、炭酸塩およびカソード排出流３０が生成される。前述のように、生成された炭酸塩は、溶融炭酸塩電解質２６を通過するが、カソード２４への供給の残りの構成成分および他の反応生成物は、カソード排出流３０としてカソード出口３２を通過する。１つ以上の実施形態において、カソード排出流３０は、メタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、および水（Ｈ２Ｏ）を含む。いくつかの実施形態では、カソード排出流３０は、導入されたＣＯ２富化流１４およびＯ２供給１８からの未反応酸素（Ｏ２）および二酸化炭素（ＣＯ２）をさらに含む。
【００３５】
Ｏ２１８は、様々な仕方で溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４中に導入することができる。１つ以上の実施形態において、カソード２４に入る前に、純粋または実質的に純粋なＯ２１８は、カソード２４またはＣＯ２富化流１４中に直接導入される。１つ以上のさらなる実施形態において、Ｏ２１８は、空気流中の空気の成分コンポーネントとして溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４中に導入される。空気は典型的には約２０．９５体積％のＯ２を含むため、空気をカソード２４中に直接導入するか、またはカソード２４に入る前にＣＯ２富化流１４に導入すると、酸素が提供される。
【００３６】
１つ以上の実施形態において、ＭＣＦＣにおけるＣＯ２のＯ２に対する割合は、モルに基づいて約８０：２０である。様々な実施形態において、ＣＯ２は、カソード２４への供給の５０〜８０モル百分率を占め、Ｏ２は、カソード２４への供給の２０〜５０モル百分率を占める。ＣＯ２の活性化はＯ２よりも難しいため、ＣＯ２は、一般にＯ２よりも大きなモル百分率で存在する。
【００３７】
アノード２２中への高純度水素流１２の導入は、溶融炭酸塩電解質２６を通ってカソード２４からアノード２２に送られた炭酸塩と反応すると、ＣＯ２およびＨ２Ｏを生成する。生成されたＣＯ２およびＨ２Ｏは、アノード排出流４０を形成し、アノード出口４２でアノード２２から排出される。
【００３８】
アノード排出流４０は、１つ以上の分離器５０に送られて、純粋なＣＯ２流５２およびＨ２Ｏ流５４を形成する。分離器５０は、アノード排出流４０からＨ２Ｏを除去し、純粋なＣＯ２を残す。純粋なＣＯ２流５２は、その後、捕集され、例えば食品グレードのＣＯ２の供給源として産業で利用することができる。１つ以上の実施形態において、分離器５０は、アノード排出流４０からのＨ２Ｏを凝縮して、Ｈ２Ｏ流５４および純粋なＣＯ２流５２を形成する。
【００３９】
様々な実施形態において、分離器５０から送られる純粋なＣＯ２流５２は、少なくとも９０％、少なくとも９５％、少なくとも９９％、少なくとも９９．９％、または少なくとも９９．９５％のＣＯ２濃度を含む。いくつかの実施形態において、純粋なＣＯ２流５２は、１％未満、０．５％未満、０．１％未満、０．０１％未満、または０．００５％未満の炭化水素濃度を含む。同様に、いくつかの実施形態では、純粋なＣＯ２流５２は、１％未満、０．５％未満、０．１％未満、０．０１％未満、または０．００５％未満のＳＯ２などの硫黄系成分の濃度を含む。
【００４０】
１つ以上の実施形態において、分離器５０からのＨ２Ｏ流５４は、水蒸気改質システム６０に提供され、水蒸気改質システム６０のための水蒸気を発生する。Ｈ２Ｏ流５４は、アノード出口４２の通過後に昇温であることから、Ｈ２Ｏ流は、水蒸気改質システム６０において利用するための水蒸気へと改質することができ、市営の水道または貯水池からの新しい未使用の水ーと比較してエネルギー必要量が少ない。さらに、溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２からのリサイクルＨ２Ｏを利用することにより、施設内のあらゆる既存の水蒸気プラントへの負荷および需要が低減される。一実施形態では、水蒸気改質システム６０は、メタンおよびＨ２Ｏの供給から、水素プラント１０への合成ガス供給１６を発生する。
【００４１】
いくつかの実施形態では、炭化水素施設で高純度ＣＯ２を捕捉するための方法は、水蒸気改質システム６０に導入する前に、分離器５０からのＨ２Ｏ流５４の圧力を高めることをさらに含み得る。昇圧ユニット７０は、水蒸気改質システム６０へ導入する前に、アノード出口４２からのリサイクルＨ２Ｏの圧力を増加させる。水蒸気改質器システム６０の入口圧力は、典型的には、大気圧よりも高くなるため、圧力が上昇する。溶融炭酸塩型燃料電池２０のアノード２２において生成されたＨ２Ｏ流５４は実質的に大気圧にあり、分離器５０からの捕捉Ｈ２Ｏもまた実質的に大気圧にある。様々な実施形態において、昇圧ユニット７０は、水蒸気として蒸気へと加熱されたリサイクルＨ２Ｏ５４の圧力を、水蒸気改質器システム６０へ導入する前に、少なくとも５５０ｐｓｉ、少なくとも６００ｐｓｉ、少なくとも７００ｐｓｉ、または少なくとも８００ｐｓｉまで増加させる。
【００４２】
１つ以上の実施形態において、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法は、カソード排出流３０を、水蒸気改質システム６０に供給して、水蒸気改質システム６０内のバーナーに燃料を供給することをさらに含み得る。カソード排出流３０は、水蒸気改質システム６０のバーナーにおいて燃料として燃焼され得る残留炭化水素を含む。カソード排出流３０は、水蒸気改質システム６０のバーナーで燃焼させると、水蒸気改質システム６０を加熱し、かつ水蒸気改質システム６０の昇温を維持するために利用され得る熱を発生させる。例えば、カソード排出流３０中の残留メタンまたは水素は各々、燃焼させることができ、その結果、外部燃料源から必要とされる燃料が削減され、ならびに高純度ＣＯ２を捕捉するプロセス全体からの廃棄物が削減される。
【００４３】
１つ以上の実施形態において、ＣＯ２富化流１４の成分は、溶融炭酸塩型燃料電池２０のカソード２４で酸化される。例えば、ＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ、またはそれらの組み合わせは、カソード２４においてＯ２１８で酸化させることができる。ＣＯ２富化流１４の成分の酸化により、溶融炭酸塩型燃料電池２０の温度を溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度まで上昇させかつ維持するための熱が発生する。１つ以上の実施形態において、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は、６００℃〜７００℃の範囲である。
【００４４】
実施形態では、補助燃料を利用して、溶融炭酸塩型燃料電池２０を溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度まで加熱することができる。一実施形態では、補助燃料を利用して、外部バーナーに電力を供給し、溶融炭酸塩型燃料電池２０において熱を発生させることができる。さらなる実施形態では、補助燃料は、カソード２４中のＯ２１８で酸化して熱を発生させるために、カソード２４中に提供することができる。補助燃料は、Ｈ２、ＣＨ４、ＣＯ、またはそれらの組み合わせを含む、様々な炭化水素のいずれかであり得る。
【００４５】
計算例
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。
【００４６】
ここで、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関連システムの様々な態様が説明され、かかる態様を、様々な他の態様とともに利用し得る、ことを理解すべきである。
【００４７】
第１の態様では、本開示は、炭化水素施設において高純度ＣＯ２を捕捉するための方法を提供する。その方法は、水素プラントを運転して、高純度の水素流、および３０％を超えるＣＯ２濃度を有するＣＯ２富化流を発生することと、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード中に高純度水素流を導入することと、ＣＯ２富化流およびＯ２を溶融炭酸塩型燃料電池のカソード中に導入することと、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード内でＣＯ２とＯ２とを反応させて、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、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードからの炭酸塩を、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード内のＨ２と反応させて、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、アノード排出流はＣＯ２およびＨ２Ｏを含む、生成することと、アノード排出流中の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、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、純粋なＣＯ２流を捕集することと、を含む。
【００４８】
第２の態様では、本開示は、第１の態様の方法を提供し、その方法は、分離器からのＨ２Ｏ流を水蒸気改質システムに提供して、水蒸気改質システムのための水蒸気を発生することをさらに含む。
【００４９】
第３の態様では、本開示は、第２の態様の方法を提供し、その方法は、水蒸気改質システムに導入する前に、分離器からのＨ２Ｏ流の圧力を高めることをさらに含む。
【００５０】
第４の態様では、本開示は、第１から第３の態様のいずれかの方法を提供し、Ｈ２Ｏ流の圧力は少なくとも５５０ｐｓｉまで増加させる。
【００５１】
第５の態様では、本開示は、第１から第４の態様のいずれかの方法を提供し、その方法は、カソード排出流を、水蒸気改質システムに供給して、そのカソード排出流中の残留炭化水素を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。
【００５２】
第６の態様では、本開示は、第１〜第５の態様のいずれかの方法を提供し、水素プラントは圧力スイング吸着システムである。
【００５３】
第７の態様では、本開示は、第１〜第５の態様のいずれかの方法を提供し、水素プラントはベンフィールドシステムである。
【００５４】
第８の態様では、本開示は、第１から第７の態様のいずれかの方法を提供し、水蒸気改質システムは、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する。
【００５５】
第９の態様において、本開示は、第１から第８の態様のいずれかの方法を提供し、分離器は、アノード排出流からのＨ２Ｏを凝縮して、純粋なＣＯ２流およびＨ２Ｏ流を形成する。
【００５６】
第１０の態様では、本開示は、第１から第９の態様のいずれかの方法を提供し、ＣＯ２富化流中のＣＨ４、Ｈ２、ＣＯ、またはそれらの組み合わせを、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードにおいて酸化して、熱を発生させて、溶融炭酸塩型燃料電池の温度を溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度まで上げる。
【００５７】
第１１の態様では、本開示は、第１０の態様の方法を提供し、溶融炭酸塩型燃料電池の運転温度は、６００℃〜７００℃の範囲である。
【００５８】
第１２の態様では、本開示は、第１から第１１の態様のいずれかの方法を提供し、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード中に導入されるＯ２は、空気流として提供される。
【００５９】
第１３の態様では、本開示は、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を提供する。本システムは、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、を含む。高純度水素流出口は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノードに作動的に接続される。ＣＯ２富化流出口は、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに作動的に接続される。Ｏ２供給源流は、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに作動的に接続される。溶融炭酸塩型燃料電池は、水素プラントからのＣＯ２と、Ｏ２供給源流からのＯ２とを、溶融炭酸型塩燃料電池のカソード内で反応させて、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る。溶融炭酸塩型燃料電池は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード内において、溶融炭酸塩型燃料電池のカソードからの炭酸塩と、水素プランからのＨ２とを反応させて、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、そのアノード排出流は、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含む。最後に、分離器は、溶融炭酸塩型燃料電池の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、分離器は、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、その純粋なＣＯ２流は、モルに基づいて、８０％〜１００％の純度を有する。
【００６０】
第１４の態様では、本開示は、第１３の態様のシステムを提供し、そのシステムは、分離器からのＨ２Ｏ流を、水蒸気改質システムに、そして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分離器の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む。
【００６１】
第１５の態様では、本開示は、第１４の態様のシステムを提供し、そのシステムは、水蒸気改質システムに導入する前に、分離器からのＨ２Ｏ流の圧力を高めるように構成された昇圧ユニットをさらに含む。
【００６２】
第１６の態様では、本開示は、第１５の態様のシステムを提供し、昇圧ユニットは、水蒸気改質システムに導入する前に、Ｈ２Ｏ流の圧力を少なくとも５５０ｐｓｉまで増加させる。
【００６３】
第１７の態様では、本開示は、第１４から第１６の態様のいずれかのシステムを提供し、水蒸気改質システムは、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード出口にさらに作動的に接続されていて、かつ、カソード排出流を水蒸気改質システムに提供して、カソード排出流中の残留炭化水素を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。
【００６４】
第１８の態様では、本開示は、第１４から第１７の態様のいずれかのシステムを提供し、水蒸気改質システムは、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ために水素プラントに作動的に接続される。
【００６５】
第１９の態様では、本開示は、第１４から第１８の態様のいずれかのシステムを提供し、水素プラントは圧力スイング吸着システムである。
【００６６】
第２０の態様では、本開示は、第１４から第１８の態様のいずれかのシステムを提供し、水素プラントがベンフィールドシステムである。
【００６７】
当業者には、特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に対して様々な修正および変更がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本明細書は、本明細書に記載される様々な実施形態の修正および変更を包含することが意図されるが、そのような修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内であることを条件とする。
【図１】
2020537807.tif 000008
【図２】
2020537807.tif 000009
【図３】
2020537807.tif 000010
【国際調査報告】
2020537807.tif 000011
2020537807.tif 000012