[发明专利]熔融碳酸盐燃料电池与发酵工艺的集成

摘要

在各种方面中，提供了在提高的功率密度下运行熔融碳酸盐燃料电池组件的系统和方法。这部分可通过以集成方式进行燃料电池堆内的有效量的吸热反应实现。这可以在仍保持燃料电池组件内的所需温差的同时实现提高的功率密度。

主权项

一种生产发酵产物的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与所述阳极相关的内部重整元件或其组合；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合；加工生物质以产生至少一种发酵产物和发酵废气；和蒸馏所述至少一种发酵产物，通过与所述阳极排气的热交换、所述含合成气的料流的燃烧、所述含H₂的料流的燃烧、利用在熔融碳酸盐燃料电池内生成的电力的电加热或其组合提供至少一部分蒸馏热，其中所述方法进一步包括下列一项或多项：a)所述阴极入口料流包含至少一部分发酵废气；b)所述加工步骤在从所述阳极排气中分离的H₂O、从所述含合成气的料流中分离的H₂O、从所述含H₂的料流中分离H₂O或其组合存在下进行；c)所述可重整燃料包含一部分发酵产物，所述可重整燃料任选含有至少50体积％的发酵产物(例如至少60体积％或至少70体积％)，所述发酵产物部分任选是具有大约1.5:1至大约3.0:1(例如大约1.5:1至大约2.5:1)的水碳比的发酵产物的蒸馏部分；d)所述加工步骤包括将基本可发酵的生物质部分与基本不可发酵的生物质部分分离，所述基本不可发酵的生物质部分在一个或多个热、化学和/或热化学工艺中在至少一部分含H₂的气流、至少一部分含合成气的料流或其组合存在下加工；e)引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合的可重整燃料的量提供至少大约2.0的可重整燃料过剩率；f)引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合的可重整燃料的可重整氢气含量比为发电而氧化的氢气量高至少大约50％(例如高至少大约75％或高至少大约100％)；g)所述熔融碳酸盐燃料电池的电效率为大约10％至大约40％(例如大约10％至大约35％，大约10％至大约30％，或大约10％至大约25％)，且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％(例如至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)；h)所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.25至大约1.5(例如大约0.25至大约1.3，大约0.25至大约1.15，大约0.25至大约1.0，大约0.25至大约0.85，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行；i)阳极排气中的合成气的净摩尔数与阴极排气中的CO₂摩尔数的比率为至少大约2.0(例如至少大约3.0、至少大约4.0、至少大约5.0、至少大约10.0或至少大约20.0)，和任选大约40.0或更低(例如大约30.0或更低，或大约20.0或更低)；j)熔融碳酸盐燃料电池的阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约40％或更低，大约30％或更低，大约25％或更低，或大约20％或更低)且阴极中的CO₂利用率为至少大约60％(例如至少大约65％、至少大约70％或至少大约75％)；k)在第一运行条件下运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成电力和至少100mW/cm²的废热，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度并进行有效量的吸热反应以保持大约80℃或更低(例如大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差；l)所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.60伏特至大约0.67伏特(例如大约0.60伏特至大约0.65伏特，大约0.62伏特至大约0.67伏特，或大约0.62伏特至大约0.65伏特)的电压V_A下运行，所述熔融碳酸盐燃料电池任选在大约65％或更低的燃料利用率下运行；m)所述阴极入口料流包含至少一部分燃气轮机排气，将至少一部分阳极排气再循环到阳极；n)所述阴极入口料流包含至少一部分燃气轮机排气，至少一部分阳极排气用作燃气轮机的燃烧区的阳极再循环燃料，燃气轮机的燃烧区的任选第二燃料料流任选包含至少大约30体积％CO₂和/或至少大约35体积％的CO₂和惰性物的组合(例如至少大约40体积％的CO₂和惰性物的组合、至少大约45体积％的CO₂和惰性物的组合，或至少大约50体积％的CO₂和惰性物的组合)；o)所述阴极入口料流包含至少一部分燃气轮机排气，至少第一部分的所述阳极排气用作燃气轮机的燃烧区的阳极再循环燃料，且至少第二部分的阳极排气再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极中；p)所述阴极入口料流包含至少一部分燃气轮机排气，所述阴极入口料流包含至少大约20vppm的NOx，且阴极排气包含所述阴极入口料流的NOx含量的不到大约一半；q)所述方法进一步包括燃烧至少一部分所述含H₂气流以发电，所述燃烧任选在第二涡轮机的燃烧区中进行，且所述阴极入口料流任选包含至少一部分由含碳燃料的燃烧生成的燃气轮机排气；r)所述方法进一步包括在甲醇合成催化剂存在下在用于形成甲醇的有效条件下使至少一部分所述含合成气的料流反应以产生至少一个含甲醇料流和一个或多个含气体产物或液体产物的料流，和任选将至少一部分所述一个或多个含气体产物或液体产物的料流再循环以形成至少一部分阴极入口料流；s)所述方法进一步包括任选将衍生自一个或多个第一炼油厂工艺的一个或多个含CO₂的料流送往阴极入口，从至少一部分阳极排气中分离CO₂以形成CO₂含量高于阳极排气的CO₂含量的富CO₂气流和CO₂含量小于阳极排气的CO₂含量的贫CO₂气流，并将所述贫CO₂气流送往一个或多个第二炼油厂工艺；t)所述方法进一步包括从至少一部分阳极排气中分离CO₂以产生CO₂含量高于阳极排气的CO₂含量的富CO₂料流和H₂含量高于阳极排气的H₂含量的贫CO₂气流，和在氨合成工艺中、在有机含氮化合物合成工艺中或在两者中使用至少一部分所述贫CO₂气流；u)所述方法进一步包括从阳极排气中取出包含CO的第一气流，所述阳极排气具有大约500kPag或更低的压力，将从阳极排气中取出的第一气流引入铁和/或钢生产工艺，和任选从阳极排气中取出包含H₂的第二气流，并且如果取出，利用第二气流作为用于铁和/或钢生产工艺中的加热的燃料；v)所述方法进一步包括生成包含H₂、CO、H₂O和至少大约20体积％CO₂的阳极排气，使至少一部分阳极排气在有效费托条件下在变换费托催化剂存在下反应以产生至少一种气体产物和至少一种非气体产物，其中所述至少一部分阳极排气中的CO₂浓度为所述阳极排气中的CO₂浓度的至少80％，和将至少一部分所述至少一种气体产物再循环到阴极入口；w)所述方法进一步包括生成包含H₂、CO、CO₂和H₂O并具有至少大约2.5:1的H₂/CO比率的阳极排气，将至少一部分阳极排气中的H₂/CO比率降至大约1.7:1至大约2.3:1的比率以形成经典合成气料流，其还具有阳极排气中的CO₂浓度的至少60％的CO₂浓度，在有效费托条件下在非变换费托催化剂存在下使所述经典合成气料流反应以产生至少一种气体产物和至少一种非气体产物，和任选将至少一部分所述至少一种气体产物再循环到阴极入口；和x)所述方法进一步包括生成包含H₂、CO和CO₂、具有至少大约2.5:1的H₂/CO比率并具有至少大约20体积％的CO₂含量的阳极排气，从至少一部分阳极排气中除去水和CO₂以产生阳极流出物气流，所述阳极流出物气流具有小于阳极排气中的水浓度的一半的水浓度、具有小于阳极排气中的CO₂浓度的一半的CO₂浓度、或其组合，所述阳极流出物气流还具有大约2.3:1或更小的H₂/CO比率，和使至少一部分阳极流出物气流在非变换费托催化剂上反应以产生至少一种气体产物和至少一种非气体产物。