熔融碳酸盐燃料电池用于烟道气中CO2分离的能效提升方案

© 2012由Elsevier B.V.出版。信息工程研究院负责评选和同行评议IERI Procedia 1（2012）232 - 2372012第二届机械、工业与制造工程国际会议用熔融碳酸盐燃料电池从烟道气中分离CO2Jaros aw Milewski*，Janusz Lewandowski华沙理工大学热能工程学院，地址：21/25 Nowowowiejska Street，Warsaw 00-665，Poland摘要采用熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）降低燃煤电厂（CFPP）的CO2排放. MCFC被放置在燃煤锅炉的烟道气流中。该解决方案的主要优点是：混合动力系统产生的总功率更高，二氧化碳排放量减少，系统效率更高。给出并描述了MCFC的模型结果表明，使用MCFC可以减少56%的CO2排放量相对二氧化碳排放率为288kgCO2 每兆瓦时。© 2012由Elsevier B. V.发布。CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：二氧化碳减排;熔融碳酸盐燃料电池1. 介绍欧洲联盟已经对成员国的二氧化碳排放量进行了限制，作为其排放交易计划的一部分。这在很大程度上影响了化石燃料发电厂，因为它们的排放量取决于它们从成员国分配中获得的排放配额数量。过量二氧化碳排放* 通讯作者。联系电话：+48 22 2345 207;传真：+（48）22 825-05-65。电子邮件地址：Milewski@itc.edu.pl。2212-6678 © 2012由Elsevier B. V.出版信息工程研究院负责评选和同行评议在CC BY-NC-ND许可下开放访问。doi：10.1016/j.ieri.2012.06.036Jarossiaw Milewski和Janusz Lewandowski/IERI Procedia 1（2012）232233必须通过购买额外的配额来支付，这实际上是一种惩罚（100欧元/毫克）。相比之下，低于排放限制使排放者能够出售二氧化碳配额.一个交易的卖出价格津贴估计为15欧元/毫克CO .有很多方法可以消除CO从化石燃料发电厂系统[1，2]。的Campanari [3]提出了采用熔融碳酸盐燃料电池来减少CO2排放的想法在这篇论文中，它表明，估计减少77%的二氧化碳排放量可以实现在蒸汽涡轮发电厂。几年后，Campanari等人[4]研究了从与熔融碳酸盐燃料电池集成的联合循环中分离CO2的可能性。结果表明，在电效率基本保持不变的情况下，CO2减排量可达80%，电池功率占整个系统的17%。燃料电池通过电化学过程发电。有许多类型的燃料电池;其中两种-熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）-是高温燃料电池。它们的工作温度范围为600至1，000 C，并且可能实现超高效率[5] -特别是与燃气轮机结合时[6，7]。Amorelli等人[8]描述了使用熔融碳酸盐燃料电池从燃气轮机废气中捕获CO2的实验研究。他们减少了50%的排放量。这些实验是使用单个细胞进行的。Lusardi等人[9]研究了燃料电池系统在从热电厂废气中分离CO2方面的应用。他们发现，即使没有二氧化碳分离，二氧化碳的相对排放量也可以降低到《京都议定书》的限制以下。如果使用分离器，排放量可以减少68%。Sugiura等人研究了MCFC作为二氧化碳浓缩器的用途[10]。本文给出了MCFC吸收CO2的实验结果.从这项工作的一个关键结论是，CO2去除率可以通过使用电化学理论进行计算得到。Granite等人描述了碳酸盐用作从气体中分离二氧化碳的电化学泵的新方法。[11].在[12-14]中，Jung-Ho Wee在[21]中分析了通过使用燃料电池减少CO2排放的三个领域（移动应用、运输应用和固定应用）。只有最后一个考虑了MCFC用于CO2分离的可能性。Chiesa等人[22]展示了从与熔融碳酸盐燃料电池集成的联合循环中低温分离CO2。所考虑的系统给出了分离80%的CO2的可能性，而作为所提出的解决方案的结果的功率增加是22%，效率几乎不变（59%LHV）。在[23]中，Nansheng Xu等人提出了一种新复合材料的测试-双相混合碳酸化和电子传导膜（熔融碳酸盐和银）。探索了从模拟烟气中分离CO2的可能性，与熔融金属碳酸盐体系相比，获得了更高的CO2和O2根据上述文献综述，预计二氧化碳排放量至少可减少50%氢、天然气、甲醇或沼气可用作MCFC的燃料。在阴极侧，需要氧气和二氧化碳的混合物。MCFC可以用作二氧化碳分离器/浓缩器，因为CO2通过熔融电解质从阴极侧输送到阳极侧。负离子通过熔融电解质转移。每个离子由一个二氧化碳分子、一个氧原子和两个电子组成。这意味着二氧化碳与氧气的适当比率为2.75（基于质量）或2.0（基于摩尔）。CFPP烟气的典型组成是2234Jarossiaw Milewski和Janusz Lewandowski/IERI Procedia 1（2012）232CO2/N2/O2/H2O为0.15/0.79/0.06/0.005。因此，二氧化碳与氧气的比例为2.5（摩尔）和3.43（质量）。这意味着烟气中的氧气量不足以捕获所有的CO2。2. 用熔融碳酸盐燃料电池从烟道气中分离CO2所有分析的情况下，优化的目标函数是总发电效率。然而，关于选择这一点作为优化过程的目标函数，还有讨论的余地。虽然MCFC的主要任务是从烟道气中捕获CO2，但由于其与产生烟道气的循环相比具有更高的效率，因此它也增加了总发电效率。该方法是一种顺序搜索技术，它解决了非线性目标函数的问题，受到非线性不等式约束。不需要衍生品。它处理不等式约束，但不处理等式约束。这种方法在所需的函数求值次数方面不是很有效。它通常需要大量的迭代来收敛于解。在进入MCFC之前，向烟道气中加入额外的空气，因为氧气的量对于总的CO2封存来说太低（见表0）。应假设额外的空气流量为CO2/O2比为2.0（摩尔）的值。但在优化过程中采用了改变空气加入量的方法。待优化参数：1. MCFC燃料质量流量2. i的值Max在0.06 A/cm2至0.6 A/cm23. 热交换器效率在0至85%4. 添加到烟气中的空气质量流量利用以下约束函数执行优化过程1. 电池堆内最高温度650 C<2. 最后一个电池的电池电压>0V3. 水碳比>1.4分析了一个装有四个换热器的MCFC模块。该系统由甲烷进料，并添加水以避免碳沉积。甲烷和水在插入MCFC模块之前在两个热交换器（HX-1和HX-2）中预热。来自阳极出口气体的热量分别被热交换器HX-1、HX-2和HX-4用于加热燃料、水和烟道气。烟道气与空气混合（混合器-2），然后在进入MCFC的阴极侧之前在两个热交换器（HX-3和HX-4）中预热。含有少量CO2的烟气离开阴极，并被引导到换热器HX-3进行热回收。为了评定从烟气中分离出的CO2量的程度，引入了一个附加因子"二氧化碳排放减少系数“：mCO，阴极，输出CO2 = 12M（一）二氧化碳，阴极，总共考虑了三个目标函数• 最大效率：maxMCFC• 最大二氧化碳 减排系数：最大CO• 最佳变量：max2opt优化变量针对以下目标函数进行了优化：opt =MCFCCO2（二）Jarossiaw Milewski和Janusz Lewandowski/IERI Procedia 1（2012）232235表1.燃煤锅炉烟气成分参数最大效率最大二氧化碳减排量最佳燃料电池温度， C648 643 650CO 2 排放减少系数，%527470电池电压，V0.500.400.44s/c比率1.501.441.43HX-1的有效性，%851HX-2的有效性，%1311HX-3的有效性，%704655HX-4的有效性，%1722可实现的CO2减排因子取决于所选择的优化目标函数，在50--70%范围内变化。当入口CO2含量较低时，MCFC的电效率较低，在37- 41%之间。MCFC模块在正常情况下每立方米烟气可产生2.7- 3.2 kW的功率也就是说，源力可以提升50%左右。本研究仅限于MCFC模块作为CO2分离器。假设烟气成分接近于燃煤锅炉排烟。MCFC模块的两个出口流（具有减少的CO2的烟道气含量和CO2+O2混合物）仍然具有相当高的温度（400℃）。该热量可随后用于其他过程，例如加热锅炉入口处的给水或空气。这将导致已安装MCFC的原始循环中的功率增加。另一方面，需要氧气来燃烧氢气、一氧化碳和甲烷，由于燃料利用系数小于1，这些气体保留在阳极出口流中。氧气需要从空气中分离出来，这需要能量的供应。应当铭记，可交易的二氧化碳排放量的价格过去一直很低，几乎没有机会从碳交易中获利。今天，津贴的平均价格是约€15/Mg CO什么可以使所提出的解决方案有利可图。重要的技术问题，如MCFC的抗硫性或抗尘性，不属于本报告的范围虽然它们可以明显限制MCFCs在燃煤电厂的应用。应该注意的是，烟道气中的硫（SOx）与燃料中的硫（H2 S，COS）不同--因此，在这种情况下，硫污染物的影响可能不同，因此，将硫对阳极的依赖性结果转移到阴极是不科学的。MCCFCs可以在现有的发电厂中使用，这些发电厂已被给予CO2限制。MCFC可以潜在地减少二氧化碳排放，使系统的发电能力至少相同，如果不是更大的话。3. 结论数值模拟已被用来估计可能的CO2减排可实现通过使用MCFC。分析了三种不同的情景：最大效率、最大CO2排放MCFC每Nm3/s烟气功率，kW3.22.82.65燃料电池效率，%413937燃料利用系数，%869088加入烟气中的空气，%131414236Jarossiaw Milewski和Janusz Lewandowski/IERI Procedia 1（2012）232减少和最佳变量。结果表明，CO2减排因子可达70%。所获得的MCFC效率具有约40%的中等值。一些技术和经济方面的调查进行了讨论。确认这项工作由波兰国家研究和发展中心赞助，作为“能源增益先进技术”-“开发结合烟道气二氧化碳捕获的高效``零排放'燃煤发电厂技术”方案中的一个研究项目。引用[1] G. Gottlicher和R. Pruschek，“化石燃料发电厂过程中二氧化碳去除系统的比较”，能源转换和管理38（0），pp. S173[2] W. M. Budzianowski，“通过甲烷的自热催化氧化形成捕获CO2的用于H2生产的氧燃料质量再循环过程”，《国际氢能杂志》35（14），第35页。7454[3] S. Campanari，“高温燃料电池发电厂的二氧化碳分离”，电源杂志112（1），pp。273[4] S. Campanari，P. Chiesa，and G. Manzolini，“从与熔融碳酸盐燃料电池集成的联合循环中捕获二氧化碳”，《国际温室气体控制杂志》4（3），pp. 441[5]L.布卢姆河德哈河Peters和D. Stolten，11056[6] J. - H. Wee，[7] H. Zhang，G. Lin和J. Chen，“新型熔融碳酸盐燃料电池系统的性能分析和多目标优化”，国际氢能杂志36（6），第36页。4015-4021，2011。自1996年以来，0。[8] A. Amorelli，M. B. Wilkinson，P. Bedont，P. Capobianco，B. Marcenaro，F. Parodi和A. Torazza，“使用熔融碳酸盐燃料电池从燃气轮机废气中捕获二氧化碳的实验研究”，Energy 29（9-10），pp.1279 - 1284，2004.第六届温室气体控制技术国际会议。[9] M.卢萨尔迪湾Bosio和E. Arato，“燃料电池系统开发中创新应用的一个例子：使用熔融碳酸盐燃料电池的CO2分离”，电源杂志131（1-2），pp. 351- 360，2004年。在第八届格罗夫燃料电池研讨会上发表的论文选集。[10] K. Sugiura，K.竹井K. Tanimoto和Y. Miyazaki，“使用MCFC的二氧化碳浓缩器”，Journal of PowerSources 118（1-2），pp. 218 - 227，2003。燃料电池系统的科学进展。[11] E. J. Granite和T. O 'Brien，“从烟道气和燃料气中分离二氧化碳的新方法综述”，燃料处理技术86（14-15），第100页。1423 - 1434，2005。二氧化碳捕获和封存。[12] J. Milewski、J. Lewandowski和A. Miller，“通过使用熔融碳酸盐燃料电池减少燃煤电厂的CO2排放”，化学与过程工程30（2），第30页。341[13] J. Milewski、J. Lewandowski和A. Miller，“Reducing CO2 emissions from a coal fired power plant byusing a melt carbonate fuel cell”，ASME Turbo Expo，Proceedings of the ASME Turbo Expo 2，pp.389[14] J. Milewski，A.Miller和J.Lewandowski，Jarossiaw Milewski和Janusz Lewandowski/IERI Procedia 1（2012）232237电解质离子电导率，S/cm电解质基质厚度，cmF燃料利用系数Mn质量流量，kg/s摩尔流量，mol/s0，E作用因子与电解质材料细胞面积，cm2I堆电流，Ai细胞数;电流密度，A/cm2F法拉第Evoltage，V低热值，kJ/kgm数量的堆叠件n电池堆中电池的数量p分压，Pa面积比内阻，cm2R通用气体常数，8.315 J/mol/KT绝对温度，K通过使用熔融碳酸盐燃料电池”，[15] J. Milewski、J. Sa acinski和A. Miller，“通过使用熔融碳酸盐燃料电池减少燃气轮机发电厂的CO2排放”，ASME涡轮博览会论文集，3，pp. 2007年1月[16] J. Milewski、J. Salacinski和A. Miller，[17] J. Milewski、J. Lewandowski和A. Miller，“通过使用熔融碳酸盐燃料减少燃气轮机发电厂的CO2排放”，化学与过程工程29（4），第100页。939[18] J. Milewski、J. Lewandowski和A. Miller，“Possibility of using a melt carbonate fuel cell for reductionof CO2 emission of gas turbine power plant，”in VIII Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej，2007.[19] J. Milewski，《燃料电池效率》，精装，通过在发电厂安装熔融碳酸盐燃料电池提高系统效率和减少二氧化碳排放。Nova Publishers，2011.[20] J. Milewski、J. Lewandowski和A. Miller，[21] W. Jung-Ho，“燃料电池系统在其应用领域对二氧化碳减排的贡献”，可再生和可持续能源评论14（2），pp. 735[22] P. Chiesa，S. Campanari和G. Manzolini，10355[23] N. Xu，X. Li，M. A.弗兰克斯，H. Zhao和K.黄，“银-熔融碳酸盐复合物作为一种新型高通量膜用于从烟道气中电化学分离二氧化碳”，《膜科学杂志》，第100页。- ，2012年。命名法