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熔融碳酸盐燃料电池的集成运行
发明领域
在各种方面中，本发明涉及使用熔融碳酸盐燃料电池集成的化学生产和/或发电工艺。
发明背景
熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料发电。可通过在燃料电池上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应产生含氢气的气态产物的烃质材料。替换地或附加地，燃料可以在熔融碳酸盐燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整燃料的条件。替换地或附加地，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。
传统上，运行熔融碳酸盐燃料电池以使每单位燃料输入的发电量最大化，这可以被称作燃料电池的电效率。这种最大化可基于独自的燃料电池或与另一发电系统结合的燃料电池。为了实现提高的发电量和管理热的产生，燃料电池内的燃料利用率通常保持在70％至75％。
美国公开专利申请2011/0111315描述了一种在阳极入口料流中存在显著氢气含量的运行燃料电池系统的系统和方法。’315公开中的技术涉及在阳极入口中提供足够的燃料以在燃料接近阳极出口时仍有足够的燃料用于氧化反应。为了确保足够的燃料，’315公开提供了具有高H₂浓度的燃料。氧化反应中未用到的H₂再循环到阳极以用于下一循环。按单程计，H₂利用率可以为10％至30％。文献’315没有描述阳极内的显著重整，而是主要依靠外部重整。
美国公开专利申请2005/0123810描述了一种用于氢气和电能联产的系统和方法。该联产系统包含燃料电池和构造成接收阳极排气料流并分离 氢气的分离单元。一部分阳极排气也再循环到阳极入口。’810公开中给出的运行范围看起来基于固体氧化物燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池被描述为替代物。
美国公开专利申请2003/0008183描述了一种用于氢气和电力联产的系统和方法。作为用于将烃型燃料转化成氢气的化学转化器的通用类型提到燃料电池。该燃料电池系统还包括外部重整器和高温燃料电池。描述了该燃料电池系统的一个实施方案，其具有大约45％的电效率和大约25％的化学生产率，导致系统联产效率为大约70％。’183公开看起来没有描述独立于该系统的燃料电池的电效率。
美国专利5,084,362描述了一种将燃料电池与气化系统集成从而可使用煤气作为燃料电池阳极的燃料源的系统。使用燃料电池生成的氢气作为用于由煤气(或其它煤)进料生成甲烷的气化器的进料。然后使用来自气化器的甲烷作为燃料电池的至少一部分输入燃料。由此，燃料电池生成的至少一部分氢气以气化器生成的甲烷的形式间接再循环到燃料电池阳极入口。
JournalofFuelCellScienceandTechnology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.FuelCellSci.andTech.,第9卷，2012年2月)描述了一种将燃烧发电机与熔融碳酸盐燃料电池组合的发电系统。描述了燃料电池的各种布置和运行参数。来自燃烧发电机的燃烧输出部分用作燃料电池阴极的输入。Manzolini文章中的模拟的一个目标是使用MCFC从发电机的废气中分离CO₂。Manzolini文章中描述的模拟确立了660℃的最大出口温度并指出入口温度必须足够更冷以虑及经过燃料电池的升温。基础模型实例中MCFC燃料电池的电效率(即发电量/燃料输入)为50％。针对CO₂封存(sequestration)优化的试验模型实例中的电效率也是50％。
Desideri等人的文章(Intl.J.ofHydrogenEnergy,Vol.37,2012)描述了使用燃料电池分离CO₂的发电系统的性能的建模方法。利用阳极排气再循环到阳极入口和阴极排气再循环到阴极入口来改进燃料电池的性能。模型参数描述了50.3％的MCFC电效率。
美国专利5,169,717描述了一种将熔融碳酸盐燃料电池与制氨系统集 成的方法。该集成系统使用不同于熔融碳酸盐燃料电池的前端加工输入的氢气和氮气流以制造氨。
发明概述
熔融碳酸盐燃料电池的运行可以与各种用于制造能量、制造氢气、合成气或其它燃料和/或制造商业上有用的化合物的方法集成。
本申请与另外21个共同未决的PCT申请有关，它们在同一日期与其一起提交并通过下列代理人案号和名称标识：名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM104-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM107-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM108-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM109-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM272-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCellsataReducedElectricalEfficiency”的2013EM273-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM274-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM277-WO；名称为“IntegratedCarbonCaptureandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM278-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM279-WO；名称为“MitigationofNOxinIntegratedPowerProduction”的2014EM047-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationusingMoltenCarbonateFuelCells”的2014EM048-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM049-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM050-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的 2014EM051-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinMethanolSynthesis”的2014EM052-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinaRefinerySetting”的2014EM053-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsforSynthesisofNitrogenCompounds”的2014EM054-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellswithFermentationProcesses”的2014EM055-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinIronandSteelProcessing”的2014EM056-WO；和名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinCementProcessing”的2014EM057-WO。这些共同未决的PCT申请中的每一个全文经引用并入本文。
附图简述
图1示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离段的配置的一个实例。
图2示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离段的配置的另一实例。
图3示意性显示熔融碳酸盐燃料电池的运行的一个实例。
图4示意性显示基于碳基燃料燃烧的发电的联合循环系统的一个实例。
图5示意性显示基于碳基燃料燃烧的发电的联合循环系统的一个实例。
图6-8示意性显示用于将熔融碳酸盐燃料电池与生成烃质化合物的工艺集成的配置的实例。
图9和10显示集成MCFC和费托系统的模拟结果。
图11和12示意性显示用于将熔融碳酸盐燃料电池与甲醇合成工艺集成的配置的实例。
图13显示集成的MCFC和甲醇合成工艺的工艺流计算值。
图14-15示意性显示用于将熔融碳酸盐燃料电池与发酵工艺集成的配置的实例。
图16示意性显示用于将熔融碳酸盐燃料电池与含氮化合物合成工艺集成的配置的一个实例。
图17示意性显示熔融碳酸盐燃料电池与水泥生产工艺的集成的一个实例。
图18显示熔融碳酸盐燃料电池与水泥生产工艺的集成的一个实例的工艺流。
图19示意性显示熔融碳酸盐燃料电池与生产铁或钢的工艺的集成的一个实例。
图20显示熔融碳酸盐燃料电池与生产铁或钢的工艺的集成的一个实例的工艺流。
图21示意性显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统的一个实例。
图22显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统中的工艺流的一个实例。
图23示意性显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统的一个实例。
图24显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统中的工艺流的一个实例。
图25示意性显示发电配置的一个实例。
图26显示发电系统的模拟结果。
实施方案详述
综述
在各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池的运行可以与各种化学和/或材料生产工艺集成。生产工艺可对应于来自熔融碳酸盐燃料电池的输出的生产，或生产工艺可消耗或提供一个或多个燃料电池料流。
与费托合成的集成
在各种方面中，提供了基于由MCFC系统制成的合成气的反应由费托合成生产高品质产品的系统和方法。该系统和方法可任选但有时优选使用非变换费托催化剂，如钴基催化剂，以产生具有高平均分子量的基本饱和 的链烷烃。这有时被称作“低温”费托合成。或者，该系统和方法可任选但有时优选使用变换费托催化剂，如铁基催化剂。这有时会被称作“高温”费托合成。尽管可使用其它催化剂体系和工艺条件，但典型的商业运行可使用基于钴或铁的催化剂。在一些优选方面中，可以将通常在费托产物料流中形成的基本饱和的链烷烃加工成高价值产品，如柴油燃料、喷气发动机燃料和润滑剂和/或可用作这些产品的调和原料。在一些方面中，该系统和方法可以更有效生产这些产品，同时还产生相当大量的电力(例如用于费托工艺和/或用于输出)，同时还有效利用整个工艺的碳输入。该系统可以就相对于输入的电和化学输出总和而言提供高的总效率。附加地或作为选择地，该系统可产生适合碳捕集/封存的CO₂料流(或一个或多个CO₂料流)。
合成气可用于制造可用于生产燃料、润滑剂、化学品和/或特种产品的各种产品和组分。将合成气转化成这些产品的一种方法包括费托法，其中合成气可以在催化剂上在升高的温度和压力下反应以产生长链烃(或烃质化合物)和含氧物(oxygenates)。最常用的催化剂可通常包括铁基催化剂(用于所谓的高温费托合成)和钴基催化剂(用于所谓的低温费托合成)。铁基催化剂，与其它相关催化剂一起，也可被称作变换催化剂，因为水煤气变换反应可以往往在这些催化剂上容易平衡。含钴催化剂和其它相关催化剂可以被称作非变换的，因为它们看起来在标准运行条件下基本不实施和/或催化水煤气变换平衡反应。
合适的费托催化剂的实例通常可以包括负载或未负载的第VIII族非贵金属，例如Fe、Ni、Ru和/或Co，含或不含助催化剂，例如钌、铼和/或锆。这些费托工艺通常可包括固定床、流化床和/或淤浆烃合成。在一些方面中，优选的费托工艺可以是使用非变换催化剂的费托工艺，如基于钴和/或钌，优选包含至少钴，优选含助催化剂的钴，该助催化剂包含锆和/或铼，优选是铼，尽管也可以使用其它助催化剂金属。可以通过任选作为催化剂载体的一部分添加各种金属，包括铜、铈、铼、锰、铂、铱、铑、钼、钨、钌或锆来增强这些催化剂的活性。这样的催化剂是公知的，优选催化剂描述在美国专利No.4,568,663以及欧洲专利No.0266898中。典型 费托工艺中所用的合成气进料可包含H₂和CO的混合物，其中H₂:CO以至少大约1.7，优选至少大约1.75，更优选1.75至2.5，如至少大约2.1和/或大约2.1或更低的比率存在。
费托工艺可以在各种系统，如固定床、淤浆床和多通道设计中实施。在各种方面中，费托工艺可以在多种多样的反应器，如小型反应器(例如每天1+桶)或极大反应器(例如每天10,000-50,000桶或更大)中使用。产物，通常烃蜡，可以原样使用和/或可通过各种公知化学工艺转化成其它(例如液体)组分。
通常，费托工艺可以在大约150℃至大约320℃(302℉-626℉)的温度范围内和在大约100kPaa至大约10MPaa的压力下运行。修改费托工艺内的反应条件可提供对反应产物的收率和/或组成的控制，包括对反应产物的链长的至少一定控制。典型反应产物可包括链烷(主要反应产物)，以及含氧物、烯烃、类似于烃但可能含有一个或多个不同于碳和氢的杂原子的其它烃质化合物、和各种附加反应副产物和/或未反应的进料组分的一种或多种。这些附加反应产物和进料组分可包括H₂O、未反应的合成气(CO和/或H₂)和CO₂等。这些附加反应产物和未反应的进料组分可形成尾气，其可以以气体形式(不同于非气体产物，如由该工艺生成的更典型的(所需)液体和/或烃质化合物)与费托工艺的主要反应产物分离。当费托工艺的目标是合成较长链的分子，如适合用作石脑油进料、柴油进料或其它馏出物沸程分子的化合物时，一些小(C1–C4)链烷、烯烃、含氧物和/或其它烃质化合物可能并入尾气中。来自费托合成的主要产物可以直接使用，和/或可视需要进行进一步加工。例如，用于形成馏出物沸程分子的费托合成工艺可生成一个或多个产物料流，其可随后脱蜡和/或加氢裂化以生成例如具有所需链长、粘度和冷流性质的最终产物。
费托工艺与熔融碳酸盐燃料电池的集成可以在该合成工艺和燃料电池之间集成工艺料流。费托工艺的初始合成气进料可以由与燃料电池相关的重整阶段生成。附加地或作为选择地，费托工艺生成的尾气可以再循环以向燃料电池的阳极提供补充的燃料料流，和/或向燃料电池阴极提供CO₂源。再附加地或作为选择地，该MCFC/费托系统可以与燃气轮机发电厂 和碳捕集的使用集成，以提供生产更大量电力和液体燃料的总装置。
在一些方面中，费托工艺生成的尾气可以以改进的方式使用以向阴极入口料流提供至少一部分CO₂。来自费托合成反应的尾气通常可被视为相对低价值的料流。该尾气可包括很大部分的CO₂并可能包括至少一些燃料组分，如CO、H₂、小链烷和/或小含氧物。由于燃料组分的相对较低浓度和/或CO₂的相对较高浓度，该尾气通常不可直接用作燃料。可以进行分离以试图从尾气中除去燃料组分，但就源自该分离的燃料量而言，这样的分离通常会是低效。
不试图从尾气料流中分离燃料组分，在各种方面中，可以进行分离以从尾气料流中分离一部分CO₂。这可导致形成CO₂料流以及尾气料流的剩余部分。这种分离策略可能提供几个潜在益处。当进行该分离以仅分离出一部分CO₂时，该分离可优选用于形成相对高纯度的CO₂料流。尽管剩余尾气流中的燃料浓度可能仅适度提高，但可以降低尾气料流的总体积，以使尾气料流的剩余部分更适合用作阴极入口料流的至少一部分，或可能使用该剩余部分作为阴极入口料流。在用作阴极入口料流前，可以将该尾气剩余部分中的燃料燃烧以形成CO₂和H₂O，任选同时还将该尾气剩余部分加热至所需阴极入口温度。要指出，在燃烧后控制该尾气料流的剩余部分的温度的一个选项可包括控制在该分离过程中除去的CO₂的量。这种类型的分离策略可有效利用尾气中的燃料而不必进行分离以分离出燃料。另外，当仅对尾气中的CO₂进行部分分离时，可以生成相对更纯的CO₂料流。这样的相对纯CO₂料流可以适合封存或用于涉及高纯CO₂的其它用途。
在一些方面中，费托工艺与MCFC的集成能实现与使用例如蒸汽重整器或自热重整器的传统工艺不同类型的工艺流。来自自热重整器的典型合成气输出可具有小于大约2:1的H₂:CO比。因此，在传统工艺希望改变H₂:CO比的程度上，该改变通常可以相当于相对于CO量提高H₂的量，例如提高到大约2:1。相反，在各种方面中，来自MCFC的阳极排气的组成可具有至少大约2.5:1，如至少大约3:1的H₂:CO比。在一些方面中，可能希望形成具有大约2:1的H₂:CO比，如至少大约1.7，或至少大约1.8，或至少大约1.9，和/或大约2.3或更低，或大约2.2或更低，或 大约2.1或更低的比率的合成气。在这样的方面中，为了实现所需比率，可以相对于CO量降低H₂的量。这可以使用反向水煤气变换反应、使用膜分离出(高纯)H₂流或通过任何其它方便的改变H₂:CO比的方法实现。
费托合成可获益于MCFC系统的许多特征。通常，由甲烷通过费托法制成的合成气可通过涉及使用与来自空气的纯化氧气反应的甲烷的蒸汽重整、自热重整或部分氧化制成。这样的系统会需要相当大量的资本设备(空气分离器)并且还必须使用各种预气体净化和后气体净化步骤以产生具有正确的H₂/CO比的合成气，其还需要脱除不合意的杂质。对毒物如硫敏感的更高效的Co催化剂基(非变换)系统尤其如此。费托系统可需要大量的热管理和/或热交换并可以在相对高温下发生。
MCFC系统在发电过程中可进行合成气生产并可由于位于阳极中的大量催化剂(通常Ni基)(其可耐受和/或除去大多数费托毒物)而产生清洁的合成气。因此，在MCFC中可以至少部分进行气体加工、热交换和/或净化。此外，可以相对容易实现所需H₂/CO比，因为阳极流出物具有足量的所有四种水煤气变换组分并可通过水和/或CO₂脱除和/或附加WGS(或反向变换)的组合简单调节。
由于该反应的放热性质，费托反应器通常可产生大量蒸汽。根据装置位置，有效利用蒸汽可能是困难的。当与发电的MCFC系统结合时，该系统可提供许多区域——在此热集成可使用费托过量蒸汽/热。可能的集成实例可包括加热在除去CO₂后(如在低温脱除后)的反应物、加热输入的阴极氧化剂(空气)(如果其来自低温CO₂源)和/或集成到已存在的用于由MCFC联合循环发电的热回收蒸汽发生系统中。
费托工艺通常可产生一定量的不容易并入液体产物中的C1至C4烃(可能包括C1至C4含氧物)。这样的C1至C4烃和/或含氧物可直接或借助预重整器再循环到MCFC并可用于制造电力和/或再循环合成气。
对于CO₂的使用具有附加价值的装置，从阳极排气中捕集的CO₂的分离可提供另外的集成机会。这样的CO₂可用于例如二次采油、用于回注到井中或用于其它工艺，在此其可改变用途而非浪费在大气排气中，同时增强整个系统。
综合费托熔融碳酸盐燃料电池(FT-MCFC)系统的阳极进料可包含或是新鲜甲烷进料、另一类型的烃或烃质进料、基于一个或多个来自费托反应器和/或来自后继加工步骤的含有CO、CO₂、H₂和轻质烃的一种或多种的再循环料流的进料，或其组合。优选地，该阳极进料可包含或是天然气和/或甲烷。来自MCFC系统的阳极输出物可直接使用，或更通常可经过各种工艺以调节H₂/CO比和/或降低水和CO₂含量，以针对费托合成优化。这样的调节工艺可包括分离、水煤气变换反应、冷凝和吸收等，以及它们的组合。
阴极进料可含有CO₂并可衍生自单独的燃烧工艺(如果存在)(例如来自燃气轮机和/或其它CO₂流出物)。附加地或作为选择地，该阴极进料可以至少部分由来自MCFC阳极的料流的再循环(在分离后)和/或由来自费托工艺的再循环生成。再附加地或作为选择地，该阴极入口料流可含有衍生自费托工艺尾气的CO₂。再附加地或作为选择地，阴极进料可部分衍生自新鲜甲烷或烃进料的燃烧。阴极流出物通常可排放到大气中(任选但优选在热回收以例如向其它工艺料流和/或在联合循环发电中供热后)，尽管如果需要，阴极流出物可任选但较不优选送往进一步处理。
可以调节MCFC燃料利用条件以相对于合成气输出提供所需量的电能。对于电力需求大的用途(例如在极大型的海上原油平台上的小型气体生产)，该FT-MCFC系统可成比例地产生更大的电力。基于大规模转化的操作(其中存在大量基础设施)可产生各种电/化学混合物并可基于当地需求改变输出。
图6示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施费托合成的反应系统的集成的一个实例。在图6中，熔融碳酸盐燃料电池610示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。燃料电池610可接收阳极输入料流605，如可重整燃料料流和含CO₂的阴极输入料流609。来自燃料电池610的阴极输出未显示在图6中。来自燃料电池610的阳极输出615然后可以任选但优选经过一个或多个分离阶段620，其可以以如下文所述和如图1和2中进一步例示的任何所需顺序包括CO₂、H₂O和/或H₂分离阶 段和/或一个或多个水煤气变换反应阶段。分离阶段可产生一个或多个料流，相当于CO₂输出料流622、H₂O输出料流624和/或H₂输出料流626。分离阶段还可产生适合用作费托反应阶段630的进料的合成气输出625。
在图6中所示的图表中，阳极出口可产生含有相对大量的水和CO₂以及表现出高于优选的2:1比率的H₂:CO比的合成气。在一系列步骤中，可以将该料流冷却以除去水，然后经过CO₂分离阶段以除去大部分CO₂。阳极出口料流和/或所得流出物可具有相对较高的H₂:CO比(通常大约2.5至大约6:1，例如大约3:1至大约5:1)和足够的CO₂以向反向水煤气变换反应提供反应物。然后可以将阳极出口料流和/或所得流出物加热到相对较高的温度(通常大约400℃至大约550℃)，在此CO₂可以与H₂反应产生CO+H₂O。所得气体可表现出接近传统2:1的H₂:CO比。然后可以将这种气体送入含有非变换费托催化剂的费托反应器。作为一个选择，从能量管理的角度看，可能希望先进行反向水煤气变换反应，然后以方便的顺序分离出CO₂和H₂O。
费托反应阶段630可产生费托产物635，其可以直接使用或可经过进一步处理，如附加加氢处理。如果需要，费托蜡的加氢处理通常可以在氢气存在下在升高的温度和压力下实现以产生可以是有用产物如柴油调和原料和/或润滑油基础油料的材料(如至少一种非气体产物)。附加地或作为选择地，费托反应阶段630可生成尾气637，其可任选再循环用作再循环燃料645，例如用于燃料电池610的阳极和/或阴极部分。在大多数情况中，优选将这种料流至少再循环到阴极，在此残留燃料组分(CO、H₂和轻质烃)可以与氧化剂(空气)混合和燃烧以达到适合阴极进料的温度。任选地，来自分离阶段620的CO₂输出622可用作燃料电池610的阴极的至少一部分进料(未显示)，尽管这通常不优选。
在大多数实施方案中，来自MCFC系统的合成气输出可用作费托工艺的合成气来源。在变换FT催化剂(如Fe基催化剂)的情况下，该变换催化剂可以在产生费托产物的反应条件下通过水煤气变换反应(或反向水煤气变换反应)调节H₂/CO比，即使不同于传统的2:1。尽管在某些实施方案中可能需要更低的H₂:CO比，独立的系统可选择在暴露在变换催化剂下 之前调节或不调节这一比率。在一些方面中，当使用变换催化剂时可以减少或最小化在引入前的CO₂除去。当使用基于钴的费托合成催化剂(或另一类型的非变换催化剂)时，该合成催化剂通常对在费托反应条件下进行水煤气变换反应没有有意义的活性。因此，暴露在非变换费托催化剂下的合成气料流中存在的CO₂可主要充当稀释剂，因此基本不干扰费托反应，尽管其倾向于因稀释而降低反应器生产率。但是，由于该催化剂的非变换性质，该催化剂不能轻易调节进入费托反应器的合成气的H₂:CO比。
图7示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施费托合成的反应系统的集成的另一个实例。图7中所示的配置可以例如适用于更大规模的系统。在图7中，熔融碳酸盐燃料电池710示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。燃料电池710可接收阳极输入料流705，如可重整燃料料流和含CO₂的阴极输入料流709。阴极输入料流709可相当于来自燃烧供能轮机的排气、来自集成费托/MCFC系统中的另一气流的再循环料流、已燃烧生热的甲烷料流和/或可以在燃料电池的所需温度下提供CO₂的另一方便的料流。阴极输入料流709通常可包括一部分含氧料流。来自燃料电池710的阳极输出715可以首先经过反向水煤气变换阶段740以改变阳极排气中的H₂:CO比。改变的阳极排气745然后可送入一个或多个分离阶段720，其可以包括CO₂和H₂O分离阶段。分离阶段可产生一个或多个料流，相当于CO₂输出料流722和/或H₂O输出料流724。任选但优选地，要用于费托工艺的来自该分离阶段的输出可具有小于阳极排气的CO₂浓度的一半的CO₂浓度、小于阳极排气的H₂O浓度的一半的H₂O浓度、或其组合。可以在一些或所有分离阶段720后使用压缩机(未显示)以实现费托反应过程所需的输入压力。任选地，附加地或作为选择地，可以生成H₂输出料流(未显示)。分离阶段通常可产生可适合用作费托反应阶段730的进料的合成气输出725，如非变换费托合成催化剂。费托反应阶段730可产生费托液体产物735、低沸C2–C4化合物732和尾气737。可以将低沸C2–C4化合物与液体产物分离，然后进一步分离以用作产物和/或进一步反应的原材料。附加地或作为选择地，可以使C2–C4化合物与 尾气737留在一起并可以在燃烧后再循环到例如阴极以向燃料电池阴极提供热和CO₂。
集成用途的实例–分布式处理
对于一些费托用途，如在分立区域中的那些，联合FT-MCFC系统可以有的优点在于尺寸适合提供至少一部分运行该系统的本地电力，并且附加地或作为选择地，提供用于其它设施或地点的额外动力，同时将超过这一需求的附加的烃进料转化成更高价值的产品。提供的动力可以是该系统和/或地点所需的一部分动力或全部动力。这样的装置可包括独立的陆上气体源、安装在船舶和/或平台上的海上装置等。由于容易基于燃料电池堆或阵列的尺寸和数量调节MCFC系统的尺寸，可以集成从极小到世界级规模装置的任何可想到的规模。
费托合成传统上在以极大规模实施时最实用。这主要归因于几个核心工艺(包括空气分离、甲烷重整成合成气(例如通过自热重整、催化部分氧化等)和烃合成反应器)的规模经济性。传统上，单个工艺“流程(trains)”可生产每天多于10,000桶产物，并在商业上已实施每天3万-15万桶的总装置规模。对于这种规模的运行，需要极大气体存量(gasdeposits)，这从经济合理的角度将该技术的应用仅局限于少数气藏。
不同于这样的传统大规模运行，在一些方面中，提供用于可有利地用于较小气体存量的高效系统中使用费托合成的方法和系统。该方法和系统可使用MCFC生产合成气以供给费托反应器并且不必包括传统大规模装置的许多复杂性。该MCFC系统能够生产用于各种子系统，如压缩机和泵的至少一部分(和可能全部)电力，同时由合成气极高碳转化成液体产物。其可以在各种配置中与变换或非变换催化剂一起使用并可适用于高温或低温费托工艺。
如上所述，合适的费托催化剂的实例通常可包括负载或未负载的第VIII族非贵金属，例如Fe、Ni、Ru和/或Co，含或不含助催化剂，例如钌、铼和/或锆。这些费托工艺通常可使用反应器，如固定床、流化床和/或淤浆烃合成实施。一些费托工艺可使用非变换催化剂，如基于钴和/或钌， 优选包含至少钴，优选含助催化剂的钴，该助催化剂包含或是锆和/或铼，优选包含或是铼。这样的催化剂是公知的，优选催化剂描述在美国专利No.4,568,663以及欧洲专利No.0266898中，两者关于此类催化剂及其物理化学特性的描述都经此引用并入本文。费托工艺中所用的合成气进料可包含H₂和CO的混合物，其中H₂:CO以至少大约1.7，优选至少大约1.75，更优选1.75至2.5，如至少大约2.1和/或大约2.1或更低的比率存在。对于非变换催化剂，MCFC产生的合成气通常可以一开始具有明显高于2:1的H₂:CO比，并可以使用附加工艺将该合成气混合物“移向”更接近大约2:1的传统H₂:CO比。
或者，可以使用变换催化剂(如Fe基催化剂)。尽管变换催化剂的产物分布和总生产率有时可以被认为不如非变换体系，但基于变换催化剂的系统可具有能够使用更宽范围的合成气混合物(具有更宽范围的H₂:CO比)的显著优点。传统上，变换催化剂主要用于适应具有通常大约0.7至大约1.5的H₂:CO比的煤源合成气。相反，本文所用的合成气混合物可含有过量H₂，还可含有大CO₂百分比。包含变换催化剂的系统可以有利地“反向变换”这些混合物，使H₂与CO₂反应产生用于费托反应器的额外CO，在一些实施方案中不需要将反应物预变换至大致2:1H₂:CO比。
在分布式处理环境中，费托工艺可以在大约150℃至大约330℃(大约302℉至大约626℉)的温度范围内和在大约100kPaa至大约10MPaa(大约1bara至大约100bara)的压力下运行。修改费托工艺的反应条件可提供对反应产物的收率和组成的控制，包括对反应产物的链长的至少一定控制。典型反应产物可包括链烷(主要反应产物)以及含氧物、烯烃、类似于烃但可能含有一个或多个不同于碳或氢的杂原子的其它烃质化合物和/或各种附加反应副产物和/或未反应的进料组分的一种或多种。这些附加反应产物和进料组分，当存在时，可包括H₂O、未反应的合成气(CO和/或H₂)、CO₂和N₂的一种或多种。附加地或作为选择地，这些附加反应产物和未反应的进料组分可形成尾气，其可以与费托工艺的主要反应产物分离。当费托工艺的目标是合成较长链的分子，如适合用作石脑油进料、柴油进料和/或其它馏出沸程分子的化合物时，一些小(C1–C4)链烷、烯烃、 含氧物和/或其它烃质化合物可能并入尾气中。来自费托合成的主要产物可以直接使用，和/或可进行进一步加工。例如，用于形成馏出沸程分子的费托合成工艺可生成一个或多个产物料流，其可随后脱蜡和/或加氢裂化以生成具有所需链长、粘度和冷流性质的最终产物。
在典型运行条件下，MCFC阳极排气的代表性气体组成可具有可以为大约2.5:1至大约10:1并在大多数实施方案中可以在大约3:1至大约5:1范围内的H₂:CO比。这种阳极排气组合物还可含有显著量的水和CO₂。
集成的MCFC-FT系统可允许可有利使用的几个备选配置的任何一个或多个，免除传统费托法的典型工艺。在与传统配置具有一些相似性的方面中，可以将来自阳极排气的合成气移向更接近2:1H₂:CO比(例如大约2.5:1至大约1.5:1，大约1.7:1至大约2.3:1，大约1.9:1至大约2.1:1，大约2.1:1至大约2.5:1，或大约2.3:1至大约1.9:1)并可以除去大多数(至少一半)的CO₂和H₂O。或者，在另一配置中，来自阳极排气的合成气可以在没有任何组成变化的情况下原样使用，但可将温度和压力简单调节到适当的费托催化剂条件。在再一配置中，来自阳极排气的合成气可以在没有(水煤气)变换的情况下使用，但可以冷凝和大部分地除去水，以产生包含H₂、CO和CO₂及少量(通常<5％)其它气体的合成气。在又一配置中，可任选除去水，然后可以使来自阳极排气的合成气在水煤气变换反应器中反应以“反转“该变换过程，由此将更多CO₂转化成CO并再平衡H₂:CO比以更接近大约2:1(例如大约2.5:1至大约1.5:1，大约1.7:1至大约2.3:1，大约1.9:1至大约2.1:1，大约2.1:1至大约2.5:1，或大约2.3:1至大约1.9:1)。在另一配置中，在该变换过程之后或之前可以分离一些CO₂以提供用于碳捕集的CO₂和/或降低来自阳极排气的合成气中的CO₂稀释。
在传统费托工艺中，含有未反应的合成气的尾气，与甲烷和其它C1-C4气体一起，可代表未使用的反应物和低价值产物。对于极大规模的装置，这些轻质气体可能需要额外加工(例如将C2和C3分子裂化成用于塑料的烯烃、回收液化丙烷气或丁烷，等)。可以将未转化的合成气和甲烷再循环到费托合成反应器，这代表效率损失和反应器吞吐量的损失。在分布式系统环境中，一些或所有未转化成产物液体的轻质气体可以更有利地用作 燃料电池阳极的进料和/或可以更有利地用于向燃料电池阴极提供CO₂源。
在用于分布式环境中的MCFC-FT系统的工艺流的一个实例中，来自MCFC的阳极排气可以在减少的或最小量的加工后用作费托反应系统的进料。如果费托催化剂是变换催化剂，可以将阳极排气压缩到适合费托反应的压力。压缩工艺可能碰巧和/或有意导致一定程度的水分离/脱除。如果费托催化剂是非变换催化剂，可以进行附加的反向水煤气变换反应，通常在压缩前，以调节阳极排气中的合成气H₂:CO比。任选地，不仅或代替反向水煤气变换反应，还可以使用透氢膜、其它透气膜或其它分离技术以作为调节阳极排气中的H₂:CO比的一部分分离出(高纯)H₂料流。在其它方面，可避免阳极排气的附加分离和/或改性，以使阳极排气可在最低加工下用于费托系统。由于该阳极排气可具有显著CO₂含量，减少或最小化在使用一部分阳极排气作为费托工艺的进料前的分离和/或改性数可产生也可含有显著CO₂含量的费托输入料流。例如，费托输入料流中的CO₂浓度(如以体积％计)可以为阳极排气中的浓度的至少大约60％，或至少大约65％，或至少大约70％，或至少大约75％，或至少大约80％，或至少大约85％，或至少大约90％。由于来自MCFC的阳极排气的CO₂含量以及费托系统独立生成大量CO₂的倾向，在费托产物流出物中可存在相当显著的CO₂浓度。这种CO₂可以至少部分与费托系统的其它产物分离以供封存/捕集、进一步加工和/或用于一个或多个其它工艺。
图8示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施费托合成的反应系统的集成的一个实例。图8中的配置适用于小规模或其它分布式环境设置。在图8中，熔融碳酸盐燃料电池810示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。燃料电池810可接收阳极输入料流805，如可重整燃料料流和含CO₂的阴极输入料流809。阳极输出815可经过任选的反向水煤气变换阶段840。例如，如果费托反应阶段830包括变换催化剂，可以省略水煤气变换阶段840。然后可以将任选变换的阳极排气845送入压缩机860以实现费托反应阶段830所需的输入压力。任选地，可以在压缩860之前、之中和/或之后除去864该任选变换的阳极排气845中存在的一 部分水。费托反应阶段830可产生费托产物835，其可以直接使用或可经过进一步处理，如附加加氢处理。费托反应阶段830还可生成尾气737，其可再循环用作用于燃料电池810的阴极部分的再循环燃料845。在再循环之前，可以从该尾气中分离尾气837中存在的至少一部分862CO₂。或者，可以在将费托产物835与尾气837分离之前、之中和/或之后进行CO₂的分离。
实例1–MCFC与小规模FT加工系统的集成
这一实例描述与MCFC的运行集成的小规模费托工艺的运行以提供用于费托工艺的合成气进料。这一实例中的费托工艺可生成每天大约6000桶的费托液体产物。这一实例中的用于将MCFC与费托工艺集成的配置是对图8中所示的配置的一种变型。因此，在这一实例中，可以在将阳极排气引入费托工艺之前对阳极排气进行降低量或最小量的分离或改性。在这一实例中，显示从费托尾气中分离CO₂以供捕集的情况和不进行捕集的情况的模拟结果。在这一实例中，阳极进料包含新鲜甲烷，如来自小的本地资源的甲烷。阴极进料在这一实例中基于利用该尾气的燃烧形成阴极进料，任选在分离CO₂以供封存后。但是，可以由任何方便的来源提供阴极进料。
图9显示来自在几组不同条件下进行的模拟的结果。在图9中，前两列显示在费托反应中使用Co基(非变换)催化剂的模拟结果，而第三和第四列显示使用Fe基(变换)催化剂的结果。对于Co基催化剂，对阳极输出料流进行附加的“反向”水煤气变换以将H₂:CO比降至接近所需2:1比率的值。当使用Fe基催化剂时，在将该部分的阳极输出料流引入费托系统之前，不对该阳极输出进行这种附加的变换反应。第一和第三列显示来自无CO₂捕集的系统的模拟结果，而第二和第四列显示来自从费托尾气中分离CO₂以供封存的系统的模拟结果。对第二和第四列选择相当的CO₂脱除量，同时仍在阴极中提供足够的CO₂以保持阴极排气中至少～1％CO₂含量。在所有这些模拟中，阳极中的燃料利用率为大约35％。大约40％的甲烷在燃料电池中重整，其余甲烷在更早的集成重整阶段中重整。阳极进 料中的汽碳比为大约2。与来自蒸汽轮机的动力对应的行代表通过从阴极排气中回收热生成的额外动力。
不同于蒸汽重整器，MCFC可生成电力，同时也重整燃料和辅助从阴极输入料流中分离CO₂。因此，甚至对于小规模费托系统，该集成MCFC-FT系统也可提供相对于输入的碳量合理的净效率。如图9中所示，相对于用于加热该系统和燃料电池阳极的燃烧器的净碳输入，费托液体的总装置生产效率为大约60％至大约70％，如至少大约63％。总装置效率代表相对于总输入，基于该装置的总电和化学(费托液体产物)输出的效率。
实例2–MCFC与FT加工系统的集成
这一实例描述与MCFC的运行集成的费托工艺的运行以提供用于费托工艺的合成气进料。也通过使用来自燃气轮机的排气作为MCFC的阴极进料来将燃烧轮机与这种工艺集成。用于将MCFC与费托工艺集成的配置是对图7中所示的配置的变型。在这一实例中，显示在输入费托工艺前从阳极排气中分离CO₂的第一配置和取而代之地从费托尾气中分离CO₂的第二配置的结果。这两种配置都使用非变换催化剂，因此在这两种模拟中都进行反向水煤气变换以调节H₂:CO比。在这一实例中，阳极进料包含新鲜甲烷。
图10显示来自进行的模拟的结果。在图10中所示的模拟中，大约30％的燃料利用率用于燃料电池。就综合电力发生和费托产物生成而言的总效率为大约61％，这类似于来自实例1的模拟的效率。但是，在这一实例中总效率的大约40％相当于电力发生。
与甲醇中间和最终产物的生产集成
通常由合成气混合物，如包含CO、H₂和任选CO₂的混合物在高压和高温下制造甲醇。传统上，大多数甲醇厂可以使用天然气作为原料并可以通过常见方法，如蒸汽重整、自热重整或部分氧化生成合成气。大多数常见配置使用可产生相对较低的单程转化率并可以涉及显著再循环的催化 剂，随之产生各种废气和吹扫料流(purgestreams)。
甲醇合成与熔融碳酸盐燃料电池的集成可以提供为更高效率和/或更低排放设计的新型配置。在甲醇合成过程中，一氧化碳和氢可以在催化剂上反应产生甲醇。市售甲醇合成催化剂可以是高选择性的，在最优化的反应条件下可实现大于99.8％的选择性。典型反应条件可包括大约5MPa至大约10MPa的压力和大约250℃至大约300℃的温度。关于用于甲醇合成的合成气输入，优选的H₂/CO比(大约2:1H₂:CO)不匹配通过蒸汽重整生成的典型比率。但是，促进由合成气形成甲醇的催化剂有时另外促进水煤气变换反应。因此，下列反应图式表明CO₂也可用于形成甲醇：
2H₂+CO＝>CH₃OH
3H₂+CO₂＝>CH₃OH+H₂O
对于甲醇合成反应，可通过模数值M表征合成气输入的组成：
M＝[H₂-CO₂]/[CO+CO₂]
接近2的模数值通常可适用于甲醇生产，如至少大约1.7，或至少大约1.8，或至少大约1.9，和/或小于大约2.3，或小于大约2.2，或小于大约大约2.1的M值。由上述模数值方程可以注意到，除H₂与CO的比率外，合成气中的CO/CO₂比也会影响甲醇合成反应的反应速率。
在运行过程中，作为能够发电的内部反应的一部分，熔融碳酸盐燃料电池可以将CO₂从燃料电池的阴极侧传送到阳极侧。因此，熔融碳酸盐燃料电池可以既提供电能形式的额外功率，又提供可调节以用作甲醇合成的合成气进料的阳极排气。该电力通常可用于以高效率向压缩机、泵和/或其它系统供能。在一些方面中，可以设定MCFC系统的总体尺寸以提供至少一部分(或可能全部)必需的现场电力或任选可以为电网生成额外电力。由于降低或将传输损耗减至最低，现场发电更有效。附加地或作为选择地，该电力可以容易作为AC、DC或两者的混合物提供，任选在许多电压和电流下。这可减轻或可能消除对变换器和/或会进一步降低电效率的其它电力电子装置的需求。再附加地或作为选择地，可以由输入燃料材料(可从中捕集CO₂)生成MCFC电力，而非由不同的和场外电源发电。可以以可集成到合成气生产和各种吹扫料流或废气料流的加工中的方式生成这种 电力。
来自MCFC阳极的输出料流可含有相对较高浓度的H₂、CO₂和水，以及相对较低浓度的CO。通过分离、(反向)水煤气变换反应和/或其它方便的机制的组合，可以调节阳极排气和/或衍生自/提取自阳极排气的料流的组成。该组成的调节可包括除去过量水和/或CO₂、调节H₂:CO的比率、调节模数值M或其组合。例如，当总体燃料利用率为大约30％至大约50％时，典型的MCFC阳极输出可具有大约4:1的H₂:CO比。如果使阳极排气经过除去一部分CO₂的阶段(例如简单深冷分离)，可以下调CO₂浓度直至“M”值更接近大约2。作为一个益处，这种类型的方法可产生纯化CO₂料流，其可用于其它工艺和/或脱除以降低该装置的总体CO₂排放。
各种配置和策略可用于将熔融碳酸盐燃料电池与甲醇合成集成。在一种配置中，可以利用H₂O和/或CO₂的分离和/或水煤气变换反应调节阳极排气的M值，和/或可以从阳极排气中提取一部分阳极排气，如气流，以更接近所需M值。附加地或作为选择地，可以提高H₂产量/使燃料电池的H₂产量最大化，例如通过降低燃料利用率，例如使得也可从阳极排气和/或从取出的合成气料流中分离额外的H₂料流。
在典型的甲醇厂中，由于单程转化率低，大百分比的反应器排气可以在回收甲醇液体后再循环。对于具有高再循环量的大多数配置，该工艺(例如甲烷)中的惰性物累积会需要大量可以富含非反应性组分的吹扫料流。在最好的情况下，传统配置可能燃烧吹扫料流以供热集成，或更可能仅将吹扫料流排放到环境中。要指出，在这种类型的传统配置中，未并入甲醇中的碳通常被排放到环境中，可能造成高CO₂排放。
图11示意性显示可以将MCFC与甲醇合成工艺集成的配置的一个实例。图11中所示的配置可以改进传统系统的一个或多个缺陷。例如，在一些配置中，除来自MCFC的电输出外，还可以将来自MCFC的热输出送入热回收蒸汽发生工艺(HRSG)以发电。附加地或作为选择地，调节合成气的M值的工艺可产生富含CO₂的分离产物，其可用于部分再循环到燃料电池阴极和/或可提纯成单独的纯度提高的CO₂产物。
在一些配置中，可以将来自甲醇合成反应的输出物分离成液体醇产物、再循环合成气料流和排出的吹扫气(ventedpurge)。排出的吹扫气可含有合成气组分、燃料组分(例如甲烷)和惰性物。至少一部分排出的吹扫气可用作阳极和/或阴极进料组分。对于液体醇产物，通常将收集的液体产物送入分离系统，如蒸馏塔，在此可以取出纯化甲醇并可作为废物料流产生塔底产物(例如由更高级的醇构成)。在传统系统中，排出的吹扫气和/或废物料流可用于生成用于加热合成气生产的蒸汽。传统系统中的这种应用可以部分基于对料流再循环到甲醇合成工艺时可能的惰性物累积的担忧。相反，在各种方面中，甲醇合成工艺的任何副产物(如排出的吹扫气和/或更重的醇，例如含有两个或更多个碳)可以在MCFC系统中用于产生更多合成气和/或作为碳源(在燃烧后)以产生CO₂，例如用于阴极。可以排出引入阴极的不可重整的惰性物(例如氮)，同时可以将过量燃料分子转化成热和可以容易在阴极内利用的CO₂。因此，MCFC与甲醇合成工艺的集成可以改进来自甲醇合成的副产物料流的集成，因为MCFC可避免惰性物的过度累积，同时仍能利用燃料组分，以及能将CO₂分离到更高浓度的输出料流，如阳极排气中。
任选但优选地，熔融碳酸盐燃料电池与甲醇合成的集成可包括与涡轮机，如燃气轮机的集成。由于甲醇合成可获益于至少一些CO₂(如M值所示)，为燃料电池的阴极入口提供外部CO₂源可提供额外益处。甲醇合成会需要大量电力，其中至少一部分(或可能全部)可由MCFC和/或燃气轮机提供。如果由MCFC提供电力，则至少一部分设备(泵和压缩机)可以用直流电运行。附加地或作为选择地，如果使用燃气轮机，则该燃气轮机可以生成蒸汽，并可以使用来自该涡轮机的蒸汽驱动压缩机和甲醇再循环。作为集成系统的一个实例，可通过甲烷重整(和/或通过另一可重整燃料的重整)生成阳极入口的输入料流。阴极入口的CO₂可来自同处一地的涡轮机、来自从阳极排气中分离的CO₂和/或来自另一来源。要指出，由燃气轮机之类的来源而非来自阳极排气的CO₂再循环为阴极入口提供CO₂可避免对加压/减压循环的需求。再附加地或作为选择地，可以使用热集成以使来自甲醇合成反应器的低量热可用于MCFC的前端，例如用于加湿。
图12示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施甲醇合成的反应系统的集成的一个实例。在图12中，熔融碳酸盐燃料电池1210示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。然后可以使来自燃料电池1210的阳极输出1215经过一个或多个分离阶段1220，其可以以如下文所述和如图1和2中进一步例示的任何所需顺序包括CO₂、H₂O和/或H₂分离阶段以及水煤气变换反应阶段。分离阶段可产生一个或多个料流，相当于CO₂输出料流1222、H₂O输出料流1224和/或H₂输出料流1226。要指出，在一些方面中，由于调节燃料电池运行参数以实现合成气输出中的所需M值，可能不存在CO₂输出料流1222和H₂输出料流1226。分离阶段可产生适合用作甲醇合成阶段1230的进料的合成气输出1225。甲醇合成阶段1230可产生甲醇产物1235，其可以直接使用和/或可经过进一步加工，如用作进一步工艺的进料，如甲醇制烯烃和/或甲醇制汽油反应系统中的进料。任选地，来自分离阶段1220的CO₂输出1222可用作燃料电池1210的阴极的至少一部分进料(未显示)。
作为由阳极排气生产和/或提取合成气料流的一个实例，一方面，可以首先将来自阳极的流出物或排气冷却，然后加压至MeOH合成压力，如大约700psig(大约4.8MPag)至大约1400psig(大约9.7MPag)的压力。在这样的压力下可以更容易分离CO₂以实现合成气料流的所需M值，如通过深冷分离。附加地或作为选择地，如果M比率偏离所需值，可以调节M值，例如通过过量合成气经阳极输入回路再循环(吹扫)来调节M值。在一些情况中，CO₂可以累积在再循环回路中，这也可以再循环到(深冷)分离回路。
图11显示包括MCFC和甲醇合成工艺的集成系统的另一实例。在图11中，作为一个实例，该配置可以适于用集成的MCFC-催化反应器系统将天然气/甲烷转化成甲醇。在这种类型的配置中，MCFC可产生中间合成气，可将其送入用于甲醇生产的催化反应器。在典型的天然气制甲醇工艺中，可以在自热反应器(ATR)中通过甲烷蒸汽重整生成合成气。可以回收来自ATR的热以产生用于该工艺的其余部分的电和蒸汽。在SRI ProcessEconomicsProgramReport49ConMethanol(参见Apanel,GeorgeJ.,Methanol-ReportNo.39C.SRIConsulting,2000年3月)中记载了三种商业工艺。来自该报告的两段法可用作甲醇合成工艺的代表性实例。这种两段法用作本文所述的模拟的比较基础。
图11显示该集成工艺的图。可以将来自转化反应器的排出气体1101和重质(C₂₊)醇副产物1102和一部分阴极排气1103送回MCFC阴极进料燃烧器1190。可以燃烧空气1104、甲烷1105、排出气体1101、醇副产物1102和阴极排气1103以产生热阴极进料1106。通过预热阳极甲烷进料1107，可以将阴极进料1106冷却到入口工作温度，然后送入阴极。可以将阳极(甲烷)进料1107和蒸汽1108送入阳极。MCFC1130可产生脱CO₂的热阴极排气1109和可主要含有H₂/CO₂/CO和水的热阳极排气1110。可以在各种条件，包括具有降低的燃料利用率，如大约50％或更低的燃料利用率的条件下运行MCFC1130。可以通过部分预热阳极甲烷和/或其它燃料进料1107来冷却阴极排气1109，然后可以送往热回收蒸汽发生系统(HRSG)1162以回收更多热和/或生成用于该工艺的蒸汽。可以将冷却的阴极排气1124分成可再循环到阴极进料燃烧器的料流1103和可排放到大气中和/或视需要进一步处理(未显示)的料流1121。可以在HRSG1164中回收1121中的余热。可以将阳极排气1110送往HRSG，如HRSG1162。可以将冷却的阳极排气分流成或分隔成料流1111和1112，将料流1111送入水煤气变换反应器1140以产生变换的分流1113。可以将变换的分流1113与第二分流1112合并，并送往分离器1150，在此可以将其脱水1114并分离成M＝大约2的合成气料流1115和主要含有CO₂的剩余料流1116。可以将含CO₂料流1116压缩并销售使用和/或送往封存设施。可以确定料流1111和1112之间的分流比以使合成气1115可以具有甲醇转化反应器进料所需的M值。可以将合成气1115与反应器再循环料流1117合并。可以将合并的料流压缩、加热并送入转化反应器1170以产生流出物1118。流出物1118可以例如闪蒸以回收反应器再循环料流1117和产物料流1119。可以从产物料流1119中回收甲醇1123，同时也作为副产物生成排出气体1101和重质醇副产物(含有2个或更多碳)1102。
可以确定MCFC工艺的规模以产生甲醇转化反应器所需的合成气进料。在此实例中提供的计算中，确定MCFC的规模以基于所选的代表性工艺产生用于每天～2500吨(tpd)的甲醇转化反应器的合成气。基于使用质量和热平衡考量进行的计算，计算出该MCFC生产大约176MW。关于工艺流的另一些细节显示在图13中，其显示图11配置内的流的组成。各列顶部的数字对应于图11中的标识符。由MCFC生成的一部分电力可用于合成气分离和压缩，而其余部分可用于该工艺的其它部分和/或输出。另外，基于该计算，从MCFC阳极和阴极流出物料流中回收的热生成至少～3146tpd的高压蒸汽，其足以满足该计算中建模的代表性甲醇合成工艺的蒸汽和加热需求。要指出，对于涉及MCFC的计算，在确定MCFC是否可以向合成工艺提供进料时不考虑与自热重整相关的任何设施(utilities)。假设分离出的含CO₂料流1116可销售使用和/或封存，则图11中所示的集成工艺可提供与传统工艺相比具有降低的CO₂排放的由天然气(甲烷)生产甲醇的方法。表B显示所选的文献对比配置排放出的CO₂计算量，以及基于图11中配置计算出的降低的CO₂排放。对于表A中的基础情况计算，假设来自自热重整器的排气和来自天然气锅炉的废气是最大的排放源。
表B

kg CO₂/生产的kg MeOH两段法(基础情况)0.318MCFC+两段法转化反应器0.025
要指出，在甲醇合成工艺的过程中可生成一些二甲醚(DME)和丁醇(C₄H₉OH)。二甲醚可以是可用甲醇合成工艺中生成的甲醇制造的后续产品的一个实例。更通常，甲醇可用于生成各种附加产品，如二甲醚、烯烃、燃料如石脑油和/或柴油、芳族化合物和其它工业上有用的产品及其组合。附加地或作为选择地，MCFC可以集成到将甲醇合成装置的输出物送入用于生产另一产品的附加反应系统的合成工艺中。如上文对与甲醇合成工艺的集成所述，这样的集成可包括提供合成气输入、为该系统供电、处理价值较低的输出料流和/或分离出具有提高的CO₂浓度的料流。
与含氮中间体和最终产物的生产集成
通常由H₂和N₂通过Haber-Bosch工艺在升高的温度和压力下制造氨。传统上，进料可以是a)可由通常可需要蒸汽甲烷重整、水煤气变换、除水和痕量碳氧化物经甲烷化转化成甲烷的多步工艺制成的纯化H₂；和b)可通常由空气通过变压吸附生成的纯化N₂。该工艺可以是复杂和能量密集的，且该工艺设备可极大获益于规模经济。使用熔融碳酸盐燃料电池的氨合成工艺可提供相对于传统工艺的一个或多个优点，包括但不限于额外发电、降低的复杂性和/或更好的可扩展性。附加地或作为选择地，使用熔融碳酸盐燃料电池的氨合成工艺可提供降低CO₂产量和/或生成用于其它工艺的CO₂的机制。
在各种方面中，该MCFC系统可生成合成气作为输出。该合成气可以基本不含任何需要脱除的杂质，如硫，且该合成气可提供用于氨合成的H₂源。阳极排气可以首先在水煤气变换反应器中反应以使H₂相对于CO的量最大化。水煤气变换是公知反应并通常可以在“高”温(大约300℃至大约500℃)和“低”温(大约100℃至大约300℃)下用产生较快反应速率但具有较高出口CO含量的较高温催化剂进行，接着使用低温反应器以进一步将合成气变换至更高的H₂浓度。此后，该气体可通过一个或多个工艺分离以纯化H₂。这可涉及例如水的冷凝、CO₂的脱除、H₂的提纯，然后在升高的压力(通常大约15barg至大约30barg，或大约1.5MPag至大约3MPag)下的最终甲烷化步骤以确保可清除尽可能多的碳氧化物。在传统的氨工艺中，在H₂料流的提纯过程中生成的水、CO₂和甲烷料流以及来自氨合成工艺的附加废气可代表极低价值的废物料流。相反，在一些方面中，各种“废”气可构成可用于该MCFC-氨系统的其它部分的料流，同时仍可能生成可用于其它工艺的其它料流。最后，可以将该H₂料流压缩到大约60barg(大约6MPag)至大约180barg(大约18MPag)的氨合成条件。典型的氨工艺可以在大约350℃至大约500℃下，如在大约450℃或更低温度下进行，并可产生低的单程转化率(通常小于大约20％)和大的再循环料流。
作为熔融碳酸盐燃料电池与氨合成的集成的一个实例，送往阳极入口的燃料料流可相当于可重整燃料和/或H₂的新鲜来源以及(任选但优选)来自氨合成工艺的再循环废气，其可含有H₂、CH₄(或其它可重整烃)和/或CO。由于大的再循环比和稀释剂(例如：通过甲烷化以除去所有碳氧化物而制成的甲烷)的存在，氨加工可产生大量的吹扫(purge)料流和废物料流。这些料流大多可以与燃料电池阳极入口相容，只要它们不含反应性氧化剂，如氧气。附加地或作为选择地，阳极入口可包含来自氢气提纯的分离气体，因为这些气体通常可含有包含H₂、CO、CO₂、H₂O和可能与阳极相容的其它气体的混合物。阳极排气然后可利用水煤气变换反应和H₂分离加工以形成高纯H₂料流。至少一部分这样的H₂料流然后可用作氨合成工艺的进料。任选地，除对高纯H₂料流实施分离外，该H₂料流在用于氨合成前还可经过甲烷化。所述一个或多个分离和/或提纯的目标可以是提高该H₂料流的纯度，以使至少一部分具有提高的纯度的H₂料流可用作氨合成的进料。
对于阴极入口料流，CO₂和O₂可以由任何方便的来源提供，如同处一地的外部CO₂源(例如燃气轮机和/或锅炉排气料流)、从阳极排气中分离的再循环CO₂、从阴极排气中再循环的CO₂和/或O₂、作为氢气提纯的一部分分离的含碳料流和/或从氨合成装置的输出物中分离的CO₂。通常，可以有利地使用这些料流的混合物，并且料流中的任何残余燃料值可用于例如供热以将阴极入口料流温度提高到MCFC入口温度。例如，来自分离和/或氨工艺的废气形式的燃料料流可以与足够的氧化剂(空气)混合以燃烧基本所有残余燃料组分，同时也提供足够的氧以与阴极中的CO₂反应形成碳酸根离子。阴极排气料流可具有降低的CO₂和O₂浓度，因为这些气体可以反应形成可传输到阳极料流中的碳酸盐。由于MCFC可降低阴极入口料流的CO₂和O₂含量，阴极排气可具有折干计算时与空气相比提高的氮含量。对于设计成有效分离CO₂的系统，阴极排气可具有低于大约10％或低于大约5％或低于大约1％的折干计算的CO₂浓度。附加地或作为选择地，折干计算的氧含量可低于大约15％或低于大约10％或低于大约5％。折干计算的N₂浓度通常可超过大约80％或大约85％或可大于大约90％。 在捕集这种料流的热值(如通过蒸汽发生供热、与其它工艺料流热交换和/或额外电力)，该阴极排气可任选但有利地用于形成用于氨合成的高纯N₂料流。可以更有效地对这种料流进行用于生成纯氮的任何典型分离方法。任选地，可以对该N₂料流进行一个或多个分离工艺或提纯工艺以生成具有提高的纯度的N₂料流。至少一部分该具有提高的纯度的N₂然后可任选但有利地用作氨合成的进料。在运行过程中，可以运行该燃料电池以匹配氨合成的需求，如所选的更低或更高的发电量(相对于氢气(和/或合成气)产量)。
相对于传统系统(如美国专利5,169,717中所述)，上述集成方法可以降低或消除对用于生成纯化的H₂和N₂输入料流的单独前端系统的需要。例如，代替特意使用的蒸汽重整器和随后的净化阶段，可以运行MCFC以在生成电力的同时重整足量的可重整燃料以提供纯化H₂。这通常可通过在比典型值低的燃料利用率下运行该燃料电池进行。例如，燃料利用率可低于大约70％，如低于大约60％或低于大约50％或低于大约40％。在传统MCFC运行中，大约70-80％的燃料利用率是典型的，并且阳极产生的剩余合成气可用作燃料以加热输入阴极和/或阳极的料流。在传统运行中，也必须使用阳极排气料流在其与空气反应后向阴极提供CO₂。相反，在一些方面中，不必将来自阳极排气的合成气用于简单燃烧和再循环。该氨合成工艺可提供许多可利用的废物或吹扫料流，以使可用于氨合成的合成气的量最大化。类似地，如上所述，来自MCFC的阴极排气可提供用于形成纯化N₂料流的更高纯度的初始料流。将用于氨合成的输入料流的生成集中在MCFC和相关分离阶段中可降低设备占用空间以及提供用于各种工艺的改进的热集成。
尿素是可通过氨与CO₂的反应制成的另一大型化学产品。1922年开发的基础工艺也以其发现者的名字命名为Bosch–Meiser尿素工艺。各种尿素工艺可通过尿素形成的进行条件和未转化的反应物的进一步加工方式表征。在反应物不完全转化的情况下，该工艺可以由两个主要的平衡反应构成。该反应的净热平衡可以是放热的。第一平衡反应可以是液氨与干冰(固体CO₂)的放热反应以形成氨基甲酸铵(H₂N-COONH₄)：

第二平衡反应可以是氨基甲酸铵吸热分解成尿素和水：

该尿素工艺可以使用在高压下的液氨和CO₂作为工艺输入。在现有技术的方法中，通常由外部资源提供二氧化碳，其中必须将其压缩至高压。相反，如图6中所示的本方法可产生适合与来自氨合成反应的液氨产物反应的高压液化二氧化碳料流。
在各种方面中，可通过在不需要大量单独系统的同时提供来自MCFC的一个或多个输入(例如电、热、CO₂、NH₃、H₂O)和/或接收来自MCFC的一个或多个输出(例如H₂O、热)来改进尿素生产。另外，对于涉及显著产物移除和再循环的大多数平衡工艺，可生成吹扫料流或废物料流。这些吹扫料流或废物料流可源自再循环回路内的副反应和杂质积聚。在典型的独立装置中，这些料流通常具有低价值，并可能需要进一步提纯(借助附加工艺和设备)以再循环。相反，在各种方面中，可以有利地和以简单得多的方式利用该吹扫料流或废物料流。阳极入口可消耗任何可重整燃料和/或合成气组合物。用可燃烧的材料，例如氮化合物如氨稀释的料流可以与空气反应产生N₂、水和热，其可以与含有残余CO₂、CO和H₂的任何料流一起用作阴极进料的一部分。由于MCFC系统通常可以在低压(低于大约10barg或大约1MPag和通常近大气压条件)下运行，再压缩任何吹扫料流或废物料流的需要可以降低或最小化，因为这些工艺料流的压力足够用于MCFC用途。
另外，可以将尿素工艺集成到与氨合成工艺的联合系统中。这种集成方法可以减少和/或消除传统方法中的许多工艺，传统方法可以需要氨装置(蒸汽重整器、水煤气变换、变压吸附产生H₂+空气分离装置)以及单独供应通常远程制成并随后输往该装置的冷CO₂(干冰)。本系统可以消除许多这些工艺，并因为其可以分离在高压下的CO₂料流，可提供在有利条件下的必要反应物。具体而言，可以由衍生自MCFC阳极排气的料流的分离提供液化形式的二氧化碳，而非输送干冰形式的CO₂以用于远端尿素装置，因此可以容易压缩到适当反应压力。这可避免CO₂的冷却、运输和 再压缩中的显著能量浪费(inefficiencies)。
如上所述，MCFC可以与用于制氨的氨装置集成，同时减少附加设备量或使附加设备量最小化。附加地或作为选择地，可以对来自MCFC系统的阳极排气进行分离以提供CO₂源。这种CO₂源然后可以进一步分离和/或提纯以使至少一部分CO₂可用于尿素合成工艺。例如，可以使用包含低温分离的工艺进行CO₂分离。这可以降低或消除对单独生产和/或运输冷CO₂的需求。再附加地或作为选择地，该MCFC系统可提供电力和/或可通过与MCFC输入/输出料流热交换和/或通过与分离系统热交换而提供或消耗热。
图16示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施氨合成和/或尿素合成的反应系统的集成的一个实例。在图16中，熔融碳酸盐燃料电池1610可以示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。燃料电池1610可接收阳极输入料流1605，如可重整燃料料流和含CO₂的阴极输入料流1609。在图16中，阳极输入料流1605可包括由氨合成工艺1640产生的废气的任选再循环部分1647。在图16中，阴极输入料流1609可包括在分离阶段1620中从燃料电池1610的阳极和/或阴极输出中分离的CO₂的任选再循环部分1629。来自燃料电池1610的阳极输出1615然后可经过一个或多个分离阶段1620，其可以以如下文所述和如图1和2中进一步例示的任何所需顺序包括CO₂、H₂O和/或H₂分离阶段，任选地，以及水煤气变换反应阶段。分离阶段可产生一个或多个料流，相当于CO₂输出料流1622、H₂O输出料流1624和高纯H₂输出料流1626。该分离阶段还可产生任选合成气输出1625。可以将阴极输出816送入一个或多个分离阶段1620。通常，用于阴极输出的分离阶段可以不同于用于阳极输出的分离阶段，但可任选如图16中所示合并由该分离产生的料流。例如，可以从阴极输出1616中分离CO₂并添加到一个或多个CO₂输出料流1622中。从阴极输出1616中分离的最大产物可以是高纯N₂料流1641。高纯H₂输出料流626和高纯N₂料流1641可用作氨合成阶段1640的反应物以生成氨输出料流1645。任选地，一部分氨输出料流可以与来自分离阶段620的CO₂料流622 一起用作尿素生产1650的进料1651，以生成尿素输出1655。任选地，用于尿素生产1650的输入氨料流1651可来自不同来源。任选地，可从该配置中省去氨生产阶段1640或尿素生产阶段1650。
与通过发酵生产生物燃料和化学品集成
通常可以通过源自作物如玉米、糖或木质纤维素材料如能源草的碳水化合物的发酵工艺生产生物燃料或生物化学品。这种工艺的最常见实例包括乙醇制造，如由玉米制造。这种工艺可通常需要输入热(用于蒸馏)、电(用于一般的装置运行)和水(用于加工原材料、清洁和其它工艺)，并可产生-除标准产物外-CO₂。可通过发酵反应产生CO₂，其中可以将糖(C₆H₁₂O₆)转化成2C₂H₅OH(乙醇)+2CO₂。发酵成其它产物，如丁醇、更高级的醇、其它含氧物等可产生类似产物并可需要类似的输入。温室气体排放和总体经济性都可受生产和/或提供这些输入和输出的效率影响。碳水化合物或糖的其它来源可经过类似工艺以产生所需生物产品并可导致原始碳水化合物在一定程度上转化成糖。
在各种方面中，MCFC系统，如使用天然气作为可重整燃料的MCFC系统与乙醇制造的组合可提供各种优点。这可部分归因于MCFC系统可以在消耗来自乙醇厂的CO₂输出的同时提供基本所有的所需输入的事实。这可降低温室气体排放，降低水需求和/或提高总体效率。
乙醇厂可使用来自MCFC的电力驱动操作和使用来自MCFC的余热向蒸馏之类的工艺供热。可通过调节MCFC装置的总体燃料利用率，如通过产生额外氢气/合成气作为相对于电输出提供更多或更少热的媒介来管理该装置的确切要求(热电混合)。作为选择地或附加地，可以调节供给MCFC的燃料源以在给定的装置配置和给定的进料组下平衡输入和输出，如通过使用一些发酵产物作为阳极进料，和/或通过使用来自相关进料，如不可发酵生物质的热和/或产物作为进料。该电化学工艺通常可利用碳酸根离子与氢的反应产生水；可以从阳极出口冷凝所述水。可以在过量合成气的生产中产生额外的水，例如通过水煤气变换反应。该水然后可用作该装置中的工艺水，因为其往往可以非常纯净并相当不含杂质。示例性的水用 途包括但不限于干磨工艺，其中可以将水添加到已磨碎的玉米中，和/或湿磨工艺，其中可以将玉米浸泡在酸和水的溶液中。发酵CO₂输出可用作阴极进料，并且如果需要，可以补充阳极出口CO₂再循环，和/或通过新鲜燃料(甲烷和/或天然气)的燃烧生成额外的热。由于乙醇厂中的所有热工艺可通常在相对较低温度(例如蒸馏<100℃)下，可以有效消耗MCFC系统的几乎所有废热。
根据具体装置配置和原料，一组不同配置可用于MCFC输入和输出。对于一些配置，该工艺可以使用与水混合的乙醇产物作为阳极输入燃料，并因此可避免或降低所需天然气的量。发酵中制成的乙醇可以部分蒸馏、分离或提取，例如至大约1H₂O:1EtOH至大约4:1，如大约1.5:1至大约3:1，或大约2:1的摩尔比。这种混合物随后可以在燃料电池内和/或外用热重整以产生包含氢气的混合物，其随后可输入阳极。尽管可能降低乙醇的总体装置输出，但可以减少或消除来自该工艺的非生物基进料的量，以造成较低的生命周期CO₂排放。
对于一些配置，燃烧木质素来源，如玉米秸秆、木材和/或甘蔗渣可补充和/或替代传统烃燃料如甲烷的输入。这可以使该装置在能量上自给自足并可降低集成到可能引起生命周期排放债务(emissionsdebits)的供给链上的需要。对于这些配置，木质素来源可产生热，并且如果部分氧化成包含合成气的气体混合物，该合成气可用作MCFC系统的进料。木质素来源可以燃烧和用于提供一些电力(通过蒸汽发生和蒸汽轮机)，而来自该工艺的排气可以提供MCFC系统的CO₂进料。
对于一些配置，阴极入口的输入CO₂可衍生自从阳极输出合成气混合物中分离CO₂。可以在该料流用于产生用于各种工艺(包括通过蒸汽发生的额外发电)的热之前或之后，和/或在该料流可用于向一工艺供氢和/或供热之前或之后进行这种分离。通常，可以在希望捕集CO₂时使用这种类型的方法。例如，可以将阳极输出物送往CO₂分离阶段，在此可以捕集大部分CO₂并且在此剩余合成气可随后用于热、电和/或化学工艺。然后可以将来自这些工艺的输出物与可能添加的甲烷和/或氧化剂(空气)一起送回阴极，以向阴极入口提供适当的温度和气体组成。
或者，对于可能不需要CO₂捕集的一些配置，来自发酵系统的CO₂输出可以在与氧化剂(空气)混合并升高至适当的入口温度时用作阴极的至少一部分(即使不是全部)CO₂源。对于这些配置，该阳极输出可用于热、电和/或化学用途，且含有燃烧的合成气的所得最终料流可以排出和/或作为进料部分送回阴极入口。根据装置配置和对CO₂排放的要求，这些配置的任一配置或组合可能合意。例如，来自发酵的一些CO₂可以与用于各种热、电和/或化学工艺后的剩余合成气料流合并，并可以使合并的料流与氧化剂(空气)反应以向阴极供氧和提高阴极入口料流的温度。
来自MCFC的阳极出口料流可用于各种不同工艺。在一个配置中，这种料流可用于为蒸馏供热并可能涉及阳极出口中的剩余合成气的燃烧以生成用于蒸馏工艺的额外的热。对于这种配置，可以将氧化剂(空气)添加到出口料流中，并且该料流的显热和燃烧热通常可用于生成随后可用于为蒸馏供能的蒸汽。任选地，来自这一工艺的排气，在添加或不添加发酵工艺的情况下，可以在任选分离一部分CO₂之前和/或之后用作阴极进料。
对于一些配置，阳极出口气体可以在不进一步加工的情况下、在变换反应后和/或在分离一部分CO₂后用作氢气源。该氢气可用于各种工艺。这些工艺可包括但不限于，通过在氢气轮机中燃烧而生产额外的、基本无碳的电力。附加地或作为选择地，该氢气可用于化学工艺，如处理其它生物燃料产品。例如，不适合发酵的木质纤维素材料(例如玉米秸秆和/或甘蔗渣)可经过热化学工艺，如热解以产生不适用于燃料的不稳定的高氧产物。可以使用各种工艺，如热解、快速热解和/或加氢热解，其中任何/所有工艺可用或不用催化剂实现。这些产物通常可含有残氧，这可降低产物热值并通常可极大降低它们在储存、运输和使用中的稳定性。这些类型的产物可以有利地用氢气处理以产生燃料相容的调和原料(热解油)，其可任选与发酵产物掺合以提高生物燃料的总产量。
氢气的另一用途可以是在生物柴油材料的联产中。通常，可以使用淀粉源(例如玉米、糖)制造用于汽油燃料的乙醇，而其它富含“油”(例如三酰基甘油酯)的作物，如大豆或棕榈可用于生产本身和/或在改质后可能适用于柴油燃料和/或喷气发动机燃料的更长链分子。其它可再生资源可 含有本身和/或在改质后可能适用于润滑剂和/或更重质燃料如燃料仓/船用燃料和/或家用燃料油的甚至更长链分子。这些材料通常可以需要一些涉及氢气的处理，尤其是在所需产物基本无氧时，例如在加氢处理的植物油而非脂肪酸甲酯(FAME)产物的情况下。生物燃料产品和作物可以基本同处一地，氢气的可供性可能有助于各种加工方案。
在一些方面中，集成MCFC和发酵系统的目标可以是降低或最小化来自发酵厂的总CO₂产量。在这种系统的一个实例中，生物质进料可进入发酵厂并经过任选工艺以制备用于发酵的材料(例如研磨、水处理)。用于该工艺的电能和水可以至少部分(即使不是全部)由燃料电池输出提供。该发酵工艺可产生生物燃料以及副产物(例如蒸馏厂干粕(distiller’sdrygrains))和包含相对高量CO₂的气流。与适量的水混合的来自发酵厂的生物燃料产物可用作MCFC的阳极输入燃料。根据方面，生物燃料产品可相当于至少一部分发酵产物、至少一部分生物气或衍生自发酵的残余产物或副产物的其它燃料、或其组合。来自MCFC阳极出口的合成气可以燃烧以向所有装置工艺，包括蒸馏提供至少一些(即使不是需要的全部)热。阳极出口产物可以在CO₂分离过程之前和/或之后使用。或者，可以将阳极输出物分流，以使一些阳极出口料流可用于为发酵装置工艺提供至少一些热，而第二料流可用于为不同用途供热，如用于预热阴极输入料流。一些生成的含CO₂的料流可以与空气合并并用作阴极入口料流。该整体工艺可以有利地不使用外部能源并通常可排放仅源自生物过程的CO₂。或者，可以在各种点的任何一个或多个点，如在阳极后和/或在合并所有CO₂料流后添加CO₂分离方案。这一阶段可提供基本纯的CO₂输出料流以用于封存和/或用于一些其它用途。在这种配置中，总装置CO₂排放在生命周期基础上可以是负数(生成小于0的净CO₂)，因为可以除去生物衍生的CO₂以供封存并具有按比例更少的(完全没有)外部碳基燃料输入。
图15示意性显示熔融碳酸盐燃料电池(如熔融碳酸盐燃料电池阵列)与用于实施醇合成，如乙醇合成的反应系统的集成的一个实例。在图15中，熔融碳酸盐燃料电池1510示意性代表一个或多个燃料电池(如燃料电池堆或燃料电池阵列)以及该燃料电池的相关重整阶段。燃料电池1510 可接收阳极输入料流1505，如可重整燃料料流和含CO₂的阴极输入料流1509。任选地，阳极输入料流可包括来自另一来源1545的燃料，如由木质素和/或玉米秸秆通过燃烧和随后甲烷化生成的甲烷。任选地，阴极输入料流1509可包括衍生自在发酵制造乙醇(或另一发酵产物)的过程中生成的CO₂的另一含CO₂的料流1539。来自燃料电池1510的阴极输出未显示在图15中。来自燃料电池1510的阳极输出1515然后可经过一个或多个分离阶段1520，其可以以如下文所述和如图1和2中进一步例示的任何所需顺序包括一个或多个CO₂、H₂O和/或H₂分离阶段和/或一个或多个水煤气变换反应阶段。分离阶段可产生一个或多个料流，相当于CO₂输出料流1522、H₂O输出料流1524和/或H₂(和/或合成气)输出料流1526。该H₂和/或合成气输出料流(统称为1526)当存在时，可用于例如向通过乙醇加工装置1560蒸馏乙醇提供燃料。H₂O输出料流1524当存在时，可以向乙醇加工装置1560供水。附加地或作为选择地，MCFC1510可生成供乙醇加工装置1560使用的电力1502。乙醇加工装置1560可生成乙醇(和/或其它醇)输出1565，其优选可以至少部分蒸馏以提高产物的醇浓度。要指出，图15中的配置或上述任何其它配置可以与任何其它备选配置组合，如使用木质素来源或其它生物燃料的联产。
集成的MCFC和发酵系统的实例
这一实例显示集成的MCFC和纤维素乙醇发酵工艺，从而以低CO₂排放生产乙醇、氢气和电力。这一实例的一个焦点是与MCFC系统的集成方面。该发酵工艺，如用于乙醇发酵，可相当于传统发酵方法。为了提供实例，在需要乙醇发酵方法的细节的情况下，使用参考文献提供代表性的发酵工艺。(参见Humbird等人,ProcessDesignandEconomicsforBiochemicalConversionofLignocellulosicBiomasstoEthanol,NREL.2011年5月)。此文献中描述的基础乙醇发酵工艺相当于每天～520吨的发酵厂。但是，任何其它方便的发酵工艺可代入这一实例。在这一实例中，可以由秸秆原料的发酵生产乙醇。来自发酵工艺的废气生物气和生物质可以燃烧产生用于该工艺的蒸汽和电力，一些过量电力回售给电网。在这种 集成的MCFC-发酵工艺中，MCFC可以使用甲烷-蒸汽混合物作为阳极进料和使用来自发酵系统的CO₂气体混合物作为阴极进料。该热MCFC阳极排气可以与蒸汽系统集成以产生足以提供蒸馏塔加热需求的低压蒸汽。要指出，这也可以提高通过现有蒸汽轮机/HRSG系统的蒸汽速率。可以将该阳极排气变换并分离成H₂和CO₂产物料流。该MCFC可产生至少足够用于阳极排气分离和将气体压缩到管道条件的动力。
图14显示该配置的MCFC部分的一个实例。在图14中，可以将蒸汽1401和预热甲烷1402送入MCFC1450的阳极。MCFC1450可产生在高温下的主要由H₂/CO/CO₂构成的混合物1403。根据该方面，该MCFC可以在大约25％至大约60％的低燃料利用率，如至少大约30％，或至少大约40％，或大约50％或更低，或大约40％或更低的燃料利用率下运行。附加地或作为选择地，该MCFC可以在大约70％或更高的更传统燃料利用率下运行，但这较不优选，因为在更高燃料利用率下会减少可从阳极排气中回收的潜在H₂量。可从混合物1403中回收热，例如在热交换器1460中，以由输入水流1407制造低压蒸汽1408。输入水流1407可衍生自任何方便的来源，如从阴极出口料流1414和/或阳极出口料流1403中回收的水。低压蒸汽可用于例如提供蒸馏用热，如图14中所示的啤酒塔1442用的热。冷却的阳极排气1404可以在水煤气变换反应器1470中变换以产生主要由H₂/CO₂构成的混合物。这些气体可以在一个或多个分离阶段1480中分离成H₂料流1405和CO₂料流1406。H₂料流1405和CO₂料流1406可以压缩并销售使用。附加地或作为选择地，可以将至少一部分CO₂料流送往封存。在低CO₂排放不必要的一个备选但较不优选的配置中，可以将CO₂料流1406排放到大气中。阴极进料1409可以由发酵工艺的废气流的混合物构成。在图14中所示的实例中，阴极进料1409可以由排气洗涤器废气1431和生物气燃烧器废气1433构成，其可占从发酵工艺排出的CO₂的～94％。附加地或作为选择地，阴极进料1409可包括纤维素种子发酵器(celluloseseedfermenter)废气1435、纤维素发酵器废气1437、厌氧消化器废气1439和/或任何其它发酵器和/或消化器废气。该废气(或这些废气)可经过气体净化系统1448以预处理阴极进料。可以在燃烧器1490中 将废气混合物1409与燃料(CH₄)1410和氧化剂(空气)1411合并并燃烧以将阴极进料加热至MCFC工作温度。燃烧器输出1412中的额外的热可用于预热甲烷阳极进料1402。可以将阴极排气1414送往HRSG以回收任何热，然后排放到大气中和/或如果需要，可送往进一步加工。
表2显示与不使用集成MCFC系统进行相同的传统发酵工艺相比，类似于图14的配置的CO₂排放降低量的实例。对于表2中所示的计算，假设该系统中使用的所有碳相当于最初源自生物源的碳。如表2中所示，发酵工艺与MCFC系统的集成具有显著降低来自乙醇发酵的CO₂排放的潜力。代替使该发酵工艺生成的CO₂逸出到大气中，利用至少一部分CO₂形成一些或所有阴极入口料流可将大部分CO₂分离到相对较纯的阳极出口料流中。然后可以以有效方式从阳极出口料流中分离出CO₂(如分离出至少大约90％的CO₂，如至少大约95％)，从而封存CO₂。特别地，如果考虑碳的原始来源(其中最初源自生物源的碳可能不计入输入该系统的碳)，来自该集成系统的净CO₂排放可以实际上为负数。这可以反映下述事实：植物生命最初从大气中消耗的碳(生物源碳)已作为CO₂捕集并封存在此类工艺中，以致从环境中净去除碳。
表2–归因于MCFC集成的CO₂排放降低

与藻类生长和加工集成
已拟议用于制造生物柴油的藻场(光合藻类)需要几个输入：水、CO₂、阳光、营养素、主要氮、可能热。一方面，熔融碳酸盐燃料电池可以与藻场(和可能其它工艺)的需求集成以提供具有降低的成本和降低的CO₂排放的更有效的总体工艺。
一方面，由MCFC产生的CO₂可用作藻场的CO₂源。附加地或作为选择地，MCFC的输入和输出可以与藻场集成以实现下列一项或多项：1) 使用由MCFC阳极排气产生的水作为藻类的补给水；2)使用生成的热在夜间/低温季节期间加热池塘；3)使用由MCFC生产的电运行循环装置和其它工艺；4)使用生物质废气(例如厌氧消化器)作为MCFC的燃料/甲烷来源；5)使用气化后的不同生物质(藻类生物质、木质素)作为阳极用的H₂/CO的来源；6)使用生成CO₂的生物过程(例如发酵)作为阴极的CO₂源，通过阳极中的分离捕集该CO₂，然后在分离后将该CO₂传送给藻类(例如提取由玉米制乙醇生成的CO，并将其用于藻类生长以制造其它产物)；和7)使用由MCFC产生的H₂和/或N₂制造用作藻类生产的核心营养素的含氮化合物(例如NH₃，尿素)。
上述方面的一个益处可以是MCFC工艺和随后的分离可制造基本不含排气料流，如发电厂流出物或其它CO₂源的典型污染物的非常“清洁”的CO₂。附加地或作为选择地，上示集成益处能够-根据配置-将许多集成单元(integratedpieces)组合在一起。例如，MCFC的使用可实现CO₂生产工艺和CO₂消耗工艺之间的协同作用。在这样的协同工艺中，MCFC可充当以有效方式浓缩、分离和使用CO₂的媒介。再附加地或作为选择地，MCFC可以与典型的外部CO₂源(例如发电厂、涡轮机)一起配置，以使MCFC可用于a)浓缩CO₂、b)提纯CO₂和c)将CO₂以易用形式送往藻类生长环境。这与仅将含污染物的稀CO₂送往藻类相比是显著改进。
与水泥制造的集成
混凝土和钢是重要的基础设施建筑材料，它们构成大型基建工程建设中的大部分质量、成本和二氧化碳排放。例如，混凝土目前对大约5％的全球CO₂排放负责。在总排放中，水泥(例如波特兰水泥)的制造构成来自最终产品的总排放的大约95％。CO₂主要由两个来源生成：碳酸钙分解成氧化钙和CO₂，和将水泥窑加热到高达大约1800℃的温度，这通常用煤作为燃料进行。在成百上千的工厂(在美国有大约150-200个)中制造水泥，通常在发现其岩石成分的采石场附近。
水泥的制造通常涉及将材料混合物加热到极高温度。主要成分可包括 石灰石(CaCO₃)以及二氧化硅(砂)、铁矿石、氧化铝(页岩、铝土矿、其它矿石)和/或其它材料的一种或多种。可以将这些成分压碎并混合，此后可以将它们引入极高温的窑中，通常在空气中并且通常在至少大约1400℃，如至少大约1800℃，有时高达大约2000℃或更高的温度下。在这些条件下，可产生被称作熟料的产品。熟料是一种稳定的产品，通常将其研碎以形成商业水泥。在这一论述中，熟料可以被称作水泥产品。形成水泥产品的工艺通常可带来一个显著的化学变化：石灰石分解成CaO和CO₂。一开始就是氧化物的其它矿石通常在化学上不变。在一定冷却后，通常可以将水泥产品与其它组分，如石膏混合并任选研磨以实现适用于水泥用途和/或混凝土生产的最终所需特征。
一般而言，MCFC可通过使用来自水泥制造工艺的CO₂作为阴极进料而用作管理CO₂的资源。传统水泥制造释放的CO₂量可以通常至少大约50％来自CaCO₃分解，大约50％或更少归因于基于含碳燃料的燃烧的加热，这些量可能随各制造操作的特征而变。附加地或作为选择地，混凝土和水泥制造可需要用于整个工艺的电力和机械能。当通常与本地资源，如用于生产矿物的采石场同处一地或位置靠近时，运输、研磨、与水泥生产工艺相关的各种机械过程会消耗大量电力。至少部分通过由与水泥厂集成的MCFC生成的电力满足这些能量需求。再附加地或作为选择地，对阳极排气进行的分离步骤会产生水，这种水可用于减轻和/或满足典型水泥厂的水需求。任选地，MCFC可以在低燃料利用率下运行以提供氢气作为燃料，其仍可附加地或作为选择地消除或减轻归因于燃料燃烧的CO₂排放。
一方面，可以将MCFC系统与水泥生产厂集成以利用水泥排放物作为CO₂源，同时也利用MCFC热和电向该生产厂供能。这种第一配置可消耗CO₂的主来源，还可减轻归因于热和电需求的一些二次CO₂来源。净结果是具有碳捕集可能性的较低碳排放的水泥制造工艺。
在一个附加或替代性的配置中，可以将MCFC系统与水泥制造操作热集成，以致为预热一个或多个MCFC入口料流，如所有MCFC入口料流可能所需的附加燃料量降低或甚至不需要附加燃料。例如，通过与窑输出物热交换，可以将阴极进料(其可能包含来自窑的一些含CO₂的流出物以 及附加的(冷)氧化剂(空气)以提供充足的氧)充分预热至大约500℃至大约700℃的典型阴极入口温度。附加地或作为选择地，通常由燃煤提供的窑热可以取而代之地部分或完全通过燃烧来自MCFC系统的阳极排气流出物(其在衍生自碳密集性低于煤的来源时，可降低总CO₂排放)提供。
在另一附加或替代性的配置中，可以配置MCFC系统以避免相当大部分的工厂整体碳排放。在这一配置中，MCFC系统阳极出口——通常含CO₂、CO、H₂和水的料流，可经过旨在分离CO₂以供封存/捕集、在该相同或不同的分离过程中除去水和/或“变换”该水煤气变换气体以产生高富氢料流的一系列工艺。然后可以使用这种氢气料流作为窑的加热输入(当燃烧时)，以产生降低的或最小化的碳排放。任选地，任何含有燃料价值的废气可以再循环到阳极(例如含CO的废气)。再附加地或作为选择地，来自阳极排气的水可用于抵消研磨、混合或其它水泥工艺中使用的可能取自当地资源的任何水。至少一部分或整个水泥、混凝土和/或采石场运作和/或至少一部分这些运作所需的电可以由MCFC现场提供。这可以降低或将传输损耗减至最低以及降低来自用于经电网供电的燃料的相应CO₂排放。整个工艺随之可表现出与传统采矿和制造操作相比可以显著降低的“生命周期(life-cycle)”CO₂排放，同时在更高的总热效率下运行。
在这些配置中，输入阳极的燃料通常可由天然气、甲烷和/或其它轻质烃的来源提供，任选与含一些轻质燃料组分的废气和/或其它废物料流一起和/或与水煤气变换组分一起。送入阳极的燃料可能含有可接受的量的其它惰性气体，如氮气，但优选不含实质量的氧，如没有故意添加的氧。附加地或作为选择地，阳极进料可包括和/或衍生自其它烃质材料，包括煤(如果首先将这些材料转化成可重整燃料)。这些转化所需的和任选预热阳极进料所需的至少一部分热(可能甚至所有热)可以有利地通过与窑排气或产物接触下的热交换提供。该热交换可以是直接的和/或经传热介质如蒸汽间接进行。用于这样的热交换工艺的水(蒸汽)和/或与水泥制造相关的其它工艺中所用的水可以至少部分使用由阳极化学和电化学反应产生的水(在从阳极排气料流中分离后)提供。
阴极入口料流可以至少部分衍生自富含CO₂的窑排气。这种料流可能含有灰尘、污物、矿物和/或不适合引入MCFC的其它固体物质。可以用例如过滤器除去这样的不合适物质。附加地或作为选择地，水泥厂通常含有用于减少、最小化和/或基本消除来自窑的颗粒排放物的系统，并可以在与MCFC集成的系统中使用类似的系统。窑排气和/或含有至少一部分窑排气的阴极入口料流可能含有一些对阴极无害的残留气体。这样的残留气体的实例可包括氮气、氧气和/或其它空气组分，以及以可接受的浓度(例如，根据杂质污染物，小于大约100vppm，或小于大约50vppm，或小于大约25vppm)存在的任选次要量的杂质污染物，如氮氧化物。附加地或作为选择地，阴极可能需要使用新鲜空气以获得充足的氧浓度。优选地，阴极出口处的氧浓度可以至少大致为阴极出口处的CO₂浓度，但至少大致为CO₂浓度的一半的氧浓度也可接受。任选地，阴极入口处的氧浓度可以至少大致为阴极入口处的CO₂浓度。在许多MCFC系统中，必须燃烧一些燃料以加热阴极入口料流。但是，对于上述配置，与窑气体排放物和/或固体产物的热交换可提供加热一个或多个阴极入口料流所需的至少一部分热或基本所有的热。这可以降低、最小化或可能消除对燃烧燃料以向阴极入口料流提供额外热量的需求。
在大多数传统的发电MCFC系统中，阳极出口料流通常可以部分或完全再循环到阴极以提供CO₂和热。在根据本发明的这些配置中，这种阳极排气不需要用于这些用途，而是任选但优选用于另一用途，如向窑供热。有利地，该MCFC可以在降低的燃料利用率下运行以使阳极排气(与或不与变换和/或分离步骤一起使用)可提供将窑加热至工作温度所需的至少一部分(或全部)热。有利地，附加地或作为选择地，可以选择条件以使总电力输出可以足以应对至少一部分(或全部)本地电力需求，这可包括直接水泥制造以及相关的混凝土、采石场和其它操作。可以设计MCFC系统以致通过改变燃料利用率，该系统可以满足这两种要求并可通过调节燃料利用率、电池电压和电流和/或其它参数来响应这些要求的变化。
阴极排气料流——通常包含比阴极入口料流低的CO₂和O₂浓度以及惰性(空气)组分，如氮气——通常可以排放到大气中，但也可以在排放 前首先经过一个或多个后处理。
图17显示集成在水泥制造厂中以生产低CO₂排放水泥的MCFC系统的一个实例。水泥制造厂的两个最大的CO₂来源通常来自在窑，如回转窑中供热的化石燃料的燃烧，和CaCO₃在窑中分解成CaO。在图17中所示的配置中，该集成工艺可以取而代之地在窑中燃烧由MCFC产生的H₂。附加地或作为选择地，可以使用分解CO₂废气作为阴极进料。
在图17中所示的配置中，可以将甲烷1701和蒸汽1702的气流送入MCFC1720的阳极。可包含H₂、CO、CO₂和H₂O的混合物的阳极排气1703可以在热回收蒸汽发生器(HRSG)1722中冷却并在水煤气变换反应器(未显示)中变换，以产生主要由H₂和CO₂构成的混合物1704。料流1704在这种情况中可以脱水1760并分离1750成含H₂的料流1706和含CO₂的料流1707。料流1707可以压缩(并销售使用，运往远处使用等)和/或可以送往封存设施。料流1706可用作回转窑1740中的明火的燃料(与氧化剂/空气1741一起)。在窑1740中形成的“熟料”产品可送入熟料冷却器1770。可以与窑1740、熟料产品和/或熟料冷却器1770进行各种类型的热交换以向该系统中的其它工艺供热。在窑1740中，随着CaCO₃分解，可以释放CO₂。该CO₂可以与火焰废气合并，并作为窑废气1708离开窑1740顶部。可以将窑废气1708净化和/或脱水1730以形成水和/或杂质流1709和可送回MCFC1720的阴极前的含CO₂的料流1710。料流1710可以与空气1711和任选一部分阴极排气1712混合以助于满足阴极的CO₂进料需求。脱CO₂的阴极排气可以分流，一部分任选再循环1712，另一部分送往HRSG1724并排放到大气中1713(如果没有送往进一步加工，则未显示)。
作为来自回转窑的加热要求和CO₂生产的一个实例，数值取自EnergyandEmissionsfromtheCementIndustry.(Choate,WilliamT.EnergyandEmissionsReductionOpportunitiesfortheCementIndustry.U.S.DepartmentofEnergy,December2003.)基于这些代表值，对规模为在回转窑中加工～300吨/小时熟料的集成工艺的一个实例进行计算。对于类似于图17的配置，基于质量和能量平衡计算的流量值显示在图18中的表中。 在图18中，各列顶部的数字是指来自图17中的配置的相应元件。该计算可用于表明，图17中所示的熟料冷却器1770中的大量的热可用于将所有MCFC入口料流预热至工作温度。除用于该窑的H₂燃料外，MCFC还可产生～176MW电力，其可用于其它能量密集型工艺，如窑进料的原材料的研磨。表A显示基于图18中所示的计算得出的额外电力发生和降低的CO₂排放的概要。如表A中所示，使用回转窑的代表值对类似于图17的配置的计算表明，MCFC与水泥工艺的集成可以在将CO₂排放降低大约90％的同时提供额外电力。
表A：水泥加工过程中的发电和CO₂排放
发电[MW]CO₂排放[kg CO₂/吨熟料]燃烧化石燃料的窑0976.5MCFC+窑17296.9
如上所述，来自典型水泥工艺的CO₂排放的大约一半归因于向窑供热的燃料燃烧。这样的燃烧过程通常使用空气提供氧源，以使燃烧废气的CO₂浓度相对较稀(部分由于空气中存在的大量N₂)。从含稀CO₂(如10体积％CO₂或更少)的料流中分离CO₂的传统备选方案是使用胺洗，如基于单乙醇胺的胺洗。为了比较，利用基于单乙醇胺(MEA)的胺洗从稀CO₂料流(如含有大约10体积％或更少CO₂的料流)中捕集CO₂的典型预期能量成本估计为大约3GJ/tonCO₂。基于这种预期能量成本，利用胺洗代替MCFC捕集CO₂会消除由MCFC生成的额外电能，同时还带来显著的能量成本。
与铁或钢制造的集成
在各种方面中，提供了将铁和/或钢生产与MCFC系统的使用集成的方法。可由铁矿石中存在的氧化铁的还原生产铁。该反应需要高温，如高达2000℃，更通常大约800℃至大约1600℃，和可从高炉中可用的氧化铁中除去紧密结合的氧以产生铁金属的还原剂。最广泛使用的方法涉及煤的加工以产生焦炭和随后产生包含CO作为主要化学还原剂的高炉气。该方 法通常还需要相当大量的热和通常显著量的电，两者都用于基础工艺本身和随后的炼钢加工。电需求可包括用于运行泵、阀和其它机械的典型装置需求以及例如用于直接还原铁加工、电炉炼钢和类似工艺的大量直接电输入。除简单用于冷却的水外，在炼钢中还需要相当大量的水，因为水可用于加工煤、从钢中直接除去铁鳞、用于蒸汽发生、水力学和其它系统。
在传统铁生产工艺中，炉气可包含显著量的CO以及一定量的H₂、H₂O、N₂、任选但通常硫(如H₂S)和任选但通常衍生自煤的一种或多种其它各种气体。由于铁可以是有效的水煤气变换催化剂，四种水煤气变换分子(CO、CO₂、H₂O、H₂)通常在该工艺中处于或接近平衡。CO可以与氧化铁反应产生CO₂和还原铁，同时将一些碳并入还原铁中。然后可以例如通过受控氧化在制造各种等级的铁和钢产品所需的程度上部分除去这种碳。煤和焦炭在传统铁生产工艺中的作用是双重的。首先，煤或焦炭可提供用于将铁氧化物转化成铁的还原剂。其次，煤或焦炭可燃烧供热以保持极高炉温。该工艺通常在等于或接近大气压下进行。在传统工艺中，排出的高炉气仍可通常含有一定量的可燃材料，其可随后燃烧提供额外的热。
传统工艺的缺点可包括生产每吨铁或钢产生大量CO₂。除工艺中使用的煤和焦炭外，助熔剂(通常碳酸盐，如CaCO₃或碳酸盐和其它材料的混合物)可在该工艺中分解以释放额外的CO₂。捕集或降低炉排出的CO₂的量可以要求从各种排气系统中分离CO₂，这会是困难的并会涉及许多收集、浓缩和净化步骤。
在各种方面中，将熔融碳酸盐燃料电池的运行与铁和/或钢生产工艺集成可提供工艺改进，包括但不限于提高的效率、生产每吨产品的碳排放降低和/或作为该系统的集成部分的碳排放的捕集简化。可以在提供燃料原料和向这些工艺供能所需的各种化学、热和电输出的灵活性的同时降低单个工艺数目和整个生产系统的复杂性。
在附加或替代性的方面中，该联合MCFC和铁生产系统可以在提供加热灵活性的同时用更简单的系统有效收集碳。附加地或作为选择地，该联合MCFC和铁生产系统可以将可用作整个电输入的一部分的电的直接生 成并入该装置中。由于现场发电，可以降低传输损耗或使传输损耗最小化，并且附加地或作为选择地，可以避免在将交流电转换成直流电时产生的潜在损失。此外，用于发电的燃料中的碳可并入用于从高炉排气(或用于铁或钢生产的另一类型的炉的排气)中捕集二氧化碳的相同碳捕集系统中。可针对还原剂(CO)、热和电输出的可变生产设计该提出的系统，以使其适应使用相同核心组件的宽范围的钢铁冶炼工艺和技术。
一方面，MCFC系统可用于形成含有过量H₂和/或CO(合成气)的阳极排气料流。可以提取来自MCFC阳极排气的过量合成气并用于进行铁或钢生产，同时降低、最小化或消除焦炭的使用。来自MCFC的阳极排气可以在大约500kPag或更低，如大约400kPag或更低，或大约250kPag或更低的压力下排出。例如，可以获取由阳极排气生成或提取的合成气，将至少一部分H₂与CO分离，用H₂燃烧该炉，用CO进行铁的还原，然后在MCFC中消耗由铁生产工艺产生的CO₂并捕集其，以显著降低来自该工艺的CO₂排放。在这样的方面中，MCFC可充当碳氧化物的管理系统(CO源、CO₂汇)和充当铁或钢生产工艺的辅助进料源，如通过提供用于加热的H₂、与输入和排出料流的热交换(以提高效率)、碳捕集和/或生产清洁的工艺用水。要指出，附加地或作为选择地，各种钢工艺可使用由MCFC系统提供的电能。例如，钢生产可以涉及使用电弧炉并可以用电流进行铁的直接还原。在各种方面中，包括MCFC的集成系统中所用的炉可以电加热或通过通常可避免该炉中的合成气燃烧的其它间接方法加热。
作为熔融碳酸盐燃料电池集成在用于生产铁或钢的反应系统中的一个实例，可通过首先将甲烷或其它可重整燃料引入MCFC阳极(在此MCFC可用于生产电(如被该装置使用)和来自阳极输出的合成气))来向高炉提供还原剂气体。可以优选确定MCFC系统的尺寸以使生成的合成气的量可以足以提供铁或钢冶炼工艺所需的所有或基本所有CO还原剂。任选地，附加地或作为选择地，可作为炉的铁矿石或其它铁氧化物进料的一部分引入用于铁或钢冶炼工艺的一部分CO。根据可能需要更大量电力(例如在直接还原炼钢工艺中)或更少量电力的所涉工艺的类型，可以将电送回电网或从电网获取电，以平衡来自该装置的能量输入。或者，可以 确定MCFC的尺寸以使其可产生所需的所有电能和还原剂，在平衡这两种主要输出以适应装置要求的燃料利用率下运行MCFC。该系统的灵活性能够调节这一比率(通过调节燃料利用率、电压和/或输入/输出温度等变量)以适应给定装置内的不断改变的工艺或工艺条件。
任选但优选地，与铁或钢生产集成的MCFC系统可以在低燃料利用率下运行，以提高可由阳极排气生成/提取的合成气的量。尽管这可能不必要，但由于大多数MCFC运行通常可以产生包含合成气的阳极流出物，有时可以优选使阳极合成气的产量最大化。例如，燃料利用率可以为至少大约25％，如至少大约30％，或至少大约35％，或至少大约40％。附加地或作为选择地，燃料利用率可以为大约60％或更低，如大约55％或更低，或大约50％或更低，或大约45％或更低，或大约40％或更低。低燃料利用率值的使用可以提高阳极输出中的H₂和CO含量。然后可利用阳极输出作为高炉还原气体的来源。如果需要，可以调节燃料利用率以使合成气输出可以与整个装置的电需求平衡。这可能避免需要单独的电网电力并可以在仅单一燃料源向单一发电系统供料的情况下提供该装置的能量自给自足；MCFC在这种情况下可提供装置运行所需的电和化学成分。或者，该装置可使用与MCFC系统联用的单独发电系统，如涡轮机，以使这两个系统都产生一些电力并可针对合成气生产优化MCFC系统。尺寸、可得的燃料源、固有电需求和其它因素可能使得任何这些组合成为(最)有效和/或经济有利的布置。
在各种方面中，集成的铁或钢生产系统中的MCFC的燃料输入可优选包含或是甲烷或天然气，但确实可以是与MCFC相容的任何烃质材料。对于无法直接在MCFC内重整的烃质材料(例如C2-C5轻气体)，可以使用预重整器将输入燃料转化成甲烷+合成气混合物。在这样的情况下，优选阳极输入气体可以含有大百分比或主要百分比的可重整气体并可含有一定量的合成气成分和惰性物。该阳极输入可优选已除去杂质，如硫，这可通过常规系统实现并可随输入燃料的来源和纯度而变。如果首先转化成包含可重整燃料的混合物(从中除去了杂质)，则可以使用如煤和/或其它固体燃料之类的输入燃料。阴极输入可主要衍生自铁还原工艺排气并可 含有其它含有CO₂、H₂O、O₂和惰性物中的一种或多种的料流。可以添加空气/含氧料流以向阴极提供足够的氧气并通常要求整个阴极排气中的氧量超过总CO₂量。
来自阳极出口的合成气流出物可送往分离工艺，在此可以从该料流中除去CO₂和可能一些水。可以设计该分离系统以除去足够的H₂O和CO₂以产生合成气组合物，其在高炉中的铁还原工艺条件中平衡时可具有与其它气体组分相比适当量的CO。与传统工艺不同，制成的CO可以基本不含杂质，如硫，从而简化了对使用煤和/或焦炭时通常需要的综合铁或钢冶炼厂周围的污染物控制系统的需求。在铁还原工艺中消耗CO后，在来自该工艺的流出物中可产生CO₂。这种富CO₂的流出物料流，如果需要，在适当的热交换后，然后可用作MCFC阴极的进料。这可以通常涉及蒸汽发生，其然后可以由蒸汽轮机供给二次电力生产。例如，该流出物气体可能含有可燃材料，其随后可通过添加空气或氧气燃烧产生另外的热。产生的热可用于各种装置工艺，但该燃烧产生的CO₂可留在烟气中，其在随后引入阴极时可通过MCFC系统有效浓缩/捕集。
在任何上述系统中可以降低或最小化用于加热MCFC系统的燃料的单独燃烧，因为铁或钢生产工艺通常可提供足够用于热交换的废热。优选可以使用较低的燃料利用率，因为在这样的条件下运行可产生所用的每燃料电池阵列更高的CO产量和所用的每MCFC阵列更高的碳捕集。附加地或作为选择地，高炉废气可以与MCFC入口/出口热集成。一部分高炉废气可用作至少一部分(或可能全部)阴极进料，而其余高炉废气可排放到大气中和/或在低CO₂排放的铁或钢生产方案中压缩以封存CO₂。
在另一实施方案中，可以在由阳极生成后分离H₂和CO，且H₂可任选但优选用于为各种装置工艺提供无碳加热，而CO可任选但优选用于铁还原。这可以减少整个装置内的CO₂源并可简化要作为阴极进料气体引入的CO₂的收集。
MCFC系统与传统碳捕集系统，如胺捕集相比的一个优点可包括用于捕集来自阳极的相对较高百分比(例如按体积计至少大约90％或至少大约95％)的CO₂的CO₂分离系统不重要。不同于传统捕集技术，可以将未捕 集的任何碳(作为CO或CO₂)转化成CO₂，从铁还原工艺再循环到阴极入口，然后(通常)大多转化成碳酸根离子以跨过MCFC膜传输到阳极，在此它们可经受CO₂分离工艺。在这种配置中来自该系统的唯一CO₂排放可来自阴极排气。可基于阴极输出的CO₂浓度与阴极输入的CO₂浓度的比率调节该装置的总CO₂捕集效率，该比率容易改变，如通过调节MCFC阵列的运行阶段数和/或通过调节MCFC电池数以提高有效燃料电池面积。
图19显示适用于与铁还原工艺联合运行熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)的配置的一个实例。图19的配置可适用于将各种类型的铁矿石中存在的铁氧化物，如Fe₂O₃和/或其它铁氧化物还原成生铁(大约95％Fe)。在图19中，可以将蒸汽1901和预热甲烷1902送入MCFC1940的阳极。任选但优选地，可以经热交换器1991通过从来自高炉废气的料流1907中回收热来预热甲烷1902。MCFC1940，如在大约30％燃料利用率下运行的MCFC可以在可送往高炉的阳极排气1903中产生还原气体(例如CO和H₂)。阳极排气1903可任选但优选例如通过在热交换器1992中从高炉废气1906中回收一些热来加热。加热的阳极排气1904可以在预加热器1993中加热到高炉入口气体温度(例如大约1200℃)，以产生入口气流1905。可以使用传统方法将铁氧化物的固体粒子1952引入高炉1950顶部。任选地，铁氧化物粒子的输入料流1952可以与可有助于形成容易与铁产品分离的矿渣的助熔剂，如CaCO₃一起引入。铁氧化物粒子的输入料流1952可以与可以通常在更偏底部的位置进入高炉1950的还原气体1905对流流过高炉1950。还原的Fe可作为底部料流1956离开该炉，而包含CO₂和H₂O的炉废气可作为1906离开该炉。炉废气1906可以与该工艺集成以在热交换器1992中加热阳极排气1903和/或在热交换器1991中预热阳极输入料流1902。这些热回收工艺可产生冷却的炉废气流1908。任选地，可以使用热回收蒸汽发生器(HRSG)从炉废气流1908中进一步除热。可以在冷凝器1994中由冷却的废气流1908冷凝水，以产生工艺用水1909和具有相对较高的CO₂浓度的气体1910。气体1910可任选还含有一些甲烷。一部分气流1910可作为进料流1912分流到燃烧器中并可以利用氧化 源(空气)1913和燃料(甲烷)1914燃烧以产生在适合阴极进料1915的温度下的足够的CO₂。剩余气体1910可送往1911CO₂分离器/压缩系统，例如以产生可供使用和/或封存或排放到大气中的管道级CO₂。附加地或作为选择地，来自燃烧料流1912、1913和1914的一些热可用于加热料流1904。热回收蒸汽发生器(HRSG)可用于在将1915送往阴极之前除去1915中的任何额外的热并生成用于下游钢制造工艺的蒸汽。MCFC可除去1915中的方便的或所需的CO₂部分，例如至少大约50％或至少大约70％的CO₂，以产生CO₂减少的排气料流1916。可以将排气料流1916排放到大气中和/或作为阴极输入流1915的一部分再循环。
MCFC与高炉的集成的配置的实例
此实例显示与将Fe₂O₃还原成生铁(95％Fe)的铁高炉集成的MCFC系统。此实例的反应系统配置类似于图19中所示的配置。在此实例中，该MCFC系统用甲烷-蒸汽阳极进料以30％燃料利用率运行以产生用于高炉的还原气体。高炉废气与MCFC入口/出口热集成且其中一部分可用作阴极进料，而剩余部分可排放到大气中或在低CO₂排放的铁/钢生产方案中压缩以封存CO₂。
集成的MCFC工艺的规模可产生足够运行～2.8Mton/年钢厂的高炉的还原气体。除基于阳极排气生成高炉的还原气体进料外，该MCFC还产生大约233MW的电力，其可用于向钢厂的其它部分供能、向用于管道输送的CO₂(如图19中所示的CO₂料流1911)的分离和压缩供能和/或回售给电网。图20显示在具有与图19中所示的配置类似的配置的系统中的各种位置的流体组成的代表值。为方便起见，图19中所示的料流名称也用于指示图20中的料流。要指出，阳极输出料流1903的组成基于大约30％的阳极中的燃料利用率。料流1904和1905的相对组成的变化归因于经水煤气变换反应的平衡。要指出，高炉废气1906的组成基于高炉中的还原气体的～100％模拟消耗，同时在该炉中没有消耗甲烷。在真实系统中，有可能使用过量还原气体以提供工艺稳定性。另外，在高炉中可能通过与先前还原的铁反应消耗少量甲烷，可能导致向铁中引入少量的额外的碳以及生成额 外的H₂。但是，高炉废气1906的组成的这种理想化计算提供能量含量和组成的代表值。
要指出，在Arasto等人的期刊文章(标题：Post-combustioncaptureofCO₂atanintegratedsteelmill–PartI:Technicalconceptanalysis；AnttiArastoa,EemeliTsuparia,JanneErkkiLottaInternationalJournalofGreenhouseGasControl,16,(2013)第271–277页)中报道了规模类似的钢厂的传统配置。Arasto等人的配置用从传统煤燃烧器和高炉中回收热的HRSG-涡轮系统产生135MW。这是足够运行～2.8Mton/年钢厂、向地方社区供电和将一些输出到电网的电力。相反，通过使用MCFC用甲烷进料发电，与由钢厂的过热发电相比，这一实例中的MCFC生成大约233MW的电力。与Arasto等人报道的传统钢厂配置相比，该集成MCFC-高炉系统可产生更多电力并将CO₂排放降低至少65％。
MCFC与炼油厂用氢和“无碳”氢的集成
氢气在炼油厂内可用于各种工艺。大多数炼油厂在一些工艺(例如汽油重整以生产芳烃)中生成氢气并在另一些工艺(例如从汽油和柴油调合料流中除硫)中使用氢气。另外，炼油厂可具有大量锅炉、炉和/或其它用于加热需要能量的反应器的系统。这些加热和/或能量发生系统通常不使用氢气，因为氢气通常可比其它燃料源更有价值，并且因为大多数炼油厂总体上是氢气的净输入方。通常，可以通过现场制造和/或通过接入附近/管道氢源进行氢气输入以使整个炼油厂达到平衡。
由于大多数炼油厂工艺通常在升高的温度下进行并通常需要由各种种类的锅炉(以及工艺蒸汽)提供的热，炼油厂通常含有大量加热系统。这会带来尺寸大相径庭的大量CO₂点源。一些会产生大量CO₂，如催化裂化，而另一些会产生适中量。这些CO₂点源各自可以对总炼油厂CO₂生产作出贡献。由于大多数集成炼油厂通常总体上以大约70-95％的热效率将原油转化成产品，在原油或其它进料中进入炼油厂的碳的通常大约5-30％可作为CO₂排出(排放到空气中)。这些排放的降低可改进生产每单位产 品的炼油厂温室气体排放。
在各种方面中，MCFC系统与炼油厂供氢的集成可以降低、最小化或消除对整体炼油厂操作的氢约束。附加地或作为选择地，MCFC系统可以使用各种废气和/或其它料流作为进料，只要它们可以转化成“清洁”的轻气体和合成气混合物。要指出，可以使用轻气体和/或合成气混合物而对惰性物(例如N₂、CO₂等，和它们的组合)的存在量没有太多限制。附加地或作为选择地，这种“输入集成”可以是精简提高炼油厂操作中的总效率的一个特征。更通常，MCFC系统可以为炼油厂操作的多达四个(或可能更多)方面提供单一集成方案：工艺单元用热的生产、作为反应物的氢气的生产、碳的收集和封存，和来自各种工艺的废气和吹扫气流的有效利用。
在一些方面中，H₂可用作炼油厂中的燃烧器中的燃料以降低、最小化或消除CO₂排放点源。用于这两种用途的H₂的集中供应可通过减少燃料和反应物的数量和类型来简化整体炼油厂操作-为这些用途可以分配仅一种材料。例如，氢气可以在各种温度和压力下使用。MCFC系统可以在(任选)分离水和CO₂和通过任何传统方法(如变压吸附)进一步(任选)提纯后由阳极排气料流制氢。一旦提纯到典型炼油厂要求，如至少大约80体积％H₂，或至少大约90体积％或至少95体积％或至少98体积％的纯度(折干计算)，可以将含氢料流加压至适合工艺用途的压力并经管道输送/运送到任何工艺。可以将含氢料流分成多个料流，其中可以将较低纯度和/或较低压力的料流送往一些工艺或燃烧器，同时将较高纯度和/或较高压力的料流送往另一些工艺。
附加地或作为选择地，但通常有利地，该集成系统可以生产电力。电力生产可用于至少部分向MCFC相关系统(如分离系统或压缩机)供能，以及供给至少一部分(如最多全部)炼油厂电力需求。可以在几乎或完全没有传输损耗的情况下以相对较高的效率生产这种电力。另外，一些或所有电力可任选是直流电(DC)，例如如果DC电对一些系统的运行会是优选，而没有在变压器/变换器中的正常损耗。在一些方面中，可以确定MCFC系统的规模以可提供炼油厂所需的至少一部分(或全部)电力，或甚至可提供过量电力。附加地或作为选择地，可以根据所需H₂/热负荷和/或电负 荷确定MCFC系统的规模。此外，可以在一定范围的条件下运行该系统，以适应可变的电和氢气需求量。
可以收集至少一部分炼油厂工艺产生的CO₂并用作阴极入口的一部分或所有气体，如大多数CO₂生产工艺或所有CO₂生产工艺。如果必要，可以将这些气体与空气或其它含氧料流混合以包括适用于阴极入口的具有CO₂和氧气的气体混合物。通常可以用过量氧气/空气燃烧这些料流中存在的燃料成分以提供阴极入口的预热。总阴极入口的CO₂浓度可大范围变化，并可以通常为至少大约4体积％，如至少大约6体积％、至少大约8体积％或至少大约10体积％。如果收集的料流不含足以用于MCFC运行的CO₂浓度(或即使CO₂浓度足够)，可以将在阳极排气的分离中产生的和/或由来自该分离工艺的一个或多个废气或吹扫气流产生的CO₂再循环到阴极入口。阴极入口料流的加热可来自这些料流中的废气的燃烧、热交换和/或可燃燃料组分的添加。例如，在一些方面中，该MCFC系统可以使用高碳材料，如焦炭或石油焦和/或来自石油工艺的其它“塔底物”，以向入口料流供热，其中这些材料的燃烧产物可用作阴极的CO₂源。
附加地或作为选择地，用于阴极入口料流的至少一部分CO₂可以由燃烧轮机，如可使用甲烷/天然气作为燃料的涡轮机提供。在这种类型的配置中，可能没有减少由催化裂化之类的工艺生成的CO₂，但可以利用MCFC生成的H₂减少或最大限度减少由加热器、锅炉和/或其它燃烧器生成的CO₂。
阳极出口料流可含有大浓度的二氧化碳以及其它合成气组分。通常，可以从这一料流中有效除去CO₂以产生可用于各种其它工艺的CO₂产物。由于很大部分的由炼油厂产生的二氧化碳可离开MCFC阳极，CO₂的收集有效并极大简化。作为单一点源的CO₂集合可随后用于其它操作(例如如果在油田附近，EOR，回注到气井中)和/或可以捕集/封存。取出整个CO₂负荷的一大部分，如至少大约70％，或至少大约80％以用于制氢和用电可以显著降低炼油厂操作的温室气体影响并可通过在单一工艺内加入电、氢气和热的高效来源改进总体炼油厂效率(原油转化成产品)。
在MCFC系统与炼油厂中的氢气输送系统集成的方面中，MCFC系 统的阳极输入可选自可获自各种炼油厂工艺的多种多样的材料，如预重整以减少C2+的轻气体；甲烷；气化的重质材料，如气化焦炭或沥青；合成气；和/或可脱除硫和其它有害杂质的任何其它烃质材料；以及它们的组合。因此，带有适当预净化的MCFC可充当原本无法在炼油厂中高效或有效使用的所有种类的进料的“处置装置(disposal)”。这些“废物料流”、“清除(purge)料流”或其它不合意料流中的主要量的碳可通过该系统作为分离的CO₂有效浓缩/捕集，而非(任选在作为燃料燃烧后)最终排放到大气中。阴极输入可以是或包含任何含CO₂废气的炼油厂料流+来自阳极排气或可能用于热交换的燃烧的新鲜甲烷的任何再循环。大多数炼油厂具有在各种温度下运行的多种多样的工艺，因此可以为一定的热集成选择适当的炼油厂工艺以管理例如净化冷却和加热。阴极排气通常可排放到大气中。阳极排气可以任选在分离一些组分后照原样使用，和/或可经过分离和水煤气变换以产生几乎全H₂的料流。该高H₂含量料流可以提纯至各种反应性工艺需要的水平，而燃烧H₂可含有更高量的残留CO、CO₂等，因为这种料流的燃烧仍可导致与烃质燃料的燃烧相比降低的碳氧化物排放。从阳极排气中分离的CO₂可任选再循环以例如用作阴极进料。附加地或作为选择地，阳极进料可包括具有大CO₂杂质的那些，如具有大CO₂含量的天然气。对于正常的炼油厂操作，当用于热或氢气发生时，这类料流可提高来自炼油厂的CO₂排放。但是，当送入MCFC系统的阳极时，该分离阶段可作为在阳极排气中除去其它CO₂的一部分有效除去这种额外的CO₂。
从炼油厂中的不同CO₂源捕集碳的另一困难可以是炼油厂料流中常见的低CO₂浓度。通常，从气流中分离CO₂所需的能量高度依赖于该料流中的CO₂浓度。对于生成具有低CO₂浓度，如大约10体积％或更低的CO₂浓度的气流的工艺，可以需要大量能量从料流中分离CO₂以形成高纯CO₂料流。相反，在一些方面中，含有MCFC的系统的一个特征可以在于，CO₂可以从相对较低浓度的料流(如阴极入口料流)转移到相对较高浓度的料流(如阳极排气)中。这可降低形成高纯CO₂气流的能量需求。因此，在试图形成例如含CO₂料流以供封存时，MCFC可以提供相当大的能量节约。
由MCFC生成的输出电力通常可以直接是DC电，但可以构造成产生在各种电流和电压设置下的任何方便的直流电和/或交流电混合物。通常，炼油厂的发电站/输入电力可以是普通的高电压AC电流(例如～960V)。由于熔融碳酸盐燃料电池的构造方式，可以产生基本任何DC电流/电压，并在逆变下产生各种AC电压。本地生产的DC没有长距离电力线路典型的传输损耗，并且不需要具有显著成本和一定效率损失的变换器。这可提供设计压缩机、泵和其它组件的一定灵活性和/或可消除许多电网和/或地方电力低效性(inefficiencies)。
除在炼油厂内使用外，氢气更通常可用于多种多样的产品和工艺，因为其在燃烧时仅产生水。但是，大多数传统制氢法需要大量的碳排放。例如，由甲烷的蒸汽重整制氢可以通常产生CO₂(来自甲烷中的碳)和废热。由电解制氢可以需要通常可由化石燃料混合物生成的送往电网的电力。这些生产系统都会产生包含CO₂的流出物排气。如果需要碳捕集，这些流出物通常会需要分处于各种来源处的碳捕集系统，而非任何方便地集成到更广的炼油厂操作中。通常，这些来源实际上在炼油厂大门(gates)外，几乎或完全不允许各种化学、电和热输入和输出的协同生产/消耗。
附加地或作为选择地，本发明的含MCFC的系统可提供作为分离和氢气提纯步骤的集成部分从该工艺中有效分离CO₂的手段。然后可以捕集CO₂和/或用于其它有用的工艺。这可以以高的总系统效率(远高于产生净氢气输出的传统手段)进行，尤其是在小规模下和在可变负荷下。
利用MCFC系统制造可生成电力或热的后继工艺中所用的氢气可以实现在相对较高的效率和低(最低)碳排放下的相对低排放生产。该MCFC系统可通过调节化学能生产与电能生产的比率而动态响应不同的氢气需求，并对负荷和需求不大致恒定的用途理想-从没有过量氢气的纯发电到高制氢不等。此外，可以在更宽的应用范围内以比更大规模的系统，如甲烷蒸汽重整器高的效率确定该集成MCFC系统的规模。
该MCFC-制氢系统可具有的优点在于，重新利用氢气的燃料价值可产生比没有碳捕集的传统系统低的净CO₂排放并可借助内在的系统CO₂分离产生低得多的排放。这在各种用途中有价值。可以为使用低温/低压氢 气的燃料电池车辆制氢。可根据总体需求改变氢气和电的量以保持总体高系统效率。输出到锅炉和/或其它热电联产系统的氢气可以不断产生电力(例如在独立发电中)以及通过制氢及随后在加热器/锅炉和类似系统中燃烧而产生可变量的无碳热。例如，装置可以在夏季主要产生用于空调系统的电力，而在冬季切换成用于加热操作的主要化学能的混合物。其它用途可包括旨在提供现场氢气的系统，如在实验室和其它技术和制造设施中，其中除需要电能外，一定量的氢气也有益。
在涉及制氢和/或发电的方面中，可以向阳极入口送入新鲜甲烷、另一合适的烃燃料和/或新鲜燃料和来自各种工艺的再循环CO和/或H₂的组合。包含H₂和/或CO的阳极出口料流可提供制氢用的组分。这通常可通过反应、分离和提纯步骤的一定组合进行。一个实例是利用水煤气变换通过反应H₂O+CO＝H₂+CO₂将尽可能多的CO变换成H₂的第一阶段，接着从H₂中除去H₂O和CO₂并提供纯度合适的产物的第二(和后继)阶段。此类阶段可包括单独或组合的PSA、深冷分离、膜和其它已知的分离方法。来自这些步骤的废气可以再循环和/或用于向入口料流供热。分离的CO₂可用作再循环料流和/或可以捕集和/或用于其它工艺。阴极入口可以由来自整体工艺的再循环CO₂和/或通过用于向入口料流供热的新鲜(或再循环)燃料的燃烧产生的CO₂构成。阴极流出物通常可以排放到大气中(任选但优选在热回收以例如向其它工艺料流和/或在联合循环发电中供热后)，尽管如果需要，阴极流出物可任选但较不优选送往进一步处理。
集成到无碳热电用途中的MCFC系统可以在从用于较低制氢的燃料利用率(例如60-70％)到用于高制氢的较低燃料利用率(例如20-30％)的运行条件范围内使用。各用途的确切运行范围可随用途和时间广泛变化。适应这种运行范围的能力可具有合意的优点。分离阶段数和/或实现的纯度可取决于最终用途。用于低排放供热的简单制氢可容许氢气中的适量杂质，因为甚至数百分比的CO₂和/或CO仍可实现极低的总排放。高纯用途，如燃料电池车辆和/或实验室用氢，可能需要多个步骤(例如深冷分离，接着PSA)实现纯度规格。
作为向多个炼油厂工艺供氢的一个实例，可以运行MCFC以生成电力 和含有H₂、CO₂和H₂O的阳极排气。可以使用一次或多次分离以从阳极排气(或从衍生自阳极排气的气流)中分离CO₂和/或H₂O。这可产生具有比阳极排气高的H₂体积百分比的第一气流。然后可以对第一气流进行分离以形成具有比第一气流更高的H₂体积百分比的第二气流。然后可以将第一气流的剩余部分压缩至第一压力以用于对氢气具有较不严格要求的工艺，同时可以将第二气流压缩至第二(更高)压力以用于需要更高压力和/或更高纯度的氢气输入的工艺。
实例–MCFC与炼油厂供氢的集成
在下列实施例中，对使用MCFC系统作为各种燃烧器、锅炉和/或利用燃料燃烧作为能量源的其它单元的氢气源的配置进行计算。尽管下列实例专注于向燃烧反应供氢，但附加地或作为选择地，由MCFC生成的氢气可用于供给一个或多个工艺(如多个工艺)，其中氢气可用于非燃烧用途。例如，由MCFC生成的氢气可用于炼油厂内的一个或多个加氢处理反应器。
在下列实例中，基于使用外部CO₂源计算用于阴极的CO₂。为了便于证实与尝试通过另一方法(如对各潜在的碳点源使用传统胺洗)捕集CO₂相比利用MCFC降低CO₂排放的能量益处而作出这一选择。为了比较，使用胺洗(基于使用单乙醇胺(MEA))从相对较稀的CO₂料流(如含有大约10体积％或更少CO₂的料流)中捕集CO₂的典型预期能量成本接近大约3GJ/tonCO₂。利用MCFC浓缩阳极排气料流中的CO₂可以避免相当一部分的这种能量成本。要指出，在从炼油厂内的各种点源收集CO₂以用作阴极输入的一部分的实施方案中，可能需要一些额外能量成本向MCFC输送CO₂料流。但是，传统配置(其中会需要单独胺洗以带来将CO₂送往中心胺洗的类似成本)所需的额外能量浪费(energyinefficiencies)和/或会为各CO₂点源提供单独胺洗带来的额外能量浪费与这些成本至少大约或大致相抵(如果不超过)。
下列配置实例提供用于运行MCFC以提供在炼油厂中消耗的氢气的两种备选方案。在第一种配置的计算中，使用燃气轮机生成电力和提供用 于阴极输入的CO₂源。在对第二配置的计算中，燃烧附加的甲烷以提供用于运行燃料电池的热和CO₂。在这两种配置中，都在一个或多个分离阶段中加工阳极排气以将CO₂(如用于封存)与H₂(用作炼油厂中的燃料)分离。
在这些实施例中，针对供应可加工大约500kbd原油的典型炼油厂的热需求进行计算。炼油能力为大约500kbd的炼油厂可以在加热系统中使用大约118Mscf/d(或每天大约3.34x10⁶m³)的天然气，如果不使用捕集/封存机制，其可以由燃烧产生大约118Mscf/d的CO₂排放。下列实例将MCFC工艺与大约500kbd系统中的炼油厂气体火焰加热器系统集成以提供具有低CO₂排放的分布式供热。
图21示意性显示具有燃气轮机、MCFC系统和燃烧H₂的炼油厂宽火焰加热器的集成加工系统的一个实例。配置图21中的系统以使涡轮机可以生成阴极中所需的CO₂进料以在MCFC系统中产生足以运行炼油厂加热系统的H₂。将空气2101和甲烷2102送入燃气轮机2150并燃烧产生热阴极进料2103。利用热阴极进料2103中的过热预热阳极甲烷进料2104，其随后可送入2105MCFC2140的阴极。将阳极甲烷进料2104和蒸汽2106送入MCFC2140的阳极。该MCFC可以在高温下产生低CO₂含量的阴极排气2107。根据该方面，该MCFC可以在低燃料利用率(例如大约25％至大约60％，如至少大约30％、或至少大约40％、或大约50％或更低，或大约40％或更低的燃料利用率)下运行。附加地或作为选择地，该MCFC可以在更传统的燃料利用率(例如大约70％或更高，尽管传统燃料利用率通常可以为70％至75％)下运行，但这较不优选，因为会降低能从阳极排气中回收的可能的H₂量。在将阴极排气排放到大气中(或进一步加工)之前可以在HRSG(热回收蒸汽发生系统)中从阴极排气2107中回收热。阳极排气2108可以在HRSG中冷却和/或可以在水煤气变换反应阶段2160中变换。变换的气体2109，主要是H₂和CO₂，可经过分离单元2170以产生CO₂料流2110和H₂料流2111。可以将CO₂料流2110压缩并销售使用和/或封存。可以将H₂料流2111作为加热燃料分配到炼油厂加热器。H₂料流2111的各子流可以在可位于炼油厂中的一个或多个位置的燃烧器 2180中用氧化剂(空气)2112燃烧以提供基本无CO₂排放的热。对于类似于图21的配置，图22显示该配置内的流体积的代表值。
图23示意性显示具有MCFC系统和炼油厂火焰加热器及甲烷和氢气燃烧器的集成加工系统的另一实例。配置这一系统以使甲烷燃烧器可生成阴极中所需的CO₂进料以在MCFC系统中产生足以运行其余氢气燃烧器的H₂。可以将甲烷2301和氧化剂(空气)2302分配到甲烷燃烧器2390中。可以从甲烷燃烧器中收集废气2303并送往进料预热器2345。甲烷2304、氧化剂(空气)2305和废气2303可以在预热器2345中燃烧以产生热阴极进料2306。2306中的过热可用于预热阳极(甲烷)进料2307并在2308处送入阴极。将预热的甲烷2309和蒸汽2310送入阳极。该MCFC2350可以在相对较高的温度下产生低CO₂含量的阴极排气2311。在将其排放到大气中或送往进一步处理(未显示)之前可以在例如HRSG中从阴极排气2311中回收热。阳极排气2312可以在HRSG中冷却和在2360中变换。变换的气体2313，主要是H₂和CO₂，可经过分离单元2370以产生CO₂料流2314和H₂料流2315。可以将H₂料流2315分配到氢气燃烧器2380。各子流可以在可位于炼油厂中的一个或多个位置的燃烧器2380中用氧化剂(空气)2316燃烧以提供基本无CO₂排放的热。对于类似于图23的配置，图24显示该配置内的流体积的代表值。
基于类似于图21和23的配置和基于类似于图22和24的工艺流，计算与MCFC集成的炼油厂的用于封存碳的相对净功率生成。将这与传统炼油厂系统(其中胺洗系统用于各点源的碳捕集)的净功率生成的计算进行比较。如上所述，已经测定，使用代表性的胺洗(例如借助MEA)从典型的稀炼油厂料流(如含有大约2体积％至大约8体积％CO₂的料流)中捕集CO₂会需要大约3GJ/tonCO₂。表2显示类似于图21和23的本发明的配置(其可产生CO₂料流，如料流2110或料流2314)与传统胺洗法的比较。对于表2中的比较，％CO₂排放降低代表经过MCFC的阳极的碳的百分比。基于表2中所示的计算值，利用MCFC向炼油厂燃烧器供氢和集中分离CO₂可以生成额外的可用功率。这可明显不同于使用传统配置分离CO₂的显著功率需求。
表2–碳捕集和净功率生成
配置1配置2％CO₂排放降低55.98％86％具有MCFC功率的净功率[MW]11036借助MEA捕集的净功率[MW]-115-180
与MCFC系统集成的低温燃烧排气源
低温燃烧排气源可包含任何含有CO₂和O₂(或可能仅添加了空气的CO₂)的料流，其在用于燃料电池之前需要冷却。这通常可直接归因于存在一些会毒化阴极上的Ni催化剂的污染物(例如硫、金属)。对此，少量NOx或SOx通常不被视为阴极Ni催化剂的毒物。对于含有提高的污染物水平的燃烧排气源，需要将原始燃烧流出物冷却到可除去杂质的温度，然后通过例如与阴极流出物的热交换再加热到MCFC工作温度。
低温燃烧排气源的实例可包括燃煤燃烧源，如燃煤电厂和燃烧木质素的燃烧，如来自木材和其它生物质燃烧。其它“脏(dirty)”燃料可能包括衍生自石油的重质燃料，如燃料仓燃料或其它重质船用燃料，其中有足够的杂质需要净化。
该综合系统可提供比原本可能的程度更清洁地实施多个操作的能力。例如，可以燃烧木质素(例如来自纤维素乙醇生产)以制造CO₂，热交换以使其足够冷以除去杂质，然后可以将该CO₂料流与来自发酵的CO₂废气合并作为阴极进料。这种CO₂然后生产(与阳极中的甲烷一起)电力以向该装置的操作供电，且余热供应给对生物燃料而言处于较低温度下的其它反应器。可以分离/捕集残留CO₂，这随后改进该装置的总体排放。对于使用重质燃料油的船载系统，该船的核心电力可以与热一起供应，并在默认情况下，具有清洁得多的总排放(即使排放CO₂)。对于煤燃烧，益处可基于减少CO₂排放的潜力，尽管为此(和其它情况)产生过量合成气的能力也可用作“脏”材料的基础(prime)燃烧中的燃烧助剂。在这些方面中，用作燃烧助剂的H₂或H₂/CO可改进低质燃料的燃烧特性，一开始就实现更清洁/更有效的燃烧。另外，过量合成气可作为H₂用于该材料的预 先净化操作(例如加氢脱硫)，以提供必要的成分而不实际构建任何附加设备。
阴极进料可以是在冷却、脱除污染物和经热交换再加热后的该燃烧源。可以通过氢气处理进行待燃烧的材料的一些预先净化，其中H₂来自MCFC。可以向该阴极进料补充在贫燃条件下燃烧的新鲜甲烷，或如果需要更多O2，则补充空气。可以将阴极输出排放到大气中。阳极进料可以是甲烷、天然气或另一可重整燃料，但也可以补充部分气化材料(气化生物质或煤)和如果存在，预重整的轻质烃。阳极排气中的H₂可以分离和/或再循环。
与氢气轮机的集成
在一些方面中，生产低碳电力的一个目标可以是在保持高CO₂捕集效率的同时和/或在有效利用现有系统的同时提高或使总功率输出最大化。在传统系统中，可以将燃气轮机连接到MCFC系统上以使燃气轮机产生包含CO₂的排气料流，其充当阴极进料的组分以向阴极提供热和CO₂。关于这种配置，如文献中已知，可以通过传统手段捕集CO₂且该MCFC系统可以在相对较高的燃料利用率(通常高于70％至大约80％，或大约75％)下运行以在普通运行条件下保持MCFC内的热平衡。
可以通过降低燃料利用率以加工过量燃料，例如甲烷和作为排气产生过量合成气来改进MCFC的有效利用。这种排气/流出物可经过各种分离以产生可用于各种化学和工业用途的合成气料流。但是，在合成气不可用作原料的情况下和/或在发电可以为主要目标的情况下，合成气料流的生成可能不提供额外的低碳电力。
在各种方面中，提供在任选但优选提供始终高的碳捕集的同时由固定MCFC系统生产提高的或最大化的电力量的系统和方法。在一些方面中，可通过联合使用传统燃气轮机作为MCFC阴极的CO₂源、低燃料利用率以产生高量合成气和可增加衍生自MCFC阳极排气的氢气产量的分离和/或转化系统的组合来提供这样的系统。然后可以将衍生自阳极排气的这种氢气流引入第二氢气轮机，在此可以在降低或最小化的CO₂排放下生成额 外电力。由于第二涡轮机可以由衍生自阳极排气的含氢气料流供能，为运行第二涡轮机而生成的附加CO₂量可限于例如，该含氢气料流中的碳氧化物和碳燃料残留组分。附加地或作为选择地，来自阳极排气的氢气可用于以其它方式生成电力，例如通过燃烧氢气以生成随后可用于生成电力的蒸汽。再附加地或作为选择地，衍生自阳极排气的一部分氢气可用作第一(传统)涡轮机的进料。这是有益的，例如如果用于第一涡轮机的含碳燃料具有提高的惰性物(如CO₂和/或N₂)含量。
除在炼油厂内使用外，氢气可以更普遍可用于多种多样的产品和工艺，因为其在燃烧时仅产生水蒸气。但是，大多数传统制氢法可需要大的碳排放。例如，由甲烷的蒸汽重整制氢可产生CO₂(来自甲烷中的碳)和废热。由电解制氢需要电，这通常基于化石燃料混合物的燃烧为电网生成。这些生产系统通常都会产生含CO₂的流出物排放物。燃料电池车辆之类的用途可需要利用高纯氢气的低温燃料电池。尽管该车辆不产生大量碳排放，但用于该车辆的制氢效率可以低，不容易适用于更小规模，并可产生显著的碳排放。
在一些附加的或替代的方面中，本文中的系统和方法可以有利于从作为分离和氢气提纯步骤的组成部分的工艺中有效分离CO₂。然后可以捕集CO₂和/或用于其它有用的工艺。这可以以高的总系统效率(与生产净氢气产物/输出的传统手段相比)进行，尤其是在小规模下和在可变负荷下。
利用MCFC系统制造可生成电力和/或热的后继工艺中所用的氢气可以实现在高效率和降低或最小化的碳排放下的低排放能量生产。该MCFC系统可通过调节化学能生产与电能生产的比率而动态响应不同的氢气需求，并可以适用于负荷和需求不恒定的用途-从几乎或完全没有过量氢气的高发电到高制氢不等。另外，可以在更宽的应用范围内以比更大规模的系统(如甲烷蒸汽重整器)高的效率确定该集成系统的规模。这可以例如实现用于其它用途(如燃料电池车辆系统)的氢气的联产和实现可变电力或简单用于改变电能输出。
例如，在一些运行配置中，基础燃气轮机(如通过含碳燃料的燃烧供能的涡轮机)可以在恒定的高效率条件下运行，而MCFC系统在可变燃料 利用率下运行以产生不同的电和氢气产值，这可控制来自整个系统的电输出。可以在保持总体高系统效率的同时根据总体需求改变氢气和电的量。输出到锅炉和/或其它热电联产系统的氢气可以不断产生电力(例如在独立发电中)以及通过制氢及随后在加热器/锅炉和/或类似系统中燃烧而产生可变量的无碳热。例如，装置可以在夏季主要产生用于空调系统的电力，而在冬季切换成用于加热操作的主要化学能的混合物。在高电力需求期间，可以向氢气轮机输送更多的氢气以使发电量最大化。其它用途可包括旨在提供现场氢气的系统，如在实验室和其它技术和制造设施中，其中除需要电能外，还可需要一定量的氢气。
在涉及制氢和/或发电的方面中，可以向阳极入口送入新鲜甲烷、另一合适的烃燃料和/或新鲜燃料和来自各种工艺的再循环CO和/或H₂的组合。包含H₂和/或CO的阳极出口料流可提供制氢用的组分。这通常通过反应、分离和提纯步骤的一定组合进行。一个实例可以是利用水煤气变换通过反应H₂O+CO＝H₂+CO₂将尽可能多(几乎所有)的CO变换成H₂的第一阶段，接着从H₂中除去H₂O和/或CO₂并提供纯度合适的产物的第二(和可能的后继)阶段。此类阶段可包括单独或组合的PSA、深冷分离、膜和其它已知的分离方法。来自这些步骤的废气可以再循环和/或可用于向入口料流供热。分离的CO₂可用作再循环料流和/或可以捕集并任选用于其它工艺。阴极入口可以由来自整体工艺的再循环CO₂和/或通过用于向入口料流供热的新鲜(或再循环)燃料的燃烧产生的CO₂构成。在一些优选方面中，阴极入口可至少包括来自第一传统燃气轮机的一部分燃烧排气。阴极流出物通常可以排放到大气中(任选但优选在热回收以例如向其它工艺料流和/或在联合循环发电中供热后)，尽管如果需要，阴极流出物可任选但较不优选送往进一步处理。
集成到无碳热电用途中的MCFC系统可以在包含高(例如大约60％至大约70％)燃料利用率及低制氢量到低燃料利用率(例如大约20％至大约60％)及提高的制氢量的运行条件范围内使用。低燃料利用率的实例可包括至少大约20％，如至少大约30％，和/或大约60％或更低，如大约50％或更低。各用途的确切运行范围可随用途和时间广泛变化。适应这种运行 范围的能力可具有合意的优点。分离阶段数和实现的纯度可取决于最终用途。用于低排放供热的简单制氢可容许氢气中的适量杂质，因为排出料流中甚至数百分比的CO₂和/或CO仍可实现极低的总碳排放。高纯用途，如燃料电池车辆和/或实验室用氢气，可能需要多个步骤(例如深冷分离，接着PSA)实现纯度规格。
在另一些配置中，该MCFC可以在用于提供热和/或动力的阳极出口燃料过量的情况下在较低燃料利用率下运行。在这两种情况下，优点都可以在于，固定燃气轮机和MCFC系统的“基本负载”功率输出可保持大致恒定，而整体工艺的一个小分部，即氢气轮机可用于变载。可变燃料利用率和可变氢气轮机进料的组合可以使得整个装置在该装置的主要子系统在相当一致的运行条件下运行的同时满足对热、电力和/或氢气需求的多种多样的需要。
图25显示可由方便的含碳燃料，如天然气和/或甲烷生产低CO₂排放动力的集成发电MCFC工艺的示例性流程表。在这一图表中，燃烧天然气的涡轮机2540可燃烧氧化剂(空气)2501和甲烷/天然气2502以生成动力和废气流2503。可以将废气2503送入MCFC2530的阴极。可以向MCFC2530的阳极送入附加燃料(甲烷/天然气)2505和蒸汽2506。通过电化学反应，MCFC2530可生成动力，可产生脱CO₂的阴极排气2504并可产生含H₂/CO₂/CO的阳极排气2507。可以从阴极排气2504中回收热，然后可以将阴极排气2504排放到大气中和/或视需要施以进一步处理。阳极排气2507可以在水煤气变换反应器2560中变换以提高H₂浓度。该变换反应器流出物可进行分离2570以除去水2508，回收CO₂2509和形成含H₂的分离料流2510。可以将含CO₂的料流2509压缩至管道条件，然后可销售使用，用于不同工艺和/或封存。分离料流2510可以与氧化剂(空气)2511合并和送往氢气轮机2550以生成额外动力。来自氢气轮机2550的排气2512可以主要是水和N₂并可以排放到大气中和/或视需要施以进一步处理。
作为一个实例，使用与图25中所示的系统类似的配置进行模拟。也对不包括氢气轮机的系统进行对比模拟。在对比模拟中，取而代之地将来自 阳极排气的燃料(包含氢气)再循环至传统涡轮机的燃烧区。要指出，传统涡轮机的尺寸在这些模拟中保持不变，因此来自阳极排气的燃料的再循环导致送往传统涡轮机的新鲜天然气的量降低。
来自模拟的结果显示在图26中。图26中的结果看似表明，在传统燃料利用率，如～75％的燃料利用率下，第二氢气轮机的使用可能不太有益。在～75％的燃料利用率下，结果看似表明，使用第二氢气轮机可在也降低生成的净动力的同时降低总体发电效率。
在大约50％的燃料利用率下，图26中的模拟结果看似显示与第二氢气轮机一起运行的益处。含第二氢气轮机的系统的总体效率仍看起来较低，因为总效率为大约50％，而对比例的模拟结果为～55％。但是，该模拟看起来表明在大约50％燃料利用率下的运行导致产生的功率(大约624MW)大于任何对比例，同时也看起来具有比任何对比例低的每MWhr的CO₂排放(大约144lbs/MWhr)。在大约30％燃料利用率下的模拟看起来表现出通过在更低燃料利用率下运行而产生大氢气体积的更大益处。该模拟看起来表现出显著提高的功率生成(大约790MW)，同时也显著降低CO₂排放量(大约113lbs/MWhr)。在这些模拟中看起来部分由于提高的CO₂捕集量(在大约50％燃料利用率下大约1.92Mtons/yr，在大约30％燃料利用率下大约2.56Mtons/年)而实现提高的功率和降低的CO₂排放的组合。因此，该模拟看起来表明，与大约60％或更低，如大约50％或更低的燃料利用率结合使用氢气轮机可以在提供提高的电能生产的同时提供出乎意料地低的生成每单位能量的CO₂排放。
附加燃料电池运行策略
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以便可相对于氧化量选择重整量以实现燃料电池的所需热比率。本文所用的“热比率”被定义为由燃料电池组件中的放热反应生成的热除以在燃料电池组件内发生的重整反应的吸热需求。以数学方式表达，热比率(TH)＝Q_EX/Q_EN，其中Q_EX是由放热反应生成的热量总和且Q_EN是在燃料电池内发生的吸热反应消耗的热量总和。要指出，由放热 反应生成的热相当于归因于该电池中的重整反应、水煤气变换反应和电化学反应的任何热。可基于跨过电解质的燃料电池反应的理想电化学势减去燃料电池的实际输出电压计算由电化学反应生成的热。例如，基于在电池中发生的净反应，认为MCFC中的反应的理想电化学势为大约1.04V。在MCFC的运行过程中，由于各种损失，该电池通常会具有小于1.04V的输出电压。例如，常见输出/工作电压可以为大约0.7V。生成的热等于该电池的电化学势(即～1.04V)减去工作电压。例如，当输出电压为～0.7V时，由电池中的电化学反应生成的热为～0.34V。因此，在这种情况中，电化学反应产生～0.7V的电和～0.34V的热能。在这种实例中，～0.7V的电能不作为Q_EX的一部分。换言之，热能不是电能。
在各种方面中，可以对任何方便的燃料电池结构，如燃料电池堆、燃料电池堆内的独立燃料电池、具有集成的重整段的燃料电池堆、具有集成的吸热反应段的燃料电池堆或其组合测定热比率。也可以对燃料电池堆内的不同单元，如燃料电池或燃料电池堆的组装件计算热比率。例如，可以对单一燃料电池内的单一阳极、燃料电池堆内的阳极段或与集成的重整段和/或集成的吸热反应段元件(从热集成角度看足够紧密靠近要集成的阳极段)一起的燃料电池堆内的阳极段计算热比率。本文所用的“阳极段”包括在燃料电池堆内的共用共同入口或出口歧管的多个阳极。
在本发明的各种方面中，可以基于热比率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有所需热比率，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约1.5或更低，例如大约1.3或更低，或大约1.15或更低，或大约1.0或更低，或大约0.95或更低，或大约0.90或更低，或大约0.85或更低，或大约0.80或更低，或大约0.75或更低的热比率。附加地或作为选择地，热比率可以为至少大约0.25，或至少大约0.35，或至少大约0.45，或至少大约0.50。附加地或作为选择地，在一些方面中，可以运行燃料电池以具有大约40℃或更小，如大约20℃或更小，或大约10℃或更小的在阳极输入与阳极输出之间的升温。再附加地或作为选择地，可以运行燃料电池以具有比阳极入口温度低大约10℃至高大约10℃的阳极出口温度。再附加地或作为选择地，可以运行燃料电池以具有比阳极出口温度高的阳极入口温 度，如高至少大约5℃，或高至少大约10℃，或高至少大约20℃，或高至少大约25℃。再附加地或作为选择地，可以运行燃料电池以具有比阳极出口温度高大约100℃或更低，如高大约80℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低，或大约20℃或更低的阳极入口温度。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在降低或最小化在阴极排气料流中离开燃料电池的CO₂量的同时以提高的合成气(或氢气)产量运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。合成气可以是用于各种工艺的有价值的进料。除具有燃料价值外，合成气还可用作用于形成其它更高价值产品的原材料，例如通过使用合成气作为费托合成和/或甲醇合成工艺的进料。用于制造合成气的一个选项可以是重整烃或烃类燃料，如甲烷或天然气。对于许多类型的工业工艺，具有接近2:1(或甚至更低)的H₂/CO比的合成气通常合意。如果可提供额外的CO₂(如在阳极中生成)，则可以利用水煤气变换反应降低合成气中的H₂/CO比。
通过将合成气生成和熔融碳酸盐燃料电池的使用集成而提供的整体效益的一种表征方式可基于在阳极排气中离开燃料电池的合成气的净量相对于在阴极排气中离开燃料电池的CO₂量的比率。这种表征衡量以低排放和高效率(电和化学)发电的效力。在本说明书中，阳极排气中的合成气的净量被定义为阳极排气中存在的H₂摩尔数和CO摩尔数的总和减去阳极入口存在的H₂和CO量。由于该比率基于阳极排气中的合成气的净量，简单地将过量H₂送入阳极不会改变该比率的值。但是，由于在阳极中和/或在与阳极相关的内部重整段中重整而生成的H₂和/或CO可造成该比率的更高值。在阳极中氧化的氢可降低该比率。要指出，水煤气变换反应可以用H₂交换CO，因此H₂和CO的总摩尔数代表阳极排气中的总潜在合成气，无论合成气中最终所需的H₂/CO比如何。然后可以将阳极排气的合成气含量(H₂+CO)与阴极排气的CO₂含量相比较。这可提供一种类型的效率值，其也可说明(accountfor)碳捕集量。这可同等地表示为如下方程
阳极排气中的净合成气与阴极CO₂的比率＝
(H₂+CO)_阳极的净摩尔数/(CO₂)_阴极的摩尔数
在各种方面中，阳极排气中的合成气的净摩尔数与阴极排气中的CO₂摩尔数的比率可以为至少大约2.0，如至少大约3.0，或至少大约4.0，或至少大约5.0。在一些方面中，阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO₂量的比率可以更高，如至少大约10.0，或至少大约15.0，或至少大约20.0。附加地或作为选择地，可以实现大约40.0或更低，如大约30.0或更低，或大约20.0或更低的比率值。在阴极入口处的CO₂量为大约6.0体积％或更低，如大约5.0体积％或更低的方面中，至少大约1.5的比率值可能足够/现实的。阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO₂量的这种摩尔比率值可高于照常规运行的燃料电池的值。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)可以在降低的燃料利用率值如大约50％或更低的燃料利用率下运行，同时还具有高CO₂利用率值，如至少大约60％。在这种类型的配置中，该熔融碳酸盐燃料电池可有效用于碳捕集，因为CO₂利用率可有利地足够高。不同于试图使电效率最大化，在这种类型的配置中可基于综合电和化学效率改进或提高该燃料电池的总效率。化学效率可基于作为输出物从阳极排气中取出的氢气和/或合成气料流以用于其它工艺。尽管与一些传统配置相比可能降低电效率，但利用阳极排气中的化学能量输出可实现燃料电池的合意的总效率。
在各种方面中，燃料电池阳极中的燃料利用率可以为大约50％或更低，如大约40％或更低，或大约30％或更低，或大约25％或更低，或大约20％或更低。在各种方面中，为了生成至少一些电力，该燃料电池中的燃料利用率可以为至少大约5％，如至少大约10％，或至少大约15％，或至少大约20％，或至少大约25％，或至少大约30％。附加地或作为选择地，CO₂利用率可以为至少大约60％，如至少大约65％，或至少大约70％，或至少大约75％。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在提高或使合成气产量最大化的条件下(可能以发电量和电效率为代价)运 行熔融碳酸盐燃料电池。代替选择燃料电池的运行条件以改进或使燃料电池的电效率最大化，可以建立运行条件(可能包括送入阳极的可重整燃料的量)以提高燃料电池的化学能量输出。这些运行条件可能导致燃料电池的较低电效率。尽管电效率降低，任选但优选地，这些运行条件可导致基于燃料电池的综合电效率和化学效率的燃料电池总效率提高。通过提高引入阳极的可重整燃料与在阳极处实际电化学氧化的燃料的比率，可以提高阳极输出中的化学能含量。
在一些方面中，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整阶段的输入料流中的可重整燃料的可重整氢含量可以比在阳极处反应的氢气的净量高至少大约50％，如高至少大约75％或高至少大约100％。附加地或作为选择地，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整阶段的输入料流中的燃料的可重整氢含量可以比在阳极处反应的氢气的净量高至少大约50％，如高至少大约75％或高至少大约100％。在各种方面中，燃料料流中的可重整燃料的可重整氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为至少大约1.5:1，或至少大约2.0:1，或至少大约2.5:1，或至少大约3.0:1。附加地或作为选择地，燃料料流中的可重整燃料的可重整氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为大约20:1或更低，如大约15:1或更低或大约10:1或更低。一方面，预计阳极入口料流中的可重整氢含量的少于100％可转化成氢。例如，阳极入口料流中的可重整氢含量的至少大约80％可以在阳极中和/或在相关重整阶段中转化成氢，如至少大约85％，或至少大约90％。附加地或作为选择地，可基于相对于在阳极中氧化的氢的LHV的可重整燃料的低位发热值(LHV)表征送往阳极的可重整燃料量。这可被称作可重整燃料过剩率(surplusratio)。在各种方面中，可重整燃料过剩率可以为至少大约2.0，如至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0。附加地或作为选择地，可重整燃料过剩率可以为大约25.0或更低，如大约20.0或更低，或大约15.0或更低，或大约10.0或更低。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，也可以在可改进或优化燃料电池的综合电效率和化学效率的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。代替选择用于使燃料电池的电效率最 大化的传统条件，该运行条件可以在燃料电池的阳极排气中输出过量合成气和/或氢气。该合成气和/或氢气然后可用于各种用途，包括化学合成工艺和收集氢气以用作“清洁”燃料。在本发明的方面中，可以降低电效率以实现高的总效率，这包括基于相对于燃料电池的燃料输入的能量值的生成的合成气和/或氢气的化学能量值的化学效率。
在一些方面中，可基于电效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有低的电效率(EE)，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约40％或更低的电效率，例如大约35％EE或更低，大约30％EE或更低，大约25％EE或更低，或大约20％EE或更低，大约15％EE或更低，或大约10％EE或更低。附加地或作为选择地，EE可以为至少大约5％，或至少大约10％，或至少大约15％，或至少大约20％。再附加地或作为选择地，可基于总燃料电池效率(TFCE)，如燃料电池的综合电效率和化学效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有高的总燃料电池效率，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约55％或更大，例如大约60％或更大，或大约65％或更大，或大约70％或更大，或大约75％或更大，或大约80％或更大，或大约85％或更大的TFCE(和/或综合电效率和化学效率)。要指出，对于总燃料电池效率和/或综合电效率和化学效率，在效率计算中可不包括利用燃料电池生成的过量热生成的任何额外电力。
在本发明的各种方面中，可基于大约40％或更低的所需电效率和大约55％或更大的所需总燃料电池效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有所需电效率和所需总燃料电池效率，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约40％或更低的电效率及大约55％或更大的TFCE，例如大约35％EE或更低及大约60％或更大的TFCE，大约30％EE或更低及大约65％或更大的TFCE，大约25％EE或更低及大约70％TFCE或更大，或大约20％EE或更低及大约75％或更大的TFCE，大约15％EE或更低及大约80％或更大的TFCE，或大约10％EE或更低及大约85％或更大的TFCE。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在可提供提高的功率密度的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组 件)。燃料电池的功率密度相当于实际工作电压V_A乘以电流密度I。对于在电压V_A下运行的熔融碳酸盐燃料电池，该燃料电池还倾向于生成废热，废热被定义为(V₀–V_A)*I，其基于V_A与提供电流密度I的燃料电池的理想电压V₀之差。可重整燃料在燃料电池的阳极内的重整可消耗一部分这种废热。剩余部分的这种废热可以被周围的燃料电池结构和气流吸收，以造成跨过燃料电池的温度差。在传统运行条件下，可基于燃料电池在不损害燃料电池完整性的情况下可容许的废热量限制燃料电池的功率密度。
在各种方面中，通过在燃料电池内进行有效量的吸热反应，可以提高燃料电池可容许的废热量。吸热反应的一个实例包括可重整燃料在燃料电池阳极内和/或在相关重整段，如燃料电池堆中的集成重整段中的蒸汽重整。通过向燃料电池的阳极(或向集成/相关重整段)提供额外的可重整燃料，可以进行额外的重整以便可消耗额外的废热。这可降低跨燃料电池的温度差的量，由此允许燃料电池在具有提高的废热量的运行条件下运行。电效率的损失可通过产生可用于各种用途(包括额外的发电)的额外产物料流抵消，所述额外产物料流例如为合成气和/或H₂，以进一步扩大该系统的功率范围。
在各种方面中，燃料电池生成的废热量，如上定义的(V₀–V_A)*I可以为至少大约30mW/cm²，如至少大约40mW/cm²，或至少大约50mW/cm²，或至少大约60mW/cm²，或至少大约70mW/cm²，或至少大约80mW/cm²或至少大约100mW/cm²，或至少大约120mW/cm²，或至少大约140mW/cm²，或至少大约160mW/cm²，或至少大约180mW/cm²。附加地或作为选择地，燃料电池生成的废热量可以小于大约250mW/cm²，如小于大约200mW/cm²，或小于大约180mW/cm²，或小于大约165mW/cm²，或小于大约150mW/cm²。
尽管生成的废热量可能相对较高，但这样的废热不一定代表燃料电池以差效率运行。相反，可能由于在提高的功率密度下运行燃料电池而生成废热。改进燃料电池的功率密度部分可包括在足够高的电流密度下运行燃料电池。在各种方面中，燃料电池生成的电流密度可以为至少大约150mA/cm²，如至少大约160mA/cm²，或至少大约170mA/cm²，或至少大约 180mA/cm²，或至少大约190mA/cm²，或至少大约200mA/cm²，或至少大约225mA/cm²，或至少大约250mA/cm²。附加地或作为选择地，燃料电池生成的电流密度可以为大约500mA/cm²或更低，如450mA/cm²或更低，或400mA/cm²或更低，或350mA/cm²或更低，或300mA/cm²或更低。
在各种方面中，为了能在提高的发电和提高的废热生成下运行燃料电池，可以进行有效量的吸热反应(如重整反应)。或者，可通过在燃料电池阵列中布置热连通但不流体连通的“板”或阶段而使用与阳极运行无关的其它吸热反应来利用废热。可以在相关重整阶段、集成重整阶段、用于进行吸热反应的集成堆叠元件或其组合中进行有效量的吸热反应。有效量的吸热反应可相当于足以将从燃料电池入口到燃料电池出口的升温降至大约100℃或更低，如大约90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低的量。附加地或作为选择地，有效量的吸热反应可相当于足以使从燃料电池入口到燃料电池出口的降温为大约100℃或更低，如大约90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低，或大约20℃或更低，或大约10℃或更低的量。当有效量的吸热反应超过生成的废热时，可发生从燃料电池入口到燃料电池出口的降温。附加地或作为选择地，这可相当于吸热反应(如重整和另一吸热反应的组合)消耗燃料电池生成的废热的至少大约40％，如消耗至少大约50％的废热，或至少大约60％的废热，或至少大约75％的废热。再附加地或作为选择地，吸热反应可消耗大约95％或更少的废热，如大约90％或更少的废热，或大约85％或更少的废热。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在与降低的工作电压和低燃料利用率对应的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。在各种方面中，可以在小于大约0.7伏特，例如小于大约0.68V、小于大约0.67V、小于大约0.66V、或大约0.65V或更低的电压V_A下运行该燃料电池。附加地或作为选择地，可以在至少大约 0.60，例如至少大约0.61、至少大约0.62或至少大约0.63的电压V_A下运行该燃料电池。在这种情况下，随着电压降低，原本在高电压下作为电能离开燃料电池的能量可作为热留在电池内。这种额外的热能够增加吸热反应，例如提高CH₄转化成合成气的转化率。
定义
合成气:在本说明书中，合成气被定义为H₂和CO的任何比率的混合物。任选地，H₂O和/或CO₂可存在于合成气中。任选地，惰性化合物(如氮)和残留可重整燃料化合物可存在于合成气中。如果H₂和CO以外的组分存在于合成气中，合成气中H₂和CO的总体积百分比可以为合成气总体积的至少25体积％，如至少40体积％，或至少50体积％，或至少60体积％。附加地或作为选择地，合成气中H₂和CO的总体积百分比可以为100体积％或更低，如95体积％或更低或90体积％或更低。
可重整燃料:可重整燃料被定义为含有可重整生成H₂的碳-氢键的燃料。烃是可重整燃料的实例，其它烃质化合物，如醇也是。尽管CO和H₂O可参与水煤气变换反应以形成氢气，CO不被视为这一定义下的可重整燃料。
可重整氢含量:燃料的可重整氢含量被定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H₂生成最大化而形成的H₂分子数。要指出，H₂按定义具有1的可重整氢含量，尽管H₂本身不被定义为本文中的可重整燃料。类似地，CO具有1的可重整氢含量。尽管CO严格来讲不是可重整的，但驱使水煤气变换反应完全会导致CO交换成H₂。作为可重整燃料的可重整氢含量的实例，甲烷的可重整氢含量为4个H₂分子，而乙烷的可重整氢含量为7个H₂分子。更概括地，如果燃料的组成为CxHyOz，则该燃料在100％重整和水煤气变换下的可重整氢含量为n(H₂最大重整)＝2x+y/2–z。基于这一定义，电池内的燃料利用率可随之表示为n(H₂ox)/n(H₂最大重整)。当然，可基于各组分的可重整氢含量确定组分混合物的可重整氢含量。也可以以类似方式计算含有其它杂原子，如氧、硫或氮的化合物的可重整氢含量。
氧化反应:在这一论述中，燃料电池的阳极内的氧化反应被定义为是相当于通过与CO₃^2-反应而将H₂氧化以形成H₂O和CO₂的反应。要指出，在阳极中的氧化反应的这一定义中不包括阳极内的重整反应，在重整反应中含碳-氢键的化合物被转化成H₂和CO或CO₂。水煤气变换反应类似地在氧化反应的这一定义之外。进一步指出，提到燃烧反应被定义是提到H₂或含碳-氢键的化合物在非电化学燃烧器，如燃烧供能发电机的燃烧区中与O₂反应形成H₂O和碳氧化物的反应。
本发明的方面可调节阳极燃料参数以实现燃料电池的所需运行范围。阳极燃料参数可以直接地和/或与其它燃料电池工艺相关地，以一种或多种比率的形式表征。例如，可以控制阳极燃料参数以实现一种或多种比率，包括燃料利用率、燃料电池热值利用率、燃料过剩率、可重整燃料过剩率、可重整氢含量燃料比及其组合。
燃料利用率:燃料利用率是用于表征阳极运行的一个选项，其基于相对于输入料流的可重整氢含量的氧化的燃料量，可用于确定燃料电池的燃料利用率。在这一论述中，“燃料利用率”被定义为是为发电而在阳极中氧化的氢量(如上所述)与阳极进料(包括任何相关重整段)的可重整氢含量的比率。可重整氢含量已在上文定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H₂生成最大化而形成的H₂分子数。例如，引入阳极并暴露在蒸汽重整条件下的各甲烷导致在最大产量下生成4H₂分子当量。(取决于重整和/或阳极条件，重整产物可相当于非水煤气变换产物，其中一个或多个H₂分子取而代之地以CO分子的形式存在)。因此，甲烷被定义为具有4个H₂分子的可重整氢含量。作为另一实例，在这一定义下乙烷具有7个H₂分子的可重整氢含量。
阳极中的燃料利用率也可以通过基于由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值与送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值的比率定义热值利用率来表征。可以使用进入和离开燃料电池阳极的燃料组分的流速和低位发热值(LHV)计算本文所用的“燃料电池热值利用率”。因此，燃料电池热值利用率可作为(LHV(anode_in)–LHV(anode_out))/LHV(anode_in)计算，其中LHV(anode_in)和 LHV(anode_out)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO)的LHV。在这一定义中，可作为输入和/或输出料流中各燃料组分的数值总和计算料流或流的LHV。各燃料组分在该总和中的份额可相当于燃料组分的流速(例如摩尔/小时)乘以燃料组分的LHV(例如焦耳/摩尔)。
低位发热值:低位发热值被定义为燃料组分燃烧成气相完全氧化产物(即气相CO₂和H₂O产物)的焓。例如，阳极输入料流中存在的任何CO₂不构成阳极输入的燃料含量，因为CO₂已完全氧化。对于这一定义，由于阳极燃料电池反应而在阳极中发生的氧化量被定义为作为如上定义的阳极中的电化学反应的一部分的阳极中的H₂氧化。
要指出，对于阳极输入料流中的唯一燃料是H₂的特殊情况，在阳极中可发生的涉及燃料组分的唯一反应是H₂转化成H₂O。在这种特殊情况中，燃料利用率简化成(H₂-速率-入－H₂-速率-出)/H₂-速率-入。在这种情况下，H₂是唯一的燃料组分，因此H₂LHV会从该方程中消去。在更常见的情况下，阳极进料可能含有例如各种量的CH₄、H₂和CO。由于这些物类通常可以不同量存在于阳极出口中，可能需要如上所述求和以测定燃料利用率。
作为对燃料利用率的替代或补充，可以表征燃料电池中的其它反应物的利用率。例如，附加地或作为选择地，可以就“CO₂利用率”和/或“氧化剂”利用率表征燃料电池的运行。可以以类似方式规定CO₂利用率和/或氧化剂利用率的值。
燃料过剩率:表征熔融碳酸盐燃料电池中的反应的另一方式是通过基于送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值与由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的比率来定义利用率。这种量被称作燃料过剩率。因此，燃料过剩率可作为(LHV(anode_in)/(LHV(anode_in)-LHV(anode_out))计算，其中LHV(anode_in)和LHV(anode_out)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO)的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有至少大约1.0，如至少大约1.5，或至少大约2.0，或至少大约 2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的燃料过剩率。附加地或作为选择地，燃料过剩率可以为大约25.0或更低。
要指出，并非阳极输入料流中的所有可重整燃料都可被重整。优选地，进入阳极(和/或进入相关重整段)的输入料流中至少大约90％的可重整燃料在离开阳极之前可重整，如至少大约95％或至少大约98％。在另一些方面中，可重整燃料的重整量可以为大约75％至大约90％，如至少大约80％。
对燃料过剩率的上述定义提供了相对于在燃料电池阳极中发电所消耗的燃料量表征在阳极和/或与燃料电池相关的重整段内发生的重整量的一种方法。
任选地，可以改变燃料过剩率以虑及燃料从阳极输出再循环到阳极输入的情况。当燃料(如H₂、CO和/或未重整或部分重整的烃)从阳极输出再循环到阳极输入时，这样的再循环燃料组分不代表可用于其它用途的过剩量的可重整或重整燃料。相反，这样的再循环燃料组分仅指示降低燃料电池中的燃料利用率的需求。
可重整燃料过剩率:计算可重整燃料过剩率是虑及这样的再循环燃料组分的一个选项，其缩窄了过剩燃料的定义，以在阳极输入料流中仅包括可重整燃料的LHV。本文所用的“可重整燃料过剩率”被定义为送往阳极和/或与阳极相关的重整段的可重整燃料的低位发热值与由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的比率。在可重整燃料过剩率的定义下，不包括阳极进料中的任何H₂或CO的LHV。仍可通过表征进入燃料电池阳极的实际组合物测量可重整燃料的这种LHV，因此不需要区分再循环组分和新鲜组分。尽管一些未重整或部分重整燃料也可再循环，但在大多数方面中再循环到阳极的大部分燃料可相当于重整产物，如H₂或CO。以数学方式表达，可重整燃料过剩率(R_RFS)＝LHV_RF/LHV_OH，其中LHV_RF是可重整燃料的低位发热值(LHV)且LHV_OH是在阳极中氧化的氢气的低位发热值(LHV)。可通过从阳极入口料流的LHV中减去阳极出口料流的LHV(例如，LHV(anode_in)-LHV(anode_out))来计算在阳极中氧化的氢气的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃 料电池以具有至少大约0.25，如至少大约0.5，或至少大约1.0，或至少大约1.5，或至少大约2.0，或至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的可重整燃料过剩率。附加地或作为选择地，可重整燃料过剩率可以为大约25.0或更低。要指出，基于送往阳极的可重整燃料量相对于阳极中的氧化量的比率的这一较窄定义可区分具有低燃料利用率的两种类型的燃料电池运行方法。一些燃料电池通过将相当一部分的阳极输出物再循环回阳极输入而实现低燃料利用率。这种再循环能使阳极输入中的任何氢气再用作阳极的输入。这可降低重整量，因为即使在单次经过燃料电池时的燃料利用率低，至少一部分未用的燃料也可再循环用于稍后的流程。因此，具有多种多样的燃料利用值的燃料电池可具有相同的送往阳极重整段的可重整燃料与在阳极反应中氧化的氢气的比率。为了改变送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的氧化量的比率，需要识别具有原有含量的不可重整燃料的阳极进料，或需要取出阳极输出物中的未用燃料以用于其它用途，或两者。
可重整氢过剩率:用于表征燃料电池运行的另一选项基于“可重整氢过剩率”。上文定义的可重整燃料过剩率是基于可重整燃料组分的低位发热值定义的。可重整氢过剩率被定义为送往阳极和/或与阳极相关的重整段的可重整燃料的可重整氢含量与由于燃料电池阳极反应而在阳极中反应的氢的比率。因此，“可重整氢过剩率”可作为(RFC(reformable_anode_in)/(RFC(reformable_anode_in)-RFC(anode_out))计算，其中RFC(reformable_anode_in)是指阳极入口料流或流中的可重整燃料的可重整氢含量，而RFC(anode_out)是指阳极入口和出口料流或流中的燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO)的可重整氢含量。RFC可以以摩尔/秒、摩尔/小时或类似单位表示。在送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的氧化量的大比率下运行燃料电池的方法的一个实例可以是进行过量重整以平衡燃料电池中的热发生和消耗的方法。将可重整燃料重整以形成H₂和CO是一个吸热过程。可通过燃料电池中的电流生成对抗这种吸热反应，所述电流生成也可产生过量热，其(大致)对应于由阳极氧化反应和碳酸盐形成反应生成的热量和以电流形式离开燃料电池的能量之差。阳极氧化反应/ 碳酸盐形成反应中涉及的每摩尔氢的过量热可大于通过重整生成1摩尔氢而吸收的热。因此，在传统条件下运行的燃料电池可表现出从入口到出口的升温。代替这种类型的传统运行，可以提高在与阳极相关的重整段中重整的燃料量。例如，可以重整额外的燃料以便可通过重整中消耗的热(大致)平衡放热燃料电池反应生成的热，或重整消耗的热甚至可超过燃料氧化生成的过量热，以致跨过燃料电池的温度下降。这可导致与电力生成所需的量相比氢显著过量。作为一个实例，送入燃料电池的阳极入口或相关重整段的进料可以基本由可重整燃料，如基本纯的甲烷进料构成。在使用这种燃料发电的传统运行过程中，可以以大约75％的燃料利用率运行熔融碳酸盐燃料电池。这意味着送往阳极的燃料含量的大约75％(或3/4)用于形成氢气，其随后在阳极中与碳酸根离子反应形成H₂O和CO₂。在传统运行中，剩余大约25％的燃料含量可以在燃料电池内重整成H₂(或对燃料中的任何CO或H₂而言可以不反应地穿过燃料电池)，然后在燃料电池外燃烧以形成H₂O和CO₂以向燃料电池的阴极入口供热。可重整氢过剩率在这种情形下可以为4/(4-1)＝4/3。
电效率:本文所用的术语“电效率”(“EE”)被定义为由燃料电池产生的电化学动力除以燃料电池的燃料输入的低位发热值(“LHV”)率。燃料电池的燃料输入包括送往阳极的燃料以及用于保持燃料电池的温度的任何燃料，如送往与燃料电池相关的燃烧器的燃料。在本说明书中，由该燃料产生的动力可以以LHV(el)燃料率(fuelrate)描述。
电化学动力:本文所用的术语“电化学动力”或LHV(el)是由燃料电池中连接阴极与阳极的电路和跨过燃料电池电解质的碳酸根离子转移生成的动力。电化学动力不包括燃料电池上游或下游的设备产生或消耗的动力。例如，由燃料电池排气料流中的热产生的电不被视为电化学动力的一部分。类似地，由燃料电池上游的燃气轮机或其它设备生成的动力不是生成的电化学动力的一部分。“电化学动力”不考虑燃料电池运行过程中消耗的电力或由直流电转化成交流电引起的任何损失。换言之，不从燃料电池产生的直流电力中减去用于维持燃料电池运行或以其它方式运行燃料电池的电力。本文所用的功率密度是电流密度乘以电压。本文所用的总燃料 电池功率是功率密度乘以燃料电池面积。
燃料输入:本文所用的术语“阳极燃料输入”，被称作LHV(anode_in)，是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(in)，是送往燃料电池的燃料总量，包括阳极入口料流内的燃料量和用于保持燃料电池的温度的燃料量。基于本文提供的可重整燃料的定义，该燃料可包括可重整和不可重整的燃料。燃料输入不同于燃料利用率。
总燃料电池效率:本文所用的术语“总燃料电池效率”(“TFCE”)被定义为：由燃料电池生成的电化学动力加上由燃料电池生成的合成气的LHV的速率，除以阳极的燃料输入的LHV的速率(therateofLHV)。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sgnet))/LHV(anode_in)，其中LHV(anode_in)是指送往阳极的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV的速率，且LHV(sgnet)是指在阳极中产生合成气(H2、CO)的速率，其是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。LHV(el)描述燃料电池的电化学动力生成。总燃料电池效率不包括由该燃料电池生成的热，其用于燃料电池外的有益利用。在运行中，由燃料电池生成的热可能被下游设备有益利用。例如，该热可用于生成额外的电力或用于加热水。当在本申请中使用该术语时，在燃料电池外实施的这些用途不是总燃料电池效率的一部分。总燃料电池效率仅针对燃料电池运行，并且不包括燃料电池上游或下游的动力生成或消耗。
化学效率:本文所用的术语“化学效率”被定义为燃料电池的阳极排气中的H₂和CO的低位发热值或LHV(sgout)除以燃料输入或LHV(in)。
电效率和总系统效率都不考虑上游或下游工艺的效率。例如，可以有利地使用涡轮机排气作为燃料电池阴极的CO₂源。在这种布置中，涡轮机的效率不被视为电效率或总燃料电池效率计算的一部分。类似地，来自燃料电池的输出物可作为输入物再循环到燃料电池。当以单程模式计算电效率或总燃料电池效率时不考虑再循环回路。
生成的合成气:本文所用的术语“生成的合成气”是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。合成气可以至少部分用作阳极的输入或燃料。例如，系统可包括阳极再循环回路，其将来自阳极排气的合成气送回阳极 入口，在此对其补充天然气或其它合适的燃料。生成的合成气LHV(sgnet)＝(LHV(sgout)-LHV(sgin))，其中LHV(sgin)和LHV(sgout)分别是指阳极入口中的合成气和阳极出口料流或流中的合成气的LHV。要指出，通过阳极内的重整反应生成的至少一部分合成气通常可以在阳极中用于发电。用于发电的氢气不包括在“生成的合成气”的定义中，因为其不离开阳极。本文所用的术语“合成气比率”是生成的净合成气的LHV除以阳极的燃料输入的LHV或LHV(sgnet)/LHV(anodein)。可以使用合成气和燃料的摩尔流速代替LHV以表示摩尔基合成气比率和摩尔基生成的合成气。
汽碳比(S/C):本文所用的汽碳比(S/C)是料流中的蒸汽与料流中的可重整碳的摩尔比。CO和CO₂形式的碳不计为这一定义中的可重整碳。可以在该系统中的不同点测量和/或控制汽碳比。例如，可以控制阳极入口料流的组成以实现适合阳极中的重整的S/C。可作为H₂O的摩尔流速除以(燃料的摩尔流速乘以燃料中的碳原子数(例如甲烷为1)的乘积)给出S/C。因此，S/C＝f_H20/(f_CH4X#C)，其中f_H20是水的摩尔流速，其中f_CH4是甲烷(或其它燃料)的摩尔流速且#C是燃料中的碳数。
EGR比:本发明的各方面可以使用与燃料电池协作的涡轮机。综合燃料电池和涡轮机系统可包括排气再循环(“EGR”)。在EGR系统中，可以将涡轮机生成的至少一部分排气送往热回收发生器。可以将另一部分排气送往燃料电池。EGR比描述了送往燃料电池的排气量vs送往燃料电池或热回收发生器的总排气。本文所用的“EGR比”是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池相关部分和送往热回收发生器的回收相关部分的总流速。
在本发明的各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可用于促进从含CO₂料流中分离CO₂，同时也生成额外的电力。可以利用与燃烧基发电机(其可以向燃料电池的阴极部分提供至少一部分输入进料)的协同作用进一步增强CO₂分离。
燃料电池和燃料电池部件:在这一论述中，燃料电池可相当于单电池，其中阳极和阴极被电解质隔开。阳极和阴极可接收输入气流以促进各自的阳极和阴极反应，以将电荷传输过电解质和生成电力。燃料电池堆可代表 集成单元中的多个电池。尽管燃料电池堆可包括多个燃料电池，但燃料电池通常可以并联并可(大致)表现得像它们集体代表尺寸更大的单燃料电池。当向燃料电池堆的阳极或阴极输送输入料流时，该燃料堆可包括用于在该堆中的各电池之间分配输入料流的流动通道和用于合并来自各电池的输出料流的流动通道。在这一论述中，燃料电池阵列可用于表示串联、并联或以任何其它方便的方式(例如串联和并联的组合)布置的多个燃料电池(如多个燃料电池堆)。燃料电池阵列可包括燃料电池和/或燃料电池堆的一个或多个段，其中来自第一段的阳极/阴极输出可充当第二段的阳极/阴极输入。要指出，燃料电池阵列中的阳极不必以与该阵列中的阴极相同的方式连接。为方便起见，燃料电池阵列的第一阳极段的输入可以被称作该阵列的阳极输入，且燃料电池阵列的第一阴极段的输入可以被称作该阵列的阴极输入。类似地，最终阳极/阴极段的输出可以被称作该阵列的阳极/阴极输出。
应该理解的是，在本文中提到使用燃料电池通常是指由单燃料电池构成的“燃料电池堆”，更通常是指使用流体连通的一个或多个燃料电池堆。通常可以将独立燃料电池元件(板)一起“堆叠”在被称作“燃料电池堆”的矩形阵列中。这种燃料电池堆通常可以获取进料流并将反应物分配在所有单独的燃料电池元件之间，然后可以从各元件收集产物。当被视为一个单元时，燃料电池堆在运行中可以被当作整体，尽管由许多(通常数十或数百)单独燃料电池元件构成。这些单独燃料电池元件通常可具有类似电压(因为反应物和产物浓度类似)，当这些元件电串联时，总电输出可来自所有电池元件中的所有电流的总和。电池堆也可以串联布置以产生高电压。并联布置可提升电流。如果可提供足够大体积的燃料电池堆以加工给定排气流，则本文描述的系统和方法可以与单个熔融碳酸盐燃料电池堆一起使用。在本发明的另一些方面中，由于多种原因可能合意或需要的是多个燃料电池堆。
对本发明而言，除非另行规定，术语“燃料电池”应被理解为也是指和/或被定义为包括涉及具有单输入和输出的由一个或多个单独燃料电池元件的组合构成的燃料电池堆，因为这是燃料电池在实践中的通常使用方 式。类似地，除非另行规定，术语燃料电池(复数)应被理解为也是指和/或被定义为包括多个独立的燃料电池堆。换言之，除非特别说明，本文内的所有提及可互换地是指燃料电池堆作为“燃料电池”运行。例如，商业规模的燃烧发电机生成的排气体积可能太大以致无法通过常规尺寸的燃料电池(即单电池堆)加工。为了加工整个排气，可以并联布置多个燃料电池(即两个或更多个独立的燃料电池或燃料电池堆)，以使各燃料电池可加工(大致)相等部分的燃烧排气。尽管可以使用多个燃料电池，但考虑到其(大致)相等部分的燃烧排气，各燃料电池通常可以大致类似的方式运行。
“内部重整”和“外部重整”:燃料电池或燃料电池堆可包括一个或多个内部重整段。本文所用的术语“内部重整”是指在燃料电池、燃料电池堆的主体内或以其它方式在燃料电池组件内发生的燃料重整。通常与燃料电池联合使用的外部重整在位于燃料电池堆外的独立设备件中进行。换言之，外部重整器的主体不与燃料电池或燃料电池堆的主体直接物理接触。在典型的布置中，可以将来自外部重整器的输出送入燃料电池的阳极入口。除非特别另行说明，本申请内描述的重整是内部重整。
内部重整可以在燃料电池阳极内进行。附加地或作为选择地，内部重整可以在集成在燃料电池组件内的内部重整元件内进行。集成的重整元件可位于燃料电池堆内的燃料电池元件之间。换言之，电池堆中的盘之一可以是重整段而非燃料电池元件。一方面，燃料电池堆内的流动布置将燃料导向内部重整元件，然后导入燃料电池的阳极部分。因此，从流动角度看，内部重整元件和燃料电池元件可串联布置在燃料电池堆内。本文所用的术语“阳极重整”是在阳极内发生的燃料重整。本文所用的术语“内部重整”是在集成的重整元件内而非在阳极段中发生的重整。
在一些方面中，在燃料电池组件内的重整段可以被认为与燃料电池组件中的阳极相关。在另一些方面中，对于可与阳极相关(如与多个阳极相关)的燃料电池堆中的重整段，可提供将来自重整段的输出料流送入至少一个阳极的流动路径。这可相当于具有燃料电池板的初始段，该段不与电解质接触而是仅充当重整催化剂。相关重整段的另一选项可以是具有单独 的集成重整段作为燃料电池堆中的元件之一，其中将来自集成重整段的输出送回燃料电池堆中的一个或多个燃料电池的输入侧。
从热集成角度看，燃料电池堆中的特征高度可以是单独燃料电池堆元件的高度。要指出，独立的重整阶段和/或独立的吸热反应阶段在该堆中可具有与燃料电池不同的高度。在这种情况下，可以使用燃料电池元件的高度作为特征高度。在一些方面中，集成的吸热反应阶段可以被定义为与一个或多个燃料电池热集成的阶段，以使该集成的吸热反应阶段可利用来自燃料电池的热作为吸热反应的热源。这种集成的吸热反应阶段可以被定义为与向该集成阶段供热的任何燃料电池相距不到一个堆元件高度的5倍。例如，集成的吸热反应阶段(如重整阶段)可以与热集成的任何燃料电池相距不到一个堆元件高度的5倍，如不到一个堆元件高度的3倍。在这一论述中，代表燃料电池元件的相邻堆元件的集成重整阶段和/或集成吸热反应阶段可以被定义为与相邻燃料电池元件相距大约一个堆元件高度或更低。
在一些方面中，与燃料电池元件热集成的独立重整阶段可相当于与燃料电池元件相关的重整阶段。在这样的方面中，集成的燃料电池元件可以向相关重整阶段提供至少一部分热，且相关重整阶段可以将至少一部分重整阶段输出物作为燃料料流供往集成的燃料电池。在另一些方面中，独立重整阶段可以与燃料电池集成以传热，但不与燃料电池相关。在这种类型的情况中，该独立重整阶段可以从燃料电池接收热，但可以决定不使用重整阶段的输出物作为燃料电池的输入。相反，可以决定将这种重整阶段的输出物用于另一用途，如将该输出物直接添加到阳极排气料流中，和/或形成来自燃料电池组件的独立输出料流。
更通常，燃料电池堆中的独立堆元件可用于进行可利用集成的燃料电池堆元件提供的废热的任何方便类型的吸热反应。代替适用于对烃燃料料流进行重整反应的板，独立堆元件可具有适用于催化另一类型的吸热反应的板。燃料电池堆中的歧管或入口导管的其它布置可用于向各堆元件提供适当的输入料流。附加地或作为选择地，类似的歧管或出口导管的其它布置可用于从各堆元件中取出输出料流。任选地，可以从燃料电池堆中取出 来自堆中的吸热反应阶段的输出料流而不使该输出料流经过燃料电池阳极。在这样的任选方面中，放热反应的产物可以因此在不经过燃料电池阳极的情况下离开燃料电池堆。可以在燃料电池堆中的堆元件中进行的其它类型的吸热反应的实例可包括，但不限于，乙醇脱水以形成乙烯，和乙烷裂化。
再循环:如本文定义，一部分燃料电池输出(如阳极排气或从阳极排气中分离或取出的料流)再循环到燃料电池入口，这可相当于直接或间接再循环料流。料流直接再循环到燃料电池入口被定义为不经过中间过程的料流再循环，而间接再循环涉及使料流经过一个或多个中间过程后的再循环。例如，如果阳极排气在再循环之前经过CO₂分离段，这被视为阳极排气的间接再循环。如果将阳极排气的一部分，如从阳极排气中取出的H₂料流送入用于将煤转化成适合引入燃料电池的燃料的气化器，这也被视为间接再循环。
阳极输入和输出
在本发明的各种方面中，可以向MCFC阵列供入在阳极入口接收的燃料，其包含例如氢气和烃，如甲烷(或者，可能含有不同于C和H的杂原子的烃质或类烃化合物)。送入阳极的大部分甲烷(或其它烃质或类烃化合物)通常是新鲜甲烷。在本说明书中，新鲜燃料，如新鲜甲烷是指不是从另一燃料电池工艺再循环而来的燃料。例如，从阳极出口料流再循环到阳极入口的甲烷不可被视为“新鲜”甲烷，而是可以被描述为再生甲烷。所用燃料源可以与其它部件分享，如涡轮机，涡轮机利用一部分燃料源向阴极输入提供含CO₂料流。该燃料源输入可包括与该燃料成一定比例的水，所述比例适于重整段中重整烃(或类烃)化合物生成氢气。例如，如果甲烷是用于重整以生成H₂的燃料输入，水与燃料的摩尔比可以为大约1比1至大约10比1，如至少大约2比1。4比1或更大的比率对外部重整是典型的，但更低的值对内部重整是典型的。在H₂作为燃料源的一部分的程度上，在一些任选方面中，在燃料中可能不需要额外的水，因为阳极处的H₂氧化可倾向于产生可用于重整该燃料的H₂O。燃料源还可任选含有该燃 料源附带的组分(例如，天然气进料可含有一定含量的CO₂作为附加组分)。例如，天然气进料可含有CO₂、N₂和/或其它惰性(稀有)气体作为附加组分。任选地，在一些方面中，该燃料源还可含有CO，如来自阳极排气的再循环部分的CO。进入燃料电池组件的燃料中的CO的附加或替代的可能来源可以是由进入燃料电池组件之前对燃料进行的烃燃料蒸汽重整生成的CO。
更通常，各种类型的燃料料流可适合用作熔融碳酸盐燃料电池的阳极的输入料流。一些燃料料流可相当于含有烃和/或还可包含不同于C和H的杂原子的类烃化合物的料流。在这一论述中，除非另行规定，用于MCFC阳极的含烃燃料料流的提及被定义为包括含有这样的类烃化合物的燃料料流。烃(包括类烃)燃料料流的实例包括天然气、含C1-C4碳化合物(如甲烷或乙烷)的料流和含有更重的C5+烃(包括类烃化合物)的料流以及它们的组合。用于阳极输入中的可能的燃料料流的另一些附加或替代的实例可包括生物气类型的料流，如由有机材料的天然(生物)分解产生的甲烷。
在一些方面中，熔融碳酸盐燃料电池可用于加工由于存在稀释剂化合物而具有低能量含量的输入燃料料流，如天然气和/或烃料流。例如，甲烷和/或天然气的一些来源是可包括显著量的CO₂或其它惰性分子，如氮、氩或氦的来源。由于存在提高量的CO₂和/或惰性物，可降低基于该来源的燃料料流的能量含量。低能量含量的燃料用于燃烧反应(如用于为燃烧供能的涡轮机供能)会造成困难。但是，熔融碳酸盐燃料电池可基于低能量含量的燃料源发电并对燃料电池的效率具有降低的或最小的影响。附加气体体积的存在可需要附加的热将燃料温度升至用于重整和/或阳极反应的温度。另外，由于燃料电池阳极内的水煤气变换反应的平衡性质，附加CO₂的存在可影响阳极输出中存在的H₂和CO的相对量。但是，另外，惰性化合物对重整和阳极反应可只具有极小的直接影响。熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO₂和/或惰性化合物(当存在时)的量可以为至少大约1体积％，如至少大约2体积％，或至少大约5体积％，或至少大约10体积％，或至少大约15体积％，或至少大约20体积％，或至少大约25体积％，或 至少大约30体积％，或至少大约35体积％，或至少大约40体积％，或至少大约45体积％，或至少大约50体积％，或至少大约75体积％。附加地或作为选择地，熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO₂和/或惰性化合物的量可以为大约90体积％或更低，如大约75体积％或更低，或大约60体积％或更低，或大约50体积％或更低，或大约40体积％或更低，或大约35体积％或更低。
阳极输入料流的可能来源的另一些实例可对应于炼油和/或其它工业工艺的输出料流。例如，炼焦是在许多炼油厂中用于将重质化合物转化成较低沸程的常见工艺。炼焦通常产生含有在室温下为气体的多种化合物，包括CO和各种C1-C4烃的废气。这种废气可用作阳极输入料流的至少一部分。附加地或作为选择地，另一些炼油厂废气料流可适合包含在阳极输入料流中，如在裂化或其它炼油厂工艺过程中生成的轻馏分(C1-C4)。附加地或作为选择地，另一些合适的炼油厂料流可包括含CO或CO₂的炼油厂料流，其还含有H₂和/或可重整燃料化合物。
附加地或作为选择地，阳极输入的另一些可能的来源包括具有提高的水含量的料流。例如，来自乙醇厂(或另一类型的发酵工艺)的乙醇输出料流在最终蒸馏之前可包括相当一部分的H₂O。这样的H₂O通常可对燃料电池的运行仅造成极小的影响。因此，醇(或其它发酵产物)和水的发酵混合物可用作阳极输入料流的至少一部分。
生物气或沼气是阳极输入的另一附加或替代的可能来源。生物气可能主要包含甲烷和CO₂并通常通过有机物的分解或消化产生。厌氧菌可用于消化有机物并产生生物气。可以在用作阳极输入之前从生物气中除去杂质，如含硫化合物。
来自MCFC阳极的输出料流可包括H₂O、CO₂、CO和H₂。任选地，该阳极输出料流还可具有进料中的未反应燃料(如H₂或CH₄)或惰性化合物作为附加输出组分。代替使用这种输出料流作为向重整反应供热的燃料源或作为用于加热电池的燃烧燃料，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO₂与具有作为另一工艺的输入的潜在价值的组分，如H₂或CO分离。H₂和/或CO可用作用于化学合成的合成气、用作用于化学反应 的氢源和/或用作具有降低的温室气体排放的燃料。
在各种方面中，阳极的输出料流的组成可受若干因素影响。可影响阳极输出组成的因素可包括阳极的输入料流的组成、由燃料电池生成的电流量和/或阳极出口的温度。由于水煤气变换反应的平衡性质，阳极出口的温度是有关联的。在典型阳极中，构成阳极壁的至少一个板可适用于催化水煤气变换反应。因此，如果a)阳极输入料流的组成已知，b)阳极输入料流中的可重整燃料的重整程度已知，和c)从阴极传输到阳极的碳酸根的量(对应于生成的电流量)已知，则可基于水煤气变换反应的平衡常数确定阳极输出的组成。
K_eq＝[CO₂][H₂]/[CO][H₂O]
在上述方程中，K_eq是该反应在给定温度和压力下的平衡常数，且[X]是组分X的分压。基于水煤气变换反应，可以指出，阳极输入中提高的CO₂浓度可倾向于导致额外的CO形成(以H₂为代价)，而提高的H₂O浓度可倾向于导致额外的H₂形成(以CO为代价)。
为了测定阳极输出的组成，可以使用阳极输入的组成作为起点。然后可以改变这种组成以反映在阳极内可能发生的任何可重整燃料的重整程度。这种重整可降低阳极输入的烃含量，变换成增加的氢气和CO₂。接着，基于生成的电流量，可以降低阳极输入中的H₂量，变换成额外的H₂O和CO₂。然后可以基于水煤气变换反应的平衡常数调节这种组成以测定H₂、CO、CO₂和H₂O的出口浓度。
表1显示对于典型类型的燃料在不同燃料利用率下的阳极排气组成。阳极排气组成可反映阳极重整反应、水煤气变换反应和阳极氧化反应的综合结果。表1中的输出组成值通过假设阳极输入组成具有大约2比1的汽(H₂O)/碳(可重整燃料)比而计算。假设可重整燃料是甲烷，假设其100％重整成氢气。假设阳极输入中的初始CO₂和H₂浓度可忽略不计，而输入N₂浓度为大约0.5％。如该表中所示使燃料利用率U_f(如本文中定义)从大约35％到大约70％改变。为了测定平衡常数的准确值，假设燃料电池阳极的出口温度为大约650℃。
表1-阳极排气组成

表1显示在条件和阳极输入组成的特定设置下的阳极输出组成。更通常，在各种方面中，阳极输出可包括大约10体积％至大约50体积％H₂O。H₂O的量可在很大程度上变化，因为阳极中的H₂O可由阳极氧化反应产生。如果将超过重整所需量的过量H₂O引入阳极，则除由于燃料重整和水煤气变换反应消耗(或生成)的H₂O外，该过量H₂O通常会大多未反应地通过。阳极输出中的CO₂浓度也可很大程度上变化，如大约20体积％至大约50体积％CO₂。生成的电流量以及阳极输入料流中的CO₂量都可影响CO₂量。附加地或作为选择地，取决于阳极中的燃料利用率，阳极输出中的H₂量可以为大约10体积％H₂至大约50体积％H₂。在阳极输出中，CO量可以为大约5体积％至大约20体积％。要指出，对于给定燃料电池，阳极输出中的相对于H₂量的CO量可部分取决于在燃料电池中存在的温度和压力下的水煤气变换反应的平衡常数。附加地或作为选择地，阳极输 出还可包括5体积％或更少的各种其它组分，如N₂、CH₄(或其它未反应的含碳燃料)和/或其它组分。
任选地，如果需要，可在阳极输出后包括一个或多个水煤气变换反应段以将阳极输出中的CO和H₂O转化成CO₂和H₂。可以例如通过在较低温度下使用水煤气变换反应器将阳极输出中存在的H₂O和CO转化成H₂和CO₂来提高阳极输出中存在的H₂量。或者，可以提高温度并可以逆转水煤气变换反应，以由H₂和CO₂产生更多CO和H₂O。水是在阳极处发生的反应的预期输出，因此该阳极输出通常可具有与阳极输出中存在的CO量相比过量的H₂O。或者，可以在阳极出口后但在水煤气变换反应前将H₂O添加到料流中。由于在重整过程中的不完全碳转化和/或由于在重整条件或在阳极反应过程中存在的条件下H₂O、CO、H₂和CO₂之间的平衡反应(即水煤气变换平衡)，在阳极输出中可存在CO。水煤气变换反应器可以在以CO和H₂O为代价进一步朝形成CO₂和H₂的方向驱动该平衡的条件下运行。较高温度可以往往有利于形成CO和H₂O。因此，运行水煤气变换反应器的一个选项可以是在合适的温度，例如大约190℃至大约210℃下使阳极输出料流暴露在合适的催化剂，如包括氧化铁、氧化锌、载铜氧化锌等的催化剂下。任选地该水煤气变换反应器可包括用于降低阳极输出料流中的CO浓度的两个段，其中第一较高温段在至少大约300℃至大约375℃的温度下运行，第二较低温段在大约225℃或更低，如大约180℃至大约210℃的温度下运行。除提高阳极输出中存在的H₂量外，附加地或作为选择地，水煤气变换反应可以以CO为代价提高CO₂量。这可以将难除去的一氧化碳(CO)变换成二氧化碳，二氧化碳可以更容易地通过冷凝(例如低温脱除)、化学反应(如胺脱除)和/或其它CO₂脱除法除去。附加地或作为选择地，可能合意的是提高阳极排气中存在的CO含量以实现所需H₂/CO比。
在经过任选水煤气变换反应段后，可以使阳极输出经过一个或多个分离段以从阳极输出料流中除去水和/或CO₂。例如，可通过单独或组合使用一种或多种方法对阳极输出进行CO₂分离来形成一个或多个CO₂输出料流。这些方法可用于生成具有90体积％或更高，如至少95％体积％CO₂ 或至少98体积％CO₂的CO₂含量的CO₂输出料流。这些方法可回收阳极输出的CO₂含量的大约至少70％，如阳极输出的CO₂含量的至少大约80％，或至少大约90％。或者，在一些方面中可能合意的是回收阳极输出料流内的仅一部分CO₂，回收的CO₂部分为阳极输出中的CO₂的大约33％至大约90％，如至少大约40％，或至少大约50％。例如，可能合意的是使一些CO₂留在阳极输出料流中以在随后的水煤气变换段中实现所需组成。合适的分离方法可包括使用物理溶剂(例如，Selexol^TM或Rectisol^TM)；胺或其它碱(例如，MEA或MDEA)；制冷(例如，深冷分离)；变压吸附；真空变压吸附；和它们的组合。深冷CO₂分离器可以是合适的分离器的一个实例。随着将阳极输出冷却，阳极输出中的大部分水可作为冷凝(液)相分离出。贫水阳极输出料流的进一步冷却和/或加压可随后分离高纯CO₂，因为阳极输出料流中的其它剩余组分(如H₂、N₂、CH₄)不容易形成冷凝相。取决于运行条件，深冷CO₂分离器可回收流中存在的CO₂的大约33％至大约90％。
从阳极排气中除水以形成一个或多个水输出料流也是有益的，无论这是在进行CO₂分离之前、之中还是之后。阳极输出中的水量可随所选运行条件而变。例如，在阳极入口建立的汽/碳比可影响阳极排气中的水含量，高汽/碳比通常导致大量的水，其可以未反应地通过阳极和/或仅由于阳极中的水煤气变换平衡而反应。根据该方面，阳极排气中的水含量可相当于阳极排气中的体积的多达大约30％或更大。附加地或作为选择地，水含量可以为阳极排气体积的大约80％或更小。尽管可通过压缩和/或冷却及随之冷凝除去这样的水，但这种水的脱除可需要额外的压缩机功率和/或热交换表面积和大量的冷却水。除去一部分这种过量水的一种有益方式可基于使用吸附剂床，其可从湿阳极流出物中捕获水分，然后可利用干燥的阳极进料气“再生”，以向阳极进料提供额外的水。HVAC-型(加热、通风和空气调节)吸附轮设计是适用的，因为阳极排气和入口可在压力上类似，且从一个料流到另一料流的轻微泄漏对整个工艺的影响极小。在使用深冷法进行CO₂脱除的实施方案中，在CO₂脱除之前或之中除水可能是合意的，包括通过三乙二醇(TEG)系统和/或干燥剂除水。相反，如果使用胺洗除 去CO₂，则可以在CO₂脱除段下游从阳极排气中除水。
代替性地或除了CO₂输出料流和/或水输出料流外，阳极输出还可用于形成一个或多个含有所需化学或燃料产物的产物料流。这样的产物料流可相当于合成气料流、氢气料流或合成气产物和氢气产物料流两者。例如，可形成含有至少大约70体积％H₂，如至少大约90体积％H₂或至少大约95体积％H₂的氢气产物料流。附加地或作为选择地，可形成含有总共至少大约70体积％的H₂和CO，如至少大约90体积％的H₂和CO的合成气料流。所述一个或多个产物料流可具有相当于阳极输出中的总H₂和CO气体体积的至少大约75％，如总H₂和CO气体体积的至少大约85％或至少大约90％的气体体积。要指出，基于利用水煤气变换反应段在产物之间进行转化，产物料流中H₂和CO的相对量可能不同于阳极输出中的H₂/CO比。
在一些方面中，可能合意的是除去或分离阳极输出中存在的一部分H₂。例如，在一些方面中阳极排气中的H₂/CO比可以为至少大约3.0:1。相反，利用合成气的工艺，如费托合成可以以不同比率，如接近2:1的比率消耗H₂和CO。一个备选方案可以是利用水煤气变换反应改变阳极输出的含量以具有更接近所需合成气组成的H₂/CO比。另一备选方案可以是利用膜分离除去阳极输出中存在的一部分H₂以实现所需H₂/CO比，或使用膜分离和水煤气变换反应的组合。利用膜分离除去阳极输出中的仅一部分H₂的一个优点可以是在相对温和条件下进行所需分离。由于一个目标可以是产生仍具有显著H₂含量的渗余物，可通过膜分离生成高纯氢的渗透物而不需要苛刻的条件。例如，渗透物侧可以在比环境压力高的压力下，同时仍具有足以进行膜分离的驱动力，而非在膜渗透物侧上具有大约100kPaa或更低(如环境压力)的压力。附加地或作为选择地，可以使用吹扫气体如甲烷提供膜分离的驱动力。这可降低H₂渗透物料流的纯度，但取决于该渗透物料流的所需用途，可能是有利的。
在本发明的各种方面中，至少一部分阳极排气料流(优选在分离CO₂和/或H₂O后)可用作燃料电池和相关重整段外的工艺的进料。在各种方面中，阳极排气可具有大约1.5:1至大约10:1，如至少大约3.0:1，或至 少大约4.0:1，或至少大约5.0:1的H₂/CO比。可以由阳极排气生成或取出合成气料流。阳极排气，任选在分离CO₂和/或H₂O之后和任选在进行水煤气变换反应和/或膜分离以除去过量氢气之后，可相当于含有相当一部分H₂和/或CO的料流。对于具有相对较低CO含量的料流，如H₂/CO比为至少大约3:1的料流，该阳极排气适合用作H₂进料。可获益于H₂进料的工艺的实例可包括，但不限于，炼油厂工艺、氨合成装置或(不同)发电系统中的涡轮机或其组合。根据用途，更低的CO₂含量可能是合意的。对于具有小于大约2.2比1和大于大约1.9比1的H₂/CO比的料流，该料流可适合用作合成气进料。可获益于合成气进料的工艺的实例可包括，但不限于，气至液装置(如使用借助非变换催化剂的费托法的装置)和/或甲醇合成装置。用作外部工艺的进料的阳极排气的量可以是任何方便的量。任选地，当使用一部分阳极排气作为外部工艺的进料时，第二部分的阳极排气可再循环到阳极输入和/或再循环到燃烧供能发电机的燃烧区。
可用于不同类型的费托合成工艺的输入料流可提供可以适合由阳极输出生成的不同类型的产物料流的一个实例。对于使用变换催化剂，如铁基催化剂的费托合成反应系统，该反应系统的所需输入料流除H₂和CO外还可包括CO₂。如果在输入料流中不存在足量的CO₂，则具有水煤气变换活性的费托催化剂可消耗CO以生成额外的CO₂，导致可能CO不足的合成气。为了将这种费托工艺与MCFC燃料电池集成，可以运行阳极输出的分离段以保持合成气产物中的所需CO₂(和任选H₂O)量。相反，对基于非变换催化剂的费托催化剂，产物料流中存在的任何CO₂可充当费托反应系统中的惰性组分。
在用吹扫气体，如甲烷吹扫气体吹扫膜的方面中，甲烷吹扫气体可相当于用作阳极燃料或用于不同的低压工艺，如锅炉、炉、燃气轮机或其它燃料消耗装置的甲烷料流。在这一方面中，跨过该膜的低水平CO₂渗透可具有极小后果。可能渗透过膜的这种CO₂对阳极内的反应具有极小影响，并且这种CO₂可保留在阳极产物中。因此，由于渗透而跨膜损失的CO₂(如果有的话)不需要再转移通过MCFC电解质。这可以显著降低对透氢膜的分离选择性要求。这可允许例如使用具有较低选择性的较高渗透率 膜，其可以使使用较低压力和/或降低的膜表面积成为可能。在本发明的这一方面中，吹扫气体的体积可以为阳极排气中的氢气体积的大倍数，这能使渗透物侧上的有效氢气浓度保持接近0。由此分离的氢气可并入涡轮机的进料甲烷中，在此其可以如上所述增强涡轮机燃烧特征。
要指出，在阳极中生成的过量H₂可代表已分离出温室气体的燃料。阳极输出中的任何CO₂可容易地从阳极输出中分离，如通过使用胺洗、深冷CO₂分离器和/或变压或真空变压吸附法。阳极输出的几种组分(H₂、CO、CH₄)不容易除去，而CO₂和H₂O通常可以容易除去。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中的CO₂的至少大约90体积％，形成相对高纯的CO₂输出料流。因此，可以有效分离出在阳极中生成的任何CO₂以形成高纯CO₂输出料流。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有化学和/或燃料价值的组分以及降低量的CO₂和/或H₂O。由于由原始燃料(在重整前)生成的相当一部分CO₂可已被分离出，可以降低由剩余部分的阳极输出的随后燃烧生成的CO₂量。特别地，在剩余部分的阳极输出中的燃料是H₂的程度上，通常不能由这种燃料的燃烧形成额外的温室气体。
可以对阳极排气施以各种气体加工选择，包括水煤气变换和组分的互相分离。两种一般的阳极加工方案显示在图1和2中。
图1示意性显示与化学合成工艺联合运行熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列的反应系统的一个实例。在图1中，向与燃料电池120(如作为燃料电池阵列中的燃料电池堆的一部分的燃料电池)的阳极127相关的一个(或多个)重整段110提供燃料料流105。与燃料电池120相关的重整段110可以在燃料电池组件内。在一些任选方面中，也可以使用外部重整段(未显示)在将输入料流送入燃料电池组件之前重整输入料流中的一部分可重整燃料。燃料料流105可优选包括可重整燃料，如甲烷、其它烃和/或其它类烃化合物，如含有碳-氢键的有机化合物。燃料料流105还可任选含有H₂和/或CO，如由任选的阳极再循环料流185提供的H₂和/或CO。要指出，阳极再循环料流185是任选的，并且在许多方面中，没有直接或通过与燃料料流105或重整燃料料流115结合而间接地从阳极排气125回到阳极127的再循环流。在重整后，可以将重整燃料料流115送入燃料电 池120的阳极127。也可以将含CO₂和O₂的料流119送入阴极129。来自燃料电池的阴极部分129的碳酸根离子(CO₃^2-)流122可提供阳极燃料电池反应所需的其余反应物。基于阳极127中的反应，所得阳极排气125可包括H₂O、CO₂、对应于不完全反应的燃料的一种或多种组分(H₂、CO、CH₄或与可重整燃料对应的其它组分)和任选一种或多种额外非反应性组分，如N₂和/或作为燃料料流105的一部分的其它污染物。然后可以将阳极排气125送入一个或多个分离段。例如，CO₂脱除段140可对应于深冷CO₂脱除系统、用于除去酸性气体，如CO₂的胺洗段或用于从阳极排气中分离CO₂输出料流143的另一合适类型的CO₂分离段。任选地，阳极排气可首先经过水煤气变换反应器130以将阳极排气中存在的任何CO(与一些H₂O一起)转化成任选水煤气变换的阳极排气135中的CO₂和H₂。取决于CO₂脱除段的性质，水冷凝或脱除段150可能是合意的以从阳极排气中除去水输出料流153。尽管在图1中显示的是在CO₂分离段140之后，但其可任选位于CO₂分离段140之前。另外，可使用任选的用于分离H₂的膜分离段160以生成H₂的高纯渗透物料流163。所得渗余物料流166可随后用作化学合成工艺的进料。附加地或作为选择地，料流166可以在第二水煤气变换反应器131中变换以将H₂、CO和CO₂含量调节至不同比率，产生进一步用于化学合成工艺的输出料流168。在图1中，显示的是从渗余物料流166中取出阳极再循环料流185，但附加地或作为选择地，可以从各种分离段内或之间的其它方便的位置取出阳极再循环料流185。附加地或作为选择地，分离段和变换反应器可以以不同次序和/或以并联构造配置。最后，可作为阴极129的输出生成具有降低的CO₂含量的料流139。为简单起见，没有显示在该方法中可能有用的各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。
如上所述，对阳极排气进行的各种类型的分离可以以任何方便的顺序进行。图2显示对阳极排气进行分离的另一顺序的实例。在图2中，可以首先将阳极排气125送入分离段260以从阳极排气125中除去一部分263氢气含量。这能够例如降低阳极排气的H₂含量以提供具有接近2:1的H₂/CO比的渗余物266。然后可以在水煤气变换段230中进一步调节H₂/CO 比以实现所需值。水煤气变换的输出235然后可经过CO₂分离段240和除水段250以产生适合用作所需化学合成工艺的进料的输出料流275。任选可以对输出料流275施以附加水煤气变换段(未显示)。一部分输出料流275可任选再循环(未显示)到阳极输入。当然，基于具有所需组成的阳极输出，可以利用分离段的其它组合和排序来生成料流。为简单起见，没有显示在该方法中可能有用的各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。
阴极输入和输出
传统上，可基于在消耗送往阳极的燃料料流中的一部分燃料的同时提取所需荷载来运行熔融碳酸盐燃料电池。然后可通过该荷载、阳极的燃料输入、向阴极提供的空气和CO₂和燃料电池的内电阻确定燃料电池的电压。送往阴极的CO₂传统上可部分地使用阳极排气作为至少一部分阴极输入料流来提供。相反，本发明可以对阳极输入和阴极输入使用分开/不同的来源。通过消除阳极输入流和阴极输入流的组成之间的任何直接联系，可提供用于运行燃料电池的附加选项，以例如生成过量合成气、以改进二氧化碳捕集和/或改进燃料电池的总效率(电+化学动力)等。
在熔融碳酸盐燃料电池中，跨过燃料电池中的电解质的碳酸根离子传输可提供从第一流动路径向第二流动路径传输CO₂的方法，其中该传输方法可允许从较低浓度(阴极)向较高浓度(阳极)传输，这可因此有利于捕集CO₂。该燃料电池对CO₂分离的选择性部分可基于能使该电池生成电力的电化学反应。对于有效地不参与燃料电池内的电化学反应的非反应性物类(如N₂)，可以存在不明显的反应量和从阴极到阳极的传输。相反，阴极和阳极之间的电位(电压)差可提供跨燃料电池传输碳酸根离子的强驱动力。因此，熔融碳酸盐燃料电池中的碳酸根离子传输可允许以相对较高的选择性从阴极(较低CO₂浓度)向阳极(较高CO₂浓度)传输CO₂。但是，使用熔融碳酸盐燃料电池脱除二氧化碳的一个挑战可能在于，该燃料电池具有有限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。随着CO₂浓度下降到大约2.0体积％以下，由碳酸盐燃料电池生成的电压和/或 功率开始快速降低。随着CO₂浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一时刻，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎不能或完全不能发生碳酸根的进一步传输且燃料电池停止工作。因此，在商业可行的运行条件下来自燃料电池的阴极段的排气中可能存在至少一些CO₂。
可基于阴极入口源的CO₂含量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。适合用作阴极输入料流的含CO₂料流的一个实例可以是来自燃烧源的输出或排气流。燃烧源的实例包括，但不限于，基于天然气的燃烧、煤的燃烧和/或其它烃型燃料(包括生物衍生燃料)的燃烧的来源。另外或替代的来源可包括其它类型的锅炉、火焰加热器、炉和/或燃烧含碳燃料以加热另一物质(如水或空气)的其它类型的装置。大致上，来自燃烧源的输出料流的CO₂含量可以为该流的次要部分。甚至对较高CO₂含量的排气流，如来自燃煤燃烧源的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO₂含量可以为大约15体积％或更低。更通常，来自燃烧源的输出或排气流的CO₂含量可以为至少大约1.5体积％，或至少大约1.6体积％，或至少大约1.7体积％，或至少大约1.8体积％，或至少大约1.9体积％，或至少大于2体积％，或至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。附加地或作为选择地，来自燃烧源的输出或排气流的CO₂含量可以为大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约9体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约7体积％或更低，或大约6.5体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约5.5体积％或更低，或大约5体积％或更低，或大约4.5体积％或更低。上文给出的浓度是基于干燥基础。要指出，在来自一些天然气或甲烷燃烧源(如作为可能包括或可能不包括排气再循环回路的发电系统的一部分的发电机)的排气中可存在更低的CO₂含量值。
附加地或作为选择地，阴极输入料流的其它可能的来源包括生物制CO₂来源。这可包括例如，在生物衍生化合物的加工过程中生成的CO₂，如在乙醇生产过程中生成的CO₂。一个附加或替代的实例可包括通过生物制燃料的燃烧，如木质纤维素的燃烧生成的CO₂。另一些附加或替代的可能CO₂来源可对应于来自各种工业工艺的输出或排气流，如由钢、水泥和 /或纸的制造装置生成的含CO₂料流。
另一附加或替代的可能CO₂来源可以是来自燃料电池的含CO₂料流。来自燃料电池的含CO₂料流可对应于来自不同燃料电池的阴极输出料流、来自不同燃料电池的阳极输出料流、从燃料电池的阴极输出到阴极输入的再循环料流和/或从燃料电池的阳极输出到阴极输入的再循环料流。例如，在传统条件下以独立模式运行的MCFC可生成具有至少大约5体积％的CO₂浓度的阴极排气。这样的含CO₂的阴极排气可用作根据本发明的一个方面运行的MCFC的阴极输入。更通常，可以另外或替代性地使用产生来自阴极排气的CO₂输出的其它类型的燃料电池，以及不是由“燃烧”反应和/或燃烧供能发电机生成的其它类型的含CO₂料流。任选但优选地，来自另一燃料电池的含CO₂料流可来自另一熔融碳酸盐燃料电池。例如，对于就阴极而言串联的熔融碳酸盐燃料电池，来自第一熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输出可用作第二熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输入。
对于来自燃烧源以外的来源的各种类型的含CO₂料流，该料流的CO₂含量可在很大程度上变化。阴极输入料流的CO₂含量可含有至少大约2体积％的CO₂，如至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。附加地或作为选择地，阴极输入料流的CO₂含量可以为大约30体积％或更低，如大约25体积％或更低，或大约20体积％或更低，或大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约4体积％或更低。对于一些更高CO₂含量的料流，CO₂含量可高于大约30体积％，如仅含附带量的其它化合物的基本由CO₂构成的料流。例如，无排气再循环的燃气轮机可产生具有大约4.2体积％的CO₂含量的排气料流。在EGR下，燃气轮机可产生具有大约6-8体积％的CO₂含量的排气料流。甲烷的化学计量燃烧可产生具有大约11体积％的CO₂含量的排气料流。煤的燃烧可产生具有大约15–20体积％的CO₂含量的排气料流。使用炼油厂废气的火焰加热器可产生具有大约12–15体积％的CO₂含量的排气料流。无任何EGR的用低BTU气体运行的燃气轮机可产生具有～12体积％的CO₂含量的排气料流。
除CO₂外，阴极输入料流还必须包括O₂以提供阴极反应所必需的组分。一些阴极输入料流可基于以空气作为组分。例如，可通过在空气存在下燃烧烃燃料形成燃烧排气料流。这种燃烧排气料流或由于包括空气而具有氧含量的另一类型的阴极输入料流可具有大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低的氧含量。附加地或作为选择地，阴极输入料流的氧含量可以为至少大约4体积％，如至少大约6体积％，或至少大约8体积％。更通常，阴极输入料流可具有适用于进行阴极反应的氧含量。在一些方面中，这可相当于大约5体积％至大约15体积％，如大约7体积％至大约9体积％的氧含量。对于许多类型的阴极输入料流，CO₂和O₂的总量可相当于该输入料流的小于大约21体积％，如该料流的小于大约15体积％或该料流的小于大约10体积％。可以将含氧空气料流与具有低氧含量的CO₂源合并。例如，通过煤燃烧生成的排气料流可包括低氧含量，其可以与空气混合形成阴极入口料流。
除CO₂和O₂外，阴极输入料流还可以由惰性/非反应性物类，如N₂、H₂O和其它典型的氧化剂(空气)组分构成。例如，对于衍生自燃烧反应排气的阴极输入，如果使用空气作为用于燃烧反应的氧化剂来源的一部分，则该排气可包括空气的典型组分，如N₂、H₂O和存在于空气中的次要量的其它化合物。取决于用于燃烧反应的燃料源的性质，基于燃料源的燃烧之后存在的附加物类可包括H₂O、氮氧化物(NOx)和/或硫氧化物(SOx)和存在于燃料中和/或作为燃料中存在的化合物的部分或完全燃烧产物的其它化合物(如CO)中的一种或多种。这些物类可以以不毒化阴极催化剂表面的量存在，尽管它们可能降低总阴极活性。这样的性能降低可能是可接受的，或可通过已知的污染物去除技术将与阴极催化剂相互作用的物类减至可接受的水平。
阴极输入料流(如基于燃烧排气的阴极输入料流)中存在的O₂量可有利地足以提供燃料电池中的阴极反应所需的氧。因此，O₂的体积百分比可以有利地为该排气中的CO₂量的至少0.5倍。任选地，如果必要，可以向阴极输入中加入额外空气以向阴极反应提供足够的氧化剂。当使用某种形式的空气作为氧化剂时，阴极排气中的N₂量可以为至少大约78体积％， 例如至少大约88体积％，和/或大约95体积％或更低。在一些方面中，阴极输入料流可另外或替代性地含有通常被视为污染物的化合物，如H₂S或NH₃。在另一些方面中，可以净化阴极输入料流以降低或将此类污染物的含量减至最低。
除用于形成跨电解质传输的碳酸根离子的反应外，阴极中的条件也可适用于将氮氧化物转化成硝酸盐和/或硝酸根离子。为方便起见，下面仅提到硝酸根离子。所得硝酸根离子也可跨电解质传输以用于阳极中的反应。阴极输入料流中的NOx浓度通常可以为ppm级，因此这种硝酸根传输反应对跨电解质传输的碳酸根的量可具有极小影响。但是，这种NOx脱除法可对基于来自燃气轮机的燃烧排气的阴极输入料流是有益的，因为这可提供降低NOx排放的机制。附加地或作为选择地，阴极中的条件可适用于将未燃烃(与阴极输入料流中的O₂结合)转化成典型燃烧产物，如CO₂和H₂O。
适用于运行MCFC的温度可以为大约450℃至大约750℃，如至少大约500℃，例如具有大约550℃的入口温度和大约625℃的出口温度。在进入阴极之前，可以向燃烧排气引入热，或如果需要，从燃烧排气中除热以例如向其它工艺(如阳极的燃料输入的重整)供热。例如，如果阴极输入料流的来源是燃烧排气料流，则该燃烧排气料流的温度可大于阴极入口的所需温度。在这一方面中，可以在用作阴极输入料流之前从燃烧排气中除热。或者，该燃烧排气可以在极低温度下，例如在燃煤锅炉上的湿气体洗涤器后，在这种情况下该燃烧排气可低于大约100℃。或者，该燃烧排气可来自以联合循环模式运行的燃气轮机的排气，其中该气体可通过生成蒸汽以运行蒸汽轮机以额外发电来冷却。在这种情况下，该气体可低于大约50℃。可以向比预期冷的燃烧排气引入热。
燃料电池布置
在各种方面中，燃料电池(如含有多个燃料电池堆的燃料电池阵列)的一个配置选项可以是在多个燃料电池之间分配含CO₂料流。相对于单个燃料电池的容量，含CO₂料流的一些类型的来源可生成大体积流速。例如， 相对于尺寸合理的单MCFC的合意运行条件，来自工业燃烧源的含CO₂的输出料流通常可相当于大流量体积。代替在单MCFC中加工整个流，可以将该流在多个MCFC单元之间分配，其中至少一些通常可以并联，以使各单元中的流速在所需流速范围内。
第二配置选项可以是利用串联的燃料电池以从流动料流中相继除去CO₂。无论含CO₂料流可并联分配到的初始燃料电池数是多少，各初始燃料电池之后可以是串联的一个或多个附加电池以进一步除去额外的CO₂。如果阴极输出中的CO₂所需量足够低，尝试在单燃料电池或燃料电池段中从阴极输入料流中除去CO₂至所需水平会造成燃料电池的低和/或不可预测的电压输出。不同于尝试在单燃料电池或燃料电池段中除去CO₂至所需水平，可以在连续的电池中除去CO₂直至可实现所需水平。例如，一连串燃料电池中的各电池可用于除去燃料料流中存在的一定百分比(例如大约50％)的CO₂。在这种实例中，如果串联使用三个燃料电池，则可以降低CO₂浓度(例如降至原始存在量的大约15％或更低，这相当于经串联的三个燃料电池的进程将CO₂浓度从大约6％降至大约1％或更低)。
在另一配置中，可以在串联的较早燃料段中选择运行条件以提供所需输出电压，同时可选择阶段阵列以实现所需碳分离水平。例如，可以使用具有串联的三个燃料电池的燃料电池阵列。串联的前两个燃料电池可用于在保持所需输出电压的同时除去CO₂。然后可以运行最后一个燃料电池以除去CO₂至所需浓度，但在较低电压下。
在再一配置中，燃料电池阵列中的阳极和阴极可单独连接。例如，如果燃料电池阵列包括串联的燃料阴极，相应的阳极可以以任何方便的方式连接，例如不必与它们的相应阴极相同的布置相匹配。这可包括，例如，并联连接阳极，以使各阳极接收相同类型的燃料进料，和/或反向串联连接阳极，以使阳极中的最高燃料浓度对应于具有最低CO₂浓度的那些阴极。
在又一配置中，可以控制送往一个或多个阳极段的燃料量和/或送往一个或多个阴极段的CO₂量以改进燃料电池阵列的性能。例如，燃料电池阵列可具有串联的多个阴极段。在包括串联的三个阴极段的阵列中，这可意味着来自第一阴极段的输出可相当于第二阴极段的输入，来自第二阴极段 的输出可相当于第三阴极段的输入。在这种类型的配置中，CO₂浓度可随各相继阴极段降低。为了补偿这种降低的CO₂浓度，可以向与后继阴极段对应的阳极段送入附加的氢气和/或甲烷。与后继阴极段对应的阳极中的附加的氢气和/或甲烷可至少部分补偿由降低的CO₂浓度造成的电压和/或电流损失，这可提高由该燃料电池产生的电压和因此提高净功率。在另一实例中，燃料电池阵列中的阴极可以部分串联和部分并联。在这种类型的实例中，代替将整个燃烧输出送入第一阴极段中的阴极，可以将至少一部分燃烧排气送入后继阴极段。这可以在后继阴极段中提供提高的CO₂含量。如果需要，可以使用向阳极段或阴极段送入可变进料的其它选项。
如上所述，燃料电池的阴极可相当于来自燃料电池阵列的多个阴极。在一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进或使从阴极向阳极转移的碳量最大化。在这样的方面中，对于来自阵列序列(通常至少包括串联布置，或最后阴极和最初阴极相同)中的最后阴极的阴极输出，输出组成可包括大约2.0体积％或更少的CO₂(例如，大约1.5体积％或更少或大约1.2体积％或更少)和/或至少大约0.5体积％的CO₂，或至少大约1.0体积％，或至少大约1.2体积％或至少大约1.5体积％。由于这种限制，使用熔融碳酸盐燃料电池时CO₂脱除的净效率可取决于阴极输入中的CO₂量。对于CO₂含量大于大约6体积％，如至少大约8％的阴极输入料流，对可除去的CO₂量的限制不严格。但是，对于如燃气轮机中常见的那样使用天然气作为燃料和使用过量空气的燃烧反应，燃烧排气中的CO₂量可能仅相当于阴极输入处的CO₂浓度，其小于大约5体积％。排气再循环的使用可以使阴极输入处的CO₂量提高到至少大约5体积％，例如至少大约6体积％。如果使用天然气作为燃料时提高EGR以产生超过大约6体积％的CO₂浓度，则燃烧器中的可燃性可降低且燃气轮机变得不稳定。但是，在将H₂添加到燃料中时，可以显著提高可燃性窗口，以致能进一步提高排气再循环的量，从而可实现阴极输入处的CO₂浓度为至少大约7.5体积％或至少大约8体积％。例如，基于阴极排气处大约1.5体积％的脱除限，将阴极输入处的CO₂含量从大约5.5体积％提高到大约7.5体积％可相当于可用燃料电池捕集并传输到阳极回路以最终分离CO₂的CO₂量增加～10％。附 加地或作为选择地，可以降低阴极输出中的O₂量，其通常为与除去的CO₂量成比例的量，这可导致阴极出口处其它(非阴极反应性)物类的量的小幅相应提高。
在另一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进或使燃料电池的能量输出，如总能量输出、电能输出、合成气化学能量输出或其组合最大化。例如，可以在各种情况中用过量的可重整燃料运行熔融碳酸盐燃料电池，如用于生成用于化学合成装置的合成气料流和/或用于生成高纯氢气料流。该合成气料流和/或氢气料流可用作合成气来源、氢气来源、清洁燃料源和/或用于任何其它方便的用途。在这样的方面中，阴极排气中的CO₂量可以与阴极输入料流中的CO₂量和在所需运行条件下的CO₂利用率相关联以改进或使燃料电池能量输出最大化。
附加地或作为选择地，取决于运行条件，MCFC可以将阴极排气料流的CO₂含量降至大约5.0体积％或更低，例如大约4.0体积％或更低，或大约2.0体积％或更低，或大约1.5体积％或更低，或大约1.2体积％或更低。附加地或作为选择地，阴极排气料流的CO₂含量可以为至少大约0.9体积％，如至少大约1.0体积％，或至少大约1.2体积％，或至少大约1.5体积％。
熔融碳酸盐燃料电池运行
在一些方面中，可以以单程或一次通过模式运行燃料电池。在单程模式中，不将阳极排气中的重整产物送回阳极入口。因此，在单程运行中不将合成气、氢气或一些其它产物从阳极输出直接再循环到阳极入口。更通常，在单程运行中，阳极排气中的重整产物也不间接送回阳极入口，如通过利用重整产物加工随后引入阳极入口的燃料料流。任选地，来自阳极出口的CO₂可以在MCFC以单程模式运行的过程中再循环到阴极入口。更通常，在另一些方面中，对于以单程模式运行的MCFC，可能发生从阳极出口到阴极入口的再循环。附加地或作为选择地，来自阳极排气或输出的热可以在单程模式中再循环。例如，阳极输出料流可经过热交换器，热交换器将阳极输出冷却并将另一料流，如阳极和/或阴极的输入料流加温。将 来自阳极的热再循环到燃料电池与在单程或一次通过运行中的使用是一致的。任选但不优选地，在单程模式中可以燃烧阳极输出的成分以向燃料电池供热。
图3显示用于发电的MCFC的运行的一个示意性实例。在图3中，燃料电池的阳极部分可接收燃料和蒸汽(H₂O)作为输入，并输出水、CO₂和任选过量H₂、CH₄(或其它烃)和/或CO。燃料电池的阴极部分可接收CO₂和一些氧化剂(例如空气/O₂)作为输入，输出相当于在贫氧的氧化剂(空气)中的降低量的CO₂。在燃料电池内，在阴极侧形成的CO₃^2-离子可跨电解质传输以提供在阳极处发生的反应所需的碳酸根离子。
在熔融碳酸盐燃料电池，如图3中所示的示例性燃料电池内可发生若干反应。重整反应可以是任选的并且如果直接向阳极提供足够的H₂，则可以减少或消除省掉该反应。下列反应基于CH₄，但在燃料电池中使用其它燃料时，可发生类似反应。
(1)<阳极重整>CH₄+H₂O＝>3H₂+CO
(2)<水煤气变换>CO+H₂O＝>H₂+CO₂
(3)<重整和水煤气变换的组合>CH₄+2H₂O＝>4H₂+CO₂
(4)<阳极H₂氧化>H₂+CO₃^2-＝>H₂O+CO₂+2e^-
(5)<阴极>1/2O₂+CO₂+2e^-＝>CO₃^2-
反应(1)代表基本的烃重整反应以生成用于燃料电池的阳极的H₂。反应(1)中形成的CO可通过水煤气变换反应(2)转化成H₂。反应(1)和(2)的组合显示为反应(3)。反应(1)和(2)可以在燃料电池外进行，和/或重整可以在阳极内进行。
分别在阳极和阴极处的反应(4)和(5)代表造成燃料电池内的电力发生的反应。反应(4)将存在于进料中或任选由反应(1)和/或(2)生成的H₂与碳酸根离子合并以形成H₂O、CO₂和送往电路的电子。反应(5)使O₂、CO₂和来自该电路的电子合并形成碳酸根离子。由反应(5)生成的碳酸根离子可跨燃料电池的电解质传输以提供反应(4)所需的碳酸根离子。与碳酸根离子跨电解质的传输相结合，然后可通过在阳极和阴极之间提供电连接形成闭合电流回路。
在各种实施方案中，运行燃料电池的目标可以是改进燃料电池的总效率和/或燃料电池+集成化学合成工艺的总效率。这通常不同于燃料电池的传统运行，其中目标可以对于利用供给电池的燃料发电以高电效率运行燃料电池。如上定义，可通过将燃料电池的电输出加上燃料电池输出的低位发热值再除以燃料电池的输入组分的低位发热值来确定总燃料电池效率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sgout))/LHV(in)，其中LHV(in)和LHV(sgout)分别是指送往燃料电池的燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO)和阳极出口料流或流中的合成气(H₂、CO和/或CO₂)的LHV。这可提供燃料电池和/或集成化学工艺生成的电能+化学能的量度。要指出，在总效率的这一定义下，燃料电池内使用的和/或集成的燃料电池/化学合成系统内使用的热能可对总效率有贡献。但是，该定义不包括从燃料电池或集成的燃料电池/化学合成系统中交换或以其它方式取出的任何过量热。因此，如果来自燃料电池的过量热例如用于生成蒸汽以通过蒸汽轮机发电，则总效率的定义中不包括这样的过量热。
可以控制一些运行参数以用过量可重整燃料运行燃料电池。一些参数可类似于目前对燃料电池运行推荐的参数。在一些方面中，燃料电池的阴极条件和温度输入可类似于文献中推荐的那些。例如，可以在熔融碳酸盐燃料电池典型的燃料电池运行温度范围内实现所需电效率和所需总燃料电池效率。在典型运行中，温度可跨燃料电池提高。
在另一些方面中，燃料电池的运行参数可背离典型条件从而运行燃料电池以使温度从阳极入口到阳极出口和/或从阴极入口到阴极出口降低。例如，将烃转化成H₂和CO的重整反应是吸热反应。如果相对于用于产生电流的氢的氧化量，在燃料电池阳极中进行足量重整，则该燃料电池中的净热平衡可以是吸热的。这可导致燃料电池的入口与出口之间的降温。在吸热运行过程中，可以控制燃料电池中的温度降低以使燃料电池中的电解质保持熔融态。
可以以不同于目前推荐的方式控制的参数可包括向阳极提供的燃料量、向阳极提供的燃料的组成、和/或没有合成气从阳极排气显著再循环到阳极输入或阴极输入的情况下阳极输出中的合成气的分离和捕集。在一些 方面中，不能允许发生合成气或氢气从阳极排气直接或间接再循环到阳极输入或阴极输入。在附加或替代性的方面中，可发生有限量的再循环。在这样的方面中，从阳极排气到阳极输入和/或阴极输入的再循环量可小于阳极排气的大约10体积％，如小于大约5体积％或小于大约1体积％。
附加地或作为选择地，运行燃料电池的目标可以是除发电外还从燃烧反应或产生CO₂输出料流的另一工艺的输出料流中分离CO₂。在这样的方面中，燃烧反应可用于向一个或多个发电机或涡轮机供能，这可提供由综合发电机/燃料电池系统生成的大部分动力。不同于运行燃料电池以优化通过燃料电池发电，可运行该系统以在降低或将捕集二氧化碳所需的燃料电池数减至最低的同时改进来自燃烧供能发电机的二氧化碳的捕集。选择燃料电池的输入和输出料流的适当配置以及选择燃料电池的适当运行条件可实现总效率和碳捕集的合意组合。
在一些实施方案中，可以布置燃料电池阵列中的燃料电池以便可仅存在单一段的燃料电池(如燃料电池堆)。在这种类型的实施方案中，该单一段的阳极燃料利用率可代表该阵列的阳极燃料利用率。另一选项可以是燃料电池阵列可含有多个阳极段和多个阴极段，其中各阳极段具有在相同范围内的燃料利用率，如各阳极段具有在规定值的10％以内，例如在规定值的5％以内的燃料利用率。再一选项可以是各阳极段可具有等于规定值或比规定值低一定量以下的燃料利用率，如各阳极段等于规定值或比规定值小10％或更低，例如5％或更低。作为一个示例性实例，具有多个阳极段的燃料电池阵列可以使各阳极段与50％燃料利用率相差大约10％以内，这会相当于各阳极段具有大约40％至大约60％的燃料利用率。作为另一实例，具有多个段的燃料电池阵列可以使各阳极段为不大于60％阳极燃料利用率，最大偏差为小大约5％，这相当于各阳极段具有大约55％至大约60％的燃料利用率。在再一实例中，燃料电池阵列中的一个或多个燃料电池段可以以大约30％至大约50％的燃料利用率运行，如以大约30％至大约50％的燃料利用率运行该阵列中的多个燃料电池段。更通常，任何上述类型的范围可以与本文中规定的任何阳极阳极燃料利用值配对。
另一附加或替代的选项可包括对并非所有阳极段规定燃料利用率。例 如，在本发明的一些方面中，可以至少部分在一个或多个串联布置中布置燃料电池/堆以对串联中的第一阳极段、串联中的第二阳极段、串联中的最后一个阳极段或串联中的任何其它方便的阳极段规定阳极燃料利用率。本文所用的串联中的“第一”段相当于向其从燃料源直接进料输入的段(或如果该布置也含有并联段，则为段组)，后继(“第二”、“第三”、“最后”等)段代表以向其进料来自一个或多个在先段的输出而非直接来自各自的燃料源的段。在来自在先段的输出和直接来自燃料源的输入二者共同供入一个段的情况下，可以有“第一个”(组)段和“最后一个”(组)段，但更难在其它段(“第二”、“第三”等)之间建立顺序(例如，在这样的情况下，可通过复合输入进料组合物中的一种或多种组分(例如CO₂)的浓度水平确定序号顺序，从最高浓度“第一”到最低浓度“最后”，以大致类似的组成差异代表相同的定序水平)。
再一附加或替代的选项可以是规定与特定阴极段对应的阳极燃料利用率(再次，其中燃料电池/堆仍可以至少部分在一个或多个串联布置中布置)。如上所述，基于阳极和阴极内的流向，第一阴极段可不对应于第一阳极段(可不与第一阳极段跨过相同的燃料电池膜)。因此，在本发明的一些方面中，可以对串联中的第一阴极段、串联中的第二阴极段、串联中的最后一个阴极段或串联中的任何其它方便的阴极段规定阳极燃料利用率。
又一附加或替代的选项可以是规定燃料电池阵列中的所有燃料电池的燃料利用率的总平均值。在各种方面中，燃料电池阵列的燃料利用率的总平均值可以为大约65％或更低，例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更低，或大约45％或更低(附加地或作为选择地，燃料电池阵列的总平均燃料利用率可以为至少大约25％，例如至少大约30％，至少大约35％，或至少大约40％)。这种平均燃料利用率不需要必须限制任一单段中的燃料利用率，只要该燃料电池阵列符合所需燃料利用率。
捕集后的CO₂输出的用途
在本发明的各种方面中，上述系统和方法可允许作为加压流体产生二 氧化碳。例如，由深冷分离段生成的CO₂最初可相当于具有至少大约90％，例如至少大约95％、至少大约97％、至少大约98％或至少大约99％纯度的加压CO₂液体。这种加压CO₂料流可例如用于注入井中以进一步增强采油或采气，如在二次采油中。当在包含燃气轮机的设施附近实施时，整个系统可获益于电力/机械动力应用中的额外协同作用和/或与整个系统的热集成。
或者，对专用于强化采油(EOR)用途的系统而言(即未合并在具有严格组成标准的管道系统中)，可以明显放松CO₂分离要求。EOR用途可对O₂的存在敏感，因此在一些实施方案中在要用于EOR的CO₂料流可不存在O₂。但是，EOR用途可往往对溶解的CO、H₂和/或CH₄具有低敏感性。输送CO₂的管道也可能对这些杂质敏感。这些溶解的气体通常可对用于EOR的CO₂的增溶能力只有微小影响。作为EOR气体注入CO、H₂和/或CH₄之类的气体可导致燃料回收值(fuelvaluerecovery)的一定损失，但这些气体可能在其它方面与EOR用途相容。
附加地或作为选择地，CO₂作为加压液体的一个可能的用途是可作为生物工艺，如藻类生长/收获中的营养素。MCFCs用于CO₂分离可确保大多数生物学上重要的污染物可被降至可接受的低水平，以产生只有少量不可能明显不利地影响光合自养生物生长的其它“污染”气体(如CO、H₂、N₂等和它们的组合)的含CO₂料流。这与大多数工业来源生成的输出料流形成鲜明对比，大多数工业来源生成的输出料流通常可含有可能高毒材料，如重金属。
在本发明的这一类型的方面中，在阳极回路中通过CO₂的分离生成的CO₂料流可用于生产生物燃料和/或化学品以及它们的前体。再附加地或作为选择地，CO₂可作为稠密流体生成，以便容易得多地跨距离泵送和运输，例如运往光合自养生物的大田(largefields)。传统排放源可排放含有与其它气体和污染物混合的适量CO₂(例如大约4-15％)的热气。这些材料通常会需要作为稀薄气体泵往藻塘或生物燃料“农场”。相反，本发明的MCFC系统可产生浓缩CO₂料流(基于干燥基础，～60-70体积％)，其可以进一步浓缩至95％+(例如96％+、97％+、98％+或99％+)并容易地 液化。这种料流然后可以以相对较低的成本容易并有效地长距离运输并有效地大面积分配。在这些实施方案中，来自燃烧源/MCFC的余热也可集成到整个系统中。
可采用另一实施方案，其中CO₂源/MCFC和生物/化学生产现场同处一地。在这种情况下，可能只需要最小压缩(即提供足以用于生物生产的CO₂压力，例如大约15psig至大约150psig)。在这种情况下可能有几种新型布置。可任选对阳极排气施加二次重整以降低CH₄含量，并可另外或替代性地任选存在水煤气变换以驱使任何剩余CO成为CO₂和H₂。
来自阳极输出料流和/或阴极输出料流的组分可用于各种用途。一个选项可以是如上所述使用阳极输出作为氢源。对于与炼油厂集成或同处一地的MCFC，该氢气可用作各种炼油厂工艺，如加氢处理的氢源。另一选项可以是另外或替代性地使用氢气作为燃料源，其中已“捕集”来自燃烧的CO₂。这样的氢气可以在炼油厂或其它工业设施中用作锅炉、炉和/或火焰加热器的燃料，和/或该氢气可用作发电机，如涡轮机的进料。来自MCFC燃料电池的氢气还可另外或替代性地用作需要氢气作为输入的其它类型的燃料电池(可能包括燃料电池供能的车辆)的输入料流。又一选项可以是另外或替代性地使用作为MCFC燃料电池的输出生成的合成气作为发酵输入。
另一选项可以是另外或替代性地使用由阳极输出生成的合成气。当然，可以使用合成气作为燃料，尽管合成气基燃料在作为燃料燃烧时仍可导致生成一些CO₂。在另一些方面中，合成气输出料流可用作化学合成工艺的输入。一个选项可以是另外或替代性地将合成气用于费托型工艺和/或由合成气输入形成更大烃分子的另一工艺。另一选项可以是另外或替代性地使用合成气形成中间产物，如甲醇。甲醇可用作最终产物，但在另一些方面中由合成气生成的甲醇可用于生成更大化合物，如汽油、烯烃、芳族化合物和/或其它产物。要指出，在甲醇合成工艺和/或使用变换催化剂的费托工艺的合成气进料中，少量CO₂是可接受的。加氢甲酰化是可利用合成气输入的又一合成工艺的一个附加或替代的实例。
要指出，对使用MCFC生成合成气的一个改变方案可以是使用MCFC 燃料电池作为用于加工海上石油平台取出的甲烷和/或天然气的系统或距其最终市场相当远的其它生产系统的一部分。不是尝试运输来自井的气相输出或尝试长期储存该气相产物，而是可使用来自井的气相输出作为MCFC燃料电池阵列的输入。这可带来各种益处。首先，由该燃料电池阵列生成的电力可用作该平台的电源。另外，来自该燃料电池阵列的合成气输出可用作生产现场的费托工艺的输入。这可形成更容易通过管道、船舶或轨道车从生产现场运往例如岸上设施或更大终端的液烃产物。
另一些集成选项可以另外或替代性地包括使用阴极输出作为更高纯度的加热氮气的来源。阴极输入通常可包括一大部分空气，这意味着在阴极输入中可包括相当一部分氮气。燃料电池可以从阴极跨电解质向阳极输送CO₂和O₂，且阴极出口可具有比空气中低的CO₂和O₂浓度和因此更高的N₂浓度。在随后除去残留O₂和CO₂的情况下，这种氮气输出可用作用于生产氨或其它含氮化学品，如尿素、硝酸铵和/或硝酸的进料。要指出，脲合成可另外或替代性地使用从阳极输出中分离的CO₂作为输入进料。
集成实施例:与燃烧轮机集成的用途
在本发明的一些方面中，用于发电并排出含CO₂的排气的燃烧源可以与熔融碳酸盐燃料电池的运行集成。合适的燃烧源的一个实例是燃气轮机。优选，燃气轮机可以与蒸汽发生和热回收集成的联合循环模式燃烧天然气、甲烷气体或其它烃气体以获得额外效率。对于最大最新的设计，现代天然气联合循环效率为大约60％。所得含CO₂的排气料流可以在与MCFC运行相容的升高的温度，如300℃-700℃，优选500℃-650℃下产生。可任选但优选的是，在气体源进入涡轮机前从其中清除可使MCFC中毒的污染物，如硫。或者，该气体源可以是燃煤发电机，其中由于排气中较高的污染物水平，通常在燃烧后净化该排气。在这一备选方案中，可能必须向/从该气体进行一定的热交换以便能在较低温度下净化。在附加或替代性的实施方案中，含CO₂的排气的来源可以是来自锅炉、燃烧器或燃烧富碳燃料的其它热源的输出。在另一些附加或替代性的实施方案中，含CO₂的排气的来源可以是与其它来源结合的生物制CO₂。
为了与燃烧源集成，用于加工燃料电池阳极的一些备选配置可以是合意的。例如，一个备选配置可以是将至少一部分来自燃料电池阳极的排气再循环到燃料电池阳极的输入。来自MCFC阳极的输出料流可包括H₂O、CO₂、任选CO和任选但通常是未反应的燃料(如H₂或CH₄)作为主要输出组分。代替使用这种输出料流作为外部燃料料流和/或与另一工艺集成的输入料流，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO₂与具有潜在燃料价值的组分，如H₂或CO分离。然后可以将具有燃料价值的组分再循环到阳极的输入。
这种类型的配置可提供一个或多个益处。首先，可以从阳极输出中分离CO₂，如通过使用深冷CO₂分离器。阳极输出的几种组分(H₂、CO、CH₄)不是易冷凝组分，而CO₂和H₂O可独立地作为冷凝相分离。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中至少大约90体积％的CO₂以形成相对高纯的CO₂输出料流。或者，在一些方面中可以从阳极输出中除去较少CO₂，因此可分离出阳极输出中大约50体积％至大约90体积％的CO₂，如大约80体积％或更少或大约70体积％或更少。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有燃料价值的组分以及降低量的CO₂和/或H₂O。分离后的这部分阳极输出可再循环以与附加燃料一起用作阳极输入的一部分。在这种类型的配置中，即使在经过MCFC的单程中的燃料利用率可能是低的，但未用的燃料可有利地再循环以再次经过阳极。因此，单程燃料利用率可在降低的水平，同时避免了未燃的燃料损失(排放)到环境中。
作为将一部分阳极排气再循环到阳极输入的补充或替代，另一配置选项可以是使用一部分阳极排气作为涡轮机或其它燃烧装置，如锅炉、炉和/或火焰加热器的燃烧反应的输入。再循环到阳极输入和/或作为输入再循环到燃烧装置的阳极排气的相对量可以是任何方便或合意的量。如果阳极排气再循环到阳极输入和燃烧装置的仅一种中，则再循环量可以是任何方便的量，如用于除去CO₂和/或H₂O的任何分离后留下的那部分阳极排气的最多100％。当一部分阳极排气既再循环到阳极输入又再循环到燃烧装置时，总再循环量按定义可以为阳极排气的剩余部分的100％或更低。或者，可以使用阳极排气的任何方便的分流。在本发明的各种实施方案中， 再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中附加地或作为选择地，再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。再附加地或作为选择地，在本发明的各种实施方案中，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中附加地或作为选择地，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。
在本发明的另一些方面中，附加地或作为选择地，燃烧装置的燃料可以是具有提高量的惰性和/或在燃料中充当稀释剂的组分的燃料。CO₂和N₂是天然气进料中在燃烧反应过程中可以是相对惰性的组分的实例。当燃料进料中的惰性组分量达到足够水平时，可影响涡轮机或其它燃烧源的性能。这种影响可部分归因于惰性组分的吸热能力，这可倾向于猝熄燃烧反应。具有足够的惰性组分水平的燃料进料的实例可包括含有至少大约20体积％CO₂的燃料进料或含有至少大约40体积％N₂的燃料进料或含有具有足够惰性的热容以提供类似猝熄能力的CO₂和N₂的组合的燃料进料。(要指出，CO₂的热容高于N₂，因此较低浓度的CO₂可具有与较高浓度的N₂类似的影响。CO₂也可比N₂更容易地参与燃烧反应并在此时从该燃烧中除H₂。H₂的这种消耗可通过降低火焰速度和缩窄空气和燃料混合物的可燃范围而对燃料的燃烧具有极大影响。)更通常，对于含有影响燃料进料的可燃性的惰性组分的燃料进料，该燃料进料中的惰性组分可以为至少大约20体积％，如至少大约40体积％，或至少大约50体积％，或至少大约60体积％。优选地，该燃料进料中的惰性组分的量可以为大约80体积％或更少。
当在燃料进料中存在足量惰性组分时，所得燃料进料可能在进料的燃 料组分的可燃窗口外。在这种类型的情况中，来自阳极排气的再循环部分的H₂添加到发电机的燃烧区中可扩大燃料进料和H₂的组合的可燃窗口，这能使例如含有至少大约20体积％CO₂或至少大约40％N₂(或CO₂和N₂的其它组合)的燃料进料成功燃烧。
相对于送往燃烧区的燃料进料和H₂的总体积，用于扩大可燃窗口的H₂量可以为燃料进料+H₂的总体积的至少大约5体积％，如至少大约10体积％和/或大约25体积％或更低。表征为扩大可燃窗口而添加的H₂量的另一选项可基于添加H₂前的燃料进料中存在的燃料组分的量。燃料组分可相当于甲烷、天然气、其它烃和/或传统上被视为燃烧供能的涡轮机或其它发电机的燃料的其它组分。添加到燃料进料中的H₂量可相当于燃料进料中的燃料组分的体积的至少大约1/3(1:3的H₂:燃料组分)，如燃料组分的体积的至少大约一半(1:2)。附加地或作为选择地，添加到燃料进料中的H₂量可大致等于燃料进料中的燃料组分的体积(1:1)或更低。例如，对于含有大约30体积％CH₄、大约10％N₂和大约60％CO₂的进料，可以将足量阳极排气添加到燃料进料中以实现大约1:2的H₂:CH₄比。对仅含H₂的理想化阳极排气，添加H₂以实现1:2的比率会产生含有大约26体积％CH₄、13体积％H₂、9体积％N₂和52体积％CO₂的进料。
排气再循环
除向燃料电池阵列提供排气以捕集和最终分离CO₂外，排气的另外或替代性的潜在用途可包括再循环回燃烧反应以提高CO₂含量。当有氢气可用于添加到燃烧反应中，如来自燃料电池阵列的阳极排气的氢气时，可以由使用再循环的排气提高燃烧反应内的CO₂含量获得进一步的益处。
在本发明的各种方面中，发电系统的排气再循环回路可接收第一部分燃烧排气，而燃料电池阵列可接收第二部分。再循环到发电系统的燃烧区的燃烧排气的量可以是任何方便的量，如至少大约15％(按体积计)，例如至少大约25％、至少大约35％、至少大约45％或至少大约50％。附加地或作为选择地，再循环到燃烧区的燃烧排气的量可以为大约65％(按体积计)或更低，例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更 低，或大约45％或更低。
在本发明的一个或多个方面中，氧化剂(如空气和/或富氧空气)和燃料的混合物可以燃烧并(同时)与再循环排气的料流混合。通常可包括燃烧产物如CO₂的再循环排气的料流可用作稀释剂以控制、调节或以其它方式缓和燃烧温度和可进入后续膨胀机的排气的温度。由于使用富氧空气，再循环的排气可具有提高的CO₂含量，由此能使膨胀机在相同的入口和排放温度下以更高膨胀比运行，由此能显著提高功率产生。
燃气轮机系统可代表可利用再循环排气增强该系统的性能的发电系统的一个实例。燃气轮机系统可具有经轴与膨胀机连接的第一/主压缩机。该轴可以是任何机械、电或其它动力联接器，由此能使膨胀机生成的一部分机械能驱动主压缩机。燃气轮机系统还可包括构造成燃烧燃料和氧化剂的混合物的燃烧室。在本发明的各种方面中，燃料可包括任何合适的烃气体/液体，如合成气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化烃原料或它们的任何组合。氧化剂在一些实施方案中可源自流体联接到燃烧室并适合压缩进料氧化剂的第二或入口压缩机。在本发明的一个或多个实施方案中，进料氧化剂可包括大气空气和/或富氧空气。当氧化剂包括仅富氧空气或包括大气空气和富氧空气的混合物时，可通过入口压缩机压缩富氧空气(在混合物的情况下，在与大气空气混合之前或之后)。富氧空气和/或空气-富氧空气混合物可具有至少大约25体积％，例如至少大约30体积％、至少大约35体积％、至少大约40体积％、至少大约45体积％或至少大约50体积％的总氧浓度。附加地或作为选择地，富氧空气和/或空气-富氧空气混合物可具有大约80体积％或更低，如大约70体积％或更低的总氧浓度。
富氧空气可衍生自若干来源中的任何一个或多个。例如，富氧空气可衍生自如膜分离、变压吸附、变温吸附、制氮装置副产物料流和/或它们的组合之类的分离技术。附加地或作为选择地，富氧空气可衍生自用于生产用于保持压力或其它用途的氮气的空气分离单元(ASU)，如深冷ASU。在本发明的某些实施方案中，来自这种ASU的废料流可以是富氧的，具有大约50体积％至大约70体积％的总氧含量，可用作富氧空气的至少一部 分并且如果需要，随后用未加工的大气空气稀释以获得所需氧浓度。
除燃料和氧化剂外，燃烧室任选还可接收压缩的再循环排气，如主要具有CO₂和氮组分的排气再循环。压缩的再循环排气可衍生自例如主压缩机并适合帮助促进氧化剂和燃料的燃烧，例如通过温和燃烧产物的温度。可以认识到，该排气的再循环可用于提高CO₂浓度。
导向膨胀机入口的排气可作为燃烧反应的产物生成。至少部分基于将再循环的排气引入燃烧反应，排气可具有提高的CO₂含量。随着排气经膨胀机膨胀，其可生成机械动力以驱动主压缩机、驱动发电机和/或向其它设施供能。
该发电系统在许多实施方案中还可包括排气再循环(EGR)系统。在本发明的一个或多个方面中，EGR系统可包括热回收蒸汽发生器(HRSG)和/或与蒸汽轮机流体联接的其它类似装置。在至少一个实施方案中，HRSG和蒸汽轮机的组合可表征为发电的闭合兰金循环。与燃气轮机系统结合，HRSG和蒸汽轮机可构成联合循环发电厂，如天然气联合循环(NGCC)电厂的一部分。可以将气态排放物引入HRSG以生成蒸汽和冷却的排气。HRSG可包括用于从排气料流中分离和/或冷凝出水、传热以形成蒸汽和/或将料流压力调节至所需水平的各种单元。在某些实施方案中，可以将蒸汽送往蒸汽轮机以生成额外的电力。
在经过HRSG和任选除去至少一些H₂O后，含CO₂的排气料流在一些实施方案中可以再循环用作燃烧反应的输入。如上所述，排气料流可以压缩(或解压)以匹配燃烧反应容器内的所需反应压力。
集成系统的实例
图4示意性显示集成系统的一个实例，其包括将含CO₂的再循环排气和来自燃料电池阳极排气的H₂或CO都引入向涡轮机供能的燃烧反应。在图4中，该涡轮机可包括压缩机402、轴404、膨胀机406和燃烧区415。可以将氧源411(如空气和/或富氧空气)与再循环排气498合并，并在进入燃烧区415之前在压缩机402中压缩。可以将燃料412，如CH₄，和任选含H₂或CO的料流187送往燃烧区。燃料和氧化剂可以在区域415中反 应并任选但优选通过膨胀机406以生成电力。来自膨胀机106的排气可用于形成两个料流，例如含CO₂料流422(其可用作燃料电池阵列425的输入进料)和另一含CO₂料流492(其可用作热回收和蒸汽发生器系统490的输入，这可以例如使得利用蒸汽轮机494生成额外电力成为可能)。在通过热回收系统490，包括从含CO₂料流中任选除去一部分H₂O后，输出料流498可以再循环以在压缩机402或未显示的第二压缩机中压缩。可基于用于添加到燃烧区415中的所需CO₂量来确定膨胀机406的排气的用于含CO₂料流492的比例。
本文所用的EGR比是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池相关部分和送往热回收发生器的回收相关部分的总流速。例如，图4中所示的流的EGR比是料流422的流速除以料流422和492的总流速。
可以将含CO₂料流422送入熔融碳酸盐燃料电池阵列425的阴极部分(未显示)。基于燃料电池阵列425内的反应，可以从料流422中分离CO₂并送往燃料电池阵列425的阳极部分(未显示)。这可产生贫CO₂的阴极输出料流424。然后可以将阴极输出料流424送入热回收(和任选蒸汽发生器)系统450以利用蒸汽轮机454(其可任选与上述蒸汽轮机494相同)生成热交换和/或额外发电。在通过热回收和蒸汽发生器系统450后，可以将所得烟气流456排放到环境中和/或通过另一类型的碳捕集技术，如胺洗涤器。
在CO₂从燃料电池阵列425的阴极侧传输到阳极侧后，可任选将阳极输出435送入水煤气变换反应器470。水煤气变换反应器470可用于以阳极输出435中存在的CO(和H₂O)为代价生成额外的H₂和CO₂。然后可以将来自任选水煤气变换反应器470的输出送入一个或多个分离段440，如冷箱或深冷分离器。这可以将H₂O料流447和CO₂料流449与阳极输出的其余部分分离。阳极输出的其余部分485可包括通过重整生成但在燃料电池阵列425中未消耗的未反应H₂。含H₂料流485的第一部分445可以再循环到燃料电池阵列425中的阳极的输入。料流485的第二部分487可用作燃烧区415的输入。第三部分465可以原样用于另一用途和/或经处理以随后进一步使用。尽管图4和本文中的描述示意性详述达多三个部分， 但预计根据本发明可以利用这三个部分的仅一个，可以仅利用其中两个，或可以利用所有这三个。
在图4中，用于排气再循环回路的排气由第一热回收和蒸汽发生器系统490提供，而第二热回收和蒸汽发生器系统450可用于捕集来自燃料电池阵列425的阴极输出的过量热。图5显示一个备选实施方案，其中由用于加工燃料电池阵列输出的相同热回收蒸汽发生器提供排气再循环回路。在图5中，由热回收和蒸汽发生器系统550作为烟气流556的一部分提供再循环的排气598。这可省掉与涡轮机相关的单独热回收和蒸汽发生器系统。
在本发明的各种实施方案中，该方法可以以燃烧反应开始，该燃烧反应用于向涡轮机、内燃机或可将由燃烧反应生成的热和/或压力转化成另一形式的动力的其它系统供能。用于燃烧反应的燃料可包含或是氢气、烃和/或可氧化(燃烧)以释放能量的任何其它含碳化合物。除燃料仅含氢气时外，来自燃烧反应的排气的组成可具有取决于反应性质的一定范围的CO₂含量(例如至少大约2体积％至大约25体积％或更低)。因此，在燃料为碳质燃料的某些实施方案中，排气的CO₂含量可以为至少大约2体积％，例如至少大约4体积％、至少大约5体积％、至少大约6体积％、至少大约8体积％或至少大约10体积％。在这样的碳质燃料实施方案中附加地或作为选择地，CO₂含量可以为大约25体积％或更低，例如大约20体积％或更低、大约15体积％或更低、大约10体积％或更低、大约7体积％或更低、或大约5体积％或更低。具有较低相对CO₂含量的排气(对于碳质燃料)可相当于使用天然气之类的燃料在稀燃(过量空气)下的燃烧反应的排气。相对CO₂含量较高的排气(对于碳质燃料)可对应于优化的天然气燃烧反应，如在排气再循环下的那些，和/或煤之类燃料的燃烧。
在本发明的一些方面中，用于燃烧反应的燃料可含有至少大约90体积％的含5个或更少碳的化合物，例如至少大约95体积％。在这样的方面中，该排气的CO₂含量可以为至少大约4体积％，例如至少大约5体积％、至少大约6体积％、至少大约7体积％或至少大约7.5体积％。附加地或作为选择地，该排气的CO₂含量可以为大约13体积％或更低，例如大约 12体积％或更低，大约10体积％或更低，大约9体积％或更低，大约8体积％或更低，大约7体积％或更低，或大约6体积％或更低。该排气的CO₂含量可代表取决于燃烧供能发电机的配置的数值范围。排气的再循环可有益于实现至少大约6体积％的CO₂含量，而将氢气添加到燃烧反应中能使CO₂含量进一步提高以实现至少大约7.5体积％的CO₂含量。
备选配置–高强度NOx涡轮机
燃气轮机的运行可受若干因素限制。一个典型限制可以说是可以将燃烧区中的最大温度控制在一定界限以下以实现足够低的氮氧化物(NOx)浓度，从而满足监管排放限值。当使燃烧排气排放到环境中时，监管排放限值可要求燃烧排气具有大约20vppm或更低，可能10vppm或更低的NOx含量。
燃烧天然气的燃烧轮机中的NOx形成可以随温度和停留时间而不同。导致形成NOx的反应在大约1500℉的火焰温度以下可以具有降低的和/或极小的重要性，但随着温度提高到超过这一点，NOx产生可快速增加。在燃气轮机中，可以将初始燃料产物与额外空气混合以将该混合物冷却到大约1200℉的温度并可通过膨胀机叶片的冶金学来限制温度。早期的燃气轮机通常在具有温度远超过1500℉的化学计量区的扩散火焰中实施燃烧，导致较高的NOx浓度。最近，目前这一代“干式低NOx”(DLN)燃烧器可以使用特殊的预混燃烧器在更冷的稀燃(比化学计算量少的燃料)条件下燃烧天然气。例如，可以将较多稀释空气混入初始火焰中，稍后可混入较少以使温度降到～1200℉透平膨胀机入口温度。DLN燃烧器的缺点可包括降燃(turndown)时的不良性能、较高维护、窄运行范围和差燃料灵活性。后者可能是要关注的，因为DLN燃烧器可更难用于品质各异的燃料(或根本很难用于液体燃料)。对于低BTU燃料，如含有高CO₂含量的燃料，通常不使用DLN燃烧器而是可使用扩散燃烧器。此外，可以使用更高的透平膨胀机入口温度提高燃气轮机效率。但是，由于稀释空气的量有限并且这种量可随透平膨胀机入口温度提高而降低，随着燃气轮机的效率改进，DLN燃烧器可变得更不太有效地保持低NOx。
在本发明的各种方面中，将燃气轮机与用于碳捕集的燃料电池集成的系统允许使用更高的燃烧区温度，同时降低和/或将额外NOx排放减至最低，以及能通过使用目前与DLN燃烧器不相容的涡轮机燃料实现类似DLN的NOx节约。在这样的方面中，涡轮机可以在造成较高NOx排放的较高功率(即较高温度)以及较高功率输出和可能较高效率下运行。在本发明的一些方面中，燃烧排气中的NOx量可以为至少大约20vppm，如至少大约30vppm，或至少大约40vppm。附加地或作为选择地，燃烧排气中的NOx量可以为大约1000vppm或更低，如大约500vppm或更低，或大约250vppm或更低，或大约150vppm或更低，或大约100vppm或更低。为了将NOx水平降至规章要求的水平，所产生的NOx可通过经几种机制之一的热NOx破坏(将NOx水平降至排气料流中的平衡水平)来平衡，所述机制例如为气相中的简单热破坏；由燃料电池阵列中的镍阴极催化剂催化的破坏；和/或通过注入少量氨、脲或其它还原剂而在燃料电池前的辅助热破坏。这可通过引入衍生自阳极排气的氢气辅助。可通过电化学破坏实现燃料电池的阴极中的NOx的进一步降低，其中NOx可以在阴极表面反应并可被破坏。这造成一些氮穿过膜电解质传输到阳极，在此其可形成氨或其它还原的氮化合物。就涉及MCFC的NOx减少方法而言，来自燃料电池/燃料电池阵列的预期NOx减少可以为燃料电池阴极的输入中的NOx的大约80％或更低，如大约70％或更低，和/或至少大约5％。要指出，在传统系统中硫化物腐蚀也可限制温度并影响涡轮机叶片冶金学。但是，MCFC系统的硫限制可通常要求降低的燃料硫含量，这降低或最大限度减少与硫化物腐蚀有关的问题。在低燃料利用率下运行MCFC阵列可进一步缓解这些问题，如在用于燃烧反应的一部分燃料相当于来自阳极排气的氢气的方面中。
附加实施方案
这组实施方案是组A。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案。
实施方案1.一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池生产电 力和氢气或合成气的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内在大约65％或更低(例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更低，大约45％或更低，大约40％或更低，大约35％或更低，大约30％或更低，大约25％或更低，或大约20％或更低)的燃料利用率下和在大约0.65或更低(例如大约0.64或更低，大约0.63或更低，大约0.62或更低，或大约0.61或更低)的电池工作电压/电池最大电压的比率下发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；和从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合。
实施方案2.实施方案1的方法，其进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过熔融碳酸盐燃料电池的阳极的单程中重整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至少大约90％。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中引入所述阳极、与所述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75％(例如高至少大约100％)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极的CO₂利用率为至少大约50％(例如至少大约60％)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气包含具有大约1.5:1至大约10.0:1(例如大约3.0:1至大约10:1)的H₂/CO摩尔比的H₂和CO。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述含H₂的料流含有至少大约90％H₂(例如大约95体积％H₂，或大约98体积％H₂)。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含大约20体积％CO₂或更少(例如大约15体积％CO₂或更少，或大约12 体积％CO₂或更少)。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将至少一部分所述含H₂的料流再循环到燃气轮机。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中至少大约90体积％的可重整燃料是甲烷。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中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1.25，大约0.25至大约1.0，大约0.25至大约0.9，或大约0.25至大约0.85)的热比率下运行。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中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2.0:1(例如至少大约2.5:1或至少大约3:1)。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约45％或更低，大约40％或更低，大约35％或更低，大约30％或更低，或大约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％)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少大约100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差，任选其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约70％)的废热。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的电效率为大约10％至大约40％且所述熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％。
这组实施方案是组B。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其 它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种发电方法，所述方法包括：将再循环的阳极排气燃料料流、低能量含量燃料料流和含O₂的料流引入燃烧区，所述再循环的阳极排气燃料料流包含H₂，所述低能量含量燃料料流包含至少大约30体积％的一种或多种惰性气体；在所述燃烧区中进行燃烧反应以生成燃烧排气；将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；由熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成包含H₂的阳极排气；和分离至少一部分所述阳极排气以形成所述再循环的阳极排气燃料料流。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述低能量含量燃料料流包含至少大约35体积％。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中所述低能量含量燃料料流中的所述一种或多种惰性气体是CO₂、N₂或其组合。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极的燃料利用率为大约65％或更低(例如大约60％或更低)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极的燃料利用率为大约30％至大约50％。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将所述阳极排气料流的阳极再循环部分再循环到所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述可重整燃料包含CH₄。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含至少一部分所述燃烧排气。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧排气包含大约10体积％或更少的CO₂(例如大约8体积％或更少的CO₂)，所述燃烧排气任选包含至少大约4体积％的CO₂。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气料流包 含至少大约5.0体积％的H₂(例如至少大约10体积％或至少大约15体积％)。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在分离至少一部分所述阳极排气料流以形成所述再循环的阳极排气燃料料流之前使所述阳极排气料流暴露在水煤气变换催化剂下，所述变换的阳极排气料流的H₂含量大于所述暴露前的阳极排气料流的H₂含量。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中在将所述再循环的阳极排气燃料料流送入燃烧区前将所述再循环的阳极排气燃料料流与所述低能量含量燃料料流合并。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中阴极排气料流具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低或大约1.2体积％或更低)的CO₂含量。
这组实施方案是组C。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法，所述方法包括：将燃料料流和含O₂的料流引入燃烧区；在所述燃烧区中进行燃烧反应以生成燃烧排气，所述燃烧排气包含CO₂；用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工阴极入口料流以形成来自所述燃料电池阵列的至少一个阴极出口的阴极排气料流，所述阴极入口料流包含至少第一部分的所述燃烧排气，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池经至少一个阴极入口操作上连向所述燃烧区；使来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐与所述一个或多个燃料电池阳极内的H₂反应以产生电力和来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流，所述阳极排气料流包含CO₂和H₂；在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂以形成脱CO₂的阳极排气料流；将至少所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分送往燃烧区；和将至少所述脱CO₂的阳极排气料流的阳极再循环部分再循环到所述 一个或多个燃料电池阳极。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极中的燃料利用率为大约65％或更低(例如大约60％或更低)。
实施方案3.实施方案2的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极中的燃料利用率为大约30％至大约50％。
实施方案4.实施方案2的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极包含多个阳极段且所述一个或多个燃料电池阴极包含多个阴极段，其中所述多个阳极段中的低利用率阳极段具有65％或更低(如大约60％或更低)的阳极燃料利用率，所述低利用率阳极段对应于所述多个阴极段的高利用率阴极段，所述高利用率阴极段的阴极入口CO₂含量与所述多个阴极段的任何其它阴极段的阴极入口的CO₂一样高或更高。
实施方案5.实施方案4的方法，其中所述低利用率阳极段中的燃料利用率为至少大约40％(例如至少大约45％或至少大约50％)。
实施方案6.实施方案4的方法，其中所述多个阳极段的各阳极段中的燃料利用率为大约65％或更低(例如大约60％或更低)。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分构成所述脱CO₂的阳极排气料流的至少大约25％，且其中所述脱CO₂的阳极排气料流的阳极再循环部分构成所述脱CO₂的阳极排气料流的至少大约25％。
实施方案8.实施方案7的方法，其进一步包括将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极，所述含碳燃料任选包含CH₄。
实施方案9.实施方案8的方法，其进一步包括：重整至少一部分所述含碳燃料以生成H₂；和将至少一部分生成的H₂送入所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案10.实施方案8的方法，其中将所述含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极而不在进入所述一个或多个燃料电池阳极之前将所述含碳燃料送入重整阶段。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧排气包含大约10体积％或更少的CO₂(例如8体积％或更少的CO₂)，所述燃烧排 气任选包含至少大约4体积％的CO₂。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将第二部分的燃烧排气再循环到燃烧区，所述第二部分的燃烧排气任选包含至少大约6体积％CO₂。
实施方案13.实施方案12的方法，其中将所述第二部分的燃烧排气再循环到燃烧区包括：在第二部分的燃烧排气和含H₂O的料流之间交换热以形成蒸汽；从所述第二部分的燃烧排气中分离水以形成脱H₂O的燃烧排气料流；和将至少一部分所述脱H₂O的燃烧排气送入燃烧区。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂之前，所述阳极排气料流包含至少大约5.0体积％的H₂(例如至少大约10体积％或至少大约15体积％)。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂之前使所述阳极排气料流暴露在水煤气变换催化剂下以形成变换的阳极排气料流，暴露在水煤气变换催化剂下后的所述变换的阳极排气料流的H₂含量大于暴露在水煤气变换催化剂下之前的阳极排气料流的H₂含量。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其中在将所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分送入燃烧区前将所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分与燃料料流合并。
实施方案17.上述实施方案任一项的方法，其中阴极排气料流具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低或大约1.2体积％或更低)的CO₂含量。
实施方案18.上述实施方案任一项的方法，其中在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂包括：任选从所述阳极排气料流中分离水以形成任选脱H₂O的阳极排气料流；冷却所述任选脱H₂O的阳极排气料流以形成CO₂的冷凝相。
这组实施方案是组D。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法，所述方法包括：将燃烧燃料料流和含O₂的料流引入燃烧区；在所述燃烧区中进行燃烧反应以生成燃烧排气，所述燃烧排气包含CO₂；用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工阴极入口料流以形成来自所述燃料电池阵列的至少一个阴极出口的阴极排气料流，所述阴极入口料流包含至少第一部分的所述燃烧排气，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池经至少一个阴极入口操作上连向所述燃烧区；使来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐与所述一个或多个燃料电池阳极内的H₂反应以产生电力和来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流，所述阳极排气料流包含CO₂和H₂；在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂以形成脱CO₂的阳极排气料流；和将至少所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分送往燃烧区。
实施方案2.实施方案1的方法，其进一步包括将所述脱CO₂的阳极排气料流的阳极再循环部分再循环到所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案3.实施方案2的方法，其进一步包括将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极，所述含碳燃料任选包含CH₄。
实施方案4.实施方案3的方法，其中将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极包括：重整至少一部分所述含碳燃料以生成H₂；和将至少一部分生成的H₂送入所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案5.实施方案3的方法，其中将所述含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极而不在进入所述一个或多个燃料电池阳极之前将所述含碳燃料送入重整阶段。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧排气包含大约10体积％或更少的CO₂(例如8体积％CO₂)，所述燃烧排气任选包含至少大约4体积％的CO₂。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将第二部分的燃烧排气再循环到燃烧区，所述第二部分的燃烧排气任选包含至少大约6 体积％CO₂。
实施方案8.实施方案7的方法，其中将所述第二部分的燃烧排气再循环到燃烧区包括：在所述第二部分的燃烧排气和含H₂O的料流之间交换热以形成蒸汽；从所述第二部分的燃烧排气中分离水以形成脱H₂O的燃烧排气料流；和将至少一部分所述脱H₂O的燃烧排气料流送入燃烧区。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂之前，所述阳极排气料流包含至少大约5.0体积％的氢气(例如至少大约10体积％或至少大约15体积％)。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂之前使所述阳极排气料流暴露在水煤气变换催化剂下以形成变换的阳极排气料流，所述变换的阳极排气料流的H₂含量大于暴露在水煤气变换催化剂下之前的阳极排气料流的H₂含量。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为大约45％至大约65％(例如大约60％或更低)。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中在将所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分送入燃烧区前将所述脱CO₂的阳极排气料流的燃烧再循环部分与所述燃烧燃料料流合并。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中阴极排气料流具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低或大约1.2体积％或更低)的CO₂含量。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂包括冷却所述阳极排气料流以形成CO₂的冷凝相。
实施方案15.实施方案14的方法，其中在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离CO₂进一步包括在形成CO₂的冷凝相之前从所述阳极排气料流中分离水。
实施方案16.补充或替代任何上述实施方案组，一种发电系统，其包含：包括压缩机的燃烧轮机，所述压缩机接收氧化剂进料并与燃烧区流体 连通，所述燃烧区进一步接收至少一个燃烧燃料进料，所述燃烧区与具有排气输出的膨胀机流体连通；提供第一部分的膨胀机排气输出和燃烧区之间的流体连通的排气再循环系统；包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极的熔融碳酸盐燃料电池阵列，所述熔融碳酸盐燃料电池阵列具有至少一个阴极输入、至少一个阴极输出、至少一个阳极输入和至少一个阳极输出，第二部分的膨胀机排气输出与所述至少一个阴极输入流体连通；和阳极再循环回路，其包含一个或多个用于分离阳极排气料流的二氧化碳分离阶段以形成阳极再循环回路输出，第一部分的阳极再循环回路输出作为燃烧燃料进料供往燃烧区。
实施方案17.实施方案16的系统，其中第二部分的阳极再循环回路输出供往所述至少一个阳极输入。
实施方案18.实施方案16或17的系统，其中所述阳极再循环回路进一步包含水煤气变换反应阶段，所述阳极排气料流在所述一个或多个二氧化碳分离阶段的至少一个阶段之前经过水煤气变换反应阶段。
实施方案19.实施方案16至18任一项的系统，其中所述排气再循环系统进一步包含热回收蒸汽发生系统。
实施方案20.实施方案16至19任一项的系统，其中所述排气再循环系统通过将第一部分的膨胀机排气输出送入压缩机来提供第一部分的膨胀机排气输出和燃烧区之间的流体连通。
这组实施方案是组E。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法，所述方法包括：捕集来自燃烧源的输出料流，所述捕集的输出料流包含氧气和二氧化碳；用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工所述捕集的输出料流以形成来自所述燃料电池阵列的至少一个阴极出口的阴极排气料流，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池经至少一个阴极入口操作上连向来自燃烧源的捕集 的输出料流；使来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐与所述一个或多个燃料电池阳极内的H₂反应以产生电力和来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流，所述阳极排气料流包含CO₂和H₂；任选使所述阳极排气料流经过水煤气变换反应阶段以形成任选变换的阳极排气料流；在一个或多个分离阶段中从所述任选变换的阳极排气料流中分离二氧化碳以形成脱CO₂的阳极排气料流；和将至少一部分所述脱CO₂的阳极排气料流再循环到所述一个或多个燃料电池阳极，与碳酸盐反应的至少一部分H₂包含来自所述再循环的至少一部分脱CO₂的阳极排气料流的H₂。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述阳极排气料流的H₂含量为至少大约10体积％(例如至少大约20体积％)。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为大约60％或更低(例如大约50％或更低)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为至少大约30％(例如至少大约40％)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中阴极排气具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低)的CO₂含量。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案7.实施方案6的方法，其中所述含碳燃料在组装件内的至少一个重整阶段中重整，所述组装件包含所述至少一个重整阶段和所述燃料电池阵列。
实施方案8.实施方案6或7的方法，其中来自所述再循环的至少一部分脱CO₂的阳极排气料流的H₂构成阳极输入料流的至少大约5体积％。
实施方案9.实施方案8的方法，其中将所述含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极而不在进入所述一个或多个燃料电池阳极之前将所述含碳燃料送入重整阶段。
实施方案10.实施方案6-9任一项的方法，其中所述含碳燃料包含甲烷。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中将所述至少一部分脱CO₂的阳极排气料流再循环到所述一个或多个阳极，而不将一部分阳极排气料流直接或间接再循环到所述一个或多个阴极。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含至少大约4体积％CO₂。
实施方案13.上述权利要求任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含大约8体积％CO₂或更少。
这组实施方案是组F。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池生产电力和氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合，其中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(例如至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。
实施方案2.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池生产电力和氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合，其中所述阳极燃料料流具有比为发电而在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中氧化的H₂量高至少50％的可重整氢气含量。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中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在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中氧化的H₂量高至少大约75％(例如高至少大约100％)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，所述方法进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过熔融碳酸盐燃料电池的阳极的单程中重整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至少大约90％。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极的CO₂利用率为至少大约50％。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述含合成气的料流具有大约3.0:1至大约1.0:1(例如大约2.5:1至大约1.0:1，大约3.0:1至大约1.5:1，或大约2.5:1至大约1.5:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有大约1.5:1至大约10:1(例如大约3.0:1至大约10:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中a)少于10体积％的阳极排气、b)少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂或c)少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案10.实施方案1-8任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极、直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阴极或其组合。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从i)阳极排气、ii)含氢气的料流和iii)含合成气的料流之一或其组合中分离CO₂和H₂O的至少一种。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述含氢气的料流含有至少大约90体积％H₂(例如大约95体积％H₂或大约98体积％H₂)。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含大约20体积％CO₂或更少(例如大约15体积％CO₂或更少，或大约12体积％CO₂或更少)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.67伏特或更低(例如大约0.65伏特或更低)的电压V_A下运行。
这组实施方案是组G。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用具有阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池生产电力和氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；从所述阳极排气中分离含氢气的料流、含合成气的料流或其组合,其中所述熔融碳酸盐燃料电池的电效率为大约10％至大约40％且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述含合成气的料流具有大约3.0:1至大约1.0:1(例如大约2.5:1至大约1.0:1，大约3.0:1至大约1.5:1，或大约2.5:1至大约1.5:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的电效率为大约35％或更低(例如大约30％或更低，大约25％或更低，或大约20％或更低)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约65％(例如至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，所述方法进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过熔融碳酸盐燃料电池的阳极的单程中重整引入 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重整阶段或其组合的可重整燃料的至少大约90％。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中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在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中氧化的H₂量高至少大约75％(例如高至少大约100％)。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中a)少于10体积％的阳极排气、b)少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂或c)少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案9.实施方案1-7任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极、直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阴极或其组合。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从i)阳极排气、ii)含氢气的料流和iii)含合成气的料流之一或其组合中分离CO₂和H₂O的至少一种。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含大约20体积％CO₂或更少(例如大约15体积％或更少，大约12体积％或更少，或大约10体积％或更少)。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在小于大约0.67伏特或更低(例如大约0.65伏特或更低)的电压V_A下运行。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有大约1.5:1至大约10:1(例如大约3.0:1至大约10:1)的H₂/CO摩尔比。
这组实施方案是组H。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用熔融碳酸盐燃料电池生产电力和氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极入口；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极的阴极入口；在大约1.3或更低(例如大约1.15或更低或大约1.0或更低)的热比率下运行所述熔融碳酸盐燃料电池以发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；和从所述阳极排气中分离含氢气的料流、含合成气的料流或其组合。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述阴极的CO₂利用率为的至少大约50％。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池进一步包含一个或多个集成吸热反应阶段。
实施方案4.实施方案3的方法，其中所述一个或多个集成吸热反应阶段的至少一个集成吸热反应阶段包含集成重整阶段，引入阳极入口的所述阳极燃料料流在进入阳极入口之前经过所述集成重整阶段。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.67伏特或更低(例如大约0.65伏特或更低)的电压V_A下运行。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从i)阳极排气、ii)含氢气的料流和iii)含合成气的料流之一或其组合中分离CO₂和H₂O的至少一种。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述热比率为大约0.85或更低，所述方法进一步包括向所述熔融碳酸盐燃料电池供热以保持比阳极入口的温度低大约5℃至大约50℃的阳极出口的温度。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述热比率为至少大约0.25。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中阳极出口的温度比阳极入口的温度高大约40°℃或更低。
实施方案10.实施方案1-8任一项的方法，其中阳极入口的温度与阳极出口的温度相差大约20℃或更低。
实施方案11.实施方案1-8任一项的方法，其中阳极出口的温度比阳极入口的温度低大约10℃至大约80℃。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中a)少于10体积％的阳极排气、b)少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂或c)少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案13.实施方案1-11任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极、直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阴极或其组合。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述含合成气的料流具有大约3.0:1至大约1.0:1(例如大约2.5:1至大约1.0:1，大约3.0:1至大约1.5:1，或大约2.5:1至大约1.5:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有大约1.5:1至大约10:1(例如大约3.0:1至大约10:1)的H₂/CO摩尔比。
这组实施方案是组J。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池发电的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；和从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；其中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。
实施方案2.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池发电的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，阴极入口料流中的CO₂浓度为大约6体 积％或更低；和在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；和从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气,其中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1.5。
实施方案3.实施方案2的方法，其中阴极入口料流中的CO₂浓度为大约5体积％或更低。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中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3.0(例如至少大约4.0)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述方法进一步包括从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合。
实施方案6.实施方案5的方法，其进一步包括在从阳极排气中分离含合成气的料流之前从阳极排气中分离含H₂的料流，所述含H₂的料流含有至少大约90体积％H₂(例如至少大约95体积％H₂，或至少大约98体积％H₂)。
实施方案7.实施方案5或6的方法，其中所述含合成气的料流具有大约3.0:1(例如大约2.5:1或更低)至大约1.0:1(例如至少大约1.5:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案8.实施方案5-7任一项的方法，其进一步包括从i)阳极排气、ii)含H₂的料流和iii)含合成气的料流之一或其组合中分离CO₂和H₂O的至少一种。
实施方案9.实施方案5-8任一项的方法，其进一步包括从所述含合成气的料流中分离含有至少大约90体积％H₂的料流。
实施方案10.上述权利要求任一项的方法，其中所述阳极排气具有大约1.5:1(例如至少大约3.0:1)至大约10:1的H₂/CO比。
实施方案11.上述权利要求任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案12.上述权利要求任一项的方法，其中a)少于10体积％的阳极排气、b)少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂或c)少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔 融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案13.实施方案1-11任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极、直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阴极或其组合。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧供能发电机的燃烧排气料流。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.67伏特或更低的电压V_A下运行。
这组实施方案是组K。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用包含阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池生产电力和氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合，其中所述阳极的燃料利用率为大约50％或更低且所述阴极的CO₂利用率为至少大约60％。
实施方案2.实施方案1的方法，其中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在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中氧化的H₂量高至少大约75％。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含大约20体积％CO₂或更少(例如大约15体积％CO₂或更少，或大约12体积％CO₂或更少)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极的燃料利用率为大约40％或更低(例如大约30％或更低)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池的阴极的CO₂利用率为至少大约65％(例如至少大约70％)。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述含合成气的料流具有大约3.0:1(例如大约2.5:1或更低)至大约1.0:1(例如至少大约1.5:1)的H₂/CO摩尔比。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有大约1.5:1(例如至少大约3.0:1)至大约10:1的H₂/CO摩尔比。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中a)少于10体积％的阳极排气、b)少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂或c)少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案10.实施方案1-8任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极、直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阴极或其组合。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从i)阳极排气、ii)含H₂的料流和iii)含合成气的料流之一或其组合中分离CO₂和H₂O的至少一种。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述含H₂的料流含有至少大约90体积％H₂(例如至少大约95体积％，或至少大约98体积％)。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧供能发电机的燃烧排气料流。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在大约0.67伏特或更低(例如大约0.65伏特或更低)的电压V_A下运行。
这组实施方案是组L。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种运行熔融碳酸盐燃料电池的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极入口；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极的阴极入口；在第一运行条件下运行熔融碳酸盐燃料电池以生成电力和至少30mW/cm²的废热，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度；从熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；和进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低的在阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案2.补充或替代任何上述实施方案组，一种运行熔融碳酸盐燃料电池的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极入口；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极的阴极入口；在第一运行条件下运行熔融碳酸盐燃料电池以生成电力，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度，第一运行条件具有相应的基线运行条件；从熔融碳酸盐燃料电池的阳极出口生成阳极排气；和进行有效量的吸热反应以保持大约80℃或更低的在阳极入口与阳极出口之间的温度差，其中在基线运行条件下运行熔融碳酸盐燃料电池会导致在阳极入口与阳极出口之间至少大约100℃的升温，所述熔融碳酸盐燃料电池的基线运行条件被定义为除基线运行条件包含大约75％的熔融碳酸盐燃料电池的阳极的燃料利用率且基线运行条件中的阳极燃料料流包含至少大约80体积％的甲烷外与第一运行条件相同的运行条件。
实施方案3.补充或替代任何上述实施方案组，一种运行熔融碳酸盐燃料电池的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极入口；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极的阴极入口；在第一运行条件下运行熔融碳酸盐燃料电池以生成在第一功率密度下的电力和废热，第一运行条件包含第一阳极入口温度、第一阳极入口流速、第一阳极燃料分压、第一阳极水分压、第一阴极入口流速、第一阴极入口CO₂分压和第一阴极入口O₂分压，第一运行条件具有相应的最大功率运行条件；从熔融碳酸盐燃料电 池的阳极出口生成阳极排气；和进行有效量的吸热反应以保持大约80℃或更低的在阳极入口与阳极出口之间的温度差，其中在最大功率运行条件下运行燃料电池组件会产生与第一功率密度相差小于大约20％的功率密度，最大功率运行条件相当于就包含第一阳极入口温度、第一阳极入口流速、第一阳极燃料分压、第一阳极水分压、第一阴极入口流速、第一阴极入口CO₂分压和第一阴极入口O₂分压的运行条件而言生成最大功率密度的运行条件。
实施方案4.实施方案3的方法，其中在最大功率运行条件下的功率密度与第一功率密度相差小于大约15％。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从所述熔融碳酸盐燃料电池中取出包含一种或多种通过进行有效量的吸热反应生成的反应产物的产物料流。
实施方案6.实施方案5的方法，其中从所述熔融碳酸盐燃料电池中取出所述产物料流而不经过所述熔融碳酸盐燃料电池的阳极。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池进一步包含一个或多个集成吸热反应阶段。
实施方案8.实施方案7的方法，其中所述一个或多个集成吸热反应阶段的至少一个集成吸热反应阶段包含集成重整阶段，所述阳极燃料料流在引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极的阳极入口之前经过所述集成重整阶段。
实施方案9.实施方案7或8的方法，其中进行有效量的吸热反应包括将可重整燃料重整。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中进行有效量的吸热反应包括进行消耗通过在第一运行条件下运行熔融碳酸盐燃料电池而生成的废热的至少大约40％的吸热反应。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中阳极出口的温度比阳极入口的温度高小于50℃。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²，或至少大约60mW/cm²)的废热。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中第一运行条件提供至少大约200mA/cm²的电流密度。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在小于大约0.7伏特(例如大约0.67伏特或更低，或大约0.65伏特或更低)的电压V_A下运行。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到阳极、直接或间接再循环到阴极或其组合。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其中少于10体积％的阳极排气直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案17.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从所述阳极排气中分离含H₂的料流、含合成气的料流或其组合。
实施方案18.实施方案17的方法，其中少于10体积％的在熔融碳酸盐燃料电池的阳极中单程产生的H₂直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
实施方案19.实施方案17的方法，其中少于10体积％的所述含合成气的料流直接或间接再循环到熔融碳酸盐燃料电池的阳极或熔融碳酸盐燃料电池的阴极。
这组实施方案是组M。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种使用具有阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池发电的方法，所述方法包括：将燃烧燃料料流和含O₂的料流引入燃烧区；在所述燃烧区中进行燃烧反应以生成燃烧排气，所述燃烧排气包含至少大约20vppm的NOx；将包含可重整燃料的阳极燃料料流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；将包含至少一部分所述燃烧排气的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，所述阴极入口料流包含CO₂、O₂和至少大约20vppm的氮氧化物；生成a)熔融碳酸盐燃料电池内的电力、 b)包含H₂和CO₂的阳极排气和c)包含小于阴极入口料流的大约一半的NO_x含量的阴极排气；和分离至少一部分所述阳极排气以形成具有比所述阳极排气高的CO₂含量的富CO₂阳极排气料流和具有比所述阳极排气低的CO₂含量的脱CO₂阳极排气料流。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述阴极排气包含大约15vppm或更少的NOx。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中所述阴极入口料流包含大约500vppm或更少的NOx。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧排气包含大约10体积％或更少的CO₂(例如大约8体积％或更少)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧区在至少大约1200℉的温度下运行。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将至少一部分所述脱CO₂的阳极排气料流再循环到燃烧区、熔融碳酸盐燃料电池的阳极或其组合。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在从所述阳极排气料流中分离CO₂之前使所述阳极排气料流暴露在水煤气变换催化剂下，所述变换的阳极排气料流的H₂含量小于暴露前的阳极排气料流的H₂含量。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将来自燃烧排气的燃烧排气再循环部分再循环到燃烧区。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极排气料流具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低，或大约1.2体积％或更低)的CO₂含量。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极燃料料流包含至少大约10体积％惰性化合物、至少大约10体积％CO₂或其组合。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气料流包含大约3.0:1至大约10.0:1摩尔比的H₂和CO。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中进入燃烧区的燃烧燃 料料流是烃质的，阴极入口料流中的CO₂与阴极入口料流中的NOx的比率为大约100至大约10,000。
实施方案13.补充或替代任何上述实施方案组，一种发电方法，所述方法包括：将一个或多个燃料料流和含O₂的料流引入反应区；在所述燃烧区中进行燃烧反应以生成燃烧排气，所述燃烧排气包含至少大约20vppm的NOx；将包含可重整燃料的阳极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；将包含至少一部分所述燃烧排气的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，所述阴极入口料流包含大约20vppm至大约500vppm氮氧化物的氮氧化物含量；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；和生成氮氧化物含量不到阴极入口料流的氮氧化物含量的一半的阳极排气。
实施方案14.实施方案13的方法，其中进入燃烧区的燃料料流是烃质的，阴极入口料流中的CO₂与阴极入口料流中的NOx的比率为大约100至大约10,000。
这组实施方案是组N。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种发电方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电，所述熔融碳酸盐燃料电池在大约60％或更低的燃料利用率下运行；生成包含H₂、CO和CO₂的阳极排气；从至少一部分阳极排气中分离包含至少大约80体积％(例如至少大约90％)H₂的第一富H₂气流；和燃烧至少一部分第一富H₂气流以发电。
实施方案2.实施方案1的方法，其进一步包括(i)对所述阳极排气、所述至少一部分阳极排气或其组合进行水煤气变换工艺；(ii)从所述阳极排气、所述至少一部分阳极排气或其组合中分离CO₂和/或H₂O；或(iii)(i)和(ii)。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中所述分离步骤包括：对所述阳极排气或至少一部分阳极排气进行水煤气变换工艺以形成变换的阳极排气部分；和从所述变换的阳极排气部分中分离H₂O和CO₂以形成第一富H₂气流。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中燃烧步骤包括由燃烧生成的热生成蒸汽和由至少一部分生成的蒸汽发电。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃烧步骤包括在涡轮机中燃烧所述至少一部分第一富H₂气流。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自含碳燃料在燃烧轮机中的燃烧的排气。
实施方案7。实施方案6的方法，其中所述含碳燃料包含下列一种或多种：至少5体积％的惰性气体；至少大约10体积％CO₂；和至少大约10体积％N₂。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约2.5:1(例如至少大约3.0:1、至少大约4.0:1或至少大约5.0:1)的H₂:CO比。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括由所述阳极排气、所述至少一部分阳极排气、第一富H₂气流或其组合形成第二含H₂料流；和将至少一部分第二含H₂料流再循环至燃烧轮机。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中至少大约90体积％的可重整燃料是甲烷。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中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，大约0.25至大约0.8，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量比为发电而在熔融碳酸盐燃料电池中反应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％)。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中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2.0:1(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)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约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％)。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差，并且任选其中，进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
这组实施方案是组P。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂、CO、H₂O和至少大约20体积％CO₂ 的阳极排气；在有效费托条件下在变换费托催化剂(例如包含Fe)存在下使至少一部分阳极排气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。
实施方案2.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂、CO、H₂O和至少大约20体积％CO₂的阳极排气；和在有效费托条件下在变换费托催化剂(例如包含Fe)存在下使至少一部分阳极排气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％，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5的可重整燃料过剩率。
实施方案3.实施方案2的方法，其进一步包括将至少一部分气体产物再循环到阳极入口、阴极入口或其组合。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气中的H₂/CO比为至少大约2.5:1(例如至少大约3.0:1、至少大约4.0:1或至少大约5.0:1)。
实施方案5.实施方案1和3-4任一项的方法，其中所述再循环步骤包括：从所述至少一种气体产物中除去CO₂以产生含CO₂的料流和包含CO₂、CO和H₂的分离的合成气流出物，以使所述含CO₂的料流具有比所述至少一种气体产物中的CO₂含量高的CO₂含量；任选氧化该至少一部分分离的合成气流出物；和然后将任选氧化的至少一部分分离的合成气流出物再循环到阴极入口。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在所述至少一部分阳极排气在有效费托条件下反应前压缩所述阳极排气、所述至少一部分阳极排气或其组合。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括使至少一部分阳极排气料流暴露在水煤气变换催化剂下以形成变换的阳极排气，然后从至少一部分变换的阳极排气中除去水和CO₂。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧轮机的排气。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量比为发电而在熔融碳酸盐燃料电池中反应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％)。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中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2.0:1(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)。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约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％)。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差，并且任选其中，进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大 约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中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，大约0.25至大约0.8，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述至少一种气体产物包含尾气流，其包含(i)未反应的H₂、(ii)未反应的CO和(iii)C4-烃质和/或C4-含氧物化合物的一种或多种。
这组实施方案是组Q。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂、CO、CO₂和H₂O并具有至少大约2.5:1(例如至少大约3.0:1、至少大约4.0:1或至少大约5.0:1)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(例如包含Co、Rh、Ru、Ni、Zr或其组合)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；和将至少一部分所述至少一种气体产物再循环到阴极入口。
实施方案2.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂、CO、CO₂和H₂O并具有至少大约2.5:1(例如至少大约3.0:1、至少大约4.0:1或至少大约5.0:1)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；和在有效费托条件下在非变换费托催化剂(例如包含Co、Rh、Ru、Ni、Zr或其组合)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，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5的可重整燃料过剩率。
实施方案3.实施方案2的方法，其进一步包括将至少一部分所述至少一种气体产物再循环到阴极入口。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中降低所述经典合成气料流中的H₂/CO比率包括(i)对所述经典合成气料流实施反向水煤气变换，(ii)从所述阳极排气、从所述经典合成气料流，或从它们的组合中提取包含H₂的气流，或(iii)(i)和(ii)。
实施方案5.实施方案1和3-4任一项的方法，其中所述再循环步骤包括：从所述至少一种气体产物中除去CO₂以产生含CO₂的料流和包含CO₂、CO和H₂的分离的合成气流出物；任选氧化至少一部分分离的合成气流出物；和然后将任选氧化的至少一部分分离的合成气流出物再循环到阴极入口。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在所述经典合成气料流在有效费托条件下反应前压缩所述阳极排气、所述经典合成气料流或其组合。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧轮机的排气。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量比为发电而在熔融碳酸盐燃料电池中反应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％)。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中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)。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约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％)。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案12.实施方案11的方法，其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中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，大约0.25至大约0.8，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述至少一种气体产物包含尾气流，其包含(i)未反应的H₂、(ii)未反应的CO和(iii)C4-烃质和/或C4-含氧物化合物的一种或多种。
这组实施方案是组R。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；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；使至少一部分阳极流出物气流在非变换费托催化剂(例如包含Co、Rh、Ru、Ni、Zr或其组合)上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气体产物再循环到阳极入口、阴极入口或其组合。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述再循环步骤包括：从所述气体产物中除去CO₂以产生CO₂浓缩料流和包含CO₂、CO和H₂的分离的合成气产物；任选氧化至少一部分分离的合成气产物；和然后将至少一部分分离的合成气产物再循环到阳极入口、阴极入口或其组合。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中所述气体产物包含尾气流，其包含(i)未反应的H₂、(ii)未反应的CO和(iii)C4-烃质和/或C4-含氧物化合物的一种或多种。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括使至少一部分阳极排气暴露在水煤气变换催化剂下以形成变换的阳极排气(其可以任选具有比阳极排气中的H₂/CO摩尔比小的H₂/CO摩尔比)，然后从至少一部分所述变换的阳极排气中除去水和CO₂以形成纯化的H₂料流。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括使至少一部分阳极流出物气流暴露在水煤气变换催化剂下以形成变换的阳极流出物(其可任选具有比阳极流出物气流中的H₂/CO摩尔比小的H₂/CO摩尔比)。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧轮机的排气。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约3.0:1(例如至少大约4.0:1，大约3.0:1至大约10:1，或大约4.0:1至大约10:1)的H₂:CO比率。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量比为发电而在熔融碳酸盐燃料电池中反应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％)。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中燃料电池阳极排气中的合成气的净摩尔数与燃料电池阴极排气中的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)。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约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％)。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案12.实施方案11的方法，其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中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，大约0.25至大约0.8，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5(例如至少大约2.0、至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。
这组实施方案是组S。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成烃质化合物的方法，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，所述阴极入口料流任选包含来自燃烧轮机的排气；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂、CO和CO₂的阳极排气；从至少一部分阳极排气中分离CO₂以产生阳极流出物气流；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阳极流出物气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。
实施方案2.实施方案1的方法，其进一步包括调节阳极排气、阳极流出物气流或其组合的组成(例如通过从中除去CO₂、通过实施反向水煤气变换工艺或其组合)以实现大约1.7至大约2.3(例如大约1.8至大约2.3、大约1.9至大约2.3、大约1.7至大约2.2、大约1.8至大约2.2、大约1.9至大约2.2、大约1.7至大约2.1、大约1.8至大约2.1、或大约1.9至大约2.1)的阳极流出物气流的模数值M，其中M被定义为M＝[H₂-CO₂]/[CO+CO₂]。
实施方案3.实施方案2的方法，其中所述调节步骤包括：将阳极排气或阳极流出物气流分成第一分流和第二分流；对第一分流实施反向水煤气 变换以形成第一变换料流；和将至少一部分第一变换料流与至少一部分第二分流合并以形成调节的阳极排气或调节的阳极流出物气流。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约3.0:1(例如至少大约4.0:1或至少大约5.0:1)和任选大约10:1或更低的H₂:CO摩尔比。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在甲醇合成催化剂存在下反应之前压缩所述至少一部分阳极流出物气流。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个含气体产物或液体产物的料流包括：(i)至少一个包含C2+醇的料流；(ii)至少一个包含H₂、CO、可重整燃料或其组合的料流；或(iii)(i)和(ii)。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中所述反应步骤进一步产生至少一个包含合成气的料流，将其再循环以在甲醇合成催化剂存在下反应。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中至少大约90体积％的可重整燃料是甲烷。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中所述燃料料流进一步包含至少5体积％(例如至少大约10体积％、至少大约20体积％、至少大约30体积％、至少大约35体积％或至少大约40体积％)的惰性气体(例如包含CO₂和/或N₂)。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中所述有效甲醇合成条件包括大约5MPag至大约10MPag的压力和大约250℃至大约300℃的温度。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气、阳极流出物气流或其组合中分离H₂O。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中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，大约0.25至大约0.8，或大约0.25至大约0.75)的热比率下运行。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相 关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5(例如至少大约2.0、至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中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)。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约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％)。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其中运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成在至少大约150mA/cm²的电流密度下的电力和至少大约40mW/cm²(例如至少大约50mW/cm²、至少大约60mW/cm²、至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，所述方法进一步包括进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低的阳极入口与阳极出口之间的温度差，其中进行所述吸热反应任选消耗至少大约40％的废热。
实施方案17.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
这组实施方案是组T。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种在炼油厂中生成氢气的方法,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熔融碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂和CO₂的阳极排气；对所述阳极排气进 行分离(例如使用膜)以形成CO₂含量高于所述阳极排气的CO₂含量的富CO₂气流和CO₂含量小于所述阳极排气的CO₂含量的脱CO₂气流，所述脱CO₂气流任选包含富H₂气流和合成气料流；和将所述脱CO₂气流送往一个或多个第二炼油厂工艺。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述阴极入口料流包含直接或间接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。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中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。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气、所述脱CO₂料流和所述富CO₂料流的至少一个中分离H₂O。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5(例如至少大约2.0、至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中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)，并任选为大约40.0或更低(例如大约30.0或更低，或大约20.0或更低)。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约45％或更低，大约40％或更低，大约35％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％)。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中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大约50mW/cm²(例如至少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度，且其中进行有效量的吸热反应以保持大约100℃ 或更低(例如大约80℃或更低，或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案9.实施方案8的方法，其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，或大约10％至大约20％)且所述熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％(例如至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中满足下列一项或多项：所述一个或多个第一炼油厂工艺中的至少一个工艺是所述一个或多个第二炼油厂工艺中的工艺；所述燃料料流衍生自一个或多个第三炼油厂工艺；且所述阳极排气具有至少大约3.0:1的H₂/CO摩尔比并具有至少大约10体积％的CO₂含量。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中至少一部分燃料料流在引入阳极之前经过预重整阶段。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中至少一部分燃料料流在引入阳极之前经过脱硫阶段。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括利用水煤气变换工艺改变所述阳极排气、所述富CO₂气流和所述脱CO₂气流的一个或多个的H₂含量。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中将所述脱CO₂气流进一步分离成具有第一H₂纯度的第一富H₂料流和具有第二H₂纯度的第二富H₂料流，其中将第二富H₂料流压缩至比第一富H₂料流高的压力。
这组实施方案是组U。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种合成含氮化合物的方法，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；生成包含H₂和CO₂的阳极排气；从至少一部分阳极排气中分离CO₂以产生CO₂含量高于所述阳极排气的CO₂含量的富CO₂料流和H₂含量高于所述阳极排气的H₂含量的脱CO₂气流；和在氨合成工艺中使用至少一部分所述脱CO₂气流和/或在第二合成工艺中使用至少一部分所述富CO₂料流以形成有机含氮化合物(例如脲)。
实施方案2.实施方案1的方法，其中使用至少一部分所述脱CO₂气流包括使至少一部分所述脱CO₂气流在有效氨合成条件下暴露在催化剂下以形成至少一个含氨料流和一个或多个含气体产物或液体产物的料流(所述一个或多个含气体产物或液体产物的料流可包括至少一个含H₂和/或CH₄的料流)和任选再循环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以形成至少一部分阴极入口料流。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括调节所述阳极排气、分离CO₂前的所述至少一部分阳极排气、脱CO₂气流、用于氨合成工艺前的所述至少一部分脱CO₂气流或其组合的组成。
实施方案4.实施方案3的方法，其中调节所述组成包括下列一项或多项：(i)进行水煤气变换工艺，(ii)进行反向水煤气变换工艺，(iii)进行分离以降低所述组合物的水含量，和(iv)进行分离以降低所述组合物的CO₂含量。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中通过从所述脱CO₂气流中分离H₂浓缩料流，形成所述至少一部分脱CO₂气流，所述分离的H₂浓缩料流包含至少大约90体积％H₂(例如至少大约95体积％H₂、至少大约98体积％H₂或至少大约99体积％H₂)。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约3.0:1(例如至少大约4.0:1)和任选大约10:1或更低的H₂:CO摩尔比。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括：从阴极排气中提取含N₂的气流；和使用至少一部分提取的含N₂的气流作为氨合成工艺中的N₂源。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述第二合成工艺进一步包括使用来自所述氨合成工艺的氨形成有机含氮化合物。
实施方案9.上述实施方案任一项的方法，其中至少大约90体积％的可重整燃料是甲烷。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中所述有效氨合成条件包括大约6MPag至大约18MPag的压力和大约350℃至大约500℃的温度。
实施方案11.上述权利要求任一项的方法，其中阴极入口料流包含来自燃烧轮机的排气。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流中的至少一部分O₂衍生自空气分离步骤，其中空气经过PSA装置以生成富氮产物料流和富氧废气流，以将至少一部分所述富氧废气流送往阴极入口，并将至少一部分所述富氮产物料流送往氨合成工艺。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阴极排气中提取含N₂的富N₂气流；和使用至少一部分富N₂气流作为氨合成工艺中的N₂源(例如通过使至少一部分富N₂气流在有效合成条件下暴露在合成催化剂下)。
实施方案14.实施方案13的方法，其中使用至少一部分阴极排气料流作为氨合成工艺中的N₂源包括对所述富N₂气流进行分离工艺和提纯工艺的至少一个以提高N₂浓度，然后将至少一部分所述富N₂气流送入在提高的N₂浓度下的氨合成工艺。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从所述阳极排气、所述富CO₂气流、所述脱CO₂气流和阴极排气的至少一个中分离H₂O。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括使所述富CO₂料流、所述脱CO₂料流和至少一部分阳极排气料流的一个或多个暴露在水煤气变换催化剂下。
实施方案17.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含来自燃烧轮机的排气。
实施方案18.上述实施方案任一项的方法，其中少于10体积％的阳极排气直接或间接再循环到阳极或阴极。
实施方案19.上述实施方案任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到阳极。
实施方案20.上述实施方案任一项的方法，其中没有一部分阳极排气直接或间接再循环到阴极。
实施方案21.上述实施方案任一项的方法，其中少于10体积％的在阳极中单程产生的H₂直接或间接再循环到阳极或阴极。
实施方案22.上述实施方案任一项的方法，所述方法进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过所述阳极的单程中重整引入阳极、与阳极相关的重整阶段或其组合的可重整燃料的至少大约90％。
实施方案23.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的重整阶段或其组合的可重整燃料的可重整氢气含量比为发电而反应的氢气量高至少大约50％(例如至少大约75％或至少大约100％)。
实施方案24.上述实施方案任一项的方法，其中可重整燃料过剩率为至少大约2.0(例如至少大约2.5或至少大约3.0)。
实施方案25.上述实施方案任一项的方法，其中阴极中的CO₂利用率为至少大约50％(例如至少大约60％)。
实施方案26.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，或大约10％至大约20％)且所述熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％(例如至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案27.上述实施方案任一项的方法，其中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。
实施方案28.上述实施方案任一项的方法，其中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)，并任选为大约40.0或更低(例如大约30.0或更低，或大约20.0或更低)。
实施方案29.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约50％或更低(例如大约45％或更低，大约40％或更低，大约35％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％)。
实施方案30.上述实施方案任一项的方法，其中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大约50mW/cm²(例如至少100mW/cm²)的废热，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度，且其中进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低，或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案31.实施方案30的方法，其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
这组实施方案是组V。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，一种生产铁和/或钢的方法，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熔融碳酸盐燃料电池的阴极；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；和将从阳极排气中取出的第一气流引入铁和/或钢生产工艺。
实施方案2.实施方案1的方法，其进一步包括利用生成的电向铁和/或钢生产工艺供热。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气中取出包含H₂的第二气流并利用第二气流作为用于加热铁和/或钢生产工艺的燃料。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气、从阳极排气中取出的第一气流或其组合中分离水，并使用分离的水洗涤工艺矿渣。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中所述阴极入口料流包含至少一部分由铁和/或钢生产工艺产生的含CO₂的排气。
实施方案6.实施方案5的方法，其进一步包括从由铁和/或钢生产工艺产生的含CO₂的排气中分离CO₂。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在将取出的第一气流引入铁和/或钢生产工艺之前，使取出的第一气流在有效水煤气变换条件下暴露在水煤气变换催化剂下。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中以大约1.0或更低的热比率运行所述熔融碳酸盐燃料电池以发电，所述方法进一步包括将来自铁和/或钢生产工艺(例如来自炉)的热转移到熔融碳酸盐燃料电池中，其中阳极排气的温度高于阳极入口的温度。
实施方案9.实施方案8的方法，其中热转移包括在阳极入口料流与铁和/或钢生产工艺炉和铁和/或钢生产工艺排气的至少一项之间进行热交换，其中进行热交换任选包括将阳极入口料流的温度提高至少大约100℃，例如至少大约150℃。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括在将所述气流引入铁和/或钢生产工艺之前，使所述取出的气流在有效水煤气变换条件下暴露在水煤气变换催化剂下。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气、取出的第一气流或其组合中分离水，并使用分离的水洗涤工艺矿渣。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、引入与阳极相关的内部重整元件或引入其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5(例如至少大约2.0、至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，所述方法进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过阳极的单程中重整引入阳极、与阳极相关的 重整阶段或其组合的可重整燃料的至少大约90％。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中燃料电池阳极排气中的合成气的净摩尔数与燃料电池阴极排气中的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)。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中阳极中的燃料利用率为大约65％或更低(例如大约60％或更低，大约50％或更低，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50％(例如至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％或至少大约75％)。
实施方案16.上述实施方案任一项的方法，其中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％，大约10％至大约25％，大约10％至大约20％)且所述燃料电池的总燃料电池效率为至少大约50％(例如至少大约55％、至少大约60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。
实施方案17.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约3.0:1(例如至少大约4.0:1，大约3.0:1至大约10:1，或大约4.0:1至大约10:1)的H₂:CO摩尔比。
实施方案18.上述实施方案任一项的方法，其中至少大约90体积％的可重整燃料是甲烷。
实施方案19.上述实施方案任一项的方法，其中少于10体积％的在阳极中单程产生的H₂直接或间接再循环到阳极或阴极。
实施方案20.上述实施方案任一项的方法，其中引入阳极、与阳极相关的重整阶段或其组合的可重整燃料的可重整氢气含量比为发电而反应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％)。
实施方案21.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池进一步包含一个或多个集成吸热反应阶段。
实施方案22.实施方案21的方法，其中至少一个所述集成吸热反应阶 段包含集成重整阶段，引入阳极的燃料料流在进入阳极之前任选经过至少一个所述集成重整阶段。
实施方案23.上述实施方案任一项的方法，其中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大约30mW/cm²(例如至少大约40mW/cm²、至少大约50mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，第一运行条件提供至少大约150mA/cm²的电流密度，且其中进行有效量的吸热反应以保持大约100℃或更低(例如大约80℃或更低，或大约60℃或更低)的阳极入口与阳极出口之间的温度差。
实施方案24.实施方案23的方法，其中进行所述吸热反应消耗至少大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。
实施方案25.上述实施方案任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池在小于大约0.68V(例如小于大约0.67V、小于大约0.66V或大约0.65V或更低)和任选至少大约0.60V(例如至少大约0.61V、至少大约0.62V或至少大约0.63V)的电压V_A下运行。
实施方案26.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括重整所述可重整燃料，其中在经过阳极的单程中重整引入阳极、与阳极相关的重整阶段或其组合的可重整燃料的至少大约90％。
这组实施方案是组W。提到“任何上述实施方案”意在仅指这组内的其它实施方案，而提到“任何上述实施方案组”意在表示来自一个或多个其它组的任一实施方案或实施方案组合。
实施方案1.补充或替代任何上述实施方案组，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排气；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用于蒸馏的热，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排气；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烧轮机排气，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烧轮机排气，至少一部分阳极排气用作燃烧轮机的燃烧区的阳极再循环燃料，燃烧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烧轮机排气，至少第一部分的所述阳极排气用作燃烧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烧轮机排气，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烧轮机排气；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含量的脱CO₂气流，并将所述脱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含量的脱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脱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。
实施方案2.实施方案1的方法，其中所述阴极入口料流包含至少一部分阳极排气、至少一部分取自阳极排气的任何气流或其组合。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中所述阴极入口料流包含至少一部分来自燃烧反应的排气、来自燃烧轮机的排气或其组合。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中从阳极排气、取自阳极排气的任何气流或其组合中分离CO₂，至少一部分分离的CO₂任选与至少一部分发酵废气合并。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中从阳极排气、取自阳极排气的任何气流或其组合中分离H₂O。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从所述阳极排气中分离H₂O并在生物质加工过程中使用所述分离的H₂O以生产所述至少一种发酵产物。
实施方案7.上述实施方案任一项的方法，其中在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电包括在一定的燃料利用率下运行所述燃料电池，基于生物质加工的电需求、生物质加工的热需求和发酵产物蒸馏的热需求的至少一项选择燃料利用率。
实施方案8.上述实施方案任一项的方法，其中所述可重整燃料通过由生物质加工产生的生物质残渣的厌氧消化衍生自生物质。
实施方案9.实施方案8的方法，其中至少一些可重整燃料通过由生物质加工产生的生物质残渣的部分氧化和/或气化衍生自生物质。
实施方案10.上述实施方案任一项的方法，其中所述至少一种发酵产物包含乙醇。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气中分离富CO₂料流并使用所述富CO₂料流作为光合藻类生长工艺的一部分。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述可重整燃料衍生自藻类生长池塘中生成的藻类生物质。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括从阳极排气中分离富CO₂料流和将至少一部分富CO₂料流送往阴极入口。
实施方案14.上述实施方案任一项的方法，其中基于发酵产物的燃烧提供至少一部分用于蒸馏的热。
实施方案15.上述实施方案任一项的方法，其中所述阳极排气具有至少大约3.0:1的H₂:CO摩尔比。
尽管已就具体实施方案描述了本发明，但其不限于此。适用于在具体条件下的运行的变更/修改是本领域技术人员显而易见的。因此下列权利要求意在被解释为涵盖落在本发明的真实精神/范围内的所有这样的变更/修改。