本公开涉及用于钢生产的氢气、碳和电力的联合生产(co-production)。
背景技术：
1、碳是一种地壳中丰富的元素。碳的丰度、其在有机化合物的组成中的多样性以及其在地球上通常遇到的温度形成聚合物的能力使得该元素能够作为所有已知生命的共有元素。碳的原子可以以多种方式结合到一起，得到碳的各种同素异形体。碳的同素异形体的一些实例包括石墨、金刚石、无定形碳、碳纳米管、碳纤维和富勒烯。碳的物理性质基于同素异形的形式而大不相同。这样，碳广泛用于商业规模或接近商业规模的各种市场。
2、氢是最轻的元素。在标准条件下，氢气是一种双原子分子的气体，并且无色、无臭、无味、无毒且可燃。氢是宇宙中最丰富的化学物质。地球上的大部分氢以分子形式存在，比如在水中和在有机化合物(如烃)中。氢的使用的一些实例包括化石燃料加工(例如，加氢裂化)和氨生产。
3、为了减少碳排放，全球对从化石燃料到可再生能源和可持续能源的能量转换越来越感兴趣。向可再生能源的能量转换中的脱碳途径的一些实例包括提高能量效率、生产和/或使用低碳燃料以及碳捕获和储存(ccs)。
技术实现思路
1、本公开描述了涉及氢气、碳、电力和钢的联合生产伴随准备好封存(sequestration-ready)的二氧化碳的技术。所描述的主题的一些方面可以作为一种方法实施。将烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量以将所述烃进料流转化为固体流和气体流。所述烃进料流包含烃。所述固体流包含碳。所述气体流包含氢气。将所述气体流分离为废气流和第一氢气流。所述第一氢气流包含来自所述气体流的所述氢气的至少一部分。将所述碳从所述固体流中分离以产生碳流。对水流进行电解以产生氧气流和第二氢气流。所述水流包含水。所述氧气流包含氧气。所述第二氢气流包含氢气。通过使a)所述第一氢气流的至少一部分或b)所述第二氢气流的至少一部分中的至少一种流过铁矿石将所述铁矿石还原以生产铁。将所述铁和所述碳流中的所述碳的第一部分合并以生产钢。将所述氧气流中的所述氧气的至少一部分和所述碳流中的所述碳的第二部分合并以产生电能和二氧化碳流。所述二氧化碳流包含二氧化碳。所产生的电能的第一部分用于对所述水流进行电解。所产生的电能的第二部分用于将所述铁矿石还原。所产生的电能的第三部分用于产生所述钢。
2、此方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。所述烃进料流可以包含选自c1-c22烷烃的多种烃。所述烃进料流可以包含氢气。可以通过包括固体氧化物的直接碳燃料电池(dcfc)将所述氧气和所述碳合并。可以通过所述直接碳燃料电池在约800摄氏度(℃)至约1000℃范围内的工作温度将所述氧气和所述碳合并。可以通过第一废热回收换热器将热量从所述气体流传递至缓冲流体。在将所述烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量之前，可以通过第二废热回收换热器将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。可以通过兰金循环(rankine cycle)利用从所述气体流传递至所述缓冲流的热量来发电。通过所述兰金循环发电可以包括：将热量从所述缓冲流体传递至锅炉中的工作流体以使所述工作流体气化为气化的工作流体。通过所述兰金循环发电可以包括：使所述气化的工作流体流动通过涡轮机并且膨胀来发电。通过所述兰金循环发电可以包括：使所述气化的工作流体冷凝为冷凝的工作流体。通过所述兰金循环发电可以包括：将所述冷凝的工作流体循环至所述锅炉。可以通过第一废热回收换热器将热量从所述二氧化碳流传递至缓冲流体。在将所述烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量之前，可以通过第二废热回收换热器将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。可以将由所述直接碳燃料电池产生的所述二氧化碳流封存在地下地层内，使得所述二氧化碳流不释放到大气中。
3、所描述的主题的一些方面可以作为一种系统实施。所述系统包括：烃进料流、热解室、气体分离单元、碳分离单元、水流、电解单元、铁矿石还原单元、钢生产单元和发电单元。所述烃进料流包含烃。所述热解室被配置为接收所述烃进料流，并且将所述烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量以将所述烃进料流转化为固体流和气体流。所述固体流包含碳。所述气体流包含氢气。所述气体分离单元被配置为接收来自所述热解室的所述气体流，并且将所述氢气从所述气体流中分离以产生废气流和第一氢气流。所述第一氢气流包含来自所述气体流的所述氢气的至少一部分。所述碳分离单元被配置为接收来自所述热解室的所述固体流，并且将所述碳从所述固体流中分离以产生碳流。所述水流包含水。所述电解单元被配置为接收水流和电能。所述电解单元被配置为利用所述电能对所述水流进行电解以产生氧气流和第二氢气流。所述氧气流包含氧气。所述第二氢气流包含氢气。所述铁矿石还原单元被配置为接收来自所述气体分离单元的所述第一氢气流的至少一部分、来自所述电解单元的所述第二氢气流的至少一部分和铁矿石。所述铁矿石还原单元被配置为通过使所述第一氢气流的所述部分和所述第二氢气流的所述部分流过所述铁矿石将所述铁矿石还原以生产铁。所述钢生产单元被配置为接收来自所述铁矿石还原单元的所述铁和来自所述碳分离单元的所述碳流的第一部分。所述钢生产单元被配置为将所述铁和所述碳流的第一部分合并以生产钢。所述发电单元被配置为接收来自所述电解单元的所述氧气流的至少一部分和来自所述碳分离单元的所述碳流的第二部分。所述发电单元包括直接碳燃料电池。所述直接碳燃料电池被配置为将来自所述氧气流的所述部分的氧气和来自所述碳流的所述部分的碳合并以产生电能和二氧化碳流。所述二氧化碳流包含二氧化碳。将所述发电单元产生的电能的第一部分提供至所述电解单元以对所述水流进行电解。将所述发电单元产生的电能的第二部分提供至所述铁矿石还原单元以将所述铁矿石还原。将所述发电单元产生的电能的第三部分提供至所述钢生产单元以产生所述钢。
4、此方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。所述烃进料流可以包含选自c1-c22烷烃的多种烃。所述烃进料流可以包含氢气。所述直接碳燃料电池可以包括固体氧化物电解质，所述固体氧化物电解质被配置为在约800℃至约1000℃范围内的温度工作。所述系统可以包括第一废热回收换热器。所述第一废热回收换热器可以与离开所述热解室的所述气体流流体连通。所述第一废热回收换热器可以与缓冲流体流体连通。所述第一废热回收换热器可以被配置为将热量从所述气体流传递至所述缓冲流体。所述系统可以包括第二废热回收换热器。所述第二废热回收换热器可以与进入所述热解室的所述烃进料流流体连通。所述第二废热回收换热器可以与所述缓冲流体流体连通。所述第二废热回收换热器可以被配置为在所述烃进料流进入所述热解室之前将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。所述系统可以包括兰金循环，所述兰金循环被配置为利用从所述气体流传递至所述缓冲流体的热量来发电。所述兰金循环可以包括锅炉，所述锅炉被配置为接收工作流体和所述缓冲流体。所述锅炉可以被配置为将热量从所述缓冲流体传递至所述工作流体以使所述工作流体气化为气化的工作流体。所述兰金循环可以包括涡轮机，所述涡轮机被配置为接收所述气化的工作流体，并且在所述气化的工作流体流动通过所述涡轮机并且膨胀时发电。所述兰金循环可以包括冷凝器，所述冷凝器被配置为接收所述气化的工作流体，并且将所述气化的工作流体冷凝为冷凝的工作流体。所述兰金循环可以包括泵，所述泵被配置为将所述冷凝的工作流体循环至所述锅炉。所述系统可以包括第一废热回收换热器。所述第一废热回收换热器可以与离开所述发电单元的二氧化碳流流体连通。所述第一废热回收换热器可以与缓冲流体流体连通。所述第一废热回收换热器可以被配置为将热量从所述二氧化碳流传递至所述缓冲流体。所述系统可以包括第二废热回收换热器。所述第二废热回收换热器可以与进入所述热解室的所述烃进料流流体连通。所述第二废热回收换热器可以与所述缓冲流体流体连通。所述第二废热回收换热器可以被配置为在所述烃进料流进入所述热解室之前将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。所述热解室可以包括催化剂。所述催化剂可以包含活性炭、炭黑、钴、铁、铜或镍中的至少一种。
5、本公开的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和说明书中给出。根据说明书、附图和权利要求书，所述主题的其他特征、方面和优点将变得明显。
1.一种方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述烃进料流包含选自c1-c22烷烃的多种烃。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述烃进料流包含氢气。
4.根据权利要求3所述的方法，其中通过包含固体氧化物的直接碳燃料电池将所述氧气和所述碳合并，并且通过所述直接碳燃料电池在约800摄氏度(℃)至约1000℃范围内的工作温度将所述氧气和所述碳合并。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法包括：通过第一废热回收换热器将热量从所述气体流传递至缓冲流体。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括：在将所述烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量之前，通过第二废热回收换热器将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。
7.根据权利要求5所述的方法，所述方法包括：通过兰金循环利用从所述气体流传递至所述缓冲流的热量来发电，其中通过所述兰金循环发电包括：
8.根据权利要求4所述的方法，所述方法包括：通过第一废热回收换热器将热量从所述二氧化碳流传递至缓冲流体。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括：在将所述烃进料流在不存在氧气的情况下暴露于热量之前，通过第二废热回收换热器将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。
10.根据权利要求4所述的方法，所述方法包括：将由所述直接碳燃料电池产生的所述二氧化碳流封存在地下地层内，使得所述二氧化碳流不释放到大气中。
11.一种系统，所述系统包括：
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述烃进料流包含选自c1-c22烷烃的多种烃。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述烃进料流包含氢气。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述直接碳燃料电池包括固体氧化物电解质，所述固体氧化物电解质被配置为在约800摄氏度(℃)至约1000℃范围内的温度工作。
15.根据权利要求14所述的系统，所述系统包括与离开所述热解室的所述气体流和缓冲流体流体连通的第一废热回收换热器，所述第一废热回收换热器被配置为将热量从所述气体流传递至所述缓冲流体。
16.根据权利要求15所述的系统，所述系统包括与进入所述热解室的所述烃进料流和所述缓冲流体流体连通的第二废热回收换热器，所述第二废热回收换热器被配置为在所述烃进料流进入所述热解室之前将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。
17.根据权利要求15所述的系统，所述系统包括兰金循环，所述兰金循环被配置为利用从所述气体流传递至所述缓冲流体的热量来发电，所述兰金循环包括：
18.根据权利要求14所述的系统，所述系统包括与离开所述发电单元的所述二氧化碳流和缓冲流体流体连通的第一废热回收换热器，所述第一废热回收换热器被配置为将热量从所述二氧化碳流传递至所述缓冲流体。
19.根据权利要求18所述的系统，所述系统包括与进入所述热解室的所述烃进料流和所述缓冲流体流体连通的第二废热回收换热器，所述第二废热回收换热器被配置为在所述烃进料流进入所述热解室之前将热量从所述缓冲流体传递至所述烃进料流。
20.根据权利要求14所述的系统，其中所述热解室包括催化剂，所述催化剂包含活性炭、炭黑、钴、铁、铜或镍中的至少一种。
