Development of a carbon capture and storage system in oil refineries using molten carbonate fuel cells

In this study, the use of high temperature Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) is explored as a retrofit post-combustion CO2 capture methodology applied to an existing oil refinery. A reference oil refinery having a capacity of 220,000 bbl/day is considered and its main CO2 emissions sources are identified. IEA GHG data is used to construct the reference refinery energy and flue gas balance. This is an important step to do the CO2 balance and once CO2 balance is done, carbon capture and storage system is applied. Oil refinery processes are discussed and evaluated in detail because while some processes require steam and hydrogen, some produce as well. In order to evaluate the possible integration strategies between the fuel cell and the refinery, three chief CO2 emissions sources are considered: a) power and steam unit (generating 36% of the total CO2 emissions), b) fluid catalytic cracking (17%), c) process heaters (39%). Fuel cell integration is studied considering both cases of employing fuel cell integration at the outlet of each process heater flue gas emission source and by integrating a fuel cell as a single unit that takes all process heater flue gas emissions as a single unit. The MCFC exhibits a rather unique feature because it simultaneously acts as a CO2 concentrator and an electricity generator. In the proposed application, it is equipped with a gas processing unit able to purify a CO2-rich stream into pure CO2 and hydrogen, available for either reuse or storage. The study finds a thermodynamically interesting operating condition of the proposed systems, able to comply with the operating constraints of the fuel cell stacks while reducing the direct carbon emission of the refinery. In addition, a considerable net amount of electricity (up to 116 MWel) and hydrogen (up to 68 MWLHV) are produced as additional by-product of the retrofit system. First law efficiency of 61% for Process heaters, 62% for POW unit and 56% for FCC is achieved. SPECCA index is 0.29 MJ/kg for Process heaters, 0.18 MJ/kg for POW unit and 0.81 MJ/kg for FCC. Most important factor is the CO2 avoided which is upto 94%. Both direct and indirect emissions were considered while computing this value. Number of fuel cell modules and MCFC area is calculated for each scenario and it gives a clear idea of how and where, this retrofit technology can be implemented. Keywords: Molten Carbonate Fuel Cell, Oil Refinery, Retrofit, Carbon Capture and Storage, Hydrogen, SPECCA Index.

In questo studio, l'uso di celle a combustibile fuso carbonato ad alta temperatura (MCFC) è esplorato come una metodologia di cattura di CO2 post-combustione retrofit applicata a una raffineria di petrolio esistente. Viene considerata una raffineria di petrolio di riferimento con una capacità di 220.000 bbl / giorno e vengono identificate le principali fonti di emissioni di CO2. I dati GHG IEA vengono utilizzati per costruire l'energia di raffineria di riferimento e il bilancio dei gas di scarico. Questo è un passo importante per fare il bilancio di CO2 e una volta fatto il bilancio di CO2, viene applicato il sistema di cattura e stoccaggio del carbonio. I processi di raffinazione di petrolio sono discussi e valutati in dettaglio perché mentre alcuni processi richiedono vapore e idrogeno, alcuni producono pure. Al fine di valutare le possibili strategie di integrazione tra la cella a combustibile e la raffineria, vengono considerate tre principali fonti di emissioni di CO2: a) unità di potenza e vapore (che genera il 36% delle emissioni totali di CO2), b) cracking catalitico fluido (17%) c) riscaldatori di processo (39%). L'integrazione delle celle a combustibile è studiata considerando entrambi i casi di utilizzo dell'integrazione delle celle a combustibile all'uscita di ogni fonte di emissione di gas di scarico del riscaldatore di processo e integrando una cella a combustibile come una singola unità che prende tutte le emissioni di gas di scarico del riscaldatore di processo come una singola unità. L'MCFC presenta una caratteristica piuttosto unica perché agisce contemporaneamente come un concentratore di CO2 e un generatore di elettricità. Nell'applicazione proposta, è dotato di un'unità di trattamento del gas in grado di purificare un flusso ricco di CO2 in CO2 e idrogeno puri, disponibili per il riutilizzo o lo stoccaggio. Lo studio trova una condizione operativa termodinamicamente interessante dei sistemi proposti, in grado di soddisfare i vincoli operativi degli stack di celle a combustibile riducendo al contempo l'emissione diretta di carbonio della raffineria. Inoltre, una considerevole quantità netta di elettricità (fino a 116 MWel) e idrogeno (fino a 68 MWLHV) sono prodotti come sottoprodotto aggiuntivo del sistema di retrofit. L'efficienza della prima legge del 61% per i riscaldatori di processo, il 62% per l'unità POW e il 56% per l'FCC. L'indice SPECCA è 0,29 MJ / kg per i riscaldatori di processo, 0,18 MJ / kg per l'unità POW e 0,81 MJ / kg per l'FCC. Il fattore più importante è la CO2 evitata che arriva fino al 94%. Sia le emissioni dirette che quelle indirette sono state considerate durante il calcolo di questo valore. Il numero di moduli di celle a combustibile e l'area MCFC viene calcolato per ogni scenario e fornisce un'idea chiara di come e dove, questa tecnologia di retrofit può essere implementata.