产生用于工厂设备的氧气和氢气的系统和方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种系统，所述系统包括光电解系统，所述光电解系统具有太阳能收集器，所述太阳能收集器配置用于收集并聚集太阳辐射以加热水、发电或者执行这两者。所述系统还包括电解单元，所述电解单元配置用于至少使用所产生的电力来电解受热水，以产生第一气体混合物和第二气体混合物。所述第一气体混合物包括氧气和蒸汽并且所述第二气体混合物包括氢气和蒸汽。所述系统进一步包括：第一装置，所述第一装置配置用于接收并使用所述第一气体混合物；以及氢膜，所述氢膜配置用于接收所述氢气和蒸汽混合物并将其分离成氢气组分和蒸汽组分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】产生用于工厂设备的氧气和氢气的系统和方法
本专利技术涉及工业厂房，例如动力发电厂。本专利技术涉及产生氧气和氢气以便在动力发电厂，例如整体气化联合循环(IGCC)发电厂中消耗。
技术介绍
通常，整体气化联合循环(IGCC)发电厂通过使用气化器将燃料源转换成合成气(例如，一氧化碳和氢气的混合物)。随后可以将此合成气产物提供到燃烧器，所述燃烧器可以燃烧合成气以驱动一个或多个涡轮机。典型的IGCC气化器可以将燃料源(例如，煤浆)与蒸汽和氧气化合，以产生合成气。空气分离单元是IGCC发电厂的主要氧气源。通常，IGCC发电厂可以操作一个或多个空气分离单元，所述空气分离单元可以在冷冻温度下冷凝压缩空气，以便分离空气中的氮气、氧气和其他组分气体。因此，这些空气分离单元通常消耗大量能量。此外，这些空气分离单元可能在每日和每年中的较温暖时期消耗更多能量来冷凝和分离压缩空气。电解是使用施加电压来断裂一个或多个分子键的过程。例如，可以使用传统电解来通过施加直流电流分裂水分子，以便在阴极收集氢气并且在阳极收集氧气。但是，传统的液态水电解实质上低效(例如，由于竞争性内部反应)、消耗的能量(例如，直流电流)远大于理论上断裂水分子中的氢键和氧键所需的能量。
技术实现思路
以下概述了与本专利技术原始主张的权利要求范围一致的一些实施例。这些实施例并不意图限制本专利技术的范围，相反，这些实施例仅用于提供本专利技术的可能形式的简要概述。实际上，本专利技术可以包括可能与下述实施例类似或不同的各种形式。在一个实施例中，本专利技术提供一种系统，所述系统包括光电解系统，所述光电解系统具有太阳能收集器，所述太阳能收集器配置用于收集并聚集太阳辐射以加热水、发电或者执行这两者。所述系统还包括电解单元，所述电解单元配置用于使用至少所产生的电力来电解受热水，以产生第一气体混合物和第二气体混合物。所述第一气体混合物包括氧气和蒸汽并且第二气体混合物包括氢气和蒸汽。所述系统进一步包括：第一装置，所述第一装置配置用于接收并使用第一气体混合物；以及氢膜，所述氢膜配置用于接收氢气和蒸汽混合物并将其分离成氢气组分和蒸汽组分。在另一个实施例中，本专利技术提供一种方法，所述方法包括通过太阳能收集器收集太阳辐射以及将所述太阳辐射分离成长波长组分和短波长组分。所述方法还包括：使用长波长组分加热水以提供受热水；以及使用短波长组分产生电流。所述方法还包括向受热水施加至少所产生的电流以产生氧气和蒸汽混合物以及氢气和蒸汽混合物。所述方法进一步包括将氧气和蒸汽混合物输送到氧燃烧反应器。在另一个实施例中，本专利技术提供一种系统，所述系统包括光电解系统，所述光电解系统配置用于处理太阳辐射和水以提供氧气和蒸汽流以及氢气和蒸汽流。所述系统还包括装置，所述装置配置用于将氢气组分从氢气和蒸汽流中分离并且将氢气组分的至少一部分转换成用于光电解系统的电力。所述系统还包括控制器，所述控制器包括存储器和处理器并且配置用于控制所述光电解系统、所述装置或者这两者的运行。附图说明在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本专利技术的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：图1是示意图，示出了根据本专利技术多个方面的光电解系统的实施例，所述光电解系统提供氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流，所述氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流被输送到整体气化联合循环(IGCC)发电厂、化学制造厂和/或炼油厂；图2是示意图，示出了根据本专利技术多个方面的整体气化联合循环(IGCC)发电厂的实施例，所述IGCC发电厂从光电解系统接收氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流；图3是根据本专利技术多个方面的流程图，示出了光电解系统借以使用充足日照提供氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流的过程；以及图4是根据本专利技术多个方面的流程图，示出了光电解系统借以使用不充足日照提供氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流的过程。具体实施方式下文将描述本专利技术的一个或多个具体实施例。为了准确描述这些实施例，说明书中可以不描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何工程或设计项目中开发任何此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的特定目标，例如，是否要遵守与系统相关以及与业务相关的约束，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。另外，应当了解，此类开发工作可能复杂而且耗时，但对所属领域中受益于本专利技术的普通技术人员而言，这将仍是设计、制造以及生产中的常规任务。介绍本专利技术的各个实施方案的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个所述元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在表示包括性含义，并且表示除了所列元件外，可能还有其他元件。如上所述，电解通常包括向水施加直流电流(例如，在室温下)以分别在电解系统的阳极和阴极产生氧气和氢气。或者，特定水电解方法包括将水加热到特定温度，然后再施加电解电流以便减少消耗的电流(即，提高电解过程的效率)。也就是说，例如，使用过热蒸汽(例如，约700℃以上温度的H2O)能够减少在断裂水分子中的氢氧键时消耗的能量(即，直流电流)。此外，由于转换效率通常小于100％，因此分别在阴极和阳极收集的氢气和氧气可能与蒸汽混合。对于所公开的光电解系统，日照可能用作经济有效型能源，为电解过程提供热量和/或电力。作为具体实例，光电解系统可以将日光分成长波长辐射(例如，红外(IR)辐射)和短波长辐射(例如，可见光辐射/紫外线辐射)，然后使用长波长辐射来加热水(例如，从约700℃到1000℃)，再施加使用短波长辐射(例如，通过光电池)产生的直流电流。因此，本专利技术的实施例涉及使用光电解系统来产生单独的氢气/蒸汽流以及氧气/蒸汽流，将所述氢气/蒸汽流以及氧气/蒸汽流输送到一个或多个附近设施(例如，IGCC发电厂、炼油产、化学制造厂或类似设施)的各个部分中。例如，在一个实施例中，可以使用太阳能光电解系统来产生氧气/蒸汽流，所述氧气/蒸汽流可以输送到IGCC发电厂的气化器中。通过使用太阳辐射作为动力源来产生氧气/蒸汽流，本专利技术的实施例能够省去传统上在消耗大量能量成本的情况下向气化器供应氧气的空气分离单元，从而提高了IGCC发电厂的整体效率。此外，如下详述，就更好的温度控制和/或反应物混合而言，太阳光电解系统产生的氧气/蒸汽流提供了良好的氧气源，用于引入不同类型的反应器(例如，气化器、燃烧器、燃烧发动机或其他氧燃烧反应器)中。此外，此氧气/蒸汽流可以与附近设施的其他部件(例如，气体处理单元、硫回收单元或类似部件)连通和/或集成，以进一步提高效率。此外，所产生的氢气/蒸汽流还可以输送到各个化学反应器，或者可以分离，以便可以存储氢气以供未来使用(例如，能量生产、炼油反应器、化学制造或类似应用)。鉴于上述内容，图1示出了系统10的实施例，其中光电解系统12向多个附近设施(例如，IGCC发电厂、炼油厂、化学制造厂或类似设施)的各个部分提供氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流。在图示的系统10中，光电解系统12可以通常接收并使用太阳辐射14以将水16转换成氧气/蒸汽流18以及氢气/蒸汽流20。具体来说，光电解系统12可以包括太阳能收集器22，所述太阳能收集器通常配置用于接收太阳辐射14并将其分成长波长(例如，大于约750nm的波长)组分以及短波长组分(例如，小于约750n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，所述系统包括：光电解系统，所述光电解系统包括：太阳能收集器，所述太阳能收集器配置用于收集并聚集太阳辐射以加热水、发电或执行这两者；以及电解单元，所述电解单元配置用于至少使用所产生的电力来电解受热的水，从而产生第一气体混合物和第二气体混合物，其中所述第一气体混合物包括氧气和蒸汽并且其中所述第二气体混合物包括氢气和蒸汽；第一装置，所述第一装置配置用于接收并使用所述第一气体混合物；以及氢膜，所述氢膜配置用于接收所述氢气和蒸汽混合物并将所述氢气和蒸汽混合物分离成氢气组分和蒸汽组分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.26 US 13/4305901.一种系统，所述系统包括：光电解系统，所述光电解系统包括：太阳能收集器，所述太阳能收集器配置用于收集并聚集太阳辐射以加热水至至少700℃并且发电；和电解单元，所述电解单元配置用于至少使用所产生的电力来电解受热的水，从而通过第一流路输出第一气体混合物和通过第二流路输出第二气体混合物，其中所述第一气体混合物包括氧气和蒸汽并且其中所述第二气体混合物包括氢气和蒸汽；以及联接到所述电解单元的整体气化联合循环发电系统(IGCC)，其包括：第一装置，所述第一装置配置用于接收并使用来自所述第一流路的所述第一气体混合物；以及第二装置，所述第二装置配置用于接收并使用来自所述第二流路的所述第二气体混合物。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一装置包括气化器或氧燃烧反应器。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一装置包括气体处理单元，所述气体处理单元配置用于将一种或多种物质从整体气化联合循环发电系统(IGCC)设施、炼油厂、化学制造设施或者其任意组合的气流中脱除。4.根据权利要求1所述的系统，所述第二装置包括：氢膜和第三装置，所述氢膜配置用于接收来自所述第二流路的所述第二气体混合物、并将所述第二气体混合物分离成氢气组分和蒸汽组分，所述第三装置配置用于接收并使用从所述第二气体混合物中分离出来的氢气组分。5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第三装置包括所述整体气化联合循环发电系统的燃烧器，并且其中所述氢气组分与所述燃烧器的合成气燃料混合以降低在燃烧过程中所述燃烧器中的NOx的产生。6.根据权利要求4所述的系统，其中所述第三装置包括炼油厂反应器或化学制造反应器。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述太阳能收集器配置用于将太阳辐射分离为长波长组分和短波长组分，其中所述太阳能收集器配置用于将所述太阳辐射的所述长波长组分导向到太阳能集中器，其中所述太阳能集中器配置用于使用所述太阳辐射的所述长波长组分来加热所述水；并且其中，所述太阳能收集器配置用于将所述太阳辐射的所述短波长组分导向到一个或多个光电池，并且所述一个或多个光电池配置用于使用所述太阳辐射的所述短波长组分来产生所述电力。8.根据权利要求1所述的系统，其包括替代电源，所述替代电源配置用于向所述电解单元提供额外的电力，从而产生所述第一气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：JP奥彭黑姆，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US