CN104204303B - 产生用于工厂设备的氧气和氢气的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

产生用于工厂设备的氧气和氢气的系统和方法
技术领域
本发明涉及工业厂房，例如动力发电厂。本发明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。
背景技术
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。
发明内容
以下概述了与本发明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发明的范围，相反，这些实施例仅用于提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明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，本发明提供一种系统，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，本发明提供一种方法，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，本发明提供一种系统，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，将更好地理解本发明的这些和其他特征、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，示出了根据本发明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，示出了根据本发明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是根据本发明多个方面的流程图，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是根据本发明多个方面的流程图，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
下文将描述本发明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发明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。
介绍本发明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，本发明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，本发明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750nm的波长)。例如，太阳能收集器22可以包括一个或多个太阳能集中器(例如，抛物面反射镜或其他适当的反射表面)，其将接收到的太阳辐射的长波长组分和短波长组分分别导向到太阳能集中器24和光伏太阳能电池28。此外，在特定实施例中，太阳能收集器22可以额外地使用一个或多个适当安置的镜子，所述镜子对于特定波长或波长范围具有选择反射能力(例如，选择性地反射较长或短波长)，以便适当地将接收到的辐射的不同组分导向到太阳能集中器24和光伏太阳能电池28。
因此，太阳能收集器22可以分离太阳辐射14的长波长(例如，IR)组分并且将此组分导向到太阳能集中器24，所述太阳能集中器通常可以聚集接收到的长波长辐射以过加热水流(例如，在约1000℃下)，从而形成电解蒸汽。也就是说，太阳能集中器24大体上可以包括热交换部件，所述热交换部件从供水系统接收水并且使用从太阳能收集器22接收的太阳辐射14的集中长波长组分来加热(例如，过加热)所述水。此外，应了解，例如，可以使用来自附近工厂或设施(例如，IGCC发电厂或炼油厂)的一些部分(例如，热回收单元或热交换器)的热量来加热输送到太阳能集中器24的水。例如，在特定实施例中，太阳能集中器24可以在供水系统提供的水达到电解单元26之前，将其加热到介于700℃到1000℃之间。请注意，在本说明书中，术语“水”和“蒸汽”通常可以互换使用，以表示可以处于液态或蒸汽形式的水或水流，具体取决于直接环境条件(例如，温度和压力)。
此外，太阳能收集器22可以将短波长辐射(例如，可见光和/或紫外线辐射)导向到一个或多个光电池(photovoltaic cells)28，光电池28可以将接收到的辐射转换成直流电流。可以将此直流电流提供到电力系统31，电力系统31可以向电解单元26供应直流电流，以便电解单元26的阴极和阳极可以分别产生氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20。电力系统31可以大体上包括用于在光电解系统12各处接收、产生和输送电力的多个部件。例如，除了从光电池28接收的直流电流之外，在特定实施例中，电力系统31可以包括一个或多个蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机可以接收蒸汽(例如，从太阳能集中器24或者从工厂的其他部分)，以便产生用于光电解系统12的电力。例如，在特定实施例中，附加地或替代地，电力系统31可以连接到燃料源(例如，下述氢气/蒸汽流的己分离氢气部分)，所述燃料源可以用于(例如，使用燃烧器/燃气涡轮机系统或燃烧发动机)产生电力。此外，在特定实施例中，电力系统31可以连接到电力网33(例如，工厂的电力网或者较大型区域电力网)，以便从电力网33接收电力或者向所述电力网提供电力。也就是说，在特定情况下，电力系统31可以产生超出消耗量的额外电力，因此可以将此电力提供给电力网33以驱动电力网33上的其他系统。在其他实施例中，电力系统31可以包括电池或类似的蓄电机构，所述蓄电机构可以用于储存电力系统31中的额外电力，直到其被电解单元26消耗。
此外，图示的系统10包括控制器25，所述控制器可以总体上控制光电解系统12的运行。也就是说，图示的控制器25包括处理器27，处理器27可以执行存储在存储器29中的一个或多个指令，以便控制光电解系统12的多个运行参数。例如，在特定实施例中，控制器25通常可以从与光电解系统12相关的一个或多个传感器接收有关光电解系统12的部件的状态的信息。作为具体实例，控制器25可以就光的长波长和短波长接收有关太阳能收集器22的当前太阳能摄入的信息。作为进一步实例，控制器25可以针对接收、产生和/或向电解单元26和/或电力网33供电的时间控制电力系统31的运行(例如，基于电力系统31的输出和电力网33上的当前电价)。
因此，控制器25可以基于用户的指令或者基于从光电解系统12的部件和/或传感器接收的信息来调整光电解系统12的一个或多个运行参数。例如，基于太阳能收集器22的当前太阳能摄入，控制器25可以调整从水源16流入太阳能集中器24中的水流速率。此外，在特定实施例中，控制器25可以直接控制(或者与其控制的另一个控制器交互)从光电解系统12接收氧气/蒸汽流18以及/或者氢气/蒸汽流20的设施的各个部分。例如，在特定实施例中，控制器25可以直接控制光电解系统12和气化器30，以便可以控制氧气/蒸汽流18的生产速率，从而与气化器30对氧气/蒸汽流18的消耗速率相匹配。
因此，图示的光电解系统12可以提供氧气/蒸汽流18以及氢气/蒸汽流20，所述氧气/蒸汽流以及氢气/蒸汽流随后被输送到一个或多个附近设施(例如，IGCC发电厂、炼油厂、化学制造产或类似设施)的各个部分中。例如，如下文参照图2详述，光电解系统12可以向IGCC发电厂的气化器30和/或气体处理单元32(例如，硫回收单元和/或碳捕获单元)提供氧气/蒸汽流。但是，应了解到，可以将氧气/蒸汽流18输送到任何反应器34(例如，氧燃烧反应室)，所述反应器可以消耗氧气/蒸汽流18，以提供一种或多种产物(例如，氧化物质和/或所产生的能量)。氧气/蒸汽流18以及/或者氢气蒸汽流20可以拥有介于1％与30％之间的蒸汽。例如，在特定实施例中，氧气/蒸汽流18以及/或者氢气蒸汽流20可以拥有介于约2％与20％之间、介于约3％与15％之间或者介于约5％与10％之间的蒸汽。
此外，应了解，光电解系统12通常可以提供使用水蒸气稀释的“按需供应式”氧气源，所述氧气源可以提供合规性以及相对于其他氧气制造系统的后勤优点，其中可以在现场产生或隔离氧气并且在使用之前以液体形式储存所述氧气。此外，就更好的温度控制和/或反应物混合而言，氧气/蒸汽混合物可以提供相对于氧燃烧过程的额外优点。也就是说，特定的传统氧燃烧反应室包括单独的入口，用于独立地向氧燃烧反应提供氧气和蒸汽，其中蒸汽可以使过量热能下沉，以使反应器的温度分布更加均匀。因此，此蒸汽通常也可以使反应器的性能更均匀(例如，在能量和/或产物输出方面)。因此，通过将氧气/蒸汽混合物输送到氧燃烧反应器，本发明的实施例提供了类似的温度控制，同时还改进了反应物混合，因为氧气和水在与燃料接触之前己预混合。
此外，氢气/蒸汽流20可以输送到氢膜36，所述氢膜通常能够将氢气/蒸汽流20中的氢气组分与蒸汽组分分离。尽管回收的蒸汽可以返回到水源16中并再循环，但是氢气/蒸汽流20的己分离氢气组分可以以多种方式用在多种设施(例如，IGCC工厂、炼油厂、化学制造厂或类似的设施)的各处。例如，如下文参见图4详述，有些情况下，光电解系统12的电力系统31可以使用其他电源(例如，蒸汽、燃料和/或电力网33提供的能量)来向电解单元26提供电力(例如，直流电流)，作为对光伏太阳能电池28提供的电力的附加或替代。此外，在特定实施例中，电力系统31可以包括一个或多个氢燃料电池、燃烧器/涡轮机、燃烧发动机，其可以接收氢气/蒸汽流20中的氢气组分的至少一部分，以便将其转换成用于电解单元26和/或设施的其他部分中的电力。例如，在特定情况下，当光伏太阳能电池28产生的电力不足时(例如，在太阳辐射较少期间或光电解系统12的启动期间)，可以使用包括消耗光电解系统12产生的氢气的至少一部分的氢燃料电池的电力系统31来向电解单元26提供额外的电力，作为对光伏太阳能电池28提供的电力的附加或替代。作为进一步实例，电力系统31可以包括燃烧发动机驱动的发电机(例如，燃气涡轮机驱动的发电机)，其消耗光电解系统12产生的氢气的至少一部分(以及可能地氧气/蒸汽流18的一部分)，以向电解单元26提供额外的电力(例如，在光电解系统12的启动期间)。
此外，在IGCC系统的环境中，如图2中详述，氢气/蒸汽流20的氢气组分可以提供到与燃料源40化合以及/或者提供到燃烧器42(例如，合成气混合物的一部分)。此外，在特定实施例中，氢气/蒸汽流20的氢气组分的至少一部分可以输送到储氢单元44中，以使所储存的氢气可以用在设施内，或者甚至输送到其他设施以供稍后使用。例如，在特定实施例中，储氢单元44可以包括用于储存氢气的一个或多个机构(例如，在气瓶内的压力下，可逆吸附或物理吸附到多孔表面或凝胶之上或内部，或者其他合适的机构)。此外，对于特定炼油厂和化学制造设施，氢气/蒸汽流20的氢气组分可以输送到一个或多个反应器46，所述反应器可以消耗氢气以产生一种或多种化学产物。例如，炼油厂可以将氢气/蒸汽流20的氢气组分输送到还原室中，以在制造特定烃类产物期间还原不饱和碳键。此外，在特定实施例中，氢气组分可以提供到氧反应器(例如，燃烧器、热氧化器或火炬)，以便在燃烧过程中还原从所存在的氮气形成的NOx量。
一般来说，IGCC系统可以在气化器内将燃料(例如，煤浆、天然气、沼气或其他合适的燃料)与氧气和蒸汽化合以产生合成气(即，氢气和一氧化碳的混合物)，所述合成气随后可以被燃烧器消耗以驱动涡轮机。对于传统IGCC气化器，可以通过空气分离单元提供氧气，所述空气分离单元通常使用冷冻剂来冷凝压缩空气。一旦压缩空气冷凝，空气分离单元即将氧气与氮气和其他大气气体分离。因此，传统IGCC系统使用的空气分离单元可能在冷却压缩空气以向气化器提供氧气时消耗大量能量，尤其是在每日的较温暖期间(即，日间)以及每年的较温暖期间(即，春天和夏天)。此外，传统IGCC气化器和其他氧燃烧反应器还可以包括单独的接口(例如，氧气和蒸汽入口)，用于将氧气和蒸汽引入到反应器中。也就是说，由于空气分离单元只能提供干燥氧气流，因此这些传统气化器可能配备单独的接口(例如，入口)，用于从IGCC发电厂的一些部分(例如，热回收蒸汽发生单元)接收蒸汽。
相反地，图2是示出了IGCC系统60的实施例的示意图，其中所述IGCC系统可以在运行期间使用光电解系统12提供的氧气/蒸汽流18以及/或者氢气/蒸汽流20。图示的IGCC系统60通常在气化器30内将来自原料40的燃料(例如，液体烃类燃料、生物燃料、煤浆或其他适当的燃料源)与氧气和蒸汽化合以产生原始合成气。气化器30产生的原始合成气随后输送到一个或多个气体处理单元(例如，酸性气体脱除单元61)，例如，所述气体处理单元可以将硫化氢气体与原始合成气分离。分离之外，清洁的合成气输送到燃烧器42(例如，火炬或热氧化器)以燃烧(例如，驱动涡轮机)。酸性气体脱除单元61可以进一步将分离的硫化氢气流输送到另一个气体处理单元(例如，硫回收单元62)，所述气体处理单元可以使用氧气流来大体回收从酸性气体脱除单元61接收的硫化氢气体中的硫。
因此，作为对使用空气分离单元的附加或替代，图示的IGCC系统60在气化器30、燃烧器42和硫回收单元62内使用光电解系统12提供的氧气/蒸汽混合物18。此外，对于图示的IGCC系统60，可以将同样由光电解系统12产生的氢气64(例如，氢气/蒸汽流20的氢气组分64)与原料40混合并且/或者输送到燃烧器42以提高IGCC系统60的效率。此外，在特定实施例中，可以在气化器30的启动或热维护期间将氢气组分64的至少一部分提供到气化器30。此外，在特定实施例中，如果燃烧过程中存在氮气(例如，来自原料40和/或至少部分由空气分离单元提供的氧气中的氮污染的氮气)，可以将氢气组分64的至少一部分提供到燃烧器42，以便还原燃烧器42(例如，火炬或热氧化器)中可能产生的NOx类。但是，应了解，对于仅通过光电解单元12将氧气提供到燃烧器42的实施例(所述光电解单元大体上提供无氮氧气源)而言，燃烧器42中存在的氮气量还可以大幅减少或完全去除，以便于阻止NOx的形成。
将光电解系统12用于IGCC系统60中有多个有点。也就是说，除了上述按需为多个氧燃烧过程生产氧气的后勤优点之外，并且除了氧气/蒸汽混合物向多个氧燃烧过程提供的反应物混合得到改进并且温度控制得到改进之外，使用光电解系统12还提供了多个额外的优点，例如反应器设计简单以及能量成本和效率。例如，图示的气化器30可以相对于传统气化器进行简化。也就是说，气化器30可以只包括单个接口(例如，单个喷射器或单个喷射接口)，用于提供混合的氧气/蒸汽流18(由光电解系统12供应)，以便将来自原料40的燃料转换成合成气以用于燃烧。此外，不同于空气分离单元，IGCC系统60的光电解系统12通常可以在日间(即，每日的较温暖期间)在较高效率下运行。也就是说，由于光电解系统12依赖于作为其主要能量输入的太阳能，因此光电解系统12可以在每日的最温暖期间内效率最高(例如，当空气分离单元的效率最低时)。因此，可以想象，在特定实施例中，光电解系统12可以用于在每日的最温暖期间内补充或替代分离分离单元供应的氧气，从而降低运行成本。
图3是示出了过程70的实施例的流程图，其中可以在充足日照期间使用光电解系统12生产并向附近设施(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18以及/或者氢气/蒸汽流20。图示的过程70始于光电解系统12的太阳能收集器22收集太阳辐射并且将其分成(块72)长波长辐射组分和短波长辐射组分。例如，在一个实施例中，太阳能收集器22可以利用一个或多个具有选择反射能力的计量表来将波长在IR区域内的光(例如，大于约750nm的波长)导向到太阳能集中器24，以便太阳能集中器24可以过加热(块74)水流。例如，在特定实施例中，太阳能收集器22可以将波长大于约800nm、850nm或900nm的光导向到太阳能集中器24以加热水流。在特定实施例中，太阳能集中器24可以将水流过加热到介于约700℃与1000℃之间的温度。应认识到，尽管本说明书中使用术语“过加热”来描述太阳能集中器24加热水流的方式，但是在特定情况下，太阳能集中器24可以将水加热到远小于700℃，例如大于约100℃的任意温度。
在图示的过程70中，由于太阳能集中器24使用长波长辐射来过加热水流，因此光电解系统12可以将短波长辐射(例如，小于约750nm的波长)导向到一个或多个光伏太阳能电池28以发电(块76)。例如，在特定实施例中，太阳能收集器22可以将波长小于约700nm、650nm或600nm的光导向到一个或多个光伏太阳能电池28以发电。随后，电解单元26可以使用(块78)所产生的电力来电解过热的水流并且产生氢气/蒸汽流20以及氧气/蒸汽流18。应了解，尽管处于较低效率下(即，电解单元26消耗的电力大于其在约700℃以上的温度下消耗的电力)，电解单元26将继续运转以生产氧气/蒸汽流18以及氢气/蒸汽流20，即使太阳能集中器24无法将水加热到约700℃(例如，由于暂时云层覆盖)。
在图示的过程70中，一旦电解单元26己生产出氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20，流18和20可以输送到一个或多个设施的多个部分以供使用。在图示的过程70中，将所产生的氧气/蒸汽流18供应(块80)到反应器(例如，气化器30、燃烧器42或类似的氧燃烧反应器)中。此外，可以使用氢膜36分离(块82)氢气/蒸汽流20的氢气组分和蒸汽组分。在其他实施例中，作为对氢膜36的附加或替代，可以使用气体吸附分离系统、气体吸附分离系统或气体干燥系统来分离氢气/蒸汽流20的氢气组分和蒸汽组分。分离后，可以从氢气/蒸汽流20的蒸汽组分再循环(块84)水。此外，可以将氢气/蒸汽流20的氢气组分供应(块86)到储氢单元或反应器(例如，燃烧器42、还原室、氢燃料电池系统)中，以产生能量和/或一种或多种化学产物。
相反，图4是示出了过程90的实施例的流程图，其中可以在不充足日照期间(例如，傍晚或夜间)使用光电解系统12生产并向附近设施(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18以及/或者氢气/蒸汽流20。图示的过程90始于太阳能集中器24使用(块92)残余的太阳热来加热来自水源16的水流。也就是说，即使在太阳能收集器22不再接收太阳辐射之后，太阳能集中器24可以维持足够温暖，以将来自水源16的水流加热到一定程度。如上所述，电解单元26可以继续运转以生产氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20，即使是在到达电解单元26的水温远低于700℃时(例如，高于约100℃的温度下)。例如，太阳能集中器24可以仅储存充分的残余热以向电解单元26提供介于约400℃到600℃之间的水流。在这些情况下，电解单元26用于电解水以生产氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20所消耗的电力通常可能大于当将水加热到700℃之上时消耗的电力。
一旦使用太阳能集中器24中的残余热加热水后，光电解系统12可以从存储的氢气来产生(块94)电力或使用电力网提供的电力，从而电解受热的水。例如，光电解系统12可以在日间使用作为能量输入的太阳辐射排他地运行一段时间，此外，可以蓄积并储存所生产的氢气/蒸汽流20的氢气组分的至少一部分。之后，在不充足日照期间，电力系统31并不排他地依赖光伏太阳能电池28来向电解单元26提供直流电流，而是可以部分地或全部地使用替代能源(例如，来自太阳能集中器24的蒸汽能、来自氢气蒸汽流20的氢气组分的化学能以及/或者来自电力网33的电力)驱动电解单元26。在特定实施例中，例如，电力系统31可以使用燃烧发动机驱动的发电机(例如，燃气涡轮机驱动的发电机)或氢燃料电池来消耗氢气储存器44中储存的氢气，以产生用于驱动电解单元26的直流电流。此外，在特定实施例中，例如，如果提供给电力系统31的氢气不足以向电解单元26供应直流电流，电力系统31可以配置用于连接到电力网33并且使用该电力网提供的电力，从而驱动电解单元26。
已使用太阳能集中器24中的残余热加热水流并且已产生和/或接收电力之后，电解单元26可以使用(块96)所产生和/或接收的电力来电解受热水流，从而产生氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20。接下来，在图示的过程90中，氧气/蒸汽流18和氢气/蒸汽流20可以输送到一个或多个设施的各个部分以供使用。与图3所示的过程70类似，在图4所示的过程90中，将所产生的氧气/蒸汽流18供应(块80)到反应器(例如，气化器30、燃烧器42或类似的氧燃烧反应器)中。此外，可以分离(块82)氢气/蒸汽流20的氢气组分和蒸汽组分(例如，使用氢膜36)，并且可以从氢气/蒸汽流20的蒸汽组分再循环(块84)水。此外，可以将氢气/蒸汽流20的氢气组分供应(块86)到储氢单元或反应器(例如，燃烧器42、还原室、氢燃料电池系统)以产生能量和/或一种或多种化学产物。
本发明实施例的技术效果包括提高生产氧气以操作氧燃烧反应器的设施(例如，IGCC发电厂、炼油厂、化学制造厂或类似设施)的效率并降低其运营成本，。通过使用太阳辐射作为主要动力源来生产氧气/蒸汽流，本发明实施例可以减少(或者完全消除)对空气分离单元的使用，其中空气分离单元在传统上用于在消耗大量能量成本的情况下向这些氧燃烧反应器供应氧气。此外，就更好的温度控制和/或反应物混合而言，本说明书中公开的光电解系统所生产的氧气/蒸汽流提供了用于引入不同类型反应器(例如，气化器、燃烧器或其他氧燃烧反应器)中的良好氧气源，并且支持使用简化的反应器设计(例如，用于引入氧气和蒸汽的单个喷射口)。此外，此氧气/蒸汽流可以用在附近设施的其他部件(例如，硫回收单元或类似部件)内，以进一步提高效率。此外，所生产的氢气/蒸汽流可以分离并且氢气可用于发电、储存以供后续使用、用在燃烧器中进行NOx控制以及/或者输送到多个化学反应器中(例如，炼油反应器、化学制造反应器或类似反应器)。此外，由于所公开的光电解系统依赖于作为其主要能量输入的太阳能，因此光电解系统通常可以在每日和每年的最温暖(即，阳光充足)期间(例如，空气分离单元的效率最低时)内以峰值效率运行。
本说明书使用了各种实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包含所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种系统，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混合物和第二气体混合物。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述替代电源配置用于接收所述第二气体混合物的至少一部分、所述受热的水的一部分或者其组合，以产生用于所述电解单元的所述额外的电力。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一气体混合物或第二气体混合物包括介于5％与30％之间的蒸汽。
11.一种方法，所述方法包括：
通过太阳能收集器收集太阳辐射；
将所述太阳辐射分离成长波长组分和短波长组分；
使用所述长波长组分加热水以提供受热的水；
使用所述短波长组分产生电流；
向所述受热的水至少施加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；
将所述氧气和蒸汽混合物输送到整体气化联合循环发电系统(IGCC)的燃烧器；以及
将氢气从所述氢气和蒸汽混合物中分离出来并被引导到所述整体气化联合循环发电系统(IGCC)的所述燃烧器。
12.根据权利要求11所述的方法，其包括分离所述氢气和蒸汽流的氢气组分并且将分离出来的氢气输送到氢气储存器、燃料电池、燃烧反应器、燃烧发动机或者其任意组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其包括使用所述燃料电池、所述燃烧反应器、燃烧发动机或者其任意组合来向受热的水流施加额外的电流。
14.根据权利要求11所述的方法，其中加热所述水包括在至少700℃的温度下提供所述受热的水；并且，所述方法还包括将所述受热的水的一部分引导到蒸汽涡轮机以产生额外的电流来施加到所述受热的水，从而生成所述氧气和蒸汽混合物以及所述氢气和蒸汽混合物。
15.一种系统，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通过第一流路提供氧气和蒸汽流以及通过第二流路提供氢气和蒸汽流；
整体气化联合循环发电系统(IGCC)，其包括：
气化器、气体处理单元和燃烧器，其中所述气化器、气体处理单元和所述燃烧器配置用于接收和消耗所述氧气和蒸汽流；并且
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和所述整体气化联合循环发电系统(IGCC)的运行，以使得所述氧气和蒸汽流的生产率与所述气化器、所述气体处理单元和所述整体气化联合循环发电系统(IGCC)的所述燃烧器的消耗率相匹配。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述气化器还可配置用于接收和消耗所述氢气和蒸汽流的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述燃烧器还可配置用于接收和消耗所述氢气和蒸汽流的至少一部分。
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