发电系统和方法
发电系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种发电系统，其包括：气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流；水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高于第一气流的第三气流；混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以及发电单元，其用于接收第四气流并发电。本发明也涉及相关的发电方法。
【专利说明】发电系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发电系统和方法。
【背景技术】
[0002] -些发电系统和方法使用含有一氧化碳和氢气的气体作为燃料。但是，有些含有 一氧化碳和氢气的气体本身不能满足发电用气的要求。例如，炼铁工艺的副产品，高炉气， 其含氢量相对较低，例如低于约4%，因此在用于发电方面有所局限。美国专利申请公开第 2005/0242781号公开了将高炉气与焦炉气和其他气体混合后用于发电。但是，焦炉气较贵 而且有时候不能获得。
[0003] 因此，需要开发新的使用含有一氧化碳和氢气的气体的发电系统和方法。
【发明内容】
[0004] 本发明涉及一种新的发电系统和方法。
[0005] -方面，本发明涉及的发电系统包括：气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和 氢气的第一气流和第二气流；水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高 于第一气流的第三气流；混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以 及发电单元，其用于接收第四气流并发电。
[0006] 另一方面，本发明涉及一种发电方法，其包括：从气体提供单元提供含有一氧化碳 和氢气的第一气流和第二气流；从接收水和第一气流的水煤气变换单元提供含氢量高于第 一气流的第三气流；从接收第二气流和第三气流的混合单元提供第四气流；在接收第四气 流的发电单元发电。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的特征、方面及优点将会变得更好理 解，在附图中：
[0008] 图1-3是根据本发明的不同实施例的发电系统的示意图。
【具体实施方式】
[0009] 除非本发明中清楚另行定义，用到的科学和技术术语的含义为本发明所属技术领 域的技术人员所通常理解的含义。本发明中使用的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表 示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来彼此区分。本发明中使用的"包括"、"包含"、或 "含有"以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以 内。
[0010] 说明书和权利要求中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数 量，还包括与该数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应 的，用"大约"、"约"等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些实施例中，近 似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。说明书和权利要求中的范围可以合并及/或互 换，除非另行清楚说明，范围包括其所涵盖的所有子范围。
[0011] 在说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，单复数不加以限制。除非上下文另 外清楚地说明，术语"或"并不意味着排他，而是指存在提及事项(例如成分）中的至少一个， 并且包括提及成分的组合可以存在的情况。
[0012] 本发明所提及的"可"和"可能"表示在一定环境下发生的可能性；具有指定的性 质，特征或者功能的可能性；和/或通过显示一个或者多个能力、性能而适合于另一种动 作，或者与该适合的动作相关的可能性。因此，用于"可"、和"可能"表示修饰的术语显然适 合、能够或者适于所表示的能力，功能，或者用途，同时考虑在一些情况下，所修饰的术语可 能有时不适合、不能或者不合适。例如，在一些情况下，事件或者能力可能是所期望的，而在 其它情况下，该事件或者能力不能发生。这些情形通过术语"可"和"可能"描述。
[0013] 本发明说明书中提及"一些实施例"等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素 (例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出 现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明特征可与各种实施例和构造以任何适合 的方式结合。
[0014] 在下文中，将参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式，但不会详细描述众所周知的功能 和结构以及不必要的细节。如后所述，本发明的实施例涉及使用部分通过水煤气变换反应 改变的含有一氧化碳和氢气的气体进行发电的系统和方法。所述系统和方法可以使用含氢 量较低的气体，例如高炉气，并且不需同时使用其他的昂贵原料，所以成本较低。所述系统 和方法在产生高炉气并使用电力的钢铁厂尤其适用，但也可在其他适宜的场所应用。
[0015] 请参照图1-3,在一些实施例中，本发明涉及的发电系统1，100, 200包括：气体提 供单元2,102, 202,其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流3,103, 203和第二气流4， 104, 204 ;水煤气变换单元5,105, 205,其用于接收水6,106, 206和第一气流3,103, 203、并 提供含氢量高于第一气流的第三气流7,107, 207 ;混合单元8,108, 208,其用于接收第二气 流4,104, 204和第三气流7,107, 207、并提供第四气流9,109, 209 ;以及发电单元10,110， 210,其用于接收第四气流9,109, 209并发电11，111，211。
[0016] 气体提供单元可以是任何提供含有一氧化碳和氢气的气体的单元。在一些实施例 中，气体提供单元102,202包含气/固分离装置112,212和送风装置113,213。气/固分离 装置112,212从气体中分离出固体杂质。送风装置113,213提升气体的温度和压力，例如， 从约20°C到约70°C和从约10千帕到约100千帕。
[0017] 水煤气变换单元含有水煤气变换反应器，第一气流和水在其中反应将一氧化碳转 化为二氧化碳并生成氢气，如后述水煤气变换反应式所示：CO + H2〇 # C02 - H2。
[0018] 一些实施例中，水煤气变换单元105, 205包括位于水煤气变换反应器114, 214和 气体提供单元102, 202之间的压缩机115, 215和热交换器116, 216。压缩机115, 215提升 第一气流103,203的压力，例如从约100千帕到3个大气压。热交换器116,216把第一气 流103, 203的温度调到适宜进入水煤气变换反应器114, 214的温度。
[0019] 一些实施例中，水煤气变换单元105, 205包含位于水煤气变换反应器114, 214和 混合单元108, 208之间的热交换器117, 217和气/液分离器118, 218用以提供温度为约 400摄氏度的第三气流107, 207。
[0020] 水煤气变换反应中可使用催化剂。水煤气变换催化剂可以为任何适于此用途的催 化剂。例如，水煤气变换催化剂可以含有以氧化物形式存在及/或用载体支撑的铝、镁、钥、 钴、娃、钠、铒、?丐、钾、钛、铜、锌及/或铬。
[0021] 如后述示例所示，水煤气变换单元中的压力小于约5个大气压，含氢量提高率出 乎意料的处于可接受的范围内。
[0022] -些实施例中，混合单元108, 208包括混合装置119, 219。一些实施例中，混合单 元108包含位于混合装置119和发电单元110之间的冷却器120和气/液分离器121。第 二气流104和第三气流107在混合装置119中混合后通过冷却器120和气/液分离器121 变成进入发电单元110的第四气流109。
[0023] -些实施例中，混合单元208包括位于混合装置219和气体提供单元202之间的 热交换器220和气/液分离器221。第二气流204经过热交换器220和气/液分离器221 后在混合装置219与第三气流207混合以提供进入发电单元210的第四气流209。
[0024] 第三气流的含氢量高于第一气流，第二气流和第三气流混合所得的第四气流的含 氢量因而高于第一和第二气流混合所得气流的含氢量。可以调节第一气流相对于第二气流 的比率从而使第四气流适用于发电单元，例如使其含氢量为约4%至约6%。一些实施例中， 第一气流相对于第二气流的比率为约〇. 05到约0. 5。
[0025] -些实施例中，发电单兀10, 110,210含有气体发动机(未标号)。
[0026] 实验示例
[0027] 下述示例为本【技术领域】内的技术人员实施本发明提供进一步的指导。示例并不限 定权利要求书中界定的本发明的范围。
[0028] 制备包含一氧化碳、二氧化碳、氢气和氮气的模拟高炉气。用泵传输去离子水至电 加热雾化器（20(TC)进行雾化，并与模拟高炉气混合后进入连续搅拌反应釜。调解进水速 度以获取进料气体混合物中蒸汽的适宜浓度。雾化器和连续搅拌反应釜之间的管线用电加 热器加热以防止蒸汽冷凝。实验装置还包含能够调节反应的总压力的背压调节器。
[0029] 用催化剂A和B (组成如下表1和2所列)进行水煤气变换反应。用在5个大气压 气体小时空间流速为lOOOtT1的氢气/氮气（50/50,体积比)混合物激活催化剂。约2000ppm 的硫化氢加入氢气/氮气混合物中将这两种抗硫催化剂在激活阶段进行预硫化。模拟高炉 气在进入连续搅拌反应釜前与硫化剂硫化氢混合以保持催化剂的活性。
[0030] 表1催化剂A的组成
【权利要求】
1. 一种发电系统，其包括： 气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流； 水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高于第一气流的第三气 流； 混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以及 发电单元，其用于接收第四气流并发电。
2. 如权利要求1所述的发电系统，其中气体提供单元包括气/固分离装置和送风装置。
3. 如权利要求1所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括水煤气变换反应器。
4. 如权利要求3所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括位于水煤气变换反应器和 气体提供单元之间的压缩机和热交换器。
5. 如权利要求3所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括位于水煤气变换反应器和 混合单元之间的热交换器和气/液分离器。
6. 如权利要求1所述的发电系统，其中混合单元包括混合装置。
7. 如权利要求6所述的发电系统，其中混合单元包括位于混合装置和发电单元之间的 冷却器和气/液分离器。
8. 如权利要求6所述的发电系统，其中混合单元包括位于混合装置和气体提供单元之 间的热交换器和气/液分离器。
9. 如权利要求1所述的发电系统，其中发电单元包括气体发动机。
10. 如权利要求1所述的发电系统，其中第一气流和第二气流为高炉气。
11. 如权利要求1至10中任意一项所述的发电系统，其中水煤气变换单元中的压力低 于约5个大气压。
12. -种发电方法，其包括： 从气体提供单元提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流； 从接收水和第一气流的水煤气变换单元提供含氢量高于第一气流的第三气流； 从接收第二气流和第三气流的混合单元提供第四气流； 在接收第四气流的发电单元发电。
13. 如权利要求12所述的发电方法，其中第一气流和第二气流的比率为约0. 05至约 0· 5〇
14. 如权利要求12所述的发电方法，其中第一气流和第二气流为高炉气。
15. 如权利要求12至14中任意一项所述的发电方法，其中水煤气变换单元内的压力低 于约5个大气压。
【文档编号】C01B3/16GK104291269SQ201310303270
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】胡立舜, 薛俊利, 哈里希.阿查亚, 王明敏, 王松 申请人:通用电气公司
【专利摘要】本发明涉及一种发电系统，其包括：气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流；水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高于第一气流的第三气流；混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以及发电单元，其用于接收第四气流并发电。本发明也涉及相关的发电方法。
【专利说明】发电系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发电系统和方法。
【背景技术】
[0002] -些发电系统和方法使用含有一氧化碳和氢气的气体作为燃料。但是，有些含有 一氧化碳和氢气的气体本身不能满足发电用气的要求。例如，炼铁工艺的副产品，高炉气， 其含氢量相对较低，例如低于约4%，因此在用于发电方面有所局限。美国专利申请公开第 2005/0242781号公开了将高炉气与焦炉气和其他气体混合后用于发电。但是，焦炉气较贵 而且有时候不能获得。
[0003] 因此，需要开发新的使用含有一氧化碳和氢气的气体的发电系统和方法。
【发明内容】
[0004] 本发明涉及一种新的发电系统和方法。
[0005] -方面，本发明涉及的发电系统包括：气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和 氢气的第一气流和第二气流；水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高 于第一气流的第三气流；混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以 及发电单元，其用于接收第四气流并发电。
[0006] 另一方面，本发明涉及一种发电方法，其包括：从气体提供单元提供含有一氧化碳 和氢气的第一气流和第二气流；从接收水和第一气流的水煤气变换单元提供含氢量高于第 一气流的第三气流；从接收第二气流和第三气流的混合单元提供第四气流；在接收第四气 流的发电单元发电。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的特征、方面及优点将会变得更好理 解，在附图中：
[0008] 图1-3是根据本发明的不同实施例的发电系统的示意图。
【具体实施方式】
[0009] 除非本发明中清楚另行定义，用到的科学和技术术语的含义为本发明所属技术领 域的技术人员所通常理解的含义。本发明中使用的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表 示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来彼此区分。本发明中使用的"包括"、"包含"、或 "含有"以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围以 内。
[0010] 说明书和权利要求中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数 量，还包括与该数量接近的、可接受的、不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应 的，用"大约"、"约"等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些实施例中，近 似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。说明书和权利要求中的范围可以合并及/或互 换，除非另行清楚说明，范围包括其所涵盖的所有子范围。
[0011] 在说明书和权利要求中，除非清楚地另外指出，单复数不加以限制。除非上下文另 外清楚地说明，术语"或"并不意味着排他，而是指存在提及事项(例如成分）中的至少一个， 并且包括提及成分的组合可以存在的情况。
[0012] 本发明所提及的"可"和"可能"表示在一定环境下发生的可能性；具有指定的性 质，特征或者功能的可能性；和/或通过显示一个或者多个能力、性能而适合于另一种动 作，或者与该适合的动作相关的可能性。因此，用于"可"、和"可能"表示修饰的术语显然适 合、能够或者适于所表示的能力，功能，或者用途，同时考虑在一些情况下，所修饰的术语可 能有时不适合、不能或者不合适。例如，在一些情况下，事件或者能力可能是所期望的，而在 其它情况下，该事件或者能力不能发生。这些情形通过术语"可"和"可能"描述。
[0013] 本发明说明书中提及"一些实施例"等等，表示所述与本发明相关的一种特定要素 (例如特征、结构和/或特点)被包含在本说明书所述的至少一个实施例中，可能或不可能出 现于其他实施例中。另外，需要理解的是，所述发明特征可与各种实施例和构造以任何适合 的方式结合。
[0014] 在下文中，将参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式，但不会详细描述众所周知的功能 和结构以及不必要的细节。如后所述，本发明的实施例涉及使用部分通过水煤气变换反应 改变的含有一氧化碳和氢气的气体进行发电的系统和方法。所述系统和方法可以使用含氢 量较低的气体，例如高炉气，并且不需同时使用其他的昂贵原料，所以成本较低。所述系统 和方法在产生高炉气并使用电力的钢铁厂尤其适用，但也可在其他适宜的场所应用。
[0015] 请参照图1-3,在一些实施例中，本发明涉及的发电系统1，100, 200包括：气体提 供单元2,102, 202,其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流3,103, 203和第二气流4， 104, 204 ;水煤气变换单元5,105, 205,其用于接收水6,106, 206和第一气流3,103, 203、并 提供含氢量高于第一气流的第三气流7,107, 207 ;混合单元8,108, 208,其用于接收第二气 流4,104, 204和第三气流7,107, 207、并提供第四气流9,109, 209 ;以及发电单元10,110， 210,其用于接收第四气流9,109, 209并发电11，111，211。
[0016] 气体提供单元可以是任何提供含有一氧化碳和氢气的气体的单元。在一些实施例 中，气体提供单元102,202包含气/固分离装置112,212和送风装置113,213。气/固分离 装置112,212从气体中分离出固体杂质。送风装置113,213提升气体的温度和压力，例如， 从约20°C到约70°C和从约10千帕到约100千帕。
[0017] 水煤气变换单元含有水煤气变换反应器，第一气流和水在其中反应将一氧化碳转 化为二氧化碳并生成氢气，如后述水煤气变换反应式所示：CO + H2〇 # C02 - H2。
[0018] 一些实施例中，水煤气变换单元105, 205包括位于水煤气变换反应器114, 214和 气体提供单元102, 202之间的压缩机115, 215和热交换器116, 216。压缩机115, 215提升 第一气流103,203的压力，例如从约100千帕到3个大气压。热交换器116,216把第一气 流103, 203的温度调到适宜进入水煤气变换反应器114, 214的温度。
[0019] 一些实施例中，水煤气变换单元105, 205包含位于水煤气变换反应器114, 214和 混合单元108, 208之间的热交换器117, 217和气/液分离器118, 218用以提供温度为约 400摄氏度的第三气流107, 207。
[0020] 水煤气变换反应中可使用催化剂。水煤气变换催化剂可以为任何适于此用途的催 化剂。例如，水煤气变换催化剂可以含有以氧化物形式存在及/或用载体支撑的铝、镁、钥、 钴、娃、钠、铒、?丐、钾、钛、铜、锌及/或铬。
[0021] 如后述示例所示，水煤气变换单元中的压力小于约5个大气压，含氢量提高率出 乎意料的处于可接受的范围内。
[0022] -些实施例中，混合单元108, 208包括混合装置119, 219。一些实施例中，混合单 元108包含位于混合装置119和发电单元110之间的冷却器120和气/液分离器121。第 二气流104和第三气流107在混合装置119中混合后通过冷却器120和气/液分离器121 变成进入发电单元110的第四气流109。
[0023] -些实施例中，混合单元208包括位于混合装置219和气体提供单元202之间的 热交换器220和气/液分离器221。第二气流204经过热交换器220和气/液分离器221 后在混合装置219与第三气流207混合以提供进入发电单元210的第四气流209。
[0024] 第三气流的含氢量高于第一气流，第二气流和第三气流混合所得的第四气流的含 氢量因而高于第一和第二气流混合所得气流的含氢量。可以调节第一气流相对于第二气流 的比率从而使第四气流适用于发电单元，例如使其含氢量为约4%至约6%。一些实施例中， 第一气流相对于第二气流的比率为约〇. 05到约0. 5。
[0025] -些实施例中，发电单兀10, 110,210含有气体发动机(未标号)。
[0026] 实验示例
[0027] 下述示例为本【技术领域】内的技术人员实施本发明提供进一步的指导。示例并不限 定权利要求书中界定的本发明的范围。
[0028] 制备包含一氧化碳、二氧化碳、氢气和氮气的模拟高炉气。用泵传输去离子水至电 加热雾化器（20(TC)进行雾化，并与模拟高炉气混合后进入连续搅拌反应釜。调解进水速 度以获取进料气体混合物中蒸汽的适宜浓度。雾化器和连续搅拌反应釜之间的管线用电加 热器加热以防止蒸汽冷凝。实验装置还包含能够调节反应的总压力的背压调节器。
[0029] 用催化剂A和B (组成如下表1和2所列)进行水煤气变换反应。用在5个大气压 气体小时空间流速为lOOOtT1的氢气/氮气（50/50,体积比)混合物激活催化剂。约2000ppm 的硫化氢加入氢气/氮气混合物中将这两种抗硫催化剂在激活阶段进行预硫化。模拟高炉 气在进入连续搅拌反应釜前与硫化剂硫化氢混合以保持催化剂的活性。
[0030] 表1催化剂A的组成
【权利要求】
1. 一种发电系统，其包括： 气体提供单元，其用于提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流； 水煤气变换单元，其用于接收水和第一气流、并提供含氢量高于第一气流的第三气 流； 混合单元，其用于接收第二气流和第三气流、并提供第四气流；以及 发电单元，其用于接收第四气流并发电。
2. 如权利要求1所述的发电系统，其中气体提供单元包括气/固分离装置和送风装置。
3. 如权利要求1所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括水煤气变换反应器。
4. 如权利要求3所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括位于水煤气变换反应器和 气体提供单元之间的压缩机和热交换器。
5. 如权利要求3所述的发电系统，其中水煤气变换单元包括位于水煤气变换反应器和 混合单元之间的热交换器和气/液分离器。
6. 如权利要求1所述的发电系统，其中混合单元包括混合装置。
7. 如权利要求6所述的发电系统，其中混合单元包括位于混合装置和发电单元之间的 冷却器和气/液分离器。
8. 如权利要求6所述的发电系统，其中混合单元包括位于混合装置和气体提供单元之 间的热交换器和气/液分离器。
9. 如权利要求1所述的发电系统，其中发电单元包括气体发动机。
10. 如权利要求1所述的发电系统，其中第一气流和第二气流为高炉气。
11. 如权利要求1至10中任意一项所述的发电系统，其中水煤气变换单元中的压力低 于约5个大气压。
12. -种发电方法，其包括： 从气体提供单元提供含有一氧化碳和氢气的第一气流和第二气流； 从接收水和第一气流的水煤气变换单元提供含氢量高于第一气流的第三气流； 从接收第二气流和第三气流的混合单元提供第四气流； 在接收第四气流的发电单元发电。
13. 如权利要求12所述的发电方法，其中第一气流和第二气流的比率为约0. 05至约 0· 5〇
14. 如权利要求12所述的发电方法，其中第一气流和第二气流为高炉气。
15. 如权利要求12至14中任意一项所述的发电方法，其中水煤气变换单元内的压力低 于约5个大气压。
【文档编号】C01B3/16GK104291269SQ201310303270
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】胡立舜, 薛俊利, 哈里希.阿查亚, 王明敏, 王松 申请人:通用电气公司
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