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CN117098911A - 用于发电的按需氢气 - Google Patents

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CN117098911A
CN117098911A CN202280026176.7A CN202280026176A CN117098911A CN 117098911 A CN117098911 A CN 117098911A CN 202280026176 A CN202280026176 A CN 202280026176A CN 117098911 A CN117098911 A CN 117098911A
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CN
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temperature
shaft
response
reactor
steam
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Application number
CN202280026176.7A
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希勒斯·布尔克
乔斯林·布朗谢
杰弗里·迈尔斯·贝格托尔森
基娜·特罗韦尔
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

一种发电系统，其包括能够操作成响应于接收到反应物混合物流而产生氢气流和蒸汽流的反应器。燃烧器能够操作成响应于接收到氢气流以及蒸汽流的第一部分而产生燃烧气体流，涡轮机能够操作成响应于接收到燃烧气体流而引起第一轴的旋转，并且蒸汽涡轮机能够操作成响应于接收到蒸汽流的第二部分而引起第二轴的旋转。

Description

用于发电的按需氢气
背景技术
在许多应用中，氢气具有取代化石燃料的潜力。然而，今天生产的大多数氢气来自甲烷重整，这一过程依赖于化石燃料并且释放温室气体。氢气也可以利用电解产生，电解是利用电流将水分子分解成其组成部分氢和氧的技术。这一过程不会产生温室气体排放，但是其成本可能令人望而却步，因为该过程需要大量的电力。氢气由于其大的比容、其显著的泄漏率和其固有的安全风险而无论其生产方法如何都不容易储存和运输。因此，期望不产生温室气体且不需要储存或运输的有效且可扩展的氢源，以使得使用氢气作为燃料的大规模发电设备在经济上和环境上可行。
发明内容
在一个方面中，发电系统包括能够操作成响应于接收到反应物混合物流而产生氢气流和蒸汽流的反应器。燃烧器能够操作成响应于接收到氢气流以及蒸汽流的第一部分而产生燃烧气体流，涡轮机能够操作成响应于接收到燃烧气体流而引起第一轴的旋转，以及蒸汽涡轮机能够操作成响应于接收到蒸汽流的第二部分而引起第二轴的旋转。
发电系统还可以包括作为反应物混合物流的铝和水的混合物。
发电系统还可以包括联接至第一轴和第二轴以响应于第一轴和第二轴的旋转而产生电力的发电机。
发电系统还可以包括联接至第一轴并且能够操作成响应于第一轴的旋转产生第一电力的第一发电机，以及联接至第二轴并且能够操作成响应于第二轴的旋转而产生第二电力的第二发电机。
发电系统还可以包括能够操作成将液态水流输送至反应器以冷却反应器的反应器冷却系统。
发电系统还可以包括联接至第一轴和第二轴以响应于第一轴和第二轴的旋转而产生电力的发电机。
在一个方面中，发电系统包括能够操作成响应于接收到反应物混合物流而产生氢气流的反应器。反应器冷却系统流体地联接至反应器并且能够操作成响应于对反应器进行冷却而产生蒸汽流。燃气涡轮机包括能够操作成产生压缩空气流的压缩机、能够操作成燃烧氢气流和压缩空气流以产生燃烧气体流的燃烧器、以及能够操作成响应于接收到燃烧气体流而引起第一轴的旋转的涡轮机。第一发电机联接至第一轴并且能够操作成响应于第一轴的旋转而产生第一电力。蒸汽涡轮机能够操作成响应于接收到蒸汽流而引起第二轴的旋转，并且第二发电机联接至第二轴并且能够操作成响应于第二轴的旋转而产生第二电力。
发电系统可以包括反应物混合物流，该反应物混合物包括铝和水的混合物。
发电系统还可以包括联接至第一轴并且能够操作成响应于第一轴的旋转而产生第一电力的第一发电机，以及联接至第二轴并且能够操作成响应于第二轴的旋转而产生第二电力的第二发电机。
发电系统还可以包括能够操作成将液态水流输送至反应器以冷却反应器的反应器冷却系统。
在另一方面中，一种产生电力的方法包括：将反应物混合物流输送至反应器，该反应物混合物流包括金属和水；操作该反应器以产生氢气流和一定量的热；以及使用冷却系统冷却该反应器。冷却过程包括产生蒸汽流。该方法还包括在燃烧器内燃烧氢气以产生燃烧气体流、使燃烧气体流通过涡轮机以使第一轴旋转、以及引导蒸汽流通过蒸汽涡轮机以使第二轴旋转。
该方法还可以包括包含铝的反应物混合物流。
该方法还可以包括将发电机联接至第一轴和第二轴，以响应于第一轴和第二轴的旋转而产生电力。
该方法还可以包括将第一发电机联接至第一轴且将第二发电机联接至第二轴，以响应于第一轴和第二轴的旋转而产生电力。
该方法还可以包括通过加热燃料流而在反应器内产生第二蒸汽流，并且将第二蒸汽流从反应器引导至蒸汽涡轮机。
该方法还可以包括将燃烧气体流从涡轮机排出，并且将燃烧气体流引导至热交换器以加热用于添加至蒸汽涡轮机的水流。
发电系统还可以包括响应于对反应器进行冷却而将液态水流转换成第二蒸汽流。
发电系统还可以包括将第二蒸汽流引导至蒸汽涡轮机。
根据以下附图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员来说可以非常明显。
前文已经广泛地概述了本公开的一些技术特征，使得本领域技术人员可以更好地理解以下的详细描述。下文将描述形成权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员将理解的是，他们可以容易地使用所公开的概念和具体实施方式作为用于修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域的技术人员还将认识到的是，这种等效的构造不脱离本公开的最广泛形式的精神和范围。
此外，在进行下面的详细描述之前，应当理解的是，在整个专利文件中提供了针对某些词和短语的各种定义，并且本领域的普通技术人员将理解的是，这样的定义在许多情况下——如果不是大多数情况下——适用于这样定义的词和短语的先前以及将来的使用。尽管某些术语可以包括各种各样的实施方式，但是所附权利要求可以明确地将这些术语限制于特定的实施方式。
附图说明
为了容易识别对任何特定元件或动作的讨论，附图标记中的一个或多个最高位数字是指该元件首次被引入时所在的图号。
图1是呈反应器的形式的能量转换装置的立体图。
图2是图1的反应器的夹套的一部分的立体图。
图3是图1的反应器的截面图。
图4是使用图1的反应器的副产物的能量转换系统的示意图。
图5是与图1的反应器类似的反应器的示意图。
图6是包括图5的反应器的发电设备的示意图。
图7是包括替代性布置结构的图6的发电设备的一部分的示意图。
图8是操作图6的发电设备的方法的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用中不限于在本说明书中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以各种方式实践或执行。此外，应当理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应当被视为限制性的。
现在将参照附图对与系统和方法有关的各种技术进行描述，其中，相似的附图标记始终表示相似的元件。本专利文件中的以下所讨论的附图以及用于描述本公开的原理的各种实施方式仅作为说明，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可以以任何适当布置的设备实现。应当理解的是，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件执行。类似地，例如，元件可以构造成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参照示例性非限制性实施方式来描述本申请的许多创新性教示。
此外，应当理解的是，除非在一些示例中明确限制，否则本文所使用的词或短语应当被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其派生词意味着包括而非限制。除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一种”和“该”也意在包括复数形式。此外，本文所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联的所列项目中的一个或更多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。除非上下文另有明确指示，否则术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”和“与此相关联”以及其派生词可以意味着包括、被包括在……内、与……相互连接、包含、被包含在……内、连接至或与……连接、联接至或与……联接、能够与……通信、与……配合、交错、并置、接近、结合至或与……结合、具有、具有……的特性等。此外，尽管本文可能描述了多个实施方式或构造，但是关于一个实施方式所描述的任何特征、方法、步骤、部件等在没有相反的特别说明的情况下同样适用于其他实施方式。
尽管在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应受这些术语限制。而是，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件、第一信息、第一功能或第一动作可以被称为第二元件、第二信息、第二功能或第二动作，并且类似地，第二元件、第二信息、第二功能或第二动作可以被称为第一元件、第一信息、第一功能或第一动作。
另外，除非上下文另有明确指示，否则术语“与……相邻”可以意味着元件相对接近另一元件但不与该另一元件接触、或者元件与其他部分接触。此外，除非另有明确说明，否则短语“基于”旨在意指“至少部分基于”。术语“约”或“大致”或类似术语意在涵盖在用于该尺寸的正常工业制造公差范围内的值的变化。如果没有可用的工业标准，除非另有说明，否则百分之二十的变化将落入这些术语的含义之内。
本文所描述的装置和系统旨在减少涡轮机产生的CO2(二氧化碳)和NOx，并且提高整体效率。所述系统和装置利用金属燃烧按需产生氢气。所述系统和装置使用氢气作为燃料提供分布式能量生产，但是没有与氢气储存或运输相关的困难和安全问题。
图1图示了反应器100，反应器100包括反应器容器102、顶部覆盖件104和底部覆盖件106。若干螺栓108用于将顶部覆盖件104和底部覆盖件106中的每一者附接至反应器容器102。其他构造可以采用其他紧固件或其他手段将顶部覆盖件104或底部覆盖件106附接至反应器容器102。一层或更多层绝热层110可以包裹在反应器容器102周围。
如将更详细讨论的，反应器100包括冷却剂出口112、气体出口114和喷嘴116，它们各自延伸穿过顶部覆盖件104。当然，其他构造可以将气体出口114和喷嘴116定位在其他位置，使得它们不穿过顶部覆盖件104，而是穿过反应器容器102的上部部分。
图3是图1的反应器100的截面图，该图更好地图示了内部部件。反应器100包括设置在反应器容器102内的夹套202。夹套202可以包括一个或更多个翅片204(在图2中最佳图示的)，翅片204沿着夹套202的长轴线延伸，并且用于提高夹套202的热传递效率。翅片204被图示为具有矩形横截面。然而，翅片204可以采用任何形状或布置结构来增强热传递。
夹套202与反应器容器102配合以在夹套202与反应器容器102之间限定冷却空间302。在一些构造中，翅片204定尺寸成使得翅片204不接触反应器容器102。在这种布置结构中，形成了单个连续的冷却空间302。在其他构造中，翅片204中的一些或所有翅片可以接触反应器容器102的内表面，使得冷却空间302包括沿着夹套202的长度延伸的多个分离的通道。
回到图3，夹套202包括限定室304的长形壁并且具有接纳喷嘴116并为气体出口114提供入口的第一端部。与第一端部相反的第二端部提供了通向反应产物出口306的入口，反应产物在此从由夹套202限定的室304中排出。在优选布置结构中，夹套202和其中容纳夹套202的反应器容器102包括长形的筒形部分，长形的筒形部分以第一端部处于第二端部上方的方式竖向布置。然而，其他布置和取向也是可能的。
为了增强操作，夹套202可以包括收缩部308或内表面的狭窄区域。夹套202的外表面可以保持筒形，使得收缩部308附近的壁厚更大，或者可以在采用或不采用更长的翅片的情况下保持壁厚。
在所图示的构造中，收缩部308包括会聚部分310、喉状部312和会聚部分314，使得收缩部308的形状类似于会聚-会聚文丘里管，但是其他形状或布置结构也是可能的。收缩部308的形状提供了穿过其中的流的局部加速，从而以流体动力学方式分离流中的成分。收缩部308定位在夹套202长度的60％与80％之间、并且更优选的布置结构是在65％与75％之间。因此，收缩部308将室304分成处于收缩部308上方的上部空间316和处于收缩部308下方的下部空间318。
在一些构造中，在收缩部308下方设置下部气体出口320。如图3中所示，下部气体出口320定位在下部空间318的最上部部分。然而，其他构造可以将下部气体出口320定位在下部空间318内的较低点处，或者可以将下部气体出口320在收缩部308中定位在收缩部308的喉状部312下方。
图3中所图示的构造还包括定位在收缩部308中的一个或更多个骤冷喷嘴322。在图示的构造中，骤冷喷嘴322布置成使得它们与收缩部308的扩张部分314的内表面正交。当然，其他取向也是可能的。另外，虽然图3图示了两个骤冷喷嘴322，并且图1图示了三个骤冷喷嘴且第四个骤冷喷嘴被隐藏，但是具有任何数目的骤冷喷嘴322的布置结构是可能的。
反应产物出口306定位在下部空间318下面，并且包括漏斗状开口，该开口被布置成收集反应产物并且将反应产物从室304中排出。
如将更详细讨论的，反应器100意在执行放热反应，使得将使用某种形式的冷却来将室304内的反应产物保持在期望的温度范围内。如图3中所示，冷却系统324向冷却剂入口326提供冷却剂(例如，水)的流。冷却剂进入反应器容器102并且被收集在冷却剂入口环328中。来自冷却剂入口环328的冷却剂围绕夹套202分布，使得冷却剂围绕夹套202和翅片204均匀分布。冷却剂向上流动通过冷却空间302并且被收集在夹套202上方的冷却剂出口环330处。流体经由冷却剂出口112从冷却剂出口环330中排出。应当注意的是，虽然冷却剂入口326和冷却剂出口112被图示为分别穿过底部覆盖件106和顶部覆盖件104，但是其他构造可以将冷却剂入口326和冷却剂出口112定位在其他位置中、比如靠近反应器容器102的端部。
如将关于图4更详细讨论的，冷却系统324可以包括具有泵和热交换器的简单的系统，或者可以是使用排出的热来产生电力的更复杂的系统。
在操作中，反应器100经由喷嘴116接收反应物混合物的连续流。本文所使用的术语燃料包括水和铝(Al)、硼(B)、镁(Mg)、硅(Si)、钛(Ti)、锰(Mn)、锌(Zn)及其合金或化合物中的至少一者的混合物。混合物中的水实际上起氧化剂的作用，而金属或合金是燃料。如本文中关于燃料所使用的，术语“合金”应被理解为包括传统的合金以及包含适合用作燃料的元素中的一种元素的氧化物或其他化合物。
反应器100旨在作为连续流反应器100操作。因此，燃料被连续地添加至反应器100，同时反应产物和气体(例如氢气)分别经由反应产物出口306和气体出口114从反应器100中连续地移除。
另外，反应器100旨在是超临界的。为此，燃料在大于221bar、比如处于221bar与350bar之间的压力下输送。然而，其他反应器可以以亚临界模式操作，在亚临界模式中，温度范围为200摄氏度至800摄氏度，并且压力范围比如为155bar或更高的压力。另外，室304内的温度保持在374摄氏度与800摄氏度之间、并且更优选的范围在374摄氏度与475摄氏度之间。要被认为是超临界反应，温度必须保持在374摄氏度以上，并且压力必须保持在221bar以上。
以下讨论将具体针对使用铝作为燃料的一部分的过程。然而，很明显，也可以采用其他燃料。在反应器100内，当使用含铝的燃料时，根据室304内的温度，预期会发生两种反应中的一种反应。具体地，当在374摄氏度与475摄氏度之间操作时，反应2Al+4H2O→2AlO(OH)+3H2+846kJ预计占主导地位。当室304内的温度在475摄氏度与600摄氏度之间时，反应2Al+3H2O→Al2O3+3H2+817kJ预计占主导地位。
第一个反应描述了铝和水转化为羟基氧化铝(AlOOH)和氢气。羟基氧化铝也可以被称为勃姆石。如上所述，在475摄氏度以下，羟基氧化铝是最稳定的产物。然而，在475℃以上，氧化铝(Al2O3)是最稳定的产物。如上所讨论的，这两个反应都是高度放热的。冷却系统324操作以提取该能量中的至少一部分能量来控制室304内的化学反应的温度。
通过在超临界温度和压力范围内操作反应器100，反应器100提供了金属-水反应的全部产量(即，90％与100％之间的转化率)，而不需要催化剂或任何添加剂。另外，该方法不需要通过化学试剂或机械操作破坏金属的钝化层。此外，反应器100可以使用粗生产的金属粉末、碎屑或废碎片以及尺寸范围从微米到厘米级的金属颗粒。
反应器100，并且具体地，夹套202的上部空间316限定了超临界反应区，在该反应区发生上述超临界铝-水反应。该区的压力保持在221bar与350bar之间，并且温度保持在374℃与800℃之间。这些压力和温度的组合可以被描述为超临界。这些超临界条件用于提供高反应速率和铝与水的完全反应。
设置在收缩部308下面的下部空间318限定了高压骤冷区，在该高压骤冷区中，压力保持在221bar以上，但是温度降低至374℃以下(亚临界)。经由骤冷喷嘴322的注水可以降低下部空间318中的温度。另外，冷却系统324可以操作或布置成在该区域(例如，底部附近的冷却剂入口326)中提供额外的冷却。温度和压力条件被选择成在下部空间318中提供液相水。
燃料作为铝颗粒和液态水的浆料经由喷嘴116注入，该浆料被压缩至略高于上部空间316内压力的压力。燃料(例如铝和水)的浆料进给可以使用来自反应器100、反应器输出或冷却系统324的热预热。这种热交换可以是直接的，或者可以包括流体的中间热交换回路。
反应产物(例如H2、AlOOH和Al2O3)和过量的水通过气体出口114(H2)、下部气体出口320(H2)和反应产物出口306(反应产物、任何固体和水)离开反应器100。气体出口114和下部气体出口320的位置被选定成使得浮力或重力分离限制较重的固体氧化物(AlOOH和Al2O3)和液态水(H2O)进入。
通过夹套202和翅片204将反应产生的热从室304中移除。在其他布置结构中，夹套202包括包裹在夹套202周围的一个或更多个管。除了便于冷却之外，夹套202由耐腐蚀材料形成，以保护反应器容器102免受腐蚀。
如所讨论的，冷却系统324通常包括作为冷却剂的水。然而，也可以采用其他冷却剂比如CO2、熔融盐或有机流体。当使用水时，优选的是水作为液体进入反应器100并且作为饱和蒸汽或过热蒸汽离开。冷却剂从反应器100的底部流动至反应器100的顶部的方向有助于控制热传递温度，因为冷却流体在通过低温下部空间318时处于最低温度，而在通过高温上部空间316时达到其最高温度。
如所讨论的，骤冷喷嘴322设置成用于冷却室304的内容物。骤冷喷嘴322优选地注入液态水以降低下部空间318中的温度。这冷却了氧化物颗粒(AlOOH和Al2O3)，以在氧化物颗粒离开反应器100时改善处理。这种注水也确保了任何不期望的化学反应通过温度降低而被抑制。可选地，这种注水可以用于产生AlOOH/Al2O3-水浆料，其减少了由离开反应器100的氧化物颗粒引起的侵蚀。
反应的固体产物(即氧化物颗粒，AlOOH，Al2O3)通过重力收集在下部空间318的底部，并且作为AlOOH或Al2O3颗粒或者作为水-AlOOH/Al2O3浆料经由反应产物出口306离开系统。反应产物出口306的几何形状可以基于与辅助系统的下游接口而变化，辅助系统可以包括锁式料斗和用于降低反应产物压力的阀。在一些构造中，可以在下部空间318中安装附加的液体-水出口。多余的液态水可以被从浆料中筛出/过滤掉，并且通过该端口单独排出。
在稳态操作期间，反应器100允许自持连续流动操作。一旦反应物混合物(即水和金属)的稳定流被喷入上部空间316，稳定流就被周围的反应热加热并开始反应。冷却空间302内的冷却流将放热反应保持在恒定温度下。
将上部空间316的尺寸选定成允许足够的停留时间(例如，在30秒与70分钟之间)来完成化学转化。混合物向下流动通过上部空间316，直至混合物经过收缩部308并且骤冷水经由骤冷喷嘴322注入。骤冷水降低了反应物和反应产物的温度，而没有显著降低压力。随着下部空间318中的温度下降，一些水可能冷凝成液态，并且与AlOOH和/或Al2O3颗粒一起收集在下部空间318的底部处，在该底部处，它们可以作为液体或浆料经由反应产物出口306排出。浮力更大的较轻气体(例如，H2和蒸汽)保持在液态水和氧化物颗粒上方，并且可以通过下部气体出口320连续逸出。也比超临界水和燃料混合物轻的这些气态产物也可以积聚在上部空间316上方，在此，它们可以通过气体出口114逸出。为了提高浮力(重力分离)和减少湍流，反应器100内的长停留时间和低流速是优选的。
在反应器100启动期间，不存在反应所需的热。因此，在启动期间，反应器100最初以分批模式操作。反应器100部分填充有燃料(例如，铝和水的混合物)，并且喷嘴116、气体出口114、下部气体出口320、骤冷喷嘴322和反应产物出口306都关闭。一旦反应开始，反应器100内的温度和压力就朝向临界点增加，气体出口114和下部气体出口320打开，使得蒸汽/氢气逸出。在此阶段，可以注入附加的水来维持反应。
一旦在上部空间316内达到水的临界点，分批模式就继续操作，直至氢气生产的速率开始降低。此时，通过喷嘴116将附加的燃料(例如，铝-水浆料)注入到上部空间316中，并且通过反应产物出口306将反应产物从下部空间318中移除。然后，反应器100可以在连续冷却流来自冷却系统324且骤冷水流经由骤冷喷嘴322的情况下切换成连续操作。
当系统最初填充有铝和水时，需要增强导致热积聚的反应的初始开始。为此，可以使用各种策略，包括在启动混合物中添加羟基氧化铝(AlOOH)、使用超细铝粉、向燃料或反应器100添加外部热、或者使用催化剂或其他添加剂。
虽然反应器100本身是使用化学过程将燃料的化学能转化为热和可燃气体的能量转化系统，但是图4图示了使用来自反应器100的输出或转化的能量来提供所需形式(例如，电力、热)的能量以供进一步使用或转换的其他能量转化系统的一些示例。
如所讨论的，反应器100能够使用多种不同的燃料操作。然而，图4的描述将继续使用铝作为燃料的示例，尽管图4的反应器100非常适合与许多其他燃料一起使用。使用这种燃料，反应器100产生热和氢气作为可用的输出。
参照图4，金属404(例如，铝、铝化合物、氧化物等)的供应和水406的供应被引导至提供混合和压缩的装置402。该压缩将现在混合的燃料432的压力升高至反应器100所需的压力水平。如关于图1至图3所讨论的，燃料432穿过反应器100以产生热，并且更具体地，产生饱和或过热蒸汽434和氢气428。
蒸汽434被引导至蒸汽涡轮机408，在蒸汽涡轮机408中，蒸汽434操作以驱动蒸汽涡轮机408和附接至蒸汽涡轮机408的任何部件。在大多数布置结构中，发电机联接至蒸汽涡轮机408，使得发电机响应于蒸汽434的流而产生电力。如上所述，反应器100在反应期间产生大量热。在一个构造中，1kg/s的铝燃料的流产生约15.7MW的热能，热能导致足够的蒸汽434经由蒸汽涡轮机408和发电机产生约3.9MW的电力。这产生25％的蒸汽涡轮发电机效率。
在蒸汽434穿过蒸汽涡轮机408之后，蒸汽434被引导至冷却剂冷凝器410，蒸汽434在冷却剂冷凝器410中被冷凝成液态。然后，泵412将水泵送回反应器100，以完成冷却循环。
氢气428如上所述离开反应器100，并且首先通过冷凝器416，在冷凝器416中，可能与氢气428混合的任何水或蒸汽被分离以产生干燥的氢气。干燥的氢气可以用于一个或更多个不同的能量转换装置中。例如，氢气可以在涡轮机418、往复式发动机420或任何其他发动机422中单独燃烧或作为另一种燃料的添加剂燃烧。涡轮机418、往复式发动机420和/或其他发动机422可以驱动发电机，该发电机又产生电力(AC或DC)或所需电压的电流。另外，如果需要，氢气428可以在燃料电池424中使用以直接产生电力。当然，对于氢气还存在许多其他合适的用途(例如，化学加工、肥料制造等)，如果需要，可以在此使用氢气。
离开反应器100的氧化铝产物通过减压装置414、比如锁式料斗，从而以减压状态储存在储罐430中。
图4中所示的系统可以包括附加的子系统，以提高效率或减少水消耗。例如，膨胀器可以用于在氢气428进入冷凝器416或通过冷凝器416之前从氢气428中提取功。例如，热交换器可以用于从产物流(在减压器414的上游或冷凝器416的上游，或者代替冷凝器416作为组合的回热器和冷凝器)中提取热，以在混合和压缩402的上游或者在混合和压缩402之后预热进入的反应物(金属404和水406)。例如，来自冷凝器416的冷凝水或冷凝物426或取自减压器414的上游的过滤水可以在混合和压缩402之前或之后重新注入到反应物中。
作为示例，本文所图示的系统还能够响应于每秒包含1千克铝的反应物混合物的流而每小时产生约400kg氢气。
图5示意性地图示了反应器500，该反应器500与关于图1至图4所描述的那些反应器类似。反应器500包括反应器容器516，反应器容器516可以包含在液体管线518处分离的流体和气体，或者替代性地包括单相流体(例如，超临界)。设置冷却系统520以在操作期间冷却反应器500，从而保持最理想的操作温度。
水源502提供冷却水504的流，冷却水504被输送至冷却系统520，以用于在操作期间冷却反应器500。在图示的构造中，冷却水504以液体形式输送至冷却系统520，并且以饱和或过热蒸汽的形式经由蒸汽出口514排出。应当理解的是，除了水之外的流体也可以用作冷却剂。然而，水的优点是其作为蒸汽排出，蒸汽可以直接在蒸汽涡轮机中使用。其他冷却剂可能需要热交换器来利用通过冷却剂收集的废热。
水也从水源502被引导至水入口506，在此，水被注入到反应器容器516中。金属入口508为将金属、比如铝添加到反应器容器516中提供入口点。经由水入口506注入的水和经由金属入口508注入的金属共同限定了进入反应器500的反应物混合物的流动。
在反应器500的操作期间，金属、在该示例中为铝与水反应以形成铝的氧化物(例如氧化铝，Al2O3)、氢气流，并且由于该反应是放热的而形成大量热。如前所讨论的，冷却系统520移除多余的热。反应产物(即氧化物)经由反应产物出口510离开反应器容器516，并且氢气流经由氢气出口512离开反应器容器516。典型地，氢气流还包括在反应器500内产生并且可以被引导至蒸汽涡轮机606的一些蒸汽，如关于图6所讨论的。
图6示意性地图示了一个可能的发电设备600的示例，该发电设备600可以使用图5的反应器500作为能源来操作。反应器500经由金属入口508接收燃料的金属成分，如关于图5所描述的。另外，反应产物(即，氧化物)经由反应产物出口510从反应器500排出。水回路632提供经由水入口506进入反应器500的水流，并且经由氢气出口512从反应器500提取氢气和一些蒸汽。冷却剂回路634向冷却系统520提供液态水，并且经由蒸汽出口514从反应器500提取蒸汽，如关于图5所讨论的。
水回路632包括水泵628，水泵628经由水入口506将液态水泵送到反应器500中。在反应器500内的反应之后，氢气流经由氢气出口512离开反应器500并且可以被收集在一个或更多个氢气罐602中，所述一个或更多个氢气罐602操作成储存氢气的并且在一些情况下从氢气流中分离出过量的蒸汽。如果存在的话，分离的过量蒸汽可以被引导至蒸汽涡轮机606或可能需要的另一个使用点。
燃气涡轮机642连接至水回路632，以接收用于操作的氢气流。燃气涡轮机642包括压缩机608，压缩机608接收空气流624并压缩该空气流624，以输送至燃烧器604。燃烧器604接收氢气流和压缩的空气流624，合并这些流，并且燃烧这些流以产生燃烧气体流630。涡轮机610接收燃烧气体流630，并且响应于燃烧气体流630从其中通过而进行操作，以经由第一轴636的旋转驱动压缩机608和第一发电机612。第一发电机612响应于第一轴636的旋转而操作以产生电力。
燃烧气体流630然后可以被引导至热交换器620(例如，热回收蒸汽发生器)，在热交换器620中，来自燃烧气体流630的一部分余热可以用于加热流体、比如水616以产生蒸汽622。蒸汽622然后可以被引导至蒸汽涡轮机606以供使用，或者可以根据需要被引导至另一使用点。
由燃烧气体流630冷凝的任何水可以被重新引导至水泵628，以完成水回路632。虽然未示出，但是可以向水泵628提供备用水，以确保将必要量的水输送至反应器500。
冷却剂回路634或冷却系统520包括冷却剂泵626，冷却剂泵626操作以循环冷却剂、通常是通过冷却剂回路634的水。设置在反应器500内或形成为反应器100的一部分的热交换器640操作以从反应器500、100中提取多余的热，从而在反应器500、100内保持期望的操作温度。如所讨论的，冷却剂作为液态水被输送至热交换器640，并且作为蒸汽流经由蒸汽出口514排出。蒸汽流可以在被引导至蒸汽涡轮机606之前与来自氢气罐602或来自热交换器620的蒸汽结合。蒸汽流穿过蒸汽涡轮机606，该蒸汽涡轮机606操作以使第二轴638旋转，该第二轴638又使第二发电机614旋转，从而产生电力。
离开蒸汽涡轮机606的蒸汽然后被引导至冷凝器618，蒸汽在冷凝器618中被冷凝成水。冷却剂泵626然后从冷凝器618抽取水，以完成冷却剂回路634。
应当注意的是，上文描述了使用水作为冷却剂和铝作为燃料的金属成分的系统。然而，其他布置结构可以根据需要采用其他金属和其他冷却剂。
另外，虽然两个发电机612、614被描述为由燃气涡轮机642和蒸汽涡轮机606单独驱动，但是其他构造可以采用由燃气涡轮机642和蒸汽涡轮机606中的每一者驱动的单个发电机。
图7图示了影响燃气涡轮机642的操作的发电设备600的变型。水泵628和反应器500的操作与关于图6所描述的操作非常类似。氢气与一些蒸汽一起经由氢气出口512输送至氢气罐602。来自冷却系统520的水以蒸汽的形式经由蒸汽出口514输送至水箱702，在水箱702中可以收集蒸汽。
燃气涡轮机642的燃烧器604包括燃料的燃烧在其中进行的主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706。氢气流708从氢气罐602流至主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的每一者，氢气流708在主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中与压缩空气流712混合并且被燃烧。在于主要燃烧部段704中进行燃烧之后，燃烧产物在作为燃烧气体流630被引导至涡轮机610之前被输送至辅助燃烧部段706以进行附加的燃烧循环。
蒸汽流710的一部分可以用于将补充蒸汽注入到燃烧器604中。具体地，蒸汽流710的一部分可以被引导到主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的一者或两者中。在主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中添加蒸汽允许改善不同燃烧部段的化学计量，以使NOx排放最小化并控制热声不稳定性。另外，向燃烧器604中添加蒸汽提高了循环效率并降低了回火的可能性。
可以通过密切监测和控制输送至燃烧器、并且具体地输送至主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706的化合物的参数来实现对排放物(即，二氧化碳和NOx)的控制。例如，一种布置结构将主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的每一者中的燃烧温度保持在预定温度以下，以提供对NOx排放的最小化。这可以通过密切监测和控制注入到主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的每一者中的蒸汽的温度、压力和量来实现。密切监测和控制输送至主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的每一者的氢气(以及其他燃料)的温度、压力和量也可以改善操作并减少不期望的排放。氢气以及任何其他燃料和蒸汽的温度也可以被调整以补偿环境温度的变化。
当燃气涡轮机从点火状态加速到基本负载状态时，可以调整氢气和蒸汽的比例以优化燃烧过程的稳定性并减少NOx排放。NOx的排放可以通过蒸汽稀释和燃料流量的交换来控制，这也是控制燃烧稳定性的关键，因为两者都在不改变燃烧器的出口处的总输出成分或温度的情况下被改变。
图7的结构允许用于控制到达主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中每一者的氢气、蒸汽以及在一些情况下压缩空气的量。通过仔细选择输送至主要燃烧部段704的蒸汽的量和/或温度以及主要燃烧部段704的丰富度，主要燃烧部段704的燃烧温度可以保持在期望的温度下，由此提供低NOx排放、以及在宽范围的操作条件下的稳定燃烧。类似地，通过仔细选择输送至辅助燃烧部段706的蒸汽的量和/或温度以及辅助燃烧部段706的丰富度，辅助燃烧部段706的燃烧温度可以保持在期望的温度下，由此提供低NOx排放，并且实现稳定燃烧。
应当理解的是，为了清楚起见，图7中未图示的图6的发电设备600的各部分被省略并且可以被包括在图7中图示的发电设备的部分中。例如，未注入到主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的任何蒸汽可以被引导至蒸汽涡轮机606，如关于图6所描述的。
在操作中，呈水和金属比如铝的混合物的形式的反应物混合物流经由水入口506和金属进口508被输送至反应器500。在反应器500内，发生氧化反应以产生氢气、金属氧化物(例如，Al2O3)和热。冷却系统520操作以将反应器500保持在期望的温度下同时还产生蒸汽流。
氢气可以被收集在氢气罐602中，或者可以直接流动至燃气涡轮机642的燃烧器604，在燃烧器604中，氢气与通过压缩机608产生的压缩空气混合并且燃烧。如图7中所示，燃烧过程可以分为主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706，并且可以在主要燃烧部段704和辅助燃烧部段706中的任一者或两者中提供蒸汽的添加。
燃烧之后，由燃烧器604产生的燃烧气体流630被引导至涡轮机610。燃烧气体流630产生涡轮机610的旋转，该旋转驱动第一轴636、压缩机608和第一发电机612。
蒸汽流可以被引导至蒸汽涡轮机606，以产生蒸汽涡轮机606的旋转，该旋转又驱动第二轴638和第二发电机614。应当注意的是，第一发电机612和第二发电机614可以是由燃气涡轮机642和蒸汽涡轮机606两者驱动的单个发电机。
图8包括说明了发电设备600的一般操作的流程图。在框802中，操作发电设备的方法800将反应物混合物流输送至反应器，反应物混合物流包括金属和水。在框804中，操作发电设备的方法800操作反应器以产生氢气流、一定量的蒸汽和一定量的热。在框806中，操作发电设备的方法800使用冷却系统冷却反应器，冷却过程产生蒸汽流。在框808中，操作发电设备的方法800在燃烧器内燃烧氢气，并且在一些构造中燃烧蒸汽，以产生燃烧气体流。在框810中，操作发电设备的方法800使燃烧气体流通过涡轮机610以使第一轴旋转。在框812中，操作发电设备的方法800引导蒸汽流通过蒸汽涡轮机以使第二轴旋转。
尽管已经详细描述了本公开的示例性实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的最广泛形式的精神和范围的情况下，可以做出本文所公开的各种改型、替代方案、变型和改进方案。
本申请中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的基本元素：专利主题的范围仅由所允许的权利要求来限定。此外，除非确切的词“用于……的装置”后面跟有分词，否则这些权利要求都不意在援引装置加功能的权利要求结构。

Claims (32)

1.一种发电系统，包括：
反应器，所述反应器能够操作成响应于接收到反应物混合物流而产生氢气流和蒸汽流；
燃烧器，所述燃烧器能够操作成响应于接收到所述氢气流以及所述蒸汽流的第一部分而产生燃烧气体流；
涡轮机，所述涡轮机能够操作成响应于接收到所述燃烧气体流而引起第一轴的旋转；以及
蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机能够操作成响应于接收到所述蒸汽流的第二部分而引起第二轴的旋转。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述反应物混合物流包括铝和水的混合物。
3.根据权利要求1所述的发电系统，还包括发电机，所述发电机联接至所述第一轴和所述第二轴以响应于所述第一轴和所述第二轴的旋转而产生电力。
4.根据权利要求1所述的发电系统，还包括第一发电机和第二发电机，所述第一发电机联接至所述第一轴并且能够操作成响应于所述第一轴的旋转而产生第一电力，所述第二发电机联接至所述第二轴并且能够操作成响应于所述第二轴的旋转而产生第二电力。
5.根据权利要求1所述的发电系统，还包括反应器冷却系统，所述反应器冷却系统能够操作成将液态水流输送至所述反应器以冷却所述反应器。
6.根据权利要求5所述的发电系统，其中，所述液态水流响应于冷却所述反应器而被转换成第二蒸汽流。
7.根据权利要求6所述的发电系统，其中，所述第二蒸汽流被引导至所述蒸汽涡轮机。
8.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述燃烧器在燃烧温度下操作，并且其中，所述燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的温度和量而保持在期望的温度下。
9.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述燃烧器包括主要燃烧部段和辅助燃烧部段，所述主要燃烧部段接收所述蒸汽流的第一部分的子部分，并且所述辅助燃烧部段接收所述蒸汽流的第一部分的剩余部分。
10.根据权利要求9所述的发电系统，其中，所述主要燃烧部段在主要燃烧温度下操作且所述辅助燃烧部段在辅助燃烧温度下操作，其中，所述主要燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的第一部分的子部分的温度和量而保持在期望的主要温度下，并且其中，所述辅助燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的第一部分的剩余部分的温度和量而保持在期望的辅助温度下。
11.根据权利要求10所述的发电系统，其中，所述主要燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述主要燃烧部段的温度和量而保持在所述期望的主要温度下，并且其中，所述辅助燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述辅助燃烧部段的温度和量而保持在所述期望的辅助温度下。
12.一种发电系统，包括：
反应器，所述反应器能够操作成响应于接收到反应物混合物流而产生氢气流；
反应器冷却系统，所述反应器冷却系统流体地联接至所述反应器，所述反应器冷却系统能够操作成响应于冷却所述反应器而产生蒸汽流；
燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括能够操作成产生压缩空气流的压缩机、能够操作成燃烧所述氢气流和所述压缩空气流以产生燃烧气体流的燃烧器、以及能够操作成响应于接收到所述燃烧气体流而引起第一轴的旋转的涡轮机；
第一发电机，所述第一发电机联接至所述第一轴并且能够操作成响应于所述第一轴的旋转而产生第一电力；
蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机能够操作成响应于接收到所述蒸汽流而引起第二轴的旋转；以及
第二发电机，所述第二发电机联接至所述第二轴并且能够操作成响应于所述第二轴的旋转而产生第二电力。
13.根据权利要求12所述的发电系统，其中，所述反应物混合物流包括铝和水的混合物。
14.根据权利要求12所述的发电系统，还包括发电机，所述发电机联接至所述第一轴和所述第二轴以响应于所述第一轴和所述第二轴的旋转而产生电力。
15.根据权利要求12所述的发电系统，还包括第一发电机和第二发电机，所述第一发电机联接至所述第一轴并且能够操作成响应于所述第一轴的旋转而产生第一电力，所述第二发电机联接至所述第二轴并且能够操作成响应于所述第二轴的旋转而产生第二电力。
16.根据权利要求12所述的发电系统，还包括反应器冷却系统，所述反应器冷却系统能够操作成将液态水流输送至所述反应器以冷却所述反应器。
17.根据权利要求16所述的发电系统，其中，所述液态水流响应于冷却所述反应器而被转换成第二蒸汽流。
18.根据权利要求17所述的发电系统，其中，所述第二蒸汽流被引导至所述蒸汽涡轮机。
19.根据权利要求12所述的发电系统，其中，所述燃烧器在燃烧温度下操作，并且其中，所述燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的温度和量而保持在期望的温度下。
20.根据权利要求12所述的发电系统，其中，所述燃烧器包括主要燃烧部段和辅助燃烧部段，所述主要燃烧部段接收所述蒸汽流的第一部分的子部分，并且所述辅助燃烧部段接收所述蒸汽流的第一部分的剩余部分。
21.根据权利要求20所述的发电系统，其中，所述主要燃烧部段在主要燃烧温度下操作，并且所述辅助燃烧部段在辅助燃烧温度下操作，其中，所述主要燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的第一部分的子部分的温度和量而保持在期望的主要温度下，并且其中，所述辅助燃烧温度部分地响应于所述蒸汽流的第一部分的剩余部分的温度和量而保持在期望的辅助温度下。
22.根据权利要求21所述的发电系统，其中，所述主要燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述主要燃烧部段的温度和量而保持在所述期望的主要温度下，并且其中，所述辅助燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述辅助燃烧部段的温度和量而保持在所述期望的辅助温度下。
23.一种产生电力的方法，所述方法包括：
将反应物混合物流输送至反应器，所述反应物混合物流包括金属和水；
操作所述反应器以产生氢气流和一定量的热；
使用冷却系统冷却所述反应器，冷却过程产生蒸汽流；
在燃烧器内燃烧所述氢气以产生燃烧气体流；
使所述燃烧气体流通过涡轮机以使第一轴旋转；以及
引导所述蒸汽流通过蒸汽涡轮机以使第二轴旋转。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述反应物混合物流包括铝。
25.根据权利要求23所述的方法，还包括将发电机联接至所述第一轴和所述第二轴，以响应于所述第一轴和所述第二轴的旋转而产生电力。
26.根据权利要求23所述的方法，还包括将第一发电机联接至所述第一轴且将第二发电机联接至所述第二轴，以响应于所述第一轴和所述第二轴的旋转而产生电力。
27.根据权利要求23所述的方法，还包括通过加热反应物混合物流而在所述反应器内产生第二蒸汽流，并且将所述第二蒸汽流从所述反应器引导至所述蒸汽涡轮机。
28.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述燃烧气体流从所述涡轮机排出，并且将所述燃烧气体流引导至热交换器以加热用于添加至所述蒸汽涡轮机的水流。
29.根据权利要求23所述的方法，还包括将蒸汽流引导至所述燃烧器，并且部分地通过控制所述蒸汽流的温度和量来将所述燃烧器保持在期望的燃烧温度下。
30.根据权利要求23所述的方法，还包括将所述燃烧器分成主要燃烧部段和辅助燃烧部段、将第一量的蒸汽流输送至所述主要燃烧部段、以及将第二量的蒸汽输送至所述辅助燃烧部段。
31.根据权利要求30所述的方法，还包括：将所述主要燃烧部段保持在主要燃烧温度下且将所述辅助燃烧部段保持在辅助燃烧温度下以保持所述主要燃烧温度；控制所述第一量的蒸汽的温度和量且控制所述第二量的蒸汽的温度和量以部分保持所述辅助燃烧温度。
32.根据权利要求31所述的发电系统，其中，所述主要燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述主要燃烧部段的温度和量而保持在期望的主要温度下，并且其中，所述辅助燃烧温度部分地响应于氢气的输送至所述辅助燃烧部段的温度和量而保持在期望的辅助温度下。
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