[发明专利]放热化学反应方法

说明书

本发明涉及利用反应中生成的热气体膨胀而作功（例如产生电能）的放热化学反应方法。

本发明具体地涉及在高压（即高于大气压）下进行，并在高温高压下形成产物或中间产物气流的放热化学反应方法。工业上有许多这类方法，包括基于空气的化学反应，例如制造硝酸时的氨的氧化以及硫酸生产中的硫的氧化。

所有这类方法的一个与本发明有关的特点是，它们都涉及进料气（即参与反应的气体）、中间产物气体、或再循环气体的压缩，以及通过热过程排出的气流或中间产物气流的膨胀、例如在能量回收透平机中来作功。

能量回收透平机的输出可以用来提供任何形式的轴输出功，包括但不限于，内部过程压缩需求功、外部压缩需求功、或发电。排出气或中间产物气流在进入能量回收透平机之前可先进行升温，以便提高能量回收效率。不管是否进行升温处理，这些过程的另一特点是具有生产排出气与中间产物气流容纳不下的多余的高温热量（如下一段中所定义的），它适合于用其它历程（例如产生供在功率回收透平机中膨胀的蒸汽）产生动力。

为了定义“多余的高温热量”，有必要先谈谈“多余的过程热量”。这只能参照在例如“有效利用能量的过程综合法使用指南”（I    Chem    E，Rugby，UK，1982）中所叙述的“收缩技术”（Pinch Technology）方法来严格定义。若是需要冷却以满足和/或维持工艺操作条件的生产气流和反应器，它在“热收缩（Pinch）温度”和环境温度与△T_min之和的某个温度之间的总发热能力（即热组合曲线在这两个温度之间的含变），大于需要加热以满足和/或维持工艺操作条件的生产气流在“冷收缩（Pinch）温度”与环境温度之间的总热量需求（即冷组合曲线在这两个温度之间的含变），则存在有“多余的过程热量”。△T_min是为了进行生产气流之间的热交换，体系所允许的最小温差。这一多余的过程热量可以用来加热所谓的冷物，例如冷水、空气、或锅炉供水。

如果“多余的过程热量”是在足够高的温度水平上，以致于冷物能被加热到可用来产生动力，则是有“多余的高温热量”。例如，在冷物为锅炉供水的场合，“多余的高温热量”会足以产生蒸汽，它能够通过蒸汽透平机膨胀，产生工厂内通常用的有用功，但是可以用热力学方法严格确定。这些方法中最权威和最重要的是收缩技术（Pinch    Technology）（或过程综合法）。在“有效使用能量的过程综合法使用指南”（I.Chem.E.Rugby，U.K.，1982）中有这些具体方法的说明。

所有这类过程的工业化工厂都是设计成在所谓“满负荷”条件下运行的。在这种条件下工厂是在反应器的进料气为最大可能流量（与工厂的设计相适应），或工厂的产品为最大可能生产速度下运行的，这要看两个标准中的那一个在经济上与运行上更为合算。在满负荷条件下，反应器将需要特定数量的进料气，并有特定数量的中间产物、排出物或产物气体。因此，会有最大数量的反应生成气可用于膨胀作功。

本发明的目的之一是提供一种放热化学反应方法，它所产生的功比先有技术的要高。

根据本发明，提供了一种放热化学反应过程，它在高于大气压的压力下于一个设计在预定的满负荷条件下运行的工厂内进行，该过程进行的结果产生了多余的高温热量，此热量的一部分用来对反应生成的压缩气体加热，然后气体膨胀作功，其中向所需的或过程生成的压缩气补充的适量压缩气，用一部分可利用的多余高温热量加热，使其膨胀并产生附加功。补加气体的量应使得膨胀气体的总量大于在满负荷条件下不供给补加气进行此过程时可用于膨胀的气体量。

在先有技术中，所产生的功的数量完全取决于过程在满负荷条件下产生的或需要的气体量。与之相反，本发明使用适量的补加气体，它与满负荷下产生的或需要的气体量无关。通常，补加的气体量应使可用于膨胀的气体与没有补充气体供给时相比至少增加10%，至少20%更好，至少30%则还要好，最好是增加40%。一般，补加量为10-200%，10-100%更好（例如20-100%）。结果是，较大数量的加热气体通入到膨胀器中（例如能量回收透平机），使输出功增加。这一增加取决于补加气体的数量，而后者又取决于可以利用的将补加气热至适于膨胀作功温度的多余高温热量的多少。这种可利用的多余高温热量的多少可用过程综合法确定。

本发明主要涉及的放热反应是发生在500-1500℃（例如600-1000℃），膨胀器入口的温度因此也在此范围，最好是600-850℃。气体膨胀器的膨胀比最好是3∶1至20∶1。补加气体的压缩比最好也在3∶1至20∶1的范围。