专利名称：产生热能的方法
技术领域：
本发明涉及通过应用聚变能(fusion power)的原理来产生热能。更明 确地说，本发明涉及在有蒸汽存在的情况下利用廉价的和容易获得的反应 物的化学反应在非常高的温度下产生和俘获热能的过程。
背景技术：
"热量"是公知的每天都用来向世界各地提供动力的能量形式。可通 过很多方法获得热能。这些方法中的两种包括"溶解热"和"反应热"，这 两者都是公知的产生热能的现象。"溶解热"被定义为当溶质在溶剂中溶解 时在溶液的形成中释放(或吸收)的能量(热量)。类似地，"反应热"是 在化学反应期间在给定分子的形成之间释放(或吸收)的热量。"释放"热 量时，我们称反应热和/或溶解热是发热的。本发明基于这种发热的热量释 放，但是，本发明的过程超出了简单的热量释放范围，其包括了本申请人 称为的"暖熔合(warm fusion)"的现象。"熔合"被定义为当核碰撞到超 过阈能或临界速度、它们粘在一起(sticktogether)并放出巨大能量的过程。 常规的熔合是在爆炸性核链式反应中或在恒星内部发生的由氢形成氦的过 程中发现的。而本发明的过程则与真正的熔合不同，其区别在于本申请人 发现了在获得真正熔合之前控制热释放的方法。通过使用在普通酸和碱在 溶剂(例如蒸汽)中稀释时所产生的溶解热和反应热然后结合本发明人建 立的过程可以产生大量且廉价的可回收的能量。然后可将这种能量作为用 于基于核和/或常规的矿物燃料的动力产生装置的替代品。事实上，本发明 的方法可以以每桶$0.04的价格产生相当于以每桶$35-$50的价格出售的原 油所产生的热量。虽然酸和碱的反应已广为人知且多年来被用于生产如铵盐之类的肥料 (参看美国专利1988701号；4370304号;以及6117406号)，本申请人没有 发现任何使用控制溶解热和/或反应热作为产生可回收的热能的方法的参考 文献。 发明内容本发明的目的是提供一种产生回收热能的过程，该过程在反应器中将 至少 一种酸与蒸汽混合产生溶解热、然后向酸蒸汽混合物加入至少 一种碱 而产生反应热。产生的全部热能是溶解热和反应热的结合。另外，在本发 明的过程中通过酸碱反应形成副产品。这种副产品可用作肥料。在输入酸之前，将蒸汽在IO(TC或高于IO(TC时单独输入反应器中。本发明的过程同 时也适用于先将碱加入蒸汽内然后加酸的情况。本发明还将上述过程与目前被称为"蒸汽循环"的蒸汽和动力的产生 相结合。蒸汽循环是在涡轮中利用蒸汽产生输出功的过程。热俘获和蒸汽 循环的结合可产生电力，而不需要当前通常用于产生蒸汽的使用煤和天然 气的火管锅炉(fired boilers )和核反应堆。本发明的关键在于在将酸或碱和蒸汽进行混合期间和化学反应期间控 制输入温度。因为酸和碱具有作为质子供体和质子受体的特征，这些质子 的极快的运动成为本申请人称为"暖熔合"的来源。也就是说，当输入温 度升高时质子的点速度增加，这使点碰撞频率提高，因此导致点温度大大 超过混合物的整体反应温度。在常规的酸-碱反应中理想的是将整体温度保 持与室温一致或略高于室温，以避免发生失控反应，这种失控反应可产生 引起设备熔融或损坏甚至爆炸的失控温度的反应失控。当反应物的输入温 度升高到临界点时，由反应产生的附加能量呈指数速率地释放。图2所示 的曲线示出了蒸汽的入口温度和释放的热能之间的关系。此临界点是"暖 熔合"的开始。本发明以控制的方式利用这种指数关系来提供使水蒸发产 生蒸汽所需要的热量，随后可将蒸汽用于提供如驱动涡轮以产生电能的有 用功。为了取出由本发明过程产生的能量并提供被转换成最终驱动涡轮或 其他机械装置的蒸汽的水，例如在热交换器装置中间接利用冷却水来控制 反应温度。在本发明的过程中输入温度的控制包括将酸或碱输入反应器之前向反 应器输入一定量的在IO(TC或高于此温度的蒸汽。在本发明的过程中，可釆 用任何作为质子供体的酸，但优选采用硫酸、硝酸、以及磷酸之类的酸。 同样也可采用任何碱，但优选采用氨、水或其他极性碱(polar base)之类 的碱。蒸汽的使用不但有助于控制过程温度，而且也提供了开始和调节熔
合反应的点火温度。在一优选实施方式中，在低于或等于120(TC的温度下、 更优选的是在低于或等于350。C的温度下加入蒸汽。可在环境温度下将酸加 入过程中，当酸与蒸汽混合时将产生具有由于借助于溶解热引起的能量的 放热释放所产生的高于蒸汽输入温度的第一可测量温度的溶液。然后将碱 加到酸和蒸汽所得到的混合物中。反应过程发生于很宽的压力范围，但是 最理想的是在大气压力下，以避免因高温降低了抗拉强度而引起变软的反 应器外壳破裂。蒸汽注满反应器管并将酸注入蒸汽。碱被注进酸-蒸汽混合 物中，以降低腐蚀作用。在环境温度或低于环境温度下、优选在-29。C或高于该温度下将碱加入 反应器中。碱被加到酸-蒸汽混合物附近。反应器相当紧凑，其尺寸取决于 形成热交换表面的连结表面面积。酸被注入水蒸汽汽团中，使酸迅速雾化 并随之发生反应，这种机理不明。放热反应取决于蒸汽、酸和碱的输入温 度。若输入温度独立升高，释放的熔合热速度呈指数地升高到所需要的输 入蒸汽量被大大降低的点。热交换表面的尺寸限制了被释放的最大热量。 因此，通过与输入蒸汽的温度成反比地减少输入的蒸汽量可产生恒定的释 放热量。根据定义，释放的热量呈指数地增长。当碱与蒸汽/酸混合物混合 时，开始化学反应，而且发生质子转移，同时由于反应热所引起的放热能 的释放引起第二可测量温度引人注目地升高。虽然第二可测量温度的温度 呈指数升高，但可将其控制成使来自反应器的总放热最佳。可通过控制蒸汽的输入温度、酸的输入温度、碱的输入温度以及通过在三股蒸汽的输入 温度升高时减少三股蒸汽的输入量来实现温度控制。为了方便地获得有用 的副产品，可保持化学计量比。如上所述，可通过利用如冷却水、与蒸汽/酸/碱反应混合物进行热交换 之类的热交换介质来回收总放热(溶解热和反应热的和)。可采用任何类型 的热交换装置来回收总的放热。优选用火管锅炉或翅片管交换器装置取出 反应器中产生的热量。因为传递出的总放热将使水蒸发形成蒸汽，然后将 蒸汽用于其他机械设备来产生能量，例如用于涡轮中以产生电力，优选使 用冷却水。可以采用合理设计的空气冷却热交换器作为热量回收的来源而 直接替换传统锅炉中的燃气火力燃烧器(gas fired power burners )。来自热交 换器的被加热到1200F至1800F的空气可作为用于工业和房地产中作为主 要热源供给很多传统的热水和蒸汽锅炉的天然气燃烧的合适替代品。费用
极低的蒸汽产品可有利地应用于海水淡化厂。本过程的附带好处是酸和碱的反应可形成有用的副产品。例如，如果 使用硫酸和氨，则可产生作为市售的肥料的硫酸铵。当然，也可对本发明 的反应混合物作进一步处理，以回收可用于市场的肥料产品，这些都是本 领域技术人员所公知的进一步的精制过程。虽然本申请人已描述了在本发明的过程中可在碱之前将酸加入蒸汽 中，由于认识到水是弱极性碱而氨是强极性碱，操作过程也可以先向蒸汽 内加碱，然后加酸。这样做的优点是，因为起初使用强碱可使因先引入酸 而引起的腐蚀作用最小。必要的是，在所述过程中不因颠倒酸和碱的加入 顺序而引起明显变化。本发明可以多种部件和部件的配置的形式实施。附图仅用于图解说明 一些优选实施方式而不是对本发明的限制。
图1的示意图示出了本发明的一种可能过程的流程； 图2的曲线示出了本发明所产生的增加的能量输出。
具体实施方式
现在参考附图，尤其参考图1，该图示意地示出了本发明的一种实施方 式。在描述图1中所示的流程时，々i定先加入酸然后加入^5咸，当然，如上 所述，酸碱的加入顺序在本发明中并不重要。利用变速泵2P和管路加热器 (inline heater) 2H，通过管路2将温度为IO(TC或100°C以上的蒸汽输入反 应器1中。利用变速泵4P,通过管路4将至少一种酸加入反应器1中并在 混合区6内与蒸汽结合和混合。酸的输入温度由管路加热器4H控制。可通 过任何公知的现有构件来实现混合，优选使用静止式混合器实现混合。在 混合区6的出口处设有热电偶30,以测量作为因溶解热释放的能量的结果 的溶液温度。利用变速泵5P，通过管路5加入至少一种碱，使之与流出混 合区6的酸/蒸汽混合物混合。碱的输入温度由管路加热器5H控制。在混 合区7内进行碱与酸/蒸汽混合物的混合。而且，也可采用本领域技术人员 公知的任何混合工艺。将碱输入酸/蒸汽混合物时，作为酸和碱的化学反应 引起的反应热的结果，能量被迅速释放。此能量的释放导致反应区8内的
溶液温度迅速升高，并通过热电偶31对其温度进行测量。借助于具有流过管路13的冷却介质的热交换器16可取出结合有溶解热和反应热的总放热。 优选冷却介质为水。在反应器1中产生的能量足以使管路13中的水蒸发以 产生蒸汽，蒸汽在管路14中被取出。可将管路14中的蒸汽用于各种其他 的下游过程和/或设备，以产生有用功或产生如电力之类的其他形式的能量。 正如本领域技术人员所了解的那样， 一旦能量被管路13中的冷却介质取出，被冷却的反应混合物从反应器1中通过管路9作为液体和蒸汽被移 除，以便在减温器、冷凝器或余热锅炉(未示出)中进一步回收热能。管 路9中包括可商用的有用的副产品和水。可任选的是，可对反应溶液作进 一步处理，以回收副产品。 一种选择是使用沉降装置10来收集经管路11 取出的副产品浓缩蒸汽。剩余的液体反应溶液通过管路12再循环且可用于 通过交换器15中与全部或部分经管路14从反应器1中取出的蒸汽进行热 交换产生的另外的预热输入蒸汽。不需要示意图，作为本发明的 一 实施方式可使用传统的闭环蒸汽系统， 其中管路14中的蒸汽被使用来驱动涡轮以对外作功。来自涡轮的用过的蒸 汽被取出并被用于与管路12中循环的反应溶液进行热交换，以便在管路2 内的蒸汽加热器2H处产生更多的蒸汽。参考图1,热交换器16可使用如空气之类的冷却介质13,以产生温度 与天然气燃烧产物相似的被加热的空气14。正如本领域技术人员理解的那 样，可将被加热的空气14直接作为用于传统的大型锅炉中产生热水和蒸汽 的燃烧的燃气产物的替代品。正如本领域技术人员理解的那样，利用本申 请中要求保护的加热过程和工作循环可将反应器1和热交换器16制造成适 合装入很多已有的用于向商业、研究机构的建筑物供暖以及用于校园建筑 物的大型中央供暖装置的燃气或燃煤锅炉中的尺寸。利用酸和碱来代替天 然气或煤的加热的运行费用极低，相当于在燃料费用方面减少95%到99%。参考图1,热交换器16可使用如液态钠之类的冷却介质13，以产生温 度与在核发电厂中使用的流体传热产物类似的被加热的传热流体14。正如 本领域技术人员所理解的那样，利用本申请中要求保护的热过程和工作循 环，可将反应器1和热交换器16制造成适合装入很多已有的能够产生大量 高压蒸汽而以驱动大型涡轮从而产生电能的形式作功的大型核锅炉中的尺 寸。利用酸和碱来代替核能加热的运行费用极低，相当于在燃料费用方面 减少99%。实例图2的曲线示出了用原油设备(crude apparatus)进行试^r所产生的增 加的能量输出。用于产生增加的热能释放的方法与本权利要求书中所描述 的相同。设备包括模块化的火管管式反应器(fire-tube pipe reactor )并具有 围绕该火管反应器用于预热氨、酸和水的分开的外套。酸从一端输入并与 水混合，以产生最初的释放热而使反应器周围的外套升温。对水流和酸流 进行控制以用于向套释放热时，水、酸和氨被加热并测量火管的入口点处 的水、酸和氨。直接将冷却水引入反应器芯(reactor core )的下游点处的火 管内。此过程与用于加热水的蒸汽喷射过程类似。应该理解的是，本申请中所公开的实施方式和实例仅用于说明，对于 本领域技术人员而言，可提出很多关于本发明的具体实施方法、组成以及 系统的其他规定和组合的建议，因此，本发明在所附各项权利要求的范围 内作出了保护范围最宽的表述。
权利要求
1.一种用于产生热能的过程，包括、结合以下步骤a.提供反应器；b.将100℃或高于此温度的蒸汽输入所述反应器中；c.将至少一种酸与所述蒸汽在所述反应器中混合，在第一可测量的温度下生成溶解热；d.在所述反应器中向所述在步骤(c)中形成的酸-蒸汽混合物中加入至少一种碱；e.在所述反应器中将所述碱与所述酸-蒸汽混合物混合，借此在第二可测量的温度下产生反应热；f.从步骤(e)所得到的混合物中回收作为总放热的溶解热和反应热的结合；及g.从所述反应器取出作为所述酸和碱的混合物的结果形成的副产品。
2. 如权利要求1所述的过程，其中，在150。C或高于该温度下将所述 蒸汽输入所述反应器中。
3. 如权利要求2所述的过程，其中，所述酸是硫酸。
4. 如权利要求3所述的过程，其中，所述碱是在-29。C或高于此温度下 输入的氨。
5. 如权利要求4所述的过程，其中，在环境温度下将所述硫酸输入所 述反应器中，而所述氨在-29。C的温度下输入。
6. 如权利要求2所述的过程，其中，所述蒸汽在低于或等于35(TC的 温度下以可控的方式被加入所述反应器，以改变总;改热速率。
7. 如权利要求4所述的过程，其中，所述氨在低于或等于35(TC的温 度下以可控的方式被加入所述反应器，以改变总放热的速率。
8. 如权利要求4所述的过程，其中，所述副产品为硫酸铵。
9. 如权利要求1所述的过程，其中，所述酸为硝酸，所述石威为氨，所 述蒸汽温度保持在IO(TC或高于此温度。
10. 如权利要求9所述的过程，其中，所述副产品为硝酸铵。
11. 如权利要求l所述的过程，其中，所述酸为磷酸，所述碱为氨，所 述蒸汽温度保持在100。C或高于此温度。
12. 如权利要求9所述的过程，其中，所述副产品为磷酸铵。
13. 如权利要求1所述的过程，其中，所述第一可测量的温度保持在150。C或150。C以上。
14. 如权利要求1所述的过程，其中，所述第二可测量的温度保持在 150。C或150。C以上。
15. 如权利要求9所述的过程，其中，所述第一可测量的温度保持在 100。C或IO(TC以上。
16. 如权利要求9所述的过程，其中，所述第二可测量的温度保持在 100。C或IO(TC以上。
17. 如权利要求11所述的过程，其中，所述第一可测量的温度保持在 IO(TC或IO(TC以上。
18. 如权利要求11所述的过程，其中，所述第二可测量的温度保持在 100。C或IO(TC以上。
19. 如权利要求l所述的过程，其中，所述蒸汽、酸和碱的输入保持在 低于或等于固。C。
20. 如权利要求9所述的过程，其中，所述蒸汽、酸和碱的输入保持在 低于或等于1200°C。
21. 如权利要求11所述的过程，其中，所述蒸汽、酸和碱的输入保持 在低于或等于1200°C。
22. 如权利要求1所述的过程，其中，可将任何碱或任何酸用于所述反 应器中以便利用从IO(TC到120(TC的温度范围内输入的蒸汽、酸和碱放热。
23. 如权利要求l所述的过程，其中，冷却介质间接回收总放热，以形 成洁净的蒸汽，并将所述洁净的蒸汽用于蒸汽循环过程而产生电力。
24. —种用于产生热能的过程，包括、结合以下步骤a. 提供反应器；b. 将IO(TC或高于此温度的蒸汽输入所述反应器中；c. 将至少一种碱与所述蒸汽在所述反应器中混合，在第一可测量的温 度下产生溶解热；d. 在所述反应器中向所述在步骤(c)中形成的酸-蒸汽混合物中加入 至少一种酸；e. 在所述反应器中将所述酸与所述碱-蒸汽混合物混合，借此在第二可测量的温度下产生反应热；f. 从步骤(e)所得到的混合物中回收作为总放热的溶解热和反应热的结合；及g. 从所述反应器取出作为所述酸和碱的混合物的结果形成的副产品。
全文摘要
通过在有蒸汽存在的条件下酸和碱的反应过程可回收和控制以热量的形式存在的能量。被回收的热能可用于蒸发水而形成与涡轮联合使用时可产生电力的蒸汽。
文档编号C01B25/16GK101160260SQ200580034393
公开日2008年4月9日 申请日期2005年8月30日 优先权日2004年8月30日
发明者约翰·V·莱因茨 申请人:约翰·V·莱因茨