CN106715328A - 用于制造能量和氨的发电站 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制造氨和能量的方法，其中，将选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其混合物和/或合金的电正性金属喷洒和/或雾化并且用包含氮气的反应气燃烧，其中，将反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，本发明还涉及用于实施所述方法的设备。
Description
本发明涉及一种用于制造氨和能量的方法，其中，将选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金喷洒和/或雾化并且用包含氮气的反应气燃烧，其中，将反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，并且本发明涉及一种用于实施所述方法的设备。
由于减少二氧化碳排放的必要性，近来讨论多种由替代能源生成能量的可能性。
在文献DE102008031437.4中，描述如何能够利用碱金属建立可再生的能量循环。这在WO2012/038330和WO2013/156476中也被详细描述。
电正性金属、例如锂、钠、钾、镁、钙、锶、钡或甚至铝或锌除了空气之外还能在二氧化碳(CO2)或水(H2O)中燃烧。在此形成化学基础原料一氧化碳(CO)或氢气(H2)。
作为备选，电正性金属还可以与氮气发生反应。在DE 102014203039.0中，描述了如何在燃烧后使所形成的氮化锂借助旋风分离器分离。然而没有详细关注随后的水解，尽管水解也释放显著的热量(Li3N+3H2O→3LiOH+NH3-444jK)。此外在DE102014203039.0中，腐蚀性颗粒还会进入燃气轮机的膨胀机中。
需要一种有效的方法，用于在含氮反应气与电正性金属燃烧时得到能量和有用产品氨。
以下描述一种发电站设备，所述发电站设备能够实现存储在电正性金属中的能量的有效回收，或者能够将在与氮气的燃烧过程中形成的有用材料供给化学回收利用部。发明人在此发现，当由包含氮气的反应气和电正性金属组成的反应混合物在反应时或反应后被供给水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液时，能够实现在能量方面有效的反应过程(Reaktionsführung)和更好的产率。
根据第一方面，本发明涉及一种用于获得氨和能量的方法，其中，将选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金喷洒和/或雾化并且用包含氮气的反应气燃烧，并且将反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，并且将与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离，并且将一方面固态和/或液态组分和另一方面气态组分的能量至少部分转化，并且从气态组分中分离出氨，其中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的混合物的混合是通过将液态和/或气态水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷洒和雾化到经反应的混合物中完成的。
根据另一方面，本发明还涉及一种用于获得氨和能量的设备，所述设备具有：
第一反应器，在所述反应器中，选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金与包含氮气的反应气发生反应，所述第一反应器被构造为，使包含氮气的反应气与电正性金属发生反应；
至少一个用于喷洒和/或雾化电正性金属的第一喷洒装置和/或雾化装置，所述第一喷洒装置和/或雾化装置被构造为，将电正性金属喷洒和/或雾化到第一反应器中；
至少一个用于电正性金属的第一进料装置，所述第一进料装置被构造为，将电正性金属进料给所述至少一个第一喷洒装置和/或雾化装置；
至少一个用于包含氮气的反应气的第二进料装置，所述第二进料装置被构造为，将包含氮气的反应气进料给第一反应器；
第二反应器，在所述第二反应器中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，所述第二反应器被构造为，使反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合；
至少一个用于喷洒和/或雾化水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第二喷洒装置和/或雾化装置，所述第二喷洒装置和/或雾化装置被构造为，将水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷洒和/或雾化到第二反应器中；
至少一个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置，所述第三进料装置被构造为，使水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液进料给所述至少一个第二喷洒装置；
第一分离装置，在所述第一分离装置中，与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离，所述第一分离装置被构造为，使与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物被一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离；
至少一个用于转换能量的第一装置，所述第一装置被构造为，将固态和/或液态组分的能量至少部分转化；
至少一个用于转换能量的第二装置，所述第二装置被构造为，将气态组分的能量至少部分转化；和
第二分离装置，在所述第二分离装置中，从气态组分中分离出氨，所述第二分离装置被构造为，从气态组分中分离、例如冷凝出氨。
本发明的其他方面从从属权利要求和具体描述以及附图中给出。
附图应该阐释本发明的实施例，并且提供其他的教导。附图结合说明用于解释本发明的方案和原理。其他实施例和大量所述优点基于附图给出。附图的元素不一定相互比例准确地示出。如果没有特殊说明，相同的、功能相同和发挥相同作用的元件、技术特征和部件在附图的视图中分别标注以相同的附图标记。
图1示意性示出根据本发明的设备的第一示例性实施方式，所述设备呈用于氨合成和发电的联合发电站的形式，其具有旋风分离器。
图2示意性示出根据本发明的设备的第二示例性实施方式，所述设备呈用于氨合成和发电的联合发电站的形式，其具有静电沉淀器。
本发明根据第一方面涉及一种用于制造氨和能量的方法，其中，将选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金喷洒和雾化并且用包含氮气的反应气燃烧，将反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液混合，将与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离，将一方面固态和/或液态组分和另一方面气态组分的能量至少部分转化，并且由气态组分中分离出氨，其中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的混合通过将液态和/或气态水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液喷洒和/或雾化到经反应的混合物中完成。
在本发明中，涉及到电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的是指电正性金属的氢氧化物水溶液和/或电正性金属的氢氧化物水性悬浮液。
一方面固态和/或液态组分和另一方面气态组分的能量的至少部分转化包括电正性金属和反应气以及混合物在与水、电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液反应时所释放的和/或形成的能量、例如热能和/或动能向每个其他形式能、例如电能的至少部分转化。例如，所述能量能够例如在换热器中转化为其他介质(例如水)的热能或转化为电能。在此，被转化的能量的量可以与多种因素、例如所使用的转化装置的效率、有时系统的能量损耗、反应的控制和物质流等相关。
根据确定的实施方式，电正性金属选自碱金属、优选锂；碱土金属、优选Mg、Ca、Sr和Ba、Al和Zn及其混合物和/或合金。在优选实施方式中，电正性金属选自Li、Mg、Ca、Sr、Ba和Zn，进一步优选选自Li、Ca、和Mg，并且特别优选地电正性金属是锂或镁。电正性金属的混合物和/或合金也是可行的。Zn和Al由于形成较为稳定的氮化物而次优选，因为其不利于分离。同样地，除了Li之外其他的碱金属也次优选。
反应气包含氮气，以便实现氮气和电正性金属的反应，其中，优选在反应气中没有在该方法条件下与电正性金属发生反应的其他气体。例如可以包含稀有惰性气体、例如稀有气体。优选地，反应气包括高于50体积％的氮气、进一步优选高于75体积％的氮气、特别优选高于90体积％的氮气和尤其高于95体积％的氮气。根据确定的实施方式，在忽略不可避免的杂质的情况下，反应气由氮气组成，所述杂质例如可以在氮气从空气中分离、例如借助空气分离器分离时获得。在反应气中除了氮气之外还存在能与电正性金属发生反应的其他气体(例如O2、CO2)时，例如在从空气中分离氮气用于制造反应气时，氮气含量优选＞90体积％、尤其＞95体积％。在空气中仅形成少量氮化物。
电正性金属的喷洒和/或雾化根据本发明不被特别局限，而是可以通过合适的方式完成，例如通过通常的喷嘴或雾化器，然而也可以通过借助多孔式结构、例如多孔燃烧器的喷洒/雾化完成。而且无论是电正性金属的喷洒还是雾化都可以例如通过带有喷嘴或雾化器的多种进料装置在反应腔(Reaktionsraum)内进行。这样例如针对碱土金属、尤其Ca和/或Mg而言，根据确定的实施方式雾化成粉末是优选的。
根据本发明，反应气和电正性金属的经反应的混合物在与水或电正性金属的氢氧化物水溶液混合之前并不一定反应完全，而是在混合过程中或之后仍可以进行反应。
电正性金属与反应气的反应可以在与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的混合之前完全耗尽或未完全耗尽，这样还会出现电正性金属与水的反应，从而能够形成氢气，所述氢气可以保留在系统中或可以与气态产物一起被分离。
根据确定的实施方式，电正性金属与反应气在与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合前反应完全，也即电正性金属与反应气基本上定量、优选定量反应，从而避免形成氢气。根据确定的实施方式，为了电正性金属的完全反应而优选使用过剩的反应气、尤其过剩的氮气。
与水或电正性金属的氢氧化物水溶液的混合可以利用合适的方式通过液态或气态水的喷洒和/或通过电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液/水性悬浮液的喷洒和/或雾化完成，其中，喷洒/雾化的方式不受特别局限。根据确定的实施方式，喷洒通过这种方式完成，即，经反应的反应气被水或电正性金属的氢氧化物溶液尽可能完全地喷淋。这例如可以通过一个或多个喷嘴完成。根据确定的实施方式，一方面反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的混合和另一方面气态组分从固态和/或液态组分中的分离的适当结合，可以控制固态和/或液态组分的富集，从而使固态和/或液态组分能够在分离设备中富集，并且能够定位或局域化所形成的氮化物的水解，从而可以有目的地调整喷洒/雾化。
根据本发明，水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的喷洒和/或雾化不被特殊局限，而是可以通过合适的方式完成，例如通过通常的喷嘴或雾化器。这样可以使水例如作为液体或呈气态地、优选作为液体被喷洒。电正性金属的氢氧化物水溶液同样可以通过合适的方式被喷洒，相对地，电正性金属的水性悬浮液则可以依据悬浮液的固体含量的不同被喷洒或雾化。通过电正性金属的氢氧化物水性悬浮液的喷洒/雾化可以确保良好的热量输送，固体份额也是有利的。根据确定的实施方式，水性悬浮液中较高的固体份额/固体含量也是优选的，然而其中，应该确保合适的喷淋或雾化。固体份额可以依据反应系统和设备被合适地调整。根据本发明不能排除的是，水以液态和气态被喷洒，并且同时电正性金属的氢氧化物水溶液也被喷洒，并且电正性金属的氢氧化物水性悬浮液被喷洒和/或雾化，然而水、水溶液和/或水性悬浮液的引入也可以通过其他方式相结合，例如通过水和电正性金属的氢氧化物水溶液的喷洒。
通过与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的混合，可以由反应产物继续形成在燃烧时反应形成的电正性金属的氢氧化物，该氢氧化物通过水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液被简单地分离，例如作为悬浮液或呈溶液状态分离。此外在所述混合时，还可以通过氢氧化物的形成而释放更多能量，除了已经通过电正性金属与反应气的反应形成的能量之外，所述更多能量也可以在能量的所述至少部分转化时被使用。在所述反应中，除了反应热之外还会形成压力，例如通过同样所使用的水的气化。此外，还可以释放水化能。
这样，例如在Li作为电正性金属燃烧时形成的固体燃烧产物LiN3在(例如旋风分离器中)额外加入水而分离时，还能额外地获得水化能(锂-509kJ/mol)。
根据确定的实施方式，在氮化物水解时除了水解能之外还能释放电正性金属的水合能。
此外，在量入水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的情况下，可以在第一分离装置中已经分离出氢氧化物溶液或悬浮液、例如LiOH溶液/悬浮液，所述溶液或悬浮液作为有用产品出售或者在本方法中被重新使用。
与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的步骤具有多种优点：
a)系统中的温度可以保持在材料可耐受的水平上。
b)水汽化，并且以此方式可以在后续的能量形成或由气态组分的能量转化时、例如利用涡轮机(例如蒸汽轮机或膨胀涡轮机)进行能量转化时提高输入压力。类似于蒸汽轮机，汽化水由此为涡轮机提供“机械式的”能量输送。
c)前置的用于使电正性金属与反应气、例如Li或Mg与N2燃烧的第一反应器或燃烧器可以设成稍弱的，因为在水合或者说水化时还释放额外的能量，这针对第一反应器是进一步节省材料的。
d)喷洒的水可以将电正性金属、例如诸如锂的碱金属的所形成的氢氧化物从分离装置、例如旋风分离器冲掉，从而使所形成的或分离出的气态组分、例如N2/NH3/H2O能够基本上且优选完全无颗粒地传导至涡轮机。在此，与液体的分离非常有效，如由以下例如氢氧化锂在水中的溶解性所示，其中，针对在反应器中能够存在的且优选为了形成足以使涡轮机运行的蒸汽所存在的更高温度则未作说明。
氢氧化锂在水中的溶解度(针对更高温度未作说明)
12.7g/100ml(0℃)
12.8g/100ml(20℃)
17.5g/100ml(100℃)
e)装置/设备可以这样运行，即在第一分离装置之后排出的、例如能够处于压力下的氢氧化物水溶液/悬浮液具有用于能量转换、例如借助用于形成蒸汽的换热器的能量转换所必须的温度，从而还可以运行例如蒸汽轮机。可选地，这种第二蒸汽轮机还可以耦连在利用气态组分运行的第一涡轮机(例如燃气轮机)的额外的动力总成上。
f)所形成的气体混合物不包含氧气并且进而无腐蚀性。
g)剩余量的N2可以回收至该过程中，因为其他组分能够良好地分离。
h)所形成的能量可以在一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离时、例如在旋风分离器或其他分离装置中的冷凝器处分离时输出，并且所输出的低温热量可以用于预热或作为远距离供热被使用。这种放热还可以在第二分离装置之后获得，在所述第二分离装置中分离氨。
i)作为液体被提取的氢氧化物溶液、例如碱性氢氧化物溶液可以多样地发挥其他作用。还可以通过适当方式从所述氢氧化物溶液中重新获得电正性金属。例如针对Li存在如下的完全可再生的能量循环：通过回收Li2CO3转变为LiCl，例如在US20130001097A1中所述，并且通过随后的电解得到Li。
电正性金属的氢氧化物不被特别局限，而是可以包含一个或多个上述电正性金属。呈氢氧化物形式的电正性金属可以与在电正性金属与反应气的反应中发生反应的电正性金属不同或相同。优选地，氢氧化物的电正性金属是与反应气发生反应的相同的电正性金属，以便在所形成的产物中不存在多种不同的必要时必须费事分离出去的电正性金属。
根据本发明不能排除的是，电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液除了氢氧化物和水之外还具有其他组分，例如多种用于溶液/悬浮液稳定化的添加剂，尤其消泡剂或其他添加剂，例如用于调整确定的产品性质(形态)的结晶辅助剂。
至少部分实现的能量转化可不被特殊局限，而是可以包括例如向热能和/或电能的转化。根据确定的实施方式，利用根据本发明的方法和根据本发明的设备至少制造电能。
氨的分离不被特殊局限，而是可以通过适当方式实现。例如可以使氨结合过量的水形成水溶液而分离、例如冷凝，其中，根据水份额的不同例如能够形成不同浓度的氨水，或者可以继续通过加入水而相应地调整。例如可以考虑通过冷凝实现氨的分离。气态的氨例如还可以被干燥地装填进压力瓶中。
根据本发明，液态和/或气态水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的喷洒和/或雾化在水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的量方面不被特殊局限。根据确定的实施方式，水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的温度和/或量被这样调整，即，由反应气和电正性金属的放热反应形成的反应热通过适当方式输出，以至于不为了该反应而对设备要求过高，或者使机械能和热能效率最大化。
根据确定的实施方式，通过旋风分离器和/或过滤板和/或静电过滤器实现一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分的分离。在旋风分离器中的分离例如在DE1020142030039.0中被描述。例如可以通过其中设置过滤板或至少一个静电过滤器的旋风分离器实现分离。根据本发明，旋风分离器、过滤板和/或静电过滤器不被特殊局限，而是可以通过适当方式设置。在此，旋风式反应器还可以用作喷洒水或电正性金属的氢氧化物水溶液的反应器。作为静电过滤器还可以使用例如高效的、例如可清洗的、例如由板或线构成的静电过滤器，其中，例如还可以具有用于引入水的喷嘴。
根据确定的实施方式，一方面反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或水性悬浮液的混合和另一方面通过旋风分离器和/或过滤板和/或静电过滤器使气态组分从固态和/或液态组分中分离的适当结合，可以控制固态和/或液态组分的富集，从而使固态和/或液态组分能够在分离设备中富集，并且能够定位或局域化所形成的氮化物的水解，从而可以有目的地调整喷洒/雾化。
这样例如可以通过旋风分离器使固态组分富集在旋风分离器的外部区域中或板式过滤器上，从而能够非常有目的地进行水解。
根据确定的实施方式，来自例如可以具有300℃或更高温度的固态和/或液态组分的能量的转化可以借助至少一个换热器完成。所述换热器例如可以提供热能。还可行的是，在换热器中例如形成蒸汽，所述蒸汽例如驱动涡轮机和发电机，以便形成电能。还可行的是，借助换热器既形成热能又形成电能。热能可以例如用于电正性金属和/或反应气在反应前的预热，从而甚至能够以液态方式提供电正性金属以供使用，和/或如果需要的话，用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的预热。然而热能还可以用于其他目的、例如远距离供热。所获得的电能还可以通过适当方式使用，例如用于供电。
根据确定的实施方式，水、例如以及在电正性金属的氢氧化物溶液和/或悬浮液中的水相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例大于2比1、优选大于3比1并且特别优选大于3.5比1。根据确定的实施方式，水、例如以及在电正性金属的氢氧化物溶液和/或悬浮液中的水相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例大于10比1、优选大于25比1并且特别优选大于50比1，以便充分地从与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液相混合的混合物中得到气态组分，并且进而能够将氨有效地作为气态组分导出。当然在水明显过量的情况下，例如在氨分离过程中氨冷凝时也始终还能得到具有适当浓度的氨水溶液，用于继续使用或用于出售。
根据确定的实施方式，源自气态组分的能量向电能的至少部分转化通过至少一个涡轮机和至少一个发电机完成。在此如同以上换热器的情况，涡轮机和发电机的类型不被特殊局限。
根据确定的实施方式，电正性金属与过量的氮气燃烧。由此可以实现较高的产率并且使待燃烧的、尤其能通过与水的反应生成的副产物被最少化，从而此外还简化了副产物的净化。此外，还可以使用额外的氮气用于反应控制或反应调控。根据确定的实施方式，过量的氮气在燃烧后从气态组分中分离并且回收用于燃烧。
根据另一方面，本发明还涉及一种用于制造氨和能量的设备，所述设备具有：
第一反应器，在所述第一反应器中，选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金与包含氮气的反应气发生反应，所述第一反应器被构造为，使包含氮气的反应气与电正性金属发生反应；
至少一个用于喷洒和/或雾化电正性金属的第一喷洒装置和/或雾化装置，所述第一喷洒装置和/或雾化装置被构造为，将电正性金属喷洒和/或雾化到第一反应器中；
至少一个用于电正性金属的第一进料装置，所述第一进料装置被构造为，使电正性金属进料给所述至少一个第一喷洒装置和/或雾化装置；
至少一个用于包含氮气的反应气的第二进料装置，所述第二进料装置被构造为，将包含氮气的反应气进料给第一反应器；
第二反应器，在所述第二反应器中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，所述第二反应器被构造为，使反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合；
至少一个用于喷洒和/或雾化水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第二喷洒装置和/或雾化装置，所述第二喷洒装置和/或雾化装置被构造为，使水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷洒和/或雾化到第二反应器中；
至少一个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置，所述第三进料装置被构造为，使水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液进料给所述至少一个第二喷洒装置和/或雾化装置；
第一分离装置，在所述第一分离装置中，与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离，所述第一分离装置被构造为，使与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物被一方面以固态和/或液态组分和另一方面以气态组分分离；
至少一个用于能量转换的第一装置，所述第一装置被构造为，将固态和/或液态组分的能量至少部分转化；
至少一个用于能量转换的第二装置，所述第二装置被构造为，将气态组分的能量至少部分转化；和
第二分离装置，在所述第二分离装置中，从气态组分中分离出氨，所述第二分离装置被构造为，从气态组分中分离出氨。
根据本发明，第一反应器和第二反应器在其构造和材料等方面不被特殊局限，只要在第一和第二反应器中能够进行相应的反应即可。分别依据反应气、电正性金属、水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液等的种类、特性(例如温度、压力)和/或量的不同，可以相应地设置第一反应器和第二反应器。同样地，分离装置、进料装置、喷洒装置、必要时的导出装置和回收装置不被特殊局限。例如第一反应器可以是燃烧室或燃烧管。
根据确定的实施方式，作为用于第一和/或第二反应器、分离装置、喷洒装置和/或雾化装置和/或必要时的导出装置和/或必要时的进料装置或甚至例如用于能量转化的设备(例如与发电机耦连的涡轮机)的材料适宜是选自以下组别的材料，该组别由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆和这些金属的合金、以及钢、例如不锈钢和铬镍不锈钢组成。所述材料优选应用于较高温度，在所述较高温度下与例如液态的电正性金属的反应能够更简单地实施或反应混合物能够被简单地处理。根据确定的实施方式，可以通过在第二反应器中水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的进料实现反应混合物的温度的降低，从而使沿流体方向随后的部件处于较低的温度中，从而可以通过耐热性较小的材料制成所述部件。
作为用于电正性金属的进料装置例如可以使用能够被加热的管或软管或甚至输送带，其适当地、例如根据电正性金属的聚集状态被确定。例如根据确定的实施方式，碱土金属、例如Mg和Ca以颗粒形式、例如作为粉末进料，而Li例如可以作为熔体进料。必要时，在用于电正性金属的第一进料装置上还安置了用于气体的另一个进料装置，所述另一个进料装置可选地带有控制装置、例如阀，利用所述阀可以调节电正性金属的进料。同样，用于反应气的第二进料装置也可以被构造为必要时能被加热的管或软管等，其中，合适的第二进料装置应当依据气体的状态被确定，所述气体有时会处于压力下。而且还可以设置多个用于电正性金属和/或反应气的第一和/或第二进料装置。此外，用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置也可以被构造为必要时能够被加热的管或软管等，其中，合适的第三进料装置同样适宜于依据水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的状态被确定，所述水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液有时会处于压力下。而且还可以设置多个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置。
此外，在第一反应器之前或其中设置引燃装置，以便引燃反应气和/或电正性金属，并且由此开始反应。引燃装置在此不被特殊局限，而是可以例如包括高压电源、电弧等。
第一和第二喷洒装置和/或雾化装置同样不被特殊局限，只要相应的物质、也即电正性金属或水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液能够在所述喷洒装置和/或雾化装置中被喷洒或雾化即可。优选地，喷洒装置和/或雾化装置由不被所述物质侵蚀的材料制成，例如如果利用第二喷洒装置和/或雾化装置喷洒和/或雾化电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液，则制成耐碱的喷洒装置和/或雾化装置。这同样适用于相应的进料装置。优选地完成喷洒和/或雾化，从而使物质、例如电正性金属或水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液尽可能完全地喷洒或雾化到反应气或经反应的混合物中，这可以通过喷洒装置和/或雾化装置的相应的结构有目的地实现，所述喷洒装置和/或雾化装置例如包括相应的喷嘴或雾化器。
此外不能排除的是，第一和第二进料装置在第一喷洒装置之前相遇，并且电正性金属连同反应气被一起喷洒。
此外在根据本发明的设备中不特殊局限分离装置，只要在第一分离装置中能够实现一方面固态和/或液态组分和另一方面气态组分的分离并且在第二分离装置中能够分离出氨即可。第二分离装置可以在此还处于用于能量转化的第二装置中，并且第一分离装置还可以处于第二反应器中。而且第一和第二反应器还可以处于贯通的容器或类似部件中。
第一分离装置根据本发明不被特殊局限，只要能够确保一方面固态和/或液态组分和另一方面气态组分的分离即可。在根据本发明的设备中，第一分离装置根据确定的实施方式具有旋风分离器和/或至少一个过滤板和/或至少一个静电过滤器。在此不排除所述分离装置的组合。
旋风分离器或旋风式反应器在此在其结构方面不被特殊局限，而是可以例如具有如常见的旋风式反应器一样的形状。
例如旋风式反应器可以包括反应区域，所述反应区域也可以相当于第二反应器，其例如成旋转对称的上部部件的形式；分离区域，所述分离区域例如锥形地构成；和卸压腔，在所述卸压腔上可以安置至少一个用于固态和/或液态组分的例如呈叶轮闸门形式的导出装置以及至少一个用于气态组分的导出装置。
这些设备部件例如通常存在于旋风分离器(Zyklonabscheider)中。然而根据本发明所应用的旋风式反应器也可以不同地构造，并且有时还包括其他区域。例如各个单独的区域(例如反应区域、分离区域、卸压腔)可以组合在例如旋风式反应器的一个部件中和/或在旋风式反应器的多个部件上延伸。
而且所述过滤板和/或可以包括过滤管的静电过滤器不被特殊局限，而是可以例如与旋风分离器相结合地使用。根据确定的实施方式，过滤板或过滤管还包含水的进料部，以便将沉淀的固体水解或洗脱。过滤器、过滤板和/或静电过滤器可以如旋风分离器一样由所谓耐腐蚀的材料制成，也即包括选自以下组别的材料，该组别由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆和这些金属的合金、以及钢、例如不锈钢和铬镍不锈钢组成。
根据确定的实施方式，至少一个用于能量转化的第一装置具有至少一个换热器。该换热器根据本发明不被特殊局限，而是可以例如与至少一个涡轮机和至少一个发电机耦连以便发电，然而也可以额外地或仅用于形成热能。
此外，根据本发明的设备根据确定的实施方式还可以具有控制装置，所述控制装置通过控制至少一个用于电正性金属的第一进料装置和/或至少一个用于包含氮气的反应气的第二进料装置和/或至少一个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置来调整水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液相对于反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例，从而使水和/或电正性金属的氢氧化物溶液和/或悬浮液中相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例大于2比1、优选大于3比1并且特别优选大于3.5比1。根据确定的实施方式，所述控制装置将水、例如还在电正性金属的氢氧化物溶液和/或悬浮液中的水相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例调整为大于10比1、优选大于25比1并且特别优选大于50比1，以便充分地从与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液相混合的混合物中得到气态组分，并且进而能够将氨有效地作为气态组分导出。
控制装置在此可以例如通过控制喷嘴、例如在进料装置或反应器处或中的喷嘴来分别控制电正性金属、反应气和/或水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的添加，或甚至控制进料装置本身，例如通过控制泵等，以便调整相应的物质的量的比例。
根据确定的实施方式，至少一个用于能量转换的第二装置具有至少一个涡轮机和至少一个用于形成电能或转化为电能的发电机。涡轮机和发电机如同上文所述的与换热器耦连的情况那样不被特殊局限，而是可以使用多个不同的涡轮机，这些涡轮机连接在一个或多个发电机上。
在根据本发明的设备中，第二分离装置根据确定的实施方式可以构造为，额外地从气态组分中分离出氮气。这种分离例如在使用纯氮气作为反应气和在反应之后以及与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合之后水蒸汽从气态组分中凝结时是会必然出现的。然而在反应气的其他特性的情况下，氮气分离也可以在分离氨和必要时水之后通过分解废气实现。在这种具有氮气分离的实施方式中，可以在根据本发明的设备中还设置用于源自第二分离装置的氮气的回收装置，所述回收装置构造为，将源自第二分离装置的氮气进料给用于包含氮气的反应气的第二进料装置和/或第一反应器。由此过量的氮气重新作为反应气被使用，从而可以更高效地实施根据本发明的方法。被回收的氮气可以根据确定的实施方式被预热。
上述实施方式、设计方式和改进方式能够以有意义的方式任意相互组合。其他可能的本发明的设计方式、改进方式和实施方案包括未具体提及的上述组合或以下根据实施例所述的本发明技术特征。本领域技术人员尤其可以将单独方面作为改进或补充加入本发明的相应的基本形式中。
以下借助示例性实施方式阐述本发明，该示例性实施方式不应以任何方式限制本发明。
在图1中示意性示出第一示例性实施方式。
首先在第一反应器1、例如燃烧管中，通过用于电正性金属的第一进料装置2和第一喷洒装置和/或雾化装置2a进料给第一反应器1的电正性金属、例如锂或镁与包含氮气的反应气发生燃烧。所述燃烧例如可以在含氮气氛中进行，所述含氮气氛也可以仅由氮气组成。反应气通过一个或多个用于反应气的第二进料装置3进料给第一反应器1。氮气的量在此可以如上所述选择为，使燃烧器总体上不过热。为此可以集成阀，所述阀可以调节反应气或所形成的气态产物的氮气份额和/或氨份额或用于燃烧和进而用于最终运行燃气轮机的反应气的量。例如，通过燃烧可形成由气体与固体、例如N2和Li3N或Mg3N2组成的混合物。
电正性金属和反应气的经反应的混合物则导入第二反应器4中，在第二反应器中从一个或多个第二喷洒装置和/或雾化装置5如喷水口、用水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷淋所述经反应的混合物。该混合物随后在第一分离装置6、例如旋风分离器6a中一方面以固态和/或液态组分7和另一方面以气态组分8分离。例如在此氮化物、例如Li3N转化为LiOH，LiOH随后被溶解，并且还形成氨。由氮化镁和水反应形成的氢氧化镁例如仅有限地溶解，由此形成悬浮液。
源自该混合物的固态和/或液态组分7、例如LiOH溶液或氢氧化镁悬浮液可以在用于能量转化的第一装置9中释放热量并且因此例如形成电能，随后固态和/或液态组分能够作为有用产物被获得和/或被回收和/或用于重新获得电正性金属，所述第一装置包括例如换热器9a、蒸汽轮机9b和发电机9c。
可能处于压力下的气态组分8、例如N2/NH3/H2O能导入用于能量转化的第二装置10，所述第二装置例如具有膨胀涡轮机10a和发电机10b，以便形成电能，其中，在此或在其他位置可以适当地将氨分离，例如借助冷凝器11，从而能够得到氨水溶液12、例如饱和或过饱和的氨水溶液，所述氨水溶液的浓度可以适当地调整。此外，可以从气态组分分离出氮气，所述氮气则能够通过回收装置13重新提供给第二进料装置3。
第二示例性实施方式在图2中示出，所述第二示例性实施方式与图1所示实施方式的区别在于反应器1、4和第二喷洒装置/雾化装置5的布置，并且区别在于，取代旋风分离器6a而使用静电过滤器6b作为第一分离装置6。在此根据确定的实施方式，静电过滤器6b本身例如也具有用于进料水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的喷嘴。
本发明描述了一种用于制造氨和借助涡轮机制造能量、尤其电能的方法和发电站设备。
固态和/或液态组的燃烧产物在此可以借助水性悬浮液/水溶液被去除，这允许简单的反应过程。所形成的盐溶液/悬浮液在此是这样的热，从而使盐溶液/悬浮液可以额外地通过换热器运行蒸汽轮机。
通过本发明提供了用于制造能量和氨的高效方法。通过电正性金属的高能量密度实现了工艺流程。总体上，根据本发明的设备可以使发电站例如实际无排放地运行，其中，所有产品都可利用。
Claims (14)
1.一种用于制造氨和能量的方法，其中，将选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金喷洒和/或雾化并且用包含氮气的反应气燃烧，将反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，将与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分(7)和另一方面以气态组分(8)分离，将一方面固态和/或液态组分(7)和另一方面气态组分(8)的能量至少部分转化，并且从气态组分(8)中分离出氨，其中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的混合是通过将液态和/或气态水喷洒到经反应的混合物中和/或将电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷洒到经反应的混合物中实现的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过旋风分离器和/或过滤板和/或静电过滤器实现一方面以固态和/或液态组分(7)和另一方面以气体组分(8)的分离。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，源自固态和/或液态组分(7)的能量的至少部分转化借助至少一个换热器实现。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，水相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例大于2比1、优选大于3比1并且特别优选大于3.5比1。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，源自气态组分(8)的能量向电能的至少部分转化通过至少一个涡轮机和至少一个发电机实现。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，用过量的氮气燃烧所述电正性金属。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，过量的氮气在燃烧后从气态组分中(8)中分离并且回收用于燃烧。
8.一种用于制造氨和能量的设备，所述设备包括：
第一反应器(1)，在所述第一反应器中，选自碱金属、碱土金属、铝和锌的电正性金属及其混合物和/或合金与包含氮气的反应气发生反应，所述第一反应器被构造为，使包含氮气的反应气与电正性金属发生反应；
至少一个用于喷洒和/或雾化电正性金属的第一喷洒装置和/或雾化装置(2a)，所述第一喷洒装置和/或雾化装置被构造为，将电正性金属喷洒和/或雾化到第一反应器中；
至少一个用于电正性金属的第一进料装置(2)，所述第一进料装置被构造为，将电正性金属进料给所述至少一个第一喷洒装置和/或雾化装置(2a)；
至少一个用于包含氮气的反应气的第二进料装置(3)，所述第二进料装置被构造为，将包含氮气的反应气进料给第一反应器；
第二反应器(4)，在所述第二反应器中，反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合，所述第二反应器被构造为，使反应气和电正性金属的经反应的混合物与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合；
至少一个用于喷洒和/或雾化水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第二喷洒装置和/或雾化装置(5)，所述第二喷洒装置和/或雾化装置被构造为，将水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液喷洒和/或雾化到第二反应器中；
至少一个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置，所述第三进料装置被构造为，将水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液进料给所述至少一个第二喷洒装置和/或雾化装置(5)；
第一分离装置(6)，在所述第一分离装置中，与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分(7)和另一方面以气态组分(8)被分离，所述第一分离装置被构造为，将与水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液混合的混合物一方面以固态和/或液态组分(7)和另一方面以气态组分(8)分离；
至少一个第一能量转化装置(9)，所述第一能量转化装置被构造为，将固态和/或液态组分(7)的能量至少部分转化；
至少一个第二能量转化装置(10)，所述第二能量转化装置被构造为，将气态组分的能量(8)至少部分转化；和
第二分离装置，在所述第二分离装置中，从气态组分中分离出氨，所述第二分离装置被构造为，从气态组分中分离出氨。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，第一分离装置(6)具有旋风分离器(6a)和/或至少一个过滤板和/或至少一个静电过滤器(6b)。
10.根据权利要求8或9所述的设备，其中，至少一个用于能量转化的第一装置(9)具有至少一个换热器(9a)。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的设备，还包括控制装置，所述控制装置通过控制至少一个用于电正性金属的第一进料装置(2)和/或至少一个用于包含氮气的反应气的第二进料装置(3)和/或至少一个用于水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液的第三进料装置来调整水和/或电正性金属的氢氧化物水溶液和/或悬浮液相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例，从而使水和/或电正性金属的氢氧化物溶液和/或悬浮液相对于在反应气和电正性金属燃烧时所形成的氮化物的物质的量的比例大于2比1、优选大于3比1并且特别优选大于3.5比1。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的设备，其中，至少一个用于能量转化的第二装置(10)具有至少一个涡轮机(10a)和至少一个用于形成电能的发电机(10b)。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的设备，其中，第二分离装置被构造为，额外地将氮气从气体组分中分离。
14.根据权利要求13所述的设备，还具有用于源自第二分离装置的氮气的回收装置(13)，所述回收装置被构造为，源自第二分离装置的氮气进料给用于包含氮气的反应气的第二进料装置(3)和进料给第一反应器(1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170524 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |