CN106717129A - 通过将反应气体等离子化点燃正电性金属的火焰 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法以及一种用于实施所述方法的设备，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，例如只为了点燃反应气体，至少暂时地将反应气体转化为等离子体。

Description

通过将反应气体等离子化点燃正电性金属的火焰
本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法以及一种用于实施所述方法的设备，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，例如只为了点燃反应气体，至少暂时地将反应气体转化为等离子体。
由于减少二氧化碳排放的必要性，近些年来讨论了用于由备选资源产生能量的不同可能性。
在DE102008031437.4中描述了如何能够通过正电性金属呈现可完全回收利用的能量循环。所述能量循环在WO2012/038330和WO2013/156476中详细地阐述。在此处描述的能量循环中，能量释放通过燃烧正电性金属实现，所述正电性金属例如是气体环境如空气或者二氧化碳(CO2)中的锂、钠、钾、镁、钙、锶、钡或者铝或者锌。
问题呈现在正电性金属与反应气体的反应和如何引起反应方面。
通常热学地点燃正电性金属，并且特别是碱金属。在此，借助气体火焰或者电加热装置将金属加热至所需的点燃温度。
此外，碱金属能够自燃，并且例如在与水接触时就足以自燃，对于铷和铯的情况空气接触就已经足够。
金属燃烧的另一应用领域是航空航天技术。在此，金属主要作为用于固体火箭的推进燃料。点火在此通常热学地借助通过燃烧产生热量的引火药进行。
为了点燃汽油-空气混合物，在当今的发动机中在火花塞的电极之间使用电火花击穿，其中，燃料-空气混合物局部短时间地升温至3000至6000K。为了形成稳定的独立火焰一方面重要的是，在火花击穿的时间点在点火电极的区域内具有能点燃的混合物，另一方面通过电极之间的等离子体传递至混合物的热能必须大于电极上的损耗。电极之间的离子化的气体在这个阶段达到约6000K的温度。然而在较高的流动速度或者在较冷的反应气体中，这种点火并不总是可靠的。
为了点燃非常惰性的燃料-气体混合物，如稀燃的混合物或者具有较高废气比例的混合物，必须向气体混合物中输入更多能量和/或点燃比按化学计量的混合物中更大的混合物体积。这可以通过更多的电能或者通过能量输入的更高效率实现。电能的提高受到电极熔损(磨损、火花塞的使用寿命等)的限制。因此目标是将所有电能输入到尽可能大的混合物体积中。这种释放形式可以通过等离子体束点火系统实现。在这些系统中，等离子体的形成通过在点火器的较小空腔中的火花击穿实现。等离子体从点火器中的开口作为喷出物进入燃烧室并且在该处点燃较大的混合物体积。火花塞具有与传统的钩形火花塞几乎相同的外部几何尺寸。区别在于朝向燃烧室的火花塞尖部，其取代自立的中间和高容量电极具有相对较小的空腔，所述空腔朝向燃烧室敞开。
另一点火系统由等离子切割机已知。在等离子燃烧器中，空气通过光电弧(HV放电)加热到极高的温度。在此形成能导电的等离子体，切割电流能够通过所述等离子体从等离子切割燃烧器内部的电极流向工件(阳极)。在等离子弧中形成高达30000℃的温度。具有较小钻孔的切割喷嘴使切割电流缩紧并且由此形成强烈会聚的等离子切割束。所述等离子电弧使金属非常迅速地熔化并且通过其较高的动能将熔液从切割接缝中甩出。形成了干净和平滑的切面。相应的设备例如由DE 10 2009 04 968 A1已知。
一如既往地存在对用于在通过正电性金属燃烧反应气体时产生等离子体的方法的需求。
以下描述用于借助反应气体的等离子化点燃这些金属的一种可能性。
业已证明，通过在喷嘴内部产生等离子体能够在反应气体与正电性金属之间实现改善的反应引导和改善的反应。此外业已证明，通过将反应气体直接用作等离子气体，也就是用于产生等离子体的气体，不再需要附加的等离子气体，这简化了反应引导并且还能避免来自等离子气体的副产品。此外，用于点燃正电性金属所需的能量有针对性地引入反应气体，这比例如借助电加热装置或者气体火焰通过热辐射进行加热明显更高效。尤其还业已证明，通过将喷嘴用作第一电极并且金属束用作第二电极以点燃等离子体能够有效地产生等离子体，所述等离子体本身在正电性金属的流动速度较高时实现了正电性金属和反应气体的良好反应。
按照第一方面，本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，至少暂时地将反应气体转化为等离子体，并且其中，反应气体和正电性金属通过输入装置分隔开地、优选共轴地输入至少一个喷嘴中并且所输入的反应气体在至少一个喷嘴内部至少暂时地转化为等离子体，例如只为了点燃反应气体。
按照另一方面，本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的设备，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，所述设备具有：
至少一个喷嘴，所述喷嘴设计用于使由正电性金属和反应气体组成的混合物雾化或微粒化，
用于正电性金属的第一输入装置，所述第一输入装置设计用于将正电性金属输入所述至少一个喷嘴中，
用于反应气体的第二输入装置，所述第二输入装置设计用于将反应气体输入所述至少一个喷嘴中，和
处于所述至少一个喷嘴之上和/或之中的点燃设备，所述点燃设备至少暂时地将至少一个喷嘴内部的反应气体转化为等离子体。
本发明的其它方面由从属权利要求和详细的说明书以及附图中得知。
各附图应当说明本发明的实施形式并且传达对本发明的实施形式的进一步理解。它们用于与说明书有关地阐述本发明的方案和原理。其它的实施形式和所述的很多优点参考附图获得。附图的各元件不一定相互按比例表示。只要没有另作说明，相同的、功能相同的或者作用相同的元件、特征和部件在附图中分别配设有相同的附图标记。
图1示意性地示出用于金属雾化的具有等离子点燃装置的双组分喷嘴，例如液态金属雾化装置；
图2示意性地示出用于液态金属雾化的具有等离子点燃装置的单组分喷嘴；
图3示意性地示出相反的结构，其具有处于内部的等离子喷嘴和外部的液态金属雾化装置；
图4又示意性地示出具有等离子点燃装置的液态金属喷嘴，具有对高压(HV)放电装置的细节视图；
图5示意性地示出具有等离子点燃装置的液态金属喷嘴，其中液态金属束用作电极；
图6示意性地示出具有螺旋盘和处于内部的液态金属喷嘴的等离子喷嘴；
图7示出按照本发明的用于液态金属雾化的具有等离子点燃装置的双组分喷嘴的示例设备。
按照第一方面，本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，至少暂时地将反应气体转化为等离子体，并且其中，反应气体和正电性金属通过输入装置分隔开地、优选共轴地输入至少一个喷嘴中并且所输入的反应气体在至少一个喷嘴内部至少暂时地转化为等离子体，例如只为点燃反应气体。
按照某些实施形式，正电性金属选自碱金属，优选是Li、Na、K、Rb和Cs、碱土金属、优选是Mg、Ca、Sr和Ba、Al和Zn，以及它们的混合物和/或合金。在优选的实施形式中，正电性金属选自Li、Na、K、Mg、Ca、Al和Zn，进一步优选是Li和Mg，正电性金属特别优选是锂。正电性金属的混合物和/或合金也是可行的。
按照某些实施形式，作为反应气体考虑这些气体，它们与能够与所述的正电性金属或者正电性金属的混合物和/或合金在放热的反应中进行反应，其中，这些气体没有特别地受到限制。例如，反应气体可以包括空气、氧气、二氧化碳、氢气、水蒸气、氮氧化物NOx如氧化亚氮、氮气、二氧化硫或者它们的混合物。所述方法也可以用于脱硫或者去除NOx。在此，根据反应气体，可以通过不同的正电性金属得到不同的产物，所述产物可以是固体、液体以及也可以呈气态。
由此例如可以在正电性金属例如锂与氮气反应时主要形成金属氮化物，如氮化锂，其随即可以在之后进一步反应为氨气，而在正电性金属例如锂与二氧化碳的实施形式中例如可能形成金属碳酸盐如碳酸锂、一氧化碳、金属氧化物如氧化锂，或者也可能形成金属碳化物如碳化锂，以及也可能形成它们的混合物，其中，由一氧化碳与氢气可能得到高品质的、例如更长链的、含碳的产品，如甲烷、乙烷等直至汽油、柴油，但也可能得到甲醇等，例如使用Fischer-Tropsch方法，而由金属碳化物例如碳化锂例如可以得到乙炔。此外例如也可以通过氧化亚氮作为燃烧气体形成例如金属氮化物。
类似的反应也可以针对所述的其它金属进行。
通过至少暂时地转换为等离子体，可以引入用于开始反应所需的能量。按照某些实施形式，通过反应气体的等离子化启动反应并且同时或者之后引入正电性金属就足够了。接着，反应气体可以作为或者不作为等离子体存在。也可以在输入正电性金属和反应气体期间通过反应气体向等离子体的转换启动反应。
按照某些实施形式，也可以在用于等离子化的输入过程之前或者之中使反应气体产生涡流，以便实现与正电性金属的更好混合并且稳定等离子火焰，例如通过螺旋体或者螺旋盘。
借助通过分隔开的输入装置的输入，可以使反应进入输入装置中。通过优选共轴的输入，可以确保将离析物轻易和快速地输入反应中以及良好的混合并且进一步改善反应。
此外，等离子体在喷嘴内部的产生没有受到特殊限制并且可以例如通过高压或者通过输入热能或者以其它方式、例如通过直流火花、借助聚焦的激光束或者通过应用收缩效应进行。优选通过高电压产生等离子体。尤其通过高压产生等离子体，其中，喷嘴是电极之一。
按照某些实施形式，在至少一个喷嘴内部通过在4至100kV、优选4至10kV范围内的高压放电(HV-Entladung)产生等离子体，例如通过点燃反应气体，其中，喷嘴优选用作电极。高压在此可以具有或者不具有交变电场地存在。在交变电场中，频率没有受到特殊限制并且例如可以是0Hz(DC)、15-25kHz、40kHz、400kHz、13.65MHz或者任意的其它频率，例如微波范围内的频率，其也不需要固定地保持在一个频率上。通过利用高压进行点燃，能够实现有针对性和快速的等离子化。按照某些实施形式，引入的能量也取决于所产生的电流的高频场。因此电流优选在1mA-10A的范围内，特别优选在10mA-1000mA的范围内。在此，高压例如可以通过至少一个高压发电机提供，其按照本发明没有受到特殊限制。按照某些实施形式，通过高压绝缘装置和/或输入装置的相应适当涂层，可以避免火花进入输入装置和提早点燃等离子体并且将点燃过程定位在喷嘴中。
按照某些实施形式，等离子体沿反应气体的流动方向流出喷嘴内部。为此例如可以适当地设置喷嘴和/或输入装置的例如形状或者布置，或者可以适当地调节物质流。由此可以确保等离子体与反应气体充分接触。
按照某些实施形式，在点燃液态金属之后还可以简单地关闭高压，并且由反应气体和正电性金属构成的火焰可以自维持地进一步燃烧。如果火焰熄灭，其可以随时通过施加高压被点燃。
原则上可以与特殊的喷嘴构造无关地更换电极，例如高压接头的导电连接和相应的接地连接。这只影响HV(高压)放电设备的结构方向，但这对所述方法没有影响，只要反应气体的等离子火焰被适当点燃。然而，喷嘴优选是电极之一，并且另一个电极处于喷嘴内部，例如其它输入装置之一或者正电性金属本身，以便有针对性地在喷嘴内部实现并且快速和高效地确保等离子体的点燃，从而即使在正电性金属的流动速度较高时，例如在小型设备中为0.1g/s至大型设备中为10kg/s或者更大时，也能有效地将其点燃并且进行反应。为此例如也可以在最外部的与喷嘴接触的输入装置的外壁上安装电极。例如可以在喷嘴中处于外部的输入装置的外壁和内壁上设置电极，以便在喷嘴内部实现点燃。
按照某些实施形式，高压放电的实际局部点和因此反应气体等离子化的点可以通过阳极与阴极的距离、例如金属喷嘴与反应气体喷嘴的距离进行调节。这尤其可以是电极之间的距离最小的点，因为在该处绝缘路程最短并且因此在该处形成HV放电。这针对示例性实施形式也在图4中示出并且在所述实施例的范围内还将详细阐述。例如，可以通过喷嘴或者两个喷嘴之一的有针对性的过高或翘曲可以有针对性地调节从何时起由反应气体形成等离子体并且例如作为液体的正电性金属的输入与形成等离子体的等离子点之间的距离有多远。在此，等离子点不局限于一个点并且也可以占据一定的区域，例如喷嘴或者输入装置之间的在其间具有最小距离的区域。
按照某些实施形式，附加地将雾化气体输入所述至少一个喷嘴并且通过雾化气体使正电性金属雾化。由此可以使正电性金属更好地分布在等离子体和/或反应气体中并且因此进一步改善反应。此外，通过输入雾化气体也可以实现更好的放热反应控制，例如方式为将产生的热量传递至雾化气体。之后也可以由雾化气体中的热量获取电能，例如通过借助至少一个热交换器和/或至少一个具有至少一个发电机的涡轮机。热量也能够以其它方式应用，例如用于在输入喷嘴之前对反应气体和/或正电性金属进行预加热。
备选地，正电性金属的雾化也能够以其它方式进行，例如通过螺旋体，或者也可以不进行。
按照本发明，雾化气体没有特别的限制，并且可以与反应气体一致，但也可以不同于反应气体。作为雾化气体例如考虑使用空气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、氢气、水蒸气、氮气、一氧化二氮、这些气体中的两个或多个的混合物等。在此，不同的气体、例如甲烷可以用于热传输并且将反应产生的反应热从正电性金属与反应气体一起从喷嘴中排出。不同的载气雾化气体例如可以与反应气体和正电性金属的反应适当地适配，以便必要时在此实现协作效果。
反应气体、正电性金属和必要时雾化气体的输入速度没有特别的限制并且可以根据所使用的反应气体、正电性金属和必要时雾化气体和由此进行的反应或者等离子化而改变。通过确定例如反应动力学和动态，例如根据适当的模拟或者根据以不同流动速度进行的简单实验，可以适当地确定它们。
按照某些实施形式，所述正电性金属在输入所述至少一个喷嘴之前被液化或者雾化并且作为液体或者作为颗粒输入所述至少一个喷嘴中。在此按照某些实施形式，颗粒可以具有这样的尺寸，使得其最大长度在任意的横截面中总计达20％以下的喷嘴直径。由此可以简化正电性金属的输入并且降低与反应气体的反应难度。按照某些实施形式，正电性金属也可以更轻易地雾化并且分配，由此可以实现更好的反应。在此，液体或者颗粒的温度没有特别限制并且可以根据反应进行有针对性地调节。在此可以根据正电性金属以不同方式实现输入，其中，例如对于碱金属优选液态输入，而碱土金属按照某些实施形式优选作为粉末/颗粒输入。
按照其它某些实施形式，可以通过设置触头将正电性金属用作产生等离子体时的电极。正电性金属可以例如作为略微雾化的固体或者作为液体束，例如作为粘滞性的液体束通过用于正电性金属的输入装置输入并且因此以束的形式置入喷嘴中，因此随即所述束到达与喷嘴的最短距离并且因此在相应地施加电压的情况下可以进行从金属束向喷嘴的高压放电。由此可以有针对性地定位高压放电并且确保从输入开始的正电性金属的良好反应，由此附加地避免损耗。优选的是作为液体束或者作为密集的金属颗粒云的输入，以便能够更容易地开始反应并且使得在反应开始之后正电性金属更容易地分布在反应气体中。与之相关地需要考虑的是，按照某些实施形式，密集的金属颗粒云还需要具有足够的整体传导能力，由此实现所述效果。火花由此可以简单地通过颗粒跳跃。所述整体传导能力可以例如根据所使用的正电性金属，但也可以根据颗粒尺寸改变并且根据例如正电性金属的导电性能和模拟或者简单地实验适当地调节或者确定。按照某些实施形式，密集的金属颗粒云相对于所有输入的组成部分(例如正电性金属、反应气体和必要时雾化气体)的混合物包括0.5-50质量百分比的、进一步优选10-20质量百分比的金属。
在此，可以根据正电性金属和反应气体的特性、例如在反应时释放的能量、正电性金属在所调节温度时的密度和粘滞性等有针对性地调节正电性金属的液体或者金属颗粒的温度，以便控制反应。
按照另一方面，本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的设备，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，所述设备具有：
至少一个喷嘴，所述喷嘴设计用于使由正电性金属和反应气体组成的混合物雾化或微粒化，
用于正电性金属的第一输入装置，所述第一输入装置设计用于将正电性金属输入所述至少一个喷嘴中，
用于反应气体的第二输入装置，所述第二输入装置设计用于将反应气体输入所述至少一个喷嘴中，和
处于所述至少一个喷嘴之上和/或之中的点燃设备，所述点燃设备至少暂时地将至少一个喷嘴内部的反应气体转化为等离子体。
按照本发明，至少一个喷嘴在其设计和材料方面没有特别限制，只要其能够在产生等离子体和反应气体与正电性金属进行反应时满足反应条件。在此可以根据反应气体类型、正电性金属、雾化气体的可能输入、输入几何形状等适当地设计喷嘴。例如，按照某些实施形式，至少一个喷嘴可以设计为单组分喷嘴或者双组分喷嘴。
按照某些实施形式，适合作为用于喷嘴的材料例如选自以下组，所述组由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆、和这些金属的合金以及钢如精炼钢和铬镍钢组成。所述材料优选在较高的温度下使用，在所述温度中例如可以通过液态的正电性金属更简单地进行反应。
管或者软管或者传送带例如可以作为用于正电性金属的第一输入装置，它们能够被加热并且能够例如适当地根据正电性金属的聚集状态被确定。必要时可以在用于正电性金属的第一输入装置上安装用于气体的另一输入装置，可选地具有控制装置如阀门，通过所述阀门能够调节正电性金属的输入。投影到，用于反应气体的第二输入装置也可以是必要时可以被加热的管或者软管等，其中，适当的第二输入装置可以适当地根据可能处于压力下的气体状态被确定。也可以设置多个用于正电性金属和/或反应气体的第一和/或第二输入装置。
点燃设备没有特别的限制，只要其能够将反应气体转化为等离子体。适当的点燃设备例如是具有4至100kV、优选4至10kV范围内的电压的高压源，其适当地安装在喷嘴上。高压在此可以具有或者不具有交变电场地存在。在交变电场中，频率没有受到特殊限制并且例如可以是0Hz(DC)、15-25kHz、40kHz、400kHz、13.65MHz或者任意的其它频率，例如微波范围内的频率，其也不需要固定地保持在一个频率上。通过利用高压进行点燃，能够实现有针对性和快速的等离子化。按照某些实施形式，引入的能量也取决于所产生的电流的高频场。因此电流优选在1mA-10A的范围内，特别优选在10mA-1000mA的范围内。
此外也可以使用其它的点燃设备，例如直流火花、聚焦的激光束或者通过应用收缩效应的点燃设备。优选通过高压产生等离子体。
按照某些实施形式，按照本发明的设备可以具有用于雾化气体的第三输入装置，所述第三输入装置设计用于将雾化气体输入所述至少一个喷嘴中。用于雾化气体的第三输入装置没有特别限制并且可以设计为必要时可以被加热的管或者软管等，其中，根据必要时可能处于压力下的气体的状态可以适当地确定适当的第三输入装置。也可以设置多个用于雾化气体的第三输入装置。
按照某些实施形式，用于正电性金属的第一输入装置和/或用于反应气体的第二输入装置和/或用于雾化气体的第三输入装置通入所述至少一个喷嘴中。由此可以良好地在喷嘴中定位点燃和反应。按照某些实施形式，至少第一输入装置和第二输入装置通入喷嘴中，其中例如也可以在正电性金属之前输入雾化气体。输入装置优选彼此共轴地设计，然而至少第一和第二输入装置共轴地设计，以便实现正电性金属和反应气体和必要时雾化气体的良好混合。输入装置的形式没有特别限制并且输入装置的横截面可以例如是正方形、矩形和/或圆形，其中，输入装置优选至少区段性地由共轴的圆形横截面沿流动方向构成。
按照本发明的设备还可以具有用于正电性金属的熔化设备或者粉碎设备，所述熔化设备或者粉碎设备设计用于在用于正电性金属的第一输入装置之前或者之中将正电性金属熔化或者粉碎。由此可以使得点燃和反应以及正电性金属的混合更容易。熔化设备或者粉碎设备的类型在此没有特别限制并且例如可以包括加热器、燃烧器等或者研磨器、压碎器等并且适当地设置。
按照某些实施形式，所述至少一个喷嘴设计为金属喷嘴或者反应气体喷嘴或者雾化气体喷嘴，其中，用于正电性金属的第一输入装置通入金属喷嘴中和/或用于反应气体的第二输入装置通入反应气体喷嘴中和/或用于雾化气体的第三输入装置通入雾化气体喷嘴中。在此，按照某些实施形式，可以将用于正电性金属的第一输入装置优选共轴地设计在用于反应气体的第二输入装置内部，并且用于反应气体的第二输入装置通入相应于所述至少一个喷嘴的反应气体喷嘴中，其中，用于正电性金属的第一输入装置设计用于将正电性金属输入至少一个喷嘴内部。由此可以实现更好的反应。类似的布置可以针对以下情况实现，即至少一个喷嘴是金属喷嘴并且第二输入装置中的反应气体优选共轴地输入用于正电性金属的第一输入装置内部或者对于雾化气体喷嘴的情况，正电性金属和反应气体的输入优选共轴地在用于雾化气体的第三输入装置中进行，其中，在此第一和第二输入装置也可以如上所述地布置在彼此内部。对于金属喷嘴或者反应气体喷嘴的情况，第三输入装置可以分别优选共轴地布置在第一或者第二输入装置内部，其中，第三输入装置布置在另两个输入装置内部或者布置在两者之间。
按照某些实施形式，当用于反应气体的第二输入装置处于内部时，可以在其中设置具有例如4至100kV、优选4至10kV的电压的高压电极，用于产生等离子体，高压电极可以适当地安装。高压在此可以具有或者不具有交变电场地存在。在交变电场中，频率没有受到特殊限制并且例如可以是0Hz(DC)、15-25kHz、40kHz、400kHz、13.65MHz或者任意的其它频率，例如微波范围内的频率，其也不需要固定地保持在一个频率上。通过利用高压进行点燃，能够实现有针对性和快速的等离子化。按照某些实施形式，引入的能量也取决于所产生的电流的高频场。因此电流优选在1mA-10A的范围内，特别优选在10mA-1000mA的范围内。
在按照本发明的设备中，按照某些实施形式，所述点燃设备可以设计为高压点燃设备，所述高压点燃设备具有高压源，例如高压发电机，其具有4至100kV范围内的电压，所述高压源与两个电极相连，其中，
i)用于正电性金属的第一输入装置或者正电性金属本身和用于反应气体的第二输入装置，或者
ii)用于正电性金属的第一输入装置或者正电性金属本身和用于雾化气体的第三输入装置，或者
iii)用于反应气体的第二输入装置和用于雾化气体的第三输入装置分别设计为电极，并且
相应电极之间的最短距离设计在所述至少一个喷嘴内部。
因为电极之间的最短距离设计在所述至少一个喷嘴内部，所以可以有效地将点燃定位在喷嘴内部。
在此，一种确定的实施形式是，所述正电性金属这样设计为电极，使得正电性金属在通过用于正电性金属的第一输入装置输入之后作为凝聚的金属体或者作为密集的金属颗粒云导入所述至少一个喷嘴中，并且点燃设备通过至少一个喷嘴和正电性金属构成。优选地，用于正电性金属的第一输入装置在此布置在用于反应气体的第二输入装置内部。按照某些实施形式，密集的金属颗粒云相对于所有输入的组成部分(例如正电性金属、反应气体和必要时雾化气体)的混合物包括0.5-50质量百分比的、进一步优选10-20质量百分比的金属。
按照某些实施形式，第一和/或第二和/或第三输入装置也可以包含如螺旋体或者螺旋盘的本体，用于形成涡流或者相应更好地喷洒反应气体或者正电性金属或者雾化气体，以便实现更好的混合。由此例如也可以使等离子体稳定，尤其通过用于反应气体的第二输入装置中的涡流。
按照本发明的设备可以设置在已知的用于燃烧正电性金属与反应气体的工艺设备中，如由DE 102013224709.5已知的那样。
只要合理，上述实施形式、设计方案和扩展设计能够任意地相互组合。本发明的其它可能的设计方案、扩展设计和实施形式也包括之前或者以下关于实施例描述的本发明特征的没有明确阐述的组合。本领域技术人员尤其可以将单独方面作为改进或者补充加入本发明的相应基本形式中。
以下根据示例性的实施形式阐述本发明，所述实施形式不以任何方式限制本发明。
按照本发明的设备的示例性基础是液态金属喷嘴与气体等离子体喷嘴的组合，以便借助有针对性的向用于燃烧所需的反应气体中的能量引入点燃雾化的液态金属。
图1和图2示出按照本发明的两个示例性实施形式的这种金属喷嘴-等离子体喷嘴组合结构的两个可能性。
图1和图2所示的示例性结构原则上由作为用于使反应气体1等离子化的反应气体喷嘴的等离子体喷嘴/反应气体喷嘴5和作为金属喷嘴的用于使液态或者雾化的示例性正电性金属2(例如Li或者Mg)雾化的喷嘴6组成，所述金属喷嘴在这些情况下同时作为用于等离子体喷嘴的HV放电的对应电极。
通过施加的高压VHV和由此形成的高压火花，例如在喷嘴中的电极之间的最小距离处，通过用于反应气体的第二输入装置10导入的反应气体1被等离子化并且在等离子体喷嘴5处会聚，在该处最终形成反应气体的等离子火焰3。如果在通过用于正电性金属的第一输入装置8(例如液态金属通道)输入之后，通过金属喷嘴6将待燃烧的正电性金属2有针对性地置入等离子火焰3中，则正电性金属由于等离子火焰中的高温被点燃并且形成金属火焰4。
如图1所示，在第一示例性实施形式中可以通过用于雾化气体的第三输入装置9输入附加的雾化气体7，以便能够使正电性金属2雾化。
在图2所示的第二示例性实施形式中，正电性金属的备选雾化方式通过喷嘴螺旋体11呈现。
当然也可以通过其它方式进行正电性金属的雾化，或者首先不进行雾化。
与图1和图2所示的具有内部金属喷嘴6和外部等离子体喷嘴5的结构不同，按照第三示例性实施形式也可以考虑相反的结构，其中等离子体喷嘴5处于内部并且金属喷嘴6处于外部。在此，用于产生等离子体的高压放电可以例如通过等离子体喷嘴5中的附加高压电极12产生。
图4详细地示意性示出第四示例性实施形式中的高压放电，所述第四示例性实施形式大部分与第二示例性实施形式一致，但不存在喷嘴螺旋体11。在此，详细地示意性示出等离子体喷嘴5与金属喷嘴6之间的高压放电(HV-放电)13，其中，有针对性地在两个喷嘴之间调节形成最短距离。
高压放电的实际的局部点和因此反应气体的等离子化的点或者区域可以例如通过阳极与阴极或者说金属喷嘴6与等离子体喷嘴5的距离进行调节。在此重要的是最小距离的点，因为在该处的绝缘路程最短并且因此在该处形成HV放电，如图4所示。因此，通过使两个喷嘴之一有针对性的过高或翘曲，能够调节从何时起形成等离子体和正电性金属2与所述“等离子体点”之间的距离有多远。
在图5中示出具有特殊的喷嘴设计的第五示例性实施形式。在此，正电性金属示例性地作为液体提供，其在反应气体内部具有足够的内聚力，这能够以适当方式通过选择正电性金属、其温度等和反应气体、其流动特性和速度等、喷嘴结构等确保。因此，在离开金属喷嘴6时形成液态金属射束14。所述液态金属射束14可以基于液态金属在等离子体喷嘴5内部的导电能力用作电极。因此，高压直接在待燃烧的介质、正电性金属2和等离子体喷嘴5之间放电。这对于液态金属燃烧是独一无二的，因为其它燃料如机油、汽油、炭黑粉末等几乎不具有导电能力。
图6示出第六示例性实施形式。在图中显示了事先将反应气体偏转到示例性的螺旋轨道上如何对于等离子火焰3的稳定化是有利的。这例如能够通过螺旋盘15实现，其处于用于反应气体的第二输入装置10中并且相应地使气体流偏转，如图6所示。
在图7中示出第七示例性实施形式，其中使用了与图1中的结构相应的喷嘴，其中，作为反应气体1和雾化气体7使用二氧化碳，而具有约300℃的温度的锂用作正电性金属2。示例性的喷嘴关于输入装置或者喷嘴出口具有0.5mm的直径d1、2mm的直径d2和3.5mm的直径d3。等离子体的点燃通过作为高压源的高压发电机实现，所述高压源上施加的电压UHV为14kV。通过高压绝缘件17可以防止在朝向输入装置内部的喷嘴的气体入口处点燃。正电性金属如锂在此可以例如以0.5-1g/s的流动速度被输入，而反应气体例如以10L/min的流动速度被输入。在此形成稳定燃烧的反应火焰。
原则上在前述示例性实施形式中，能够与特殊的喷嘴结构无关地更换高压连接和相应的接地连接的导电连接。这只影响HV放电的结构方向，这对于在此描述的应用并不重要。
在正电性金属2点燃之后，还可以例如简单地关闭高压并且金属火焰4自动保持地继续燃烧。如果金属火焰4熄灭，能够随时通过高压再次点燃金属火焰。
本发明描述了用于使正电性金属和反应气体有效地点燃和反应的方法和设备并且尤其是用于金属燃烧器、例如液态金属燃烧器的具有集成的等离子点燃装置的喷嘴。

Claims (14)

1.一种用于燃烧具有正电性金属(2)的反应气体(1)的方法，其中，正电性金属(2)从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，
其中，在燃烧之前和/或之中，至少暂时地将反应气体转化为等离子体，并且其中，反应气体(1)和正电性金属(2)通过输入装置(8；10)分隔开地、优选共轴地输入至少一个喷嘴中并且所输入的反应气体(1)在至少一个喷嘴内部至少暂时地转化为等离子体。
2.按权利要求1所述的方法，其中，在至少一个喷嘴内部通过在4至100kV范围内的高压放电(13)产生等离子体，其中，喷嘴优选用作电极。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，附加地将雾化气体(7)输入所述至少一个喷嘴并且通过雾化气体(7)使正电性金属(2)雾化。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其中，所述正电性金属(2)在输入所述至少一个喷嘴之前被液化或者雾化并且作为液体或者作为颗粒输入所述至少一个喷嘴中。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其中，通过设置触头将正电性金属(2)用作产生等离子体时的电极。
6.一种用于燃烧具有正电性金属(2)的反应气体(1)的设备，其中，正电性金属(2)从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，所述设备具有：
至少一个喷嘴，所述喷嘴设计用于使由正电性金属(2)和反应气体(1)组成的混合物雾化，
用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)，所述第一输入装置设计用于将正电性金属(2)输入所述至少一个喷嘴中，
用于反应气体(1)的第二输入装置(10)，所述第二输入装置设计用于将反应气体(1)输入所述至少一个喷嘴中，和
处于所述至少一个喷嘴之上和/或之中的点燃设备，所述点燃设备至少暂时地将至少一个喷嘴内部的反应气体(1)转化为等离子体。
7.按权利要求6所述的设备，所述设备还具有用于雾化气体(7)的第三输入装置(9)，所述第三输入装置设计用于将雾化气体(7)输入所述至少一个喷嘴中。
8.按权利要求6或7所述的设备，其中，用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)和/或用于反应气体(1)的第二输入装置(10)和/或用于雾化气体(7)的第三输入装置(9)通入所述至少一个喷嘴中并且优选彼此共轴地设计。
9.按权利要求6至8之一所述的设备，其中，所述至少一个喷嘴设计为单组分喷嘴或者双组分喷嘴。
10.按权利要求6至9之一所述的设备，所述设备还具有用于正电性金属(2)的熔化设备或者粉碎设备，所述熔化设备或者粉碎设备设计用于在用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)之前或者之中将正电性金属(2)熔化或者粉碎。
11.按权利要求6至10之一所述的设备，其中，所述至少一个喷嘴设计为金属喷嘴(6)或者反应气体喷嘴(5)或者雾化气体喷嘴，其中，用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)通入金属喷嘴(6)中和/或用于反应气体(1)的第二输入装置(10)通入反应气体喷嘴(5)中和/或用于雾化气体(7)的第三输入装置(9)通入雾化气体喷嘴中。
12.按权利要求11所述的设备，其中，用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)共轴地设计在用于反应气体(1)的第二输入装置(10)内部，并且用于反应气体(1)的第二输入装置(10)通入相应于所述至少一个喷嘴的反应气体喷嘴(5)中，其中，用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)设计用于将正电性金属(2)输入至少一个喷嘴内部。
13.按权利要求6至12之一所述的设备，其中，所述点燃设备设计为高压点燃设备，所述高压点燃设备的高压源具有4至100kV范围内的电压，所述高压源与两个电极相连，其中，
i)用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)或者正电性金属(2)本身和用于反应气体(1)的第二输入装置(10)，或者
ii)用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)或者正电性金属(2)本身和用于雾化气体(7)的第三输入装置(9)，或者
iii)用于反应气体(1)的第二输入装置(10)和用于雾化气体(7)的第三输入装置(9)分别设计为电极，并且
相应电极之间的最短距离设计在所述至少一个喷嘴内部。
14.按权利要求13所述的设备，其中，所述正电性金属(2)这样设计为电极，使得正电性金属在通过用于正电性金属(2)的第一输入装置(8)输入之后作为凝聚的金属体或者作为密集的金属颗粒云导入所述至少一个喷嘴中，并且点燃设备通过至少一个喷嘴和正电性金属(2)构成。
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