DE102013224709A1 - Process plant for the continuous combustion of an electropositive metal - Google Patents

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Wiebke Sarfert
Günter Schmid
Dan Taroata
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie sowie eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie.The present invention relates to a method for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy and to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, und bevorzugt gleichzeitig chemischer Rohstoffe, sowie eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie. The present invention relates to a method for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy, and preferably at the same time chemical raw materials, and a device for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy.

Stand der Technik State of the art

Fossile Brennstoffe liefern jährlich zehntausende Terrawattstunden an elektrischer, thermischer und mechanischer Energie. Das Endprodukt der Verbrennung, Kohlendioxid (CO2), wird jedoch zunehmend zu einem Umwelt- und Klimaproblem. Fossil fuels deliver tens of thousands of terawatt hours of electrical, thermal and mechanical energy every year. However, the end product of combustion, carbon dioxide (CO 2 ), is increasingly becoming an environmental and climate problem.

Beispielsweise wird in DE 10 2008 031 437 A1 und DE 10 2010 041 033 A1 aufgezeigt, wie sich ein vollständiger Energiekreislauf mit elektropositiven Metallen darstellen lässt. Als Fallbeispiel dient Lithium, das sowohl als Energieträger als auch als Energiespeicher dient. Es wird darin angenommen dass sich die Erkenntnisse auf andere elektropositive Metalle wie Natrium, Kalium oder Magnesium, Calcium, Barium oder Aluminium und Zink übertragen lassen. For example, in DE 10 2008 031 437 A1 and DE 10 2010 041 033 A1 shows how a complete energy cycle with electropositive metals can be represented. As a case example lithium is used, which serves both as an energy source and as energy storage. It is believed that the findings can be transferred to other electropositive metals such as sodium, potassium or magnesium, calcium, barium or aluminum and zinc.

Sind die aktuellen Anstrengungen zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie erfolgreich, wird in naher Zukunft genügend Energie aus diesen Quellen zur Verfügung stehen. Da diese elektrische Energie zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, wo diese nicht unbedingt verbraucht werden kann, muss diese temporär oder auch saisonal zwischengespeichert werden. Lithium erfüllt die Kriterien an einen solchen vollständig wiederverwertbaren Energieträger. If the current efforts to generate renewable electrical energy are successful, sufficient energy will be available from these sources in the near future. Since this electrical energy is generated at a time when it can not necessarily be consumed, it must be temporarily or seasonally cached. Lithium meets the criteria for such a fully recyclable energy source.

Im Gegensatz zu Kohledioxid sind Lithiumoxid oder seine Salze elektrochemisch in Lithium rückverwandelbar. Für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid sind bisher jedoch keine großtechnisch verwertbaren Prozesse bekannt. C + O2 → CO2 + mechanische (elektrische) Energie CO2 + elektrische Energie ↛ C + O2 2Li + O2 → 2Li2O + mechanische, chemische, elektrische Energie 2Li2O + elektrische Energie → 2Li + O2 In contrast to carbon dioxide, lithium oxide or its salts are electrochemically reversible to lithium. For the electrochemical reduction of carbon dioxide, however, hitherto no industrially utilizable processes have been known. C + O 2 → CO 2 + mechanical (electrical) energy CO 2 + electrical energy ↛ C + O 2 2Li + O 2 → 2Li 2 O + mechanical, chemical, electrical energy 2Li 2 O + electrical energy → 2Li + O 2

Die wichtigsten Reaktionen, die Lithium mit Kohlendioxid CO2, Stickstoff N2, Sauerstoff O2, und Wasser H2O eingehen kann sind mit den resultierenden Bildungsenthalpien in der folgenden Tabelle 1 dargestellt: Tabelle 1: Bildungsenthalpien bei der Rektion mit Li Reaktionsen thalpie kJ/Mol Enthalpie kJ/mol Enthalpie kJ/g Verbindung Verbrennungsgleichungen 6Li + N2 → 2Li3N –414 –69 –10 Li 2Li + 2CO2 → Li2CO3 + CO –539 –270 –39 Li 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2 –404 –202 –29 Li 4Li + O2 → 2Li2O –1196 –299 –43 Li Unterstützende Wechselwirkungen Li3N + 3H2O → 3LiOH + NH3 –444 –444 –26 NH3 Li2O + CO2 → Li2CO3 –224 –224 –5 CO2 Vergleichbare Reaktionen C + O2 → CO2 –394 –394 –33 C 2CO + O2 → 2CO2 –566 –283 –10 CO CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O –890 –890 –56 CH4 2H2 + O2 → 2H2O –572 –286 –142 H2 The most important reactions which lithium can undergo with carbon dioxide CO 2 , nitrogen N 2 , oxygen O 2 , and water H 2 O are shown with the resulting enthalpies of formation in the following Table 1: TABLE 1 Formation enthalpies in the reaction with Li Reaction enthalpy kJ / mol Enthalpy kJ / mol Enthalpy kJ / g connection combustion equations 6Li + N 2 → 2Li 3 N -414 -69 -10 Li 2Li + 2CO 2 → Li 2 CO 3 + CO -539 -270 -39 Li 2Li + 2H 2 O → 2LiOH + H 2 -404 -202 -29 Li 4Li + O 2 → 2Li 2 O -1196 -299 -43 Li Supportive interactions Li 3 N + 3H 2 O → 3LiOH + NH 3 -444 -444 -26 NH 3 Li 2 O + CO 2 → Li 2 CO 3 -224 -224 -5 CO 2 Comparable reactions C + O 2 → CO 2 -394 -394 -33 C 2CO + O 2 → 2CO 2 -566 -283 -10 CO CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O -890 -890 -56 CH 4 2H 2 + O 2 → 2H 2 O -572 -286 -142 H 2

Damit dient Lithium im Gesamtkreislauf als der Energieträger und Energiespeicher und wird somit auch nicht verbraucht, sondern ändert während des Kreislaufs nur seine Oxidationsstufe. Die gleichzeitig speicherbare Energiemenge skaliert mit der eingesetzten Lithiummenge. Thus, lithium is used in the overall cycle as the energy source and energy storage and is thus not consumed, but changes during the cycle only its oxidation state. The amount of energy that can be stored at the same time scales with the amount of lithium used.

In der DE 10 2010 041 033 A1 wird dargestellt, dass sich ein Kraftwerksbetrieb mittels Lithium als metallischem Kohleersatz realisieren lässt. Lithium liegt dabei auf einer thermodynamischen Energieskala so hoch, dass es nicht nur in Luft, sondern auch in reinem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid stark exotherm reagiert. In the DE 10 2010 041 033 A1 It is shown that a power plant operation can be realized by means of lithium as a metallic coal substitute. Lithium is so high on a thermodynamic energy scale that it reacts strongly exothermic not only in air, but also in pure nitrogen, hydrogen and carbon dioxide.

In Kombination mit fossilen Kraftwerken stellt die Verbrennung von Lithium in Kohlendioxid eine energieeffiziente Möglichkeit dar, den CO2-Ausstoß eines fossilen Kraftwerks deutlich zu minimieren. Hierbei macht man sich die exotherme Reaktion von metallischem Lithium und CO2 zu Nutze. Der Vorteil ist hierbei, dass sowohl die thermische Energie aus dem Verbrennungsprozess von Li in CO2 als auch das Reaktionsprodukt (CO) zur Energiegewinnung beitragen bzw. von Nutzen sind. So verlässt das Kohlenstoffatom z.B. in Methanol gebunden das Kraftwerk. Zudem kann unter ähnlichen Kraftwerksbedingungen auch Ammoniak erzeugt werden, einer der wichtigsten Rohstoffe der Düngemittelindustrie. Dies ist der Fall bei der Verbrennung von Lithium in Stickstoff (zum Beispiel aus der Luftzerlegung bei Kraftwerkskonzepten wie dem Oxyfuel-Prozess) über das Reaktionsprodukt Li3N. Lithiumnitrid reagiert exotherm mit Wasser zu Ammoniak. In combination with fossil power plants, the combustion of lithium into carbon dioxide is an energy-efficient way to significantly reduce the CO 2 emissions of a fossil power plant. Here, one makes use of the exothermic reaction of metallic lithium and CO 2 to advantage. The advantage here is that both the thermal energy from the combustion process of Li in CO 2 and the reaction product (CO) contribute to energy production or are useful. For example, the carbon atom leaving the power plant, for example, bound in methanol. In addition, ammonia can also be produced under similar power plant conditions, one of the most important raw materials of the fertilizer industry. This is the case in the combustion of lithium in nitrogen (for example, from the air separation in power plant concepts such as the oxyfuel process) on the reaction product Li 3 N. Lithium nitride reacts exothermically with water to ammonia.

Für den Einsatz von Lithium (wie auch Magnesium, Kalium, Natrium, Calcium, Barium) als Energiespeicher in einem Kraftwerksprozess zur Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in thermischer Energie und anschließende Verstromung ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Zufuhr, Zerstäubung und Zündung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, in einem Brennerraum Voraussetzung. Während die oben genannten Reaktionen von Lithium mit den angegebenen Gasen aus dem Labormaßstab bekannt sind, konnte eine Verbrennung von elektropositivem Metall in Luft, einer Kohlendioxid-, Stickstoff-, Wasserdampf-, oder Sauerstoff-Atmosphäre oder in Gasgemischen in einem kontinuierlichen Kraftwerksprozess mit einer kontinuierlichen Zufuhr von elektropositivem Metall als Brennstoff und in Form von Spray oder Partikel bisher nicht realisiert werden. Untersuchungen zur Zündung und Zündtemperatur für einen kraftwerksrelevanten Prozess zur Energieumwandlung sind in der Literatur nicht bekannt. For the use of lithium (as well as magnesium, potassium, sodium, calcium, barium) as energy storage in a power plant process for converting the stored chemical energy into thermal energy and subsequent power generation is the possibility of continuous supply, atomization and ignition of the electropositive metal, for example Lithium, in a burner room requirement. While the above-mentioned reactions of lithium with the indicated lab-scale gases are well known, combustion of electropositive metal in air, carbon dioxide, nitrogen, water vapor, or oxygen atmosphere or in gas mixtures in a continuous power plant process could be continuous Supply of electropositive metal as a fuel and in the form of spray or particles have not been realized so far. Investigations into the ignition and ignition temperature for a power plant-relevant process for energy conversion are not known in the literature.

Technisch wurde die Zündung von Lithium lediglich im Zusammenhang mit eventuellen Lithiumbränden in Kernreaktoren untersucht, wo Lithium als Kühlmittel verwendet wird ( Robert A Rhein "Lithium Combustion: A Review“, 1990; Robert A Rhein und Conrad M. Carlton "Exctinction of Lithium Fires“, Fire Technology Second Quarter 1993 ). Das Hauptaugenmerk der Untersuchungen galt dabei der Frage wie Lithiumbrände zu verhindern sind bzw. wie diese im Brandfall zu löschen sind. Technically, the ignition of lithium was investigated only in connection with any lithium fires in nuclear reactors, where lithium is used as a coolant ( Robert A Rhein "Lithium Combustion: A Review", 1990; Robert A Rhein and Conrad M. Carlton "Exctinction of Lithium Fires", Fire Technology Second Quarter 1993 ). The main focus of the investigations was dabe i the question as lithium fires are to be prevented and how these are to be deleted in case of fire.

In der Literatur sind prinzipielle Untersuchungen zur Reaktion von flüssigem Lithium mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen bekannt ( Bernett, D. S., Gil, T. K., Kazimi, M. S., Fusion Technology, 1989, 15, 2, 967–972 ; A Subramani, S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000–1007 ). Der dafür verwendete Prozess beinhaltet eine Reaktionskammer, in welche Lithium eingefüllt und verflüssigt bei 400 °C umgesetzt wird. Gasgemische von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf wurden in die Kammer über einen Gaseinlass durch das flüssige Lithium geleitet ( Gil, T. K., Kazimi, M. S., Plasma Fusion Center MIT, 1986 ). Allerdings wurde auch hier keine tiefergehende Analytik des Verbrennungsprozesses zur Untersuchung der Reaktionsmechanismen und der entstehenden Reaktionsprodukte durchgeführt. Principal investigations on the reaction of liquid lithium with various gases and gas mixtures are known in the literature ( Bernett, DS, Gil, TK, Kazimi, MS, Fusion Technology, 1989, 15, 2, 967-972 ; A Subramani, S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000-1007 ). The process used for this involves a reaction chamber into which lithium is charged and liquefied at 400 ° C is reacted. Gas mixtures of oxygen, nitrogen and water vapor were passed into the chamber via a gas inlet through the liquid lithium ( Gil, TK, Kazimi, MS, Plasma Fusion Center MIT, 1986 ). However, here too, no deeper analysis of the combustion process was carried out to investigate the reaction mechanisms and the resulting reaction products.

Damit die Verbrennungsvorgänge zur Bereitstellung thermischer Energie für die Stromproduktion eingesetzt werden können, muss das Lithium ähnlich wie bei Kohle- oder Erdölbrennern als Pulver oder Spray mit großer Oberfläche in das Oxidationsmittel zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Energieflusses eingebracht werden. In order for the combustion processes to be used to provide thermal energy for power production, the lithium, like coal or petroleum burners, must be introduced into the oxidant as a high surface area powder or spray to maintain a sufficient flow of energy.

Ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumpartikeln ist in der Patentschrift DE 10 2011 052 947 A1 beschrieben. Die Patentschrift DE 10 2011 052 947 A1 zielt hierbei auf die Herstellung von Produkten wie Metalloxide, Metallhydride oder Metallnitride durch die Umsetzung von Lithium (in Partikelform) mit einem reaktiven Gas (Sauerstoff, Wasser oder Stickstoff) ab. Die Umwandlung der in Lithium gespeicherten chemischen Energie in thermische Energie durch eine gezielte Verdüsung, Zündung, vollständige Verbrennung in einem kontinuierlichen kraftwerksrelevanten Verbrennungsprozess mit hoher Leistung, beispielsweise einer Leistung größer 1 kW, bevorzugt größer 100 kW, zur Nutzung sowohl der thermischen Energie der Reaktion als auch der Reaktionsprodukte (fest oder gasförmig), die bei der Verbrennung entstehen, ist jedoch in DE 10 2011 052 947 A1 nicht beschrieben. Vielmehr zielt die Anmeldung auf die Herstellung hochreiner Pulver aus duktilen Materialien, insbesondere duktilen Metallen, u.a. Lithium, mittels einer physikalisch-mechanischen Zerkleinerung ab. Zur Herstellung hochreiner Pulver wird vorgeschlagen, das Material im festen Zustand in einer Extrusionsvorrichtung sprunghaft auf einen vorgegebenen Druck zu belasten, indem es in einem Hochdruckcontainer komprimiert wird und über eine sich hinter einem minimalen Querschnitt entlang einer vorgegebenen Entlastungszone erweiternde Extrudierdüse in einen gegen die Umgebung isolierten Auffangbehälter unter Bildung von Partikeln des Materials entspannt wird. Hierbei wird das in einem Zylinder vorliegende Material durch einen Stempel mit hohem Druck im GPa-Bereich durch eine sog. Extrudierdüse gepresst. Ebenso ist die Umsetzung mit einem reaktiven Gas wie Sauerstoff, Wasserstoff, oder Stickstoff beschrieben um eine Umsetzung zu Metalloxiden, Metallhydriden oder Metallnitriden zu erhalten. Die bei den Reaktionen frei werdende Energie ist Abfall, der durch die Gefäßwand abgeführt werden muss. Dies begrenzt den Durchsatz. Ein Verbrennungsprozess wird in dieser Entgegenhaltung nicht beschrieben. A process for the production of lithium particles is in the patent DE 10 2011 052 947 A1 described. The patent DE 10 2011 052 947 A1 It aims at the production of products such as metal oxides, metal hydrides or metal nitrides by the reaction of lithium (in particle form) with a reactive gas (oxygen, water or nitrogen). The conversion of the stored in lithium chemical energy into thermal energy through a targeted atomization, ignition, complete combustion in However, a continuous power plant relevant combustion process with high power, for example, a power greater than 1 kW, preferably greater than 100 kW, to use both the thermal energy of the reaction and the reaction products (solid or gaseous), which arise during combustion, is in DE 10 2011 052 947 A1 not described. Rather, the application aims at the production of highly pure powders of ductile materials, in particular ductile metals, including lithium, by means of a physical-mechanical comminution. For the preparation of high purity powders, it is proposed to load the material in the solid state in an extrusion device abruptly to a predetermined pressure by being compressed in a high pressure container and via an extruding after a minimum cross section along a predetermined relief zone extruding into an isolated from the environment Collecting container is relaxed to form particles of the material. Here, the material present in a cylinder is pressed by a stamp with high pressure in the GPa range by a so-called. Extrusion. Likewise, the reaction with a reactive gas such as oxygen, hydrogen, or nitrogen is described in order to obtain a conversion to metal oxides, metal hydrides or metal nitrides. The energy released in the reactions is waste that has to be dissipated through the vessel wall. This limits the throughput. A combustion process is not described in this citation.

In einer weiteren Patentschrift, der DE 102 04 680 A1 , ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkyllithiumverbindungen mittels Verdüsung von Lithiummetall beschrieben, bei dem metallisches Lithium in Form von Partikeln mit einem Alkalihalogenid umgesetzt wird. Ein Verbrennungsprozess ist in der Schrift DE 102 04 680 A1 nicht abgedeckt. Darüber hinaus erfolgt in DE 102 04 680 A1 die Herstellung von Lithiumpartikeln durch die Verdüsung von Lithiumschmelze in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum, wobei Einstoffdruckdüsen und bevorzugt Zweistoffdüsen zum Einsatz kommen. In another patent, the DE 102 04 680 A1 , a process for the preparation of alkyl lithium compounds by atomization of lithium metal is described in which metallic lithium is reacted in the form of particles with an alkali metal halide. A combustion process is in the Scriptures DE 102 04 680 A1 not covered. In addition, in DE 102 04 680 A1 the production of lithium particles by the atomization of lithium melt in an inert atmosphere or in a vacuum, wherein one-fluid pressure nozzles and preferably two-fluid nozzles are used.

Bisher ist keine Prozessanlage bekannt, die es erlaubt, ein elektropositives Metall wie Lithium oder ein anderes Alkali- und/oder Erdalkalimetall als stofflichen Energiespeicher kontrolliert und kontinuierlich in einem großtechnischen Verfahren zur Gewinnung thermischer Energie zu verbrennen, um daraus Strom zu erzeugen. Es ist somit Aufgabe der vorliegende Erfindung, eine Prozessanlage / eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit der eine Verbrennungsanlage bzw. Verbrennung auf Basis von elektropositivem Metall großtechnisch realisiert werden kann. So far, no process plant is known, which allows an electropositive metal such as lithium or another alkali and / or alkaline earth metal as a material energy storage controlled and continuously burn in a large-scale process for the production of thermal energy to produce electricity from it. It is therefore an object of the present invention to provide a process plant / apparatus and a method with which a combustion plant or incineration based on electropositive metal can be realized on an industrial scale.

Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention

Gelöst wird die Aufgabe durch die vorliegende Erfindung. Hierin werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die es erlauben, durch Verbrennung eines elektropositiven Metalls großtechnisch thermische Energie zu erzeugen. The problem is solved by the present invention. Herein, a method and apparatus are described which allow large-scale thermal energy to be generated by combustion of an electropositive metal.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

  • i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls;
  • ii) Dosieren des elektropositiven Metalls;
  • iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls;
  • iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung;
  • v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und
  • vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.
According to a first aspect, the present invention relates to a method for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy, characterized by the following steps:
  • i) continuously supplying the electropositive metal;
  • ii) dosing the electropositive metal;
  • iii) melting or pulverizing the electropositive metal;
  • iv) conveying the electropositive metal under pressurization;
  • v) atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and
  • vi) burning the electropositive metal in a process chamber with a process gas to generate thermal energy.

Bevorzugt werden bei der Verbrennung gleichzeitig chemische Rohstoffe erzeugt. Preferably, chemical raw materials are simultaneously produced during the combustion.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung zudem eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen:

  • a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das elektropositive Metall kontinuierlich zuzuführen;
  • b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu dosieren;
  • c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren;
  • d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern;
  • e) Düse, die mit der Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und
  • f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einem Prozessgas zu verbrennen.
According to a further aspect, the invention further relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
  • a) feeding means adapted to continuously supply the electropositive metal;
  • b) metering unit adapted to dose the electropositive metal;
  • c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal;
  • d) conveyor adapted to convey the electropositive metal under pressurization;
  • e) nozzle coupled to the conveyor and adapted to atomize the electropositive metal; and
  • f) process chamber adapted to burn the electropositive metal to generate thermal energy with a process gas.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen. Further aspects of the present invention can be found in the dependent claims and the detailed description.

Beschreibung der Figuren Description of the figures

Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. The accompanying drawings are intended to illustrate embodiments of the present invention and to provide a further understanding thereof. In the context of the description, they serve to explain concepts and principles of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily to scale. Identical, functionally identical and identically acting elements, features and components are in the figures of the drawings, unless otherwise stated, each provided with the same reference numerals.

1: Schematische Übersicht des Prozessablaufs und einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung 1 : Schematic overview of the process flow and a device according to the present invention

2: Schematische Ansicht einer Kolbenpumpe als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung 2 : Schematic view of a piston pump as an example of a conveyor of the present invention

3: Schematische Ansicht eines Injektors als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung 3 : Schematic view of an injector as an example of a conveyor of the present invention

4: Schematische Ansicht eines Schraubenverdichters als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung 4 : Schematic view of a screw compressor as an example of a conveyor of the present invention

5: Schematische Ansicht eines Extruders als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung 5 : Schematic view of an extruder as an example of a conveyor of the present invention

6: Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung 6 : Schematic view of a nozzle as an example of a sputtering device of the present invention

7: Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung 7 : Schematic view of a nozzle as an example of a sputtering device of the present invention

8: Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung 8th : Schematic view of a nozzle as an example of a sputtering device of the present invention

9: Schematische Ansicht einer beispielhaften Prozesskammer der vorliegenden Erfindung 9 : Schematic view of an exemplary process chamber of the present invention

10: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung 10 : Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention

11: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung 11 : Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention

12: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung 12 : Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention

Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung/Prozessanlage, die es ermöglicht, ein elektropositives Metall, beispielsweise den Energieträger Lithium, in einem kontinuierlichen Verfahren zu verbrennen, sowie das mittels dieser Vorrichtung durchgeführte Verfahren der kontinuierlichen Verbrennung des elektropositiven Metalls. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung/Prozessanlage, die es ermöglicht, elektropositive Metalle wie Alkali- und Erdalkalimetalle in einem kontinuierlichen Verfahren beispielsweise zu einem Spray zu verarbeiten, um diese dann in einer Prozesskammer zu verbrennen. The present invention describes a device / process system which makes it possible to burn an electropositive metal, for example the energy source lithium, in a continuous process, as well as the process of continuous combustion of the electropositive metal carried out by means of this device. Furthermore, the invention relates to a device / process plant, which makes it possible to process electropositive metals such as alkali metals and alkaline earth metals in a continuous process, for example to a spray in order to then burn them in a process chamber.

Als elektropositive Metalle sind in diesem Zusammenhang Metalle gemeint, die im Verhältnis zum verwendeten Prozessgas, welches das Oxidationsmittel darstellt, eine geringe Elektronegativität aufweisen und damit bestrebt sind, Elektronen abzugeben. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein elektropositives Metall ein Metall, welches gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode bei 25°C ein Elektrodenpotential von < –0.75V hat. Bevorzugte elektropositive Metalle sind Alkali- oder Erdalkalimetalle oder Al oder Zn sowie Gemische und Legierungen davon, wobei Li, Na, K, Mg sowie Gemische und Legierungen davon weiter bevorzugt sind, und bevorzugter ist das elektropositive Metall Li sowie dessen Legierungen, insbesondere bevorzugt Li. Lithium ist insbesondere hinsichtlich seiner Vielseitigkeit bei der Reaktion mit verschiedenen Prozessgasen wie auch unter sicherheitstechnischen Aspekten bevorzugt. In this context, electropositive metals are metals that have a low degree of electronegativity in relation to the process gas used, which is the oxidizing agent, and which tend to release electrons. According to certain embodiments, an electropositive metal is a metal which has an electrode potential of <-0.75V with respect to the standard hydrogen electrode at 25 ° C. Preferred electropositive metals are alkali or alkaline earth metals or Al or Zn and mixtures and alloys thereof, with Li, Na, K, Mg and mixtures and alloys thereof being more preferred, and more preferably the electropositive metal is Li and its alloys, more preferably Li. Lithium is particularly preferred in terms of its versatility in the reaction with various process gases as well as safety aspects.

Die Vorrichtung/Prozessanlage übernimmt dabei folgende nacheinander ablaufende Teilfunktionen

  • • Materialbereitstellung, d.h. kontinuierliche Materialzufuhr des elektropositiven Metalls,
  • • Dosieren des elektropositiven Metalls,
  • • Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls, d.h. Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand oder Vorgang der Oberflächenvergrößerung des elektropositiven Metalls, um dessen Reaktivität zu erhöhen; das Schmelzen des elektropositiven Metalls ist gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch bevorzugt,
  • • Fördern des elektropositiven Metalls, d.h. Transport der Schmelze,
  • • Druckaufbau während des Förderns,
  • • Zerstäuben,
  • • Verbrennen.
The device / process system assumes the following successive partial functions
  • Material supply, ie continuous material supply of the electropositive metal,
  • Dosing the electropositive metal,
  • Melting or pulverizing the electropositive metal, ie transition from the solid to the liquid state or process of increasing the surface area of the electropositive metal in order to increase its reactivity; However, melting of the electropositive metal is preferred according to certain embodiments.
  • Conveying the electropositive metal, ie transporting the melt,
  • Pressure build-up during conveying,
  • • atomize,
  • • Burn.

Um diese Arbeitsschritte auszuführen besteht die erfindungsgemäße Prozessanlage zur Verbrennung von Lithium aus den Prozesseinheiten:

  • 1. Zuführeinrichtung: Zufuhr des elektropositiven Metalls.
  • 2. Dosiereinheit: Dosieren des elektropositiven Metalls.
  • 3. Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung: Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls.
  • 4. Fördereinrichtung, auch genannt Prozesseinheit zum kontinuierlichen Druckaufbau: Schmelze transportieren und Druck aufbauen.
  • 5. Zerstäubeeinrichtung, beispielsweise Düse/Düsenwerkzeug: Erzeugung eines feinpartikulären Sprays durch Versprühen der Schmelze oder des Pulvers des elektropositiven Metalls.
  • 6. Prozesskammer: ggf. Zündung und Verbrennung der erzeugten Partikel, beispielsweise in einem Reaktionsgas.
In order to carry out these operations, the process installation according to the invention for the combustion of lithium consists of the process units:
  • 1. Feeder: supply of the electropositive metal.
  • 2. Dosing unit: Dosing the electropositive metal.
  • 3. Melting device or pulverizer: Melting or pulverizing the electropositive metal.
  • 4. Conveyor, also called process unit for continuous pressure build-up: transport melt and build up pressure.
  • 5. Atomizing device, for example nozzle / nozzle tool: Generation of a fine particulate spray by spraying the melt or the powder of the electropositive metal.
  • 6. Process chamber: possibly ignition and combustion of the particles produced, for example in a reaction gas.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die Zuführeinheit, die Dosiereinheit und die Schmelzeinrichtung auch im Rahmen einer Dosiereinrichtung zusammengefasst sein, mit der das elektropositive Metall dosiert zugeführt wird, wobei es zeitgleich geschmolzen wird. Auch lassen sich andere Teile der Anlage in bestimmten Ausführungsformen kombinieren, beispielsweise nur die Dosiereinheit und die Schmelzeinrichtung, die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung, die Dosiereinheit, die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung, etc., so dass deren Funktionen in einem einzigen kombinierten Bauteil übernommen werden und keine klare Abgrenzung zwischen den einzelnen Bauteilen auftritt. So ist es klar, dass ein Schmelzen und/oder Dosieren während der Förderung des elektropositiven Metalls erfolgen kann. Dies wird auch durch die weitere Beschreibung und anhand der Beispiele ersichtlich. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind beispielsweise die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung miteinander gekoppelt. According to certain embodiments, the feed unit, the metering unit and the melting device can also be combined in the context of a metering device, with which the electropositive metal is metered, wherein it is melted at the same time. Also, other parts of the system can be combined in certain embodiments, for example only the dosing unit and the melting device, the melting device and the conveyor, the dosing unit, the melting device and the conveyor, etc., so that their functions are taken over in a single combined component and no clear demarcation between the individual components occurs. Thus, it is clear that melting and / or metering may occur during promotion of the electropositive metal. This will also be apparent from the further description and the examples. According to certain embodiments, for example, the melting device and the conveyor are coupled together.

Die nachfolgenden Ausführungen werden teilweise auch am Beispiel von Lithium, einem Vertreter der Alkalimetalle beschrieben. Das Grundprinzip der Prozessanlage ist jedoch auf andere elektropositive Metalle, wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Strontium, Barium, Aluminium und Zink übertragbar, so dass die nachfolgende Beschreibung das Verfahren und die Vorrichtung nicht auf Lithium einschränkt. The following remarks are described in part also using the example of lithium, a representative of the alkali metals. However, the basic principle of the process plant is applicable to other electropositive metals such as sodium, potassium, calcium, magnesium, strontium, barium, aluminum and zinc, so the following description does not limit the process and apparatus to lithium.

Eine schematische Übersicht des Prozessablaufs findet sich in . Wie in 1 dargestellt umfasst das vorliegende Verfahren (der Prozess) P die folgenden Schritte in dieser Reihenfolge:

  • i kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls;
  • ii Dosieren des elektropositiven Metalls;
  • iii Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls;
  • iv Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung;
  • v Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und
  • vi Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.
A schematic overview of the process flow can be found in , As in 1 As shown, the present method (the process) P includes the following steps in this order:
  • i continuously supplying the electropositive metal;
  • ii dosing the electropositive metal;
  • iii melting or pulverizing the electropositive metal;
  • iv conveying the electropositive metal under pressurization;
  • v atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and
  • vi Burning the electropositive metal in a process chamber with a process gas to generate thermal energy.

Hierzu verwendet es in der Vorrichtung/Anlage A die folgenden Bauteile, die als getrennte Bauteile vorliegen können und miteinander beispielsweise durch Rohre, Förderbänder oder ähnliches verbunden sein können oder auch direkt miteinander verbunden sein können, wobei auch zwei oder mehr Bauteile zu einem gemeinsamen Bauteil ausgeführt sein können: Zuführeinrichtung 1; Dosiereinheit 2; Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3; Fördereinrichtung 4; Zerstäubeeinrichtung 5; Prozesskammer 6 For this purpose it uses in the device / Appendix A the following components, which may be present as separate components and may be connected to each other for example by pipes, conveyor belts or the like or may also be directly connected to each other, wherein two or more components to a common component can be: feeder 1 ; dosing 2 ; Melting device or pulverizer 3 ; Conveyor 4 ; Zerstäubeeinrichtung 5 ; process chamber 6

In den jeweiligen Bauteilen 1 bis 6 können gemäß bestimmten Ausführungsformen hierbei jeweils die Verfahrensschritte i bis vi ausgeführt werden. In the respective components 1 to 6 For example, according to certain embodiments, in each case method steps i to vi can be carried out.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

  • i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls;
  • ii) Dosieren des elektropositiven Metalls;
  • iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls;
  • iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung;
  • v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und
  • vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.
The present invention thus relates, in one aspect, to a method for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy, characterized by the following steps:
  • i) continuously supplying the electropositive metal;
  • ii) dosing the electropositive metal;
  • iii) melting or pulverizing the electropositive metal;
  • iv) conveying the electropositive metal under pressurization;
  • v) atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and
  • vi) burning the electropositive metal in a process chamber with a process gas to generate thermal energy.

Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Druckbeaufschlagung im Schritt iv) bei einem Druck von 0,01 bis 100 bar, bevorzugt 1–10 bar liegen. Hierdurch wird ein besseres Versprühen des elektropositiven Metalls erzielt. In bestimmten Ausführungsformen kann zudem das elektropositive Metall im Schritt v) mit dem Prozessgas versprüht werden. Weiterhin wird das elektropositive Metall in bestimmten Ausführungsformen nach dem Zerstäuben im Schritt v) gezündet. Insbesondere eine Zündung des elektropositiven Metalls ließ sich bisher nicht großtechnisch realisieren. Zur Erzielung einer besseren Verbrennung des elektropositiven Metalls im Prozessgas kann das in Schritt iii) geschmolzene elektropositive Metall in den Schritten iv) und v) weiter, bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls, erhitzt werden. Jedoch kann das elektropositive Metall auch in einigen Bereichen bei den Schritten iv) und/oder v), also in Teilen der Fördereinrichtung und/oder der Zerstäubeeinrichtung auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkt des elektropositiven Metalls erhitzt werden, wobei es dann im weiteren Verlauf in diesen Schritten iv) und/oder v) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls erhitzt werden kann. Beispielsweise kann es bei einem Extrudierprozess für den Druckaufbau mitunter von Vorteil sein, einzelne Heizzonen unterhalb der Schmelztemperatur des elektropositiven Metalls zu betreiben. According to certain embodiments, the pressurization in step iv) may be at a pressure of 0.01 to 100 bar, preferably 1-10 bar. As a result, a better spraying of the electropositive metal is achieved. In certain embodiments, in addition, the electropositive metal can be sprayed with the process gas in step v). Furthermore, in certain embodiments, the electropositive metal is ignited after sputtering in step v). In particular, an ignition of the electropositive metal has not been realized on an industrial scale. In order to achieve a better combustion of the electropositive metal in the process gas, the electropositive metal melted in step iii) can be heated further in steps iv) and v), preferably to a temperature above the melting point of the electropositive metal. However, the electropositive metal can also be heated to a temperature below the melting point of the electropositive metal in some areas in steps iv) and / or v), that is, in parts of the conveyor and / or the atomizer, and then in this Steps iv) and / or v) can be heated to a temperature above the melting point of the electropositive metal. For example, it may sometimes be advantageous in an extrusion process for the pressure build-up to operate individual heating zones below the melting temperature of the electropositive metal.

Die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie kann gemäß bestimmter Ausführungsformen zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder zum Schmelzen des elektropositiven Metalls verwendet werden, kann aber auch stattdessen oder zudem zum Erhitzen des elektropositiven Metalls in den Schritten iv) und v) verwendet werden. The thermal energy generated in step vi) may, according to certain embodiments, be used to generate electrical energy and / or to melt the electropositive metal, but may alternatively or additionally be used to heat the electropositive metal in steps iv) and v).

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann zudem ein Verbrennungsprodukt des elektropositiven Metalls mit dem Prozessgas als Feststoff anfallen und kontinuierlich aus der Prozesskammer abgeführt werden. Ein Beispiel für solche Feststoffe sind Carbonat- und/oder Nitridverbindungen wie Lithiumcarbonat Li2CO3 und/oder Lithiumnitrid Li3N, aber auch Oxide oder Hydride wie Li2O oder LiH oder Hydroxide wie LiOH, aber auch Verbrennungsprodukte rein aus dem Prozessgas wie Kohlenstoff C bzw. dessen Reaktionsprodukt Lithiumcarbid. In addition, according to certain embodiments, a combustion product of the electropositive metal may accumulate as a solid with the process gas and be continuously removed from the process chamber. An example of such solids are carbonate and / or nitride compounds such as lithium carbonate Li 2 CO 3 and / or lithium nitride Li 3 N, but also oxides or hydrides such as Li 2 O or LiH or hydroxides such as LiOH, but also combustion products pure from the process gas such Carbon C or its reaction product lithium carbide.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung somit auch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen:

  • a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das elektropositive Metall kontinuierlich zuzuführen;
  • b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu dosieren;
  • c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren;
  • d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern;
  • e) Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse, die mit der Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und
  • f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einem Prozessgas zu verbrennen.
Furthermore, the present invention thus also relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
  • a) feeding means adapted to continuously supply the electropositive metal;
  • b) metering unit adapted to dose the electropositive metal;
  • c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal;
  • d) conveyor adapted to convey the electropositive metal under pressurization;
  • e) atomizing means, preferably nozzle, which is coupled to the conveyor and adapted to atomize the electropositive metal; and
  • f) process chamber adapted to burn the electropositive metal to generate thermal energy with a process gas.

Das Prozessgas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht weiter beschränkt, solange es mit dem elektropositiven Metall unter Erzeugung thermischer Energie verbrannt werden kann. Dies kann einfach anhand von Reaktionsenthalpien abgeschätzt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das elektropositive Metall in Schritt vi) mit dem Prozessgas zur Reaktion gebracht, wobei das Prozessgas Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf, Wasserstoff, Sauerstoff oder Gasgemische enthalten kann und bevorzugt CO2 und/oder N2 umfasst oder aus CO2 und/oder N2 besteht. The process gas is not further limited in the present invention as long as it can be burned with the electropositive metal to generate thermal energy. This can be easily estimated by reaction enthalpies. According to certain embodiments, the electropositive metal is reacted with the process gas in step vi), wherein the process gas may comprise air, carbon dioxide, nitrogen, water vapor, hydrogen, oxygen or gas mixtures and preferably comprises CO 2 and / or N 2 or CO 2 and / or N 2 .

Weiterhin wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt in einer Vorrichtung durchgeführt, welche mit einer Leistung größer 1 kW, bevorzugt größer 100 kW betrieben wird. Furthermore, the inventive method is preferably carried out in a device which is operated with a power greater than 1 kW, preferably greater than 100 kW.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann im vorliegenden Verfahren die Menge an der Verbrennung zugeführtem elektropositiven Metall, beispielsweise die eingespritzte Lithiummenge, > 10g/s und die dadurch erzielte thermische Leistung > 100 KW sein. Die Reaktionstemperatur im Reaktorsystem / der Prozesskammer ist bevorzugt > 500 °C. Es können adiabatische Reaktionstemperaturen bis 4000K erreicht werden. According to certain embodiments, in the present method, the amount of electropositive metal supplied to the combustion, for example, the amount of lithium injected, may be> 10 g / s and the thermal power achieved thereby may be> 100 KW. The reaction temperature in the reactor system / the process chamber is preferably> 500 ° C. Adiabatic reaction temperatures up to 4000K can be achieved.

Die Prozesseinheiten / Bauteile 1–6 und deren Ausführungsformen werden nachfolgend im Einzelnen weiter im Detail beschrieben, ohne dadurch eingeschränkt zu werden. Weitere Ausführungsbeispiele des Aufbaus der kompletten Prozessanlage sind im Anschluss dargestellt. The process units / components 1-6 and their embodiments will be described in further detail below without being limited thereby. Further embodiments of the construction of the complete process plant are shown below.

Zuführeinrichtung 1 Feeding device 1

Die Zuführeinrichtung 1 hat die Aufgabe, das elektropositive Metall, beispielsweise den Brennstoff und Energieträger „Lithium", für den Verbrennungsprozess kontinuierlich bereitzustellen. Dabei ist sie hinsichtlich ihrer Ausgestaltung nicht besonders beschränkt und umfasst alle Bauteile, welche zur kontinuierlichen Zufuhr eines Metalls verwendet werden können, wie beispielsweise Rohre, Trichtervorrichtungen, Schüttelrinnen, Förderbänder, etc. The feeder 1 The object of the invention is to continuously provide the electropositive metal, for example, the fuel and energy carrier "lithium", for the combustion process, but is not particularly limited in its design and includes all components that can be used for the continuous supply of a metal, such as pipes , Funnel devices, chutes, conveyor belts, etc.

Dosiereinheit 2 Dosing unit 2

Die Dosiereinheit 2 hat die Aufgabe, das elektropositive Metall, beispielsweise den Brennstoff und Energieträger „Lithium", für den Verbrennungsprozess kontinuierlich bereitzustellen. Dazu wird das als Feststoff vorliegende elektropositive Metall, beispielsweise Lithium, aufgeschmolzen, um es in Form von Schmelze für den weiteren Prozessschritt des Druckaufbaus bereitzustellen. Das Ausgangsmaterial kann in Form von Pulver, Granulat, Pellets oder Volumenmaterial (z B in Form von Blöcken oder in Fässern gelagert) vorliegen. The dosing unit 2 It has the task of continuously providing the electropositive metal, for example the fuel and energy carrier "lithium", for the combustion process by melting the solid-state electropositive metal, for example lithium, in order to provide it in the form of melt for the further process step of pressure build-up The starting material may be in the form of powder, granules, pellets or bulk material (eg in the form of blocks or in barrels).

Liegt das Ausgangsmaterial / elektropositive Metall, beispielsweise Lithium, in Form von z.B. Pellets, Granulat oder Pulver mit einer typischen Korngröße im Bereich von ca. 0,01–100 mm vor, so kann es beispielsweise über eine Trichtervorrichtung, Dosierschnecken oder Schüttelrinnen oder ähnlichen Dosiereinheiten, welche üblicherweise zum Dosieren von Feststoffen verwendet werden, der Prozessanlage zudosiert werden. Die Art der Dosiereinheit 2 ist hierbei nicht besonders beschränkt. If the starting material / electropositive metal, for example lithium, in the form of, for example, pellets, granules or powder having a typical particle size in the range of about 0.01-100 mm, it may, for example, via a funnel device, dosing or Schüttelrinnen or similar dosing units , which are usually used for metering solids, are added to the process plant. The type of dosing unit 2 is not particularly limited here.

Da elektropositive Metalle, wie Lithium wie auch andere in Frage kommende Alkali- und Erdalkalimetalle wie z.B. Magnesium und Natrium, an Luft oxidieren. ist die Dosiereinheit gemäß bevorzugten Ausführungsformen luftfrei bzw. luftdicht verkapselt. Optional kann die Dosiereinheit zum Schutz zusätzlich mit sich gegenüber dem elektropositiven Metall, beispielsweise Lithium, inert verhaltenden Gasen wie z.B. Argon oder CO und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Methan, Ethan, Propan und/oder leichtflüchtigen Ölen wie z.B. Pentan Hexan, Oktan, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Gemischen davon geflutet werden. Since electropositive metals, such as lithium, as well as other suitable alkali and alkaline earth metals, such as e.g. Magnesium and sodium, oxidize in air. the metering unit according to preferred embodiments is encapsulated air-free or airtight. Optionally, the dosing unit can be additionally provided with protective gases, such as lithium, which react inertly with respect to the electropositive metal, for example lithium, such as lithium. Argon or CO and / or aliphatic hydrocarbons, e.g. Methane, ethane, propane and / or volatile oils such as e.g. Pentane hexane, octane, aromatic hydrocarbons or mixtures thereof are flooded.

Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3 Nach dem Dosieren wird das elektropositive Metall in einer Schmelzeinrichtung bzw. in einer Pulverisiereinrichtung 3 geschmolzen bzw. pulverisiert. Bevorzugt ist ein Schmelzen unter Verwendung einer Schmelzeinrichtung. Melting device or pulverizer 3 After dosing, the electropositive metal is in a melting device or in a pulverizer 3 melted or pulverized. Preference is given to melting using a melting device.

Als Schmelzeinrichtung 3 kommen jegliche Bauteile in Betracht, mit denen ein elektropositives Metall geschmolzen werden kann. Beispielsweise kann das elektropositive Metall in Partikelform in einem beheizten Durchflussrohr aufgeschmolzen und damit einfach der Fördereinrichtung 4, in der ein Druckaufbau erfolgt, als Schmelze, z.B. mittels Pumpen, zugeführt. As a melting device 3 Any components with which an electropositive metal can be melted are considered. For example, the electropositive metal can be melted in particle form in a heated flow tube and thus easily the conveyor 4 , in which a pressure buildup takes place, as a melt, for example by means of pumps supplied.

Des Weiteren kann die Aufbereitung von partikulärem elektropositivem Metall, beispielsweise Lithium, mit Hilfe eines Fördergeräts erfolgen, wie beispielsweise einem beheizten Förderband, einer kontinuierlichen Ofenanlage oder einer rotierenden Förderschnecke und einem beheizten Zylinder, welches in der Lage ist, das elektropositive Metall aufzuschmelzen und zu transportieren. Furthermore, the preparation of particulate electropositive metal, such as lithium, can be done by means of a conveyor, such as a heated conveyor, a continuous one Furnace or a rotating screw conveyor and a heated cylinder, which is able to melt and transport the electropositive metal.

Industriell wird ein elektropositives Metall wie Lithium meist in Fässern mit einem Fassungsvermögen von 100 Litern und mehr gelagert und transportiert. Für die großtechnische Verbrennung von elektropositivem Metall, z.B. Lithiummetall, wird die Nutzung des in großen Mengen in Fässern oder Containern vorliegenden Metalls daher bevorzugt. Das feste Metall wird in diesem Fall z.B. in einer kontinuierlichen Ofenanlage geschmolzen, um es in Form von Schmelze der Fördereinrichtung 4 zuzuführen. Im Kraftwerksbetrieb kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufschmelzen des elektropositiven Metalls auch die Abwärme des Verbrennungsprozesses genutzt werden. Dies ist insbesondere für die Alkalimetalle bzw. höheren Erdalkalimetalle (insbesondere Mg, Ca, Sr, Ba), wie z.B. Lithium, Natrium attraktiv, da diese leicht schmelzen. Industrially, an electropositive metal such as lithium is usually stored and transported in barrels with a capacity of 100 liters and more. For the large-scale combustion of electropositive metal, eg lithium metal, the use of the present in large quantities in barrels or containers metal is therefore preferred. The solid metal is melted in this case, for example, in a continuous kiln plant to it in the form of melt of the conveyor 4 supply. In power plant operation, the waste heat of the combustion process can be used in a device according to the invention for melting the electropositive metal. This is particularly attractive for the alkali metals or higher alkaline earth metals (especially Mg, Ca, Sr, Ba), such as lithium, sodium, as they melt easily.

Alternativ kann statt einer Schmelzeinrichtung 3 eine Pulverisiereinrichtung 3 vorgesehen sein, in der das elektropositive Metall zu feinem Staub pulverisiert wird, der dann nach der Zerstäubung mit dem Prozessgas verbrannt werden kann, beispielsweise auch unter Zuhilfenahme einer Zündvorrichtung. Ein Pulverisieren des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Schutzgases, da das elektropositive Metall leicht, beispielsweise an Luft, reagiert und somit eine inerte Oberfläche ausbildet, was bei feinen Pulverpartikeln mit Teilchengrößen im Bereich bis 10 mm, bevorzugt bis 1 mm, weiter bevorzugt bis 100 µm und besonders bevorzugt bis 10 µm zu einem Verlust an reaktionsfähigem Material in der Verbrennung führt. Aus diesem Grund wird das elektropositive Metall bevorzugt auch nicht mit einer Teilchengröße von weniger als 10 mm in die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eingebracht durch die Zuführeinrichtung 1. Bei Einbringen des elektropositiven Metalls in Form von Partikeln mit einer Teilchengröße im Bereich bis 10 mm, bevorzugt bis 1 mm, weiter bevorzugt bis 100 µm und besonders bevorzugt bis 10 µm unter Schutzgas kann ggf. auch auf eine eigenständige Pulverisiereinrichtung 3 verzichtet werden, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist, und es findet innerhalb der Anlage beispielsweise innerhalb der Zuführeinrichtung 1, der Dosiereinheit 2, der Fördereinrichtung 4 und/oder der Zerstäubeeinrichtung 5 eine weitere Pulverisierung statt, so dass diese Bauteile somit die Funktion der Pulverisiereinrichtung 3 mit übernehmen können. Auch generell können die Zuführeinrichtung 1, die Dosiereinheit 2, ggf. die Fördereinrichtung 4 (bei Pulvern des elektropositiven Metalls, nicht bei Schmelzen) und/oder ggf. die Zerstäubeeinrichtung 5 (bei Pulvern des elektropositiven Metalls, nicht bei Schmelzen) zur Pulverisierung des elektropositiven Metalls beitragen. Eine Pulverisierung erfolgt beispielsweise bevorzugt bei Metallen wie Zn und Mg. Alternatively, instead of a melting device 3 a pulverizer 3 be provided in which the electropositive metal is pulverized to fine dust, which can then be burned after atomization with the process gas, for example, with the aid of an igniter. Powdering of the electropositive metal, for example lithium, is preferably carried out using a shielding gas, since the electropositive metal reacts easily, for example in air, and thus forms an inert surface, resulting in fine powder particles with particle sizes in the range up to 10 mm, preferably up to 1 mm , more preferably to 100 microns and more preferably to 10 microns leads to a loss of reactive material in the combustion. For this reason, the electropositive metal is preferably not introduced with a particle size of less than 10 mm in the inventive device or the inventive method by the feeder 1 , When introducing the electropositive metal in the form of particles having a particle size in the range of up to 10 mm, preferably up to 1 mm, more preferably up to 100 .mu.m and more preferably up to 10 .mu.m under protective gas may possibly also on an independent Pulverisiereinrichtung 3 However, this is not preferred, and it takes place within the system, for example, within the feeder 1 , the dosing unit 2 , the conveyor 4 and / or the Zerstäubeeinrichtung 5 a further pulverization takes place, so that these components thus the function of Pulverisiereinrichtung 3 can take over with. Also generally, the feeder can 1 , the dosing unit 2 , if necessary, the conveyor 4 (in powders of the electropositive metal, not in melts) and / or possibly the Zerstäubeeinrichtung 5 (in powders of the electropositive metal, not in melts) contribute to the pulverization of the electropositive metal. For example, pulverization is preferably carried out with metals such as Zn and Mg.

Fördereinrichtung (zum Druckaufbau) 4 Conveyor (for pressure build-up) 4

Die Fördereinrichtung 4 ist für den kontinuierlichen Transport der durch die Schmelzeinrichtung 3 bereitgestellten Schmelze des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, und den Druckaufbau verantwortlich. So kann die Fördereinrichtung 4 beispielsweise als eine Förderanlage gekoppelt mit einer Anlage zum Druckaufbau ausgestaltet sein, aber auch als ein integriertes Bauteil, in dem die Förderung unter zeitgleicher Druckbeaufschlagung stattfindet. The conveyor 4 is for the continuous transport of the through the melting device 3 provided melt of the electropositive metal, such as lithium, and the pressure build-up responsible. So can the conveyor 4 For example, be configured as a conveyor coupled with a system for pressure build-up, but also as an integrated component in which the promotion takes place under simultaneous pressurization.

Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Fördereinrichtung Heizelemente 100 umfassen, die dazu ausgebildet sind, das elektropositive Metall auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls zu erhitzen. According to certain embodiments, the conveyor may comprise heating elements 100 which are adapted to heat the electropositive metal to a temperature above the melting point of the electropositive metal.

Folgende Bauteile/Verfahren können hier beispielsweise und gemäß bestimmten Ausführungsformen zum Einsatz kommen:

  • A) Kolbenpumpe 41
  • B) Injektor 42
  • C) Schraubenverdichter 43
  • D) Extruderanlage/Extruder 44
The following components / methods can be used here, for example, and according to certain embodiments:
  • A) piston pump 41
  • B) Injector 42
  • C) Screw compressor 43
  • D) Extruder plant / extruder 44

Die Ausführungsformen A–D sind nachfolgend genauer beschrieben. Obgleich beispielhaft die Fördereinrichtungen für Metallschmelzen MM dargestellt sind, sind diese beispielhaften Ausführungsformen auch für pulverisierte elektropositive Metalle verwendbar. The embodiments A-D are described in more detail below. Although the molten metal conveyor MM is exemplified, these exemplary embodiments are also applicable to powdered electropositive metals.

Zu A) Kolbenpumpe 41 To A) Piston pump 41

In einem Ausführungsbeispiel besteht die Fördereinrichtung, 4 aus einer Kolbenpumpe, wie sie beispielhaft in 2 dargestellt ist. Im einfachsten Aufbau besteht die Kolbenpumpe aus einem ggf. beheizbaren Zylinder 41a und einem axial beweglichen Kolben 41b, beispielsweise einem Hubkolben, der die Metallschmelze MM mit Druck beaufschlagt, kombiniert mit einem Einlassventil sowie einem Düsenauslass als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung 5, mit der das Spray S erzeugt wird. Für einen kontinuierlichen Verbrennungsprozess können zwei oder mehrere Kolbenpumpen im Wechseltakt betrieben werden, wobei der Düsenauslass in einer gemeinsamen Prozesskammer 6 mündet. In one embodiment, the conveyor, 4 from a piston pump, as exemplified in 2 is shown. In the simplest structure, the piston pump consists of a possibly heated cylinder 41a and an axially movable piston 41b , For example, a reciprocating piston, the Molten metal MM is pressurized, combined with an inlet valve and a nozzle outlet as an example of a sputtering device 5 with which the spray S is produced. For a continuous combustion process, two or more piston pumps can be operated in alternating cycles, wherein the nozzle outlet in a common process chamber 6 empties.

Weitere bekannte Bauarten von Kolbenpumpen, die sich ebenso für den Druckaufbau von Lithiumschmelzen eignen, sind z.B. Radialkolbenpumpen http://de.wikipedia.org/wiki/Radialkolbenpumpe ). Bei dieser Form sind die Arbeitskolben radial und senkrecht zur rotierenden Welle angeordnet. Die Hubbewegung wird z.B. über die exzentrisch gelagerte Pumpwelle ausgelöst. Der Einlass der Schmelze erfolgt entweder von innen über eine hohle Pumpwelle oder wird von außen beaufschlagt. Other known types of piston pumps, which are also suitable for the pressure build-up of lithium melts are, for example, radial piston pumps http://de.wikipedia.org/wiki/Radialkolbenpumpe ). In this form, the working pistons are arranged radially and perpendicular to the rotating shaft. The lifting movement is triggered, for example, via the eccentrically mounted pump shaft. The inlet of the melt takes place either from the inside via a hollow pumping shaft or is applied from the outside.

Zu B) Injektor 42 und Druckaufbau mittels Inertgas In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle eines Kolbens die Metallschmelze MM, beispielsweise Lithiumschmelze, in einem sog. Injektor 42 mit Druck beaufschlagt, wie in 3 beispielhaft dargestellt ist. Hierbei wird das geschmolzene Metall MM, das z.B. in einem Zylinder 42a vorliegt, durch eine Gasströmung 42b mit Druck (beispielsweise 3–5 bar) beaufschlagt, um diese durch die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise eine Düse, zur Erzeugung des Sprays S zu pressen. Als Gas kommen, insbesondere im Fall von Lithium, Argon und CO oder aliphatischen Kohlenwasserstoffe wie z.B. Methan, Ethan, Propan bzw. je nach Anwendungsbereich leichtflüchtige Alkane und Aromaten zum Einsatz, da diese nicht mit Lithium reagieren. To B) Injector 42 and pressure buildup by means of inert gas In another embodiment, instead of a piston, the molten metal MM, for example, lithium melt, in a so-called. Injector 42 pressurized, as in 3 is shown by way of example. Here, the molten metal MM, for example, in a cylinder 42a is present, by a gas flow 42b with pressure (for example 3-5 bar) applied to these through the atomizer 5 , For example, a nozzle to press the spray S to produce. As gas come, especially in the case of lithium, argon and CO or aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane or depending on the field of application volatile alkanes and aromatics for use, since they do not react with lithium.

Zu C) Schraubenverdichter 43 To C) Screw compressor 43

Der Schraubenverdichter 43, beispielsweise eine Schraubenpumpe, hat die Aufgabe, die Metallschmelze MM in einem kontinuierlichen Prozess zu fördern und den für das Versprühen der Metallschmelze MM erforderlichen Druck aufzubauen, und ist beispielhaft in 4 dargestellt. The screw compressor 43 , For example, a screw pump, has the task to promote the molten metal MM in a continuous process and build up the pressure required for the spraying of the molten metal MM, and is exemplary in 4 shown.

Die Technologie der hierbei beispielhaft verwendeten zwei ineinandergreifenden, rotierenden Spindeln 43b kommt üblicher Weise bei der Kompression von Gasen wie Luft und Flüssigkeiten zur Anwendung. Bei dem Schraubenverdichter 43 wird das zu verdichtende Medium durch die schraubenförmige Verzahnung zweier Spindeln 43b innerhalb des Zylinders 43a kontinuierlich verdrängt, indem sich das Arbeitsvolumen der Gaskanäle längs der Achse zum Auslassende hin verkleinert. Die Profile der beiden wendelförmigen Spindeln 43b sind meist unterschiedlich, wobei die eine Spindel einen konkaven und die andere ein konvexes Profil aufweist. Die Länge der Spindeln erstreckt sich typischer Weise über 5 bis 10 Spiralumläufe. In nicht-komprimierbaren Medien wird die Schraubenpumpe zum Druckaufbau verwendet. The technology of the two interlocking, rotating spindles used here by way of example 43b is commonly used in the compression of gases such as air and liquids. In the screw compressor 43 becomes the medium to be compressed by the helical toothing of two spindles 43b inside the cylinder 43a continuously displaced by the working volume of the gas channels decreases along the axis towards the outlet end. The profiles of the two helical spindles 43b are usually different, with one spindle having a concave and the other a convex profile. The length of the spindles typically extends over 5 to 10 spiral turns. In non-compressible media, the screw pump is used to build up pressure.

Dieser Bauart entsprechend wird der Schraubenverdichter 43 erfindungsgemäß eingesetzt, um in einem kontinuierlichen Verfahren Druck in der Metallschmelze MM aufzubauen, um es zur Partikel- bzw. Tropfenerzeugung am Auslassende durch die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise ein Düsenwerkzeug, zu pressen. Typische Drücke die benötigt werden, um ein elektropositives Metall wie Lithium als Spray S zu verarbeiten, liegen im Bereich von 0.01–100 bar, bevorzug 1–10 bar. Um den Schmelzezustand während des Druckaufbaus aufrechtzuerhalten, ist der Schraubenverdichter 43 optional mit einem ein oder mehreren Heizelementen 100 ausgestattet. This type of construction is the screw compressor 43 used according to the invention to build up pressure in the molten metal MM in a continuous process in order to make it possible to produce particles or droplets at the outlet end through the atomizer device 5 , For example, a nozzle tool to press. Typical pressures that are required to process an electropositive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, Favor 1-10 bar. To maintain the melt condition during pressurization, the screw compressor is 43 optional with one or more heating elements 100 fitted.

Zu D) Extruder 44 To D) extruder 44

In einer weiteren Ausführungsform wird der Druck in einer Extruderanlage / einem Extruder 44 erzeugt, welcher beispielhaft in 5 dargestellt ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen A–C ist der Extruder 44 neben dem Schmelztransport und Druckaufbau auch in der Lage, ein elektropositives Metall wie Lithium im festen Aggregatzustand wie Pulver, Partikeln, Granulat, oder Metallpellets MP, wie beispielhaft dargestellt, aufzuschmelzen und zu homogenisieren. Damit kann der Extruder 44 die Aufgabe der Dosiereinheit 2 und der Schmelzeinrichtung 3 übernehmen, und somit kann auf eine separate vorgeschaltete Dosiereinheit 2 und eine separate Schmelzeinrichtung 3 zur Vorbereitung der Metallschmelze MM verzichtet werden. Der Extruder 44 ist somit eine spezielle Ausführungsform eines Bauteils innerhalb der kontinuierlichen Verbrennungsanlage/Vorrichtung. In a further embodiment, the pressure in an extruder plant / an extruder 44 generated, which exemplifies in 5 is shown. In contrast to the embodiments A-C is the extruder 44 in addition to the melt transport and pressure build-up, it is also able to melt and homogenize an electropositive metal such as lithium in the solid state, such as powder, particles, granules, or metal pellets MP, as exemplified. This allows the extruder 44 the task of the dosing unit 2 and the melting device 3 take over, and thus can on a separate upstream dosing 2 and a separate melting device 3 to dispense with the preparation of the molten metal MM. The extruder 44 is thus a special embodiment of a component within the continuous incinerator / apparatus.

Ein Extruder 44 besteht im Wesentlichen aus einem ggf. beheizbaren Zylinder 44a, in dessen Inneren ein oder zwei rotierende Schnecken 44b die Arbeit verrichten. Das Extrusionsverfahren kommt typischer Weise bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen zur Anwendung, wobei die zu verarbeitende Kunststoffe (Thermoplaste) als feinkörniges Granulat oder Pulver zugegeben werden. Die Formgebung findet am Ausgang des Extruders statt, indem die Kunststoffschmelze durch ein Düsenwerkzeug gepresst wird. Auf diese Weise werden beispielsweise Kabel, Schläuche, Folien im kontinuierlichen Verfahren hergestellt. An extruder 44 consists essentially of a possibly heated cylinder 44a , inside which one or two rotating snails 44b do the work. The extrusion process is typically used in the processing of plastic melts, wherein the plastics (thermoplastics) to be processed are added as fine-grained granules or powder. The shaping takes place at the exit of the extruder by pressing the plastic melt through a die tool. In this way, for example, cables, hoses, films are produced in a continuous process.

Ähnlich wie bei der Schraubenpumpe greifen im Fall des Doppelschneckenextruders die Zähne zweier rotierender Schnecken 44b ineinander. Im Unterschied zur Schraubenpumpe übernimmt der Extruder 44 hier zudem die Aufgabe, das Material aufzuschmelzen. Aus diesem Grund sind die Schnecken 44b länger als bei der Schraubenpumpe und umfassen typischer Weise mehr als 10 und bis zu 100 Spiralumläufe. Similar to the screw pump, in the case of the twin-screw extruder, the teeth of two rotating screws engage 44b each other. Unlike the screw pump, the extruder takes over 44 Here also the task to melt the material. That's why the snails are 44b longer than the screw pump and typically include more than 10 and up to 100 spiral cycles.

Aktuelle Entwicklungen nutzen das Extrusionsverfahren mitunter, um niedrig schmelzende Metalllegierungen aufzuschmelzen, um dann mittels Spritzguss in Formteile zu pressen. Bei dieser speziellen Form der Verarbeitung, genannt Thixospritzgießen, werden beispielsweise teilflüssige Magnesiumlegierungen im Spritzguss zu Leichtbauformteilen für die Anwendung in der Elektronik- und Automobilindustrie verarbeitet. Im Gegensatz dazu werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollständig aufgeschmolzene elektropositive Metalle verarbeitet. Das austretende Metall wird mittels einer Zerstäubeeinrichtung 5 zerstäubt. Recent developments use the extrusion process sometimes to melt low-melting metal alloys, and then pressed by injection molding into moldings. In this special form of processing, called thixos injection molding, for example, partially liquid magnesium alloys are processed by injection molding to form lightweight components for use in the electronics and automotive industries. In contrast, fully molten electropositive metals are processed in the present invention. The exiting metal is by means of a Zerstäubeeinrichtung 5 atomized.

Kunststoffe, bei denen das oben genannte Extrusionsverfahren üblicherweise Anwendung findet, verhalten sich meist viskos und sind mit Viskositäten im Bereich > 100 Pas im Vergleich zur Schmelze des elektropositiven Metalls MM, beispielsweise einer Lithiummetallschmelze mit einer Schmelzeviskosität von ca. 0.5 mPas (zum Vergleich: Wasser bei Raumtemperatur hat 1 mPas), eher als dickflüssig anzusehen. Plastics in which the abovementioned extrusion process is usually used are usually viscous and have viscosities in the range> 100 Pas compared to the melt of the electropositive metal MM, for example a lithium metal melt with a melt viscosity of about 0.5 mPas (for comparison: water at room temperature has 1 mPas), rather than viscous.

Der Druck in der Schmelze hängt dabei wesentlich von der Bauart des Extruders 44 und dessen Schneckengeometrie ab. Bekannte Bauformen sind Ein- und Zweischneckenextruder (auch Doppelschneckenextruder). Im Fall des Doppelschneckenextruders greifen die Zähne zweier Schnecken 44b ineinander, wobei dichtkämmende, gegenläufige Schnecken 44b den Druckaufbau begünstigen und daher für die Verarbeitung und Druckaufbau von dünnflüssigen Metallschmelzen, wie z.B. Lithium, die bevorzugte Bauform ist. The pressure in the melt depends essentially on the design of the extruder 44 and its screw geometry. Known designs are single and twin-screw extruders (also twin-screw extruder). In the case of the twin-screw extruder, the teeth of two snails grip 44b into each other, with closely intermeshing, opposing snails 44b favor the pressure build-up and therefore for the processing and pressure build-up of low-viscosity molten metal, such as lithium, the preferred design.

Auch die Temperierung des Zylinders 44a spielt beim Druckaufbau eine Rolle. Die Viskosität, als temperaturabhängige und druckabhängige Materialeigenschaft, lässt sich dabei über die Heizzonen/Heizelemente 100 der Extruderanlage 44 beeinflussen. Gleichzeitig trägt die beim Extrudierprozess erzeugte Reibung im Material zur Erwärmung und damit zum Schmelzen des elektropositiven Metalls wie Lithium bei. Der erfindungsgemäße Extruder 44 verfügt über mindestens 3, typischer Weise über 5–7 separat regelbare Heizzonen/Heizelemente 100, die ein schrittweises und damit kontrolliertes Aufschmelzen und Druckaufbau des elektropositiven Metalls, im Falle von Lithium in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur (z.B. ca. 20–25 °C) bis ca. 450°C, ermöglichen. Typische Drücke die benötigt werden, um das elektropositive Metall wie Lithium als Spray S zu verarbeiten, liegen im Bereich von 0.01–100 bar, bevorzugt 1–10 bar. Also, the temperature of the cylinder 44a plays a role in the pressure build-up. The viscosity, as a temperature-dependent and pressure-dependent material property, can be controlled by the heating zones / heating elements 100 the extruder plant 44 influence. At the same time, the friction generated in the extruding process in the material contributes to the heating and thus melting of the electropositive metal such as lithium. The extruder according to the invention 44 has at least 3, typically about 5-7 separately controllable heating zones / heating elements 100 , which enable a gradual and thus controlled melting and pressure build-up of the electropositive metal, in the case of lithium in a temperature range of room temperature (eg about 20-25 ° C) to about 450 ° C. Typical pressures that are required to process the electropositive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, preferably 1-10 bar.

Des Weiteren beeinflusst die Auslegung der Schnecke 44b das Aufschmelzverhalten des elektropositiven Metalls und das Verdichten bzw. den Druckaufbau in der Schmelze und damit den Extrudier- und Sprayprozess. Gebräuchliche Bauformen, wie sie in der Kunststoffverarbeitung verwendet werden, sind beispielsweise 3-Zonen-Schnecken, Kurzkompressionsschnecken, Langkompressionsschnecken, Entgasungsschnecken und Förderschnecken. Charakteristische Kenngrößen von Schnecken 44b sind dabei das Verhältnis von Schneckenlänge zu Schneckendurchmesser (= L/D), die Zonenaufteilung (Einzugs-, Mittel- und Ausstoßzone), die Gangsteigung und -tiefe, das Gangprofil und ein oder mehrgängige Ausführungen. Eine ausführliche Darstellung der Kunststoff-Extrudertechnik findet sich beispielsweise in Schenkel, G., Kunststoff-Extrudertechnik, Carl Hanser Verlag, München, Wien 1963 . Furthermore, the design of the screw influences 44b the melting behavior of the electropositive metal and the compression or pressure build-up in the melt and thus the extrusion and spray process. Common designs, such as those used in plastics processing, are, for example, 3-zone screws, short compression screws, long compression screws, degassing screws and screw conveyors. Characteristic characteristics of snails 44b Here are the ratio of screw length to screw diameter (= L / D), the zoning (feeder, center and ejection zone), the pitch and depth, the transition profile and one or more versions. A detailed description of the plastic extruder technology can be found for example in Schenkel, G., Kunststoff-Extrudertechnik, Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna 1963 ,

Eine 2-Zonen-Schnecke ist beispielsweise für die Verarbeitung von feinkörnigem bzw. pulverförmigem elektropositivem Metall, beispielsweise Lithium, geeignet. In der Einzugszone wird der Extruder 44 mit Material gefüllt und dieses direkt aufgeschmolzen. Die Gangtiefe (= Abstand zwischen Schneckeninnendurchmesser und Zylinderwand) und damit der Arbeitsraum sind konstant. In der anschließenden Zone erfolgt der Druckaufbau. Um den Druck effizient aufzubauen, ist es von Vorteil, wenn in diesem Bereich der Arbeitsraum in Richtung Auslass kontinuierlich abnimmt. Dies erfolgt z.B. über eine stetige Verkleinerung der Gangtiefe. Die Profile der beiden Schnecken 44b können dabei identisch sein oder wie bei der Schraubenpumpe in konvexer und konkaver Ausführung. A 2-zone screw is suitable, for example, for the processing of fine-grained or pulverulent electropositive metal, for example lithium. In the feed zone, the extruder 44 filled with material and this melted directly. The flight depth (= distance between inner diameter of the screw and cylinder wall) and thus the working space are constant. In the subsequent zone, the pressure builds up. In order to build up the pressure efficiently, it is advantageous if in this area the working space in the direction of the outlet decreases continuously. This is done, for example, via a continuous reduction of the flight depth. The profiles of the two snails 44b can be identical or as in the screw pump in convex and concave design.

Der Massedurchsatz (= Fördermenge) ist einerseits von der Umlaufgeschwindigkeit der Schnecke 44b als auch von der Bauart der Schnecke 44b abhängig. Zum Beispiel beutetet eine größere Gangtiefe (= Abstand zwischen Schneckeninnendurchmesser und Zylinderwand) ein größeres Füllvolumen. Da der Wärmeeintrag über die Zylinderwand erfolgt, kann eine zu groß gewählte Gangtiefe ein nicht vollständiges Aufschmelzen des elektropositiven Metalls zur Folge haben. Die Auslegung der Schneckenbauform richtet sich nach der Größe der Anlage/Vorrichtung und den geforderten Prozessgeschwindigkeiten und Massendurchsätzen (beispielsweise Durchsatz von elektropositivem Metall oder Lithium-Massendurchsatz: von 1g/s bis 50 t/h). The mass flow rate (= flow rate) is on the one hand by the rotational speed of the screw 44b as well as the design of the screw 44b dependent. For example, a larger flight depth (= distance between the inside diameter of the screw and the cylinder wall) requires a larger filling volume. Since the heat input takes place via the cylinder wall, a too large selected channel depth may result in incomplete melting of the electropositive metal. The design of the screw design depends on the size the equipment and the required process speeds and mass flow rates (for example, throughput of electropositive metal or lithium mass flow rate: from 1 g / s to 50 t / h).

Zerstäubeeinrichtung 5 Zerstäubeeinrichtung 5

Die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise ein Düsenwerkzeug / eine Düse 51 wie eine Einstoffdüse/Einstoff-Druckdüse, eine Zweistoff- oder pneumatische Düse oder eine mechanische Düse, ist bevorzugt direkt mit der Fördereinrichtung 4 verbunden und hat zur Aufgabe, die Schmelze des elektropositiven Metalls MM oder das pulverisierte elektropositive Metall in ein feinpartikuläres Spray S mit Partikelgrößen bis einschließlich 100 µm, bevorzugt bis 10 µm und weiter bevorzugt bis 1 µm, umzuwandeln. Hierzu befindet sich an der Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise einer Düse 51, gemäß bestimmter Ausführungsformen eine Befestigungsvorrichtung 45, wie in 6 bis 8 dargestellt. The atomizer device 5 , For example, a nozzle tool / a nozzle 51 such as a single-fluid nozzle / single-fluid pressure nozzle, a two-fluid or pneumatic nozzle or a mechanical nozzle, is preferably directly with the conveyor 4 The object of the invention is to convert the melt of the electropositive metal MM or the pulverized electropositive metal into a fine particulate spray S having particle sizes up to and including 100 μm, preferably up to 10 μm and more preferably up to 1 μm. This is located at the atomizer 5 , For example, a nozzle 51 according to certain embodiments, a fastening device 45 , as in 6 to 8th shown.

Hierbei können zwei Grundvarianten unterscheiden werden:

  • 1. Zerstäubeeinrichtung 5 bzw. Düse 51 ohne Gaszufuhr
  • 2. Zerstäubeeinrichtung 5 bzw. Düse 51 mit innerer Gaszufuhr
Here, two basic variants can be distinguished:
  • 1. atomizer 5 or nozzle 51 without gas supply
  • 2. Atomizer 5 or nozzle 51 with internal gas supply

Ausführungsformen zu Düsen 51 ohne innere Gaszufuhr (sog. Einstoffdüsen) finden sich beispielhaft in 6 und 7 und mit innerer Gaszufuhr in 8. Embodiments of nozzles 51 without internal gas supply (so-called single-substance nozzles) can be found by way of example in FIG 6 and 7 and with internal gas supply in 8th ,

In diesen Ausführungsformen verjüngt sich der Düsendurchmesser zum Düsenauslass hin. Ein konstanter Düsenquerschnitt oder eine Aufweitung ist jedoch ebenso möglich. Der Bohrdurchmesser der Düse 51 liegt typischer Weise im Bereich von 0,5 bis 3 mm. Die Metallschmelze MM verlässt die Düse 51 bei ausreichender Geschwindigkeit und Drücken im Bereich von 0.01–100 bar, bevorzug 1–10 bar, unter Bildung feiner Tröpfchen als Spray S mit Tropfengrößen bis einschließlich 100 µm, bevorzugt bis 10 µm und weiter bevorzugt bis 1 µm. Das beispielsweise am Düsenauslass über einen Prozessgaseinlass 52, z.B. zusätzliche Düsen (z.B. in Form einer Ringdüse, die ringförmig um die Düse ausgebildet ist, oder in Form mehrerer konzentrisch außen angeordneter Düsen), zugeführte Prozessgas PG fördert die Tröpfchenbildung und dient gleichzeitig als Prozessgas (PG (= Reaktionsgas) für die Verbrennung mit dem elektropositiven Metall, beispielsweise Lithium. Bevorzugt wird das Prozessgas mit einem gewissen Abstand zum Auslass der Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise dem Düsenauslass, zugeführt, um ein Verstopfen der Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise der Düse 51, zu verhindern, beispielsweise mit einem Abstand von mehr als 1 cm, mehr als 1 dm oder mehr als 1 m, beispielsweise mehr als 5 m. Wie in 8 dargestellt kann die Düse 51 mit einem Lochgitter 53 versehen sein, um die Tröpfchenbildung weiter zu begünstigen. In these embodiments, the nozzle diameter tapers toward the nozzle outlet. However, a constant nozzle cross section or an expansion is also possible. The drill diameter of the nozzle 51 is typically in the range of 0.5 to 3 mm. The molten metal MM leaves the nozzle 51 at sufficient speed and pressures in the range of 0.01-100 bar, preferably 1-10 bar, to form fine droplets as spray S with droplet sizes up to and including 100 microns, preferably up to 10 microns and more preferably up to 1 micron. For example, at the nozzle outlet via a process gas inlet 52 , Eg additional nozzles (eg in the form of an annular nozzle, which is annular around the nozzle, or in the form of several concentrically arranged outside nozzles), supplied process gas PG promotes droplet formation and serves as a process gas (PG (= reaction gas) for combustion with the electropositive metal, for example lithium, The process gas is preferred with a certain distance to the outlet of the atomizer 5 , For example, the nozzle outlet, supplied to clog the Zerstäubeeinrichtung 5 , for example, the nozzle 51 to prevent, for example, with a distance of more than 1 cm, more than 1 dm or more than 1 m, for example more than 5 m. As in 8th the nozzle can be shown 51 with a perforated grid 53 be provided to further promote the formation of droplets.

In weiteren Ausführungsformen, wie in 8 angedeutet, wird über eine Gasdüse im Inneren der Werkzeugdüse 51 das Prozessgas PG zugeführt, um die Zerstäubung der Metallschmelze MM zu begünstigen. Als Prozessgase kommen, beispielsweise im Fall von Lithium, z.B. N2, CO2, H2O, Luft in Frage. In further embodiments, as in 8th indicated, is via a gas nozzle inside the tool nozzle 51 the process gas PG supplied to promote the atomization of the molten metal MM. As process gases come, for example in the case of lithium, for example, N 2 , CO 2 , H 2 O, air in question.

Bei dieser Bauform handelt es sich um Zweistoffdüsen. Diese haben den Vorteil, dass die Zerstäubung durch das Prozessgas PG erfolgt, was gleichzeitig als Reaktionsgas (Oxidationsmittel) für die Verbrennung genutzt wird und somit keine nachträgliche Zufuhr von Prozessgas PG nötig wird. Damit keine Vermischung der Prozessgase PG und des „Brennstoffs elektropositives Metall“ innerhalb der Düse stattfindet, was zu einer unerwünschten vorzeitigen Umsetzung des elektropositiven Metalls zu Carbonat, Oxid, Nitrid führen würde, ist die Zuleitung für die innere Gaszufuhr bevorzugt so ausgelegt, dass die gewünschte Verbrennung nach der Zündung stattfindet. This design is a two-fluid nozzle. These have the advantage that the atomization is carried out by the process gas PG, which is also used as a reaction gas (oxidant) for the combustion and thus no subsequent supply of process gas PG is necessary. So that no mixing of the process gases PG and the "fuel electropositive metal" takes place inside the nozzle, which would lead to an undesired premature conversion of the electropositive metal to carbonate, oxide, nitride, the inlet for the internal gas supply is preferably designed so that the desired Combustion takes place after ignition.

Zudem können in der Düse 51 eingebaute Drallkörper Strömungsturbulenzen erzeugen, wodurch die Bildung feiner Tröpfchen begünstigt wird. In addition, in the nozzle 51 built-in swirling bodies generate flow turbulences, whereby the formation of fine droplets is favored.

Die erzeugte Tröpfchengröße des Sprays S ist dabei zum einen abhängig von der Geometrie und Temperierung der Zerstäubeeinrichtung 5 und zum anderen von der Viskosität der Schmelze und dem Druck, mit der diese durch die Düse gepresst wird. Daher ist die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise eine Düse 51 in bestimmten Ausführungsformen beheizbar. Typische Düsenöffnungen haben einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 3 mm. The generated droplet size of the spray S is on the one hand dependent on the geometry and temperature of the atomizer 5 and on the other hand, the viscosity of the melt and the pressure with which it is pressed through the nozzle. Therefore, the atomizer is 5 , For example, a nozzle 51 heated in certain embodiments. Typical orifices have a diameter in the range of 0.5 to 3 mm.

Prozesskammer 6 process chamber 6

In der Prozesskammer 6 findet ggf. die Zündung und Verbrennung des in der Zerstäubeeinrichtung 5 erzeugten feinpartikulären Sprays S in Reaktion mit dem Prozessgas PG (= Reaktionsgas) statt. Die Prozesskammer 6 (Verbrennungsreaktor) ist bevorzugt hermetisch gekapselt, beispielsweise durch eine Reaktorwand 61. Die Zufuhr der Prozessgase PG erfolgt entweder direkt an der Zerstäubeeinrichtung 5, wie oben beschrieben, oder die Prozessgase werden in die Prozesskammer 6 eingeleitet. Als Prozessgase PG für die Verbrennung des elektropositiven Metalls, z.B. Lithium, kommen beispielsweise die Gase Sauerstoff O2, Wasserdampf H2O, Kohlendioxid CO2 oder Stickstoff N2 zum Einsatz, die stark exotherm mit dem elektropositiven Metall reagieren können. So wurden beispielsweise bei der Reaktion von Lithium mit CO2 Flammtemperaturen von bis zu 4000 K und für N2 bis zu 2000K errechnet. In the process chamber 6 If necessary, find the ignition and combustion of the atomizer 5 produced fine particulate sprays S in reaction with the process gas PG (= reaction gas) instead. The process chamber 6 (Combustion reactor) is preferably hermetically encapsulated, for example by a reactor wall 61 , The supply of the process gases PG takes place either directly at the atomizer 5 As described above, or the process gases are in the process chamber 6 initiated. As process gases PG for the combustion of the electropositive metal, such as lithium, for example, the gases oxygen O 2 , water vapor H 2 O, carbon dioxide CO 2 or nitrogen N 2 are used, which can react strongly exothermic with the electropositive metal. For example, in the reaction of lithium with CO 2, flame temperatures of up to 4000 K and for N 2 up to 2000 K were calculated.

Der Start der Verbrennung erfolgt gemäß bestimmten Ausführungsformen direkt in Reaktion mit dem Prozessgas PG. Diese Art der Selbstentzündung erfolgt unter bestimmten Bedingungen, die u.a. von der Partikelgröße des Sprays S, der Temperatur, Druck und dem Prozessgas PG abhängen. Für die Reaktion von Lithium mit Stickstoff beispielsweise sind in der Literatur Zündtemperaturen von 170°C bis 600°C berichtet. Für Lithium mit Luft sind Werte im Bereich von 400 bis 640°C zu finden. Darüber hinaus ist bekannt, dass Feuchtigkeit z.B. in Form von Wasserdampf die Entzündung zu niedrigeren Temperaturen verschiebt und beschleunigend wirkt ( Rhein, R. A.: Lithium Combustion: Review, NWC Technical Publication 7087, China Lake, CA, 1990 ). The start of combustion occurs directly in response to the process gas PG, according to certain embodiments. This type of autoignition takes place under certain conditions, which depend inter alia on the particle size of the spray S, the temperature, pressure and the process gas PG. Ignition temperatures of 170 ° C to 600 ° C have been reported in the literature for the reaction of lithium with nitrogen, for example. For lithium with air, values in the range of 400 to 640 ° C can be found. In addition, it is known that moisture, for example in the form of water vapor, shifts the ignition to lower temperatures and has an accelerating effect ( Rhein, RA: Lithium Combustion: Review, NWC Technical Publication 7087, China Lake, CA, 1990 ).

Um ebenso unabhängig von den Prozessbedingungen eine Entzündung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, hervorzurufen, ist die Prozesskammer 6 gemäß bevorzugten Ausführungsformen mit einer Zündvorrichtung 7 ausgestattet. Dies kann z.B. über eine Entladungsfunken oder Plasmaanregung erfolgen. Bekannte Zündanlagen zur Erzeugung eines Zündfunkens bzw. Plasmas sind z.B. Magnetzünder, elektronische Zünder und Laserzünder. Des Weiteren kann die Zündung durch Zugabe von Wasserdampf initiiert werden. Ist der Verbrennungsprozess einmal gezündet, läuft dieser von selbst weiter, vorausgesetzt, das elektropositive Metall, z.B. Lithium, und Prozessgas PG werden dem Verbrennungsprozess kontinuierlich zugeführt. Alternativ kann das elektropositive Metall oberhalb der Zündtemperatur injiziert werden, wobei eine Selbstentzündung erfolgt. In order to cause inflammation of the electropositive metal, for example lithium, also independently of the process conditions, the process chamber is 6 according to preferred embodiments with an ignition device 7 fitted. This can be done for example via a discharge spark or plasma excitation. Known ignition systems for generating a spark or plasma are eg magneto, electronic detonators and laser detonators. Furthermore, the ignition can be initiated by adding steam. Once the combustion process has been ignited, it continues to run by itself, provided that the electropositive metal, eg, lithium, and process gas PG are continuously supplied to the combustion process. Alternatively, the electropositive metal may be injected above the ignition temperature, with autoignition taking place.

Bei der Verbrennung von elektropositivem Metall, z.B. Lithium mit Prozessgasen PG wie N2, O2, H2O, H2 und CO2 entstehen ggf. verschiedene feste Verbindungen, beispielsweise Lithiumverbindungen wie z.B. Li2O, Li3N, LiOH, Li2CO3, LiH, als Abbrandprodukte 64 (= Reaktionsprodukte). Weitere gasförmige Reaktionsprodukte, die z.B. bei der Reaktion mit Wasser oder CO2 entstehen, sind z.B. H2 und CO. Die Prozesskammer ist gemäß bestimmten Ausführungsformen so konzipiert, dass entstehende Abbrandprodukte 64 über einen ggf. auswechselbaren Gitterboden 63 im laufenden Betrieb entsorgt werden können. Entstehende gasförmige Produkte können über einen Auslass 62 abgesaugt und für weitere Nachfolgereaktionen gesammelt werden. So kann z.B. das bei der Verbrennung in CO2 entstehende CO als Ausgangsstoff für die Herstellung von Methanol oder Kohlenwasserstoffen verwendet werden. During the combustion of electropositive metal, for example lithium with process gases PG such as N 2 , O 2 , H 2 O, H 2 and CO 2 , various solid compounds may form, for example lithium compounds such as Li 2 O, Li 3 N, LiOH, Li 2 CO 3 , LiH, as burn-off products 64 (= Reaction products). Other gaseous reaction products which are formed, for example, in the reaction with water or CO 2 are, for example, H 2 and CO. The process chamber is, in accordance with certain embodiments, designed to produce any burnup products 64 via a possibly interchangeable grid floor 63 can be disposed of during operation. Resulting gaseous products can via an outlet 62 aspirated and collected for further follow-up reactions. Thus, for example, the CO formed during combustion in CO 2 can be used as starting material for the production of methanol or hydrocarbons.

Die Abbrandprodukte 64 können beispielsweise kontinuierlich mittels einer Abführvorrichtung innerhalb der Prozesskammer abgeführt werden, die dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsprodukt des elektropositiven Metalls mit dem Prozessgas kontinuierlich aus der Prozesskammer zu entfernen, beispielsweise einem Förderband oder ähnlichen. Ebenso ist aber auch der Auslass 62, mit Hilfe dessen kontinuierlich gasförmige Produkte der Verbrennung abgeführt werden können, als Abführvorrichtung zu verstehen. Durch die kontinuierlich arbeitende Abführvorrichtung wird eine effizientere Verwendung der Vorrichtung erzielt. The burn-off products 64 For example, they can be continuously removed by means of a discharge device within the process chamber, which is designed to continuously remove a combustion product of the electropositive metal with the process gas from the process chamber, for example a conveyor belt or the like. But the outlet is the same 62 , by means of which continuously gaseous products of combustion can be removed, to be understood as a discharge device. The continuously operating discharge device achieves a more efficient use of the device.

Die in der Prozesskammer erzeugte thermische Energie wird gemäß bestimmten Ausführungsformen genutzt, z.B. analog zu einem Kohlekraftwerk vorrangig zur Stromerzeugung. Mittels Wärmetauscher 8 kann Dampf erzeugt werden, der eine Gasturbine antreibt, welche die thermische in elektrische Energie umwandelt. Im Unterschied zur Kohleverbrennung können jedoch alle bei der Verbrennung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, entstehenden Verbindungen weiterverwertet und weiterverarbeitet werden, oder sie werden mittels Elektrolyse in das elektropositive Metall, beispielsweise Lithium, zurückgeführt. Die Vorteile dieser Rückführung sind bereits aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt. The thermal energy generated in the process chamber is used according to certain embodiments, eg analogous to a coal-fired power plant primarily for power generation. By means of heat exchanger 8th For example, steam can be generated which drives a gas turbine which converts the thermal energy into electrical energy. In contrast to coal combustion, however, all the compounds formed during the combustion of the electropositive metal, for example lithium, can be further utilized and further processed, or they are recycled by means of electrolysis into the electropositive metal, for example lithium. The advantages of this feedback are already known from the above-mentioned prior art.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die bei der Verbrennung entstehende Verlustwärme, die aufgrund von Entropieeffekten nicht der Stromerzeugung zugutekommt, als Wärme für die Erhitzung des Ausgangsmaterials, des elektropositiven Metalls verwertet werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Prozessanlage und damit die Wirtschaftlichkeit des Verbrennungsprozesses. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen weiter ein Transportsystem auf, mit dem die thermische Energie zur Schmelzvorrichtung 3 und/oder zur Fördereinrichtung 4 zum Erhitzen des elektropositiven Metalls geführt wird. According to another embodiment, the waste heat produced during the combustion, which does not benefit the power generation due to entropy effects, can be utilized as heat for the heating of the starting material, the electropositive metal. This increases the efficiency of the process plant and thus the efficiency of the combustion process. For this purpose, the device according to the invention, according to certain embodiments further on a transport system, with which the thermal energy to the melting device 3 and / or to the conveyor 4 for heating the electropositive metal is performed.

Um die Prozessanlage vor Korrosion aufgrund der verarbeitenden elektropositiven Metalle, insbesondere Alkalimetallen bzw. Alkalimetalllegierungen, zu verhindern, sind nichtrostende und korrosionsbeständige Konstruktionswerkstoffe gemäß bestimmter Ausführungsformen für die Auslegung insbesondere der Fördereinrichtung 4, der Zerstäubeeinrichtung 5 und/oder der Prozesskammer 6 einzusetzen. Insbesondere die Brennkammer/Prozesskammer 6, in der aufgrund der Reaktion mit den Prozessgasen PG wie zum Beispiel Kohlendioxid, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Wasserstoff Temperaturen von > 600°C erreicht werden und korrosive Abbrandprodukte 64 wie z.B. Li3N und Li2O im Falle des Li als elektropositiven Metalls entstehen können, sind besonders korrosionsbeständige und hochwarmfeste CrNi-Stähle bevorzugt, aber nicht einschränkend zu verwenden. Auch ist beispielsweise nichtlegiertes Eisen gegen Lithium beständig im Gegensatz zu Kupfer. In order to prevent the process plant from corrosion due to the processing electropositive metals, in particular alkali metals or alkali metal alloys, stainless and corrosion-resistant construction materials according to certain embodiments are for the design of the conveyor in particular 4 , the atomizer 5 and / or the process chamber 6 use. In particular, the combustion chamber / process chamber 6 in which due to the reaction with the process gases PG such as carbon dioxide, nitrogen, oxygen and / or hydrogen temperatures of> 600 ° C are achieved and corrosive burn-off products 64 such as Li 3 N and Li 2 O may arise in the case of Li as electropositive metal, particularly corrosion-resistant and high temperature CrNi steels are preferred, but not restrictive to use. Also, for example, non-alloyed iron is resistant to lithium as opposed to copper.

Beispiele Examples

Die Erfindung wird im Anschluss anhand einiger beispielhafter Ausführungsformen dargestellt, die diese jedoch nicht einschränken. The invention will be illustrated below with reference to some exemplary embodiments which, however, do not limit the same.

Verschiedene Ausführungsbeispiele von Prozessanlagen sind in 10 bis 12 veranschaulicht, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Jegliche Kombinationen der Anlagenkomponenten/Bauteile Zuführeinrichtung 1, Dosiereinheit 2, Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3, Fördereinrichtung 4, Zerstäubeeinrichtung 5 und Prozesskammer 6 sind eingeschlossen. Various embodiments of process plants are in 10 to 12 however, the invention is not limited to these examples. Any combinations of plant components / components feeding device 1 , Dosing unit 2 , Melting device or pulverizer 3 , Conveyor 4 , Atomizer 5 and process chamber 6 are included.

Beispiel 1 example 1

Beim Ausführungsbeispiel 1 (10) handelt es sich um einen spezielle Ausführungsform zur Verarbeitung von pulverförmigen und partikulären Metallen, hier Lithium, bei der der Extruder 44 die Prozessschritte – Schmelzen, Fördern und Druck aufbauen – übernimmt. Die Prozesskammer 6 und der Extruder 44 sind hierbei wie oben dargelegt aufgebaut, wobei die Prozesskammer 6 eine Zündvorrichtung 7 aufweist. Eine Besonderheit in dieser Ausführung ist, dass der Extruder 44 sowie die Zufuhr der Metallpellets MP sowie die Dosiereinrichtung 2 in einer Schutzgas, beispielsweise Argon, gefüllten Kammer 20 vorgesehen sind, um Reaktionen des elektropositiven Metalls in diesen Bauteilen mit der Umgebung so weit möglich auszuschließen. In the embodiment 1 ( 10 ) is a special embodiment for the processing of powdered and particulate metals, here lithium, in which the extruder 44 The process steps - melting, conveying and pressure build - takes over. The process chamber 6 and the extruder 44 are here constructed as set out above, wherein the process chamber 6 an ignition device 7 having. A special feature in this design is that the extruder 44 and the supply of metal pellets MP and the metering device 2 in a protective gas, such as argon, filled chamber 20 are provided in order to exclude as far as possible reactions of the electropositive metal in these components with the environment.

Beispiel 2 Example 2

In Ausführungsbeispiel 2 gemäß 11 werden der oben dargestellte Schraubenverdichter 43 mit der oben dargestellten Prozesskammer 6 verbunden, wobei die Zufuhr zum Schraubenverdichter, das Dosieren und das Schmelzen in einer Zuführeinrichtung 1 mit einem Einlass für Metallpellets MP und einer mit Heizelementen 100 beheizten Dosierschnecke 21 stattfindet. Zudem findet sich nach der Dosierschnecke ein Einlass für Schutzgas SG, z.B. Argon, um eine vorzeitige Reaktion des geschmolzenen elektropositiven Metalls, hier beispielsweise Lithium, zu verringern oder zu verhindern. Zudem weist die Prozesskammer 6 eine Zündvorrichtung 7 auf. In Embodiment 2 according to 11 become the screw compressor shown above 43 with the process chamber shown above 6 the supply to the screw compressor, dosing and melting in a feeder 1 with an inlet for metal pellets MP and one with heating elements 100 heated dosing screw 21 takes place. In addition, after the dosing screw there is an inlet for protective gas SG, for example argon, in order to reduce or prevent a premature reaction of the molten electropositive metal, in this case for example lithium. In addition, the process chamber has 6 an ignition device 7 on.

Beispiel 3 Example 3

Im Ausführungsbeispiel 3, das in 12 dargestellt ist, wird der oben dargestellte Schraubenverdichter 43 mit der oben dargestellten Prozesskammer 6, die eine Zündvorrichtung 7 aufweist, verbunden. Die Zufuhr zum Schraubenverdichter 43 erfolgt hierbei wie folgt: Über ein Förderband 11 als Beispiel einer Zuführeinrichtung 1 wird festes elektropositives Metall, hier Lithium, in Fässern einer kontinuierlichen Ofenanlage 31, die mit Schutzgas SG zum Druckausgleich und zur Verhinderung einer vorzeitigen Reaktion des Metalls gefüllt wird, zugeführt. Aus dieser kontinuierlichen Ofenanlage 31 wird das geschmolzene Metall MM über ein Ventil dem Schraubenverdichter 43 zugeführt. Über die Geschwindigkeit des Förderbands 11, das Ventil vor dem Schraubenverdichter 43, etc. kann hierbei die Zudosierung gesteuert werden, so dass die Kombination von Förderband 11, kontinuierliche Ofenanlage 31 und Ventil nach dem Schmelzen die Dosiereinheit 2 umfasst. In the embodiment 3, the in 12 is shown, the screw compressor shown above 43 with the process chamber shown above 6 that is an ignition device 7 has connected. The feed to the screw compressor 43 takes place as follows: Via a conveyor belt 11 as an example of a feeder 1 becomes solid electropositive metal, here lithium, in barrels of a continuous furnace plant 31 , which is filled with inert gas SG for pressure equalization and to prevent premature reaction of the metal supplied. From this continuous furnace plant 31 The molten metal MM is connected via a valve to the screw compressor 43 fed. About the speed of the conveyor 11 , the valve in front of the screw compressor 43 , etc. In this case, the metering can be controlled, so that the combination of conveyor belt 11 , continuous furnace plant 31 and valve after melting the dosing unit 2 includes.

Beispiel 4 Example 4

Beispiele von Berechnungen für Verbrennungen von verschiedenen elektropositiven Metallen mit verschiedenen Prozessgasen in Vorrichtungen/Prozessanlagen bzw. Kraftwerken verschiedener Größe, in Bezug auf deren Leistungen, sind im Anschluss gezeigt. A) Reaktionen von Magnesium 1. Verbrennung in CO2 Atmosphäre

Figure DE102013224709A1_0002
2. Verbrennung in N2 Atmosphäre
Figure DE102013224709A1_0003
Figure DE102013224709A1_0004
3. Verbrennung in O2
Figure DE102013224709A1_0005
B) Reaktionen von Calcium
Figure DE102013224709A1_0006
2. Verbrennung in N2
Figure DE102013224709A1_0007
3. Verbrennung in O2
Figure DE102013224709A1_0008
c) Reaktionen von Natrium 1. Reaktion mit H2O
Figure DE102013224709A1_0009
D) Reaktionen von Kalium
Figure DE102013224709A1_0010
2. Verbrennung in O2
Figure DE102013224709A1_0011
E) Reaktionen von Barium
Figure DE102013224709A1_0012
2. Verbrennung in N2
Figure DE102013224709A1_0013
F) Reaktionen von Aluminium 1. Verbrennung in N2
Figure DE102013224709A1_0014
2. Verbrennung in O2
Figure DE102013224709A1_0015
G) Reaktionen von Strontium 1. Verbrennung in N2
Figure DE102013224709A1_0016
2. Verbrennung in O2
Figure DE102013224709A1_0017
Examples of calculations for combustions of various electropositive metals with different process gases in devices / process plants or power plants of different sizes, in terms of their performance, are shown below. A) Reactions of magnesium 1. combustion in CO 2 atmosphere
Figure DE102013224709A1_0002
2. Combustion in N 2 atmosphere
Figure DE102013224709A1_0003
Figure DE102013224709A1_0004
3. combustion in O 2
Figure DE102013224709A1_0005
B) reactions of calcium
Figure DE102013224709A1_0006
2. combustion in N 2
Figure DE102013224709A1_0007
3. combustion in O 2
Figure DE102013224709A1_0008
c) Reactions of sodium 1. Reaction with H 2 O
Figure DE102013224709A1_0009
D) Reactions of potassium
Figure DE102013224709A1_0010
2. combustion in O 2
Figure DE102013224709A1_0011
E) Reactions of barium
Figure DE102013224709A1_0012
2. combustion in N 2
Figure DE102013224709A1_0013
F) Reactions of Aluminum 1. Combustion in N 2
Figure DE102013224709A1_0014
2. combustion in O 2
Figure DE102013224709A1_0015
G) Reactions of strontium 1. Combustion in N 2
Figure DE102013224709A1_0016
2. combustion in O 2
Figure DE102013224709A1_0017

Diese Daten zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung für diverse elektropositive Metalle großtechnisch angewendet werden kann. These data show that the method according to the invention or the device according to the invention can be used industrially for various electropositive metals.

Es ergeben sich die folgenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Verbrennung eines elektropositiven Metalls, insbesondere Lithium, sowie das erfindungsgemäße Verfahren:

  • • Es handelt sich um ein kontinuierliches Verfahren und eine kontinuierliche Prozessanlage, die die Verarbeitung von Lithium oder anderer elektropositive Metalle wie z.B. Mg oder Na, ggf. unter Schutzgas, zu feinen Partikeln (= Spray) erlaubt, die dann in Reaktion mit Prozessgasen (wie z.B. CO2, N2, H2, Luft, Wasser) kontrolliert verbrannt werden.
  • • Die Anlage/Vorrichtung übernimmt alle für die Verbrennung des elektropositiven Metalls erforderlichen Prozesse, wie: Material bereitstellen, Schmelzen, Fördern, Druck aufbauen, Zerstäuben, ggf. Zünden und Verbrennen des Lithiums.
  • • Das Verfahren ist skalierbar von kleinen Materialdurchsätzen von wenigen 10 g/h bis zu mehreren 100 kg/h bzw. an die 100te Tonnen/h (Vergleich Kohlekraftwerk 13000 t Kohle pro Tag).
  • • Die Anlagen sind verhältnismäßig kompakt und können ohne besondere Vorkehrungen z.B. direkt an Oxyfuel-Kraftwerke angebunden werden. Somit kann das in Oxyfuel-Kraftwerken anfallende CO2 als Reaktionsgas für die Verbrennung genutzt werden.
  • • Die in der Anlage erzeugte thermische Energie kann analog zu konventionellen Kohlekraftwerken über Wärmetauscher und Dampferzeuger direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Im Unterschied zur Kohleverbrennung entsteht bei der Verbrennung des elektropositiven Metalls kein CO2, und die Abbrandprodukte sind verwertbar bzw. recyclebar.
  • • Die beim Verbrennungsprozess entstehende Verlustwärme kann dem Verarbeitungsprozess zur Schmelzeerzeugung zugeführt und somit verwertet werden, was den Wirkungsgrad der Anlage und deren wirtschaftlichen Betrieb verbessert.
The following advantages of the device according to the invention for the combustion of an electropositive metal, in particular lithium, and the method according to the invention result:
  • • It is a continuous process and a continuous process plant, which allows the processing of lithium or other electropositive metals such as Mg or Na, possibly under inert gas, to fine particles (= spray), which then in reaction with process gases (such as eg CO 2 , N 2 , H 2 , air, water) are burned controlled.
  • • The plant / equipment takes over all processes required for the combustion of the electropositive metal, such as: providing material, melting, conveying, pressure build-up, sputtering, possibly igniting and burning the lithium.
  • • The process is scalable from small material throughputs of a few 10 g / h up to several 100 kg / h or to the 100 tons / h (compared to 13000 t coal power per day).
  • • The systems are relatively compact and can be connected directly to oxyfuel power plants without special precautions. Thus, the resulting in oxyfuel power plants CO 2 can be used as a reaction gas for combustion.
  • • The thermal energy generated in the system can be converted directly into electrical energy via heat exchangers and steam generators, similar to conventional coal-fired power plants. In contrast to coal combustion, no CO 2 is produced during the combustion of the electropositive metal, and the combustion products are recyclable or recyclable.
  • • The waste heat generated during the combustion process can be fed into the melt production process and thus recycled, which improves the efficiency of the plant and its economic operation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008031437 A1 [0003] DE 102008031437 A1 [0003]
  • DE 102010041033 A1 [0003, 0008] DE 102010041033 A1 [0003, 0008]
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Claims (20)

Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls; ii) Dosieren des elektropositiven Metalls; iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls; iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung; v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse; und vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.  A method of continuously burning an electropositive metal to generate thermal energy characterized by the steps of: i) continuously supplying the electropositive metal; ii) dosing the electropositive metal; iii) melting or pulverizing the electropositive metal; iv) conveying the electropositive metal under pressurization; v) atomizing the electropositive metal by means of a sputtering device, preferably a nozzle; and vi) burning the electropositive metal in a process chamber with a process gas to generate thermal energy. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das elektropositive Metall ein Alkali- oder Erdalkalimetall oder Al oder Zn ist.  The method of claim 1, wherein the electropositive metal is an alkali or alkaline earth metal or Al or Zn. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckbeaufschlagung im Schritt iv) bei einem Druck von 0,01 bis 100 bar, bevorzugt 1–10 bar liegt.  A method according to claim 1 or 2, wherein the pressurization in step iv) at a pressure of 0.01 to 100 bar, preferably 1-10 bar. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall nach dem Zerstäuben im Schritt v) gezündet wird.  Method according to one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is ignited after sputtering in step v). Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall im Schritt v) mit dem Prozessgas versprüht wird.  Method according to one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is sprayed in step v) with the process gas. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall in Schritt vi) mit dem Prozessgas zur Reaktion gebracht wird, wobei das Prozessgas bevorzugt CO2 und/oder N2 ist. Method according to one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is reacted in step vi) with the process gas, wherein the process gas is preferably CO 2 and / or N 2 . Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird.  Method according to one of the preceding claims, wherein the thermal energy generated in step vi) is used to generate electrical energy. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie zum Schmelzen des elektropositiven Metalls verwendet wird.  Method according to one of the preceding claims, wherein the thermal energy generated in step vi) is used to melt the electropositive metal. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das in Schritt iii) geschmolzene elektropositive Metall in den Schritten iv) und v) weiter, bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls, erhitzt wird.  A process according to any one of the preceding claims, wherein the electropositive metal melted in step iii) is further heated in steps iv) and v), preferably to a temperature above the melting point of the electropositive metal. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie zum Erhitzen des elektropositiven Metalls in den Schritten iv) und v) verwendet wird.  The method of claim 9, wherein the thermal energy generated in step vi) is used to heat the electropositive metal in steps iv) and v). Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei entstehende Verbrennungsprodukte des elektropositiven Metalls und des Prozessgases als Feststoff und ggf. gasförmiges Reaktionsprodukt anfallen und kontinuierlich aus der Prozesskammer abgeführt werden.  Method according to one of the preceding claims, wherein resulting combustion products of the electropositive metal and the process gas incurred as a solid and optionally gaseous reaction product and are removed continuously from the process chamber. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen: a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das elektropositive Metall kontinuierlich zuzuführen; b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu dosieren; c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren; d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern; e) Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse, die mit der Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einem Prozessgas zu verbrennen.  Apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy comprising the following components: a) feeding means adapted to continuously supply the electropositive metal; b) metering unit adapted to dose the electropositive metal; c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal; d) conveyor adapted to convey the electropositive metal under pressurization; e) atomizing means, preferably nozzle, which is coupled to the conveyor and adapted to atomize the electropositive metal; and f) process chamber adapted to burn the electropositive metal to generate thermal energy with a process gas. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Prozesskammer eine Zündvorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zünden.  Apparatus according to claim 12, wherein the process chamber comprises an ignition device adapted to ignite the electropositive metal. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung miteinander gekoppelt sind. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the melting device and the conveyor are coupled together. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung eine Kolbenpumpe, ein Injektor, ein Schraubenverdichter oder ein Extruder ist.  Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the conveyor is a piston pump, an injector, a screw compressor or an extruder. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung Heizelemente umfasst, die dazu ausgebildet sind, das elektropositive Metall, bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls, zu erhitzen.  Apparatus according to any one of the preceding apparatus-related claims, wherein the conveyor comprises heating elements adapted to heat the electropositive metal, preferably to a temperature above the melting point of the electropositive metal. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Zerstäubeeinrichtung eine Vorrichtung zur Zufuhr des Prozessgases, bevorzugt CO2 und/oder N2, umfasst, das zum Zerstäuben des elektropositiven Metalls verwendet wird. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the atomizing device comprises a device for supplying the process gas, preferably CO 2 and / or N 2 , which is used for atomizing the electropositive metal. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Zufuhr des Prozessgases innerhalb der Zerstäubeeinrichtung oder außerhalb der Zerstäubeeinrichtung durch eine Ringdüse erfolgt.  Apparatus according to claim 17, wherein the supply of the process gas within the atomizer or outside of the atomizer by an annular nozzle. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, die weiter eine Abführvorrichtung innerhalb der Prozesskammer aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungsprodukt des elektropositiven Metalls und des Prozessgases kontinuierlich aus der Prozesskammer zu entfernen.  An apparatus according to any one of the preceding apparatus-related claims, further comprising a purge device within the process chamber configured to continuously remove a combustion product of the electropositive metal and the process gas from the process chamber. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, die weiter ein Transportsystem umfasst, mit dem die erzeugte thermische Energie zur Schmelzvorrichtung und/oder zur Fördereinrichtung zum Erhitzen des elektropositiven Metalls geführt wird.  Apparatus according to any one of the preceding apparatus-related claims, further comprising a transport system for conducting the generated thermal energy to the melter and / or to the conveyor for heating the electropositive metal.
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