DE102014209529A1

DE102014209529A1 - Verbrennung von Lithium bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Gasüberschüssen mit porösen Rohren als Brenner

Info

Publication number: DE102014209529A1
Application number: DE102014209529.8A
Authority: DE
Inventors: Walter Preidel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26
Also published as: EP3123078A1; KR20170010805A; WO2015176943A1; US20170082284A1; CN106537035A; RU2647187C1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
Im Laufe der Jahre ist eine Vielzahl von Energieerzeugungseinrichtungen vorgeschlagen worden, die mit bei der Oxidation von metallischem Lithium erzeugter Wärme arbeiten (z.B. US-PS 33 28 957 ). In einem solchen System werden Wasser und Lithium miteinander unter Erzeugung von Lithiumhydroxid, Wasserstoff und Dampf umgesetzt. An anderer Stelle im System wird der durch die Reaktion zwischen Lithium und Wasser erzeugte Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von zusätzlichem Dampf kombiniert. Der Dampf wird dann zum Antrieb einer Turbine oder dergleichen genutzt, so dass man eine Energieerzeugungsquelle erhält. Lithium kann auch zusätzlich zur Gewinnung von Grundstoffen eingesetzt werden. Beispiele sind die Umsetzung mit Stickstoff zu Lithiumnitrid und nachfolgender Hydrolyse zu Ammoniak oder mit Kohlendioxid zu Lithiumoxid und Kohlenmonoxid. Das feste finale Endprodukt der Umsetzung des Lithiums ist jeweils, gegebenenfalls nach Hydrolyse, wie bei Nitrid, das Oxid oder Carbonat, das dann wieder mittels Elektrolyse zu Lithiummetall reduziert werden kann. Damit ist ein Kreislauf etabliert, in dem durch Windkraft, Photovoltaik oder andere regenerative Energiequellen überschüssiger Strom produziert, gespeichert und zur gewünschten Zeit in Strom zurück gewandelt werden kann oder aber chemische Grundstoffe gewonnen werden können.
Lithium wird üblicherweise mit Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Für dieses Verfahren ergeben sich Wirkungsgrade von etwa 42–55%, berechnet aus Verfahrensdaten ohne Temperaturkorrektur des Normalpotentials. Neben Lithium können auch ähnliche Metalle wie Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Aluminium und Zink verwendet werden.
Da bei der Verbrennung von Lithium, je nach Temperatur und Brenngas, feste oder flüssige Rückstände entstehen können, ist darauf besondere Rücksicht zu nehmen. Zudem können je nach Aufbau und Betrieb eines Ofens für die Verbrennung von Lithiummetall (z.B. flüssig) in unterschiedlicher Atmosphäre und unter Druck Abgase und Feststoffe/flüssige Stoffe als Verbrennungsprodukte entstehen. Diese festen bzw. flüssigen Stoffe müssen von den Abgasen möglichst vollständig getrennt werden.
Eine weitgehend vollständige Trennung der flüssigen und festen Verbrennungsrückstände von dem Abgasstrom ist dabei wichtig, um in den nachfolgenden Vorrichtungen keine Oberflächenbelegungen oder Verstopfungen zu erzeugen. Insbesondere ist es sehr anspruchsvoll, den Abgasstrom direkt auf eine Gasturbine zu leiten, da dann sichergestellt werden muss, dass alle Partikel aus dem Abgasstrom vollständig entfernt worden sind. Solche Partikel beschädigen langfristig die Flügel der Gasturbine und führen zum Ausfall der Anlage.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine effiziente Abtrennung von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten bei der Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Al und Zn, sowie Legierungen und Mischungen derselben, mit einem Brenngas vom Abgas erfolgen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine effektive und lokal begrenzte Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas ermöglicht wird, ohne dass die Verbrennungsprodukte sich zu sehr im Verbrennungsraum verteilen und somit leichter abgetrennt werden können. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas effektiv steuern zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas. Es wurde herausgefunden, dass sich durch die Verwendung des Porenbrenners die Verbrennung am Porenbrenner lokalisieren lässt, wobei auch die Verbrennungsprodukte am Porenbrenner anfallen. Während beispielsweise bei einer Verdüsung die Reaktionsprodukte im gesamten Reaktor anfallen und feste und flüssige Reaktionsprodukte aufwändig wieder von gasförmigen Reaktionsprodukten getrennt werden müssen, sind bei der Verbrennung mit dem Porenbrenner insbesondere feste und flüssige Reaktionsprodukte in der Nähe des Porenbrenners lokalisiert, wodurch eine Trennung dieser von gasförmigen Verbrennungsprodukten erleichtert wird. Auf diese Weise kann auch die gesamte Verbrennungsvorrichtung kompakter gestaltet werden und die Verbrennung schonender für die Vorrichtung durch Lokalisierung des Verbrennungsprozesses gestaltet werden.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, umfassend
einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst,
eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu ausgebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen,
eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausgebildet, Brenngas zuzuführen, und
optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Metalls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das Metall M zu verflüssigen.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
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.
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
2 zeigt schematisch eine Detailansicht in einer weiteren beispielhaften Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
3 zeigt schematisch eine weitere Detailansicht in einer zusätzlichen beispielhaften Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
4 stellt schematisch einen beispielhaften Querschnitt durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Zuführeinrichtung des Trägergases zum Reaktor.
5 zeigt ein Schema für eine beispielhafte Reaktion von Lithium und Kohlendioxid zu Lithiumcarbonat, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann.
6 zeigt ein Schema für eine weitere beispielhafte Reaktion von Lithium und Stickstoff zu Lithiumnitrid und weiteren Folgeprodukten, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt.
Das Metall M ist gemäß bestimmten Ausführungsformen ausgewählt aus Alkalimetallen, bevorzugt Li, Na, K, Rb und Cs, Erdalkalimetallen, bevorzugt Mg, Ca, Sr und Ba, Al und Zn, sowie Gemischen und/oder Legierungen derselben. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Metall M ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, Al und Zn, weiter bevorzugt Li und Mg, und besonders bevorzugt ist das Metall M Lithium.
Als Brenngas kommen gemäß bestimmten Ausführungsformen solche Gase in Frage, welche mit dem genannten Metall M bzw. Gemischen und/oder Legierungen der Metalle M in einer exothermen Reaktion reagieren können, wobei diese nicht besonders beschränkt sind. Beispielhaft kann das Brenngas Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickoxide NO_x wie Distickstoffmonoxid, Stickstoff, Schwefeldioxid, oder Gemische derselben umfassen. Das Verfahren kann also auch zur Entschwefelung bzw. NOx Entfernung verwendet werden. Je nach Brenngas können hierbei mit den verschiedenen Metallen M verschiedene Produkte erhalten werden, die als Feststoff, Flüssigkeit sowie auch gasförmig anfallen können.
So kann beispielsweise bei einer Reaktion von Metall M, beispielsweise Lithium, mit Stickstoff unter anderem Metallnitrid, wie Lithiumnitrid, entstehen, welches dann später zu Ammoniak weiterreagieren gelassen werden kann, wohingegen bei einer Umsetzung von Metall M, z.B. Lithium, mit Kohlendioxid beispielsweise Metallcarbonat, z.B. Lithiumcarbonat, Kohlenmonoxid, Metalloxid, z.B. Lithiumoxid, oder auch Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, sowie auch Gemische davon entstehen können, wobei aus dem Kohlenmonoxid höherwertige, beispielweise auch längerkettige, kohlenstoffhaltige Produkte wie Methan, Ethan, etc. bis hin zu Benzin, Diesel, aber auch Methanol, etc. gewonnen werden können, beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Verfahren, während aus Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, beispielsweise Acetylen gewonnen werden kann. Weiterhin kann beispielsweise auch mit Distickstoffmonoxid als Brenngas z.B. Metallnitrid entstehen.
Analoge Reaktionen können sich auch für die anderen genannten Metalle ergeben.
Der Porenbrenner ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, soweit er ein poröses Rohr als Brenner umfasst, dem an mindestens einer Öffnung das Metall M zugeführt werden kann. Bevorzugt wird das Metall M nur durch eine Öffnung des Rohres zugeführt und das andere Ende des Rohres ist verschlossen oder besteht ebenfalls aus dem Material des porösen Rohres. Das poröse Rohr kann hierbei beispielsweise ein Keramikrohr aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder ein poröses Metallrohr, beispielsweise aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl. Bevorzugt besteht der Porenbrenner aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl. Geeignet sind beispielsweise austenitische Chrom-Nickel-Stähle, welche beispielsweise sehr resistent gegen Abtragung durch Natrium bei hoher Temperatur sind, doch auch Werkstoffe mit 32% Nickel und 20% Chrom, wie AC 66, Incoloy 800 oder Pyrotherm G 20132 Nb, zeigen noch ein relativ günstiges Korrosionsverhalten. Die weiteren Bestandteile des Porenbrenners sind nicht weiter beschränkt und können die Zuführeinrichtung für das Metall M sowie ggf. eine Zündquelle, etc. umfassen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Metall M als Flüssigkeit in den Porenbrenner geleitet und mit Hilfe des Porenbrenners verbrannt, wobei das Brenngas gegebenenfalls auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt wird. Eine innere Mischung wie in einem klassischen Porenbrenner findet jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht statt, um eine Verstopfung der Poren durch feste Reaktionsprodukte zu Vermeiden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Porenbrenner somit ein Porenbrenner ohne Innenmischung. Die Poren dienen bei der Verwendung des Porenbrenners gemäß bestimmten Ausführungsformen einzig zur Oberflächenvergrößerung der Legierung L. Bei kontinuierlicher Zufuhr der Legierung L des elektropositiven Metalls kann jedoch eine Reaktion mit dem Brenngas am Ausgang der Poren nahe der Oberfläche des Porenbrenners stattfinden, soweit gewährleistet werden kann, dass entstehende Reaktionsprodukte durch nachgeförderte Legierung L aus dem Porenbrenner gefördert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen findet die Verbrennungsreaktion jedoch außerhalb der Poren des Porenbrenners statt, beispielsweise auf der Oberfläche des Porenbrenners oder sogar nach Austritt der Legierung L aus dem Porenbrenner, also nur auf der Oberfläche der austretenden Legierung L.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird dem Porenbrenner das Metall M als Flüssigkeit im Inneren des Porenbrenners zugeführt. Dies führt zu einer besseren Verteilung des Metalls M im Porenbrenner und einem gleichmäßigeren Austritt des Metalls aus den Poren des porösen Rohres, so dass eine gleichmäßigere Reaktion zwischen Metall M und Brenngas stattfinden kann. Die Verbrennung von Metall M und Brenngas kann beispielsweise über die Porengröße der Poren des Rohres, dem verwendeten Metall M, dessen Dichte – die mit der Temperatur des Metalls M zusammenhängen kann, dem Druck, mit dem das Metall M in den Porenbrenner eingebracht wird, dem Druck bzw. der Auftrag-/bzw. Zufuhrgeschwindigkeit des Brenngases, etc. geeignet gesteuert werden. Das Metall M, beispielsweise Lithium, wird gemäß bestimmten Ausführungsformen demnach flüssig eingesetzt, also beispielsweise oberhalb des Schmelzpunktes von Lithium von 180°C. Das flüssige Metall M kann hierbei in das poröse Rohr eingepresst werden, beispielsweise auch unter Zuhilfenahme eines weiteren, unter Druck stehenden Gases, welches nicht beschränkt ist. Das flüssige Metall M tritt dann durch die Poren des Rohres hindurch an die Oberfläche und verbrennt mit dem Gas zu dem jeweiligen Reaktionsprodukt bzw. den jeweiligen Reaktionsprodukten.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Brenngas auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt. Hierdurch kann ein Verstopfen der Poren des porösen Rohres vermindert bzw. vermieden werden, so dass eine Reinigung des Porenbrenners verhindert bzw. auch eine Abnutzung vermindert werden kann.
Durch die Verbrennung des Metalls M auf der Oberfläche des porösen Rohrs ist die Tendenz zum Übertritt von kleinen Partikeln in den Gasraum/Reaktionsraum verringert, so dass bestenfalls größere Tropfen von Reaktionsprodukten entstehen, die aber einfach von gasförmigen Reaktionsprodukten abgetrennt werden können, beispielsweise durch einen Zyklon zur Abscheidung an die Reaktorwand gebracht werden können. Hierbei kann die Reaktorwand gekühlt werden, beispielsweise mit Wärmetauschern, wobei diese auch mit Turbinen und Generatoren verbunden werden können.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Verbrennung bei einer Temperatur, die über dem Schmelzpunkt der bei der Reaktion von Metall M und Brenngas entstehenden Salze liegt. Die bei der Verbrennung von Metall M und Brenngas entstehenden Salze können hierbei einen Schmelzpunkt haben, der über dem Schmelzpunkt des Metalls M liegt, so dass eine Zufuhr von flüssigem Metall M bei erhöhter Temperatur erforderlich sein kann. Durch die Verbrennung bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der entstehenden Salze kann weiterhin eine Verunreinigung bzw. Belegung des Porenbrenners durch die entstehenden Salze vermieden werden, so dass der Porenbrenner besser gegen Verunreinigungen, beispielsweise auch der Poren, geschützt werden kann. Dies ermöglicht einen besseren Betrieb und eine verringerte Reinigung der Vorrichtung wie auch längere Benutzungszeiten ohne Reinigung. Auch können flüssige Reaktionsprodukte am Brenner einfach abtropfen. Insbesondere bei solchen Verfahren bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der entstehenden Salze sind Materialien des Brenners bevorzugt, die den Temperaturen standhalten können, wie beispielsweise Eisen, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, und Edelstahl.
Die Verbrennungstemperatur ist also bevorzugt höher als der Schmelzpunkt des jeweiligen Reaktionsprodukts bzw. der jeweiligen Reaktionsprodukte, damit die Poren des Porenbrenners nicht verstopfen und ein Abtransport der Reaktionsprodukte möglich ist. Weiterhin kann auch je nach Reaktionsprodukt eine gewisse Vermischung zwischen dem flüssigen Metall M und dem Reaktionsprodukt stattfinden, so dass die Verbrennung nicht nur lokal bei der Porenöffnung, sondern über die gesamte Oberfläche des Rohres verteilt stattfinden kann. Dies kann beispielsweise über die Zufuhrgeschwindigkeit des Metalls M gesteuert werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Metall M dem Porenbrenner als Legierung von mindestens zwei Metallen M zugeführt. Hierdurch kann eine Schmelzpunkterniedrigung des Metalls M wie auch des entstehenden Metallsalzes bzw. der entstehenden Metallsalze erreicht werden, so dass das Verfahren bei niedrigeren Temperaturen und somit schonender für die Vorrichtung durchgeführt werden kann und der Einsatz von hochfeuerfesten Materialien in der Vorrichtung vermindert bzw. vermieden werden kann.
Weiterhin kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die Verbrennung mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen, beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu Metall M von 1,01:1 und mehr, bevorzugt 1,05:1 und mehr, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die Abgastemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren. Das Brenngas kann hierbei auch zur Wärmeabfuhr auf den Expandierteil einer Turbine, etc. dienen.
Bei dem Verfahren kann zudem eine Trennung von Abgas von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten bei der Verbrennung des Metalls M mit einem Brenngas erfolgen, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen in einem Reaktionsschritt das Brenngas mit dem Metall M verbrannt wird und Abgas sowie weitere feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte entstehen, und in einem Trennungsschritt das Abgas von den festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten abgetrennt wird. Hierbei kann im Trennungsschritt zusätzlich ein Trägergas zugegeben werden und das Trägergas als Gemisch mit dem Abgas abgeführt werden. Das Trägergas kann hierbei auch dem Abgas entsprechen, so dass also beispielsweise bei der Verbrennung ein Abgas entsteht, das dem zugeführten Trägergas entspricht, oder auch dem Brenngas entsprechen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können also gemäß bestimmten Ausführungsformen die Reaktionsprodukte nach der Verbrennung getrennt werden.
Das Trägergas ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, und kann dem Brenngas entsprechen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Trägergas kommen beispielsweise Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, Distickstoffmonoxid, Gemische von zwei oder mehreren dieser Gase, etc. zur Anwendung. Hierbei können verschiedene Gase, wie beispielsweise Methan, zum Wärmetransport dienen und die Reaktionswärme der Reaktion von Metall M mit dem Brenngas aus dem Reaktor abführen. Die verschiedenen Trägergase können beispielsweise an die Reaktion des Brenngases mit dem Metall M geeignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen. Das Gas, das optional beim Zuführen des Metalls M verwendet wird, kann ebenfalls dem Trägergas entsprechen.
Für eine Verbrennung von Kohlendioxid mit Metall M, beispielsweise Lithium, bei der Kohlenmonoxid entstehen kann, kann als Trägergas beispielsweise Kohlenmonoxid verwendet und gegebenenfalls im Kreis gefahren, also nach dem Abführen wieder, zumindest teilweise, als Trägergas zurückgeführt werden. Hierbei wird das Trägergas an das Abgas angepasst, so dass ggf. ein Teil des Trägergases als Wertprodukt entnommen werden kann, beispielsweise für eine folgende Fischer-Tropsch-Synthese, während es durch die Verbrennung von Kohlendioxid mit Metall M wieder generiert wird, so dass in der Bilanz Kohlendioxid zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird, bevorzugt zu 90 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 95 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 99 Vol.% oder mehr und insbesondere bevorzugt zu 100 Vol.%, bezogen auf das eingesetzte Kohlendioxid, und als Wertprodukt entnommen wird. Je mehr Kohlenmonoxid erzeugt wird, umso sauberer ist das abgeführte Kohlenmonoxid.
Bei einer Verbrennung von Stickstoff mit Metall M, beispielsweise Lithium, kann als Trägergas beispielsweise Stickstoff dienen, so dass im Abgas nicht reagierter Stickstoff aus der Verbrennung als „Abgas“ neben dem Trägergas Stickstoff vorliegen kann, wodurch eine Gastrennung, so gewünscht, einfacher durchgeführt werden kann und gemäß bestimmten Ausführungsformen, bei entsprechender, bevorzugt quantitativer Verbrennung von Metall M und Stickstoff unter Verwendung geeigneter, leicht ermittelbarer Parameter, auch nicht erforderlich sein kann. Es kann beispielsweise Ammoniak aus dem entstehenden Nitrid leicht durch Auswaschen bzw. Abkühlen entfernt werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann zumindest ein Teil des Abgases dem Trägergas entsprechen. Beispielsweise kann das Abgas zu mindestens 10 Vol.%, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen des Abgases, dem Trägergas entsprechen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann das Brenngas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen des Abgases, dem Trägergas entsprechen, und kann in manchen Fällen sogar zu 100 Vol.% dem Trägergas entsprechen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gemisch aus Abgas und Trägergas zumindest teilweise wieder dem Trennungsschritt als Trägergas und/oder dem Verbrennungsschritt als Brenngas zugeführt werden. Eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas kann beispielsweise in einem Umfang von 10 Vol.% oder mehr, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, erfolgen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, erfolgen. Gemäß erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsformen kann eine Reaktion zwischen Brenngas und Metall M auf eine solche Weise erfolgen, dass als Abgas das Trägergas entsteht, z.B. mit Kohlendioxid als Brenngas und Kohlenmonoxid als Trägergas, so dass dann das Gemisch aus Trägergas und Abgas im Wesentlichen, bevorzugt zu 90 Vol.% und mehr, weiter bevorzugt zu 95 Vol.% und mehr, noch weiter bevorzugt zu 99 Vol.% und mehr und besonders bevorzugt zu 100 Vol.%, bezogen auf das Gemisch aus Abgas und Trägergas, aus dem Trägergas besteht. Hierbei kann dann das Trägergas kontinuierlich im Kreis gefahren werden und in einer solchen Menge entnommen werden, wie es durch die Verbrennung von Metall M und Brenngas nachgebildet wird. Im Vergleich zu einer reinen Kreisführung des Trägergases, bei der ggf. eine Trennung von Trägergas und Abgas erfolgt, kann hierbei beispielsweise ein Wertprodukt erhalten werden, beispielsweise Kohlenmonoxid, welches kontinuierlich entnommen werden kann.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt der Trennungsschritt in einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Zyklon bzw. einem Zyklonreaktor. Der Zyklonreaktor ist hierbei in seinem Aufbau nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise eine Form haben, wie sie gewöhnliche Zyklonreaktoren aufweisen.
Beispielsweise kann ein Zyklonreaktor einen Reaktionsbereich, an dem die Zuführeinrichtungen für das Brenngas, Metall M und das Trägergas (welche ggf. auch zuvor vereint werden können und dann gemeinsam dem Reaktionsbereich zugeführt werden können) angebracht werden können, beispielsweise in Form eines rotationssymmetrischen Oberteils,
einen Separationsbereich, der beispielsweise konisch ausgestaltet ist,
und eine Entspannungskammer, an der eine Abführvorrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, beispielsweise in Form einer Zellenradschleuse, sowie eine Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas, was sich nach der Durchmischung der beiden Gase nach dem Verbrennen des Metalls M im Brenngas ergibt, angebracht werden können, umfassen.
Solche Vorrichtungskomponenten sind beispielsweise üblicherweise in Zyklonabscheidern vorhanden. Ein erfindungsgemäß verwendeter Zyklonreaktor kann aber auch anders aufgebaut sein und ggf. auch weitere Bereiche umfassen. Beispielsweise können einzelne Bereiche (z.B. Reaktionsbereich, Separationsbereich, Entspannungskammer) auch in einem Bauteil eines beispielhaften Zyklonreaktors zusammengefasst sein und/oder sich über mehrere Bauteile eines Zyklonreaktors erstrecken. Hierbei kann beispielsweise die Zugabe von Trägergas auch in einem Bereich erfolgen, in dem die Reaktion des Metalls M und des Brenngases fortgeschritten oder auch schon abgeschlossen ist.
Durch den Zyklon werden die Reaktionsprodukte weitgehend im Zentrum des Reaktors, beispielsweise eines Ofenraums gehalten, und da durch die Verbrennung an der Oberfläche des porösen Rohrs keine kleinen Partikeln entstehen wie beim Verdüsen, ist das Abgas frei von festen oder flüssigen Partikeln, so dass auch eine Gasturbine bzw. eine Expanderturbine im Abgasstrom nachgeschaltet werden können. Unter diesen Umständen ist es mit diesem Verbrennungskonzept möglich, den Abgasstrom nach dem Verbrennen des Metalls M und der Trennung der Reaktionsprodukte direkt in eine Gasturbine einzuleiten.
Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktionsprodukte bzw. deren Mischung ist.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Zyklonreaktor zudem ein Gitter, durch das die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas abgeführt werden können. Ein solches Gitter kann ein nachträgliches Aufwirbeln von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten im Zyklonreaktor zusätzlich verhindern.
Die Reaktionsprodukte der Verbrennung können zur Erzeugung von Energie, bevorzugt unter Verwendung mindestens einer Expanderturbine und/oder mindestens einer Gasturbine, beispielsweise einer Dampfturbine, und/oder mindestens eines Wärmetauschers und/oder mindestens eines Boilers, verwendet werden, wobei hier gemäß bestimmten Ausführungsformen sowohl die entstehenden festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte, beispielsweise unter Verwendung eines Wärmetauschers am Reaktor, oder auch die gasförmigen Reaktionsprodukte verwendet werden können.
Bei Verwendung eines Zyklonreaktors mit Trägergaszufuhr kann das Gemisch aus Abgas und Trägergas gemäß bestimmten Ausführungsformen, beispielsweise im Reaktor und/oder bei und/oder nach der Abführung aus dem Reaktor, zur Erwärmung eines Boilers oder zur Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher oder einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine oder einer Expanderturbine, verwendet werden.
Weiterhin kann das Gemisch aus dem Trägergas und dem Abgas gemäß bestimmten Ausführungsformen nach der Verbrennung unter erhöhtem Druck stehen, beispielsweise mehr als 1 bar, wenigstens 2 bar, wenigstens 5 bar oder wenigstens 20 bar.
Darüber hinaus wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben offenbart, umfassend
einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst,
eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu ausgebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen,
eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausgebildet, Brenngas zuzuführen, und
optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Metalls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das Metall M zu verflüssigen.
Der Porenbrenner kann hierbei wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Als Zuführeinrichtung für Metall M können beispielsweise Rohre oder Schläuche, oder aber Förderbänder, dienen, die beheizt sein können, welche geeignet, beispielsweise anhand des Aggregatszustands des Metalls M, bestimmt werden können. Gegebenenfalls kann an die Zuführeinrichtung für das Metall M auch eine weitere Zuführeinrichtung für ein Gas, optional mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil, angebracht werden, mit dem die Zufuhr des Metalls M geregelt werden kann. Ebenso kann die Zuführeinrichtung für das Brenngas als Rohr oder Schlauch, etc., das oder der gegebenenfalls beheizt sein kann, ausgebildet sein, wobei die Zuführeinrichtung geeignet anhand des Zustand des Gases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann. Auch können mehrere Zuführeinrichtungen für Metall M oder Brenngas vorgesehen sein.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Zuführeinrichtung für das Brenngas derart angeordnet, dass sie das Brenngas, zumindest teilweise und bevorzugt vollständig, auf die Oberfläche des Porenbrenners leitet. Hierdurch wird eine verbesserte Reaktion zwischen Metall M und Brenngas erreicht.
Zudem ist der Porenbrenner gemäß bevorzugten Ausführungsformen derart angeordnet, dass entstehende Reaktionsprodukte der Verbrennung und optional das nicht reagierte Metall M durch Gravitation von der Oberfläche des Porenbrenners abgetrennt werden können, beispielsweise indem der Porenbrenner im Reaktor senkrecht zur Erdoberfläche hin weisend angebracht wird. Bei senkrechter Anordnung der porösen Brennrohre im Ofenraum kann das entstehende flüssige Reaktionsprodukt das Rohr hinab laufen und dann nach unten in den Ofensumpf tropfen. Auf diesem Weg wird auch das eventuell gelöste Metall M, beispielsweise Lithium, das nicht zuvor am Porenbrenner reagiert ist, verbrennen, und die Reaktionswärme wird an das vorbeiströmende Brenn- und Trägergas abgegeben.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht der Porenbrenner aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl. Diese Materialien sind bevorzugt für einen Einsatz bei höheren Temperaturen, bei denen die Reaktion mit flüssigem Metall M und ggf. mit entstehenden flüssigen Metallsalzen einfacher vonstattengehen kann.
In bestimmten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine Trenneinrichtung der Produkte der Verbrennung des Metalls M aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Verbrennungsprodukte des Metalls M und des Brenngases zu trennen, wobei die Trenneinrichtung bevorzugt ein Zyklonreaktor ist.
Die Trenneinrichtung kann hierbei zur Trennung von Abgas bei der Verbrennung des Metalls M mit einem Brenngas dienen, und kann umfassen:

– einen Reaktor, in dem der Porenbrenner vorgesehen ist und die Zuführeinrichtung für Metall M angebracht bzw. vorgesehen ist, und zu dem die Zufuhr des Brenngases erfolgt, an dem oder in dem also die Zuführeinrichtung für das Brenngas angebracht bzw. vorgesehen ist;
– eine Zuführeinrichtung für Trägergas, die dazu ausgebildet ist, dem Reaktor Trägergas zuzuführen.
– eine Abführeinrichtung für ein Gemisch aus Abgas sowie Trägergas, die dazu ausgebildet ist, ein Gemisch aus dem Abgas der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas und dem Trägergas abzuführen; und
– eine Abführeinrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, die dazu ausgebildet ist, feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas abzuführen.

Die Zuführeinrichtung für Trägergas ist ebenfalls nicht besonders beschränkt und umfasst beispielsweise Rohre, Schläuche, etc., wobei die Zuführeinrichtung für Trägergas geeignet anhand des Zustands des Trägergases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann.
Ebenso wenig ist der Reaktor besonders beschränkt, insofern in ihm die Verbrennung des Brenngases mit dem Metall M vonstattengehen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Reaktor ein Zyklonreaktor sein, wie er beispielhaft in 1 und in Detailansicht in einer weiteren Ausführungsform in 2 dargestellt ist.
Der Zyklonreaktor kann gemäß bestimmten Ausführungsformen einen Reaktionsbereich, an dem die Zuführeinrichtungen für das Brenngas, Metall M und das Trägergas sowie der Porenbrenner angebracht werden können, beispielsweise in Form eines rotationssymmetrischen Oberteils,
einen Separationsbereich, der beispielsweise konisch ausgestaltet ist,
und eine Entspannungskammer, an der eine Abführvorrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, beispielsweise in Form einer Zellenradschleuse, sowie eine Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas, was sich nach der Durchmischung der beiden Gase nach dem Verbrennen des Metalls M im Brenngas ergibt, angebracht werden können, umfassen.
Solche Vorrichtungskomponenten sind beispielsweise üblicherweise in Zyklonabscheidern vorhanden. Ein erfindungsgemäß verwendeter Zyklon-Reaktor kann aber auch anders aufgebaut sein und ggf. auch weitere Bereiche umfassen. Beispielsweise können einzelne Bereiche (z.B. Reaktionsbereich, Separationsbereich, Entspannungskammer) auch in einem Bauteil eines beispielhaften Zyklonreaktors zusammengefasst sein und/oder sich über mehrere Bauteile eines Zyklonreaktors erstrecken.
Ein beispielhafter Zyklonreaktor ist in 1 dargestellt. Der in 1 dargestellte Zyklonreaktor 6 umfasst einen Reaktionsbereich 20a, einen Separationsbereich 20b, der sowohl zusammen mit dem Reaktionsbereich 20a im oberen Bauteil 6a als auch zusammen mit der Entspannungskammer 20c im unteren Bauteil 6b liegt, sowie eine Entspannungskammer 20c. Zum Zyklonreaktor führen im oberen Teil eine Zuführeinrichtung 1 für Brenngas, beispielsweise in Form eines ggf. beheizten Rohrs oder eines Schlauchs, und eine Zuführeinrichtung 2 für Metall M, beispielsweise in Form eines ggf. beheizten Rohrs oder eines Schlauchs, wobei die Zufuhr des Metalls M zum Porenbrenner 3 erfolgt. Die Zufuhr des Metalls M erfolgt gemäß 1 unter Zuhilfenahme eines Gases in einer Zuführeinrichtung 2‘ für Gas, beispielsweise einem Rohr oder Schlauch, dessen Zufuhr mit einem Ventil 2‘‘ gesteuert werden kann. Das Metall M und das Brenngas werden dem Reaktionsbereich 20a zugeführt. Durch die Zuführeinrichtung 4 wird das Trägergas einem Bereich 4‘ zur Gasverteilung zugeführt, aus dem dann das Trägergas über Düsen 5, mit welchen ein Zyklon ausgebildet werden kann, dem Separationsbereich 20b zugeführt wird. Eine Detailansicht einer solchen Zuführeinrichtung 4 mit einem Bereich 4‘ zur Gasverteilung und einer Düse 5 ist im Querschnitt beispielhaft in 4 (Darstellung ohne Porenbrenner 3) angegeben, jedoch können auch mehr Düsen 5 vorhanden sein, beispielsweise in einem geeigneten Abstand rings um die Innenwand des Bereichs 4‘, um einen geeigneten Zyklon zu erzeugen. Aus dem unteren Bauteil 6b, welches die Entspannungskammer 20c umfasst, werden feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte über die Abführeinrichtung 7 für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas abgeführt, während das Gemisch aus Abgas und Trägergas über die Abführeinrichtung 8 für das Gemisch aus Abgas und Trägergas abgeführt wird.
Gegebenenfalls kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Zündvorrichtung, beispielsweise eine elektrische Zündvorrichtung oder ein Plasmabogen, erforderlich sein, wobei dies von der Art und dem Zustand des Metalls M, beispielsweise dessen Temperatur und/oder Aggregatszustand, der Beschaffenheit des Brenngases, beispielsweise dessen Druck und/oder Temperatur, sowie der Anordnung von Komponenten in der Vorrichtung, wie beispielsweise der Art und Beschaffenheit der Zuführeinrichtungen, abhängen kann.
Um konstruktiv sowohl eine hohe Abgastemperatur von beispielsweise mehr als 200°C, beispielsweise auch 600°C oder mehr und in bestimmten Ausführungsformen 700°C oder mehr, als auch einen erhöhten (z.B. 5 bar oder mehr) oder hohen (20 bar oder mehr) Betriebsdruck zu erreichen, kann das innere Material des Reaktors aus hochwarmfesten Legierungen bestehen, beispielsweise im Extremfall auch aus dem Material Haynes 214. Um dieses Material, das lediglich der hohen Temperatur standhalten soll, kann dann eine thermische Isolierung angeordnet sein, die ausreichend wenig Wärme hindurch lässt, so dass außen eine Stahlwand, die zusätzlich auch luft- oder wassergekühlt sein kann, die Druckbelastung aufnimmt. Das Abgas kann dann dem weiteren Prozessschritt mit dem erhöhten oder hohen Betriebsdruck zugeführt werden.
Darüber hinaus kann der Reaktor, beispielsweise ein Zyklonreaktor, auch Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen umfassen, welche an dem Reaktionsbereich, dem Separationsbereich und/oder der Entspannungskammer sowie aber auch an den verschiedenen Zuführ- und/oder Abführvorrichtungen, ggf. dem Brenner, und/oder ggf. der Zündvorrichtung vorhanden sind. Darüber hinaus können weitere Komponenten wie Pumpen zum Erzeugen eines Drucks oder eines Vakuums, etc. in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorhanden sein.
In Ausführungsformen, in denen der Reaktor als Zyklonreaktor ausgebildet ist, kann der Zyklonreaktor ein Gitter umfassen, das derart ausgebildet ist, dass die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas durch das Gitter abgeführt werden können. Darüber hinaus kann ein solches Gitter aber auch in anderen Reaktoren, welche in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein können, vorhanden sein. Durch die Verwendung des Gitters im Reaktor bzw. Zyklonreaktor kann eine bessere Trennung der festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas von dem Gemisch aus Abgas und Trägergas erzielt werden. Ein solches Gitter ist beispielhaft in 2 dargestellt, gemäß der sich das Gitter 6‘ beispielhaft im Zyklonreaktor 6, der in 1 dargestellt ist, im unteren Bauteil 6b oberhalb der Abführeinrichtung 7 und unterhalb der Abführeinrichtung 8 befindet. Durch das Gitter, bevorzugt mit genügend großem Abstand zur Reaktorwand, kann eine sichere Abscheidung von festen und flüssigen Reaktionsprodukten oder deren Gemisch sichergestellt werden. Dadurch werden die schon abgeschiedenen festen oder flüssigen Verbrennungsprodukte auch nicht mehr vom Zyklon aufgewirbelt.
Die Geometrie der Zuführeinrichtungen für das Trägergas ist nicht besonders beschränkt, sofern das Trägergas mit dem Abgas aus der Verbrennung von Metall M und Brenngas vermischt werden kann. Bevorzugt entsteht hierbei ein Zyklon, z.B. mit der in 1 dargestellten Vorrichtung. Ein Zyklon kann aber auch durch andere Anordnungen der Zuführeinrichtungen zueinander erzeugt werden. So ist es beispielsweise nicht ausgeschlossen, dass die Zuführeinrichtung des Trägergases auch oben am Reaktor in der Nähe der Zuführeinrichtungen für Metall M und Brennstoff vorhanden ist. Entsprechend geeignete Geometrien der Einspritzung können leicht auf geeignete Weise bestimmt werden, beispielsweise anhand von Strömungssimulationen.
Auch sind die Abführeinrichtungen nicht besonders beschränkt, wobei beispielsweise die Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas als Rohr ausgebildet sein kann, während die Abführeinrichtung für die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas beispielsweise als Zellenradschleuse und/oder als Rohr mit einem Siphon ausgestaltet sein kann. Hier können auch verschiedene Ventile, wie Druckventile, und/oder weitere Regler vorgesehen sein. Eine in 3 dargestellte, beispielhafte Abführeinrichtung 7, beispielsweise des in 1 dargestellten Zyklonreaktors 6, kann hierbei einen Siphon 9, ein Ventil 10 zur Entgasung und einen Druckregler 11 umfassen, ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt. Ein solcher Siphon an der Abführeinrichtung für die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, ggf. in Verbindung mit einem für den jeweiligen Betriebsdruck geeigneten Vordruckregler, kann beispielsweise verwendet werden, um einen erhöhten oder hohen Betriebsdruck zu ermöglichen.
Die Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas kann gemäß bestimmten Ausführungsformen auch eine Trennvorrichtung für das Abgas und das Trägergas und/oder einzelne Komponenten des Abgases enthalten.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Abführeinrichtung für ein Gemisch aus Abgas sowie Trägergas derart mit der Zuführeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas verbunden sein, dass das Gemisch aus Abgas und Trägergas zumindest teilweise dem Reaktor als Trägergas und/oder dem Brenner als Brenngas zugeführt wird. Der Anteil des rückgeführten Gases kann hierbei 10 Vol.% oder mehr, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, betragen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, erfolgen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zudem weiter mindestens einen Boiler und/oder mindestens einen Wärmetauscher und/oder mindestens eine Gasturbine und/oder mindestens eine Expanderturbine umfassen, der oder die sich im Reaktor und/oder der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas befindet. Somit können beispielsweise in der Vorrichtung von 1, welche einen Zyklonreaktor 6 umfasst, im Reaktor 6, in der Abführeinrichtung 8 und/oder in einer Einrichtung, die sich an die Abführeinrichtung 8 anschließt, ein oder mehrere Wärmetauscher und/oder Boiler und/oder Gasturbinen und/oder Expanderturbinen vorgesehen sein, welche nicht dargestellt sind. Auch kann ein Wärmeaustausch am Zyklonreaktor 6 selbst stattfinden, beispielsweise an den Außenwänden im Reaktionsbereich 20a und/oder dem Separationsbereich 20b, aber ggf. auch im Bereich der Entspannungskammer 20c, wobei die entsprechenden Wärmetauscher dann auch mit Turbinen zur Stromerzeugung in Generatoren verbunden sein können.
Die Abgase können somit, als Gemisch mit Trägergas, einer weiteren Verwendung z.B. Aufheizen eines Boilers zur Dampferzeugung, Wärmeabgabe in einem Wärmetauscher, Betrieb einer Turbine, usw. zugeführt werden.
Falls kein geeigneter Wärmetauscher gefunden werden kann, durch den dann z.B. Luft mit entsprechendem Druck erwärmt wird und als Ersatz für das Abgas in die Gasturbine geleitet wird, ist es möglich, beispielsweise einen Boiler zu verwenden. Der Weg unter Verwendung eines Boilers kann gemäß bestimmten Ausführungsformen aussichtsreicher sein und ist auch technisch einfacher, da er bei geringeren Temperaturen und nur erhöhtem Druck realisierbar sein kann.
Mit Hilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher und/oder eines oder mehrerer Boiler kann dann im Anschluss elektrische Energie erzeugt werden, beispielsweise durch Verwendung einer Dampfturbine und eines Generators. Es ist aber auch möglich, dass das Gemisch aus Abgas und Trägergas direkt auf eine Turbine, beispielsweise eine Gasturbine bzw. Expanderturbine, geleitet wird, um so direkt Strom zu erzeugen. Dies setzt jedoch eine sehr gute Abtrennung von Feststoffen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten der Verbrennung von Metall M und Brenngas voraus, wie sie erfindungsgemäß bereitgestellt werden kann, insbesondere unter Verwendung eines Gitters im Reaktor. Die Auswahl, ob ein Boiler oder ein Wärmetauscher verwendet wird, kann beispielsweise davon abhängen, ob feste oder flüssige Reaktionsprodukte gebildet werden, kann aber auch anlagentechnisch bedingt sein. Bei flüssigen Reaktionsprodukten, z.B. flüssigem Li₂CO₃, kann beispielsweise die Reaktorwand als Wärmetauscher fungieren, während bei entstehenden festen Reaktionsprodukten spezielle Wärmetauscher erforderlich sein können. Bei einer entsprechenden Trennung des Gemisches von Abgas und Trägergas von den festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten ist auch ggf. ein direktes Leiten des Gemisches aus Abgas und Trägergas auf eine Turbine möglich, so dass hier dann auch keine Wärmetauscher und/oder Boiler im Abgasstrom erforderlich sein können.
Gemäß gestimmten Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Entnahmevorrichtung in der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas umfassen, welche dazu ausgebildet ist, bei einer Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zur Zuführeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas durch Verbindung der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas mit der Zuführeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas einen Teil des Gemisches aus Abgas und Trägergas zu entnehmen. Ein solcher Teil kann beispielsweise mehr als 1 Vol.%, bevorzugt 5 Vol.% und mehr und weiter bevorzugt 10 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gemisches aus Abgas und Trägergas, betragen. Weiterhin können gemäß bestimmten Ausführungsformen maximal 50 Vol.%, bevorzugt 40 Vol.% oder weniger, weiter bevorzugt 30 Vol.% oder weniger, besonders bevorzugt 20 Vol.% oder weniger, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gemisches aus Abgas und Trägergas, aus dem rückgeführten Gemisch aus Abgas und Trägergas entnommen werden. Das entnommene Gas kann dann beispielsweise als Wertprodukt für weitere Reaktionen zur Verfügung stehen, so z.B. wenn Kohlenmonoxid ausgeschleust wird und anschließend in einem Fischer-Tropsch-Verfahren zu höherwertigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird.
Auch können die abgeführten Feststoffe weiter zu Wertstoffen umgesetzt werden. So kann beispielsweise aus einer Verbrennung mit Stickstoff hergestelltes Metallnitrid durch Hydrolyse mit Wasser zu Ammoniak und Lauge umgesetzt werden, wobei die entstandene Lauge dann auch als Fänger für Kohlendioxid und/oder Schwefeldioxid dienen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung zudem die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Im Folgenden wird die Erfindung nunmehr anhand beispielhafter Ausführungsformen dargestellt, die die Erfindung in keiner Weise beschränken.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Metall M, beispielsweise Lithium, flüssig eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes, für Lithium 180°C. Das flüssige Metall M, z.B. Lithium, kann in den Porenbrenner eingebracht werden und reagiert dann unmittelbar, gegebenenfalls nach Zündung zum Starten der Reaktion, mit dem jeweiligen Brenngas, z.B. Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickoxide NO_x wie Distickstoffmonoxid, oder Stickstoff. Die Verbrennung des Metalls M, z.B. Lithium, kann in der in 1 dargestellten Vorrichtung erfolgen, beispielsweise mit einer mehr als stöchiometrischen Menge des Brenngases, um nicht allzu hohe Abgastemperaturen zu erzeugen. Das Brenngas kann aber auch in stöchiometrischer oder unterstöchiometrischer Menge im Vergleich zum Metall M zugesetzt werden. Nach der Verbrennung wird ein Trägergas (z.B. Stickstoff, Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Ammoniak), das auch dem Brenngas entsprechen kann, zur Verdünnung zugesetzt, um die Temperatur zu vermindern und um einen Zyklon zur Abscheidung der festen oder flüssigen Reaktionsprodukte zu erzeugen. Der heiße Abgasstrom kann dann zur Erwärmung eines Boilers zur Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher oder ähnlichem eingesetzt werden.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform kann als Brenngas Kohlendioxid und als Trägergas Kohlenmonoxid in der in 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden. Als Metall M wird beispielsweise Lithium, z.B. flüssig, eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes von 180°C. Das flüssige Lithium wird in den Porenbrenner 3 eingebracht und reagiert dann unmittelbar mit dem Brenngas. Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner erforderlich.
Die Reaktion erfolgt gemäß folgender Gleichung: 2Li + 2CO₂ → Li₂CO₃ + CO
Die Verbrennung des Lithiums erfolgt am Porenbrenner 3, bevorzugt mit der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Kohlendioxid, wobei auch ein leicht über- oder unterstöchiometrisches Verhältnis (z.B. 0,95:1 bis 1:0,95 für das Verhältnis CO₂:Li) gewählt werden kann. Bei einer Verwendung eines sehr hohen Unterschusses an Kohlendioxid kann beispielsweise Lithiumcarbid entstehen, aus dem dann Acetylen gewonnen werden kann.
Im zweiten Schritt erfolgt im mittleren Teil des Reaktors/Ofens 6 im Bereich 4‘ die Mischung der Verbrennungsprodukte mit dem Trägergas Kohlenmonoxid, das durch Düsen 5 in den Reaktor 6 eingeblasen wird. Dadurch entsteht ein Zyklon, der dazu führt, dass die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte an die Reaktorwand gewirbelt werden und sich dort vornehmlich abscheiden. Bevorzugt wird ein Überschuss an Trägergas verwendet, um einen ausreichenden Abtransport der durch die Verbrennung entstehenden Wärme zu gewährleisten. Hierdurch kann die Temperatur im Reaktor 6 geeignet eingestellt werden.
Für die Verbrennung in reinem Kohlendioxid hat das entstehende Lithiumcarbonat einen Schmelzpunkt von 723°C. Wird die Verbrennungstemperatur der Reaktionsprodukte mittels Zumischung von Trägergas und/oder Brenngas durch die Zuführeinrichtungen 1,5 über mindestens 723°C gehalten, so kann man von flüssigen Reaktionsprodukten für die Verbrennung ausgehen. Die Zuführeinrichtungen können hier bei der stark exothermen Reaktion zum Kühlen verwendet werden, damit sich die Anlage nicht zu stark aufheizt, wobei die untere Temperaturgrenze der Schmelzpunkt der entstehenden Salze, hier Lithiumcarbonat, sein kann. Wird der Zyklon zudem mit anderen Gasen als Kohlendioxid wie z.B. Luft oder Stickstoff oder weiteren Gasen betrieben, kann in den Reaktionsprodukten auch Lithiumoxid (Schmelzpunkt Mp 1570°C) oder Lithiumnitrid (Mp 813°C) entstehen. Nach Abscheidung der flüssigen und festen Reaktionsprodukte, welche durch ein Gitter 6‘ verbessert werden kann, wird das Gemisch aus Abgas und Trägergas zum Beispiel in einen Boiler geleitet und zur Verdampfung von Wasser genutzt, um dann eine Dampfturbine mit nachgeschaltetem Generator anzutreiben oder andere technische Vorrichtungen (z B Wärmetauscher) zu betreiben. Das nach diesem Prozess abgekühlte Gemisch aus Abgas und Trägergas kann dann beispielsweise wieder als Trägergas zum Erzeugen des Zyklons im Ofen benutzt werden. Damit wird die Restwärme des Abgases nach dem Verdampfungsprozess im Boiler genutzt, und es muss nur die stöchiometrisch notwendige Menge an Kohlendioxid für die Verbrennung mit Li durch Abgasreinigung z.B. von Kohlekraftwerken gewonnen werden.
In Tabelle 1 ist der Zusammenhang von Abgastemperatur und stöchiometrischem Überschuss für die Verbrennung von Lithium in reinem Kohlendioxid dargestellt, wobei die Rechnung mit nicht temperaturabhängigen spezifischen Wärmen erfolgte. Tabelle 1: Betrieb des Ofens mit Kohlendioxid als Brenngas und als Trägergas

Temperatur im Abgas Überschuss an Brenngas als Faktor, bezogen auf die Masse an Brenngas Anteil CO im Abgas [Gew.%]

1400°C 8,0 12,5%

1200°C 9,8 10,2%

800°C 15,8 6,3%
Die Verbrennung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen, beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu Metall M von mehr als 1,01:1, bevorzugt mehr als 1,05:1, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die Abgastemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren, und es kann neben der Brenngaszugabe und der Einströmung des Metalls M, beispielsweise Lithium, in einer Anordnung von Düsen mittels eines Zyklons weiteres Brenn- oder Trägergas zur Wärmeaufnahme zugegeben werden, wie in 1 und 4 dargestellt. Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktionsprodukte bzw. deren Mischung sein kann (Tabelle 1).
Mit einer Rezirkulierung des durch den nachfolgenden Prozessschritt abgekühlten Abgases lässt sich Kohlenmonoxid im Abgas anreichern. Es ist dabei gemäß bestimmten Ausführungsformen möglich, dem Abgas einen Anteil zu entnehmen, und damit ein Gasgemisch von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erhalten, das einen signifikant höheren Anteil an Kohlenmonoxid besitzt, als in Tabelle 1 angegeben ist. Durch eine nachfolgende Gastrennung kann das Kohlenmonoxid vom Kohlendioxid gereinigt werden, und das Kohlendioxid kann im Kreislauf oder im Brenner weiterverwendet werden.
Durch Rückführung des Produktgases CO kann im Ofen die Verbrennungstemperatur gesenkt werden. Bei stöchiometrischer Verbrennung können Gastemperaturen von über 3000 K erreicht werden, die zu Materialproblemen führen würden. Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur wäre auch durch einen Überschuss von CO₂ möglich. Allerdings müsste dieser ca. 16-mal höher als die stöchiometrische Menge sein, so dass das Produktgas CO in dem CO₂-Überschuss stark verdünnt vorliegen würde (Konzentration nur ca. 6 Vol.%). Deshalb ist es gemäß bestimmten Ausführungsformen sinnvoll, einen Teil des Produktgases CO in den Brenner zurückzuführen und als thermischen Ballast zur Senkung der Temperatur zu verwenden. Bevorzugt wird hierbei eine bestimmte Reaktionstemperatur durch Rückführung einer konstanten Menge an Gemisch aus Abgas und Trägergas als Trägergas eingestellt. In diesem Fall entsteht kein C0/CO₂-Gemisch, das aufwändig getrennt werden muss. Das Produktgas besteht zum größten Teil aus CO und nur aus kleinen Verunreinigungen durch CO₂. Im stationären Zustand wird der Großteil des CO im Kreis geführt und gerade so viel CO aus dem Kreislauf abgeführt, wie durch die Reaktion von CO₂ und Li nachgebildet wird. Beispielsweise kann sich ein solcher Kreislauf ergeben, wenn CO in einem Verhältnis von 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gemisch aus Abgas und Trägergas, als Trägergas eingesetzt wird. Eine geeignete Menge an Kohlendioxid kann somit stetig dem Verbrennungsprozess zugeführt werden, wohingegen eine entsprechende Menge Kohlenmonoxid als Wertprodukt ständig dem Kreislauf entnommen werden kann.
Eine entsprechende Reaktionsführung ist auch beispielhaft in 5 dargestellt. Aus einem Abgas 100, beispielsweise aus einem Verbrennungskraftwerk wie einem Kohlekraftwerk, wird in einer CO₂-Abtrennung 101 Kohlendioxid abgetrennt und dann in Schritt 102 mit Lithium verbrannt, wobei CO als Trägergas verwendet wird. Es entsteht Li₂CO₃ 103, und ein Gemisch aus Abgas und Trägergas umfassend CO₂ und CO kann, ggf. nach einer Trennung 104, über einen Boiler 105 geleitet werden, mit dessen Hilfe eine Dampfturbine 106 und somit ein Generator 107 betrieben werden. Es erfolgt eine Abgasrückführung 108 als Trägergas, wobei CO im Schritt 109 ausgeschleust werden kann.
Gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform können als Brenngas und als Trägergas Stickstoff in der in 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden. Als Metall wird beispielsweise Lithium, z.B. flüssig, eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes von 180°C. Das flüssige Lithium kann dem Porenbrenner 3 zugeführt werden und reagiert dann unmittelbar mit dem Brenngas. Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner erforderlich.
Die Verbrennung von Lithium erfolgt am Porenbrenner 3 mit der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Stickstoff, wobei auch ein leicht über- oder unterstöchiometrisches Verhältnis (z.B. 0,95:1 bis 1:0,95 für das Verhältnis N₂:Li) gewählt werden kann.
Die Reaktion ist hierbei wie folgt: 6Li + N₂ → 2Li₃N
Im zweiten Schritt erfolgt im mittleren Teil des Reaktors 6 die Mischung der Verbrennungsprodukte mit dem Trägergas, beispielsweise Stickstoff, das durch die Düsen 5 in den Reaktor 6 eingeblasen wird. Dadurch entsteht ein Zyklon, der dazu führt, dass die festen und flüssigen Reaktionsprodukte an die Reaktorwand gewirbelt werden und sich dort vornehmlich abscheiden. Für die Verbrennung in reinem Stickstoff hat das entstehende Lithiumnitrid einen Schmelzpunkt von 813°C. Wird die Verbrennungstemperatur der Reaktionsprodukte mittels Zumischung von Trägergas und/oder Brenngas durch die Zuführeinrichtungen 1,5 über mindestens 813°C gehalten, so kann man von flüssigen Reaktionsprodukten für die Verbrennung ausgehen. Die Zuführeinrichtungen können hier bei der stark exothermen Reaktion zum Kühlen verwendet werden, damit sich die Anlage nicht zu stark aufheizt, wobei die untere Temperaturgrenze der Schmelzpunkt der entstehenden Salze, hier Lithiumnitrid, sein kann. Wird der Zyklon mit anderen Gasen als Stickstoff wie z.B. Luft oder Kohlendioxid oder weiteren Gasen betrieben, kann in den Reaktionsprodukten auch Lithiumoxid (Mp 1570°C) oder Lithiumcarbonat (Mp 723°C) entstehen. Nach Abscheidung der flüssigen und/oder festen Reaktionsprodukte, welche durch ein Gitter 6‘ verbessert werden kann, wird das Abgas zum Beispiel in einen Boiler geleitet und zur Verdampfung von Wasser genutzt, um dann eine Turbine mit nachgeschaltetem Generator anzutreiben oder andere technische Vorrichtungen (z.B. Wärmetauscher) zu betreiben. Das nach diesem Prozess abgekühlte Abgas kann beispielsweise wieder zum Erzeugen des Zyklons im Reaktor 6 benutzt werden. Damit wird die Restwärme des Abgases nach dem Verdampfungsprozess im Boiler genutzt, und es muss nur die stöchiometrisch notwendige Menge an Stickstoff für die Verbrennung, beispielsweise durch Luftzerlegung, gewonnen werden.
In Tabelle 2 ist der Zusammenhang vor Abgastemperatur und stöchiometrischem Überschuss für die Verbrennung von Lithium in reinem Stickstoff dargestellt, wobei die Rechnung mit nicht temperaturabhängigen spezifischen Wärmen erfolgte. Tabelle 2: Betrieb des Ofens mit Stickstoff als Brenngas und als Trägergas

Temperatur im Abgas Überschuss an Brenngas als Faktor, bezogen auf die Masse an Brenngas

1600°C 5,6

1400°C 8,5

1200°C 10,2

1000°C 13,3

800°C 16,1

600°C 18,5
Die Verbrennung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen, beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu Metall M von mehr als 1,01:1, bevorzugt mehr als 1,05:1, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die Abgastemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren, und es kann neben der Brenngaszugabe und der Einströmung des Metalls M, beispielsweise Lithium, in einer Anordnung von Düsen mittels eines Zyklons weiteres Brenn- oder Trägergas zur Wärmeaufnahme zugegeben werden, wie in 1 und 4 dargestellt. Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktionsprodukte bzw. deren Mischung sein kann (Tabelle 2).
Eine entsprechende Reaktionsführung ist auch beispielhaft in 6 dargestellt. Aus der Luft 200 wird in einer Luftzerlegung 201 Stickstoff abgetrennt und dann in Schritt 202 mit Lithium verbrannt, wobei Stickstoff, beispielsweise ebenfalls aus der Luftzerlegung 201, als Trägergas verwendet wird. Es entsteht Li₂N₃ 203, und das Gemisch aus Abgas und Trägergas umfassend N₂ 204 kann über einen Boiler 205 geleitet werden, mit dessen Hilfe eine Dampfturbine 206 und somit ein Generator 207 betrieben werden. Es erfolgt eine Abgasrückführung 208 als Trägergas. Aus dem Lithiumnitrid 203 kann durch Hydrolyse 209 Ammoniak 210 gewonnen werden, wobei LiOH 211 entsteht, welches mit Kohlendioxid zu Lithiumcarbonat 212 umgesetzt werden kann.
Gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform kann es auch möglich sein, z.B. bei der Verwendung von Luft als Brenngas, zwei Reaktoren, z.B. zwei Zyklonreaktoren, hintereinander zu verwenden, wobei im ersten Zyklonreaktor mit dem Metall M, z.B. Lithium, und dem Sauerstoff aus der Luft Metalloxid, z.B. Li₂O, hergestellt werden kann und das Abgas vornehmlich Stickstoff enthält, und dieses Abgas dann in einem zweiten Zyklonreaktor als Brenngas mit Metall M, z.B. Li, zu Metallnitrid, z.B. Li₃N, reagieren kann. Hierbei kann beispielsweise Stickstoff als Trägergas fungieren, dass auch aus dem ersten Abgas gewonnen werden kann, oder das erste Abgas selbst, wenn es beispielsweise im Kreis geführt wird.
Durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere durch die Verwendung von porösen Brennrohren, gelingt es, die festen bzw. flüssigen Reaktionsprodukte oder deren Gemische einfach von den entstehenden Abgasen zu trennen, und damit die Abgase einer Verwendung in beispielsweise einer Gasturbine bzw. einer Expanderturbine, einem Wärmetauscher, oder einem Boiler zuzuführen. Auf diese Weise kann zudem auch die gesamte Verbrennungsvorrichtung kompakter gestaltet werden und die Verbrennung schonender für die Vorrichtung durch Lokalisierung des Verbrennungsprozesses gestaltet werden.
Weiterhin kann die Vorrichtung, beispielsweise ein Reaktor wie ein Ofen, mit erhöhtem Betriebsdruck gefahren werden, und so kann der Verbrennungs- und Abscheideprozess den jeweiligen Bedingungen des nachfolgenden Schrittes angepasst werden. Die Möglichkeit der Unterscheidung von Brenngas und Trägergas zur Etablierung eines Zyklons ermöglicht in bestimmten Ausführungsformen die Rückführung von Abgasen nach der Wärmeabgabe.
Eine Rezirkulierung ist mit dieser Konstruktion leicht möglich. Auch sind Gasgemische als Brenn- und Trägergas möglich. Durch Rückführung des Abgases nach dem oder den Prozessschritten kann Energie und Material eingespart werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3328957 [0002]

Claims

Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei dem Porenbrenner das Metall M als Flüssigkeit im Inneren des Porenbrenners zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Brenngas auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt wird.
Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Verbrennung bei einer Temperatur stattfindet, die über dem Schmelzpunkt der bei der Reaktion von Metall M und Brenngas entstehenden Salze liegt.
Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metall M als Legierung von mindestens zwei Metallen M zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Reaktionsprodukte nach der Verbrennung getrennt werden. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Trennung mit Hilfe eines Zyklons erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Reaktionsprodukte der Verbrennung zur Erzeugung von Energie, bevorzugt unter Verwendung mindestens einer Expanderturbine und/oder mindestens einer Gasturbine und/oder mindestens eines Wärmetauschers und/oder mindestens eines Boilers, verwendet werden.
Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, umfassend einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu ausgebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen, eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausgebildet, Brenngas zuzuführen, und optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Metalls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das Metall M zu verflüssigen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Zuführeinrichtung für das Brenngas derart angeordnet ist, dass sie das Brenngas, zumindest teilweise, auf die Oberfläche des Porenbrenners leitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der Porenbrenner derart angeordnet ist, dass entstehende Reaktionsprodukte der Verbrennung und optional das Metall M durch Gravitation von der Oberfläche des Porenbrenners abgetrennt werden können.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Porenbrenner aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend eine Trenneinrichtung der Produkte der Verbrennung des Metalls M, die dazu ausgebildet ist, die Verbrennungsprodukte des Metalls M und des Brenngases zu trennen, wobei die Trenneinrichtung bevorzugt ein Zyklonreaktor ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend mindestens eine Expanderturbine und/oder mindesten einer Gasturbine und/oder mindestens einen Wärmetauscher und/oder mindestens einen Boiler.
Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.