DE102014219275A1

DE102014219275A1 - Zündung von Flammen eines elektropositiven Metalls durch Plasmatisierung des Reaktionsgases

Info

Publication number: DE102014219275A1
Application number: DE102014219275.7A
Authority: DE
Inventors: Helmut Eckert; Marek Maleika; Manfred Rührig; Dan Taroata; Renate Elena Kellermann; Günter Schmid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-24
Also published as: WO2016046029A1; US10111314B2; RU2670600C9; EP3178300A1; RU2670600C1; CN106717129A; US20170311432A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, wobei das Reaktionsgas vor und/oder beim Verbrennen, beispielsweise nur zum Zwecke der Zündung des Reaktionsgases, zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, wobei das Reaktionsgas vor und/oder beim Verbrennen zumindest zeitweise in ein Plasma, beispielsweise nur zum Zwecke der Zündung des Reaktionsgases, überführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Durch die Notwendigkeit zur Verringerung der Kohlendioxidemission werden in letzter Zeit verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von Energie aus alternativen Ressourcen diskutiert.
In der DE 10 2008 031 437.4 wird beschrieben, wie mit elektropositiven Metallen vollständig rezyklierbare Energiekreisläufe dargestellt werden können. Diese wurden detaillierter in WO2012/038330 und WO2013/156476 ausgeführt. Bei dem dabei beschriebenen Energiekreisläufen erfolgt die Energieentladung durch die Verbrennung von elektropositiven Metallen, wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder auch Aluminium oder Zink in einer Gasatmosphäre wie beispielsweise Luft oder auch Kohlendioxid (CO₂).
Ein Problem stellt hierbei die Reaktion des elektropositiven Metalls mit dem Reaktionsgas und hierbei auch das Starten der Reaktion dar.
Üblicher Weise werden elektropositive Metalle und im speziellen Alkalimetalle thermisch gezündet. Dabei wird das Metall mittels einer Gasflamme oder einer elektrischen Heizung bis auf die erforderliche Zündtemperatur erhitzt.
Außerdem sind Alkalimetalle zur Selbstentzündung fähig, und beispielsweise genügt bei Kontakt mit Wasser im Falle von Rubidium und Caesium dazu bereits Luftkontakt.
Ein weiteres Einsatzgebiet der Verbrennung von Metallen liegt in der Luft- und Raumfahrttechnik. Hier dienen unter anderem Metalle als Treibstoff für Feststoffraketen. Die Zündung erfolgt hier in der Regel thermisch mittels einer Zündladung, die durch Verbrennung Hitze erzeugt.
Zur Zündung eines Benzin-Luft-Gemisches wird bei heutigen Motoren der elektrische Funkenüberschlag zwischen den Elektroden einer Zündkerze genutzt, bei dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch örtlich kurzzeitig auf 3000 bis 6000 K erhitzt wird. Zur Ausbildung einer stabilen selbständigen Flamme ist es zum einen wichtig, dass zum Zeitpunkt des Funkenüberschlages im Bereich der Zündelektroden ein zündfähiges Gemisch vorliegt, zum anderen muss die durch das Plasma zwischen den Elektroden an das Gemisch übertragene thermische Energie größer als die Verluste an die Elektroden sein. Das ionisierte Gas zwischen den Elektroden erreicht während dieser Phase Temperaturen von ca. 6000 K. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten bzw. bei kaltem Reaktionsgas ist eine solche Zündung jedoch nicht immer zuverlässig.
Zur Entflammung sehr reaktionsträger Kraftstoff-Luft-Gemische, wie z.B. magerer Gemische oder Gemische mit hohem Abgasanteil, muss eine höhere Energie in das Gasgemisch eingekoppelt und/oder ein größeres Gemischvolumen entflammt werden als dies bei stöchiometrischen Mischungen notwendig ist. Dies kann durch höhere elektrische Energien oder durch einen höheren Wirkungsgrad der Energieeinkopplung erreicht werden. Der Erhöhung der elektrischen Energie sind durch den Elektrodenabbrand (Verschleiß, Lebensdauer der Zündkerze, etc.) Grenzen gesetzt. Daher ist es das Ziel, die gesamte elektrische Energie in ein möglichst großes Gemischvolumen einzukoppeln. Diese Entladungsform kann mit Plasmastrahl-Zündsystemen realisiert werden. Bei diesen Systemen erfolgt die Plasmabildung durch Funkenüberschlag in einem kleinen Hohlraum des Zünders. Das Plasma tritt aus einer Öffnung im Zünder als Jet in den Brennraum ein und entflammt dort ein großes Gemischvolumen. Die Zündkerze weist nahezu die gleichen äußeren geometrischen Abmessungen wie eine konventionelle Hakenzündkerze auf. Der Unterschied besteht in der dem Brennraum zugewandten Zündkerzenspitze, die statt einer freistehenden Mittel- und Massenelektrode einen relativ kleinen Hohlraum besitzt, der zum Brennraum hin geöffnet ist.
Ein weiteres Zündsystem ist aus Plasmaschneidern bekannt. Im Plasmabrenner wird die Luft durch einen elektrischen Lichtbogen (HV-Entladung) auf eine extrem hohe Temperatur erhitzt. Dabei bildet sich ein elektrisch leitfähiges Plasma, durch das der Schneidstrom von der Elektrode im Inneren des Plasmaschneidbrenners zum Werkstück (Anode) fließen kann. Im Plasmabogen entstehen Temperaturen bis 30.000 °C. Die Schneiddüse mit einer kleinen Bohrung schnürt den Schneidstrom ein und bewirkt dadurch einen stark gebündelten Plasmaschneidstrahl. Dieser Plasmalichtbogen schmilzt Metalle sehr schnell und durch seine hohe kinetische Energie wird die Schmelze aus der Schnittfuge herausgeschleudert. Es ergibt sich ein sauberer und glatter Schnitt. Eine entsprechende Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2009 004 986 A1 bekannt.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas bei der Verbrennung eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall.
Nachfolgend wird eine Möglichkeit zur Zündung dieser Metalle mittels Plasmatisierung des Reaktionsgases beschrieben.
Es wurde herausgefunden, dass sich durch die Plasmaerzeugung innerhalb einer Düse eine verbesserte Reaktionsführung und eine verbesserte Reaktion zwischen dem Reaktionsgas und dem elektropositiven Metall erzielen lassen. Weiterhin wurde herausgefunden, dass durch Nutzung des Reaktionsgases direkt als Plasmagas, also als Gas zur Erzeugung des Plasmas, kein zusätzliches Plasmagas mehr benötigt wird, was die Reaktionsführung vereinfacht und zudem Nebenprodukte aus dem Plasmagas vermieden werden können. Außerdem kann der für die Zündung des elektropositiven Metalls notwendige Energieeintrag gezielt in das Reaktionsgas stattfinden, was deutlich effizienter ist als beispielsweise eine Erhitzung über Wärmestrahlung mittels elektrischer Heizung oder Gasflamme. Insbesondere wurde darüber hinaus herausgefunden, dass durch Verwendung der Düse als 1. Elektrode und dem Metallstrahl als 2. Elektrode zur Plasmazündung effektiv ein Plasma erzeugen lässt, das selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des elektropositiven Metalls eine gute Reaktion von elektropositivem Metall und Reaktionsgas ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, wobei das Reaktionsgas vor und/oder beim Verbrennen zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird und wobei das Reaktionsgas und das elektropositive Metall durch Zuführeinrichtungen getrennt, bevorzugt koaxial, mindestens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reaktionsgas innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird, beispielsweise nur zum Zwecke der Zündung des Reaktionsgases.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, aufweisend
mindestens eine Düse, die derart ausgebildet ist, ein Gemisch aus elektropositivem Metall und Reaktionsgas zu verdüsen,
eine erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall, die derart ausgebildet ist, das elektropositive Metall der mindestens einen Düse zuzuführen,
eine zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas, die derart ausgebildet ist, das Reaktionsgas der mindestens einen Düse zuzuführen, und
eine Zündvorrichtung an und/oder in der mindestens einen Düse, die das Reaktionsgas innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt.
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 Zweistoffdüse zur Metallverdüsung, beispielsweise eine Flüssigmetallverdüsung, mit Plasmazündung.
2 stellt schematisch eine Einstoffdüse zur Flüssigmetallverdüsung mit Plasmazündung dar.
In 3 ist schematisch ein inverser Aufbau mit innenliegender Plasmadüse und äußerer Flüssigmetallverdüsung gezeigt.
4 zeigt wiederum schematisch eine Flüssigmetalldüse mit Plasmazündung mit einer Detailansicht der Hochspannungs(HV)-Entladung.
In 5 ist eine Flüssigmetalldüse mit Plasmazündung schematisch dargestellt, bei der der Flüssigmetallstrahl als Elektrode dient.
6 zeigt schematisch eine Plasmadüse mit Drallscheibe und innenliegender Flüssigmetalldüse.
7 zeigt eine erfindungsgemäße beispielhafte Vorrichtung einer Zweistoffdüse zur Flüssigmetallverdüsung mit Plasmazündung.
Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, wobei das Reaktionsgas vor und/oder beim Verbrennen zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird und wobei das Reaktionsgas und das elektropositive Metall durch Zuführeinrichtungen getrennt, bevorzugt koaxial, mindestens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reaktionsgas innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird, beispielsweise auch nur zum Zwecke der Zündung des Reaktionsgases.
Das elektropositive Metall 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 elektropositive Metall ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, Al und Zn, weiter bevorzugt Li und Mg, und besonders bevorzugt ist das elektropositive Metall Lithium. Auch sind Mischungen und/oder Legierungen des elektropositiven Metalls möglich.
Als Reaktionsgas kommen gemäß bestimmten Ausführungsformen solche Gase in Frage, welche mit dem genannten elektropositiven Metall bzw. Gemischen und/oder Legierungen der elektropositiven Metalle in einer exothermen Reaktion reagieren können, wobei diese nicht besonders beschränkt sind. Beispielhaft kann das Reaktionsgas 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 Reaktionsgas können hierbei mit den verschiedenen elektropositiven Metallen verschiedene Produkte erhalten werden, die als Feststoff, Flüssigkeit sowie auch gasförmig anfallen können.
So kann beispielsweise bei einer Reaktion von elektropositivem Metall, beispielsweise Lithium, mit Stickstoff unter anderem Metallnitrid, wie Lithiumnitrid, entstehen, welches dann später zu Ammoniak weiterreagieren gelassen werden kann, wohingegen bei einer Umsetzung von elektropositivem Metall, 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 mit Wasserstoff 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.
Durch das zumindest zeitweise Überführen in ein Plasma kann die notwendige Energie zum Starten der Reaktion eingebracht werden. So reicht es gemäß bestimmten Ausführungsformen aus, wenn die Reaktion durch Plasmatisieren des Reaktionsgases gestartet wird und dann zugleich oder danach das elektropositive Metall eingebracht wird. Im Anschluss kann dann das Reaktionsgas als Plasma vorliegen oder nicht. Auch kann die Reaktion während der Zufuhr von elektropositivem Metall und Reaktionsgas durch Überführen des Reaktionsgases in ein Plasma gestartet werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann das Reaktionsgas vor oder bei der Zufuhr zum Plasmatisieren auch verwirbelt werden, um eine bessere Durchmischung mit dem elektropositiven Metall zu erzielen und die Plasmaflamme zu stabilisieren, beispielsweise durch Drallkörper oder Drallscheiben.
Mittels der Zufuhr durch getrennte Zuführeinrichtungen kann ein Durchschlagen der Reaktion in die Zuführeinrichtungen erreicht werden. Durch eine bevorzugte koaxiale Zufuhr kann eine leichte und schnelle Zufuhr der Edukte zur Reaktion sowie ein gutes Vermischen gewährleistet werden und die Reaktion weiter verbessert werden.
Weiterhin ist die Erzeugung des Plasmas innerhalb der Düse nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise durch Hochspannung oder durch Zufuhr thermischer Energie oder auf andere Weise, beispielsweise durch Gleichspannungsfunken, mittels fokussierter Laserstrahlen oder unter Verwendung des Pincheffekts, erfolgen. Bevorzugt ist eine Plasmaerzeugung durch Hochspannung. Insbesondere erfolgt die Plasmaerzeugung durch Hochspannung, wobei die Düse eine der Elektroden darstellt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Plasma innerhalb der mindestens einen Düse durch Hochspannungsentladung (HV-Entladung) im Bereich von 4 bis 100 kV, bevorzugt 4 bis 10 kV erzeugt, beispielsweise durch Zünden des Reaktionsgases, wobei bevorzugt die Düse als eine Elektrode dient. Die Hochspannung kann hierbei mit oder ohne elektrisches Wechselfeld vorliegen. Bei einem Wechselfeld ist die Frequenz nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise 0 Hz (DC), 15–25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13,65 MHz oder auch eine beliebige andere Frequenz, beispielsweise im Mikrowellenbereich, sein, die auch nicht fest auf einer Frequenz bleiben muss. Durch das Zünden mit Hochspannung kann eine gezielte und schnelle Plasmatisierung erzielt werden. Die eingekoppelte Energie hängt gemäß bestimmten Ausführungsformen auch vom Hochfrequenzfeld des erzeugten Stroms ab. Bevorzugt sind daher Ströme im Bereich von 1 mA–10 A, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mA–1000 mA. Die Hochspannung kann hierbei beispielsweise durch mindestens einen Hochspannungsgenerator bereitgestellt werden, der erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt ist. Über Hochspannungsisolatoren und/oder eine entsprechende geeignete Beschichtung der Zuführeinrichtung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen ein Funkenübertritt in den Zuführeinrichtungen und ein verfrühtes Zünden des Plasmas vermieden werden und die Zündung in der Düse lokalisiert werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen tritt das Plasma in Strömungsrichtung des Reaktionsgases aus dem Inneren der Düse aus. Hierzu können beispielsweise die Düse und/oder die Zuführeinrichtung geeignet vorgesehen sein, beispielsweise in ihrer Form oder Anordnung, oder die Stoffströme können geeignet eingestellt werden. Hiermit kann sichergestellt werden, dass das Plasma mit genügend Reaktionsgas in Berührung kommt.
Nach der Zündung des Flüssigmetalls lässt sich außerdem die Hochspannung gemäß bestimmten Ausführungsformen einfach abschalten, und eine Flamme aus Reaktionsgas und elektropositivem Metall kann selbsterhaltend weiter brennen. Erlischt die Flamme, kann sie jederzeit wieder durch Anlegen der Hochspannung gezündet werden.
Grundsätzlich ist es unabhängig vom spezifischen Düsenaufbau möglich, die Elektroden, beispielsweise den elektrischen Anschluss der Hochspannungs- und den entsprechenden Masseanschluss, zu tauschen. Dies beeinflusst lediglich die Aufbaurichtung der HV-Entladung, was auf das Verfahren jedoch keine Auswirkung hat, sofern die Plasmaflamme des Reaktionsgases geeignet gezündet wird. Bevorzugt ist die Düse jedoch eine der Elektroden, und die weitere Elektrode befindet sich im Inneren der Düse, beispielsweise eine der weiteren Zuführeinrichtungen oder das elektropositive Metall selbst, um gezielt die Plasmazündung im Inneren der Düse zu erzielen und diese schnell und effizient zu gewährleisten, damit selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten des elektropositiven Metalls, beispielsweise 0,1 g/s bei Kleinanlagen bis 10 kg/s oder mehr bei Großanlagen, dieses effizient gezündet und reagiert werden kann. Hierzu kann beispielsweise auch eine Elektrode an der äußeren Wand der äußersten Zuführeinrichtung, welche mit der Düse in Kontakt steht, angebracht werden. Beispielsweise können Elektroden an die äußere und innere Wand der in der Düse außenliegenden Zuführeinrichtungen angelegt werden, um eine Zündung im Inneren der Düse zu erreichen.
Der tatsächliche lokale Punkt der Hochspannungsentladung und damit der Punkt der Plasmatisierung des Reaktionsgases kann gemäß bestimmten Ausführungsformen über den Abstand der Anode zur Kathode, beispielsweise einer Metalldüse zur Reaktionsgasdüse, eingestellt werden. Dies kann insbesondere der Punkt des geringsten Abstandes zwischen den Elektroden sein, da dort die Isolationsstrecke am kürzesten ist und sich somit dort eine HV-Entladung einstellt. Dies ist für eine beispielhafte Ausführungsform auch in 4 dargestellt und wird im Rahmen der Beispiele noch detaillierter ausgeführt. Beispielsweise kann man durch eine gezielte Überhöhung einer oder einer der beiden Düsen gezielt einstellen, ab wann sich aus dem Reaktionsgas ein Plasma bildet und wie weit der Abstand zwischen der Zufuhr von elektropositivem Metall, beispielsweise als Flüssigkeit, und dem Plasmapunkt, an dem das Plasma gebildet wird, liegt. Der Plasmapunkt ist hierbei nicht auf einen Punkt beschränkt und kann auch einen gewissen Bereich einnehmen, beispielsweise den Bereich zwischen den Düsen bzw. Zuführeinrichtungen, der den geringsten Abstand zwischen diesen einnimmt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird zusätzlich ein Zerstäubungsgas der mindestens einen Düse zugeführt und das elektropositive Metall mit dem Zerstäubungsgas zerstäubt. Hierdurch kann das elektropositive Metall besser im Plasma und/oder dem Reaktionsgas verteilt werden und somit die Reaktion noch weiter verbessert werden. Zudem kann durch die Zufuhr von Zerstäubungsgas auch eine bessere Steuerung der exothermen Reaktion erfolgen, beispielsweise indem entstehende Wärme auf das Zerstäubungsgas übertragen wird. Aus dieser Wärme im Zerstäubungsgas kann dann später auch elektrische Energie gewonnen werden, beispielsweise unter Zuhilfenahme mindestens eines Wärmetauschers und/oder mindestens einer Turbine mit mindestens einem Generator. Auch kann die Wärme auf andere Weise verwendet werden, beispielsweise zum Vorwärmen des elektropositiven Metalls und/oder des Reaktionsgases vor der Zufuhr zur Düse.
Alternativ kann eine Zerstäubung des elektropositiven Metalls auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Drallkörper, oder auch unterbleiben.
Das Zerstäubungsgas ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, und kann dem Reaktionsgas entsprechen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Zerstäubungsgas 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 elektropositivem Metall mit dem Reaktionsgas aus der Düse abführen. Die verschiedenen Trägergase Zerstäubungsgase können beispielsweise an die Reaktion des Reaktionsgases mit dem elektropositiven Metall geeignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen.
Die Zuführgeschwindigkeiten für Reaktionsgas, elektropositives Metall und ggf. Zerstäubungsgas sind nicht besonders beschränkt und können je nach verwendete Reaktionsgas, elektropositivem Metall und ggf. Zerstäubungsgas und der somit stattfindenden Reaktion bzw. auch Plasmatisierung variieren. Durch Bestimmung von beispielsweise der Reaktionskinetik und -dynamik, beispielsweise anhand geeigneter Simulationen oder anhand einfacher Versuche mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten, können diese geeignet bestimmt werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das elektropositive Metall vor der Zufuhr in die mindestens eine Düse verflüssigt oder zerstäubt und der mindestens einen Düse als Flüssigkeit oder als Partikel zugeführt. Die Partikel können hierbei gemäß bestimmten Ausführungsformen eine derartige Größe haben, dass ihre maximale Länge bei einem beliebigen Querschnitt bis zu einschließlich 20% des Düsendurchmessers ausmacht. Hierdurch kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls vereinfacht werden und die Reaktion mit dem Reaktionsgas erleichtert werden. Auch kann das elektropositive Metall gemäß bestimmten Ausführungsformen leichter zerstäubt und verteilt werden, wodurch eine verbesserte Reaktion erzielt werden kann. Die Temperatur der Flüssigkeit bzw. der Partikel ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann je nach Reaktionsführung gezielt eingestellt werden. Je nach elektropositivem Metall kann hierbei die Zufuhr auf verschiedene Weise erfolgen, wobei beispielsweise bei den Alkalimetallen eine flüssige Zufuhr bevorzugt sein kann, wohingegen Erdalkalimetalle gemäß bestimmten Ausführungsformen bevorzugt als Pulver/Partikel zugeführt werden können.
Gemäß weiterer bestimmter Ausführungsformen kann durch Anlegen eines Kontaktes das elektropositive Metall als Elektrode bei der Plasmaerzeugung dienen. Das elektropositive Metall kann beispielsweise als Strang von leicht zerstäubbarem Feststoff oder als Flüssigkeitsstrang, beispielsweise als zäher Flüssigkeitsstrang, durch die Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall zugeführt werden und somit in Form eines Stranges in die Düse eingebracht werden, so dass dann dieser Strang in kürzestem Abstand zur Düse kommt und somit eine Hochspannungsentladung von Metallstrang zur Düse bei entsprechendem Anlegen der Spannung erfolgen kann. Hierdurch kann die Hochspannungsentladung gezielt lokalisiert werden und eine gute Reaktion des elektropositiven Metalls von Beginn der Zufuhr an gewährleistet werden, wodurch zusätzlich Verluste vermieden werden können. Bevorzugt ist die Zufuhr als Flüssigkeitsstrang oder als dichte Wolke von Metallpartikeln, um die Reaktion leichter starten zu können und das Verteilen des elektropositiven Metalls im Reaktionsgas nach Start der Reaktion zu erleichtern. In diesem Zusammenhang ist zu berücksichtigen, dass eine dichte Wolke von Metallpartikeln gemäß bestimmten Ausführungsformen noch eine ausreichende Gesamtleitfähigkeit besitzen soll, damit der Effekt zustande kommt. Die Funken können dann einfach über die Partikel springen. Diese Gesamtleitfähigkeit kann beispielsweise je nach verwendetem elektropositivem Metall, aber auch je nach Partikelgröße variieren und anhand beispielsweise der elektrischen Eigenschaften des elektropositiven Metalls und Simulationen bzw. einfacher Versuche geeignet eingestellt bzw. bestimmt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine dichte Wolke von Metallpartikeln 0,5–50 Massenprozent, weiter bevorzugt 10–20 Massenprozent Metall in Bezug auf die Mischung aller zugeführten Bestandteile, beispielsweise elektropositives Metall, Reaktionsgas und ggf. Zerstäubungsgas.
Die Temperatur der Flüssigkeit des elektropositiven Metalls bzw. der Metallpartikel kann je nach Eigenschaften des elektropositiven Metalls und des Reaktionsgases, beispielsweise bei der Reaktion frei werdende Energie, Dichte und Zähigkeit des elektropositiven Metalls bei der eingestellten Temperatur, etc., dabei gezielt zur Steuerung der Reaktion eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Metall ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, aufweisend:
mindestens eine Düse, die derart ausgebildet ist, ein Gemisch aus elektropositivem Metall und Reaktionsgas zu verdüsen,
eine erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall, die derart ausgebildet ist, das elektropositive Metall der mindestens einen Düse zuzuführen,
eine zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas, die derart ausgebildet ist, das Reaktionsgas der mindestens einen Düse zuzuführen, und
eine Zündvorrichtung an und/oder in der mindestens einen Düse, die das Reaktionsgas innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt.
Die mindestens eine Düse ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und dem Material, soweit sie in der Lage ist, den Reaktionsbedingungen bei der Erzeugung des Plasmas und der Reaktion des Reaktionsgases mit dem elektropositiven Metall standzuhalten. Abhängig von der Art des Reaktionsgases, dem elektropositiven Metall, eine möglichen Zufuhr eines Zerstäubungsgases, der Zufuhrgeometrie, etc. kann hierbei die Düse geeignet ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die mindestens eine Düse gemäß bestimmten Ausführungsformen als Einstoff- oder Zweistoffdüse ausgebildet sein.
Als Material für die Düse eignet sich gemäß bestimmten Ausführungsformen beispielsweise ein 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 beispielsweise flüssigem elektropositiven Metall einfacher vonstattengehen kann.
Als erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall können beispielsweise Rohre oder Schläuche, oder aber Förderbänder, dienen, die beheizt sein können, welche geeignet, beispielsweise anhand des Aggregatszustands des elektropositiven Metalls, bestimmt werden können. Gegebenenfalls kann an die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall auch eine weitere Zuführeinrichtung für ein Gas, optional mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil, angebracht werden, mit dem die Zufuhr des elektropositiven Metalls geregelt werden kann. Ebenso kann die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas als Rohr oder Schlauch, etc., das oder der gegebenenfalls beheizt sein kann, ausgebildet sein, wobei eine geeignete zweite Zuführeinrichtung geeignet anhand des Zustand des Gases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann. Auch können mehrere erste und/oder zweite Zuführeinrichtungen für elektropositives Metall und/oder Reaktionsgas vorgesehen sein.
Die Zündvorrichtung ist nicht besonders beschränkt, insofern sie in der Lage ist, das Reaktionsgas in ein Plasma zu überführen. Eine geeignete Zündvorrichtung ist beispielsweise eine Hochspannungsquelle mit einer Spannung im Bereich von 4 bis 100 kV, bevorzugt 4 bis 10 kV, die geeignet an der Düse angebracht werden kann. Die Hochspannung kann hierbei mit oder ohne elektrisches Wechselfeld vorliegen. Bei einem Wechselfeld ist die Frequenz nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise 0 Hz (DC), 15–25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13,65 MHz oder auch eine beliebige andere Frequenz, beispielsweise im Mikrowellenbereich, sein, die auch nicht fest auf einer Frequenz bleiben muss. Durch das Zünden mit Hochspannung kann eine gezielte und schnelle Plasmatisierung erzielt werden. Die eingekoppelte Energie hängt gemäß bestimmten Ausführungsformen auch vom Hochfrequenzfeld des erzeugten Stroms ab. Bevorzugt sind daher Ströme im Bereich von 1 mA–10 A, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mA–1000 mA.
Darüber hinaus können auch andere Zündvorrichtungen verwendet werden, beispielsweise Gleichspannungsfunken, fokussierte Laserstrahlen oder Zündvorrichtungen unter Verwendung des Pincheffekts. Bevorzugt ist eine Plasmaerzeugung durch Hochspannung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen weiter eine dritte Zuführeinrichtung für ein Zerstäubungsgas aufweisen, die dazu ausgebildet ist, ein Zerstäubungsgas der mindestens einen Düse zuzuführen. Die dritte Zuführeinrichtung für ein Zerstäubungsgas ist nicht besonders beschränkt und kann als Rohr oder Schlauch, etc., das oder der gegebenenfalls beheizt sein kann, ausgebildet sein, wobei eine geeignete dritte Zuführeinrichtung geeignet anhand des Zustand des Gases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann. Auch können mehrere dritte Zuführeinrichtungen für Zerstäubungsgas vorgesehen sein.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen münden die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall und/oder die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas und/oder die dritte Zuführeinrichtung für das Zerstäubungsgas in der mindestens einen Düse. Dadurch kann die Zündung und Reaktion gut in der Düse lokalisiert werden. Zumindest die erste Zuführeinrichtung und die zweite Zuführeinrichtung münden gemäß bestimmten Ausführungsformen in der Düse, wobei beispielsweise das Zerstäubungsgas auch zuvor dem elektropositiven Metall zugeführt werden kann. Bevorzugt sind die Zuführeinrichtungen koaxial zueinander ausgebildet, zumindest jedoch die erste und zweite Zuführeinrichtung, um eine gute Mischung des elektropositiven Metalls und des Reaktionsgases und ggf. des Zerstäubungsgases zu erzielen. Die Form der Zuführeinrichtungen ist nicht besonders beschränkt und kann im Querschnitt der Zuführeinrichtungen beispielsweise quadratisch, rechteckig und/oder rund sein, wobei bevorzugt die Zuführeinrichtungen zumindest abschnittsweise mit koaxialem rundem Querschnitt in Strömungsrichtung gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiter eine Schmelzvorrichtung oder eine Zerkleinerungsvorrichtung für das elektropositive Metall aufweisen, die derart ausgebildet ist, das elektropositive Metall vor oder in der ersten Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu zerkleinern. Hierdurch können die Zündung und die Reaktion erleichtert werden sowie das Vermischen von elektropositivem Metall und Reaktionsgas. Die Art der Schmelzvorrichtung oder der Zerkleinerungsvorrichtung ist hierbei nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise Heizungen, Brenner, etc. bzw. Mühlen, Brecher, etc. umfassen und geeignet vorgesehen werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die mindestens eine Düse als Metalldüse oder als Reaktionsgasdüse oder als Zerstäubungsgasdüse ausgebildet, wobei die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall in der Metalldüse mündet und/oder die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas in der Reaktionsgasdüse mündet und/oder die dritte Zuführeinrichtung für das Zerstäubungsgas in der Zerstäubungsgasdüse mündet. Hierbei kann gemäß bestimmten Ausführungsformen dann die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall bevorzugt koaxial innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas ausgebildet sein und die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas in die Reaktionsgasdüse münden, die der mindestens einen Düse entspricht, wobei die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall derart ausgebildet ist, dass das elektropositive Metall innerhalb der mindestens einen Düse zugeführt wird. Hierdurch kann eine verbesserte Reaktion erzielt werden. Analoge Anordnungen können sich für die Fälle ergeben, in denen die mindestens eine Düse eine Metalldüse ist und das Reaktionsgas in der zweiten Zuführeinrichtung innerhalb der ersten Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall bevorzugt koaxial zugeführt wird bzw. für den Fall einer Zerstäubungsgasdüse die Zufuhr von elektropositivem Metall und Reaktionsgas bevorzugt koaxial innerhalb der dritten Zuführeinrichtung für das Zerstäubungsgas vonstattengeht, wobei hier auch die erste und zweite Zuführeinrichtung wie oben innerhalb voneinander angeordnet sein können. Für die Fälle der Metalldüse bzw. Reaktionsgasdüse kann jeweils die dritte Zuführeinrichtung, bevorzugt koaxial, innerhalb der erste bzw. zweiten Zuführeinrichtung angeordnet sein, wobei die dritte Zuführeinrichtung dann innerhalb der anderen beiden Zuführeinrichtungen oder zwischen den beiden angeordnet sein kann.
Wenn die zweite Zuführeinrichtung für Reaktionsgas innen liegt, kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in dieser eine Hochspannungselektrode mit einer Spannung von beispielsweise 4 bis 100 kV, bevorzugt 4 bis 10 kV zur Erzeugung eines Plasmas vorgesehen sein, die geeignet angebracht werden kann. Die Hochspannung kann hierbei mit oder ohne elektrisches Wechselfeld vorliegen. Bei einem Wechselfeld ist die Frequenz nicht besonders beschränkt und kann beispielsweise 0 Hz (DC), 15–25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13,65 MHz oder auch eine beliebige andere Frequenz, beispielsweise im Mikrowellenbereich, sein, die auch nicht fest auf einer Frequenz bleiben muss. Durch das Zünden mit Hochspannung kann eine gezielte und schnelle Plasmatisierung erzielt werden. Die eingekoppelte Energie hängt gemäß bestimmten Ausführungsformen auch vom Hochfrequenzfeld des erzeugten Stroms ab. Bevorzugt sind daher Ströme im Bereich von 1 mA–10 A, besonders bevorzugt im Bereich von 10 mA–1000 mA.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Zündvorrichtung gemäß bestimmten Ausführungsformen als Hochspannungszündvorrichtung ausgebildet sein, aufweisend eine Hochspannungsquelle, beispielsweise ein Hochspannungsgenerator, mit einer Spannung im Bereich von 4 bis 100 kV, die mit zwei Elektroden verbunden ist, wobei

i) die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall oder das elektropositive Metall selbst und die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas, oder
ii) die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall oder das elektropositive Metall selbst und die dritte Zuführeinrichtung für das Zerstäubungsgas, oder
iii) die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas und die dritte Zuführeinrichtung für das Zerstäubungsgas jeweils als eine Elektrode ausgebildet sind, und der kürzeste Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden innerhalb der mindestens einen Düse ausgebildet ist.

Dadurch, dass der kürzeste Abstand zwischen den Elektroden innerhalb der Düse ausgebildet ist, kann die Zündung effektiv innerhalb der Düse lokalisiert werden.
Eine bestimmte Ausführungsform ist hierbei, dass das elektropositive Metall derart als Elektrode ausgebildet ist, dass es nach der Zufuhr durch die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall als zusammenhängender Metallkörper oder als dichte Wolke von Metallpartikeln in die mindestens eine Düse geleitet wird und die Zündvorrichtung durch die mindestens eine Düse und das elektropositive Metall gebildet werden. Bevorzugt ist die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall hierbei innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas angeordnet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine dichte Wolke von Metallpartikeln 0,5–50 Massenprozent, weiter bevorzugt 10–20 Massenprozent Metall in Bezug auf die Mischung aller zugeführten Bestandteile, beispielsweise elektropositives Metall, Reaktionsgas und ggf. Zerstäubungsgas.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die erste und/oder die zweite und/oder die dritte Zuführeinrichtung auch Körper wie Drallkörper oder Drallscheiben zu einer Verwirbelung bzw. einem besseren Versprühen des Reaktionsgases respektive elektropositiven Metalls respektive Zerstäubungsgases enthalten, um eine bessere Vermischung zu erzielen. Auch kann hierdurch beispielsweise eine Stabilisierung des Plasmas erzielt werden, insbesondere durch Verwirbelung in der zweiten Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in bekannten Prozessanlagen zur Verbrennung von elektropositiven Metallen mit Reaktionsgasen, wie sie beispielsweise aus DE 10 2013 224 709.5 bekannt sind, vorgesehen sein.
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.
Eine beispielhafte Basis für eine erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Kombination einer Flüssigmetalldüse mit einer Gas-Plasmadüse dar, um mit Hilfe des gezielten Energieeintrags in das zur Verbrennung nötige Reaktionsgas das verdüste Flüssigmetall zu zünden.
1 und 2 zeigen zwei Möglichkeiten des Aufbaus einer solchen Metalldüsen-Plasmadüsen-Kombination gemäß zwei beispielhaften Ausführungsformen.
Der in 1 und 2 dargestellte beispielhafte Aufbau besteht prinzipiell aus einer Plasmadüse/Reaktionsgasdüse 5 als Reaktionsgasdüse zur Plasmatisierung des Reaktionsgases 1 und einer Düse 6 zur Verdüsung eines beispielhaften flüssigen bzw. zerstäubten elektropositiven Metalls 2, beispielsweise Li oder Mg, als Metalldüse, die in diesen Fällen gleichzeitig die Gegenelektrode für die HV-Entladung der Plasmadüse darstellt.
Durch die angelegte Hochspannung V_HV und dem daraus resultierenden Hochspannungsfunken, beispielsweise am geringsten Abstand zwischen den Elektroden in der Düse, wird das durch die zweite Zuführeinrichtung 10 für das Reaktionsgas eingeleitete Reaktionsgas 1 plasmatisiert und an der Plasmadüse 5 gebündelt, wo sich schließlich eine Plasmaflamme 3 des Reaktionsgases ausbildet. Bringt man nun nach Zufuhr über eine erste Zuführeinrichtung 8 für das elektropositive Metall, beispielsweise einen Flüssigmetallkanal, über die Metalldüse 6 das zu verbrennende elektropositive Metall 2 gezielt in die Plasmaflamme 3 ein, wird dieses auf Grund der hohen Temperaturen in der Plasmaflamme gezündet und es bildet sich eine Metallflamme 4.
Wie in 1 dargestellt kann bei dieser ersten beispielhaften Ausführungsform durch ein zusätzliches Zerstäubungsgas 7 durch eine dritte Zuführeinrichtung 9 für das Zerstäubungsgas zugeführt werden, um das elektropositive Metall 2 zerstäuben zu können.
In der in 2 dargestellten zweiten beispielhaften Ausführungsform ist eine alternative Zerstäubung des elektropositiven Metalls durch einen Düsendrallkörper 11 dargestellt.
Natürlich kann auch die Zerstäubung des elektropositiven Metalls auf andere Weise erfolgen, oder es findet auch zunächst keine Zerstäubung statt.
Im Gegensatz zu dem in 1 und 2 dargestellten Aufbau mit innenliegender Metalldüse 6 und außenliegender Plasmadüse 5 ist auch ein inverser Aufbau gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform denkbar, bei dem die Plasmadüse 5 innen liegt und die Metalldüse 6 außen. Die Hochspannungsentladung zur Erzeugung des Plasmas kann hier beispielsweise durch eine zusätzliche in der Plasmadüse 5 liegende Hochspannungselektrode 12 erzeugt werden.
4 zeigt im Detail schematisch die Hochspannungsentladung in einer vierten beispielhaften Ausführungsform, die großteils der zweiten beispielhaften Ausführungsform entspricht, wobei jedoch kein Düsendrallkörper 11 vorhanden ist. Hierbei ist im Detail schematisch die Hochspannungsentladung (HV-Entladung) 13 zwischen der Plasmadüse 5 und der Metalldüse 6 gezeigt, wobei der kürzeste Abstand zwischen den beiden Düsen gezielt eingestellt wurde.
Der tatsächliche lokale Punkt der Hochspannungsentladung und damit der Punkt bzw. Bereich der Plasmatisierung des Reaktionsgases kann nämlich beispielsweise über den Abstand der Anode zur Kathode bzw. der Metalldüse 6 zur Plasmadüse 5 eingestellt werden. Entscheidend ist dabei der Punkt des geringsten Abstandes, da dort die Isolationsstrecke am kürzesten ist und sich somit dort eine HV Entladung einstellt, wie in 4 dargestellt. Durch eine gezielte Überhöhung einer der beiden Düsen lässt sich somit einstellen, ab wann sich das Plasma bildet und wie weit der Abstand zwischen dem elektropositiven Metall 2 und diesem „Plasmapunkt“ liegt.
Eine fünfte beispielhafte Ausführungsform mit einem speziellen Düsendesign ist in 5 dargestellt. Hierbei wird das elektropositive Metall beispielhaft als Flüssigkeit bereitgestellt, die einen ausreichenden Zusammenhalt innerhalb des Reaktionsgases aufweist, was auf geeignete Weise durch Wahl des elektropositiven Metalls, dessen Temperatur, etc., wie auch des Reaktionsgases, dessen Strömungsverhalten und -geschwindigkeit, etc., des Düsenaufbaus, etc. gewährleistet werden kann. Es bildet sich somit bei Verlassen der Metalldüse 6 ein Flüssigmetallstrahl 14. Der Flüssigmetallstrahl 14 lässt kann dann auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit des Flüssigmetalls im Innern der Plasmadüse 5 als Elektrode genutzt werden. Die Hochspannung entlädt sich somit direkt zwischen dem zu verbrennenden Medium, dem elektropositiven Metall 2, und der Plasmadüse 5. Dies ist einzigartig für die Flüssigmetallverbrennung, da andere Brennstoffe wie Öl, Benzin, Kohlestaub, usw. nahezu keine elektrische Leitfähigkeit besitzen.
Eine sechste beispielhafte Ausführungsform ist in 6 gezeigt. Hierin wird dargestellt, wie es zur Stabilisierung der Plasmaflamme 3 von Vorteil ist, das Reaktionsgas vorher auf eine beispielhafte Spiralbahn zu lenken. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Drallscheibe 15 realisieren, die in der zweiten Zuführeinrichtung 10 für das Reaktionsgas sitzt und den Gasstrom entsprechend umlenkt, wie in 6 dargestellt ist.
Eine siebte beispielhafte Ausführungsform, in der eine dem Aufbau in 1 entsprechende Düse verwendet wird, ist in 7 gezeigt, wobei als Reaktionsgas 1 und Zerstäubungsgas 7 Kohlendioxid zum Einsatz kommt, während als elektropositives Metall 2 Lithium mit einer Temperatur von ca. 300 °C dient. Die beispielhafte Düse weist bezüglich der Zuführeinrichtungen bzw. Düsenaustritte Durchmesser d1 von 0,5 mm, d2 von 2 mm und d3 von 3,5 mm auf. Die Zündung des Plasmas erfolgt über einen Hochspannungsgenerator als Hochspannungsquelle mit einer angelegten Spannung U_HV von 14 kV. Über Hochspannungsisolatoren 17 kann eine Zündung am Gaseinlass zur Düse innerhalb der Zuführeinrichtungen verhindert werden. Das elektropositive Metall wie beispielsweise Li kann hierbei beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5–1 g/s zugegeben werden, wohingegen das Reaktionsgas beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 L/min zugegeben werden Kann. Es ergibt sich hierbei eine stabil brennende Reaktionsflamme.
Grundsätzlich ist es bei den vorgenannten beispielhaften Ausführungsformen unabhängig vom spezifischen Düsenaufbau möglich, den elektrischen Anschluss der Hochspannungs- und den entsprechenden Masseanschluss zu tauschen. Dies beeinflusst lediglich die Aufbaurichtung der HV-Entladung, was für die hier beschriebene Anwendung irrelevant ist.
Nach der Zündung des elektropositiven Metalls 2 kann außerdem die Hochspannung beispielsweise einfach abgeschaltet werden und die Metallflamme 4 brennt selbsterhaltend weiter. Erlischt die Metallflamme 4, lässt sie sich jederzeit wieder durch die Hochspannung zünden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum effektiven Zünden und Reagieren eines elektropositiven Metalls mit einem Reaktionsgas und insbesondere eine Düse für Metallbrenner, beispielsweise Flüssigmetallbrenner, mit integrierter Plasma-Zündeinrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008031437 [0003]
WO 2012/038330 [0003]
WO 2013/156476 [0003]
DE 102009004986 A1 [0010]
DE 102013224709 [0061]

Claims

Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases (1) mit einem elektropositiven Metall (2), wobei das elektropositive Metall (2) ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, wobei das Reaktionsgas (1) vor und/oder beim Verbrennen zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird und wobei das Reaktionsgas (1) und das elektropositive Metall (2) durch Zuführeinrichtungen (8; 10) getrennt, bevorzugt koaxial, mindestens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reaktionsgas (1) innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Plasma innerhalb der mindestens einen Düse durch Hochspannungsentladung (13) im Bereich von 4 bis 100 kV erzeugt wird, wobei bevorzugt die Düse als eine Elektrode dient.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei zusätzlich ein Zerstäubungsgas (7) der mindestens einen Düse zugeführt wird und das elektropositive Metall (2) mit dem Zerstäubungsgas (7) zerstäubt wird.
Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das elektropositive Metall (2) vor der Zufuhr in die mindestens eine Düse verflüssigt oder zerstäubt wird und der mindestens einen Düse als Flüssigkeit oder als Partikel zugeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei durch Anlegen eines Kontaktes das elektropositive Metall (2) als Elektrode bei der Plasmaerzeugung dient.
Vorrichtung zum Verbrennen eines Reaktionsgases (1) mit einem elektropositiven Metall (2), wobei das elektropositive Metall (2) ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Mischungen und/oder Legierungen derselben, aufweisend: mindestens eine Düse, die derart ausgebildet ist, ein Gemisch aus elektropositivem Metall (2) und Reaktionsgas (1) zu verdüsen, eine erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2), die derart ausgebildet ist, das elektropositive Metall (2) der mindestens einen Düse zuzuführen, eine zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1), die derart ausgebildet ist, das Reaktionsgas (1) der mindestens einen Düse zuzuführen, und eine Zündvorrichtung an und/oder in der mindestens einen Düse, die das Reaktionsgas (1) innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, weiter aufweisend eine dritte Zuführeinrichtung (9) für ein Zerstäubungsgas (7), die dazu ausgebildet ist, ein Zerstäubungsgas (7) der mindestens einen Düse zuzuführen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) und/oder die zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1) und/oder die dritte Zuführeinrichtung (9) für das Zerstäubungsgas (7) in der mindestens einen Düse münden und bevorzugt koaxial zueinander ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die mindestens eine Düse als Einstoff- oder Zweistoffdüse ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, weiter aufweisend eine Schmelzvorrichtung oder eine Zerkleinerungsvorrichtung für das elektropositive Metall (2), die derart ausgebildet ist, das elektropositive Metall (2) vor oder in der ersten Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) zu schmelzen oder zu zerkleinern.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die mindestens eine Düse als Metalldüse (6) oder als Reaktionsgasdüse (5) oder als Zerstäubungsgasdüse ausgebildet ist, wobei die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) in der Metalldüse (6) mündet und/oder die zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1) in der Reaktionsgasdüse (5) mündet und/oder die dritte Zuführeinrichtung (9) für das Zerstäubungsgas (7) in der Zerstäubungsgasdüse mündet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) koaxial innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1) ausgebildet ist und die zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1) in die Reaktionsgasdüse (5) mündet, die der mindestens einen Düse entspricht, wobei die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) derart ausgebildet ist, dass das elektropositive Metall (2) innerhalb der mindestens einen Düse zugeführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Zündvorrichtung als Hochspannungszündvorrichtung ausgebildet ist, aufweisend eine Hochspannungsquelle mit einer Spannung im Bereich von 4 bis 100 kV, die mit zwei Elektroden verbunden ist, wobei i) die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) oder das elektropositive Metall (2) selbst und die zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1), oder ii) die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) oder das elektropositive Metall (2) selbst und die dritte Zuführeinrichtung (9) für das Zerstäubungsgas (7), oder iii) die zweite Zuführeinrichtung (10) für das Reaktionsgas (1) und die dritte Zuführeinrichtung (9) für das Zerstäubungsgas (7) jeweils als eine Elektrode ausgebildet sind, und der kürzeste Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden innerhalb der mindestens einen Düse ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das elektropositive Metall (2) derart als Elektrode ausgebildet ist, dass es nach der Zufuhr durch die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) als zusammenhängender Metallkörper oder als dichte Wolke von Metallpartikeln in die mindestens eine Düse geleitet wird und die Zündvorrichtung durch die mindestens eine Düse und das elektropositive Metall (2) gebildet werden.