EP3126660A1 - Pumpenfreie metall-verdüsung und -verbrennung mittels unterdruckerzeugung und geeignete materialflusskontrolle - Google Patents

Pumpenfreie metall-verdüsung und -verbrennung mittels unterdruckerzeugung und geeignete materialflusskontrolle

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Publication number
EP3126660A1
EP3126660A1 EP15722975.8A EP15722975A EP3126660A1 EP 3126660 A1 EP3126660 A1 EP 3126660A1 EP 15722975 A EP15722975 A EP 15722975A EP 3126660 A1 EP3126660 A1 EP 3126660A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
metal
carrier gas
electropositive metal
container
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15722975.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Eckert
Renate Elena Kellermann
Günter Schmid
Dan Taroata
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3126660A1 publication Critical patent/EP3126660A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B90/00—Combustion methods not related to a particular type of apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/48—Nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using solid fuels; Combustion processes therefor
    • F23B2900/00003—Combustion devices specially adapted for burning metal fuels, e.g. Al or Mg

Definitions

  • the present invention relates to a method for combustion of an electropositive metal with a fuel gas, wherein the electropositive metal as a liquid or as a powder with particles having a particle size of less than 100 ym from a container by atomization of a carrier gas in a flow direction of the carrier gas in cross section For ⁇ next tapered first nozzle sucked out of the container into the first nozzle, atomized from this and ver ⁇ burned with the fuel gas, and a device for carrying out the method.
  • Fossil fuels deliver tens of thousands of terawatt hours of electrical thermal and mechanical energy every year.
  • the end product of combustion, carbon dioxide (C02) is increasingly becoming an environmental and climate problem.
  • the lithium in order for the combustion processes to be used to provide thermal energy for power production, the lithium, as with coal or petroleum burners, should be introduced into the oxidant as a high surface area powder or spray to maintain a sufficient flow of energy.
  • a process for producing lithium particles is described in DE 10 2011 052 947 A1. Therein, the production of products such as metal oxides, metal hydrides or metal nitrides by the implementation of lithium - in particulate form - with a reactive gas (oxygen, water or nitrogen) disclosed.
  • DE 102 04 680 A1 describes a process for the preparation of alkyllithium compounds by atomization of lithium metal, in which metallic lithium in the form of particles is reacted with an alkyl halide.
  • DE 102013224709.5 shows how a process ⁇ system may look for continuous combustion of lithium including a delivery unit.
  • lithium As an energy store in a power plant process for converting the stored chemical energy into thermal energy and subsequent power generation, the possibility of a continuous supply and dissolution of the lithium in a burner chamber is a prerequisite. Due to the high temperatures required for liquefaction of electropositive metals and the media aggressiveness of For example, lithium and sodium can cause problems with the use of conventional pumps and flow controllers.
  • electropositive metals such as lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium
  • Aluminum and zinc is basically the following structure advantageous.
  • the material to be atomized is conveyed by means of a pump from a container through a nozzle and optionally ignited, depending on the material self-ignition.
  • the pressure through the nozzle and the flow rate can be adjusted via a regulator presented to the nozzle.
  • aggressive media in particular of alkali metals, but also other electropositive metals, such a construction is, however, problematic, as the metal flows through the pump and the controller, and thereby comes into contact with bauartbe ⁇ dingt not media-resistant parts.
  • electropositive metals for promotion or Verdü ⁇ sung and combustion are preferably liquefied or heated and therefore have a temperature of up to several hundred ° C, which can accomplish, for example, electromagnetic pumps, but problems with the pressure can occur here. For such high temperatures but many pumps and controllers are not designed. It can also, coarse change conveyor deposits of electropositive metal in the pump and / or controllers, etc. come, that can not be ent ⁇ removed easily. Thus, in order to avoid contact of the electropositive metals with pumps and / or regulators, etc., a process is required that permits atomization and combustion of electropositive metals without direct contact with pumps and / or regulators.
  • the present invention relates to a method for combusting an electropositive metal which is selected from alkali, alkaline earth metals, aluminum s ⁇ nium and zinc and / or alloys and / or mixtures ben dersel-, with a fuel gas,
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to an apparatus for burning a electropositive metal which is selected from alkali metal, alkaline earth metal ⁇ len, aluminum and zinc and / or alloys and / or geminal view thereof, with a fuel gas, comprising
  • a first nozzle tapering in cross-section to which a carrier gas is supplied and which is designed to spray the electropositive metal with the carrier gas
  • a first feed device for the carrier gas to the first nozzle that is adapted to lead the carrier gas ⁇ zuzu to the first nozzle
  • a container adapted to provide the electropositive metal as a liquid or powder having particles having a particle size of less than 100 ym; a second electro-positive metal feeder to the first nozzle adapted to remove the electropositive metal from the container; lead first burner, and a burner which is adapted to burn the electropositive metal with the fuel gas.
  • Figure 1 shows schematically the construction of a Venturi nozzle.
  • Figure 2 shows schematically the pressure relationships in a device according to the invention for atomizing electropositive metal with a Venturi nozzle.
  • FIG. 3 shows the device from FIG. 2 in the operating state.
  • FIG. 4 shows schematically a further training guide according to the invention of a device for atomization of electropositive metal venturi nozzle and inner ⁇ mixture of carrier gas and electropositive metal and the assignment of the pressures and components.
  • FIG. 5 shows the device from FIG. 4 in the operating state with the atomization of the electropositive metal.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment
  • FIG. 7 shows the device from FIG. 6 in the operating state with the atomization of the electropositive metal.
  • FIG. 8 schematically illustrates the use of the hydrostatic
  • FIG. 9 schematically illustrates another embodiment
  • FIG. 10 shows the device from FIG. 9 in the operating state with the atomization of the electropositive metal.
  • Figure 11 schematically illustrates yet another embodiment of a device for atomization of electropositive metal by means of a jet pump, and shows the allocation of the pressures and Comp ⁇ components.
  • FIG. 12 shows the device from FIG. 11 in the operating state with the atomization of the electropositive metal.
  • the present invention relates in a first aspect, a method for combusting an electropositive metal which is selected from alkali, alkaline earth metals, aluminum s ⁇ nium and zinc and / or alloys and / or mixtures thereof, with a fuel gas,
  • the electropositive metal as a liquid or as a powder with particles having a particle size of less than 100 ym sucked from a container by atomizing a carrier gas in a flow direction of the carrier gas in the first cross-sectionally tapered first nozzle from the container into the first nozzle, from this atomized and burned with the fuel ⁇ gas.
  • the atomization can in this case be such that a mixing of the carrier gas and the electropositive metal in the first nozzle takes place as an internal mixture or only after the first nozzle as an external mixture, in which case the first nozzle can only consist of the tapered section.
  • the electropositive metal is a metal that, according to certain embodiments, is selected from alkali metals, preferably Li, Na, K, Rb and Cs, alkaline earth metals, preferably Mg, Ca, Sr and Ba, Al and Zn, as well as mixtures and / or alloys the same.
  • the electropositive metal is selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Al and Zn, more preferably Li and Mg, and more preferably the electropositive metal is lithium.
  • the electropositive metal is liquid.
  • a simp ⁇ che handling and injecting the electropositive metal is possible.
  • more efficient atomization and transport may result compared to a powder having a particle size of less than 100 ym.
  • a simpler cleaning of the device compared to the powder particles may be possible, which may optionally settle in cracks, gaps, etc. of the apparatus.
  • the use of the electropositive metal as a liquid is preferred.
  • the electropositive metal can be used according to certain embodiments ⁇ forms as a powder with particles having a particle size of less than 100 ym. This results in the advantage that a liquefaction of the metal is not required and the energy for melting the metal can thus be saved. Depending on the electropositive metal and fuel gas, however, the lower temperature may necessitate starting the reaction with the fuel gas, while this may not be necessary in the liquid state.
  • the particle size in the powder can be suitably adjusted and the powder can be provided in a suitable manner, if necessary commercially.
  • the particle size can be determined according to conventional methods, for example microscopically or by laser diffraction in the usual way.
  • such gases come into question, which can react with said electropositive metal or mixtures and / or alloys of the electropositive metals in an exothermic reaction, these are not particularly limited.
  • the fuel gas, air, oxygen, carbon dioxide, hydrogen, water vapor ⁇ , nitrogen oxides NO x, such as nitrous oxide, nitrogen, sulfur dioxide, or mixtures include the same.
  • the procedure Ren can therefore also be used for desulfurization or NOx removal.
  • different products can be obtained with the various electropositive metals, which can be obtained as a solid, liquid and also in gaseous form.
  • metal nitride such as lithium nitride arise, which can then be further reacted later to ammonia
  • metal carbonate such as lithium carbonate, carbon, metal oxide, for example Lithiu ⁇ Moxide
  • metal carbide for example, lithium carbide, as well as mixtures thereof can arise where higher carbon-containing products such as methane, ethane, methanol, etc. can be obtained from the carbon monoxide,
  • metal carbide such as lithium carbide, for example, acetylene can be obtained.
  • metal nitride can also be formed with dinitrogen monoxide as the fuel gas.
  • the carrier gas according to the invention is not particularly limited, and may correspond to the fuel gas or include this, but also be different from this.
  • the carrier gas for example, air, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen methane, hydrogen, water vapor, nitrogen, dinitrogen monoxide, mixtures of two or more of these gases, etc. are used.
  • various gases such as methane ⁇ example - which does not burn according to certain embodiments, are used for heat transport and remove the heat of reaction of the reaction of electropositive metal with the fuel gas from the reactor.
  • the different carrier gases may, for example be suitably adapted to the reaction of the fuel gas with the elec ⁇ tropositiven metal, to thereby If necessary, to achieve synergy effects.
  • According to certain exporting ⁇ approximately forms the carrier gas is the fuel gas.
  • the present invention is based on the principle of the Venturi nozzle. This is because the flow rate of a fluid flowing through a pipe Me ⁇ diums behaves inversely proportional to a varying tube cross section. This means that the speed is highest where the cross section of the pipe is the smallest. According to the law of Bernoulli, in addition, in a flowing fluid (gas or liquid), an increase in speed is accompanied by a pressure drop. Dementspre ⁇ ciently applies to a nozzle according to Fig. 1, which is Pi> p2, where Pi the pressure of the carrier gas in the flow direction in front of the first nozzle and P2, the pressure of the carrier gas in the smallest
  • V2 is the velocity of the carrier gas in the smallest cross section of the first nozzle.
  • the initially tapered first nozzle in cross-section is not particularly limited in shape insofar as the cross section of the nozzle ⁇ in the direction of flow of the carrier gas to ⁇ next decreases. After removal of the cross section and to guide the ⁇ electropositive metal, the nozzle may continue to decrease in cross section, then, remain in the same cross-section increasing in cross-section. Also, the shape of the
  • the shape of the cross section is not particularly limited and may be round, elliptical, quadra ⁇ table, rectangular, triangular, etc., however, is approximately in accordance with certain embodiments, a uniform distri ⁇ development of electropositive metal and the carrier gas to he ⁇ possible. Also, a symmetrical nozzle shape is preferred.
  • the first nozzle is also not further limited in its design, as long as an area is included, in which the cross-section of the nozzle initially decreases in the flow direction of the carrier gas.
  • the first nozzle may be formed as a Venturi nozzle, as a Laval nozzle, in the form of a (water) jet pump, etc., and may have a supply for the electro-positive metal inside, around the nozzle or at the nozzle include yourself.
  • the supply of the electropositive metal can in this case also via a feed device having a nozzle, for example at the end of Zuwoodeinrich ⁇ processing in the flow direction of the electropositive metal.
  • nozzles are not particularly limited and may include the above shapes and configurations.
  • the first nozzle as Venturi nozzle consists of a section which firstly tapers in the direction of flow of the carrier gas, a section which remains constant in diameter and a section with a widening cross-section.
  • the supply of the electropositive metal may in this case for example (a) inside the venturi itself, preferably by a second feeder in a tapered portion of the Venturi nozzle, (b) in a second feeder, which is arranged around the Venturi nozzle around preferred in the form of a tapered nozzle around the tapered part of the venturi nozzle, or (c) through a supply line / second feeding device to the venturi nozzle, which is in the tapering part of the venturi nozzle or in the constant part of the venturi nozzle can be appropriate.
  • the supply of the electropositive metal is carried out by at least one Zulei ⁇ tion / feeding device to the first nozzle in the same section.
  • more than one feeder is attached to the venturi nozzle or that combinations of feeder types / feeders, for example at the venturi nozzle and inside the venturi nozzle, are provided, wherein according to certain embodiments only one feeder the electropositive metal for Venturi nozzle feeds to control the supply of the electropositive Me ⁇ talls easier.
  • the first nozzle as a Laval nozzle may be formed from a portion which tapers in the direction of flow of the carrier gas and a portion diverging in the direction of flow, that is, enlarging in cross-section.
  • the supply of the electropositive metal for example, (a) within the Laval nozzle itself, preferably by a second feeder in a tapered portion of the Laval nozzle, (b) in a second feeder, which is arranged around the Laval nozzle, preferably in Shape of a tapered nozzle around the tapered part of the Laval nozzle, or (c) by a supply / second supply to the Laval nozzle, which may be mounted in the tapered part of the Laval nozzle or in the transition from the tapered to the diverging section.
  • the Laval nozzle in this case is a flow organ with a first convergent and subsequent divergent cross-section, wherein the transition from one to the other part can be made gradually.
  • the cross-sectional area may, in certain embodiments, be circular at each location, whereby a fluid flowing therethrough can be accelerated to supersonic speed without causing excessive compression shocks. The sound speed can then be achieved exactly in the narrowest cross section of the nozzle.
  • the supply of the electropositive metal for the different types of the first nozzle can be effected by a second feed device whose outlet opening, preferably coaxially, is arranged within the first nozzle in the region of the tapered part of the first nozzle, as already described above certain nozzles executed.
  • the first nozzle preferably coaxially, within a second feed device in the region of, preferably convergent, so for forming verjüng-, part of the second feeding means be arranged, wherein the supply of the carrier gas through the first nozzle he ⁇ follows, and the supply of the electropositive metal by the second feeder takes place. Also, such embodiments are already made above for certain nozzles.
  • the amount of darken electropositive metal on the filling in the container can be controlled and / or the amount of darken electropositive metal can be controlled by the pressure of the carrier gas by supplying the carrier gas in Strö ⁇ flow direction before the first Nozzle is connected to the container, and / or the supply of atomized electropositive metal are controlled via a supply of inert gas with controlled pressure to the container.
  • a feed device for electropositive metal may be provided, optionally with a control device such as a valve, via the electropositive metal continuously or discontinuously, depending on the desired level in the container and / or carrier gas flow supplied to the container becomes.
  • a control device such as a valve
  • the supply of the carrier gas upstream of the first nozzle connected to the container may be connected in any manner, such as pipes, hoses, etc. used in connection with the container can be adjusted and the supply of carrier gas in the container, for example, over the cross section of this compound and may also be varied with appropriate compounds.
  • Such variation possibility may also be provided for the second feed device ⁇ the electropositive metal to the first nozzle.
  • the supply of the inert gas are suitably provided and adjusted, and is not limited to be ⁇ Sonders, as well as not the other two control possibilities ⁇ the amount of atomize electropositive metal.
  • the supply of inert gas can be via a suitable
  • Hose a pipe, etc., which can be provided with a control device such as a valve.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to an apparatus for burning a electropositive metal which is selected from alkali metal, alkaline earth metal ⁇ len, aluminum and zinc and / or alloys and / or mixtures thereof, which comprises using a fuel gas,
  • a first nozzle tapering in cross-section to which a carrier gas is supplied and which is designed to spray the electropositive metal with the carrier gas, a first feed device for the carrier gas to the first nozzle that is adapted to lead the carrier gas ⁇ zuzu to the first nozzle,
  • a container adapted to provide the electropositive metal as a liquid or powder having particles having a particle size of less than 100 ym; a second electro-positive metal feeder to the first nozzle adapted to remove the electropositive metal from the container; lead first burner, and a burner which is adapted to burn the electropositive metal with the fuel gas.
  • the first carrier gas supply means is not particularly limited and includes, for example, tubes,
  • Hoses, etc., wherein the feed device for carrier gas suitable based on the state of the carrier gas, which may possibly also be under pressure, can be determined.
  • the second feed device for electropositive metal is not particularly limited and also includes at ⁇ game as pipes, tubes, etc. which allow transport of the electropositive metal suitable.
  • the inner surface of the second feeder is smooth to avoid deposits of electropositive metal.
  • the cross section of the second feeder in accordance with certain embodiments, over the entire length of the second feeding means is constant in order to ensure a good and constant För ⁇ alteration of the electropositive metal by the atomization in the first nozzle.
  • the nozzle can be configured as shown above, that is to say for example as a Venturi nozzle or as a Laval nozzle.
  • the burner according to the invention is not particularly limited and can be configured, for example, as a nozzle in which the fuel gas is mixed with the electropositive metal and then ignited, if necessary, by an ignition device.
  • the burner may be provided in or on the reactor.
  • the burner may also be a pore burner without internal mixing, which may be formed as a porous tube to which the electropositive metal can be supplied at at least one opening.
  • the electropositive metal may be supplied only through an opening of the tube, and the other end of the tube may then be closed or made of the material of the porous tube.
  • the electropositive metal can then be then press-fitted for example in the pores of the burner, then WO raufhin the fuel gas can be directed to the outside of the Porenbren ⁇ listeners, so that it then there reacts with the electropositive metal to clogging of the pores to avoid.
  • the carrier gas is the fuel gas
  • the first nozzle can also be used for atomizing, whereupon the combustion is connected to the nozzle outlet, for example, by igniting the combustion or running continuously after ignition.
  • the container is also not particularly limited as long as it consists of a material which does not react with the electrostatic posi tive ⁇ metal, and for example also does not react with the liquid electropositive metal.
  • the container may be formed as a tank or as a powder-containing container.
  • the material of the second electropositive metal feeder and optionally the first nozzle and / or the first feeder may also be made of such a material after mixing carrier gas and electropositive metal and / or the burner.
  • a suitable material includes at ⁇ game as iron, chromium, nickel, niobium, tantalum, molybdenum, tungsten, and Zircaloy alloys of these metals, and steels such as stainless steel and chrome-nickel steel.
  • the first nozzle as Venturi nozzle is one in the direction of flow of the carrier gas initially tapering portion, a diameter-constant portion and a portion with expanding diameter formed, wherein the second feeder for electropositive metal is preferably attached to the same remaining portion of the venturi.
  • the first nozzle may be formed as a Laval nozzle from a portion tapering in the flow direction of the carrier gas and a portion diverging in the direction of flow.
  • the second feed device for electropositive metal in the region of the smallest diameter of the Laval nozzle is attached according to bestimm ⁇ th embodiments.
  • the second feed device for electropositive metal preferably coaxially, may be arranged within the first carrier gas supply means such that the outlet opening of the second electropositive metal feed device, preferably coaxially, within the first nozzle in the region of the convergent part of the first feed nozzle first nozzle is arranged.
  • the carrier gas thus flows around the second supply device and then sucks the electropositive metal in the first nozzle from the second supply device. Due to the coaxial arrangement in this case the suction can be enhanced.
  • the first supply means for carrier gas is arranged such that the carrier gas of the first nozzle, preferably coaxially, is fed within the second feed device of the electropositive metal in the region of a, preferably convergent, part of the second feed device.
  • the electromagnetic posi tive ⁇ metal is drawn to the carrier gas around the first nozzle, similar to a jet pump.
  • the pumping action can generally be generated by a fluid jet ("propellant") which, by impulse exchange, aspirates, accelerates and compresses / promotes another medium (“suction medium”), provided that it is under adequate pressure. Since this type of pump is very easy to be ⁇ builds and has no moving parts, as well as venturi or Laval nozzle or generally with a tapering section, it is particularly robust and low-maintenance and a lot ⁇ reversible.
  • the delivery ⁇ tion for example, according to the following steps take place and can be very well calculate with some simplifications by application only of energy, momentum and mass conservation laws:
  • the carrier gas exits at the highest possible speed from the drive nozzle, which corresponds to the first nozzle from.
  • ⁇ arises in accordance with the Bernoulli's law, a dynamic pressure drop so that the pressure in the flow is less than the atmospheric pressure.
  • the first nozzle may be designed to maximize the speed as a Laval nozzle, and the
  • Propulsion jet so the carrier gas comes out with supersonic.
  • the carrier gas may strike the electropositive metal located here, which may be under normal pressure or elevated pressure.
  • the carrier gas After emerging from the first nozzle, the carrier gas initially behaves like a free jet, and by internal friction and turbulence creates a shear stress in the boundary layer between the fast carrier gas and the much slower electropositive metal. This voltage causes a momentum transfer, ie the electropositive metal is accelerated and entrained.
  • the mixture does not happen in this case on the principle of energy preserver ⁇ tung, but according to the conservation of momentum, so that the application of Bernoulli's equation here due to Stoßverlus- can lead to wrong results.
  • the carrier gas is braked. 3.
  • the inventive device can, according to certain From ⁇ EMBODIMENTS further comprising a third feed means for electropositive metal to the vessel, which is adapted to supply electropositive metal to the container and control means the amount of electropositive metal in the container, which is adapted to the amount ⁇ of added lead- To regulate electropositive metal to the container include, and / or a conduit, the first supply means for carrier gas in the flow direction in front of the first nozzle with the
  • the third supply device for electropositive metal according to the invention is not limited and may be designed as the second feeder for electropositive metal, especially hin ⁇ view of the material used, but may also differ from it, for example, in terms of shape and / or cross-section.
  • the control device of the amount of electropositive metal in the container may also be made of the material of the second feeder for electropositives
  • the line which is the first feeder connects processing for the carrier gas to the containers which are to fourth guide device ⁇ true suitable for inert gas to the container and / or the control means of the pressure of the supplied inert gas are also not particularly limited and can be sawn.
  • the conduit and / or the fourth feed device can in this case be similar to procure or equal to the first supply device, wherein they can depart from this example and in terms of cross section, etc. under ⁇ .
  • a conduit which connects the first carrier gas supply means upstream of the first nozzle with the container such that the pressure of the carrier gas controls the amount of supplied electropositive metal to the first nozzle, in the first supply means and / or the conduit
  • a flow regulator, mass controller or the like may be provided.
  • heating devices for example, for melting the electropositive metal
  • cooling devices for example in the burner
  • pumps for example for the carrier gas and / or fuel gas, etc.
  • the above embodiments, refinements and developments can, if appropriate, be combined with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments.
  • the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
  • the invention will now be illustrated by means of exemplary embodiments, which in no way limit the invention.
  • a first exemplary embodiment provides Darge ⁇ in Fig. 2.
  • the electropositive metal M is passed through the output 2 ⁇ ⁇ of the container to the second feeder and through the feeder 2 ⁇ to the first nozzle 1.
  • the inlet of the container 3 with the larger diameter of the first nozzle 1, which is designed here as Venturi nozzle ⁇ connected by a line 6, so basically ⁇ in the container 3, the same pressure as prevails at the nozzle inlet.
  • a carrier gas as in ⁇ game as carbon dioxide with the pressure pi by the first SI ⁇ s 1 and thus generates a relative to pi smaller pressure p2 at the constriction, so produced at the output of the container 3 on ⁇ due to the relation Pi> p2 an underpressure, and the liquid metal M is sucked from the container 3 to the constriction.
  • the accelerated there the carrier gas entrains the metal M in flow Rich ⁇ tung with and atomizes it finally at the output of the nozzle 1 of the burner 4 through.
  • the reaction gas such as carbon dioxide here present, is preferably used directly as the carrier gas.
  • the metal spray is selfigniting or Benö ⁇ Untitled nor an external ignition source.
  • the atomization of the Me ⁇ talls M with the carrier gas is shown in Fig. 3.
  • the pressure ratio of Pl to P2 determines the volume ⁇ stream of the molten metal M from the container 3. If this be regulated independently, so the pressure in the vessel or the flow of inert gas into the container externally via a separate controller, such as a pressure - or mass flow controller, are set.
  • FIGS. 4 and 5 show a possible structure for atomizing liquid, electropositive metal M, for example lithium, with the first nozzle 1 as Venturi nozzle and an inner mixture of carrier gas, for example carbon dioxide, and liquid metal M, as in the first exemplary embodiment , wherein the pressure p3 in the container 3 instead of through the line 6 with a fourth supply means 7 for
  • FIG. 4 shows the assignment of the pressures and components
  • FIG. 5 shows the state of the device in liquid metal atomization and combustion.
  • a third exemplary embodiment with a Alterna ⁇ tive to the use of a venturi is shown in Figures 6 and 7, according to the first nozzle 1 is a Laval nozzle is set ⁇ .
  • the pressure adjustment in the container 3 is made as in the second exemplary embodiment.
  • Fig. 6 shows the assignment of the pressures and components
  • Fig. 7 shows the device in the liquid metal atomization and combustion. The combustion takes place again as in the first exemplary embodiment.
  • 8 shows, in a fourth exemplary embodiment, an alternative to the regulation of the pressure P3 in the container 3, the device furthermore corresponding to that of the second embodiment.
  • Use container 3 This can be adjusted via the filling level h of the molten metal M in the container 3.
  • the container itself 3 is kept at atmospheric pressure po.
  • About a third feeder 5 for electropositive Me ⁇ tall M to the container 3 and a control device 5 ⁇ the amount of electropositive metal M in the container 3 elektropositives metal M can be supplied to the container 3 such that the level height h is constant or within the desired Hysteresis is corrected.
  • the first nozzle 1 as a combustion nozzle can be used as a carrier gas, the desired combustion gas, which is introduced into the pipe with the pressure pi.
  • a nozzle assembly such as in Fi ⁇ guren 2 to 8 comes to the internal-mix, or as in Figures 9 and 10 according to a fifth exemplary embodiment for external mix used.
  • carrier gas here embodied by way of example as fuel gas carbon dioxide
  • electropositive metal M for example a lithium melt
  • FIG. 9 shows the assignment of the pressures and components
  • FIG. 10 shows the liquid-metal atomization and combustion.
  • FIGS. 11 and 12 A sixth exemplary embodiment is shown in FIGS. 11 and 12, in which, as a variant, the atomization of electropositive metal M, for example lithium, takes place by generating a negative pressure according to the principle of the jet pump.
  • the pumping action is generated by the flow of the carrier gas (propellant), which sucks, accelerates and promotes the melt of the electropositive metal M / alkali metal melt (suction ⁇ medium) by pulse exchange.
  • 11 shows the assignment of the pressures and components
  • FIG. 12 shows the liquid metal atomization and combustion.
  • the supply of the carrier gas for example carbon dioxide or nitrogen, he ⁇ follows by the first feeder 1 ⁇ and the first nozzle 1, which takes place coaxially within the second feeder 2 ⁇ in a second nozzle 2.
  • the further structure of the device is again similar to that of the fifth exemplary embodiment, wherein the combustion takes place in the burner 4 at the outlet of the second nozzle 2.
  • a melt of an electropositive metal is always exemplified.
  • the electropositive metal M other than lithium may be used, and the carrier gas may be other than nitrogen or carbon dioxide.
  • the burner 4 possibly additional, fuel gas (im
  • the present disclosure describes a method of atomization and combustion of electropositive metals that can operate without the need for pumps, such as liquid metal pumps, through the choice of particular nozzle geometries and the consequent suction effect of the carrier gas.
  • it can be a simple and precise flow control of the electropositive metal, especially in Fal ⁇ le of liquid metal melts, realized by means of the inflow gas into the reservoir for the electropositive metal.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls mit einem Brenngas, wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 µm aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenngas verbrannt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Pumpenfreie Metall-Verdüsung und -Verbrennung mittels Unterdruckerzeugung und geeignete Materialflusskontrolle
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls mit einem Brenngas, wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Querschnitt zu¬ nächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenngas ver¬ brannt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens .
Fossile Brennstoffe liefern jährlich zehntausende Terawatt- stunden an elektrischer thermischer und mechanischer Energie. Das Endprodukt der Verbrennung, Kohlendioxid (C02), wird hierbei zunehmend zu einem Umwelt- und Klimaproblem.
In der DE 10 2008 031 437.4, DE 10 2010 041 033.0 und
DE 10 2013 224 709.5 wird aufgezeigt, wie sich ein vollstän¬ diger Energiekreislauf mit elektropositiven Metallen darstel- len lässt und ein Kraftwerksbetrieb mittels Lithium als me¬ tallischem Kohleersatz realisierbar ist. Als Fallbeispiel diente hier konkret Lithium sowohl als Energieträger als auch als Energiespeicher, wobei auch andere elektropositive Metal¬ le wie Natrium, Kalium oder Magnesium, Calcium, Barium oder Aluminium und Zink verwendet werden können.
In der Literatur sind prinzipielle Untersuchungen zur Reaktion von flüssigem Lithium mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen bekannt (Bernett, D.S.; Gil, T.K.; Kazimi, M.S.; Fusion Technology, 1989, 15, 2, pp . 967-972; A. Subramani,
S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000-1007). Der dafür verwendete Prozess beinhaltet eine Reaktionskammer, in welche Lithium eingefüllt und verflüssigt bei 400 C umge- setzt wird. Gasgemische von Sauerstoff, Stickstoff und Was¬ serdampf wurden in die Kammer über einen Gaseinlass durch das flüssige Lithium geleitet (Gil, T.K., Kazimi, M.S.: The kinetics of liquid lithium reaction with oxygen-nitrogen mixture, S. 20, 21, 46, Plasma Fusion Center and the Depart¬ ment of Nuclear Engineering, MIT, Cambridge, MA, 1986, USA) .
Damit die Verbrennungsvorgänge zur Bereitstellung thermischer Energie für die Stromproduktion eingesetzt werden können, sollte das Lithium, ähnlich wie bei Kohle- oder Erdölbrennern als Pulver oder Spray mit großer Oberfläche in das Oxidati- onsmittel zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Energieflusses eingebracht werden. Ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumpartikeln ist in der DE 10 2011 052 947 AI beschrieben. Darin wird die Herstellung von Produkten wie Metalloxiden, Metallhydriden oder Metallnitriden durch die Umsetzung von Lithium - in Partikelform - mit einem reaktiven Gas (Sauerstoff, Wasser oder Stickstoff) offenbart.
In der DE 102 04 680 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkyllithiumverbindungen mittels Verdüsung von Lithiummetall beschrieben, bei dem metallisches Lithium in Form von Parti- kein mit einem Alkylhalogenid umgesetzt wird.
In der DE 102013224709.5 wird dargestellt, wie eine Prozess¬ anlage zur kontinuierlichen Verbrennung von Lithium inklusive einer Fördereinheit aussehen kann.
Für den Einsatz von Lithium als Energiespeicher in einem Kraftwerksprozess zur Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in thermischer Energie und anschließende Verstromung ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Zufuhr und Verdü- sung des Lithiums in einen Brennerraum Voraussetzung. Aufgrund der notwendigen hohen Temperaturen bei einer Verflüssigung elektropositiver Metalle und der Medienaggressivität von beispielsweise Lithium und Natrium können sich Probleme bei der Verwendung herkömmlicher Pumpen und Flussregler ergeben.
Zur Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Barium,
Aluminium und Zink ist grundsätzlich der folgende Aufbau vorteilhaft. Das zu verdüsende Material wird mittels einer Pumpe aus einem Behälter durch eine Düse gefördert und gegebenenfalls gezündet, je nach Materialselbstentzündlichkeit . Der Druck durch die Düse und die Fördermenge können dabei über einen der Düse vorgestellten Regler eingestellt werden. Bei der Verdüsung von aggressiven Medien, insbesondere von Alkalimetallen, aber auch anderen elektropositiven Metallen, ist ein solcher Aufbau allerdings problematisch, da das Metall durch die Pumpe und den Regler fließt und dabei mit bauartbe¬ dingt nicht medienbeständigen Teilen in Kontakt kommt. Außerdem werden elektropositive Metalle zur Förderung bzw. Verdü¬ sung und Verbrennung bevorzugt verflüssigt bzw. erhitzt und haben daher eine Temperatur von bis zu mehreren hundert °C, was beispielsweise elektromagnetische Pumpen bewerkstelligen können, wobei hier jedoch Probleme mit dem Druck auftauchen können. Für solch hohe Temperaturen sind aber viele Pumpen und Regler nicht ausgelegt. Zudem kann es zu Ablagerungen von elektropositivem Metall in den Pumpen und/oder Reglern, För- derbändern, etc. kommen, die nicht auf einfache Weise ent¬ fernt werden können. Um den Kontakt der elektropositiven Metalle mit Pumpen und/oder Reglern, etc. zu vermeiden, ist somit ein Verfahren erforderlich, dass eine Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen ohne direkten Kontakt mit Pumpen und/oder Reglern erlaubt.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, elektropositive Metalle wie Lithium in einem kontinu- ierlichen Verfahren ohne direkten Medienkontakt mit Pumpen und/oder Flussreglern zu verdüsen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, elektropositive Metalle wie Lithium in einem kontinu¬ ierlichen Verfahren zu verbrennen, ohne dass eine Fördervor- richtung wie eine Pumpe, ein Extruder oder eine andere Fördereinheit nötig ist.
Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, in dem eine effiziente Förderung und Vermischung eines elektropositiven Metalls mit einem Brenngas erzielt werden können.
Es wurde nunmehr herausgefunden, dass es möglich ist, durch Verwendung einer sich verjüngenden Düse in einem Trägergas- ström, an die eine Zuführung für ein elektropositives Metall angebracht ist, das elektropositive Metall durch die Saugwir¬ kung der Düse in den Trägergasstrom einzubringen und darin zu verdüsen, ohne dass es einer Fördereinrichtung wie einer Pumpe bedarf. Zudem wird erfindungsgemäß durch eine gezielte Verdüsung, ggf. Zündung, und möglichst vollständige Verbren¬ nung in einem kontinuierlichen kraftwerksrelevanten Verbren- nungsprozess die Umwandlung der im elektropositiven Metall gespeicherten chemischen Energie in thermische Energie ermög¬ licht .
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen dersel- ben, mit einem Brenngas,
wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Quer- schnitt zunächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenn¬ gas verbrannt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetal¬ len, Aluminium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemi- sehen derselben, mit einem Brenngas, umfassend
eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse, zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdü- sen,
eine erste Zuführeinrichtung für Trägergas zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse zuzu¬ führen,
einen Behälter, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym bereitzustellen, eine zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall aus dem Behälter zur ersten Düse zu leiten, und einen Brenner, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Brenngas zu verbrennen.
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 ma߬ stabsgetreu 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.
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Venturi-Düse . Figur 2 zeigt schematisch die Druckbeziehungen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdüsen von elektropositivem Metall mit einer Venturi-Düse.
Figur 3 zeigt die Vorrichtung aus Figur 2 im Betriebszustand .
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Aus- führungsform einer Vorrichtung zum Verdüsen von elektropositivem Metall mit Venturi-Düse und Innen¬ mischung von Trägergas und elektropositivem Metall sowie die Zuordnung der Drücke und Komponenten. Figur 5 zeigt die Vorrichtung aus Figur 4 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.
Figur 6 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mit einer Lavaldüse und
Innenmischung von Trägergas und elektropositivem Metall dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Kom¬ ponenten . Figur 7 zeigt die Vorrichtung aus Figur 6 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.
Figur 8 stellt schematisch die Nutzung des hydrostatischen
Drucks des elektropositiven Metalls bei der Verdü- sung dar.
Figur 9 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mit Außenmischung von Trägergas und elektropositivem Metall dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Komponenten. Figur 10 zeigt die Vorrichtung aus Figur 9 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.
Figur 11 stellt schematisch noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mittels einer Strahlpumpe dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Kompo¬ nenten .
Figur 12 zeigt die Vorrichtung aus Figur 11 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls .
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas,
wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenn¬ gas verbrannt wird.
Die Verdüsung kann hierbei derart erfolgen, dass eine Vermischung des Trägergases und des elektropositiven Metalls in der ersten Düse erfolgt als Innenmischung oder erst nach der ersten Düse als Außenmischung, wobei hierbei die erste Düse auch nur aus dem sich verjüngenden Abschnitt bestehen kann.
Das elektropositive Metall ist ein Metall, dass gemäß be¬ stimmten Ausführungsformen ausgewählt ist aus Alkalimetallen, bevorzugt Li, Na, K, Rb und Cs, Erdalkalimetallen, bevorzugt Mg, Ca, Sr und Ba, AI und Zn, sowie Gemischen und/oder Legierungen derselben. In bevorzugten Ausführungsformen ist das elektropositive Metall ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, AI und Zn, weiter bevorzugt Li und Mg, und besonders bevorzugt ist das elektropositive Metall Lithium.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das elektropositive Metall flüssig. Bei solchen Ausführungsformen ist eine einfa¬ che Handhabung und Verdüsung des elektropositiven Metalls möglich. Zudem kann sich eine effizientere Verdüsung und Beförderung im Vergleich zu einem Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym ergeben. Auch kann eine einfachere Reinigung der Vorrichtung im Vergleich zu den Pulverpartikeln möglich sein, welche sich gegebenenfalls in Ritzen, Spalten, etc. der Apparatur absetzen können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Verwendung des elektropositiven Metalls als Flüssigkeit bevorzugt.
Das elektropositive Metall kann gemäß bestimmten Ausführungs¬ formen auch als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym eingesetzt werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass eine Verflüssigung des Metalls nicht erfor- derlich ist und die Energie zum Schmelzen des Metalls somit eingespart werden kann. Durch die niedrigere Temperatur kann ggf. jedoch auch je nach elektropositivem Metall und Brenngas ein Starten der Reaktion mit dem Brenngas erforderlich sein, während dies im flüssigen Zustand nicht erforderlich sein könnte. Die Partikelgröße im Pulver kann auf geeignete Weise eingestellt werden und das Pulver kann, ggf. kommerziell, auf geeignete Weise bereitgestellt werden. Die Partikelgröße kann gemäß üblichen Methoden, zum Beispiel mikroskopisch oder durch Laserbeugung auf übliche Weise bestimmt werden.
Als Brenngas 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 Brenngas Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser¬ dampf, Stickoxide NOx wie Distickstoffmonoxid, Stickstoff, Schwefeldioxid, oder Gemische derselben umfassen. Das Verfah- ren kann also auch zur Entschwefelung bzw. NOx Entfernung verwendet werden. Je nach Brenngas 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 elektropositi- vem Metall, beispielsweise Lithium, mit Stickstoff unter an¬ derem 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. Lithiu¬ moxid, oder auch Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, sowie auch Gemische davon entstehen können, wobei aus dem Kohlenmonoxid höherwertige kohlenstoffhaltige Produkte wie Methan, Ethan, 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 Distickstoffmo- noxid als Brenngas z.B. Metallnitrid entstehen.
Analoge Reaktionen können sich auch für die anderen genannten Metalle ergeben.
Das Trägergas ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, und kann dem Brenngas entsprechen bzw. dieses umfassen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Trägergas kommen beispielsweise Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff Me- than, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, Distickstoffmono- xid, Gemische von zwei oder mehreren dieser Gase, etc. zur Anwendung. Hierbei können verschiedene Gase, wie beispiels¬ weise Methan - das gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht verbrennt, zum Wärmetransport dienen und die Reaktionswärme der Reaktion von elektropositivem Metall mit dem Brenngas aus dem Reaktor abführen. Die verschiedenen Trägergase können beispielsweise an die Reaktion des Brenngases mit dem elek¬ tropositiven Metall geeignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen. Gemäß bestimmten Ausfüh¬ rungsformen ist das Trägergas das Brenngas.
Grundsätzlich liegt der vorliegenden Erfindung das Prinzip der Venturi-Düse zu Grunde. Dieses beruht darauf, dass sich die Fließgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Me¬ diums zu einem sich verändernden Rohrquerschnitt umgekehrt proportional verhält. Das heißt, dass die Geschwindigkeit dort am größten ist, wo der Querschnitt des Rohres am klein- sten ist. Nach dem Gesetzt von Bernoulli wird außerdem in einem strömenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet. Dementspre¬ chend gilt für eine Düse nach Fig. 1, das Pi>p2 ist, wobei Pi der Druck des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse und P2 der Druck des Trägergases im kleinsten
Querschnitt der ersten Düse und der zweiten Zuführeinrichtung ist sowie
vi die Geschwindigkeit des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse und V2 die Geschwindigkeit des Trägerga- ses im kleinsten Querschnitt der ersten Düse ist. Diese Be¬ ziehung kann man sich für die Verdüsung und Verbrennung von flüssigen elektropositiven Metallen zu Nutze machen.
Die sich im Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse ist in ihrer Form nicht besonders beschränkt, insofern der Quer¬ schnitt der Düse in Strömungsrichtung des Trägergases zu¬ nächst abnimmt. Nach der Abnahme des Querschnitts und der Zu¬ führung des elektropositiven Metalls kann die Düse dann weiter im Querschnitt abnehmen, im Querschnitt gleich bleiben oder im Querschnitt zunehmen. Auch kann sich die Form des
Querschnitts ändern, wobei sie gemäß bestimmten Ausführungs¬ formen jedoch gleich bleibt. Die Form des Querschnitts ist nicht besonders beschränkt und kann rund, elliptisch, quadra¬ tisch, rechteckig, dreieckig, etc. sein, ist gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch rund, um eine gleichmäßige Vertei¬ lung des elektropositiven Metalls und des Trägergases zu er¬ möglichen. Auch ist eine symmetrische Düsenform bevorzugt. Darüber hinaus ist die erste Düse auch nicht weiter in ihrer Ausgestaltung eingeschränkt, sofern ein Bereich umfasst ist, in dem der Querschnitt der Düse in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst abnimmt. So kann die erste Düse als Ventu- ri-Düse, als Lavaldüse, in Form einer (Wasser-) Strahlpumpe, etc. ausgebildet sein, und kann eine Zufuhr für das elektro- positive Metall im Inneren, um die Düse herum oder an der Düse selbst umfassen. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls kann dabei ebenso über eine Zuführeinrichtung erfolgen, die eine Düse aufweist, beispielsweise am Ende der Zuführeinrich¬ tung in Strömungsrichtung des elektropositiven Metalls.
Auch weitere Düsen sind nicht besonders beschränkt und können die obigen Formen und Ausgestaltungen umfassen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Düse als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweitern- dem Querschnitt. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls kann hierbei beispielsweise (a) innerhalb der Venturidüse selbst, bevorzugt durch eine zweite Zuführeinrichtung in einem sich verjüngenden Teilstück der Venturi-Düse, (b) in einer zweiten Zuführeinrichtung, die um die Venturi-Düse herum angeordnet ist, bevorzugt in Form einer sich verjüngenden Düse um den verjüngenden Teil der Venturi-Düse, oder (c) durch eine Zu¬ leitung/zweite Zuführeinrichtung zur Venturi-Düse erfolgen, die im sich verjüngenden Teil der Venturi-Düse oder im gleichbleibenden Teilstück der Venturi-Düse angebracht sein kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch mindestens eine Zulei¬ tung/Zuführeinrichtung zur ersten Düse im gleichbleibenden Teilstück. Es ist aber auch möglich, das mehr als eine Zuführeinrichtung an der Venturi-Düse angebracht ist oder dass Kombinationen von Zuleitungsarten/Zuführeinrichtungen, beispielsweise an der Venturi-Düse und im Inneren der Venturi- Düse, vorgesehen sind, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen nur eine Zuführeinrichtung das elektropositive Metall zur Venturi-Düse zuleitet, um die Zufuhr des elektropositiven Me¬ talls leichter zu steuern.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die die erste Düse als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten, also sich im Querschnitt vergrößernden, Teilstück ausgebildet sein. Auch hier kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls beispielsweise (a) innerhalb der Laval- düse selbst, bevorzugt durch eine zweite Zuführeinrichtung in einem sich verjüngenden Teilstück der Lavaldüse, (b) in einer zweiten Zuführeinrichtung, die um die Lavaldüse herum angeordnet ist, bevorzugt in Form einer sich verjüngenden Düse um den verjüngenden Teil der Lavaldüse, oder (c) durch eine Zu- leitung/zweite Zuführeinrichtung zur Lavaldüse erfolgen, die im sich verjüngenden Teil der Lavaldüse oder im Übergang vom sich verjüngenden zum divergierenden Teilstück angebracht sein kann. Es ist aber auch möglich, das mehr als eine Zuführeinrichtung an der Lavaldüse angebracht ist oder dass Kombinationen von Zuleitungsarten/Zuführeinrichtungen, beispielsweise an der Lavaldüse und im Inneren der Lavaldüse, vorgesehen sind, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen nur eine Zuführeinrichtung das elektropositive Metall zur Laval¬ düse zuleitet, um die Zufuhr des elektropositiven Metalls leichter zu steuern. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr des elektropositiven Metalls im Bereich des kleinsten Querschnitts der Lavaldüse, beispielsweise durch eine Zuführeinrichtung an der Düse oder im Inneren der Düse. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Lavaldüse hierbei ein Strömungsorgan mit einem zunächst konvergenten und anschließenden divergenten Querschnitt, wobei der Übergang von einem zum anderen Teil allmählich erfolgen kann. Die Querschnittsfläche kann in bestimmten Ausführungsformen an jeder Stelle kreisförmig sein, wodurch ein durchströmendes Fluid auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, ohne dass es zu starken Verdichtungsstößen kommt. Die Schallge- schwindigkeit kann dann genau im engsten Querschnitt der Düse erreicht werden.
Weiterhin kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls für die verschiedenen Arten der ersten Düse auch gemäß bestimmten Ausführungsformen durch eine zweite Zuführeinrichtung erfolgen, deren Austrittsöffnung, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse im Bereich des sich verjüngenden Teils der ersten Düse angeordnet ist, wie oben bereits für bestimmte Düsen ausgeführt.
Auch kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die erste Düse, bevorzugt koaxial, innerhalb einer zweiten Zuführeinrichtung im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, also sich verjüng- enden, Teils der zweiten Zuführeinrichtung angeordnet sein, wobei die Zufuhr des Trägergases durch die erste Düse er¬ folgt, und die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch die zweite Zuführeinrichtung erfolgt. Auch solche Ausführungsformen sind oben bereits für bestimmte Düsen ausgeführt.
Zudem kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über die Befüllung im Behälter gesteuert werden, und/oder die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases ge- steuert werden, indem die Zufuhr des Trägergases in Strö¬ mungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter verbunden ist, und/oder die Zufuhr an verdüstern elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit geregeltem Druck zum Behälter gesteuert werden.
Bei einer Steuerung über die Befüllung im Behälter kann eine Zuführeinrichtung für elektropositives Metall vorgesehen sein, ggf. mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil, über das elektropositives Metall kontinuierlich oder diskontinu- ierlich, je nach gewünschtem Füllstand im Behälter und/oder Trägergasfluss , dem Behälter zugeführt wird. Bei einer Steuerung der Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases kann die Zufuhr des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter verbunden auf beliebige Weise verbunden sein, wobei bei der Verbindung mit dem Behälter beispielsweise Rohre, Schläuche, etc. verwendet werden können und die Zufuhr an Trägergas in den Behälter beispielsweise auch über den Querschnitt dieser Verbindung eingestellt und unter Umständen bei entsprechenden Verbindungen auch variiert werden kann. Eine solche Variationsmöglichkeit kann auch für die zweite Zuführ¬ einrichtung des elektropositiven Metalls zur ersten Düse gegeben sein.
Darüber hinaus kann bei einer Steuerung der Zufuhr an ver- düstem elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit geregeltem Druck zum Behälter die Zufuhr des Inertgases geeignet vorgesehen und eingestellt werden und ist nicht be¬ sonders beschränkt, wie auch nicht die beiden anderen Steuer¬ möglichkeiten der Menge an verdüstern elektropositiven Metall. Auch die Zufuhr an Inertgas kann über einen geeigneten
Schlauch, ein Rohr, etc. erfolgen, der/das mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil versehen sein kann.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass alle drei oder zwei belie- bige Steuerarten für die Menge an verdüstern elektropositiven Metall kombiniert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetal¬ len, Aluminium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas, umfassend
eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse, zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdü- sen, eine erste Zuführeinrichtung für Trägergas zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse zuzu¬ führen,
einen Behälter, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym bereitzustellen, eine zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall aus dem Behälter zur ersten Düse zu leiten, und einen Brenner, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Brenngas zu verbrennen.
Die erste Zuführeinrichtung für Trägergas ist hierbei 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 ist die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall nicht besonders beschränkt und umfasst ebenfalls bei¬ spielsweise Rohre, Schläuche, etc. die einen Transport des elektropositiven Metalls geeignet erlauben. Bevorzugt ist die Innenfläche der zweiten Zuführeinrichtung glatt, um Ablagerungen von elektropositivem Metall zu vermeiden. Weiterhin ist der Querschnitt der zweiten Zuführeinrichtung gemäß bestimmten Ausführungsformen über die gesamte Länge der zweiten Zuführeinrichtung gleichbleibend, um eine gute und stete För¬ derung des elektropositiven Metalls durch die Verdüsung in der ersten Düse zu gewährleisten.
Die Düse kann hierbei wie oben dargestellt ausgestaltet sein, also beispielsweise als Venturidüse oder als Lavaldüse.
Ebenso ist der Brenner erfindungsgemäß nicht besonders be- schränkt und kann beispielsweise als Düse ausgestaltet sein, in der das Brenngas mit dem elektropositiven Metall vermischt und danach ggf. durch eine Zündvorrichtung gezündet wird. Auch kann der Brenner im oder am Reaktor vorgesehen sein. Da- rüber hinaus kann der Brenner auch ein Porenbrenner ohne innere Vermischung sein, der als poröses Rohr ausgebildet sein kann, dem an mindestens einer Öffnung das elektropositive Me¬ tall zugeführt werden kann. Das elektropositive Metall kann beispielsweise nur durch eine Öffnung des Rohres zugeführt werden, wobei das andere Ende des Rohres dann verschlossen sein kann oder aus dem Material des porösen Rohrs besteht. In solch einem Fall kann dann das elektropositive Metall dann beispielsweise in den Porenbrenner eingepresst werden, wo- raufhin dann das Brenngas auf die Außenseite des Porenbren¬ ners geleitet werden kann, so dass es dann dort mit dem elektropositiven Metall reagiert, um ein Verstopfen der Poren zu vermeiden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen, in denen das Trägergas das Brenngas ist, kann auch die erste Düse zum Verdüsen verwendet werden, woraufhin sich die Verbrennung an den Düsenausgang anschließt, indem dort beispielsweise die Verbrennung gezündet wird oder nach Zündung kontinuierlich abläuft . Der Behälter ist ebenso nicht besonders beschränkt, solange er aus einem Material besteht, das nicht mit dem elektroposi¬ tiven Metall reagiert, und beispielsweise auch nicht mit dem flüssigen elektropositiven Metall reagiert. Beispielsweise kann der Behälter als Tank oder als pulverfassender Behälter ausgebildet sein.
Entsprechend kann gemäß bestimmten Ausführungsformen auch das Material der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives Metall und gegebenenfalls die erste Düse und/oder die erste Zuführeinrichtung nach dem Vermischen von Trägergas und elektropositivem Metall und/oder der Brenner aus einem solchen Material bestehen. Ein geeignetes Material umfasst bei¬ spielsweise Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkalloy und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Düse als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweiternden Durchmesser ausgebildet, wobei die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall bevorzugt am gleichbleiben- den Teilstück der Venturidüse angebracht ist.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die erste Düse als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung diver- genten Teilstück ausgebildet sein. Hierbei ist gemäß bestimm¬ ten Ausführungsformen die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall im Bereich des kleinsten Durchmessers der Lavaldüse angebracht. Weiterhin kann die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall gemäß bestimmten Ausführungsformen, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Zuführeinrichtung für Trägergas derart angeordnet sein, dass die Austrittsöffnung der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives Metall, bevorzugt koa- xial, innerhalb der ersten Düse im Bereich des konvergenten Teils der ersten Düse angeordnet ist. Das Trägergas strömt hierbei also um die zweite Zuführeinrichtung und saugt dann das elektropositive Metall in der ersten Düse aus der zweiten Zuführeinrichtung. Durch die koaxiale Anordnung kann hierbei die Saugwirkung verstärkt werden.
Gemäß weiteren bestimmten Ausführungsformen ist die erste Zuführeinrichtung für Trägergas derart angeordnet, dass das Trägergas der ersten Düse, bevorzugt koaxial, innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung des elektropositiven Metalls im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung zugeführt wird. Hierbei wird das elektroposi¬ tive Metall um das Trägergas herum in die erste Düse gesaugt, ähnlich wie bei einer Strahlpumpe. Hier ist ebenfalls eine verbesserte Saugwirkung durch die koaxiale Anordnung erziel¬ bar . In einer Strahlpumpe kann die Pumpwirkung generell durch einen Fluidstrahl („Treibmedium") erzeugt werden, der durch Impulsaustausch ein anderes Medium („Saugmedium") ansaugt, beschleunigt und verdichtet/fördert, sofern es unter ausrei- chendem Druck steht. Da diese Pumpenart sehr einfach aufge¬ baut ist und keinerlei bewegte Teile hat, wie auch Venturi- oder Lavaldüsen oder generell Düsen mit sich verjüngendem Abschnitt, ist sie besonders robust und wartungsarm und viel¬ seitig einsetzbar.
In einem typischen Aufbau einer Strahlpumpe kann die Förde¬ rung beispielsweise gemäß den folgenden Schritten erfolgen und lässt sich mit einigen Vereinfachungen allein durch Anwendung von Energie-, Impuls- und Massenerhaltungssätzen recht gut berechnen:
1. Das Trägergas tritt mit möglichst hoher Geschwindigkeit aus der Treibdüse, die der ersten Düse entspricht, aus. Hier¬ bei ersteht gemäß dem Gesetz von Bernoulli ein dynamischer Druckabfall, so dass der Druck in der Strömung geringer ist als der Normaldruck. Die erste Düse kann zur Maximierung der Geschwindigkeit als Lavaldüse ausgebildet sein, und der
Treibstrahl, also das Trägergas, tritt mit Überschall aus. 2. In einer gegebenenfalls vorhandenen Mischkammer innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung oder in der zweiten Zuführeinrichtung selbst kann das Trägergas auf das hier befindliche elektropositive Metall treffen, das unter Normaldruck oder erhöhtem Druck stehen kann. Nach Austritt aus der ersten Düse verhält sich das Trägergas zunächst wie ein Freistrahl, und durch innere Reibung und Turbulenzen entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Trägergas und dem wesentlich langsameren elektropositiven Metall. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, d.h. das elektropo- sitive Metall wird beschleunigt und mitgerissen. Die Mischung geschieht hierbei nicht nach dem Prinzip der Energieerhal¬ tung, sondern nach dem der Impulserhaltung, so dass die Anwendung der Bernoulli-Gleichung hier aufgrund von Stoßverlus- ten zu falschen Ergebnissen führen kann. Durch eine AufWeitung des Trägergases und durch die Ansaugung des elektroposi¬ tiven Metalls wird das Trägergas abgebremst. 3. Durch die Beschleunigung des elektropositiven Metalls entsteht nach dem Prinzip von Bernoulli auch für das elektropo- sitive Metall ein Druckabfall, so dass elektropositives Me¬ tall durch die zweite Zuführeinrichtung nachgefördert werden kann, wobei bevorzugt für das elektropositive Metall ein aus- reichend hoher Mindestdruck vorhanden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gemäß bestimmten Aus¬ führungsformen weiter eine dritte Zuführeinrichtung für elektropositives Metall zum Behälter, die dazu ausgebildet ist, elektropositives Metall dem Behälter zuzuführen und eine Regelungseinrichtung der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter, die dazu ausgebildet ist, die Menge an zugeführ¬ tem elektropositiven Metall zum Behälter zu regeln, umfassen, und/oder eine Leitung, die die erste Zuführeinrichtung für Trägergas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem
Behälter derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse steuert, umfassen, und/oder eine vierte Zuführeinrichtung für Inertgas zum Behälter, die dazu ausgebildet, dem Behälter Inertgas zuzuführen, und eine Regelungseinrichtung des Drucks des zugeführten Inertgases, die den Druck des zugeführten Inertgases zum Behälter regelt, umfassen. Die dritte Zuführeinrichtung für elektropositives Metall ist erfindungsgemäß nicht beschränkt und kann wie die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall beschaffen sein, speziell hin¬ sichtlich des verwendeten Materials, kann sich aber auch davon unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der Form und/oder des Querschnitts. Die Regelungseinrichtung der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter kann auch aus dem Material der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives
Metall bestehen, zumindest in dem Bereich, in dem sie mit dem elektropositiven Metall in Kontakt kommt, ist aber nicht be¬ sonders beschränkt. Die Leitung, die die erste Zuführeinrich- tung für Trägergas mit dem Behälter verbindet, die vierte Zu¬ führeinrichtung für Inertgas zum Behälter, und/oder die Regelungseinrichtung des Drucks des zugeführten Inertgases sind ebenso nicht besonders beschränkt und können geeignet be- stimmt werden. Die Leitung und/oder die vierte Zuführeinrichtung können hierbei ähnlich oder gleich wie die erste Zuführeinrichtung beschaffen sein, wobei sie sich von dieser beispielsweise auch hinsichtlich des Querschnitts, etc. unter¬ scheiden können.
Bei der Verwendung einer Leitung, die die erste Zuführeinrichtung für Trägergas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse steuert, kann in der ersten Zuführeinrichtung und/oder der Leitung auch ein Durchflussregler, Masseregler oder ähnliches vorgesehen sein.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Heizein- richtungen, beispielsweise zum Schmelzen des elektropositiven Metalls, Kühleinrichtungen, beispielsweise beim Brenner, Pumpen, beispielsweise für das Trägergas und/oder Brenngas, etc . , umfassen . 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 erste beispielhafte Ausführungsform ist in Fig. 2 darge¬ stellt. In dieser wird an der Düsenengstelle einer ersten Dü¬ se 1, der durch eine erste Zuführeinrichtung 1λ ein Trägergas zugeführt wird, ein Abzweig angeführt, der zum Auslass eines Behälters 3 mit einer Metallschmelze eines elektropositiven Metalls / einem elektropositiven Metall M, wie beispielsweise Lithium führt, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Aus dem Behälter 3 wird das elektropositive Metall M durch den Ausgang 2 λ λ des Behälters zur zweiten Zuführeinrichtung und durch die Zuführeinrichtung 2λ zur ersten Düse 1 geführt. Außerdem wird der Einlass des Behälters 3 mit dem größeren Durchmesser der ersten Düse 1, die hier als Venturi-Düse aus¬ gestaltet ist, durch eine Leitung 6 verbunden, sodass grund¬ sätzlich im Behälter 3 der gleiche Druck wie am Düseneingang herrscht. Strömt nun beispielsweise ein Trägergas wie bei¬ spielsweise Kohlendioxid mit dem Druck pi durch die erste Dü¬ se 1 und erzeugt somit einen relativ zu pi kleineren Druck p2 an der Engstelle, so entsteht am Ausgang des Behälters 3 auf¬ grund der Beziehung Pi>p2 ein Unterduck, und das flüssige Me- tall M wird aus dem Behälter 3 zur Engstelle gesaugt. Das dort beschleunigte Trägergas reißt das Metall M in Flussrich¬ tung mit und zerstäubt es schließlich am Ausgang der Düse 1 zum Brenner 4 hin. Zur Metallverbrennung wird als Trägergas bevorzugt direkt das Reaktionsgas, wie hier vorliegend Koh- lendioxid, genutzt. Dabei ist je nach Temperatur und Mischung am Düsenausgang das Metallspray selbstentzündend bzw. benö¬ tigt noch eine externe Zündquelle. Die Zerstäubung des Me¬ talls M mit dem Trägergas ist in Fig. 3 dargestellt. Das Druckverhältnis von pi zu P2 bestimmt dabei den Volumen¬ strom der Metallschmelze M aus dem Behälter 3. Soll dieser unabhängig regelbar sein, so kann der Druck im Behälter bzw. der Zufluss von Inertgas in den Behälter extern über einen separaten Regler, beispielsweise einen Druck- bzw. Masse- flussregler, eingestellt werden.
Eine beispielhafte zweite Ausführungsform ist in Figuren 4 und 5 dargestellt. Figuren 4 und 5 zeigen einen möglichen Aufbau zur Verdüsung von flüssigen, elektropositivem Metall M, beispielsweise Lithium, mit der ersten Düse 1 als Venturi-Düse und einer In- nenmischung von Trägergas, beispielsweise Kohlendioxid, und Flüssigmetall M, wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform, wobei der Druck p3 im Behälter 3 anstelle durch die Leitung 6 mit einer vierten Zuführeinrichtung 7 für
Inertgas zum Behälter und eine Regelungseinrichtung 7 λ des Drucks des zugeführten Inertgases gesteuert wird. Fig. 4 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 5 den Zustand der Vorrichtung bei der Flüssigmetall- Verdüsung und Verbrennung. Eine dritte beispielhafte Ausführungsform mit einer Alterna¬ tive zur Verwendung einer Venturi-Düse ist in Figuren 6 und 7 dargestellt, gemäß der als erste Düse 1 eine Lavaldüse einge¬ setzt wird. Die Druckeinstellung im Behälter 3 erfolgt wie in der zweiten beispielhaften Ausführungsform. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls M, beispielsweise Lithium im flüssi¬ gen Zustand, aus dem Behälter 3 erfolgt durch die zweite Zu¬ führeinrichtung 2λ koaxial innerhalb der ersten Düse 1, wodurch das elektropositive Metall M durch die Strömung des Trägergases, beispielsweise Stickstoff, angesaugt wird. Fig. 6 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 7 die Vorrichtung bei der Flüssigmetall-Verdüsung und Verbrennung. Die Verbrennung erfolgt wiederum wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform. Fig. 8 zeigt in einer vierten beispielhaften Ausführungsform eine Alternative zur Regelung des Drucks P3 im Behälter 3, wobei die Vorrichtung darüber hinaus der des zweiten Ausführungsform entspricht. Zur Regelung des Zuflusses der Metall¬ schmelze M durch die zweite Zuführeinrichtung 2 λ lässt sich hier auch deren hydrostatischer Druck p3 am Ausgang 2 λ λ des
Behälters 3 nutzen. Dieser lässt sich über die Füllstandshöhe h der Metallschmelze M im Behälter 3 einstellen. Der Behälter selbst 3 wird dabei unter atmosphärischem Druck po gehalten. Über eine dritte Zuführeinrichtung 5 für elektropositives Me¬ tall M zum Behälter 3 und eine Regelungseinrichtung 5 λ der Menge des elektropositiven Metalls M im Behälter 3 kann elektropositives Metall M zum Behälter 3 derart zugeführt werden, dass die Füllstandshöhe h konstant ist bzw. im Rahmen gewünschter Hysteresen ausgeregelt wird.
Bei einer Anwendung der ersten Düse 1 als Verbrennungsdüse kann man als Trägergas das gewünschte Verbrennungsgas nutzen, das mit dem Druck pi in das Rohr eingeleitet wird. Je nach¬ dem, ob dann beim Verdüsen eine Außen- oder Innenmischung gefordert ist, kommt ein Düsenaufbau wie beispielsweise in Fi¬ guren 2 bis 8 zur Innenmischung oder wie in Figuren 9 und 10 gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform zur Außen- mischung zum Einsatz.
In der fünften beispielhaften Ausführungsform erfolgt die Vermischung von Trägergas, hier als Brenngas Kohlendioxid beispielhaft ausgestaltet, und dem elektropositiven Metall M, beispielsweise einer Lithiumschmelze, außerhalb der ersten Düse 1 beim Brenner 4. Abgesehen von der anderen Düsenform der ersten Düse 1 entspricht diese Ausführungsform der dritten beispielhaften Ausführungsform. Fig. 9 zeigt die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 10 die Flüssigme- tall-Verdüsung und Verbrennung.
Eine sechste beispielhafte Ausführungsform ist in Figuren 11 und 12 dargestellt, bei der als Variante die Verdüsung von elektropositivem Metall M, beispielsweise Lithium, durch Un- terdruckerzeugung nach dem Prinzip der Strahlpumpe erfolgt. Hier wird die Pumpwirkung durch den Strom des Trägergases (Treibmedium) erzeugt, der durch Impulsaustausch die Schmelze des elektropositiven Metalls M / Alkalimetallschmelze (Saug¬ medium) ansaugt, beschleunigt und fördert. Fig. 11 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 12 die Flüssigmetall-Verdüsung und Verbrennung. Die Zufuhr des Trägergases, beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, er¬ folgt durch die erste Zuführeinrichtung 1 λ und die erste Düse 1, die koaxial innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung 2λ in einer zweiten Düse 2 erfolgt. Der weitere Aufbau der Vorrichtung ähnelt wiederum dem der fünften beispielhaften Ausführungsform, wobei die Verbrennung im Brenner 4 am Ausgang der zweiten Düse 2 erfolgt.
In den obigen beispielhaften Ausführungsformen wird stets als Beispiel eine Schmelze eines elektropositiven Metalls ver- düst. Jedoch ist es in den beispielhaften Ausführungsformen auch möglich, ein Pulver von Partikeln des elektropositiven Metalls anstelle der Schmelze zu verwenden. Auch kann als elektropositives Metall M ein anderes als Lithium verwendet werden, und das Trägergas kann auch anders als Stickstoff oder Kohlendioxid sein. Auch ist nicht ausgeschlossen, dass beim Brenner 4, gegebenenfalls zusätzliches, Brenngas (im
Prinzip auch Abgas -ganz oder teilweise verbrannt- aus einer Anlage zur Verbrennung fossiler Brennstoffe) zugeführt wird.
In der vorliegenden Erfindungsmeldung wird ein Verfahren zur Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen beschrieben, dass durch die Wahl von speziellen Düsengeometrien und des daraus resultierenden Saugeffektes des Trägergases ohne Pumpen, beispielsweise Flüssigmetallpumpen, arbeiten kann. Außerdem lässt sich dabei eine einfache und präzise Flusskontrolle des elektropositiven Metalls, speziell im Fal¬ le von flüssigen Metallschmelzen, mittels des Gaszuflusses in den Behälter für das elektropositive Metall realisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi- nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas,
wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter (3) durch Verdüsung eines Trägerga- ses in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im
Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse (1) aus dem Be¬ hälter (3) in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenngas verbrannt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Düse (1) als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweiterndem Querschnitt besteht, wobei die Zufuhr des elektropositi- ven Metalls bevorzugt durch mindestens eine zweite Zufuhrein¬ richtung (2λ) zur ersten Düse (1) im gleichbleibenden Teilstück erfolgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Düse (1) als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten Teilstück ausgebildet ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Zufuhr des elektro- positiven Metalls im Bereich des kleinsten Querschnitts der
Lavaldüse erfolgt.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zu¬ fuhr des elektropositiven Metalls durch eine zweite Zuführ- einrichtung (2λ) erfolgt, deren Austrittsöffnung, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse (1) im Bereich des sich verjüngenden Teils der ersten Düse angeordnet ist.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Düse (1), bevorzugt koaxial, innerhalb einer zweiten Zuführeinrichtung (2λ) im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung (2λ) angeordnet ist, die Zufuhr des Trägergases durch die erste Düse (1) erfolgt, und die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch die zweite Zuführeinrichtung (2λ) erfolgt.
7. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Trägergas das Brenngas ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über die Befüllung im Behälter (3) gesteuert wird, und/oder wobei die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases gesteuert wird, indem die Zufuhr des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse (1) mit dem Behälter (3) verbunden ist, und/oder wobei die Zufuhr an verdüstern elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit ge- regeltem Druck zum Behälter (3) gesteuert wird.
9. Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen dersel- ben, mit einem Brenngas, umfassend
eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse (1), zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausge¬ bildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdüsen,
eine erste Zuführeinrichtung (1λ) für Trägergas zur ersten
Düse (1), die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse (1) zuzuführen,
einen Behälter (3) , der dazu ausgebildet ist, das elektropo¬ sitive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym bereitzustel¬ len,
eine zweite Zuführeinrichtung (2λ) für elektropositives Me¬ tall zur ersten Düse (1), die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall aus dem Behälter (3) zur ersten Düse (1) zu leiten, und
einen Brenner (4), der dazu ausgebildet ist, das elektroposi¬ tive Metall mit dem Brenngas zu verbrennen.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste Düse (1) als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägerga¬ ses zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich er- weiternden Durchmesser besteht, wobei die zweite Zuführeinrichtung (2λ) für elektropositives Metall bevorzugt am gleichbleibenden Teilstück der Venturidüse angebracht ist.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste Düse (1) als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten Teilstück ausgebildet ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die zweite Zuführ- einrichtung (2λ) für elektropositives Metall im Bereich des kleinsten Durchmessers der Lavaldüse angebracht ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Zuführeinrichtung (2λ) für elektropositives Metall, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Zuführeinrichtung
(1λ) für Trägergas derart angeordnet ist, dass die Austritts¬ öffnung der zweiten Zuführeinrichtung (2λ) für elektropositives Metall, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse (1) im Bereich des konvergenten Teils der ersten Düse (1) ange- ordnet ist.
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Zuführeinrichtung (1λ) für Trägergas derart angeordnet ist, dass das Trägergas der ersten Düse (1), bevorzugt koaxi- al, innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung (2λ) des elektro- positiven Metalls im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung (2λ) zugeführt wird.
15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, weiter umfassend eine dritte Zuführeinrichtung (5) für elektroposi¬ tives Metall zum Behälter (3) , die dazu ausgebildet ist, elektropositives Metall dem Behälter (3) zuzuführen und eine Regelungseinrichtung (5λ) der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter (3) , die dazu ausgebildet ist, die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zum Behälter (3) zu regeln, und/oder
eine Leitung (6), die die erste Zuführeinrichtung für Träger- gas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse (1) mit dem Behälter (3) derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse (1) steuert, und/oder
eine vierte Zuführeinrichtung (7) für Inertgas zum Behälter (3) , die dazu ausgebildet, dem Behälter (3) Inertgas zuzufüh¬ ren, und eine Regelungseinrichtung (7λ) des Drucks des zugeführten Inertgases, die den Druck des zugeführten Inertgases zum Behälter (3) regelt.
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