EP3178300A1 - Zündung von flammen eines elektropositiven metalls durch plasmatisierung des reaktionsgases - Google Patents

Zündung von flammen eines elektropositiven metalls durch plasmatisierung des reaktionsgases

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EP3178300A1
EP3178300A1 EP15766781.7A EP15766781A EP3178300A1 EP 3178300 A1 EP3178300 A1 EP 3178300A1 EP 15766781 A EP15766781 A EP 15766781A EP 3178300 A1 EP3178300 A1 EP 3178300A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
metal
reaction gas
electropositive metal
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15766781.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Eckert
Marek Maleika
Manfred Rührig
Dan Taroata
Renate Elena KELLERMANN
Günter Schmid
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3178300A1 publication Critical patent/EP3178300A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P9/00—Electric spark ignition control, not otherwise provided for
    • F02P9/002—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression
    • F02P9/007—Control of spark intensity, intensifying, lengthening, suppression by supplementary electrical discharge in the pre-ionised electrode interspace of the sparking plug, e.g. plasma jet ignition

Definitions

  • the present invention relates to a method for combusting a reaction gas with an electropositive metal, wherein the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion at least temporarily in a plasma, for example, only for the purpose of igniting the reaction gas, is transferred, and an apparatus for performing the method.
  • the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion at least temporarily in a plasma, for example, only for the purpose of igniting the reaction gas, is transferred, and an apparatus for performing the method.
  • a problem here is the reaction of the electropositive metal with the reaction gas and thereby also the starting of the reaction.
  • the metal is heated by means of a gas flame or an electric heater to the required ignition temperature.
  • alkali metals are capable of spontaneous combustion, and for example, in contact with water in the case of Ru ⁇ bidium and cesium to already sufficient air contact.
  • the electrical spark-over is used between the electric ⁇ a spark plug in which the fuel-air mixture is locally heated for a short time to 3000 to 6000 K at present Mo ⁇ factors.
  • the transmitted through the plasma between the electrodes to the mixture thermal energy must be greater than the losses to the electrodes ,
  • the ionized gas between the electrodes during this phase reaches temperatures of about 6000 K. At higher flow velocities or with cold reaction gas, however, such ignition is not always reliable.
  • Another ignition system is known from plasma cutters.
  • the air is heated by an electric arc (HV discharge) to an extremely high temperature.
  • HV discharge electric arc
  • an electrically conductive plasma is formed, through which the cutting current can flow from the electrode in the interior of the plasma cutting torch to the workpiece (anode).
  • the workpiece anode
  • the cutting nozzle with a small bore constricts the cutting current and thereby causes a highly concentrated plasma cutting jet.
  • This plasma arc melts metals very quickly and due to its high kinetic energy, the melt is ejected from the kerf. It results in a clean and smooth cut.
  • a corresponding device is known, for example, from DE 10 2009 004 968 AI.
  • the present invention relates to a method for combusting a reaction gas with an electropositive metal, wherein the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion, at least time ⁇ wise transferred into a plasma and wherein the reaction gas and the electropositive metal by feed ge ⁇ separates, preferably coaxially, at least one nozzle are supplied and the supplied reaction gas within the mindes ⁇ least one nozzle at least temporarily transferred into a plasma is, for example, only for the purpose of igniting the reaction ⁇ onsgases.
  • the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion, at least time ⁇ wise transferred into a plasma and wherein the reaction gas and the electropositive metal by feed ge ⁇ separates, preferably coaxially, at least one
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to an apparatus for burning a reaction gas having an electropositive metal
  • the electropositive Me ⁇ tall is selected from alkali, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, comprising
  • At least one nozzle configured to atomize a mixture of electropositive metal and reaction gas, a first electropositive metal feeder adapted to supply the electropositive metal to the at least one nozzle;
  • a second supply means for the reaction gas which is adapted to supply the reaction gas to the at least one nozzle
  • an ignition device and / or in the at least one nozzle which converts the reaction gas at least temporarily into a plasma within the at least one nozzle.
  • Figure 1 shows schematically a two-fluid nozzle for
  • Liquid metal atomization, with plasma ignition Liquid metal atomization, with plasma ignition.
  • FIG. 2 schematically illustrates a single-substance nozzle
  • Liquid metal atomization with plasma ignition Liquid metal atomization with plasma ignition.
  • FIG. 3 schematically shows an inverse construction with internal plasma nozzle and external liquid metal atomization.
  • FIG. 4 again shows schematically a liquid metal nozzle with plasma ignition with a detailed view of the high-voltage (HV) discharge.
  • HV high-voltage
  • FIG. 6 shows schematically a plasma nozzle with swirl disk and internal liquid metal nozzle.
  • FIG. 7 shows an exemplary device according to the invention of a two-component nozzle for liquid metal atomization with plasma ignition.
  • the present invention relates, according to a first aspect, to a method for combusting a reaction gas with an electropositive metal, wherein the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion, at least time ⁇ wise transferred into a plasma and wherein the reaction gas and the electropositive metal by feed ge ⁇ separates, preferably coaxially, at least one nozzle are supplied and the supplied reaction gas within the mindes ⁇ least one nozzle at least temporarily transferred into a plasma is, for example, only for the purpose of ignition of the reaction gas.
  • the electropositive metal is selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, wherein the reaction gas before and / or during combustion, at least time ⁇ wise transferred into a plasma and wherein the reaction gas and the electropositive metal by feed ge ⁇ separates, preferably coaxially, at least one
  • the electropositive metal is, according to certain embodiments ⁇ forms selected from alkali metals, preferably Li, Na, K, Rb and Cs, alkaline earth metals, preferably Mg, Ca, Sr and Ba, Al and Zn, and mixtures and / or alloys thereof.
  • the electropositive metal is selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Al and Zn, more preferably Li and Mg, and most preferably the electropositive metal is lithium.
  • suitable gases for the reaction gas are those which can react with the said electropositive metal or mixtures and / or alloys of the electropositive metals in an exothermic reaction, although these are not particularly limited.
  • Example ⁇ adhesive may be the reaction gas is air, oxygen, carbon dioxide, hydrogen, water vapor, nitrogen oxides NO x as
  • Nitrous oxide nitrogen, sulfur dioxide, or mixtures thereof.
  • the method can therefore also for
  • Desulfurization or NOx removal can be used.
  • different products can be obtained with the various electropositive metals, which can be obtained as solid, liquid or also in gaseous form.
  • electropositive metal such as lithium
  • nitrogen at ⁇ alia metal nitride, such as lithium nitride arise, which can then be further reacted later to ammonia
  • electropositive metal such as lithium
  • Carbon dioxide for example, metal carbonate, for example, lithium carbonate, carbon monoxide, metal oxide, eg
  • Lithium oxide, or metal carbide, such as lithium carbide, as well as mixtures thereof may arise, from the carbon monoxide with hydrogen higher, for example, longer-chained, carbonaceous products such as methane, ethane, etc. to gasoline, diesel, but also methanol, etc. can be ⁇ ge gained, for example in a Fischer-Tropsch process, while metal carbide, for example,
  • Lithium carbide for example acetylene can be obtained.
  • nitrous oxide as a fuel gas such as metal nitride arise.
  • Analogous reactions may also result for the other metals mentioned.
  • the necessary energy can be introduced to start the reaction.
  • the reaction is started by plasmaizing the reaction gas and then at the same time or afterwards the electropositive metal is introduced.
  • the reac ⁇ tion gas can then be present as plasma or not.
  • the reac tion ⁇ can be started during the supply of electropositive metal and the reaction gas by transferring the reaction gas into a plasma.
  • the reaction gas may also be vortexed prior to or during the supply for plasmatization to achieve better mixing with the electropositive metal and to stabilize the plasma flame, for example by swirlers or swirl disks.
  • the generation of the plasma within the nozzle is not particularly limited and can be done, for example, by high voltage or by supply of thermal energy or otherwise, for example by DC sparks, by focused laser beams or by using the pinch effect. Preference is given to plasma generation by high voltage.
  • the plasma is generated by high voltage, wherein the nozzle is one of the electrodes.
  • the plasma is generated within the at least one nozzle by high-voltage discharge (HV discharge) in the range of 4 to 100 kV, preferably 4 to 10 kV, for example by igniting the reaction gas, where preferably, the nozzle serves as an electrode.
  • HV discharge high-voltage discharge
  • the high-voltage ⁇ can hereby be with or without alternating electric field. In an alternating field, the frequency is not limited, and may be ⁇ Sonders, for example, 0 Hz (DC),
  • High-frequency field of the generated current 10 A, more preferably in the range of 10 mA - - 1000 mA because currents in the range of 1 mA are preferred ⁇ forth.
  • the high voltage can be provided, for example, by at least one high-voltage generator, which according to the invention is not particularly limited. Via high-voltage insulators and / or a corresponding suitable coating of the feed device, according to certain embodiments, a spark in the feeders and a premature ignition of the plasma can be avoided and the ignition can be located in the nozzle.
  • the plasma exits the interior of the nozzle in the flow direction of the reaction gas.
  • the nozzle and / or to be ⁇ guide device designed capable, for example in form or arrangement, or the streams may be adjusted appropriately. This can be used to ensure that the plasma comes into contact with enough reaction gas.
  • the high voltage can be easily turned off in accordance with certain embodiments, and a flame of reaction gas and electropositive metal can continue to burn on its own. If the flame goes out, it can be ignited again at any time by applying the high voltage.
  • the electrodes for example the electrical connection of the high-voltage and the corresponding ground connection, independently of the specific nozzle structure. This only affects the construction direction of the HV discharge, which, however, has no effect on the process if the plasma flame of the reaction gas is suitably ignited.
  • the nozzle is preferably one of the electrodes, and the further electrode is located in the interior of the nozzle, for example one of the further feed devices or the electropositive metal itself, in order to achieve targeted plasma ignition inside the nozzle and to ensure this quickly and efficiently so that even with ho ⁇ hen flow velocities of the electropositive metal, for example 0.1 g / s at small plants to 10 kg / s or more for large systems, this efficiently ignited and reacted who can ⁇ .
  • an electrode on the outer wall of the outermost feeder which is in contact with the nozzle, are attached.
  • electrodes may be applied to the outer and inner walls of the feeders located in the nozzle to achieve ignition inside the nozzle.
  • the actual local point of the high-voltage discharge, and thus the point of Plasmatleiter of the reaction gas can be adjusted in accordance with certain embodiments of the distance of the anode to the cathode, such as a metal nozzle for the reaction gas nozzle ⁇ .
  • This can be in particular the point of the smallest distance between the electrodes, since there the insulation distance is the shortest and thus sets there HV discharge.
  • This is illustrated for an example ⁇ embodiment in Figure 4, and is carried out in more detail in the examples.
  • the plasma point is here not limited to one point and can also occupy a certain area, for example the area between the nozzles or feeders, which occupies the smallest distance between them.
  • an atomizing gas is supplied to the at least one nozzle and the electropositive metal is atomized with the atomizing gas.
  • the electropositive metal can be better in the plasma and / or the reaction gas to be distributed and thus the reac tion ⁇ be further improved.
  • better control of the exo ⁇ -thermal reaction can be carried out by the supply of atomization gas, for example by heat produced is transferred to the atomizing gas. From this heat in the sputtering gas can then be obtained later electrical energy, for example, with the aid of at least one heat exchanger and / or at least one turbine with at least one generator.
  • the heat can also be used in other ways, for example for preheating the electropositive metal and / or the reaction gas before it is fed to the nozzle.
  • atomization of the electropositive metal can also take place in other ways, for example by
  • the atomizing gas, the invention is not particularly be ⁇ limits, and may correspond to the reaction gas, but also be different from this. Air, carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen, methane, hydrogen, water vapor, nitrogen, for example, come as sputtering gas.
  • Nitrous oxide mixtures of two or more of these gases, etc. for use.
  • various gases such as methane, can serve for heat transport and dissipate the heat of reaction of the reaction of electropositive metal with the reaction gas from the nozzle.
  • the various carrier gases atomization gases can, for example, to the Re ⁇ action of the reaction gas with the electropositive metal ge can be adapted to achieve synergy effects if necessary.
  • the feed rates for reactant gas elektropositi- ves metal and optionally atomising gas are not particularly limited and can be ⁇ depending on the used reaction gas, electro positive metal and if necessary vary the sputtering gas and thus the reaction taking place or else Plasmatmaschine.
  • the reaction kinetics and dynamics for example by means of appropriate simulations or based on simple experiments with different Strömungsge ⁇ speeds, they can be properly determined.
  • the electropositive metal is liquefied or atomized before being fed into the at least one nozzle and fed to the at least one nozzle as a liquid or as a particle.
  • the particles can hereby ge ⁇ Telss certain embodiments have such a size that its maximum length constituting at any cross-section up to and including 20% of the nozzle diameter.
  • ⁇ by supplying the electropositive metal can be simplified and the reaction with the reaction gas are erleich ⁇ tert.
  • the electropositive metal can be more easily atomized and distributed according to certain embodiments, whereby an improved reaction can be achieved.
  • the temperature of the liquid or the particles is not particularly limited and can be selectively adjusted depending on the reaction ⁇ ons Adjust.
  • the electropositive metal can serve as an electrode in plasma generation.
  • the electropositive metal can be used, for example, as a strand of easily atomizable solids.
  • a dense cloud of metal Parti ⁇ angles accordance with certain embodiments yet to have sufficient overall conductivity, so that the effect occurs ⁇ civil.
  • the sparks can then simply jump over the particles.
  • This total conductivity can vary, for example, depending on the electropositive metal used, but also depending on the particle size and can be suitably adjusted or determined on the basis of, for example, the electrical properties of the electropositive metal and simulations or simple experiments.
  • Environmentally accordance with certain embodiments summarizes a dense cloud of metal particles 0.5 to 50 mass ⁇ percent, more preferably 10 - 20 mass percent of metal in Be ⁇ train on the mixture of all supplied components, wherein ⁇ play electropositive metal, reaction gas and optionally atomising gas.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to an apparatus for burning a reaction gas having an electropositive metal, the electropositive metal is selected from alkali metal, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and mixtures and / or alloys thereof, comprising:
  • At least one nozzle configured to atomize a mixture of electropositive metal and reaction gas
  • a first electropositive metal feeder adapted to supply the electropositive metal to the at least one nozzle
  • a second supply means for the reaction gas which is adapted to supply the reaction gas to the at least one nozzle
  • an ignition device and / or in the at least one nozzle which converts the reaction gas at least temporarily into a plasma within the at least one nozzle.
  • the at least one nozzle according to the invention is not particularly limited in its design and the material, as far as it is able to withstand the reaction conditions in the generation of the plasma and the reaction of the reaction gas with the electropositive metal.
  • the nozzle can be designed suitably.
  • the at least one nozzle according to certain embodiments be removablebil ⁇ det as a single-fluid or two-fluid nozzle.
  • First feeding means for the electropositive metal can, for example, tubes or hoses, or else conveyor ⁇ ribbons, are used, which may be heated, which can be suitably determined, for example based on the physical state of the electro-posi tive ⁇ metal.
  • a further supply device for a gas can be attached to the first supply device for the electropositive metal, with which the supply of the electropositive metal can be regulated.
  • the second feed device for the reaction gas as a tube or hose, etc., which may or may be gege ⁇ heated, may be formed, with a suitable second feeder suitably on the basis of ⁇ to the gas, which may also be under pressure can, be ⁇ can be true. It is also possible to provide a plurality of first and / or second feed devices for electropositive metal and / or reaction gas.
  • the ignition device is not particularly limited insofar as it is capable of transferring the reaction gas into a plasma.
  • a suitable ignition device is, for example, a high voltage source having a voltage in the range of 4 to 100 kV, preferably 4 to 10 kV, which can be suitably attached to the nozzle.
  • the high voltage can be present with or without alternating electric field.
  • the frequency is not particularly limited and may be, for example, 0 Hz (DC), 15-25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13.65 MHz, or any other frequency, for example in the microwave range, which also does not have to stay firmly on one frequency.
  • the injected energy depends according to certain execution ⁇ form from also from the RF field of the electricity generated. loading Therefore, currents in the range of 1 mA-10 A, particularly preferably in the range of 10 mA-1000 mA, are preferred.
  • the inventive device may further comprise a third feed device for an atomizing gas, which is designed to supply a cerium ⁇ stäubungsgas the at least one nozzle in accordance with certain From ⁇ EMBODIMENTS.
  • the third feeder gas supply means is not particularly limited and may be formed as a pipe or hose, etc., which may or may not be heated, and a suitable third feeder may suitably be pressurized based on the state of the gas can, be ⁇ can be true. Also, a plurality of third supply means for atomizing gas may be provided.
  • the first feed device for the electropositive metal and / or the second feed device for the reaction gas and / or the third feed device for the atomizing gas flow into the at least one nozzle.
  • At least the first Zuzhoueinrich ⁇ processing and the second feed lead in accordance with certain embodiments of the nozzle, for example, the destruction stäubungsgas also the electropositive metal can be fed earlier.
  • the feed devices are preferably designed coaxially with one another, but at least the first and second feed devices in order to achieve a good mixture of the electropositive metal and of the reaction gas and possibly of the atomizing gas.
  • the shape of the feeding means is not particularly limited and may be round, for example square, rectangular and / or in the cross-section of Zu2010einrich ⁇ obligations, and preferably the feeding off at least are formed in section with coaxial round cross section in the flow ⁇ direction.
  • the inventive device may further include a melting process direction or a crushing device for the electropositive metal which is formed so as to melt or electropositive metal before or in the first feeding means for the electro positive metal-to-zer ⁇ smaller.
  • the type of the melting device or the comminution device is not particularly limited in this case and may include, for example, heaters, burners, etc. or mills, crushers, etc., and be suitably provided.
  • the at least one nozzle is formed as a metal die or as a reaction gas nozzle or cerium ⁇ stäubungsgasdüse, wherein the first feed device for the electro positive metal flows into the metal nozzle and / or opens the second feed for the reaction gas in the reaction gas nozzle and / or the third Zuglassein ⁇ direction for the sputtering gas in the Zerstäubungsgasdüse opens.
  • the first feed device for the electropositive metal may then preferably be formed coaxially within the second supply means for the reaction gas and the second feed means for the reaction gas flow into the reaction gas nozzle corresponding to the at least one nozzle, wherein the first supply means guiding device for the electropositive metal is so out ⁇ forms is that the electropositive metal is supplied within the at least one nozzle.
  • Analogous arrangements can be made for the cases in which the at least one nozzle is a metal nozzle and the reaction gas is preferably coaxially fed in the second feeder within the first feeder for the electropositive metal or in the case of a Zerstäubungsgasdüse the supply of electropositive metal and reaction gas preferably coaxially within the third feed device for the atomizing gas vonstattenxx, in which case also the first and second to ⁇ guide means as above can be arranged within each other.
  • the third feed device preferably coaxially , can be arranged inside the first or second feed device, wherein the third feed device can then be arranged within the other two feed devices or between the two.
  • a high-voltage electrode having a voltage of for example 4 to 100 kV, preferably 4 to 10 kV be provided for generating a Plas ⁇ mas, which can be suitably attached.
  • the high voltage can be present here with or without electric change ⁇ field.
  • the frequency is not particularly limited and may for example be 0 Hz (DC), 15-25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13.65 MHz or any other frequency, for example in the microwave range, which also not fixed must stay on one frequency.
  • DC 0 Hz
  • the injected energy also depends on the high frequency field of the generated current according to certain embodiments.
  • the ignition device may be formed as Hochnapsszündvoriques comprising a Hochnapssquel ⁇ le, for example, a high voltage generator, with a voltage in the range of 4 to 100 kV, which is connected to two electrodes
  • the first feed device for the electropositive Me ⁇ tall or electropositive metal itself and the second feed for the reaction gas or ii) the first feed device for the electropositive Me ⁇ tall or electropositive metal itself, and the third feed means for the atomizing gas, or iii) the second feed device for the reaction gas, and the third feed means for the atomizing gas are sorted ⁇ wells formed as an electrode, and
  • the shortest distance between the respective electrodes is formed within the at least one nozzle.
  • the electro-positive metal is formed as an electrode that, after being fed through the first supply device for the electropositive metal as a continuous metal body or as a dense cloud of metal particles in the at least one nozzle and the ignition device are formed by the at least one nozzle and the electropositive metal.
  • the first supply means for the electropositive metal is in this case arranged within the second feed ⁇ device for the reaction gas.
  • the first and / or the second and / or the third feed device may also contain bodies such as spin bodies or swirl disks for swirling or better spraying of the reaction gas or electropositive metal or sputtering gas in order to achieve better mixing.
  • bodies such as spin bodies or swirl disks for swirling or better spraying of the reaction gas or electropositive metal or sputtering gas in order to achieve better mixing.
  • This also makes it possible, for example, to achieve a stabilization of the plasma, in particular by turbulence in the second supply device for the reaction gas.
  • the device according to the invention can be provided in known process plants for the combustion of electropositive metals with reaction gases, as are known, for example, from DE 102013224709.5.
  • An exemplary basis for an inventive Vorrich ⁇ processing is a combination of a copessigmetalldüse with a gas plasma to ignite by means of the specific energy input into the gas required for the combustion reaction, the atomised liquid metal.
  • Figures 1 and 2 show two ways of constructing such a metal nozzle-plasma nozzle combination according to two exemplary embodiments.
  • the illustrated in Figures 1 and 2 exemplary structure be ⁇ is in principle of a plasma / reaction gas nozzle 5 as a reaction gas nozzle for Plasmatmaschine of the reaction gas 1 and a nozzle 6 for atomizing of an exemplary liquid or atomized electropositive metal 2, for example Li or Mg, as a metal die, which in these cases coincide tig represents the counter electrode for the HV discharge of the plasma nozzle.
  • the sputtering of the electropositive metal can be done in other ways, or there will be no atomization at first.
  • an inverse construction according to a third exemplary embodiment is also conceivable, in which the plasma nozzle 5 lies on the inside and the metal nozzle 6 on the outside.
  • the high-voltage discharge for generating the plasma can here for example by a additional lying in the plasma nozzle 5 Hochnapsselekt ⁇ rode 12 are generated.
  • FIG 4 shows schematically in detail the high-voltage discharge in a fourth exemplary embodiment, which largely corresponds to the second exemplary embodiment, but with no nozzle swirler 11 being present.
  • the high-voltage discharge (HV discharge) 13 between the plasma nozzle 5 and the metal nozzle 6 is shown in detail schematically, with the shortest distance between the two nozzles was set specifically.
  • the actual local point of the high-voltage discharge and thus the point or region of the plasmaization of the reaction gas can namely, for example, over the distance of the
  • a fifth exemplary embodiment with a specially ⁇ len nozzle design is shown in Figure 5 shown
  • the electropositive metal is exemplified as a liquid complicatge ⁇ represents that has a sufficient cohesion within the reaction gas, which in a suitable manner by selection of the electropositive metal, its temperature, etc., as well as the reaction gas, the flow behavior and -. overall speed, etc., of the nozzle assembly, etc. It thus forms when leaving the metal nozzle 6, a liquid metal jet 14.
  • the liquid metal jet 14 can then due to the electrical conductivity of the liquid metal in the interior of the plasma nozzle 5 ge as an electrode ⁇ uses The high voltage discharges thus directly between the medium to be incinerated, the electropositive me- This is unique for the liquid metal combustion, since other fuels such as oil, Ben ⁇ zin, coal dust, etc. have almost no electrical conductivity.
  • a sixth exemplary embodiment is ge shows ⁇ in FIG. 6
  • This can be realized by examples play a swirl disk 15 which is seated in the second feeder 10 for the reaction gas and deflects the gas flow accordingly, as in Fig. 6 represents Darge ⁇ is.
  • the exemplary nozzle has with respect to the Zugarein ⁇ directions or nozzle outlets diameter dl of 0.5 mm, d2 of 2 mm and d3 of 3.5 mm.
  • the ignition of the plasma he ⁇ follows via a high voltage generator as a high voltage source with an applied voltage U H v of 14 kV.
  • About high voltage insulators 17 ignition at the gas inlet to the nozzle can be prevented within the feeders.
  • the electropositive metal such as Li can in this case, for example, with a flow velocity of
  • reaction gas for example, with a flow rate of
  • the high voltage can be easily turned off, for example, and the metal flame 4 burns self-sustaining. He ⁇ extinguished the metal flame 4, it can be ignited again at any time by the high voltage.
  • the present invention describes a method and a device for effectively igniting and reacting an electropositive metal with a reaction gas, and in particular a nozzle for metal burners, for example liquid metal burners, with integrated plasma ignition device.

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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

Beschreibung
Zündung von Flammen eines elektropositiven Metalls durch Plasmatisierung des Reaktionsgases
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 Kohlendioxid¬ emission werden in letzter Zeit verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von Energie aus alternativen Ressourcen diskutiert .
In der DE102008031437.4 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 be- schriebenen 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 (C02) ·
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 speziel¬ len 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 Ru¬ bidium 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 Mo¬ toren der elektrische Funkenüberschlag zwischen den Elektro¬ den 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 im- mer zuverlässig.
Zur Entflammung sehr reaktionsträger Kraftstoff-Luft-Gemische, wie z.B. magerer Gemische oder Gemische mit hohem Ab¬ gasanteil, 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 glei¬ chen äußeren geometrischen Abmessungen wie eine konventionelle Hakenzündkerze auf. Der Unterschied besteht in der dem Brennraum zugewandten Zündkerzenspitze, die statt einer frei¬ stehenden 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 Plas¬ mabogen 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 bei- spielsweise aus der DE 10 2009 004 968 AI bekannt.
Es besteht nach wie vor ein Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas bei der Verbrennung eines Reaktionsga¬ ses 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 zu¬ sätzliches Plasmagas mehr benötigt wird, was die Reaktions¬ führung vereinfacht und zudem Nebenprodukte aus dem Plasmagas vermieden werden können. Außerdem kann der für die Zündung des elektropositiven Metalls notwendige Energieeintrag ge¬ zielt 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. Elek¬ trode 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 zeit¬ weise in ein Plasma überführt wird und wobei das Reaktionsgas und das elektropositive Metall durch Zuführeinrichtungen ge¬ trennt, bevorzugt koaxial, mindestens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reaktionsgas innerhalb der mindes¬ tens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird, beispielsweise nur zum Zwecke der Zündung des Reakti¬ onsgases . Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Me¬ tall 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 Dü¬ se 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 genann- ten 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 ausge- führt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch eine Zweistoffdüse zur
Metallverdüsung, beispielsweise eine
Flüssigmetallverdüsung, mit Plasmazündung.
Figur 2 stellt schematisch eine Einstoffdüse zur
Flüssigmetallverdüsung mit Plasmazündung dar.
In Figur 3 ist schematisch ein inverser Aufbau mit innenliegender Plasmadüse und äußerer Flüssigmetallverdüsung gezeigt . Figur 4 zeigt wiederum schematisch eine Flüssigmetalldüse mit Plasmazündung mit einer Detailansicht der Hochspan- nungs (HV) -Entladung.
In Figur 5 ist eine Flüssigmetalldüse mit Plasmazündung sche¬ matisch dargestellt, bei der der Flüssigmetallstrahl als Elektrode dient.
Figur 6 zeigt schematisch eine Plasmadüse mit Drallscheibe und innenliegender Flüssigmetalldüse.
Figur 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 zeit¬ weise in ein Plasma überführt wird und wobei das Reaktionsgas und das elektropositive Metall durch Zuführeinrichtungen ge¬ trennt, bevorzugt koaxial, mindestens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reaktionsgas innerhalb der mindes¬ tens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird, beispielsweise auch nur zum Zwecke der Zündung des Reaktionsgases .
Das elektropositive Metall ist gemäß bestimmten Ausführungs¬ formen ausgewählt 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. Auch sind Mischungen und/oder Legierungen des elektropositiven Metalls möglich. Als Reaktionsgas kommen gemäß bestimmten Ausführungsformen solche Gase in Frage, welche mit dem genannten elektropositi- ven Metall bzw. Gemischen und/oder Legierungen der elektropo- sitiven Metalle in einer exothermen Reaktion reagieren können, wobei diese nicht besonders beschränkt sind. Beispiel¬ haft kann das Reaktionsgas Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickoxide NOx wie
Distickstoffmonoxid, Stickstoff, Schwefeldioxid, oder Gemi- sehe derselben umfassen. Das Verfahren kann also auch zur
Entschwefelung bzw. NOx Entfernung verwendet werden. Je nach Reaktionsgas können hierbei mit den verschiedenen elektropo- sitiven Metallen verschiedene Produkte erhalten werden, die als Feststoff, Flüssigkeit sowie auch gasförmig anfallen kön- nen.
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.
Lithiumoxid, oder auch Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, so- wie 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. ge¬ wonnen 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 ge- startet wird und dann zugleich oder danach das elektropositi- ve Metall eingebracht wird. Im Anschluss kann dann das Reak¬ tionsgas als Plasma vorliegen oder nicht. Auch kann die Reak¬ tion 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 er- reicht werden. Durch eine bevorzugte koaxiale Zufuhr kann eine leichte und schnelle Zufuhr der Edukte zur Reaktion so¬ wie ein gutes Vermischen gewährleistet werden und die Reakti¬ on 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, wo- bei bevorzugt die Düse als eine Elektrode dient. Die Hoch¬ spannung kann hierbei mit oder ohne elektrisches Wechselfeld vorliegen. Bei einem Wechselfeld ist die Frequenz nicht be¬ sonders beschränkt und kann beispielsweise 0 Hz (DC) ,
15 - 25 kHz, 40 kHz, 400 kHz, 13,65 MHz oder auch eine belie¬ bige 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 da¬ her 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 Zu¬ führeinrichtung 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 elektropositi- vem 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 An- schluss der Hochspannungs- und den entsprechenden Massean- schluss, zu tauschen. Dies beeinflusst lediglich die Aufbau- richtung 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 Zuführein- richtungen 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 ho¬ hen Strömungsgeschwindigkeiten des elektropositiven Metalls, beispielsweise 0,1 g/s bei Kleinanlagen bis 10 kg/s oder mehr bei Großanlagen, dieses effizient gezündet und reagiert wer¬ den 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 Reaktions¬ gasdüse, 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 beispiel¬ hafte Ausführungsform auch in Figur 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 Ab¬ stand 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 Reak¬ tion noch weiter verbessert werden. Zudem kann durch die Zufuhr von Zerstäubungsgas auch eine bessere Steuerung der exo¬ thermen 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 Vorwär- men 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 be¬ schränkt, und kann dem Reaktionsgas entsprechen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Zerstäubungsgas kommen bei- spielsweise 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 Re¬ aktion des Reaktionsgases mit dem elektropositiven Metall ge- eignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen .
Die Zuführgeschwindigkeiten für Reaktionsgas, elektropositi- ves Metall und ggf. Zerstäubungsgas sind nicht besonders be¬ schränkt und können je nach verwendete Reaktionsgas, elektro- positivem 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 Strömungsge¬ schwindigkeiten, 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 ge¬ mäß bestimmten Ausführungsformen eine derartige Größe haben, dass ihre maximale Länge bei einem beliebigen Querschnitt bis zu einschließlich 20% des Düsendurchmessers ausmacht. Hier¬ durch kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls vereinfacht werden und die Reaktion mit dem Reaktionsgas erleich¬ tert werden. Auch kann das elektropositive Metall gemäß be¬ stimmten 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 Reakti¬ onsführung gezielt eingestellt werden. Je nach elektropositi- vem Metall kann hierbei die Zufuhr auf verschiedene Weise er- folgen, wobei beispielsweise bei den Alkalimetallen eine flüssige Zufuhr bevorzugt sein kann, wohingegen Erdalkalime¬ talle 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 Fest- stoff 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 Be- ginn der Zufuhr an gewährleistet werden, wodurch zusätzlich Verluste vermieden werden können. Bevorzugt ist die Zufuhr als Flüssigkeitsstrang oder als dichte Wolke von Metallparti¬ keln, 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 Metallparti¬ keln gemäß bestimmten Ausführungsformen noch eine ausreichende Gesamtleitfähigkeit besitzen soll, damit der Effekt zu¬ stande kommt. Die Funken können dann einfach über die Parti- kel 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 um- fasst eine dichte Wolke von Metallpartikeln 0,5 - 50 Massen¬ prozent, weiter bevorzugt 10 - 20 Massenprozent Metall in Be¬ zug auf die Mischung aller zugeführten Bestandteile, bei¬ spielsweise 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 Erfin¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines Reaktionsgases mit einem elektropositiven Metall, wobei das elektropositive Me- tall 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 Dü¬ se 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 Zufuhrgeomet¬ rie, etc. kann hierbei die Düse geeignet ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die mindestens eine Düse gemäß bestimmten Ausführungsformen als Einstoff- oder Zweistoffdüse ausgebil¬ det sein.
Als Material für die Düse eignet sich gemäß bestimmten Aus¬ führungsformen 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 höhe- ren 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 Förder¬ bänder, dienen, die beheizt sein können, welche geeignet, beispielsweise anhand des Aggregatszustands des elektroposi¬ tiven 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 gege¬ benenfalls beheizt sein kann, ausgebildet sein, wobei eine geeignete zweite Zuführeinrichtung geeignet anhand des Zu¬ stand des Gases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, be¬ stimmt 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 über- führen. 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 Wech- selfeld 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 Ausführungs¬ formen auch vom Hochfrequenzfeld des erzeugten Stroms ab. Be- vorzugt 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 La¬ serstrahlen oder Zündvorrichtungen unter Verwendung des Pincheffekts. Bevorzugt ist eine Plasmaerzeugung durch Hochspannung . Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gemäß bestimmten Aus¬ führungsformen weiter eine dritte Zuführeinrichtung für ein Zerstäubungsgas aufweisen, die dazu ausgebildet ist, ein Zer¬ stäubungsgas 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, be¬ stimmt werden kann. Auch können mehrere dritte Zuführeinrich- tungen für Zerstäubungsgas vorgesehen sein.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen münden die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Metall und/oder die zwei¬ te 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 Zuführeinrich¬ tung und die zweite Zuführeinrichtung münden gemäß bestimmten Ausführungsformen in der Düse, wobei beispielsweise das Zer- stäubungsgas 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 Zuführeinrich¬ tungen beispielsweise quadratisch, rechteckig und/oder rund sein, wobei bevorzugt die Zuführeinrichtungen zumindest ab- schnittsweise mit koaxialem rundem Querschnitt in Strömungs¬ richtung gebildet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiter eine Schmelzvor- richtung 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 zer¬ kleinern. Hierdurch können die Zündung und die Reaktion er- leichtert 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 Zer¬ stäubungsgasdüse ausgebildet, wobei die erste Zuführeinrich- tung für das elektropositive Metall in der Metalldüse mündet und/oder die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas in der Reaktionsgasdüse mündet und/oder die dritte Zuführein¬ richtung 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 Zuführein¬ richtung für das Reaktionsgas in die Reaktionsgasdüse münden, die der mindestens einen Düse entspricht, wobei die erste Zu- führeinrichtung für das elektropositive Metall derart ausge¬ bildet 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 Zu¬ führeinrichtung wie oben innerhalb voneinander angeordnet sein können. Für die Fälle der Metalldüse bzw. Reaktionsgas¬ düse kann jeweils die dritte Zuführeinrichtung, bevorzugt ko¬ axial, 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 Plas¬ mas vorgesehen sein, die geeignet angebracht werden kann. Die Hochspannung kann hierbei mit oder ohne elektrisches Wechsel¬ feld 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 Strö¬ me 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 Hochspannungsquel¬ le, 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 Me¬ tall oder das elektropositive Metall selbst und die zweite Zuführeinrichtung für das Reaktionsgas, oder ii) die erste Zuführeinrichtung für das elektropositive Me¬ tall 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 je¬ weils 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 elektro- positive 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 Zuführ¬ einrichtung für das Reaktionsgas angeordnet. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst eine dichte Wolke von Metallparti- kein 0,5 - 50 Massenprozent, weiter bevorzugt 10 - 20 Massen¬ prozent Metall in Bezug auf die Mischung aller zugeführten Bestandteile, beispielsweise elektropositives Metall, Reakti¬ onsgas 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 enthal- ten, 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 102013224709.5 be- kannt sind, vorgesehen sein.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildun- gen 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 Vorrich¬ tung stellt eine Kombination einer Flüssigmetalldüse mit einer Gas-Plasmadüse dar, um mit Hilfe des gezielten Energie- eintrags in das zur Verbrennung nötige Reaktionsgas das verdüste Flüssigmetall zu zünden.
Figuren 1 und 2 zeigen zwei Möglichkeiten des Aufbaus einer solchen Metalldüsen-Plasmadüsen-Kombination gemäß zwei bei- spielhaften Ausführungsformen.
Der in Figuren 1 und 2 dargestellte beispielhafte Aufbau be¬ steht 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 gleichzei- tig die Gegenelektrode für die HV-Entladung der Plasmadüse darstellt .
Durch die angelegte Hochspannung VHv und dem daraus resultie- renden 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 gebün¬ delt, wo sich schließlich eine Plasmaflamme 3 des Reaktions- gases ausbildet. Bringt man nun nach Zufuhr über eine erste Zuführeinrichtung 8 für das elektropositive Metall, bei¬ spielsweise einen Flüssigmetallkanal, über die Metalldüse 6 das zu verbrennende elektropositive Metall 2 gezielt in die Plasmaflamme 3 ein, wird dieses auf Grund der hohen Tempera- turen in der Plasmaflamme gezündet und es bildet sich eine Metallflamme 4.
Wie in Fig. 1 dargestellt kann bei dieser ersten beispielhaf¬ ten 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 Fig. 2 dargestellten zweiten beispielhaften Ausfüh- rungsform ist eine alternative Zerstäubung des elektropositi- ven 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 Fig. 1 und 2 dargestellten Aufbau mit innenliegender Metalldüse 6 und außenliegender Plasmadüse 5 ist auch ein inverser Aufbau gemäß einer dritten beispielhaf- ten 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 Hochspannungselekt¬ rode 12 erzeugt werden.
Fig. 4 zeigt im Detail schematisch die Hochspannungsentladung in einer vierten beispielhaften Ausführungsform, die groß- teils 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 Reakti- onsgases kann nämlich beispielsweise über den Abstand der
Anode zur Kathode bzw. der Metalldüse 6 zur Plasmadüse 5 ein¬ gestellt werden. Entscheidend ist dabei der Punkt des ge¬ ringsten Abstandes, da dort die Isolationsstrecke am kürzes¬ ten ist und sich somit dort eine HV Entladung einstellt, wie in Fig. 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 speziel¬ len Düsendesign ist in Figur 5 dargestellt. Hierbei wird das elektropositive Metall beispielhaft als Flüssigkeit bereitge¬ stellt, 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 - ge- schwindigkeit , 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 ge¬ nutzt werden. Die Hochspannung entlädt sich somit direkt zwischen dem zu verbrennenden Medium, dem elektropositiven Me- tall 2, und der Plasmadüse 5. Dies ist einzigartig für die Flüssigmetallverbrennung, da andere Brennstoffe wie Öl, Ben¬ zin, Kohlestaub, usw. nahezu keine elektrische Leitfähigkeit besitzen .
Eine sechste beispielhafte Ausführungsform ist in Figur 6 ge¬ zeigt. 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 bei- spielsweise durch eine Drallscheibe 15 realisieren, die in der zweiten Zuführeinrichtung 10 für das Reaktionsgas sitzt und den Gasstrom entsprechend umlenkt, wie in Fig. 6 darge¬ stellt ist. Eine siebte beispielhafte Ausführungsform, in der eine dem Aufbau in Figur 1 entsprechende Düse verwendet wird, ist in Figur 7 gezeigt, wobei als Reaktionsgas 1 und Zerstäubungsgas 7 Kohlendioxid zum Einsatz kommt, während als elektropositi- ves Metall 2 Lithium mit einer Temperatur von ca. 300 °C dient. Die beispielhafte Düse weist bezüglich der Zuführein¬ richtungen bzw. Düsenaustritte Durchmesser dl von 0,5 mm, d2 von 2 mm und d3 von 3,5 mm auf. Die Zündung des Plasmas er¬ folgt über einen Hochspannungsgenerator als Hochspannungsquelle mit einer angelegten Spannung UHv 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 Aus- führungsformen 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. Er¬ lischt 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 Flüssigmetall- brenner, mit integrierter Plasma-Zündeinrichtung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen eines Reaktionsgases (1) mit ei¬ nem 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, min¬ destens einer Düse zugeführt werden und das zugeführte Reak¬ tionsgas (1) innerhalb der mindestens einen Düse zumindest zeitweise in ein Plasma überführt wird.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei durch Anlegen eines Kontaktes das elektropositive Metall (2) als Elektrode bei der Plasmaerzeugung dient.
6. 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 Me¬ tall (2), die derart ausgebildet ist, das elektropositive Me¬ tall (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.
7. 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.
8. 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.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die mindestens eine Düse als Einstoff- oder Zweistoffdüse ausge- bildet ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, weiter aufweisend eine Schmelzvorrichtung oder eine Zerkleinerungs¬ vorrichtung 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.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die mindestens eine Düse als Metalldüse (6) oder als Reaktions¬ gasdüse (5) oder als Zerstäubungsgasdüse ausgebildet ist, wo¬ bei 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 .
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die erste Zuführeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) koaxial in¬ nerhalb 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 Zu¬ führeinrichtung (8) für das elektropositive Metall (2) derart ausgebildet ist, dass das elektropositive Metall (2) inner¬ halb der mindestens einen Düse zugeführt wird.
13. 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 verbun- den 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 Reaktions¬ gas ( 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 Zerstäu¬ bungsgas (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.
14. 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) ge¬ bildet werden.
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