WO2015082289A1 - Process plant for the continuous combustion of an electropositive metal - Google Patents

Process plant for the continuous combustion of an electropositive metal Download PDF

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WO2015082289A1
WO2015082289A1 PCT/EP2014/075746 EP2014075746W WO2015082289A1 WO 2015082289 A1 WO2015082289 A1 WO 2015082289A1 EP 2014075746 W EP2014075746 W EP 2014075746W WO 2015082289 A1 WO2015082289 A1 WO 2015082289A1
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metal
electropositive
lithium
thermal energy
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Helmut Eckert
Renate Elena Kellermann
Wiebke SARFERT-GAST
Günter Schmid
Dan Taroata
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • 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 of conti nuous ⁇ burning an electropositive metal for generating thermal energy, and preferably the same chemical raw materials, and an apparatus for continuously burning a loan electropositive metal for generating thermal energy.
  • DE 10 2010 041 033 A1 shows how a complete energy cycle with electropositive metals can be represented.
  • lithium which serves both as Ener ⁇ energy carrier as well as energy storage is used. It is believed that the findings can be transferred to other electro-positive metals such as sodium, potassium or magnesium, calcium, barium or aluminum and zinc.
  • Lithium meets the criteria for such a fully recyclable energy source.
  • lithium oxide or its salts are electrochemically reversible to lithium.
  • hitherto no industrially utilizable processes have been known.
  • This lithium is used in the overall cycle as the energy source and energy storage and is therefore not consumed, but only changes its oxidation state during the cycle.
  • the amount of energy that can be stored at the same time scales with the amount of lithium used.
  • DE 10 2010 041033 AI it is shown that a power plant operation can be realized by means of lithium as a metallic coal ⁇ set. On a thermodynamic energy scale, lithium is so high that it is highly exothermic, not only in air, but also in pure nitrogen, hydrogen and carbon dioxide.
  • the combustion of lithium into carbon dioxide is an energy-efficient way to significantly reduce the CO 2 emissions of a fossil power plant.
  • the advantage here is that both the thermal energy from the combustion process of Li in CO 2 and the reaction ⁇ product (CO) contribute to energy or are useful. So the carbon atom leaves for example in methanol TIALLY ⁇ to the power plant.
  • ammonia can also be produced under similar power plant conditions, one of the most important raw materials of the fertilizer industry. This is the case with the combustion of lithium in nitrogen (for example, from air decomposition in power plant concepts such as
  • Lithium ⁇ nitride reacts exothermically with water to ammonia.
  • lithium as well as magnesium, potassium, sodium, calcium, barium
  • electropositive metal for example, lithium, in a burner room requirement.
  • the above-mentioned reactions of lithium with the indicated gases are known from the laboratory scale, combustion of electropositive metal in air, a carbon dioxide, Nitrogen, water vapor, or oxygen atmosphere or in gas mixtures in a continuous power plant process with a continuous supply of electropositive metal as a fuel and in the form of spray or particles not yet realized. Investigations into the ignition and ignition temperature for a power plant-relevant process for energy conversion are not known in the literature.
  • Lithium fires are to be prevented or how they are to be extinguished in case of fire.
  • the process used for this purpose includes a reaction chamber, in which lithium filled and liquefied at 400 ° C is vice ⁇ sets. Gas mixtures of oxygen, nitrogen and What ⁇ serdampf were in the chamber via a gas inlet through the liquid lithium led (Gil, TK, Kazimi, MS, Plasma Fusion Center MIT, 1986). However, here too no deeper analysis of the combustion process to lower ⁇ investigation of the reaction mechanisms and the resultant reaction products was carried out.
  • 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, must be introduced into the oxidant as a high surface area powder or spray. tion medium to maintain a sufficient flow of energy are introduced.
  • a process for producing lithium particles is described in the patent DE 10 2011 052 947 AI.
  • the ⁇ Patent specification DE 10 2011 052 947 Al is directed here to the Her ⁇ position of products such as metal oxides, metal hydrides or metal by the reaction of lithium ((in particulate form) with a reactive gas is oxygen, water, or
  • 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 alkali metal halide.
  • a combustion process is not covered in the document DE 102 04 680 AI.
  • the production of lithium particles takes place by the atomization of lithium melt in an inert atmosphere or in a vacuum, using single-substance pressure nozzles and preferably two-component nozzles.
  • the present invention relates to a method for continuously burning an electro-positive metal to generate thermal energy
  • Process chamber with a process gas generating thermal energy
  • chemical raw materials are simultaneously produced during the combustion.
  • the invention further relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
  • Figure 1 Schematic overview of the process flow and a
  • Figure 2 Schematic view of a piston pump as an example of a conveyor of the present invention
  • Figure 3 Schematic view of an injector as an example of a conveyor of the present invention
  • Figure 4 Schematic view of a screw compressor as
  • Figure 5 Schematic view of an extruder as an example of a conveyor of the present invention
  • Figure 6 Schematic view of a nozzle as an example of a
  • FIG. 8 Schematic view of a nozzle as an example of a sputtering device of the present invention
  • Figure 9 Schematic view of an exemplary process ⁇ chamber of the present invention
  • Figure 10 Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention
  • Figure 11 Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention
  • Figure 12 Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention
  • the present invention describes an apparatus / Pro ⁇ zessstrom, which allows an electropositive metal such as to burn in a continuous process, the energy source lithium, and the process performed by means of this device, method of continuous combustion of the electropositive metal. Furthermore, the invention relates to a device / process plant, it enables light to process electro-positive metals such as alkali and alkaline earth metals ⁇ in a continuous process, for example, a spray, and then burn them in a process chamber. As electropositive metals are in this context
  • an electropositive metal is a metal which with respect to the standard hydrogen electrode at 25 ° C has a Elektrodenpo ⁇ tential of ⁇ -0.75V.
  • Preferred electropositive metals are alkali or alkaline earth metals or Al or Zn as well Mixtures and alloys thereof, with Li, Na, K, Mg and mixtures and alloys thereof being more preferred, and more preferably the electropositive metal is Li and its alloys, particularly preferably Li.
  • Lithium is particularly versatile in reacting with various ones Process gases as well as under safety aspects preferred.
  • the device / process system assumes the following after ⁇ running part functions
  • melting or pulverizing the electropositive metal i. Transition from the solid to the liquid state or process of surface enlargement of the electropositive metal to increase its reactivity;
  • melting of the electropositive metal is preferred according to certain embodiments.
  • the process plant according to the invention for the combustion of lithium consists of the process units:
  • Feeder supply of the electropositive metal.
  • Dosing unit Dosing the electropositive metal.
  • Melting device or pulverizer Melting or pulverizing the electropositive metal.
  • Conveyor also called process unit for continuous pressure build-up: transport melt and build up pressure.
  • atomizing device for example nozzle / nozzle tool:
  • Process chamber possibly ignition and combustion of the particles produced, for example in a reaction gas.
  • the feed unit, the metering unit and the melting device can also be combined in the context of a metering device, with which the electropositive metal is metered, wherein it is melted at the same time.
  • other parts of the system can be combined in certain embodiments, for example only the dosing unit and the melting device, the melting device and the conveyor, the dosing unit, the melting device and the conveyor, etc., so that their functions are taken over in a single combined component and no clear demarcation between the individual components occurs.
  • melting and / or metering may occur during promotion of the electropositive metal.
  • the melting device and the conveyor are coupled together.
  • FIG. 1 A schematic overview of the process flow is shown in FIG. 1.
  • the present process (process) P comprises the following steps in this order:
  • Process chamber with a process gas generating thermal energy
  • the method steps i to vi can be carried out.
  • the present invention thus relates, in one aspect, to a method of continuously burning an electropositive metal to generate thermal energy
  • Process chamber with a process gas generating thermal energy According to certain embodiments, the pressurization in step iv) at a pressure of 0.01 to
  • the electropositive metal can also, in step v) with the process gas sprayed ⁇ the.
  • the electropositive metal is ignited after sputtering in step v). In particular, an ignition of the electropositive metal has not been realized on an industrial scale.
  • the molten in step iii) electropolished ⁇ sitive metal in the steps iv) and v) may further preferably be heated to a temperature above the melting point of the electro ⁇ positive metal.
  • the electro-positive metal can also be used in some areas in steps iv) and / or v), ie in parts of the conveyor
  • the sputtering device are heated to a temperature below the melting point of the electropositive metal, wherein it can then be heated in the further course in these steps iv) and / or v) to a temperature above the melting point of the electropositive metal.
  • the thermal energy generated in step vi) may, according to certain embodiments, be used to generate electrical energy
  • Energy and / or used to melt the electropositive metal may also be used instead or in addition to heat the electropositive metal in steps iv) and v).
  • solids are carbonate and / or nitride compounds such as lithium carbonate L1 2 CO 3 and / or lithium nitride L1 3 N, but also oxides or hydrides such as L1 2 O or LiH or hydroxides such as LiOH, but also combustion products pure from the process gas such Carbon C or its reaction product lithium carbide.
  • the present invention thus also relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
  • Conveyor is coupled and adapted to atomize the electropositive metal
  • the process gas is not further limited in the present invention as long as it can be burned with the electropositive metal to generate thermal energy. This can be easily estimated by reaction enthalpies.
  • the electropositive metal is brought in step vi) with the process gas to reac ⁇ tion, wherein the process gas is air, carbon dioxide, Nitrogen, water vapor, hydrogen, oxygen or
  • the inventive method is preferably carried out in a device which is operated with a power greater than 1 kW, preferably greater than 100 kW.
  • the amount of supplied to the combustion electro-positive metal for example, the injected lithium ⁇ amount,> lOg / s and the thermal power achieved thereby be> 100 KW.
  • the reaction temperature in the reactor system / the process chamber is preferably> 500 ° C. Adiabatic reaction temperatures up to 4000K can be achieved.
  • the feed device 1 has the task of the electropositive metal, such as the fuel and energy sources
  • the dosing unit 2 has the task of the electropositive metal, such as the fuel and energy carrier "lithium” for the combustion process continuously
  • the electropositive metal for example lithium
  • the starting material can be present in the form of powder, granules, pellets or bulk material (for example in the form of blocks or in barrels).
  • lithium for example in the form of pellets, granules or powder with a typical particle size in the range of about 0.01 to 100 mm is present, it may, for example, a
  • dosing or vibrating chutes or similar dosing units which are commonly used for dosing solids, are added to the process plant.
  • the type of dosing unit 2 is not particularly limited here.
  • the metering unit Since electropositive metals, such as lithium as well as other suitable alkali and alkaline earth metals such as Magne ⁇ sium and sodium, oxidize in air.
  • the metering unit is encapsulated air-free or airtight.
  • the dosing unit for protection to ⁇ addition with respect to the electropositive metal, such as lithium, inert behaving gases such as argon or CO and / or aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane and / or volatile oils such as pentane, hexane, octane , aromatic hydrocarbons or mixtures thereof are flooded.
  • the electropositive metal is melted or pulverized in a melting device or in a pulverizer 3. Preference is given to melting using a melting device.
  • a melting device 3 are any components into consideration, with which an electropositive metal can be melted.
  • the electropositive metal may be in particulate form in a heated flow tube melted and thus simply the conveyor 4, in which a pressure build-up, as a melt, for example by means of Pum ⁇ pen supplied.
  • the treatment of particulate electro-positive metal, such as lithium with the help of a conveyor, such as a heated conveyor belt, a continuous furnace or a rotating screw conveyor and a heated cylinder, which is able to congress the electropositive metal ⁇ melt and transport.
  • an electropositive metal such as lithium is usually stored and transported in barrels with a capacity of 100 liters and more.
  • electropositive metal eg lithium metal
  • the use of the present in large quantities in barrels or containers metal is therefore preferred.
  • the solid metal is melted in this case, for example, in a continuous furnace to supply it in the form of melt the conveyor 4.
  • the waste heat of the combustion ⁇ process can be used in a device according to the invention for melting the electropositive metal. This is particularly attractive for the alkali metals or higher alkaline earth metals (especially Mg, Ca, Sr, Ba), such as lithium, sodium, as they melt easily.
  • a powdering device 3 can be provided, in which the electropositive metal is pulverized to fine dust, which can then be burnt after atomization with the process gas, for example also with the aid of an ignition device. Powdering of the electropositive metal, for example lithium, is preferably carried out using a protective gas, since the electropositive metal reacts easily, for example in air, and thus an inert
  • the electropositive metal is preferably also not introduced with a particle size of less than 10 mm in the inventive device or the method according to the invention by the feeder ⁇ device 1.
  • the electropositive metal in the form of particles having a particle size in the range to 10 mm, preferably up to 1 mm, more preferably up to 100 ym and particularly preferably up to 10 ym under protective gas may optionally be dispensed with an independent Pulverisier Road 3, but this is not preferred, and it takes place within the system, for example within the feed - Device 1, the metering unit 2, the conveyor 4 and / or the atomizer 5, a further pulverization instead, so that these components can thus take over the function of the Pulverisier worn 3 with.
  • pulverization is preferably carried out with metals such as Zn and Mg.
  • the conveyor 4 is for the continuous transport of the melt provided by the melting device 3 of the electropositive metal, for example
  • the conveyor 4 may for example be designed as a conveyor coupled with a system for pressure build-up, but also as an integrated component in which the promotion takes place under simultaneous pressurization.
  • the conveyor may include heating elements 100 configured to be electropositive metal to a temperature above the
  • the delivery device 4 comprises a piston pump, as illustrated by way of example in FIG.
  • the piston pump consists of a possibly heated cylinder 41a and an axially bewegli ⁇ chen piston 41b, for example, a reciprocating piston, which pressurizes the molten metal MM with pressure, combined with an inlet valve and a nozzle outlet as an example of Zerstäube Nur 5, with which the Spray S is generated.
  • two or more piston pumps can be operated in alternating cycles, wherein the nozzle outlet opens into a common process chamber 6.
  • Other known types of piston pumps, which are also suitable for the pressure build-up of lithium melts are, for example RadialkoIbenpumpen
  • the working pistons are arranged radially and perpendicular to the rotating shaft.
  • the lifting movement is triggered, for example, via the eccentrically mounted pump shaft.
  • the inlet of the melt takes place either from the inside via a hollow pumping shaft or is applied from the outside.
  • injector 42 instead of a piston, the molten metal MM, for example lithium melt, is pressurized in a so-called injector 42, as shown by way of example in FIG.
  • the molten metal MM which is present for example in a cylinder 42 a, by a gas flow 42 b with pressure (for example 3-5 bar) is applied to press them through the Zerstäubeeinrich- device 5, for example a nozzle to produce the spray S.
  • a gas flow 42 b with pressure for example 3-5 bar
  • pressure for example 3-5 bar
  • gas come, especially in the case of lithium, argon and CO or aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane or depending on the field of application volatile alkanes and aromatics for use, since they do not react with lithium.
  • the screw compressor 43 for example a screw pump, has the task of conveying the molten metal MM in a continuous process and building up the pressure required for spraying the molten metal MM, and is shown by way of example in FIG.
  • the technology of the two intermeshing, rotating spindles used here, for example 43b comes usual way in the compression of gases such as air and liquid ⁇ possibilities for application.
  • the medium to be compressed is continuously displaced by the helical toothing of two spindles 43b within the cylinder 43a, as the working volume of the gas channels decreases along the axis towards the outlet end.
  • the profiles of the two helical spindles 43b are usually different, with one spindle having a concave and the other a convex profile.
  • the length of the spindles typically extends over 5 to 10 spiral turns.
  • the screw pump is used to build up pressure.
  • the screw compressor 43 is used according to the invention to build up pressure in the molten metal MM in a continuous process in order to press it through the atomizing device 5, for example a nozzle tool, for particle or droplet production.
  • Typical pressures that are required to process an electro-positive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, Favor 1 - 10 bar.
  • the screw compressor 43 is optionally equipped with one or more heating elements 100.
  • the pressure in an extruder system / an extruder 44 is created which is illustrated at ⁇ way of example in FIG. 5 In contrast to the embodiments AC, the extruder 44 is adjacent to the
  • Dosing unit 2 and the melting device 3 take over, and thus can be dispensed with a separate upstream metering unit 2 and a separate melting device 3 for preparing the molten metal MM.
  • the extruder 44 is thus a particular embodiment of a component within the continuous incinerator / apparatus.
  • An extruder 44 essentially consists of a possibly heatable cylinder 44a, in the interior of which one or two rotating screws 44b do the work.
  • the extrusion process is typically used in the processing of plastic melts, with the plastics (thermoplastics) to be processed as fine-grained granules or
  • Powder are added.
  • the molding takes place at the exit of the extruder, by the plastic melt through a
  • Nozzle tool is pressed. In this way, For example, cables, hoses, films produced in a continuous process.
  • the extruder 44 In contrast to the screw pump, the extruder 44 also assumes the task of melting the mate ⁇ rial here. For this reason, the screws 44b are longer than the screw pump and typically include more than 10 and up to 100 spiral circuits.
  • Plastics in which the abovementioned extrusion process is usually used are usually viscous and have viscosities in the range> 100 Pas compared to the melt of the electropositive metal MM, for example a lithium metal melt with a melt viscosity of about 0.5 mPas (for comparison: water at room temperature has 1 mPas), rather than viscous.
  • the pressure in the melt depends essentially on the type of extruder 44 and its screw geometry.
  • Known designs are single and twin-screw extruders (also twin-screw extruder).
  • the teeth of two screws 44b engage each other, with closely intermeshing, counterrotating screws 44b favor the pressure build-up and therefore for processing and pressure build-up of low-viscosity molten metals, such as lithium, which is the preferred design.
  • the tempering of the cylinder 44a also plays a role in the pressure build-up.
  • the viscosity as temperature-dependent and pressure-dependent material properties can in this case 44 stunning ⁇ influence on the heating zones / heating elements 100 of the extruder system.
  • he became the father of friction ⁇ carries the material to heat and thus to
  • the extruder 44 has at least 3, typically via 5-7 separately controllable heating zones / heating elements 100, which a gradual and thus controlled melting and pressure build-up of the electropositive metal, in the case of lithium in a temperature range of room temperature (eg. 25 ° C) to about 450 ° C, allow.
  • Typical pressures that are required to process the electropositive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, preferably 1-10 bar.
  • the design of the screw 44b influences the melting behavior of the electropositive metal and the compression or build-up of pressure in the melt and thus the extrusion and spray process.
  • Common designs such as those used in plastics processing, are, for example, 3-zone screws, short compression screws, long compression screws, degassing screws and screw conveyors.
  • a detailed description of the plastic extruder technology can be found, for example, in Schenkel, G., Kunststoff-Extrudertechnik, Carl Hanser Verlag, Kunststoff, Vienna 1963.
  • a 2-zone screw is for example for the processing of fine-grained or powdered electropositive metal, for example, lithium, suitable.
  • the extruder 44 is filled with material and this melted directly on ⁇ .
  • the pressure builds up. In order to build up the pressure efficiently, it is advantageous if in this area the working space in the direction of the outlet decreases continuously. This is done for example through a steady Ver ⁇ réelleung the channel depth.
  • the profiles of the two screws 44b may be identical or as in the screw pump in a convex and concave design.
  • the design of the screw design depends on the size of the plant / equipment and the required process speeds and mass flow rates (for example throughput of electropositive metal or lithium mass flow rate: from lg / s to 50 t / h).
  • the Zerstäube desk 5 for example a nozzle tool / a nozzle 51 as a single-fluid nozzle / single-fluid pressure nozzle, a two-fluid or pneumatic nozzle or a mechanical nozzle is preferably directly connected to the conveyor 4 and has an object, the melt of the electropositive Me ⁇ talls MM or the pulverized electropositive metal into a fine particulate spray S having particle sizes up to and including 100 ym, preferably up to 10 ym and more preferably up to
  • a nozzle 51 located at the atomizer 5, for example, a nozzle 51, according to certain Embodiments of a fastening device 45, as shown in Figures 6 to 8.
  • Atomizing device 5 or nozzle 51 with internal gas supply Embodiments for nozzles 51 without internal gas supply (so-called single-substance nozzles) can be found by way of example in FIGS. 6 and 7 and with internal gas supply in FIG.
  • the nozzle diameter tapers toward the nozzle outlet.
  • the bore diameter of the nozzle 51 is typically in the range of 0.5 to 3 mm.
  • the molten metal MM leaves the nozzle 51 at sufficient speed and pressures in the range of 0.01-100 bar, preferably 1 - 10 bar, forming fine
  • a process gas inlet 52 e.g. additional nozzles (for example in the form of a ring nozzle, which is formed annularly around the nozzle, or in FIG.
  • Supplied process gas PG promotes the formation of droplets and also serves as a process gas (PG (reaction gas)) for combustion with the electropositive metal, for example lithium .
  • PG reaction gas
  • the process gas at a certain distance from the outlet of the atomizer 5, example ⁇ as the nozzle outlet is supplied to prevent clogging of the Zerstäube Road 5, for example the nozzle 51, for example at a distance of more than 1 cm, more than 1 dm or more than 1 m, for instance more than 5 m.
  • the nozzle 51 may be provided with a perforated grid 53 to further promote the formation of droplets.
  • the process gas PG is supplied via a gas nozzle in the interior of the tool nozzle 51, in order to favor the atomization of the molten metal MM.
  • process gases come in ⁇ example in the case of lithium, for example, N 2 , CO 2 , H 2 O, air in question.
  • This design is a two-fluid nozzle. These have the advantage that the atomization by the process gas PG takes place, which is also used as a reaction gas (oxidant) for the combustion and thus no subsequent supply of process gas PG is necessary. So that no mixing of the process gases PG and the "fuel electropositive metal" takes place within the nozzle, which would lead to an undesired premature conversion of the electropositive metal to carbonate, oxide, nitride, the supply line for the internal gas supply is preferably so ⁇ sets in that the desired combustion takes place after ignition.
  • swirlers incorporated in the nozzle 51 may generate flow turbulences, thereby promoting the formation of fine droplets.
  • the generated droplet size of the spray S is on the one hand dependent on the geometry and temperature of the atomizer 5 and on the other hand on the viscosity of the melt and the pressure with which it is pressed through the nozzle. Therefore, the Zerstäube driving 5, for example, a
  • Nozzle 51 can be heated in certain embodiments.
  • Typical orifices have a diameter in the range of 0.5 to 3 mm.
  • Process chamber 6
  • the process chamber 6 (combustion ⁇ reactor) is preferably hermetically encapsulated, for example by a reactor wall 61.
  • the supply of the process gases PG either directly to the Zerstäube overlooked 5, as described above, or the process gases are introduced into the process chamber 6.
  • process gases PG for the combustion of the electropositive metal such as lithium, for example, the gases oxygen 0 2 , water vapor H 2 O, carbon dioxide CO 2 or nitrogen 2 are used, which can react strongly exothermic with the electropositive metal. 2 as flame ⁇ temperatures up to 4000 K and 2 were calculated up to 2000K, for example, in the reaction of lithium with CO.
  • the start of combustion occurs directly in response to the process gas PG, according to certain embodiments.
  • This type of autoignition takes place under certain conditions, which depend inter alia on the particle size of the spray S, the Tempe ⁇ temperature, pressure and the process gas PG.
  • ignition temperatures For the reaction of lithium with nitrogen, for example, ignition temperatures of 170 ° C to 600 ° C are reported in the Lite ⁇ temperature.
  • values in the range of 400 to 640 ° C can be found.
  • moisture for example in the form of water vapor, shifts the ignition to lower temperatures and has an accelerating effect (Rhein, RA:
  • the process chamber 6 is equipped with an ignition device 7 according to preferred embodiments. This can e.g. via a discharge spark or plasma excitation.
  • ignition devices 7 e.g. Magneto, electronic
  • the ignition can be initiated by adding steam. Once the combustion process has been ignited, it will continue to run by itself, provided that the electropositive metal, eg, lithium, and process gas PG are continuously supplied to the combustion process. Alternatively, the electropositive metal which can be injected ⁇ upper half of the ignition temperature, a
  • Other gaseous reac ⁇ tion products for example, formed in the reaction with water or C0 2, for example, are H 2 and CO.
  • the process chamber is designed in accordance with certain embodiments so that resulting burn-off products 64 can be disposed of via a possibly interchangeable grid floor 63 during operation. Resulting gaseous products can be extracted via an outlet 62 and collected for further follow-up reactions.
  • the CO formed during combustion in C0 2 can be used as starting material for the production of methanol or hydrocarbons.
  • the combustion products 64 may be removed continuously by means of a discharge device within the process chamber, for example, which is adapted to remove a combustion ⁇ product of the electropositive metal with the process gas kon ⁇ continuously from the process chamber, for example a conveyor belt or similar.
  • a discharge device within the process chamber, for example, which is adapted to remove a combustion ⁇ product of the electropositive metal with the process gas kon ⁇ continuously from the process chamber, for example a conveyor belt or similar.
  • the outlet 62 by means of which continuously gaseous products of the combustion can be removed, is to be understood as a discharge device.
  • the thermal energy generated in the process chamber is used according to certain embodiments, eg analogous to a coal-fired power plant primarily for power generation.
  • steam can be generated, which is a Gastur- bine, which converts the thermal into electrical energy.
  • all compounds formed during the combustion of the electropositive metal, for example lithium can be further utilized and further processed, or they are recycled by means of electrolysis into the electropositive metal, for example lithium.
  • the loss produced by the combustion heat which does not benefit due to Entro ⁇ pie bin binen of electricity, be utilized as heat for the heating of the starting material, the electropositive metal can.
  • the device according to the invention further has a transport system with which the thermal energy is conducted to the melting device 3 and / or to the conveying device 4 for heating the electropositive metal.
  • Embodiment 1 (FIG. 10) is a special embodiment for processing powdered and particulate metals, here lithium, in which the extruder 44 takes over the process steps - melting, conveying and pressure.
  • Extruders 44 are constructed as set forth above, wherein the process chamber 6 has an ignition device 7.
  • a special feature in this embodiment is that the extruder 44 and the supply of the metal pellets MP as well as the dosage device 2 in an inert gas, such as argon, ge ⁇ filled chamber 20 are provided to reactions of the electropositive metal in these components with the Environment as far as possible to exclude.
  • Embodiment 2 according to Figure 11 of the screw compressor shown above are 43 connected to the above dargestell ⁇ th process chamber 6, wherein the supply to the screw compressor, the metering and melting in a
  • inert gas SG for example argon
  • the process chamber 6 has an ignition device 7.
  • Embodiment 3 shown in FIG. 12 the above-described screw compressor 43 is connected to the above-described process chamber 6 having an ignition device 7.
  • the supply to the screw compressor 43 takes place as follows: Via a conveyor belt 11 as an example of a feed device 1, solid electropositive metal, in this case lithium, in barrels of a continuous
  • Furnace 31 which is filled with inert gas SG for pressure equalization and to prevent premature reaction of the metal supplied. From this continuous furnace ⁇ plant 31, the molten metal MM is supplied via a valve to the screw compressor 43. On the speed of the conveyor 11, the valve before the screw compressor 43, etc. Here, the metering can be controlled, so that the combination of conveyor belt 11, a continuous furnace ⁇ system 31 and valve after melting the dosing unit 2 comprises.
  • Metal in particular lithium, and the inventive method:
  • process gases such as C0 2 , N 2 , H 2 , air, water.
  • the system / device takes over all the processes required for the combustion of the electropositive metal, such as: providing material, melting, conveying, pressure build-up, sputtering, possibly igniting and burning the lithium.
  • the process is scalable from small material throughputs of a few 10 g / h up to several 100 kg / h or to the 100 tons / h (comparison coal-fired power plant 13000 t coal per day).
  • the systems are relatively compact and can be connected directly to oxyfuel power plants without special precautions.
  • the CO 2 produced in oxyfuel power plants can be used as a reaction gas for combustion.
  • the thermal energy generated in the system can be any thermal energy generated in the system.

Abstract

The invention relates to a method for the continuous combustion of an electropositive metal for generating thermal energy and to a device for the continuous combustion of an electropositive metal for generating thermal energy.

Description

Beschreibung description
Prozessanlage zur kontinuierlichen Verbrennung eines Process plant for continuous combustion of a
elektropositiven Metalls electropositive metal
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum konti¬ nuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, und bevorzugt gleichzeitig chemischer Rohstoffe, sowie eine Vorrichtung zum kontinuier- liehen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie. The present invention relates to a method of conti nuous ¬ burning an electropositive metal for generating thermal energy, and preferably the same chemical raw materials, and an apparatus for continuously burning a loan electropositive metal for generating thermal energy.
Stand der Technik Fossile Brennstoffe liefern jährlich zehntausende Terrawatt- stunden an elektrischer, thermischer und mechanischer Energie. Das Endprodukt der Verbrennung, Kohlendioxid (C02) , wird jedoch zunehmend zu einem Umwelt- und Klimaproblem. Beispielsweise wird in DE 10 2008 031 437 AI und Background Fossil fuels deliver tens of thousands of terawatt hours of electrical, thermal and mechanical energy per year. However, the end product of combustion, carbon dioxide (C0 2 ), is increasingly becoming an environmental and climate problem. For example, in DE 10 2008 031 437 AI and
DE 10 2010 041 033 AI aufgezeigt, wie sich ein vollständiger Energiekreislauf mit elektropositiven Metallen darstellen lässt. Als Fallbeispiel dient Lithium, das sowohl als Ener¬ gieträger als auch als Energiespeicher dient. Es wird darin angenommen dass sich die Erkenntnisse auf andere elektro- positive Metalle wie Natrium, Kalium oder Magnesium, Calcium, Barium oder Aluminium und Zink übertragen lassen. DE 10 2010 041 033 A1 shows how a complete energy cycle with electropositive metals can be represented. As a case study of lithium, which serves both as Ener ¬ energy carrier as well as energy storage is used. It is believed that the findings can be transferred to other electro-positive metals such as sodium, potassium or magnesium, calcium, barium or aluminum and zinc.
Sind die aktuellen Anstrengungen zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie erfolgreich, wird in naher Zukunft genügend Energie aus diesen Quellen zur Verfügung stehen. Da diese elektrische Energie zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, wo diese nicht unbedingt verbraucht werden kann, muss diese temporär oder auch saisonal zwischengespeichert werden. If the current efforts to generate renewable electrical energy are successful, sufficient energy will be available from these sources in the near future. Since this electrical energy is generated at a time when it can not necessarily be consumed, it must be temporarily or seasonally cached.
Lithium erfüllt die Kriterien an einen solchen vollständig wiederverwertbaren Energieträger . Im Gegensatz zu Kohledioxid sind Lithiumoxid oder seine Salze elektrochemisch in Lithium rückverwandelbar . Für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid sind bisher jedoch keine großtechnisch verwertbaren Prozesse bekannt. Lithium meets the criteria for such a fully recyclable energy source. In contrast to carbon dioxide, lithium oxide or its salts are electrochemically reversible to lithium. For the electrochemical reduction of carbon dioxide, however, hitherto no industrially utilizable processes have been known.
C + O2 ► CO2 + mechanische (elektrische) EnergieC + O2 ► CO2 + mechanical (electrical) energy
C02 + elektrische Energie / » C + 02 C0 2 + electrical energy / »C + 0 2
2Li + O2 ► 2 L12O + mechanische, chemische, 2Li + O 2 ► 2 L1 2 O + mechanical, chemical,
elektrische Energie  electrical power
2 L12O + elektrische Energie ► 2 Li + O2 2 L1 2 O + electrical energy ► 2 Li + O 2
Die wichtigsten Reaktionen, die Lithium mit Kohlendioxid CO2, Stickstoff 2, Sauerstoff O2, und Wasser H2O eingehen kann sind mit den resultierenden Bildungsenthalpien in der folgenden Tabelle 1 dargestellt: The most important reactions that lithium can undergo with carbon dioxide CO 2 , nitrogen 2 , oxygen O 2 , and water H 2 O are shown with the resulting enthalpies of formation in the following Table 1:
Tabelle 1: Bildungsenthalpien bei der Rektion mit Li Table 1: Educational enthalpies in the reaction with Li
Reaktionsen Enthalpie Enthalpie Verbindung thalpie kJ/mol kJ/g  Reaction enthalpy enthalpy Compound thalpiece kJ / mol kJ / g
kJ/Mol  kJ / mol
Verbrennungsgleichungen  combustion equations
6 Li + N2 —► 2 Li3N -414 -69 -10 Li 6 Li + N 2 -► 2 Li 3 N -414 -69 -10 Li
2 Li + 2 C02 —► Li2C03 + CO -539 -270 -39 Li 2 Li + 2 C0 2 -► Li 2 C0 3 + CO-539 -270 -39 Li
2 Li + 2 H20 —► 2 LiOH + H2 -404 -202 -29 Li 2 Li + 2 H 2 O -► 2 LiOH + H 2 -404 -202 -29 Li
4 Li + 02 —► 2 Li20 -1196 -299 -43 Li 4 Li + O 2 -► 2 Li 2 O-1196 -299 -43 Li
Unterstützende Wechselwirkungen Supportive interactions
Li3N + 3 H20 —► 3 LiOH + NH3 -444 -444 -26 NH3 Li20 + C02 —► Li2C03 -224 -224 -5 C02 Li 3 N + 3 H 2 0 3 -► LiOH + NH 3 -444 -444 -26 NH 3 Li 2 0 + C0 2 -► Li 2 C0 3 -224 -224 -5 C0 2
Vergleichbare Reaktionen Comparable reactions
C + 02 —► C02 -394 -394 -33 C C + 0 2 -► C0 2 -394 -394 -33 C
2 CO + 02 —► 2 C02 -566 -283 -10 CO 2 CO + 0 2 -► 2 C0 2 -566 -283 -10 CO
CH4 + 2 02 —► C02 + 2 H20 -890 -890 -56 CH4 CH 4 + 2 0 2 -► C0 2 + 2 H 2 0 -890 -890 -56 CH 4
2 H2 + 02 —► 2 H20 -572 -286 -142 H2 2 H 2 + 0 2 -► 2 H 2 0 -572 -286 -142 H 2
Damit dient Lithium im Gesamtkreislauf als der Energieträger und Energiespeicher und wird somit auch nicht verbraucht, sondern ändert während des Kreislaufs nur seine Oxidations- stufe. Die gleichzeitig speicherbare Energiemenge skaliert mit der eingesetzten Lithiummenge. In der DE 10 2010 041033 AI wird dargestellt, dass sich ein Kraftwerksbetrieb mittels Lithium als metallischem Kohleer¬ satz realisieren lässt. Lithium liegt dabei auf einer thermo- dynamischen Energieskala so hoch, dass es nicht nur in Luft, sondern auch in reinem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlen- dioxid stark exotherm reagiert. This lithium is used in the overall cycle as the energy source and energy storage and is therefore not consumed, but only changes its oxidation state during the cycle. The amount of energy that can be stored at the same time scales with the amount of lithium used. In DE 10 2010 041033 AI it is shown that a power plant operation can be realized by means of lithium as a metallic coal ¬ set. On a thermodynamic energy scale, lithium is so high that it is highly exothermic, not only in air, but also in pure nitrogen, hydrogen and carbon dioxide.
In Kombination mit fossilen Kraftwerken stellt die Verbrennung von Lithium in Kohlendioxid eine energieeffiziente Möglichkeit dar, den C02-Ausstoß eines fossilen Kraftwerks deutlich zu minimieren. Hierbei macht man sich die exotherme Reaktion von metallischem Lithium und CO2 zu Nutze. Der Vorteil ist hierbei, dass sowohl die thermische Energie aus dem Verbrennungsprozess von Li in CO2 als auch das Reaktions¬ produkt (CO) zur Energiegewinnung beitragen bzw. von Nutzen sind. So verlässt das Kohlenstoffatom z.B. in Methanol gebun¬ den das Kraftwerk. Zudem kann unter ähnlichen Kraftwerksbedingungen auch Ammoniak erzeugt werden, einer der wichtigsten Rohstoffe der Düngemittelindustrie. Dies ist der Fall bei der Verbrennung von Lithium in Stickstoff (zum Beispiel aus der LuftZerlegung bei Kraftwerkskonzepten wie dem In combination with fossil power plants, the combustion of lithium into carbon dioxide is an energy-efficient way to significantly reduce the CO 2 emissions of a fossil power plant. Here, one makes use of the exothermic reaction of metallic lithium and CO 2 to advantage. The advantage here is that both the thermal energy from the combustion process of Li in CO 2 and the reaction ¬ product (CO) contribute to energy or are useful. So the carbon atom leaves for example in methanol TIALLY ¬ to the power plant. In addition, ammonia can also be produced under similar power plant conditions, one of the most important raw materials of the fertilizer industry. This is the case with the combustion of lithium in nitrogen (for example, from air decomposition in power plant concepts such as
Oxyfuel-Prozess ) über das Reaktionsprodukt L13N. Lithium¬ nitrid reagiert exotherm mit Wasser zu Ammoniak. Oxyfuel process) via the reaction product L1 3 N. Lithium ¬ nitride reacts exothermically with water to ammonia.
Für den Einsatz von Lithium (wie auch Magnesium, Kalium, Natrium, Calcium, Barium) als Energiespeicher in einem Kraft- werksprozess zur Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in thermischer Energie und anschließende Verstromung ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Zufuhr, Zerstäubung und Zündung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, in einem Brennerraum Voraussetzung. Während die oben genannten Reaktionen von Lithium mit den angegebenen Gasen aus dem Labormaßstab bekannt sind, konnte eine Verbrennung von elektropositivem Metall in Luft, einer Kohlendioxid-, Stickstoff-, Wasserdampf-, oder Sauerstoff-Atmosphäre oder in Gasgemischen in einem kontinuierlichen Kraftwerksprozess mit einer kontinuierlichen Zufuhr von elektropositivem Metall als Brennstoff und in Form von Spray oder Partikel bisher nicht realisiert werden. Untersuchungen zur Zündung und Zündtemperatur für einen kraftwerksrelevanten Prozess zur Energieumwandlung sind in der Literatur nicht bekannt. The use of lithium (as well as magnesium, potassium, sodium, calcium, barium) as an energy store in a power plant process to convert the stored chemical energy into thermal energy and subsequent power generation has the potential for continuous supply, sputtering and ignition of the electropositive metal , For example, lithium, in a burner room requirement. While the above-mentioned reactions of lithium with the indicated gases are known from the laboratory scale, combustion of electropositive metal in air, a carbon dioxide, Nitrogen, water vapor, or oxygen atmosphere or in gas mixtures in a continuous power plant process with a continuous supply of electropositive metal as a fuel and in the form of spray or particles not yet realized. Investigations into the ignition and ignition temperature for a power plant-relevant process for energy conversion are not known in the literature.
Technisch wurde die Zündung von Lithium lediglich im Zusam- menhang mit eventuellen Lithiumbränden in Kernreaktoren untersucht, wo Lithium als Kühlmittel verwendet wird Technically, the ignition of lithium was only investigated in connection with possible lithium fires in nuclear reactors, where lithium is used as the coolant
(Robert A Rhein "Lithium Combustion: A Review", 1990;  (Robert A Rhein "Lithium Combustion: A Review", 1990;
Robert A Rhein und Conrad M. Carlton "Exctinction of Lithium Robert A Rhein and Conrad M. Carlton "Exctinction of Lithium
Fires", Fire Technology Second Quarter 1993) . Das Haupt- augenmerk der Untersuchungen galt dabe1 der Frage wie Fires, "Fire Technology Second Quarter 1993.) The main focus of the investigations was on the question 1 how
Lithiumbrände zu verhindern sind bzw. wie diese im Brandfall zu löschen sind.  Lithium fires are to be prevented or how they are to be extinguished in case of fire.
In der Literatur sind prinzipielle Untersuchungen zur Reak- tion von flüssigem Lithium mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen bekannt (Bernett, D.S., Gil, T.K., Kazimi, M.S., Fusion Technology, 1989, 15, 2, 967-972; A Subramani, Principal investigations on the reaction of liquid lithium with various gases and gas mixtures are known in the literature (Bernett, D.S., Gil, T.K., Kazimi, M.S., Fusion Technology, 1989, 15, 2, 967-972, A Subramani,
S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000-1007). Der dafür verwendete Prozess beinhaltet eine Reaktionskammer, in welche Lithium eingefüllt und verflüssigt bei 400 °C 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., Plasma Fusion Center MIT, 1986) . Allerdings wurde auch hier keine tiefergehende Analytik des Verbrennungsprozesses zur Unter¬ suchung der Reaktionsmechanismen und der entstehenden Reaktionsprodukte durchgeführt. S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000-1007). The process used for this purpose includes a reaction chamber, in which lithium filled and liquefied at 400 ° C is vice ¬ sets. Gas mixtures of oxygen, nitrogen and What ¬ serdampf were in the chamber via a gas inlet through the liquid lithium led (Gil, TK, Kazimi, MS, Plasma Fusion Center MIT, 1986). However, here too no deeper analysis of the combustion process to lower ¬ investigation of the reaction mechanisms and the resultant reaction products was carried out.
Damit die Verbrennungsvorgänge zur Bereitstellung thermischer Energie für die Stromproduktion eingesetzt werden können, muss das Lithium ähnlich wie bei Kohle- oder Erdölbrennern als Pulver oder Spray mit großer Oberfläche in das Oxida- tionsmittel zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Energieflusses eingebracht werden. In order for the combustion processes to be used to provide thermal energy for power production, the lithium, as with coal or petroleum burners, must be introduced into the oxidant as a high surface area powder or spray. tion medium to maintain a sufficient flow of energy are introduced.
Ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumpartikeln ist in der Patentschrift DE 10 2011 052 947 AI beschrieben. Die Patent¬ schrift DE 10 2011 052 947 AI zielt hierbei auf die Her¬ stellung von Produkten wie Metalloxide, Metallhydride oder Metallnitride durch die Umsetzung von Lithium (in Partikelform) mit einem reaktiven Gas (Sauerstoff, Wasser oder A process for producing lithium particles is described in the patent DE 10 2011 052 947 AI. The ¬ Patent specification DE 10 2011 052 947 Al is directed here to the Her ¬ position of products such as metal oxides, metal hydrides or metal by the reaction of lithium ((in particulate form) with a reactive gas is oxygen, water, or
Stickstoff) ab. Die Umwandlung der in Lithium gespeicherten chemischen Energie in thermische Energie durch eine gezielte Verdüsung, Zündung, vollständige Verbrennung in einem kontinuierlichen kraftwerksrelevanten Verbrennungsprozess mit hoher Leistung, beispielsweise einer Leistung größer 1 kW, bevorzugt größer 100 kW, zur Nutzung sowohl der thermischen Energie der Reaktion als auch der Reaktionsprodukte (fest oder gasförmig), die bei der Verbrennung entstehen, ist jedoch in DE 10 2011 052 947 AI nicht beschrieben. Vielmehr zielt die Anmeldung auf die Herstellung hochreiner Pulver aus duktilen Materialien, insbesondere duktilen Metallen, u.a. Lithium, mittels einer physikalisch-mechanischen Zerkleinerung ab. Zur Herstellung hochreiner Pulver wird vorgeschlagen, das Material im festen Zustand in einer Extrusions- vorrichtung sprunghaft auf einen vorgegebenen Druck zu belasten, indem es in einem Hochdruckcontainer komprimiert wird und über eine sich hinter einem minimalen Querschnitt entlang einer vorgegebenen Entlastungszone erweiternde Extru- dierdüse in einen gegen die Umgebung isolierten Auffangbehälter unter Bildung von Partikeln des Materials entspannt wird. Hierbei wird das in einem Zylinder vorliegende Material durch einen Stempel mit hohem Druck im GPa-Bereich durch eine sog. Extrudierdüse gepresst. Ebenso ist die Umsetzung mit einem reaktiven Gas wie Sauerstoff, Wasserstoff, oder Stick¬ stoff beschrieben um eine Umsetzung zu Metalloxiden, Metall- hydriden oder Metallnitriden zu erhalten. Die bei den Reaktionen frei werdende Energie ist Abfall, der durch die Gefä߬ wand abgeführt werden muss. Dies begrenzt den Durchsatz. Ein Verbrennungsprozess wird in dieser Entgegenhaltung nicht beschrieben . Nitrogen). The conversion of stored in lithium chemical energy into thermal energy by a targeted atomization, ignition, complete combustion in a continuous power plant-relevant combustion process with high performance, such as a power greater than 1 kW, preferably greater than 100 kW, to use both the thermal energy of the reaction as However, the reaction products (solid or gaseous), which are formed during combustion, but is not described in DE 10 2011 052 947 AI. Rather, the application aims at the production of highly pure powders of ductile materials, in particular ductile metals, including lithium, by means of a physical-mechanical comminution. For the production of high-purity powders, it is proposed to load the material in the solid state in an extrusion apparatus abruptly to a predetermined pressure by compressing it in a high-pressure container and into an extruder nozzle extending beyond a minimal cross-section along a predetermined relief zone isolated against the environment collecting container to form particles of the material is relaxed. Here, the material present in a cylinder is pressed by a stamp with high pressure in the GPa range by a so-called. Extrusion. Likewise, the reaction with a reactive gas such as oxygen, hydrogen, or stick ¬ substance is described to obtain a conversion to metal oxides, metal hydrides or metal nitrides. The released in the reactions energy is waste that has to be dissipated through the vessel wall ¬. This limits the throughput. One Combustion process is not described in this reference.
In einer weiteren Patentschrift, 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 Partikeln mit einem Alkali- halogenid umgesetzt wird. Ein Verbrennungsprozess ist in der Schrift DE 102 04 680 AI nicht abgedeckt. Darüber hinaus erfolgt in DE 102 04 680 AI die Herstellung von Lithiumpartikeln durch die Verdüsung von Lithiumschmelze in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum, wobei Einstoffdruckdüsen und bevorzugt Zweistoffdüsen zum Einsatz kommen. Bisher ist keine Prozessanlage bekannt, die es erlaubt, ein elektropositives Metall wie Lithium oder ein anderes Alkali- und/oder Erdalkalimetall als stofflichen Energiespeicher kontrolliert und kontinuierlich in einem großtechnischen Verfahren zur Gewinnung thermischer Energie zu verbrennen, um daraus Strom zu erzeugen. Es ist somit Aufgabe der vorlie¬ gende Erfindung, eine Prozessanlage / eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit der eine Verbrennungsanlage bzw. Verbrennung auf Basis von elektropositivem Metall großtechnisch realisiert werden kann. Another patent, 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 alkali metal halide. A combustion process is not covered in the document DE 102 04 680 AI. In addition, in DE 102 04 680 A1, the production of lithium particles takes place by the atomization of lithium melt in an inert atmosphere or in a vacuum, using single-substance pressure nozzles and preferably two-component nozzles. So far, no process plant is known, which allows an electropositive metal such as lithium or another alkali and / or alkaline earth metal as a material energy storage controlled and continuously burn in a large-scale process for the production of thermal energy to produce electricity from it. It is therefore an object of vorlie ¬ constricting invention to provide a process plant / apparatus and a method with which an incinerator or combustion on the basis of electropositive metal can be realized industrially.
Zusammenfassung der Erfindung Summary of the invention
Gelöst wird die Aufgabe durch die vorliegende Erfindung. The problem is solved by the present invention.
Hierin werden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die es erlauben, durch Verbrennung eines elektropositiven Metalls großtechnisch thermische Energie zu erzeugen. Herein, a method and apparatus are described which allow large-scale thermal energy to be generated by combustion of an electropositive metal.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektro- positiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, According to a first aspect, the present invention relates to a method for continuously burning an electro-positive metal to generate thermal energy,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: characterized by the following steps:
i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls; ii) Dosieren des elektropositiven Metalls; iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven i) continuously supplying the electropositive metal; ii) dosing the electropositive metal; iii) melting or pulverizing the electropositive
Metalls;  metal;
iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter iv) conveying the electropositive metal under
Druckbeaufschlagung;  pressurization;
v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und v) atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and
vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer vi) burning the electropositive metal in one
Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.  Process chamber with a process gas generating thermal energy.
Bevorzugt werden bei der Verbrennung gleichzeitig chemische Rohstoffe erzeugt. Preferably, chemical raw materials are simultaneously produced during the combustion.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung zudem eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen: According to a further aspect, the invention further relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das a) Feeder, which is adapted to
elektropositive Metall kontinuierlich zuzuführen;  continuously supplying electropositive metal;
b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das b) Dosing unit, which is designed to, the
elektropositive Metall zu dosieren;  to dose electropositive metal;
c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren; c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal;
d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das d) conveyor, which is adapted to the
elektropositive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern;  to promote electropositive metal under pressurization;
e) Düse, die mit der Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und e) nozzle coupled to the conveyor and adapted to atomize the electropositive metal; and
f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das f) process chamber adapted to
elektropositive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einem Prozessgas zu verbrennen.  to heat electropositive metal while generating thermal energy with a process gas.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu ent nehmen . Beschreibung der Figuren Further aspects of the present invention are to be taken from the dependent claims and the detailed description. Description of the figures
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der The accompanying drawings are intended to illustrate embodiments of the present invention and to provide a further understanding thereof. In connection with the
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 notwen- digerweise maßstabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Description, they serve to explain concepts and principles of the invention. Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The elements of the drawings are not necessarily drawn to scale with respect to each other. The same, functionally identical and identically acting elements, features and components are in the figures of the drawings, unless otherwise stated, each with the same
Bezugszeichen versehen. Provided with reference numerals.
Figur 1: Schematische Übersicht des Prozessablaufs und einer Figure 1: Schematic overview of the process flow and a
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung  Device according to the present invention
Figur 2: Schematische Ansicht einer Kolbenpumpe als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung Figure 2: Schematic view of a piston pump as an example of a conveyor of the present invention
Figur 3: Schematische Ansicht eines Injektors als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung Figur 4 : Schematische Ansicht eines Schraubenverdichters als Figure 3: Schematic view of an injector as an example of a conveyor of the present invention Figure 4: Schematic view of a screw compressor as
Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung  Example of a conveyor of the present invention
Figur 5: Schematische Ansicht eines Extruders als Beispiel einer Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung Figure 5: Schematic view of an extruder as an example of a conveyor of the present invention
Figur 6: Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer Figure 6: Schematic view of a nozzle as an example of a
Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung Figur 7 : Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer  Sputtering Device of the Present Invention Figure 7: Schematic view of a nozzle as an example of
Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung Figur 8: Schematische Ansicht einer Düse als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung der vorliegenden Erfindung Atomizer of the present invention Figure 8: Schematic view of a nozzle as an example of a sputtering device of the present invention
Figur 9: Schematische Ansicht einer beispielhaften Prozess¬ kammer der vorliegenden Erfindung Figure 9: Schematic view of an exemplary process ¬ chamber of the present invention
Figur 10: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Figur 11: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Figure 10: Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention Figure 11: Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention
Figur 12: Schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung der vorliegenden Erfindung Figure 12: Schematic view of an exemplary apparatus of the present invention
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung/Pro¬ zessanlage, die es ermöglicht, ein elektropositives Metall, beispielsweise den Energieträger Lithium, in einem kontinuierlichen Verfahren zu verbrennen, sowie das mittels dieser Vorrichtung durchgeführte Verfahren der kontinuierlichen Verbrennung des elektropositiven Metalls. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung/Prozessanlage, die es ermög- licht, elektropositive Metalle wie Alkali- und Erdalkalime¬ talle in einem kontinuierlichen Verfahren beispielsweise zu einem Spray zu verarbeiten, um diese dann in einer Prozesskammer zu verbrennen. Als elektropositive Metalle sind in diesem Zusammenhang The present invention describes an apparatus / Pro ¬ zessanlage, which allows an electropositive metal such as to burn in a continuous process, the energy source lithium, and the process performed by means of this device, method of continuous combustion of the electropositive metal. Furthermore, the invention relates to a device / process plant, it enables light to process electro-positive metals such as alkali and alkaline earth metals ¬ in a continuous process, for example, a spray, and then burn them in a process chamber. As electropositive metals are in this context
Metalle gemeint, die im Verhältnis zum verwendeten Prozess¬ gas, welches das Oxidationsmittel darstellt, eine geringe Elektronegativität aufweisen und damit bestrebt sind, Elek¬ tronen abzugeben. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist ein elektropositives Metall ein Metall, welches gegenüber der Standard-Wasserstoffelektrode bei 25°C ein Elektrodenpo¬ tential von < -0.75V hat. Bevorzugte elektropositive Metalle sind Alkali- oder Erdalkalimetalle oder AI oder Zn sowie Gemische und Legierungen davon, wobei Li, Na, K, Mg sowie Gemische und Legierungen davon weiter bevorzugt sind, und bevorzugter ist das elektropositive Metall Li sowie dessen Legierungen, insbesondere bevorzugt Li. Lithium ist insbe- sondere hinsichtlich seiner Vielseitigkeit bei der Reaktion mit verschiedenen Prozessgasen wie auch unter sicherheitstechnischen Aspekten bevorzugt. Meant metals which have low electronegativity in relation to the process used ¬ gas, which is the oxidizing agent and thus strive to deliver Elek ¬ neutrons. According to certain embodiments, an electropositive metal is a metal which with respect to the standard hydrogen electrode at 25 ° C has a Elektrodenpo ¬ tential of <-0.75V. Preferred electropositive metals are alkali or alkaline earth metals or Al or Zn as well Mixtures and alloys thereof, with Li, Na, K, Mg and mixtures and alloys thereof being more preferred, and more preferably the electropositive metal is Li and its alloys, particularly preferably Li. Lithium is particularly versatile in reacting with various ones Process gases as well as under safety aspects preferred.
Die Vorrichtung/Prozessanlage übernimmt dabei folgende nach¬ einander ablaufende Teilfunktionen The device / process system assumes the following after ¬ running part functions
■ Materialbereitstellung, d.h. kontinuierliche Materialzufuhr des elektropositiven Metalls,  ■ Material provision, i. continuous feed of the electropositive metal,
■ Dosieren des elektropositiven Metalls,  ■ dosing the electropositive metal,
■ Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls, d.h. Übergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand oder Vorgang der Oberflächenvergrößerung des elektropositiven Metalls, um dessen Reaktivität zu erhöhen; das Schmelzen des elektropositiven Metalls ist gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch bevorzugt, ■ melting or pulverizing the electropositive metal, i. Transition from the solid to the liquid state or process of surface enlargement of the electropositive metal to increase its reactivity; However, melting of the electropositive metal is preferred according to certain embodiments.
■ Fördern des elektropositiven Metalls, d.h. Transport der Schmelze, ■ conveying the electropositive metal, i. Transport of the melt,
■ Druckaufbau während des Förderns,  ■ pressure build-up during conveying,
■ Zerstäuben,  Nebulizing,
■ Verbrennen.  ■ Burning.
Um diese Arbeitsschritte auszuführen besteht die erfindungs¬ gemäße Prozessanlage zur Verbrennung von Lithium aus den Prozesseinheiten : In order to carry out these operations, the process plant according to the invention for the combustion of lithium consists of the process units:
1. Zuführeinrichtung: Zufuhr des elektropositiven Metalls. 1. Feeder: supply of the electropositive metal.
2. Dosiereinheit: Dosieren des elektropositiven Metalls.2. Dosing unit: Dosing the electropositive metal.
3. Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung: Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven Metalls. 3. Melting device or pulverizer: Melting or pulverizing the electropositive metal.
4. Fördereinrichtung, auch genannt Prozesseinheit zum kontinuierlichen Druckaufbau: Schmelze transportieren und Druck aufbauen.  4. Conveyor, also called process unit for continuous pressure build-up: transport melt and build up pressure.
5. Zerstäubeeinrichtung, beispielsweise Düse/Düsenwerkzeug:  5. atomizing device, for example nozzle / nozzle tool:
Erzeugung eines feinpartikulären Sprays durch Versprühen der Schmelze oder des Pulvers des elektropositiven Generation of a fine particulate spray by spraying the melt or the powder of the electropositive
Metalls .  Metal.
6. Prozesskammer: ggf. Zündung und Verbrennung der erzeugten Partikel, beispielsweise in einem Reaktionsgas.  6. Process chamber: possibly ignition and combustion of the particles produced, for example in a reaction gas.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen können die Zuführeinheit, die Dosiereinheit und die Schmelzeinrichtung auch im Rahmen einer Dosiereinrichtung zusammengefasst sein, mit der das elektropositive Metall dosiert zugeführt wird, wobei es zeit- gleich geschmolzen wird. Auch lassen sich andere Teile der Anlage in bestimmten Ausführungsformen kombinieren, beispielsweise nur die Dosiereinheit und die Schmelzeinrichtung, die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung, die Dosiereinheit, die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung, etc., so dass deren Funktionen in einem einzigen kombinierten Bauteil übernommen werden und keine klare Abgrenzung zwischen den einzelnen Bauteilen auftritt. So ist es klar, dass ein Schmelzen und/oder Dosieren während der Förderung des elektropositiven Metalls erfolgen kann. Dies wird auch durch die weitere Beschreibung und anhand der Beispiele ersichtlich. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind beispielsweise die Schmelzeinrichtung und die Fördereinrichtung miteinander gekoppelt . Die nachfolgenden Ausführungen werden teilweise auch am Beispiel von Lithium, einem Vertreter der Alkalimetalle beschrieben. Das Grundprinzip der Prozessanlage ist jedoch auf andere elektropositive Metalle, wie Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Strontium, Barium, Aluminium und Zink übertragbar, so dass die nachfolgende Beschreibung das Verfahren und die Vorrichtung nicht auf Lithium einschränkt. According to certain embodiments, the feed unit, the metering unit and the melting device can also be combined in the context of a metering device, with which the electropositive metal is metered, wherein it is melted at the same time. Also, other parts of the system can be combined in certain embodiments, for example only the dosing unit and the melting device, the melting device and the conveyor, the dosing unit, the melting device and the conveyor, etc., so that their functions are taken over in a single combined component and no clear demarcation between the individual components occurs. Thus, it is clear that melting and / or metering may occur during promotion of the electropositive metal. This will also be apparent from the further description and the examples. According to certain embodiments, for example, the melting device and the conveyor are coupled together. The following remarks are described in part also using the example of lithium, a representative of the alkali metals. However, the basic principle of the process plant is applicable to other electropositive metals such as sodium, potassium, calcium, magnesium, strontium, barium, aluminum and zinc, so the following description does not limit the process and apparatus to lithium.
Eine schematische Übersicht des Prozessablaufs findet sich in Abbildung 1. Wie in Figur 1 dargestellt umfasst das vorlie- gende Verfahren (der Prozess) P die folgenden Schritte in dieser Reihenfolge: A schematic overview of the process flow is shown in FIG. 1. As shown in FIG. 1, the present process (process) P comprises the following steps in this order:
i kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls; ii Dosieren des elektropositiven Metalls; iii Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven i continuously supplying the electropositive metal; ii dosing the electropositive metal; iii melting or pulverizing the electropositive
Metalls;  metal;
iv Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung; iv conveying the electropositive metal under pressurization;
v Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und v atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and
vi Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer vi Burning the electropositive metal in one
Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.  Process chamber with a process gas generating thermal energy.
Hierzu verwendet es in der Vorrichtung/Anlage A die folgenden Bauteile, die als getrennte Bauteile vorliegen können und miteinander beispielsweise durch Rohre, Förderbänder oder ähnliches verbunden sein können oder auch direkt miteinander verbunden sein können, wobei auch zwei oder mehr Bauteile zu einem gemeinsamen Bauteil ausgeführt sein können: For this purpose it uses in the device / Appendix A the following components, which may be present as separate components and may be connected to each other for example by pipes, conveyor belts or the like or may also be directly connected to each other, wherein two or more components to a common component could be:
Zuführeinrichtung 1; Dosiereinheit 2; Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3; Fördereinrichtung 4; Zerstäubeeinrichtung 5; Prozesskammer 6 Feeding device 1; Dosing unit 2; Melting device or pulverizer 3; Conveyor 4; Atomizing device 5; Process chamber 6
In den jeweiligen Bauteilen 1 bis 6 können gemäß bestimmten Ausführungsformen hierbei jeweils die Verfahrensschritte i bis vi ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft somit gemäß einem Aspekt ein Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, In the respective components 1 to 6, according to certain embodiments, in each case the method steps i to vi can be carried out. The present invention thus relates, in one aspect, to a method of continuously burning an electropositive metal to generate thermal energy,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: characterized by the following steps:
i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls; ii) Dosieren des elektropositiven Metalls; i) continuously supplying the electropositive metal; ii) dosing the electropositive metal;
iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven iii) melting or pulverizing the electropositive
Metalls;  metal;
iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung; iv) conveying the electropositive metal under pressurization;
v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Düse; und vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer v) atomizing the electropositive metal by means of a nozzle; and vi) burning the electropositive metal in one
Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie. Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Druckbeaufschlagung im Schritt iv) bei einem Druck von 0,01 bis  Process chamber with a process gas generating thermal energy. According to certain embodiments, the pressurization in step iv) at a pressure of 0.01 to
100 bar, bevorzugt 1 - 10 bar liegen. Hierdurch wird ein besseres Versprühen des elektropositiven Metalls erzielt. In bestimmten Ausführungsformen kann zudem das elektroposi- tive Metall im Schritt v) mit dem Prozessgas versprüht wer¬ den. Weiterhin wird das elektropositive Metall in bestimmten Ausführungsformen nach dem Zerstäuben im Schritt v) gezündet. Insbesondere eine Zündung des elektropositiven Metalls ließ sich bisher nicht großtechnisch realisieren. Zur Erzielung einer besseren Verbrennung des elektropositiven Metalls im Prozessgas kann das in Schritt iii) geschmolzene elektropo¬ sitive Metall in den Schritten iv) und v) weiter, bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektro¬ positiven Metalls, erhitzt werden. Jedoch kann das elektro- positive Metall auch in einigen Bereichen bei den Schritten iv) und/oder v) , also in Teilen der Fördereinrichtung 100 bar, preferably 1 - 10 bar lie. As a result, a better spraying of the electropositive metal is achieved. In certain embodiments, the electropositive metal can also, in step v) with the process gas sprayed ¬ the. Furthermore, in certain embodiments, the electropositive metal is ignited after sputtering in step v). In particular, an ignition of the electropositive metal has not been realized on an industrial scale. In order to obtain a better combustion of the electropositive metal in the process gas, the molten in step iii) electropolished ¬ sitive metal in the steps iv) and v) may further preferably be heated to a temperature above the melting point of the electro ¬ positive metal. However, the electro-positive metal can also be used in some areas in steps iv) and / or v), ie in parts of the conveyor
und/oder der Zerstäubeeinrichtung auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkt des elektropositiven Metalls erhitzt werden, wobei es dann im weiteren Verlauf in diesen Schritten iv) und/oder v) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls erhitzt werden kann. and / or the sputtering device are heated to a temperature below the melting point of the electropositive metal, wherein it can then be heated in the further course in these steps iv) and / or v) to a temperature above the melting point of the electropositive metal.
Beispielsweise kann es bei einem Extrudierprozess für den Druckaufbau mitunter von Vorteil sein, einzelne Heizzonen unterhalb der Schmelztemperatur des elektropositiven Metalls zu betreiben. For example, it may sometimes be advantageous in an extrusion process for the pressure build-up to operate individual heating zones below the melting temperature of the electropositive metal.
Die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie kann gemäß bestimmter Ausführungsformen zur Erzeugung elektrischer The thermal energy generated in step vi) may, according to certain embodiments, be used to generate electrical energy
Energie und/oder zum Schmelzen des elektropositiven Metalls verwendet werden, kann aber auch stattdessen oder zudem zum Erhitzen des elektropositiven Metalls in den Schritten iv) und v) verwendet werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann zudem ein Verbrennungsprodukt des elektropositiven Metalls mit dem Prozessgas als Feststoff anfallen und kontinuierlich aus der Prozess¬ kammer abgeführt werden. Ein Beispiel für solche Feststoffe sind Carbonat- und/oder Nitridverbindungen wie Lithiumcarbonat L12CO3 und/oder Lithiumnitrid L13N, aber auch Oxide oder Hydride wie L12O oder LiH oder Hydroxide wie LiOH, aber auch Verbrennungsprodukte rein aus dem Prozessgas wie Kohlenstoff C bzw. dessen Reaktionsprodukt Lithiumcarbid . Energy and / or used to melt the electropositive metal, but can also be used instead or in addition to heat the electropositive metal in steps iv) and v). According to certain embodiments, may also be obtained as solids and are continuously removed from the process chamber ¬ a combustion product of the electropositive metal with the process gas. An example of such solids are carbonate and / or nitride compounds such as lithium carbonate L1 2 CO 3 and / or lithium nitride L1 3 N, but also oxides or hydrides such as L1 2 O or LiH or hydroxides such as LiOH, but also combustion products pure from the process gas such Carbon C or its reaction product lithium carbide.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung somit auch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen: Furthermore, the present invention thus also relates to an apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das a) Feeder, which is adapted to
elektropositive Metall kontinuierlich zuzuführen;  continuously supplying electropositive metal;
b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das b) Dosing unit, which is designed to, the
elektropositive Metall zu dosieren;  to dose electropositive metal;
c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren; c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal;
d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das d) conveyor, which is adapted to the
elektropositive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern;  to promote electropositive metal under pressurization;
e) Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse, die mit der e) atomizing, preferably nozzle, with the
Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und  Conveyor is coupled and adapted to atomize the electropositive metal; and
f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das f) process chamber adapted to
elektropositive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einem Prozessgas zu verbrennen.  to heat electropositive metal while generating thermal energy with a process gas.
Das Prozessgas ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht weiter beschränkt, solange es mit dem elektropositiven Metall unter Erzeugung thermischer Energie verbrannt werden kann. Dies kann einfach anhand von Reaktionsenthalpien abgeschätzt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das elektropositive Metall in Schritt vi) mit dem Prozessgas zur Reak¬ tion gebracht, wobei das Prozessgas Luft, Kohlendioxid, Stickstoff, Wasserdampf, Wasserstoff, Sauerstoff oder The process gas is not further limited in the present invention as long as it can be burned with the electropositive metal to generate thermal energy. This can be easily estimated by reaction enthalpies. According to certain embodiments, the electropositive metal is brought in step vi) with the process gas to reac ¬ tion, wherein the process gas is air, carbon dioxide, Nitrogen, water vapor, hydrogen, oxygen or
Gasgemische enthalten kann und bevorzugt CO2 und/oder 2 umfasst oder aus CO2 und/oder 2 besteht. Weiterhin wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt in einer Vorrichtung durchgeführt, welche mit einer Leistung größer 1 kW, bevorzugt größer 100 kW betrieben wird. May contain gas mixtures and preferably comprises CO 2 and / or 2 or consists of CO 2 and / or 2 . Furthermore, the inventive method is preferably carried out in a device which is operated with a power greater than 1 kW, preferably greater than 100 kW.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann im vorliegenden According to certain embodiments, in the present
Verfahren die Menge an der Verbrennung zugeführtem elektro- positiven Metall, beispielsweise die eingespritzte Lithium¬ menge, > lOg/s und die dadurch erzielte thermische Leistung > 100 KW sein. Die Reaktionstemperatur im Reaktorsystem / der Prozesskammer ist bevorzugt > 500 °C. Es können adiabatische Reaktionstemperaturen bis 4000K erreicht werden. Method, the amount of supplied to the combustion electro-positive metal, for example, the injected lithium ¬ amount,> lOg / s and the thermal power achieved thereby be> 100 KW. The reaction temperature in the reactor system / the process chamber is preferably> 500 ° C. Adiabatic reaction temperatures up to 4000K can be achieved.
Die Prozesseinheiten / Bauteile 1 - 6 und deren Ausführungs¬ formen werden nachfolgend im Einzelnen weiter im Detail beschrieben, ohne dadurch eingeschränkt zu werden. Weitere Ausführungsbeispiele des Aufbaus der kompletten Prozessanlage sind im Anschluss dargestellt. The process units / components 1 - 6 and their execution ¬ forms will be described below in detail in detail, without being limited thereby. Further embodiments of the construction of the complete process plant are shown below.
Zuführeinrichtung 1 Feeding device 1
Die Zuführeinrichtung 1 hat die Aufgabe, das elektropositive Metall, beispielsweise den Brennstoff und Energieträger The feed device 1 has the task of the electropositive metal, such as the fuel and energy sources
„Lithium", für den Verbrennungsprozess kontinuierlich bereitzustellen. Dabei ist sie hinsichtlich ihrer Ausgestaltung nicht besonders beschränkt und umfasst alle Bauteile, welche zur kontinuierlichen Zufuhr eines Metalls verwendet werden können, wie beispielsweise Rohre, Trichtervorrichtungen, Schüttelrinnen, Förderbänder, etc. It is not particularly limited in its design and includes all the components that can be used for the continuous supply of a metal, such as pipes, hopper devices, Schüttelrinnen, conveyor belts, etc.
Dosiereinheit 2 Dosing unit 2
Die Dosiereinheit 2 hat die Aufgabe, das elektropositive Metall, beispielsweise den Brennstoff und Energieträger „Lithium", für den Verbrennungsprozess kontinuierlich  The dosing unit 2 has the task of the electropositive metal, such as the fuel and energy carrier "lithium" for the combustion process continuously
bereitzustellen. Dazu wird das als Feststoff vorliegende elektropositive Metall, beispielsweise Lithium, aufgeschmol- zen, um es in Form von Schmelze für den weiteren Prozessschritt des Druckaufbaus bereitzustellen. Das Ausgangs¬ material kann in Form von Pulver, Granulat, Pellets oder Volumenmaterial (z B in Form von Blöcken oder in Fässern gelagert) vorliegen. provide. For this purpose, the electropositive metal, for example lithium, which is present as a solid, is melted. zen to provide it in the form of melt for the further process step of pressure build-up. The starting material can be present in the form of powder, granules, pellets or bulk material (for example in the form of blocks or in barrels).
Liegt das Ausgangsmaterial / elektropositive Metall, bei¬ spielsweise Lithium, in Form von z.B. Pellets, Granulat oder Pulver mit einer typischen Korngröße im Bereich von ca. 0,01 - 100 mm vor, so kann es beispielsweise über eineIf the starting material / electropositive metal in ¬ play, lithium, for example in the form of pellets, granules or powder with a typical particle size in the range of about 0.01 to 100 mm is present, it may, for example, a
Trichtervorrichtung, Dosierschnecken oder Schüttelrinnen oder ähnlichen Dosiereinheiten, welche üblicherweise zum Dosieren von Feststoffen verwendet werden, der Prozessanlage zudosiert werden. Die Art der Dosiereinheit 2 ist hierbei nicht beson- ders beschränkt. Hopper device, dosing or vibrating chutes or similar dosing units, which are commonly used for dosing solids, are added to the process plant. The type of dosing unit 2 is not particularly limited here.
Da elektropositive Metalle, wie Lithium wie auch andere in Frage kommende Alkali- und Erdalkalimetalle wie z.B. Magne¬ sium und Natrium, an Luft oxidieren. ist die Dosiereinheit gemäß bevorzugten Ausführungsformen luftfrei bzw. luftdicht verkapselt. Optional kann die Dosiereinheit zum Schutz zu¬ sätzlich mit sich gegenüber dem elektropositiven Metall, beispielsweise Lithium, inert verhaltenden Gasen wie z.B. Argon oder CO und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen wie z.B. Methan, Ethan, Propan und/oder leichtflüchtigen Ölen wie z.B. Pentan Hexan, Oktan, aromatischen Kohlenwasserstoffen oder Gemischen davon geflutet werden. Since electropositive metals, such as lithium as well as other suitable alkali and alkaline earth metals such as Magne ¬ sium and sodium, oxidize in air. the metering unit according to preferred embodiments is encapsulated air-free or airtight. Optionally, the dosing unit for protection to ¬ addition with respect to the electropositive metal, such as lithium, inert behaving gases such as argon or CO and / or aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane and / or volatile oils such as pentane, hexane, octane , aromatic hydrocarbons or mixtures thereof are flooded.
Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3 Melting device or pulverizer 3
Nach dem Dosieren wird das elektropositive Metall in einer Schmelzeinrichtung bzw. in einer Pulverisiereinrichtung 3 geschmolzen bzw. pulverisiert. Bevorzugt ist ein Schmelzen unter Verwendung einer Schmelzeinrichtung. Als Schmelzeinrichtung 3 kommen jegliche Bauteile in Betracht, mit denen ein elektropositives Metall geschmolzen werden kann. Beispielsweise kann das elektropositive Metall in Partikelform in einem beheizten Durchflussrohr aufgeschmolzen und damit einfach der Fördereinrichtung 4, in der ein Druckaufbau erfolgt, als Schmelze, z.B. mittels Pum¬ pen, zugeführt. Des Weiteren kann die Aufbereitung von partikulärem elektro- positivem Metall, beispielsweise Lithium, mit Hilfe eines Fördergeräts erfolgen, wie beispielsweise einem beheizten Förderband, einer kontinuierlichen Ofenanlage oder einer rotierenden Förderschnecke und einem beheizten Zylinder, welches in der Lage ist, das elektropositive Metall aufzu¬ schmelzen und zu transportieren. After metering, the electropositive metal is melted or pulverized in a melting device or in a pulverizer 3. Preference is given to melting using a melting device. As a melting device 3 are any components into consideration, with which an electropositive metal can be melted. For example, the electropositive metal may be in particulate form in a heated flow tube melted and thus simply the conveyor 4, in which a pressure build-up, as a melt, for example by means of Pum ¬ pen supplied. Furthermore, the treatment of particulate electro-positive metal, such as lithium, with the help of a conveyor, such as a heated conveyor belt, a continuous furnace or a rotating screw conveyor and a heated cylinder, which is able to aufzu the electropositive metal ¬ melt and transport.
Industriell wird ein elektropositives Metall wie Lithium meist in Fässern mit einem Fassungsvermögen von 100 Litern und mehr gelagert und transportiert. Für die großtechnische Verbrennung von elektropositivem Metall, z.B. Lithiummetall, wird die Nutzung des in großen Mengen in Fässern oder Containern vorliegenden Metalls daher bevorzugt. Das feste Metall wird in diesem Fall z.B. in einer kontinuierlichen Ofenanlage geschmolzen, um es in Form von Schmelze der Fördereinrichtung 4 zuzuführen. Im Kraftwerksbetrieb kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufschmelzen des elektropositiven Metalls auch die Abwärme des Verbrennungs¬ prozesses genutzt werden. Dies ist insbesondere für die Alkalimetalle bzw. höheren Erdalkalimetalle (insbesondere Mg, Ca, Sr, Ba) , wie z.B. Lithium, Natrium attraktiv, da diese leicht schmelzen. Industrially, an electropositive metal such as lithium is usually stored and transported in barrels with a capacity of 100 liters and more. For the large-scale combustion of electropositive metal, eg lithium metal, the use of the present in large quantities in barrels or containers metal is therefore preferred. The solid metal is melted in this case, for example, in a continuous furnace to supply it in the form of melt the conveyor 4. In power plant operation, the waste heat of the combustion ¬ process can be used in a device according to the invention for melting the electropositive metal. This is particularly attractive for the alkali metals or higher alkaline earth metals (especially Mg, Ca, Sr, Ba), such as lithium, sodium, as they melt easily.
Alternativ kann statt einer Schmelzeinrichtung 3 eine Pul- verisiereinrichtung 3 vorgesehen sein, in der das elektropositive Metall zu feinem Staub pulverisiert wird, der dann nach der Zerstäubung mit dem Prozessgas verbrannt werden kann, beispielsweise auch unter Zuhilfenahme einer Zündvorrichtung. Ein Pulverisieren des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Schutzgases, da das elektropositive Metall leicht, beispielsweise an Luft, reagiert und somit eine inerte Alternatively, instead of a melting device 3, a powdering device 3 can be provided, in which the electropositive metal is pulverized to fine dust, which can then be burnt after atomization with the process gas, for example also with the aid of an ignition device. Powdering of the electropositive metal, for example lithium, is preferably carried out using a protective gas, since the electropositive metal reacts easily, for example in air, and thus an inert
Oberfläche ausbildet, was bei feinen Pulverpartikeln mit Teilchengrößen im Bereich bis 10 mm, bevorzugt bis 1 mm, weiter bevorzugt bis 100 ym und besonders bevorzugt bis 10 ym zu einem Verlust an reaktionsfähigem Material in der Verbrennung führt. Aus diesem Grund wird das elektropositive Metall bevorzugt auch nicht mit einer Teilchengröße von weniger als 10 mm in die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren eingebracht durch die Zuführ¬ einrichtung 1. Bei Einbringen des elektropositiven Metalls in Form von Partikeln mit einer Teilchengröße im Bereich bis 10 mm, bevorzugt bis 1 mm, weiter bevorzugt bis 100 ym und besonders bevorzugt bis 10 ym unter Schutzgas kann ggf. auch auf eine eigenständige Pulverisiereinrichtung 3 verzichtet werden, wobei dies jedoch nicht bevorzugt ist, und es findet innerhalb der Anlage beispielsweise innerhalb der Zuführ- einrichtung 1, der Dosiereinheit 2, der Fördereinrichtung 4 und/oder der Zerstäubeeinrichtung 5 eine weitere Pulverisierung statt, so dass diese Bauteile somit die Funktion der Pulverisiereinrichtung 3 mit übernehmen können. Auch generell können die Zuführeinrichtung 1, die Dosiereinheit 2, ggf. die Fördereinrichtung 4 (bei Pulvern des elektropositiven Metalls, nicht bei Schmelzen) und/oder ggf. die Zerstäubeeinrichtung 5 (bei Pulvern des elektropositiven Metalls, nicht bei Schmelzen) zur Pulverisierung des elektropositiven Metalls beitragen. Eine Pulverisierung erfolgt beispielsweise bevorzugt bei Metallen wie Zn und Mg. Surface forms, what with fine powder particles with Particle sizes in the range up to 10 mm, preferably up to 1 mm, more preferably up to 100 ym and particularly preferably up to 10 ym leads to a loss of reactive material in the combustion. For this reason, the electropositive metal is preferably also not introduced with a particle size of less than 10 mm in the inventive device or the method according to the invention by the feeder ¬ device 1. When introducing the electropositive metal in the form of particles having a particle size in the range to 10 mm, preferably up to 1 mm, more preferably up to 100 ym and particularly preferably up to 10 ym under protective gas may optionally be dispensed with an independent Pulverisiereinrichtung 3, but this is not preferred, and it takes place within the system, for example within the feed - Device 1, the metering unit 2, the conveyor 4 and / or the atomizer 5, a further pulverization instead, so that these components can thus take over the function of the Pulverisiereinrichtung 3 with. Also generally, the feeder 1, the dosing unit 2, possibly the conveyor 4 (in powders of the electropositive metal, not in melts) and / or optionally the Zerstäubeeinrichtung 5 (in powders of the electropositive metal, not in melts) for pulverizing the electropositive Contribute to metal. For example, pulverization is preferably carried out with metals such as Zn and Mg.
Fördereinrichtung (zum Druckaufbau) 4 Conveyor (for pressure build-up) 4
Die Fördereinrichtung 4 ist für den kontinuierlichen Transport der durch die Schmelzeinrichtung 3 bereitgestellten Schmelze des elektropositiven Metalls, beispielsweise  The conveyor 4 is for the continuous transport of the melt provided by the melting device 3 of the electropositive metal, for example
Lithium, und den Druckaufbau verantwortlich. So kann die Fördereinrichtung 4 beispielsweise als eine Förderanlage gekoppelt mit einer Anlage zum Druckaufbau ausgestaltet sein, aber auch als ein integriertes Bauteil, in dem die Förderung unter zeitgleicher Druckbeaufschlagung stattfindet.  Lithium, and the pressure build-up responsible. Thus, the conveyor 4 may for example be designed as a conveyor coupled with a system for pressure build-up, but also as an integrated component in which the promotion takes place under simultaneous pressurization.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Fördereinrichtung Heizelemente 100 umfassen, die dazu ausgebildet sind, das elektropositive Metall auf eine Temperatur oberhalb des According to certain embodiments, the conveyor may include heating elements 100 configured to be electropositive metal to a temperature above the
Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls zu erhitzen. To heat melting point of the electropositive metal.
Folgende Bauteile/Verfahren können hier beispielsweise und gemäß bestimmten Ausführungsformen zum Einsatz kommen: The following components / methods can be used here, for example, and according to certain embodiments:
A) Kolbenpumpe 41  A) piston pump 41
B) Injektor 42  B) Injector 42
C) Schraubenverdichter 43  C) screw compressor 43
D) Extruderanlage/Extruder 44  D) extruder plant / extruder 44
Die Ausführungsformen A - D sind nachfolgend genauer beschrieben. Obgleich beispielhaft die Fördereinrichtungen für Metallschmelzen MM dargestellt sind, sind diese beispiel¬ haften Ausführungsformen auch für pulverisierte elektroposi- tive Metalle verwendbar. The embodiments A-D are described in more detail below. Although an example of the conveying means for molten metal MM are shown, this example ¬ embodiments are also usable for powdered electropositive metals.
Zu A) Kolbenpumpe 41 To A) piston pump 41
In einem Ausführungsbeispiel besteht die Fördereinrichtung, 4 aus einer Kolbenpumpe, wie sie beispielhaft in Figur 2 darge- stellt ist. Im einfachsten Aufbau besteht die Kolbenpumpe aus einem ggf. beheizbaren Zylinder 41a und einem axial bewegli¬ chen Kolben 41b, beispielsweise einem Hubkolben, der die Metallschmelze MM mit Druck beaufschlagt, kombiniert mit einem Einlassventil sowie einem Düsenauslass als Beispiel einer Zerstäubeeinrichtung 5, mit der das Spray S erzeugt wird. Für einen kontinuierlichen Verbrennungsprozess können zwei oder mehrere Kolbenpumpen im Wechseltakt betrieben werden, wobei der Düsenauslass in einer gemeinsamen Prozesskammer 6 mündet. Weitere bekannte Bauarten von Kolbenpumpen, die sich ebenso für den Druckaufbau von Lithiumschmelzen eignen, sind z.B. RadialkoIbenpumpen In one exemplary embodiment, the delivery device 4 comprises a piston pump, as illustrated by way of example in FIG. In the simplest construction, the piston pump consists of a possibly heated cylinder 41a and an axially bewegli ¬ chen piston 41b, for example, a reciprocating piston, which pressurizes the molten metal MM with pressure, combined with an inlet valve and a nozzle outlet as an example of Zerstäubeeinrichtung 5, with which the Spray S is generated. For a continuous combustion process, two or more piston pumps can be operated in alternating cycles, wherein the nozzle outlet opens into a common process chamber 6. Other known types of piston pumps, which are also suitable for the pressure build-up of lithium melts are, for example RadialkoIbenpumpen
http://de.wikipedia.org/wiki/Radialkolbenpumpe). Bei dieser Form sind die Arbeitskolben radial und senkrecht zur rotie- renden Welle angeordnet. Die Hubbewegung wird z.B. über die exzentrisch gelagerte Pumpwelle ausgelöst. Der Einlass der Schmelze erfolgt entweder von innen über eine hohle Pumpwelle oder wird von außen beaufschlagt. Zu B) Injektor 42 und Druckaufbau mittels Inertgas In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird anstelle eines Kolbens die Metallschmelze MM, beispielsweise Lithium- schmelze, in einem sog. Injektor 42 mit Druck beaufschlagt, wie in Figur 3 beispielhaft dargestellt ist. Hierbei wird das geschmolzene Metall MM, das z.B. in einem Zylinder 42a vorliegt, durch eine Gasströmung 42b mit Druck (beispielsweise 3-5 bar) beaufschlagt, um diese durch die Zerstäubeeinrich- tung 5, beispielsweise eine Düse, zur Erzeugung des Sprays S zu pressen. Als Gas kommen, insbesondere im Fall von Lithium, Argon und CO oder aliphatischen Kohlenwasserstoffe wie z.B. Methan, Ethan, Propan bzw. je nach Anwendungsbereich leichtflüchtige Alkane und Aromaten zum Einsatz, da diese nicht mit Lithium reagieren. http://de.wikipedia.org/wiki/Radialkolbenpumpe). In this form the working pistons are arranged radially and perpendicular to the rotating shaft. The lifting movement is triggered, for example, via the eccentrically mounted pump shaft. The inlet of the melt takes place either from the inside via a hollow pumping shaft or is applied from the outside. B) Injector 42 and pressure buildup by means of inert gas In another embodiment, instead of a piston, the molten metal MM, for example lithium melt, is pressurized in a so-called injector 42, as shown by way of example in FIG. Here, the molten metal MM, which is present for example in a cylinder 42 a, by a gas flow 42 b with pressure (for example 3-5 bar) is applied to press them through the Zerstäubeeinrich- device 5, for example a nozzle to produce the spray S. , As gas come, especially in the case of lithium, argon and CO or aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane or depending on the field of application volatile alkanes and aromatics for use, since they do not react with lithium.
Zu C) Schraubenverdichter 43 To C) screw compressor 43
Der Schraubenverdichter 43, beispielsweise eine Schraubenpumpe, hat die Aufgabe, die Metallschmelze MM in einem konti- nuierlichen Prozess zu fördern und den für das Versprühen der Metallschmelze MM erforderlichen Druck aufzubauen, und ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt.  The screw compressor 43, for example a screw pump, has the task of conveying the molten metal MM in a continuous process and building up the pressure required for spraying the molten metal MM, and is shown by way of example in FIG.
Die Technologie der hierbei beispielhaft verwendeten zwei ineinandergreifenden, rotierenden Spindeln 43b kommt üblicher Weise bei der Kompression von Gasen wie Luft und Flüssig¬ keiten zur Anwendung. Bei dem Schraubenverdichter 43 wird das zu verdichtende Medium durch die schraubenförmige Verzahnung zweier Spindeln 43b innerhalb des Zylinders 43a kontinuier- lieh verdrängt, indem sich das Arbeitsvolumen der Gaskanäle längs der Achse zum Auslassende hin verkleinert. Die Profile der beiden wendeiförmigen Spindeln 43b sind meist unterschiedlich, wobei die eine Spindel einen konkaven und die andere ein konvexes Profil aufweist. Die Länge der Spindeln erstreckt sich typischer Weise über 5 bis 10 Spiralumläufe. In nicht-komprimierbaren Medien wird die Schraubenpumpe zum Druckaufbau verwendet. Dieser Bauart entsprechend wird der Schraubenverdichter 43 erfindungsgemäß eingesetzt, um in einem kontinuierlichen Verfahren Druck in der Metallschmelze MM aufzubauen, um es zur Partikel- bzw. Tropfenerzeugung am Auslassende durch die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise ein Düsenwerkzeug, zu pressen. Typische Drücke die benötigt werden, um ein elektro- positives Metall wie Lithium als Spray S zu verarbeiten, liegen im Bereich von 0.01-100 bar, bevorzug 1 - 10 bar. Um den Schmelzezustand während des Druckaufbaus aufrechtzu- erhalten, ist der Schraubenverdichter 43 optional mit einem ein oder mehreren Heizelementen 100 ausgestattet. The technology of the two intermeshing, rotating spindles used here, for example 43b comes usual way in the compression of gases such as air and liquid ¬ possibilities for application. In the screw compressor 43, the medium to be compressed is continuously displaced by the helical toothing of two spindles 43b within the cylinder 43a, as the working volume of the gas channels decreases along the axis towards the outlet end. The profiles of the two helical spindles 43b are usually different, with one spindle having a concave and the other a convex profile. The length of the spindles typically extends over 5 to 10 spiral turns. In non-compressible media, the screw pump is used to build up pressure. According to this type of construction, the screw compressor 43 is used according to the invention to build up pressure in the molten metal MM in a continuous process in order to press it through the atomizing device 5, for example a nozzle tool, for particle or droplet production. Typical pressures that are required to process an electro-positive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, Favor 1 - 10 bar. To maintain the melt condition during pressurization, the screw compressor 43 is optionally equipped with one or more heating elements 100.
Zu D) Extruder 44 To D) Extruder 44
In einer weiteren Ausführungsform wird der Druck in einer Extruderanlage / einem Extruder 44 erzeugt, welcher bei¬ spielhaft in Figur 5 dargestellt ist. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen A-C ist der Extruder 44 neben dem In a further embodiment, the pressure in an extruder system / an extruder 44 is created which is illustrated at ¬ way of example in FIG. 5 In contrast to the embodiments AC, the extruder 44 is adjacent to the
Schmelztransport und Druckaufbau auch in der Lage, ein elek- tropositives Metall wie Lithium im festen Aggregatzustand wie Pulver, Partikeln, Granulat, oder Metallpellets MP, wie beispielhaft dargestellt, aufzuschmelzen und zu homo¬ genisieren. Damit kann der Extruder 44 die Aufgabe der Melt transport and pressure build-up also in a position to melt and homo ¬ genisieren an electropositive metal such as lithium in the solid state, such as powder, particles, granules, or metal pellets MP, as exemplified. Thus, the extruder 44, the task of
Dosiereinheit 2 und der Schmelzeinrichtung 3 übernehmen, und somit kann auf eine separate vorgeschaltete Dosiereinheit 2 und eine separate Schmelzeinrichtung 3 zur Vorbereitung der Metallschmelze MM verzichtet werden. Der Extruder 44 ist somit eine spezielle Ausführungsform eines Bauteils innerhalb der kontinuierlichen Verbrennungsanlage/Vorrichtung. Ein Extruder 44 besteht im Wesentlichen aus einem ggf. beheizbaren Zylinder 44a, in dessen Inneren ein oder zwei rotierende Schnecken 44b die Arbeit verrichten. Das Extru- sionsverfahren kommt typischer Weise bei der Verarbeitung von Kunststoffschmelzen zur Anwendung, wobei die zu verarbeitende Kunststoffe (Thermoplaste) als feinkörniges Granulat oderDosing unit 2 and the melting device 3 take over, and thus can be dispensed with a separate upstream metering unit 2 and a separate melting device 3 for preparing the molten metal MM. The extruder 44 is thus a particular embodiment of a component within the continuous incinerator / apparatus. An extruder 44 essentially consists of a possibly heatable cylinder 44a, in the interior of which one or two rotating screws 44b do the work. The extrusion process is typically used in the processing of plastic melts, with the plastics (thermoplastics) to be processed as fine-grained granules or
Pulver zugegeben werden. Die Formgebung findet am Ausgang des Extruders statt, indem die Kunststoffschmelze durch ein Powder are added. The molding takes place at the exit of the extruder, by the plastic melt through a
Düsenwerkzeug gepresst wird. Auf diese Weise werden bei- spielsweise Kabel, Schläuche, Folien im kontinuierlichen Verfahren hergestellt. Nozzle tool is pressed. In this way, For example, cables, hoses, films produced in a continuous process.
Ähnlich wie bei der Schraubenpumpe greifen im Fall des Similar to the screw pump in the case of
Doppelschneckenextruders die Zähne zweier rotierender Twin screw extruder teeth of two rotating
Schnecken 44b ineinander. Im Unterschied zur Schraubenpumpe übernimmt der Extruder 44 hier zudem die Aufgabe, das Mate¬ rial aufzuschmelzen. Aus diesem Grund sind die Schnecken 44b länger als bei der Schraubenpumpe und umfassen typischer Weise mehr als 10 und bis zu 100 Spiralumläufe. Snails 44b into each other. In contrast to the screw pump, the extruder 44 also assumes the task of melting the mate ¬ rial here. For this reason, the screws 44b are longer than the screw pump and typically include more than 10 and up to 100 spiral circuits.
Aktuelle Entwicklungen nutzen das Extrusionsverfahren mitunter, um niedrig schmelzende Metalllegierungen aufzuschmelzen, um dann mittels Spritzguss in Formteile zu pressen. Bei dieser speziellen Form der Verarbeitung, genannt Thixo- spritzgießen, werden beispielsweise teilflüssige Magnesiumlegierungen im Spritzguss zu Leichtbauformteilen für die Anwendung in der Elektronik- und Automobilindustrie verarbeitet. Im Gegensatz dazu werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung vollständig aufgeschmolzene elektropositive Metalle verarbeitet. Das austretende Metall wird mittels einer Zer¬ stäubeeinrichtung 5 zerstäubt. Recent developments use the extrusion process sometimes to melt low-melting metal alloys, and then pressed by injection molding into moldings. In this special form of processing, called Thixo Injection Molding, for example, partially liquid magnesium alloys are injection molded to form lightweight components for use in the electronics and automotive industries. In contrast, fully molten electropositive metals are processed in the present invention. The emerging metal is atomized by means of a Zer ¬ dusts 5.
Kunststoffe, bei denen das oben genannte Extrusionsverfahren üblicherweise Anwendung findet, verhalten sich meist viskos und sind mit Viskositäten im Bereich > 100 Pas im Vergleich zur Schmelze des elektropositiven Metalls MM, beispielsweise einer Lithiummetallschmelze mit einer Schmelzeviskosität von ca. 0.5 mPas (zum Vergleich: Wasser bei Raumtemperatur hat 1 mPas) , eher als dickflüssig anzusehen. Plastics in which the abovementioned extrusion process is usually used are usually viscous and have viscosities in the range> 100 Pas compared to the melt of the electropositive metal MM, for example a lithium metal melt with a melt viscosity of about 0.5 mPas (for comparison: water at room temperature has 1 mPas), rather than viscous.
Der Druck in der Schmelze hängt dabei wesentlich von der Bauart des Extruders 44 und dessen Schneckengeometrie ab. Bekannte Bauformen sind Ein- und Zweischneckenextruder (auch Doppelschneckenextruder) . Im Fall des Doppelschneckenextru¬ ders greifen die Zähne zweier Schnecken 44b ineinander, wobei dichtkämmende, gegenläufige Schnecken 44b den Druckaufbau begünstigen und daher für die Verarbeitung und Druckaufbau von dünnflüssigen Metallschmelzen, wie z.B. Lithium, die bevorzugte Bauform ist. The pressure in the melt depends essentially on the type of extruder 44 and its screw geometry. Known designs are single and twin-screw extruders (also twin-screw extruder). In the case of Doppelschneckenextru ¬ DERS the teeth of two screws 44b engage each other, with closely intermeshing, counterrotating screws 44b favor the pressure build-up and therefore for processing and pressure build-up of low-viscosity molten metals, such as lithium, which is the preferred design.
Auch die Temperierung des Zylinders 44a spielt beim Druck- aufbau eine Rolle. Die Viskosität, als temperaturabhängige und druckabhängige Materialeigenschaft, lässt sich dabei über die Heizzonen/Heizelemente 100 der Extruderanlage 44 beein¬ flussen. Gleichzeitig trägt die beim Extrudierprozess er¬ zeugte Reibung im Material zur Erwärmung und damit zum The tempering of the cylinder 44a also plays a role in the pressure build-up. The viscosity as temperature-dependent and pressure-dependent material properties, can in this case 44 stunning ¬ influence on the heating zones / heating elements 100 of the extruder system. At the same time during the extrusion process, he became the father of friction ¬ carries the material to heat and thus to
Schmelzen des elektropositiven Metalls wie Lithium bei. Der erfindungsgemäße Extruder 44 verfügt über mindestens 3, typischer Weise über 5-7 separat regelbare Heizzonen/Heizelemente 100, die ein schrittweises und damit kontrolliertes Aufschmelzen und Druckaufbau des elektropositiven Metalls, im Falle von Lithium in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur (z.B. ca. 20 - 25 °C) bis ca. 450°C, ermöglichen. Melting of the electropositive metal such as lithium. The extruder 44 according to the invention has at least 3, typically via 5-7 separately controllable heating zones / heating elements 100, which a gradual and thus controlled melting and pressure build-up of the electropositive metal, in the case of lithium in a temperature range of room temperature (eg. 25 ° C) to about 450 ° C, allow.
Typische Drücke die benötigt werden, um das elektropositive Metall wie Lithium als Spray S zu verarbeiten, liegen im Bereich von 0.01-100 bar, bevorzugt 1 - 10 bar. Typical pressures that are required to process the electropositive metal such as lithium as spray S are in the range of 0.01-100 bar, preferably 1-10 bar.
Des Weiteren beeinflusst die Auslegung der Schnecke 44b das Aufschmelzverhalten des elektropositiven Metalls und das Verdichten bzw. den Druckaufbau in der Schmelze und damit den Extrudier- und Sprayprozess . Gebräuchliche Bauformen, wie sie in der KunststoffVerarbeitung verwendet werden, sind beispielsweise 3-Zonen-Schnecken, Kurzkompressionsschnecken, Langkompressionsschnecken, Entgasungsschnecken und Förderschnecken. Charakteristische Kenngrößen von Schnecken 44b sind dabei das Verhältnis von Schneckenlänge zu Schnecken- durchmesser (= L/D) , die Zonenaufteilung (Einzugs-, Mittel- und Ausstoßzone) , die Gangsteigung und -tiefe, das Gangprofil und ein oder mehrgängige Ausführungen. Eine ausführliche Darstellung der Kunststoff-Extrudertechnik findet sich beispielsweise in Schenkel, G., Kunststoff-Extrudertechnik, Carl Hanser Verlag, München, Wien 1963. Furthermore, the design of the screw 44b influences the melting behavior of the electropositive metal and the compression or build-up of pressure in the melt and thus the extrusion and spray process. Common designs, such as those used in plastics processing, are, for example, 3-zone screws, short compression screws, long compression screws, degassing screws and screw conveyors. Characteristic parameters of screws 44b are the ratio of screw length to screw diameter (= L / D), the zoning (intake, center and discharge zone), the pitch and depth of the gear, the gear profile and one or more common designs. A detailed description of the plastic extruder technology can be found, for example, in Schenkel, G., Kunststoff-Extrudertechnik, Carl Hanser Verlag, Munich, Vienna 1963.
Eine 2-Zonen-Schnecke ist beispielsweise für die Verarbeitung von feinkörnigem bzw. pulverförmigem elektropositivem Metall, beispielsweise Lithium, geeignet. In der Einzugszone wird der Extruder 44 mit Material gefüllt und dieses direkt aufge¬ schmolzen. Die Gangtiefe (= Abstand zwischen Schneckeninnendurchmesser und Zylinderwand) und damit der Arbeitsraum sind konstant. In der anschließenden Zone erfolgt der Druckaufbau. Um den Druck effizient aufzubauen, ist es von Vorteil, wenn in diesem Bereich der Arbeitsraum in Richtung Auslass kontinuierlich abnimmt. Dies erfolgt z.B. über eine stetige Ver¬ kleinerung der Gangtiefe. Die Profile der beiden Schnecken 44b können dabei identisch sein oder wie bei der Schraubenpumpe in konvexer und konkaver Ausführung. A 2-zone screw is for example for the processing of fine-grained or powdered electropositive metal, for example, lithium, suitable. In the feed zone, the extruder 44 is filled with material and this melted directly on ¬ . The flight depth (= distance between inner diameter of the screw and cylinder wall) and thus the working space are constant. In the subsequent zone, the pressure builds up. In order to build up the pressure efficiently, it is advantageous if in this area the working space in the direction of the outlet decreases continuously. This is done for example through a steady Ver ¬ kleinerung the channel depth. The profiles of the two screws 44b may be identical or as in the screw pump in a convex and concave design.
Der Massedurchsatz (=Fördermenge) ist einerseits von der Umlaufgeschwindigkeit der Schnecke 44b als auch von der The mass flow rate (= flow rate) is on the one hand by the rotational speed of the screw 44 b and of the
Bauart der Schnecke 44b abhängig. Zum Beispiel beutetet eine größere Gangtiefe (= Abstand zwischen Schneckeninnendurchmesser und Zylinderwand) ein größeres Füllvolumen. Da der Wärmeeintrag über die Zylinderwand erfolgt, kann eine zu groß gewählte Gangtiefe ein nicht vollständiges Aufschmelzen des elektropositiven Metalls zur Folge haben. Die Auslegung der Schneckenbauform richtet sich nach der Größe der Anlage/Vorrichtung und den geforderten Prozessgeschwindigkeiten und Massendurchsätzen (beispielsweise Durchsatz von elektropo- sitivem Metall oder Lithium-Massendurchsatz: von lg/s bis 50 t/h) . Type of screw 44b dependent. For example, a larger flight depth (= distance between the inside diameter of the screw and the cylinder wall) requires a larger filling volume. Since the heat input takes place via the cylinder wall, a too large selected channel depth may not result in complete melting of the electropositive metal. The design of the screw design depends on the size of the plant / equipment and the required process speeds and mass flow rates (for example throughput of electropositive metal or lithium mass flow rate: from lg / s to 50 t / h).
Zerstäubeeinrichtung 5 Atomizing device 5
Die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise ein Düsenwerkzeug / eine Düse 51 wie eine Einstoffdüse/Einstoff-Druckdüse, eine Zweistoff- oder pneumatische Düse oder eine mechanische Düse, ist bevorzugt direkt mit der Fördereinrichtung 4 verbunden und hat zur Aufgabe, die Schmelze des elektropositiven Me¬ talls MM oder das pulverisierte elektropositive Metall in ein feinpartikuläres Spray S mit Partikelgrößen bis einschließ- lieh 100 ym, bevorzugt bis 10 ym und weiter bevorzugt bisThe Zerstäubeeinrichtung 5, for example a nozzle tool / a nozzle 51 as a single-fluid nozzle / single-fluid pressure nozzle, a two-fluid or pneumatic nozzle or a mechanical nozzle is preferably directly connected to the conveyor 4 and has an object, the melt of the electropositive Me ¬ talls MM or the pulverized electropositive metal into a fine particulate spray S having particle sizes up to and including 100 ym, preferably up to 10 ym and more preferably up to
1 ym, umzuwandeln. Hierzu befindet sich an der Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise einer Düse 51, gemäß bestimmter Ausführungsformen eine Befestigungsvorrichtung 45, wie in Figuren 6 bis 8 dargestellt. 1 ym, to convert. For this purpose, located at the atomizer 5, for example, a nozzle 51, according to certain Embodiments of a fastening device 45, as shown in Figures 6 to 8.
Hierbei können zwei Grundvarianten unterscheiden werden: Here, two basic variants can be distinguished:
1. Zerstäubeeinrichtung 5 bzw. Düse 51 ohne Gaszufuhr1. atomizer 5 or nozzle 51 without gas supply
2. Zerstäubeeinrichtung 5 bzw. Düse 51 mit innerer Gaszufuhr Ausführungsformen zu Düsen 51 ohne innere Gaszufuhr (sog. Einstoffdüsen) finden sich beispielhaft in Figuren 6 und 7 und mit innerer Gaszufuhr in Figur 8. 2. Atomizing device 5 or nozzle 51 with internal gas supply Embodiments for nozzles 51 without internal gas supply (so-called single-substance nozzles) can be found by way of example in FIGS. 6 and 7 and with internal gas supply in FIG.
In diesen Ausführungsformen verjüngt sich der Düsendurch- messer zum Düsenauslass hin. Ein konstanter Düsenquerschnitt oder eine Aufweitung ist jedoch ebenso möglich. Der Bohrdurchmesser der Düse 51 liegt typischer Weise im Bereich von 0,5 bis 3 mm. Die Metallschmelze MM verlässt die Düse 51 bei ausreichender Geschwindigkeit und Drücken im Bereich von 0.01-100 bar, bevorzug 1 - 10 bar, unter Bildung feinerIn these embodiments, the nozzle diameter tapers toward the nozzle outlet. However, a constant nozzle cross section or an expansion is also possible. The bore diameter of the nozzle 51 is typically in the range of 0.5 to 3 mm. The molten metal MM leaves the nozzle 51 at sufficient speed and pressures in the range of 0.01-100 bar, preferably 1 - 10 bar, forming fine
Tröpfchen als Spray S mit Tropfengrößen bis einschließlich 100 ym, bevorzugt bis 10 ym und weiter bevorzugt bis 1 ym. Das beispielsweise am Düsenauslass über einen Prozessgas- einlass 52, z.B. zusätzliche Düsen (z.B. in Form einer Ring- düse, die ringförmig um die Düse ausgebildet ist, oder inDroplets as spray S with drop sizes up to and including 100 ym, preferably up to 10 ym and more preferably up to 1 ym. For example, at the nozzle outlet via a process gas inlet 52, e.g. additional nozzles (for example in the form of a ring nozzle, which is formed annularly around the nozzle, or in FIG
Form mehrerer konzentrisch außen angeordneter Düsen) , zugeführte Prozessgas PG fördert die Tröpfchenbildung und dient gleichzeitig als Prozessgas (PG (= Reaktionsgas) für die Verbrennung mit dem elektropositiven Metall, beispielsweise Lithium. Bevorzugt wird das Prozessgas mit einem gewissen Abstand zum Auslass der Zerstäubeeinrichtung 5, beispiels¬ weise dem Düsenauslass, zugeführt, um ein Verstopfen der Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise der Düse 51, zu verhindern, beispielsweise mit einem Abstand von mehr als 1 cm, mehr als 1 dm oder mehr als 1 m, beispielsweise mehr als 5 m. Wie in Figur 8 dargestellt kann die Düse 51 mit einem Lochgitter 53 versehen sein, um die Tröpfchenbildung weiter zu begünstigen. In weiteren Ausführungsformen, wie in Figur 8 angedeutet, wird über eine Gasdüse im Inneren der Werkzeugdüse 51 das Prozessgas PG zugeführt, um die Zerstäubung der Metall- schmelze MM zu begünstigen. Als Prozessgase kommen, bei¬ spielsweise im Fall von Lithium, z.B. N2, CO2, H2O, Luft in Frage . Supplied process gas PG promotes the formation of droplets and also serves as a process gas (PG (reaction gas)) for combustion with the electropositive metal, for example lithium .. Preferably, the process gas at a certain distance from the outlet of the atomizer 5, example ¬ as the nozzle outlet, is supplied to prevent clogging of the Zerstäubeeinrichtung 5, for example the nozzle 51, for example at a distance of more than 1 cm, more than 1 dm or more than 1 m, for instance more than 5 m. as shown in Figure 8, the nozzle 51 may be provided with a perforated grid 53 to further promote the formation of droplets. In further embodiments, as indicated in FIG. 8, the process gas PG is supplied via a gas nozzle in the interior of the tool nozzle 51, in order to favor the atomization of the molten metal MM. As process gases come in ¬ example in the case of lithium, for example, N 2 , CO 2 , H 2 O, air in question.
Bei dieser Bauform handelt es sich um Zweistoffdüsen . Diese haben den Vorteil, dass die Zerstäubung durch das Prozessgas PG erfolgt, was gleichzeitig als Reaktionsgas (Oxidations- mittel) für die Verbrennung genutzt wird und somit keine nachträgliche Zufuhr von Prozessgas PG nötig wird. Damit keine Vermischung der Prozessgase PG und des „Brennstoffs elektropositives Metall" innerhalb der Düse stattfindet, was zu einer unerwünschten vorzeitigen Umsetzung des elektropo- sitiven Metalls zu Carbonat, Oxid, Nitrid führen würde, ist die Zuleitung für die innere Gaszufuhr bevorzugt so ausge¬ legt, dass die gewünschte Verbrennung nach der Zündung stattfindet. This design is a two-fluid nozzle. These have the advantage that the atomization by the process gas PG takes place, which is also used as a reaction gas (oxidant) for the combustion and thus no subsequent supply of process gas PG is necessary. So that no mixing of the process gases PG and the "fuel electropositive metal" takes place within the nozzle, which would lead to an undesired premature conversion of the electropositive metal to carbonate, oxide, nitride, the supply line for the internal gas supply is preferably so ¬ sets in that the desired combustion takes place after ignition.
Zudem können in der Düse 51 eingebaute Drallkörper Strömungsturbulenzen erzeugen, wodurch die Bildung feiner Tröpfchen begünstigt wird. In addition, swirlers incorporated in the nozzle 51 may generate flow turbulences, thereby promoting the formation of fine droplets.
Die erzeugte Tröpfchengröße des Sprays S ist dabei zum einen abhängig von der Geometrie und Temperierung der Zerstäubeeinrichtung 5 und zum anderen von der Viskosität der Schmelze und dem Druck, mit der diese durch die Düse gepresst wird. Daher ist die Zerstäubeeinrichtung 5, beispielsweise eineThe generated droplet size of the spray S is on the one hand dependent on the geometry and temperature of the atomizer 5 and on the other hand on the viscosity of the melt and the pressure with which it is pressed through the nozzle. Therefore, the Zerstäubeeinrichtung 5, for example, a
Düse 51 in bestimmten Ausführungsformen beheizbar. Typische Düsenöffnungen haben einen Durchmesser im Bereich von 0,5 bis 3 mm. Prozesskammer 6 Nozzle 51 can be heated in certain embodiments. Typical orifices have a diameter in the range of 0.5 to 3 mm. Process chamber 6
In der Prozesskammer 6 findet ggf. die Zündung und Ver¬ brennung des in der Zerstäubeeinrichtung 5 erzeugten feinpartikulären Sprays S in Reaktion mit dem Prozessgas PG (= Reaktionsgas) statt. Die Prozesskammer 6 (Verbrennungs¬ reaktor) ist bevorzugt hermetisch gekapselt, beispielsweise durch eine Reaktorwand 61. Die Zufuhr der Prozessgase PG erfolgt entweder direkt an der Zerstäubeeinrichtung 5, wie oben beschrieben, oder die Prozessgase werden in die Prozesskammer 6 eingeleitet. Als Prozessgase PG für die Verbrennung des elektropositiven Metalls, z.B. Lithium, kommen beispielsweise die Gase Sauerstoff 02, Wasserdampf H2O, Kohlendioxid CO2 oder Stickstoff 2 zum Einsatz, die stark exotherm mit dem elektropositiven Metall reagieren können. So wurden beispielsweise bei der Reaktion von Lithium mit CO2 Flamm¬ temperaturen von bis zu 4000 K und für 2 bis zu 2000K errechnet . In the process chamber 6, if necessary, the ignition and incineration of the fine particulate Ver ¬ sprays generated in the Zerstäubeeinrichtung 5 is S in response to the process gas PG (= Reaction gas) instead. The process chamber 6 (combustion ¬ reactor) is preferably hermetically encapsulated, for example by a reactor wall 61. The supply of the process gases PG either directly to the Zerstäubeeinrichtung 5, as described above, or the process gases are introduced into the process chamber 6. As process gases PG for the combustion of the electropositive metal, such as lithium, for example, the gases oxygen 0 2 , water vapor H 2 O, carbon dioxide CO 2 or nitrogen 2 are used, which can react strongly exothermic with the electropositive metal. 2 as flame ¬ temperatures up to 4000 K and 2 were calculated up to 2000K, for example, in the reaction of lithium with CO.
Der Start der Verbrennung erfolgt gemäß bestimmten Ausführungsformen direkt in Reaktion mit dem Prozessgas PG. Diese Art der Selbstentzündung erfolgt unter bestimmten Bedingungen, die u.a. von der Partikelgröße des Sprays S, der Tempe¬ ratur, Druck und dem Prozessgas PG abhängen. Für die Reaktion von Lithium mit Stickstoff beispielsweise sind in der Lite¬ ratur Zündtemperaturen von 170°C bis 600°C berichtet. Für Lithium mit Luft sind Werte im Bereich von 400 bis 640°C zu finden. Darüber hinaus ist bekannt, dass Feuchtigkeit z.B. in Form von Wasserdampf die Entzündung zu niedrigeren Temperaturen verschiebt und beschleunigend wirkt (Rhein, R. A. : The start of combustion occurs directly in response to the process gas PG, according to certain embodiments. This type of autoignition takes place under certain conditions, which depend inter alia on the particle size of the spray S, the Tempe ¬ temperature, pressure and the process gas PG. For the reaction of lithium with nitrogen, for example, ignition temperatures of 170 ° C to 600 ° C are reported in the Lite ¬ temperature. For lithium with air, values in the range of 400 to 640 ° C can be found. In addition, it is known that moisture, for example in the form of water vapor, shifts the ignition to lower temperatures and has an accelerating effect (Rhein, RA:
Lithium Combustion: Review, NWC Technical Publication 7087, China Lake, CA, 1990) . Lithium Combustion: Review, NWC Technical Publication 7087, China Lake, CA, 1990).
Um ebenso unabhängig von den Prozessbedingungen eine Ent- zündung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, hervorzurufen, ist die Prozesskammer 6 gemäß bevorzugten Ausführungsformen mit einer Zündvorrichtung 7 ausgestattet. Dies kann z.B. über eine Entladungsfunken oder Plasmaanregung erfolgen. Bekannte Zündanlagen zur Erzeugung eines Zündfun- kens bzw. Plasmas sind z.B. Magnetzünder, elektronische In order to produce ignition of the electropositive metal, for example lithium, just as independently of the process conditions, the process chamber 6 is equipped with an ignition device 7 according to preferred embodiments. This can e.g. via a discharge spark or plasma excitation. Known ignition systems for generating a spark or plasma are known e.g. Magneto, electronic
Zünder und Laserzünder. Des Weiteren kann die Zündung durch Zugabe von Wasserdampf initiiert werden. Ist der Verbren- nungsprozess einmal gezündet, läuft dieser von selbst weiter, vorausgesetzt, das elektropositive Metall, z.B. Lithium, und Prozessgas PG werden dem Verbrennungsprozess kontinuierlich zugeführt. Alternativ kann das elektropositive Metall ober¬ halb der Zündtemperatur injiziert werden, wobei eine Igniter and laser detonator. Furthermore, the ignition can be initiated by adding steam. Once the combustion process has been ignited, it will continue to run by itself, provided that the electropositive metal, eg, lithium, and process gas PG are continuously supplied to the combustion process. Alternatively, the electropositive metal which can be injected ¬ upper half of the ignition temperature, a
Selbstentzündung erfolgt. Autoignition occurs.
Bei der Verbrennung von elektropositivem Metall, z.B. Lithium mit Prozessgasen PG wie N2, 02, H20, H2 und C02 entstehen ggf. verschiedene feste Verbindungen, beispielsweise Lithiumver- bindungen wie z.B. Li20, L13N, LiOH, Li2C03, LiH, als Abbrand- produkte 64 (=Reaktionsprodukte) . Weitere gasförmige Reak¬ tionsprodukte, die z.B. bei der Reaktion mit Wasser oder C02 entstehen, sind z.B. H2 und CO. Die Prozesskammer ist gemäß bestimmten Ausführungsformen so konzipiert, dass entstehende Abbrandprodukte 64 über einen ggf. auswechselbaren Gitterboden 63 im laufenden Betrieb entsorgt werden können. Entstehende gasförmige Produkte können über einen Auslass 62 abgesaugt und für weitere Nachfolgereaktionen gesammelt werden. So kann z.B. das bei der Verbrennung in C02 entste- hende CO als Ausgangsstoff für die Herstellung von Methanol oder Kohlenwasserstoffen verwendet werden. During the combustion of electropositive metal, eg lithium with process gases PG such as N 2 , O 2 , H 2 O, H 2 and C0 2 , various solid compounds may be formed, for example lithium compounds such as Li 2 O, Li 3 N, LiOH , Li 2 C03, LiH, as burn-off products 64 (= reaction products). Other gaseous reac ¬ tion products, for example, formed in the reaction with water or C0 2, for example, are H 2 and CO. The process chamber is designed in accordance with certain embodiments so that resulting burn-off products 64 can be disposed of via a possibly interchangeable grid floor 63 during operation. Resulting gaseous products can be extracted via an outlet 62 and collected for further follow-up reactions. Thus, for example, the CO formed during combustion in C0 2 can be used as starting material for the production of methanol or hydrocarbons.
Die Abbrandprodukte 64 können beispielsweise kontinuierlich mittels einer Abführvorrichtung innerhalb der Prozesskammer abgeführt werden, die dazu ausgebildet ist, ein Verbrennungs¬ produkt des elektropositiven Metalls mit dem Prozessgas kon¬ tinuierlich aus der Prozesskammer zu entfernen, beispielsweise einem Förderband oder ähnlichen. Ebenso ist aber auch der Auslass 62, mit Hilfe dessen kontinuierlich gasförmige Produkte der Verbrennung abgeführt werden können, als Abführvorrichtung zu verstehen. Durch die kontinuierlich arbeitende Abführvorrichtung wird eine effizientere Verwendung der The combustion products 64 may be removed continuously by means of a discharge device within the process chamber, for example, which is adapted to remove a combustion ¬ product of the electropositive metal with the process gas kon ¬ continuously from the process chamber, for example a conveyor belt or similar. Likewise, however, the outlet 62, by means of which continuously gaseous products of the combustion can be removed, is to be understood as a discharge device. By the continuously operating discharge device is a more efficient use of
Vorrichtung erzielt. Die in der Prozesskammer erzeugte thermische Energie wird gemäß bestimmten Ausführungsformen genutzt, z.B. analog zu einem Kohlekraftwerk vorrangig zur Stromerzeugung. Mittels Wärmetauscher 8 kann Dampf erzeugt werden, der eine Gastur- bine antreibt, welche die thermische in elektrische Energie umwandelt. Im Unterschied zur Kohleverbrennung können jedoch alle bei der Verbrennung des elektropositiven Metalls, beispielsweise Lithium, entstehenden Verbindungen weiterver- wertet und weiterverarbeitet werden, oder sie werden mittels Elektrolyse in das elektropositive Metall, beispielsweise Lithium, zurückgeführt. Die Vorteile dieser Rückführung sind bereits aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die bei der Verbrennung entstehende Verlustwärme, die aufgrund von Entro¬ pieeffekten nicht der Stromerzeugung zugutekommt, als Wärme für die Erhitzung des Ausgangsmaterials, des elektropositiven Metalls verwertet werden. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Prozessanlage und damit die Wirtschaftlichkeit des Verbren¬ nungsprozesses. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen weiter ein Transportsystem auf, mit dem die thermische Energie zur Schmelzvorrichtung 3 und/oder zur Fördereinrichtung 4 zum Erhitzen des elektropo- sitiven Metalls geführt wird. Device achieved. The thermal energy generated in the process chamber is used according to certain embodiments, eg analogous to a coal-fired power plant primarily for power generation. By means of heat exchanger 8 steam can be generated, which is a Gastur- bine, which converts the thermal into electrical energy. In contrast to coal combustion, however, all compounds formed during the combustion of the electropositive metal, for example lithium, can be further utilized and further processed, or they are recycled by means of electrolysis into the electropositive metal, for example lithium. The advantages of this feedback are already known from the above-mentioned prior art. According to a further embodiment, the loss produced by the combustion heat, which does not benefit due to Entro ¬ pieeffekten of electricity, be utilized as heat for the heating of the starting material, the electropositive metal can. This increases the efficiency of the process plant and thus the profitability of the Burn ¬ planning process. According to certain embodiments, the device according to the invention further has a transport system with which the thermal energy is conducted to the melting device 3 and / or to the conveying device 4 for heating the electropositive metal.
Um die Prozessanlage vor Korrosion aufgrund der verarbei¬ tenden elektropositiven Metalle, insbesondere Alkalimetallen bzw. Alkalimetalllegierungen, zu verhindern, sind nichtro- stende und korrosionsbeständige Konstruktionswerkstoffe gemäß bestimmter Ausführungsformen für die Auslegung insbesondere der Fördereinrichtung 4, der Zerstäubeeinrichtung 5 und/oder der Prozesskammer 6 einzusetzen. Insbesondere die Brennkammer/Prozesskammer 6, in der aufgrund der Reaktion mit den Prozessgasen PG wie zum Beispiel Kohlendioxid, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Wasserstoff Temperaturen von > 600°C erreicht werden und korrosive Abbrandprodukte 64 wie z.B. L13N und L12O im Falle des Li als elektropositiven Metalls entstehen können, sind besonders korrosionsbeständige und hochwarmfeste CrNi-Stähle bevorzugt, aber nicht einschränkend zu verwenden. Auch ist beispielsweise nichtlegiertes Eisen gegen Lithium beständig im Gegensatz zu Kupfer. Beispiele In order to prevent the processing tool against corrosion due to the processing ¬ Tenden electropositive metals, especially alkali metals and alkali metal alloys, nichtro- stende and corrosion resistant materials of construction in accordance with certain embodiments of the design are in particular the conveyor 4, the Zerstäubeeinrichtung 5 and / or the process chamber 6 to use , In particular, the combustion chamber / process chamber 6, are reached in the due to the reaction with the process gases PG such as carbon dioxide, nitrogen, oxygen and / or hydrogen temperatures of> 600 ° C and corrosive Abbrandprodukte 64 such as L1 3 N and L1 2 O im If Li can be produced as an electropositive metal, particularly corrosion-resistant and high-temperature-resistant CrNi steels are preferred, but not restrictive. Also, for example, non-alloyed iron is resistant to lithium as opposed to copper. Examples
Die Erfindung wird im Anschluss anhand einiger beispielhafter Ausführungsformen dargestellt, die diese jedoch nicht ein- schränken. The invention will be illustrated below with reference to some exemplary embodiments which, however, do not limit them.
Verschiedene Ausführungsbeispiele von Prozessanlagen sind in Figuren 10 bis 12 veranschaulicht, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt ist. Jegliche Kombina- tionen der Anlagenkomponenten/Bauteile Zuführeinrichtung 1, Dosiereinheit 2, Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung 3, Fördereinrichtung 4, Zerstäubeeinrichtung 5 und Prozesskammer 6 sind eingeschlossen. Beispiel 1 Various embodiments of process equipment are illustrated in Figures 10 to 12, but the invention is not limited to these examples. Any combination of the system components / components, feeder 1, dosing unit 2, melting device or pulverizer 3, conveyor 4, atomizer 5 and process chamber 6 are included. example 1
Beim Ausführungsbeispiel 1 (Figur 10) handelt es sich um einen spezielle Ausführungsform zur Verarbeitung von pulver- förmigen und partikulären Metallen, hier Lithium, bei der der Extruder 44 die Prozessschritte - Schmelzen, Fördern und Druck aufbauen - übernimmt. Die Prozesskammer 6 und der  Embodiment 1 (FIG. 10) is a special embodiment for processing powdered and particulate metals, here lithium, in which the extruder 44 takes over the process steps - melting, conveying and pressure. The process chamber 6 and the
Extruder 44 sind hierbei wie oben dargelegt aufgebaut, wobei die Prozesskammer 6 eine Zündvorrichtung 7 aufweist. Eine Besonderheit in dieser Ausführung ist, dass der Extruder 44 sowie die Zufuhr der Metallpellets MP sowie die Dosierein- richtung 2 in einer Schutzgas, beispielsweise Argon, ge¬ füllten Kammer 20 vorgesehen sind, um Reaktionen des elektro- positiven Metalls in diesen Bauteilen mit der Umgebung so weit möglich auszuschließen. Beispiel 2 Extruders 44 are constructed as set forth above, wherein the process chamber 6 has an ignition device 7. A special feature in this embodiment is that the extruder 44 and the supply of the metal pellets MP as well as the dosage device 2 in an inert gas, such as argon, ge ¬ filled chamber 20 are provided to reactions of the electropositive metal in these components with the Environment as far as possible to exclude. Example 2
In Ausführungsbeispiel 2 gemäß Figur 11 werden der oben dargestellte Schraubenverdichter 43 mit der oben dargestell¬ ten Prozesskammer 6 verbunden, wobei die Zufuhr zum Schraubenverdichter, das Dosieren und das Schmelzen in einer In Embodiment 2 according to Figure 11 of the screw compressor shown above are 43 connected to the above dargestell ¬ th process chamber 6, wherein the supply to the screw compressor, the metering and melting in a
Zuführeinrichtung 1 mit einem Einlass für Metallpellets MP und einer mit Heizelementen 100 beheizten Dosierschnecke 21 stattfindet. Zudem findet sich nach der Dosierschnecke ein Einlass für Schutzgas SG, z.B. Argon, um eine vorzeitige Reaktion des geschmolzenen elektropositiven Metalls, hier beispielsweise Lithium, zu verringern oder zu verhindern. Zudem weist die Prozesskammer 6 eine Zündvorrichtung 7 auf. Beispiel 3 Feeding device 1 with an inlet for metal pellets MP and heated with heating elements 100 metering screw 21 takes place. In addition, there is an inlet for inert gas SG, for example argon, to the premature after the metering screw Reaction of the molten electropositive metal, here for example lithium, to reduce or prevent. In addition, the process chamber 6 has an ignition device 7. Example 3
Im Ausführungsbeispiel 3, das in Figur 12 dargestellt ist, wird der oben dargestellte Schraubenverdichter 43 mit der oben dargestellten Prozesskammer 6, die eine Zündvorrichtung 7 aufweist, verbunden. Die Zufuhr zum Schraubenverdichter 43 erfolgt hierbei wie folgt: Über ein Förderband 11 als Bei¬ spiel einer Zuführeinrichtung 1 wird festes elektropositives Metall, hier Lithium, in Fässern einer kontinuierlichen In Embodiment 3 shown in FIG. 12, the above-described screw compressor 43 is connected to the above-described process chamber 6 having an ignition device 7. The supply to the screw compressor 43 takes place as follows: Via a conveyor belt 11 as an example of a feed device 1, solid electropositive metal, in this case lithium, in barrels of a continuous
Ofenanlage 31, die mit Schutzgas SG zum Druckausgleich und zur Verhinderung einer vorzeitigen Reaktion des Metalls gefüllt wird, zugeführt. Aus dieser kontinuierlichen Ofen¬ anlage 31 wird das geschmolzene Metall MM über ein Ventil dem Schraubenverdichter 43 zugeführt. Über die Geschwindigkeit des Förderbands 11, das Ventil vor dem Schraubenverdichter 43, etc. kann hierbei die Zudosierung gesteuert werden, so dass die Kombination von Förderband 11, kontinuierliche Ofen¬ anlage 31 und Ventil nach dem Schmelzen die Dosiereinheit 2 umfasst . Furnace 31, which is filled with inert gas SG for pressure equalization and to prevent premature reaction of the metal supplied. From this continuous furnace ¬ plant 31, the molten metal MM is supplied via a valve to the screw compressor 43. On the speed of the conveyor 11, the valve before the screw compressor 43, etc. Here, the metering can be controlled, so that the combination of conveyor belt 11, a continuous furnace ¬ system 31 and valve after melting the dosing unit 2 comprises.
Beispiel 4 Example 4
Beispiele von Berechnungen für Verbrennungen von verschiedenen elektropositiven Metallen mit verschiedenen Prozessgasen in Vorrichtungen/Prozessanlagen bzw. Kraftwerken verschiedener Größe, in Bezug auf deren Leistungen, sind im Anschluss gezeigt. A) Reaktionen von Magnesium Examples of calculations for combustions of various electropositive metals with different process gases in devices / process plants or power plants of different sizes, in terms of their performance, are shown below. A) reactions of magnesium
Verbrennung in CO2 Atmosphäre Combustion in CO 2 atmosphere
+ C02 ->■ MgO + CO + C0 2 -> ■ MgO + CO
-318,26 kJ/mol -318.26 kJ / mol
-318,26 kJ/mol Mg  -318.26 kJ / mol Mg
-13, 09442502 kJ/g Mg  -13, 09442502 kJ / g Mg
MgO + C02 ->■ MgC03 MgO + C0 2 -> MgC0 3
ΔΗΓ = -116, 94 kJ/mol ΔΗ Γ = -116, 94 kJ / mol
-2,657123381 kJ pro g C02 -2.657123381 kJ per g of C0 2
Mg + 2 C02^ MgC03+ CO Mg + 2 C0 2 ^ MgC0 3 + CO
ΔΗΓ =-435, 2 kJ/mol ΔΗ Γ = -435, 2 kJ / mol
-435,2 kJ/mol Mg  -435.2 kJ / mol Mg
-17,9057807 kJ/g Mg  -17.9057807 kJ / g Mg
Leistung / kW Volumenstrom / cm3/h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/h Power / kW volumetric flow / cm 3 / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10 1154,92 2009,57 0,5582 0,0006 10 1154,92 2009,57 0,5582 0,0006
100 11549,23 20095,66 5,5821 0,0056 0,0201100 11549.23 2009 5.66 5.5821 0.0056 0.0201
1.000 115492,27 200956,55 55,8213 0,0558 0,20101,000 115492.27 200956.55 55.8213 0.0555 0.2010
10.000 1154922,72 2009565,53 558,2126 0,5582 2,009610,000 1154922.72 2009565.53 558.2126 0.5582 2.0096
100.000 11549227,20 20095655,32 5582,1265 5,5821 20,0957100,000 11549227,20 20095655,32 5582,1265 5,5821 20,0957
1.000.000 115492271 ,95 200956553,19 55821 ,2648 55,8213 200,9566 1.000.000 115492271, 95 200956553, 19 55821, 2648, 55.8213, 200.9566
2.Verbrennung in N2 Atmosphäre 2.Burning in N 2 atmosphere
3 Mg + N2 -> Mg3N2 3 Mg + N 2 -> Mg 3 N 2
ΔΗΓ =-461, 08 kJ/mol ΔΗ Γ = -461, 08 kJ / mol
-153,6933333 kJ/mol Mg  -153.6933333 kJ / mol Mg
-6,323527395 kJ/g Mg Mg3N2 + 6 H20 ->■ 3 Mg (OH)2 + 2 NH3 -6.323527395 kJ / g Mg Mg 3 N 2 + 6 H 2 O -> ■ 3 Mg (OH) 2 + 2 NH 3
ΔΗΓ = -692, 9 kJ/mol ΔΗ Γ = -692, 9 kJ / mol
Leistung / kW Volumenstrom / cn /h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/h Power / kW volume flow / cn / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10 3271,06 5691,65 1,5810  10 3271.06 5691.65 1.5810
100 32710,63 56916,49 15,8101 0,0569 100 32710.63 56916.49 15.8101 0.0569
1000 327106,28 569164,92 158,1014 0,1581 0,56921000 327106.28 569164.92 158.1014 0.1581 0.5692
10000 3271062,77 5691649,21 1581,0137 1,5810 5,691610000 3271062.77 5691649.21 1581.0137 1.5810 5.6916
100000 32710627,66 56916492,12 15810,1367 15,8101 56,9165100000 32710627.66 56916492.12 15810.1367 15.8101 56.9165
1000000 327106276,57 569164921,23 158101,3670 158,1014 569,1649 1000000 327106276.57 569164921.23 158101.3670 158.1014 569.1649
3.Verbrennung in O2 3.Burning to O 2
2 Mg + 02 ->■ 2 MgO 2 Mg + 0 2 -> ■ 2 MgO
ΔΗΓ =-1202, 48 kJ/mol ΔΗ Γ = -1202, 48 kJ / mol
-601,24 kJ/mol Mg  -601.24 kJ / mol Mg
-24,73729685 kJ/g Mg  -24.73729685 kJ / g Mg
Leistung / kW Volumenstrom / cnf/h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/h Power / kW volume flow / cnf / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10,00 835,71 1.454,13 0,4039  10.00 835.71 1,454.13 0.4039
100,00 8.357,06 14.541,29 4,0392  100.00 8,357.06 14,541.29 4.0392
1.000,00 83.570,64 145.412,91 40,3925 0,0404 0,1454 1,000.00 83.570,64 145.412,91 40.3925 0.0404 0.1445
10.000,00 835.706,37 1.454.129,09 403,9247 0,4039 1,454110,000.00 835,706.37 1,454,129.09 403,9247 0,4039 1,4541
100.000,00 8.357.063,75 14.541.290,92 4039,2475 4,0392 14,5413100,000.00 8,357,063.75 14,541,290.92 4039.2475 4.0392 14.5413
1.000.000,00 83.570.637,50 145.412.909,24 40392,4748 40,3925 145,4129 1.000.000,00 83.570.637,50 145.412.909,24 40392,4748 40,3925 145,4129
Reaktionen von Calci Reactions of Calci
1.Verbrennung in CO2  1.Burning into CO2
Ca + C02 ->■ CaO + CO Ca + CO 2 -> ■ CaO + CO
ΔΗΓ = -352, 11 kJ/mol ΔΗ Γ = -352, 11 kJ / mol
-352,11 kJ/mol Ca  -352.11 kJ / mol Ca
-8,7856 kJ/g Ca  -8.7856 kJ / g Ca
CaO + C02 ->■ CaC03 CaO + C0 2 -> ■ CaC0 3
ΔΗΓ = -177, 82 kJ/mol ΔΗ Γ = -177, 82 kJ / mol
-177,82 kJ/mol CaO  -177.82 kJ / mol CaO
-3,1709 kJ/g CaO  -3.1709 kJ / g CaO
Ca + 2 C02^ CaC03+ CO Ca + 2 C0 2 ^ CaC0 3 + CO
ΔΗΓ = -529, 93 kJ/mol ΔΗ Γ = -529, 93 kJ / mol
-529, 93 kJ/ mol Ca  -529, 93 kJ / mol Ca
-13,22 kJ/g Ca  -13.22 kJ / g Ca
Leistung / kW Volumenstrom / cm3/h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/h Power / kW volumetric flow / cm 3 / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10 1756,27 2720,46 0,76 0,0027 10 1756.27 2720.46 0.76 0.0027
100 17562,70 27204,62 7,56 0,0272100 17562.70 27204.62 7.56 0.0272
1.000 175627,02 272046,25 75,57 0,0756 0,27201,000 175627.02 272046.25 75.57 0.0756 0.2720
10.000 1756270,15 2720462,47 755,68 0,7557 2,720510,000 1756270,15 2720462,47 755,68 0,7557 2,7205
100.000 17562701,54 27204624,69 7556,84 7,5568 27,2046100,000 17562701,54 27204624,69 7556,84 7,5568 27,2046
1.000.000 175627015,44 272046246,91 75568,40 75,5684 272,0462 1.000.000 175627015,44 272046246,91 75568,40 75,5684 272,0462
2.Verbrennung in N2 2.Burning in N2
3 Ca + N2 - Ca3N2 3 Ca + N 2 - Ca 3 N 2
ΔΗΓ =-431, 7888 kJ/mol ΔΗ Γ = -431, 7888 kJ / mol
-143, 9296 kJ/mol Ca  -143, 9296 kJ / mol Ca
-3,591237088 kJ/g Ca  -3.591237088 kJ / g Ca
Leistung / kW Volumenstrom / cm3/h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/h Power / kW volumetric flow / cm 3 / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10 6466,36 10016,39 2,78 0,0028;  10 6466.36 10016.39 2.78 0.0028;
100 64663,57 100163,88 27,82 0,0278 0,1002 100 64663.57 100163.88 27.82 0.0278 0.1002
1.000 646635,75 1001638,77 278,23 0,2782 1,00161,000 646635,75 1001638,77 278,23 0,2782 1,0016
10.000 6466357,46 10016387,71 2782,33 2,7823 10,016410,000 6466357.46 10016387.71 2782.33 2.7823 10.0164
100.000 64663574,62 100163877,08 27823,30 27,8233 100,1639100,000 64663574,62 100163877,08 27,823,30 27,8233 100,1639
1.000.000 646635746,16 1001638770,80 278232,99 278,2330 1001,6388 3.Verbrennung in O2 1,000,000 646635746,16 1001638770,80 278232,99 278,2330 1001,6388 3. combustion in O2
2 Ca + 02 2 CaO 2 Ca + 0 2 2 CaO
ΔΗΓ = -1270,18 kJ/mol ΔΗ Γ = -1270.18 kJ / mol
-635,09 kJ/mol Ca  -635.09 kJ / mol Ca
Figure imgf000037_0001
c) Reaktionen von Natrium
Figure imgf000037_0001
c) Reactions of sodium
1.Reaktion mit H20 1.Reaktion with H 2 0
2 Na + 2 H20 ->■ 2 NaOH + H2 2 Na + 2 H 2 O -> ■ 2 NaOH + H 2
ΔΗΓ =-281,26 kJ/mol ΔΗ Γ = -281.26 kJ / mol
-140,63 kJ/mol Na  -140.63 kJ / mol Na
-6, 117060609 kJ/g Na  -6, 117060609 kJ / g Na
2.Verbrennung in O2  2. combustion in O2
2 Na + 02 -> Na202 2 Na + O 2 -> Na 2 O 2
ΔΗΓ =-513,21 kJ/mol ΔΗ Γ = -513.21 kJ / mol
-256, 605 kJ/mol Na  -256, 605 kJ / mol Na
Figure imgf000037_0002
Figure imgf000037_0002
D) Reaktionen von Kalium D) Reactions of potassium
1. Reaktion mit H20 1st reaction with H 2 0
2 K + 2 H20 2 KOH H;2K + 2H 2 0 2 KOH H;
ΔΗΓ = -278, 84 kJ/mol ΔΗ Γ = -278, 84 kJ / mol
-139,42 kJ/mol K  -139.42 kJ / mol K
-3,5658 kJ/g K 2.Verbrennung in O2 -3.5658 kJ / g K 2. combustion in O2
K + 02 ->■ K02 K + 0 2 -> ■ K0 2
ΔΗΓ = -284, 51 kJ/mol ΔΗ Γ = -284, 51 kJ / mol
-284,51 kJ/mol K  -284.51 kJ / mol K
Figure imgf000038_0001
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Reaktionen von Barium Reactions of barium
1.Verbrennung in CO2  1.Burning into CO2
+ 2 C02 - BaC03 + 2 C0 2 - BaC0 3
-542,51 kJ/mol  -542.51 kJ / mol
-542, 51 kJ/mol Ba  -542, 51 kJ / mol Ba
Figure imgf000038_0002
Figure imgf000038_0002
2.Verbrennung in N2 2.Burning in N2
3 Ba + N2 -> Ba3N2 3 Ba + N 2 -> Ba 3 N 2
-376, 1416 kJ/mol  -376, 1416 kJ / mol
-125, 3: 305 kJ/mol Ba  -125, 3: 305 kJ / mol Ba
-0, 913007 kJ/g Ba  -0, 913007 kJ / g Ba
Leistung / kW Volumenstrom / cm3/h Massenstrom / g/h Massenstrom / g/s Massenstrom / kg/s Massenstrom / t/hPower / kW volumetric flow / cm 3 / h mass flow / g / h mass flow / g / s mass flow / kg / s mass flow / t / h
10 10794,14 39398,62 10,94 0,039410 10794.14 39398.62 10.94 0.0394
100 107941,43 393986,21 109,44 0,1094 0,3940100 107941.43 393986.21 109.44 0.1094 0.3940
1.000 1079414,28 3939862,12 1094,41 1,0944 3,93991,000 1079414.28 3939862.12 1094.41 1.0944 3.9399
10.000 10794142,81 39398621,24 10944,06 10,9441 39,398610,000 10794142.81 39398621.24 10944.06 10.9441 39.3986
100.000 107941428,06 393986212,42 109440,61 109,4406 393,9862100,000 107941428.06 393986212.42 109440.61 109.4406 393.9862
1.000.000 1079414280,60 3939862124,17 1094406,15 1094,4061 3939,8621 F) Reaktionen von Aluminium1.000.000 1079414280.60 3939862124,17 1094406,15 1094,4061 3939,8621 F) reactions of aluminum
1.Verbrennung in N?1.Burning in N?
2 AI + N2 ->■ 2 A1N2 AI + N 2 -> ■ 2 A1N
ΔΗΓ = -635, 96 kJ/mol ΔΗ Γ = -635, 96 kJ / mol
-317, 98 kJ/mol AI  -317, 98 kJ / mol Al
Figure imgf000039_0001
Figure imgf000039_0001
2.Verbrennung in O2 2. combustion in O2
4 AI + 3 02 ->■ 2 AI2O34 AI + 3 0 2 -> ■ 2 AI2O3
ΔΗΓ = -3351, 38 kJ/mol ΔΗ Γ = -3351, 38 kJ / mol
-837, 845 kJ/mol AI  -837, 845 kJ / mol AI
Figure imgf000039_0002
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G) Reaktionen von StrontiumG) Reactions of strontium
1.Verbrennung in N2 1.Burning in N2
3 Sr + N2 ->■ Sr3N2 ΔΗΓ =-382,4176 kJ/mol 3 Sr + N 2 -> Sr 3 N 2 ΔΗ Γ = -382.4176 kJ / mol
-127, 4725 kJ/mol Sr -4,364501 kJ/g Sr  -127, 4725 kJ / mol Sr -4.364501 kJ / g Sr
Figure imgf000039_0003
2.Verbrennung in O2
Figure imgf000039_0003
2. combustion in O2
2 Sr + 02 ->■ 2 SrO 2 Sr + 0 2 -> ■ 2 SrO
ΔΗΓ =-1184, 08 kJ/mol ΔΗ Γ = -1184, 08 kJ / mol
-592,04 kJ/mol Sr  -592.04 kJ / mol Sr
Figure imgf000040_0001
Figure imgf000040_0001
Diese Daten zeigen, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung für diverse elektropositive Metalle großtechnisch angewendet werden kann. These data show that the method according to the invention or the device according to the invention can be used industrially for various electropositive metals.
Es ergeben sich die folgenden Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Verbrennung eines elektropositiven The following advantages of the device according to the invention for the combustion of an electropositive result
Metalls, insbesondere Lithium, sowie das erfindungsgemäße Verfahren : Metal, in particular lithium, and the inventive method:
• Es handelt sich um ein kontinuierliches Verfahren und eine kontinuierliche Prozessanlage, die die Verarbei¬ tung von Lithium oder anderer elektropositive Metalle wie z.B. Mg oder Na, ggf. unter Schutzgas, zu feinen• It is a continuous process and a continuous process plant, to fine the proces ¬ processing of lithium or other electro-positive metals such as Mg or Na, if necessary under protective gas,
Partikeln (=Spray) erlaubt, die dann in Reaktion mit Prozessgasen (wie z.B. C02, N2, H2, Luft, Wasser) kontrolliert verbrannt werden. Particles (= spray) are allowed, which are then combusted in a controlled manner in reaction with process gases (such as C0 2 , N 2 , H 2 , air, water).
• Die Anlage/Vorrichtung übernimmt alle für die Verbren- nung des elektropositiven Metalls erforderlichen Prozesse, wie: Material bereitstellen, Schmelzen, Fördern, Druck aufbauen, Zerstäuben, ggf. Zünden und Verbrennen des Lithiums.  • The system / device takes over all the processes required for the combustion of the electropositive metal, such as: providing material, melting, conveying, pressure build-up, sputtering, possibly igniting and burning the lithium.
• Das Verfahren ist skalierbar von kleinen Materialdurch- Sätzen von wenigen 10 g/h bis zu mehreren 100 kg/h bzw. an die lOOte Tonnen/h (Vergleich Kohlekraftwerk 13000 t Kohle pro Tag) . • Die Anlagen sind verhältnismäßig kompakt und können ohne besondere Vorkehrungen z.B. direkt an Oxyfuel-Kraft- werke angebunden werden. Somit kann das in Oxyfuel- Kraftwerken anfallende CO2 als Reaktionsgas für die Verbrennung genutzt werden. • The process is scalable from small material throughputs of a few 10 g / h up to several 100 kg / h or to the 100 tons / h (comparison coal-fired power plant 13000 t coal per day). • The systems are relatively compact and can be connected directly to oxyfuel power plants without special precautions. Thus, the CO 2 produced in oxyfuel power plants can be used as a reaction gas for combustion.
• Die in der Anlage erzeugte thermische Energie kann  • The thermal energy generated in the system can
analog zu konventionellen Kohlekraftwerken über Wärmetauscher und Dampferzeuger direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Im Unterschied zur Kohlever¬ brennung entsteht bei der Verbrennung des elektropo- sitiven Metalls kein CO2, und die Abbrandprodukte sind verwertbar bzw. recyclebar. be converted directly into electrical energy by means of heat exchangers and steam generators as in conventional coal-fired power plants. In contrast to coal ¬ incineration produced during the combustion of the electropositive metal sitiven no CO 2, and the combustion products are recycled or recyclable.
• Die beim Verbrennungsprozess entstehende Verlustwärme kann dem Verarbeitungsprozess zur Schmelzeerzeugung zugeführt und somit verwertet werden, was den Wirkungs¬ grad der Anlage und deren wirtschaftlichen Betrieb verbessert . • The generated in the incineration process waste heat can be supplied to the manufacturing process for melt generation and therefore exploited, improving the effect ¬ degree of their economic system and have.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie, A method of continuously burning an electropositive metal to generate thermal energy
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: characterized by the following steps:
i) kontinuierliches Zuführen des elektropositiven Metalls; ii) Dosieren des elektropositiven Metalls; i) continuously supplying the electropositive metal; ii) dosing the electropositive metal;
iii) Schmelzen oder Pulverisieren des elektropositiven iii) melting or pulverizing the electropositive
Metalls;  metal;
iv) Fördern des elektropositiven Metalls unter Druckbeaufschlagung; iv) conveying the electropositive metal under pressurization;
v) Zerstäuben des elektropositiven Metalls mittels einer Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse; und v) atomizing the electropositive metal by means of a sputtering device, preferably a nozzle; and
vi) Verbrennen des elektropositiven Metalls in einer vi) burning the electropositive metal in one
Prozesskammer mit einem Prozessgas unter Erzeugung thermischer Energie.  Process chamber with a process gas generating thermal energy.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das elektropositive Metall ein Alkali- oder Erdalkalimetall oder AI oder Zn ist. 2. The method according to claim 1, wherein the electropositive metal is an alkali or alkaline earth metal or Al or Zn.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Druckbeaufschlagung im Schritt iv) bei einem Druck von 0,01 bis 100 bar, bevorzugt 1 - 10 bar liegt. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the pressurization in step iv) at a pressure of 0.01 to 100 bar, preferably 1 - 10 bar.
4. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall nach dem Zerstäuben im Schritt v) gezündet wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is ignited after sputtering in step v).
5. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall im Schritt v) mit dem Prozessgas versprüht wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is sprayed in step v) with the process gas.
6. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das elektropositive Metall in Schritt vi) mit dem Prozessgas zur Reaktion gebracht wird, wobei das Prozessgas bevorzugt CO2 und/oder N2 ist. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electropositive metal is reacted in step vi) with the process gas, wherein the process gas is preferably CO 2 and / or N 2 .
7. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie zur Erzeugung elek¬ trischer Energie verwendet wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the thermal energy generated in step vi) is used to generate elec ¬ cal energy.
8. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die in Schritt vi) erzeugte thermische Energie zum Schmelzen des elektropositiven Metalls verwendet wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the thermal energy generated in step vi) is used to melt the electropositive metal.
9. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das in Schritt iii) geschmolzene elektropositive Metall in den 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electropositive metal melted in step iii) in the
Schritten iv) und v) weiter, bevorzugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elektropositiven Metalls, erhitzt wird.  Steps iv) and v) further, preferably to a temperature above the melting point of the electropositive metal is heated.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die in Schritt vi) er¬ zeugte thermische Energie zum Erhitzen des elektropositiven Metalls in den Schritten iv) und v) verwendet wird. 10. The method of claim 9, wherein in step vi) ¬ he testified thermal energy for heating the electropositive metal in the steps iv) and v) is used.
11. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei ent- stehende Verbrennungsprodukte des elektropositiven Metalls und des Prozessgases als Feststoff und ggf. gasförmiges 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein resulting combustion products of the electropositive metal and the process gas as a solid and optionally gaseous
Reaktionsprodukt anfallen und kontinuierlich aus der Prozess¬ kammer abgeführt werden. Incurred reaction product and are removed continuously from the process ¬ chamber.
12. Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbrennen eines elektropositiven Metalls zur Erzeugung thermischer Energie mit den folgenden Bauteilen: 12. An apparatus for continuously burning an electropositive metal for generating thermal energy with the following components:
a) Zuführeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das elektro¬ positive Metall kontinuierlich zuzuführen; a) feeding device, which is adapted to continuously supply the electro ¬ positive metal;
b) Dosiereinheit, die dazu ausgebildet ist, das elektro¬ positive Metall zu dosieren; b) dosing unit, which is designed to dose the electro ¬ positive metal;
c) Schmelzeinrichtung oder Pulverisiereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu schmelzen oder zu pulverisieren; c) melting means or pulverizer adapted to melt or pulverize the electropositive metal;
d) Fördereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das elektro¬ positive Metall unter Druckbeaufschlagung zu fördern; e) Zerstäubeeinrichtung, bevorzugt Düse, die mit der Fördereinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zerstäuben; und d) conveying device, which is designed to promote the electro ¬ positive metal under pressure; e) atomizing means, preferably nozzle, which is coupled to the conveyor and adapted to atomize the electropositive metal; and
f) Prozesskammer, die dazu ausgebildet ist, das elektroposi- tive Metall unter Erzeugung thermischer Energie mit einemf) Process chamber, which is adapted to the electropositive metal to generate thermal energy with a
Prozessgas zu verbrennen. Burn process gas.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei die Prozesskammer eine Zündvorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall zu zünden. 13. The apparatus of claim 12, wherein the process chamber includes an igniter configured to ignite the electropositive metal.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Schmelzeinrichtung und die 14. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the melting device and the
Fördereinrichtung miteinander gekoppelt sind. Conveyor are coupled together.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung eine Kolbenpumpe, ein Injektor, ein Schraubenverdichter oder ein Extruder ist. 15. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the conveyor is a piston pump, an injector, a screw compressor or an extruder.
16. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Fördereinrichtung Heizelemente umfasst, die dazu ausgebildet sind, das elektropositive Metall, bevor¬ zugt auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des elek- tropositiven Metalls, zu erhitzen. 16. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the conveying device comprises heating elements which are adapted to the electro-positive metal before Trains t ¬ be heated to a temperature above the melting point of the elec- tropositiven metal.
17. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, wobei die Zerstäubeeinrichtung eine Vorrichtung zur Zufuhr des Prozessgases, bevorzugt CO2 und/oder N2, um¬ fasst, das zum Zerstäuben des elektropositiven Metalls ver- wendet wird. 17. Device according to one of the preceding device-related claims, wherein the Zerstäubeeinrichtung is a device for supply of process gas, preferably CO 2 and / or N 2, to summarizes ¬ which turns comparable to atomize the electropositive metal.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Zufuhr des 18. The apparatus according to claim 17, wherein the supply of the
Prozessgases innerhalb der Zerstäubeeinrichtung oder außerhalb der Zerstäubeeinrichtung durch eine Ringdüse erfolgt. Process gas within the atomizer or outside of the atomizer by an annular nozzle.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, die weiter eine Abführvorrichtung innerhalb der Prozesskammer aufweist, die dazu ausgebildet ist, ein Ver- brennungsprodukt des elektropositiven Metalls und des Pro¬ zessgases kontinuierlich aus der Prozesskammer zu entfernen. 19. Device according to one of the preceding device-related claims, which further comprises a discharge device within the process chamber, which is adapted to to continuously remove from the process chamber combustion product of the electropositive metal and Pro ¬ zessgases.
20. Vorrichtung gemäß einem der vorigen vorrichtungsbezogenen Ansprüche, die weiter ein Transportsystem umfasst, mit dem die erzeugte thermische Energie zur Schmelzvorrichtung und/oder zur Fördereinrichtung zum Erhitzen des elektropositiven Metalls geführt wird. 20. Device according to one of the preceding device-related claims, further comprising a transport system with which the generated thermal energy to the melting device and / or to the conveyor for heating the electropositive metal is guided.
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