WO2015185312A1

WO2015185312A1 - Pumpenfreie metall-verdüsung und -verbrennung mittels unterdruckerzeugung und geeignete materialflusskontrolle

Info

Publication number: WO2015185312A1
Application number: PCT/EP2015/059850
Authority: WO
Inventors: Helmut Eckert; Renate Elena Kellermann; Günter Schmid; Dan Taroata
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2015-12-10
Also published as: RU2651010C1; US20180180279A1; EP3126660A1; DE102014210402A1; KR20170013355A; CN106461210A

Abstract

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

Description

Beschreibung

Pumpenfreie Metall-Verdüsung und -Verbrennung mittels Unterdruckerzeugung und geeignete Materialflusskontrolle

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

Fossile Brennstoffe liefern jährlich zehntausende Terawatt- stunden an elektrischer thermischer und mechanischer Energie. Das Endprodukt der Verbrennung, Kohlendioxid (C02), wird hierbei zunehmend zu einem Umwelt- und Klimaproblem.

In der DE 10 2008 031 437.4, DE 10 2010 041 033.0 und

DE 10 2013 224 709.5 wird aufgezeigt, wie sich ein vollstän^¬ diger Energiekreislauf mit elektropositiven Metallen darstel- len lässt und ein Kraftwerksbetrieb mittels Lithium als me^¬ tallischem Kohleersatz realisierbar ist. Als Fallbeispiel diente hier konkret Lithium sowohl als Energieträger als auch als Energiespeicher, wobei auch andere elektropositive Metal^¬ le wie Natrium, Kalium oder Magnesium, Calcium, Barium oder Aluminium und Zink verwendet werden können.

In der Literatur sind prinzipielle Untersuchungen zur Reaktion von flüssigem Lithium mit verschiedenen Gasen und Gasgemischen bekannt (Bernett, D.S.; Gil, T.K.; Kazimi, M.S.; Fusion Technology, 1989, 15, 2, pp . 967-972; A. Subramani,

S Jayanti, Combustion and Flame 158 (2011), 1000-1007). Der dafür verwendete Prozess beinhaltet eine Reaktionskammer, in welche Lithium eingefüllt und verflüssigt bei 400 C umge- setzt wird. Gasgemische von Sauerstoff, Stickstoff und Was^¬ serdampf wurden in die Kammer über einen Gaseinlass durch das flüssige Lithium geleitet (Gil, T.K., Kazimi, M.S.: The kinetics of liquid lithium reaction with oxygen-nitrogen mixture, S. 20, 21, 46, Plasma Fusion Center and the Depart^¬ ment of Nuclear Engineering, MIT, Cambridge, MA, 1986, USA) .

Damit die Verbrennungsvorgänge zur Bereitstellung thermischer Energie für die Stromproduktion eingesetzt werden können, sollte das Lithium, ähnlich wie bei Kohle- oder Erdölbrennern als Pulver oder Spray mit großer Oberfläche in das Oxidati- onsmittel zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Energieflusses eingebracht werden. Ein Verfahren zur Herstellung von Lithiumpartikeln ist in der DE 10 2011 052 947 AI beschrieben. Darin wird die Herstellung von Produkten wie Metalloxiden, Metallhydriden oder Metallnitriden durch die Umsetzung von Lithium - in Partikelform - mit einem reaktiven Gas (Sauerstoff, Wasser oder Stickstoff) offenbart.

In der DE 102 04 680 AI ist ein Verfahren zur Herstellung von Alkyllithiumverbindungen mittels Verdüsung von Lithiummetall beschrieben, bei dem metallisches Lithium in Form von Parti- kein mit einem Alkylhalogenid umgesetzt wird.

In der DE 102013224709.5 wird dargestellt, wie eine Prozess^¬ anlage zur kontinuierlichen Verbrennung von Lithium inklusive einer Fördereinheit aussehen kann.

Für den Einsatz von Lithium als Energiespeicher in einem Kraftwerksprozess zur Umwandlung der gespeicherten chemischen Energie in thermischer Energie und anschließende Verstromung ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Zufuhr und Verdü- sung des Lithiums in einen Brennerraum Voraussetzung. Aufgrund der notwendigen hohen Temperaturen bei einer Verflüssigung elektropositiver Metalle und der Medienaggressivität von beispielsweise Lithium und Natrium können sich Probleme bei der Verwendung herkömmlicher Pumpen und Flussregler ergeben.

Zur Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Barium,

Aluminium und Zink ist grundsätzlich der folgende Aufbau vorteilhaft. Das zu verdüsende Material wird mittels einer Pumpe aus einem Behälter durch eine Düse gefördert und gegebenenfalls gezündet, je nach Materialselbstentzündlichkeit . Der Druck durch die Düse und die Fördermenge können dabei über einen der Düse vorgestellten Regler eingestellt werden. Bei der Verdüsung von aggressiven Medien, insbesondere von Alkalimetallen, aber auch anderen elektropositiven Metallen, ist ein solcher Aufbau allerdings problematisch, da das Metall durch die Pumpe und den Regler fließt und dabei mit bauartbe^¬ dingt nicht medienbeständigen Teilen in Kontakt kommt. Außerdem werden elektropositive Metalle zur Förderung bzw. Verdü^¬ sung und Verbrennung bevorzugt verflüssigt bzw. erhitzt und haben daher eine Temperatur von bis zu mehreren hundert °C, was beispielsweise elektromagnetische Pumpen bewerkstelligen können, wobei hier jedoch Probleme mit dem Druck auftauchen können. Für solch hohe Temperaturen sind aber viele Pumpen und Regler nicht ausgelegt. Zudem kann es zu Ablagerungen von elektropositivem Metall in den Pumpen und/oder Reglern, För- derbändern, etc. kommen, die nicht auf einfache Weise ent^¬ fernt werden können. Um den Kontakt der elektropositiven Metalle mit Pumpen und/oder Reglern, etc. zu vermeiden, ist somit ein Verfahren erforderlich, dass eine Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen ohne direkten Kontakt mit Pumpen und/oder Reglern erlaubt.

Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, elektropositive Metalle wie Lithium in einem kontinu- ierlichen Verfahren ohne direkten Medienkontakt mit Pumpen und/oder Flussreglern zu verdüsen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglichen, elektropositive Metalle wie Lithium in einem kontinu^¬ ierlichen Verfahren zu verbrennen, ohne dass eine Fördervor- richtung wie eine Pumpe, ein Extruder oder eine andere Fördereinheit nötig ist.

Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, in dem eine effiziente Förderung und Vermischung eines elektropositiven Metalls mit einem Brenngas erzielt werden können.

Es wurde nunmehr herausgefunden, dass es möglich ist, durch Verwendung einer sich verjüngenden Düse in einem Trägergas- ström, an die eine Zuführung für ein elektropositives Metall angebracht ist, das elektropositive Metall durch die Saugwir^¬ kung der Düse in den Trägergasstrom einzubringen und darin zu verdüsen, ohne dass es einer Fördereinrichtung wie einer Pumpe bedarf. Zudem wird erfindungsgemäß durch eine gezielte Verdüsung, ggf. Zündung, und möglichst vollständige Verbren^¬ nung in einem kontinuierlichen kraftwerksrelevanten Verbren- nungsprozess die Umwandlung der im elektropositiven Metall gespeicherten chemischen Energie in thermische Energie ermög^¬ licht .

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi^¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen dersel- ben, mit einem Brenngas,

wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Quer- schnitt zunächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenn^¬ gas verbrannt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin^¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetal^¬ len, Aluminium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemi- sehen derselben, mit einem Brenngas, umfassend

eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse, zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdü- sen,

eine erste Zuführeinrichtung für Trägergas zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse zuzu^¬ führen,

einen Behälter, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym bereitzustellen, eine zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall aus dem Behälter zur ersten Düse zu leiten, und einen Brenner, der dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Brenngas zu verbrennen.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.

Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maß^¬ stabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Venturi-Düse . Figur 2 zeigt schematisch die Druckbeziehungen in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdüsen von elektropositivem Metall mit einer Venturi-Düse.

Figur 3 zeigt die Vorrichtung aus Figur 2 im Betriebszustand .

Figur 4 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Aus- führungsform einer Vorrichtung zum Verdüsen von elektropositivem Metall mit Venturi-Düse und Innen^¬ mischung von Trägergas und elektropositivem Metall sowie die Zuordnung der Drücke und Komponenten. Figur 5 zeigt die Vorrichtung aus Figur 4 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.

Figur 6 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mit einer Lavaldüse und

Innenmischung von Trägergas und elektropositivem Metall dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Kom^¬ ponenten . Figur 7 zeigt die Vorrichtung aus Figur 6 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.

Figur 8 stellt schematisch die Nutzung des hydrostatischen

Drucks des elektropositiven Metalls bei der Verdü- sung dar.

Figur 9 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mit Außenmischung von Trägergas und elektropositivem Metall dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Komponenten. Figur 10 zeigt die Vorrichtung aus Figur 9 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls.

Figur 11 stellt schematisch noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdüsung von elektropositivem Metall mittels einer Strahlpumpe dar und zeigt die Zuordnung der Drücke und Kompo^¬ nenten .

Figur 12 zeigt die Vorrichtung aus Figur 11 im Betriebszustand mit der Verdüsung des elektropositiven Metalls .

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi^¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas,

wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter durch Verdüsung eines Trägergases in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse aus dem Behälter in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenn^¬ gas verbrannt wird.

Die Verdüsung kann hierbei derart erfolgen, dass eine Vermischung des Trägergases und des elektropositiven Metalls in der ersten Düse erfolgt als Innenmischung oder erst nach der ersten Düse als Außenmischung, wobei hierbei die erste Düse auch nur aus dem sich verjüngenden Abschnitt bestehen kann.

Das elektropositive Metall ist ein Metall, dass gemäß be^¬ stimmten Ausführungsformen ausgewählt ist aus Alkalimetallen, bevorzugt Li, Na, K, Rb und Cs, Erdalkalimetallen, bevorzugt Mg, Ca, Sr und Ba, AI und Zn, sowie Gemischen und/oder Legierungen derselben. In bevorzugten Ausführungsformen ist das elektropositive Metall ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, AI und Zn, weiter bevorzugt Li und Mg, und besonders bevorzugt ist das elektropositive Metall Lithium.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das elektropositive Metall flüssig. Bei solchen Ausführungsformen ist eine einfa^¬ che Handhabung und Verdüsung des elektropositiven Metalls möglich. Zudem kann sich eine effizientere Verdüsung und Beförderung im Vergleich zu einem Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym ergeben. Auch kann eine einfachere Reinigung der Vorrichtung im Vergleich zu den Pulverpartikeln möglich sein, welche sich gegebenenfalls in Ritzen, Spalten, etc. der Apparatur absetzen können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Verwendung des elektropositiven Metalls als Flüssigkeit bevorzugt.

Das elektropositive Metall kann gemäß bestimmten Ausführungs^¬ formen auch als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym eingesetzt werden. Hierbei ergibt sich der Vorteil, dass eine Verflüssigung des Metalls nicht erfor- derlich ist und die Energie zum Schmelzen des Metalls somit eingespart werden kann. Durch die niedrigere Temperatur kann ggf. jedoch auch je nach elektropositivem Metall und Brenngas ein Starten der Reaktion mit dem Brenngas erforderlich sein, während dies im flüssigen Zustand nicht erforderlich sein könnte. Die Partikelgröße im Pulver kann auf geeignete Weise eingestellt werden und das Pulver kann, ggf. kommerziell, auf geeignete Weise bereitgestellt werden. Die Partikelgröße kann gemäß üblichen Methoden, zum Beispiel mikroskopisch oder durch Laserbeugung auf übliche Weise bestimmt werden.

Als Brenngas kommen gemäß bestimmten Ausführungsformen solche Gase in Frage, welche mit dem genannten elektropositiven Metall bzw. Gemischen und/oder Legierungen der elektropositiven Metalle in einer exothermen Reaktion reagieren können, wobei diese nicht besonders beschränkt sind. Beispielhaft kann das Brenngas Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasser^¬ dampf, Stickoxide NO_x wie Distickstoffmonoxid, Stickstoff, Schwefeldioxid, oder Gemische derselben umfassen. Das Verfah- ren kann also auch zur Entschwefelung bzw. NOx Entfernung verwendet werden. Je nach Brenngas können hierbei mit den verschiedenen elektropositiven Metallen verschiedene Produkte erhalten werden, die als Feststoff, Flüssigkeit sowie auch gasförmig anfallen können.

So kann beispielsweise bei einer Reaktion von elektropositi- vem Metall, beispielsweise Lithium, mit Stickstoff unter an^¬ derem Metallnitrid, wie Lithiumnitrid, entstehen, welches dann später zu Ammoniak weiterreagieren gelassen werden kann, wohingegen bei einer Umsetzung von elektropositivem Metall, z.B. Lithium, mit Kohlendioxid beispielsweise Metallcarbonat, z.B. Lithiumcarbonat, Kohlenmonoxid, Metalloxid, z.B. Lithiu^¬ moxid, oder auch Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, sowie auch Gemische davon entstehen können, wobei aus dem Kohlenmonoxid höherwertige kohlenstoffhaltige Produkte wie Methan, Ethan, Methanol, etc. gewonnen werden können, beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Verfahren, während aus Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, beispielsweise Acetylen gewonnen werden kann. Weiterhin kann beispielsweise auch mit Distickstoffmo- noxid als Brenngas z.B. Metallnitrid entstehen.

Analoge Reaktionen können sich auch für die anderen genannten Metalle ergeben.

Das Trägergas ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, und kann dem Brenngas entsprechen bzw. dieses umfassen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Trägergas kommen beispielsweise Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff Me- than, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, Distickstoffmono- xid, Gemische von zwei oder mehreren dieser Gase, etc. zur Anwendung. Hierbei können verschiedene Gase, wie beispiels^¬ weise Methan - das gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht verbrennt, zum Wärmetransport dienen und die Reaktionswärme der Reaktion von elektropositivem Metall mit dem Brenngas aus dem Reaktor abführen. Die verschiedenen Trägergase können beispielsweise an die Reaktion des Brenngases mit dem elek^¬ tropositiven Metall geeignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen. Gemäß bestimmten Ausfüh^¬ rungsformen ist das Trägergas das Brenngas.

Grundsätzlich liegt der vorliegenden Erfindung das Prinzip der Venturi-Düse zu Grunde. Dieses beruht darauf, dass sich die Fließgeschwindigkeit eines durch ein Rohr strömenden Me^¬ diums zu einem sich verändernden Rohrquerschnitt umgekehrt proportional verhält. Das heißt, dass die Geschwindigkeit dort am größten ist, wo der Querschnitt des Rohres am klein- sten ist. Nach dem Gesetzt von Bernoulli wird außerdem in einem strömenden Fluid (Gas oder Flüssigkeit) ein Geschwindigkeitsanstieg von einem Druckabfall begleitet. Dementspre^¬ chend gilt für eine Düse nach Fig. 1, das Pi>p2 ist, wobei Pi der Druck des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse und P2 der Druck des Trägergases im kleinsten

Querschnitt der ersten Düse und der zweiten Zuführeinrichtung ist sowie

vi die Geschwindigkeit des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse und V2 die Geschwindigkeit des Trägerga- ses im kleinsten Querschnitt der ersten Düse ist. Diese Be^¬ ziehung kann man sich für die Verdüsung und Verbrennung von flüssigen elektropositiven Metallen zu Nutze machen.

Die sich im Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse ist in ihrer Form nicht besonders beschränkt, insofern der Quer^¬ schnitt der Düse in Strömungsrichtung des Trägergases zu^¬ nächst abnimmt. Nach der Abnahme des Querschnitts und der Zu^¬ führung des elektropositiven Metalls kann die Düse dann weiter im Querschnitt abnehmen, im Querschnitt gleich bleiben oder im Querschnitt zunehmen. Auch kann sich die Form des

Querschnitts ändern, wobei sie gemäß bestimmten Ausführungs^¬ formen jedoch gleich bleibt. Die Form des Querschnitts ist nicht besonders beschränkt und kann rund, elliptisch, quadra^¬ tisch, rechteckig, dreieckig, etc. sein, ist gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch rund, um eine gleichmäßige Vertei^¬ lung des elektropositiven Metalls und des Trägergases zu er^¬ möglichen. Auch ist eine symmetrische Düsenform bevorzugt. Darüber hinaus ist die erste Düse auch nicht weiter in ihrer Ausgestaltung eingeschränkt, sofern ein Bereich umfasst ist, in dem der Querschnitt der Düse in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst abnimmt. So kann die erste Düse als Ventu- ri-Düse, als Lavaldüse, in Form einer (Wasser-) Strahlpumpe, etc. ausgebildet sein, und kann eine Zufuhr für das elektro- positive Metall im Inneren, um die Düse herum oder an der Düse selbst umfassen. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls kann dabei ebenso über eine Zuführeinrichtung erfolgen, die eine Düse aufweist, beispielsweise am Ende der Zuführeinrich^¬ tung in Strömungsrichtung des elektropositiven Metalls.

Auch weitere Düsen sind nicht besonders beschränkt und können die obigen Formen und Ausgestaltungen umfassen.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht die erste Düse als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweitern- dem Querschnitt. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls kann hierbei beispielsweise (a) innerhalb der Venturidüse selbst, bevorzugt durch eine zweite Zuführeinrichtung in einem sich verjüngenden Teilstück der Venturi-Düse, (b) in einer zweiten Zuführeinrichtung, die um die Venturi-Düse herum angeordnet ist, bevorzugt in Form einer sich verjüngenden Düse um den verjüngenden Teil der Venturi-Düse, oder (c) durch eine Zu^¬ leitung/zweite Zuführeinrichtung zur Venturi-Düse erfolgen, die im sich verjüngenden Teil der Venturi-Düse oder im gleichbleibenden Teilstück der Venturi-Düse angebracht sein kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch mindestens eine Zulei^¬ tung/Zuführeinrichtung zur ersten Düse im gleichbleibenden Teilstück. Es ist aber auch möglich, das mehr als eine Zuführeinrichtung an der Venturi-Düse angebracht ist oder dass Kombinationen von Zuleitungsarten/Zuführeinrichtungen, beispielsweise an der Venturi-Düse und im Inneren der Venturi- Düse, vorgesehen sind, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen nur eine Zuführeinrichtung das elektropositive Metall zur Venturi-Düse zuleitet, um die Zufuhr des elektropositiven Me^¬ talls leichter zu steuern.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die die erste Düse als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten, also sich im Querschnitt vergrößernden, Teilstück ausgebildet sein. Auch hier kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls beispielsweise (a) innerhalb der Laval- düse selbst, bevorzugt durch eine zweite Zuführeinrichtung in einem sich verjüngenden Teilstück der Lavaldüse, (b) in einer zweiten Zuführeinrichtung, die um die Lavaldüse herum angeordnet ist, bevorzugt in Form einer sich verjüngenden Düse um den verjüngenden Teil der Lavaldüse, oder (c) durch eine Zu- leitung/zweite Zuführeinrichtung zur Lavaldüse erfolgen, die im sich verjüngenden Teil der Lavaldüse oder im Übergang vom sich verjüngenden zum divergierenden Teilstück angebracht sein kann. Es ist aber auch möglich, das mehr als eine Zuführeinrichtung an der Lavaldüse angebracht ist oder dass Kombinationen von Zuleitungsarten/Zuführeinrichtungen, beispielsweise an der Lavaldüse und im Inneren der Lavaldüse, vorgesehen sind, wobei gemäß bestimmten Ausführungsformen nur eine Zuführeinrichtung das elektropositive Metall zur Laval^¬ düse zuleitet, um die Zufuhr des elektropositiven Metalls leichter zu steuern. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr des elektropositiven Metalls im Bereich des kleinsten Querschnitts der Lavaldüse, beispielsweise durch eine Zuführeinrichtung an der Düse oder im Inneren der Düse. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Lavaldüse hierbei ein Strömungsorgan mit einem zunächst konvergenten und anschließenden divergenten Querschnitt, wobei der Übergang von einem zum anderen Teil allmählich erfolgen kann. Die Querschnittsfläche kann in bestimmten Ausführungsformen an jeder Stelle kreisförmig sein, wodurch ein durchströmendes Fluid auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden kann, ohne dass es zu starken Verdichtungsstößen kommt. Die Schallge- schwindigkeit kann dann genau im engsten Querschnitt der Düse erreicht werden.

Weiterhin kann die Zufuhr des elektropositiven Metalls für die verschiedenen Arten der ersten Düse auch gemäß bestimmten Ausführungsformen durch eine zweite Zuführeinrichtung erfolgen, deren Austrittsöffnung, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse im Bereich des sich verjüngenden Teils der ersten Düse angeordnet ist, wie oben bereits für bestimmte Düsen ausgeführt.

Auch kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die erste Düse, bevorzugt koaxial, innerhalb einer zweiten Zuführeinrichtung im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, also sich verjüng- enden, Teils der zweiten Zuführeinrichtung angeordnet sein, wobei die Zufuhr des Trägergases durch die erste Düse er^¬ folgt, und die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch die zweite Zuführeinrichtung erfolgt. Auch solche Ausführungsformen sind oben bereits für bestimmte Düsen ausgeführt.

Zudem kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über die Befüllung im Behälter gesteuert werden, und/oder die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases ge- steuert werden, indem die Zufuhr des Trägergases in Strö^¬ mungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter verbunden ist, und/oder die Zufuhr an verdüstern elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit geregeltem Druck zum Behälter gesteuert werden.

Bei einer Steuerung über die Befüllung im Behälter kann eine Zuführeinrichtung für elektropositives Metall vorgesehen sein, ggf. mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil, über das elektropositives Metall kontinuierlich oder diskontinu- ierlich, je nach gewünschtem Füllstand im Behälter und/oder Trägergasfluss , dem Behälter zugeführt wird. Bei einer Steuerung der Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases kann die Zufuhr des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter verbunden auf beliebige Weise verbunden sein, wobei bei der Verbindung mit dem Behälter beispielsweise Rohre, Schläuche, etc. verwendet werden können und die Zufuhr an Trägergas in den Behälter beispielsweise auch über den Querschnitt dieser Verbindung eingestellt und unter Umständen bei entsprechenden Verbindungen auch variiert werden kann. Eine solche Variationsmöglichkeit kann auch für die zweite Zuführ^¬ einrichtung des elektropositiven Metalls zur ersten Düse gegeben sein.

Darüber hinaus kann bei einer Steuerung der Zufuhr an ver- düstem elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit geregeltem Druck zum Behälter die Zufuhr des Inertgases geeignet vorgesehen und eingestellt werden und ist nicht be^¬ sonders beschränkt, wie auch nicht die beiden anderen Steuer^¬ möglichkeiten der Menge an verdüstern elektropositiven Metall. Auch die Zufuhr an Inertgas kann über einen geeigneten

Schlauch, ein Rohr, etc. erfolgen, der/das mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil versehen sein kann.

Es ist nicht ausgeschlossen, dass alle drei oder zwei belie- bige Steuerarten für die Menge an verdüstern elektropositiven Metall kombiniert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin^¬ dung eine Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetal^¬ len, Aluminium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas, umfassend

eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse, zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdü- sen, eine erste Zuführeinrichtung für Trägergas zur ersten Düse, die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse zuzu^¬ führen,

Die erste Zuführeinrichtung für Trägergas ist hierbei nicht besonders beschränkt und umfasst beispielsweise Rohre,

Schläuche, etc., wobei die Zuführeinrichtung für Trägergas geeignet anhand des Zustands des Trägergases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann.

Ebenso ist die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall nicht besonders beschränkt und umfasst ebenfalls bei^¬ spielsweise Rohre, Schläuche, etc. die einen Transport des elektropositiven Metalls geeignet erlauben. Bevorzugt ist die Innenfläche der zweiten Zuführeinrichtung glatt, um Ablagerungen von elektropositivem Metall zu vermeiden. Weiterhin ist der Querschnitt der zweiten Zuführeinrichtung gemäß bestimmten Ausführungsformen über die gesamte Länge der zweiten Zuführeinrichtung gleichbleibend, um eine gute und stete För^¬ derung des elektropositiven Metalls durch die Verdüsung in der ersten Düse zu gewährleisten.

Die Düse kann hierbei wie oben dargestellt ausgestaltet sein, also beispielsweise als Venturidüse oder als Lavaldüse.

Ebenso ist der Brenner erfindungsgemäß nicht besonders be- schränkt und kann beispielsweise als Düse ausgestaltet sein, in der das Brenngas mit dem elektropositiven Metall vermischt und danach ggf. durch eine Zündvorrichtung gezündet wird. Auch kann der Brenner im oder am Reaktor vorgesehen sein. Da- rüber hinaus kann der Brenner auch ein Porenbrenner ohne innere Vermischung sein, der als poröses Rohr ausgebildet sein kann, dem an mindestens einer Öffnung das elektropositive Me^¬ tall zugeführt werden kann. Das elektropositive Metall kann beispielsweise nur durch eine Öffnung des Rohres zugeführt werden, wobei das andere Ende des Rohres dann verschlossen sein kann oder aus dem Material des porösen Rohrs besteht. In solch einem Fall kann dann das elektropositive Metall dann beispielsweise in den Porenbrenner eingepresst werden, wo- raufhin dann das Brenngas auf die Außenseite des Porenbren^¬ ners geleitet werden kann, so dass es dann dort mit dem elektropositiven Metall reagiert, um ein Verstopfen der Poren zu vermeiden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen, in denen das Trägergas das Brenngas ist, kann auch die erste Düse zum Verdüsen verwendet werden, woraufhin sich die Verbrennung an den Düsenausgang anschließt, indem dort beispielsweise die Verbrennung gezündet wird oder nach Zündung kontinuierlich abläuft . Der Behälter ist ebenso nicht besonders beschränkt, solange er aus einem Material besteht, das nicht mit dem elektroposi^¬ tiven Metall reagiert, und beispielsweise auch nicht mit dem flüssigen elektropositiven Metall reagiert. Beispielsweise kann der Behälter als Tank oder als pulverfassender Behälter ausgebildet sein.

Entsprechend kann gemäß bestimmten Ausführungsformen auch das Material der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives Metall und gegebenenfalls die erste Düse und/oder die erste Zuführeinrichtung nach dem Vermischen von Trägergas und elektropositivem Metall und/oder der Brenner aus einem solchen Material bestehen. Ein geeignetes Material umfasst bei^¬ spielsweise Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkalloy und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die erste Düse als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweiternden Durchmesser ausgebildet, wobei die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall bevorzugt am gleichbleiben- den Teilstück der Venturidüse angebracht ist.

Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die erste Düse als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung diver- genten Teilstück ausgebildet sein. Hierbei ist gemäß bestimm^¬ ten Ausführungsformen die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall im Bereich des kleinsten Durchmessers der Lavaldüse angebracht. Weiterhin kann die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall gemäß bestimmten Ausführungsformen, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Zuführeinrichtung für Trägergas derart angeordnet sein, dass die Austrittsöffnung der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives Metall, bevorzugt koa- xial, innerhalb der ersten Düse im Bereich des konvergenten Teils der ersten Düse angeordnet ist. Das Trägergas strömt hierbei also um die zweite Zuführeinrichtung und saugt dann das elektropositive Metall in der ersten Düse aus der zweiten Zuführeinrichtung. Durch die koaxiale Anordnung kann hierbei die Saugwirkung verstärkt werden.

Gemäß weiteren bestimmten Ausführungsformen ist die erste Zuführeinrichtung für Trägergas derart angeordnet, dass das Trägergas der ersten Düse, bevorzugt koaxial, innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung des elektropositiven Metalls im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung zugeführt wird. Hierbei wird das elektroposi^¬ tive Metall um das Trägergas herum in die erste Düse gesaugt, ähnlich wie bei einer Strahlpumpe. Hier ist ebenfalls eine verbesserte Saugwirkung durch die koaxiale Anordnung erziel^¬ bar . In einer Strahlpumpe kann die Pumpwirkung generell durch einen Fluidstrahl („Treibmedium") erzeugt werden, der durch Impulsaustausch ein anderes Medium („Saugmedium") ansaugt, beschleunigt und verdichtet/fördert, sofern es unter ausrei- chendem Druck steht. Da diese Pumpenart sehr einfach aufge^¬ baut ist und keinerlei bewegte Teile hat, wie auch Venturi- oder Lavaldüsen oder generell Düsen mit sich verjüngendem Abschnitt, ist sie besonders robust und wartungsarm und viel^¬ seitig einsetzbar.

In einem typischen Aufbau einer Strahlpumpe kann die Förde^¬ rung beispielsweise gemäß den folgenden Schritten erfolgen und lässt sich mit einigen Vereinfachungen allein durch Anwendung von Energie-, Impuls- und Massenerhaltungssätzen recht gut berechnen:

1. Das Trägergas tritt mit möglichst hoher Geschwindigkeit aus der Treibdüse, die der ersten Düse entspricht, aus. Hier^¬ bei ersteht gemäß dem Gesetz von Bernoulli ein dynamischer Druckabfall, so dass der Druck in der Strömung geringer ist als der Normaldruck. Die erste Düse kann zur Maximierung der Geschwindigkeit als Lavaldüse ausgebildet sein, und der

Treibstrahl, also das Trägergas, tritt mit Überschall aus. 2. In einer gegebenenfalls vorhandenen Mischkammer innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung oder in der zweiten Zuführeinrichtung selbst kann das Trägergas auf das hier befindliche elektropositive Metall treffen, das unter Normaldruck oder erhöhtem Druck stehen kann. Nach Austritt aus der ersten Düse verhält sich das Trägergas zunächst wie ein Freistrahl, und durch innere Reibung und Turbulenzen entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Trägergas und dem wesentlich langsameren elektropositiven Metall. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, d.h. das elektropo- sitive Metall wird beschleunigt und mitgerissen. Die Mischung geschieht hierbei nicht nach dem Prinzip der Energieerhal^¬ tung, sondern nach dem der Impulserhaltung, so dass die Anwendung der Bernoulli-Gleichung hier aufgrund von Stoßverlus- ten zu falschen Ergebnissen führen kann. Durch eine AufWeitung des Trägergases und durch die Ansaugung des elektroposi^¬ tiven Metalls wird das Trägergas abgebremst. 3. Durch die Beschleunigung des elektropositiven Metalls entsteht nach dem Prinzip von Bernoulli auch für das elektropo- sitive Metall ein Druckabfall, so dass elektropositives Me^¬ tall durch die zweite Zuführeinrichtung nachgefördert werden kann, wobei bevorzugt für das elektropositive Metall ein aus- reichend hoher Mindestdruck vorhanden ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann gemäß bestimmten Aus^¬ führungsformen weiter eine dritte Zuführeinrichtung für elektropositives Metall zum Behälter, die dazu ausgebildet ist, elektropositives Metall dem Behälter zuzuführen und eine Regelungseinrichtung der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter, die dazu ausgebildet ist, die Menge an zugeführ^¬ tem elektropositiven Metall zum Behälter zu regeln, umfassen, und/oder eine Leitung, die die erste Zuführeinrichtung für Trägergas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem

Behälter derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse steuert, umfassen, und/oder eine vierte Zuführeinrichtung für Inertgas zum Behälter, die dazu ausgebildet, dem Behälter Inertgas zuzuführen, und eine Regelungseinrichtung des Drucks des zugeführten Inertgases, die den Druck des zugeführten Inertgases zum Behälter regelt, umfassen. Die dritte Zuführeinrichtung für elektropositives Metall ist erfindungsgemäß nicht beschränkt und kann wie die zweite Zuführeinrichtung für elektropositives Metall beschaffen sein, speziell hin^¬ sichtlich des verwendeten Materials, kann sich aber auch davon unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der Form und/oder des Querschnitts. Die Regelungseinrichtung der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter kann auch aus dem Material der zweiten Zuführeinrichtung für elektropositives

Metall bestehen, zumindest in dem Bereich, in dem sie mit dem elektropositiven Metall in Kontakt kommt, ist aber nicht be^¬ sonders beschränkt. Die Leitung, die die erste Zuführeinrich- tung für Trägergas mit dem Behälter verbindet, die vierte Zu^¬ führeinrichtung für Inertgas zum Behälter, und/oder die Regelungseinrichtung des Drucks des zugeführten Inertgases sind ebenso nicht besonders beschränkt und können geeignet be- stimmt werden. Die Leitung und/oder die vierte Zuführeinrichtung können hierbei ähnlich oder gleich wie die erste Zuführeinrichtung beschaffen sein, wobei sie sich von dieser beispielsweise auch hinsichtlich des Querschnitts, etc. unter^¬ scheiden können.

Bei der Verwendung einer Leitung, die die erste Zuführeinrichtung für Trägergas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse mit dem Behälter derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse steuert, kann in der ersten Zuführeinrichtung und/oder der Leitung auch ein Durchflussregler, Masseregler oder ähnliches vorgesehen sein.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung Heizein- richtungen, beispielsweise zum Schmelzen des elektropositiven Metalls, Kühleinrichtungen, beispielsweise beim Brenner, Pumpen, beispielsweise für das Trägergas und/oder Brenngas, etc . , umfassen . Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. Im Folgenden wird die Erfindung nunmehr anhand beispielhafter Ausführungsformen dargestellt, die die Erfindung in keiner Weise beschränken. Eine erste beispielhafte Ausführungsform ist in Fig. 2 darge^¬ stellt. In dieser wird an der Düsenengstelle einer ersten Dü^¬ se 1, der durch eine erste Zuführeinrichtung 1^λ ein Trägergas zugeführt wird, ein Abzweig angeführt, der zum Auslass eines Behälters 3 mit einer Metallschmelze eines elektropositiven Metalls / einem elektropositiven Metall M, wie beispielsweise Lithium führt, wie in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist. Aus dem Behälter 3 wird das elektropositive Metall M durch den Ausgang 2 ^{λ λ} des Behälters zur zweiten Zuführeinrichtung und durch die Zuführeinrichtung 2^λ zur ersten Düse 1 geführt. Außerdem wird der Einlass des Behälters 3 mit dem größeren Durchmesser der ersten Düse 1, die hier als Venturi-Düse aus^¬ gestaltet ist, durch eine Leitung 6 verbunden, sodass grund^¬ sätzlich im Behälter 3 der gleiche Druck wie am Düseneingang herrscht. Strömt nun beispielsweise ein Trägergas wie bei^¬ spielsweise Kohlendioxid mit dem Druck pi durch die erste Dü^¬ se 1 und erzeugt somit einen relativ zu pi kleineren Druck p2 an der Engstelle, so entsteht am Ausgang des Behälters 3 auf^¬ grund der Beziehung Pi>p2 ein Unterduck, und das flüssige Me- tall M wird aus dem Behälter 3 zur Engstelle gesaugt. Das dort beschleunigte Trägergas reißt das Metall M in Flussrich^¬ tung mit und zerstäubt es schließlich am Ausgang der Düse 1 zum Brenner 4 hin. Zur Metallverbrennung wird als Trägergas bevorzugt direkt das Reaktionsgas, wie hier vorliegend Koh- lendioxid, genutzt. Dabei ist je nach Temperatur und Mischung am Düsenausgang das Metallspray selbstentzündend bzw. benö^¬ tigt noch eine externe Zündquelle. Die Zerstäubung des Me^¬ talls M mit dem Trägergas ist in Fig. 3 dargestellt. Das Druckverhältnis von pi zu P2 bestimmt dabei den Volumen^¬ strom der Metallschmelze M aus dem Behälter 3. Soll dieser unabhängig regelbar sein, so kann der Druck im Behälter bzw. der Zufluss von Inertgas in den Behälter extern über einen separaten Regler, beispielsweise einen Druck- bzw. Masse- flussregler, eingestellt werden.

Eine beispielhafte zweite Ausführungsform ist in Figuren 4 und 5 dargestellt. Figuren 4 und 5 zeigen einen möglichen Aufbau zur Verdüsung von flüssigen, elektropositivem Metall M, beispielsweise Lithium, mit der ersten Düse 1 als Venturi-Düse und einer In- nenmischung von Trägergas, beispielsweise Kohlendioxid, und Flüssigmetall M, wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform, wobei der Druck p3 im Behälter 3 anstelle durch die Leitung 6 mit einer vierten Zuführeinrichtung 7 für

Inertgas zum Behälter und eine Regelungseinrichtung 7 ^λ des Drucks des zugeführten Inertgases gesteuert wird. Fig. 4 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 5 den Zustand der Vorrichtung bei der Flüssigmetall- Verdüsung und Verbrennung. Eine dritte beispielhafte Ausführungsform mit einer Alterna^¬ tive zur Verwendung einer Venturi-Düse ist in Figuren 6 und 7 dargestellt, gemäß der als erste Düse 1 eine Lavaldüse einge^¬ setzt wird. Die Druckeinstellung im Behälter 3 erfolgt wie in der zweiten beispielhaften Ausführungsform. Die Zufuhr des elektropositiven Metalls M, beispielsweise Lithium im flüssi^¬ gen Zustand, aus dem Behälter 3 erfolgt durch die zweite Zu^¬ führeinrichtung 2^λ koaxial innerhalb der ersten Düse 1, wodurch das elektropositive Metall M durch die Strömung des Trägergases, beispielsweise Stickstoff, angesaugt wird. Fig. 6 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 7 die Vorrichtung bei der Flüssigmetall-Verdüsung und Verbrennung. Die Verbrennung erfolgt wiederum wie in der ersten beispielhaften Ausführungsform. Fig. 8 zeigt in einer vierten beispielhaften Ausführungsform eine Alternative zur Regelung des Drucks P3 im Behälter 3, wobei die Vorrichtung darüber hinaus der des zweiten Ausführungsform entspricht. Zur Regelung des Zuflusses der Metall^¬ schmelze M durch die zweite Zuführeinrichtung 2 ^λ lässt sich hier auch deren hydrostatischer Druck p3 am Ausgang 2 ^{λ λ} des

Behälters 3 nutzen. Dieser lässt sich über die Füllstandshöhe h der Metallschmelze M im Behälter 3 einstellen. Der Behälter selbst 3 wird dabei unter atmosphärischem Druck po gehalten. Über eine dritte Zuführeinrichtung 5 für elektropositives Me^¬ tall M zum Behälter 3 und eine Regelungseinrichtung 5 ^λ der Menge des elektropositiven Metalls M im Behälter 3 kann elektropositives Metall M zum Behälter 3 derart zugeführt werden, dass die Füllstandshöhe h konstant ist bzw. im Rahmen gewünschter Hysteresen ausgeregelt wird.

Bei einer Anwendung der ersten Düse 1 als Verbrennungsdüse kann man als Trägergas das gewünschte Verbrennungsgas nutzen, das mit dem Druck pi in das Rohr eingeleitet wird. Je nach^¬ dem, ob dann beim Verdüsen eine Außen- oder Innenmischung gefordert ist, kommt ein Düsenaufbau wie beispielsweise in Fi^¬ guren 2 bis 8 zur Innenmischung oder wie in Figuren 9 und 10 gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform zur Außen- mischung zum Einsatz.

In der fünften beispielhaften Ausführungsform erfolgt die Vermischung von Trägergas, hier als Brenngas Kohlendioxid beispielhaft ausgestaltet, und dem elektropositiven Metall M, beispielsweise einer Lithiumschmelze, außerhalb der ersten Düse 1 beim Brenner 4. Abgesehen von der anderen Düsenform der ersten Düse 1 entspricht diese Ausführungsform der dritten beispielhaften Ausführungsform. Fig. 9 zeigt die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 10 die Flüssigme- tall-Verdüsung und Verbrennung.

Eine sechste beispielhafte Ausführungsform ist in Figuren 11 und 12 dargestellt, bei der als Variante die Verdüsung von elektropositivem Metall M, beispielsweise Lithium, durch Un- terdruckerzeugung nach dem Prinzip der Strahlpumpe erfolgt. Hier wird die Pumpwirkung durch den Strom des Trägergases (Treibmedium) erzeugt, der durch Impulsaustausch die Schmelze des elektropositiven Metalls M / Alkalimetallschmelze (Saug^¬ medium) ansaugt, beschleunigt und fördert. Fig. 11 zeigt hierbei die Zuordnung der Drücke und Komponenten, und Fig. 12 die Flüssigmetall-Verdüsung und Verbrennung. Die Zufuhr des Trägergases, beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, er^¬ folgt durch die erste Zuführeinrichtung 1 ^λ und die erste Düse 1, die koaxial innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung 2^λ in einer zweiten Düse 2 erfolgt. Der weitere Aufbau der Vorrichtung ähnelt wiederum dem der fünften beispielhaften Ausführungsform, wobei die Verbrennung im Brenner 4 am Ausgang der zweiten Düse 2 erfolgt.

In den obigen beispielhaften Ausführungsformen wird stets als Beispiel eine Schmelze eines elektropositiven Metalls ver- düst. Jedoch ist es in den beispielhaften Ausführungsformen auch möglich, ein Pulver von Partikeln des elektropositiven Metalls anstelle der Schmelze zu verwenden. Auch kann als elektropositives Metall M ein anderes als Lithium verwendet werden, und das Trägergas kann auch anders als Stickstoff oder Kohlendioxid sein. Auch ist nicht ausgeschlossen, dass beim Brenner 4, gegebenenfalls zusätzliches, Brenngas (im

Prinzip auch Abgas -ganz oder teilweise verbrannt- aus einer Anlage zur Verbrennung fossiler Brennstoffe) zugeführt wird.

In der vorliegenden Erfindungsmeldung wird ein Verfahren zur Verdüsung und Verbrennung von elektropositiven Metallen beschrieben, dass durch die Wahl von speziellen Düsengeometrien und des daraus resultierenden Saugeffektes des Trägergases ohne Pumpen, beispielsweise Flüssigmetallpumpen, arbeiten kann. Außerdem lässt sich dabei eine einfache und präzise Flusskontrolle des elektropositiven Metalls, speziell im Fal^¬ le von flüssigen Metallschmelzen, mittels des Gaszuflusses in den Behälter für das elektropositive Metall realisieren.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verbrennung eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi- nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen derselben, mit einem Brenngas,

wobei das elektropositive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym aus einem Behälter (3) durch Verdüsung eines Trägerga- ses in einer sich in Strömungsrichtung des Trägergases im

Querschnitt zunächst verjüngenden ersten Düse (1) aus dem Be^¬ hälter (3) in die erste Düse gesaugt, aus dieser verdüst und mit dem Brenngas verbrannt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Düse (1) als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich erweiterndem Querschnitt besteht, wobei die Zufuhr des elektropositi- ven Metalls bevorzugt durch mindestens eine zweite Zufuhrein^¬ richtung (2^λ) zur ersten Düse (1) im gleichbleibenden Teilstück erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die erste Düse (1) als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten Teilstück ausgebildet ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Zufuhr des elektro- positiven Metalls im Bereich des kleinsten Querschnitts der

Lavaldüse erfolgt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zu^¬ fuhr des elektropositiven Metalls durch eine zweite Zuführ- einrichtung (2^λ) erfolgt, deren Austrittsöffnung, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse (1) im Bereich des sich verjüngenden Teils der ersten Düse angeordnet ist.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Düse (1), bevorzugt koaxial, innerhalb einer zweiten Zuführeinrichtung (2^λ) im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung (2^λ) angeordnet ist, die Zufuhr des Trägergases durch die erste Düse (1) erfolgt, und die Zufuhr des elektropositiven Metalls durch die zweite Zuführeinrichtung (2^λ) erfolgt.

7. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Trägergas das Brenngas ist.

8. Verfahren gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über die Befüllung im Behälter (3) gesteuert wird, und/oder wobei die Menge an verdüstern elektropositiven Metall über den Druck des Trägergases gesteuert wird, indem die Zufuhr des Trägergases in Strömungsrichtung vor der ersten Düse (1) mit dem Behälter (3) verbunden ist, und/oder wobei die Zufuhr an verdüstern elektropositivem Metall über eine Zufuhr an Inertgas mit ge- regeltem Druck zum Behälter (3) gesteuert wird.

9. Vorrichtung zum Verbrennen eines elektropositiven Metalls, welches ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi^¬ nium und Zink und/oder Legierungen und/oder Gemischen dersel- ben, mit einem Brenngas, umfassend

eine sich im Querschnitt zunächst verjüngende erste Düse (1), zu welcher ein Trägergas zugeführt wird und die dazu ausge^¬ bildet ist, das elektropositive Metall mit dem Trägergas zu verdüsen,

eine erste Zuführeinrichtung (1^λ) für Trägergas zur ersten

Düse (1), die dazu ausgebildet ist, das Trägergas zur ersten Düse (1) zuzuführen,

einen Behälter (3) , der dazu ausgebildet ist, das elektropo^¬ sitive Metall als Flüssigkeit oder als Pulver mit Partikeln mit einer Partikelgröße von weniger als 100 ym bereitzustel^¬ len,

eine zweite Zuführeinrichtung (2^λ) für elektropositives Me^¬ tall zur ersten Düse (1), die dazu ausgebildet ist, das elektropositive Metall aus dem Behälter (3) zur ersten Düse (1) zu leiten, und

einen Brenner (4), der dazu ausgebildet ist, das elektroposi^¬ tive Metall mit dem Brenngas zu verbrennen.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste Düse (1) als Venturidüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägerga^¬ ses zunächst verjüngenden Teilstück, einem im Durchmesser gleichbleibenden Teilstück und einem Teilstück mit sich er- weiternden Durchmesser besteht, wobei die zweite Zuführeinrichtung (2^λ) für elektropositives Metall bevorzugt am gleichbleibenden Teilstück der Venturidüse angebracht ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die erste Düse (1) als Lavaldüse aus einem in Strömungsrichtung des Trägergases sich verjüngenden Teilstück und einem in Strömungsrichtung divergenten Teilstück ausgebildet ist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die zweite Zuführ- einrichtung (2^λ) für elektropositives Metall im Bereich des kleinsten Durchmessers der Lavaldüse angebracht ist.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die zweite Zuführeinrichtung (2^λ) für elektropositives Metall, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Zuführeinrichtung

(1^λ) für Trägergas derart angeordnet ist, dass die Austritts^¬ öffnung der zweiten Zuführeinrichtung (2^λ) für elektropositives Metall, bevorzugt koaxial, innerhalb der ersten Düse (1) im Bereich des konvergenten Teils der ersten Düse (1) ange- ordnet ist.

14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Zuführeinrichtung (1^λ) für Trägergas derart angeordnet ist, dass das Trägergas der ersten Düse (1), bevorzugt koaxi- al, innerhalb der zweiten Zuführeinrichtung (2^λ) des elektro- positiven Metalls im Bereich eines, bevorzugt konvergenten, Teils der zweiten Zuführeinrichtung (2^λ) zugeführt wird.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, weiter umfassend eine dritte Zuführeinrichtung (5) für elektroposi^¬ tives Metall zum Behälter (3) , die dazu ausgebildet ist, elektropositives Metall dem Behälter (3) zuzuführen und eine Regelungseinrichtung (5^λ) der Menge des elektropositiven Metalls im Behälter (3) , die dazu ausgebildet ist, die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zum Behälter (3) zu regeln, und/oder

eine Leitung (6), die die erste Zuführeinrichtung für Träger- gas in Strömungsrichtung vor der ersten Düse (1) mit dem Behälter (3) derart verbindet, dass der Druck des Trägergases die Menge an zugeführtem elektropositiven Metall zur ersten Düse (1) steuert, und/oder

eine vierte Zuführeinrichtung (7) für Inertgas zum Behälter (3) , die dazu ausgebildet, dem Behälter (3) Inertgas zuzufüh^¬ ren, und eine Regelungseinrichtung (7^λ) des Drucks des zugeführten Inertgases, die den Druck des zugeführten Inertgases zum Behälter (3) regelt.