EP3123078A1 - Verbrennung von lithium bei unterschiedlichen temperaturen, drücken und gasüberschüssen mit porösen rohren als brenner - Google Patents

Verbrennung von lithium bei unterschiedlichen temperaturen, drücken und gasüberschüssen mit porösen rohren als brenner

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Publication number
EP3123078A1
EP3123078A1 EP15723658.9A EP15723658A EP3123078A1 EP 3123078 A1 EP3123078 A1 EP 3123078A1 EP 15723658 A EP15723658 A EP 15723658A EP 3123078 A1 EP3123078 A1 EP 3123078A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
combustion
gas
fuel gas
burner
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15723658.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Walter Preidel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3123078A1 publication Critical patent/EP3123078A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/022—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow
    • F23J15/027—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow using cyclone separators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23B—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING ONLY SOLID FUEL
    • F23B2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using solid fuels; Combustion processes therefor
    • F23B2900/00003—Combustion devices specially adapted for burning metal fuels, e.g. Al or Mg
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F23C9/06—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber for completing combustion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material

Definitions

  • the solid final end product of the imple ⁇ wetting of lithium is in each case, where appropriate after hydrolysis, as with nitride, the oxide or carbonate, which can then be reduced back with- means of electrolysis to lithium metal.
  • ⁇ with a cycle is established in which produced by wind power, photovoltaic or other regenerative energy sources surplus ⁇ siger current, stored and at the desired time can be converted back into electricity or that chemical raw materials can be recovered.
  • Lithium is usually produced by fused-salt electrolysis. For this method, efficiencies of about 42-55%, calculated from process data without Tempera ⁇ turkorrektur the normal potential. In addition to lithium, similar metals such as sodium, potassium, magnesium, calcium, aluminum and zinc can be used.
  • Porenbren ⁇ ners which comprises a porous tube as a burner, in the combustion of the metal M with the fuel gas. It has been found Nurge ⁇ that can locate on the porous burner by the use of the porous burner combustion, wherein the combustion products are obtained at pore burner. For example, while at a spraying apply the reaction products in the entire reactor and solid and liquid reaction ⁇ products have to be laboriously separated from gaseous reaction products again, in particular solid and liquid reaction products in the vicinity of the pore burner are located in the combustion with the pore burner, whereby a separation This is facilitated by gaseous combustion products. In this way, the entire Verbrennungsvor ⁇ direction can be made more compact and the combustion gentler for the device by localization of the combustion process can be designed.
  • the present invention relates to a method of combusting a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and alloys and / or mixtures thereof, with a fuel gas, the combustion by means of a pore burner having a porous Pipe as a burner takes place.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to an apparatus for combustion of a metal M is selected from alkali, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and alloys and / or mixtures thereof, which comprises a pore burner, which comprises a porous tube as a burner,
  • a feeding device for a fuel gas which forms ⁇ to supply fuel gas
  • the present invention relates to the use of a porous burner comprising a porous tube as a burner for burning a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and alloys and / or mixtures thereof a fuel gas.
  • a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and alloys and / or mixtures thereof a fuel gas.
  • Figure 1 shows schematically an exemplary arrangement for a device according to the invention.
  • FIG. 2 schematically shows a detailed view in a further exemplary arrangement for a device according to the invention.
  • FIG. 3 schematically shows a further detail view in an additional exemplary arrangement for a device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a scheme for an exemplary reaction of
  • Lithium and carbon dioxide to lithium carbonate which can be ⁇ ge carried out according to the method of the invention.
  • FIG. 6 shows a scheme for a further exemplary reaction of lithium and nitrogen to lithium nitride and further secondary products, which can be carried out according to the method according to the invention.
  • the present invention relates, in a first aspect, to a method of combusting a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, and alloys and / or mixtures thereof with a fuel gas, the combustion being effected by means of a pore burner comprising porous tube as a burner, takes place.
  • the metal M is selected according to certain embodiments from alkali metals, preferably Li, Na, K, Rb and Cs, alkaline earth metals, preferably Mg, Ca, Sr and Ba, Al and Zn, and mixtures and / or alloys thereof.
  • the metal M is selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Al and Zn, more preferably Li and Mg, and more preferably the metal M is lithium.
  • a fuel gas such gases are in accordance with certain embodiments in question, which can react or Gemi M ⁇ rule and / or alloys of the metals M in an exothermic reaction with said metal, which are not particularly limited loading.
  • the fuel gas is air, Sauer ⁇ , carbon dioxide, hydrogen, water vapor, nitrogen oxides NO x, such as nitrous oxide, nitrogen, sulfur dioxide, or Ge ⁇ mix thereof.
  • the method can therefore also be used for desulfurization or NOx removal.
  • various products can be obtained in this case with the various metals M that can also occur in gaseous form as a solid, flues ⁇ stechnik as well.
  • up to gasoline, diesel, but also methanol, etc. can be obtained, for example, in a Fischer-Tropsch process, while from metal carbide, such as lithium carbide, for example, acetylene can be obtained. Furthermore, for example, with nitrous oxide as a fuel gas such as metal nitride arise.
  • the pore burner is not particularly limited insofar as it comprises a porous tube as a burner, to which the metal M can be supplied at at least one opening.
  • the metal M is supplied only through an opening of the tube and the other end of the tube is ver closed or also consists of the material of the porous tube.
  • the porous tube can in this case, for example
  • Ceramic tube of alumina or magnesium oxide or a porous metal tube for example, iron, chromium, nickel, niobium, tantalum, molybdenum, tungsten, zirconium and alloys of these metals, and steels such as stainless steel and chromium-nickel steel.
  • the pore burner is made of a material selected from the group consisting of iron,
  • steels such as stainless steel and chromium-nickel steel.
  • austenitic specific chromium-nickel steels which are ⁇ tent against removal by sodium at high temperature, for example, very resis, but also materials with 32% nickel and 20% chromium, such as AC 66, Incoloy 800 or Pyrotherm G 20132 Nb , still show a relatively favorable corrosion behavior.
  • the other components of the pore burner are not limited and may include the feeding device for the metal M and possibly a Zündquel ⁇ le, etc.
  • the metal M is passed as a liquid in the pore burner and burned by means of the pore burner, wherein the fuel gas is optionally passed to the outer surfaces of the pore burner and burned with the metal M.
  • internal mixing does not occur according to certain embodiments to avoid clogging of the pores by solid reaction products.
  • the pore burner is a pore burner without internal mixing. The pores serve in the use of the pore burner according to certain embodiments, only for surface enlargement of the alloy L.
  • the pore burner, the metal M is supplied as liquid in the interior of the pore burner ⁇ leads. This leads to a better distribution of the metal M in the pore burner and a more uniform exit of the metal from the pores of the porous tube, so that a more moderate ⁇ reaction between metal M and fuel gas can take place.
  • the combustion of metal M and fuel gas can at ⁇ game by way of the size of the pores of the tube, the metal M used, its density - which may be related to the temperature of the metal M, with which the metal M is introduced into the porous burner pressure, , the pressure or the order / or feed rate of the fuel gas, etc. are suitably controlled.
  • the metal M for example
  • Lithium according to certain embodiments, therefore used liquid, so for example above the
  • the melting point of lithium of 180 C The liquid metal M can in this case be pressed into the porous tube, in ⁇ example, with the aid of another, pressurized gas, which is not limited.
  • the liquid metal M then passes through the pores of the tube to the surface and burns with the gas to the respective reaction product or the respective
  • the fuel gas is directed to the outer surfaces of the pore burner and burned with the metal M.
  • a clogging of the pores of the porous tube can be reduced or avoided, so that a cleaning of the pore burner is prevented or even a Abnut ⁇ tion can be reduced.
  • the combustion of the metal M on the surface of the porous pipe tends to cross over small ones
  • Particles reduced in the gas space / reaction space so that at best larger drops of reaction products, but which can be easily separated from gaseous reaction products, for example, by a cyclone for deposition can be brought to the reactor wall.
  • the reactor wall can be cooled, for example with heat exchangers, which can also be connected to turbines and generators.
  • burner materials which can withstand the temperatures, such as iron, niobium, tantalum, molybdenum, tungsten, zirconium and alloys of these metals, and stainless steel are preferred.
  • the combustion temperature is therefore preferably higher than the melting point of the particular reaction product or of the respective reaction products, hence the pores of the Porenbren ⁇ listeners do not clog, and a removal of the reaction products ⁇ is possible. Furthermore, depending on the reaction product some mixing between the liquid
  • Metal M and the reaction product take place, so that the combustion can take place not only locally at the pore opening, but distributed over the entire surface of the tube. This can be controlled, for example, via the feed rate of the metal M.
  • combustion may be with some excess of fuel gas, for example, in a molar ratio of fuel gas
  • Metal M of 1.01: 1 and more, preferably 1.05: 1 and more, more preferably 5: 1 and more, even more preferably 10: 1 and more, for example 100: 1 and more, to the exhaust temperature ⁇ temperature to stabilize in a certain temperature range.
  • the fuel gas can also be used for heat dissipation to the expanding part of a turbine, etc.
  • a separation of exhaust gas from solid and / or liquid reaction products in the combustion of the metal M with a fuel gas can also be carried out, wherein according to certain embodiments in a reaction step the fuel gas is burned with the metal M and exhaust gas and wei ⁇ tere solid and / or liquid reaction products are formed, and in a separation step, the exhaust gas is separated from the solid and / or liquid reaction products.
  • a carrier gas can additionally be added in the separation step and the carrier gas can be removed as a mixture with the exhaust gas.
  • the carrier gas can also correspond to the exhaust gas, so so that an exhaust gas is, for example during combustion ent ⁇ corresponding to the supplied carrier gas, or may correspond to the fuel gas.
  • the reaction products can be separated after combustion.
  • the carrier gas according to the invention is not particularly limited, and may correspond to the fuel gas, but also be different from this.
  • the carrier gas are, for example air, Koh ⁇ monoxide, carbon dioxide, oxygen, methane, hydrogen, water vapor, nitrogen, nitrous oxide, mixtures of two or more of these gases, etc. for use.
  • various gases, such as methane are used to Wär ⁇ metransport and the reaction heat of the reaction of metal M able to remove the fuel gas from the reactor.
  • the various carrier gases can be suitably adapted to the reaction of the fuel gas with the metal M, for example, in order to achieve synergy effects if necessary.
  • the gas that is optio ⁇ nal when feeding the metal M can also be ⁇ if the carrier gas correspond.
  • lithium in which carbon monoxide, can be used as carrier gas, for example carbon monoxide and optionally circulated, after the discharging as ⁇ the, at least partially, as are returned carrier gas.
  • Example ⁇ as lithium can be used as carrier gas such as nitrogen are used, so that in the exhaust gas of unreacted nitrogen may be from the combustion as "exhaust gas" adjacent to the carrier gas nitrogen before ⁇ , whereby a gas separation desired, so , can be carried out more easily and according to certain embodiments, with appropriate, preferably quantitative combustion of metal M and nitrogen using suitable, easily ascertainable parameters, may also not be necessary., For example, ammonia from the resulting nitride easily by washing or Cool down to be removed.
  • the exhaust gas may correspond to the carrier gas.
  • the exhaust gas may be at least 10% by volume, preferably 50% by volume or more, more preferably 60% by volume or more, still more preferably 70% by volume or more, and even more preferably 80% by volume or more, based on the total volume of the exhaust gas, the carrier gas correspond.
  • the fuel gas to 90 vol.% Or more, based on the overall volume of the exhaust gas correspond to the carrier gas, and can in some cases even to 100 vol.% Of the carrier gas entspre ⁇ chen.
  • the mixture of exhaust gas and carrier gas can be at least partially recycled to the separation step as carrier gas and / or the combustion step as fuel gas.
  • a recirculation of the mixture of flue gas and carrier gas may in ⁇ play, in an amount of 10 vol.% Or more, preferably. 50% by volume or more.% More preferably 60 or more by volume, still further.%, Preferably 70 or more by volume, and more preferably 80 vol.% or more based on the total volume of carrier gas and exhaust gas.
  • a recirculation of the mixture of exhaust gas and carrier gas to 90 vol.% Or more, based on the total volume of carrier Gergas and exhaust gas, done.
  • a reaction between fuel gas and metal M can take place in such a way that the carrier gas is formed as exhaust gas, for example with carbon dioxide as fuel gas and carbon monoxide as carrier gas, so that then the mixture of carrier gas and exhaust gas substantially, preferably 90 Vol.% And more, more preferably 95 vol.% And more, even more preferably 99 vol.% And more, and particularly preferably 100 vol.%, Based on the mixture of exhaust gas and carrier gas, consists of the carrier gas. In this case, then, the carrier gas can be continuously circulated and removed in such an amount as it is modeled by the combustion of metal M and fuel gas.
  • Example ⁇ as, for example, carbon monoxide ⁇ which can be continuously removed.
  • the separation step takes place in a process according to the invention in a cyclone or a cyclone reactor.
  • the cyclone reactor is in this case not particularly limited in its construction and may, for example ⁇ have a shape as they have ordinary cyclone reactors.
  • a cyclone reactor can have a reaction region at which the feed devices for the fuel gas, metal M and the carrier gas (which may also be previously combined and then fed together to the reaction region) can be attached, for example in the form of a rotationally symmetrical upper part .
  • a separation region which is configured conically, for example,
  • a discharge device for solid and / or liquid reaction products of the combustion of metal M with the fuel gas for example in the form of a rotary valve, as well as a discharge device for the Ge ⁇ mixture of exhaust gas and carrier gas, which after the fürmi- tion of the two gases after the burning of the metal M in the fuel gas results, can be attached.
  • a cyclone reactor used in accordance with the invention may also have a different structure and possibly also comprise further regions.
  • individual portions eg reaction region Separations ⁇ area, expansion chamber
  • the addition of carrier gas can also take place in an area in which the reaction of the metal M and the fuel gas is advanced or already completed.
  • the reaction products are largely in the center of the reactor, for example, a furnace chamber held ⁇ th, and since the combustion of the surface of the porous tube no small particles arise as in the atomization, the exhaust gas is free of solid or liquid
  • the exhaust gas temperature may, according to certain embodiments, be controlled by the excess gas in the different combustion processes so that it is higher than the melting temperature of the reaction products or their mixture.
  • the cyclone reactor comprises a grid through which the solid and / or liquid reaction products can be removed with the combustion gas during the combustion of the metal M. Such a grid can be additionally prevent subsequent stirring up of solid and / or liquid reaction products in the cyclone reactor.
  • the reaction products of the combustion can to generate energy, preferably using at least one former ⁇ panderturbine and / or at least a gas turbine, are used in ⁇ game as a steam turbine, and / or at least one heat exchanger and / or at least a boiler, wherein according here certain embodiments, both the resulting solid and / or liquid reaction products, for example using a heat exchanger at Reak ⁇ gate, or the gaseous reaction products can be used.
  • the mixture of flue gas and carrier gas can, according to certain exporting ⁇ approximately forms, for example in the reactor and / or during and / or after removal from the reactor, to heat a boiler or for heat transfer in a heat exchanger or a turbine,
  • a gas turbine or an Ex ⁇ panderturbine be used.
  • the mixture of the carrier gas and the exhaust gas may be under increased pressure after combustion, for example more than 1 bar, at least 2 bar, at least 5 bar or at least 20 bar.
  • an apparatus for burning a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, aluminum and zinc, as well as alloys and / or mixtures thereof is disclosed
  • a pore burner which comprises a porous tube as a burner
  • a feeding device for a metal M preferably as
  • a heating device for providing the metal M as a liquid, which is adapted to liquefy the metal M.
  • the pore burner can be configured as described above.
  • a feeding device for metal M for example, tubes or hoses, or conveyor belts, serve, which can be heated, which can be suitably, for example ⁇ based on the state of aggregation of the metal M, determined.
  • a further supply device for a gas optionally with a control device such as a valve, are attached, with which the supply of the metal M can be controlled.
  • the feed device for the fuel gas can be designed as a tube or hose, etc., which may or may not be heated, wherein the feed device can be suitably determined on the basis of the state of the gas, which may also be under pressure , Also, multiple feeders for metal M or fuel gas can be provided.
  • the feed device for the fuel gas is arranged to direct the fuel gas, at least partially, and preferably completely, to the upper ⁇ surface of the pore burner. This results in a verbes ⁇ serte reaction between metal M and the fuel gas is achieved.
  • the pore burner is arranged in such a way that combustion reaction products and optionally unreacted metal M can be separated from the surface of the pore burner by gravity, for example by mounting the pore burner in the reactor perpendicular to the earth's surface.
  • the porous combustion tubes are arranged vertically in the furnace chamber, the resulting liquid reaction product can run down the tube and then drip down into the furnace sump. On This way is also the possibly dissolved metal M,
  • lithium which is not previously reacted at the pore burner burn, and the heat of reaction is delivered to the passing fuel and carrier gas.
  • the porous burner made of a material selected from the group best ⁇ starting from iron, chromium, nickel, niobium, tantalum, molybdenum, Wolf ⁇ ram, zirconium, and alloys of these metals, and steels such as stainless steel and chromium nickel steel. These materials are preferred for use at higher temperatures at which the reaction with molten metal M and, if necessary, with entste ⁇ Henden liquid metal salts can vonstatten addition easier.
  • the device according to the invention may further comprise a separation device of the products of the combustion of the metal M, which is designed to separate the combustion products of the metal M and the Brennga ⁇ ses, wherein the separation device is preferably a Zyk- lonreaktor.
  • the separator may serve to separate exhaust gas in the combustion of the metal M with a fuel gas, and may include:
  • a supply device for carrier gas which is keptbil ⁇ det to supply the reactor carrier gas.
  • a discharge device for a mixture of exhaust gas and carrier gas which is designed to dissipate a mixture of the off ⁇ gas combustion of metal M with the fuel gas and the carrier gas;
  • a discharge device for solid and / or liquid reaction products of the combustion of metal M with the fuel gas which is designed to solid and / or liquid reaction Products of the combustion of metal M with the fuel gas lead off ⁇ .
  • the feed device for carrier gas is also not sawn Sonders limited and includes, for example pipes, Schläu ⁇ che, etc., wherein the feed for carrier gas can be appropriately determined based on the state of the carrier gas, which if desired may also be under pressure.
  • the reactor particularly limited insofar as combustion of the fuel gas with the metal M can take place in it.
  • the reactor may be a cyclone reactor, as illustrated by way of example in FIG. 1 and in a detailed view in a further embodiment in FIG.
  • the cyclone reactor can, according to certain embodiments, have a reaction region at which the feed devices for the fuel gas, metal M and the carrier gas and the pore burner can be attached, for example in the form of a rotationally symmetrical upper part,
  • a separation region which is configured conically, for example,
  • a discharge device for solid and / or liquid reaction products of the combustion of metal M with the fuel gas for example in the form of a rotary valve, and a discharge device for the Ge ⁇ mixture of exhaust gas and carrier gas, which is after fürmi ⁇ Schung of the two gases after burning the metal M in the fuel gas results, can be attached include.
  • a cyclone reactor used in accordance with the invention may also have a different structure and optionally also comprise further regions.
  • individual portions eg reaction region Separations ⁇ area, expansion chamber
  • the cyclone reactor 6 shown in FIG. 1 comprises a reaction region 20a, a separation region 20b which lies both together with the reaction region 20a in the upper component 6a and together with the expansion chamber 20c in the lower component 6b, as well as a flash chamber 20c.
  • a feeder 1 for fuel gas for example in the form of a possibly heated tube or hose
  • a feeder 2 for metal M for example in the form of a possibly heated pipe or a hose, wherein the supply of the metal M to the burner 3 burner.
  • the supply of the metal M takes place according to Figure 1 with the aid of a gas in a feeder 2 ⁇ for gas, such as a pipe or hose whose supply can be controlled with a valve 2 ⁇ ⁇ .
  • the metal M and the fuel gas are supplied to the reaction region 20a.
  • the carrier gas ei ⁇ nem area 4 is supplied ⁇ for distributing gas, the carrier gas via nozzles 5 with which a cyclone may be formed from the then, the separation area is supplied 20b.
  • FIG. 4 A detailed view of such a feed device 4 with a region 4 ⁇ for gas distribution and a nozzle 5 is exemplified in cross section in Figure 4 (representation without pore burner 3), but also more nozzles 5 may be present, for example at a suitable distance around the inner wall of area 4 to create a suitable cyclone.
  • the lower component 6b which comprises the expansion ⁇ chamber 20c, solid and / or liquid reaction ⁇ products are discharged via the discharge device 7 for solid and / or liquid reaction products of the combustion of metal M with the fuel gas, while the mixture of exhaust gas and Carrier gas is discharged via the discharge device 8 for the mixture of exhaust gas and carrier gas.
  • an ignition device such as an electrical ignition ⁇ device or a plasma arc may be required,
  • the fuel gas of the type and state of the metal M for example, its temperature and / or physical state of the Beschaf ⁇ fenheit
  • an ignition device such as an electrical ignition ⁇ device or a plasma arc
  • its pressure and / or temperature and the arrangement of components in the device, such as the nature and condition of the feeders may depend.
  • a high exhaust gas temperature for example, more than 200 ° C, for example, 600 ° C or more and in certain embodiments 700 ° C or more, as well as an increased (eg 5 bar or more) or high (20 bar or more) Operating pressure to achieve, the inner material of the reactor made of high temperature alloys, for example, in extreme cases, from the material Haynes 214.
  • a thermal insulation can be arranged, which is sufficiently little Leaves heat through, so that outside a steel wall, which may also be air or water cooled, absorbs the pressure load. From the ⁇ gas can then be fed to the further process step with the increased or high operating pressure.
  • the reactor for example a cyclone reactor, may also comprise heating and / or cooling devices which are connected to the reaction region, the separation region and / or the expansion chamber as well as to the various supply and / or discharge devices, if necessary the burner, and / or possibly the ignition device are present.
  • other components such as pumps for generating a pressure or a vacuum, etc. may be present in a erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • the cyclone reactor may comprise a grid which is designed such that the solid and / or liquid Reaction products can be removed during combustion of the metal M with the fuel gas through the grid.
  • a grid may also be present in other reactors which may be provided in the device according to the invention.
  • Such a grating is shown by way of example in Figure 2, according to the, is the grating 6 ⁇ way of example in the cyclone reactor 6, which is shown in Figure 1 in the lower member 6b above the Abvanteinrich ⁇ tung 7 and below the discharge means. 8
  • the grid preferably goal wall with sufficiently distanced from a reactor, a secure separation of solid and flüssi ⁇ gen reaction products or mixtures thereof can be ensured. As a result, the already separated solid or liquid combustion products are no longer stirred up by the cyclone.
  • the geometry of feed means for the carrier gas is not particularly limited as long as the carrier gas with the Ab ⁇ gas can be mixed from the combustion of metal M and fuel gas.
  • a cyclone preferably arises, for example with the device shown in FIG.
  • a cyclone can also be generated by other arrangements of the feeders to each other.
  • the supply means of the carrier gas is also present at the top of the reactor in the vicinity of the feeders for metal M and fuel. Accordingly, suitable geometries of injection can be readily determined in a suitable way, for example, based on Strömungssimulati ⁇ ones.
  • the discharge devices are not particularly limited, for example, the discharge device for the mixture of exhaust gas and carrier gas may be formed as a tube, currency ⁇ rend the discharge device for the solid and / or liquid Reaction products of the combustion of metal M may be configured with the fuel gas, for example as a rotary valve and / or as a pipe with a siphon.
  • Various valves, such as pressure valves, and / or further regulators may also be provided here.
  • a shown in FIG 3, for illustrative ⁇ discharge device 7, for example of the cyclone reactor 6 shown in Figure 1, may comprise a siphon 9, a valve 10 for degassing and a pressure regulator 11 in this case, but is not limited to such.
  • Such Si- phon at the discharge device for the solid and / or liquid reaction products of the combustion of the metal M with the fuel gas optionally in combination with a suitable for the respective Be ⁇ operating pressure pressure regulator, for example, can be used to provide increased or high To allow operating pressure.
  • the discharge device for the mixture of exhaust gas and carrier gas may according to certain embodiments also include a separator for the exhaust gas and the carrier gas and / or individual components of the exhaust gas.
  • the discharge device for a mixture of exhaust gas and carrier gas can such be to ⁇ transfer device connected for carrier gas and / or the feed device for the fuel gas with that the mixture of exhaust gas and carrier gas at least partially to the reactor as a carrier gas and / or the burner as Fuel gas is supplied.
  • the amount of the recirculated gas may be 10% by volume or more, preferably 50% by volume or more, more preferably 60% by volume or more, still more preferably 70% by volume or more, and even more preferably 80% by volume or more, based on the total volume of carrier gas and exhaust gas amount.
  • According to certain shapes can exporting approximately ⁇ a recirculation of the mixture of flue gas and carrier gas to 90 vol.% Or more, based on the total volume of carrier gas and the exhaust gas take place.
  • a device according to the invention may further comprise at least one boiler and / or at least one heat exchanger and / or at least one gas turbine ⁇ turbine and / or at least one expander turbine include or is located in the reactor and / or the discharge device for the mixture of exhaust gas and carrier gas.
  • the apparatus of Figure 1 which includes a cyclone reactor 6, in the reactor 6, in the discharge device 8 and / or in a device which adjoins the discharge device 8, one or more substancestau ⁇ shear and / or boilers and / or gas turbines and / or expander turbines may be provided, which are not shown.
  • Heat exchange may also take place on the cyclone reactor 6 itself, for example on the outer walls in the reaction area 20a and / or the separation area 20b, but possibly also in the area of the expansion chamber 20c, the corresponding heat exchangers then also being able to be connected to turbines for generating electricity in generators.
  • the exhaust gases may thus, as a mixture with carrier gas, be further used e.g. Heating a boiler for steam generation, heat dissipation in a heat exchanger, operation of a turbine, etc. are supplied.
  • a device may comprise a removal device in the discharge device for the mixture of exhaust gas and carrier gas, which is designed for returning the mixture of exhaust gas and carrier gas to the feed device for carrier gas and / or the fuel gas supply device by connecting the discharge device for the mixture of exhaust gas and carrier gas with the feed device for carrier gas and / or the feeder for fuel gas to take part of the mixture of Ab ⁇ gas and carrier gas.
  • a part can at ⁇ game instance more than 1 vol.%, Preferably 5.% Vol.% And more, and further preferably 10 or more by volume, based on the total ⁇ volume of the mixture of flue gas and carrier gas, respectively.
  • So made of a metal nitride with nitrogen Burn ⁇ voltage may be implemented by hydrolysed ⁇ se with water to form ammonia and caustic, for example, the resulting liquor can then also serve as a scavenger for carbon dioxide and / or sulfur dioxide.
  • the present OF INVENTION ⁇ dung also relates to the use of a pore burner, comprising a porö ⁇ ses tube as a burner, for combusting a metal M is selected from alkali, alkaline earth metals, aluminum s ⁇ nium, and zinc, and alloys and / or mixtures thereof, with a fuel gas.
  • the metal M used liquid, ie above the melting point, for lithium 180 C.
  • the liquid metal M for example lithium
  • the liquid metal M can be introduced into the pore burner and then reacts immediately, optionally after ignition to start the Reaction, with the respective fuel gas, eg air, Oxygen, carbon dioxide, sulfur dioxide, hydrogen, What ⁇ serdampf, nitrogen oxides NO x as nitrous oxide, or stick ⁇ material.
  • the combustion of the metal M, such as lithium can be carried out in the embodiment shown in Figure 1 device beispiels-, with a more than stoichiometric amount of Brennga ⁇ ses to produce not too high exhaust gas temperatures.
  • the fuel gas can also be added in stoichiometric or substoichiometric amount compared to the metal M.
  • a carrier gas eg, nitrogen, air, carbon monoxide, carbon dioxide, and ammonia
  • the hot exhaust stream may then be used to heat a boiler for heat transfer in a heat exchanger or the like.
  • carbon dioxide can be used as the fuel gas and carbon monoxide in the apparatus shown in FIG. 1 as the carrier gas.
  • the metal M is for example lithium, for example, is turned ⁇ liquid, ie above the melting point of 180 ° C.
  • the FLÜS ⁇ SiGe lithium is introduced into the porous burner 3 and rea ⁇ then yaws directly with the fuel gas. You may need an electric ignition or an additional pilot burner.
  • Combustion of lithium is carried on the porous burner 3, be ⁇ vorzugt with the stoichiometrically required amount of carbon dioxide, where one or slightly above (eg understöchiomet- skills ratio 0.95: 1 to 1: 0.95 for the ratio of C0 2: Li) can be selected.
  • one or slightly above eg understöchiomet- skills ratio 0.95: 1 to 1: 0.95 for the ratio of C0 2: Li
  • lithium carbide can be produced, from which acetylene can then be obtained.
  • the second step takes place in the middle part of the reactor / furnace 6 in the area 4 ⁇ of the mixture Verbrennungspro ⁇ -products with the carrier gas carbon monoxide, which is injected through nozzles 5 into the reactor.
  • the resulting lithium carbonate has a melting point of 723 ° C. If the combustion temperature of the reaction products retained by means to ⁇ mixture of carrier gas and / or fuel gas by feeding 1.5 over at least 723 ° C, it can be excluded from hen liquid reaction products for combustion.
  • the feeders can be used here in the highly exothermic reaction for cooling, so that the system does not heat up too much, the lower temperature ⁇ limit the melting point of the resulting salts, here lithium carbonate, may be.
  • the cyclone is also operated with gases other than carbon dioxide, such as air or nitrogen or other gases, lithium oxide (melting point Mp 1570 ° C) or lithium nitride (Mp 813 ° C) may also be formed in the reaction products.
  • the mixture of exhaust gas and carrier gas for example, passed into a boiler and used for the evaporation of water, then to drive a steam turbine with a downstream Genera ⁇ tor or others to operate technical devices (eg heat exchangers).
  • the cooled off after this process mixture of exhaust gas and carrier gas can then be re ⁇ example be used as a carrier gas for generating the cyclone in the oven.
  • the residual heat of the exhaust gas is used after the evaporation process in the boiler, and it must only the stoichiometrically necessary amount of carbon dioxide for Ver combustion with Li by exhaust gas purification, for example, from coal-fired power plants are obtained.
  • Table 1 shows the relationship between exhaust gas temperature and stoichiometric excess for the combustion of lithium in pure carbon dioxide, which was calculated with non-temperature-dependent specific heat.
  • Combustion may occur with some excess fuel gas, in accordance with certain embodiments.
  • the exhaust gas temperature may, according to certain embodiments, be controlled in the various combustion processes by the excess gas so that it may be higher than the melting temperature of the reaction products or their mixture (Table 1).
  • carbon monoxide With recirculation of the exhaust gas cooled by the subsequent process step, carbon monoxide can be accumulated in the exhaust gas. It is according to certain embodiments possible to remove a portion of the exhaust gas, and thus to obtain a gas mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, which sits ⁇ a significantly higher proportion of carbon monoxide, as shown in Table 1. By a subsequent gas separation, carbon monoxide can be purified from carbon dioxide, and the carbon dioxide can be reused in the cycle or in the burner.
  • the combustion temperature in the furnace can be lowered.
  • stoichiometric combustion gas temperatures of over 3000 K can be reached, which would lead to material problems. Lowering the combustion temperature would also be possible by surplus CO2. However, this takes about 16 times higher than the stoichiometric amount have, would be present so that the Pro ⁇ duktgas CO highly diluted in the C02 excess (concentration of only about 6 Vol.%). Therefore, according to certain embodiments, it makes sense to return some of the product gas CO to the burner and to use it as a thermal ballast to lower the temperature. Before given to a certain reaction temperature is set by recycling a constant amount of mixture of exhaust gas and carrier gas as the carrier gas.
  • a waste gas 100 for example from a combustion power plant such as a coal power plant, carbon dioxide is separated in a CO 2 separation 101 and then burned with lithium in step 102, CO being used as the carrier gas.
  • CO being used as the carrier gas.
  • L1 2 CO 3 103 a mixture of exhaust gas and carrier gas comprising CO 2 and CO may, if necessary after ei ⁇ ner separation 104, are passed through a boiler 105, with the aid of a steam turbine 106 and thus a generator 107 operated become.
  • a third exemplary embodiment of apparatus can be used as fuel gas and nitrogen as the carrier gas in the ⁇ represent provided in FIG. 1
  • the metal used is, for example, lithium, for example liquid, ie above the melting point of 180.degree.
  • the liquid lithium can be supplied to the pore burner 3 and then reacts directly with the fuel gas. You may need an electric ignition or an additional pilot burner.
  • the combustion of lithium takes place at the pore burner 3 with the stoichiometrically required amount of nitrogen, although a slightly higher or lower stoichiometric ratio (eg 0.95: 1 to 1: 0.95 for the ratio 2 : Li) can be selected.
  • a slightly higher or lower stoichiometric ratio eg 0.95: 1 to 1: 0.95 for the ratio 2 : Li
  • the mixture of the combustion products with the carrier gas, wherein ⁇ game as nitrogen, which is injected through nozzles 5 into the reactor. 6 takes place in the middle part of the reactor 6 This creates a cyclone, which causes the solid and liquid reaction products are swirled to the reactor wall and there divorced mainly from ⁇ .
  • ⁇ game as nitrogen which is injected through nozzles 5 into the reactor. 6
  • For combustion in pure nitrogen that has resulting lithium nitride has a melting point of 813 ° C. If the combustion temperature of the reaction products retained by means to ⁇ mixture of carrier gas and / or fuel gas by feeding 1.5 over at least 813 ° C, so one can start from the liquid reaction products for combustion.
  • the feeders can be used here in the highly exothermic reaction for cooling, so that the system does not heat up too much, the lower temperature ⁇ limit the melting point of the resulting salts, here lithium nitride, may be. Is the cyclone with other gases than
  • Nitrogen such as air or carbon dioxide or other Ga ⁇ sen operated, lithium oxide (Mp 1570 ° C) or lithium carbonate (Mp 723 ° C) may be formed in the reaction products.
  • the exhaust gas is passed, for example, in a boiler and used to evaporate water to then drive a turbine with downstream generator or other technical devices (eg heat exchanger) to operate.
  • the cooled after this process exhaust gas can for example be used again to generate the cyclone in the reactor 6.
  • the residual heat of the exhaust gas is used after the evaporation process in the boiler, and it must only the stoichiometrically necessary amount of nitrogen for combustion, for example, by Heilzerlegung be recovered.
  • Table 2 shows the relationship between exhaust gas temperature and stoichiometric excess for the combustion of lithium in pure nitrogen, with the calculation of non-temperature-dependent specific heat. Table 2: Operation of the furnace with nitrogen as fuel gas and as carrier gas
  • Combustion may occur with some excess fuel gas, in accordance with certain embodiments.
  • a molar ratio of fuel gas to metal M of more than 1.01: 1, preferably more than 1.05: 1, more preferably 5: 1 and more, even more preferably 10: 1 and more, for example 100: 1 and more to that
  • the exhaust gas temperature may, according to certain embodiments, be controlled in the various combustion processes by the excess gas so that it may be higher than the melting temperature of the reaction products or their mixture (Table 2).
  • a corresponding reaction procedure is also shown by way of example in FIG.
  • nitrogen is separated and then burned at step 202 with lithium in an air separation ⁇ interpretation, with nitrogen, for example likewise from the air separation 201, as a carrier gas is used.
  • nitrogen for example likewise from the air separation 201
  • From the lithium nitride 203 may by Hyd ⁇ rolyse 209 ammonia 210 are obtained, said LiOH is created 211, which is converted with carbon dioxide to lithium carbonate 212 may be.
  • nitrogen can act as a carrier gas, which can also be obtained from the first exhaust gas, or the first exhaust gas itself, if it is circulated, for example.
  • Heat exchanger or to supply a boiler.
  • the entire combustion device can be made more compact and the combustion can be designed more gently for the device by locating the combustion process.
  • the device for example a reactor such as a furnace
  • the combustion and separation process can be adapted to the respective conditions of the subsequent step.
  • the possibility of distinguishing fuel gas and carrier gas to establish a cyclone makes it possible, in certain embodiments, to recirculate exhaust gases after the heat has been released. Recirculation is easily possible with this construction. Also gas mixtures are possible as fuel and carrier gas. By recycling the exhaust gas after the process steps or the energy and material can be saved.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners (3), der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas.

Description

Beschreibung
Verbrennung von Lithium bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Gasüberschüssen mit porösen Rohren als Brenner
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalka¬ limetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbren- nung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
Im Laufe der Jahre ist eine Vielzahl von Energieerzeugungs¬ einrichtungen vorgeschlagen worden, die mit bei der Oxidation von metallischem Lithium erzeugter Wärme arbeiten (z.B. US- PS 33 28 957) . In einem solchen System werden Wasser und Lithium miteinander unter Erzeugung von Lithiumhydroxid, Wasserstoff und Dampf umgesetzt. An anderer Stelle im System wird der durch die Reaktion zwischen Lithium und Wasser er- zeugte Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von zusätzli¬ chem Dampf kombiniert. Der Dampf wird dann zum Antrieb einer Turbine oder dergleichen genutzt, so dass man eine Energieerzeugungsquelle erhält. Lithium kann auch zusätzlich zur Gewinnung von Grundstoffen eingesetzt werden. Beispiele sind die Umsetzung mit Stickstoff zu Lithiumnitrid und nachfolgen¬ der Hydrolyse zu Ammoniak oder mit Kohlendioxid zu Lithiumo¬ xid und Kohlenmonoxid . Das feste finale Endprodukt der Umset¬ zung des Lithiums ist jeweils, gegebenenfalls nach Hydrolyse, wie bei Nitrid, das Oxid oder Carbonat, das dann wieder mit- tels Elektrolyse zu Lithiummetall reduziert werden kann. Da¬ mit ist ein Kreislauf etabliert, in dem durch Windkraft, Pho- tovoltaik oder andere regenerative Energiequellen überschüs¬ siger Strom produziert, gespeichert und zur gewünschten Zeit in Strom zurück gewandelt werden kann oder aber chemische Grundstoffe gewonnen werden können.
Lithium wird üblicherweise mit Schmelzflusselektrolyse herge- stellt. Für dieses Verfahren ergeben sich Wirkungsgrade von etwa 42 - 55 %, berechnet aus Verfahrensdaten ohne Tempera¬ turkorrektur des Normalpotentials. Neben Lithium können auch ähnliche Metalle wie Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Aluminium und Zink verwendet werden.
Da bei der Verbrennung von Lithium, je nach Temperatur und Brenngas, feste oder flüssige Rückstände entstehen können, ist darauf besondere Rücksicht zu nehmen. Zudem können je nach Aufbau und Betrieb eines Ofens für die Verbrennung von Lithiummetall (z.B. flüssig) in unterschiedlicher Atmosphäre und unter Druck Abgase und Feststoffe/flüssige Stoffe als Verbrennungsprodukte entstehen. Diese festen bzw. flüssigen Stoffe müssen von den Abgasen möglichst vollständig getrennt werden .
Eine weitgehend vollständige Trennung der flüssigen und fes¬ ten Verbrennungsrückstände von dem Abgasstrom ist dabei wich¬ tig, um in den nachfolgenden Vorrichtungen keine Oberflächenbelegungen oder Verstopfungen zu erzeugen. Insbesondere ist es sehr anspruchsvoll, den Abgasstrom direkt auf eine Gastur¬ bine zu leiten, da dann sichergestellt werden muss, dass alle Partikel aus dem Abgasstrom vollständig entfernt worden sind. Solche Partikel beschädigen langfristig die Flügel der Gas¬ turbine und führen zum Ausfall der Anlage.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine effiziente Abtrennung von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten bei der Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und Mischungen derselben, mit einem Brenngas vom Abgas erfolgen kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfin¬ dung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der eine effekti- ve und lokal begrenzte Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas ermöglicht wird, ohne dass die Verbrennungsprodukte sich zu sehr im Verbrennungsraum verteilen und somit leichter abgetrennt werden können. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas effektiv steuern zu können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Porenbren¬ ners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, bei der Ver- brennung des Metalls M mit dem Brenngas. Es wurde herausge¬ funden, dass sich durch die Verwendung des Porenbrenners die Verbrennung am Porenbrenner lokalisieren lässt, wobei auch die Verbrennungsprodukte am Porenbrenner anfallen. Während beispielsweise bei einer Verdüsung die Reaktionsprodukte im gesamten Reaktor anfallen und feste und flüssige Reaktions¬ produkte aufwändig wieder von gasförmigen Reaktionsprodukten getrennt werden müssen, sind bei der Verbrennung mit dem Porenbrenner insbesondere feste und flüssige Reaktionsprodukte in der Nähe des Porenbrenners lokalisiert, wodurch eine Tren- nung dieser von gasförmigen Verbrennungsprodukten erleichtert wird. Auf diese Weise kann auch die gesamte Verbrennungsvor¬ richtung kompakter gestaltet werden und die Verbrennung schonender für die Vorrichtung durch Lokalisierung des Verbrennungsprozesses gestaltet werden.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, umfassend einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner um- fasst ,
eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu aus- gebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen,
eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausge¬ bildet, Brenngas zuzuführen, und
optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Me- talls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das
Metall M zu verflüssigen.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt die Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen.
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise ma߬ stabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Figur 2 zeigt schematisch eine Detailansicht in einer weite¬ ren beispielhaften Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Detailansicht in einer zusätzlichen beispielhaften Anordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 4 stellt schematisch einen beispielhaften Querschnitt durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung im Bereich der Zuführeinrichtung des Trägergases zum Reaktor .
Figur 5 zeigt ein Schema für eine beispielhafte Reaktion von
Lithium und Kohlendioxid zu Lithiumcarbonat, die ge¬ mäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann.
Figur 6 zeigt ein Schema für eine weitere beispielhafte Reak- tion von Lithium und Stickstoff zu Lithiumnitrid und weiteren Folgeprodukten, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, erfolgt.
Das Metall M ist gemäß bestimmten Ausführungsformen ausgewählt aus Alkalimetallen, bevorzugt Li, Na, K, Rb und Cs, Erdalkalimetallen, bevorzugt Mg, Ca, Sr und Ba, AI und Zn, sowie Gemischen und/oder Legierungen derselben. In bevorzug- ten Ausführungsformen ist das Metall M ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, AI und Zn, weiter bevorzugt Li und Mg, und besonders bevorzugt ist das Metall M Lithium. Als Brenngas kommen gemäß bestimmten Ausführungsformen solche Gase in Frage, welche mit dem genannten Metall M bzw. Gemi¬ schen und/oder Legierungen der Metalle M in einer exothermen Reaktion reagieren können, wobei diese nicht besonders be- schränkt sind. Beispielhaft kann das Brenngas Luft, Sauer¬ stoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickoxide NOx wie Distickstoffmonoxid, Stickstoff, Schwefeldioxid, oder Ge¬ mische derselben umfassen. Das Verfahren kann also auch zur Entschwefelung bzw. NOx Entfernung verwendet werden. Je nach Brenngas können hierbei mit den verschiedenen Metallen M verschiedene Produkte erhalten werden, die als Feststoff, Flüs¬ sigkeit sowie auch gasförmig anfallen können.
So kann beispielsweise bei einer Reaktion von Metall M, bei- spielsweise Lithium, mit Stickstoff unter anderem Metallnit¬ rid, wie Lithiumnitrid, entstehen, welches dann später zu Am¬ moniak weiterreagieren gelassen werden kann, wohingegen bei einer Umsetzung von Metall M, z.B. Lithium, mit Kohlendioxid beispielsweise Metallcarbonat , z.B. Lithiumcarbonat, Kohlen- monoxid, Metalloxid, z.B. Lithiumoxid, oder auch Metallcar- bid, z.B. Lithiumcarbid, sowie auch Gemische davon entstehen können, wobei aus dem Kohlenmonoxid höherwertige, beispiel¬ weise auch längerkettige, kohlenstoffhaltige Produkte wie Me¬ than, Ethan, etc. bis hin zu Benzin, Diesel, aber auch Metha- nol, etc. gewonnen werden können, beispielsweise in einem Fi- scher-Tropsch-Verfahren, während aus Metallcarbid, z.B. Lithiumcarbid, beispielsweise Acetylen gewonnen werden kann. Weiterhin kann beispielsweise auch mit Distickstoffmonoxid als Brenngas z.B. Metallnitrid entstehen.
Analoge Reaktionen können sich auch für die anderen genannten Metalle ergeben.
Der Porenbrenner ist erfindungsgemäß nicht besonders be- schränkt, soweit er ein poröses Rohr als Brenner umfasst, dem an mindestens einer Öffnung das Metall M zugeführt werden kann. Bevorzugt wird das Metall M nur durch eine Öffnung des Rohres zugeführt und das andere Ende des Rohres ist ver- schlössen oder besteht ebenfalls aus dem Material des porösen Rohres. Das poröse Rohr kann hierbei beispielsweise ein
Keramikrohr aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid oder ein poröses Metallrohr, beispielsweise aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel- Stahl. Bevorzugt besteht der Porenbrenner aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Eisen,
Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl. Geeignet sind beispielsweise austeniti- sche Chrom-Nickel-Stähle, welche beispielsweise sehr resis¬ tent gegen Abtragung durch Natrium bei hoher Temperatur sind, doch auch Werkstoffe mit 32% Nickel und 20% Chrom, wie AC 66, Incoloy 800 oder Pyrotherm G 20132 Nb, zeigen noch ein relativ günstiges Korrosionsverhalten. Die weiteren Bestandteile des Porenbrenners sind nicht weiter beschränkt und können die Zuführeinrichtung für das Metall M sowie ggf. eine Zündquel¬ le, etc. umfassen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Metall M als Flüssigkeit in den Porenbrenner geleitet und mit Hilfe des Porenbrenners verbrannt, wobei das Brenngas gegebenenfalls auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt wird. Eine innere Mischung wie in einem klassischen Porenbrenner findet jedoch gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht statt, um eine Verstopfung der Poren durch feste Reaktionsprodukte zu Vermeiden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Porenbrenner somit ein Porenbrenner ohne Innenmischung. Die Poren dienen bei der Verwendung des Porenbrenners gemäß bestimmten Ausführungsformen einzig zur Oberflächenvergrößerung der Legierung L. Bei kontinuierlicher Zufuhr der Legierung L des elektropositiven Metalls kann jedoch eine Reaktion mit dem Brenngas am Ausgang der Poren nahe der Oberfläche des Porenbrenners stattfinden, soweit gewähr¬ leistet werden kann, dass entstehende Reaktionsprodukte durch nachgeförderte Legierung L aus dem Porenbrenner gefördert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen findet die Ver- brennungsreaktion jedoch außerhalb der Poren des Porenbrenners statt, beispielsweise auf der Oberfläche des Porenbren¬ ners oder sogar nach Austritt der Legierung L aus dem Porenbrenner, also nur auf der Oberfläche der austretenden Legie- rung L .
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird dem Porenbrenner das Metall M als Flüssigkeit im Inneren des Porenbrenners zuge¬ führt. Dies führt zu einer besseren Verteilung des Metalls M im Porenbrenner und einem gleichmäßigeren Austritt des Metalls aus den Poren des porösen Rohres, so dass eine gleich¬ mäßigere Reaktion zwischen Metall M und Brenngas stattfinden kann. Die Verbrennung von Metall M und Brenngas kann bei¬ spielsweise über die Porengröße der Poren des Rohres, dem verwendeten Metall M, dessen Dichte - die mit der Temperatur des Metalls M zusammenhängen kann, dem Druck, mit dem das Metall M in den Porenbrenner eingebracht wird, dem Druck bzw. der Auftrag-/ bzw. Zufuhrgeschwindigkeit des Brenngases, etc. geeignet gesteuert werden. Das Metall M, beispielsweise
Lithium, wird gemäß bestimmten Ausführungsformen demnach flüssig eingesetzt, also beispielsweise oberhalb des
Schmelzpunktes von Lithium von 180 C. Das flüssige Metall M kann hierbei in das poröse Rohr eingepresst werden, bei¬ spielsweise auch unter Zuhilfenahme eines weiteren, unter Druck stehenden Gases, welches nicht beschränkt ist. Das flüssige Metall M tritt dann durch die Poren des Rohres hindurch an die Oberfläche und verbrennt mit dem Gas zu dem jeweiligen Reaktionsprodukt bzw. den jeweiligen
Reaktionsprodukten .
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Brenngas auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt. Hierdurch kann ein Verstopfen der Poren des porösen Rohres vermindert bzw. vermieden werden, so dass eine Reinigung des Porenbrenners verhindert bzw. auch eine Abnut¬ zung vermindert werden kann. Durch die Verbrennung des Metalls M auf der Oberfläche des porösen Rohrs ist die Tendenz zum Übertritt von kleinen
Partikeln in den Gasraum/Reaktionsraum verringert, so dass bestenfalls größere Tropfen von Reaktionsprodukten entstehen, die aber einfach von gasförmigen Reaktionsprodukten abgetrennt werden können, beispielsweise durch einen Zyklon zur Abscheidung an die Reaktorwand gebracht werden können. Hierbei kann die Reaktorwand gekühlt werden, beispielsweise mit Wärmetauschern, wobei diese auch mit Turbinen und Generatoren verbunden werden können.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Verbrennung bei einer Temperatur, die über dem Schmelzpunkt der bei der Reaktion von Metall M und Brenngas entstehenden Salze liegt. Die bei der Verbrennung von Metall M und Brenngas entstehenden Salze können hierbei einen Schmelzpunkt haben, der über dem Schmelzpunkt des Metalls M liegt, so dass eine Zufuhr von flüssigem Metall M bei erhöhter Temperatur erforderlich sein kann. Durch die Verbrennung bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt der entstehenden Salze kann weiterhin eine Verunreinigung bzw. Belegung des Porenbrenners durch die entstehenden Salze vermieden werden, so dass der Porenbrenner besser gegen Verunreinigungen, beispielsweise auch der Poren, geschützt werden kann. Dies ermöglicht einen besseren Betrieb und eine verringerte Reinigung der Vorrichtung wie auch längere Benutzungszeiten ohne Reinigung. Auch können flüssige Reaktionsprodukte am Brenner einfach abtropfen. Insbesondere bei solchen Verfahren bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der entstehenden Salze sind Materialien des Brenners bevorzugt, die den Temperaturen standhalten können, wie beispielsweise Eisen, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, und Edelstahl.
Die Verbrennungstemperatur ist also bevorzugt höher als der Schmelzpunkt des jeweiligen Reaktionsprodukts bzw. der jeweiligen Reaktionsprodukte, damit die Poren des Porenbren¬ ners nicht verstopfen und ein Abtransport der Reaktions¬ produkte möglich ist. Weiterhin kann auch je nach Reaktions- produkt eine gewisse Vermischung zwischen dem flüssigen
Metall M und dem Reaktionsprodukt stattfinden, so dass die Verbrennung nicht nur lokal bei der Porenöffnung, sondern über die gesamte Oberfläche des Rohres verteilt stattfinden kann. Dies kann beispielsweise über die Zufuhrgeschwindigkeit des Metalls M gesteuert werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Metall M dem Porenbrenner als Legierung von mindestens zwei Metallen M zuge- führt. Hierdurch kann eine Schmelzpunkterniedrigung des Metalls M wie auch des entstehenden Metallsalzes bzw. der ent¬ stehenden Metallsalze erreicht werden, so dass das Verfahren bei niedrigeren Temperaturen und somit schonender für die Vorrichtung durchgeführt werden kann und der Einsatz von hochfeuerfesten Materialien in der Vorrichtung vermindert bzw. vermieden werden kann.
Weiterhin kann gemäß bestimmten Ausführungsformen die Verbrennung mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen, beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu
Metall M von 1,01 : 1 und mehr, bevorzugt 1,05 : 1 und mehr, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die Abgastempe¬ ratur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren. Das Brenngas kann hierbei auch zur Wärmeabfuhr auf den Expandierteil einer Turbine, etc. dienen.
Bei dem Verfahren kann zudem eine Trennung von Abgas von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten bei der Verbrennung des Metalls M mit einem Brenngas erfolgen, wobei gemäß be¬ stimmten Ausführungsformen in einem Reaktionsschritt das Brenngas mit dem Metall M verbrannt wird und Abgas sowie wei¬ tere feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte entstehen, und in einem Trennungsschritt das Abgas von den festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten abgetrennt wird. Hierbei kann im Trennungsschritt zusätzlich ein Trägergas zugegeben werden und das Trägergas als Gemisch mit dem Abgas abgeführt werden. Das Trägergas kann hierbei auch dem Abgas entsprechen, so dass also beispielsweise bei der Verbrennung ein Abgas ent¬ steht, das dem zugeführten Trägergas entspricht, oder auch dem Brenngas entsprechen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können also gemäß bestimmten Ausführungsformen die Reaktions- produkte nach der Verbrennung getrennt werden.
Das Trägergas ist erfindungsgemäß nicht besonders beschränkt, und kann dem Brenngas entsprechen, aber auch verschieden von diesem sein. Als Trägergas kommen beispielsweise Luft, Koh¬ lenmonoxid, Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan, Wasserstoff, Wasserdampf, Stickstoff, Distickstoffmonoxid, Gemische von zwei oder mehreren dieser Gase, etc. zur Anwendung. Hierbei können verschiedene Gase, wie beispielsweise Methan, zum Wär¬ metransport dienen und die Reaktionswärme der Reaktion von Metall M mit dem Brenngas aus dem Reaktor abführen. Die verschiedenen Trägergase können beispielsweise an die Reaktion des Brenngases mit dem Metall M geeignet angepasst werden, um hierbei ggf. Synergieeffekte zu erzielen. Das Gas, das optio¬ nal beim Zuführen des Metalls M verwendet wird, kann eben¬ falls dem Trägergas entsprechen.
Für eine Verbrennung von Kohlendioxid mit Metall M, bei¬ spielsweise Lithium, bei der Kohlenmonoxid entstehen kann, kann als Trägergas beispielsweise Kohlenmonoxid verwendet und gegebenenfalls im Kreis gefahren, also nach dem Abführen wie¬ der, zumindest teilweise, als Trägergas zurückgeführt werden. Hierbei wird das Trägergas an das Abgas angepasst, so dass ggf. ein Teil des Trägergases als Wertprodukt entnommen wer¬ den kann, beispielsweise für eine folgende Fischer-Tropsch- Synthese, während es durch die Verbrennung von Kohlendioxid mit Metall M wieder generiert wird, so dass in der Bilanz Kohlendioxid zumindest teilweise zu Kohlenmonoxid umgesetzt wird, bevorzugt zu 90 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 95 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 99 Vol.% oder mehr und insbesondere bevorzugt zu 100 Vol.%, bezogen auf das einge¬ setzte Kohlendioxid, und als Wertprodukt entnommen wird. Je mehr Kohlenmonoxid erzeugt wird, umso sauberer ist das abge¬ führte Kohlenmonoxid. Bei einer Verbrennung von Stickstoff mit Metall M, beispiels¬ weise Lithium, kann als Trägergas beispielsweise Stickstoff dienen, so dass im Abgas nicht reagierter Stickstoff aus der Verbrennung als „Abgas" neben dem Trägergas Stickstoff vor¬ liegen kann, wodurch eine Gastrennung, so gewünscht, einfacher durchgeführt werden kann und gemäß bestimmten Ausführungsformen, bei entsprechender, bevorzugt quantitativer Verbrennung von Metall M und Stickstoff unter Verwendung geeig- neter, leicht ermittelbarer Parameter, auch nicht erforderlich sein kann. Es kann beispielsweise Ammoniak aus dem entstehenden Nitrid leicht durch Auswaschen bzw. Abkühlen entfernt werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann zumindest ein Teil des Abgases dem Trägergas entsprechen. Beispielsweise kann das Abgas zu mindestens 10 Vol.%, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevor zugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen des Abgases, dem Trägergas entsprechen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann das Brenngas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Ge¬ samtvolumen des Abgases, dem Trägergas entsprechen, und kann in manchen Fällen sogar zu 100 Vol.% dem Trägergas entspre¬ chen .
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gemisch aus Abgas und Trägergas zumindest teilweise wieder dem Trennungsschritt als Trägergas und/oder dem Verbrennungsschritt als Brenngas zugeführt werden. Eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas kann bei¬ spielsweise in einem Umfang von 10 Vol.% oder mehr, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, erfolgen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trä- gergas und Abgas, erfolgen. Gemäß erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsformen kann eine Reaktion zwischen Brenngas und Metall M auf eine solche Weise erfolgen, dass als Abgas das Trägergas entsteht, z.B. mit Kohlendioxid als Brenngas und Kohlenmonoxid als Trägergas, so dass dann das Gemisch aus Trägergas und Abgas im Wesentlichen, bevorzugt zu 90 Vol.% und mehr, weiter bevorzugt zu 95 Vol.% und mehr, noch weiter bevorzugt zu 99 Vol.% und mehr und besonders bevorzugt zu 100 Vol.%, bezogen auf das Gemisch aus Abgas und Trägergas, aus dem Trägergas besteht. Hierbei kann dann das Trägergas kontinuierlich im Kreis gefahren werden und in einer solchen Menge entnommen werden, wie es durch die Verbrennung von Metall M und Brenngas nachgebildet wird. Im Vergleich zu einer reinen Kreisführung des Trägergases, bei der ggf. eine Tren- nung von Trägergas und Abgas erfolgt, kann hierbei beispiels¬ weise ein Wertprodukt erhalten werden, beispielsweise Kohlen¬ monoxid, welches kontinuierlich entnommen werden kann.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt der Trennungs- schritt in einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Zyklon bzw. einem Zyklonreaktor. Der Zyklonreaktor ist hierbei in seinem Aufbau nicht besonders beschränkt und kann beispiels¬ weise eine Form haben, wie sie gewöhnliche Zyklonreaktoren aufweisen .
Beispielsweise kann ein Zyklonreaktor einen Reaktionsbereich, an dem die Zuführeinrichtungen für das Brenngas, Metall M und das Trägergas (welche ggf. auch zuvor vereint werden können und dann gemeinsam dem Reaktionsbereich zugeführt werden kön- nen) angebracht werden können, beispielsweise in Form eines rotationssymmetrischen Oberteils ,
einen Separationsbereich, der beispielsweise konisch ausgestaltet ist,
und eine Entspannungskammer, an der eine Abführvorrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, beispielsweise in Form einer Zellenradschleuse, sowie eine Abführeinrichtung für das Ge¬ misch aus Abgas und Trägergas, was sich nach der Durchmi- schung der beiden Gase nach dem Verbrennen des Metalls M im Brenngas ergibt, angebracht werden können, umfassen.
Solche Vorrichtungskomponenten sind beispielsweise üblicher- weise in Zyklonabscheidern vorhanden. Ein erfindungsgemäß verwendeter Zyklonreaktor kann aber auch anders aufgebaut sein und ggf. auch weitere Bereiche umfassen. Beispielsweise können einzelne Bereiche (z.B. Reaktionsbereich, Separations¬ bereich, Entspannungskammer) auch in einem Bauteil eines bei- spielhaften Zyklonreaktors zusammengefasst sein und/oder sich über mehrere Bauteile eines Zyklonreaktors erstrecken. Hier¬ bei kann beispielsweise die Zugabe von Trägergas auch in einem Bereich erfolgen, in dem die Reaktion des Metalls M und des Brenngases fortgeschritten oder auch schon abgeschlossen ist.
Durch den Zyklon werden die Reaktionsprodukte weitgehend im Zentrum des Reaktors, beispielsweise eines Ofenraums gehal¬ ten, und da durch die Verbrennung an der Oberfläche des porösen Rohrs keine kleinen Partikeln entstehen wie beim Verdüsen, ist das Abgas frei von festen oder flüssigen
Partikeln, so dass auch eine Gasturbine bzw. eine Expanderturbine im Abgasstrom nachgeschaltet werden können. Unter diesen Umständen ist es mit diesem Verbrennungskonzept möglich, den Abgasstrom nach dem Verbrennen des Metalls M und der Trennung der Reaktionsprodukte direkt in eine Gasturbine einzuleiten .
Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktionsprodukte bzw. deren Mischung ist . Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Zyklonreaktor zudem ein Gitter, durch das die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas abgeführt werden können. Ein solches Gitter kann ein nachträgliches Aufwirbeln von festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten im Zyklonreaktor zusätzlich verhindern.
Die Reaktionsprodukte der Verbrennung können zur Erzeugung von Energie, bevorzugt unter Verwendung mindestens einer Ex¬ panderturbine und/oder mindestens einer Gasturbine, bei¬ spielsweise einer Dampfturbine, und/oder mindestens eines Wärmetauschers und/oder mindestens eines Boilers, verwendet werden, wobei hier gemäß bestimmten Ausführungsformen sowohl die entstehenden festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte, beispielsweise unter Verwendung eines Wärmetauschers am Reak¬ tor, oder auch die gasförmigen Reaktionsprodukte verwendet werden können. Bei Verwendung eines Zyklonreaktors mit Trägergaszufuhr kann das Gemisch aus Abgas und Trägergas gemäß bestimmten Ausfüh¬ rungsformen, beispielsweise im Reaktor und/oder bei und/oder nach der Abführung aus dem Reaktor, zur Erwärmung eines Boilers oder zur Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher oder einer Turbine, beispielsweise einer Gasturbine oder einer Ex¬ panderturbine, verwendet werden.
Weiterhin kann das Gemisch aus dem Trägergas und dem Abgas gemäß bestimmten Ausführungsformen nach der Verbrennung unter erhöhtem Druck stehen, beispielsweise mehr als 1 bar, wenigstens 2 bar, wenigstens 5 bar oder wenigstens 20 bar.
Darüber hinaus wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausge- wählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben offenbart, umfassend
einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner um- fasst ,
eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als
Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu aus¬ gebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen, eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausge¬ bildet, Brenngas zuzuführen, und
optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Metalls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das Metall M zu verflüssigen.
Der Porenbrenner kann hierbei wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Als Zuführeinrichtung für Metall M können beispielsweise Rohre oder Schläuche, oder aber Förderbänder, dienen, die beheizt sein können, welche geeignet, beispiels¬ weise anhand des Aggregatszustands des Metalls M, bestimmt werden können. Gegebenenfalls kann an die Zuführeinrichtung für das Metall M auch eine weitere Zuführeinrichtung für ein Gas, optional mit einer Steuereinrichtung wie einem Ventil, angebracht werden, mit dem die Zufuhr des Metalls M geregelt werden kann. Ebenso kann die Zuführeinrichtung für das Brenngas als Rohr oder Schlauch, etc., das oder der gegebenenfalls beheizt sein kann, ausgebildet sein, wobei die Zuführeinrichtung geeignet anhand des Zustand des Gases, das ggf. auch un- ter Druck stehen kann, bestimmt werden kann. Auch können mehrere Zuführeinrichtungen für Metall M oder Brenngas vorgesehen sein.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Zuführeinrichtung für das Brenngas derart angeordnet, dass sie das Brenngas, zumindest teilweise und bevorzugt vollständig, auf die Ober¬ fläche des Porenbrenners leitet. Hierdurch wird eine verbes¬ serte Reaktion zwischen Metall M und Brenngas erreicht. Zudem ist der Porenbrenner gemäß bevorzugten Ausführungsformen derart angeordnet, dass entstehende Reaktionsprodukte der Verbrennung und optional das nicht reagierte Metall M durch Gravitation von der Oberfläche des Porenbrenners abgetrennt werden können, beispielsweise indem der Porenbrenner im Reak- tor senkrecht zur Erdoberfläche hin weisend angebracht wird. Bei senkrechter Anordnung der porösen Brennrohre im Ofenraum kann das entstehende flüssige Reaktionsprodukt das Rohr hinab laufen und dann nach unten in den Ofensumpf tropfen. Auf diesem Weg wird auch das eventuell gelöste Metall M,
beispielsweise Lithium, das nicht zuvor am Porenbrenner reagiert ist, verbrennen, und die Reaktionswärme wird an das vorbeiströmende Brenn- und Trägergas abgegeben.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen besteht der Porenbrenner aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, beste¬ hend aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolf¬ ram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom-Nickel-Stahl. Diese Materialien sind bevorzugt für einen Einsatz bei höheren Temperaturen, bei denen die Reaktion mit flüssigem Metall M und ggf. mit entste¬ henden flüssigen Metallsalzen einfacher vonstattengehen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter eine Trenneinrichtung der Produkte der Verbrennung des Metalls M aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Verbrennungsprodukte des Metalls M und des Brennga¬ ses zu trennen, wobei die Trenneinrichtung bevorzugt ein Zyk- lonreaktor ist.
Die Trenneinrichtung kann hierbei zur Trennung von Abgas bei der Verbrennung des Metalls M mit einem Brenngas dienen, und kann umfassen:
- einen Reaktor, in dem der Porenbrenner vorgesehen ist und die Zuführeinrichtung für Metall M angebracht bzw. vorge¬ sehen ist, und zu dem die Zufuhr des Brenngases erfolgt, an dem oder in dem also die Zuführeinrichtung für das Brenngas angebracht bzw. vorgesehen ist;
- eine Zuführeinrichtung für Trägergas, die dazu ausgebil¬ det ist, dem Reaktor Trägergas zuzuführen.
eine Abführeinrichtung für ein Gemisch aus Abgas sowie Trägergas, die dazu ausgebildet ist, ein Gemisch aus dem Ab¬ gas der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas und dem Trägergas abzuführen; und
eine Abführeinrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, die dazu ausgebildet ist, feste und/oder flüssige Reaktions- Produkte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas abzu¬ führen .
Die Zuführeinrichtung für Trägergas ist ebenfalls nicht be- sonders beschränkt und umfasst beispielsweise Rohre, Schläu¬ che, etc., wobei die Zuführeinrichtung für Trägergas geeignet anhand des Zustands des Trägergases, das ggf. auch unter Druck stehen kann, bestimmt werden kann. Ebenso wenig ist der Reaktor besonders beschränkt, insofern in ihm die Verbrennung des Brenngases mit dem Metall M von- stattengehen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Reaktor ein Zyklonreaktor sein, wie er beispielhaft in Figuren 1 und in Detailansicht in einer weiteren Ausführungs- form in Figur 2 dargestellt ist.
Der Zyklonreaktor kann gemäß bestimmten Ausführungsformen einen Reaktionsbereich, an dem die Zuführeinrichtungen für das Brenngas, Metall M und das Trägergas sowie der Porenbren- ner angebracht werden können, beispielsweise in Form eines rotationssymmetrischen Oberteils ,
einen Separationsbereich, der beispielsweise konisch ausgestaltet ist,
und eine Entspannungskammer, an der eine Abführvorrichtung für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, beispielsweise in Form einer Zellenradschleuse, sowie eine Abführeinrichtung für das Ge¬ misch aus Abgas und Trägergas, was sich nach der Durchmi¬ schung der beiden Gase nach dem Verbrennen des Metalls M im Brenngas ergibt, angebracht werden können, umfassen.
Solche Vorrichtungskomponenten sind beispielsweise üblicherweise in Zyklonabscheidern vorhanden. Ein erfindungsgemäß verwendeter Zyklon-Reaktor kann aber auch anders aufgebaut sein und ggf. auch weitere Bereiche umfassen. Beispielsweise können einzelne Bereiche (z.B. Reaktionsbereich, Separations¬ bereich, Entspannungskammer) auch in einem Bauteil eines bei- spielhaften Zyklonreaktors zusammengefasst sein und/oder sich über mehrere Bauteile eines Zyklonreaktors erstrecken.
Ein beispielhafter Zyklonreaktor ist in Figur 1 dargestellt. Der in Figur 1 dargestellte Zyklonreaktor 6 umfasst einen Reaktionsbereich 20a, einen Separationsbereich 20b, der sowohl zusammen mit dem Reaktionsbereich 20a im oberen Bauteil 6a als auch zusammen mit der Entspannungskammer 20c im unteren Bauteil 6b liegt, sowie eine Entspannungskammer 20c. Zum Zyklonreaktor führen im oberen Teil eine Zuführeinrichtung 1 für Brenngas, beispielsweise in Form eines ggf. beheizten Rohrs oder eines Schlauchs, und eine Zuführeinrichtung 2 für Metall M, beispielsweise in Form eines ggf. beheizten Rohrs oder eines Schlauchs, wobei die Zufuhr des Metalls M zum Po- renbrenner 3 erfolgt. Die Zufuhr des Metalls M erfolgt gemäß Figur 1 unter Zuhilfenahme eines Gases in einer Zuführeinrichtung 2λ für Gas, beispielsweise einem Rohr oder Schlauch, dessen Zufuhr mit einem Ventil 2λ λ gesteuert werden kann. Das Metall M und das Brenngas werden dem Reaktionsbereich 20a zu- geführt. Durch die Zuführeinrichtung 4 wird das Trägergas ei¬ nem Bereich 4 λ zur Gasverteilung zugeführt, aus dem dann das Trägergas über Düsen 5, mit welchen ein Zyklon ausgebildet werden kann, dem Separationsbereich 20b zugeführt wird. Eine Detailansicht einer solchen Zuführeinrichtung 4 mit einem Be- reich 4 λ zur Gasverteilung und einer Düse 5 ist im Querschnitt beispielhaft in Figur 4 (Darstellung ohne Porenbrenner 3) angegeben, jedoch können auch mehr Düsen 5 vorhanden sein, beispielsweise in einem geeigneten Abstand rings um die Innenwand des Bereichs 4 um einen geeigneten Zyklon zu er- zeugen. Aus dem unteren Bauteil 6b, welches die Entspannungs¬ kammer 20c umfasst, werden feste und/oder flüssige Reaktions¬ produkte über die Abführeinrichtung 7 für feste und/oder flüssige Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas abgeführt, während das Gemisch aus Abgas und Trägergas über die Abführeinrichtung 8 für das Gemisch aus Abgas und Trägergas abgeführt wird. Gegebenenfalls kann in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Zündvorrichtung, beispielsweise eine elektrische Zünd¬ vorrichtung oder ein Plasmabogen, erforderlich sein, wobei dies von der Art und dem Zustand des Metalls M, beispielswei- se dessen Temperatur und/oder Aggregatszustand, der Beschaf¬ fenheit des Brenngases, beispielsweise dessen Druck und/oder Temperatur, sowie der Anordnung von Komponenten in der Vorrichtung, wie beispielsweise der Art und Beschaffenheit der Zuführeinrichtungen, abhängen kann.
Um konstruktiv sowohl eine hohe Abgastemperatur von beispielsweise mehr als 200°C, beispielsweise auch 600°C oder mehr und in bestimmten Ausführungsformen 700 °C oder mehr, als auch einen erhöhten (z.B. 5 bar oder mehr) oder hohen (20 bar oder mehr) Betriebsdruck zu erreichen, kann das innere Material des Reaktors aus hochwarmfesten Legierungen bestehen, beispielsweise im Extremfall auch aus dem Material Haynes 214. Um dieses Material, das lediglich der hohen Temperatur standhalten soll, kann dann eine thermische Isolierung ange- ordnet sein, die ausreichend wenig Wärme hindurch lässt, so dass außen eine Stahlwand, die zusätzlich auch luft- oder wassergekühlt sein kann, die Druckbelastung aufnimmt. Das Ab¬ gas kann dann dem weiteren Prozessschritt mit dem erhöhten oder hohen Betriebsdruck zugeführt werden.
Darüber hinaus kann der Reaktor, beispielsweise ein Zyklonreaktor, auch Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen umfassen, welche an dem Reaktionsbereich, dem Separationsbereich und/oder der Entspannungskammer sowie aber auch an den verschiedenen Zuführ- und/oder Abführvorrichtungen, ggf. dem Brenner, und/oder ggf. der Zündvorrichtung vorhanden sind. Darüber hinaus können weitere Komponenten wie Pumpen zum Erzeugen eines Drucks oder eines Vakuums, etc. in einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung vorhanden sein.
In Ausführungsformen, in denen der Reaktor als Zyklonreaktor ausgebildet ist, kann der Zyklonreaktor ein Gitter umfassen, das derart ausgebildet ist, dass die festen und/oder flüssi- gen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas durch das Gitter abgeführt werden können. Darüber hinaus kann ein solches Gitter aber auch in anderen Reaktoren, welche in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein können, vorhanden sein. Durch die Verwendung des Gitters im Reaktor bzw. Zyklonreaktor kann eine bessere Trennung der festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte bei der Verbrennung des Metalls M mit dem Brenngas von dem Gemisch aus Abgas und Trägergas erzielt werden. Ein solches Gitter ist bei- spielhaft in Figur 2 dargestellt, gemäß der sich das Gitter 6λ beispielhaft im Zyklonreaktor 6, der in Figur 1 dargestellt ist, im unteren Bauteil 6b oberhalb der Abführeinrich¬ tung 7 und unterhalb der Abführeinrichtung 8 befindet. Durch das Gitter, bevorzugt mit genügend großem Abstand zur Reak- torwand, kann eine sichere Abscheidung von festen und flüssi¬ gen Reaktionsprodukten oder deren Gemisch sichergestellt werden. Dadurch werden die schon abgeschiedenen festen oder flüssigen Verbrennungsprodukte auch nicht mehr vom Zyklon aufgewirbelt .
Die Geometrie der Zuführeinrichtungen für das Trägergas ist nicht besonders beschränkt, sofern das Trägergas mit dem Ab¬ gas aus der Verbrennung von Metall M und Brenngas vermischt werden kann. Bevorzugt entsteht hierbei ein Zyklon, z.B. mit der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung. Ein Zyklon kann aber auch durch andere Anordnungen der Zuführeinrichtungen zueinander erzeugt werden. So ist es beispielsweise nicht ausgeschlossen, dass die Zuführeinrichtung des Trägergases auch oben am Reaktor in der Nähe der Zuführeinrichtungen für Metall M und Brennstoff vorhanden ist. Entsprechend geeignete Geometrien der Einspritzung können leicht auf geeignete Weise bestimmt werden, beispielsweise anhand von Strömungssimulati¬ onen . Auch sind die Abführeinrichtungen nicht besonders beschränkt, wobei beispielsweise die Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas als Rohr ausgebildet sein kann, wäh¬ rend die Abführeinrichtung für die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas beispielsweise als Zellenradschleuse und/oder als Rohr mit einem Siphon ausgestaltet sein kann. Hier können auch verschiedene Ventile, wie Druckventile, und/oder weitere Reg- 1er vorgesehen sein. Eine in Figur 3 dargestellte, beispiel¬ hafte Abführeinrichtung 7, beispielsweise des in Figur 1 dargestellten Zyklonreaktors 6, kann hierbei einen Siphon 9, ein Ventil 10 zur Entgasung und einen Druckregler 11 umfassen, ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt. Ein solcher Si- phon an der Abführeinrichtung für die festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukte der Verbrennung von Metall M mit dem Brenngas, ggf. in Verbindung mit einem für den jeweiligen Be¬ triebsdruck geeigneten Vordruckregler, kann beispielsweise verwendet werden, um einen erhöhten oder hohen Betriebsdruck zu ermöglichen.
Die Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas und Trägergas kann gemäß bestimmten Ausführungsformen auch eine Trennvorrichtung für das Abgas und das Trägergas und/oder einzelne Komponenten des Abgases enthalten.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Abführeinrichtung für ein Gemisch aus Abgas sowie Trägergas derart mit der Zu¬ führeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas verbunden sein, dass das Gemisch aus Abgas und Trägergas zumindest teilweise dem Reaktor als Trägergas und/oder dem Brenner als Brenngas zugeführt wird. Der Anteil des rückgeführten Gases kann hierbei 10 Vol.% oder mehr, bevorzugt 50 Vol.% oder mehr, weiter bevorzugt 60 Vol.% oder mehr, noch weiter bevorzugt 70 Vol.% oder mehr, und noch mehr bevorzugt 80 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolumen aus Trägergas und Abgas, betragen. Gemäß bestimmten Ausfüh¬ rungsformen kann eine Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zu 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamtvolu- men aus Trägergas und Abgas, erfolgen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zudem weiter mindestens einen Boiler und/oder mindestens einen Wärmetauscher und/oder mindestens eine Gas¬ turbine und/oder mindestens eine Expanderturbine umfassen, der oder die sich im Reaktor und/oder der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas befindet. Somit können beispielsweise in der Vorrichtung von Figur 1, welche einen Zyklonreaktor 6 umfasst, im Reaktor 6, in der Abführeinrichtung 8 und/oder in einer Einrichtung, die sich an die Abführeinrichtung 8 anschließt, ein oder mehrere Wärmetau¬ scher und/oder Boiler und/oder Gasturbinen und/oder Expan- derturbinen vorgesehen sein, welche nicht dargestellt sind.
Auch kann ein Wärmeaustausch am Zyklonreaktor 6 selbst stattfinden, beispielsweise an den Außenwänden im Reaktionsbereich 20a und/oder dem Separationsbereich 20b, aber ggf. auch im Bereich der Entspannungskammer 20c, wobei die entsprechenden Wärmetauscher dann auch mit Turbinen zur Stromerzeugung in Generatoren verbunden sein können.
Die Abgase können somit, als Gemisch mit Trägergas, einer weiteren Verwendung z.B. Aufheizen eines Boilers zur Dampfer- zeugung, Wärmeabgabe in einem Wärmetauscher, Betrieb einer Turbine, usw. zugeführt werden.
Falls kein geeigneter Wärmetauscher gefunden werden kann, durch den dann z.B. Luft mit entsprechendem Druck erwärmt wird und als Ersatz für das Abgas in die Gasturbine geleitet wird, ist es möglich, beispielsweise einen Boiler zu verwen¬ den. Der Weg unter Verwendung eines Boilers kann gemäß bestimmten Ausführungsformen aussichtsreicher sein und ist auch technisch einfacher, da er bei geringeren Temperaturen und nur erhöhtem Druck realisierbar sein kann.
Mit Hilfe eines oder mehrerer Wärmetauscher und/oder eines oder mehrerer Boiler kann dann im Anschluss elektrische Energie erzeugt werden, beispielsweise durch Verwendung einer Dampfturbine und eines Generators. Es ist aber auch möglich, dass das Gemisch aus Abgas und Trägergas direkt auf eine Tur¬ bine, beispielsweise eine Gasturbine bzw. Expanderturbine, geleitet wird, um so direkt Strom zu erzeugen. Dies setzt je- doch eine sehr gute Abtrennung von Feststoffen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten der Verbrennung von Metall M und Brenngas voraus, wie sie erfindungsgemäß bereitgestellt wer¬ den kann, insbesondere unter Verwendung eines Gitters im Re- aktor. Die Auswahl, ob ein Boiler oder ein Wärmetauscher verwendet wird, kann beispielsweise davon abhängen, ob feste oder flüssige Reaktionsprodukte gebildet werden, kann aber auch anlagentechnisch bedingt sein. Bei flüssigen Reaktionsprodukten, z.B. flüssigem L12CO3, kann beispielsweise die Re- aktorwand als Wärmetauscher fungieren, während bei entstehenden festen Reaktionsprodukten spezielle Wärmetauscher erforderlich sein können. Bei einer entsprechenden Trennung des Gemisches von Abgas und Trägergas von den festen und/oder flüssigen Reaktionsprodukten ist auch ggf. ein direktes Lei- ten des Gemisches aus Abgas und Trägergas auf eine Turbine möglich, so dass hier dann auch keine Wärmetauscher und/oder Boiler im Abgasstrom erforderlich sein können.
Gemäß gestimmten Ausführungsformen kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Entnahmevorrichtung in der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas umfassen, welche dazu ausgebildet ist, bei einer Rückführung des Gemisches aus Abgas und Trägergas zur Zuführeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas durch Verbindung der Abführeinrichtung für das Gemisch aus Abgas sowie Trägergas mit der Zuführeinrichtung für Trägergas und/oder der Zuführeinrichtung für Brenngas einen Teil des Gemisches aus Ab¬ gas und Trägergas zu entnehmen. Ein solcher Teil kann bei¬ spielsweise mehr als 1 Vol.%, bevorzugt 5 Vol.% und mehr und weiter bevorzugt 10 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gesamt¬ volumen des Gemisches aus Abgas und Trägergas, betragen. Wei¬ terhin können gemäß bestimmten Ausführungsformen maximal 50 Vol.%, bevorzugt 40 Vol.% oder weniger, weiter bevorzugt 30 Vol.% oder weniger, besonders bevorzugt 20 Vol.% oder we- niger, bezogen auf das Gesamtvolumen des Gemisches aus Abgas und Trägergas, aus dem rückgeführten Gemisch aus Abgas und Trägergas entnommen werden. Das entnommene Gas kann dann bei¬ spielsweise als Wertprodukt für weitere Reaktionen zur Verfü- gung stehen, so z.B. wenn Kohlenmonoxid ausgeschleust wird und anschließend in einem Fischer-Tropsch-Verfahren zu höherwertigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt wird. Auch können die abgeführten Feststoffe weiter zu Wertstoffen umgesetzt werden. So kann beispielsweise aus einer Verbren¬ nung mit Stickstoff hergestelltes Metallnitrid durch Hydroly¬ se mit Wasser zu Ammoniak und Lauge umgesetzt werden, wobei die entstandene Lauge dann auch als Fänger für Kohlendioxid und/oder Schwefeldioxid dienen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung zudem die Verwendung eines Porenbrenners, der ein porö¬ ses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Alumi¬ nium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbil- düngen 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.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das Metall M, beispielsweise Lithium, flüssig eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes, für Lithium 180 C. Das flüssige Metall M, z.B. Lithium, kann in den Porenbrenner eingebracht werden und reagiert dann unmittelbar, gegebenenfalls nach Zündung zum Starten der Reaktion, mit dem jeweiligen Brenngas, z.B. Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Wasserstoff, Was¬ serdampf, Stickoxide NOx wie Distickstoffmonoxid, oder Stick¬ stoff. Die Verbrennung des Metalls M, z.B. Lithium, kann in der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung erfolgen, beispiels- weise mit einer mehr als stöchiometrischen Menge des Brennga¬ ses, um nicht allzu hohe Abgastemperaturen zu erzeugen. Das Brenngas kann aber auch in stöchiometrischer oder unterstö- chiometrischer Menge im Vergleich zum Metall M zugesetzt werden. Nach der Verbrennung wird ein Trägergas (z.B. Stick- Stoff, Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Ammoniak) , das auch dem Brenngas entsprechen kann, zur Verdünnung zugesetzt, um die Temperatur zu vermindern und um einen Zyklon zur Ab- scheidung der festen oder flüssigen Reaktionsprodukte zu erzeugen. Der heiße Abgasstrom kann dann zur Erwärmung eines Boilers zur Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher oder ähnlichem eingesetzt werden.
Gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform kann als Brenngas Kohlendioxid und als Trägergas Kohlenmonoxid in der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden. Als Metall M wird beispielsweise Lithium, z.B. flüssig, einge¬ setzt, also oberhalb des Schmelzpunktes von 180°C. Das flüs¬ sige Lithium wird in den Porenbrenner 3 eingebracht und rea¬ giert dann unmittelbar mit dem Brenngas. Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner erforderlich.
Die Reaktion erfolgt gemäß folgender Gleichung:
2 Li + 2 C02 ->■ Li2C03 + CO
Die Verbrennung des Lithiums erfolgt am Porenbrenner 3, be¬ vorzugt mit der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Kohlendioxid, wobei auch ein leicht über- oder unterstöchiomet- risches Verhältnis (z.B. 0,95:1 bis 1:0,95 für das Verhältnis C02:Li) gewählt werden kann. Bei einer Verwendung eines sehr hohen Unterschusses an Kohlendioxid kann beispielsweise Li- thiumcarbid entstehen, aus dem dann Acetylen gewonnen werden kann . Im zweiten Schritt erfolgt im mittleren Teil des Reaktors/Ofens 6 im Bereich 4λ die Mischung der Verbrennungspro¬ dukte mit dem Trägergas Kohlenmonoxid, das durch Düsen 5 in den Reaktor 6 eingeblasen wird. Dadurch entsteht ein Zyklon, der dazu führt, dass die festen und/oder flüssigen Reaktions¬ produkte an die Reaktorwand gewirbelt werden und sich dort vornehmlich abscheiden. Bevorzugt wird ein Überschuss an Trä¬ gergas verwendet, um einen ausreichenden Abtransport der durch die Verbrennung entstehenden Wärme zu gewährleisten. Hierdurch kann die Temperatur im Reaktor 6 geeignet eingestellt werden.
Für die Verbrennung in reinem Kohlendioxid hat das entstehen- de Lithiumcarbonat einen Schmelzpunkt von 723°C. Wird die Verbrennungstemperatur der Reaktionsprodukte mittels Zu¬ mischung von Trägergas und/oder Brenngas durch die Zuführeinrichtungen 1,5 über mindestens 723°C gehalten, so kann man von flüssigen Reaktionsprodukten für die Verbrennung ausge- hen. Die Zuführeinrichtungen können hier bei der stark exothermen Reaktion zum Kühlen verwendet werden, damit sich die Anlage nicht zu stark aufheizt, wobei die untere Temperatur¬ grenze der Schmelzpunkt der entstehenden Salze, hier Lithiumcarbonat, sein kann. Wird der Zyklon zudem mit anderen Gasen als Kohlendioxid wie z.B. Luft oder Stickstoff oder weiteren Gasen betrieben, kann in den Reaktionsprodukten auch Lithiumoxid (Schmelzpunkt Mp 1570°C) oder Lithiumnitrid (Mp 813°C) entstehen. Nach Abscheidung der flüssigen und festen Reaktionsprodukte, welche durch ein Gitter 6λ verbessert werden kann, wird das Gemisch aus Abgas und Trägergas zum Beispiel in einen Boiler geleitet und zur Verdampfung von Wasser genutzt, um dann eine Dampfturbine mit nachgeschaltetem Genera¬ tor anzutreiben oder andere technische Vorrichtungen (z B Wärmetauscher) zu betreiben. Das nach diesem Prozess abge- kühlte Gemisch aus Abgas und Trägergas kann dann beispiels¬ weise wieder als Trägergas zum Erzeugen des Zyklons im Ofen benutzt werden. Damit wird die Restwärme des Abgases nach dem Verdampfungsprozess im Boiler genutzt, und es muss nur die stöchiometrisch notwendige Menge an Kohlendioxid für die Ver brennung mit Li durch Abgasreinigung z.B. von Kohlekraftwerken gewonnen werden.
In Tabelle 1 ist der Zusammenhang von Abgastemperatur und stöchiometrischem Überschuss für die Verbrennung von Lithium in reinem Kohlendioxid dargestellt, wobei die Rechnung mit nicht temperaturabhängigen spezifischen Wärmen erfolgte.
Tabelle 1: Betrieb des Ofens mit Kohlendioxid als Brenngas und als Trägergas
Die Verbrennung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen,
beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu
Metall M von mehr als 1,01 : 1, bevorzugt mehr als 1,05 : 1, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die Abgastempe¬ ratur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren, und es kann neben der Brenngaszugabe und der Einströmung des Metalls M, beispielsweise Lithium, in einer Anordnung von Düsen mittels eines Zyklons weiteres Brenn- oder Trägergas zur Wärmeaufnahme zugegeben werden, wie in Fig. 1 und Fig. 4 dargestellt. Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Aus- führungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktionsprodukte bzw. deren Mischung sein kann (Tabelle 1) . Mit einer Rezirkulierung des durch den nachfolgenden Prozessschritt abgekühlten Abgases lässt sich Kohlenmonoxid im Abgas anreichern. Es ist dabei gemäß bestimmten Ausführungsformen möglich, dem Abgas einen Anteil zu entnehmen, und damit ein Gasgemisch von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zu erhalten, das einen signifikant höheren Anteil an Kohlenmonoxid be¬ sitzt, als in Tabelle 1 angegeben ist. Durch eine nachfolgen de Gastrennung kann das Kohlenmonoxid vom Kohlendioxid gerei nigt werden, und das Kohlendioxid kann im Kreislauf oder im Brenner weiterverwendet werden.
Durch Rückführung des Produktgases CO kann im Ofen die Verbrennungstemperatur gesenkt werden. Bei stöchiometrischer Verbrennung können Gastemperaturen von über 3000 K erreicht werden, die zu Materialproblemen führen würden. Eine Absenkung der Verbrennungstemperatur wäre auch durch einen Über- schuss von CO2 möglich. Allerdings müsste dieser ca. 16-mal höher als die stöchiometrische Menge sein, so dass das Pro¬ duktgas CO in dem C02-Überschuss stark verdünnt vorliegen würde (Konzentration nur ca. 6 Vol.%) . Deshalb ist es gemäß bestimmten Ausführungsformen sinnvoll, einen Teil des Produktgases CO in den Brenner zurückzuführen und als thermischen Ballast zur Senkung der Temperatur zu verwenden. Bevor zugt wird hierbei eine bestimmte Reaktionstemperatur durch Rückführung einer konstanten Menge an Gemisch aus Abgas und Trägergas als Trägergas eingestellt. In diesem Fall entsteht kein CO / C02-Gemisch, das aufwändig getrennt werden muss. Das Produktgas besteht zum größten Teil aus CO und nur aus klei¬ nen Verunreinigungen durch CO2. Im stationären Zustand wird der Großteil des CO im Kreis geführt und gerade so viel CO aus dem Kreislauf abgeführt, wie durch die Reaktion von CO2 und Li nachgebildet wird. Beispielsweise kann sich ein sol¬ cher Kreislauf ergeben, wenn CO in einem Verhältnis von 90 Vol.% oder mehr, bezogen auf das Gemisch aus Abgas und Trä¬ gergas, als Trägergas eingesetzt wird. Eine geeignete Menge an Kohlendioxid kann somit stetig dem Verbrennungsprozess zu geführt werden, wohingegen eine entsprechende Menge Kohlenmo noxid als Wertprodukt ständig dem Kreislauf entnommen werden kann . Eine entsprechende Reaktionsführung ist auch beispielhaft in Figur 5 dargestellt. Aus einem Abgas 100, beispielsweise aus einem Verbrennungskraftwerk wie einem Kohlekraftwerk, wird in einer C02~Abtrennung 101 Kohlendioxid abgetrennt und dann in Schritt 102 mit Lithium verbrannt, wobei CO als Trägergas verwendet wird. Es entsteht L12CO3 103, und ein Gemisch aus Abgas und Trägergas umfassend CO2 und CO kann, ggf. nach ei¬ ner Trennung 104, über einen Boiler 105 geleitet werden, mit dessen Hilfe eine Dampfturbine 106 und somit ein Generator 107 betrieben werden. Es erfolgt eine Abgasrückführung 108 als Trägergas, wobei CO im Schritt 109 ausgeschleust werden kann .
Gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform können als Brenngas und als Trägergas Stickstoff in der in Figur 1 dar¬ gestellten Vorrichtung verwendet werden. Als Metall wird beispielsweise Lithium, z.B. flüssig, eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes von 180°C. Das flüssige Lithium kann dem Porenbrenner 3 zugeführt werden und reagiert dann unmittelbar mit dem Brenngas. Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner erforderlich.
Die Verbrennung von Lithium erfolgt am Porenbrenner 3 mit der stöchiometrisch erforderlichen Menge an Stickstoff, wobei auch ein leicht über- oder unterstöchiometrisches Verhältnis (z.B. 0,95:1 bis 1:0,95 für das Verhältnis 2:Li) gewählt werden kann.
Die Reaktion ist hierbei wie folgt:
6 Li + N2 ->■ 2 Li3N
Im zweiten Schritt erfolgt im mittleren Teil des Reaktors 6 die Mischung der Verbrennungsprodukte mit dem Trägergas, bei¬ spielsweise Stickstoff, das durch die Düsen 5 in den Reaktor 6 eingeblasen wird. Dadurch entsteht ein Zyklon, der dazu führt, dass die festen und flüssigen Reaktionsprodukte an die Reaktorwand gewirbelt werden und sich dort vornehmlich ab¬ scheiden. Für die Verbrennung in reinem Stickstoff hat das entstehende Lithiumnitrid einen Schmelzpunkt von 813°C. Wird die Verbrennungstemperatur der Reaktionsprodukte mittels Zu¬ mischung von Trägergas und/oder Brenngas durch die Zuführeinrichtungen 1,5 über mindestens 813°C gehalten, so kann man von flüssigen Reaktionsprodukten für die Verbrennung ausgehen. Die Zuführeinrichtungen können hier bei der stark exothermen Reaktion zum Kühlen verwendet werden, damit sich die Anlage nicht zu stark aufheizt, wobei die untere Temperatur¬ grenze der Schmelzpunkt der entstehenden Salze, hier Lithium- nitrid, sein kann. Wird der Zyklon mit anderen Gasen als
Stickstoff wie z.B. Luft oder Kohlendioxid oder weiteren Ga¬ sen betrieben, kann in den Reaktionsprodukten auch Lithiumoxid (Mp 1570°C) oder Lithiumcarbonat (Mp 723°C) entstehen. Nach Abscheidung der flüssigen und/oder festen Reaktionspro- dukte, welche durch ein Gitter 6λ verbessert werden kann, wird das Abgas zum Beispiel in einen Boiler geleitet und zur Verdampfung von Wasser genutzt, um dann eine Turbine mit nachgeschaltetem Generator anzutreiben oder andere technische Vorrichtungen (z.B. Wärmetauscher) zu betreiben. Das nach diesem Prozess abgekühlte Abgas kann beispielsweise wieder zum Erzeugen des Zyklons im Reaktor 6 benutzt werden. Damit wird die Restwärme des Abgases nach dem Verdampfungsprozess im Boiler genutzt, und es muss nur die stöchiometrisch notwendige Menge an Stickstoff für die Verbrennung, beispiels- weise durch LuftZerlegung, gewonnen werden.
In Tabelle 2 ist der Zusammenhang vor Abgastemperatur und stöchiometrischem Überschuss für die Verbrennung von Lithium in reinem Stickstoff dargestellt, wobei die Rechnung mit nicht temperaturabhängigen spezifischen Wärmen erfolgte. Tabelle 2: Betrieb des Ofens mit Stickstoff als Brenngas und als Trägergas
Die Verbrennung kann gemäß bestimmten Ausführungsformen mit einem gewissen Überschuss an Brenngas erfolgen,
beispielsweise in einem molaren Verhältnis von Brenngas zu Metall M von mehr als 1,01 : 1, bevorzugt mehr als 1,05 : 1, weiter bevorzugt 5:1 und mehr, noch weiter bevorzugt 10:1 und mehr, beispielsweise auch 100:1 und mehr, um die
Abgastemperatur in einem bestimmten Temperaturbereich zu stabilisieren, und es kann neben der Brenngaszugabe und der Einströmung des Metalls M, beispielsweise Lithium, in einer Anordnung von Düsen mittels eines Zyklons weiteres Brenn- oder Trägergas zur Wärmeaufnahme zugegeben werden, wie in
Fig. 1 und Fig. 4 dargestellt. Die Abgastemperatur kann gemäß bestimmten Ausführungsformen in den unterschiedlichen Verbrennungsprozessen durch den Gasüberschuss gesteuert werden, so dass sie höher als die Schmelztemperatur der Reaktions- produkte bzw. deren Mischung sein kann (Tabelle 2) .
Eine entsprechende Reaktionsführung ist auch beispielhaft in Figur 6 dargestellt. Aus der Luft 200 wird in einer Luftzer¬ legung 201 Stickstoff abgetrennt und dann in Schritt 202 mit Lithium verbrannt, wobei Stickstoff, beispielsweise ebenfalls aus der LuftZerlegung 201, als Trägergas verwendet wird. Es entsteht L12N3 203, und das Gemisch aus Abgas und Trägergas umfassend 2 204 kann über einen Boiler 205 geleitet werden, mit dessen Hilfe eine Dampfturbine 206 und somit ein Genera- tor 207 betrieben werden. Es erfolgt eine Abgasrückführung 208 als Trägergas. Aus dem Lithiumnitrid 203 kann durch Hyd¬ rolyse 209 Ammoniak 210 gewonnen werden, wobei LiOH 211 entsteht, welches mit Kohlendioxid zu Lithiumcarbonat 212 umge- setzt werden kann.
Gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform kann es auch möglich sein, z.B. bei der Verwendung von Luft als
Brenngas, zwei Reaktoren, z.B. zwei Zyklonreaktoren, hinter- einander zu verwenden, wobei im ersten Zyklonreaktor mit dem Metall M, z.B. Lithium, und dem Sauerstoff aus der Luft Me¬ talloxid, z.B. Li20, hergestellt werden kann und das Abgas vornehmlich Stickstoff enthält, und dieses Abgas dann in einem zweiten Zyklonreaktor als Brenngas mit Metall M, z.B. Li, zu Metallnitrid, z.B. L13N, reagieren kann. Hierbei kann beispielsweise Stickstoff als Trägergas fungieren, dass auch aus dem ersten Abgas gewonnen werden kann, oder das erste Abgas selbst, wenn es beispielsweise im Kreis geführt wird. Durch die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere durch die Verwendung von porösen Brennrohren, gelingt es, die festen bzw. flüssigen Reaktionsprodukte oder deren Gemische einfach von den entstehenden Abgasen zu trennen, und damit die Abgase einer Verwendung in beispiels- weise einer Gasturbine bzw. einer Expanderturbine, einem
Wärmetauscher, oder einem Boiler zuzuführen. Auf diese Weise kann zudem auch die gesamte Verbrennungsvorrichtung kompakter gestaltet werden und die Verbrennung schonender für die Vorrichtung durch Lokalisierung des Verbrennungsprozesses ge- staltet werden.
Weiterhin kann die Vorrichtung, beispielsweise ein Reaktor wie ein Ofen, mit erhöhtem Betriebsdruck gefahren werden, und so kann der Verbrennungs- und Abscheideprozess den jeweiligen Bedingungen des nachfolgenden Schrittes angepasst werden. Die Möglichkeit der Unterscheidung von Brenngas und Trägergas zur Etablierung eines Zyklons ermöglicht in bestimmten Ausführungsformen die Rückführung von Abgasen nach der Wärmeabgabe. Eine Rezirkulierung ist mit dieser Konstruktion leicht möglich. Auch sind Gasgemische als Brenn- und Trägergas möglich. Durch Rückführung des Abgases nach dem oder den Prozessschritten kann Energie und Material eingespart werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas, wobei die Verbrennung mittels eines Poren¬ brenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, er¬ folgt .
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei dem Porenbrenner das Metall M als Flüssigkeit im Inneren des Porenbrenners zu¬ geführt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Brenngas auf die Außenflächen des Porenbrenners geleitet und mit dem Metall M verbrannt wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Verbrennung bei einer Temperatur stattfindet, die über dem Schmelzpunkt der bei der Reaktion von Metall M und Brenngas entstehenden Salze liegt.
5. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Metall M als Legierung von mindestens zwei Metallen M zu¬ geführt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Reaktionsprodukte nach der Verbrennung getrennt werden.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Trennung mit Hilfe eines Zyklons erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die Reaktionsprodukte der Verbrennung zur Erzeugung von Energie, bevorzugt unter Verwendung mindestens einer Expanderturbine und/oder mindestens einer Gasturbine und/oder mindestens eines Wärmetauschers und/oder mindestens eines Boilers, verwendet werden.
9. Vorrichtung zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, umfassend
einen Porenbrenner, der ein poröses Rohr als Brenner um- fasst ,
eine Zuführeinrichtung für ein Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zum Inneren des Porenbrenners, die dazu aus¬ gebildet ist, dem Porenbrenner das Metall M, bevorzugt als Flüssigkeit, zuzuführen,
eine Zuführeinrichtung für ein Brenngas, die dazu ausge¬ bildet, Brenngas zuzuführen, und
optional eine Heizvorrichtung zum Bereitstellen des Metalls M als Flüssigkeit, die dazu ausgebildet ist, das Metall M zu verflüssigen.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Zuführeinrichtung für das Brenngas derart angeordnet ist, dass sie das Brenngas, zumindest teilweise, auf die Oberfläche des Po¬ renbrenners leitet.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei der Porenbrenner derart angeordnet ist, dass entstehende Reakti¬ onsprodukte der Verbrennung und optional das Metall M durch Gravitation von der Oberfläche des Porenbrenners abgetrennt werden können.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Porenbrenner aus einem Material besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Eisen, Chrom, Nickel, Niob, Tantal, Molybdän, Wolfram, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle, sowie Stähle wie Edelstahl und Chrom- Nickel-Stahl .
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, weiter umfassend eine Trenneinrichtung der Produkte der Verbrennung des Metalls M, die dazu ausgebildet ist, die Ver- brennungsprodukte des Metalls M und des Brenngases zu trennen, wobei die Trenneinrichtung bevorzugt ein Zyklonreaktor ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, weiter umfassend mindestens eine Expanderturbine und/oder min¬ desten einer Gasturbine und/oder mindestens einen Wärme¬ tauscher und/oder mindestens einen Boiler.
Verwendung eines Porenbrenners, der ein poröses Rohr als Brenner umfasst, zur Verbrennung eines Metalls M, das ausgewählt ist aus Alkali-, Erdalkalimetallen, Aluminium und Zink, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit einem Brenngas.
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