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CN106537035A - 用多孔管作为燃烧器在不同温度、压力和气体过量下燃烧锂 - Google Patents

用多孔管作为燃烧器在不同温度、压力和气体过量下燃烧锂 Download PDF

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CN106537035A
CN106537035A CN201580039635.5A CN201580039635A CN106537035A CN 106537035 A CN106537035 A CN 106537035A CN 201580039635 A CN201580039635 A CN 201580039635A CN 106537035 A CN106537035 A CN 106537035A
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Siemens Corp
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Abstract

本发明涉及一种用燃气燃烧金属M的方法，该金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物，其中借助包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器(3)进行所述燃烧。本发明还涉及用于实施该方法的设备并且涉及包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器在用燃气燃烧金属M中的用途。

Description

用多孔管作为燃烧器在不同温度、压力和气体过量下燃烧锂
本发明涉及用燃气燃烧金属M的方法，该金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物,其中借助包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器进行燃烧。本发明还涉及用于实施所述方法的设备以及多孔燃烧器在用燃气燃烧金属M中的用途，该多孔燃烧器包括多孔管作为燃烧器，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物。
多年来，已经提出了许多利用在金属锂的氧化过程中产生的热工作的能量产生单元(例如美国专利33 28 957)。在这样的系统中，水和锂彼此反应生成氢氧化锂、氢气和蒸汽。在该系统的其它位置，由锂和水之间的反应生成的氢气与氧气结合形成另外的蒸汽。然后，该蒸汽用于驱动涡轮机等，由此获得能量产生源。锂另外还可以用于获得基础材料。例如，与氮气反应成氮化锂，随后水解成氨，或与二氧化碳反应成氧化锂和一氧化碳。锂的所述反应的固态最终产物分别(任选地在水解之后，如在氮化物的情况下)是氧化物或碳酸盐，然后可以通过电解将所述氧化物或碳酸盐再次还原成锂金属。这建立了一种循环，在该循环中可以借助风力发电、光伏发电或其它可再生能源来产生、存储过剩的电力并且将其在需要时再转换回电力，或者可以获得化学基础材料。
通常利用熔体流动电解过程制备锂。对于该过程，产生约42％-55％的效率，从没有标准电势的温度校正的过程数据计算。除锂之外，还可以使用类似的金属，例如钠、钾、镁、钙、铝和锌。
由于在燃烧锂时视温度和燃气而定可产生固态或液态残余物，所以对此要特别注意。此外，视用于在不同气氛中并在压力下燃烧锂金属(例如液体形式)的炉的构造和操作而定，可产生废气和固体/液体作为燃烧产物。这些固体和液体必须从废气中尽可能完全地分离。
在此，从废气流基本上完全分离液态和固态燃烧残余物是重要的，以便在下游装置中不产生任何表面沉积物或阻塞物。特别地非常需要将废气流直接引导至燃气轮机，在那里则必须确保所有颗粒已经从废气流完全去除。这些颗粒对燃气轮机的叶片造成长期损害，并导致设备故障。
本发明的目的在于，提供一种方法和一种设备，利用该方法和设备可在用燃气燃烧选自碱金属、碱土金属、Al和Zn及其合金和混合物的金属M时有效地从废气移除固体和/或液体反应产物。本发明的另一个目的在于提供一种设备，用该设备能够实现有效地和局部受限地用燃气燃烧金属M，而燃烧产物不会过多地分布在燃烧室中，并由此能够被更容易地分离。此外，本发明的目的还在于能够有效地控制金属M与燃气的燃烧。
该目的通过在用燃气燃烧金属M的过程中使用包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器来实现。已经发现，可通过使用多孔燃烧器来定位在多孔燃烧器处的燃烧，其中在多孔燃烧器处还出现燃烧产物。例如在雾化的情况下，反应产物在整个反应器中出现并且必须以复杂(费时费力)的方式将固体和液体反应产物与气态反应产物再次分离；而在用多孔燃烧器燃烧的情况下固体和液体反应产物特别地被定位在多孔燃烧器附近，由此有利于将其与气态燃烧产物分离。以这种方式，整个燃烧装置也可被设计得更加紧凑，并且可通过定位燃烧过程而将燃烧设计得对装置更加缓和。
根据第一方面，本发明涉及一种用燃气燃烧金属M的方法，该金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物,其中借助包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器进行所述燃烧。
根据另一方面，本发明涉及用于燃烧金属M的设备，其中所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物，该设备包括：
-多孔燃烧器，其包括多孔管作为燃烧器，
-用于金属M、优选地液体形式的金属M的进料装置，该进料装置通向多孔燃烧器内部，其被设计用于向所述多孔燃烧器进料金属M、优选地液体的形式的金属M，
-用于燃气的进料装置，其被设计用于进料燃气，和
-任选地，用于提供液体形式的金属M的加热装置，其被设计用于使金属M液化
另外，本发明根据另一方面涉及多孔燃烧器在用燃气燃烧金属M中的用途，该多孔燃烧器包括多孔管作为燃烧器，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物。
本发明的其他方面可以从从属权利要求和发明详述以及附图中得出。
附图旨在说明本发明的实施方式并且进一步理解本发明。与发明详述结合，它们用于阐明本发明的构思和原理。参照附图得到其它实施方式和所提及的许多优点。
附图的要素不一定相对于彼此按比例示出。除非另有说明，相同的、具有相同功能和相同效果的要素、特征和部件在附图中分别用同样的附图标记。
图1示意性地示出了根据本发明的设备的示例性布置。
图2示意性地示出了根据本发明的设备的另一示例性布置的细节图。
图3示意性地示出了根据本发明的设备的又一示例性布置的另一细节图。
图4示意性地表示在载气的进料装置通向反应器的区域中剖切穿过示例性的本发明设备的示例性横截面。
图5示出了可根据本发明的方法实施的锂和二氧化碳示例性反应成碳酸锂的示意图。
图6示出了可根据本发明的方法实施的锂和氮气示例性反应成氮化锂和其他次级产物的示意图。
本发明在第一方面中涉及用燃气燃烧金属M的方法，该金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物,其中，借助包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器进行所述燃烧。
根据具体实施方式，金属M选自：碱金属，优选地Li、Na、K、Rb和Cs；碱土金属，优选地Mg、Ca、Sr以及Ba、A1和Zn；以及它们的混合物和/或合金。在优选实施方式中，金属M选自Li、Na、K、Mg、Ca、A1和Zn，进一步优选地锂或镁，并且金属M特别优选地为锂。
根据具体实施方式，考虑可与所述金属M或金属M的混合物和/或合金以放热反应发生反应的气体作为燃气，其中这些气体没有特别限制。例如，该燃气可包括空气，氧气，二氧化碳，氢气，水蒸气，氮氧化物NOx如一氧化二氮，氮气，二氧化硫或其混合物。因此，该方法也可用于脱硫或NOx去除。视燃气而定，在此可用不同的金属M获得各种产品，这些产品可以作为固体、液体以及甚至以气体的形式出现。
因此，例如金属M(例如锂)与氮的反应可以生成另外的金属氮化物，例如氮化锂，然后可使其后来进一步反应成氨，而金属M(例如锂)与二氧化碳的反应可以生成例如金属碳酸盐(例如碳酸锂)，一氧化碳，金属氧化物(例如氧化锂)，或金属碳化物(例如碳化锂)，以及还有其混合物，其中由一氧化碳可获得更高价值的(例如还有长链的)含烃的产物，如甲烷、乙烷等直至汽油、柴油、还有甲醇等，例如按费-托法(Fischer-Tropsch)；而由金属碳化物(例如碳化锂)可获得例如乙炔。此外，也可例如用一氧化二氮作为燃气来生成例如金属氮化物。
其它所述金属也可以具有类似反应。
多孔燃烧器根据本发明没有特别限制，只要其包括多孔管作为燃烧器即可，金属M可在至少一个开口处被进料至所述多孔管。优选地，金属M仅通过该管的一个开口进料并且该管的另一端部被封闭或同样由多孔管的材料构成。多孔管在此例如可以是由氧化铝或氧化镁构成的陶瓷管或者多孔金属管，例如由铁，铬，镍，铌，钽，钼，钨，锆合金和这些金属的合金以及钢例如不锈钢和铬-镍钢制成。多孔燃烧器优选地由这样的材料构成，该材料选自铁，铬，镍，铌，钽，钼，钨，锆合金和这些金属的合金以及钢例如不锈钢和铬镍钢。合适的材料例如是在高温下对钠侵蚀非常耐受的奥氏体铬镍钢，但具有32％镍和20％铬的材料如AC66，Incoloy 800或Pyrotherm G 20132 Nb也表现出相对有利的腐蚀特性。多孔燃烧器的其它组分没有进一步限制，并且可包括用于金属M的进料装置和任选地点火源等。
根据具体实施方式，将金属M以液体的形式引导至多孔燃烧器中并且借助该多孔燃烧器燃烧，其中任选地将燃气引导至多孔燃烧器的外表面并且与金属M一起燃烧。然而，根据具体实施方式不进行如在传统的多孔燃烧器中那样的内部混合，以避免孔被固态反应产物堵塞。因此，根据具体实施方式，多孔燃烧器是一种无内部混合的多孔燃烧器。在使用多孔燃烧器的情况下，这些孔根据具体实施方式仅用于增大合金L的表面积。然而，在连续进料正电性金属的合金L的情况下，与燃气的反应可在多孔燃烧器的表面附近在这些孔的出口处发生，只要可以确保所生成的反应产物被随后输送的合金L从多孔燃烧器中输送出即可。然而，根据具体实施方式，燃烧反应在多孔燃烧器的孔外发生，例如在多孔燃烧器的表面上或者甚至在合金L从多孔燃烧器排出之后，即仅在排出的合金L的表面上发生。
根据具体实施方式，在多孔燃烧器内部将液体形式的金属M供给至多孔燃烧器。这导致金属M被更好地分布在多孔燃烧器中并且该合金更均匀地从多孔管的孔排出，从而可以在金属M和燃气之间发生更均匀的反应。例如可通过管的孔的孔径、所使用的金属M、金属M的密度(密度可与金属M的温度相关)、将金属M引入到多孔燃烧器所用的压力、燃气压力或燃气施加/进料速率等来适当地控制金属M和燃气的燃烧。因此，例如为锂的金属M根据具体实施方式以液体的形式使用，即例如高于锂的熔点180℃。液态金属M在此可被压入到多孔管中，例如还借助于另一处于压力下的气体，该气体不受限制。然后，液态金属M通过多孔管的孔到达表面，并用气体燃烧得到相应的反应产物。
根据具体实施方式，将燃气引导至多孔燃烧器的外表面上并且与金属M燃烧。由此可以避免或减少多孔管的孔被堵塞，从而可防止多孔燃烧器的清洁亦或减少磨损。
通过金属M在多孔管表面上的燃烧降低了小颗粒转移到气体室/反应室中的趋势，使得顶多产生较大的反应产物液滴，但是这些液滴可以容易地从气态反应产物分离，例如可以通过旋风(旋风分离器)而沉积在反应器壁上。在此，反应器壁例如可以用热交换器冷却，其中这些热交换器也可以连接到涡轮机和发电机。
根据具体实施方式，燃烧在这样的温度下进行，该温度高于在金属M和燃气的反应中形成的盐的熔点。在此，金属M和燃气的燃烧中形成的盐可具有高于金属M的熔点的熔点，使得可能需要在升高的温度下进料液态金属M。另外，通过在高于所形成的盐的熔点的温度下的燃烧可避免多孔燃烧器被所形成的盐污染或覆盖，使得可更好地防止多孔燃烧器污染，例如还可防止这些孔污染。这使得能够更好地操作设备和减少该设备的清洁，例如甚至能够使用更长的时间而不进行清洁。燃烧器上的液态反应产物也可以简单地滴落。特别是在温度高于所形成的盐的熔点的这些方法的情况下，燃烧器的材料优选是能够耐受所述温度的那些，例如铁，铬，镍，铌，钽，钼，钨，锆合金和这些金属的合金，以及不锈钢。
燃烧温度优选地高于相应的反应产物的熔点，由此使多孔燃烧器的孔不被堵塞并且能够输出反应产物。进一步地，视反应产物而定，在液体属M和反应产物之间还可以进行一定程度的混合，使得燃烧不仅局部地在孔开口出口处进行而且还可以分布在管的整个表面上的方式进行。这例如可以通过属M的进料速度来控制。
根据具体实施方式，将金属M作为至少两种金属M的合金进料至多孔燃烧器。由此可以实现金属M和所形成的金属盐的熔点的下降，使得该方法可在较低的温度下以及进而以对设备较缓和的方式进行，并且可以减少或避免在设备中使用高耐火性的材料。
此外，根据具体实施方式，燃烧可用一定的过量燃气进行，例如燃气与金属M的摩尔比为1.01:1或更大、优选地1.05:1或更大、进一步优选地5:1或更大、还进一步优选地10：1或更大、例如甚至100：1或更大，以将废气温度稳定在特定温度范围内。在此燃气也可用于对涡轮机的膨胀器部分等的散热。
在该方法中另外可在用燃气燃烧金属M的情况下从固态和/或液态反应产物中分离废气，其中根据具体实施方式，燃气与金属M在反应步骤中燃烧，并且生成废气以及其它固态和/或液态反应产物，并且在分离步骤中将废气从固态和/或液态反应产物分离。在此，在分离步骤中可另外添加载气，并且可将载气作为与废气的混合物排出。在此，载气还可以相当于废气，从而例如在燃烧时生成相当于所进料的载气的废气；亦或载气还可以相当于燃气。因此，根据具体实施方式，在本发明的方法中可将这些反应产物在燃烧后分离。
根据本发明，载气没有特别限制，并且可相当于燃气，但是也可与其不同。作为载气例如可使用空气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、氢气、水蒸气、氮气、一氧化二氮、这些气体中的两种或更多种的混合物等。在此，诸如甲烷的各种气体可用于热传输并将金属M与燃气的反应的反应热从反应器中导出。各种载气例如可适当地与燃气和金属M的反应相匹配，以便在此可能实现协同效应。在进料金属M时任选地使用的气体同样可相当于载气。
为了使二氧化碳与例如锂的金属M燃烧(在该燃烧过程中可生成一氧化碳)，可例如将一氧化碳用作载气并且任选地循环运行，即在导出之后至少部分地作为载气再次循环。在这种情况下，载气与废气相匹配，使得任选地可将一部分载气作为有用产物取出，例如用于随后的费-托-合成，同时该载气通过二氧化碳与金属M的燃烧再生，使得二氧化碳总体上至少部分转化为一氧化碳，优选地达90体积％或更多、进一步优选地95体积％或更多、还进一步优选地99体积％或更多且特别优选地达100体积％，基于所使用的二氧化碳，并作为有用产物取出。产生的一氧化碳越多，则导出的一氧化碳越干净。
在氮气与金属M(例如锂)燃烧的情况下，可使用例如氮气作为载气，从而除该载气氮气之外，在废气中来自所述燃烧的未反应的氮气也可以作为“废气”存在，由此可更简单地进行所希望的气体分离，并且根据具体实施方式，在使用合适的、可易于确定的参数来相应地、优选定量地燃烧金属M和氮的情况下，甚至可以不需要进行气体分离。例如，可从生成的氮化物中通过洗涤或冷却容易地移除氨。
根据具体实施方式，至少一部分废气可相当于载气。例如，废气可在至少10体积％、优选地50体积％或更多、进一步优选地60体积％或更多、还进一步优选地70体积％或更多、和甚至更优选80体积％或更多的程度上相当于载气，基于废气的总体积。根据具体实施方式，基于废气的总体积，燃气可在90体积％或更多的程度上相当于载气，并且在一些情况下甚至可在100体积％的程度上相当于载气。
根据具体实施方式，在本发明的方法中可将废气和载气的混合物至少部分地再次进料至分离步骤作为载气和/或进料至燃烧步骤作为燃气。废气和载气的混合物的再循环可例如在10体积％或更多、优选地50体积％或更多、进一步优选地60体积％或更多、还进一步优选地70体积％或更多、甚至更优选地80体积％或更多的程度上进行，基于载气和废气的总体积。根据具体实施方式，废气和载气的混合物的再循环可在90体积％或更多的程度上进行，基于载气和废气的总体积。根据本发明优选实施方式，燃气和金属M之间的反应可以使得载气形成为废气的方式实现，例如使用二氧化碳作为燃气和一氧化碳作为载气，从而载气和废气的混合物基本上、优选地在90体积％或更多的程度上、进一步优选地在95体积％或更多的程度上、还进一步优选地在99体积％或更多的程度上、特别优选地在100体积％的程度上由载气组成，基于废气和载气的混合物。在此，载气则可连续地循环运行并且以其通过金属M和燃气的燃烧而重新生成的量取出。与载气的纯循环(其中任选地进行载气和废气的分离)相比，这里例如可获得有用产物，例如一氧化碳，其可被连续地取出。
根据具体实施方式，本发明方法中的分离步骤在旋风分离器或旋风反应器中进行。这里的旋风反应器在其构造方面没有特别限制，并且例如可具有常规旋风反应器所具有的形式。
例如，旋风反应器可以包括：
反应区域，在该反应区域处可连接有用于燃气、金属M和载气(它们任选地也可以事先组合并且随后一起被进料至所述反应区域)的进料装置，例如以旋转对称的上部部件的形式，
分离区域，例如被构造成锥形，
和卸压室，在该卸压室处可连接有用于金属M与燃气燃烧得到的固态和/或液态反应产物的卸料装置，例如以旋叶送料器的形式；和用于废气和载气的混合物的卸料装置，所述混合物在金属M于燃气中燃烧之后混合两种气体之后得到。
这些设备元器件例如通常存在于旋风分离器中。然而，根据本发明使用的旋风反应器还可以具有不同的构造，并且任选地还可包括另外的区域。例如，各个区域(例如反应区域、分离区域、卸压室)也可以结合在示例性的旋风反应器的一个部件中和/或延伸越过旋风反应器的多个部件。在此，例如载气的添加也可在这样的区域中实现，其中金属M和燃气的反应正进行或者甚至已经结束。
通过旋风使反应产物基本上保持在反应器例如炉室的中心。并且因为通过在多孔管的表面处的燃烧不会如同在雾化的情况下那样产生小颗粒，所以废气不含固体或液体颗粒，因此也可以在废气流中下游连接燃气轮机或膨胀涡轮机。在这些情况下利用这种燃烧构思可在燃烧金属M和分离反应产物后将废气流直接引入燃气轮机中。
根据具体实施方式，废气温度可在不同燃烧过程中通过气体过量来控制，使得其高于反应产物或其混合物的熔融温度。
根据具体实施方式，旋风反应器还包括格栅，通过该格栅可以在金属M与燃气燃烧时导出固态和/或液态反应产物。这种格栅可额外地防止旋风反应器中固态和/或液态反应产物随后发生回旋。
燃烧的反应产物可用于产生能量，优选地通过使用至少一个膨胀涡轮机和/或至少一个燃气轮机，例如蒸汽轮机，和/或至少一个热交换器和/或至少一个锅炉，其中根据具体实施方式，这里既可例如在于反应器处使用热交换器的情况下利用生成的固态和/或液态反应产物，又可以利用气态反应产物。
根据具体实施方式，在使用具有载气供应的旋风反应器的情况下可将废气和载气的混合物例如在反应器中和/或在从反应器中导出的过程中和/或之后用于加热锅炉或用于在热交换器或涡轮机(例如燃气轮机或膨胀涡轮机)中传热。
此外，根据具体实施方式，载气和废气的混合物可在燃烧后处于升高的压力下，例如大于1巴、至少2巴、至少5巴或至少20巴。
此外，根据本发明的另一方面，公开了用于燃烧金属M的设备，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物，该设备包括：
-多孔燃烧器，其包括多孔管作为燃烧器，
-用于金属M、优选地液体形式的金属M的进料装置，该进料装置通向多孔燃烧器内部，其被设计用于向所述多孔燃烧器进料金属M、优选地液体形式的金属M，
-用于燃气的进料装置，其被设计用于进料燃气，和
-任选地，用于提供液体形式的金属M的加热装置，其被设计用于使金属M液化。
在此，多孔燃烧器可如上所述地构造。用于金属M的进料装置可例如为可被加热的管或软管或者输送带，其可以适当地、例如根据金属M的聚集状态来确定。任选地，另外的用于气体的进料装置也可以连接在用于金属M的进料装置上，所述用于气体的进料装置可选地具有控制单元，例如阀，利用该阀可以调节金属M的进料。同样，用于燃气的进料装置可构造为管或软管等，其任选地可被加热，其中，进料装置可适当地根据气体的状态来确定，该气体任选地也可以处于压力下。也可以为金属M或燃气设置多个进料装置。
根据具体实施方式，这样布置用于燃气的进料装置，使得其将燃气至少部分地且优选完全地引导至多孔燃烧器的表面。由此实现了金属M和燃气之间的改善的反应。
此外，根据优选实施方式，这样布置多孔燃烧器，使得燃烧生成的反应产物和可选地未反应的金属M可以通过重力从多孔燃烧器的表面分离，例如通过使多孔燃烧器垂直地、指向地面地安装在反应器中。在多孔燃烧管在炉室中竖直布置的情况下，所生成的液态反应产物可从管中流出，然后向下滴入炉底。以该方式还燃烧了可能溶解的、例如锂的金属M(其预先在多孔燃烧器处未反应)，并且将反应热传送至流过的燃气和载气中。
根据具体实施方式，多孔燃烧器由如下材料构成，该材料选自铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆和这些金属的合金以及钢例如不锈钢和铬镍钢。这些材料优选地用于相对高的温度下的应用，其中与液态金属M和任选地与生成的液态金属盐的反应可以更简单的方式进行。
在特定实施方式中，本发明的设备还可具有用于金属M的燃烧产物的分离装置，其被被设计用于将金属M和燃气的燃烧产物分离，其中所述分离装置优选为旋风反应器。
分离装置在此可用于在金属M与燃气燃烧时分离废气，并且可包括：
-反应器，其中设置多孔燃烧器并且安装或设置用于金属M的进料装置，并且向该反应器中进料燃气，即用于燃气的进料装置连接至或设置在该反应器中；
-用于载气的进料装置，其被设计用于向反应器进料载气；
-用于废气和载气的混合物的卸料装置，其被设计用于导出由金属M与燃气燃烧得到的废气和载气构成的混合物；和
-用于金属M与燃气的燃烧得到的固态和/或液态反应产物的卸料装置，其被设计用于导出金属M与燃气的燃烧得到的固态和/或液态反应产物。
用于载气的进料装置同样没有特别限制并且包括例如管、软管等，其中可适当地根据载气的状态确定用于载气的进料装置，该载气任选地可处于压力下。
反应器同样没有特别限制，只要燃气与金属M的燃烧可在其中进行即可。根据具体实施方式，反应器可为如图1中示例性示出并且在图2中的另一实施方式中详细示出的旋风反应器。
根据具体实施方式，旋风反应器可包括：
反应区域，在该反应区域处可连接有用于燃气、金属M和载气的进料装置和多孔燃烧器，例如以旋转对称的上部部件的形式，
分离区域，例如被构造成锥形，
和卸压室，在该卸压室处可连接有用于金属M与燃气燃烧得到的固态和/或液态反应产物的卸料装置，例如以旋叶送料器的形式的卸料器，和用于废气和载气的混合物的卸料装置，所述混合物在金属M于燃气中燃烧后混合两种气体之后得到。
这些设备元器件例如通常存在于旋风分离器中。然而，根据本发明使用的旋风反应器还可具有不同的构造，并且任选地还可包括另外的区域。例如，各个区域(例如反应区域、分离区域、卸压室)也可以结合在示例性的旋风反应器的一个部件中和/或延伸越过旋风反应器的多个部件。
图1中示出了示例性的旋风反应器。图1所示的旋风反应器6包括反应区域20a、分离区域20b和卸压室20c，分离区域20b既与反应区域20a一起处于上部部件6a中又与卸压室20c一起处于下部部件6b中。在上部与旋风反应器连接的是用于燃气的进料装置1(例如以任选地被加热的管或软管的形式)以及用于金属M的进料装置2(例如以任选地被加热的管或软管的形式)，其中进行金属M向多孔燃烧器3的进料。根据图1，金属M的进料借助用于气体的进料装置2'如管或软管中的气体来实现，其进料可用阀2”来控制。金属M和燃气被进料至反应区域20a。通过进料装置4，将载气进料至用于气体分配的区域4'，然后从所述区域4'通过喷嘴5将载气进料到分离区域20b，通过所述喷嘴5可形成旋风。具有用于气体分配的区域4'和喷嘴5的这种进料装置4的细节图在图4(无多孔燃烧器3的图示)中以横截面被示例性地示出，但是也可存在多个喷嘴，例如以在环绕区域4'的内壁的适当的间隔存在，以便产生合适的旋风。通过用于金属M与燃气燃烧得到的固态和/或液态反应产物的卸料装置7从包括卸压室20c的下部部件6b中导出固态和/或液态反应产物，而通过用于废气和载气的混合物的卸料装置8导出废气和载气的混合物。
任选地，在本发明的设备中可能需要点火装置，例如电点火装置或等离子体弧，其中这取决于：金属M的类型和状态，例如其温度和/或聚集状态；燃气性质，例如其压力和/或温度；以及该设备中元器件的布置，例如进料装置的类型和性能。
为了在构造上实现高的废气温度(例如大于200℃、例如甚至600℃或更高、以及在特定实施方式中700℃或更高)，和高的(例如，5巴或更高)或高(20巴或更高)的操作压力，反应器的内部材料可由高耐热合金构成，例如由上文提及的合金和在极端情况下甚至由材料Haynes 214构成。然后可围绕该材料(其仅仅应承受高温)布置热绝缘，该热绝缘允许足够少的热量通过，使得外部的钢壁(其额外地还可用空气或水冷却)吸收压力负荷。然后可用升高的或高的操作压力将废气进料至进一步的工艺步骤。
此外，反应器，例如旋风反应器还可包括加热和/或冷却装置，其存在于反应区域、分离区域和/或卸压室中，以及还可以存在于各种进料和/或卸料装置、任选地燃烧器、和/或任选地点火装置中。此外，在本发明的设备中可存在其它元器件，例如用于产生压力或真空的泵等。
在其中反应器采取旋风反应器形式的那些实施方式中，旋风反应器可包括格栅，该格栅被设计为使得在金属M与燃气燃烧时可以通过格栅导出固态和/或液态反应产物。此外，这种格栅还可存在于可设置在本发明的设备中的其它反应器中。在反应器或旋风反应器中使用格栅可实现在金属M与燃气燃烧时得到的固态和/或液态反应产物与废气和载气的混合物的更好的分离。这种格栅在图2中被示例性地示出，其中格栅6'作为示例在图1所示的旋风反应器6中处于卸料装置7上方和卸料装置8下方的下部部件6b中。通过该格栅，优选地与反应器壁间隔足够大的距离，可确保可靠地沉积固态和液态反应产物或其混合物。由此，已经沉积的固态或液态燃烧产物也不再被旋风旋起。
用于载气的进料装置的几何结构没有特别限制，只要可将载气与由金属M和燃气燃烧得到的废气混合即可。在此优选地形成旋风，例如使用图1中所示的装置。然而还可以通过进料装置彼此之间的其它布置来产生旋风。因此例如还可能的是，载气的进料装置还可在反应器上方处于用于金属M和燃料的进料装置附近。相应适合的喷射器几何结构可容易地以适合方式来确定，例如借助流动模拟。
卸料装置也没有特别限制，其中例如用于废气和载气的混合物的卸料装置可被构造为管，而用于金属M与燃气燃烧得到的固态和/或液态反应产物的卸料装置例如可被构造为旋叶送料器和/或具有虹吸管的管。这里还可以设置各种阀，例如压力阀和/或其它调节器。图3中示出的示例性卸料装置7(例如图1所示的旋风反应器6的卸料装置7)在此可包括虹吸管9、用于脱气的阀10和压力调节器11，然而并不受限于此。为了实现升高或高的操作压力，例如可使用这样的设在用于金属M与燃气燃烧得到的固态和/或液态的反应产物的卸料器上的虹吸管，任选地与适合于相应的操作压力的压力调节器相结合。
根据具体实施方式，用于废气和载气的混合物的卸料装置还可包括用于废气和载气和/或废气的各个组分的分离装置。
根据具体实施方式，用于废气和载气的混合物的卸料装置可以如此与用于载气的进料装置和/或用于燃气的进料装置相连，使得废气和载气的混合物至少部分地被进料至反应器作为载气和/或进料至燃烧器作为燃气。回收的气体的比例在此可为10体积％或更多、优选地50体积％或更多、进一步优选地60体积％或更多、还进一步优选地70体积％或更多、并且甚至更优选地80体积％或更多、基于载气和废气的总体积。根据具体实施方式，废气和载气的混合物的回收可在90体积％或更多的程度上进行，基于载气和废气的总体积计。
根据具体实施方式，本发明的设备另外还包括至少一个锅炉和/或至少一个热交换器和/或至少一个燃气轮机和/或至少一个膨胀涡轮机，其处于反应器中和/或用于废气和载气的混合物的卸料装置中。因此，例如在图1的包括旋风反应器6的设备中可以在反应器6中、在卸料装置8和/或被接在卸料装置8上的单元中设置一个或多个热交换器和/或锅炉和/或燃气轮机和/或膨胀涡轮机(未示出)。热交换也可在旋风反应器6上自动发生，例如在反应区域20a和/或分离区域20b中、但是任选地还在卸压室20c的区域中的外壁上自动发生，其中相应的热交换器还可与发电机中用于发电的涡轮机相连。
废气因此可以作为与载气的混合物被供应至另一应用，例如加热锅炉以产生蒸汽，在热交换器中释放热量，运转涡轮机等。
如果不能找到合适的热交换器(借助该热交换器例如加热具有相应压力的空气并作为废气的替代物引入到燃气轮机中)，则可例如使用锅炉。根据具体实施方式，使用锅炉这一途径可以是有希望的并且在技术上还更简单，因为该途径能够在较低的温度和仅升高的压力下实现。
接着可借助一个或多个热交换器和/或一个或多个锅炉发电，例如通过使用蒸汽轮机和发电机。但是还可能的是，将废气和载气的混合物直接引导至涡轮机例如燃气轮机或膨胀涡轮机以直接发电。然而，这以能很好地分离金属M和燃气燃烧得到的固态和/或液态反应产物为前提，正如根据本发明可提供的那样，尤其在反应器中使用格栅的情况下。使用锅炉还是热交换器这一选择例如可取决于形成固态还是形成液态反应产物，但是也可由设施技术决定。在液态反应产物如液态Li2CO3的情况下，反应器壁例如可用作热交换器，而在生成固态反应产物的情况下可能需要特殊的热交换器。在从固态和/或液态反应产物相应地分离废气和载气的混合物的情况下，任选地还可将废气和载气的混合物直接引导至涡轮机，从而这里也可不需要在废气流中的热交换器和/或锅炉。
根据具体实施方式，本发明的设备可包括在用于废气和载气的混合物的卸料装置中的提取装置，该提取装置被设计用于在通过连接用于废气和载气的混合物的卸料装置与用于载气的进料装置和/或用于燃气的进料装置，在将废气和载气的混合物回收至用于载气的进料装置和/或用于燃气的进料装置时提取一部分废气和载气的混合物。这一部分例如可多于1体积％、优选地5体积％和更高、进一步优选地10体积％或更多、基于废气和载气的混合物的总体积。另外，根据具体实施方式，可以从回收的废气和载气的混合物提取最多50体积％、优选地40体积％或更少、进一步优选地30体积％或更少、特别优选地20体积％或更少，基于废气和载气的混合物的总体积。提取的气体随后例如可作为有用产物供给其它反应使用，因此例如当一氧化碳被排出并且随后在费-托方法中转化为高价值的烃时。
导出的固体还可进一步地转化成有用产物。因此，例如可从与氮气的燃烧产生的金属氮化物通过用水水解转化成氨和碱，其中生成的碱则可以用作二氧化碳和/或二氧化硫的捕捉剂。
根据另一方面，本发明还涉及多孔燃烧器在用燃气燃烧金属M中的用途，该多孔燃烧器包括多孔管作为燃烧器，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物。
如果有意义，上述实施方式、设计方式和扩展方式可以任意方式彼此组合。本发明的其它可能的设计方式、扩展方式和实施方式还包括先前或在下文中参考实施例描述的本发明特征的未明确提及的组合。特别地，本领域技术人员还将添加各个方面作为对本发明的相应基础形式的改进或补充。
现在参照示例性实施例来展示本发明，其不以任何方式限制本发明。
根据示例性实施方式，金属M例如锂以液态的形式使用，即在锂的熔点180℃之上。液态金属M(例如锂)可被引入到多孔燃烧器中并且随后直接地、任选地为启动反应而进行的点火后与相应的燃气反应，所述燃气例如为空气、氧气、二氧化碳、二氧化硫、氢气、水蒸气、氮氧化物NOx如一氧化二氮或氮气。金属M(例如锂)的燃烧可在图1所示的设备中进行，例如以多于化学计量的燃气量进行，以防止产生过高的废气温度。但是，燃气还可以相对于金属M以化学计量或非化学计量的量加入。在燃烧之后，加入也可相当于燃气的载气(例如氮气，空气，一氧化碳，二氧化碳和氨)用于稀释，以便降低温度并产生用于沉积固态或液态反应产物的旋风。热的废气流然后可用于加热锅炉、用于在热交换器中的热传递等。
根据第二示例性实施方式，在图1所示的设备中可使用二氧化碳作为燃气，并且使用一氧化碳作为载气。所使用的金属M例如为锂，例如以液体形式使用，即在180℃的熔点之上。液态锂被引入到多孔燃烧器3中，然后与燃气直接反应。可能的情况是需要电点火或额外的点火燃烧器。
该反应按照下式进行：
2Li+2CO2→Li2CO3+CO
金属M的燃烧在多孔燃烧器3处进行，优选地用化学计量所需的二氧化碳量，其中也可选择略超过或略低的化学计量比(CO2:合金L之比为例如0.95:1至1:0.95)。在使用非常高的二氧化碳缺乏的情况下，例如可生成碳酸锂，由此可获得乙炔。
在第二步骤中，在反应器/炉6的中间部分在区域4'中，燃烧产物与通过喷嘴5吹入反应器6的载气一氧化碳混合。由此产生旋风，其效果是固态和/或液态反应产物在反应器壁处回旋并主要沉积在反应器壁处。优选地，使用过量的载气，以便确保通过燃烧产生的热量被充分地输走。借此可适当地调节反应器6中的温度。
对于在纯二氧化碳中的燃烧，在共晶混合物的情况下形成的碳酸锂具有723℃的熔点。如果通过由进料装置1,5混合载气和/或燃气来将反应产物的燃烧温度保持在至少723℃以上，则可预期液态反应产物用于燃烧。所述进料装置在此可在强放热反应中用于冷却，由此设备不会过热，其中温度下限可为形成的盐(这里为碳酸锂)的熔点。如果所述旋风附加地用二氧化碳以外的气体如空气或氮气或其它气体运转，则也可以在反应产物中例如形成氧化锂(熔点Mp1570℃)或氮化锂(Mp 813℃)。在沉积液体和固态反应产物之后(所述沉积可以通过格栅6'来改善)，废气和载气的混合物例如被引导到锅炉中并且用于蒸发水，以便之后驱动具有下游连接的发电机的蒸汽涡轮或用于运转其它技术装置(例如热交换器)。然后，在该过程之后冷却的废气和载气的混合物例如可再次作为载气用于在炉中形成旋风。因此，在蒸发过程之后将废气余热用于锅炉中，并且仅需要通过例如燃煤发电厂的废气清洁来得到与Li燃烧所需的化学计量的二氧化碳量。
表1中示出了针对锂在纯的二氧化碳中的燃烧的废气温度和化学计量上的过量之间的关系，其中采用与温度无关的比热进行计算。
表1：用二氧化碳作为燃气和作为载气来运转炉
根据具体实施方式，燃烧可用一定的过量燃气进行，例如燃气与金属M的摩尔比大于1.01:1、优选地大于1.05:1、更优选地5:1或更高、甚至进一步优选地10:1或更高、例如甚至100:1或更高，以将废气温度稳定在特定的温度范围内，并且除添加燃气和金属M例如锂流入到喷嘴阵列中之外还可借助旋风加入另外的燃气或载气来吸收热，如图1和图4所示。根据具体实施方式，在不同燃烧过程中可通过过量气体来控制废气温度，使得其可高于反应产物或其混合物的熔融温度(表1)。
利用由下游工艺步骤冷却的废气的再循环，可将一氧化碳富集在废气中。在此，根据具体实施方式，可提取一定比例的废气，并由此获得的一氧化碳和二氧化碳的气体混合物，其具有明显更高比例的一氧化碳，正如在表1中给出的那样。通过下游的气体分离可从二氧化碳净化一氧化碳，并且二氧化碳可在循环中或在燃烧器中进一步使用。
在炉中，通过产物气体CO的回收可再次使燃烧温度下降。在化学计量式的燃烧时可达到超过3000K的气体温度，该温度会造成材料问题。燃烧温度的下降也可通过CO2的过量来实现。然而，该过量必须比化学计量的量高约16倍，使得产物气体CO在过量的CO2中被很大程度地稀释(浓度仅约6体积％)。因此，根据具体实施方式有意义的是，将一部分产物气体CO回收到燃烧器中并且作为热压舱物(thermischen Ballast)用于降低温度。在此优选的是，通过回收恒定量的废气和载气的混合物作为载气来调节特定的反应温度。在该情况下不会形成必须费力分开的CO/CO2-混合物。产物气体大部分由CO构成并且仅有很少的由CO2造成的杂质。在静态下将大部分的CO输入循环并且从该循环中正好导出正如通过CO2和Li的反应(一般地，也可与正电性金属合金的反应)随后生成的那么多的CO。例如，这样的循环可在以下情形中得到，即当CO以90体积％或更多的比例用作载气时，基于废气和载气的混合物。因此可持续地向燃烧过程进料适合量的二氧化碳，而与之相对地，可不断地从循环中提取相应量的一氧化碳作为有用产物。
在图5中还示例性地示出了相应的反应流程图。在CO2脱除101中，从例如来自燃烧发电厂如燃煤发电厂的废气100中脱除二氧化碳，然后在步骤102中二氧化碳与合金燃烧，其中使用CO作为载气。这形成Li2CO3103，并且任选地在分离104之后可将包括CO2和CO的废气和载气的混合物引导经过锅炉105，借助锅炉105使蒸汽轮机106以及进而发电机107运转。将废气回收108作为载气，其中可在步骤109中排出CO。
根据第三示例性实施方式中，在图1所示的设备中可使用氮气作为燃气和载气。所使用的金属例如为锂，例如以液体的形式，即高于180℃的熔点。液态锂可被进料至多孔燃烧器3，然后与燃气直接反应。可能需要电点火或额外的点火燃烧器。
锂的燃烧在多孔燃烧器3中以化学计量所需的氮气量进行，其中也可选择略超过或略低的化学计量的比(例如，N2:Li之比为0.95:1至1:0.95)。
在此，该反应如下：
6Li+N2→2Li3N
在第二步骤中，在反应器6的中间部分，将燃烧产物与载气如氮气混合，该载气通过喷嘴5吹入反应器6中。由此产生旋风，这导致固态和液态反应产物在反应器壁处回旋并且主要沉积在那里。对于在纯氮气中的燃烧，生成的氮化锂具有813℃的熔点。如果通过由进料装置1,5混合载气和/或燃气来将反应产物的燃烧温度保持高于至少813℃，则可以预期所燃烧的是液态反应产物。此处，进料装置可在强放热反应中用于冷却，由此设备不会过热，其中温度下限可为形成的盐(这里为氮化锂)的熔点。如果用不同于氮气的气体例如空气或二氧化碳或其它气体来运转所述旋风，则还可在反应产物中生成氧化锂(Mp 1570℃)或碳酸锂(Mp 723℃)。在液态和/或固态反应产物沉积之后(该沉积可通过格栅6'来改善)，废气例如被引导到锅炉中并且用于蒸发水，以便随后驱动具有下游连接的发电机的涡轮机或运转其它技术装置(例如热交换器)。然后，在该过程之后冷却的废气可例如再次用于在反应器6中产生旋风。由此利用了在锅炉中的蒸发过程之后的废气余热，并且仅需要例如通过空气分解来得到燃烧所需的化学计量的氮气量。
表2中示出了针对锂在纯的氮气中的燃烧的废气温度和化学计量上的过量之间的关系，其中采用与温度无关的比热进行计算。
表2：用氮气作为燃气和作为载气来运转炉
废气中的温度 燃气过量作为因子，基于燃气质量
1600℃ 5.6
1400℃ 8.5
1200℃ 10.2
1000℃ 13.3
800℃ 16.1
600℃ 18.5
根据具体实施方式，燃烧可用一定的过量燃气进行，例如燃气与金属M的摩尔比大于1.01:1、优选地大于1.05:1、更优选地5:1或更大、甚至进一步优选地10:1或更高、例如甚至100:1或更大，以便将废气温度稳定在特定的温度范围内，并且除添加燃气和金属M例如锂流入到喷嘴阵列中之外还可借助旋风加入另外的燃气或载气来吸收热，如图1和图4所示。根据具体实施方式，废气温度可以在不同的燃烧过程中通过气体过量来控制，使得其可高于反应产物或其混合物的熔融温度(表2)。
图6中示例性地示出了相应的反应流程图。在空气分解201中从空气200中分离氮气，然后在步骤202中氮气与锂一起燃烧，其中使用例如同样来自空气分解201的氮气作为载气。这形成Li2N3203，以及包括N2 204的废气和载气的混合物可被引导通过锅炉205，借助于该锅炉205运转蒸汽轮机206以及进而运转发电机207。将废气回收208作为载气。可通过水解209从氮化物盐混合物203获得氨210，其中生成氢氧化物211，其可与二氧化碳反应得到碳酸锂212。
根据第四示例性实施方式，可能的是，例如在使用空气作为燃气的情况下，使用串联连接的两个反应器，例如两个旋风反应器，其中在第一旋风反应器中可用金属M例如锂和来自空气的氧气制备金属氧化物例如Li2O，废气主要包括氮气，然后该废气可在第二旋风反应器中作为燃气与金属M例如Li反应得到金属氮化物例如Li3N。在此，氮气例如可用作载气，其也可由第一废气获得或者可以是第一废气本身(例如当其处于循环中时)。
通过本发明的设备的构造，特别是通过使用多孔燃烧管，可以简单的方式从形成的废气中分离固态或液态反应产物或其混合物，并且进而将废气进料用于例如燃气轮机或膨胀机涡轮机，热交换器，或锅炉中。此外，以该方式还可将整个燃烧装置构造得更为紧凑，并且可通过燃烧过程的定位将该燃烧配置得对于设备更为缓和。
此外，该装置，例如像炉那样的反应器，可在升高的操作压力下运行，并且因此燃烧和沉积过程可与后继步骤的相应条件匹配。在具体实施方式中，区分(划分)用于形成旋风的燃气和载气的可能性使得能够在释放热之后回收废气。用这种构造可容易地实现循环。气体混合物也可以作为燃气和载气。通过在工艺步骤之后回收废气，可节省能量和材料。

Claims (15)

1.用燃气燃烧金属M的方法，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物,其中借助包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器进行燃烧。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多孔燃烧器内部向所述多孔燃烧器进料液体形式的金属M。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中将所述燃气引导在多孔燃烧器的外表面上并且与金属M燃烧。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中所述燃烧在这样的温度下发生，该温度高于在金属M和燃气反应时生成的盐的熔点。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中将金属M作为至少两种金属M的合金进料。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中在燃烧后分离反应产物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述分离借助旋风实现。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其中利用所述燃烧的反应产物产生能量，优选地在使用至少一个膨胀涡轮机和/或至少一个蒸汽轮机和/或至少一个热交换器和/或至少一个锅炉的情况下。
9.用于燃烧金属M的设备，其中所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物，该设备包括：
-多孔燃烧器，其包括多孔管作为燃烧器，
-用于金属M、优选地液体形式的金属M的进料装置，该进料装置通向多孔燃烧器内部，其被设计用于向所述多孔燃烧器进料金属M、优选地液体形式的金属M，
-用于燃气的进料装置，其被设计用于进料燃气，和
-任选地，用于提供液体形式的金属M的加热装置，其被设计用于使金属M液化。
10.根据权利要求9所述的设备，其中这样布置用于燃气的进料装置，使得其将所述燃气至少部分地引导至所述多孔燃烧器的表面。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中这样布置所述多孔燃烧器，使得燃烧生成的反应产物和任选地金属M能够通过重力从所述多孔燃烧器的表面分离。
12.根据权利要求9至11之一所述的设备，其中所述多孔燃烧器由这样的材料构成，所述材料选自由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆和这些金属的合金以及钢例如不锈钢和铬镍钢组成的组。
13.根据权利要求9至12之一所述的设备，该设备进一步包括金属M的燃烧产物的分离装置，其被设计用于使金属M和燃气的燃烧产物分离，其中所述分离装置优选为旋风反应器。
14.根据权利要求9至13之一所述的设备，该设备进一步包括至少一个膨胀涡轮机和/或至少一个蒸汽轮机和/或至少一个热交换器和/或至少一个锅炉。
15.包括多孔管作为燃烧器的多孔燃烧器在用燃气燃烧金属M中的用途，所述金属M选自碱金属、碱土金属、铝和锌及其合金和/或混合物。
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