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WO2018065078A1 - Verfahren und anordnung zur energiegewinnung - Google Patents

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Publication number
WO2018065078A1
WO2018065078A1 PCT/EP2016/082865 EP2016082865W WO2018065078A1 WO 2018065078 A1 WO2018065078 A1 WO 2018065078A1 EP 2016082865 W EP2016082865 W EP 2016082865W WO 2018065078 A1 WO2018065078 A1 WO 2018065078A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
melting chamber
wall
gas
metal
melting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2016/082865
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pascal Maas
Viktor Scherer
Martin Schiemann
Günter Schmid
Dan Taroata
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
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of WO2018065078A1 publication Critical patent/WO2018065078A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for burning a
  • DE102008031437 is described and added at least in this context of the present description by reference, as can be represented with alkali metals fully recirculated energy cycles. These are in W02012 / 038330 and W02013 / 156476 detail out processing ⁇ tet, and at least in this respect the present descrip ⁇ exercise is added either together with at least the part of DE102014219274 in which it was described how such a plant might look like.
  • disclosure of the present invention illustrates the combustion of lithium in a melt chamber vessel.
  • the melting chamber firing is also used in the combustion of fossil fuels.
  • coal firing is known, as is the case with the" Black JB, NETL Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Volume 3a: Low Rank Coal to Electricity: IGCC Gases 2011.
  • Known, as well as Refe ⁇ rence included article a Flugstromvergaser is known.
  • the present invention describes the Ver ⁇ combustion of metals in a corresponding combustion chamber, such as a 100MW combustion chamber, and further discloses the feasibility of the invention with results here, for example, on experimental results on a small scale, in particular single particle reactions, burner concepts with metal atomization in the field of 30kW th (thermal) and based on it simulations of a large-scale plant.
  • the invention is based inter alia on the fact that over the years a large number of energy production devices have been proposed which operate with heat generated in the oxidation of, for example, metallic lithium, as can be seen, for example, in US Pat. No. 3,328,957, the disclosure of which, at least in this regard, is attached to this description.
  • a circuit can be established with respect to the electropositive metal in which current, e.g. Excess electricity, for example, from renewable energy sources such as wind and / or photovoltaic (PV), stored and the desired
  • Time can be converted back into electricity and / or chemical raw materials can be obtained.
  • the present invention relates to a method for combusting a fuel gas in a
  • Melting chamber in which method a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, Al and Zn, and alloys and / or mixtures thereof, is burned with the fuel gas, wherein the metal M and a primary gas comprising the fuel gas from above into an outside area the melting chamber are introduced between an outer wall and an inner wall of the melting chamber, wherein the metal M and / or the primary gas is introduced substantially tangentially to the outer and / or inner wall at an angle ⁇ to the vertical in the outer region of the melting chamber, wherein the vertical extends substantially parallel to the outer wall and the inner wall.
  • the present invention relates to a Schmelzhimmmer, comprising:
  • a bottom portion located below both the outside and inside of the melting chamber, including a substantially inwardly inclined bottom connected to the outside wall;
  • a drain for a melt which is located centrally in Bodenbe ⁇ rich and is connected to the inclined floor; a plurality of nozzles above and in an upper area of the outside of the melting chambers, respectively, which are formed, a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, Al and Zn, and alloys and / or mixtures thereof, in the outside of the melting chamber to bring in;
  • a plurality of primary gas inlets at an upper portion of the outer region of the melt comber which are to latestbil ⁇ det comprising introducing a primary gas, a fuel gas into the outer ⁇ range of the melting chamber;
  • a melting chamber furnace comprising the inventive melting chamber and a boiler, which is mounted above the melting chamber and which is connected thereto.
  • FIG. 1 shows the dependence of the particle size distribution on the nozzle diameter during an atomization of lithium with the aid of a single-fluid spin-pressure nozzle.
  • FIG. 2 shows the dependence of the particle size distribution on the atomization gas velocity during the atomization of a lithium melt with the aid of a two-substance nozzle.
  • FIG. 3 schematically shows a detail of a melting chamber according to the invention with exemplary gas flows.
  • FIG. 4 schematically shows a 1/8 section of a melting chamber according to the invention.
  • FIG. 5 schematically shows a 1/8 section of a melting chamber according to the invention from the top view (xy plane). 6 shows a section through the xz plane ei ⁇ ner melting chamber according to the invention schematically.
  • FIGS. 7 and 8 show diagrammatically the principle of the use of melting scavengers (FIG. 7) or melting scavengers with an inner cone (FIG. 8) in a melting chamber according to the invention.
  • FIG. 9 shows results of a simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 ° in a melting chamber according to the invention - as shown in FIG. 6, the temperatures in K being indicated in the xz sectional plane.
  • FIG. 10 shows results of the temperature distribution on the walls of a melting chamber according to the invention - as shown in FIG.
  • FIG. 11 shows the axial velocity v ax in the z direction (z axis upward) in the xz plane, as shown in FIG. 6, in m / s in the simulation with a reaction gas excess of 1.3 and 1 Introduction angle of 30 ° are ent ⁇ taken.
  • FIG 12 is analogous to Figure 11, the results of the rapid Dialen velocity V r in the x-direction (x-axis to the right) in the xz plane - as shown in Figure 6 - in m / s in the Si ⁇ mulation a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 ° shown.
  • Figure 13 shows analogously to Figure 11, the results of the tangentia ⁇ len speed v tan in y-direction (y-axis in the Zei ⁇ chenebene in) in the xz plane - as shown in Figure 6 - in m / s in the simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 °.
  • the figures 14 to 16 are exemplary particle trajectories of exemplary introduced metal particles with the relative degree of conversion X rel in the simulation with a Reakti ⁇ onsgasüberschuss of 1.3 and an inlet angle of 30 ° (Figure 14), 15 ° ( Figure 15) and 0 ° (FIG. 16) in a melt chamber cutout shown according to FIG.
  • Figure 17 shows the results of the turbulent intensity I structure of a simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an inlet angle of 30 ° with the xz plane of an OF INVENTION ⁇ to the invention the melting chamber - as shown in FIG. 6
  • electropositive metals are understood in particular to be the alkali metals and alkaline earth metals as well as aluminum and zinc.
  • electropositive sitive metals Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Al and Zn and Mi ⁇ mixtures and / or alloys thereof, more preferably Li, Na, K, Mg, Ca, Sr and Ba as well as Mixtures and / or alloys thereof.
  • a Schmelzhuntfeuerung also called briefly Schmelzfeuerung, is a device for burning fuels, are achieved in the so high temperatures that at least one resulting product, which at room temperature
  • Solid remains liquid and thus can be used as liquid tillzo ⁇ gen.
  • the present invention relates to a method of combusting a fuel gas in a melting chamber, in which method a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, Al and Zn, and alloys and / or mixtures thereof is burned with the fuel gas wherein the metal M and a primary gas comprising the fuel gas are introduced from above into an outer region of the melting chamber between an outer wall and an inner wall of the melting chamber, wherein the metal M and / or the primary gas substantially tangential to the outer and / or inner wall at an angle ⁇ are introduced to the vertical in the outer area of the melting chamber, wherein the vertical extends substantially parallel to the outer wall and the inner wall.
  • the vertical runs in the melting chamber from top to bottom, towards the bottom.
  • the tangent to the outer and / or inner wall is obtained in contrast as a horizontal tangent to the respective wall, so a corresponding curve of the outer and / or inner wall which for example, at Hohlzylin ⁇ countries as the outer and / or inner wall of a tangent to a Circle represents.
  • the outer and / or inner wall may also be shaped differently, for example with an oval cross section, can be a horizontal tangent to the outer and / or inner wall ge ⁇ sets in that a thus has at least one curve.
  • the outer and / or inner wall of a circular hollow cylinder preferably concentric ⁇ specific hollow cylinder are formed.
  • the inner wall and the outer wall are each connected to themselves, so they each connect in a horizontal direction, so that the outer area is created between the two walls.
  • the inner wall is in this case within the outer wall, so that the outer area between the two walls extends in the vertical direction.
  • the melting chamber itself is not particularly limited, so far as they ⁇ having an outer wall and an inner wall, intermediate see which an outer region can be formed.
  • the outer wall and inner wall are substantially parallel to the ground, so that the metal M and the fuel gas can be introduced from above.
  • ⁇ form the outer wall and the inner wall are laid out concentrically with each other.
  • the outer wall and the inner wall are substantially round or round in a plan view from above, and thus each have the shape of a substantially round or round hollow cylinder.
  • the inner wall of a lower fürmes- ser than the outer wall where the two are in this case before ⁇ Trains t concentrically to form an external region formed between two walls in certain segments with a certain angle to the center of the hollow cylinder is substantially has the same volume, so that the temperature distribution can take place uniformly during combustion.
  • the wall thicknesses of the outer wall and the inner wall are not particularly limited insofar as they can withstand the gas pressure in the melting chamber.
  • the material of the outer wall and the inner wall is not particularly limited insofar as it can withstand the temperatures of the combustion of metal M and fuel gas.
  • the inner and outer walls, as well as the other components of the melting chambers such as the components described in connection with the melting chamber according to the invention, for example the inwardly inclined bottom, the melt outlet, the plurality of nozzles, the A large number of primary and secondary gas inlets, the gas outlet, the melt catchers and / or the tapering cones, and / or the boiler described in connection with the inventive melting chamber furnace, of iron, steel, for example Fe-Cr steel, Fe -Ni-Cr steel, stainless steel, etc. exist, and these may for example be adapted to the metal M and the fuel gas.
  • the different components may consist of the same material or of different ones.
  • the metal M is selected from Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Al and Zn and / or mixtures and / or alloys thereof, more preferably Li, Na, K, Mg, Ca, Sr and Ba and / or mixtures and / or alloys thereof.
  • the fuel gas is not particularly limited, as far as it can be burned with the metal M.
  • air, CO2, water and / or N 2 are suitable as fuel gas, or else mixtures. It can therefore also contain more than one fuel gas.
  • the fuel gas comprises CO2 and / or N 2 .
  • the fuel gas consists essentially of CO 2 and / or N 2 .
  • the combustion of metals M for example
  • electropositive metals such as lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, strontium, barium or to a limited extent also aluminum or zinc in addition to air in carbon dioxide (CO 2), water (H 2 0) and / or nitrogen possible, with
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 0 water
  • nitrogen water
  • the combustion of Na and / or K preferably with CO2 and / or H 2 0 is carried out.
  • the che ⁇ mixing basic materials carbon monoxide (CO) and / or hydrogen (H 2 ) are formed, as well as, for example, corresponding carbonates, nitrides, etc.
  • the primary gas may contain a gas component or a plurality of gas components, which, for example, allows a heat transfer from the reaction.
  • the primary gas may include at least one further Gaskom ⁇ component for heat transfer in addition to the fuel gas continues, a so-called heat transfer gas which can transport the heat produced during combustion me and can act as a moderator.
  • CO can serve as a gas component for heat transfer.
  • CO 2 can, for example ⁇ from a plant for carbon dioxide separation and / or coal combustion, a coal power plant, etc. come, but it is also not excluded that the primary gas consists only of the fuel gas.
  • the heat produced during the combustion of fuel gas and metal M passes to a heat transfer gas, which then via a gas outlet, possibly together with a product gas and / or unused fuel gas and / or a further gas such as a secondary gas can be discharged into a boiler.
  • the product gas and / or unused fuel gas and / or the further gas, such as a secondary gas can also absorb heat from the reaction of fuel gas and metal M.
  • the energy contained in the boiler in the gas or gases, for example constituteener ⁇ energy can then for the extraction of energy, such as district heating and / or electrical energy can be used.
  • product gases can form which can be used further chemically and / or serve as desired products, for example alcohols, such as methanol and / or ethanol, ethene, ethyne, ammonia, etc.
  • the mixture of heat transfer gas if appropriate together with a product gas and / or unconsumed combustion gas.
  • Gas and / or another gas such as a secondary gas is hereinafter also referred to as product gas mixture.
  • heat arising in the reaction can also or additionally already beforehand, for example within the
  • Melting chamber - are at least partially removed, in ⁇ example via heat exchangers, which in the outer and / or inner wall and / or other components of the melt chamber, such as the inwardly inclined bottom, the flow for the melt, the gas outlet, the melt catchers and / or the upwardly tapering cone may be provided, and / or may be separately provided within the melting chamber.
  • heat exchangers which in the outer and / or inner wall and / or other components of the melt chamber, such as the inwardly inclined bottom, the flow for the melt, the gas outlet, the melt catchers and / or the upwardly tapering cone may be provided, and / or may be separately provided within the melting chamber.
  • the angle ⁇ is in a range of about 5 ° to about 60 °, preferably about 7 ° to about 45 °, more preferably about 8 ° to about 35 °, even more preferably about 15 ° to about 30 °, especially about 17.5 to about
  • the reaction rate between metal M and fuel gas may be too low before the fuel gas and / or the metal M come into contact with the inner and / or outer wall, which may result in a decreased reaction.
  • Swirling can increase, which can lead to a better separation of product particles and a smaller extent of the reaction of the particles, since a collision with the wall rather occurs.
  • the combustion takes place in such a way that a substantially homogeneous temperature distribution during combustion is ensured.
  • This can ⁇ example, by suitable timing supply of fuel gas and Me ⁇ M tall be ensured.
  • the metal M and the primary gas are locally introduced together into the melting chamber.
  • the supply of metal M and primary gas takes place in the same direction Rich ⁇ .
  • the supply streams of metal M and primary gas do not intersect when fed from different feed points but are introduced in the same direction.
  • the metal M and the primary gas are introduced locally to ⁇ together in the same direction in the melting chamber.
  • the metal M and the primary gas are timely put together in the melting chamber to ensure a reaction of metal M and fuel gas.
  • the supply or introduction of metal M and primary gas are not particularly limited and can be carried out in a suitable manner.
  • a common supply with ⁇ means of a two fluid nozzle can be made, or it may be a feed about one-material nozzles, for example, one-material nozzles, for example,
  • the metal M is supplied liquid. Accordingly, it can be pre-heated, the metal M prior to feeding ge ⁇ is suitable, for example by suitable heating means.
  • Li may be preheated to a temperature of about 500 to about 1000 K, eg from about 550 to about 750 K, for example about 570 K to about 705 K, for example about 610 to about 690 K.
  • the primary gas can be preheated to set a suitable temperature in the melting chamber, for example with suitable heating devices.
  • a primary gas consisting of CO 2 as a fuel gas and CO as a heat transfer gas to a temperature of about 400 to about 1000 K, eg from about 450 to about 850 K, for example about 470 K to about 705 K, eg about 540 to about 620 K preheated.
  • a primary gas consisting of CO 2 as a fuel gas and CO as a heat transfer gas to a temperature of about 400 to about 1000 K, eg from about 450 to about 850 K, for example about 470 K to about 705 K, eg about 540 to about 620 K preheated.
  • fuel gases and heat transfer gases or generally other primary gases as well as for others
  • Metals M can give rise to other temperatures, these also being dependent on the metal M used, the mixing ratio of fuel gas and heat transfer gas and other components of the primary gas, the stoichiometry of the combustion, etc., and may depend on a desired temperature in the Melting chamber and / or a desired temperature of a liquid product and / or a desired temperature of a product gas mixture are suitably adjusted.
  • metal sprays having particle sizes less than 200-250 ym, e.g. less than 250 ym, less than 230 ym, less than 210 ym or less than 200 ym, used.
  • the atomization of a molten metal of the metal M, if DIE ses is introduced in liquid, such as a lithium melt can be rea ⁇ llibrary advantageously by different sputtering.
  • pore nozzles are not particularly limited in terms of their design.
  • a spraying of the liquid metal can take place in a two-substance nozzle, in which a negative pressure can be generated by the primary gas flow, so that metal tropics are formed.
  • liquid metal drops can also be produced in a single-substance nozzle.
  • the metal M is alternatively or additionally supplied in solid form, for example as a powder, by means of suitable nozzles, these nozzles are also not limited.
  • the particle size of the metal M is not particularly limited.
  • the present method can therefore ver ⁇ different particle size distributions of the starting material, in particular of the metal M used, which can, at ⁇ play, by means of sieve analysis or by laser diffraction be ⁇ agrees wherein these are not restrictive here for the process.
  • the supply of metal M and primary gas may be via a plurality of nozzles and a plurality of primary gas inlets to achieve a good distribution of metal M and primary gas in the exterior of the melting chamber between the outer and inner walls.
  • the supply of metal M through a nozzle takes place in accordance with certain embodiments in such a way that no reaction with the fuel gas takes place at the nozzle itself in order to avoid clogging of the nozzle.
  • This can be accomplished for example by setting an appropriate temperature of the nozzle and / or by mixing metal M and fuel gas and primary gas until au ⁇ ßercher the nozzle.
  • a turbulence of the supplied metal M and / or of the primary gas takes place through the nozzles and / or primary gas inlets, which can be achieved, for example, by means of corresponding nozzles
  • Nozzle geometries can be achieved. According to certain embodiments, at least one resulting product of the combustion of the metal M with the
  • melt catchers represent struts which, in addition to the inner wall, can be connected to one another or to a central body. These extend, according to certain embodiments, from the inner wall into an inner area of the melting chamber and not into the outer area.
  • a hollow cylinder as an inner wall, for example, like the spokes of a wheel, they may be arranged inwards towards the central axis of the hollow cylinder, wherein the melt catchers may or may not have an angle to the horizontal.
  • the melt catchers can ensure that a resulting liquid product can be separated to a large extent from the product stream.
  • a suitable adjustment of the angle ⁇ of the supply of metal M and / or primary gas is advantageous.
  • the melt catchers may be provided at a suitable point in the melting chamber, for example in an inner region of the melting chamber within the inner wall, or in a region below this inner region.
  • the melt catchers may in this case be connected to themselves or to a central shape which, according to certain embodiments, is arranged concentrically with the inner wall and / or outer wall.
  • the design of the melting catcher here is not particularly be ⁇ limits and can be made suitable, for example on the basis of in "Ake T, R Beittel, Lisauskas R, Riley D., Slag Tap Firing System for a Low Emission Boiler. Netl.doe.gov 2008 "referred to in the design of the
  • the number of melting scavengers is not particularly limited and can be suitably adjusted, for example, taking into consideration the gas flow in the melting chamber. It may for example be from 4 to 40, for example 8 to 32, for example 12 to 18 or 16 to 26, for example 24. Also, the blocks Di ⁇ not limited length depth of the melt scavengers, as well as non their shape, which may for example be approximately rectangular, or a widening of the width of a central axis of the melting chamber toward the inner wall.
  • the fuses may be disposed away from the horizontal plane at an angle of inclination, for example from the inner wall inwardly downwardly, which is not particularly limited so as to better decelerate the gas flow in the melting chamber.
  • the distance between two melt catchers can be suitably adjusted to reduce the flow cross section.
  • the fuses may be centrally secured to a central body, such as a tapered cone, which may be solid, for example. Also at this a deposition of a liquid product of the combustion of metal M and fuel gas can take place.
  • the melt catchers are connected centrally in an inner region of the melting chamber and / or in a bottom region of the melting chamber below the inner region with an upwardly tapered cone.
  • the melt catchers may have a height to width ratio greater than 2: 1, for example 3: 1 or more or 4: 1 or more, at least at one point of connection in the center of the melting chambers, for example in the case of the connection of several melt catchers or the melt catcher to a central body, such as a cone tapering upwards.
  • the gas stream which initially comes from above in the outer region, deflected in a bottom region of the melting chamber, for example on an inclined floor. By redirecting the gas flow and passing through the melt catcher, the gas flow can be accelerated.
  • the liquid product droplets can then also be conducted to the melt catchers as a result of the inflow of metal M and / or primary gas and the resulting rotational flow.
  • melt trap and possibly a central fastening body such as a tapering cone to be deposited as a liquid and direction drain for a melt ablau ⁇ fen
  • the melt catcher and possibly the central mounting body may be heated, for example with residual heat.
  • the fuel gas in a, for example ge ⁇ wrestle, stoichiometric excess - as a molar ratio - to the metal M (ratio actually introduced fuel gas to amount of fuel gas for a stoichiometric conversion;
  • ⁇ hereinafter also referred to as ⁇ ), which is preferably at least 1.1, more preferably at least 1.15 or more, even more preferably at least 1.20 or more, more preferably 1.3 or more.
  • At least one liquid product is formed within the melting chamber, whereby further liquid and / or gaseous products may also be formed.
  • the temperature within the melting chamber is regulated in such a way that a temperature prevails at which arising products of the combustion of metal M and fuel gas are liquid and / or gaseous.
  • This can, for example, by suitably adjusting the Tem ⁇ temperature of the metal M and / or the primary gas or Brennga- ses, setting a suitable angle ⁇ , setting a suitable inflow of metal M and / or primary gas (volume flow or mass flow), suitable stochastic, feed a heat transfer gas and / or secondary gas, etc. are ensured.
  • a temperature at the outlet or the liquid product produced L1 2 CO 3 and / or Li 2 0 should be between about 1100 K and 1450 K, since at too high a temperature is L1 2 CO 3 decompose zen can and may take place at a too low temperature the formation of solid carbon and / or carbonate, which may as "ash" on the walls, heat exchangers, etc. abset ⁇ zen.
  • it is along the outer and / or the inner wall of the melting chamber, as already indicated above, introduces a secondary gas from above into the outer area. least along the inner wall a secondary gas introduced from above into the outer area.
  • the supply of the secondary gas takes place such that at least in an upper region of the outer region there is a laminar flow of the secondary gas.
  • the supply of the secondary gas takes place according to certain embodiments above the supply of the primary gas or at least at the same level. As a result, the walls of metal M and / or liquid products from the combustion of metal M and fuel gas can be protected. According to certain embodiments, the
  • the secondary gas can as the primary gas containing a gas component or a plurality of gas components, which allows heat transfer from the reaction, or may also be such a heat transfer gas such as CO at a combustion of CO 2, but may also be a gas mixture, such as at ⁇ play recirculated exhaust gas, for example comprising or consisting of CO and CO 2 , for example, if as pri ⁇ märgas also a C0 2 / CO mixture is used.
  • the secondary gas, as well as the primary gas and / or the metal M can be preheated to set a suitable temperature in the melting chamber, for example with ge ⁇ suitable heaters.
  • a suitable adjustment of the temperature profiles of primary gas and secondary gas or the tem- perature when flowing the flow of two in the melting chamber can be specifically controlled so that both ⁇ play, at least can slip off during in a particular area to one another, or also achieves a turbulent flow can be.
  • the flow rate of the secondary gas is at least at the feed higher than the flow rate of the primary gas at least the feed.
  • a secondary gas is supplied to flow to both the inner wall in the outdoor area as well as on the outer wall in the outer region, the two secondary gas streams of the type of gas and / or the Strömungsgeschwin- can go ⁇ clearly distinguish speed and / or be the same.
  • An electrical ignition or an additional pilot burner may be required to start the reaction.
  • the metal flame is usually self-sustaining, although further ignition is not excluded according to the invention.
  • the present invention relates to a melting chamber, comprising:
  • a bottom portion located below both the outside and inside of the melting chamber, including a substantially inwardly inclined bottom connected to the outside wall;
  • a drain for a melt which is located centrally in Bodenbe ⁇ rich and is connected to the inclined floor; a plurality of nozzles above and in an upper area of the outside of the melting chambers, respectively, which are formed, a metal M selected from alkali metals, alkaline earth metals, Al and Zn, and alloys and / or mixtures thereof, in the outside of the melting chamber bring in;
  • a plurality of primary gas inlets at an upper portion of the outer region of the melt comber which are to latestbil ⁇ det comprising introducing a primary gas, a fuel gas into the outer ⁇ range of the melting chamber;
  • the plurality of primary gas inlets and / or the plurality of nozzles are formed such, the primary gas and / or to introduce the metal M substantially tangential to the outer and / or inner wall at an angle ⁇ to the vertical in the outer region of the melting chamber between the outer wall and the inner wall of the melting chamber, wherein the vertical substantially parallel to the outer wall and the inner wall extends.
  • the inventive method can be carried out.
  • the various components of the melting chamber may also be such as have already been described in connection with the method according to the invention.
  • the outer region between the outer wall and the inner wall of the melting chamber and the inner region within the inner wall of the melting chambers, as well as the outer and the inner wall, as described above ge ⁇ forms his.
  • the inner and / or outer wall can also be cooled. Any cooling of the wall can also be achieved by introducing a secondary gas along the wall.
  • the bottom portion which lies below both the outer region and the inner region of the melting chamber, comprising ei ⁇ NEN essentially inwardly inclined bottom, which is connected to the outer wall, a lower portion below the inner wall, the edge of the inner wall spaced from the inclined bottom. He is also not particularly limited.
  • the inwardly inclined floor is not particularly limited. According to certain embodiments of the inwardly sloping bottom is inclined such that a FLÜS ⁇ Siges reaction product of the reaction of metal M and fuel gas can drain towards the drain.
  • the floor can also be tilted in different sections at different angles be, or may be constantly inclined at a certain angle to the ground.
  • the sequence for a melt is used to a liquid product of the combustion of metal M and fuel gas from the
  • Dissipate the melting chamber It is located in the ground area and possibly under it and is not particularly limited.
  • the in the bottom region and optionally to melt scavengers and / or a central body such as an upwardly tapering cone accumulating liquid product of the combustion of metal M and fuel gas can take place over the course and a wide ⁇ ren treatment step or a further processing, a bearing, etc. ., which is not limited here.
  • the position of the drain is central in the floor area, ie, for example, along a central axis with concentric inner and outer walls or around this axis.
  • a negative pressure is applied, for example, using corresponding pumping arrangements to establish a good and To ensure fast drainage of the liquid product of metal M and fuel and to avoid prolonged residence in the melting chamber.
  • the plurality of nozzles above and in an upper portion of the outside of the molten chambers, respectively, which are formed, a metal M, which is selected from alkali metals, alkaline earth metals, Al and Zn, and alloys and / or mixtures thereof, in the outdoor area the melt chamber are not particularly limited, nor are the plurality of primary gas inlets in an upper area of the outer area of the melting chambers, which det are to introduce a primary gas comprising a fuel gas in the outer ⁇ area of the melting chamber.
  • the primary nozzles and gas inlets together or be arranged separately, in accordance with certain embodiments, however, are arranged together in order to achieve rapid mixing of Me ⁇ M tall and fuel gas.
  • the atomization of a molten metal of the metal M, if DIE ses is introduced in liquid, such as a lithium melt can be rea ⁇ llibrary advantageously by different sputtering.
  • a spraying of the liquid metal can take place in a two-substance nozzle, in which a negative pressure can be generated by the primary gas flow, so that metal tropics are formed.
  • liquid metal drops can also be produced in a single-substance nozzle.
  • the metal M is alternatively or additionally supplied in solid form, for example as a powder, by means of suitable nozzles, which are not limited and may also comprise single-fluid and / or two-fluid nozzles.
  • the particle size of the metal M is not particularly limited.
  • the present method can therefore ver ⁇ different particle size distributions of the starting material, in particular of the metal M used which at ⁇ play by means of sieve analysis or laser diffraction be which are not restrictive to the process here.
  • the plurality of primary gas inlets is not particularly limited in terms of Ausgestal ⁇ tion.
  • the nozzles and primary gas inlets can also be arranged such that metal M and primary gas are substantially at the same place in the same place
  • Melting chamber are supplied, for example, in the same direction and at the same angle ⁇ .
  • nozzles such as single-fluid nozzles can be installed at a certain angle, such as the angle ⁇ to the vertical and with tangential outflow to the walls in the melting chamber, for example in the form of Injektorblöcken.
  • the injection can also be suitably adjusted by means of two-substance nozzles and / or pore nozzles.
  • the number of nozzles and primary gas inlets is not particularly limited and is preferably selected such that a good distribution of metal M and primary gas in the
  • Schmelzhimmmer in particular in the outer area, can take place, and this, for example, the geometry of the Schmelzkam ⁇ mer, their volume, other installations, etc., may depend.
  • more than 3 nozzles and / or primary gas inlets may be provided, for example 4 or more, 8 or more, 15 or more, 30 or more, 50 or more, or 80 or more.
  • the number of nozzles and primary gas inlets may be the same or different.
  • the nozzles for the metal M and the primary Gaseinläs ⁇ se be summarized, for example, in two-fluid nozzles.
  • the supply of metal M and primary gas can take place via a plurality of nozzles and a plurality of primary gas inlets, in order to ensure a good distribution of metal M and primary gas in the
  • the at least one gas outlet at an upper end of the in ⁇ nenrios the melting chamber is also not particularly limited, and the removal of a product gas mixture is used after the separation of the liquid products of the combustion of metal M and fuel gas. It may have a diameter corresponding to that of the interior of the melting chamber or may be smaller.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted melting chamber further comprises at least one secondary gas inlet passage in an upper portion of the outer region of the melting chamber, which is adapted to introduce a secondary gas along the outer and / or inner wall of the melting chamber.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted melting chamber comprises a plurality of secondary gas inlets at an upper portion of the outer region of the melt comber which are adapted to a secondary gas along the äuße ⁇ ren and / or inner wall of the melting chamber to introduce.
  • the secondary gas inlets are in this case preferably arranged in the outer region of the melting chamber such that the secondary gas is introduced along the outer and / or inner wall along.
  • annular gaps, a plurality of nozzles, etc. may be arranged. In this way, a good protective effect of the respective wall relative to the primary gas and / or the metal M can be achieved.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted melting chamber further comprises a plurality of melting vessels that are connected in the interior of the melting chamber with the inner wall. These may be as described above in connection with the method according to the invention.
  • the melt catchers are connected centrally in the interior of the melting chamber and / or in the bottom region of the melting chamber below the interior with an upwardly tapered cone.
  • a combustion of an atomized metal M or metal drop can be realized for example by means of a Schmelzhuntfeu ⁇ augmentation, as is exemplarily shown in Figures 3 to eighth 3 shows the principle of a melting chamber according to the invention of a melting chamber furnace.
  • the lid of the melt combustion chamber exemplarily has 96 primary gas inlets 1 as gas feeds (shown in a square fashion in FIG. 3, gas flow with black arrows), via which the primary gas is introduced into the process at an angle to the normal in the direction of rotation.
  • nozzle packets for atomizing the liquid metal are provided in parallel (not shown).
  • the number of nozzles depends on the mass flow of metal required for the combustion power and the mass flow achievable per nozzle, which is not particularly limited. Depending on the design of Me ⁇ tallzerstäubungsech / nozzle, the number of the nozzle packages can be changed.
  • annular gaps are provided as secondary gas inlets 2 for the supply of secondary gas, which can provide a protective film on the inner and outer walls (see Fig. 3, secondary gas inlets 2).
  • the separation of the particles from the flow can take place in several steps, with respect to the structure here Reference is also made to FIGS. 4 to 8.
  • the particles are conveyed by inertial forces to the outer wall 6 (see FIGS. 4 to 6), where they adhere and flow in the direction of inclined bottom 8.
  • 9 melt catchers 3 are attached to the end of the inner wall or inner partition 7 and the cone 6 located centrally on the bottom 6.
  • the flow or gas flow 10 is greatly accelerated when passing the melt catcher 3, since the flow ⁇ cross-section tapers, here for example approximately halved, and deflected; this reduces the flow component in the direction of rotation ⁇ tion.
  • the particles can no longer follow the flow 10 and collide against the side of the melt catcher 3 (see
  • the separated particles can drain to the drainage 4.
  • the principle generally corresponds to a variation of the inertia deposition, like "Came M. Mechanical engineering process ⁇ 2, Springer-Verlag, 1997" and is hereby included by Re ⁇ ference.
  • the size of the angle is adjusted in accordance with certain embodiments - as stated above - according to the particles used. If the angles are too small, neither the wall nor the melting trap will work because the particles follow the flow without encountering interfaces. Another way to improve the
  • the present OF INVENTION ⁇ dung relates to a slag tap furnace comprising the erfindungsge ⁇ Permitted melting chamber and a boiler, which is mounted above the melt chamber and which is connected thereto.
  • the connection itself here is not particularly be ⁇ limits and can be done in such a way as usual in
  • the boiler is also not particularly limited, and has also been described above as an example in to ⁇ connexion with the inventive method. Essentially, the boiler in the melting chamber firing serves to heat use from the product gas mixture.
  • a primary gas inlet is provided around an atomization unit.
  • Essential for economic implementation here are a possible completeness, ⁇ -ended conversion of the fuel, temperature distribution, and efficient recovery of the reaction end product.
  • Lithium is usually Herge ⁇ poses with fused salt electrolysis. For this process, efficiencies of about 42% are obtained (according to standard potential 4.04 V, normally 6.7 - 7.5 V ie 60% -53%), calculated from process data without
  • a primary gas in particular a mixture of Koh ⁇ dioxide and carbon monoxide is used.
  • the lithium is used in the liquid example, ie above the melting point of 180 ° C.
  • the liquid lithium can be atomized into fine particles in a nozzle and then reacts directly with the respective fuel gas. For the combustion could be the
  • FIG. 1 shows the dependence of the particle size distribution for Li on the diameter of the nozzle during the atomization of lithium with the aid of a single-fluid spin-pressure nozzle.
  • the nozzle diameter d D in mm and the particle diameter d P on the y-axis are shown on the x-axis. This then corresponds, for example, approximately to the droplet distribution in the case of liquid lithium.
  • FIG. 2 shows the dependence of the particle size distribution on the atomization gas velocity during atomization a lithium melt with the aid of a two-fluid nozzle Darge ⁇ provides.
  • the theoretically calculated value d 5 o ' is given for the d 5 o value. Shown is the
  • Particle diameter d P as a function of the gas velocity v G , in particular the calculated gas velocity (calculated from the volume flow of the atomizing gas, here C0 2 , and the gap width of the nozzle).
  • FIG. 3 A simulation of combustion of Li with CO 2 as a fuel gas with a mixture of CO 2 and CO (heat transfer gas) as a primary gas was performed in a melting chamber shown in Figs. 3 to 8 as described above.
  • the nozzles are not shown in detail, but are arranged together with the primary gas inlets.
  • Parameters of the configuration of interest for the lithium combustion in the simulation are in this case a high conversion to L1 2 CO 3, as good as possible and, preferably, complete separation of Ab ⁇ L1 2 CO 3 and a hot exhaust gas outflow or
  • L1 2 CO 3 is liquid, so that it flows downwards due to gravity down to the drain, where it can form a liquid layer on the wall, which runs off.
  • the temperature on the wall should be above the melting temperature of L1 2 CO 3 for this purpose.
  • the simulation was performed using CFD (computational fluid dynamics) calculations with 96 primary gas inlets, below which were the liquid-lithium nozzles (packs of 25). Secondary gas (recirculated exhaust gas, ie, CO / CO 2 ) was supplied through two annular gaps in the outer area on the inner and outer walls of the upper ceiling of the melting chambers to form a protective film for the upper region of the walls.
  • the melting chamber 24 comprised melt catchers, wherein the inclination angle of the melt catcher was 15 ° with respect to the horizontal with an inclination to the inside.
  • the simulation was carried out such that a Auslasstempe ⁇ temperature of the product gas mixture so that the wall ⁇ temperatures were sure about 1100K 1373K, was.
  • This model of the combustion of lithium may be Fischer P, Schiemann M, Scherer V, Maas P, Schmid G, Tataata D, "A numerical model of the combustion of single lithium particles with C02", Fuel 2015; 160: 87 - 99, to which reference is hereby made and the content of which is hereby fully incorporated by reference.
  • the model is divided into five sub-steps of the
  • the speed at the secondary inlet inside was 9.98 m / s, the speed at the secondary inlet outside 13.51 m / s, and the speed at the primary inlets 11.06 m / s.
  • the Incorporation of the gas flow and the metal took place at the same angle.
  • the simulation was carried out such that all developing Parti ⁇ kel or drops collide with a wall and / or floor, which can be hot here.
  • the diameter of the simulated melting chamber (outer wall, without taking into account its thickness) was 12 m, the diameter of the inner wall 6 m (simulated without thickness), and the height 7 m.
  • the simulation was carried out after evaluating the preliminary tests with a specific particle size distribution from a specific nozzle. It has a particle distribution was adopted by: (. 10% by weight of the particles are smaller than the specified value). Dio, d 5 o (. 50% by weight of the particles are smaller than the attached ⁇ passed value) and dgo (90% by weight of Particles smaller than the specified value) of 28.2, 84.4 and 175.7 mm.
  • the mean particle size was 136 ⁇ m (particle size distribution: Ro ⁇ sin-Rammler with 20 different diameters).
  • FIGS. 9 to 19 Various results of the simulation are shown in FIGS. 9 to 19.
  • the temperature distribution in the reactor chamber must be taken into consideration.
  • a temperature window between 993 K (melting temperature L1 2 CO 3 ) and 1583 K (decomposition temperature L 1 2 CO 3 ) is advantageous for enabling a liquid withdrawal of the reaction products.
  • FIGS. 9 and 10 show by way of example the corresponding temperature profile for a lambda value of 1.3 and an injection angle or angle ⁇ of 30 °.
  • FIG. 9 shows results of a simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of
  • FIG. 11 shows the axial velocity v ax in the z direction (z axis upward) in the xz plane, as shown in FIG. 6, in m / s in the simulation with a reaction gas excess of 1.3 and 1 Introduction angle of 30 ° are ent ⁇ taken.
  • In the outdoor area (right) is a slow Flow downwards with values below 0. After deflection and passage of the melt catcher, there is a fast flow upwards in the middle area of the inner area (left).
  • the figure 12 is analogous to Figure 11, the results of the RA ⁇ Dialen velocity V r in the x-direction (x-axis to the right) in the xz plane - as shown in Figure 6 - in m / s in the Si ⁇ mulation to take a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 °. In particular, this is very strongly negative from the lower edge of the inner wall into the inner area. In the upper area, on the other hand, it is rather positive, both outdoors and indoors. At the cone also prevails above a positive radial Geschwin ⁇ speed, on the ground and the end it is something negative.
  • Figure 13 shows analogously to Figure 11, the results of the tangentia ⁇ len speed v tan in y-direction (y-axis in the Zei ⁇ chenebene in) in the xz plane - as shown in Figure 6 - in m / s in the simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 °.
  • a reaction gas excess of 1.3
  • an introduction angle of 30 ° Inside this is between the inner wall and the cone is positive, negative otherwise, whereby more particularly to a high negative value in the bottom area and there in particular on the cone, so un ⁇ terrenz the melting scavengers obtained. Outside, the flow is directed to the viewer, and there is a
  • Figures 14 to 16 are exemplary particle trajectories of exemplary introduced metal particles with the relative degree of conversion X rel in the simulation with a Reakti ⁇ onsgasschreibschuss of 1.3 and an inlet angle of 30 ° (Figure 14), 15 ° ( Figure 15) and 0 ° (FIG. 16) in a melt chamber cutout shown according to FIG.
  • Figure 14 Figure 14
  • Figure 15 Figure 15
  • FIG. 16 Figure 14
  • Figure 15 Figure 15
  • FIG. 16 0 °
  • Figure 14 at an angle ⁇ of 30 ° can be observed after about half of the reactor, a nearly vollpati ⁇ ger burnout or reaction of the particles. However, in FIG not converted all particles more, and also can ver ⁇ multi-pass particles through the melt catcher. In a vertical feed, as in FIG. 16, a majority of the particles pass through the melt catchers, and a reduced reaction is also observed as in FIG.
  • FIG. 17 shows the results of the turbulent intensity I t of a simulation with a reaction gas excess of 1.3 and an introduction angle of 30 ° in the xz plane of a melting chamber according to the invention - as shown in FIG. Strong turbulence can be seen especially in the interior and especially above the melt catcher. Analogous result ⁇ se result (not shown) for the turbulent kinetic energy.
  • Figures 18 and 19 show the dependence of the conversion ⁇ rate (Figure 18) and the outlet temperature of the gas and the product particles / gobs at the outlet ( Figure 19) from the Einleitwinkel of the metal droplets and the primary gas, and the ratio of lambda ( ⁇ ) between the actual Gas mass flow and at least necessary reaction gas mass flow for a complete reaction of the metal drops.
  • Lambda is here the ratio of the mass flows of actual reaction gas / minimum reaction gas (for a complete theoretical implementation):
  • Lambda ( ⁇ ) mass flow ratio reaction ⁇ gas / reaction gas
  • the solution according to the invention is characterized, inter alia, by the fact that, for the combustion of metals in gases, for example CO2 or N 2 -containing gases, individual of the elements enumerated below together with advantages and / or or combinations thereof include:
  • a Schmelzftician minimalist may be provided for the separation of liquid, drop-shaped Abbrandagen from the exhaust gas, which further use of the allows the combustion of thermal energy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einer Schmelzkammer, bei welchem Verfahren ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Al und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit dem Brenngas verbrannt wird, eine Schmelzkammer, in der das Verfahren durchgeführt werden kann, sowie eine Schmelzfeuerung mit einer solchen Schmelzkammer.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zur Energiegewinnung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbrennen eines
Brenngases in einer Schmelzkämmer, bei welchem Verfahren ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalime¬ tallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit dem Brenngas verbrannt wird, eine Schmelzkämmer, in der das Verfahren durchgeführt werden kann, sowie eine Schmelzfeuerung mit einer solchen Schmelzkämmer .
Die vorliegende Beschreibung nimmt ganz oder teilweise auf Gegenstände, die aus der DE102014202591, DE102014203039, DE102014210402, DE102014209529 , DE102014219276 ,
DE102014219274, DE102014219275 , DE102014222919 ,
DE102008031437 bekannt sind, Bezug. Deren Offenbarung ist daher jeweils dieser Beschreibung per Referenz hinzugefügt und damit Teil der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung.
In der DE102008031437 wird beschrieben und ist zumindest in diesem Rahmen der vorliegenden Beschreibung per Referenz hinzugefügt, wie mit Alkalimetallen vollständig rezirkulierbare Energiekreisläufe dargestellt werden können. Diese sind in der W02012/038330 und W02013/156476 detaillierter ausgearbei¬ tet, und wird zumindest diesbezüglich vorliegender Beschrei¬ bung hinzugefügt und zwar gemeinsam mit zumindest dem Teil der DE102014219274, in dem beschrieben wurde, wie ein solches Kraftwerk aussehen könnte.
In der DE102014203039 wird beschrieben und ist zumindest in diesem Rahmen der vorliegenden Beschreibung per Referenz hinzugefügt, wie sich entstehendes Lithiumnitrid mittels eines Zyklons nach der Verbrennung abtrennen lässt. Im Rahmen der
Offenbarung der vorliegenden Erfindung wird unter anderem die Verbrennung von Lithium in einem Schmelzkammerkessel dargestellt . Die Schmelzkammerfeuerung wird auch bei der Verbrennung fossiler Energieträger eingesetzt. Beispielsweise ist aus der in „Ake T, Beittel R, Lisauskas R, Riley D., Slag Tap Firing System for a Low Emission Boiler. Netl.doe.gov 2008." beschriebenen und hiermit auch in die vorliegende Beschreibung per Referenz inkludierten Schrift eine Kohlefeuerung bekannt, genauso wie bei dem aus „Black JB, NETL. Cost and Performance Baseline for Fossil Energy Plants Volume 3a: Low Rank Coal to Electricity: IGCC Gases. 2011." bekannten, ebenso per Refe¬ renz inkludierten Artikel ein Flugstromvergaser bekannt ist.
Die vorliegende Erfindung beschreibt demgegenüber die Ver¬ brennung von Metallen in einer entsprechenden Brennkammer, beispielsweise einer 100MW Brennkammer, und offenbart ferner die Durchführbarkeit der Erfindung mit Ergebnissen hierzu, die hier beispielsweise auf experimentellen Ergebnissen auf kleiner Skala, insbesondere Einzelpartikelreaktionen, Brennerkonzepten mit Metallzerstäubung im Bereich von 30kWth (thermisch) und darauf basierten Simulationen einer großtechnischen Anlage beruhen.
Die Erfindung setzt dabei unter anderem darauf auf, dass im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Energieerzeugungseinrich- tungen vorgeschlagen wurden, die mit bei der Oxidation von beispielsweise metallischem Lithium erzeugter Wärme arbeiten, wie beispielsweise der US 3328957 entnommen werden kann, deren Offenbarung zumindest diesbezüglich der vorliegenden Beschreibung beigefügt ist.
In einem solchen System werden beispielsweise 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. Die Erfindung baut ferner in erfinderischer Weise darauf auf, dass elektropositive Metalle wie Lithium auch zusätzlich zur Gewinnung von chemischen Grundstoffen eingesetzt werden kön- nen. Beispiele hierfür sind die Umsetzung mit Stickstoff zu Lithiumnitrid und nachfolgender Hydrolyse zu Ammoniak, oder die Umsetzung mit Kohlendioxid zu Lithiumoxid und Kohlenmono- xid. Das feste Endprodukt der Umsetzung des Lithiums ist je¬ weils das Oxid oder Carbonat, das dann wieder mittels Elekt- rolyse zu Lithiummetall reduziert werden kann.
Damit kann ein Kreislauf bezüglich des elektropositiven Metalls etabliert werden, in dem Strom, z.B. überschüssiger Strom, beispielsweise aus regenerativen Energien wie Wind und/oder Photovoltaik (PV) , gespeichert und zur gewünschten
Zeit in Strom zurück gewandelt werden kann und/oder chemische Grundstoffe gewonnen werden können.
Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf an einer effizienten Umsetzung von elektropositiven Metallen sowie einer effizienten Abtrennung von Produkten der Verbrennung, insbesondere bei Durchführung eines solchen Verfahrens im Bereich großer thermischer Leistungen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Reaktorkonzept für die Verbrennung von Metallen vorgestellt, bei dem die thermische Leistung im Bereich von einigen 100kW bis 500MW oder sogar 1 GW liegen kann. Gemäß eines ersten Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einer
Schmelzkämmer, bei welchem Verfahren ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit dem Brenngas verbrannt wird, wobei das Metall M und ein Primärgas umfassend das Brenngas von oben in einen Außenbereich der Schmelzkammer zwischen einer äußeren Wand und einer inneren Wand der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei das Metall M und/oder das Primärgas im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Außenbereich der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine Schmelzkämmer, umfassend :
einen Außenbereich zwischen einer äußeren Wand und einer in- neren Wand der Schmelzkämmer;
einen Innenbereich innerhalb der inneren Wand der Schmelzkammer;
einen Bodenbereich, der unterhalb sowohl des Außenbereichs als auch des Innenbereichs der Schmelzkammer liegt, umfassend einen im Wesentlichen nach innen geneigten Boden, der mit der äußeren Wand verbunden ist;
einen Ablauf für eine Schmelze, der sich zentral im Bodenbe¬ reich befindet und mit dem geneigten Boden verbunden ist; eine Vielzahl von Düsen oberhalb bzw. in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebildet sind, ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, in den Außenbereich der Schmelzkammer einzubringen ;
eine Vielzahl von primären Gaseinlässen in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebil¬ det sind, ein Primärgas umfassend ein Brenngas in den Außen¬ bereich der Schmelzkammer einzubringen;
mindestens einen Gasauslass an einem oberen Ende des Innenbe- reichs der Schmelzkämmer;
wobei die Vielzahl von primären Gaseinlässen und/oder die Vielzahl von Düsen derart ausgebildet sind, das Primärgas und/oder das Metall M im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Außenbereich der Schmelzkammer zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt. Darüber hinaus ist eine Schmelzkammerfeuerung offenbart, umfassend die erfindungsgemäße Schmelzkammer und einen Kessel, welcher oberhalb der Schmelzkammer angebracht ist und der mit dieser verbunden ist.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung und den beigefügten Figuren zu entnehmen.
Beschreibung der Figuren
Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Ver- ständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maß- stabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung vom Düsendurchmesser bei einer Zerstäubung von Lithium mit Hilfe einer Einstoffdralldruckdüse .
In Figur 2 ist die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung von der Zerstäubungsgasgeschwindigkeit bei der Zerstäubung einer Lithiumschmelze mit Hilfe einer Zweistoffdüse gezeigt.
Figur 3 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer mit beispielhaften Gasflüssen.
In Figur 4 ist schematisch ein 1/8-Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer dargestellt. Figur 5 zeigt schematisch einen 1/8-Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer aus der Ansicht von oben (xy- Ebene) . In Figur 6 ist schematisch ein Schnitt durch die xz-Ebene ei¬ ner erfindungsgemäßen Schmelzkammer dargestellt.
Die Figuren 7 und 8 zeigen schematisch das Prinzip der Verwendung von Schmelzfängern (Figur 7) bzw. Schmelzfängern mit innerem Kegel (Figur 8) in einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer .
Die Figur 9 zeigt Ergebnisse einer Simulation mit einem Reak- tionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° in einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer - wie in Figur 6 gezeigt, wobei die Temperaturen in K in der xz-Schnittebene angezeigt sind.
Figur 10 zeigt Ergebnisse der Temperaturverteilung an den Wänden einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer - wie in Figur 4 gezeigt .
Der Figur 11 kann die axiale Geschwindigkeit vax in z- Richtung (z-Achse nach oben) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Simulation mit einem Reaktionsgas- überschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° ent¬ nommen werden.
Der Figur 12 sind analog zur Figur 11 die Ergebnisse der ra- dialen Geschwindigkeit Vr in x-Richtung (x-Achse nach rechts) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Si¬ mulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° gezeigt. Figur 13 zeigt analog Figur 11 die Ergebnisse der tangentia¬ len Geschwindigkeit vtan in y-Richtung (y-Achse in die Zei¬ chenebene hinein) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Simulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30°.
Der Figuren 14 bis 16 sind beispielhafte Partikelflugbahnen von beispielhaft eingebrachten Metallpartikeln mit dem relativen Umsetzungsgrad Xrei bei der Simulation mit einem Reakti¬ onsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° (Figur 14), 15° (Figur 15) und 0° (Figur 16) in einem gemäß Figur 4 gezeigten Schmelzkammerausschnitt dargestellt.
Figur 17 zeigt die Ergebnisse der turbulenten Intensität I tur einer Simulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° in der xz-Ebene einer erfin¬ dungsgemäßen Schmelzkammer - wie in Figur 6 gezeigt.
Die Figuren 18 und 19 zeigen die Abhängigkeit der Umsetzungs¬ rate (Figur 18) sowie der Austrittstemperatur des Gases und der Produktpartikel/-tropfen am Austritt (Figur 19) vom Einleitwinkel der Metalltropfen und des Primärgases, sowie der Verhältnisses Lambda (λ) zwischen tatsächlicher Gasmassen- fluss und mindestens notwendiger Reaktionsgasmassenfluss für eine vollständige Reaktion der Metalltropfen. (Lambda = Reak- tionsgas/Mindestreaktionsgas) . Definitionen
So nicht anderweitig definiert haben hierin verwendete tech¬ nische und wissenschaftliche Ausdrücke dieselbe Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Fachgebiet der Erfindung gemeinhin verstanden wird.
Als elektropositive Metalle werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Alkali- und Erdalkalimetalle sowie Aluminium und Zink verstanden. Bevorzugt sind als elektropo- sitive Metalle Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, AI und Zn sowie Mi¬ schungen und/oder Legierungen davon, weiter bevorzugt Li, Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba sowie Mischungen und/oder Legierungen davon . Eine Schmelzkammerfeuerung, auch kurz Schmelzfeuerung genannt, ist eine Vorrichtung zum Verbrennen von Brennstoffen, bei der so hohe Temperaturen erreicht werden, dass zumindest ein entstehendes Produkt, welches bei Raumtemperatur ein
Feststoff ist, flüssig bleibt und so als Flüssigkeit abgezo¬ gen werden kann.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einer Schmelzkammer, bei welchem Verfahren ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit dem Brenngas verbrannt wird, wobei das Metall M und ein Primärgas umfas- send das Brenngas von oben in einen Außenbereich der Schmelzkammer zwischen einer äußeren Wand und einer inneren Wand der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei das Metall M und/oder das Primärgas im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Au- ßenbereich der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt.
Die Vertikale verläuft in der Schmelzkammer von oben nach un- ten, zum Boden hin. Die Tangente zur äußeren und/oder inneren Wand ergibt sich demgegenüber als horizontale Tangente an die jeweilige Wand, also an eine entsprechende Kurve der äußeren und/oder inneren Wand, welche beispielsweise bei Hohlzylin¬ dern als äußere und/oder innere Wand eine Tangente an einen Kreis darstellt. Neben kreisrunden Hohlzylindern können die äußere und/oder innere Wand aber auch anders geformt sein, beispielsweise mit einem ovalen Querschnitt, insofern eine horizontale Tangente an die äußere und/oder innere Wand ge¬ legt werden kann, eine also mindestens eine Kurve aufweist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die äußere und/oder innere Wand als kreisrunde Hohlzylinder, bevorzugt konzentri¬ sche Hohlzylinder ausgebildet. Die innere Wand und die äußere Wand sind jeweils mit sich selbst verbunden, schließen sich also jeweils in horizontale Richtung, sodass zwischen beiden Wänden der Außenbereich entsteht. Die innere Wand liegt hierbei innerhalb der äußeren Wand, sodass sich der Außenbereich zwischen den beiden Wänden in vertikaler Richtung erstreckt.
Die Schmelzkammer selbst ist nicht besonders beschränkt, so¬ fern sie eine äußere Wand und eine innere Wand aufweist, zwi- sehen denen ein Außenbereich gebildet werden kann. Die äußere Wand und innere Wand sind hierbei im Wesentlichen parallel in Richtung zum Boden, sodass das Metall M und das Brenngas von oben eingeführt werden können. Gemäß bestimmten Ausführungs¬ formen sind die äußere Wand und die innere Wand konzentrisch zueinander angelegt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die äußere Wand und die innere Wand in einer Aufsicht von oben im Wesentlichen rund bzw. rund, haben also jeweils die Form eines im Wesentlichen runden bzw. runden Hohlzylinders. Hierbei weist also die innere Wand einen geringeren Durchmes- ser auf als die äußere Wand, wobei die beiden hierbei bevor¬ zugt konzentrisch sind, um einen Außenbereich zu bilden, welcher zwischen beiden Wänden in bestimmten Segmenten mit einem bestimmten Winkel zum Zentrum der Hohlzylinder im Wesentlichen ein gleiches Volumen aufweist, sodass die Temperaturver- teilung bei einer Verbrennung gleichmäßig erfolgen kann.
Die Wandstärken der äußeren Wand und der inneren Wand sind nicht besonders beschränkt, insofern sie dem Gasdruck in der Schmelzkammer widerstehen können.
Auch ist das Material der äußeren Wand und der inneren Wand nicht besonders beschränkt, insofern es den Temperaturen bei der Verbrennung von Metall M und Brenngas standhalten kann. Beispielsweise können die innere und die äußere Wand, wie auch die weiteren Bestandteile der Schmelzkämmer, wie etwa die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schmelzkammer beschriebenen Bestandteile, z.B. der nach innen geneigte Boden, der Ablauf für die Schmelze, die Vielzahl von Düsen, die Vielzahl von primären und sekundären Gaseinlässe, der Gasaus- lass, die Schmelzfänger und/oder der nach oben sich zuspitzende Kegel, und/oder der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Schmelzkammerfeuerung beschriebene Kessel, aus Eisen, Stahl, beispielsweise Fe-Cr-Stahl, Fe-Ni-Cr-Stahl , Edelstahl, etc. bestehen, wobei diese beispielsweise auch an das Metall M und das Brenngas angepasst sein können. Auch können die verschiedenen Bestandteile aus demselben Material bestehen oder aus unterschiedlichen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist das Metall M ausgewählt aus Li, Na, K, Mg, Ca, Sr, Ba, AI und Zn und/oder Mischungen und/oder Legierungen davon, weiter bevorzugt Li, Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba und/oder Mischungen und/oder Legierungen davon.
Neben Lithium ist also auch die Verwendung von ähnlichen Metallen wie Natrium, Kalium; Magnesium, Calcium; Aluminium und Zink möglich.
Weiterhin ist das Brenngas nicht besonders beschränkt, sofern es mit dem Metall M verbrannt werden kann. Es eignen sich beispielsweise Luft, CO2 , Wasser und/oder N2 als Brenngas, oder aber auch Mischungen. Es kann also auch mehr als ein Brenngas enthalten sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst das Brenngas CO2 und/oder N2. Gemäß bestimmten Aus¬ führungsformen besteht das Brenngas im Wesentlichen aus CO2 und/oder N2. Erfindungsgemäß ist die Verbrennung von Metallen M, z.B.
elektropositiven Metallen, wie Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium oder in eingeschränktem Maße auch Aluminium oder Zink neben Luft auch in Kohlendioxid ( C O 2 ) , Wasser (H20) und/oder Stickstoff möglich, wobei bei- spielsweise die Verbrennung von Na und/oder K bevorzugt mit CO2 und/oder H20 erfolgt. Dabei können insbesondere die che¬ mischen Grundstoffe Kohlenmonoxid (CO) und/oder Wasserstoff (H2) gebildet werden, wie auch beispielsweise entsprechende Carbonate, Nitride, etc.
Daneben kann das Primärgas eine Gaskomponente oder mehrere Gaskomponenten enthalten, welche beispielsweise einen Wärmetransfer aus der Reaktion ermöglicht. Das Primärgas kann also neben dem Brenngas weiterhin mindestens eine weitere Gaskom¬ ponente zum Wärmetransfer umfassen, ein sogenanntes Wärmetransfergas, welches die bei der Verbrennung entstehende Wär- me transportieren kann und moderierend wirken kann. Beispielsweise kann bei Verwendung von CO2 als Brenngas CO als Gaskomponente zum Wärmetransfer dienen. CO2 kann beispiels¬ weise aus einer Anlage zur Kohlendioxidabtrennung und/oder einer Kohlenverbrennung, einem Kohlekraftwerk, etc., stammen Es ist aber auch nicht ausgeschlossen, dass das Primärgas nur aus dem Brenngas besteht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, dass die bei der Verbrennung von Brenngas und Metall M entstehende Wärme auf ein Wärmetransfergas übergeht, welches dann über einem Gasauslass ggf. zusammen mit einem Produktgas und/oder unverbrauchtem Brenngas und/oder einem weiteren Gas wie einem Sekundärgas in einen Kessel ausgelassen werden kann. Auch das Produktgas und/oder unverbrauchtes Brenngas und/oder das wei- tere Gas wie ein Sekundärgas können Wärme aus der Reaktion von Brenngas und Metall M aufnehmen. Die im Kessel im Gas bzw. den Gasen enthaltene Energie, beispielsweise Wärmeener¬ gie, kann dann zur Gewinnung von Energie, beispielsweise Fernwärme und/oder elektrische Energie, verwendet werden. Auch können Produktgase entstehen, welche chemisch weiterverwendet werden können und/oder als Wertprodukte dienen, beispielsweise Alkohole wie Methanol und/oder Ethanol, Ethen, Ethin, Ammoniak, etc. Die Mischung von Wärmetransfergas ggf. zusammen mit einem Produktgas und/oder unverbrauchtem Brenn- gas und/oder einem weiteren Gas wie einem Sekundärgas wird nachfolgend auch als Produktgasgemisch bezeichnet. Bei der Reaktion entstehende Wärme kann aber auch oder zusätzlich bereits zuvor - beispielsweise innerhalb der
Schmelzkammer - zumindest teilweise abgeführt werden, bei¬ spielsweise über Wärmetauscher, welche innerhalb der äußeren und/oder inneren Wand und/oder weiteren Bestandteilen der Schmelz kämmer, wie etwa dem nach innen geneigten Boden, dem Ablauf für die Schmelze, dem Gasauslass, den Schmelzfängern und/oder dem nach oben sich zuspitzende Kegel vorgesehen sein können, und/oder separat auch innerhalb der Schmelzkammer vorgesehen sein können.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen liegt der Winkel φ in einem Bereich von ca. 5° bis ca. 60°, bevorzugt ca. 7° bis ca. 45°, weiter bevorzugt ca. 8° bis ca. 35°, noch weiter bevor- zugt ca. 15° bis ca. 30°, insbesondere ca. 17,5 bis ca.
21,5°, beispielsweise bei ungefähr ca. 22° bis ungefähr ca. 23°, z.B. ungefähr ca. 22,5°. Bei einem zu geringen Winkel φ kann es zu einer unzureichenden Reaktion von Brenngas und Metall M kommen, und es kann auch schwierig sein, ein Produkt der Verbrennung von Brenngas und Metall M geeignet in der
Schmelzkammer abzutrennen. Bei einem zu großen Winkel φ kann wiederum eine zu geringe Reaktionsrate zwischen Metall M und Brenngas vorliegen, bevor das Brenngas und/oder das Metall M mit der inneren und/oder äußeren Wand in Berührung kommen, was zu einer verminderten Reaktion führen kann.
Durch die Zufuhr des Primärgases und/oder des Metalls M unter einem bestimmten Winkel φ kann eine Art Rotationsströmung erzielt werden, wobei die Partikel und/oder Tropfen des Metalls M auch eine Art Seitenbewegung innerhalb der Schmelzkammer vollführen, also die Flugbahn davon auch eine tangentiale, horizontale Komponente neben der nach unten gerichteten Strömungskomponente aufweist. Durch die Rotationsströmung kann eine turbulente Vermischung von Metall M und Primärgas er- zielt werden. Zudem kann eine Art Wirbel bzw. Verwirbelung erzeugt werden, und Partikel können durch Trägheit an die äu¬ ßere Wand geleitet werden. Es hat sich gezeigt, dass durch eine Erhöhung des Injektions¬ winkels bzw. Winkels φ in tangentialer Richtung die
Verwirbelung zunehmen kann, was zu einer besseren Abtrennung von Produktpartikeln und einer geringeren Erstreckung der Re- aktion der Partikel führen kann, da eine Kollision mit der Wand eher erfolgt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Verbrennung derart, dass eine im Wesentlichen homogene Temperaturvertei- lung beim Verbrennen gewährleistet ist. Dies kann beispiels¬ weise durch geeignete zeitliche Zufuhr von Brenngas und Me¬ tall M gewährleistet werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden das Metall M und das Primärgas örtlich gemeinsam in die Schmelzkammer eingebracht bzw. zugeführt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr von Metall M und Primärgas in dieselbe Rich¬ tung. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kreuzen sich die Zufuhrströme von Metall M und Primärgas nicht, wenn sie aus verschiedenen Zufuhrpunkten zugeführt werden, sondern werden in die gleiche Richtung eingeführt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden das Metall M und das Primärgas örtlich zu¬ sammen in dieselbe Richtung in die Schmelzkammer eingebracht. Darüber hinaus werden das Metall M und das Primärgas zeitlich gemeinsam in die Schmelzkammer eingebracht, um eine Reaktion von Metall M und Brenngas zu gewährleisten.
Die Zufuhr bzw. das Einbringen von Metall M und Primärgas sind nicht besonders beschränkt und können auf geeignete Wie- se erfolgen. Beispielsweise kann eine gemeinsame Zufuhr mit¬ tels einer Zweistoffdüse erfolgen, oder es kann eine Zufuhr über Einstoffdüsen, beispielsweise Einstoffdüsen, z.B.
Einstoffdralldruckdüsen erfolgen. Hierfür können mehrere gleiche oder verschiedene Düsen vorgesehen sein, um das Me- tall M und das Primärgas möglichst gleichmäßig in den Außen¬ bereich zwischen innerer Wand und äußerer Wand einzubringen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Metall M flüssig zugeführt. Entsprechend kann das Metall M vor der Zufuhr ge¬ eignet vorgewärmt werden, beispielsweise durch entsprechende Heizeinrichtungen. Beispielsweise kann Li auf eine Temperatur von ca. 500 bis ca. 1000 K, z.B. von ca. 550 bis ca. 750 K, beispielsweise ca. 570 K bis ca. 705 K, z.B. ca. 610 bis ca. 690 K vorgewärmt werden. Ebenso kann auch das Primärgas zum Einstellen einer geeigneten Temperatur in der Schmelzkammer vorgewärmt werden, beispielsweise mit geeigneten Heizeinrich- tungen. Beispielsweise kann ein Primärgas bestehend aus CO2 als Brenngas und CO als Wärmetransfergas auf eine Temperatur von ca. 400 bis ca. 1000 K, z.B. von ca. 450 bis ca. 850 K, beispielsweise ca. 470 K bis ca. 705 K, z.B. ca. 540 bis ca. 620 K vorgewärmt werden. Für andere Brenngase und Wärmetrans- fergase bzw. generell andere Primärgase wie auch für andere
Metalle M können sich andere Temperaturen ergeben, wobei diese auch vom eingesetzten Metall M, dem Mischverhältnis von Brenngas und Wärmetransfergas und anderen Komponenten des Primärgases, der Stöchiometrie der Verbrennung, etc. abhän- gen, und kann vom Fachmann abhängig von einer erwünschten Temperatur in der Schmelzkammer und/oder einer gewünschten Temperatur eines flüssigen Produkts und/oder einer erwünschten Temperatur eines Produktgasgemisches geeignet eingestellt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen werden Metall- sprays mit Partikelgrößen kleiner 200 - 250 ym, z.B. kleiner 250 ym, kleiner 230 ym, kleiner 210 ym oder kleiner 200 ym, verwendet .
Die Zerstäubung einer Metallschmelze des Metalls M, wenn die- ses flüssig eingebracht wird, wie einer Lithiumschmelze, kann durch unterschiedliche Zerstäubungstechniken vorteilhaft rea¬ lisiert werden. Beispielhaft sind zu nennen Einstoff-, Zwei¬ stoff- und/oder Porendüsen, beispielsweise:
• Einstoffdralldruckdüsen
• Zweistoffdüsen
• Porendüsen Diese sind hinsichtlich ihrer Ausgestaltung nicht besonders beschränkt. Hierbei kann beispielsweise ein Versprühen des flüssigen Metalls in einer Zweistoffdüse erfolgen, bei der durch den Primärgasfluss ein Unterdruck erzeugt werden kann, so dass Metalltropen gebildet werden. Alternativ können flüssige Metalltropfen auch in einer Einstoffdüse erzeugt werden.
Es ist hierbei aber nicht ausgeschlossen, dass das Metall M alternativ oder zusätzlich in fester Form, beispielsweise als Pulver, mittels geeigneter Düsen zugeführt wird, wobei diese Düsen ebenfalls nicht beschränkt sind.
Für die Zufuhr als Pulver wie auch für die Zufuhr als Flüssigkeit ist die Teilchengröße des Metalls M nicht besonders beschränkt. Für das vorliegende Verfahren können also ver¬ schiedene Partikelgrößenverteilungen des Ausgangsmaterials, insbesondere des Metalls M, verwendet werden, welche bei¬ spielsweise mittels Siebanalyse oder Laserdiffraktometrie be¬ stimmt werden können, wobei diese hier für das Verfahren nicht einschränkend sind.
Die Zufuhr von Metall M und Primärgas kann über eine Vielzahl von Düsen und eine Vielzahl von primären Gaseinlässen erfolgen, um eine gute Verteilung von Metall M und Primärgas im Außenbereich der Schmelzkammer zwischen der äußeren und inneren Wand zu erzielen.
Die Zufuhr von Metall M durch eine Düse erfolgt gemäß be¬ stimmten Ausführungsformen derart, dass an der Düse selbst keine Reaktion mit dem Brenngas erfolgt, um ein Verstopfen der Düse zu vermeiden. Dies kann beispielsweise durch Einstellen einer geeigneten Temperatur der Düse und/oder durch Vermischen von Metall M und Brenngas bzw. Primärgas erst au¬ ßerhalb der Düse bewerkstelligt werden. Gemäß bestimmten Aus- führungsformen erfolgt durch die Düsen und/oder primären Gas- einlässe eine Verwirbelung des zugeführten Metalls M und/oder des Primärgases, was beispielsweise durch entsprechende
Düsengeometrien erzielt werden kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird mindestens ein entstehendes Produkt der Verbrennung des Metalls M mit dem
Brenngas flüssig an Schmelzfängern innerhalb der Brennkammer abgeschieden wird, wobei die Schmelzfänger mit der inneren Wand verbunden sind. Schmelzfänger stellen hierbei Streben dar, welche zusätzlich zur inneren Wand miteinander oder mit einem zentralen Körper verbunden sein können. Diese erstrecken sich gemäß bestimmten Ausführungsformen von der inneren Wand hin in einen Innenbereich der Schmelzkammer und nicht in den Außenbereich. Bei einem Hohlzylinder als innere Wand können sie beispielsweise wie die Speichen eines Rads nach innen hin zur zentralen Achse des Hohlzylinders angeordnet sein, wobei die Schmelzfänger zur Horizontalen einen Winkel aufwei- sen können oder nicht.
Die Schmelzfänger können dafür sorgen, dass ein entstehendes flüssiges Produkt zu einem großen Teil aus dem Produktstrom abgetrennt werden kann. Insbesondere eine geeignete Einstel- lung des Winkels φ der Zufuhr von Metall M und/oder Primärgas ist hierbei von Vorteil. Die Schmelzfänger können hierfür an einer geeigneten Stelle in der Schmelzkammer vorgesehen sein, beispielsweise in einem Innenbereich der Schmelzkammer innerhalb der inneren Wand, oder in einem Bereich unterhalb dieses Innenbereichs. Die Schmelzfänger können hierbei mit sich selbst verbunden sein oder einer zentralen Form, welche gemäß bestimmten Ausführungsformen konzentrisch mit der inneren Wand und/oder äußeren Wand angeordnet ist. Das Design der Schmelzfänger ist hierbei nicht besonders be¬ schränkt und kann geeignet erfolgen, beispielsweise anhand der in „Ake T, Beittel R, Lisauskas R, Riley D., Slag Tap Firing System for a Low Emission Boiler. Netl.doe.gov 2008" genannten Lehre, auf die hinsichtlich des Designs der
Schmelzfänger Bezug genommen wird und die daher diesbezüglich dieser Beschreibung per Referenz hinzugefügt ist. Die Anzahl an Schmelzfängern ist nicht besonders beschränkt und kann geeignet eingestellt werden, beispielsweise unter Berücksichtigung des Gasstroms in der Schmelzkämmer . Sie kann beispielsweise von 4 bis 40, beispielsweise 8 bis 32, z.B. 12 bis 18 oder 16 bis 26, z.B. 24, betragen. Ebenso ist die Di¬ cke, Länge Tiefe der Schmelzfänger nicht beschränkt, wie auch nicht deren Form, welche beispielsweise annähernd rechteckig sein kann, oder mit einer Aufweitung der Breite von einer zentralen Achse der Schmelzkammer hin zur inneren Wand. Auch können die Schmelzfänger von der horizontalen Ebene weg unter einem Neigungswinkel, beispielsweise von der inneren Wand nach innen hin nach unten, angeordnet sein, welcher nicht besonders beschränkt ist, um den Gasstrom in der Schmelzkammer besser abbremsen zu können. Zudem kann der Abstand zwischen zwei Schmelzfängern zur Verringerung des Strömungsquerschnitts geeignet eingestellt werden. Bezüglich all dieser Designmöglichkeiten der Schmelzfänger wird nochmals auf Ake T, Beittel R, Lisauskas R, Riley D., Slag Tap Firing System for a Low Emission Boiler. Netl.doe.gov 2008 Bezug genommen.
Die Schmelzfänger können zentral an einem zentralen Körper - wie etwa an einen sich nach oben hin verjüngenden Kegel - befestigt werden, welcher beispielsweise als solider Körper ausgeführt sein kann. Auch an diesem kann eine Abscheidung eines flüssigen Produkts der Verbrennung von Metall M und Brenngas erfolgen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Schmelzfänger zentral in einem inneren Bereich der Schmelzkammer und/oder in einem Bodenbereich der Schmelzkammer unterhalb des Innenbereichs mit einem sich nach oben zuspitzenden Kegel verbunden .
Durch geeignete Einstellung der Schmelzfänger und deren De- sign kann eine verbesserte Abtrennung von flüssigen Gasprodukten der Verbrennung von Metall M und Brenngas erfolgen. Beispielsweise können die Schmelzfänger ein Höhen- zu Breitenverhältnis von mehr als 2:1, beispielsweise 3:1 oder mehr oder 4:1 oder mehr, aufweisen, zumindest an einem Verbindungspunkt im Zentrum der Schmelzkämmer, beispielsweise bei der Verbindung mehrerer Schmelzfänger oder der Schmelzfänger an einen zentralen Körper wie einen sich nach oben zuspitzen- den Kegel.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das bei der Verbrennung des Brenngases mit dem Metall M entstehende Produktgas¬ gemisch, wie oben definiert, von unten durch die Schmelzfän- ger geleitet, um die ggf. enthaltenen, mitgeführten flüssigen Produkte der Verbrennung von Brenngas und Metall M geeignet abtrennen zu können. Hierzu wird der Gasstrom, der zunächst von oben im Außenbereich kommt, in einem Bodenbereich der Schmelzkammer umgelenkt, beispielsweise an einem geneigten Boden. Durch die Umlenkung des Gasstroms und den Durchgang durch die Schmelzfänger kann der Gasstrom beschleunigt werden. Hierbei können dann die flüssigen Produkttropfen auch infolge der Einströmung von Metall M und/oder Primärgas und der entstehenden Rotationsströmung an die Schmelzfänger ge- leitet werden.
Um zu gewährleisten, dass die flüssigen Produkte an den
Schmelzfänger und ggf. einem zentralen Befestigungskörper wie einem sich nach oben zuspitzenden Kegel als Flüssigkeit abge- schieden werden und Richtung Ablauf für eine Schmelze ablau¬ fen können, können die Schmelzfänger und ggf. der zentrale Befestigungskörper geheizt sein, beispielsweise mit Restwärme . Um eine bessere Abtrennung wie auch einen guten Umsatz von Metall M und Brenngas zu erreichen, wird gemäß bestimmten Ausführungsformen das Brenngas in einem, beispielsweise ge¬ ringen, stöchiometrischen Überschuss - als molares Verhältnis - zum Metall M (Verhältnis tatsächlich eingebrachtes Brenngas zu Menge an Brenngas für einen stöchiometrischen Umsatz;
nachfolgend auch als λ bezeichnet) eingebracht wird, welcher bevorzugt mindestens 1,1 ist, weiter bevorzugt mindestens 1,15 oder mehr, noch weiter bevorzugt mindestens 1,20 oder mehr, besonders bevorzugt 1,3 oder mehr.
Bei der Verbrennung von Brenngas und Metall M entsteht gemäß bestimmten Ausführungsformen innerhalb der Schmelzkammer mindestens ein flüssiges Produkt, wobei auch weitere flüssige und/oder gasförmige Produkte entstehen können.
In der Schmelzkammer werden die Produkte bevorzugt nicht fest, sondern flüssig abgetrennt, um einen Austrag von Fest¬ stoffPartikeln mit einem verbleibenden Gasstrom, umfassend Wärmetransfergas ggf. zusammen mit einem Produktgas und/oder unverbrauchtem Brenngas und/oder einem weiteren Gas wie einem Sekundärgas, zu vermeiden. Hierzu wird die Temperatur inner- halb der Schmelzkammer derart reguliert, dass eine Temperatur vorherrscht, bei der entstehende Produkte der Verbrennung von Metall M und Brenngas flüssig und/oder gasförmig vorliegen. Dies kann beispielsweise durch geeignete Einstellung der Tem¬ peratur des Metalls M und/oder des Primärgases oder Brennga- ses, Einstellung eines geeigneten Winkels φ, Einstellen eines geeigneten Zustroms an Metall M und/oder Primärgas (Volumenstrom oder Massenstrom) , geeignete Stochastik, Zufuhr eines Wärmetransfergases und/oder Sekundärgases, etc. gewährleistet werden .
Bei einer Verbrennung von beispielsweise Li als Metall M und CO2 sollte eine Temperatur beim Auslass bzw. des erzeugten Flüssigprodukts L12CO3 und/oder Li20 zwischen ca. 1100 K und 1450 K liegen, da bei zu hoher Temperatur sich L12CO3 zerset- zen kann und bei einer zu niedrigen Temperatur die Bildung von festem Kohlenstoff und/oder Carbonat erfolgen kann, welche sich als „Asche" an die Wände, Wärmetauscher, etc. abset¬ zen können. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird entlang der äußeren und/oder der inneren Wand der Schmelzkammer ein Sekundärgas - wie bereits zuvor angedeutet - von oben in den Außenbereich eingebracht. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird zumin- dest entlang der inneren Wand ein Sekundärgas von oben in den Außenbereich eingebracht. Gemäß bestimmten Ausführungsformen erfolgt die Zufuhr des Sekundärgases derart, dass zumindest in einem oberen Bereich des Außenbereichs eine laminare Strö- mung des Sekundärgases vorliegt. Die Zufuhr des Sekundärgases erfolgt hierbei gemäß bestimmten Ausführungsformen oberhalb der Zufuhr des Primargases oder zumindest auf gleicher Höhe. Hierdurch können die Wände von Metall M und/oder flüssigen Produkten aus der Verbrennung von Metall M und Brenngas ge- schützt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die
Zufuhrgeschwindigkeit des Sekundärgases höher als die Zufuhr¬ geschwindigkeit des Primärgases. Hierdurch können insbesonde¬ re im Bereich der Zufuhr des Primärgases und des Metalls M die Wände gut geschützt werden.
Das Sekundärgas kann wie das Primärgas eine Gaskomponente oder mehrere Gaskomponenten enthalten, welche einen Wärmetransfer aus der Reaktion ermöglicht, oder auch ein solches Wärmetransfergas sein, beispielsweise CO bei einer Verbren- nung von CO2, kann aber auch ein Gasgemisch sein, wie bei¬ spielsweise rezirkuliertes Abgas, beispielsweise umfassend oder bestehend aus CO und CO2, beispielsweise wenn als Pri¬ märgas auch ein C02/CO-Gemisch verwendet wird. Auch kann das Sekundärgas, ebenso wie das Primärgas und/oder das Metall M, zum Einstellen einer geeigneten Temperatur in der Schmelzkammer vorgewärmt werden, beispielsweise mit ge¬ eigneten Heizeinrichtungen. Bei geeigneter Einstellung der Temperaturprofile von Primärgas und Sekundärgas bzw. der Tem- peratur beim Einströmen kann die Strömung von beiden in der Schmelzkammer gezielt gesteuert werden, sodass beide bei¬ spielsweise zumindest in einem bestimmten Bereich aneinander abrutschen können, oder aber auch eine turbulente Strömung erzielt werden kann.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärgases zumindest bei der Zufuhr höher als die Strömungsgeschwindigkeit des Primärgases zumindest bei der Zufuhr. So ein Sekundärgas sowohl an der inneren Wand im Außenbereich wie auch an der äußeren Wand im Außenbereich zugeströmt wird, können sich die beiden Sekundärgasströme hin¬ sichtlich der Art des Gases und/oder der Strömungsgeschwin- digkeit unterscheiden und/oder gleich sein.
Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner zum Starten der Reaktion erforderlich. Nach dem Zündvorgang ist die Metallflamme üblicherweise selbsterhal- tend, wobei eine weitere Zündung erfindungsgemäß jedoch nicht ausgeschlossen ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Schmelzkämmer, umfassend:
einen Außenbereich zwischen einer äußeren Wand und einer inneren Wand der Schmelzkämmer;
einen Innenbereich innerhalb der inneren Wand der Schmelzkammer;
einen Bodenbereich, der unterhalb sowohl des Außenbereichs als auch des Innenbereichs der Schmelzkammer liegt, umfassend einen im Wesentlichen nach innen geneigten Boden, der mit der äußeren Wand verbunden ist;
einen Ablauf für eine Schmelze, der sich zentral im Bodenbe¬ reich befindet und mit dem geneigten Boden verbunden ist; eine Vielzahl von Düsen oberhalb bzw. in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebildet sind, ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, in den Außenbereich der Schmelzkammer einzubringen;
eine Vielzahl von primären Gaseinlässen in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebil¬ det sind, ein Primärgas umfassend ein Brenngas in den Außen¬ bereich der Schmelzkammer einzubringen;
mindestens einen Gasauslass an einem oberen Ende des Innenbe¬ reichs der Schmelzkämmer;
wobei die Vielzahl von primären Gaseinlässen und/oder die Vielzahl von Düsen derart ausgebildet sind, das Primärgas und/oder das Metall M im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Außenbereich der Schmelzkammer zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt.
Mit der erfindungsgemäßen Schmelzkammer kann das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden. Somit können die verschiedenen Bestandteile der Schmelzkammer auch derart beschaffen sein, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden.
Insbesondere können der Außenbereich zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand der Schmelzkammer sowie der Innenbereich innerhalb der inneren Wand der Schmelzkämmer, wie auch die äußere und die innere Wand, wie oben beschrieben ge¬ bildet sein. Um ein flüssiges Produkt der Reaktion von Brenngas und Metall M besser abscheiden zu können, können die innere und/oder äußere Wand auch gekühlt werden. Eine etwaige Kühlung der Wand kann darüber hinaus auch durch Einbringen von einem Sekundärgas entlang der Wand erzielt werden.
Der Bodenbereich, der unterhalb sowohl des Außenbereichs als auch des Innenbereichs der Schmelzkammer liegt, umfassend ei¬ nen im Wesentlichen nach innen geneigten Boden, der mit der äußeren Wand verbunden ist, ist ein unterer Bereich unterhalb der inneren Wand, wobei der Rand der inneren Wand vom geneigten Boden beabstandet ist. Er ist ebenfalls nicht besonders beschränkt .
Darüber hinaus ist auch der nach innen geneigte Boden nicht besonders beschränkt. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der nach innen geneigte Boden derart geneigt, dass ein flüs¬ siges Reaktionsprodukt der Reaktion von Metall M und Brenngas zum Ablauf hin ablaufen kann. Der Boden kann dabei auch in verschiedenen Abschnitten unter verschiedenen Winkeln geneigt sein, oder kann auch konstant unter einem bestimmten Winkel hin zum Boden geneigt sein.
Der Ablauf für eine Schmelze dient dazu, ein flüssiges Pro- dukt der Verbrennung von Metall M und Brenngas aus der
Schmelzkammer abzuführen. Er befindet sich im Bodenbereich und ggf. auch darunter und ist nicht besonders beschränkt. Das im Bodenbereich sowie ggf. an Schmelzfängern und/oder einem zentralen Körper wie einem sich nach oben zuspitzenden Kegel anfallende flüssige Produkt der Verbrennung von Metall M und Brenngas kann über den Ablauf ablaufen und einem weite¬ ren Behandlungsschritt oder einer Weiterverarbeitung, einem Lager, etc. zugeführt werden, was hier nicht beschränkt ist. Die Lage des Ablaufs ist zentral im Bodenbereich, also bei- spielsweise entlang einer zentralen Achse bei konzentrischen inneren und äußeren Wänden oder um diese Achse herum. Dies kann beispielsweise auch von der Beschaffenheit des Innenbe¬ reichs, beispielsweise der Anwesenheit von Schmelzfängern und/oder einem zentralen Körper wie einem sich nach oben zu- spitzenden Kegel abhängen, so dass beispielsweise der Ablauf rund um den Kegel angeordnet sein kann oder auch ein zentra¬ les „Loch" darstellen kann. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind im Ablauf möglichst keine Obstruktionen, wie Gitter, etc., vorhanden. Am Ablauf kann auch gemäß bestimmten Ausfüh- rungsformen ein Unterdruck angelegt werden, beispielsweise unter Verwendung entsprechender Pumpanordnungen, um ein gutes und schnelles Abfließen des flüssigen Produkts von Metall M und Brennstoff zu gewährleisten und einen längeren Verbleib davon in der Schmelzkammer zu vermeiden.
Die Vielzahl von Düsen oberhalb bzw. in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebildet sind, ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mi- schungen derselben, in den Außenbereich der Schmelzkammer einzubringen, sind nicht besonders beschränkt, wie auch nicht die Vielzahl von primären Gaseinlässen in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebil- det sind, ein Primärgas umfassend ein Brenngas in den Außen¬ bereich der Schmelzkammer einzubringen. Wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben können die Düsen und primären Gaseinlässe zusammen oder getrennt an- geordnet sein, sind gemäß bestimmten Ausführungsformen jedoch zusammen angeordnet, um eine schnelle Durchmischung von Me¬ tall M und Brenngas erzielen zu können.
Die Zerstäubung einer Metallschmelze des Metalls M, wenn die- ses flüssig eingebracht wird, wie einer Lithiumschmelze, kann durch unterschiedliche Zerstäubungstechniken vorteilhaft rea¬ lisiert werden. Beispielhaft sind zu nennen Einstoff-, Zwei¬ stoff- und/oder Porendüsen, beispielsweise:
Einstoffdralldruckdüsen
Zweistoffdüsen
Porendüsen
Diese sind hinsichtlich ihrer Ausgestaltung nicht besonders beschränkt. Hierbei kann beispielsweise ein Versprühen des flüssigen Metalls in einer Zweistoffdüse erfolgen, bei der durch den Primärgasfluss ein Unterdruck erzeugt werden kann, so dass Metalltropen gebildet werden. Alternativ können flüssige Metalltropfen auch in einer Einstoffdüse erzeugt werden.
Es ist hierbei aber nicht ausgeschlossen, dass das Metall M alternativ oder zusätzlich in fester Form, beispielsweise als Pulver, mittels geeigneter Düsen zugeführt wird, welche nicht beschränkt sind und auch Einstoff- und/oder Zweistoffdüsen umfassen können.
Für die Zufuhr als Pulver wie auch für die Zufuhr als Flüssigkeit ist die Teilchengröße des Metalls M nicht besonders beschränkt. Für das vorliegende Verfahren können also ver¬ schiedene Partikelgrößenverteilungen des Ausgangsmaterials, insbesondere des Metalls M, verwendet werden, welche bei¬ spielsweise mittels Siebanalyse oder Laserdiffraktometrie be stimmt werden können, wobei diese hier für das Verfahren nicht einschränkend sind.
Darüber hinaus ist auch die Vielzahl von primären Gaseinläs- sen nicht besonders beschränkt hinsichtlich der Ausgestal¬ tung. Wie bereits dargestellt können die Düsen und primären Gaseinlässe auch derart angeordnet sein, dass Metall M und Primärgas im Wesentlichen jeweils am selben Ort in die
Schmelzkammer zugeführt werden, beispielsweise in dieselbe Richtung und unter demselben Winkel φ. Hierfür können beispielsweise Düsen wie Einstoffdüsen unter einem bestimmten Winkel, etwa dem Winkel φ zur Vertikalen und mit tangentialer Ausströmung zu den Wänden, in die Schmelzkammer eingebaut werden, beispielsweise in Form von Injektorblöcken. Entspre- chend kann auch die Eindüsung durch Zweistoffdüsen und/oder Porendüsen geeignet eingestellt werden.
Die Anzahl an Düsen und primären Gaseinlässen ist nicht besonders beschränkt und wird bevorzugt derart gewählt, dass eine gute Verteilung von Metall M und Primärgas in der
Schmelzkämmer, insbesondere im Außenbereich, erfolgen kann, wobei dies von beispielsweise der Geometrie der Schmelzkam¬ mer, deren Volumen, weiteren Einbauten, etc., abhängen kann. Beispielsweise können mehr als 3 Düsen und/oder primäre Gas- einlässe vorgesehen sein, z.B. 4 oder mehr, 8 oder mehr, 15 oder mehr, 30 oder mehr, 50 oder mehr, oder 80 oder mehr. Die Zahl an Düsen und primären Gaseinlässen kann gleich oder verschieden sein. Es können beispielsweise auch mehrere primäre Gaseinlässe pro Düse für das Metall M vorgesehen sein. Auch können die Düsen für das Metall M und die primären Gaseinläs¬ se zusammengefasst sein, beispielsweise in Zweistoffdüsen .
Die Zufuhr von Metall M und Primärgas kann über eine Vielzahl von Düsen und eine Vielzahl von primären Gaseinlässen erfol- gen, um eine gute Verteilung von Metall M und Primärgas im
Außenbereich der Schmelzkammer zwischen der äußeren und inneren Wand zu erzielen. Der mindestens einen Gasauslass an einem oberen Ende des In¬ nenbereichs der Schmelzkammer ist ebenfalls nicht besonders beschränkt und dient der Abfuhr eines Produktgasgemisches nach der Abtrennung der flüssigen Produkte der Verbrennung von Metall M und Brenngas. Er kann einen Durchmesser aufweisen, der dem des Innenbereichs der Schmelzkammer entspricht, oder kleiner sein.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsge¬ mäße Schmelzkammer weiter mindestens einen sekundären Gasein- lass in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkammer, der dazu ausgebildet ist, ein Sekundärgas entlang der äußeren und/oder inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsge¬ mäße Schmelzkammer eine Vielzahl von sekundären Gaseinlässen in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebildet sind, ein Sekundärgas entlang der äuße¬ ren und/oder inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen. Die sekundären Gaseinlässe sind hierbei bevorzugt im Außenbereich der Schmelzkammer derart angeordnet, dass das Sekundärgas entlang der äußeren und/oder inneren Wand entlang eingeführt wird. Hierzu können beispielsweise ringförmige Spalten, eine Vielzahl von Düsen, etc. angeordnet sein. Hierdurch kann eine gute Schutzwirkung der jeweiligen Wand gegenüber dem Primärgas und/oder dem Metall M erzielt werden.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erfindungsge¬ mäße Schmelzkammer weiter eine Vielzahl an Schmelzfängern, welche im Innenbereich der Schmelzkammer mit der inneren Wand verbunden sind. Diese können wie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben beschaffen sein. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Schmelzfänger zentral im Innenbereich der Schmelzkammer und/oder im Bodenbereich der Schmelzkammer unterhalb des Innenbereichs mit einem sich nach oben zuspitzenden Kegel verbunden.
Eventuell sind eine elektrische Zündung oder ein zusätzlicher Zündbrenner zum Starten der Reaktion erforderlich. Nach dem Zündvorgang ist die Metallflamme üblicherweise selbsterhal¬ tend, wobei eine weitere Zündung erfindungsgemäß jedoch nicht ausgeschlossen ist. Eine Verbrennung eines zerstäubten Metalls M bzw. von Metalltropfen kann beispielsweise mit Hilfe einer Schmelzkammerfeu¬ erung realisiert werden, wie sie beispielhaft in Figuren 3 bis 8 gezeigt ist. Fig. 3 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer einer Schmelzkammerfeuerung. Im Deckel der Schmelzbrennkammer sind hier in einer möglichen Ausführungsform beispielhaft 96 primäre Gaseinlässe 1 als Gaszuführungen (in Fig. 3 quadratisch dargestellt, Gasströmung mit schwarzen Pfeilen) angebracht, über die das Primärgas unter einem Winkel zur Normalen in Rotationsrichtung in den Prozess eingebracht wird. Unterhalb der primären Gaseinlässe 1 sind parallel dazu Düsenpakete zur Zerstäubung des flüssigen Metalls vorgesehen (nicht gezeigt) . Die Anzahl der Düsen richtet sich nach dem für die Verbrennungsleistung erforderlichen Massenstrom an Metall und dem pro Düse erreichbaren Massenstrom, welcher nicht besonders beschränkt ist. Je nach Ausführung der Me¬ tallzerstäubungseinheit/Düse kann die Anzahl der Düsenpakete geändert werden. Am inneren und äußeren Rand sind Ringspalte als sekundäre Gaseinlässe 2 für die Zuführung von Sekundärgas vorgesehen, welches für einen Schutzfilm an der inneren und äußeren Wand sorgen kann (siehe Fig. 3 sekundäre Gaseinlässe 2) . Durch die Eindüsung von Metalltropfenspray und Primärgas (unabhängig von der Ausführung der Düsengeometrie) unter ei- nem definierten Winkel stellt sich in der Schmelzkammer eine Rotationsströmung ein. Die Strömung aus Partikeln und Gas strömt zum Boden der Kammer, wird dort umgelenkt und strömt dann nach oben Richtung Kessel (welcher über der Schmelzkammer positioniert und in der Figur zur Vereinfachung nicht dargestellt ist) durch einen Gasauslass 5 (zum Kessel) .
Die Abscheidung der Partikel aus der Strömung kann dabei in mehreren Schritten erfolgen, wobei bezüglich des Aufbaus hier auch auf Figuren 4 bis 8 Bezug genommen wird. Zum einen werden die Partikel durch Trägheitskräfte an die äußere Wand bzw. Außenwand 6 (siehe Figuren 4 bis 6) befördert, wo sie anhaften und Richtung geneigten Boden 8 fließen. Zum anderen sind am Ende der inneren Wand bzw. inneren Trennwand 7 und dem mittig am Boden 6 befindlichen Kegel 9 Schmelzfänger 3 angebracht .
Die Strömung bzw. Gasströmung 10 wird beim Passieren der Schmelzfänger 3 stark beschleunigt, da sich der Strömungs¬ querschnitt verjüngt, hier beispielhaft in etwa halbiert, und umgelenkt; dies vermindert den Strömungsanteil in Drehrich¬ tung. Die Partikel können der Strömung 10 nicht mehr folgen und prallen gegen die Seite der Schmelzfänger 3 (siehe
Partikelbahnen 11 in Fig. 7) und fließen nach innen Richtung Kegel 9 und letztendlich durch einen Ablauf bzw. eine Draina¬ ge 4, beispielsweise für L12CO3 bei einer Verbrennung von Li im CO und/oder C02. Das Prinzip der Abscheidung der Schmelzfänger 3 ist in Fig. 7 und eine Darstellung der Schmelzfänger 3 mit innerem Kegel ist in Fig. 8 dargestellt. Figur 7 zeigt hierbei die Gasströ¬ mung 10 sowie Partikelbahnen 11 zwischen zwei Schmelzfängern 3, wobei die Partikel an einem Schmelzfänger 3 abprallen.
Wie in Figur 8 dargestellt kann die Abscheidung an den
Schmelzfängern 3 beispielsweise durch die Neigung 3a der Schmelzfänger oder den Abstand 3b zwischen zwei Schmelzfängern 3 - was beispielsweise eine Verringerung oder Vergröße- rung des Strömungsquerschnitts bedingt, beeinflusst werden. Über den Ablauf 4a der Schmelze können die abgeschiedenen Partikel zur Drainage 4 ablaufen.
Das Prinzip entspricht allgemein einer Variante der Träg- heitsabscheidung, wie aus „Stieß M. Mechanische Verfahrens¬ technik 2, Springer-Verlag, 1997" bekannt und hiermit per Re¬ ferenz inkludiert ist. Die Größe des Winkels wird gemäß bestimmten Ausführungsformen - wie oben bereits dargelegt - gemäß der verwendeten Partikel angepasst. Bei zu kleinen Winkeln funktioniert weder die Ab- scheidung an der Wand noch an den Schmelzfängern, weil die Partikel der Strömung folgen, ohne auf Grenzflächen zu treffen. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der
Abscheideeffizienz ist durch Geometrieadaptionen der Schmelzfänger 3 (z.B. Anhebung des Höhe-Breite-Verhältnisses) gege¬ ben .
In noch einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfin¬ dung eine Schmelzkammerfeuerung, umfassend die erfindungsge¬ mäße Schmelzkammer und einen Kessel, welcher oberhalb der Schmelzkammer angebracht ist und der mit dieser verbunden ist. Die Verbindung selbst ist hierbei nicht besonders be¬ schränkt und kann derart erfolgen, wie sie in üblichen
Schmelzkammerfeuerungen erfolgt. Der Kessel ist ebenso nicht besonders beschränkt und wurde auch beispielhaft oben im Zu¬ sammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben. Im Wesentlichen dient der Kessel in der Schmelzkammerfeuerung der Wärmenutzung aus dem Produktgasgemisch.
In der DE102014202591, DE102014203039, DE102014210402,
DE102014209529, DE102014219276 , DE102014219274 ,
DE102014219275, DE102014222919 , DE102008031437 sind Offenba¬ rungen enthalten, die die Erfindung, wie in den vorstehenden Erläuterungen deutlich wird, in vorteilhafter Weise zum Thema Metallverbrennung berücksichtigt. Beispielsweise sind darin sowohl ein Energieumwandlungs-/Speicherkonzept über elektro- positive Metalle beschrieben, als auch mögliche Umsetzungs¬ konzepte. Zudem sind dort auch Konzepte für einzelne Kompo¬ nenten wie Düsen oder Zündeinrichtungen beschrieben. Wie sich aus dem Vergleich mit der vorliegenden Offenbarung ergibt, geht der Gegenstand der Erfindung, wie er sich aus den oben stehenden Erläuterungen zur Erfindung entnehmen lässt, über die Offenbarungen dieser Dokumente hinaus und hebt sich, wie aus der vorstehenden Beschreibung zu entnehmen ist, auf vorteilhafte Weise und auf erfinderischem Gedanken beruhend da- von ab. Dies gilt, obwohl die Erfindung, insbesondere deren Weiterbildungen, einzelne der in den genannten Offenbarungen enthaltenen technischen Realisierungen mit enthalten kann, da sie diese, wie sich aus vorstehenden Erläuterungen ergibt, in der erfindungsgemäßen Weise, insbesondere in neuer vorteil¬ hafter Kombination, nutzt.
Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelas- pekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Die Erfindung wird im Anschluss mit Bezug auf verschiedene Beispiele davon weiter im Detail erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiele
Vorversuche
Vorüberlegungen für eine beispielhafte Verbrennung von Li als Metall M mit CO2 als Brenngas und CO als Wärmetransportgas
Im Folgenden wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfah- rens an Ausführungsbeispielen für die Verbrennung von Lithium in CO2 und C02-haltigen Atmosphären erklärt.
Unabhängig von der gewählten Zerstäubungstechnolo- gie/-ausführung ist um eine Zerstäubungseinheit ein primärer Gaseinlass vorgesehen. Von essentieller Bedeutung für eine wirtschaftliche Umsetzung sind dabei eine möglichst vollstän¬ dige Umsetzung des Brennstoffs, Temperaturverteilung, sowie eine effiziente Rückgewinnung des Reaktionsendproduktes. Lithium wird üblicherweise mit Schmelzflusselektrolyse herge¬ stellt. Für dieses Verfahren ergeben sich Wirkungsgrade von etwa 42 % (laut Normalpotential 4,04 V, normalerweise 6,7 - 7,5 V d.h. 60 %-53 %) , berechnet aus Verfahrensdaten ohne
Temperaturkorrektur des Normalpotentials. Damit wäre die Nut¬ zung von überschüssigem Strom aus regenerativen Quellen etwas mehr als halb so groß als bei der Verwendung von Wasserstoff (je nachdem, ob man vom LHV (unterer Heizwert bzw. Heizwert, lower heating value) oder HHV (oberer Heizwert bzw. Brennwert, higher heating value) ausgeht) .
Exemplarisch ist die Verbrennung für Lithium in den folgenden Reaktionsgleichungen dargestellt .
Li + C02 ->■ ^ Li2C03 + H CO - 270 kJ
Li + H20 ->■ LiOH + H H2 - 202 kJ
Eine alternative Verbrennung von Lithium mit Stickstoff wäre wie folgt:
3 Li + H N2 - Li3N - 207 kJ
Die anschließende Hydrolyse liefert für letzteren Fall fast nochmal den doppelten Energiebetrag.
Li3N + 3 H20 ->■ 3 LiOH + NH3 - 444 kJ
Da bei der Verbrennung von Lithium je nach Temperatur und Brenngas feste und/oder flüssige Rückstände entstehen, ist darauf besondere Rücksicht zu nehmen.
Als Primärgas wird hier insbesondere eine Mischung aus Koh¬ lendioxid und Kohlenmonoxid verwendet. Das Lithium wird im Beispiel flüssig eingesetzt, also oberhalb des Schmelzpunktes von 180 °C. Das flüssige Lithium kann in einer Düse zu feinen Partikeln zerstäubt werden und reagiert dann unmittelbar mit dem jeweiligen Brenngas. Für die Verbrennung könnte hierbei die
Partikelgrößenverteilung des Lithiums bei der Zerstäubung von Interesse sein, welche infolgedessen für verschiedene Düsen modelliert wurde und hinsichtlich des Verhaltens beim Ver¬ brennen untersucht wurde.
Zunächst wurden verschiedene Partikelgrößenverteilungen von Li mit einer Einstoffdralldruckdüse und einer Zweistoffdüse abhängig vom Düsendurchmesser modelliert und experimentell untersucht .
In einem ersten beispielhaften Vorversuch wurde eine
Partikelverteilung angenommen mit: dio (10 Gew.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert), d5o (50 Gew.% der Par¬ tikel kleiner sind als der angegebene Wert) und dgo (90 Gew.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert) von 28.2, 84.4 und 175.7 mm. Hierfür ergab sich eine gute Reaktivität bei der Verbrennung. Die Partikelgrößenverteilung wurde hier- bei mikroskopisch bestimmt, wobei automatisch aus den Bildern die Flächen der jeweiligen Partikel bestimmt wurden und aus der ermittelten Fläche der Äquivalentdurchmesser der Kugel gleicher Projektionsfläche (flächenäquivalenter Durchmesser) berechnet wurde. Dieser ist dann als Partikeldurchmesser an- gegeben.
Darüber hinaus wurden weitere Partikelgrößenverteilungen modelliert, wie in Fig. 1 gezeigt. Beispielhaft ist in Figur 1 die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung für Li vom Dü- sendurchmesser bei der Zerstäubung von Lithium mit Hilfe einer Einstoffdralldruckdüse dargestellt. An der x-Achse ist hierbei der Düsendurchmesser dD in mm und an der y-Achse der Partikeldurchmesser dP dargestellt. Diese entspricht dann beispielsweise in etwa der Tropfenverteilung bei flüssigem Lithium.
In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der Partikelgrößenverteilung von der Zerstäubungsgasgeschwindigkeit bei der Zerstäubung einer Lithiumschmelze mit Hilfe einer Zweistoffdüse darge¬ stellt. Zudem ist noch der theoretisch berechnete Wert d5o' für den d5o-Wert angegeben. Gezeigt ist der
Partikeldurchmesser dP in Abhängigkeit von der Gasgeschwin- digkeit vG, insbesondere der berechneten Gasgeschwindigkeit (berechnet aus dem Volumenstrom des Zerstäubungsgases, hier C02, und der Spaltbreite der Düse) .
Mit verschiedenen Partikelgrößenverteilungen, welche experi- mentell mit den in Tabelle 1 angegeben Werten ermittelt wur¬ den, wurde eine Simulation bezüglich der Abscheidung von Partikeln, dem relativen Reaktionsgrad und dem Überschuss an CO2 durchgeführt, wobei die Werte in Tabelle 2 angegeben sind. Tabelle 1: Ermittelte Partikelgrößenverteilungen (für
Einstoffdüsen)
Figure imgf000035_0001
Tabelle 2: Ergebnisse der Simulation
Figure imgf000035_0002
Es zeigte sich, dass Metallsprays mit Partikelgrößen kleiner 200 - 250 ym bevorzugt sind und durch das erfindungsgemäße Verfahren realisierbar sind, auch mit verschiedenen Düsen. Entsprechende experimentelle Nachweise wurden erfolgreich durchgeführt (Daten nicht gezeigt) .
Ausführungsbeispiel Es wurde eine Simulation einer Verbrennung von Li mit CO2 als Brenngas mit einer Mischung von CO2 und CO (Wärmetransfergas) als Primärgas in einer entsprechend Figuren 3 bis 8 gezeigten Schmelzkammer durchgeführt, wie sie oben beschrieben ist. In der Figur 3 sind - wie oben dargelegt - hierbei die Düsen nicht im Detail dargestellt, sind jedoch zusammen mit den primären Gaseinlässen angeordnet.
Parameter der Ausgestaltung von Interesse für die Lithium- Verbrennung bei der Simulation sind hierbei ein hoher Umsatz zu L12CO3, eine möglichst gute und bevorzugt komplette Ab¬ trennung von L12CO3 sowie ein heißer Abgasabfluss bzw.
Produktgasgemischabfluss , welcher möglichst frei von Parti¬ keln und bevorzugt frei von Partikeln ist, um diesen dann in einem Kessel zur Herstellung von Dampf und Strom verwenden zu können. Hierbei wurde berücksichtigt, dass unter 1100 K fes¬ ter Kohlenstoff und festes Carbonat anfallen können, wohinge¬ gen über 1450 K sich L12CO3 zu Li20 und CO2 zu zersetzen be¬ ginnt. Ein Ziel ist hierbei, dass das L12CO3 flüssig anfällt, sodass es durch Gravitation bedingt nach unten zum Ablauf hin fließt, wobei es an der Wand eine flüssige Schicht bilden kann, welche abläuft. Die Temperatur an der Wand soll hierzu über der Schmelztemperatur von L12CO3 liegen. Die Simulation erfolgte mittels CFD- (computational fluid dy- namics) Berechnungen mit 96 Primärgaseinlässen, unterhalb derer sich die Düsen für flüssiges Lithium befanden (Packungen von 25) . Eine Zufuhr von Sekundärgas (rezirkuliertes Abgas, also CO/CO2) erfolgte durch zwei ringförmige Spalten im Au- ßenbereich an der inneren und äußeren Wand an der oberen Decke der Schmelzkämmer, um einen Schutzfilm für die obere Region der Wände zu bilden. Zudem umfasste die Schmelzkammer 24 Schmelzfänger, wobei der Neigungswinkel der Schmelzfänger 15° bezogen auf die Horizontale betrug mit einer Neigung nach in- nen. Die Simulation erfolgte derart, dass eine Auslasstempe¬ ratur des Produktgasgemisches 1373 K betrug, sodass die Wand¬ temperaturen sicher über 1100 K lagen. Zur Simulation wurde CFD solver ANSYS Fluent (1360000
Hexahedron-Zellen, k-omega SST Turbulenzmodell, Strahlungsmo¬ dell mit diskreten Ordinaten, adiabate Wände (1.360.000 hexahedron cells, k-omega SST turbulence model, discrete ordinates radiation model, adiabatic walls) verwendet, wobei zusätzlich die Verbrennung des Lithiums in das Modell einge¬ arbeitet wurde. Dieses Modell der Verbrennung des Lithiums kann Fischer P, Schiemann M, Scherer V, Maas P, Schmid G, Ta- roata D, „A numerical model of the combustion of Single li- thium particles with C02", Fuel 2015; 160: 87 - 99, entnommen werden, auf die diesbezüglich Bezug genommen wird und deren Inhalt hiermit vollständig durch Referenz aufgenommen wird.
Das Modell ist in fünf Unterschritte des
Lithiumverbrennungsprozesses unterteilt, beinhaltend inertes Erhitzen des Metalls, Schmelzen des Metalls, Zünden des Me¬ talls in der Reaktionsgasatmosphäre, Gasphasen- und Oberflä¬ chenverbrennung von Metall mit Reaktionsgas - hier CO2 , iner¬ tes Abkühlen und Phasenänderung des Produkts. Es wurde ange- nommen, dass die experimentell beobachtete geringe Bildung von Li20 den Umsatzgrad verringern kann. Grenzbedingungen der Simulation wurde mit dem Prozesssimulationsprogramm Aspen Plus berechnet, um die notwendigen Flüsse für einen Auslass¬ temperatur von 1373 K zu bestimmen. Um einen thermischen Energieinput von 100 MW zu erzielen, war ein Lithiumfluss von 10 t/h mit einem Reaktions- bzw. Brenngas/Wärmetransfergasstrom von 75/148 t/h ( CO2/CO) erforderlich. Mit dem Reaktionsprodukt L 12CO3 ergaben sich also Strö¬ me von 20,83 kg C O 2/S, 41,07 kg CO/s und 2,8 kg Li/s. Lithium wird mit einer Temperatur von 673 K zugegeben, und die
CO/ C02-Mischung mit einer durchschnittlichen Temperatur von 591 K. Für eine schnellere Simulation wurde ein 1/8 Aus¬ schnitt der Schmelzkammer unter Verwendung von Symmetrieebenen verwendet (s. Figur 4) .
Die Geschwindigkeit am Sekundäreinlass innen betrug 9,98 m/s, die Geschwindigkeit am Sekundäreinlass außen 13,51 m/s, und die Geschwindigkeit an den Primäreinlässen 11,06 m/s. Die Einbringung der Gasströmung und des Metalls erfolgte im gleichen Winkel.
Es wurden fünf verschieden Gas- und Partikelzufuhrwinkel φ (0° - also senkrecht nach unten, 1,5°, 15°, 22,5° und 30°) und drei verschiedene Primärgasatmosphären mit unterschiedli¬ chen C02-Metall-Verhältnissen (λ = 1; 1,15; 1,3) simuliert, um den Umsatz an Li und die Abtrennung von flüssigen Produkten (Li2C03, Li20) zu untersuchen.
Die Simulation erfolgte derart, dass alle entstehenden Parti¬ kel bzw. Tropfen mit einer Wand und/oder dem Boden kollidieren, welche hier heiß sein können. Der Durchmesser der simulierten Schmelzkammer (Außenwand, ohne deren Dicke zu berück- sichtigen) war 12 m, der Durchmesser der Innenwand 6 m (simuliert ohne Dicke) , und die Höhe 7 m.
Die Simulation erfolgte nach Auswertung der Vorversuche mit einer bestimmten Partikelgrößenverteilung aus einer bestimm- ten Düse. Es wurde eine Partikelverteilung angenommen mit: dio (10 Gew.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert), d5o (50 Gew.% der Partikel kleiner sind als der ange¬ gebene Wert) und dgo (90 Gew.% der Partikel kleiner sind als der angegebene Wert) von 28.2, 84.4 und 175.7 mm. Die mittle- re Teilchengröße betrug 136 ym (Partikelgrößenverteilung: Ro¬ sin-Rammler mit 20 verschiedenen Durchmessern) .
Verschiedene Ergebnisse der Simulation sind in Figuren 9 bis 19 gezeigt.
Zu berücksichtigen ist unter anderem zunächst die Temperaturverteilung im Reaktorraum. Für die Ermöglichung eines flüssigen Abzugs der Reaktionsprodukte ist im Anwendungsbeispiel der Verbrennung von Lithium mit einer thermischen Leistung von 100 MW ein Temperaturfenster zwischen 993K (Schmelztemperatur L12CO3) und 1583 K (Zersetzungstemperatur L12CO3) vorteilhaft. Figuren 9 und 10 zeigen beispielhaft den entspre- chenden Temperaturverlauf für einen Lambdawert von 1,3 und einen Einsprühwinkel bzw. Winkel φ von 30°.
Die Figur 9 zeigt Ergebnisse einer Simulation mit einem Reak- tionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von
30° in einer erfindungsgemäßen Schmelzkammer - wie in Figur 6 gezeigt, wobei die Temperatur in K in der xz-Schnittebene an¬ gezeigt ist. Hohe Temperaturen ergeben sich im unteren Drittel im Außenbereich (rechts) , wo die Wärmetönung durch die Reaktion hervortritt, wohingegen im oberen Bereich des Außenbereichs noch keine Erwärmung stattfindet. Beim Übertritt des Gasstroms in den Innenbereich kann eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung im Bereich von 1200 bis 1400 K erzielt werden. Auch gut zu sehen ist der Schutz der äußeren und inneren Wand im oberen Teil des Außenbereichs durch das Sekundärgas. Die Schutzwirkung des Sekundärgasstromes im Au¬ ßenbereich ist insbesondere bis Ende des oberen Viertels der Schmelzkammer deutlich erkennbar. Figur 10 zeigt die in Figur 9 erzielten Ergebnisse der Tempe¬ raturverteilung an den Wänden einer erfindungsgemäßen
Schmelzkammer im 1/8-Segment - wie in Figur 4 gezeigt.
Eine große Menge des CO2 reagiert im oberen Drittel der
Schmelzkämmer, was auch konsistent mit dem Reaktionsgrad in Figur 14 sowie einer Darstellung des Massenanteils an CO2 (Daten nicht gezeigt) ist. Die Erhöhung der Gasphasentempera¬ tur schließt sich dieser Reaktionszone und liegt darunter aufgrund des Wärmetransfers und der hohen Geschwindigkeit in diesem Bereich. Nach der Reaktion ist die Wandtemperatur immer über 1100 K, was einen flüssigen Film an der Wand garantiert .
Der Figur 11 kann die axiale Geschwindigkeit vax in z- Richtung (z-Achse nach oben) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Simulation mit einem Reaktionsgas- überschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° ent¬ nommen werden. Im Außenbereich (rechts) liegt eine langsame Strömung nach unten vor mit Werten unter 0. Nach Umlenkung und Passieren der Schmelzfänger liegt eine schnelle Strömung nach oben im mittleren Bereich des Innenbereichs (links) vor. Der Figur 12 sind analog zur Figur 11 die Ergebnisse der ra¬ dialen Geschwindigkeit Vr in x-Richtung (x-Achse nach rechts) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Si¬ mulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° zu entnehmen. Diese ist insbesonde- re vom unteren Rand der inneren Wand hin in den Innenbereich sehr stark negativ. Im oberen Bereich ist sie demgegenüber eher positiv, sowohl im Außen- wie auch Innenbereich. Am Kegel herrscht ebenfalls oben eine positive radiale Geschwin¬ digkeit vor, am Boden und Ablauf ist sie etwas negativ.
Figur 13 zeigt analog Figur 11 die Ergebnisse der tangentia¬ len Geschwindigkeit vtan in y-Richtung (y-Achse in die Zei¬ chenebene hinein) in der xz-Ebene - wie in Figur 6 gezeigt - in m/s bei der Simulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30°. Im Innenbereich ist diese zwischen der inneren Wand und dem Kegel positiv, ansonsten negativ, wobei insbesondere ein hoher negativer Wert im Bodenbereich und dort insbesondere am Kegel, also un¬ terhalb der Schmelzfänger, erhalten wird. Im Außenbereich ist die Strömung zum Betrachter gerichtet, und es erfolgt eine
Beschleunigung der Strömung im unteren Bereich. Nach der Umlenkung der Strömung ergibt sich nur eine geringe Strömung in y-Richtung . Den Figuren 14 bis 16 sind beispielhafte Partikelflugbahnen von beispielhaft eingebrachten Metallpartikeln mit dem relativen Umsetzungsgrad Xrei bei der Simulation mit einem Reakti¬ onsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° (Figur 14), 15° (Figur 15) und 0° (Figur 16) in einem gemäß Figur 4 gezeigten Schmelzkammerausschnitt zu entnehmen. In
Figur 14 mit einem Winkel φ von 30° kann ein fast vollständi¬ ger Ausbrand bzw. Umsatz der Partikel nach etwa der Hälfte des Reaktors beobachtet werden. In Figur 15 jedoch werden nicht alle Partikel mehr umgewandelt, und zudem können ver¬ mehrt Partikel durch die Schmelzfänger durchtreten. Bei einer senkrechten Zufuhr wie in Figur 16 tritt ein Großteil der Partikel durch die Schmelzfänger durch, und eine verminderte Reaktion wird ebenfalls wie in Figur 15 beobachtet.
Figur 17 zeigt die Ergebnisse der turbulenten Intensität I tur einer Simulation mit einem Reaktionsgasüberschuss von 1,3 und einem Einleitungswinkel von 30° in der xz-Ebene einer erfin- dungsgemäßen Schmelzkammer - wie in Figur 6 gezeigt. Eine starke Turbulenz ist insbesondere im Innenbereich und speziell oberhalb der Schmelzfänger zu erkennen. Analoge Ergebnis¬ se ergeben sich für die turbulente kinetische Energie (nicht gezeigt) .
Die Figuren 18 und 19 zeigen die Abhängigkeit der Umsetzungs¬ rate (Figur 18) sowie der Austrittstemperatur des Gases und der Produktpartikel/-tropfen am Austritt (Figur 19) vom Einleitwinkel der Metalltropfen und des Primärgases, sowie der Verhältnisses Lambda (λ) zwischen tatsächlicher Gasmassen- fluss und mindestens notwendiger Reaktionsgasmassenfluss für eine vollständige Reaktion der Metalltropfen. Lambda ist hierbei das Verhältnis der Massenflüsse von tatsächlichem Reaktionsgas/Mindestreaktionsgas (für eine theoretisch voll- ständige Umsetzung) :
Lambda (λ) = Massenflussverhältnis Reaktions¬ gas /Mindestreaktionsgas
(Lambda = Reaktionsgas/Mindestreaktionsgas) . Insbesondere bei einem geringen Lambdawert ergibt sich ein größerer Unterschied hinsichtlich dem Reaktionsgrad abhängig vom Winkel φ, wie in Figur 18 zu sehen, wo bei einer Änderung des Winkels von 22,5° auf 23° sich eine Differenz von 0,6 m% (Massenprozent) bei λ = 1,3 ergibt, von 0,8 m% bei λ = 1,15, und von 2,7 m% bei λ = 1.
Wie in Figur 19 gezeigt ergeben sich für unterschiedliche Werte von λ unterschiedliche Temperaturen für die Gasphase am Auslass bzw. der Grenze zum Kessel LIGas, L1.15Gas und
LI .3Gas sowie unterschiedliche Temperaturen der Partikel bei der Kollision mit der Wand LIPart L1.15Pard und L1.3Part. Bei geringem λ von 1 sind die Temperaturen des Gases am Auslass gering (zwischen 1270 und 1242 K) , mit λ = 1,15 zwischen 1328 und 1273 K und mit λ = 1,3 zwischen 1351 und 1292 K, wobei hier im Wesentlichen zwei Einflüsse beobachtet wurden, nämlich das Partikelverhalten und die Reaktionsrate. Bei genü¬ gend CO2 im Gasstrom reagieren die Li-Partikel sehr schnell zu einer maximalen Verbrennung hin und kühlen dann zur lokalen Temperatur des Gasstroms vor Erreichen der Abführung. Zudem wird die freie Flusszeit durch größere Winkel reduziert, was zu niedrigeren Gasauslasstemperaturen führen kann, insbesondere bei geringerer Menge an Brenngas, CO2. Andererseits erhöht sich die Auslasstemperatur der Partikel für größere Winkel φ und geringere λ-Werte, da weniger Partikel vor der Kollision mit der Wand reagieren.
Die für das Ausführungsbeispiel vorteilhaften Werte für Lamb- da, Eintrittswinkel des Metallsprays und deren Abhängigkeiten sind in Figuren 18 und 19 gezeigt. Für eine Schmelzkammerfeu¬ erung mit einer Leistung von 100MWth sind ein Einleitungswinkel von 22,5° oder 23° und ein erhöhter Lambdawert, bei¬ spielsweise von 1,3, besonders vorteilhaft. Ein zu großer Winkel kann zu verminderter Reaktion führen, insbesondere im Außenbereich, wobei zudem natürlich auch noch eine Reaktion an der Wand stattfinden kann, wo jedoch eine geringere Temperatur vorliegt. Ein zu hoher Wert von Lambda führt zu einer diffusionslimitierten Reaktion.
Es zeigte sich also zunächst, dass ein kleiner stöchiometri- scher Überschuss an CO2 vorteilhaft ist.
Bei dem Anwendungsbeispiel mit Lithium als Metallbrennstoff und einer Schmelzkammerfeuerung mit einer Leistung von
100MWth erwies sich ein Einleitungswinkel von 22,5° 23° und ein Höhen- zu Breitenverhältnis der Schmelzfänger 3 (am Ansatzpunkt am inneren Kegel) von 4:1 als vorteilhaft. Das Ver- hhäällttnniiss vvoonn eeiinnggeebbrraacchhtteemm GGaass zzuu MMiinnddeessttrreeaakkttiioonnssggaass ssoollllttee bbeevvoorrzzuuggtt iimm BBeerreeiicchh vvoonn 11,,33 ooddeerr mmeehhrr,, zz..BB.. 11,,33 lliieeggeenn..
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EEiinnzzeellppaarrttiikkeellrreeaakkttiioonneenn mmiitt LLii bbeeii 660000--770000°°CC uunndd CCOO22 bbeeii
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Wie anhand der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlich wird, zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung also unter anderem dadurch aus, dass sie für die Verbrennung von Metallen in Gasen, beispielsweise CO2 oder N2 haltigen Gasen, einzelne der im Folgenden aufgezählten Elemente mitsamt Vorteilen und/oder Kombinationen davon umfasst:
• Es wird eine im Wesentlichen homogene oder homogene Tem¬ peraturverteilung im Brennraum ermöglicht (steuerbar u.a. über Winkel der Eindüsung, ggf. gewähltes Verhält¬ nis tatsächlicher Reaktionsgasmassenfluss zu für eine vollständige Reaktion des Brennstoffs notwendigen
Gasfluss) .
• Es wird ein stabiler Betrieb auf einem Temperaturniveau ermöglicht, bei welchem die bei Raumtemperatur festen Reaktionsprodukte flüssig bleiben und ein Flüssigabzug aus dem Brennraum möglich ist.
• Die Einführung der Metallpartikel und des Reaktionsgases in den Reaktionsraum unter einem bestimmten Winkel ermöglicht sowohl eine Durchmischung der Edukte, einen vollständigen Umsatz des Brennstoffs, also Metalls M, eine homogene Temperaturverteilung und einen Flüssigab¬ zug der Produkte.
Eine Schmelzfängerstruktur kann zur Abtrennung von flüssigen, tropfenförmigen Abbrandprodukten aus dem Abgas vorgesehen sein, die eine weitergehende Nutzung der bei der Verbrennung entstandenen thermischen Energie ermöglicht .
Die Erfindung ist aber nicht auf diese und andere beispiel¬ haft genannte Ausführungsformen eingeschränkt, sondern kann auch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten umfassen, wie insbesondere einzelne technische Lösungen, die im Zusammenhang mit dem Einsatz alternativer Verbrennungsanlagen für Metalle, wie beispielsweise einem Zyklonbrenner, wie er in der
DE102014203039 beschrieben ist, bekannt sind. Ein Vergleich der vorliegenden Offenbarung mit der Offenbarung der
DE102014203039, die in der vorliegenden Beschreibung zumindest in diesem Rahmen hiermit per Referenz inkludiert ist, zeigt dabei welche Details verwendet werden und lässt den er¬ findungsgemäßen Beitrag, der darüber hinausgeht, erkennen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbrennen eines Brenngases in einer
Schmelzkämmer, bei welchem Verfahren ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, mit dem Brenngas verbrannt wird, wobei das Metall M und ein Primärgas umfassend das Brenngas von oben in einen Außenbereich der Schmelzkammer zwischen einer äußeren Wand und einer inneren Wand der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei das Metall M und/oder das Primärgas im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Außenbereich der Schmelzkammer eingeführt werden, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel φ in einem Bereich von ca. 5° bis ca. 60° liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung derart erfolgt, dass eine im We¬ sentlichen homogene Temperaturverteilung beim Verbrennen gewährleistet ist.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Metall M und das Primärgas gemeinsam in die Schmelzkammer eingebracht bzw. eingeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei mindestens ein entstehendes Produkt der Verbrennung des Me talls M mit dem Brenngas flüssig an Schmelzfängern innerha der Brennkammer abgeschieden wird, wobei die Schmelzfänger mit der inneren Wand verbunden sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schmelzfänger zentral in einem Innenbereich der Schmelzkammer und/oder in einem Bodenbereich der Schmelzkammer unterhalb des Innenbereichs mit einem sich nach oben zuspitzenden Kegel verbunden sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein bei der Verbrennung des Brenngases mit dem Metall M entstehendes Pro¬ duktgasgemisch von unten durch die Schmelzfänger geleitet wird .
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei entlang der äußeren und/oder der inneren Wand der Schmelzkam- mer ein Sekundärgas von oben in den Außenbereich eingebracht wird .
9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Brenngas in einem stöchiometrischen Überschuss zum Metall M eingebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Brenngas aus der Gruppe bestehend aus Luft, Stickstoff, Wasser und/oder Kohlendioxid ausgewählt ist.
11. Schmelzkämmer, umfassend:
einen Außenbereich zwischen einer äußeren Wand und einer inneren Wand der Schme1 zkämmer;
einen Innenbereich innerhalb der inneren Wand der Schmelzkammer;
einen Bodenbereich, der unterhalb sowohl des Außenbereichs als auch des Innenbereichs der Schmelzkammer liegt, umfassend einen im Wesentlichen nach innen geneigten Boden, der mit der äußeren Wand verbunden ist;
einen Ablauf für eine Schmelze, der sich zentral im Bodenbe¬ reich befindet und mit dem geneigten Boden verbunden ist; eine Vielzahl von Düsen oberhalb bzw. in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebildet sind, ein Metall M, das ausgewählt ist aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, AI und Zn, sowie Legierungen und/oder Mischungen derselben, in den Außenbereich der Schmelzkammer einzubringen ;
eine Vielzahl von primären Gaseinlässen in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, die dazu ausgebil- det sind, ein Primärgas umfassend ein Brenngas in den Außen¬ bereich der Schmelzkammer einzubringen;
mindestens einen Gasauslass an einem oberen Ende des Innenbe¬ reichs der Schmelzkämmer;
wobei die Vielzahl von primären Gaseinlässen und/oder die Vielzahl von Düsen derart ausgebildet sind, das Metall M und/oder das Primärgas im Wesentlichen tangential zur äußeren und/oder inneren Wand unter einem Winkel φ zur Vertikalen in den Außenbereich der Schmelzkammer zwischen der äußeren Wand und der inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen, wobei sich die Vertikale im Wesentlichen parallel zur äußeren Wand und der inneren Wand erstreckt.
12. Schmelzkammer nach Anspruch 11, weiter umfassend mindestens einen sekundären Gaseinlass in einem oberen Bereich des Außenbereichs der Schmelzkämmer, der dazu ausgebildet ist, ein Sekundärgas entlang der äußeren und/oder inneren Wand der Schmelzkammer einzubringen.
13. Schmelzkammer nach Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend eine Vielzahl an Schmelzfängern, welche im Innenbereich der Schmelzkammer mit der inneren Wand verbunden sind.
14. Schmelzkammer nach Anspruch 13, wobei die Schmelzfänger zentral im Innenbereich der Schmelzkammer und/oder in einem Bodenbereich der Schmelzkammer unterhalb des Innenbereichs mit einem sich nach oben zuspitzenden Kegel verbunden sind.
15. Schmelzkammerfeuerung, umfassend:
eine Schmelzkammer nach einem der Ansprüche 10 bis 13; und einen Kessel, welcher oberhalb der Schmelzkammer angebracht ist und der mit dieser verbunden ist.
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