Изобретение касается способа сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, устройства для выполнения этого способа, а также применения пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа.
На протяжении многих лет было предложено множество устройств для выработки энергии, которые работают с теплом, создаваемым при окислении металлического лития (например, US-PS 33 28 957). В такой системе вода и литий вступают в реакцию обмена друг с другом с образованием гидроксида лития, водорода и пара. В другом месте в этой системе водород, полученный путем реакции между литием и водой, комбинируется с кислородом с образованием дополнительного пара. Этот пар затем используется для привода турбины или тому подобного, так что получают источник выработки энергии. Литий может также дополнительно применяться для получения основных элементов. Примерами являются реакция обмена с азотом с получением нитрида лития и последующий гидролиз с получением аммиака или с двуокисью углерода с получением оксида лития и моноокиси углерода. Твердым конечным продуктом реакции обмена лития является в каждом случае, при необходимости после гидролиза, как в случае нитрида, оксид или карбонат, который затем снова посредством электролиза может восстанавливаться с получением металлического лития. Таким образом, создан цикл, в котором за счет силы ветра, фотоэлектричества или других источников регенеративной энергии производится избыточный электрический ток, накапливается и в желаемое время может превращаться обратно в электрический ток, или же могут получаться химические основные элементы.
Литий обычно производится с помощью пироэлектролиза. Для этого способа получаются коэффициенты полезного действия примерно 42-55%, рассчитанные по данным способа без корректировки температуры нормального потенциала. Наряду с литием, могут также применяться похожие металлы, такие как натрий, калий, марганец, кальций, алюминий и цинк.
Так как при сжигании лития, в зависимости от температуры и горючего газа, могут образовываться твердые и жидкие остатки, это следует учитывать особо. Кроме того, в зависимости от конструкции и эксплуатации печи для сжигания металлического лития (например, жидкого) в различной атмосфере и под давлением в качестве продуктов сгорания возникают отходящие газы и твердые вещества/жидкие вещества. Эти твердые или, соответственно, жидкие вещества должны по возможности полностью отделяться от отходящих газов.
При этом практически полное отделение жидких и твердых остатков сжигания от потока отходящего газа является важным для того, чтобы не создавать поверхностных отложений или засоров в последующих устройствах. В частности, очень трудно выполнимым является направление потока отходящего газа прямо на газовую турбину, так как тогда должно гарантироваться полное удаление всех частиц из потока отходящего газа. Такие частицы со временем повреждают лопасти газовой турбины и приводят к выходу установки из строя.
Задачей настоящего изобретения является предоставить способ и устройство, с помощью которых может осуществляться эффективное отделение твердых и/или жидких продуктов реакции при сжигании металла M, который выбран из щелочных металлов, щелочноземельных металлов, Al и Zn, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа отходящего газа. Другой задачей изобретения является предоставить устройство, с помощью которого становится возможным эффективное и локально ограниченное сжигание металла M с использованием горючего газа, без слишком большого распределения продуктов сжигания в камере сжигания и при этом с возможностью более легкого их отделения. Кроме того, задачей настоящего изобретения является получить возможность эффективного управления сжиганием металла М с использованием горючего газа.
Решается эта задача путем применения пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, при сжигании металла M с использованием горючего газа. Было выяснено, что при применении пористой горелки возможна локализация сжигания на пористой горелке, при этом продукты сжигания также выходят на пористой горелке. В то время как, например, при распылении продукты реакции выходят во всем реакторе, и твердые и жидкие продукты реакции трудоемким образом снова должны отделяться от газообразных продуктов реакции, при сжигании с помощью пористой горелки, в частности твердые и жидкие продукты реакции локализуются вблизи пористой горелки, благодаря чему облегчается их отделение от газообразных продуктов сжигания. Таким образом также все устройство для сжигания может выполняться более компактно, и сжигание, благодаря локализации процесса сжигания, выполняться более бережно для устройства.
По одному из аспектов настоящее изобретение касается способа сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки.
По другому аспекту изобретения настоящее изобретение касается устройства для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, включающего в себя
пористую горелку, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки,
устройство для подвода металла M, предпочтительно в виде жидкости, внутрь пористой горелки, которое выполнено для того, чтобы подводить к пористой горелке металл M предпочтительно в виде жидкости,
устройство для подвода горючего газа, которое выполнено для того, чтобы подводить горючий газ, и
опционально нагревательное устройство для предоставления металла M в виде жидкости, которое выполнено для того, чтобы сжижать металл M.
Кроме того, настоящее изобретение по другому аспекту касается применения пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа.
Другие аспекты настоящего изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и детальном описании, а также чертежах.
Прилагаемые чертежи должны наглядно пояснять варианты осуществления настоящего изобретения и способствовать их дополнительному пониманию. Связанные с описанием, они служат для объяснения концепций и принципов изобретения. Другие варианты осуществления и многие из вышеназванных преимуществ явствуют из этих чертежей. Элементы чертежей не обязательно изображены с соблюдением масштаба по отношению друг к другу. Одинаковые, имеющие одинаковую функцию и одинаково действующие элементы, признаки и компоненты на фигурах чертежей, если не указано ничто другое, всегда снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями.
Фиг.1: схематично показано примерное расположение предлагаемого изобретением устройства.
Фиг.2: схематично показан детальный вид при другом примерном расположении предлагаемого изобретением устройства.
Фиг.3: схематично показан другой детальный вид при дополнительном примерном расположении предлагаемого изобретением устройства.
Фиг.4: схематично изображено примерное поперечное сечение одного из примеров предлагаемого изобретением устройства в области устройства для подвода газа-носителя к реактору.
Фиг.5: показана схема примерной реакции лития и двуокиси углерода с получением карбоната лития, которая может выполняться предлагаемым изобретением способом.
Фиг.6: показана схема другой примерной реакции лития и азота с получением нитрида лития и других производных продуктов, которая может выполняться предлагаемым изобретением способом.
Настоящее изобретение в первом аспекте касается способа сжигания металла M, причем этот металл M выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки.
Металл M по определенным вариантам осуществления выбран из щелочных металлов, предпочтительно Li, Na, K, Rb и Cs, щелочноземельных металлов, предпочтительно Mg, Ca, Sr и Ba, Al и Zn, а также их смесей и/или сплавов. В предпочтительных вариантах осуществления металл M выбран из Li, Na, K, Mg, Ca, Al и Zn, более предпочтительно Li и Mg и особенно предпочтительно металл M представляет собой литий.
В качестве горючего газа по определенным вариантам осуществления возможны такие газы, которые могут реагировать с названным металлом M или соответственно смесями и/или сплавами металлов M в экзотермической реакции, при этом они особо не ограничены. Например, горючий газ может включать в себя воздух, кислород, двуокись углерода, водород, водяной пар, оксиды азота NOx, такие как молекулярная моноокись азота, азот, двуокись серы или их смеси. То есть способ может также применяться для десульфурации или соответственно удаления NOx. При этом, в зависимости от горючего газа, при использовании разных металлов M могут получаться разные продукты, которые могут выходить в виде твердого вещества, жидкости, а также в газообразной форме.
Так, например, при реакции металла M, например лития, с азотом образуются, в частности, нитрид металла, такой как нитрид лития, которую затем, позднее можно заставить дополнительно реагировать с получением аммиака, в отличие от чего при реакции обмена металла M, например лития, с двуокисью углерода могут образовываться, например, карбонат металла, например карбонат лития, моноокись углерода, оксид металла, например оксид лития, или же карбид металла, например карбид лития, а также их смеси, при этом из моноокиси углерода могут получаться более высокоценные, например, также имеющие более длинную цепь углеродосодержащие продукты, такие как метан, этан и пр., вплоть до бензина, дизельного топлива, но также метанол и пр., например, способом Фишера-Тропша, в то время как из карбида металла, например карбида лития, может получаться, например, ацетилен. Кроме того, например, при использовании молекулярной моноокиси азота в качестве горючего газа может также образовываться, например нитрид металла.
Аналогичные реакции могут также получаться для других названных металлов.
Пористая горелка в соответствии с изобретением особо не ограничена, при условии, что она включает в себя пористую трубу в качестве горелки, к которой по меньшей мере в одно отверстие подводится металл M. Предпочтительно металл M подводится только через одно отверстие трубы, а другой конец трубы закрыт или тоже состоит из материала пористой трубы. Пористая труба может при этом представлять собой, например, керамическую трубу из оксида алюминия или оксида магния, или пористую металлическую трубу, например из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркония и сплавов этих металлов, а также сталей, таких как нержавеющая сталь и хромоникелевая сталь. Предпочтительно пористая горелка состоит из материала, который выбран из группы, состоящей из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркония и сплавов этих металлов, а также сталей, таких как нержавеющая сталь и хромоникелевая сталь. Пригодны, например, аустенитные хромоникелевые стали, которые, например, очень устойчивы к разрушению натрием при высокой температуре, но также материалы, содержащие 32% никеля и 20% хрома, такие как AC 66, Incoloy 800 или Pyrotherm G 20132 Nb, проявляют еще относительно благоприятные антикоррозионные свойства. Другие составные части пористой горелки особо не ограничены и могут включать в себя устройство для подвода металла M, а также при необходимости источник воспламенения, и пр.
По определенным вариантам осуществления в пористую горелку направляется металл M в виде жидкости и сжигается с помощью пористой горелки, при этом горючий газ при необходимости направляется на наружные поверхности пористой горелки и сжигается с металлом M. Однако внутреннее смешивание, как в классическом пористой горелке, по определенным вариантам осуществления не происходит, чтобы избежать засора пор твердыми продуктами реакции. По определенным вариантам осуществления пористая горелка представляет собой, таким образом, пористую горелку без внутреннего смешивания. Поры при применении пористой горелки по определенным вариантам осуществления служат единственно для увеличения поверхности сплава L. Однако при непрерывном подводе сплава L электроположительного металла реакция с использованием горючего газа может происходить на выходе пор вблизи поверхности пористой горелки, при условии, что может обеспечиваться перемещение образующихся продуктов реакции добавляемым сплавом L из пористой горелки. Однако по определенным вариантам осуществления реакция сжигания происходит вне пор пористой горелки, например, на поверхности пористой горелки или даже после выхода сплава L из пористой горелки, то есть только на поверхности выходящего сплава L.
По определенным вариантам осуществления к пористой горелке подводится металл M в виде жидкости внутри пористой горелки. Это приводит к лучшему распределению металла M в пористой горелке и более равномерному выходу металла из пор пористой трубы, так что может происходить более равномерная реакция между металлом M и горючим газом. Управление сжиганием металла M и горючего газа может, например, надлежащим образом осуществляться посредством размера пор трубы, применяемого металла M, его плотности, которая может быть взаимосвязана с температурой металла M, давления, с которым металл M вводится в пористую горелку, давления или соответственно скорости нанесения/или соответственно подвода горючего газа и пр. Металл M, например, литий, по определенным вариантам осуществления применяется, соответственно, в жидком состоянии, то есть, например, выше точки плавления лития 180°C. Жидкий металл M может при этом вдавливаться в пористую трубу, например, также при помощи другого, находящегося под давлением газа, который не ограничен. Затем жидкий металл M проступает через поры трубы на поверхность и сгорает с газом с получением соответствующего продукта реакции или, соответственно, соответствующих продуктов реакции.
По определенным вариантам осуществления горючий газ направляется на наружные поверхности пористой горелки и сжигается с металлом M. Тем самым может уменьшаться или, соответственно, предотвращаться засорение пор пористой трубы, так что может предупреждаться очистка пористой горелки или, соответственно, также уменьшаться износ.
Благодаря сжиганию металла M на поверхности пористой трубы уменьшается тенденция перехода мелких частиц в газовую камеру/реакционную камеру, так что в лучшем случае образуются более крупные капли продуктов реакции, которые, однако, могут легко отделяться от продуктов реакции, например, с помощью циклона осаждаться на стенке реактора. При этом стенка реактора может охлаждаться, например, с помощью теплообменников, причем эти теплообменники также могут соединяться с турбинами и генераторами.
По определенным вариантам осуществления сжигание осуществляется при температуре, которая лежит выше точки плавления солей, образующихся при реакции металла M и горючего газа. Соли, образующиеся при сжигании металла M и горючего газа, могут при этом иметь точку плавления, которая лежит выше точки плавления металла M, так что может быть необходим подвод жидкого металла M при повышенной температуре. При сжигании при температуре выше точки плавления образующихся солей может также предотвращаться загрязнение или, соответственно, закладывание пористой горелки образующимися солями, так что пористая горелка может лучше защищаться от загрязнений, например, также пор. Это позволяет улучшить эксплуатацию и сократить очистку устройства, а также более долго использовать без очистки. Также возможно простое стекание каплями жидких продуктов реакции на горелке. В частности, при таких способах при температурах выше точки плавления образующихся солей предпочтительны материалы горелки, которые могут выдерживать эти температуры, такие как, например, железо, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, цирконий и сплавы этих металлов, и нержавеющая сталь.
Таким образом, температура сжигания предпочтительно выше точки плавления данного продукта реакции или, соответственно, данных продуктов реакции, чтобы поры пористой горелки не засорялись и был возможен отвод продуктов реакции. Кроме того, также, в зависимости от продукта реакции, может происходить некоторое перемешивание между жидким металлом M и продуктом реакции, так чтобы сжигание могло происходить не только локально у отверстия пор, но и с распределением по всей поверхности трубы. Этим можно управлять, например, посредством скорости подвода металла M.
По определенным вариантам осуществления металл M подводится к пористой горелке в виде сплава по меньшей мере двух металлов M. Благодаря этому может достигаться понижение точки плавления металла M, а также образующейся соли металла или, соответственно, образующихся солей металла, так что способ может выполняться при более низких температурах и вместе с тем более бережно для устройства, и можно сократить или, соответственно, избежать применения высокоогнеупорных материалов в устройстве.
Кроме того, по определенным вариантам осуществления сжигание может осуществляться с определенным избытком горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к металлу M 1,01:1 и больше, предпочтительно 1,05:1 и больше, более предпочтительно 5:1 и больше, еще более предпочтительно 10:1 и больше, например, также 100:1 и больше, чтобы стабилизировать температуру отходящего газа в определенных пределах температуры. При этом горючий газ может также служить для отвода тепла на расширительную часть турбины, и пр.
При этом способе может, к тому же, осуществляться отделение отходящего газа от твердых и/или жидких продуктов реакции при сжигании металла M с использованием горючего газа, при этом по определенным вариантам осуществления в одном шаге реакции горючий газ сжигается с металлом M, и образуется отходящий газ, а также другие твердые и/или жидкие продукты реакции, и в шаге отделения отходящий газ отделяется от твердых и/или жидких продуктов реакции. При этом в шаге отделения дополнительно может добавляться газ-носитель, и этот газ-носитель в виде смеси отводится с отходящим газом. При этом газ-носитель может также соответствовать отходящему газу, то есть так, чтобы, например, при сжигании образовывался отходящий газ, который соответствует подведенному газу-носителю, или также соответствовать горючему газу. То есть при предлагаемом изобретением способе по определенным вариантам осуществления после сжигания могут отделяться продукты реакции.
Газ-носитель в соответствии с изобретением особо не ограничен и может соответствовать горючему газу, но также отличаться от него. В качестве газа-носителя применяются, например, воздух, моноокись углерода, двуокись углерода, кислород, метан, водород, водяной пар, азот, молекулярная моноокись азота, смеси двух или нескольких этих газов, и пр. При этом разные газы, такие как, например, метан, могут служить для переноса тепла и отводить из реактора тепло реакции металла M с горючим газом. Разные газы-носители могут, например, надлежащим образом адаптироваться к реакции горючего газа с металлом M, чтобы при этом при необходимости достигать синергетических эффектов. Газ, который опционально применяется для подвода металла M, может также соответствовать газу-носителю.
Для сжигания двуокиси углерода с металлом M, например, литием, при котором может образовываться моноокись углерода, в качестве газа-носителя может, например, применяться моноокись углерода и при необходимости циркулировать, то есть после отвода снова, по меньшей мере частично, возвращаться в качестве газа-носителя. При этом газ-носитель адаптируется к отходящему газу, так что при необходимости часть газа-носителя может забираться в качестве ценного продукта, например, для последующего синтеза Фишера-Тропша, в то время как при сжигании двуокиси углерода с металлом M он снова генерируется, так что в балансе двуокись углерода по меньшей мере частично преобразуется в моноокись углерода, предпочтительно на 90 объемн. % или больше, более предпочтительно на 95 объемн. % или больше, еще более предпочтительно на 99 объемн. % или больше и, в частности, предпочтительно на 100 объемн. %, относительно применяемой двуокиси углерода, и забирается в качестве ценного продукта. Чем больше производится моноокиси углерода, чем чище отводимая моноокись углерода.
При сжигании азота с металлом M, например литием, газом-носителем может, например, служить азот, так что в отходящем газе может иметься не прореагировавший азот от сжигания в виде «отходящего газа» наряду с газом-носителем азотом, благодаря чему может проще выполняться разделение газов, как и желательно, и по определенным вариантам осуществления, при соответствующем, предпочтительно количественном сжигании металла M и азота с применением надлежащих, легко определяемых параметров может также не являться необходимым. Например, аммиак может легко удаляться из образующегося нитрида путем вымывания или, соответственно, охлаждения.
По определенным вариантам осуществления по меньшей мере часть отходящего газа может соответствовать газу-носителю. Например, отходящий газ может соответствовать газу-носителю по меньшей мере на 10 объемн. %, предпочтительно 50 объемн. % или больше, более предпочтительно 60 объемн. % или больше, еще более предпочтительно 70 объемн. % или больше,и еще более предпочтительно 80 объемн. % или больше относительно общего объема отходящего газа. По определенным вариантам осуществления горючий газ может на 90 объемн. % или больше относительно общего объема газа соответствовать газу-носителю, и в некоторых случаях может даже на 100 объемн. % соответствовать газу-носителю.
По определенным вариантам осуществления в предлагаемом изобретением способе смесь из отходящего газа и газа-носителя по меньшей мере частично может снова подводиться в шаг разделения в качестве газа-носителя и/или в шаг сжигания в качестве горючего газа. Возвращение смеси из отходящего газа и газа-носителя может, например, осуществляться в объеме 10 объемн. % или больше, предпочтительно 50 объемн. % или больше, более предпочтительно 60 объемн. % или больше, еще более предпочтительно 70 объемн. % или больше и еще более предпочтительно 80 объемн. % или больше относительно общего объема газа-носителя и отходящего газа. По определенным вариантам осуществления возвращение смеси из отходящего газа и газа-носителя может осуществляться на 90 объемн. % или больше относительно общего объема газа-носителя и отходящего газа. По предпочтительным вариантам осуществления изобретения реакция между горючим газом и металлом M может осуществляться таким образом, чтобы в качестве отходящего газа образовывался газ-носитель, например содержащий двуокись углерода в качестве горючего газа и моноокись углерода в качестве газа-носителя, так что тогда смесь из газа-носителя и отходящего газа по существу состоит из газа-носителя предпочтительно на 90 объемн. % и больше, предпочтительно на 95 обемн. % и больше, еще более предпочтительно на 99 объемн. % и больше и особенно предпочтительно на 100 объемн. % относительно смеси из отходящего газа и газа-носителя. Причем тогда газ-носитель может непрерывно циркулировать и забираться в таком количестве, которое имеет место при сжигании металла M и горючего газа. В отличие от чистой циркуляции газа-носителя, при которой при необходимости осуществляется разделение газа-носителя и отходящего газа, при этом может, например, получаться ценный продукт, например, моноокись углерода, который может забираться непрерывно.
По определенным вариантам осуществления шаг разделения в предлагаемом изобретением способе осуществляется в циклоне или, соответственно, циклонном реакторе. При этом циклонный реактор особо не ограничен по своей конструкции и может, например, иметь форму, которую обычно имеют циклонные реакторы.
Например, циклонный реактор может включать в себя
область реакции, в которой могут располагаться устройства для подвода горючего газа, металла M и газа-носителя (которые перед этим также при необходимости могут объединяться и затем вместе подводиться к области реакции), например, в виде вращательно-симметричной верхней части,
область сепарации, которая, например, выполнена конической, и
камеру для сброса давления, в которой могут располагаться устройство для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа, например, в виде ячейкового барабанного шлюза, а также устройство для отвода смеси из отходящего газа и газа-носителя, которая получается после перемешивания этих двух газов после сжигания металла M в горючем газе.
Такие компоненты устройства имеются обычно, например, в циклонных сепараторах. Но применяемый в соответствии с изобретением циклонный реактор может также иметь другую конструкцию и при необходимости включать в себя также другие области. Например, отдельные области (например, область реакции, область сепарации, камера для сброса давления) могут быть также объединены в одном конструктивном элементе одного из примеров циклонного реактора и/или распространяться по нескольким конструктивным элементам циклонного реактора. При этом, например, добавление газа-носителя может также осуществляться в области, в которой реакция металла M и горючего газа прогрессировала или же уже закончена.
С помощью циклона продукты реакции удерживаются практически в центре реактора, например, рабочего пространства печи, и так как при сжигании на поверхности пористой трубы не возникают мелкие частицы, как при распылении, отходящий газ не содержит твердых или жидких частиц, так что также газовая турбина или, соответственно, расширительная турбина может просто подключаться в потоке отходящего газа. В этих обстоятельствах при этой концепции сжигания возможен ввод потока отходящего газа после сжигания металла M и отделения продуктов реакции прямо в газовую турбину.
Управление температурой отходящего газа по определенным вариантам осуществления может осуществляться в различных процессах сжигания посредством избытка газа, так чтобы она была выше температуры плавления продуктов реакции или, соответственно, их смеси.
По определенным вариантам осуществления циклонный реактор включает в себя также решетку, через которую могут отводиться твердые и/или жидкие продукты реакции при сжигании металла M с использованием горючего газа. Такая решетка может дополнительно препятствовать последующему турбулентному движению твердых и/или жидких продуктов реакции в циклонном реакторе.
Продукты реакции сжигания могут использоваться для выработки энергии, предпочтительно с применением по меньшей мере одной расширительной турбины и/или по меньшей мере одной газовой турбины, например, паровой турбины, и/или по меньшей мере одного теплообменника, и/или по меньшей мере одного бойлера, причем здесь по определенным вариантам осуществления могут использоваться как образующиеся твердые и/или жидкие продукты реакции, например, с применением теплообменника на реакторе, так и газообразные продукты реакции.
При применении циклонного реактора с подводом газа-носителя смесь из отходящего газа и газа-носителя по определенным вариантам осуществления, например, в реакторе и/или при и/или после отвода из реактора, может использоваться для нагрева бойлера или для передачи тепла в теплообменнике или турбине, например, газовой турбине или расширительной турбине.
Кроме того, смесь из газа-носителя и отходящего газа по определенным вариантам осуществления после сжигания может находиться под повышенным давлением, например, больше 1 бар, по меньшей мере 2 бар, по меньшей мере 5 бар или по меньшей мере 20 бар.
Кроме того, по другому аспекту изобретения раскрывается устройство для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, включающее в себя
пористую горелку, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки,
устройство для подвода металла M, предпочтительно в виде жидкости, внутрь пористой горелки, которое выполнено для того, чтобы подводить к пористой горелке металл M, предпочтительно в виде жидкости,
устройство для подвода горючего газа, которое выполнено для того, чтобы подводить горючий газ, и
опционально нагревательное устройство для предоставления металла M в виде жидкости, которое выполнено для того, чтобы сжижать металл M.
При этом пористая горелка может быть выполнена, как описано выше. В качестве устройства для подвода металла M могут, например, служить трубы или шланги, или же ленточные транспортеры, которые могут быть обогреваемыми, которые могут назначаться надлежащим образом, например, исходя из агрегатного состояния металла M. При необходимости на устройстве для подвода металла M может также устанавливаться другое устройство для подвода газа, опционально имеющее устройство управления, такое как клапан, с помощью которого может регулироваться подвод металла M. Устройство для подвода горючего газа тоже может быть выполнено в виде трубы или шланга и пр., которая или который при необходимости может быть обогреваемым, при этом устройство для подвода может надлежащим образом назначаться, исходя из состояния газа, который при необходимости может также находиться под давлением. Также могут быть предусмотрены несколько устройств для подвода металла M или горючего газа.
По определенным вариантам осуществления устройство для подвода горючего газа расположено таким образом, что оно направляет горючий газ по меньшей мере частично и предпочтительно полностью, на поверхность пористой горелки. Благодаря этому достигается улучшенная реакция между металлом M и горючим газом.
Кроме того, пористая горелка по определенным вариантам осуществления расположена таким образом, что образующиеся продукты реакции сжигания и опционально непрореагировавший металл M могут отделяться от поверхности пористой горелки за счет гравитации, например, когда пористая горелка в реакторе устанавливается вертикально, будучи направлена к поверхности земли. При вертикальном расположении труб пористой горелки в рабочем пространстве печи образующийся жидкий продукт реакции может стекать по трубе и затем капать вниз в зумпф печи. Таким путем будет также сжигаться предположительно растворенный металл M, например литий, который ранее не прореагировал на пористой горелке, и тепло реакции будет отдаваться протекающему мимо горючему газу и газу-носителю.
По определенным вариантам осуществления пористая горелка состоит из материала, который выбран из группы, состоящей из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркония и сплавов этих металлов, а также сталей, таких как нержавеющая сталь и хромоникелевая сталь. Эти материалы предпочтительны для применения при более высоких температурах, при которых реакция с жидким металлом M и при необходимости с образующимися жидкими солями металла может совершаться проще.
В определенных вариантах осуществления предлагаемое изобретением устройство может также иметь устройство для разделения продуктов сжигания металла M, которое выполнено для того, чтобы отделять продукты сжигания металла M и горючего газа, причем это устройство для разделения предпочтительно представляет собой циклонный реактор.
При этом устройство для разделения может служить для разделения отходящего газа при сжигании металла M с использованием горючего газа, и может включать в себя:
- реактор, в котором предусмотрена пористая горелка и установлено или, соответственно, предусмотрено устройство для подвода металла M, и к которому осуществляется подвод горючего газа, на котором или в котором установлено или, соответственно, предусмотрено устройство для подвода горючего газа;
- устройство для подвода газа-носителя, которое выполнено для того, чтобы подводить к реактору газ-носитель;
- устройство для отвода смеси из отходящего газа, а также газа-носителя, которое выполнено для того, чтобы отводить смесь из отходящего газа от сжигания металла M с использованием горючего газа и газа-носителя; и
- устройство для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа, которое выполнено для того, чтобы отводить твердые и/или жидкие продукты реакции сжигания металла M с использованием горючего газа.
Устройство для подвода газа-носителя тоже особо не ограничено и включает в себя, например, трубы, шланги и пр., причем это устройство для подвода газа-носителя может надлежащим образом назначаться, исходя из состояния газа-носителя, который при необходимости может также находиться под давлением.
Реактор тоже не особо ограничен, при условии, что в нем может совершаться сжигание горючего газа с металлом M. По определенным вариантам осуществления реактор может представлять собой циклонный реактор, который в качестве примера изображен на фиг.1 и на детальном виде в другом варианте осуществления на фиг.2.
Циклонный реактор по определенным вариантам осуществления может включать в себя
область реакции, в которой могут располагаться устройства для подвода горючего газа, металла M и газа-носителя, а также пористая горелка, например, в виде вращательно-симметричной верхней части,
область сепарации, которая, например, выполнена конической,
и камеру для сброса давления, в которой могут располагаться устройство для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа, например в виде ячейкового барабанного шлюза, а также устройство для отвода смеси из отходящего газа и газа-носителя, которая получается после перемешивания этих двух газов после сжигания металла M в горючем газе.
Такие компоненты устройства имеются обычно, например, в циклонных сепараторах. Но применяемый в соответствии с изобретением циклонный реактор может также иметь другую конструкцию и при необходимости включать в себя также другие области. Например, отдельные области (например, область реакции, область сепарации, камера для сброса давления) могут быть также объединены в одном конструктивном элементе одного из примеров циклонного реактора и/или распространяться по нескольким конструктивным элементам циклонного реактора.
Один из примеров циклонного реактора изображен на фиг.1. Циклонный реактор 6 включает в себя область 20a реакции, область 20b сепарации, которая примыкает как к области 20a реакции в верхней части 6a конструкции, так и к камере 20c для сброса давления в нижней части 6b конструкции, а также камеру 20c для сброса давления. К циклонному реактору ведут в верхней части устройство 1 для подвода горючего газа, например, в виде при необходимости обогреваемой трубы или шланга, и устройство 2 для подвода металла M, например, в виде при необходимости обогреваемой трубы или шланга, при этом подвод металла M осуществляется к пористой горелке 3. Подвод металла M осуществляется в соответствии с фиг.1 при помощи газа в устройстве 2ʹ для подвода газа, например, трубе или шланге, у которого возможно управление подводом с помощью клапана 2ʹʹ. Металл M и горючий газ подводятся к области 20a реакции. С помощью устройства 4 для подвода газ-носитель подводится к области 4ʹ для распределения газа, из которой газ-носитель затем через сопла 5, с которыми может выполняться циклон, подводится к области 20b сепарации. Детальный вид такого устройства 4 для подвода, имеющего область 4ʹ для распределения газа и сопло 5, приведен в поперечном сечении в качестве примера на фиг.4 (изображение без пористой горелки 3), однако могут также иметься несколько сопел 5, например, на надлежащем расстоянии вокруг внутренней стенки области 4ʹ, для создания надлежащего циклона. Из нижней части 6b конструкции, которая включает в себя камеру 20c для сброса давления, отводятся твердые и/или жидкие продукты реакции посредством устройства 7 для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа, в то время как смесь из отходящего газа и газа-носителя отводится посредством устройства 8 для отвода смеси из отходящего газа и газа-носителя.
При необходимости в предлагаемом изобретением устройстве может быть необходимо устройство для воспламенения, например, электрическое устройство для воспламенения или плазменная дуга, причем это может зависеть от вида и состояния металла M, например, его температуры и/или агрегатного состояния, свойств горючего газа, например, его давления и/или температуры, а также расположения компонентов в устройстве, например, вида и свойств устройств для подвода.
Чтобы конструктивно достичь как высокой температуры отходящего газа, например, больше 200°C, например, также 600°C или больше, и в определенных вариантах осуществления 700°C или больше, а также повышенного (например, бар или больше) или высокого (20 бар или больше) рабочего давления, внутренний материал реактора может состоять из высокожаропрочных сплавов, например, в экстремальном случае также из материала Haynes 214. Тогда вокруг этого материала, который должен только выдерживать высокую температуру, может быть расположена термическая изоляция, которая пропускает достаточно мало тепла, так что снаружи стальная стенка, которая дополнительно также может быть воздухо- или водоохлаждаемой, воспринимает нагрузку от давления. Тогда отходящий газ может подводиться к следующему технологическому шагу с повышенным или высоким рабочим давлением.
Кроме того, реактор, например, циклонный реактор, может также включать в себя устройства для нагрева и/или охлаждения, которые могут иметься на области реакции, области сепарации и/или камере для сброса давления, но также на разных устройствах для подвода и/или отвода, при необходимости горелке, и/или при необходимости устройстве для воспламенения. Кроме того, в предлагаемом изобретением устройстве могут иметься другие компоненты, такие как насосы для создания давления или вакуума, и пр.
В вариантах осуществления, в которых реактор выполнен в виде циклонного реактора, циклонный реактор может включать в себя решетку, которая выполнена таким образом, что через эту решетку могут отводиться твердые и/или жидкие продукты реакции при сжигании металла M с использованием горючего газа. Но кроме того, такая решетка может также иметься в других реакторах, которые могут быть предусмотрены в предлагаемом изобретением устройстве. Благодаря применению решетки в реакторе или, соответственно, циклонном реакторе может достигаться лучшее отделение твердых и/или жидких продуктов реакции при сжигании металла M с использованием горючего газа от смеси из отходящего газа и газа-носителя. Такая решетка в качестве примера изображена на фиг.2, в соответствии с которой решетка 6ʹ в качестве примера находится в циклонном реакторе 6, который изображен на фиг.1, в нижней части 6b конструкции над устройством 7 для подвода и под устройством 8 для отвода. Благодаря решетке, предпочтительно на достаточно большом расстоянии от стенки реактора, может обеспечиваться надежное осаждение твердых и жидких продуктов реакции или их смеси. Также благодаря ей уже осажденные твердые или жидкие продукты сжигания больше не могут приводиться циклоном в турбулентное движение.
Геометрия устройств для подвода газа-носителя особо не ограничена, при условии, что газ-носитель может перемешиваться с отходящим газом от сжигания металла M и горючего газа. Предпочтительно при этом образуется циклон, например, имеющий изображенное на фиг.1 устройство. Но циклон может также образовываться при других расположениях устройств для подвода относительно друг друга. Так, например, не исключено, что устройство для подвода газа-носителя имеется также вверху на реакторе вблизи устройств для подвода металла M и горючего. Соответственно надлежащие геометрии впрыска могут легко назначаться надлежащим образом, например, посредством моделирования течения.
Устройства для отвода также особо не ограничены, при этом, например, устройство для отвода смеси из отходящего газа и газа-носителя может быть выполнено в виде трубы, в то время как устройство для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа может быть выполнено, например, в виде ячейкового барабанного шлюза и/или в виде трубы, имеющей сифон. Здесь могут быть также предусмотрены разные клапаны, такие как напорные клапаны, и/или другие регуляторы. Изображенное на фиг.3 примерное устройство 7 для отвода, например, изображенного на фиг.1 циклонного реактора 6, может при этом включать в себя сифон 9, клапан 10 для удаления газа и регулятор 11 давления, однако не ограничено таковым. Такой сифон на устройстве для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M с использованием горючего газа, при необходимости в сочетании с предназначенным для данного рабочего давления регулятором давления на входе, может, например, применяться, чтобы обеспечивать возможность повышенного или высокого рабочего давления.
Устройство для отвода смеси из отходящего газа и газа-носителя по определенным вариантам осуществления может также содержать устройство для разделения отходящего газа и газа-носителя и/или отдельных компонентов отходящего газа.
По определенным вариантам осуществления устройство для отвода смеси из отходящего газа, а также газа-носителя может быть соединено с устройством для подвода газа-носителя и/или устройством для подвода горючего газа таким образом, чтобы смесь из отходящего газа и газа-носителя по меньшей мере частично подводилась к реактору в качестве газа-носителя и/или к горелке в качестве горючего газа. Доля возвращенного газа может при этом составлять 10 объемн. % или больше, предпочтительно 50 объемн. % или больше, более предпочтительно 60 объемн. % или больше, еще более предпочтительно 70 объемн. % или больше и еще более предпочтительно 80 объемн. % или больше относительно общего объема газа-носителя и отходящего газа. По определенным вариантам осуществления может осуществляться возвращение смеси из отходящего газа и газа-носителя на 90 объемн. % или больше относительно общего объема газа-носителя и отходящего газа.
По определенным вариантам осуществления предлагаемое изобретением устройство может, кроме того, также включать в себя по меньшей мере один бойлер и/или по меньшей мере один теплообменник, и/или по меньшей мере одну газовую турбину, и/или по меньшей мере одну расширительную турбину, который или которая находится в реакторе и/или в устройстве для отвода смеси из отходящего газа, а также газа-носителя. Таким образом, например, в устройстве с фиг.1, которое включает в себя циклонный реактор 6, в реакторе 6, в устройстве 8 для отвода и/или в устройстве, которое присоединяется к устройству 8 для отвода, могут быть предусмотрены один или несколько теплообменников, и/или бойлеров, и/или газовых турбин, и/или расширительных турбин, которые не изображены. Также может происходить теплообмен в самом циклонном реакторе 6, например, на наружных стенках в области 20a реакции и/или в области 20b сепарации, но при необходимости также в области камеры 20c для сброса давления, причем тогда соответствующие теплообменники могут быть также соединены с турбинами для выработки электрического тока в генераторах.
Таким образом, отходящие газы в виде смеси с газом-носителем могут подводиться к месту дальнейшего применения, например, нагрева бойлера для выработки пара, отдачи тепла в теплообменнике, эксплуатации турбины и т.д.
В случае, если не может быть найден надлежащий теплообменник, с помощью которого затем, например воздух, нагревается при соответствующем давлении и взамен отходящего газа направляется в газовую турбину, можно, например, использовать бойлер. Путь использования бойлера по определенным вариантам осуществления может быть более перспективным и также технически более прост, так как он может быть реализуем при более низких температурах и только повышенном давлении.
С помощью одного или нескольких теплообменников и/или одного или нескольких бойлеров может затем вырабатываться электрическая энергия, например, посредством применения паровой турбины и генератора. Но возможно также, чтобы смесь из отходящего газа и газа-носителя направлялась прямо на турбину, например, газовую турбину или, соответственно, расширительную турбину, для прямой выработки таким образом электрического тока. Однако это предполагает очень хорошее отделение твердых веществ и/или жидких продуктов реакции сжигания металла M и горючего газа, которые могут предоставляться в соответствии с изобретением, в частности с использованием решетки в реакторе. Выбор, применять ли бойлер или теплообменник, может, например, зависеть от того, образуются ли твердые или жидкие продукты реакции, но может быть также обусловлен промышленным оборудованием. В случае жидких продуктов реакции, например жидкого Li2CO3, например, стенка реактора может выполнять функцию теплообменника, в то время как в случае образующихся твердых продуктов реакции могут быть необходимы специальные теплообменники. При соответствующем отделении смеси отходящего газа и газа-носителя от твердых и/или жидких продуктов реакции возможно также при необходимости прямое направление смеси из отходящего газа и газа-носителя на турбину, так что возможно также, что тогда здесь не потребуются теплообменники и/или бойлеры в потоке отходящего газа.
По определенным вариантам осуществления предлагаемое изобретением устройство может включать в себя заборное устройство в устройстве для отвода смеси из отходящего газа, а также газа-носителя, которое выполнено для того, чтобы при возвращении смеси из отходящего газа и газа-носителя к устройству для подвода газа-носителя и/или устройству для подвода горючего газа путем соединения устройства для отвода смеси из отходящего газа, а также газа-носителя, с устройством для подвода газа-носителя забирать часть смеси из отходящего газа и газа-носителя. Такая часть может, например, составлять больше 1 объемн. %, предпочтительно 5 объемн. % и больше, и более предпочтительно 10 объемн. % или больше относительно общего объема смеси из отходящего газа и газа-носителя. Кроме того, по определенным вариантам осуществления максимум 50 объемн. %, предпочтительно 40 объемн. % или меньше, более предпочтительно 30 объемн. % или меньше, особенно предпочтительно 20 объемн. % или меньше относительно общего объема смеси из отходящего газа и газа-носителя, могут забираться из возвращенной смеси из отходящего газа и газа-носителя. Забранный газ может затем, например, служить ценным продуктом для других реакций, так, например, когда моноокись углерода выводится через шлюз и затем в процессе Фишера-Тропша преобразуется в более высокоценные углеводороды.
Отведенные твердые вещества также могут затем преобразовываться в ценные вещества. Так, например, полученный от сжигания с использованием азота нитрид металла путем гидролиза с водой может преобразовываться в аммиак и щелок, причем затем образовавшийся щелок может служить также ловушкой для двуокиси углерода и/или двуокиси серы.
По другому аспекту настоящее изобретение касается также применения пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа.
Приведенные выше варианты осуществления, исполнения и усовершенствования могут, если это целесообразно, комбинироваться друг с другом любым образом. Другие возможные варианты осуществления, усовершенствования и имплементации изобретения включают в себя также не названные явно комбинации признаков изобретения, описанных выше или ниже в связи с примерами осуществления. В частности, специалист добавит также отдельные аспекты в качестве усовершенствований или дополнений к данному основному варианту настоящего изобретения.
Ниже изобретение поясняется теперь уже на примерах вариантов осуществления, которые никоим образом не ограничивают изобретение.
По одному из вариантов осуществления металл M, например литий, применяется в жидком состоянии, то есть выше точки плавления. Жидкий металл M, например литий, может вводиться в пористую горелку и затем реагирует непосредственно, при необходимости после воспламенения для запуска реакции, с данным горючим газом, например воздухом, кислородом, двуокисью углерода, двуокисью серы, водородом, водяным паром, окисями азота NOx, например, молекулярной двуокисью азота, или азотом. Сжигание металла M, например, лития, может осуществляться в изображенном на фиг.1 устройстве, например, с количеством горючего газа, превышающим стехиометрическое, чтобы не создавать слишком высокие температуры отходящего газа. Но горючий газ может также добавляться в стехиометрическом или в количестве, которое ниже стехиометрического, по сравнению с металлом M. После сжигания для разбавления добавляется газ-носитель (например, азот, воздух, моноокись углерода, двуокись углерода и аммиак), который также может соответствовать горючему газу, для уменьшения температуры и с целью создания циклона для осаждения твердых или жидких продуктов реакции. Затем поток горячего отходящего газа может применяться для нагрева бойлера с целью передачи тепла в теплообменнике или тому подобном.
По второму примерному варианту осуществления в качестве горючего газа в изображенном на фиг.1 устройстве может использоваться двуокись углерода, а в качестве газа-носителя - моноокись углерода. В качестве металла M применяется, например, литий, например жидкий, то есть выше точки плавления 180°C. Жидкий литий вводится в пористую горелку 3 и затем реагирует непосредственно с горючим газом. Предположительно необходимы электрическое воспламенение или дополнительная горелка для воспламенения.
Реакция осуществляется в соответствии со следующим уравнением:
2 Li+2 CO2 → Li2CO3+CO.
Сжигание лития осуществляется на пористой горелке 3, предпочтительно с использованием стехиометрически необходимого количества двуокиси углерода, при этом также может выбираться отношение, которое несколько выше или ниже стехиометрического, (например, 0,95:1-1:0,95 для отношения CO2:Li). При использовании очень сильно заниженного количества двуокиси углерода может, например, образовываться карбид лития, из которого затем может получаться ацетилен.
Во втором шаге в средней части реактора/печи 6 в области 4ʹ осуществляется смешивание продуктов сжигания с газом-носителем моноокисью углерода, который через сопла 5 вдувается в реактор 6. В результате образуется циклон, который вызывает турбулентное движение твердых и/или жидких продуктов реакции к стенке реактора и преимущественное осаждение там. Предпочтительно избыток газа-носителя используется для обеспечения достаточного отвода тепла, образующегося вследствие сжигания. Таким образом может надлежащим образом регулироваться температура в реакторе 6.
Для сжигания в чистой двуокиси углерода образующийся карбонат лития имеет точку плавления 723°C. Если температура сжигания продуктов реакции посредством подмешивания газа-носителя и/или горючего газа с помощью устройств 1, 5 для подвода поддерживается выше по меньшей мере 723°C, то можно считать, что речь идет о жидких продуктах реакции сжигания. Устройства для подвода при сильно экзотермической реакции могут здесь использоваться для охлаждения, чтобы установка не нагревалась слишком сильно, при этом нижний предел температуры может представлять собой точку плавления образующихся солей, здесь карбоната лития. Если циклон, к тому же, эксплуатируется с другими газами, отличающимися от двуокиси углерода, такими как, например, воздух или азот, или другие газы, в продуктах реакции может также образовываться оксид лития (точка плавления Тпл. 1570°C) или нитрид лития (Тпл. 813°C). После осаждения жидких и твердых продуктов реакции, которое может улучшаться с помощью решетки 6ʹ, смесь из отходящего газа и газа-носителя направляется, например, в бойлер и используется для испарения воды, для осуществления затем привода паровой турбины с подключенным генератором или эксплуатации других технических устройств (например, теплообменников). Охлажденная после этого процесса смесь из отходящего газа и газа-носителя может затем, например, снова использоваться в качестве газа-носителя для создания циклона в печи. При этом используется остаточное тепло отходящего газа после процесса испарения в бойлере, и путем очистки отходящего газа, например угольными электростанциями, должно получаться только стехиометрически необходимое количество двуокиси углерода для сжигания с Li.
В таблице 1 изображена зависимость температуры отходящего газа и стехиометрического избытка для сжигания лития в чистой двуокиси углерода, при этом расчет осуществлялся со значениями удельной теплоты, не зависящими от температуры.
Таблица 1: эксплуатация печи с двуокисью углерода в качестве горючего газа и в качестве газа-носителя
[вес. %]
Сжигание по определенным вариантам осуществления может осуществляться с определенным избытком горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к металлу M 1,01:1 и больше, предпочтительно 1,05:1 и больше, более предпочтительно 5:1 и больше, еще более предпочтительно 10:1 и больше, например, также 100:1 и больше, чтобы стабилизировать температуру отходящего газа в определенных пределах температуры, и наряду с добавлением горючего газа и впуском металла M, например лития, в системе сопел посредством циклона может добавляться другой горючий газ или газ-носитель для поглощения тепла, как изображено на фиг.1 и фиг.4. Управление температурой отходящего газа по определенным вариантам осуществления может осуществляться в различных процессах сжигания посредством избытка газа, так что она может быть выше температуры плавления продуктов реакции или, соответственно, их смеси (таблица 1).
При рециркуляции отходящего газа, охлажденного в последующем шаге процесса, моноокись углерода в отходящем газе может обогащаться. При этом по определенным вариантам осуществления можно забирать из отходящего газа некоторую долю, и таким образом получать смесь газов моноокиси углерода и двуокиси углерода, которая имеет значительно более высокую долю моноокиси углерода, чем указано в таблице 1. Путем последующего разделения газов моноокись углерода может очищаться от двуокиси углерода, и двуокись углерода может продолжать использоваться в цикле или в горелке.
Благодаря возвращению образующегося газа CO в печи может дополнительно понижаться температура сжигания. При стехиометрическом сжигании могут достигаться температуры газа свыше 3000 К, которые приводили бы к проблемам с материалом. Понижение температуры сжигания было бы возможно также посредством избытка CO2. Однако он должен был бы быть приблизительно в 16 раз выше стехиометрического количества, так что образующийся газ CO находился бы в избытке CO2 в сильно разбавленном состоянии. Поэтому по определенным вариантам осуществления целесообразно возвращать некоторую часть образующегося газа CO в горелку и использовать в качестве термического балласта для понижения температуры. Предпочтительно при этом определенная температура реакции устанавливается путем возвращения некоторого постоянного количества смеси из отходящего газа и газа-носителя в качестве газа-носителя. В этом случае не образуется смесь CO/CO2, которую необходимо трудоемким образом разделять. Образующийся газ состоит большей частью из CO, и только из небольших примесей CO2. В стационарном состоянии наибольшая часть CO циркулирует, и из цикла отводится ровно столько CO, сколько воспроизводится при реакции CO2 и Li. Например, такой цикл может получаться, когда CO применяется в качестве газа-носителя в отношении 90 объемн. % или больше относительно смеси отходящего газа и газа-носителя. Таким образом, в процесс сжигания всегда может подводиться надлежащее количество двуокиси углерода, в отличие от чего соответствующее количество моноокиси углерода может постоянно забираться из циркуляционного контура в качестве ценного продукта.
Соответствующее проведение реакции изображено также в качестве примера на фиг.5. Из отходящего газа 100, например, из сжигающей электростанции, такой как угольная электростанция, при отделении CO2 101 выделяется двуокись углерода и затем в шаге 102 сжигается с литием, при этом в качестве газа-носителя используется CO. Образуется Li2CO3 103, и смесь из отходящего газа и газа-носителя, включающая в себя CO и CO2, при необходимости после разделения 104, может направляться через бойлер 105, с помощью которого эксплуатируются паровая турбина 106 и вместе с тем генератор 107. Осуществляется возвращение 108 отходящего газа в качестве газа-носителя, при этом CO в шаге 109 может выводиться через шлюз.
По третьему примерному варианту осуществления в качестве горючего газа и в качестве газа-носителя в изображенном на фиг.1 устройстве может использоваться азот. В качестве металла применяется, например, литий, например жидкий, то есть выше точки плавления 180°C. Жидкий литий может подводиться к пористой горелке 3 и затем реагирует непосредственно с горючим газом. Предположительно необходимы электрическое воспламенение или дополнительная горелка для воспламенения.
Сжигание лития осуществляется на пористой горелке 3 с использованием стехиометрически необходимого количества азота, при этом также может выбираться отношение, которое несколько выше или ниже стехиометрического (например, 0,95:1-1:0,95 для отношения N2:Li).
Реакция при этом следующая:
6 Li+N2 
2 Li3N.
Во втором шаге в средней части реактора 6 осуществляется смешивание продуктов сжигания с газом-носителем, например, азотом, который вдувается через сопла 5 в реактор 6. Таким образом образуется циклон, который вызывает турбулентное движение твердых и/или жидких продуктов реакции к стенке реактора и преимущественное осаждение там. Для сжигания в чистом азоте образующийся нитрид лития имеет точку плавления 813°C. Если температура сжигания продуктов реакции посредством подмешивания газа-носителя и/или горючего газа с помощью устройств 1, 5 для подвода поддерживается выше по меньшей мере 813°C, то можно считать, что речь идет о жидких продуктах реакции сжигания. Устройства для подвода при сильно экзотермической реакции могут здесь использоваться для охлаждения, чтобы установка не нагревалась слишком сильно, при этом нижний предел температуры может представлять собой точку плавления образующихся солей, здесь нитрида лития. Если циклон, к тому же, эксплуатируется с другими газами, отличающимися от азота, такими как, например, воздух, или двуокись углерода или другие газы, в продуктах реакции могут также образовываться оксид лития (Тпл. 1570°C) или карбонат лития (Тпл. 723°C). После осаждения жидких и/или твердых продуктов реакции, которое может улучшаться с помощью решетки 6ʹ, отходящий газ направляется, например, в бойлер и используется для испарения воды, для осуществления затем привода турбины с подключенным генератором или эксплуатации других технических устройств (например, теплообменников). Охлажденный после этого процесса отходящий газ может, например, снова использоваться для создания циклона в реакторе 6. При этом используется остаточное тепло отходящего газа после процесса испарения в бойлере, и, например, путем разложения воздуха должно получаться только стехиометрически необходимое количество азота для сжигания.
В таблице 2 показана зависимость температуры отходящего газа и стехиометрического избытка для сжигания лития в чистом азоте, при этом расчет осуществлялся со значениями удельной теплоты, не зависящими от температуры.
Таблица 2: эксплуатация печи с азотом в качестве горючего газа и в качестве газа-носителя
Сжигание по определенным вариантам осуществления может происходить при некотором избытке горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к металлу M больше 1,01:1, предпочтительно больше 1,05:1, более предпочтительно 5:1 и больше, еще более предпочтительно 10:1 и больше, например, также 100:1 и больше, для стабилизации температуры отходящего газа в определенных пределах температуры, и, наряду с добавлением горючего газа и впуском металла M, например лития, в систему сопел посредством циклона может добавляться другой горючий газ или газ-носитель для поглощения тепла, как изображено на фиг.1 и фиг.4. Управление температурой отходящего газа по определенным вариантам осуществления может происходить в различных процессах сжигания посредством избытка газа, так что она может быть выше температуры плавления продуктов реакции или, соответственно, их смеси (таблица 2).
Соответствующее проведение реакции изображено также в качестве примера на фиг.6. Из воздуха 200 путем разложения 201 воздуха выделяется азот и затем в шаге 202 сжигается с литием, при этом в качестве газа-носителя используется азот, например, тоже от разложения 201 воздуха. Образуется Li2N3 203, и смесь из отходящего газа и газа-носителя, включающая в себя N2 204, может направляться через бойлер 205, с помощью которого эксплуатируются паровая турбина 206 и вместе с тем генератор 207. Осуществляется возвращение 208 отходящего газа в качестве газа-носителя. Из нитрида 203 лития путем гидролиза 209 может получаться аммиак 210, при этом образуется LiOH 211, который может вступать в реакцию обмена с двуокисью углерода с получением карбоната 212 лития.
По четвертому примерному варианту осуществления возможно, например при использовании воздуха в качестве горючего газа, использовать два реактора, например два циклонных реактора, друг за другом, при этом в первом циклонном реакторе с металлом M, например литием, и кислородом из воздуха может создаваться оксид металла, например Li2O, и отходящий газ содержит преимущественно азот, и этот отходящий газ затем во втором циклонном реакторе может реагировать в качестве горючего газа с металлом M, например Li, с получением нитрида металла, например Li3N. При этом, например, функцию газа-носителя может выполнять азот, который также может получаться из первого отходящего газа, или сам первый отходящий газ если он, например, циркулирует.
Конструкция предлагаемого изобретением устройства, в частности применение пористых труб горелки, позволяет легко отделять твердые или, соответственно, жидкие продукты реакции или их смеси от образующихся отходящих газов, и таким образом подводить отходящие газы к месту применения, например, в газовой турбине или, соответственно, расширительной турбине, теплообменнике или бойлере. Таким образом, также все устройство для сжигания может быть выполнено, к тому же, более компактным, и сжигание выполняться более бережно для устройства благодаря локализации процесса сжигания.
Кроме того, устройство, например реактор, такой как печь, может работать с повышенным рабочим давлением, и таким образом процесс сжигания и осаждения может адаптироваться к соответствующим условиям последующего шага. Возможность разграничения горючего газа и газа-носителя для устройства циклона в определенных вариантах осуществления позволяет повторно использовать отходящие газы после отдачи тепла. При этой конструкции легко возможна рециркуляция. Также возможны смеси газов в качестве горючего газа и газа-носителя. Благодаря повторному использованию отходящего газа после данного шага или шагов процесса возможна экономия энергии и материала.
Изобретение относится к области энергетики. Способ сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки. К пористой горелке внутри пористой горелки подводится металл M в виде жидкости. Горючий газ направляется на поверхности пористой горелки и сжигается с металлом M. Сжигание происходит также при температуре, которая лежит выше точки плавления солей, образующихся при реакции металла M и горючего газа. Металл M подводится в виде сплава по меньшей мере двух металлов M. Продукты реакции после сжигания разделяются с помощью циклона. Изобретение позволяет эффективно отделять твердые и/или жидкие продукты реакции при сжигании металла и управлять сжиганием металла с использованием горючего газа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.
1. Способ сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа, при этом сжигание осуществляется посредством пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки.
2. Способ по п.1, при этом к пористой горелке внутри пористой горелки подводится металл M в виде жидкости.
3. Способ по пп.1 или 2, при этом горючий газ направляется на поверхности пористой горелки и сжигается с металлом M.
4. Способ по одному из предыдущих пунктов, при этом сжигание происходит также при температуре, которая лежит выше точки плавления солей, образующихся при реакции металла M и горючего газа.
5. Способ по одному из предыдущих пунктов, при этом металл M подводится в виде сплава по меньшей мере двух металлов M.
6. Способ по одному из предыдущих пунктов, при этом продукты реакции после сжигания разделяются.
7. Способ по п.6, при этом разделение осуществляется с помощью циклона.
8. Способ по одному из предыдущих пунктов, при этом продукты реакции сжигания используются для выработки энергии, предпочтительно с применением по меньшей мере одной расширительной турбины и/или по меньшей мере одной газовой турбины, и/или по меньшей мере одного теплообменника, и/или по меньшей мере одного бойлера.
9. Устройство для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, включающее в себя
пористую горелку, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки,
устройство для подвода металла M, предпочтительно в виде жидкости, внутрь пористой горелки, которое выполнено для того, чтобы подводить к пористой горелке металл M, предпочтительно в виде жидкости,
устройство для подвода горючего газа, которое выполнено для того, чтобы подводить горючий газ, и
опционально нагревательное устройство для предоставления металла M в виде жидкости, которое выполнено для того, чтобы сжижать металл M.
10. Устройство по п.9, при этом устройство для подвода горючего газа расположено таким образом, что оно направляет горючий газ по меньшей мере частично на поверхность пористой горелки.
11. Устройство по пп.9 или 10, при этом пористая горелка расположена таким образом, что образующиеся продукты реакции сжигания и опционально металл M могут отделяться от поверхности пористой горелки за счет гравитации.
12. Устройство по одному из пп.9-11, при этом пористая горелка состоит из материала, который выбран из группы, состоящей из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркония и сплавов этих металлов, а также сталей, таких как нержавеющая сталь и хромоникелевая сталь.
13. Устройство по одному из пп.9-12, включающее в себя также устройство для разделения продуктов сжигания металла M, которое выполнено для того, чтобы отделять продукты сжигания металла M и горючего газа, причем это устройство для разделения предпочтительно представляет собой циклонный реактор.
14. Устройство по одному из пп.9-13, включающее в себя также по меньшей мере одну расширительную турбину и/или по меньшей мере одну газовую турбину, и/или по меньшей мере один теплообменник, и/или по меньшей мере один бойлер.
15. Применение пористой горелки, которая включает в себя пористую трубу в качестве горелки, для сжигания металла M, который выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их сплавов и/или смесей, с использованием горючего газа.
| WO 2014063740 A1, 01.05.2014 | |||
| EP 1918640 A2, 07.05.2008 | |||
| DE 19646957 A1, 14.05.1998 | |||
| US 3993431 A1, 23.11.1976 | |||
| US 7900453 B1, 08.03.2011 | |||
| СОСТАВ ТОПЛИВА | 1996 |
|
RU2182163C2 |
