СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ СПЛАВА ЭЛЕКТРОПОЛОЖИТЕЛЬНОГО МЕТАЛЛА
METHOD AND DEVICE FOR COMBUSTION OF ALLOYS OF AN ELECTROPOSITIVE METAL

Настоящее изобретение касается способа сжигания сплава электроположительного металла, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, с использованием горючего газа, причем этот сплав электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, при котором сплав электроположительного металла сжигается с использованием горючего газа, и устройства для выполнения этого способа.
2
Окаменевшие топлива дают ежегодно десятки тысяч тераватт-часов электрической, тепловой и механической энергии. Однако конечный продукт сжигания, двуокись углерода (CO), все в большей степени становится экологической и климатической проблемой.
На протяжении многих лет было предложено множество устройств для выработки энергии, которые работают с теплом, создаваемым при окислении металлического лития (напр., 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 ток, накапливается и в желаемое время может превращаться обратно в ток, или же могут получаться химические основные элементы.
Как может реализовываться полный энергетический цикл с электроположительными металлами, раскрывается в DE 10 2008 031 437 A1 и DE 10 2010 041033 A1. Показательным примером служит здесь конкретно литий, как в качестве энергоносителя, так и в качестве накопителя энергии, при этом могут также использоваться другие электроположительные металлы, такие как натрий, калий или магний, кальций, барий или 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 (напр., 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 сгорания от потока отходящих газов 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 обеспечиваться полное удаление из потока отходящего газа всех частицы. Такие частицы со временем повреждают лопасти газовой турбины и приводят к выходу установки из строя.
2
2
Кроме того, DE 10 2014 203039.0 описывает применение щелочных металлов в качестве накопителей энергии и их использование в работе электростанции, а DE 10 2014 203039.0 - конструкцию, циклонную горелку, для сжигания лития в атмосферах, содержащих CO или, соответственно, N и одновременного разделения твердых и газообразных продуктов реакции посредством циклона.
При этом представляют собой проблему высокие температуры при сжигании электроположительного металла, а также экзотермия реакции, которые являются причиной высоких требований к устройству для сжигания и управлению реакцией.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставить способ и устройство, при которых сжигание электроположительных металлов может выполняться при более низких температурах. Другой задачей настоящего изобретения является предоставить способ, при котором можно выполняться эффективное сжигание электроположительных металлов при избегании чрезмерного охлаждения для защиты установки и вместе с тем с уменьшением тепловых потерь. Кроме того, задачей настоящего изобретения является предоставить способ, при котором исходные вещества сжигания электроположительных металлов могут получаться просто и энергетически усовершенствованным образом. Кроме того, другой задачей изобретения является предоставить способ, при котором может снижаться энергия, требующаяся для активирования реакции сжигания. Кроме того, задачей настоящего изобретения является предоставить способ, при котором отвод в жидком состоянии продуктов сжигания при сжигании может осуществляться при наиболее низкой возможной температуре, потому что чем дольше они остаются жидкими, тем ниже может быть температура при сжигании, что также сберегает установку.
2
2
Итак, было выяснено, что при применении сплавов электроположительных металлов, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, и причем этот сплав электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, становится возможным понижение температуры реакции при сжигании, экзотермическая реакция сжигания становится лучше управляемой, и возможно более эффективное управление установкой. Кроме того, отделение образующихся при сжигании газов (напр., CO при сжигании CO) от смеси солей (например, карбонатов при сжигании в CO) может осуществляться простым и эффективным образом путем применения циклона и отвода расплава солей в жидком состоянии. Кроме того, сплавы могут предоставляться обычно легче, чем чистые электроположительные металлы, так как также электролиз смесей солей разных электроположительных металлов может совершаться проще и менее энергоемко, чем электролиз солей только одного электроположительного металла.
Настоящее изобретение касается, таким образом, способа и конструкции для сжигания, при необх. под давлением, сплавов, включающих в себя щелочные и/или щелочноземельные металлы, алюминий и/или цинк, в различных атмосферах реакционного газа, такого как двуокись углерода, азот, водяной пар, кислород, воздух и пр.
По одному из аспектов изобретения настоящее изобретение касается способа сжигания сплава электроположительного металла, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, с использованием горючего газа, причем этот сплав электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, при котором сплав электроположительного металла сжигается с использованием горючего газа.
По другому аспекту изобретения настоящее изобретение касается устройства для сжигания сплава электроположительного металла, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, с использованием горючего газа, причем этот сплав электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, включающего в себя
пористый реактор или устройство для распыления сплава электроположительного металла,
устройство для подвода сплава электроположительного металла, предпочтительно в виде жидкости, внутрь пористой горелки или к устройству для распыления сплава, которое выполнено для того, чтобы подводить к пористой горелке или устройству для распыления сплава сплав электроположительного металла, предпочтительно в виде жидкости,
устройство для подвода горючего газа, которое выполнено для того, чтобы подводить горючий газ, и
опционально нагревательное устройство для предоставления сплава электроположительного металла в виде жидкости, которое выполнено для того, чтобы сжижать сплав электроположительного металла.
Другие аспекты настоящего изобретения содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения и детальном описании, а также в 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: схематично показано другое возможное расположение предлагаемого изобретением устройства.
Фиг.6: схематично изображен еще одно другое возможное расположение предлагаемого изобретением устройства.
Фиг.7: показана схема примерной реакции сплава электроположительного металла в соответствии с изобретением и двуокиси углерода с получением карбоната, которая может выполняться предлагаемым изобретением способом.
Фиг.8: показана схема другой примерной реакции сплава электроположительного металла в соответствии с изобретением и азота с получением нитрида и других производных продуктов, которая может выполняться предлагаемым изобретением способом.
Настоящее изобретение в первом аспекте касается способа сжигания сплава электроположительного металла, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, с использованием горючего газа, причем этот сплав электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, при котором сплав электроположительного металла сжигается с использованием горючего газа.
Электроположительный металл в сплаве L 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 электроположительный металл в сплаве выбран из Li, Na, K, Mg, Ca, Al и Zn, и более предпочтительно сплав включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, которые выбраны из Li, Na, K, Ca и Mg, причем этот сплав по определенным вариантам осуществления особенно предпочтительно включает в себя по меньшей мере литий или магний. Однако могут комбинироваться любые из названных металлов. В остальном этот сплав особо не ограничен и может, например, находиться в виде твердого вещества или жидкости. Однако при сжигании сплав предпочтительно является жидким, так как таким образом может происходить простая транспортировка сплава.
x
x
В качестве горючего газа по определенным вариантам осуществления возможны такие газы, которые могут реагировать с названным сплавом L 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 NO, такие как молекулярная моноокись азота, азот, двуокись серы или их смеси. То есть способ может также применяться для десульфурации или, соответственно, удаления NO. При этом, в зависимости от горючего газа, при использовании разных сплавов L могут получаться разные продукты, которые могут выходить в виде твердого вещества, жидкости или же в газообразной форме.
2
Так, например, при реакции сплава L, например, сплава лития и магния, с азотом образуются, в частности, нитрид металла, такой как смесь из нитрида лития и нитрида магния, которую затем, позднее можно заставить дополнительно реагировать с получением аммиака, в отличие от чего при реакции обмена сплава L, напр., лития и натрия, с двуокисью углерода могут образовываться, например, карбонат металла, напр., смесь из карбоната лития и карбоната натрия, моноокиси углерода, оксида металла, напр., оксида лития и оксида натрия, или же карбид металла, напр., карбид лития и карбид натрия, 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, напр., карбида лития и карбида натрия, может получаться, например, ацетилен. Кроме того, например, с помопри использовании молекулярной моноокиси азота в качестве горючего газа может также образовываться, напр., нитрид металла. Аналогично при использовании сплава из лития и калия при сжигании получается, например, смесь соответствующих солей лития и калия, а при использовании сплава из натрия и калия при сжигании, например, смесь соответствующих солей натрия и калия. Соответствующие реакции могут также выполняться со сплавами, содержащими 3 и больше металлов, напр., литий, натрий и калий. Также возможны сплавы, например, из магния и кальция или, соответственно, магния и цинка, или из магния и алюминия и пр. Предпочтительными для реакции обмена с получением нитрида являются, например, Li/Mg или, соответственно, любая смесь щелочноземельных металлов, в частности Mg/Ca, при этом Be, например, функционирует хуже. Для сжигания с использованием CO пригодны, например, Na/K, Na/Li/K, Li/K, Li/Na, Li/Mg, вышеназванные сплавы. Также легко возможно, например, получение и применение сплавов, содержащих барий, так как барит в природе встречается очень часто.
Примером реакции сплавов Na/K является:
2
2
3
2
3
реакции
2 Na/K+4 CO → NaCO/KCO+2 CO ΔH= - 454 кДж/моль
Благодаря применению сплавов, вследствие более низкой температуры плавления смеси солей по сравнению с температурой плавления карбонатов отдельных щелочных и щелочноземельных металлов становится возможной гибкая регулировка температуры пламени при одновременном обеспечении отвода смеси солей в жидком состоянии.
Например, адиабатная температура пламени стехиометрической реакции сжигания при сжигании линия в атмосфере двуокиси углерода или азота, лежит в области >2000 K.
Далее указаны энтальпии реакций отдельных электроположительных металлов с использованием разных горючих газов, из которых получается экзотермия этих реакций.
Таблица 1: энтальпии образования при реакции отдельных электроположительных металлов
Энтальпия реакции, кДж/моль
Энтальпия, кДж/моль
Энтальпия, кДж/г
Соединение
Уравнения сжигания
6 Li+N<sub>2</sub> → 2 Li<sub>3</sub>N
-414
-69
-10
Li
2 Li+2 CO<sub>2</sub> → Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>+CO
-539
-270
-39
Li
2 Li+2 H<sub>2</sub>O → 2 LiOH+H<sub>2</sub>
-404
-202
-29
Li
4 Li+O<sub>2</sub> → 2 Li<sub>2</sub>O
-1196
-299
-43
Li
2 Na+4 CO<sub>2</sub> → Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>+2 CO
- 454
-227
-10
Na
Mg+ 2 CO<sub>2</sub> → MgCO<sub>3</sub>+CO
-435,2
-435,2
-18
Mg
Ca+2 CO<sub>2</sub>→CaCO<sub>3+</sub>CO
-529,93
-529,93
-13
Ca
2 K+2 CO<sub>2</sub>→K<sub>2</sub>CO<sub>3+</sub>CO
-474
-237
-6
K
Поддерживающие взаимодействия
Li<sub>3</sub>N+3 H<sub>2</sub>O → 3 LiOH+NH<sub>3</sub>
-444
-444
-26
NH<sub>3</sub>
Li<sub>2</sub>O+CO<sub>2</sub> → Li<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
-224
-224
-5
CO<sub>2</sub>
При экзотермической реакции высвобождается тепло на сравнимом термическом уровне, как при сжигании энергоносителей на основе углерода на воздухе. По этим причинам предпочтителен более простой контроль реакции сжигания.
Также не исключено, что наряду с двумя электроположительными металлами, выбранными из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, в сплаве L содержатся и другие компоненты, например, другие металлы. Такие другие компоненты по определенным вариантам осуществления содержатся в сумме в количестве меньше 50 вес. %, предпочтительно меньше 25 вес. %, более предпочтительно меньше 10 вес. % и еще более предпочтительно меньше 5 вес. %, относительно сплава.
Однако по определенным вариантам осуществления сплав содержит только металлы, которые выбраны из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, при этом, однако, могут также содержаться неизбежные примеси, например, в количестве менее 1 вес. % относительно сплава.
Количественные отношения электроположительных металлов и при необходимости других компонентов в сплаве L в соответствии с изобретением особо не ограничены. Однако по определенным вариантам осуществления составляющие сплава отрегулированы так, что для этого сплава получается приблизительно минимум точки плавления, то есть эвтектическая смесь металлов, и/или минимум точки плавления соответствующих солей, при этом в точке плавления сплава или, соответственно, смеси солей возможны отклонения температуры максимум +200°C относительно минимума температуры. Предпочтительно для сплава получается минимум точки плавления (эвтектическая смесь) и/или минимум точки плавления соответствующих солей (эвтектическая смесь/эвтектика). Соответствующие точки плавления сплавов или, соответственно, образующихся при сжигании солей могут надлежащим образом сниматься с известных фазовых диаграмм или просто рассчитываться. Так, например, для сплава из натрия и калия при сжигании с использованием двуокиси углерода получаются соли карбонат натрия и карбонат калия, для которых получается минимум точки плавления 709°C при молярном отношении соли натрия к смеси 0,59. Для лития и натрия получается для карбонатов значение 498°C при молярном отношении соли натрия к смеси 0,49. Для лития и калия получается для карбонатов даже дважды минимум точки плавления 503°C при молярном отношении соли лития к смеси 0,416 и 0,61, при этом температура плавления между этими значениями повышена только минимально, и включены также соответствующие сплавы. По определенным вариантам осуществления доля электроположительных металлов и других компонентов в сплаве выбирается так, что получается точка плавления образующихся солей, которая ниже, чем самая низкая точка плавления каждой из отдельных солей, то есть, например, которая для системы карбонат лития/карбонат калия ниже, чем точка плавления карбоната лития, так как карбонат калия имеет более высокую точку плавления.
По определенным вариантам осуществления сплав электроположительного металла сжигается в виде жидкости. Таким образом возможна простая транспортировка сплава и более легкая локализация реакции сплава с использованием горючего газа. По определенным вариантам осуществления сжигание происходит также при температуре, которая лежит выше точки плавления солей, образующихся при реакции сплава электроположительного металла и горючего газа. При этом варианте осуществления при сжигании сплава возникают жидкие продукты реакции, которые, в противоположность пылеобразным или, соответственно, порошкообразным продуктам реакции могут легче отделяться от образующихся газообразных продуктов реакции. Кроме того, при этом легче контролировать реакцию сжигания, так как продукты реакции, имеющие максимальную точку плавления, т.е. соли, находятся в жидком состоянии и так же, как и другие газообразные и при необх. жидкие продукты реакции или неизрасходованные эдукты, такие как, напр., жидкий сплав L или, соответственно, жидкий металл, могут легко удаляться с места реакции. Это, в частности, предпочтительно там, где сжигание осуществляется в месте выхода сплава из устройства для подвода, например, при распылении или сжигании с применением пористой горелки.
Распыление сплава может при этом осуществляться надлежащим образом и особо не ограничено. Вид сопла тоже особо не ограничен и может включать в себя как однокомпонентные, так и двухкомпонентные сопла. По определенным вариантам осуществления сплав L электроположительного металла, предпочтительно в виде жидкости, распыляется и сжигается с использованием горючего газа. Но возможно также распыление частиц сплава. Более эффективное распыление может, однако, достигаться при применении сплава L в виде жидкости, при этом также при необходимости может иметься возможность самовоспламенение реакции сжигания за счет температуры, так что источник воспламенения не требуется.
По определенным вариантам осуществления сплав электроположительного металла в виде жидкости направляется в пористую горелку и сжигается с помощью пористой горелки, при этом горючий газ при необходимости направляется на наружные поверхности пористой горелки и сжигается со сплавом электроположительного металла. Однако внутреннее смешивание, как в классической пористой горелке, не происходит, чтобы избежать засора пор твердыми продуктами реакции. По определенным вариантам осуществления пористая горелка представляет собой, таким образом, пористая горелка 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 дополнительно требуется также реактор/топочная камера, в которой может совершаться сжигание сплава L с использованием горючего газа, например, при распылении или сжигании при помощи пористой горелки. Здесь также реактор/топочная камера особо не ограничены, при условии, что в них может происходить сжигание.
При применении пористой горелки получается также то преимущество, что возможна локализация сжигания на пористой горелке, при этом продукты сжигания также выходят на пористой горелке или вблизи нее. 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.
Пористая горелка по своей форме особо не ограничена и по определенным вариантам осуществления включает в себя пористую трубу в качестве горелки. По определенным вариантам осуществления пористая горелка включает в себя пористую трубу, к которой по меньшей мере в одно отверстие может подводиться сплав L. Предпочтительно сплав L подается только через одно отверстие трубы, а другой коней трубы закрыт или тоже состоит из материала пористой трубы. При этом пористая труба может, например, представлять собой пористую металлическую трубу, например, из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркаллоя 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, циркаллоя 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 необх. источник воспламенения, и пр.
По определенным вариантам осуществления к пористой горелке подводится сплав L в виде жидкости внутри пористой горелки. Это приводит к лучшему распределению сплава L в пористой горелке и более равномерному выходу сплава из пор пористой трубы, так что может происходить более равномерная реакция между сплавом L и горючим газом. Управление сжиганием сплава L и горючего газа может, например, надлежащим образом осуществляться посредством размера пор трубы, применяемого сплава L, его плотности, которая может быть взаимосвязана с температурой сплава L, давления, с которым сплав L вводится в пористую горелку, давления или, соответственно, скорости нанесения/или, соответственно, подвода горючего газа, и пр. Сплав L, например, включающий в себя литий и натрий, по определенным вариантам осуществления применяется, соответственно, в жидком состоянии, то есть, например, выше точки плавления сплава. Жидкий сплав L может при этом вдавливаться в пористую трубу, например, также при помощи другого, находящегося под давлением газа, который не ограничен, при условии, что он не реагирует со сплавом L, например, инертного газа. Затем жидкий сплав L 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 со сплавом L. 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 сплава L 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. Основная часть продуктов сжигания может, например, осаждаться в жидком состоянии. 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 сплава L и горючего газа. Соли, образующиеся при сжигании сплава L и горючего газа, могут при этом иметь точку плавления, которая лежит выше точки плавления сплава L, так что может быть необходима подвод жидкого сплава L при повышенной температуре. При сжигании при температуре выше точки плавления образующихся солей может также предотвращаться загрязнение или, соответственно, закладывание пористой горелки или, соответственно, сопла образующимися солями, так что пористая горелка или, соответственно, сопло 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 в горелке. В частности, при таком способе при температурах выше точки плавления образующихся солей предпочтительны материалы горелки или, соответственно, сопла, которые могут выдерживать эти температуры, такие как, например, железо, хром, никель, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, циркаллой и сплавы этих металлов, а также стали, такие как нержавеющая сталь и хромоникелевая сталь.
Таким образом, температура сжигания предпочтительно выше точки плавления данного продукта реакции или, соответственно, данных продуктов реакции, чтобы поры пористой горелки или, соответственно, сопла не засорялись, и был возможен отвод продуктов реакции. Кроме того, также, в зависимости от продукта реакции, может происходить некоторое перемешивание между жидким сплавом L и продуктом реакции, так чтобы сжигание могло происходить не только локально у отверстия пор или, соответственно, выхода сопла, но и с распределением по всей поверхности трубы или, соответственно, сопла. Этим можно управлять, например, посредством скорости подвода сплава L.
Благодаря подводу сплава L в виде сплава по меньшей мере двух электроположительных металлов может достигаться понижение точки плавления сплава по сравнению с данными металлами, а также 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.
2
Возникающие при реакции газообразные продукты (например, CO при сжигании в CO) могут отделяться от твердых или, соответственно, жидких продуктов сжигания и продолжать использоваться дальше. В процессе сжигания предпочтительно, чтобы соли, которые возникают при экзотермической реакции, могли отводиться в жидком состоянии, и отходящий газ (состоящий из газообразных продуктов реакции и предположительно избыточно введенного реакционного газа), не содержащий твердых частиц, мог направляться через расширительную турбину под давлением. Благодаря надлежащему применению щелочных и щелочноземельных металлических сплавов или, соответственно, сплавов Al и/или цинка при регулировке посредством коэффициента избытка воздуха (стехиометрия реакции) может обеспечиваться более низкая температура сжигания. Из-за низкой температуры сжигания смеси солей может легче обеспечиваться отвод продуктов в жидком состоянии. При этом можно избежать применения дорогих материалов горелки. К тому же возможна потенциально более высокая динамика процесса сжигания, при различных температурах в зависимости от стехиометрии (коэффициент избытка воздуха) реакции сжигания, при одновременном обеспечении отвода образующейся смеси солей в жидком состоянии.
Кроме того, по определенным вариантам осуществления сжигание может осуществляться с определенным избытком горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к металлу 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 твердых и/или жидких продуктов реакции при сжигании сплава L с использованием горючего газа, при этом по определенным вариантам осуществления в одном шаге реакции горючий газ сжигается со сплавом L, 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 отводиться 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, 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 от металла M с горючим газом. Разные газы-носители могут, например, надлежащим образом адаптироваться к реакции горючего газа со сплавом L, чтобы при этом при необх. достигать синергетических эффектов. Газ, который опционально применяется для подвода сплава L, может также соответствовать газу-носителю.
Для сжигания двуокиси углерода со сплавом L, например, из лития и натрия, 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 необх. часть газа-носителя может забираться в качестве ценного продукта, например, для последующего синтеза Фишера-Тропша, в то время как при сжигании двуокиси углерода со сплавом L 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 объемных % 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 со сплавом L, например, из лития и магния, 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 сплава L и азота с применением надлежащих, легко определяемых параметров может быть 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. Напр. 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. 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 сплавом L может осуществляться таким образом, чтобы в качестве отходящего газа образовывался газ-носитель, напр., содержащий двуокись углерода в качестве горючего газа и моноокись углерода в качестве отходящего газа, 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. При этом газ-носитель может непрерывно циркулировать и забираться в таком количестве, которое имеет место при сжигании сплава L и горючего газа. В отличие от чистой циркуляции газа-носителя, при которой при необх. 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, сплава L и газа-носителя (которые перед этим также при необх. 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, напр., в виде ячейкового барабанного шлюза, а также устройство для отвода для 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, напр., в циклонных сепараторах. Но применяемый в соответствии с изобретением циклонный реактор может также иметь другую конструкцию и при необх. включать в себя также другие области. Например, отдельные области (напр., 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 сплава L и горючего газа прогрессировала или же уже закончена.
С помощью циклона продукты реакции удерживаются практически в центре реактора, например, рабочего пространства печи. Одним из преимуществ применения пористой горелки является, что при сжигании на поверхности пористой трубы не возникают мелкие частицы, как при распылении, так что отходящий газ не содержит твердых или жидких частиц, так что также газовая турбина или, соответственно, расширительная турбина может просто подключаться в потоке отходящего газа. Однако при надлежащем подводе газа-носителя может также достигаться эффективное отделение от отходящего газа твердых и жидких продуктов реакции при распылении сплава L. В этих обстоятельствах при этой концепции сжигания возможен ввод потока отходящего газа после сжигания сплава L 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 сплава L 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. То есть высвобождающаяся при сжигании тепловая энергия может (например, посредством расширительной турбины и/или паровой турбины) преобразовываться в электрическую энергию. Высвобождающаяся тепловая энергия может, например, посредством теплообменника и последующей паровой турбины использоваться для выработки электроэнергии. Более высокие эффективности достижимы, например, при применении газовых турбин в комбинации с паровыми турбинами. Для этого по определенным вариантам осуществления необходимо обеспечить, чтобы отходящий газ после сжигания металла не содержал частиц, так как иначе эти частицы могут со временем повредить турбину.
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 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 сплава L электроположительного металла, причем этот электроположительный металл выбран из щелочных, щелочноземельных металлов, алюминия и цинка, а также их смесей, и этот сплав L электроположительного металла включает в себя по меньшей мере два электроположительных металла, включающее в себя
пористую горелку или устройство для распыления сплава L электроположительного металла,
устройство для подвода сплава L электроположительного металла, предпочтительно в виде жидкости, внутрь пористой горелки или к устройству для распыления сплава L, которое выполнено для того, чтобы подводить к пористой горелке или к устройству для распыления сплава L сплав L электроположительного металла, предпочтительно в виде жидкости,
устройство для подвода горючего газа, которое выполнено для того, чтобы подводить горючий газ, и
опционально нагревательное устройство для предоставления сплава L электроположительного металла в виде жидкости, которое выполнено для того, чтоб сжижать сплав L электроположительного металла.
При этом устройство для распыления сплава L особо не ограничено и может, например, включать в себя однокомпонентное сопло или двухкомпонентное сопло. Пористая горелка может быть выполнена, как описано выше. В качестве устройства для подвода сплава L могут, например, служить трубы или шланги, или же ленточные транспортеры, которые могут быть обогреваемыми, которые могут назначаться надлежащим образом, например, исходя из агрегатного состояния сплава L. При необходимости на устройстве для подвода сплава L может также устанавливаться другое устройство для подвода газа, опционально имеющее устройство управления, такое как клапан, с помощью которого может регулироваться подвод сплава L. 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 необх. может также находиться под давлением. Также могут быть предусмотрены несколько устройств для подвода сплава L 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 или, соответственно, к выходу сопла. Благодаря этому достигается улучшенная реакция между сплавом L и горючим газом.
Кроме того, пористая горелка по определенным вариантам осуществления расположена таким образом, что образующиеся продукты реакции сжигания и опционально не прореагировавший сплав L 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 пористых жаровых труб 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 сплав L, например, из лития и натрия, 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 или, соответственно, сопло состоит из материала, который выбран из группы, состоящей из железа, хрома, никеля, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама, циркаллоя 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. Эти материалы предпочтительны для применения при более высоких температурах, при которых реакция с жидким сплавом L и при необх. с образующимися жидкими солями металла может совершаться проще.
В определенных вариантах осуществления предлагаемое изобретением устройство может также иметь устройство для разделения продуктов сжигания сплава L, которое выполнено для того, чтобы отделять продукты сжигания сплава L 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 сплава L с использованием горючего газа, и может включать в себя:
- реактор, в котором предусмотрена пористая горелка или, соответственно, устройство для распыления и установлено или, соответственно, предусмотрено устройство для подвода сплава L, 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 сплава L с использованием горючего газа и газа-носителя; и
- устройство для отвода твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания сплава L с использованием горючего газа, которое выполнено для того, чтобы отводить твердые и/или жидкие продукты реакции сжигания сплава L 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 необх. может также находиться под давлением.
Реактор тоже не особо ограничен, при условии, что в нем может совершаться сжигание горючего газа со сплавом L. 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, сплава L 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 для твердых и/или жидких продуктов реакции сжигания сплава L с использованием горючего газа, напр., в виде ячейкового барабанного шлюза, а также устройство для отвода для смеси из отходящего газа и газа-носителя, которая получается после перемешивания этих двух газов после сжигания сплава L 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 необх. включать в себя также другие области. Например, отдельные области (напр., 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. Изображенный 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 необх. обогреваемой трубы или шланга, и устройство 2 для подвода сплава L, например, в виде при необх. обогреваемой трубы или шланга, при этом подвод сплава L осуществляется к пористой горелке 3. Подвод сплава L осуществляется в соответствии с фиг.1 при помощи газа в устройстве 2' для подвода газа, например, трубы или шланга, у которого возможно управление подводом с помощью клапана 2''. Сплав L и горючий газ подводятся к области 20a реакции. С помощью устройства 4 подвода газ-носитель подводится к области 4' 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 4' 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 4', 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 сплава L с использованием горючего газа, в то время как смесь из отходящего газа и газа-носителя отводится посредством устройства 8 для отвода для 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 сплава L, 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 400°C или больше, и в определенных вариантах осуществления 500°C или больше, а также повышенного (напр., 5 бар или больше) или высокого (20 бар или больше) рабочего давления, внутренний материал реактора может состоять из высокожаропрочных сплавов, например, вышеназванных, и 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 необх. горелке, и/или при необх. 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 сплава L 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 жестких и/или жидких продуктов реакции при сжигании сплава L 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 6' 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 сплава L и горючего газа. Предпочтительно при этом образуется циклон, напр., имеющий изображенное на фиг.1 устройство. Но циклон может также образовываться при других расположениях устройств для подвода друг относительно друга. Так, например, не исключено, что устройство для подвода газа-носителя имеется также вверху на реакторе вблизи устройств для подвода сплава L и горючего газа. 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 сплава L с использованием горючего газа, при необх. 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 необх. 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, напр., воздух нагревается при соответствующим 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 простым, так как он может быть реализуем при более низких температурах и только повышенном давлении.
2
3
2
3
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 сплава L 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, напр., жидкого LiCO и NaCO, 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 необх. 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, напр., 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.
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 включает 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 применяется сплав L, например, из лития и натрия, в жидком состоянии, то есть выше точки плавления сплава. Жидкий сплав L, например, из лития и натрия, может вводиться в пористую горелку и затем реагирует непосредственно, при необходимости после воспламенения для запуска реакции, с данным горючим газом, напр., воздухом, кислородом, двуокисью углерода, двуокисью серы, водородом, водяным паром, окисью азота NOx, например, молекулярной двуокисью азота, или азотом. Сжигание сплава L 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 (напр., 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 потор 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 сплава L применяется, например, сплав лития и натрия, напр., жидкий. Жидкий сплав вводится в пористую горелку 3 и затем реагирует непосредственно с горючим газом. Предположительно необходимы электрическое воспламенение или дополнительная горелка для воспламенения. В одной из модификаций этого примера по этому примеру может также осуществляться, например, реакция со сплавом из натрия и калия, при этом сплав из натрия и калия при температуре помещения может находиться в виде жидкости.
2
Сжигание сплава L 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, (напр., 0,95:1-1:0,95 для отношения CO:сплав L). При использовании очень сильно заниженного количества двуокиси углерода может, например, образовываться карбид в качестве соли, из которой затем может получаться ацетилен.
Во втором шаге в средней части реактора/печи 6 в области 4' 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 образующаяся смесь карбоната лития-карбоната натрия в случае эвтектического смешивания имеет точку плавления 489°C. Если температура сжигания в продуктах реакции посредством подмешивания газа-носителя и/или горючего газа с помощью устройств 1, 5 для подвода поддерживается выше по меньшей мере 489°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 образующейся смеси солей. Если циклон, к тому же, эксплуатируется с другими газами, отличающимися от двуокиси углерода, такими как, например, воздух или другие газы, в продуктах реакции могут также образовываться, например, оксиды лития и натрия в виде смеси. После осаждения жидких и твердых продуктов реакции, которое может улучшаться с помощью решетки 6', 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 (напр., 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, напр., угольными электростанциями должно получаться только стехиометрически необходимое количество двуокиси углерода для сжигания с Li/Na.
Сжигание по определенным вариантам осуществления может осуществляться при некотором избытке горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к сплаву L 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 сплава L в систему сопел посредством циклона, добавляются 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 в различных процессах сжигания может осуществляться посредством избытка газа, так что она может быть выше температуры плавления продуктов реакции или, соответственно, их смеси.
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. Путем последующего разделения газов моноокись углерода может очищаться от двуокиси углерода, и двуокись углерода может продолжать использоваться в цикле или в горелке.
2
2
2
2
2
Благодаря возвращению образующегося газа CO в печи может дополнительно понижаться температура сжигания. Понижение температуры сжигания было бы возможно также посредством избытка CO. Однако он должен был бы быть прибл. в 16 раз выше стехиометрического количества, так что образующийся газ CO находился бы в избытке COв 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/CO, которую необходимо трудоемким образом разделять. Образующийся газ состоит большей частью из CO и только из небольших примесей CO. В стационарном состоянии наибольшая часть CO циркулирует, и из цикла отводится ровно столько CO, сколько воспроизводится при реакции COи Li/Na, как и с электроположительным металлическим сплавом вообще. 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.
2
2
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 CO101 выделяется двуокись углерода и затем в шаге 102 сжигается со сплавом, при этом в качестве газа-носителя используется CO. Образуется смесь 103 карбонатных солей и смесь из отходящего газа и газа-носителя, включающая в себя CO и CO, при необх. 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 сплава L применяется, например, сплав из лития и магния, напр., жидкий. Сплав L подводится к пористой горелке и затем реагирует непосредственно с горючим газом. Предположительно необходимы электрическое воспламенение или дополнительная горелка для воспламенения.
2
Сжигание сплава L осуществляется на пористой горелке 3 с использованием стехиометрически необходимого количества азота, при этом также может выбираться отношение, которое несколько выше или ниже стехиометрического (напр., 0,95:1-1:0 для отношения N:сплав L).
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. 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 образующейся смеси солей. 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 или карбонат. После осаждения жидких и/или твердых продуктов реакции, которое может улучшаться с помощью решетки 6', отходящий газ направляется, например, в бойлер и используется для испарения воды, для осуществления затем привода турбины с подключенным генератором или эксплуатации других технических устройств (напр., 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.
Сжигание по определенным вариантам осуществления может осуществляться при некотором избытке горючего газа, например, в молярном отношении горючего газа к сплаву L 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 сплава L в систему сопел посредством циклона, добавляются другой горючий газ или газ-носитель для поглощения тепла, как изображено на фиг.1 и фиг.4.
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 со сплавом L, при этом в качестве газа-носителя используется азот, например, тоже от разложения 201 воздуха. Образуется смесь нитридных солей нитрида 203 лития и магния, и смесь из отходящего газа и газа-носителя, включающая в себя N204, 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. Из смеси 203 нитридных солей путем гидролиза 209 может получаться аммиак 210, при этом образуется гидроксид 211, который может вступать в реакцию обмена с двуокисью углерода с получением карбоната 212.
По четвертому примерному варианту осуществления возможно, напр., при использовании воздуха в качестве горючего газа, использовать два реактора, напр., два циклонных реактора, друг за другом, при этом в первом циклонном реакторе со сплавом и кислородом из воздуха может создаваться смесь оксидов металла, и отходящий газ содержит преимущественно азот, и этот отходящий газ затем во втором циклонном реакторе может реагировать в качестве горючего газа со сплавом L с получением нитрида металла. При этом, например, функцию газа-носителя азот может выполнять, который также может получаться из первого отходящего газа, или сам первый отходящий газ если он, например, циркулирует.
2
2
-
Пятый примерный вариант осуществления изображен на фиг.5, на которой реактор похож на реактор, изображенный на фиг.1. Сплав L, например, Na/K, подводится к циклонному реактору 6 (6a, 6b) через пористую горелку 3, при необх. при температуре помещения в жидком состоянии, а горючий газ, например, двуокись углерода, через устройство 1 для подвода. Особенно предпочтительна инжекция топлива в циклонный реактор 6 (6a, 6b) в местах с высокой скоростью газа, чтобы капли жидкого металла легко отрывались от пористой горелки 3. Посредством стехиометрии реакции может устанавливаться температура отходящего газа. Она должна предпочтительно выбираться так, чтобы образующаяся смесь солей оставалась жидкой. При этом температура плавления смеси солей может понижаться прибл. до 700°C, в отличие от 900°C для карбоната калия и 858°C для карбоната натрия. После сжигания продукты реакции разделяются с помощью циклона, и образовавшиеся соли сплава L, например, в виде жидкости, забираются на выходе из реактора и собираются в емкости 15 для твердых и жидких продуктов реакции. Посредством теплообменника 12 из этих продуктов реакции на нижнем конце реактора, например, на стенке реактора, где стекает расплав соли, может получаться термическая энергия, которая затем посредством паровой турбины 13 и генератора 14 может превращаться в электрическую энергию. Отведенный под давлением, горячий и не содержащий частиц газ может таким образом с высокой эффективностью превращаться в электрический ток. Отходящий газ посредством устройства 8 для отвода направляется к расширительной турбине 16, из которой, в свою очередь, с помощью генератора 14' может получаться электрический ток. При избытке CO в реакционном газе отходящий газ после выхода из расширительной турбины 16 может возвращаться к циклонному реактору 6 в качестве реакционного газа и таким образом повышаться концентрация COв отходящем газе. То есть посредством возвращающего устройства 18 происходит возвращение отходящего газа, который в качестве газа-носителя может снова применяться в циклонном реакторе 6 (6a, 6b). Кроме того, посредством заборника отходящий газ может забираться и подводиться к разделителю 17 для отходящего газа, например, при использовании CO в качестве горючего газа, а COв качестве газа-носителя и продукта сжигания.
Шестой примерный вариант осуществления изображен на фиг.6, при этом вместо пористой горелки 3 происходит распыление сплава L на конце устройства 2 для подвода, а в реакционной камере 30 происходит затем реакция с использованием горючего газа из устройств 1 для подвода. После этого образующиеся продукты реакции переводятся в циклонный реактор 6 (6a, 6b). Хотя на фиг.6 реакционная камера 30 расположена сбоку, она может быть также расположена иным образом, например, вверху, на циклонном реакторе, при условии, что продукты реакции подвергаются циклонному разделению.
Изобретение описывает надлежащее применение сплавов электроположительных металлов в качестве накопителей химической энергии, которые могут создаваться (процесс заряда) электрохимически, с использованием регенеративной электрической энергии (перепроизводство). Разрядка этого накопителя энергии может реализовываться как процесс сжигания в двуокиси углерода, азоте, кислороде, атмосфере и пр.
Настоящим изобретением по определенным вариантам осуществления может обеспечиваться отделение газообразных продуктов реакции от образующихся при реакции солей путем применения циклона и отвода в жидком состоянии смеси солей. Кроме того, благодаря применению сплавов L электроположительных металлов и более низкой температуре плавления образующихся смесей солей при сжигании по сравнению с отдельными металлическими соединениями можно регулировать реакцию сжигания также при более низких температурах и вместе с тем избегать применения более дорогих материалов для топочной камеры, при одновременном обеспечении отвода смеси солей в жидком состоянии. Повторное использование термической энергии, высвобождающейся при сжигании, для выработки электроэнергии может осуществляться, например, как путем применения расширительной турбины для газов, отводимых при необх. под давлением и с температурой, так и посредством теплообменников на стенке реактора и затем паровой турбины.
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.