本發(fā)明涉及一種用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬的方法，其中，通過在沿載流氣體流動方向橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴內(nèi)噴射所述載流氣體，而將來自容器的作為液體或作為有粒子尺寸小于100μm粒子的粉末的正電性金屬從容器抽吸到第一噴嘴內(nèi)，從該第一噴嘴噴出霧化并用可燃?xì)怏w燃燒。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施本方法的設(shè)備。

背景技術(shù)：

礦物燃料每年供應(yīng)上萬兆兆瓦小時(shí)的電熱能和機(jī)械能。與此同時(shí)，燃燒的終極產(chǎn)物二氧化碳(CO₂)加重了環(huán)境和氣候問題。

在DE102008031437.4、DE102010041033.0和DE102013224709.5中揭示了，如何能用正電性金屬實(shí)現(xiàn)一種完整的能量循環(huán)，以及如何能借助鋰作為金屬型碳替代材料實(shí)現(xiàn)電站運(yùn)行。在這里具體以鋰作為案例，它不僅用作載能體，而且用作蓄能器，以及也可以使用其他正電性金屬，如鈉、鉀或鎂、鈣、鋇或鋁和鋅。

在文獻(xiàn)中已知一些有關(guān)液態(tài)鋰與不同氣體和氣體混合物反應(yīng)的基本原理研究(Bernett，D.S.；Gil，T.K.；Kazimi，M.S.；Fusion Technology，1989，15，2，pp.967-972；A.Subramani，S Jayanti，Combustion and Flame 158(2011)，1000-1007)。為此使用的過程包含一個(gè)反應(yīng)室，其中充填鋰并在400℃時(shí)液化。將由氧、氮和水蒸氣組成的氣體混合物經(jīng)過氣體進(jìn)口引入反應(yīng)室內(nèi)穿過液態(tài)鋰(Gil，T.K.；Kazimi，M.S.：The kinetics of liquid lithium reaction with oxygen-nitrogen mixture，S.20，21，46，Plasma Fusion Center and the Department of Nuclear Engineering，MIT，Cambridge，MA，1986，USA)。

為了使所述提供熱能的燃燒過程能用于發(fā)電，鋰應(yīng)與在煤燃燒器或石油燃燒器中類似地作為有大表面的粉末或噴霧被加入氧化劑內(nèi)，以保持足夠的能量流。

在DE102011052947A1中記載了一種制造鋰粒子的方法。其中公開了通過使以粒子形式的鋰與反應(yīng)性氣體(氧，氫或氮)反應(yīng)來制造產(chǎn)物如金屬氧化物、金屬氫化物或金屬氮化物。

在DE10204680A1中說明了一種借助噴射霧化鋰金屬制造烷基鋰化合物的方法，其中，金屬鋰以粒子形式與烷基鹵化物反應(yīng)。

在DE102013224709.5中描述了一種用于鋰的連續(xù)燃燒的過程設(shè)備，該過程設(shè)備包括輸送單元。

為了在電站過程中將鋰作為蓄能器用于將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能并接著轉(zhuǎn)換為電能，前提條件是有可能將鋰連續(xù)進(jìn)料并噴成霧狀至燃燒室內(nèi)。由于在液化正電性金屬時(shí)必要的高溫以及例如鋰和鈉的介質(zhì)侵蝕性，使用傳統(tǒng)的泵和流量調(diào)節(jié)器會帶來問題。

為了將正電性金屬，如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鋇、鋁和鋅霧化并燃燒，下述結(jié)構(gòu)原則上是有利的。借助泵將待霧化的材料從容器輸送通過噴嘴，并根據(jù)材料本身的可燃性在必要時(shí)點(diǎn)燃。在這里，通過噴嘴的壓力和輸送量可以借助設(shè)置在噴嘴前面的調(diào)節(jié)器調(diào)整。在霧化侵蝕性介質(zhì)，尤其堿金屬，但還有另一些正電性金屬時(shí)，這種結(jié)構(gòu)顯然存在問題，因?yàn)榻饘倭鲃油ㄟ^泵和調(diào)節(jié)器并與此同時(shí)與因結(jié)構(gòu)類型引起的不耐受介質(zhì)的部分形成接觸。此外，為了輸送或霧化以及燃燒，優(yōu)選地液化或加熱正電性金屬，因此溫度達(dá)數(shù)百℃，例如電磁式泵能辦到這一點(diǎn)，然而在這里可能出現(xiàn)壓力問題。但許多泵和調(diào)節(jié)器不是針對如此高溫度設(shè)計(jì)的。此外還可能導(dǎo)致正電性金屬沉積在泵和/或調(diào)節(jié)器、輸送帶等中，用簡單的方式無法將它們清除。因此，為了避免正電性金屬與泵和/或調(diào)節(jié)器等接觸，需要一種允許正電性金屬在不直接與泵和/或調(diào)節(jié)器接觸的情況下噴射霧化和燃燒的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種方法和一種設(shè)備，它們能夠使正電性金屬如鋰在連續(xù)過程中在不直接與泵和/或流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行介質(zhì)接觸的情況下噴射霧化。

本發(fā)明另一個(gè)要解決的技術(shù)問題是提供一種方法和一種設(shè)備，它們能夠使正電性金屬如鋰在連續(xù)過程中燃燒，而無需輸送設(shè)備，如泵、擠出機(jī)或其他輸送單元。

此外本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種方法和一種設(shè)備，它們能夠達(dá)到有效輸送并混合正電性金屬與可燃?xì)怏w。

人們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，可以通過在載流氣體流中使用逐漸變細(xì)的噴嘴(在所述噴嘴上安置用于正電性金屬的進(jìn)料裝置)來使正電性金屬由于噴嘴的抽吸作用而被加入到載流氣體中并在噴嘴內(nèi)霧化，無需輸送裝置，如泵。此外，按本發(fā)明通過有目的地噴射霧化，必要時(shí)點(diǎn)火，以及在對電站重要的連續(xù)燃燒過程中盡可能完全燃燒，能夠?qū)Υ嬖谡娦越饘僦械幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能。

按一個(gè)方面本發(fā)明涉及一種用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬的方法，正電性金屬選自堿金屬、堿土金屬、鋁和鋅和/或它們的合金和/或混合物，在方法中，通過在沿載流氣體的流動方向橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴中噴射載流氣體，而將來自容器的作為液體或作為具有粒子尺寸小于100μm的粒子的粉末的正電性金屬從容器抽吸到第一噴嘴內(nèi)，從第一噴嘴噴射霧化并用可燃?xì)怏w燃燒。

按另一個(gè)方面本發(fā)明涉及一種用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬的設(shè)備，正電性金屬選自堿金屬、堿土金屬、鋁和鋅和/或它們的合金和/或混合物，設(shè)備包括：橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴，向它供應(yīng)載流氣體并將其設(shè)計(jì)用于霧化正電性金屬與可燃?xì)怏w；用于將載流氣體送往第一噴嘴的第一進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于向第一噴嘴輸送載流氣體；容器，它設(shè)計(jì)用于提供作為液體或作為具有粒子尺寸小于100μm粒子的粉末的正電性金屬；用于通向第一噴嘴的正電性金屬的第二進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于將正電性金屬從容器引向第一噴嘴；以及燃燒器，它設(shè)計(jì)用于用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬。

由從屬權(quán)利要求和以下詳細(xì)的說明及附圖，可獲知本發(fā)明的其他方面。

附圖說明

附圖應(yīng)能說明本發(fā)明的實(shí)施形式并促使進(jìn)一步理解本發(fā)明。有關(guān)的說明用于解釋本發(fā)明的方案和原理。參見附圖可得知其他實(shí)施形式和許多已提及的優(yōu)點(diǎn)。附圖的元件沒有必要用彼此準(zhǔn)確的尺寸比例表示。在附圖中同樣的，功能相同和作用相同的元件、特征和部件，只要沒有另外說明，總是用相同的附圖標(biāo)記表示。附圖中：

圖1示意表示文丘里噴嘴結(jié)構(gòu)；

圖2示意表示在按本發(fā)明的用于借助文丘里噴嘴噴射霧化正電性金屬的設(shè)備中的壓力關(guān)系；

圖3表示圖2所示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)；

圖4示意表示本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施形式，該設(shè)備用于借助文丘里噴嘴和使載流氣體與正電性金屬進(jìn)行內(nèi)部混合來噴射霧化正電性金屬，以及表示壓力和部件的配置；

圖5表示圖4所示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)和噴射霧化正電性金屬；

圖6示意表示按本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施形式，該設(shè)備用于借助拉瓦爾噴嘴和使載流氣體與正電性金屬進(jìn)行內(nèi)部混合來噴射霧化正電性金屬，以及表示壓力和部件的配置；

圖7表示圖6所示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)和噴射霧化正電性金屬；

圖8示意表示噴射霧化時(shí)利用正電性金屬的流體靜壓；

圖9示意表示按本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施形式，該設(shè)備用于借助載流氣體與正電性金屬的外部混合來噴射霧化正電性金屬，以及表示壓力和部件的配置；

圖10表示圖9所示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)和噴射霧化正電性金屬；

圖11示意表示按本發(fā)明設(shè)備的另一種實(shí)施形式，該設(shè)備用于借助噴射泵噴射霧化正電性金屬，以及表示壓力和部件的配置；以及

圖12表示圖11所示設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)和噴射霧化正電性金屬。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的第一方面涉及一種用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬的方法，正電性金屬選自堿金屬、堿土金屬、鋁和鋅和/或它們的合金和/或混合物，其中，通過霧化載流氣體到沿載流氣體流動方向的橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴中，將作為液體或作為具有粒子尺寸小于100μm的粒子的粉末的正電性金屬從容器抽吸到第一噴嘴內(nèi)，從第一噴嘴噴射霧化并用可燃?xì)怏w燃燒。

在這里噴射霧化可以這樣實(shí)現(xiàn)，亦即載流氣體與正電性金屬的混合在第一噴嘴內(nèi)作為內(nèi)部混合進(jìn)行，或在第一噴嘴后才作為外部混合進(jìn)行，在這種情況下第一噴嘴也可以僅由逐漸變細(xì)的區(qū)段組成。

所述正電性金屬是一種金屬，按指定的實(shí)施形式它選自堿金屬，優(yōu)選地Li，Na，K，Rb和Cs、堿土金屬，優(yōu)選地Mg，Ca，Sr和Ba，Al和Zn、以及它們的混合物和/或合金。按一些優(yōu)選的實(shí)施形式，正電性金屬選自Li，Na，K，Mg，Ca，Al和Zn，更優(yōu)選地Li和Mg，特別優(yōu)選的正電性金屬是鋰。

按指定的實(shí)施形式，所述正電性金屬是液體。在這些實(shí)施形式中可以簡單處理和噴射霧化正電性金屬。此外與具有粒子尺寸小于100μm的粒子的粉末相比，能達(dá)到更有效地噴射霧化和輸送。而且與粉末粒子相比設(shè)備能更便于凈化，因?yàn)榉勰┝Ｗ訒锌赡艹练e在器具的槽縫、間隙等內(nèi)。按指定的實(shí)施形式，優(yōu)選使用作為液體的正電性金屬。

按指定的實(shí)施形式，也可以使用具有粒子尺寸小于100μm的粒子的粉末作為正電性金屬。在這種情況下帶來的優(yōu)點(diǎn)是，不需要液化金屬，并因而可以節(jié)省用于熔化金屬的能量。不過，由于溫度較低必要時(shí)根據(jù)正電性金屬和可燃?xì)怏w可能還需要借助可燃?xì)怏w起動反應(yīng)，而在液體狀態(tài)下可以不需要這樣做。粉末中粒子的尺寸可以適當(dāng)調(diào)整，或許在商業(yè)市場上會以恰當(dāng)方式提供這種粉末。粒子尺寸可以按常用的方法，例如通常用顯微鏡或通過激光衍射確定。

按指定的實(shí)施形式，可以考慮這些氣體作為可燃?xì)怏w，亦即它們能與提及的正電性金屬或這些正電性金屬的混合物和/或合金起放熱反應(yīng)，在這里對放熱反應(yīng)沒有特別的限制。例如，可燃?xì)怏w可以包括空氣、氧、二氧化碳、氫、水蒸氣、氧化氮NO_X，如一氧化二氮、氮、二氧化硫、或它們的混合物。因此本方法也能使用于脫硫或去除NO_X。在這里根據(jù)可燃?xì)怏w用不同的正電性金屬可以獲得不同產(chǎn)物，它們可以成為固體、液體、以及也可以形成氣態(tài)。

例如，當(dāng)正電性金屬，例如鋰，與氮反應(yīng)時(shí)，尤其能形成金屬氮化物，如氮化鋰，它以后可以進(jìn)一步反應(yīng)成氨，反之，當(dāng)用二氧化碳轉(zhuǎn)換正電性金屬，例如鋰時(shí)，可形成例如金屬碳酸鹽，例如碳酸鋰、一氧化碳、金屬氧化物，例如一氧化鋰、或還有金屬碳化物，例如碳化鋰、以及還有它們的混合物，其中，例如在Fischer-Tropsch過程中，由一氧化碳可以獲得高價(jià)值的含碳產(chǎn)物，如甲烷、乙烷、甲醇等，而由金屬碳化物，例如碳化鋰，可例如獲得乙炔。此外還例如可以用一氧化二氮作為可燃?xì)怏w，形成例如金屬氮化物。

其他提及的金屬也可以產(chǎn)生類似的反應(yīng)。

按本發(fā)明沒有特別限制載流氣體，以及可燃?xì)怏w可以與載流氣體一致或包括載流氣體，但也可以與之不同。作為載流氣體可考慮使用例如空氣、一氧化碳、二氧化碳、氧、甲烷、氫、水蒸氣、氮、一氧化二氮、兩種或多種這些氣體的混合物等。在這里不同的氣體，例如按指定的實(shí)施形式未燃燒的甲烷可用于傳遞熱量，以及將正電性金屬與可燃?xì)怏w反應(yīng)的反應(yīng)熱從反應(yīng)器排出。不同的載流氣體可例如和可燃?xì)怏w與正電性金屬的反應(yīng)相適應(yīng)，以便在這里必要時(shí)獲得協(xié)同作用效果。按指定的實(shí)施形式載流氣體是可燃?xì)怏w。

原則上本發(fā)明基于文丘里噴嘴原理。它的基本原理在于，流動通過管道的介質(zhì)的流速與變化的管道橫載面成反比。也就是說，在管道橫截面最小的地方速度最大。此外，按伯努里定律，在流動的流體(氣體或液體)中，速度上升伴隨著壓力下降。因此適用于按圖1所示的噴嘴，其中P₁＞P₂，在這里P₁是載流氣體沿流動方向在第一噴嘴前的壓力，而P₂是載流氣體在第一噴嘴與第二進(jìn)料裝置最小橫截面內(nèi)的壓力，以及v₁是載流氣體沿流動方向在第一噴嘴前的速度，而v₂是載流氣體在第一噴嘴最小橫截面內(nèi)的速度。人們可以將這些關(guān)系用于液態(tài)正電性金屬的噴射霧化和燃燒。

橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴沒有特別限制其形狀，只要噴嘴的橫截面沿載流氣體的流動方向起先是減小的。在橫截面減小并進(jìn)料正電性金屬后，噴嘴接著可以繼續(xù)減小橫截面、保持橫截面不變或增大橫截面。也可以改變橫截面的形狀，不過按指定的實(shí)施形式保持形狀不變。沒有特別限制橫截面的形狀，可以是圓形、橢圓形、正方形、矩形、三角形等，不過按指定的實(shí)施形式是圓形，為的是能夠均勻分布正電性金屬和載流氣體。還優(yōu)選對稱的噴嘴形狀。

除此之外，對第一噴嘴的設(shè)計(jì)也沒有其他限制，只要它包括一個(gè)在其中噴嘴橫截面沿載流氣體流動方向起先減小的區(qū)域。因此第一噴嘴可以設(shè)計(jì)為文丘里噴嘴、拉瓦爾噴嘴、(水)噴射泵的形式等，以及可以包括在內(nèi)部、圍繞噴嘴或在噴嘴本身上的正電性金屬進(jìn)料裝置。正電性金屬的進(jìn)料同樣可以通過一種進(jìn)料裝置實(shí)施，這種進(jìn)料裝置例如在其沿正電性金屬流動方向的端部有一個(gè)噴嘴。

也沒有特別限制其他噴嘴以及可以包括上述形狀和設(shè)計(jì)。

按指定的實(shí)施形式，第一噴嘴作為文丘里噴嘴由沿載流氣體流動方向起先逐漸變細(xì)的分段、直徑不變的分段和橫截面擴(kuò)張的分段組成。在這里，正電性金屬的進(jìn)料例如(a)在文丘里噴嘴本身的內(nèi)部，優(yōu)選地通過在文丘里噴嘴的逐漸變細(xì)分段內(nèi)的第二進(jìn)料裝置進(jìn)行，(b)在第二進(jìn)料裝置內(nèi)進(jìn)行，它圍繞文丘里噴嘴設(shè)置，優(yōu)選地是一種圍繞文丘里噴嘴逐漸變細(xì)部分的逐漸變細(xì)噴嘴的形式，或(c)通過向文丘里噴嘴的輸入管道/第二進(jìn)料裝置進(jìn)行，它可以安置在文丘里噴嘴自身逐漸變細(xì)的部分內(nèi)或文丘里噴嘴的保持不變的分段內(nèi)。按指定的實(shí)施形式，正電性金屬的進(jìn)料通過在保持不變的分段內(nèi)至少一個(gè)通向第一噴嘴的輸入管道/進(jìn)料裝置進(jìn)行。但也可以在文丘里噴嘴上安置多于一個(gè)的進(jìn)料裝置，或采用例如在文丘里噴嘴上和在文丘里噴嘴內(nèi)部的一些輸入管道類型/一些進(jìn)料裝置的組合，其中，按指定的實(shí)施形式，僅一個(gè)進(jìn)料裝置將正電性金屬引向文丘里噴嘴，以易于控制正電性金屬的進(jìn)料。

按指定的實(shí)施形式，第一噴嘴可設(shè)計(jì)為拉瓦爾噴嘴，其由沿載流氣體流動方向逐漸變細(xì)的分段和沿流動方向擴(kuò)散的，亦即橫截面增大的分段組成。在這里，正電性金屬的進(jìn)料也可以例如(a)在拉瓦爾噴嘴本身的內(nèi)部，優(yōu)選地通過在拉瓦爾噴嘴逐漸變細(xì)的分段內(nèi)的第二進(jìn)料裝置進(jìn)行，(b)在第二進(jìn)料裝置內(nèi)進(jìn)行，它圍繞拉瓦爾噴嘴設(shè)置，優(yōu)選地是一種圍繞拉瓦爾噴嘴逐漸變細(xì)的部分的逐漸變細(xì)的噴嘴的形式，或(c)通過向拉瓦爾噴嘴的輸入管道/第二進(jìn)料裝置進(jìn)行，它可以安置在拉瓦爾噴嘴逐漸變細(xì)的部分內(nèi)或從逐漸變細(xì)到擴(kuò)散分段的過渡區(qū)內(nèi)。但也可以在拉瓦爾噴嘴上安置多于一個(gè)的進(jìn)料裝置，或采用例如在拉瓦爾噴嘴上和在拉瓦爾噴嘴內(nèi)部的一些輸入管道類型/一些進(jìn)料裝置的組合，其中，按指定的實(shí)施形式，僅一個(gè)進(jìn)料裝置將正電性金屬引向拉瓦爾噴嘴，以易于控制正電性金屬的進(jìn)料。按指定的實(shí)施形式，正電性金屬的進(jìn)料在拉瓦爾噴嘴橫截面最小的區(qū)域內(nèi)，例如通過在噴嘴上或在噴嘴內(nèi)部的進(jìn)料裝置進(jìn)行。

按指定的實(shí)施形式，拉瓦爾噴嘴在這里是一種流動器件，它有起先收斂和接著擴(kuò)散的橫截面，其中，從一個(gè)部分過渡到另一個(gè)部分可以逐漸進(jìn)行。按指定的實(shí)施形式，橫截面在所有位置均可以是圓形的，由此使流過的流體能加速到超音速，不會導(dǎo)致強(qiáng)烈的壓縮沖擊。此時(shí)可以正好在噴嘴最狹窄的橫截面內(nèi)達(dá)到音速。

此外，正電性金屬的進(jìn)料對于不同類型的第一噴嘴，按指定的實(shí)施形式也可以通過第二進(jìn)料裝置進(jìn)行，它的出口，優(yōu)選地同軸設(shè)置在第一噴嘴內(nèi)部、在第一噴嘴逐漸變細(xì)部分的區(qū)域內(nèi)，如上面已經(jīng)針對某些噴嘴說明的那樣。

按指定的實(shí)施形式，也可以第一噴嘴優(yōu)選地同軸設(shè)置在第二進(jìn)料裝置內(nèi)部、在第二進(jìn)料裝置優(yōu)選地收斂，亦即逐漸變細(xì)部分的區(qū)域內(nèi)，在這里載流氣體的進(jìn)料通過第一噴嘴進(jìn)行，以及正電性金屬的進(jìn)料通過第二進(jìn)料裝置進(jìn)行。上面也已經(jīng)針對某些噴嘴說明了這些實(shí)施形式。

此外，按指定的實(shí)施形式，霧化的正電性金屬量通過在容器內(nèi)的充填控制，和/或，霧化的正電性金屬量通過載流氣體的壓力控制，為此載流氣體的進(jìn)料沿流動方向在第一噴嘴前與容器連接，和/或，通過向容器進(jìn)料壓力經(jīng)調(diào)整的惰性氣體來控制經(jīng)噴射霧化的正電性金屬的進(jìn)料。

當(dāng)通過在容器內(nèi)的充填控制時(shí)，可以設(shè)置用于正電性金屬的進(jìn)料裝置，必要時(shí)包括控制器，如閥，根據(jù)在容器內(nèi)期望的充填水平和/或載流氣體流量，借助閥將正電性金屬連續(xù)或間斷進(jìn)料給容器。

在通過載流氣體的壓力控制霧化的正電性金屬量時(shí)，載流氣體的進(jìn)料可以沿流動方向在第一噴嘴前以任何方式與容器連接，其中，在與容器連接時(shí)可以使用例如管道、軟管等，以及將載流氣體進(jìn)料到容器內(nèi)例如也可以通過所述連接的橫截面調(diào)整，或在有些情況下也可以在相應(yīng)的連接中改變。也可以賦予正電性金屬的通向第一噴嘴的第二進(jìn)料裝置這種變化可能性。

除此之外，在通過向容器進(jìn)料壓力經(jīng)調(diào)整的惰性氣體控制經(jīng)霧化的正電性金屬的進(jìn)料時(shí)，可以恰當(dāng)規(guī)定和調(diào)整惰性氣體的進(jìn)料以及沒有特別的限制，就像也沒有特別限制霧化的正電性金屬量的另外兩種控制可能性。惰性氣體的進(jìn)料也可以通過適用的、可以設(shè)置有控制器，如閥的軟管、管道等進(jìn)行。

不排除下述情況，即，組合所有三種或任意兩種對霧化的正電性金屬量的控制類型。

按另一個(gè)方面本發(fā)明涉及一種用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬的設(shè)備，正電性金屬選自堿金屬、堿土金屬、鋁和鋅和/或它們的合金和/或混合物，設(shè)備包括：橫截面起先逐漸變細(xì)的第一噴嘴，向它進(jìn)料載流氣體并將其設(shè)計(jì)用于霧化正電性金屬與可燃?xì)怏w；用于通向第一噴嘴的載流氣體的第一進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于向第一噴嘴進(jìn)料載流氣體；容器，它設(shè)計(jì)用于提供作為液體或作為具有粒子尺寸小于100μm粒子的粉末的正電性金屬；用于通向第一噴嘴的正電性金屬的第二進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于將正電性金屬從容器引向第一噴嘴；以及燃燒器，它設(shè)計(jì)用于用可燃?xì)怏w燃燒正電性金屬。

用于載流氣體的第一進(jìn)料裝置在這里沒有特別的限制，以及例如包括管道、軟管等，其中用于載流氣體的進(jìn)料裝置恰當(dāng)?shù)乜山柚d流氣體的狀態(tài)確定，載流氣體也可能處于壓力狀態(tài)下。

用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置也沒有特別的限制，以及同樣例如包括管道、軟管等，它們恰當(dāng)?shù)卦试S傳輸正電性金屬。優(yōu)選地，第二進(jìn)料裝置內(nèi)表面是光滑的，以避免沉積正電性金屬。此外，第二進(jìn)料裝置的橫截面按指定的實(shí)施形式沿第二進(jìn)料裝置的整個(gè)長度保持不變，以保證通過在第一噴嘴內(nèi)的噴射霧化而良好和持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)料正電性金屬。

在這里噴嘴可以如上面已說明的那樣設(shè)計(jì)，亦即例如設(shè)計(jì)為文丘里噴嘴或拉瓦爾噴嘴。

燃燒器按本發(fā)明同樣沒有特別限制以及例如可以設(shè)計(jì)為噴嘴，可燃?xì)怏w在噴嘴內(nèi)與正電性金屬混合，在這之后必要時(shí)通過點(diǎn)火器點(diǎn)燃。燃燒器也可以設(shè)置在反應(yīng)器內(nèi)或反應(yīng)器上。此外，燃燒器也可以是一種沒有內(nèi)部混合的多孔燃燒器，它可以設(shè)計(jì)為多孔的管道，可以在至少一個(gè)孔處給管道供給正電性金屬。正電性金屬可例如只通過管道的一個(gè)孔進(jìn)料，此時(shí)管道的另一端可以封閉或由多孔管道的材料組成。在這種情況下，正電性金屬可例如被壓入到多孔燃燒器內(nèi)，在那以后可燃?xì)怏w可以被導(dǎo)引到多孔燃燒器外側(cè)，于是它在那里與正電性金屬起反應(yīng)，以避免孔被堵塞。按指定的其中載流氣體是可燃?xì)怏w的實(shí)施形式，第一噴嘴也可以使用于噴射霧化，在這之后接著在噴嘴出口燃燒，為此在那里例如點(diǎn)火燃燒或在點(diǎn)火后連續(xù)流出。

容器同樣沒有特別限制，只要它由不與正電性金屬反應(yīng)以及例如也不與液態(tài)正電性金屬起反應(yīng)的材料組成。容器可例如設(shè)計(jì)為罐或盛放粉末的容器。

相應(yīng)地，按指定的實(shí)施形式，用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置的材料，以及必要時(shí)在載流氣體與正電性金屬混合后的第一噴嘴和/或第一進(jìn)料裝置和/或燃燒器也可以由這種材料組成。適宜的材料例如包括鐵、鉻、鎳、鈮、鉭、鉬、鎢、鋯和這些金屬的合金，以及鋼，如不銹鋼和鉻鎳鋼。

按指定的實(shí)施形式，第一噴嘴設(shè)計(jì)為文丘里噴嘴，它由沿載流氣體流動方向起先逐漸變細(xì)的分段、直徑不變的分段和直徑擴(kuò)張的分段組成，其中，用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置優(yōu)選地安置在文丘里噴嘴的直徑不變的那個(gè)分段上。

按指定的實(shí)施形式，第一噴嘴可以設(shè)計(jì)為拉瓦爾噴嘴，它由沿載流氣體流動方向逐漸變細(xì)的分段和沿流動方向擴(kuò)散的分段構(gòu)成。按指定的實(shí)施形式，在這里用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置安置在拉瓦爾噴嘴的直徑最小的區(qū)域內(nèi)。

此外，用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置，按指定的實(shí)施形式，優(yōu)選地同軸地在用于載流氣體的第一進(jìn)料裝置內(nèi)部可以設(shè)置為，使用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置的出口，優(yōu)選地同軸設(shè)置在第一噴嘴內(nèi)部、在第一噴嘴收斂部分的區(qū)域內(nèi)。因此載流氣體在這里圍繞第二進(jìn)料裝置流動，此時(shí)將正電性金屬從第二進(jìn)料裝置抽吸到第一噴嘴中。在這里通過同軸布置來增強(qiáng)抽吸效果。

按另一些指定的實(shí)施形式，用于載流氣體的第一進(jìn)料裝置設(shè)置為，使第一噴嘴的載流氣體，優(yōu)選同軸地，在正電性金屬的第二進(jìn)料裝置內(nèi)部、在第二進(jìn)料裝置優(yōu)選收斂的部分的區(qū)域內(nèi)進(jìn)料。在這里正電性金屬圍繞載流氣體抽吸到第一噴嘴內(nèi)，類似于噴射泵的情況。在這里同樣通過同軸布置獲得更好的抽吸效果。

在噴射泵中抽送效果通?？梢酝ㄟ^流體射流(“驅(qū)動介質(zhì)”)產(chǎn)生，只要流體射流存在足夠的壓力，它便通過動量交換來抽吸、加速并壓縮/輸送另一種介質(zhì)(“抽吸介質(zhì)”)。因?yàn)檫@種抽吸方式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)非常簡單以及完全沒有運(yùn)動部分，如文丘里噴嘴或拉瓦爾噴嘴或普通有逐漸變細(xì)段的噴嘴那樣，所以它能特別耐久和少維護(hù)以及在多方面使用。

在噴射泵一種典型的結(jié)構(gòu)中，輸送可以按下列步驟進(jìn)行并能通過一些簡化僅使用能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒定理十分正確地計(jì)算：

1.載流氣體以盡可能高的速度從相應(yīng)于第一噴嘴的驅(qū)動噴嘴排出。在這里按伯努里定律產(chǎn)生動壓下降，所以氣流中的壓力低于正常壓力。為了使速度最大化，第一噴嘴可以設(shè)計(jì)為文丘里噴嘴，以及驅(qū)動射流，亦即載流氣體，以超音速排出。

2.在第二進(jìn)料裝置內(nèi)部必要時(shí)存在的混合室內(nèi)或在第二進(jìn)料裝置本身內(nèi)，載流氣體會遇到處在這里的正電性金屬，后者可處于正常壓力或更高的壓力狀態(tài)。載流氣體在從第一噴嘴排出后起先如自由射流，以及通過內(nèi)部摩擦和渦流，在邊界層內(nèi)在快速的載流氣體與慢得多的正電性金屬之間產(chǎn)生剪應(yīng)力。這種應(yīng)力造成一種動量傳輸，亦即使正電性金屬加速并將其拖走。在這里混合不是按能量守恒原理，而是按動量守恒原理執(zhí)行，所以使用伯努里方程式在這里基于沖擊損失會導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。通過擴(kuò)張載流氣體和通過抽吸正電性金屬使載流氣體減速。

3.通過使正電性金屬加速，按伯努里定理也造成正電性金屬壓力下降，所以正電性金屬可以通過第二進(jìn)料裝置補(bǔ)充進(jìn)料，在這種情況下優(yōu)選地對于正電性金屬存在足夠高的最小壓力。

本發(fā)明設(shè)備，按指定的實(shí)施形式，還可以包括用于通向容器的正電性金屬的第三進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于將正電性金屬供給容器，以及包括調(diào)整在容器中正電性金屬量的調(diào)整裝置，它設(shè)計(jì)用于調(diào)整向容器進(jìn)料的正電性金屬的量，和/或包括管道，它將用于載流氣體的第一進(jìn)料裝置沿流動方向在第一噴嘴前與容器連接為，利用載流氣體的壓力控制向第一噴嘴進(jìn)料的正電性金屬的量，和/或包括用于通向容器的惰性氣體的第四進(jìn)料裝置，它設(shè)計(jì)用于將惰性氣體供給容器，以及包括調(diào)整所進(jìn)料的惰性氣體壓力的調(diào)整裝置，它調(diào)整向容器進(jìn)料的情性氣體的壓力。按本明不限制用于正電性金屬的第三進(jìn)料裝置，以及可以如用于正電性金屬專門針對所使用的材料設(shè)計(jì)的第二進(jìn)料裝置那樣，但也可以與此不同，例如針對形狀和/或橫載面設(shè)計(jì)。在容器中正電性金屬量的調(diào)整裝置也可以由用于正電性金屬的第二進(jìn)料裝置的材料組成，至少在它與正電性金屬接觸的區(qū)域內(nèi)，但對此并沒有特別的限制。連接用于載流氣體的第一進(jìn)料裝置與容器的管道、用于惰性氣體到容器的第四進(jìn)料裝置、和/或調(diào)整所進(jìn)料的惰性氣體壓力的調(diào)整裝置，也同樣都沒有特別的限制以及可以恰當(dāng)規(guī)定。在這里，管道和/或第四進(jìn)料裝置可以與第一進(jìn)料裝置類似或相同設(shè)計(jì)，在這種情況下它們在例如橫截面等方面可以與第一進(jìn)料裝置不同。

在使用一種管道時(shí)，這種管道沿流動方向在第一噴嘴前將用于惰性氣沖的第一進(jìn)料裝置與容器連接為，利用載流氣體的壓力控制向第一管道進(jìn)料的正電性金屬的量，則也可以在第一進(jìn)料裝置和/或此管道內(nèi)設(shè)置流量調(diào)節(jié)器、質(zhì)量調(diào)節(jié)器等。

除此之外，按本發(fā)明的設(shè)備還包括例如用于熔化正電性金屬的加熱裝置、包括例如在燃燒器、泵中，例如用于載流氣體和/或可燃?xì)怏w的冷卻裝置。

上述這些實(shí)施形式、設(shè)計(jì)和擴(kuò)展設(shè)計(jì)，只要是合理的，便允許它們?nèi)我饣ハ嘟M合。本發(fā)明其他可能的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展設(shè)計(jì)和移植，還包括本發(fā)明在這之前或下面結(jié)合實(shí)施例所說明的那些特征的并沒有明確提及的組合。尤其是，本領(lǐng)域技術(shù)人員還能添加個(gè)別觀點(diǎn)，作為對本發(fā)明有關(guān)基點(diǎn)的改進(jìn)或補(bǔ)充。

現(xiàn)在，下面借助作為示例的實(shí)施形式闡述本發(fā)明，這些實(shí)施形式完全不限制本發(fā)明。

圖2表示第一種作為示例的實(shí)施形式。其中，在通過第一進(jìn)料裝置1′進(jìn)料載流氣體的第一噴嘴的噴嘴狹窄位置引出一個(gè)分支，如圖2和圖3中所表示的那樣，它通向容器3的出口，容器3內(nèi)有正電性金屬的金屬熔體/一種正電性金屬M(fèi)，例如鋰。正電性金屬M(fèi)從容器3通過容器出口2″引向第二進(jìn)料裝置，并通過此進(jìn)料裝置2′引向第一噴嘴1。此外，容器3的進(jìn)口通過管道6與在這里設(shè)計(jì)為文丘里噴嘴的第一噴嘴1的較大的直徑連接，從而原則上在容器3內(nèi)存在與噴嘴進(jìn)口相同的壓力。若現(xiàn)在例如具有壓力P₁的載流氣體，例如二氧化碳，流動通過第一噴嘴1并因而在狹窄位置產(chǎn)生一個(gè)比P₁低的壓力P₂，從而基于關(guān)系式P₁＞P₂在容器3出口形成負(fù)壓，以及液態(tài)金屬M(fèi)被從容器3抽吸到此狹窄位置。在那里加速的載流氣體沿流動方向?qū)⒔饘費(fèi)拖走，以及接著將其在噴嘴1出口朝燃饒器4方向噴射霧化。為了燃燒金屬，優(yōu)選地直接利用反應(yīng)氣體作為載流氣體，如在這里存在的二氧化碳。根據(jù)在噴嘴出口的溫度和混合，金屬噴霧自燃或還需要外部點(diǎn)火源。在圖3中表示了金屬M(fèi)通過載流氣體的噴射霧化。

在這里，P₁與P₂的壓力比例，確定金屬熔體M從容器3的容積流量。若應(yīng)能獨(dú)立調(diào)整此容積流量，則可以在外部借助一個(gè)單獨(dú)的調(diào)節(jié)器調(diào)整容器內(nèi)的壓力或惰性氣體輸入到容器內(nèi)的流入量，例如壓力調(diào)節(jié)器或質(zhì)量流量調(diào)節(jié)器。

圖4和5表示作為示例的第二種實(shí)施形式。

圖4和5表示用于噴射霧化液態(tài)正電性金屬M(fèi)，例如鋰的一種可能的結(jié)構(gòu)，包括作為文丘里噴嘴的第一噴嘴1，以及載流氣體，例如二氧化碳，與液態(tài)金屬的內(nèi)部混合裝置，如在第一種作為示例的實(shí)施形式中那樣，在這里，取代通過管道6，容器3內(nèi)的壓力P₃借助用于將惰性氣體送往容器的第四進(jìn)料裝置7和用于調(diào)整所輸入的惰性氣體的壓力的調(diào)整裝置7′來控制。圖4中表示壓力和部件的配置，而圖5表示在液態(tài)金屬噴射霧化和燃燒時(shí)設(shè)備的狀態(tài)。

圖6和圖7表示替代使用文丘里噴嘴的第三種作為示例的實(shí)施形式，按這種替代方式，使用拉瓦爾噴嘴作為第一噴嘴1。容器3內(nèi)的壓力調(diào)整如在第二種作為示例的實(shí)施形式中那樣進(jìn)行。從容器3供給正電性金屬M(fèi)，例如處于液體狀態(tài)的鋰，通過同軸地在第一噴嘴1內(nèi)部的第二進(jìn)料裝置2′進(jìn)行，由此，通過載流氣體流，例如氮?dú)猓槲娦越饘費(fèi)。圖6中表示了壓力和部件的配置，以及圖7表示液態(tài)金屬噴射霧化和燃燒時(shí)的設(shè)備。燃燒仍如在第一種作為示例的實(shí)施形式中那樣進(jìn)行。

圖8在第四種作為示例的實(shí)施形式中表示一種用于調(diào)整容器3內(nèi)壓力P₃的替代方式，除此之外在這里的設(shè)備與第二種實(shí)施形式的設(shè)備一致。為了調(diào)整通過第二進(jìn)料裝置2′的金屬熔體M的流量，在這里也可以利用在容器3的出口2″處金屬熔體M的流體靜壓P₃。流體靜壓P₃可以通過金屬熔體M在容器3中的充填水平調(diào)整。容器3本身在這里保持處于大氣壓力P₀下。

通過用于將正電性金屬M(fèi)送往容器3的第三進(jìn)料裝置5以及用于調(diào)整在容器3內(nèi)正電性金屬M(fèi)量的調(diào)整裝置5′，能夠?qū)⒄娦越饘費(fèi)以這樣的方式向容器3進(jìn)料，亦即使充填水平h保持不變或控制在期望的滯后范圍內(nèi)。

在使用第一噴嘴1作為燃燒噴嘴時(shí)，人們可以利用期望的可燃?xì)怏w作為載流氣體，它以壓力P₁引入此管道內(nèi)。根據(jù)在噴射霧化時(shí)要求外部混合或還是內(nèi)部混合，例如在圖2至8中的噴嘴結(jié)構(gòu)可考慮使用于內(nèi)部混合，而在圖9和10中按第五種作為示例的實(shí)施形式可考慮使用于外部混合。

在第五種作為示例的實(shí)施形式中，在這里例如安排二氧化碳作為可燃?xì)怏w的載流氣體，與正電性金屬M(fèi)，例如鋰熔體，在第一噴嘴1外部在燃燒器4旁混合。除第一噴嘴1的噴嘴形式不同之外，這種實(shí)施形式與第三種作為示例的實(shí)施形式一致。圖9表示壓力和部件的配置，而圖10表示液態(tài)金屬噴射霧化和燃燒。

在圖11和圖12中表示第六種作為示例的實(shí)施形式，其中作為變更，正電性金屬M(fèi)，例如鋰的噴射霧化，通過按噴射泵的原理產(chǎn)生負(fù)壓實(shí)現(xiàn)。在這里，抽送效果通過載流氣體的流動產(chǎn)生(驅(qū)動介質(zhì))，這一流動通過動量交換來抽吸、加速并進(jìn)料正電性金屬M(fèi)的熔體/鋰金屬熔體(抽吸介質(zhì))。在圖11中表示壓力和部件的配置，而圖12表示液態(tài)金屬噴射霧化和燃燒。供給載流氣體，例如二氧化碳或氮?dú)?，是通過第一進(jìn)料裝置1′和第一噴嘴1進(jìn)行的，第一噴嘴1同軸地在第二噴嘴2內(nèi)、在第一進(jìn)料裝置2′內(nèi)部。設(shè)備的其他結(jié)構(gòu)仍與第五種作為示例的實(shí)施形式相似，在這里，燃燒在第二噴嘴2出口旁的燃燒器4中進(jìn)行。

在上述這些作為示例的實(shí)施形式中，始終以噴射霧化正電性金屬的熔體為例。然而在作為示例的這些實(shí)施形式中也可以采用正電性金屬粒子的粉末取代熔體。作為正電性金屬M(fèi)也可以使用與鋰不同的金屬，以及載流氣體也可以不同于氮或二氧化碳。也不排除可能，在燃燒器4中必要時(shí)附加輸入可燃?xì)怏w(原則上也可以是來自燃燒礦物燃料設(shè)備的已完全或部分燃燒的廢氣)。

在本發(fā)明申請中說明了一種用于噴射霧化和燃燒正電性金屬的方法，通過選擇獨(dú)特的噴嘴幾何形狀和由此得到的載流氣體抽吸效果，可以沒有泵，例如沒有液態(tài)金屬泵工作。與此同時(shí)，借助在用于正電性金屬的容器內(nèi)的氣體流量，尤其在液態(tài)金屬熔體的情況下，還可以簡單而精確地實(shí)現(xiàn)正電性金屬的流量控制。