正电性金属在液体中的燃烧的制作方法

本发明涉及一种使正电性金属与液体反应的方法，所述正电性金属选自碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金，其中使所述正电性金属在液体表面下方喷射和/或雾化到液体中并且在液体中至少部分反应，并且还涉及用于实施该方法的装置。

化石燃料每年供应上万兆兆瓦小时的电热能和机械能。然而，燃烧的最终产品二氧化碳(co2)正日益成为一个环境和气候问题。

用正电性金属能够制造完整的能量循环的方式在de102008031437a1和de102010041033a1中示出。在这里具体以锂作为案例，它不仅用作载能体，而且用作蓄能器，其中，这些认知也可以转用到其它正电性金属如钠、钾或镁、钙、钡或铝和锌。

专利申请de102014203039.0和专利申请de102014209529.8，2013e24783de描述了碱金属作为能量存储器的应用及其在电厂运行中的利用。

专利申请de102014203039.0在此描述了用于例如在二氧化碳或含氮气氛中燃烧锂的装置(旋风燃烧器)，同时通过旋风分离器分离固态和气态反应产物。专利申请de102014209529.8描述了用于正电性金属在含或不含水蒸汽的气体如co2、n2、o2及其气体混合物中的燃烧的多孔燃烧器。这里，液态锂在压力下被进料到多孔管中，并且在多孔燃烧器中与气体燃烧。对于其中描述的多孔燃烧器，尤其建议了陶瓷管。然而，特别是在较高的温度下，液态碱金属与氧化(脱氧)或氮化材料反应。因此，特别优选的是来自不能与碱金属合金化的材料的金属。

然而，如前所述仍然需要一种方法和装置，其能够有效地去除在与正电性金属反应中形成的产物，而没有固态或液态产物转入到气相中且耗费地去除，并且还需要一种方法和一种装置，其用于同时实现在反应中释放的能量的有效转化。

本发明人现在已经发现，当将正电性金属直接引入其能够反应的液体中时，可以简单地分离与正电性金属反应所产生的、特别是固态和液态的产物，从而所述固态和液态产物和必要时气态产物直接进入溶液或悬浮液中，因此避免了从其中耗费地分离。此外，通过引入到液体中，可以有效地导出在反应中形成的热量，这进一步促进了反应过程。在此，根据某些实施方式，另外可以通过蒸发液体增加系统中的蒸气压。因此，通过本发明的反应进程，还可以实现使放热反应中释放的热能有效地转化为例如电能或热能用于例如集中供暖。通过在液体中的反应，另外可产生有用的化学产品，这些化学产品可以简单地从设备中取出。

本发明另外公开了正电性金属(例如碱金属/碱土金属)及其合金作为材料型能量存储器的合适用途。正电性金属例如可以通过电化学方式利用电能(充电过程)来制备。因此，存储在正电性金属中的化学能量可以通过在液体(如水、超临界/液态co2或so2)中的燃烧过程/反应作为热能再次释放。在随后的过程(例如，热交换器和蒸汽轮机或燃气轮机和/或膨胀涡轮机)中，该热能可以重新转化成电能。

根据第一方面，本发明涉及一种使正电性金属与液体反应的方法，所述正电性金属选自碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金，其中将正电性金属在液体表面下方喷射和/或雾化到液体中并且在液体中至少部分反应。

根据另一方面，本发明涉及一种用于使正电性金属与液体反应的设备，其中所述正电性金属选自碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的合金和/或混合物，该设备包括：反应器，在所述反应器中进行正电性金属与液体之间的反应；至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于将正电性金属喷射和/或雾化到在反应器处和/或反应器中的液体内的装置；至少一个朝向多孔燃烧器内部和/或朝向所述用于喷射和/或雾化正电性金属的装置的用于正电性金属的第一进料器，其被构造为，将正电性金属进料给多孔燃烧器内部和/或进料给所述用于喷射和/或雾化正电性金属的装置；至少一个用于在反应器处和/或反应器中的液体的第二进料器，其被构造为，将所述液体进料给所述反应器；至少一个用于在正电性金属和液体反应中产生的溶液或悬浮液的第一卸料器(或称为出料器)，其被构造为，将在正电性金属和液体反应中产生的溶液或悬浮液从反应器导出；至少一个用于气态产物的第二卸料器，其被构造为，将至少部分蒸发的液体和/或在正电性金属和液体反应中产生的气态产物从反应器导出；和控制器，其被构造为，将液体这样进料给反应器，使得至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于喷射和/或雾化正电性金属的装置在反应器内处于液体表面下方的液体中。

本发明的其它方面可得自从属权利要求和发明详述以及附图。

附图应能说明本发明的实施形式并促使进一步理解本发明。有关的说明用于解释本发明的方案和原理。参见附图可得知其他实施形式和许多已提及的优点。附图的元件没有必要用彼此准确的尺寸比例表示。在附图中同样的，功能相同和作用相同的元件、特征和部件，只要没有另外说明，总是用相同的附图标记表示。

图1示意性示出了可用于本发明设备中的金属-烧结喷嘴的示例性实施方式；

图2示意性示出了可用于本发明设备中的金属-烧结喷嘴的另一示例性实施方式；

图3示意性示出了可用于本发明设备中的示例性单料喷嘴，其用于将液态正电性金属进料到液体中；

图4示意性示出了同样可用于本发明设备中的示例性双料喷嘴，其用于将液态正电性金属进料到液体中；

图5示意性示出了根据本发明的设备的示例性实施方式；

图6示意性示出了根据本发明的设备的另一示例性实施方式。

根据第一方面，本发明涉及一种用于使正电性金属与液体反应的方法，所述正电性金属选自碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金，其中将正电性金属在液体表面下方喷射和/或雾化到液体中并且在液体中至少部分反应。

根据具体实施方式，正电性金属选自：碱金属，优选地li，na，k，rb和cs；碱土金属，优选地mg，ca，sr和ba，al和zn；以及它们的混合物和/或合金。在优选实施方式中，正电性金属选自li，na，k，mg，ca，al和zn，更优选地，正电性金属包含li，na，k，ca和mg，其中根据某些实施方式，正电性金属特别优选地至少包含锂，钠或钾，或者是这些金属之一。然而，所提及的金属可以任意组合。正电性金属此外没有特别限制，并且可以例如作为固体或液体存在。然而，正电性金属在进料期间优选为液态，因为以这种方式可以容易地输送合金，并且可以更有效地将正电性金属喷射或雾化。

根据具体实施方式，正电性金属作为液体进料。以该方式可以简单地输送正电性金属并且使正电性金属在液体中的反应更容易局域化。根据具体实施方式，该燃烧进一步地在这样的温度下发生，该温度处于在正电性金属和液体的反应中形成的产物的熔点之上。通过该设计方式，在正电性金属的反应中形成液态反应产物，其必要时可以更容易进入到溶液或悬浮液/乳状液中。由此，用于喷射或雾化正电性金属的用于喷射或雾化的装置或多孔燃烧器另外更容易保持免受污染物和沉积物。根据具体实施方式，在液体中正电性金属与液体反应的反应产物可以简单地根据反应物及其性质确定。例如，碱金属的各种氢氧化物盐可良好地溶于水。

根据具体实施方式，作为液体可以考虑能够与正电性金属以放热反应发生反应的那些液体，其中所述液体不是特别限制的。例如，该液体可以包括水、氮、超临界二氧化碳、或超临界氧化硫sox，0<x≤4，或者它们的混合物。该方法因此也可以用来脱硫。根据液体不同，在此可以用不同的正电性金属来获得不同的产物，这些产物可以作为固体、液体和甚至气体发生。根据所选液体不同，另外还可以使在反应中生成的产物至少部分地溶于该液体中，从而可以简单地分离所述产物。

在示例性的在水中燃烧期间，在使用碱金属作为正电性金属(例如lioh,naoh,koh)的情况下固态反应产物可以很好地溶于水(在h2o中的溶解度：naoh1090g/l；koh1120g/l,lioh128g/l)并且因此可以在该过程中容易地与气态产物分开。

因此，根据具体实施方式，除了能量储存和转化之外，在所导出的液体(其可以作为溶液或悬浮液导出)中还可以获得有用物质，例如，同时制备naoh、lioh、koh。表1中示出了在与水和二氧化碳的反应中作为正电性金属的所选择的碱金属的相应生成焓。

表1：与水和二氧化碳的反应的示例性生成焓

与氧化硫的示例性反应如下：

6li+so2→li2s+2li2o

8li+so3→li2s+li2o

li2o+so2→li2so3-438.7kj/mol

另外，在这些反应中形成的气态产物水或一氧化碳以及若可能时在其它液体中的其它气态产物可以作为有用物质导出亦或进一步应用，例如在费托合成(fischer-tropsch-synthese)的情况下的co和h2。在正电性金属如锂与二氧化碳的反应中，例如可以生成金属碳酸盐如碳酸锂和一氧化碳，其中从一氧化碳也可以得到长链的含碳产物如甲烷、乙烷等直到汽油、柴油，但也可能得到甲醇等，例如在费托方法中。

除此之外，例如在正电性金属如锂与氮的反应中生成其它金属氮化物，如氮化锂，其随后则可被进一步反应成氨。类似反应也可以得到其它所提及的金属。

根据具体实施方式，该液体选自：水和超临界液体如二氧化碳和氧化硫。

作为超临界液体或超临界流体，在此被理解为液体或气体，该液体或气体处于临界压力和临界温度之上。

根据本发明，在将正电性金属和液体反应中形成的溶液或悬浮液导出之前，正电性金属在该液体中无需完全反应，然而，在将正电性金属和液体反应中形成的溶液或悬浮液导出之前，正电性金属根据具体实施方式优选地基本上完全反应。根据具体实施方式，正电性金属在导出溶液或悬浮液之前与液体反应至少达到90mol.％，进一步优选达到至少95mol.％并且另外优选达到至少99mol.％。

根据本发明，正电性金属的喷射和/或雾化不是特别限制的并且可以适合方式实现，例如通过常规喷嘴或雾化器，例如液态金属烧结喷嘴，但也可以通过喷射/雾化穿过开孔式结构如多孔燃烧器。正电性金属的雾化和喷射甚至都可以例如通过各种具有喷嘴或雾化器的进料器在反应室中发生。因此，例如对于碱土金属尤其是ca和/或mg来说，雾化为粉末根据具体实施方式是优选的。对于碱金属来说，喷射(优选地喷射为液体)是优选的。

本发明不排除液体中其它组分的存在，例如用于稳定液体的各种添加剂，特别是消泡剂或其它添加剂，例如用于调节特定产物性质(形态)的结晶助剂。

由于正电性金属在液体表面下方进料，在正电性金属和液体的反应中形成的固态和液态产物以及可能的气态产物能够直接进入溶液或悬浮液，从而避免了从其中耗费的分离，这有助于反应进程和该设备的构造。此外，在液体表面下方引入可以确保正电性金属不会与位于液体表面上方的气体空间形成接触并从而导致副反应。此外，通过引入到液体中，可以有效地导出反应中产生的热量，这进一步有助于反应进程。根据具体实施方式，在此还可以通过液体的蒸发以提高系统中的蒸气压。因此，通过根据本发明的反应进程还可实现将放热反应中释放的热能有效地转化成例如电或热能，例如用于集中供热。此外，通过液体中的反应还可以产生有价值的化学产品，这些化学产品可以简单地从设备中取出。

为了改善在反应中产生的热量的导出，反应器中可以设有搅拌器或用于混合和分配液体的其它装置，例如多个用于液体的进料喷嘴，所述搅拌器或装置例如可以确保液体与正电性金属以及还有所生成的产物的有效混合。以这种方式，也可以实现相宜地导出反应热和固体产物，从而在具体实施方式中相宜地导出反应产物的经加热的浓缩溶液。具有相应的流动几何形状的相应的搅拌和/或混合装置可以根据反应器、进料器等的结构适当地设置。

根据具体实施方式，通过多孔燃烧器和/或喷嘴将正电性金属喷射和/或雾化。

在此，喷嘴和/或多孔燃烧器没有特别的限制，可以根据例如正电性金属的凝聚状态和液体种类以及其它性质(诸如液体的交联性能)的情况适当选择。

在此，正电性金属的喷射或雾化可以适合方式进行，不受特别限制。喷嘴的类型也没有特别限制并且可以包括单料喷嘴和双料喷嘴。根据具体实施方式，正电性金属优选作为液体被喷射。然而，也可以喷射正电性金属的颗粒。然而，通过使用作为液体的正电性金属可以实现有效喷射，其中必要时还可以通过正电性金属的温度来实现燃烧反应的自燃和/或与液体的反应，从而无需点火源。如果不是这种情况，还可以设置用于至少短暂地点燃正电性金属的点火源(对该点火源没有特别限制)，用以例如引发与液体的反应。例如可以使用电弧、激光、等离子体喷嘴等来点燃正电性金属。示例性喷嘴和喷嘴几何形状在图1至图4中示出。

图1和图2示例性示出了金属烧结喷嘴的两种不同的几何形状，从下方和/或从侧面(根据观察点不同)将正电性金属1，优选液态的正电性金属1进料给所述金属烧结喷嘴，并且通过这些喷嘴进料液体3。在此，反应区域4位于喷嘴出口附近。图1示出了筛网喷嘴2'，其中正电性金属在喷嘴出口处通过筛网(该筛网不受特别限制)喷射到液体中，而在图2中，正电性金属的排出通过穿孔金属板实现，因此喷嘴相当于穿孔金属板喷嘴2”。

在图3和4中示出具有不同进料几何形状的正电性金属的其它喷嘴，这些进料几何形状也能够在上述喷嘴以及任何其它喷嘴中使用。

在图3所示的单料喷嘴的情况下，在喷嘴主体2”'中由于喷嘴旋流器5而发生正电性金属1的涡流，该喷嘴旋流器5的设计不限于此处所示的形式，以便实现正电性金属在喷嘴出口处更好的雾化。

在图4所示的双料喷嘴中，正电性金属1的涡流或分布是通过在雾化气体通道6'中混合雾化气体6实现的，而正电性金属1通过金属通道1'进行。通过相应地调节喷嘴几何形状和这些通道(这些通道也可以交换它们的位置)，可以确保在喷嘴出口7处有效雾化。对于双料喷嘴，例如在液态或超临界co2中燃烧的情况下可将二氧化碳本身用作雾化介质，即，雾化气体相当于作为物质的液体。

然而，根据本发明，雾化气体没有特别限制并且也可以根据所需产物进行选择。作为雾化气体，例如使用空气、一氧化碳、二氧化碳、氧气、甲烷、氢气、水蒸汽、氮气、一氧化二氮、这些气体中的两种或更多种的混合物等。

除了各种喷嘴之外，不同种类的多孔燃烧器，例如多孔管，和/或不同种类的混合形式也可以用于雾化和/或喷射正电性金属。为此示例性地设置有平行毛细管的管，其中毛细管设成沿纵向用于喷射。然而，可能的实施例也可以是从毛细管纵向或横向(径向)贯穿的其它装置，所述其它装置由耐久地抵抗正电性金属的材料制成。在这样的喷嘴或雾化器中，液态碱金属例如可以在毛细管末端处在水表面下方进入反应器。多孔喷嘴例如可得自瑞士的exxentis有限公司。

根据具体实施方式，将正电性金属(优选液体形式)引入多孔燃烧器中并借助多孔燃烧器喷射。然而，根据具体实施方式，不会发生如常规多孔燃烧器中的内部混合，以防止孔被固态反应产物堵塞。因此，根据具体实施方式，该多孔燃烧器是没有内部混合的多孔燃烧器。当使用多孔燃烧器时，所述孔根据具体实施方式仅用于增加正电性金属的表面积。在连续进料正电性金属的情况下，与液体的反应可能发生在与多孔燃烧器表面接近的孔的出口处，只要能够确保所形成的反应产物通过随后输送的正电性金属从多孔燃烧器输送出。然而，当所形成的产物可溶于液体并且可以通过溶解从孔中导出时，这也是可能的。

此外，在使用多孔燃烧器的情况下得到的益处在于该反应可以在多孔燃烧器处局域化，其中反应产物也可以在多孔燃烧器处或附近积聚，因此该反应是局部化的并且相应地该反应可以更容易地控制。

多孔燃烧器在形式上没有特别的限制，并且根据具体实施方式，多孔燃烧器包括多孔管作为燃烧器。根据具体实施方式，多孔燃烧器包括多孔管，该多孔管可以在一个开口处被进料正电性金属。正电性金属优选地仅通过该管的一个开口进料，并且管的另一端封闭或同样由多孔管的材料构成。在此，多孔管可以例如是多孔金属管，多孔金属管例如由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆合金(zirkalloy)及这些金属的合金以及钢如不锈钢和铬-镍钢构成。多孔燃烧器优选地由这样的材料构成，该材料选自铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆合金及这些金属的合金以及钢，例如不锈钢和铬镍钢。合适的例如是奥氏体铬镍钢，其例如在高温下对钠的侵蚀具有很高的耐受性，然而具有32％镍和20％铬的材料，例如ac66，incoloy800或pyrothermg20132nb也表现出相对有利的腐蚀行为。多孔燃烧器的其它组件没有进一步限制并且必要时可包括点火源等。

根据具体实施方式，在多孔燃烧器内部将正电性金属以液体形式进料给多孔燃烧器。这导致正电性金属在多孔燃烧器中更好地分布和正电性金属从多孔管的孔隙中更均匀地排出，从而可在正电性金属和液体之间发生更均匀的反应。正电金属和液体的燃烧例如可以如下适当地控制：该多孔管的孔的孔径；所用的正电性金属；该正电性金属的密度，该密度可与正电性金属的温度相关联；将正电性金属引入多孔燃烧器中的压力；液体的压力等。正电性金属例如可以被压入到多孔管中，例如还在另一处于压力下的气体的辅助下，该气体不受限制，只要它不与正电性金属反应即可，例如为惰性气体。

根据具体实施方式，所述液体可以在反应中至少部分蒸发，并且所蒸发的液体可以通过液体的进料来代替。

在此，所蒸发的液体的量可以取决于正电性金属和液体的性质，还取决于其特性，例如熔融温度或沸腾温度，反应类型等，还可取决于正电金属进料的性质、反应器构造等，并且可以适合地确定。

根据具体实施方式，所蒸发的液体量由等量的液体通过进料代替；然而，也可能的是，至少短暂地还补充一次或多或少的液体，以不同地调节反应器中的液体量并且因此也可能对反应、例如在排出热量方面产生影响。然而，在此应当注意，正电性金属的进料即使在反应器中变化的液体状态下也发生在液体内，即，发生在液体表面下方。因此，所进料的液体量能够根据具体实施方式得以控制。在此，所述控制例如可以在正电性金属和/或液体的相应进料中使用各种阀来实现，其中根据具体实施方式，还可以用例如ph传感器、ir传感器、电容式液位传感器、超声波传感器、其它光学传感器类型等的传感器来检测反应器中的液体量。

根据具体实施方式，所蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物——其中气态产物和/或所蒸发的液体可以处于升高的压力下，例如超过1巴，至少2巴，至少5巴或至少20巴——至少部分用于制备化学产品，例如费托合成中的co和/或h2o和/或h2，和/或所蒸发的液体的能量和/或在反应中形成的气态产物至少部分地被转化，优选地转化成热能和/或电能，进一步优选地使用至少一个膨胀涡轮机和/或至少一个汽轮机和/或至少一个热交换器和/或至少一个锅炉，必要时与至少一个发电机组合地来转化。

根据具体实施方式，该液体在反应期间或之后至少部分地作为溶液或悬浮液取出，并且所取出的溶液或悬浮液的能量至少部分地转化，优选使用至少一个热交换器和/或至少一个锅炉，必要时与至少一个发电机组合地来转化。

根据具体实施方式，液体可以至少部分地从所取出的溶液或悬浮液分离并且回收到反应中。

一方面所导出的溶液或悬浮液的能量以及另一方面所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物的能量的至少部分转化包括，在正电性金属和液体的反应中释放和/或存在的能量(例如热能和/或动能)向另一种能量形式，例如电能、过程蒸汽或集中供暖的所有至少部分转化。例如，所述能量可以例如在例如热交换器中转化成另一介质如水的热能或转化为电能。在此，所转化的能量的量可取决于各种因素，例如，所使用的转化装置的效率、必要时在系统中的能量损失、反应控制和材料流控制等。

能量的至少部分转化没有特别限制并且例如可以包括转化成热能和/或电能。根据具体实施方式，至少用本发明的方法和本发明的装置产生电能。

因此，燃烧中释放的热能可以(通过例如膨胀涡轮机和/或蒸汽轮机)转化成电能。所释放的热能例如可以通过热交换器和相继的蒸汽轮机回收。更高的效率例如可以通过使用燃气涡轮机与蒸汽轮机组合使用实现。根据具体实施方式，为此要确保金属燃烧后的废气是无颗粒的，因为这些颗粒否则长远来看可能损坏涡轮机。

根据具体实施方式，在反应中形成的气态产物(例如，在co2中燃烧的情况下气态产物为co)可以进一步利用。所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物优选不含固体颗粒并且随后可以例如通过膨胀涡轮机在压力下引导，这可以通过液体中的相应反应来实现。

根据具体实施方式，在正电性金属与液体的反应中可能除了释放出反应能量以外，还可释放出溶剂化能或水合能和/或晶格能，例如在水中形成水合物的情况下。例如对于具有良好水溶性的燃烧产物lioh，可以释放水合能(锂：509kj/mol)。

在此，这取决于所使用的正电性金属和所使用的液体。

例如以液体形式取出的来自与水的反应的氢氧化物溶液，例如碱金属氢氧化物溶液，可以承担多种其它任务。甚至可以适合方式从该溶液中回收正电性金属。例如对于li，通过将li2co3恢复为licl(例如美国专利号20130001097a1中所述)和随后电解成li，可以得到完全可回收利用的能量循环。例如，当使用例如ca作为正电性金属时，得到的ca(oh)2可用于常规化石燃料发电厂(或火电厂)的脱硫。

所蒸发的液体从气态成分中的分离(这可根据具体实施方式进行以使其作为液体回收)不受特别限制并且可以适合方式进行。例如，水可以冷凝。必要时，例如从经济学的角度而言，所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物，例如水、氢或二氧化碳也可以排放到环境中。

来自所导出的溶液或悬浮液(例如可具有300℃或更高的温度)的能量的至少部分转化可以根据具体实施方式借助于至少一个热交换器进行。该热交换器则例如能够提供热能。还可能的是，在热交换器中例如产生蒸汽，所述蒸气例如驱动涡轮机和发电机以产生电能。另一种可能性是借助热交换器既产生热能又产生电能。所述热能例如可以用于在反应之前预热正电性金属和/或液体，从而该正电性金属例如也可以液体形式提供使用。然而，所述热能也可以用于其它目的，例如集中供暖。所获得的电能也可以适合方式使用，例如用于供电。

根据具体实施方式，所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物的能量的至少部分转化成电能是由至少一个涡轮机和至少一个发电机完成。正如在上述热交换器的情况下那样，涡轮机和发电机的类型在这里不受特别限制。根据具体实施方式，对于所述能量的至少部分转化，可以使用至少两个在所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物的流动方向上相继安放的涡轮机，例如膨胀涡轮机和蒸汽轮机。因此例如可以首先用燃气轮机通过燃烧一种成分来进行能量转化，然后气态成分在蒸汽轮机中用于能量转化，即，气态成分依次通过(按照次序)两个或多个涡轮机。

除了所蒸发的液体和/或在反应中形成的气态产物的能量的至少部分转化之外，还可以实现所形成的气体如co和/或h2的化学利用。例如，任选地在已进行的清洗(例如用于洗去co2)和/或气态成分的干燥后，可例如将气态产物进料给费托合成装置，在那里可由包含co和h2的合成气制备较高价值的化学产品，如甲醇、乙醇、烃等。必要时此外还可以将h2和/或co和/或h2o从外部来源供应给气态成分。气体洗涤可以例如用水和/或正电性金属盐的溶液和/或悬浮液(例如lioh)进行。

与煤或天然气产生的合成气不同，在上述实施方式中产生的气体不包含需要非常耗费地分离的含氮或含硫杂质如nh3、hcn、h2s、cos或氧。作为杂质可能仅需要分离co2。因为在设备中氢氧化物也可供使用，所以该氢氧化物则可用于洗涤co2。这种洗涤器是非常有效的。

在必要时进行的气体干燥后，可以获得具有可调的co/h2比的高纯度合成气混合物用于按照费托处理。根据催化剂不同，例如可获得甲醇或烃。

在此，根据具体实施方式，可以用仅含有co2或h2o的气态产物来运行本发明的方法，从而在化学利用气态成分时必须提供合成气的其它气体组分，例如来自中间储存设备，条件是当本发明的装置交替地用包含h2o的液体和包含co2的液体运行并且所形成的气态产物被相应分离和中间储存时。

本发明的两个装置也可以用本发明的两个方法并行运行，其中一个方法中使用包含co2的液体，另一方法中使用包含h2o的液体，并且所生成的气态成分然后可适当地组合用于费托合成。

根据另一方面，本发明涉及一种用于使正电性金属与液体反应的设备，所述正电性金属选自碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的合金和/或其混合物，该设备包括：

反应器，在该反应器中发生正电性金属和液体之间的反应，

至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于将正电性金属喷射和/或雾化到在反应器处和/或在反应器中的液体内的至少一个装置，

至少一个用于正电性金属的朝向多孔燃烧器内部和/或朝向用于喷射和/或雾化正电性金属的装置的第一进料器，其被构造为，将正电性金属进料给多孔燃烧器内部和/或进料给用于喷射和/或雾化正电性金属的装置，

至少一个用于在反应器处和/或在反应器中的液体的第二进料器，其被构造为，将液体进料给反应器，

至少一个用于在正电性金属和液体的反应中形成的溶液或悬浮液的第一卸料器，其被构造为，从反应器中导出在正电性金属和液体的反应中形成的溶液或悬浮液，

至少一个用于气态产物的第二卸料器，其被构造为，从反应器中导出至少部分蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物，以及

控制器，其被构造为，将液体这样进料给反应器，使得至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于喷射和/或雾化正电性金属的装置在反应器内处于液体表面下方的液体中。

反应器就其结构和材料等而言没有特别限制，只要能够在其中发生相应的反应即可。根据液体和正电性金属各自的类型、性质(例如温度、压力)和/或量，这些可以相应地设计。同样对分离器、进料器、喷射器、可选的卸料器和回收器等也没有特别限制。

用于喷射和/或雾化正电性金属的装置在这里不受特别限制并且可以包括例如可如上所述设计的单料喷嘴或双料喷嘴亦或上文描述的金属烧结喷嘴。多孔燃烧器可以如上所述地设计。

作为正电金属的第一进料器可以使用例如管件或软管，或可被加热的输送带，其可以适当地、例如基于正电性金属的凝聚状态来确定。例如根据具体实施方式，碱土金属如mg和ca以颗粒形式、例如作为粉末进料，而li可以例如作为液体进料。用于正电性金属的第一进料器必要时还可以任选地配备有用于雾化气体的另一进料器或者用于引入正电性金属的另一气体的另一进料器，可选地具有控制器，例如阀，该控制器可以调节正电性金属的进料。

用于液体的第二进料器同样可以被设计成管件或软管等的形式，所述管件或软管必要时可被加热，其中第二进料器可以根据液体(该液体可为超临界液体)的状态来适当地确定。此外，可以提供用于正电性金属或液体的多个进料器。

根据具体实施方式，多孔燃烧器和/或用于喷射和/或雾化的装置由这样的材料制成，该材料选自铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆合金和这些金属的合金以及钢，如不锈钢和铬镍钢。适用的例如是奥氏体铬镍钢，其例如在高温下对钠的侵蚀具有很高的耐受性，然而具有32％镍和20％铬的材料，例如ac66，incoloy800或pyrothermg20132nb也表现出相对有利的腐蚀特性。这些材料优选用于在较高温度下的应用，在这些较高温度下能够更容易进行与正电性金属的反应。

用于雾化气体和/或其它气体的进料器同样没有特别限制并且包括例如管件、软管等，其中，该进料器可以适当地根据雾化气体和/或其它气体的状态确定，所述雾化气体和/或其它气体可选地还可能处于压力下。

在本发明的设备中，必要时可能需要点火装置，例如电点火装置或等离子体电弧，其中这可能取决于：正电性金属的种类和状态，例如其温度和/或凝聚状态；液体的性质，例如其压力和/或温度；以及设备中部件的布局，例如进料器的类型和性能。

根据本发明，对反应器没有特别限制，只要它能够容纳液体即可。为了在构造上不仅实现所蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物的高温例如高于200℃，例如甚至400℃或更高，并且在具体实施方式中500℃或更高，而且实现升高(例如5巴或更高)的或高(20巴或更高)的操作压力，反应器的内部材料可由耐高温合金，例如上面指出的那些，并且在极端情况下还可由haynes214材料构成。然后，在该材料(其仅应承受所述高温)周围可以布置隔热材料，该隔热材料允许足够少的热量透过，使得在钢壁(其额外地还可以空冷或水冷)之外接受压力负荷。

此外，反应器还可以包括可以包括加热和/或冷却装置，其可存在于反应器处和/或也可存在于各种进料器和/或卸料器和/或可选地点火装置处。此外，在本发明的装置中还可以存在其它组件，例如用于产生压力或真空的泵等。

卸料器也没有特别限制，其中，用于气态产物的第二卸料器例如可被设计为管件，而用于在正电性金属和液体的反应中形成的溶液或悬浮液的第一卸料器可被设计为例如叶轮闸门和/或作为具有虹吸管的管件，但是也可设计为管件。这里也可以设置各种阀如压力阀和/或其它调节器。

适合作为用于反应器、分离器、喷射器和/或雾化器、多孔燃烧器和/或必要时卸料器和/或必要时进料器或者还例如用于能量转化的与发电机耦合的涡轮机的材料，根据具体实施方式例如选自由铁，铬，镍，铌，钽，钼，钨，锆组成的材料族和这些金属的合金以及钢，例如不锈钢和铬镍钢。这些材料优选用于在较高的温度下使用，在所述温度下与例如液态正电性金属的反应能够更简单地进行或者反应混合物可以简单地处理。

本发明的装置具有控制器，其被构造为，将液体这样进料给反应器，使得至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于喷射和/或雾化的正电性金属的装置在反应器中处于液体表面下方的液体中。在此可以例如基于测量数据或计算机模拟来实现控制。控制器可以例如以这样的方式控制用于正电性金属的至少一个第一进料器和/或用于液体的至少一个第二进料器，使得随着反应进展而进料更少的正电性金属或更多的液体，但是也可以例如控制多孔燃烧器和/或至少一个用于喷射和/或雾化正电性金属的装置。还可能的是对反应器、进料器和/或卸料器等的温度控制。在此，控制器可以例如通过控制喷嘴(例如在进料器和/或反应器处或进料器和/或反应器中)来分别控制正电性金属和/或液体的添加，或者还可以例如通过控制泵等来控制进料器本身。

根据具体实施方式，该设备进一步包括用于将正电性金属提供为液体的加热器，其被构造为，在正电性金属进料之前或期间液化正电性金属。该加热器不受特别的限制。

此外，根据具体实施方式，至少一个多孔燃烧器和/或至少一个用于喷射和/或雾化正电性金属的装置由这样的材料构成，该材料选自由铁、铬、镍、铌、钽、钼、钨、锆合金和这些金属的合金组成的材料族、以及钢，例如不锈钢和铬镍钢。

此外，根据具体实施方式，该设备还包括至少一个用于转化能量的第一装置，所述装置与用于在正电金属和液体的反应中形成的溶液或悬浮液的至少一个第一卸料器连接并且被构造为至少部分地转化所导出的溶液或悬浮液的能量。至少一个用于转化能量的第一装置在此不受特别限制并且可以包括例如至少一个热交换器和/或至少一个锅炉。

根据具体实施方式，至少一个用于转化能量的第一装置具有至少一个热交换器。根据本发明，这不受特别的限制，并且例如也可以与至少一个涡轮机和至少一个用于产生电能的发电机耦合，但也可以额外地或甚至仅用于转化成热能，例如集中供热，或者甚至用于为其它过程提供蒸汽。

如果不能找到合适的可用于加热例如具有相应压力的空气或水的热交换器，则可以例如使用锅炉。根据具体实施方式，使用锅炉的方法可能更有希望并且在技术上也更简单，因为它可以在较低的温度和仅升高的压力下实现。

借助一个或多个热交换器和/或一个或多个锅炉，接下来则可以产生电能，例如通过使用蒸汽轮机和发电机产生电能。

根据具体实施方式，该设备还包括至少一个用于转化能量的第二装置，所述第二装置与所述至少一个第二卸料器连接并且被构造为，将至少部分蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物的能量至少部分地转化，和/或至少一个用于制备化学产品的装置，其被构造为，将所蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物转化为进一步的化学产品。

根据本发明，用于转化能量的至少一个第二装置不受特别限制，只要能够将来自所蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物的能量转化即可，并且其可以包括例如至少一个热交换器、锅炉和/或涡轮机。根据特定实施方式，至少一个用于能量转化的第二装置具有至少一个涡轮机和至少一个用于产生电能的发电机。正如还在上文中在与热交换器的耦合的情况中那样，所述涡轮和发电机没有特别限制，并且也可以采用多个不同的连接在一个或多个发电机上的涡轮机。根据具体实施方式，至少一个用于转化能量的第二装置具有至少两个在所蒸发的液体和/或气态产物的流动方向上相继安放的涡轮机。

然而，还可以通过热交换器从所蒸发的液体和/或气态产物中导出热量，并且这时不会迫切需要发电机。涡轮机和热交换器的组合也是可能的。

根据具体实施方式，本发明的设备具有至少一个用于制备化学产品的装置，其被构造为，将所蒸发的液体和/或在正电金属和液体的反应中形成的气态产物转化成进一步的化学产品。这不受特别限制，并且可以基于所蒸发的液体和/或所产生的气态产物适当地设置。例如，根据具体实施方式，本发明的设备可以具有至少一个co2洗涤器和/或用于co和/或h2和/或h2o的第三进料器和/或干燥器和/或费托合成装置，因此使用水和/或超临界二氧化碳作为液体并产生作为气态产物的h2或co。因此，该设备可能类似于igcc设备。因此，在这样的设备中，正电性金属一起用作燃料。如果要连接上费托合成法，则还可以设置两个本发明的设备，其中一个使用包含水的液体，另一个使用包含二氧化碳的液体。根据本发明，所述至少一个co2洗涤器和/或至少一个用于co和/或h2和/或h2o的第三进料器和/或至少一个干燥器和/或费托合成设备不受特别限制，并且可以是常规的装置和部件。

根据具体实施方式，该设备进一步包括：至少一个第三卸料器，该第三卸料器与用于转化能量的第一装置连接并且被构造为，将所导出的溶液或悬浮液从所述用于转化能量的第一装置导出；至少一个第一分离器，其与所述至少一个第三卸料器连接并且被构造为，从所导出的溶液或悬浮液中分离液体；和至少一个用于来自第一分离器的液体的第一回收器，其与第二进料器和/或反应器连接并且被构造为，将来自第一分离器的液体进料给第二进料器和/或反应器。在此，与其它两个卸料器一样，第三卸料器不受特别限制并且与其相应地用相应的材料设计。

根据具体实施方式，该设备进一步包括至少一个第二分离器，其被构造为，从被导出的所蒸发的液体和/或在正电性金属和液体的反应中形成的气态产物中至少部分地分离液体和/或所蒸发的液体，以及至少一个用于来自第二分离器的液体和/或所蒸发的液体的第二回收器，所述第二回收器与第二进料器和/或反应器连接并被构造为，将来自第二分离器的液体和/或所蒸发的液体进料给第二进料器和/或进料给反应器。

第一分离器和第二分离器没有特别限制，只要在第一分离器中可以实现至少部分分离成一方面待回收的液体和另一方面待导出的产物，如正电性金属和液体的反应产物，并且在第二分离器中可以至少部分地分离所蒸发的液体即可。在此，第二分离器也可以处于用于转化能量的第二装置中，并且第一分离器也可以处于用于转化能量的第一装置中。

类似于卸料器，第一和第二回收器同样不受特别限制，并且可以与其相应地用相应的材料设置，例如设置为管件或软管。

根据具体实施方式，该设备还包括至少一个检测器，其位于反应器处和/或反应器中并且与控制器连接，其被构造为，检测反应器中液体的量。根据本发明，检测器没有特别限制并且可以包括例如至少一个传感器，例如ir传感器或ph传感器，电容式液位传感器，超声波传感器，其它光学传感器类型等，该传感器可以与控制器连接，并且根据控制器的信号可以或不可以执行在该设备中的控制。

在具体实施方式中，所导出的溶液或悬浮液也可包含溶解或悬浮的固体，所述固体可进一步反应成有用物质。因此，例如可从用氮气燃烧制备的金属氮化物通过用水进行水解以形成氨和碱液，其中所得到的碱液则还能够用作二氧化碳和/或二氧化硫的捕捉剂。

上述实施例，设计方式和扩展方式可以在合理的情况下彼此任意组合。本发明的其它可能的设计方式，扩展方式和实施方式还包括未明确提及的在上文或下文中关于实施例所描述的本发明特征的组合。特别地，本领域技术人员还会添加个别方面作为本发明的各个基本形式的改进或补充。

接下来现在开始借助示例性实施方式来说明本发明，这些示例性实施方式不以任何方式限制本发明。

图5示出了本发明的设备的第一示例性实施方式的示意图，其中通过多孔烧结喷嘴2将正电性金属1(例如在这里是示例性的液态碱金属)在液体3的表面(例如是水表面或液态、超临界co2或sox的表面)下方引入反应器10中，用于将储存在正电性金属中的化学能转化为电能；以及所形成的产物价值链，其包括例如h2或co、naoh、koh、lioh。

在第一示例性实施方式的设备中，执行以下步骤：

a)借助多孔烧结喷嘴2，必要时在压力下，将正电性金属1进料到液体反应室中，直接进入液态反应配对物(例如，h2o，超临界co2或sox)中。用于将液态正电性金属1如碱金属加压注射在液体表面下方的装置也可以如上所述地实施为具有或不具有涡旋元件的常规单料喷嘴、双料喷嘴、穿孔金属板、设有毛细管/孔的杆或板等。

b)在液体反应室中发生反应/燃烧反应。将液态正电性金属1在压力下引入烧结喷嘴2中，并在液面下方经由烧结喷嘴2的孔进入到液体中。在孔表面处，该正电性金属与液体如水、co2或sox反应。该反应是高度放热的，并且所释放的热量可以部分地经由所导出的溶液(该溶液用第一卸料器13导出)，经由热交换器13和随后经由蒸汽轮机14连同接在其上的发电机15转化成电能。

c)固体反应产物的分离：

-当使用碱金属合金时，与诸如水的液体3的反应中形成例如naoh、koh、lioh或其混合物作为固体反应产物

-这些固体反应产物高度溶于水(在h2o中的溶解度：naoh1090g/l；koh1120g/l，lioh128g/l)并进入溶液中。由此防止了孔的堵塞和与之关联的液态碱金属进料以及该反应的中断。反应产物从孔表面的导出是通过其在用作碱金属反应配对物的介质(液体3)中的溶解度来实现的。

-当使用水作为液体3时，将lioh、naoh、koh溶液/悬浮液通过第一卸料器12引导通过热交换器13。如果用co2代替h2o运行该设备，则导出的不是氢氧化物溶液/悬浮液，而是碳酸盐悬浮液如li2co3悬浮液。离开热交换器的浓缩悬浮物或溶液100可以直接在压出之后作为有用产品获得，例如naoh，或可以转移到再循环中，例如li2co3。naoh例如也可以在溶液中作为有用产品氢氧化钠溶液获得。

d)在作为液体3的水中的示例性燃烧反应中，形成氢气(h2)作为气态产物。由于高温，反应器10中的一些水可能蒸发并因此升高压力。气体混合物可以经由第二卸料器16引导到燃气轮机17上，并且同样可以借助发电机19转化成电能。由气态产物和/或所蒸发的液体可在冷凝器18中冷凝出产物或液体，并且液体3必要时也可以作为气体或蒸汽使用冷却器、经由第二回收器20回收至用于液体的第二进料器11，或者直接进入反应器10(未示出)中。在与二氧化碳的反应中形成co作为气态产物，该气态产物例如可以像h2那样进一步使用或储存。

e)将新鲜液体3如水或超临界co2或sox经由第二进料器11进料给燃烧室。

另一个实施方式通过例如气体h2(h2o的反应物质)和/或co(液态或超临界co2的反应物质)的化学利用来实现。在这种情况下，h2(h2o的反应物质)和/或co(液态或超临界co2的反应物质)不燃烧或仅部分燃烧以产生电能，而是进一步利用，例如在费托合成中进一步利用，因此燃气轮机17通过所述化学利用被至少部分地替代并且进而可以省略或缩小。与由煤或天然气制备的合成气相反，在上述实施方式中制备的气体不含必需非常耗费地分离的诸如nh3、hcn、h2s、cos或氧的含氮或含硫杂质。在co情况下作为杂质仅需要分离co2。这可以例如通过常规的co2洗涤器或也可能源自本发明的设备的碱金属氢氧化物从气体中去除。

在图6中示出了第二示例性实施方式，其中除了图5所示的第一示例性实施方式之外，还示出了从导出的液体或溶液中分离有用产品并且回收液体3。在此，将所导出的溶液或悬浮液在热交换器13之后引入诸如液体分离器的第一分离器21、例如naoh分离器中，并且使液体3至少部分地与悬浮液或溶液100分离。所分离的液体3由第一回收器22重新进料给第二进料器11，或直接进料给反应器10(未示出)。在另一实施方式中还可以分离出固体，而不是悬浮液或溶液100。

本发明涉及一种用于正电性金属如碱金属或其合金，必要时在压力下，在液体表面、例如水和超临界气体如co2或sox的液体表面下方的燃烧反应的方法和设备。反应中释放的热可以例如转化为电能。在与水反应时可以形成氢，氢可以例如储存或以适合方式在用于产生电能的能量转化过程中使用。

在本发明中，诸如液态碱金属的正电性金属可以简单地通过用于喷射或雾化的装置如多孔烧结喷嘴而在反应器中被直接引入液体中，该液体在燃烧/反应中用作正电性金属的反应配对物。在放热反应中形成的热能可以通过例如热交换器连同紧接着的蒸汽轮机而转化为电能。在与诸如水的液体的反应中作为反应产物形成的有用产物为例如氢(h2)和正电性金属的氢氧化物，例如用作金属燃料的碱金属/碱金属合金的氢氧化物(另见表1中的示例性方程式)。氢气或氢气/蒸汽混合物，以及所蒸发的液体和气态产物的其它混合物可以借助燃气轮机、例如氢气燃气轮机用于发电。

本发明中公开了：

-在用作燃烧/反应配对物的诸如水、超临界气体(例如co2或sox)的液体的液体表面下方直接注入可选地液态的正电性金属，

-一种使正电性金属反应的方法，其中固态反应产物可以溶解在液体如水中，并且可以从多孔燃烧器的孔中或从用于喷射或雾化的装置中利用其(lioh，naoh，koh)在液体如水中的溶解度而无堵塞地有效分离

-用于同时将存储在正电性金属如碱金属中的化学能转化为电能和/或产生诸如naoh、koh、lioh、h2、co的化学有用物质的方法

-用例如h2o无排放地运行发电厂。