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KR20170010805A - 다공성 튜브들을 버너들로서 사용한, 상이한 온도들 및 압력들에서의 그리고 가스 과잉들을 이용한 리튬의 연소 - Google Patents

다공성 튜브들을 버너들로서 사용한, 상이한 온도들 및 압력들에서의 그리고 가스 과잉들을 이용한 리튬의 연소 Download PDF

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KR20170010805A
KR20170010805A KR1020167035513A KR20167035513A KR20170010805A KR 20170010805 A KR20170010805 A KR 20170010805A KR 1020167035513 A KR1020167035513 A KR 1020167035513A KR 20167035513 A KR20167035513 A KR 20167035513A KR 20170010805 A KR20170010805 A KR 20170010805A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
combustion
fuel gas
gas
burner
Prior art date
Application number
KR1020167035513A
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English (en)
Inventor
발터 프라이델
Original Assignee
지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 지멘스 악티엔게젤샤프트 filed Critical 지멘스 악티엔게젤샤프트
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    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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Abstract

본 발명은 연료 가스를 사용하여, 알칼리, 알칼리성 토금속들, 알루미늄, 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)을 연소하기 위한 방법에 관한 것이다. 연소는 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 다공성 버너(3)에 의해 수행된다. 본 발명은 또한, 방법을 수행하기 위한 디바이스 및 연소 가스를 사용하여 금속(M)을 연소하기 위한 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 다공성 버너의 사용에 관한 것이다.

Description

다공성 튜브들을 버너들로서 사용한, 상이한 온도들 및 압력들에서의 그리고 가스 과잉들을 이용한 리튬의 연소{COMBUSTION OF LITHIUM AT DIFFERENT TEMPERATURES AND PRESSURES AND WITH GAS SURPLUSES USING POROUS TUBES AS BURNERS}
본 발명은, 연료 가스(fuel gas)를 사용하여, 알칼리 금속(alkali metal)들, 알칼리성 토금속(alkaline earth metal)들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스(process) ― 연소는 버너(burner)로서 다공성 튜브(porous tube)를 포함하는 기공 버너(pore burner)에 의해 실시됨 ―, 프로세스를 실시하기 위한 장치, 및 연료 가스를 이용한, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소를 위한 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너의 사용에 관한 것이다.
수년에 걸쳐, 금속성 리튬의 산화에서 생성된 열을 이용하여 작업하는 다수의 에너지 생성 유닛(energy generation unit)들이 제안되었다(예컨대, 미국 특허 제 33 28 957호). 이러한 시스템(system)에서, 물과 리튬이 서로 반응하여 리튬 수산화물, 수소 및 스팀(steam)을 생성한다. 시스템의 다른 곳에서는, 리튬과 물 사이의 반응에 의해 생성된 수소가 산소와 결합되어 추가의 스팀을 형성한다. 그 다음으로, 스팀은 터빈(turbine) 등을 구동시키기 위해 사용되고, 그러므로 에너지 생성 소스(energy generation source)가 획득된다. 리튬은 또한, 원자재 재료(commodity material)들을 획득하기 위해 부가적으로 사용될 수 있다. 질소와 반응하여 리튬 질화물을 제공하고, 그 후에 가수분해되어 암모니아를 제공하거나 또는 이산화탄소와 반응하여 리튬 산화물 및 일산화탄소를 제공하는 것이 그 예들이다. 질화물의 경우에서와 같이, 각각의 경우에서의, 선택적으로는 가수분해 후의, 리튬의 반응의 고체의 마지막 최종 생성물은 산화물 또는 탄산염이고, 그 다음으로, 이는 리튬 금속으로의 전기분해에 의해 다시 환원될 수 있다. 이는, 풍력, 광전지들 또는 다른 재생가능 에너지 소스들에 의해 잉여 전력이 생성되어, 저장되고 그리고 원하는 시간에서 다시 전력으로 변환될 수 있는 회로를 확립하거나, 그렇지 않으면 화학적 원자재 재료들이 획득될 수 있다.
리튬은 통상적으로 용융 흐름 전기분해에 의해 생성된다. 이러한 프로세스에 대해, 표준 전위의 온도 정정이 없이 프로세스 데이터(process data)로부터 계산된, 약 42% 내지 55%의 효율성들이 확인되었다. 리튬뿐만 아니라, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄 및 아연과 같은 유사한 금속들을 사용하는 것이 또한 가능하다.
온도 및 연료 가스에 따라 리튬의 연소에서 고체 또는 액체 잔여물들이 발생할 수 있기 때문에, 이들에 특히 유의해야 한다. 더욱이, 상이한 대기들에서 그리고 압력 하에서 (예컨대, 액체 형태의) 리튬 금속의 연소를 위한 오븐(oven)의 구성 및 동작에 따라, 오프가스(offgas)들 및 고체들/액체들이 연소 생성물들로서 발생할 수 있다. 이들 고체 및 액체 물질들은 오프가스들로부터 매우 실질적으로 분리되어야 한다.
다운스트림(downstream)의 장치들에서 어떠한 표면 침착들 또는 폐색들도 발생시키지 않기 위해, 오프가스 스트림(offgas stream)으로부터 액체 및 고체 연소 잔여물들을 실질적으로 완전히 분리시키는 것이 중요하다. 더 구체적으로, 오프가스 스트림을 직접적으로 가스 터빈으로 안내하는 것이 매우 요구되는데, 그 이유는 그 경우에서 모든 입자들이 오프가스 스트림으로부터 완전히 제거되었다는 것이 보장되어야 하기 때문이다. 이러한 입자들은 가스 터빈 블레이드(gas turbine blade)들에 대한 장기간 손상을 야기하고, 플랜트(plant)의 장애를 초래한다.
본 발명의 목적은, 연료 가스를 이용한, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, Al 및 Zn, 및 이들의 합금들 및 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소의 경우에서, 오프가스로부터의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들의 효율적인 제거가 실시될 수 있는 프로세스 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 목적은, 연소 공간에서의 연소 생성물들의 너무 많은 분포 없이 그러므로 연소 생성물들의 더 용이한 제거성으로, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 효과적이고 그리고 로컬적으로(locally) 제한된 연소가 가능해지는 장치를 제공하는 것이다. 더욱이, 본 발명의 목적은 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소를 효과적으로 제어할 수 있도록 하는 것이다.
이 목적은 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소에서 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너의 사용에 의해 달성된다. 기공 버너의 사용을 통해, 기공 버너에서 연소를 로컬라이징(localize)하는 것이 가능하다는 것이 확인되었으며, 이 경우, 연소 생성물들이 또한 기공 버너에서 획득된다. 이에 반해, 예컨대 원자화의 경우, 반응 생성물들이 리액터(reactor) 전체에 걸쳐 획득되며, 고체 및 액체 반응 생성물들은 다시 복잡한 방식으로 기체 반응 생성물들로부터 분리되어야 하며, 기공 버너를 이용한 연소의 경우, 기공 버너에 특히 가까운 고체 및 액체 반응 생성물들의 로컬리제이션(localization)이 존재하며, 이는 기체 연소 생성물들로부터의 고체 및 액체 반응 생성물들의 분리를 용이하게 한다. 이 방식으로, 전체 연소 장치는 또한 더 콤팩트(compact)하게 만들어질 수 있고, 연소는, 연소 프로세스의 로컬리제이션을 통해 장치에 대해 더 완만해지도록 구성될 수 있다.
제 1 양상에서, 본 발명은, 연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 금속(M)은 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택되고, 연소는 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너에 의해 실시된다.
추가의 양상에서, 본 발명은, 금속(M)의 연소를 위한 장치에 관한 것으로, 금속(M)은 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택되고, 장치는, 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너, 기공 버너의 내부로의, 바람직하게는 액체 형태인 금속(M)을 위한 피드 유닛(feed unit) ― 피드 유닛은, 바람직하게는 액체 형태인 금속(M)을 기공 버너에 피딩(feed)하도록 설계됨 ―, 연료 가스를 공급하도록 설계된, 연료 가스를 위한 피드 유닛, 및 선택적으로는 금속(M)을 액체 형태로 제공하기 위한 가열 장치를 포함하고, 가열 장치는 금속(M)을 액화하도록 설계된다.
부가하여, 본 발명은, 추가의 양상에서, 연료 가스를 이용한, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소를 위한 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너의 사용에 관한 것이다.
본 발명의 추가의 양상들은 종속 청구항들 및 더 상세한 설명, 및 또한 도면들로부터 추론될 수 있다.
첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하고 그리고 본 발명의 추가의 이해를 제공하도록 의도된다. 설명과 관련하여, 첨부 도면들은 본 발명의 개념들 및 원리들을 설명하는 역할을 한다. 다른 실시예들 및 언급된 이점들 대부분은 도면들과 관련하여 명백해진다. 도면들의 엘리먼트(element)들은 반드시 서로에 대해 실척대로 표현되지는 않는다. 달리 서술되지 않는다면, 동일한 기능 및 동일한 효과를 갖는 동일한 엘리먼트들, 피처(feature)들 및 컴포넌트(component)들에는 도면들의 그림들에서 동일한 참조 번호들이 각각 주어진다.
도 1은 본 발명의 장치에 대한 예시적 어레인지먼트(arrangement)를 개략적 형태로 도시한다.
도 2는 본 발명의 장치에 대한 추가의 예시적 어레인지먼트의 상세도를 개략적 형태로 도시한다.
도 3은 본 발명의 장치에 대한 부가적인 예시적 어레인지먼트의 추가의 상세도를 개략적 형태로 도시한다.
도 4는 리액터로의 캐리어 가스(carrier gas)의 피드 유닛의 구역에서 본 발명의 예시적 장치를 통한 예시적 단면을 개략적 형태로 도시한다.
도 5는 리튬 탄산염을 제공하기 위해 리튬과 이산화탄소의 예시적 반응을 위한 방식을 도시하며, 이는 본 발명에 따른 프로세스에 의해 실시될 수 있다.
도 6은 리튬 질화물 및 추가의 변환 생성물들을 제공하기 위해 리튬과 질소의 추가의 예시적 반응을 위한 방식을 도시하며, 이는 본 발명에 따른 프로세스에 의해 실시될 수 있다.
본 발명은 제 1 양상에서, 연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 금속(M)은 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택되고, 연소는 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너에 의해 실시된다.
특정 실시예들에서, 금속(M)은, 알칼리 금속들, 바람직하게는 Li, Na, K, Rb 및 Cs, 알칼리성 토금속들, 바람직하게는 Mg, Ca, Sr 및 Ba, Al, 및 Zn, 및 이들의 혼합물들 및/또는 합금들로부터 선택된다. 바람직한 실시예들에서, 금속(M)은 Li, Na, K, Mg, Ca, Al 및 Zn, 더 바람직하게는 Li 및 Mg로부터 선택되고, 금속(M)은 더 바람직하게는 리튬이다.
특정 실시예들에서, 유용한 연료 가스들은, 발열성 반응에서, 언급된 금속(M) 또는 금속들(M)의 혼합물들 및/또는 합금들과 반응할 수 있는 연료 가스들이지만, 이들은 특정하게 제한되지 않는다. 예로서, 연료 가스는 공기, 산소, 이산화탄소, 수소, 수증기, 질소 산화물들 NOx, 이를테면, 일산화이질소, 질소, 이산화황, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 따라서, 프로세스는 또한, 탈황(desulfurization) 또는 NOx 제거를 위해 사용될 수 있다. 연료 가스에 따르면, 다양한 금속들(M)을 이용하여 고체, 액체, 그렇지 않으면 기체 형태일 수 있는 다양한 생성물들을 획득하는 것이 여기서 가능하다.
예컨대, 금속(M), 예컨대 리튬과 질소의 반응은 특히, 금속 질화물, 이를테면, 리튬 질화물을 초래할 수 있고, 그 다음으로, 이는 암모니아를 제공하도록 나중의 단계에서 추가로 반응하도록 허용될 수 있는 반면, 금속(M), 예컨대 리튬과 이산화탄소의 반응은, 예컨대 금속 탄산염, 예컨대 리튬 탄산염, 일산화탄소, 금속 산화물, 예컨대 리튬 산화물, 그렇지 않으면 금속 탄화물, 예컨대 리튬 탄화물, 그렇지 않으면 이들의 혼합물들을 초래할 수 있으며, 예컨대 피셔-트롭슈 프로세스(Fischer-Tropsch process)에서 더 긴 체인(longer-chain)의 탄소질의 생성물들, 이를테면 메탄, 에탄 등과 벤진(benzine), 디젤(diesel)뿐만 아니라 메탄올 등을 또한 포함하는 더 높은-가치의 생성물들을 획득하기 위해 일산화탄소를 사용하는 것이 가능한 반면, 예컨대 아세틸렌을 획득하기 위해, 금속 탄화물, 예컨대 리튬 탄화물을 사용하는 것이 가능하다. 부가하여, 예컨대 금속 질화물을 형성하기 위해 예컨대, 일산화이질소를 연료 가스로서 이용하는 것이 또한 가능하다.
언급된 다른 금속들에 대해 유사한 반응들이 또한 발생할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기공 버너가, 금속(M)이 적어도 하나의 오리피스(orifice)에서 공급될 수 있는 다공성 튜브를 버너로서 포함한다면, 기공 버너는 특정하게 제한되지 않는다. 바람직하게, 금속(M)은 튜브의 하나의 오리피스를 통해서만 공급되고, 튜브의 다른 단부는 폐쇄되거나 또는 마찬가지로 다공성 튜브의 재료로 이루어진다. 다공성 튜브는 여기서, 예컨대 알루미늄 산화물 또는 마그네슘 산화물로 만들어진 세라믹 튜브(ceramic tube), 또는 예컨대 철, 크롬, 니켈, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 이들 금속들의 합금들, 및 또한 강철들, 이를테면, 스테인리스 강(stainless steel) 및 크롬-니켈 강으로 만들어진 다공성 금속 튜브일 수 있다. 기공 버너는 바람직하게 철, 크롬, 니켈, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 이들 금속들의 합금들, 및 또한 강철들, 이를테면, 스테인리스 강 및 크롬-니켈 강으로 이루어진 그룹(group)으로부터 선택된 재료로 이루어진다. 적절한 예들은, 예컨대 고온에서의 나트륨에 의한 부식에 매우 내성이 있는 오스테나이트 크롬-니켈 강(austenitic chromium-nickel steel)들이지만, AC 66, 인코로이 800(Incoloy 800) 또는 파이로썸 G 20132 Nb(Pyrotherm G 20132 Nb)와 같이 32% 니켈 및 20% 크롬을 갖는 재료들이 또한 상대적으로 유리한 부식 특성들을 보인다. 기공 버너의 추가의 구성요소들은 어떠한 추가의 제한도 받지 않으며, 금속(M)을 위한 피드 유닛 및 선택적으로는 점화 소스 등을 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 금속(M)은 액체 형태로 기공 버너로 안내되고 그리고 기공 버너의 도움으로 연소되고, 연료 가스는 선택적으로, 기공 버너의 외측 표면들로 안내되고 그리고 금속(M)과 함께 연소된다. 그러나, 특정 실시예들에서, 고체 반응 생성물들에 의한 기공들의 폐색을 회피하기 위해, 종래의 기공 버너에서와 같은 어떠한 내부 혼합도 발생하지 않는다. 특정 실시예들에서, 기공 버너는 따라서 내부 혼합을 갖지 않는 기공 버너이다. 특정 실시예들에서, 기공 버너의 사용의 경우, 기공들은 단지 합금(L)의 표면 영역을 증가시키는 역할만을 한다. 그러나, 형성되는 반응 생성물들이, 합금(L)의 추가의 전달에 의해 기공 버너 밖으로 전달된다는 것이 보장될 수 있다면, 양전성 금속의 합금(L)의 연속적인 공급의 경우, 연료 가스와의 반응은 기공 버너의 표면에 가까운 기공들의 출구에서 발생할 수 있다. 그러나, 특정 실시예들에서, 연소 반응은 기공 버너의 기공들 외측에서, 예컨대 기공 버너의 표면에서 또는 심지어 기공 버너로부터의 합금(L)의 배출 후에, 즉, 배출되는 합금(L)의 표면에서만 발생한다.
특정 실시예들에서, 기공 버너에는, 기공 버너의 내부에 금속(M)이 액체 형태로 공급된다. 이는 기공 버너에서의 금속(M)의 더 양호한 분포 및 다공성 튜브의 기공들로부터의 금속의 더 균질한 배출을 초래하여서, 금속(M)과 연료 가스 사이에서 더 균질한 반응이 발생할 수 있다. 금속(M)과 연료 가스의 연소는, 예컨대 튜브의 기공들의 기공 크기, 사용되는 금속(M), 이들의 밀도 ― 이는 금속(M)의 온도와 상관될 수 있음 ―, 금속(M)이 기공 버너 내로 유입되는 압력, 연료 가스의 압력 또는 적용/피드 레이트(rate) 등을 통해 적절하게 제어될 수 있다. 특정 실시예들에서, 금속(M), 예컨대 리튬은 상응하게 액체 형태로, 즉, 예컨대 리튬의 용융점 180℃를 초과하여 사용된다. 여기서, 예컨대 압력 하의 추가의 가스의 도움을 또한 이용하여 액체 금속(M)이 다공성 튜브 내로 주입될 수 있으며, 이는 제한되지 않는다. 그 다음으로, 액체 금속(M)은 튜브의 기공들을 통해 표면으로 전달되고, 가스를 이용하여 버닝(burn)되어 각각의 반응 생성물(들)을 제공한다.
특정 실시예들에서, 연료 가스는 기공 버너의 외측 표면들로 안내되어 금속(M)과 함께 연소된다. 이는 다공성 튜브의 기공들의 폐색을 감소시키거나 또는 방지할 수 있어서, 기공 버너의 세정이 방지되거나 그렇지 않으면 마모가 감소될 수 있다.
다공성 튜브의 표면에서의 금속(M)의 연소는 가스 공간/반응 공간으로의 작은 입자들의 통과에 대한 경향을 감소시켜서, 기껏해야 반응 생성물들의 상대적으로 큰 액적들이 발생되지만, 이들은 기체 반응 생성물들로부터 용이하게 분리될 수 있으며, 예컨대 사이클론(cyclone)에 의해 리액터 벽 상에 침착될 수 있다. 이 경우, 리액터 벽은, 예컨대 열 교환기들을 이용하여 냉각될 수 있고, 이 경우, 열 교환기들은 또한 터빈들 및 생성기들에 연결될 수 있다.
특정 실시예들에서, 연소는 금속(M)과 연료 가스의 반응에서 형성된 염(salt)들의 용융점을 초과하는 온도에서 실시된다. 금속(M)과 연료 가스의 연소에서 형성된 염들은 여기서 금속(M)의 용융점을 초과하는 용융점을 가질 수 있어서, 상승된 온도의 액체 금속(M)의 공급이 요구될 수 있다. 형성된 염들의 용융점을 초과하는 온도에서의 연소는 부가적으로, 형성된 염들에 의한 기공 버너의 오염 또는 커버리지(coverage)를 회피할 수 있어서, 기공 버너는, 예컨대 또한 기공들의 오염에 대해 더 양호하게 보호될 수 있다. 이는 장치의 더 양호한 동작 및 감소된 세정 그리고 또한 세정 없이 더 긴 사용 시간들을 가능하게 한다. 액체 반응 생성물이 버너로부터 단순하게 떨어지는 것이 또한 가능하다. 형성되는 염들의 용융점을 초과하는 온도들에서의 그러한 프로세스들의 경우에서 특히, 버너를 위한 바람직한 재료들은 그 온도들을 견딜 수 있는 재료들, 예컨대 철, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 이들 금속들의 합금들 및 스테인리스 강이다.
따라서, 연소 온도는 바람직하게, 기공 버너의 기공들이 폐색되지 않도록 그리고 반응 생성물들이 멀리 이송될 수 있도록 하기 위해, 각각의 반응 생성물(들)의 용융점보다 더 높다. 부가하여, 반응 생성물에 따라, 액체 금속(M)과 반응 생성물 사이에서 특정한 정도의 혼합이 발생할 수 있어서, 연소가 기공 개구에서 로컬적으로 발생할 뿐만 아니라 튜브의 전체 표면에 걸쳐 분포될 수 있다. 이는, 예컨대 금속(M)의 피드 레이트를 통해 제어될 수 있다.
특정 실시예들에서, 금속(M)은 적어도 2개의 금속들(M)의 합금으로서 기공 버너에 공급된다. 이러한 방식으로, 금속(M)의 그리고 또한, 형성된 금속 염(들)의 용융점 저하를 달성하는 것이 가능하여서, 프로세스가 더 낮은 온도들에서, 그러므로 장치에 대해 더 완만한 방식으로 실시될 수 있고, 장치에서의 고내화 재료(highly refractory material)들의 사용이 감소 또는 회피될 수 있다.
부가하여, 특정 실시예들에서, 특정 온도 범위 내에서 오프가스 온도를 안정화시키기 위해, 특정 초과량의 연료 가스로, 예컨대 1.01:1 또는 그 초과의, 바람직하게는 1.05:1 또는 그 초과의, 더 바람직하게는 5:1 또는 그 초과의, 심지어 더 바람직하게는 10:1 또는 그 초과의, 예컨대 심지어 100:1 또는 그 초과의 연료 가스 대 금속(M)의 몰 비율(molar ratio)로 연소가 실시될 수 있다. 연료 가스는 또한 여기서 터빈 등의 팽창기 부분에서의 열의 제거를 위한 역할을 할 수 있다.
프로세스에서, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소의 경우에서, 고체 및/또는 액체 반응 생성물들로부터의 오프가스의 분리가 부가적으로 실시될 수 있으며, 이 경우, 특정 실시예들에서의, 반응 단계에서, 연료 가스는 금속(M)과 함께 연소되고, 오프가스 및 추가의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들이 형성되며, 분리 단계에서, 오프가스는 고체 및/또는 액체 반응 생성물들로부터 분리된다. 이 경우, 분리 단계에서, 부가적으로 캐리어 가스가 부가될 수 있고, 캐리어 가스는 오프가스와의 혼합물로서 제거될 수 있다. 여기서, 캐리어 가스는 또한, 예컨대 연소가, 공급되는 캐리어 가스에 대응하는 오프가스를 초래하는 오프가스에 대응할 수 있거나, 그렇지 않으면 연료 가스에 대응할 수 있다. 따라서, 본 발명의 프로세스에서, 특정 실시예들에서는, 연소 후에 반응 생성물들을 분리하는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 캐리어 가스는 특정하게 제한되지 않으며, 연료 가스에 대응할 수 있지만, 또한 연료 가스와 상이할 수 있다. 이용되는 캐리어 가스들은, 예컨대 공기, 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 메탄, 수소, 수증기, 질소, 일산화이질소, 이들 가스들 중 둘 또는 그 초과의 혼합물들 등일 수 있다. 다양한 가스들, 예컨대 메탄이 열 수송을 위한 역할을 하고 그리고 금속(M)과 연료 가스의 반응의 반응 열을 리액터로부터 제거하는 것이 여기서 가능하다. 다양한 캐리어 가스들은 예컨대, 가능하게는 여기서 상승 효과(synergistic effect)들을 달성하기 위해, 연료 가스와 금속(M)의 반응에 적절하게 매칭될(matched) 수 있다. 금속(M)의 공급에서 선택적으로 사용되는 가스는 마찬가지로 캐리어 가스에 대응할 수 있다.
이산화탄소와 금속(M), 예컨대 리튬의 연소에 있어서, 일산화탄소가 형성될 수 있는 경우, 사용되는 캐리어 가스는, 예컨대 일산화탄소일 수 있으며, 선택적으로는 순환될 수 있는데, 즉, 제거 후에 캐리어 가스로서 적어도 부분적으로 다시 재순환될 수 있다. 이 경우, 캐리어 가스는 오프가스에 매칭되어서, 캐리어 가스의 일부분이 선택적으로, 예컨대 후속 피셔-트롭슈 합성을 위해 가치있는 생성물로서 회수될 수 있는 한편, 캐리어 가스는 이산화탄소와 금속(M)의 연소에 의해 재생성되어서, 사용되는 이산화탄소에 기반하여, 바람직하게는 90 부피% 또는 그 초과의 정도까지, 더 바람직하게는 95 부피% 또는 그 초과까지, 심지어 더 바람직하게는 99 부피% 또는 그 초과까지, 그리고 특히 바람직하게는 100 부피%의 정도까지, 이산화탄소의 전체적으로 일산화탄소로의 적어도 부분적 변환이 존재하며, 가치있는 생성물로서 회수된다. 더 많은 일산화탄소가 생성될수록, 일산화탄소가 더 깨끗하게 제거된다.
질소와 금속(M), 예컨대 리튬의 연소의 경우, 사용되는 캐리어 가스는, 예컨대 질소일 수 있어서, 연소로부터의 오프가스 내의 반응하지 않은 질소는 질소 캐리어 가스와 함께 "오프가스(offgas)"로서 존재할 수 있으며, 그 결과, 원하는 경우, 가스의 분리는 더 단순한 방식으로 실시될 수 있고 그리고 특정 실시예들에서 적절하고 용이하게 결정가능한 파라미터(parameter)들을 사용한 금속(M)과 질소의 적절한, 바람직하게는 정량적인 연소의 경우에는 심지어 요구되지 않을 수도 있다. 예컨대, 스크러빙(scrubbing) 또는 냉각에 의해 형성된 질화물로부터 암모니아를 용이하게 제거하는 것이 가능하다.
특정 실시예들에서, 오프가스의 적어도 일부는 캐리어 가스에 대응할 수 있다. 예컨대, 오프가스의 총 부피에 기반하여, 오프가스는 적어도 10 부피%, 바람직하게는 50 부피% 또는 그 초과, 더 바람직하게는 60 부피% 또는 그 초과, 심지어 더 바람직하게는 70 부피% 또는 그 초과, 그리고 심지어 더 바람직하게는 80 부피% 또는 그 초과의 정도까지 캐리어 가스에 대응할 수 있다. 특정 실시예들에서, 연료 가스는, 오프가스의 총 부피에 기반하여 90 부피% 또는 그 초과의 정도까지 캐리어 가스에 대응할 수 있고, 일부 경우들에서는 심지어 100 부피%의 정도까지 캐리어 가스에 대응할 수 있다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 프로세스에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은 적어도 부분적으로 다시 분리 단계에 캐리어 가스로서 그리고/또는 연소 단계에 연료 가스로서 공급될 수 있다. 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 재순환은, 예컨대 캐리어 가스와 오프가스의 총 부피에 기반하여, 10 부피% 또는 그 초과, 바람직하게는 50 부피% 또는 그 초과, 더 바람직하게는 60 부피% 또는 그 초과, 심지어 더 바람직하게는 70 부피% 또는 그 초과, 그리고 심지어 더욱 바람직하게는 80 부피% 또는 그 초과의 정도까지 실시될 수 있다. 특정 실시예들에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 재순환은, 캐리어 가스와 오프가스의 총 부피에 기반하여 90 부피% 또는 그 초과의 정도까지 실시될 수 있다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에서, 형성된 오프가스가 캐리어 가스이고, 예컨대 이산화탄소를 연료 가스로서 그리고 일산화탄소를 캐리어 가스로서 이용하는 방식으로 연료 가스와 금속(M) 사이의 반응이 실시될 수 있어서, 그 다음으로, 캐리어 가스와 오프가스의 혼합물은 본질적으로, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물에 기반하여, 바람직하게는 90 부피% 또는 그 초과의 정도까지, 더 바람직하게는 95 부피% 또는 그 초과의 정도까지, 심지어 더 바람직하게는 99 부피% 또는 그 초과의 정도까지, 그리고 더 바람직하게는 100 부피%의 정도까지 캐리어 가스로 이루어진다. 이 경우, 캐리어 가스는 그 다음으로, 금속(M)과 연료 가스의 연소에 의해 개질되는 바와 같은 그러한 양으로 계속해서 순환 및 회수될 수 있다. 캐리어 가스의 순수 순환과 비교하여, 캐리어 가스와 오프가스의 분리가 선택적으로 실시되는 경우, 계속해서 회수될 수 있는 가치있는 생성물, 예컨대 일산화탄소를 획득하는 것이 여기서 가능하다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 프로세스의 분리 단계는 사이클론 또는 사이클론 리액터에서 실시된다. 사이클론 리액터는 여기서 사이클론 리액터의 셋업(setup)의 측면들에서 특정하게 제한되지 않으며, 예컨대 표준 사이클론 리액터들에 의해 소유되는 바와 같은 형태를 가질 수 있다.
예컨대, 사이클론 리액터는, 연료 가스, 금속(M) 및 캐리어 가스(이들은 선택적으로 또한 사전에 조합되고, 그 다음으로 반응 구역에 함께 공급될 수 있음)를 위한 피드 유닛들이 연결될 수 있는, 예컨대 회전적으로 대칭적인 상부 섹션(rotationally symmetric upper section)의 형태인 반응 구역, 예컨대 원뿔형 구성을 갖는 분리 구역, 및 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소로부터의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한, 예컨대 성형 피더(star feeder)의 형태인 제거 장치, 및 연료 가스에서의 금속(M)의 연소 후에 오프가스와 캐리어 가스의 혼합 후에 발생하는 2개의 가스들의 혼합물을 위한 제거 유닛이 연결될 수 있는 팽창 챔버(expansion chamber)를 포함할 수 있다.
이러한 장치 컴포넌트들은 예컨대, 통상적으로 사이클론 분리기들에 존재한다. 본 발명에 따라 사용되는 사이클론 리액터는 대안적으로 상이한 구성을 가질 수 있고, 선택적으로는 추가의 구역들을 또한 포함할 수 있다. 예컨대, 개별적인 구역들(예컨대, 반응 구역, 분리 구역, 팽창 챔버)은 또한, 예시적 사이클론 리액터의 하나의 컴포넌트에서 결합되고 그리고/또는 사이클론 리액터의 둘 또는 그 초과의 컴포넌트들에 걸쳐 확장될 수 있다. 여기서 예컨대, 캐리어 가스가 또한, 금속(M)과 연료 가스의 반응이 진행되거나 또는 심지어 이미 완료된 구역에 부가되는 것이 가능하다.
사이클론에 의해, 반응 생성물들이 대체로 리액터의, 예컨대 노 공간(furnace space)의 중앙에 유지되며, 다공성 튜브의 표면에서의 연소가 원자화의 경우에서와 같은 어떠한 작은 입자들도 초래하지 않기 때문에, 오프가스가 고체 또는 액체 입자들을 갖지 않아서, 오프가스 스트림 내에서 다운스트림의 가스 터빈 또는 팽창기 터빈에 연결되는 것이 또한 가능하다. 이들 환경들 하에서, 이러한 연소 개념을 이용하여, 금속(M)의 연소 및 반응 생성물들의 분리 후에 오프가스 스트림을 직접적으로 가스 터빈으로 유입시키는 것이 가능하다.
특정 실시예들에서, 오프가스 온도는 상이한 연소 프로세스들에서 초과량의 가스를 통해 제어될 수 있어서, 오프가스 온도는 반응 생성물들 또는 그들의 혼합물의 용융 온도보다 더 높다.
특정 실시예들에서, 사이클론 리액터는 부가적으로 그리드(grid)를 포함하며, 그리드에 의해 고체 및/또는 액체 반응 생성물들이 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소에서 제거될 수 있다. 이러한 그리드는 부가적으로 사이클론 리액터에서의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들의 후속 와동(vortexing)을 방지할 수 있다.
연소의 반응 생성물들은, 바람직하게는 적어도 하나의 팽창기 터빈 및/또는 적어도 하나의 가스 터빈, 예컨대 스팀 터빈, 및/또는 적어도 하나의 열 교환기 및/또는 적어도 하나의 보일러(boiler)를 사용하여 에너지를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 이를 위해 여기서, 특정 실시예들에서, 예컨대 리액터의 열 교환기를 사용하여, 형성된 고체 및/또는 액체 반응 생성물들 둘 모두를 사용하거나, 그렇지 않으면 기체 반응 생성물들을 사용하는 것이 가능하다.
캐리어 가스 공급을 갖는 사이클론 리액터를 사용하는 경우, 특정 실시예들에서, 예컨대 리액터에서 그리고/또는 리액터로부터의 제거의 경우에서 그리고/또는 리액터로부터의 제거 후에, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은, 보일러의 가열을 위해 또는 열 교환기 또는 터빈, 예컨대 가스 터빈 또는 팽창기 터빈에서의 열 전달을 위해 사용될 수 있다.
부가하여, 특정 실시예들에서, 캐리어 가스와 오프가스의 혼합물은 연소 후에 상승된 압력 하에 있을 수 있는데, 예컨대 1 bar 초과, 적어도 2 bar, 적어도 5 bar 또는 적어도 20 bar 하에 있을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 추가의 양상에서, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소를 위한 장치가 개시되며, 장치는,
버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너,
기공 버너의 내부로의, 바람직하게는 액체 형태인 금속(M)을 위한 피드 유닛 ― 피드 유닛은, 바람직하게는 액체 형태인 금속(M)을 기공 버너에 공급하도록 설계됨 ―,
연료 가스를 공급하도록 설계된, 연료 가스를 위한 피드 유닛, 및
선택적으로는 금속(M)을 액체 형태로 제공하기 위한 가열 장치를 포함하고, 가열 장치는 금속(M)을 액화하도록 설계된다.
여기서 기공 버너는 위에서 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 금속(M)을 위해 사용되는 피드 유닛은, 예컨대 가열될 수 있는 튜브들 또는 호스(hose)들, 그렇지 않으면 컨베이어 벨트(conveyor belt)들일 수 있고, 그 가열은 예컨대, 금속(M)의 물질 상태에 기반하여 적절하게 결정될 수 있다. 선택적으로, 금속(M)을 위한 피드 유닛은 또한, 선택적으로는 밸브(valve)와 같은 제어 유닛을 갖는, 가스를 위한 추가의 피드 유닛에 연결될 수 있고, 이를 이용하여 금속(M)의 공급이 조절될 수 있다. 마찬가지로, 연료 가스를 위한 피드 유닛이, 선택적으로 가열될 수 있는 튜브 또는 호스 등으로서 구성되는 것이 가능하며, 이 경우, 피드 유닛은 가스의 상태에 기반하여 적절하게 결정될 수 있고, 이는 선택적으로 또한 압력 하에 있을 수 있다. 금속(M) 또는 연료 가스를 위해 몇몇 피드 유닛들이 제공되는 것이 또한 가능하다.
특정 실시예들에서, 연료 가스를 적어도 부분적으로 그리고 바람직하게는 완전히 기공 버너의 표면으로 안내하도록, 연료 가스를 위한 피드 유닛이 배열된다. 이는 금속(M)과 연료 가스 사이의 개선된 반응을 달성한다.
더욱이, 바람직한 실시예들에서, 기공 버너는, 연소에서 형성된 반응 생성물들 및 선택적으로는 반응하지 않은 금속(M)이 중력에 의해, 예컨대 기공 버너가 리액터에서 수직으로 장착되어 지구의 표면을 향해 가리키는 것에 의해, 기공 버너의 표면으로부터 제거될 수 있도록, 배열된다. 노 공간에서의 다공성 연소 튜브들의 수직 어레인지먼트의 경우, 형성된 액체 반응 생성물은 튜브로부터 흘러나와, 그 다음에 하향으로 노 바닥부로 떨어질 수 있다.
이 방식으로, 사전에 기공 버너에서 반응하지 않은, 가능하게는 용해된 금속(M), 예컨대 리튬이 또한 연소되고, 반응의 열은 흘러 지나가는 연료 가스 및 캐리어 가스에 방출된다.
특정 실시예들에서, 기공 버너는, 철, 크롬, 니켈, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 이들 금속들의 합금들, 및 또한 강철들, 이를테면, 스테인리스 강 및 크롬-니켈 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료로 이루어진다. 이들 재료들은 상대적으로 고온들에서 사용하기에 바람직하며, 여기서 액체 금속(M)과의 그리고 선택적으로는 형성된 액체 금속 염들과의 반응은 더 단순한 방식으로 발생할 수 있다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 장치는 금속(M)의 연소의 생성물들을 위한 분리 유닛을 더 포함할 수 있고, 분리 유닛은 금속(M)의 그리고 연료 가스의 연소 생성물들을 분리하도록 설계되며, 분리 유닛은 바람직하게 사이클론 리액터이다.
분리 유닛은 여기서, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소에서 오프가스의 분리를 위한 역할을 할 수 있으며,
- 리액터 ― 리액터에서 기공 버너가 제공되고, 금속(M)을 위한 피드 유닛이 장착 또는 제공되고, 리액터에 연료 가스가 공급되는데, 즉, 연료 가스를 위한 피드 유닛이 리액터에 연결되거나 또는 리액터에서 제공됨 ―;
- 캐리어 가스를 리액터에 공급하도록 설계된, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛;
- 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소로부터 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 제거하도록 설계된, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛; 및
- 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소로부터의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 제거하도록 설계된, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소로부터의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한 제거 유닛을 포함할 수 있다.
캐리어 가스를 위한 피드 유닛은 마찬가지로 특정하게 제한되지 않고, 예컨대 튜브들, 호스들 등을 포함하며, 캐리어 가스의 상태에 기반하여 캐리어 가스를 위한 피드 유닛을 적절하게 결정하는 것이 가능하며, 이는 선택적으로 또한 압력 하에 있을 수 있다.
연료 가스와 금속(M)의 연소가 리액터에서 발생할 수 있다면, 리액터는 마찬가지로 특정하게 제한되지 않는다. 특정 실시예들에서, 리액터는 도 1에서 예로서 그리고 도 2의 추가의 실시예에서 상세도로 도시된 바와 같은 사이클론 리액터일 수 있다.
특정 실시예들에서, 사이클론 리액터는, 연료 가스, 금속(M) 및 캐리어 가스를 위한 피드 유닛들, 및 또한 예컨대 회전적으로 대칭적인 상부 섹션의 형태인 기공 버너가 연결될 수 있는 반응 구역, 예컨대, 원뿔형 구성을 갖는 분리 구역, 및 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소로부터의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한, 예컨대 성형 피더의 형태인 제거 장치, 및 연료 가스에서의 금속(M)의 연소 후에 오프가스와 캐리어 가스의 혼합 후에 발생하는 2개의 가스들의 혼합물을 위한 제거 유닛이 연결될 수 있는 팽창 챔버를 포함할 수 있다.
이러한 장치 컴포넌트들은 예컨대, 통상적으로 사이클론 분리기들에 존재한다. 본 발명에 따라 사용되는 사이클론 리액터는 대안적으로 상이한 구성을 가질 수 있고, 선택적으로는 추가의 구역들을 또한 포함할 수 있다. 예컨대, 개별적인 구역들(예컨대, 반응 구역, 분리 구역, 팽창 챔버)은 또한, 예시적 사이클론 리액터의 하나의 컴포넌트에서 결합되고 그리고/또는 사이클론 리액터의 둘 또는 그 초과의 컴포넌트들에 걸쳐 확장될 수 있다.
예시적 사이클론 리액터가 도 1에 도시된다. 도 1에 도시된 사이클론 리액터(6)는 반응 구역(20a), 분리 구역(20b) ― 분리 구역(20b)은 상부 컴포넌트(6a)에서는 반응 구역(20a)과 함께 있을 뿐만 아니라 하부 컴포넌트(6b)에서는 팽창 챔버(20c)와 함께 있음 ―, 및 팽창 챔버(20c)를 포함한다. 예컨대 선택적으로 가열되는 튜브 또는 호스의 형태의, 연료 가스를 위한 피드 유닛(1) 및 예컨대 선택적으로 가열되는 튜브 또는 호스의 형태의, 금속(M)을 위한 피드 유닛(2)이 상부 섹션의 사이클론 리액터에 연결되고, 금속(M)은 기공 버너(3)에 공급된다. 도 1에 따르면, 금속(M)은 가스를 위한 피드 유닛(2'), 예컨대 튜브 또는 호스의 가스의 도움으로 피딩되고(fed), 가스의 피드는 밸브(2'')를 이용하여 제어될 수 있다. 금속(M) 및 연료 가스는 반응 구역(20a)에 피딩된다. 피드 유닛(4)을 통해, 캐리어 가스가 가스 분배를 위한 구역(4')에 공급되고, 그 다음으로, 구역(4')으로부터 캐리어 가스가, 사이클론이 형성될 수 있게 하는 노즐(nozzle)들(5)을 통해 분리 구역(20b)에 공급된다. 가스 분배를 위한 구역(4')을 갖는 이러한 피드 유닛(4) 및 노즐(5)의 상세도가 예로서 도 4(기공 버너(3)가 없는 예시)에서 단면으로 명시되지만, 예컨대 적절한 사이클론을 생성하기 위해 구역(4')의 내부 벽 둘레의 링(ring)에 적절한 거리로 더 많은 노즐들(5)이 존재하는 것이 또한 가능하다. 고체 및/또는 액체 반응 생성물들은 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한 제거 유닛(7)을 통해 팽창 챔버(20c)를 포함하는 하부 컴포넌트(6b)로부터 제거되지만, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛(8)을 통해 제거된다.
선택적으로, 본 발명의 장치에서, 점화 장치, 예컨대 전기 점화 장치 또는 플라즈마 아크(plasma arc)가 요구될 수 있는데, 이는 금속(M)의 성질 및 상태, 예컨대 금속(M)의 온도 및/또는 물질 상태, 연료 가스의 특성들, 예컨대 연료 가스의 압력 및/또는 온도, 및 장치의 컴포넌트들의 어레인지먼트, 예컨대 피드 유닛들의 성질 및 특성들에 종속적일 수 있다.
구성에 의해, 200℃ 초과의, 예컨대 심지어 600℃ 또는 그 초과의, 그리고 특정 실시예들에서는 700℃ 또는 그 초과의 높은 오프가스 온도와, 상승된(예컨대, 5 bar 또는 그 초과) 또는 높은(20 bar 또는 그 초과) 동작 압력 둘 모두를 달성하기 위해, 내부 리액터 재료는 높은 내열성의 합금들, 예컨대 극단적인 경우, 심지어 헤인즈 214(Haynes 214) 재료로 이루어질 수 있다. 그 다음으로, 단지 고온을 견디는 것으로 추정되는 이 재료 주위에, 충분히 적은 양의 열이 통과하도록 허용하는 열 절연을 배열하는 것이 가능하여서, 외부 상의 강철 벽이 ― 강철 벽은 부가적으로 또한 공기-냉각되거나 또는 물-냉각될 수 있음 ― 압축 응력을 흡수한다. 그 다음으로, 오프가스는 상승된 또는 높은 동작 압력으로 추가의 프로세스 단계에 공급될 수 있다.
더욱이, 리액터, 예컨대 사이클론 리액터는 또한, 반응 구역, 분리 구역 및/또는 팽창 챔버에, 그리고 또한 다양한 피드 및/또는 제거 장치들, 선택적으로는 버너, 및/또는 선택적으로는 점화 장치에 존재하는 가열 및/또는 냉각 장치들을 포함할 수 있다. 더욱이, 압력 또는 진공 등의 생성을 위한 펌프(pump)들과 같은 추가의 컴포넌트들이 본 발명의 장치에 존재할 수 있다.
리액터가 사이클론 리액터의 형태를 취하는 실시예들에서, 사이클론 리액터는 그리드를 포함할 수 있고, 그리드는, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소 중에 그리드를 통해 고체 및/또는 액체 반응 생성물들이 제거될 수 있도록 설계된다. 더욱이, 이러한 그리드는 대안적으로 또한, 본 발명의 장치에서 제공될 수 있는 다른 리액터들에 존재할 수 있다. 리액터 또는 사이클론 리액터에서의 그리드의 사용은, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물로부터, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소에 있어서의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들의 더 양호한 분리를 달성할 수 있다. 이러한 그리드는 도 2에 예로서 도시되며, 여기서 그리드(6')는 예로서, 도 1에 도시된 사이클론 리액터(6)에 존재하는데, 제거 유닛(7) 위의 그리고 제거 유닛(8) 아래의 하부 컴포넌트(6b)에 존재한다. 바람직하게는 리액터 벽으로부터 충분히 큰 거리에 있는 그리드에 의해, 고체 및 액체 반응 생성물들의 또는 그들의 혼합물의 신뢰가능한 분리를 보장하는 것이 가능하다. 이 방식으로, 이미 침착된 고체 또는 액체 연소 생성물들은 또한 사이클론에 의해 와동되지 않는다.
캐리어 가스가 금속(M)과 연료 가스의 연소로부터의 오프가스와 혼합될 수 있다면, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛들의 기하학적 구조는 특정하게 제한되지 않는다. 사이클론은 바람직하게 여기서, 예컨대 도 1에 도시된 장치를 이용하여 형성된다. 사이클론은 대안적으로, 피드 유닛들의, 서로에 대한 다른 어레인지먼트들에 의해 생성될 수 있다. 예컨대, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛이, 금속(M)과 연료를 위한 피드 유닛들에 가까운 리액터의 상부에 존재하는 것은 불가능하지 않다. 상응하게, 주입을 위한 적절한 기하학적 구조들은, 예컨대 유동 시뮬레이션(flow simulation)들에 기반하여 적절한 방식으로 용이하게 결정될 수 있다.
그리고 제거 유닛들이 특정하게 제한되지 않으며, 예컨대 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛이 튜브로서 구성되는 것이 가능한 한편, 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한 제거 유닛은, 예컨대 성형 피더로서 그리고/또는 사이펀(siphon)을 갖는 튜브로서 구성될 수 있다. 다양한 밸브들, 이를테면, 압력 밸브들 및/또는 추가의 조절기들이 제공되는 것이 여기서 또한 가능하다. 예컨대, 도 1에 도시된 사이클론 리액터(6)의, 도 3에 도시된 예시적 제거 유닛(7)은 이와 관련하여, 사이펀(9), 가스제거(degassing)를 위한 밸브(10) 및 압력 조절기(11)를 포함할 수 있지만, 이러한 제거 유닛으로 제한되지 않는다. 연료 가스를 이용한 금속(M)의 연소의 고체 및/또는 액체 반응 생성물들을 위한 제거 유닛의 이러한 사이펀은, 선택적으로 특정 동작 압력에 적합한 공급 압력 조절기와 함께, 예컨대 상승된 또는 높은 동작 압력을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛은 또한, 오프가스와 캐리어 가스를 위한 그리고/또는 오프가스의 개별적인 컴포넌트들을 위한 분리 장치를 포함할 수 있다.
특정 실시예들에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛은, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물이 적어도 부분적으로 리액터에 캐리어 가스로서 그리고/또는 버너에 연료 가스로서 피딩되는 방식으로, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛 및/또는 연료 가스를 위한 피드 유닛에 연결될 수 있다. 여기서, 재순환되는 가스의 비율은, 캐리어 가스와 오프가스의 총 부피에 기반하여, 10 부피% 또는 그 초과, 바람직하게는 50 부피% 또는 그 초과, 더 바람직하게는 60 부피% 또는 그 초과, 심지어 더 바람직하게는 70 부피% 또는 그 초과, 그리고 심지어 더 바람직하게는 80 부피% 또는 그 초과일 수 있다. 특정 실시예들에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 재순환은, 캐리어 가스와 오프가스의 총 부피에 기반하여 90 부피% 또는 그 초과의 정도까지 달성될 수 있다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 장치는 부가적으로, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛 및/또는 리액터에 존재하는 적어도 하나의 보일러 및/또는 적어도 하나의 열 교환기 및/또는 적어도 하나의 가스 터빈 및/또는 적어도 하나의 팽창기 터빈을 더 포함할 수 있다. 따라서, 예컨대 사이클론 리액터(6)를 포함하는 도 1의 장치에서, 도시되지 않은 하나 또는 그 초과의 열 교환기들 및/또는 보일러들 및/또는 가스 터빈들 및/또는 팽창기 터빈들이 리액터(6)에, 제거 유닛(8)에 그리고/또는 제거 유닛(8)에 연결된 유닛에 제공되는 것이 가능하다. 열 교환이 사이클론 리액터(6) 자체에서, 예컨대 반응 구역(20a) 및/또는 분리 구역(20b)의, 그렇지 않으면 선택적으로는 팽창 챔버(20c)의 구역의 외측 벽들에서 발생하는 것이 또한 가능하며, 이 경우, 대응하는 열 교환기들이 또한 생성기들에서의 전력 생성을 위해 터빈들에 연결될 수 있다.
따라서, 오프가스들은 캐리어 가스와의 혼합물로서, 추가의 사용에, 예컨대 스팀 상승을 위한 보일러의 가열, 열 교환기에서의 열의 방출, 터빈의 동작 등에 보내질 수 있다.
적절한 열 교환기 ― 적절한 열 교환기에 의해, 예컨대 적절한 압력을 갖는 공기가 가열되어, 오프가스에 대한 대체물로서 가스 터빈으로 안내됨 ― 를 찾는 것이 가능하지 않은 경우, 예컨대 보일러를 사용하는 것이 가능하다. 특정 실시예들에서, 보일러를 사용하는 방식이 더 유망할 수 있고, 또한 기술적으로 더 단순한데, 그 이유는 보일러가 더 낮은 온도들에서 그리고 상승된 압력에서만 구현가능하기 때문이다.
하나 또는 그 초과의 열 교환기들 및/또는 하나 또는 그 초과의 보일러들의 도움으로, 이후에 예컨대 스팀 터빈 및 생성기의 사용을 통해 전기 에너지를 생성하는 것이 가능하다. 대안적으로, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물이 터빈, 예컨대 가스 터빈 또는 팽창기 터빈에 직접적으로 안내되고 그에 따라 직접적으로 전력을 생성하는 것이 가능하다. 그러나, 이는, 본 발명에 따라, 특히 리액터의 그리드를 사용하여 제공될 수 있는 바와 같이, 금속(M)과 연료 가스의 연소로부터의 고체들 및/또는 액체 반응 생성물들의 매우 양호한 제거를 요구한다. 보일러가 사용될지 또는 열 교환기가 사용될지의 선택은 또한, 예컨대 고체 반응 생성물들이 형성되는지 또는 액체 반응 생성물들이 생성되는지에 종속될 수 있지만, 플랜트에 또한 종속될 수 있다. 액체 반응 생성물들, 예컨대 액체 Li2CO3의 경우, 예컨대 리액터 벽이 열 교환기의 역할을 하는 것이 가능한 반면, 형성되는 고체 생성물들의 경우, 특수 열 교환기들이 요구될 수 있다. 고체 및/또는 액체 반응 생성물들로부터의, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 대응하는 분리의 경우, 터빈으로의 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 직접적인 안내가 또한 가능할 수 있어서, 또한 어떠한 열 교환기들 및/또는 보일러들도 오프가스 스트림에서 요구되지 않는 경우가 있을 수 있다.
특정 실시예들에서, 본 발명의 장치는 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛에 회수 장치(withdrawal apparatus)를 포함할 수 있으며, 회수 장치는, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛 및/또는 연료 가스를 위한 피드 유닛으로의, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물을 위한 제거 유닛의 연결을 통해, 캐리어 가스를 위한 피드 유닛 및/또는 연료 가스를 위한 피드 유닛에 대한 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 재순환의 경우에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 부분을 제거하도록 설계된다. 이러한 부분은 예컨대, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 총 부피에 기반하여, 1 부피% 초과, 바람직하게는 5 부피% 또는 그 초과, 그리고 더 바람직하게는 10 부피% 또는 그 초과일 수 있다. 부가하여, 특정 실시예들에서, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물의 총 부피에 기반하여, 50 부피% 이하, 바람직하게는 40 부피% 또는 그 미만, 더 바람직하게는 30 부피% 또는 그 미만, 더 바람직하게는 20 부피% 또는 그 미만이 오프가스와 캐리어 가스의 재순환된 혼합물로부터 제거될 수 있다. 그 다음으로, 회수된 가스는, 예컨대 일산화탄소가 배출되고 피셔-트롭슈 프로세스에서 더 높은-가치의 탄화수소들로 변환될 때, 예컨대 추가의 반응들을 위한 가치있는 생성물로서 이용가능할 수 있다.
제거된 고체들이 가치있는 물질들로 추가로 변환되는 것이 또한 가능하다. 예컨대, 질소를 이용한 연소로부터 제조된 금속 질화물이 물을 이용한 가수분해에 의해 암모니아 및 알칼리로 변환될 수 있고, 이 경우, 형성된 알칼리는 또한 이산화탄소 및/또는 이산화황을 위한 스캐빈저(scavenger)의 역할을 할 수 있다.
추가의 양상에서, 본 발명은 부가적으로, 연료 가스를 이용한, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소를 위한 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너의 사용에 관한 것이다.
위의 실시예들, 구성들 및 발전들은, 실행가능한 경우, 원하는 대로 서로 조합될 수 있다. 본 발명의 추가의 가능한 구성들, 발전들 및 구현들은 또한, 위에서 설명되었거나 또는 동작 예들을 참조하여 이후 설명되지만 명시적으로 언급되지 않는 본 발명의 특징들의 조합들을 포함한다. 더 구체적으로, 당업자는 또한, 개별적인 양상들을 개선들 또는 부가들로서 본 발명의 각각의 기본 형태에 부가할 것이다.
본 발명은 이제 예시적인 실시예들에 기반하여 예시될 것이며, 그 예시적 실시예들은 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하지 않는다.
예시적 실시예들에서, 금속(M), 예컨대 리튬은 액체 형태로, 즉, 용융점을 초과하여 ― 리튬의 경우, 180℃ ― 사용된다. 액체 금속(M), 예컨대 리튬은 기공 버너 내로 유입될 수 있고, 그 다음에 직접적으로, 선택적으로는 반응을 시작하기 위한 점화 후에, 특정 연료 가스, 예컨대 공기, 산소, 이산화탄소, 이산화황, 수소, 수증기, 질소 산화물들 NOx, 이를테면, 일산화이질소 또는 질소와 반응한다. 금속(M), 예컨대 리튬의 연소는, 과도하게 높은 오프가스 온도들을 생성하지 않기 위해, 예컨대 연료 가스의 화학량론적 양보다 더 많은 양으로 도 1에 도시된 장치에서 달성될 수 있다. 대안적으로, 연료 가스는 금속(M)과 비교하여 화학량론적 양 또는 화학량론적 양 미만의 양으로 부가될 수 있다. 연소 후에, 온도를 감소시키기 위하여 그리고 고체 또는 액체 반응 생성물들의 침착을 위한 사이클론을 발생시키기 위하여, 연료 가스에 또한 대응할 수 있는 캐리어 가스(예컨대, 질소, 공기, 일산화탄소, 이산화탄소 및 암모니아)가 희석(dilution)을 위해 부가된다. 그 다음으로, 고온의 오프가스 스트림은 보일러를 가열하기 위해 또는 열 교환기 등에서 열 전달을 위해 사용될 수 있다.
제 2 예시적 실시예에서, 도 1에 도시된 장치에서 사용된 연료 가스는 이산화탄소일 수 있고, 사용된 캐리어 가스는 일산화탄소일 수 있다. 사용된 금속(M), 예컨대 리튬은, 예컨대 액체 형태인데, 즉, 용융점 180℃를 초과한다. 액체 리튬이 기공 버너(3) 내로 유입되고, 그 다음으로 연료 가스와 직접적으로 반응한다. 이는 전기 점화 또는 부가적인 점화 버너가 요구되는 경우일 수 있다.
반응은 아래의 화학식에 따라 진행된다:
Figure pct00001
리튬의 연소는 바람직하게는 화학량론적 측면들에서 요구되는 양의 이산화탄소와 함께 기공 버너(3)에서 실시되지만, 약간의 화학량론적 양 초과 또는 화학량론적 양 미만의 비율(slightly super- or substoichiometric ratio)(예컨대, CO2:Li의 비율에 대해 0.95:1 내지 1:0.95)을 선택하는 것이 또한 가능하다. 매우 많이 부족한 이산화탄소를 사용하는 경우, 예컨대 리튬 탄화물이 형성되는 것이 가능하고, 그 다음으로, 이로부터 아세틸렌이 획득될 수 있다.
제 2 단계에서, 리액터/노(6)의 중간 부분에서, 구역(4')에서, 연소 생성물들은 노즐들(5)에 의해 리액터(6) 내로 불어 넣어지는 일산화탄소 캐리어 가스와 혼합된다. 이는 사이클론을 초래하며, 사이클론의 효과는, 고체 및/또는 액체 반응 생성물들이 리액터 벽에서 와동되고, 주로 거기에 침착되는 것이다. 바람직하게, 연소를 통해 발생하는 열이 충분히 멀리 전달되는 것을 보장하기 위해, 초과량의 캐리어 가스가 사용된다. 결과적으로, 리액터(6)의 온도를 적절하게 조정하는 것이 가능하다.
순수 이산화탄소의 연소의 경우, 형성되는 리튬 탄산염은 723℃의 용융점을 갖는다. 피드 유닛들(1, 5)을 통한 캐리어 가스 및/또는 연료 가스의 혼합에 의해, 반응 생성물들의 연소 온도가 적어도 723℃ 초과로 유지되는 경우, 연소 동안 액체 반응 생성물들이 예상될 수 있다. 피드 유닛들은 여기서, 플랜트가 너무 많이 가열되지 않도록 하기 위해 강한 발열성 반응에서 냉각을 위해 사용될 수 있으며, 온도 하한은 형성된 염들 ― 여기서는 리튬 탄산염 ― 의 용융점일 수 있다. 사이클론이 이산화탄소 이외의 가스들, 예컨대 공기 또는 추가의 가스들에 대해서는 질소로 부가적으로 동작되는 경우, 리튬 산화물(용융점(melting point)(m.p.) 1570℃) 또는 리튬 질화물(m.p. 813℃)이 반응 생성물들에서 형성되는 것이 또한 가능하다. 그리드(6')에 의해 개선될 수 있는, 액체 및 고체 반응 생성물들의 분리 후에, 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은, 예컨대 보일러 내로 안내되고, 그 다음으로 다운스트림의 생성기를 갖는 스팀 터빈을 구동시키기 위하여 또는 다른 기술적 장치들(예컨대, 열 교환기들)을 동작시키기 위하여 물의 증발을 위해 활용된다. 그 다음으로, 이 프로세스에 의해 냉각된 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은, 예컨대 노에서 사이클론을 발생시키기 위해 캐리어 가스로서 다시 활용될 수 있다. 따라서, 증발 프로세스 이후의 오프가스로부터의 잔류 열이 보일러에서 활용되고, Li와의 연소를 위해 화학량론적 측면들에서 필요한 양의 이산화탄소만이, 예컨대 석탄-화력 파워 플랜트(coal-fired power plant)들에서 오프가스 세정에 의해 획득되어야 한다.
표 1은 순수 이산화탄소에서의 리튬의 연소에 대한 오프가스 온도와 화학량론적 초과량의 상관을 도시하며, 계산은 비-온도-종속적 비열(non-temperature-dependent specific heat)들로 실시되었다.
표 1: 연료 가스로서 그리고 캐리어 가스로서 이산화탄소를 이용한 노의 동작
Figure pct00002
특정 실시예들에서, 연소는, 특정 온도 범위 내에서 오프가스 온도를 안정화시키기 위해, 특정 초과량의 연료 가스로, 예컨대 1.01:1 초과의, 바람직하게는 1.05:1 초과의, 더 바람직하게는 5:1 또는 그 초과의, 심지어 더 바람직하게는 10:1 또는 그 초과의, 예컨대 심지어 100:1 또는 그 초과의 연료 가스 대 금속(M)의 몰 비율로 실시될 수 있으며, 사이클론에 의한 열의 흡수를 위해 추가의 연료 가스 또는 캐리어 가스를 부가하는 것뿐만 아니라 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 노즐들의 어레인지먼트에서 금속(M), 예컨대 리튬의 유입 및 연료 가스의 부가가 가능하다. 특정 실시예들에서, 상이한 연소 프로세스들에서의 오프가스 온도가 초과량의 가스를 통해 제어될 수 있어서, 오프가스 온도는 반응 생성물들 또는 이들의 혼합물의 용융 온도보다 더 높을 수 있다(표 1).
다운스트림의 프로세스 단계에 의해 냉각된 오프가스의 재순환으로, 오프가스에서 일산화탄소를 풍부하게 하는 것이 가능하다. 특정 실시예들에서, 오프가스로부터 부분을 회수하고, 그러므로 표 1에서 명시된 것보다 상당히 더 높은 비율의 일산화탄소를 갖는 일산화탄소와 이산화탄소의 가스 혼합물을 획득하는 것이 가능하다. 가스의 후속 분리는 이산화탄소를 제거하기 위해 일산화탄소를 정화할 수 있으며, 이산화탄소는 순환에서 또는 버너에서 추가로 사용될 수 있다.
CO 생성물 가스의 재순환에 의해, 노에서 연소 온도를 낮추는 것이 가능하다. 화학량론적 연소의 경우, 3000 K 초과의 가스 온도들이 달성될 수 있으며, 이는 재료 문제들을 초래할 것이다. 연소 온도를 낮추는 것은 또한, 초과량의 CO2에 의해 가능할 것이다. 그러나, 이러한 초과량은 화학량론적 양보다 약 16배 더 높아야 할 것이며, 그러므로 CO 생성물 가스는 초과량의 CO2에서 고도로 희석되어야 할 것이다(단지 약 6 부피%의 농도). 그러므로, 특정 실시예들에서, CO 생성물 가스의 부분을 버너로 재순환시키고 그리고 이를 온도를 낮추기 위한 열 밸러스트(thermal ballast)로서 사용하는 것이 합리적이다. 오프가스와 캐리어 가스 혼합물의 일정량을 캐리어 가스로서 재순환시킴으로써 특정 반응 온도를 설정하는 것이 여기서 바람직하다. 이 경우, 복잡한 방식으로 분리되어야 하는 CO/CO2 혼합물의 어떠한 형성도 존재하지 않는다. 생성물 가스는 주로 CO 그리고 단지 CO2의 작은 불순물들로 이루어진다. 안정 상태에서, CO의 대부분이 순환되고, 회로로부터 제거된 CO의 양은 CO2와 Li의 반응에 의해 개질된 양만큼이다. 예컨대, 이러한 회로는, CO가 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물에 기반하여 90 부피% 또는 그 초과의 비율로 캐리어 가스로서 사용될 때 발생할 수 있다. 따라서, 적절한 양의 이산화탄소가 연소 프로세스에 끊임없이 공급될 수 있는 반면, 대응하는 양의 일산화탄소는 가치있는 생성물로서 회로로부터 끊임없이 회수될 수 있다.
대응하는 반응 체제가 또한 도 5에서 예로서 도시된다. CO2 제거(101)에서, 이산화탄소는, 예컨대 석탄-화력 파워 플랜트와 같은 연소 파워 플랜트로부터의 오프가스(100)로부터 분리되며, 그 다음으로, 이는 CO를 캐리어 가스로서 사용하여 단계(102)에서 리튬과 함께 연소된다. 이는 Li2CO3(103)을 형성하며, CO2 및 CO를 포함하는 캐리어 가스와 오프가스의 혼합물은, 선택적으로는 분리(104) 후에, 보일러(105)를 통과하게 될 수 있고, 그 도움으로 스팀 터빈(106) 및 그러므로 생성기(107)가 동작된다. 캐리어 가스로서의 오프가스(108)의 재순환이 존재하며, 단계(109)에서 CO를 배출하는 것이 가능하다.
제 3 예시적 실시예에서, 도 1에 도시된 장치에서 사용되는 연료 가스 및 캐리어 가스는 질소일 수 있다. 사용되는 금속, 예컨대 리튬은, 예컨대 액체 형태인데, 즉, 용융점 180℃를 초과한다. 액체 리튬이 기공 버너(3)에 피딩될 수 있고, 그 다음으로 연료 가스와 직접적으로 반응한다. 이는 전기 점화 또는 부가적인 점화 버너가 요구되는 경우일 수 있다.
리튬의 연소는 화학량론적 측면들에서 요구되는 양의 질소와 함께 기공 버너(3)에서 실시되지만, 약간의 화학량론적 양 초과 또는 화학량론적 양 미만의 비율(slightly super- or substoichiometric ratio)(예컨대, N2:Li의 비율에 대해 0.95:1 내지 1:0.95)을 선택하는 것이 또한 가능하다.
여기서 반응은 아래와 같다:
Figure pct00003
제 2 단계에서, 리액터(6)의 중간 부분에서, 연소 생성물들은, 노즐들(5)을 통해 리액터(6) 내로 불어 넣어지는 캐리어 가스, 예컨대 질소와 혼합된다. 이는 사이클론을 초래하며, 사이클론의 효과는, 고체 및 액체 반응 생성물들이 리액터 벽에서 와동되고, 주로 거기에 침착되는 것이다. 순수 질소에서의 연소의 경우, 형성되는 리튬 질화물은 813℃의 용융점을 갖는다. 피드 유닛들(1, 5)을 통한 캐리어 가스 및/또는 연료 가스의 혼합에 의해, 반응 생성물들의 연소 온도가 적어도 813℃ 초과로 유지되는 경우, 연소 동안 액체 반응 생성물들이 예상될 수 있다. 피드 유닛들은 여기서, 플랜트가 너무 많이 가열되지 않도록 하기 위해 강한 발열성 반응에서 냉각을 위해 사용될 수 있으며, 온도 하한은 형성된 염들 ― 여기서는 리튬 질화물 ― 의 용융점일 수 있다. 사이클론이 질소 이외의 가스들, 예컨대 공기 또는 이산화탄소 또는 추가의 가스들로 동작되는 경우, 리튬 산화물(m.p. 1570℃) 또는 리튬 탄산염(m.p. 723℃)이 반응 생성물들에서 형성되는 것이 또한 가능하다. 그리드(6')에 의해 개선될 수 있는, 액체 및/또는 고체 반응 생성물들의 분리 후에, 오프가스는, 예컨대 보일러 내로 안내되고, 그 다음으로 다운스트림의 생성기를 갖는 터빈을 구동시키기 위하여 또는 다른 기술적 장치들(예컨대, 열 교환기들)을 동작시키기 위하여 물의 증발을 위해 활용된다. 그 다음으로, 이 프로세스 후에 냉각된 오프가스는, 예컨대 리액터(6)에서 사이클론을 발생시키기 위해 다시 활용될 수 있다. 따라서, 증발 프로세스 이후의 오프가스로부터의 잔류 열이 보일러에서 활용되고, 연소를 위해 화학량론적 측면들에서 필요한 양의 질소만이, 예컨대 공기의 분별(fractionation)에 의해 획득되어야 한다.
표 2는 순수 질소에서의 리튬의 연소에 대한 오프가스 온도와 화학량론적 초과량의 상관을 도시하며, 계산은 비-온도-종속적 비열들로 실시되었다.
표 2: 연료 가스로서 그리고 캐리어 가스로서 질소를 이용한 노의 동작
Figure pct00004
특정 실시예들에서, 연소는, 특정 온도 범위 내에서 오프가스 온도를 안정화시키기 위해, 특정 초과량의 연료 가스로, 예컨대 1.01:1 초과의, 바람직하게는 1.05:1 초과의, 더 바람직하게는 5:1 또는 그 초과의, 심지어 더 바람직하게는 10:1 또는 그 초과의, 예컨대 심지어 100:1 또는 그 초과의 연료 가스 대 금속(M)의 몰 비율로 실시될 수 있으며, 사이클론에 의한 열의 흡수를 위해 추가의 연료 가스 또는 캐리어 가스를 부가하는 것뿐만 아니라 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 노즐들의 어레인지먼트에서 금속(M), 예컨대 리튬의 유입 및 연료 가스의 부가가 가능하다. 특정 실시예들에서, 상이한 연소 프로세스들에서의 오프가스 온도가 초과량의 가스를 통해 제어될 수 있어서, 오프가스 온도는 반응 생성물들 또는 이들의 혼합물의 용융 온도보다 더 높을 수 있다(표 2).
대응하는 반응 체제가 또한 도 6에서 예로서 도시된다. 질소가 공기 분별(201)에서 공기(200)로부터 분리되고, 그 다음으로 단계(202)에서, 예컨대 마찬가지로 공기 분별(201)로부터의 질소를 캐리어 가스로서 사용하여 리튬과 함께 연소된다. 이는 Li2N3(203)을 형성하고, N2(204)를 포함하는 오프가스와 캐리어 가스의 혼합물은 보일러(205)를 통해 안내될 수 있고, 그 도움으로, 스팀 터빈(206) 및 그러므로 생성기(207)가 동작된다. 캐리어 가스로서의 오프가스(208)의 재순환이 존재한다. 암모니아(210)는 가수분해(209)에 의해 리튬 질화물(203)로부터 획득되어서, 리튬 탄산염(212)을 제공하기 위해 이산화탄소와 반응할 수 있는 LiOH(211)가 형성될 수 있다.
제 4 예시적 실시예에서, 예컨대 연료 가스로서 공기를 사용하는 경우에서, 직렬로 연결된 2개의 리액터들, 예컨대 2개의 사이클론 리액터들을 사용하는 것이 또한 가능할 수 있으며, 이 경우, 제 1 사이클론 리액터에서는 금속 산화물, 예컨대 Li2O를 생성하기 위해 금속(M), 예컨대 리튬, 및 공기로부터의 산소가 사용될 수 있고, 오프가스는 주로 질소를 포함하고, 그 다음으로 이 오프가스는, 제 2 사이클론 리액터에서 연료 가스로서 금속(M), 예컨대 리튬과 반응하여 금속 질화물, 예컨대 Li3N을 제공할 수 있다. 이 경우, 예컨대 질소가 캐리어 가스의 역할을 할 수 있고, 이는 또한 제 1 오프가스로부터 획득될 수 있거나 또는 예컨대 그것이 순환되고 있는 경우, 제 1 오프가스 자체로부터 획득될 수 있다.
본 발명의 장치의 구성을 통해, 특히 다공성 연소 튜브들의 사용을 통해, 고체 또는 액체 반응 생성물들 또는 이들의 혼합물들을 단순한 방식으로, 형성된 오프가스로부터 분리하고, 그러므로 예컨대 가스 터빈 또는 팽창기 터빈, 열 교환기, 또는 보일러에서의 사용을 위해 오프가스들을 보내는 것이 가능하다. 부가하여, 이러한 방식으로, 전체 연소 장치는 또한 더 콤팩트하게 만들어질 수 있고, 연소는 연소 프로세스의 로컬리제이션을 통해 장치에 대해 더 완만해지도록 구성될 수 있다.
부가하여, 장치, 예컨대 노와 같은 리액터는 상승된 동작 압력에서 실행될 수 있고, 따라서 연소 및 침착 프로세스는 다운스트림의 단계의 각각의 컨디션(condition)들에 매칭될 수 있다. 특정 실시예들에서, 사이클론의 확립을 위한 연료 가스와 캐리어 가스의 구분의 가능성은 열의 방출 후 오프가스들의 재순환을 가능하게 한다.
재순환은 이러한 구성으로 용이하게 가능하다. 가스 혼합물들은 또한 연료 가스 및 캐리어 가스로서 가능하다. 프로세스 단계(들) 후에 오프가스를 재순환시킴으로써, 에너지 및 재료를 절약하는 것이 가능하다.

Claims (15)

  1. 연료 가스(fuel gas)를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스(process)로서,
    상기 금속(M)은 알칼리 금속(alkali metal)들, 알칼리성 토금속(alkaline earth metal)들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택되고, 상기 연소는 버너(burner)로서 다공성 튜브(porous tube)를 포함하는 기공 버너에 의해 실시되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공 버너에는, 상기 기공 버너의 내부에 상기 금속(M)이 액체 형태로 공급되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 가스는 상기 기공 버너의 외측 표면들 상으로 안내되고 그리고 상기 금속(M)과 함께 연소되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소는 금속(M)과 연료 가스의 반응에서 형성된 염(salt)들의 용융점을 초과하는 온도에서 발생하는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속(M)은 적어도 2개의 금속들(M)의 합금으로서 공급되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 후에 반응 생성물들은 분리되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리는 사이클론(cyclone)의 도움으로 실시되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소의 반응 생성물들은, 바람직하게는 적어도 하나의 팽창기 터빈(expander turbine) 및/또는 적어도 하나의 가스 터빈(gas turbine) 및/또는 적어도 하나의 열 교환기 및/또는 적어도 하나의 보일러(boiler)를 사용하여 에너지(energy)를 생성하기 위해 사용되는,
    연료 가스를 이용하여 금속(M)을 연소하기 위한 프로세스.
  9. 금속(M)의 연소를 위한 장치로서,
    상기 금속(M)은 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택되고,
    상기 장치는,
    버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너,
    상기 기공 버너의 내부로의, 바람직하게는 액체 형태인 상기 금속(M)을 위한 피드 유닛(feed unit) ― 상기 피드 유닛은, 바람직하게는 액체 형태인 금속(M)을 상기 기공 버너에 피딩(feed)하도록 설계됨 ―,
    연료 가스를 공급하도록 설계된, 연료 가스를 위한 피드 유닛, 및
    선택적으로는 상기 금속(M)을 액체 형태로 제공하기 위한 가열 장치를 포함하고,
    상기 가열 장치는 상기 금속(M)을 액화하도록 설계되는,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 가스를 위한 피드 유닛은, 상기 연료 가스를 위한 피드 유닛이 상기 연료 가스를 적어도 부분적으로 상기 기공 버너의 표면으로 안내하도록, 배열되는,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 기공 버너는, 상기 연소로부터 형성되는 반응 생성물들 및 선택적으로는 상기 금속(M)이 상기 기공 버너의 표면으로부터 중력에 의해 제거될 수 있도록 배열되는,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기공 버너는 철, 크롬, 니켈, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 지르코늄 및 이들 금속들의 합금들, 및 또한 강철들, 이를테면, 스테인리스 강(stainless steel) 및 크롬-니켈 강으로 이루어진 그룹(group)으로부터 선택된 재료로 이루어지는,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속(M)의 연소의 생성물들을 위한 분리 유닛을 더 포함하고, 상기 분리 유닛은 상기 금속(M)과 상기 연료 가스의 연소 생성물들을 분리하도록 설계되고, 상기 분리 유닛은 바람직하게는 사이클론 리액터(cyclone reactor)인,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 팽창기 터빈 및/또는 적어도 하나의 가스 터빈 및/또는 적어도 하나의 열 교환기 및/또는 적어도 하나의 보일러를 더 포함하는,
    금속(M)의 연소를 위한 장치.
  15. 연료 가스를 이용한, 알칼리 금속들, 알칼리성 토금속들, 알루미늄 및 아연, 및 이들의 합금들 및/또는 혼합물들로부터 선택된 금속(M)의 연소를 위한 버너로서 다공성 튜브를 포함하는 기공 버너의 사용.
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