[发明专利]通过将反应气体等离子化点燃正电性金属的火焰

说明书

本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法以及一种用于实施所述方法的设备，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，例如只为了点燃反应气体，至少暂时地将反应气体转化为等离子体。

由于减少二氧化碳排放的必要性，近些年来讨论了用于由备选资源产生能量的不同可能性。

在DE102008031437.4中描述了如何能够通过正电性金属呈现可完全回收利用的能量循环。所述能量循环在WO2012/038330和WO2013/156476中详细地阐述。在此处描述的能量循环中，能量释放通过燃烧正电性金属实现，所述正电性金属例如是气体环境如空气或者二氧化碳(CO₂)中的锂、钠、钾、镁、钙、锶、钡或者铝或者锌。

问题呈现在正电性金属与反应气体的反应和如何引起反应方面。

通常热学地点燃正电性金属，并且特别是碱金属。在此，借助气体火焰或者电加热装置将金属加热至所需的点燃温度。

此外，碱金属能够自燃，并且例如在与水接触时就足以自燃，对于铷和铯的情况空气接触就已经足够。

金属燃烧的另一应用领域是航空航天技术。在此，金属主要作为用于固体火箭的推进燃料。点火在此通常热学地借助通过燃烧产生热量的引火药进行。

为了点燃汽油-空气混合物，在当今的发动机中在火花塞的电极之间使用电火花击穿，其中，燃料-空气混合物局部短时间地升温至3000至6000K。为了形成稳定的独立火焰一方面重要的是，在火花击穿的时间点在点火电极的区域内具有能点燃的混合物，另一方面通过电极之间的等离子体传递至混合物的热能必须大于电极上的损耗。电极之间的离子化的气体在这个阶段达到约6000K的温度。然而在较高的流动速度或者在较冷的反应气体中，这种点火并不总是可靠的。

为了点燃非常惰性的燃料-气体混合物，如稀燃的混合物或者具有较高废气比例的混合物，必须向气体混合物中输入更多能量和/或点燃比按化学计量的混合物中更大的混合物体积。这可以通过更多的电能或者通过能量输入的更高效率实现。电能的提高受到电极熔损(磨损、火花塞的使用寿命等)的限制。因此目标是将所有电能输入到尽可能大的混合物体积中。这种释放形式可以通过等离子体束点火系统实现。在这些系统中，等离子体的形成通过在点火器的较小空腔中的火花击穿实现。等离子体从点火器中的开口作为喷出物进入燃烧室并且在该处点燃较大的混合物体积。火花塞具有与传统的钩形火花塞几乎相同的外部几何尺寸。区别在于朝向燃烧室的火花塞尖部，其取代自立的中间和高容量电极具有相对较小的空腔，所述空腔朝向燃烧室敞开。

另一点火系统由等离子切割机已知。在等离子燃烧器中，空气通过光电弧(HV放电)加热到极高的温度。在此形成能导电的等离子体，切割电流能够通过所述等离子体从等离子切割燃烧器内部的电极流向工件(阳极)。在等离子弧中形成高达30000℃的温度。具有较小钻孔的切割喷嘴使切割电流缩紧并且由此形成强烈会聚的等离子切割束。所述等离子电弧使金属非常迅速地熔化并且通过其较高的动能将熔液从切割接缝中甩出。形成了干净和平滑的切面。相应的设备例如由DE 10 2009 04 968 A1已知。

一如既往地存在对用于在通过正电性金属燃烧反应气体时产生等离子体的方法的需求。

以下描述用于借助反应气体的等离子化点燃这些金属的一种可能性。

业已证明，通过在喷嘴内部产生等离子体能够在反应气体与正电性金属之间实现改善的反应引导和改善的反应。此外业已证明，通过将反应气体直接用作等离子气体，也就是用于产生等离子体的气体，不再需要附加的等离子气体，这简化了反应引导并且还能避免来自等离子气体的副产品。此外，用于点燃正电性金属所需的能量有针对性地引入反应气体，这比例如借助电加热装置或者气体火焰通过热辐射进行加热明显更高效。尤其还业已证明，通过将喷嘴用作第一电极并且金属束用作第二电极以点燃等离子体能够有效地产生等离子体，所述等离子体本身在正电性金属的流动速度较高时实现了正电性金属和反应气体的良好反应。

按照第一方面，本发明涉及一种用于燃烧具有正电性金属的反应气体的方法，其中，正电性金属从碱金属、碱土金属、铝和锌以及它们的混合物和/或合金中选出，其中，在燃烧之前和/或之中，至少暂时地将反应气体转化为等离子体，并且其中，反应气体和正电性金属通过输入装置分隔开地、优选共轴地输入至少一个喷嘴中并且所输入的反应气体在至少一个喷嘴内部至少暂时地转化为等离子体，例如只为了点燃反应气体。