Untersuchung der Reaktion bei der Verbrennung von Lithium in Kohlenstoffdioxid und kohlenstoffdioxidhaltigen Atmosphären

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Lithium ist durch seine hohe Energiedichte ein hervorragender Kandidat zur Verwendung als chemischer Energiespeicher. Als Entladungsvorgang dient dabei die Verbrennung des Lithiums in verschiedenen Atmosphären. Die bei der Verbrennung entstehenden festen Lithiumsalze können mit Hilfe der Elektrolyse wieder in elementares Lithium umgewandelt werden. Dadurch entsteht ein geschlossener Materialkreislauf mit der Möglichkeit der mehrmaligen Verwendung des Brennstoffs. Besonders die Verbrennung von Lithium in CO2 oder N2 bietet dabei Vorteile, da die neben den Lithiumsalzen entstehenden Reaktionsprodukte (Kohlenstoffmonoxid und Ammoniak) als hochwertige Ausgangsstoffe für weitere chemische Prozesse dienen können. Für die großtechnische Anwendung des Lithiums als Energiespeicher und Lieferant chemischer Wertstoffe ist ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess nach Vorbild der Ölverbrennung aus sicherheitstechnischen Aspekten unverzichtbar. Die Untersuchung der Zerstäubung von Metallschmelzen wird zwar vermehrt in der Literatur analysiert, allerdings nur unter dem Fokus der Erzeugung von Metallpartikel, die in ihrem erstarrten Zustand weitere Anwendung finden. Um Metalle als Energiespeicher zu verwenden, wurde vor allem die Reaktion am Einzelpartikel untersucht. Über die Zerstäubung und die gleichzeitige Zündung und Verbrennung des erzeugten Metallsprays und dabei insbesondere des Lithiumsprays ist bisher sehr wenig bekannt. Aus diesem Grund werden in dieser Arbeit grundlegende Untersuchungen zur Zerstäubung der Lithiumschmelze sowie zur thermischen Zündung und zur Verbrennungsreaktion des erzeugten Lithiumsprays durchgeführt. Da die ersten Versuche im Labormaßstab stattfinden, wird der Versuchsstand sowie die Düse auf eine Verbrennungsleistung von maximal 30 kWth ausgelegt. Dafür sind niedrige Lithiummassenströme unterhalb 0,8 g/s notwendig, wobei eine feine Zerstäubung erzielt werden soll. Dies kann mit Hilfe der in dieser Arbeit analysierten Zweistoffdüse erzielt werden.

Die Zündung und Verbrennung des Lithiumsprays wird in CO2, N2 und Mischungen aus den beiden Gasen untersucht. In CO2 findet die Umsetzung des Lithiums zum Lithiumcarbonat statt. Die Zündtemperaturen liegen im Bereich 350°C-400°C. In Stickstoff reagiert das Lithium unter Bildung von Lithiumnitrid allerdings bei niedrigeren Verbrennungstemperaturen im Vergleich zur Reaktion mit CO2. In den Mischatmosphären reagiert das Lithium vornehmlich mit dem CO2, wobei mit steigender Konzentration von CO2 im Reaktionsgas der Anteil an Lithiumcarbonat im Produkt zunimmt. Die untersuchte Zweistoffdüse und der Versuchsstand werden numerisch mit Hilfe von ANSYS Fluent nachgebildet, um Einblick in das Strömungs- und Temperaturprofil zu bekommen. Diese Simulationen helfen dabei, die Verbrennung des Lithiumsprays besser zu verstehen und dienen der Weiterentwicklung des Versuchsstands, um eine effiziente Zerstäubung, optimale Tropfenführung und eine effektive Verbrennung zu erreichen. Die vorliegende Arbeit legt die Grundlagen für die Entwicklung eines kontinuierlich betriebenen Brenners für den Einsatz in einer großtechnischen Anlage.