本發(fā)明涉及一種還原裝置，更具體地，涉及一種使用液態(tài)金屬的還原裝置，其能夠使用液態(tài)金屬有效地控制用于還原待還原材料的還原劑的操作狀態(tài)，從而控制還原速率，同時改善安全性。

本發(fā)明是根據rcoe推進項目在戰(zhàn)略與財政部支持的韓國生產技術研究院進行的，并于2015年在“應對氣候變化的下一代能量生產系統(tǒng)”的研究標題下以分配識別號eo150006進行。

背景技術：

通常，以天然狀態(tài)存在的作為金屬原料的礦物以氧化物的形式存在。例如，已知通常通過氫氣能夠容易地還原諸如鐵、銅、鎳、鈷等的金屬氧化物以提取金屬。然而，在諸如鉭(ta)、鈦(ti)、鋯(zr)、釩(v)等特種金屬的情況下，不可能通過氫氣進行常規(guī)還原，因此公開了使用具有強氧化能力(即相對于待還原材料的還原能力)的堿金屬或堿土金屬來還原金屬的方法。在韓國專利申請公開號2014-0129822中已公開了這種還原金屬的方法的示例。

然而，這種堿金屬和堿土金屬在與氧化劑例如空氣接觸時產生火焰、反應非常爆烈并被氧化。例如，還原劑例如鎂不僅與空氣反應，而且與水或二氧化碳反應以氧化或易于爆炸。在粉末形式的情況下，反應性非常高并且在攝入粉末時可能影響人體，因此需要防止它的措施。此外，為了提高氧化能力，還使用通過加熱進行升華或熔化的方法，但是在這種情況下，爆炸反應進一步加快，從而使其不能控制。上述常規(guī)技術是通過在密封坩堝中引入待還原材料和還原劑并計算反應量以進行控制的方法以及通過將待還原材料裝入其中將還原劑熔化的熔融物中以進行控制的方法。然而，前一種控制方法是基于預先計算的反應量，不能夠實時控制，而后一種控制方法的還原劑的熔化條件在大多數情況下具有高反應性，從而不能瞬間控制熔融金屬溫度。因此，當在反應期間發(fā)生不可預測的事件時，其難以控制。

技術實現要素：

[技術問題]

在這方面，為了解決上述常規(guī)問題，已經設計了本發(fā)明。本發(fā)明旨在改善還原劑的還原能力以及提供能夠精確控制改進的還原能力的還原裝置。

[技術方案]

為了實現上述目的，本發(fā)明包括：存儲單元，其中供應和儲存液態(tài)金屬；還原劑塊，其位于所述存儲單元中；以及還原單元，其位于所述存儲單元的一側，其接收待還原材料并且允許與所述存儲單元的流體連通。

優(yōu)選地，通過保持在適當溫度下的液態(tài)金屬來使所述還原劑塊升華，從而形成還原劑顆粒，并且還原劑顆粒流向所述還原單元。

優(yōu)選地，在所述存儲單元和所述還原單元之間還包括分散板。

優(yōu)選地，還包括制冷劑供應單元，其將制冷劑供應至所述存儲單元內的還原劑塊；和第一控制單元，其控制所述制冷劑供應單元。

優(yōu)選地，還包括氣體供應單元，其將非活性氣體供應到所述存儲單元內；和第二控制單元，其控制所述氣體供應單元。

優(yōu)選地，通過所述第一和第二控制單元來控制經過所述分散板的還原劑顆粒的量。

優(yōu)選地，通過所述還原劑顆粒的量來控制待還原材料的還原反應。

優(yōu)選地，所述還原劑塊110是鎂塊。

優(yōu)選地，液態(tài)金屬是選自由錫、鉍、鉛和鎵組成的組中的一種。

優(yōu)選地，所述還原劑塊是還原劑的貯存器，其中所述貯存器包括網格形式的貯存器和注入所述貯存器中的顆粒還原劑。

優(yōu)選地，還包括液態(tài)金屬存儲單元，其連接至所述存儲單元的一側。

優(yōu)選地，當所述存儲單元內的溫度處于預定溫度或更高時，將所述儲存單元內的液態(tài)金屬排出至液態(tài)金屬儲存單元。

優(yōu)選地，將從所述儲存單元排出至所述液態(tài)金屬儲存單元的液態(tài)金屬再加熱到液態(tài)金屬的熔點或更高，然后再供應至所述儲存單元。

優(yōu)選地，液態(tài)金屬廢料和液態(tài)金屬儲存單元被包括在所述儲存單元的底部，并且當應該使所述還原劑塊的溫度瞬間降低時，將高溫的液態(tài)金屬從所述儲存單元排出，從而使使用制冷劑的還原劑塊的制冷效果最大化。

[有益效果]

根據如上所述使用根據本發(fā)明的液態(tài)金屬的還原裝置，使用液態(tài)金屬使具有強還原能力的還原劑升華，從而進一步改善還原能力，并且也精確地控制其，從而消除了由還原劑的爆炸反應引起的使用限制，并保證了高效的操作。此外，如果還原劑在液態(tài)金屬內部，即使將氧化劑供應至反應器，還原劑和氧化劑也不會直接接觸，從而防止氧化或爆炸，并且液態(tài)金屬以圍繞還原劑的形式凝結，即使在操作之后也能夠進行安全存儲。

附圖說明

圖1是根據本發(fā)明的示例性實施方式的使用液態(tài)金屬的還原裝置的示意圖。

具體實施方式

如上所述的本發(fā)明的目的、特征和其它優(yōu)點將從詳細的本發(fā)明的適當的示例性實施方式中顯而易見。在該方法中，為了清楚和方便解釋，附圖中所示的構成元件的線或尺寸的厚度可能被夸大。此外，考慮本發(fā)明中的功能來定義后述的所有術語，并且可以根據用戶、操作者的意圖或習慣而不同。因此，應當基于本發(fā)明的整個描述的內容來公開這些術語的定義。

此外，所描述的示例性實施方式僅用于說明的目的，并不旨在限制本發(fā)明的技術范圍。

使用根據本發(fā)明的液態(tài)金屬的還原裝置的每個構成元件可以以集成形式使用或者分開并分別使用。此外，根據使用的形式，可以省略一些構成元件。

以下，參考附圖(圖1)詳細地說明根據本發(fā)明的使用液態(tài)金屬的還原裝置(為了便于說明，以下稱為“還原裝置”)。

根據本發(fā)明的示例性實施方式的還原裝置可以包括存儲單元100、還原劑塊110、還原單元200、分散板300、制冷劑供應單元400和液態(tài)金屬存儲單元600。

液態(tài)金屬被供應和存儲在存儲單元100中，并且其中預備了用于液態(tài)金屬的空間。可以使用泵將在連接至存儲單元100的液態(tài)金屬供應單元10中加熱到適當溫度的液態(tài)金屬供應至存儲單元100。加熱裝置位于液態(tài)金屬供應單元10中以加熱液態(tài)金屬。

對供應和儲存的液態(tài)金屬的種類沒有限制，但優(yōu)選地是具有低熔點和高沸點的金屬，即具有寬范圍溫度的液態(tài)金屬，例如錫、鉍、鉛、鎵等。這些金屬在液態(tài)下具有低粘度，并且可以通過使用泵等的簡單轉移來供應和循環(huán)。

還原劑塊110與液態(tài)金屬一起被接收到存儲單元100中。對還原劑塊110的種類沒有限制，但優(yōu)選地是具有強氧化能力的堿金屬或堿土金屬。還原劑塊可以由許多顆粒還原劑組成，顆粒還原劑能夠具有許多孔以使液態(tài)金屬能夠流動并到達還原劑或者使用篩網形式的貯存器接收顆粒還原劑。

例如，在鎂(mg)的情況下，在室溫和常壓下暴露于空氣將導致氧化鎂(mgo)或過氧化鎂(mgo2)的形成。當鎂為粉末或細線的形式時，其與空氣中的氧和氮迅速地反應，導致與白光的燃燒反應并可能產生氧化鎂和氮化鎂(mg3n2)。鎂還與水反應以產生氫氣和氧化鎂(mg+2h2o→mg(oh)2+h2)并且在過量蒸氣的存在下產生不溶性氫氧化鎂(mg(oh)2)和氫。如上所述，堿金屬或包含鎂的堿土金屬與各種物質高度反應，并在寬溫度范圍內引起氧化反應，因此可以相對于待還原材料用作有效的還原劑塊110。特別地，當固態(tài)鎂被加熱時，升華在約550℃下進行，并且隨著溫度升高，這種升華指數地增加。由于升華的顆粒相對于粉末或線的形式具有非常大的表面積，因此它們可能進行氧化反應并且可以用作強氧化劑。

然而，當鎂在空氣中進行燃燒反應時，火焰溫度可升高至3100℃，引起爆炸反應。因此，需要能夠通過控制溫度來控制升華速率的適當還原條件。因此，在本發(fā)明中，能夠使用引入到存儲單元100中的液態(tài)金屬來控制還原劑塊110的反應。

還原單元200位于存儲單元100的一側，并且待還原材料被接收在其中。還原單元200可以與存儲單元100流體連通，從而允許通過液態(tài)金屬將還原劑塊110升華而生成的還原劑顆粒流入存儲單元100中，由此待還原材料的還原發(fā)生。

這里，在存儲單元100和還原單元200之間可以存在分散板300，使得升華的還原劑顆粒能夠均勻地流入還原單元200中。

連接至存儲單元100的制冷劑供應單元400將制冷劑供應至引入其中的還原劑塊110。根據需要獨立地控制還原劑塊110的溫度，并且當需要改變還原條件即顯著地降低或提高還原劑塊110的升華速率等時可以是有效的。

連接至存儲單元100的氣體供應單元500優(yōu)選地將非活性氣體供應至存儲單元100的底部。非活性氣體可以在轉移升華的還原顆粒中起作用，使其易于流動以及控制還原的顆粒的濃度和溫度。

連接至存儲單元100的一側的液態(tài)金屬存儲單元600可以用于：當存儲單元100內部的溫度需要被瞬間降低時，通過從儲存單元100釋放高溫下的液態(tài)金屬，改善使用制冷劑的還原劑塊的制冷效果。換句話說，在還原工藝過程中，當儲存單元100內部的溫度等于或高于預定溫度并且需要瞬間控制時，液態(tài)金屬儲存單元600可以是有效的。為了控制它們，可以在存儲單元100和液態(tài)金屬存儲單元600之間設置閥，該閥控制排出的液態(tài)金屬的量。

此外，將排出至液態(tài)金屬儲存單元600的液態(tài)金屬再供應至液態(tài)金屬供應單元10并且再加熱至高于其熔點的溫度。然后將液態(tài)金屬再供應至存儲單元100并且可以在還原工藝中再使用。

下面將描述根據本發(fā)明的示例性實施方式的還原裝置的機制。

液態(tài)金屬首先在液態(tài)金屬供應單元10中被加熱至還原塊110的升華點或更高并且被供應至存儲單元100，同時控制存儲單元100的壓力。儲存單元100內的還原劑塊110被供應至儲存單元100的液態(tài)金屬加熱至升華點或更高，并且被升華，產生還原劑顆粒。所產生的還原劑顆粒流向還原單元200，然后被分散板300均勻地分散，從而將還原單元200中的待還原材料還原。

這里，需要控制還原速率，因此在存儲單元100中配備壓力傳感器和溫度傳感器。還原裝置可以還包括控制制冷劑供應單元400的控制單元(圖中未示出)、氣體供應單元500和液態(tài)金屬供應單元10，其從傳感器接收感測到的壓力和溫度的信息。

例如，如果升華速率太高，則能夠通過降低所供應的液態(tài)金屬的溫度或者向還原劑塊110供應制冷劑來控制還原速率。或者，能夠通過控制非活性氣體的供應量來控制還原劑顆粒的濃度等。

此外，如果存儲單元100內的液態(tài)金屬的溫度低，則將液態(tài)金屬轉移至液態(tài)金屬供應單元10，再加熱，然后再供應回存儲單元100。

此外，如集成地構造那樣，控制單元能夠集成地控制制冷劑供應單元400、氣體供應單元500和液態(tài)金屬供應單元10。同時，控制單元由連接至制冷劑供應單元400的第一控制單元(在圖中未示出)、連接至氣體供應單元500的第二控制單元(在圖中未示出)以及連接至液態(tài)金屬供應單元10的第三控制單元(在圖中未示出)組成，因此能夠根據需要控制各個供應單元10、400、500。

在液態(tài)金屬的情況下，由于其熱容量高，液態(tài)金屬不會大幅度地受到環(huán)境溫度的影響，并且完全防止與空氣等接觸，該接觸可能會由液態(tài)金屬影響還原劑塊的氧化反應。因此，這種方法能夠單獨控制還原速率，允許精確的控制。

如上所述，根據本發(fā)明的還原裝置，使用液態(tài)金屬使具有強還原能力的還原劑升華，從而進一步改善還原能力，并且其還可以被精確控制，從而消除了由還原劑的爆炸反應引起的使用限制，并保證了高效的操作。

此外，如果還原劑在液態(tài)金屬內部，即使將氧化劑供應至反應器，還原劑和氧化劑也不會直接接觸，從而防止氧化或爆炸，并且液態(tài)金屬以圍繞還原劑的形式凝結，即使在操作之后也能夠進行安全存儲。

盡管已經描述和示出了本公開的實施方式，但本公開并不限于具體實施方式，而是可以由本領域技術人員在不脫離由所附權利要求限定的本公開的范圍的情況下以各種方式進行變形，并且這樣的變形不應與本公開的技術特征和前景分開解釋。

[附圖標記說明]

10：液態(tài)金屬供應單元

100：存儲單元

110：還原劑塊

200：還原單元

300：分散板

400：制冷劑供應單元

500：氣體供應單元

600：液態(tài)金屬存儲單元