JP2014084501A - マグネシウム蒸気凝縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】収束した太陽光を熱源とした太陽炉によって連続的にマグネシウムを製錬する。
【解決手段】マグネシウム還元原料をあらかじめ詰めた、あるいは還元原料が間歇的に供給されるレトルトを、前面あるいは全体が太陽光に対して透明な真空容器中に設置して、収束した太陽光によってレトルトを加熱してマグネシウム蒸気を発生させる。レトルトと熱的に分離して接続した凝縮器にマグネシウム蒸気を導入して自然冷却により凝縮させてマグネシウムを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽炉を用いて酸化マグネシウムを金属マグネシウムに還元する装置に関する。

マグネシウムの製錬方法は「電解法」と「熱還元法」に大別することができ、熱還元法としてはアルミニウム還元法、シリコン還元法、炭素還元法、カルシウム還元法などがある。

「電解法」によるマグネシウム製錬は、溶融塩化マグネシウムＭｇＣｌ２中に酸化マグネシウムＭｇＯと炭素粉を入れて、炭素電極を用いた電気分解により金属マグネシウムを得る。特許文献１と特許文献２は、無水塩化マグネシウムから電解法によってマグネシウムを製錬する方法が開示されている。特許文献３は水和した塩化マグネシウムを用いる電解精錬法が開示されている。

「熱還元法」はアルミニウム、シリコン、カルシウムやそれらの化合物を用いて高温で酸化マグネシウムを還元する方法である。特許文献４にはアルミニウム溶解時に生じるアルミドロスを還元剤とする還元法が開示されている。特許文献５にはアルミニウム、あるいはカルシウム、あるいはホウ素の炭化物を高温で合成して、それによって酸化マグネシウムを還元することで、還元剤をリサイクル使用する方法が開示されている。

現在、マグネシウム生産の８割以上は経済的な理由から、シリコン還元法が用いられている。非特許文献１はシリコン（操業ではフェロシリコン（Ｓｉ（Ｆｅ）））を還元剤とする「ピジョン法」によるマグネシウム製錬方法を示している。この方法は化学式１を基本とする反応によって金属マグネシウムを得る。

化学式１は固体反応なので、前処理として原料の混合粉末を２００ＭＰａ以上で圧縮して密着させた後、真空中で１１５０℃以上に加熱すると、マグネシウム蒸気が発生し、これを凝縮すると、金属マグネシウムが得られる。

カルシウム化合物を還元剤とするマグネシウム製錬も可能である。非特許文献１には、カルシウムカーバイドを還元剤に用いて化学式２の反応で、無水塩化マグネシウムを還元するマグネシウム製錬技術が開示されている。

非特許文献２には、カルシウムシアナミドを還元剤に用いて化学式３の反応で、酸化マグネシウムを還元しマグネシウムを得る技術が開示されている。

シリコンやカルシウム化合物に代わって、炭素のみを用いる「炭素還元法」が非特許文献３に示されている。この方法の反応は化学式４によって表される。還元剤は炭素なので安価であるが、反応温度が１９００℃以上の高温を必要とすることに加えて、右辺から左辺への逆反応が起こるのでその防止策が必要である。

特開２０００−２２６６８４公報 特開２００８−１７９８３７公報 特公表平０９−５０６０６６公報 特開平６−４１６５４公報 特開昭５７−１８５９３８公報

Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ 「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」 Ｅ．Ｆ．Ｅｍｌｅｙ著（１９６６刊行）のｐ４９ 山形大学紀要（工学） 第９巻 第１号（１９６６）「酸化マグネシウムとカルシウムシアナミドとの反応」佐藤著 ｐ．９３−１０３ 一般冶金学、共立全書（昭和３９年刊）ｐ．１５２−１５３

本発明は太陽熱を用いる熱還元法によってマグネシウム製錬を行い、自然冷却によって効率的にマグネシウム蒸気を凝縮させる技術に関する。現在のマグネシウム製錬は多くのエネルギーを投入する必要がある。例えば、電解マグネシウム製錬は、マグネシウム１ｋｇを生産するために１８ｋＷｈの電力を消費する。この電力はマグネシウム１ｋｇを製錬するための理論エネルギーである６ｋＷｈの３倍に当たる。良く似たプロセスであるアルミニウム電解製錬では、アルミニウム１ｋｇの生産に要する電気エネルギーは１３．２ｋＷと７割程度に過ぎない。マグネシウム電解製錬のエネルギー消費が大きい原因に還元原料の問題がある。マグネシウム電解製錬は原料に無水塩化マグネシウムＭｇＣｌ２を必要とする。しかしながら、自然界の塩化マグネシウムは、ほとんどが６水塩（ＭｇＣｌ２・６Ｈ２Ｏ）であって、無水化するには塩酸中やアンモニア中で熱処理する、あるいは、塩化アンモニウムと混合して加熱するなど、面倒な前処理が必要である。さらに、電解処理中に塩素ガスが発生するので、この塩素ガスの排ガス処理が必要である。このように処理が複雑で大規模な装置を必要とするので、現在電解法は、全マグネシウム製錬量の２割以下しか使われていない。

熱還元法の中でもピジョン法は、原料にドロマイトを用い、還元剤にフェロシリコン（Ｆｅ−７５％Ｓｉ）を使う方法であって、工程が比較的簡単なことに加えて、電解法のような塩素ガス発生の問題もない。従って熱源さえあれば小型の設備でも容易に実施できる。一方、アルミ還元法、カルシウムカーバイド法、およびカルシウムシアナミド法はフェロシリコンを用いるピジョン法よりも費用がかかるために実操業には使用されていない。このような理由によって、現在生産されているマグネシウムの８割以上はピジョン法によっている。しかしながらピジョン法のエネルギー効率は電解法の３分の一以下と非常に低いという問題がある。具体的には１トンのマグネシウムを得るのに１１トンの石炭を必要とするほどエネルギー消費が多い。

日本では昭和５３年にピジョン法によって１万１千トンのマグネシウムが生産されていたが、その後生産量は急減して、現在、日本で使用するマグネシウム量（年間約５万トン）はほぼ全量を中国からの輸入に頼っている。日本でマグネシウム製錬が行われなくなった理由は、製錬に要するエネルギーが大きく経済的に成り立たなくなったことによる。

熱還元法によるマグネシウム精錬は化学式１〜４のような比較的簡単な過程で進行する。一例として化学式１のピジョン法によってマグネシウムを生産するには、原料である酸化マグネシウム、酸化カルシウム、フェロシリコン粉末をプレスしたブリケットを眞空中で１２００℃に加熱すればよく、中国では石炭ガスを燃焼させてこの温度を得ている。本発明は豊富なエネルギー源として太陽熱に着目した。緯度によって異なるが、地上１平方メートルの面積にそそぐ太陽光は約１ｋＷの熱エネルギーを有しており、これを受光面積の５０００分の１（円の場合は直径の約１／７０）以下に集光すれば１２００℃の高温が得られる。

実際に操業されているピジョン法では、高クロム高ニッケル耐熱鋼製のレトルトに圧粉固化した原料粉を充填する。レトルトの開口側を真空ポンプで排気するとともに、開口側に設置される凝縮器を水冷して温度上昇を防ぐ。還元原料が詰まったレトルトを加熱すると、発生するマグネシウム蒸気は真空ポンプに引かれて開口端側に移動する。マグネシウム蒸気は水冷されたレトルト開口部の凝縮器内面に固化して蓄積する。この塊状に析出したマグネシウム（クラウン）を、レトルトから機械的に引き抜くことでマグネシウムが生産されている。

燃焼炉の場合は上記のようにレトルトの大半を同時に加熱してマグネシウム蒸気を取り出すことが可能であるが、太陽炉は局部加熱という制約がある。高クロム高ニッケル耐熱鋼は熱伝導が悪いので、レトルト表面の一部を１２００℃に加熱しても、内部の還元原料を１２００℃に保つことは困難である。内部の温度を上げるために、焦点を絞ると加熱部分が狭くなり、かつ耐熱鋼は１４００℃で軟化、溶融を始めるという問題が生じる。このために在来のピジョン法の加熱部分のみを太陽熱に置き換える方法は適用することができない。

以上の課題に鑑み、本願発明は、以下の技術を用いて上記の課題を解決した。

マグネシウム還元用原料が入ったレトルトを太陽光に対して透明な真空容器内に保持し、収束した太陽光によってレトルトを加熱する。この際に収束した太陽光を移動、あるいは真空容器全体を移動することによってレトルトの一端から他端までに収束した太陽光を照射して順次加熱し、レトルト内に発生したマグネシウム蒸気を加熱部と接続した凝縮器内に導入してマグネシウムを凝集する。

一端または全体が太陽光に対して透明な真空容器内にレトルトを保持し、レトルトにマグネシウム還元用原料を連続的あるいは間歇的に供給する。収束した太陽光でレトルトを加熱することによってレトルト内にマグネシウム蒸気を発生させて、一定時間後に使用済みの還元原料を排出することで還元を連続して行う。

太陽光加熱によってレトルトで発生したマグネシウム蒸気を、レトルトにゆるく接続した凝縮器内に導入し、マグネシウムを凝縮する。この場合に、レトルトと凝縮器の間の隙間が大きいとマグネシウム蒸気が漏れ出す。しかし、レトルトと凝縮器を連続した構造とする、あるいは、きつく密着させると両者間の熱伝導がよくなり、この結果、レトルトの温度が上昇せず、かつ凝縮器の温度が高くなって凝縮効率が低下する問題が生じる。

マグネシウム蒸気凝縮器にはレトルトと異なる材料を用い、かつ、両者を熱的に分離することで加熱部からの熱伝導を低下させる。これによって加熱によるマグネシウム蒸気の発生と冷却による凝縮の両方の効率を高める。

レトルトの材料は黒鉛であることが好ましい。その理由は耐熱温度が高く、熱伝導が良好でかつ、熱衝撃に強いことによる。

マグネシウム蒸気凝縮器の材質は強度と熱伝導度のバランスから金属、セラミック、ガラスのいずれかであることが好ましい。

なお、本願において「太陽光に対して透明」であるとは、「紫外域、可視光域、赤外域を含む太陽光の波長領域の全てまたは一部を透過可能な状態」を意味するものとする。

本発明によれば、太陽熱を熱源に用いることによって効率的に酸化マグネシウムを熱還元して金属マグネシウムを得ることができる。またマグネシウム蒸気の凝縮に必ずしも冷却水を必要としないので給水が不便な砂漠でのマグネシウム製錬が可能となる。さらに冷却水を使わない場合には冷却水に奪われる熱エネルギーがないので、精錬のエネルギー効率が向上する。太陽熱を用いることでエネルギー費用を大幅に削減するとともに、二酸化炭素の排出を伴わないマグネシウム製錬が可能となる。

加熱部分が移動する形式の太陽炉マグネシウム製錬装置 加熱部分が固定された形式の太陽炉マグネシウム製錬装置

以下、図１によって本発明を実施する形態を説明する。

透明な物質でできた真空容器１の中に黒鉛製のレトルト２を固定する。真空容器とその中に納められるレトルト２、それにつながる凝縮器６は真空排気系８によって真空度１０Ｐａ以下の真空状態に保たれる。レトルト２の中にマグネシウム還元材料を圧粉固化したペレット３が入り、断熱材の台４によって透明真空容器と熱的に遮断させて固定する。反射鏡を動かす、あるいは、真空容器を動かすことで、太陽像５をレトルトの右端から左端に移動させる。太陽像の位置に一致するペレット３は順次１２００℃以上に加熱される。黒鉛は熱伝導度が高いので、ペレットの裏側も１１００℃以上の高温になる。加熱部分では化学式１の反応に従って発生したマグネシウム蒸気は、真空ポンプによる排気に従って凝縮器６の中を通過する。この時に大気冷却によってレトルトよりも低い温度に保たれた凝縮器表面でマグネシウム蒸気は凝縮して金属マグネシウム７となる。

図２は固定した加熱部分に一定時間ごとにペレットを供給してマグネシウム蒸気を発生させる形式の還元装置である。一定時間が経過して還元用ペレットからマグネシウム蒸気が出尽くしたなら、ピストン９を前後に動かすことによって、古いペレットをレトルト外に排出し、新しいペレットを装入して、上記の加熱還元過程を繰り返す。

次に、本願発明の詳細を実施例に基づいて説明する。なお、この実施例は当業者の理解を容易にするためのものである。すなわち、本願発明は明細書の全体に記載される技術思想によってのみ限定されるものであり、本実施例によってのみ限定されるものでないことは理解されるべきことである。

直径１５０ｃｍ、焦点距離６４ｃｍの放物面鏡に、反射面の光軸をあわせた２．４ｍ×２．７ｍの平面鏡によって太陽光を送って焦点位置に直径６ｍｍの太陽像を得た。この部分の温度は輻射温度計の測定限界である２０００℃を超えていた。焦点から６３ｃｍの位置では太陽像は２５ｍｍ程度に広がって真空容器中の黒鉛表面温度は１４５０℃を示した。

図１の真空容器１として、直径５ｃｍ、肉厚２ｍｍ、長さ６０ｃｍの透明石英管を用い、この中に断熱レンガを固定台４として用い、レトルト２（高密度黒鉛製、直径３０ｍｍ、全長８０ｍｍ）を固定した。酸化マグネシウム：酸化カルシウム：フェロシリコン（鉄−７５％シリコン）のモル比を２：２：１として混合し、２００ＭＰａの圧力でプレスして固めた還元原料（一個５ｇ）のペレット３をレトルト内部に５個並べた。真空容器表面を放物面鏡中心から６１．５ｃｍの位置に固定し、レトルトの出口は凝縮器６の石英管（直径２５ｍｍ、肉厚２ｍｍ、全長２０ｃｍ）とゆるいはめ合い構造によって接続した。この時、レトルトと凝縮器とのはめ合い部のはめ合い長さは１０ｍｍ、間隙の大きさは最も大きい箇所で０．２ｍｍであった。真空容器内は真空ポンプによって１０Ｐａまで減圧した後に加熱を開始した。平面鏡を自動制御して加熱部分をレトルトの閉口側から開口側に４０分間で移動させた。放射温度測定によればレトルトの加熱面側は１３００℃、裏側は１１５０℃であった。レトルト２と凝縮器６の接続部はレトルト側が７４０℃であったが、凝縮器側は放射温度計の測定温度下限（５００℃）以下であった。加熱中に凝縮器内面は銀色に変化してマグネシウムが凝縮していることが分かった。加熱前後の凝縮器の重量変化から２．１ｇのマグネシウムが凝縮したことが分かった。

凝縮器の温度上昇を防ぐために、レトルトと凝縮器を１ｍｍの間隔をあけて固定した。太陽熱加熱を開始すると、凝縮器とレトルトの隙間から漏れ出たマグネシウム蒸気が透明真空容器の内面に付着して黒く変色し、着色部分の石英管が過熱のために白濁した。凝縮器内面へのマグネシウムの付着量も実施例１の半分以下であった。

レトルトを兼ねる真空容器として２５％クロム−２０％ニッケルの耐熱ステンレス鋼容器（直径５０ｍｍ、肉厚３ｍｍ、長さ６０ｃｍ）を用いて、実施例１と同じ条件で太陽熱加熱を行った。耐熱鋼の表面温度が１３００℃でもマグネシウムは凝縮しなかった。さらに焦点を絞って耐熱鋼表面の温度を上げると、表面の一部が溶融してクレーター状となった。この時の容器反対側の温度は８７０℃であり、マグネシウムの凝縮は見られなかった。真空容器を断熱材で保温しても同様な結果だった。

１ 透明真空容器
２ レトルト
３ 還元用のペレット
４ 断熱材の台
５ 太陽の像
６ 凝縮器
７ 凝縮したマグネシウム
８ 真空排気系
９ ピストン
１０ 間隙

Claims (7)

1. 収束した太陽光によってマグネシウム還元用原料を詰めたレトルトを加熱し、レトルト内に発生したマグネシウム蒸気をレトルトと接続した凝縮器内に導入してマグネシウムを凝集するマグネシウム蒸気凝縮装置であって、レトルトが太陽光に対して透明な真空容器内に保持されており、収束した太陽光を移動させる、あるいは真空容器全体を移動させることによって、レトルトの一端から他端までに収束した太陽光を照射せしめ、順次加熱することを特徴とするマグネシウム蒸気凝縮装置。
2. 一端あるいは全体を太陽光に対して透明な真空容器内に保持したレトルトにマグネシウム還元用原料を連続的あるいは間歇的に供給し、一定時間後にマグネシウム還元用原料を排出して、その間に収束した太陽光でレトルトを加熱することを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム蒸気凝縮装置。
3. 凝縮器とレトルトとのはめ合い部に間隙をもたせることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネシウム蒸気凝縮装置。
4. レトルトと凝縮器とのはめ合い部の間隙の大きさが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のマグネシウム蒸気凝縮器
5. 凝縮器とレトルトに異なる材料を用い、かつ、両者を熱的に分離することでマグネシウム蒸気凝縮効率を高める請求項１−４に記載のマグネシウム蒸気凝縮装置。
6. レトルトの材質が黒鉛であることを特徴とする請求項１−５に記載のマグネシウム蒸気凝縮装置。
7. 凝縮器の材質が金属、セラミック、またはガラスであることを特徴とする請求項１−５に記載のマグネシウム蒸気凝縮装置。

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