JP2017040272A - Method for utilizing aluminum as fuel - Google Patents

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Tetsuya Goto
徹也 後藤
義博 荒川
Yoshihiro Arakawa
義博 荒川
周平 高橋
Shuhei Takahashi
周平 高橋
正勝 中野
Masakatsu Nakano
正勝 中野
信 松井
Makoto Matsui
信 松井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide new renewable energy utilizing, as fuel, aluminum that is not harmful to the environment or human beings, and can be easily stored and supplied in a stable manner.SOLUTION: Aluminum powder and oxygen are fed into a combustion chamber to perform stationary combustion there, and the generated energy is taken out and utilized. The stationary combustion of aluminum is carried out under a certain control of one of an amount of aluminum powder to be fed into the combustion chamber and an amount of oxygen to be fed thereinto or both of them. The control of the amount of aluminum powder is carried out by controlling an amount of aluminum powder mixed into injection flow of carrier gas feeding the powder into the combustion chamber or by controlling an amount of impurities mixed into the aluminum powder. The control of the amount of oxygen is carried out by controlling a mixing ratio with an amount of dilution gas simultaneously fed into the combustion chamber. Alumina generated as a result of combustion is recovered and aluminum attained through its reduction can be utilized again as fuel.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、アルミニウムを「燃料」もしくは「エネルギ源」として捉え、アルミニウムが燃焼する際に生じる高熱量を有効活用することで、アルミニウムを新たなエネルギ資源として利用する方法に関する。アルミニウムが燃焼した後に生ずるアルミナ(酸化アルミニウム)を回収し、これを還元して再利用すれば、アルミニウムを利用した再生可能エネルギとして新たなエネルギ循環システムを構築することができる。   The present invention relates to a method of using aluminum as a new energy resource by taking aluminum as a “fuel” or “energy source” and effectively utilizing the high heat generated when the aluminum burns. If the alumina (aluminum oxide) produced after the aluminum burns is recovered, and is recovered and reused, a new energy circulation system can be constructed as renewable energy using aluminum.

我が国における主要エネルギである電力の供給源は、火力発電(石炭、石油、天然ガス)によるものが約6割、原子力発電によるものが約3割、その他は水力発電によるものほかとなっている。世界全体で見れば、火力発電によるものが7割弱、原子力発電によるものが約15%といわれる(2009年)。この内、世界で圧倒的な比率を占める火力発電については、化石燃料の燃焼に伴う温室効果ガスの発生が避けられないことから、昨今の地球温暖化に対処するためにも早急なエネルギ供給体制の見直しが求められる。これを解消する手段の一つとして期待されていた原子力発電に関しては、2011年3月の東日本大震災に起因する原子力発電所からの放射能漏れ事故に端を発し、元々危惧されていた原子力そのものに対する危機意識と使用後核燃料の処理問題が再びクローズアップされ、将来的には原子力発電依存体質の見直しが不可避の状態に陥っている。   The main source of power in Japan is about 60% of thermal power (coal, oil, natural gas), about 30% of nuclear power, and other sources of hydropower. Looking at the world as a whole, thermal power generation accounts for just under 70% and nuclear power generation about 15% (2009). Of these, thermal power generation, which accounts for the overwhelming share of the world, cannot avoid the generation of greenhouse gases associated with the combustion of fossil fuels. Therefore, an immediate energy supply system is necessary to cope with the recent global warming. Review is required. With regard to nuclear power generation, which was expected as one of the means to solve this problem, it started with the radiation leakage accident from the nuclear power plant caused by the Great East Japan Earthquake in March 2011. Crisis awareness and post-use nuclear fuel disposal issues are again highlighted, and in the future, the review of nuclear power dependence is inevitable.

火力発電、原子力発電に代わる代替電力供給源が求められるところ、かつて電力供給の主力を担っていた水力発電では、ダム建設に伴う環境破壊が問題となり、さらには比較的効率の高い(約70%)揚水発電においてもダムを挟んで上部調整池と下部調整池の2つの貯水池を設ける必要があるなど、特に国土が狭く地理的な適地が少ない我が国においては早急な解決策とはなり難い。外国においても同様な事情が存在しよう。太陽光発電や風力発電などの再生可能エネルギが注目を浴びているが、その発電量が天候や季節によって大きく影響を受けるため電力の安定供給が見込めず、発電量に対応した蓄電技術の開発が早急の課題となっている。既存の蓄電技術である鉛蓄電池、リチウムイオン電池などでは、小規模の電力レベルでは対応可能であっても電力レベルが上がるにつれてエネルギ貯蔵密度の低さ(石炭、石油に比べて2桁低い)やレアメタル使用量の点から課題が残り、大きな展開は望めそうにない。   Where alternative power supply sources are required to replace thermal power generation and nuclear power generation, hydroelectric power generation, which was once the main power supply, has become a problem with environmental destruction caused by dam construction, and is relatively efficient (approximately 70%) ) For pumped-storage power generation, it is difficult to be an immediate solution, especially in Japan, where the country is small and there are few geographically suitable areas, such as the need to provide two reservoirs, an upper adjustment pond and a lower adjustment pond, across a dam. There may be similar circumstances in foreign countries. Renewable energies such as solar power generation and wind power generation are attracting attention, but the amount of power generation is greatly affected by the weather and seasons, so stable power supply cannot be expected, and the development of power storage technology corresponding to the amount of power generation It is an urgent issue. With existing power storage technologies such as lead-acid batteries and lithium-ion batteries, the energy storage density is low (two orders of magnitude lower than that of coal and oil) as the power level rises, even if small power levels are possible. Issues remain in terms of the amount of rare metal used, and no major development is likely.

燃料電池については、燃料となる水素の安全な貯蔵性の点からやはり大きな展開は望めず、加えて電池全般について言えることは、充・放電を繰り返すことによって経年変化し、効率が低下するため一定期間後には更新が必要となり、この際使用後の電池の処理にも課題が残る。将来的には、これらの問題点を排除した革新的な蓄電技術が必要となっている。これまで築き上げられたインフラを利用した生産活動や生活水準を維持するためには、結局、危険性はあるもののこれを承知の上で原子力発電に頼らざるを得ないのが当面の対応である。   As for fuel cells, we cannot expect a big development from the viewpoint of the safe storage of hydrogen as a fuel. In addition, what can be said about batteries in general is constant due to changes over time due to repeated charging and discharging, and efficiency decreases. Renewal is necessary after the period, and there remains a problem in processing the battery after use. In the future, innovative power storage technology that eliminates these problems will be required. In order to maintain the production activities and living standards using the infrastructure that has been built up to now, there is a danger in the end, but it is necessary to be aware of this and rely on nuclear power generation for the time being.

かかる状況を打開し、従来の火力発電や原子力発電に頼ることなく潤沢なエネルギ供給を実現するために、新規な発想に基づく大規模畜電技術に裏付けされた安定的なエネルギ供給源を確立することが世界的規模で求められている。本願発明者らは先に、それまで余り顧みられることがなかったアルミニウムを燃料とするエネルギ・サイクルの活用を提言した経緯があるが(「非特許文献1」参照。)、当時(平成8年)は未だ解決すべき課題も多く、またその実現性にも不透明な点もあって注目を浴びるまでには至らなかった。しかしながら本願発明者らはその後も地道な研究開発を続け、その過程で多くの課題解決を進めた結果、ようやくその実現可能性を確認できるまでに至ったものである。本願発明者らは、本発明が近未来にも予想される得るエネルギ危機と地球温暖化現象に同時に対処できる可能性を秘めた、地球の将来に向けての一筋の光明を与える極めて価値ある発明であるものと信ずる。   In order to overcome this situation and realize abundant energy supply without relying on conventional thermal power generation or nuclear power generation, establish a stable energy supply source supported by large-scale livestock electricity technology based on new ideas That is required on a global scale. The inventors of the present application have previously suggested that the energy cycle using aluminum as fuel, which has not been considered much before (see “Non-patent Document 1”), but at that time (1996) ) Still has many problems to be solved, and its feasibility is uncertain, so it has not been attracting attention. However, as a result of continuing steady research and development, the inventors of the present application have solved many problems in the process, and as a result, have finally been able to confirm its feasibility. The inventors of the present invention are extremely valuable inventions that give a single light toward the future of the earth, with the possibility that the present invention can simultaneously cope with the energy crisis and global warming phenomenon that can be expected in the near future. I believe that.

まず、本願発明の主体となるアルミニウムについての概要を述べる。アルミニウムは、地殻表面に豊富に存在する元素であり、その構成を重量比で表すクラーク数では、酸素(46.4)、ケイ素(28.15)に次いで3番目に多い8.23であり、この値は他の有力な元素である鉄(5.63)、カルシウム(4.15)、ナトリウム(2.63)などよりも多い。また、アルミニウムの酸化物であるアルミナ(Al)の大陸性地殻に占める平均化学組成は、二酸化ケイ素の59,8%に次いで2番目に多い15.5%を占め、これは酸化カルシウム(6.4%)、酸化鉄(5.1%)を上回る。すなわちアルミニウムは、地球表面のどこにでも、ごく普通に存在している元素であると言うことができる。 First, an outline of aluminum which is the main body of the present invention will be described. Aluminum is an element abundantly present on the surface of the earth's crust, and its Clark number, which expresses its composition by weight ratio, is 8.23, the third largest after oxygen (46.4) and silicon (28.15), This value is higher than other influential elements such as iron (5.63), calcium (4.15), sodium (2.63) and the like. In addition, the average chemical composition in the continental crust of alumina (Al 2 O 3 ), which is an oxide of aluminum, accounts for 15.5%, the second largest after 59,8% of silicon dioxide, which is calcium oxide. (6.4%), exceeding iron oxide (5.1%). In other words, it can be said that aluminum is an element that is usually present everywhere on the earth's surface.

アルミニウムの人類に対する貢献は、19世紀初頭のアルミナの発見に始まる。アルミナにおけるアルミニウムと酸素の結合は強固であり、アルミナを還元してアルミニウムを単離するのに当初はカリウム、ナトリウムなどが用いられたが、最終的に1886年になって電気分解により還元するホール・エルー法が見出され、これが現在でもアルミニウム精錬方法の主力となっている。具体的には、アルミナを多く含む鉱石であるボーキサイトから水酸化ナトリウムなどを利用してアルミナを抽出し(バイヤー法)、このアルミナを氷晶石(Ga3AlF6)を用いた電解浴(2,300K)で溶融、炭素電極を用いた電気分解でアルミニウムを精錬する。
Al+3C→2Al+3CO
Al+3/2C→2Al+3/2CO
Aluminum's contribution to mankind begins with the discovery of alumina in the early 19th century. The bond between aluminum and oxygen in alumina is strong, and potassium, sodium, etc. were originally used to reduce the alumina and isolate the aluminum.・ Eru method was found, and this is still the mainstay of aluminum refining method. Specifically, alumina is extracted from bauxite, which is an ore rich in alumina, using sodium hydroxide or the like (Bayer method), and the alumina is an electrolytic bath (2,300K) using cryolite (Ga3AlF6). Aluminum is refined by electrolysis using a carbon electrode.
Al 2 O 3 + 3C → 2Al + 3CO
Al 2 O 3 + 3 / 2C → 2Al + 3 / 2CO 2

バイヤー法、ホール・エルー法については既に確立された技術であり、詳細説明は省略するが、上記化学式からも明らかなように還元作用に必要な炭素電極を用いることから一酸化炭素、二酸化炭素などの温室効果ガスを大量に発生させる原因となる。また、上記電気分解にはアルミニウムと酸素との強固な結合を分離するための多量な電力の消費を余儀なくされ(アルミニウム1トン生産するための消費電力:13,000〜14,000kWh)、アルミニウムが俗に「電気の塊」と称せられる所以である。   The Buyer method and the Hall-Eleu method are already established technologies and will not be described in detail. However, as is clear from the above chemical formula, the carbon electrode necessary for the reduction action is used, so carbon monoxide, carbon dioxide, etc. Cause a large amount of greenhouse gases. In addition, the electrolysis requires consumption of a large amount of power for separating a strong bond between aluminum and oxygen (power consumption for producing 1 ton of aluminum: 13,000 to 14,000 kWh). This is why it is commonly referred to as the “bulk of electricity”.

現在でもアルミニウム精錬(アルミナの還元)にはホール・エルー法が主力となっており、各種技術改善が見られるものの(例えば「特許文献1」参照。)、多量の電力の消費と温室効果ガスの発生は避けることはできない。また近年では、ホール・エルー法に代わる直接炭素熱還元方法も提起されているが(例えば「特許文献2」、「特許文献3」参照。)、炭素を還元材として利用することに変わりがないため、温室効果ガスの発生は避けられない。   Even now, the Hall-Eleu method is the mainstay for aluminum refining (reduction of alumina), and although various technical improvements are seen (see, for example, “Patent Document 1”), a large amount of electricity is consumed and greenhouse gases are consumed. Occurrence cannot be avoided. In recent years, direct carbothermic reduction methods have been proposed in place of the Hall-Eleu method (see, for example, “Patent Document 2” and “Patent Document 3”), but there is no change in using carbon as a reducing material. Therefore, the generation of greenhouse gases is inevitable.

次に、アルミニウムのエネルギ資源(燃料)として捉えた場合のポテンシャルについて述べる。下の数値は各種材料のエネルギ貯蔵密度を比較したものであり、単位としてグラム当たりのキロジュール(kJ/g)と1立方センチメートル当たりのキロジュール(kJ/cm3)で示す。
材料 kJ/g kJ/cm3
アルミニウム 15.5 41.9
石炭 41.3 57.8
石油 60.4 47.2
LNG 76.9 33.7
水素(100MPa) 0.60 0.05
鉛蓄電池 0.13 0.29
リチウムイオン電池 0.36 0.9
Next, the potential when viewed as an energy resource (fuel) of aluminum will be described. Figures below are a comparison of the energy storage density of various materials, shown in kilojoules per gram units (kJ / g) and kilojoules per cubic centimeter (kJ / cm 3).
Material kJ / g kJ / cm 3
Aluminum 15.5 41.9
Coal 41.3 57.8
Petroleum 60.4 47.2
LNG 76.9 33.7
Hydrogen (100MPa) 0.60 0.05
Lead-acid battery 0.13 0.29
Lithium ion battery 0.36 0.9

アルミニウムは燃焼(酸化)する際に高熱量を発生する。以上の比較からも明らかなように、体積当たりで比較した場合、アルミニウムのエネルギ貯蔵密度は、石炭に対してはやや劣るものの石油には拮抗しており、LNGよりも高い。また、水素、電池などとは比較にならないほど高い。すなわち、アルミニウムは、その貯蔵、搬送において石炭、石油と比べても遜色のない特徴を備えていると言える。さらに加えてアルミニウムの優れた点は、その表面が空気に触れて酸化されてもその酸化被膜が強固であることから、内部はアルミニウムのままで保たれることである。石炭、石油が貯蔵の間に変質、揮発するなどにより潜在エネルギが減退するのに対し、アルミニウムは長期の貯蔵、備蓄にも十分に耐えられるものとなる。   Aluminum generates a high amount of heat when burned (oxidized). As is clear from the above comparison, when compared per volume, the energy storage density of aluminum is slightly inferior to coal, but antagonizes oil and is higher than LNG. Moreover, it is so high that it cannot be compared with hydrogen or a battery. In other words, it can be said that aluminum has characteristics comparable to those of coal and oil in storage and transportation. In addition, an excellent point of aluminum is that, even if the surface is oxidized by exposure to air, the oxide film is strong, so that the inside is kept as aluminum. While the potential energy declines due to coal and oil being altered and volatilized during storage, aluminum can withstand long-term storage and stockpiling.

特表2005−536637号公報JP 2005-536637 A 米国特許第6440193号明細書US Pat. No. 6,440,193 特開2006−519921号公報JP 2006-519921 A

財団法人エネルギー総合工学研究所「平成7年度 低排煙燃焼炉技術開発可能性検討調査報告書(通商産業省資源エネルギー庁委託調査)」Research Institute for Energy Engineering, “Study Report on Feasibility Study on Development of Low Smoke Reactor Technology (FY1995 Commissioned by the Agency for Natural Resources and Energy)”

本願発明者らは、以上の通りアルミニウムが備える「エネルギ資源(燃料)」としての潜在能力に着目し、アルミニウムの燃焼を制御してエネルギを取り出す技術を確立し、アルミニウムを「燃料」として利用可能にすること、さらには、アルミニウムを精錬し、貯蔵し、燃焼し、回収して再生することにより、アルミニウムを「燃料」として用いたエネルギ循環サイクルを構築可能にすることを目的としている。特にアルミニウムの精錬工程においては、現在のホール・エルー法に代わる低エネルギでかつ温室効果ガス等の環境、人体に悪影響のある排ガスの発生のないアルミナ還元技術を提供すること、そしてアルミニウムの燃焼行程においては、爆発的なアルミニウムの燃焼を制御し、エネルギとして有効に取出し得るアルミニウム定常燃焼技術を提供することを目的としている。   The inventors of the present application pay attention to the potential as an “energy resource (fuel)” of aluminum as described above, establish a technology to extract energy by controlling the combustion of aluminum, and can use aluminum as “fuel” Furthermore, it aims at making it possible to construct an energy circulation cycle using aluminum as “fuel” by refining, storing, burning, recovering and regenerating aluminum. In particular, in the aluminum refining process, the provision of alumina reduction technology that does not generate exhaust gas that has a low energy and an adverse effect on the human body, such as low-energy environments and greenhouse gases, in place of the current Hall Elle method, and the aluminum combustion process The purpose of the present invention is to provide an aluminum steady-state combustion technique that can control explosive combustion of aluminum and effectively extract it as energy.

本発明は、アルミニウム燃焼時に関してはアルミニウム燃焼装置の燃焼室内に導入されるアルミニウム、酸素の量を制御して定常燃焼を実現することにより、またアルミナ還元に関してはレーザプラズマ技術と超音速凍結流を用いてアルミニウムを単離することにより上記課題を解決するもので、具体的には以下の内容を含む。   The present invention achieves steady combustion by controlling the amount of aluminum and oxygen introduced into the combustion chamber of an aluminum combustion device when aluminum is burned, and also uses laser plasma technology and supersonic freezing flow for alumina reduction. It solves the above-mentioned problems by isolating aluminum by using, and specifically includes the following contents.

すなわち、本発明に係る1つの態様は、アルミニウムを燃焼させ、燃焼により発生するエネルギを取り出して活用する、アルミニウムを燃料として利用する方法であって、アルミニウムの粉末と酸素を燃焼室内に導入してアルミニウムを燃焼させ、その際、燃焼速度を制御してこれを定常燃焼とし、定常燃焼により生ずるエネルギを燃焼室から取り出して活用することを特徴とする、アルミニウムを燃料として利用する方法に関する。   That is, one aspect of the present invention is a method of using aluminum as a fuel by burning aluminum and taking out and utilizing the energy generated by the combustion, and introducing aluminum powder and oxygen into the combustion chamber. The present invention relates to a method of using aluminum as a fuel, characterized in that aluminum is burned, the combustion speed is controlled to make it a steady combustion, and the energy generated by the steady combustion is taken out from the combustion chamber and utilized.

前記アルミニウムを定常燃焼させるステップにおいては、燃焼室内に導入される粉末アルミニウムの量、酸素の量のいずれか一方もしくは双方を制御することによりアルミニウムの燃焼速度を制御することができる。   In the step of constantly burning aluminum, the burning rate of aluminum can be controlled by controlling one or both of the amount of powdered aluminum introduced into the combustion chamber and the amount of oxygen.

前記燃焼室内に導入されるアルミニウムの粉末の量の制御は、該粉末を燃焼室内に導入するためのキャリアガスの噴流によって巻き込まれるアルミニウムの粉末の量を制御すること、またはアルミニウムの粉末に混合される不純物の量を制御することによって行うことができる。この際、前記不純物としてアルミナの粉末を利用することができる。   The amount of aluminum powder introduced into the combustion chamber is controlled by controlling the amount of aluminum powder entrained by a jet of carrier gas for introducing the powder into the combustion chamber, or mixed with the aluminum powder. This can be done by controlling the amount of impurities. At this time, alumina powder can be used as the impurity.

前記燃焼室内に導入される酸素の量の制御は、酸素に加えて同時に導入される希釈ガスの量との混合比率を制御することによって行うことができる。   The amount of oxygen introduced into the combustion chamber can be controlled by controlling the mixing ratio with the amount of dilution gas introduced simultaneously with oxygen.

前記定常燃焼の際に生ずる熱量を取り出すステップは、燃焼ガスによりガスタービン、蒸気タービンのいずれか一方もしくは双方を駆動するよう構成することができる。これにより、アルミニウムの燃焼によって得られるエネルギを発電に利用すること、あるいは動力として利用することができる。   The step of extracting the amount of heat generated during the steady combustion can be configured to drive either one or both of the gas turbine and the steam turbine with the combustion gas. Thereby, the energy obtained by burning aluminum can be used for power generation or used as power.

前記アルミニウムを燃料として利用する方法は、前記アルミニウムを定常燃焼させるステップの前に、アルミナを還元してアルミニウムを生成するアルミナ還元のステップ、もしくはアルミニウム廃材を処理してアルミニウムの粉末に再生させるアルミニウム再生のステップのいずれかをさらに加えてもよい。   The method of using the aluminum as a fuel includes an alumina reduction step of reducing the alumina to produce aluminum before the step of steady burning the aluminum, or an aluminum regeneration in which the aluminum waste material is treated and regenerated into aluminum powder. Any one of these steps may be further added.

前記アルミナ還元のステップでは、アルミナ粉末をレーザ光などの加熱手段により加熱してアルミナをプラズマ状態としてアルミニウムと酸素を分離し、これを超音速で噴出して凍結流とすることによりアルミニウムを単離することができる。この際、前記作動ガス中に水素を加え、水素の作用によりアルミナの還元を促進することもできる。   In the alumina reduction step, the alumina powder is heated by a heating means such as a laser beam to separate the aluminum and oxygen by making the alumina into a plasma state, and this is spouted at a supersonic speed to isolate the aluminum. can do. At this time, hydrogen can be added to the working gas, and the reduction of alumina can be promoted by the action of hydrogen.

前記アルミナ還元のステップもしくはアルミニウム再生のステップの後、前記アルミニウムの定常燃焼のステップの前に、アルミナ還元もしくはアルミニウム再生によって得られたアルミニウムの粉末を輸送し、貯蔵し、備蓄するいずれかのステップをさら加えることができる。また、前記定常燃焼の際に生ずるエネルギを取り出すステップの後に、アルミニウムの定常燃焼によって生じたアルミナを回収するステップをさらに加えることができる。このステップで回収されたアルミナは、前記アルミナ還元のステップでリサイクル使用することができる。また、これらのステップを加えることによって、アルミニウムを利用したエネルギ・サイクルを構築することができる。   After the alumina reduction step or the aluminum regeneration step, before the steady combustion step of the aluminum, any step of transporting, storing and stocking the aluminum powder obtained by the alumina reduction or aluminum regeneration is performed. You can add more. Further, after the step of taking out the energy generated during the steady combustion, a step of recovering the alumina generated by the steady combustion of aluminum can be further added. The alumina recovered in this step can be recycled for use in the alumina reduction step. Also, by adding these steps, an energy cycle utilizing aluminum can be constructed.

本発明の実施により、アルミニウムを燃料としてこれを燃焼して得られるエネルギを有効活用することが可能になり、例えば発電に利用した場合には温室効果ガスを排出することなく、また他の再生エネルギのように天候に左右されることなく、安定した電力を供給できるようになる。また、アルミニウムは燃焼後に回収して再利用することができ、さらに安定して長期間の貯蓄が可能となることなど、将来のエネルギ危機に対応した有力なエネルギ資源の候補を提供するものとなる。   By implementing the present invention, it is possible to effectively use energy obtained by burning aluminum as fuel. For example, when it is used for power generation, it does not emit greenhouse gas and other renewable energy. Thus, stable power can be supplied without being affected by the weather. In addition, aluminum can be recovered and reused after combustion, and more stable and long-term storage is possible, providing a potential energy resource candidate for the future energy crisis. .

本発明の実施の形態に係るアルミエネルギ・サイクルの概要を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline | summary of the aluminum energy cycle which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態に係るアルミニウムの定常燃焼させる装置の概略図である。It is the schematic of the apparatus which carries out the steady combustion of the aluminum which concerns on other embodiment of this invention. アルミニウムを燃焼させて発電するコンバインド発電装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the combined electric power generating apparatus which burns aluminum and generates electric power. 本発明のさらに他の実施の形態に係るアルミニウムの還元方法の概要を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline | summary of the reduction | restoration method of aluminum which concerns on other embodiment of this invention.

本発明の第1の実施の形態に係る、アルミニウムを燃料として利用する方法を含み、アルミニウムを循環させてエネルギを生成する新規なエネルギ循環方法(以下、「アルミエネルギ・サイクル」とも呼ぶ。)について、図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係るアルミニウムを用いたアルミエネルギ・サイクルの全体概要を示している。同図において、ステップ(図面では「S」と略。)0では、アルミニウム含有鉱石(ボーキサイトなど)からアルミナ(酸化アルミニウム)を抽出する工程であり、これは従来技術(例えば、バイヤー法)によるものでよい。   About the novel energy circulation method (henceforth an "aluminum energy cycle") which produces | generates energy by circulating aluminum, including the method of using aluminum as a fuel according to the first embodiment of the present invention. This will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an overall outline of an aluminum energy cycle using aluminum according to the present embodiment. In the figure, step (abbreviated as “S” in the drawing) 0 is a process of extracting alumina (aluminum oxide) from an aluminum-containing ore (bauxite, etc.), which is based on the prior art (for example, the buyer method). It's okay.

ステップ1では、アルミナを還元してアルミニウムを抽出する。本発明で使用する燃料としてのアルミニウムは、工業用アルミニウムを精錬する際のような例えば99.9%等の高純度のアルミニウムとする必要はなく、不純物となるアルミナもしくはその他の要素を一定の限度で含んでいてもよい。ここでは、従来技術によるホール・エルー法によるアルミナ還元であってもよく、あるいは後述するような(第3の実施の形態)、本発明に関連した新規なアルミナ還元方法が利用されてもよい。アルミナ還元のためには電力を消費することから、このステップは電力料金の安い地域で実施されることが好ましい。例えば、年間を通じて太陽の照射時間が長く、天候の変化が少ない地域を選んで大々的なソーラ発電施設を整え、そこで発電した電力を用いてアルミナ還元を実施すれば、得られたアルミニウムを燃料して出荷することで、従来の「産油国」に比肩し得る「産エネルギ国(地域)」となる可能性を含む。 In step 1, alumina is reduced to extract aluminum. Aluminum used as a fuel in the present invention does not have to be high-purity aluminum such as 99.9% as in the case of refining industrial aluminum, and impurities or alumina or other elements are limited to a certain limit. May be included. Here, alumina reduction by the Hall-Eleu method according to the prior art may be used, or a novel alumina reduction method related to the present invention as described later (third embodiment) may be used. Since power is consumed for the reduction of alumina, this step is preferably carried out in an area where the electricity charge is low. For example, if a solar power generation facility is prepared by selecting an area where the sun's irradiation time is long and the weather changes little throughout the year, and alumina reduction is performed using the power generated there, the obtained aluminum will be fueled. It includes the possibility of becoming an “energy producing country (region)” that can be compared to the conventional “oil producing country” by shipping.

次に、ステップ2では、ステップ1で得られたアルミニウムを「燃料(エネルギ源)」としてエネルギの必要となる地域(国)へ搬送し、貯蔵するステップである。アルミニウムは表面に酸化被膜を形成してこれが内部を保護するため、その後は状態が安定となって貯蔵は容易である。さらに、従来の化石燃料と比較した場合、貯蔵に伴う変質、揮発による減少、異臭の発生などはなく、長期貯蔵(備蓄)にも適している。この状態にあるアルミニウムは「アルミ燃料」と呼ぶこともでき、エネルギ資源と捉えることができる。なお、紛体を扱う場合には常に粉塵爆発を防ぐという共通課題がある。このため、貯蔵量、温度、湿度等の管理を行う必要はあるが、例えばマグネシウムのように水を掛けるだけで発火する材料とは異なり、アルミニウムは安定状態にあるため危険度は相対的に高くはない。   Next, in step 2, the aluminum obtained in step 1 is transported to an area (country) where energy is required as “fuel (energy source)” and stored. Aluminum forms an oxide film on the surface and protects the inside, so that the state becomes stable thereafter and storage is easy. Furthermore, when compared with conventional fossil fuels, there are no alterations due to storage, no reduction due to volatilization, and no off-flavors, and it is suitable for long-term storage (stockpile). Aluminum in this state can be called “aluminum fuel” and can be regarded as an energy resource. When handling powder, there is always a common problem of preventing dust explosions. For this reason, it is necessary to manage the storage amount, temperature, humidity, etc., but unlike materials that ignite simply by watering, such as magnesium, aluminum is in a stable state, so the risk is relatively high. There is no.

次いでステップ3では、ステップ2で貯蔵されたアルミ燃料を燃焼させ、エネルギを取り出す。アルミニウムの燃焼は爆発的であることが知られており、このため従来技術においてはエネルギの取り出しが困難であった。アルミニウムが照明弾や閃光弾などの火薬、あるいは爆発による急膨張を利用してロケットエンジンなどに使用される例はあるが、アルミニウムをエネルギ資源もしくは燃料としてこれを定常燃焼させて有効活用するという発想はされていなかった。本発明では、アルミニウム燃焼時における燃焼速度を制御し、定常状態で燃焼させることでエネルギの有効な取り出しを可能にしたものであり、これに関しては次の第2の実施の形態で詳述する。このステップ3において、アルミニウムは燃焼により酸化されてアルミナ(酸化アルミニウム)に戻る。   Next, in step 3, the aluminum fuel stored in step 2 is burned to extract energy. The combustion of aluminum is known to be explosive, which makes it difficult to extract energy in the prior art. There are examples of aluminum being used in rocket engines, etc., using explosives such as light bullets and flash bullets, or rapid expansion due to explosions, but the idea of using aluminum as an energy resource or fuel for steady combustion and effective use Was not. In the present invention, the combustion speed during aluminum combustion is controlled and combustion is performed in a steady state to enable effective extraction of energy. This will be described in detail in the second embodiment. In this step 3, aluminum is oxidized by combustion and returns to alumina (aluminum oxide).

次にステップ4では、燃焼後のアルミナを回収する。アルミナの融点は2,300Kであり、例えば溶融したアルミナを含む燃焼ガスがガスタービンや蒸気タービンを駆動するなどで有効利用された後に冷却され、塵状となって固化したアルミナをフィルタ等を利用して回収することができる。燃焼ガスに含まれる他の成分は酸素とキャリアガスもしくは希釈ガスとして使用されたアルゴンなどの不活性ガスのみであり、環境や人体に有害となる物質は含まれない。回収されたアルミナは集めて搬送され、図示のようにステップ1の「アルミナの還元」ステップに戻すことができる。以上により、アルミニウムを介在させてステップ1〜ステップ4を循環させる「アルミエネルギ・サイクル」が構成される。   Next, in step 4, the alumina after combustion is recovered. The melting point of alumina is 2,300K. For example, the combustion gas containing molten alumina is cooled after it is effectively used to drive a gas turbine or a steam turbine, and then the alumina solidified as dust is solidified using a filter. And can be recovered. The other components contained in the combustion gas are only oxygen and an inert gas such as argon used as a carrier gas or a diluent gas, and do not contain substances that are harmful to the environment or the human body. The recovered alumina can be collected and transported and returned to the “reduction of alumina” step of step 1 as shown. As described above, an “aluminum energy cycle” in which steps 1 to 4 are circulated with aluminum interposed therebetween is configured.

ステップ5は、アルミナの還元を必要とせず、もしくはこれに加えて再生アルミニウムを燃料として使用する工程を示している。アルミニウムは工業製品、建築材料、飲料用缶などとして既に市場に大量に出回っており、これらを回収してアルミニウムを再生することが現在でも行われている。このアルミニウムの再生技術によれば、ステップ1に示す従来のアルミナの還元方法(ホール・エルー法)に比べて電力消費量は僅か3%ほどで済むといわれ、市場のアルミニウムを回収してアルミ燃料に再生できれば、エネルギ資源として極めて重要な役割を果たすものとなる。なお、図1に示すフローでは、ステップ5のアルミニウムの再生をステップ3のアルミニウムの燃焼につなげているが、これをステップ2のアルミニウムの搬送・貯蔵に結ぶことであってもよい。   Step 5 shows the process of using regenerated aluminum as a fuel without or requiring the reduction of alumina. Aluminum is already on the market in large quantities as industrial products, building materials, beverage cans, etc., and it is still practiced to recover these and regenerate aluminum. According to this aluminum regeneration technology, it is said that the power consumption is only about 3% compared to the conventional alumina reduction method (Hall-Eleu method) shown in Step 1. If it can be regenerated, it will play an extremely important role as an energy resource. In the flow shown in FIG. 1, the regeneration of aluminum in step 5 is connected to the combustion of aluminum in step 3, but this may be connected to the transportation and storage of aluminum in step 2.

以上に示すアルミニウムを利用してエネルギを取り出す方法、さらにはアルミニウムを燃焼し、回収し、還元し、再利用を図るアルミエネルギ・サイクル全体を、従来技術によるエネルギ生成方法と比較した場合の顕著な利点をまとめ直せば、以下のようである。
1.燃料となるアルミニウムは資源として豊富であり、再生アルミニウムの利用も可能である。これまで石炭、石油、LNGなどの資源は地球上に偏在していたが、アルミナ精錬技術があるかぎり、どの国も「エネルギ産出国」となる可能性を含む。また、これも偏在するリチウムなどの希少金属を必要としない。
2.アルミニウムは再生利用が可能であり、この点で、他の化石燃料とは根本的に相違する。
3.アルミニウムは表面に酸化被膜が形成され、内部が保護されて安定しているため、貯蔵が容易である。他の化石燃料のように変質、揮発するような現象はない。このため、備蓄にも適している。
4.アルミニウムの利用により、電力供給を安定させることができる。太陽光発電や風力発電などの他の再生可能エネルギは天候等の自然現象の影響を受けやすく、電力供給量が変動するのに対し、アルミニウムを燃料とする場合には需要量に対応した適切な量の電力を随時供給できるものとなる。このため、電池などの蓄電設備を必ずしも必要としない。
5.アルミニウムは燃料として無害であり、環境を汚染することがない。放射能とは無縁であり、原子力発電とは根本的に相違する。また、燃焼の結果生成されるのは酸化アルミニウムという無害な安定物質であり、この点で温室効果ガスを大量発生させる化石燃料とは相違するほか、鉛やリチウムなどの有害物質を利用する蓄電技術とも相違する。
The method of extracting energy using aluminum as described above, and also the entire aluminum energy cycle that burns, recovers, reduces, and reuses aluminum is remarkable when compared with the conventional energy generation method. The advantages are summarized as follows.
1. Aluminum as a fuel is abundant as a resource, and recycled aluminum can also be used. Until now, resources such as coal, oil, and LNG have been unevenly distributed on the earth, but as long as there is alumina refining technology, there is a possibility that any country will become an “energy producing country”. This also does not require a rare metal such as lithium, which is unevenly distributed.
2. Aluminum is recyclable and is fundamentally different from other fossil fuels in this respect.
3. Aluminum is easy to store because it has an oxide film on its surface and the interior is protected and stable. Unlike other fossil fuels, there is no phenomenon of alteration or volatilization. For this reason, it is also suitable for stockpiling.
4). By using aluminum, the power supply can be stabilized. Other renewable energies, such as solar power and wind power, are susceptible to natural phenomena such as the weather and the power supply fluctuates, while when using aluminum as fuel, it is appropriate to meet the demand. An amount of power can be supplied at any time. For this reason, power storage equipment such as a battery is not necessarily required.
5). Aluminum is harmless as a fuel and does not pollute the environment. It has nothing to do with radioactivity and is fundamentally different from nuclear power generation. The result of combustion is an innocuous stable substance called aluminum oxide. In this respect, it is different from fossil fuels that generate large amounts of greenhouse gases, as well as power storage technology that uses harmful substances such as lead and lithium. It is also different.

以上、本実施の形態に係る「アルミエネルギ・サイクル」の全体概要を説明したが、これはアルミニウムを循環させてエネルギ資源として有効活用することを趣旨とする本発明の基本概念を示すものである。しかしながら、図1に示すステップ0〜5までの要素の全てが必ずしも本願発明の必須の要素となるものではない。本発明のコア部分はステップ3の「アルミニウムの定常燃焼」にあり、その他の要素はこれに付随した構成要素と見ることができる。例えば、ステップ1のアルミナの還元は、課題があるとはいえ既に確立されたホール・エルー法によるもののほか、その他の還元技術がみられるところであり、これらの技術により還元して得られたアルミニウムをステップ3のアルミニウムの定常燃焼に利用することでもよい。また、ステップ2のアルミニウムの搬送、貯蔵の工程は、アルミナ還元とアルミニウム燃焼とを別の国、地域で行うことを前提とする場合、もしくはアルミニウムを燃料として備蓄する場合に必要となる要素であり、アルミナの還元とアルミニウムの定常燃焼とを一貫して行う場合には必ずしも必要とされない。   The overall outline of the “aluminum energy cycle” according to the present embodiment has been described above, but this shows the basic concept of the present invention, which is intended to effectively utilize aluminum as an energy resource by circulating aluminum. . However, not all the elements from Step 0 to Step 5 shown in FIG. 1 are necessarily essential elements of the present invention. The core part of the present invention is in the “steady combustion of aluminum” in step 3 and the other elements can be viewed as the components associated therewith. For example, the reduction of alumina in step 1 is not limited to the already established Hall-Eleu method, although there are problems, and other reduction technologies are seen. Aluminum obtained by reduction using these technologies can be reduced. It may be used for the steady combustion of aluminum in Step 3. In addition, the aluminum transport and storage process in Step 2 is an element required when it is assumed that alumina reduction and aluminum combustion are performed in different countries and regions, or when aluminum is stored as fuel. It is not always necessary when the reduction of alumina and the steady combustion of aluminum are performed consistently.

さらに、ステップ4のアルミナの回収は、本実施の形態に係るアルミエネルギ・サイクルを実施するための要素ではあっても、ここで燃焼後に発生したアルミナは回収することなく、既に地表に多量に分布するアルミニウム含有成分の一部となるよう廃棄されてもよい。燃焼ガスに含まれる他の成分である酸素、作動ガス(不活性ガス)と同様にアルミナは環境、人体に無害であり、基本的にそのまま大気中に放出されても問題となるものではない。   Further, even though the recovery of alumina in step 4 is an element for carrying out the aluminum energy cycle according to the present embodiment, the alumina generated after combustion is not recovered here, and is already distributed in large quantities on the ground surface. May be discarded as part of the aluminum-containing component. Like oxygen and working gas (inert gas) which are other components contained in the combustion gas, alumina is harmless to the environment and the human body, and basically it does not pose a problem even if it is released into the atmosphere as it is.

これまでアルミニウムをエネルギ資源、もしくは燃料として捉えた技術は非常に限定されたものであり、特にはアルミニウムの燃焼は爆発的な燃焼ではなく、定常燃焼としてエネルギを得ることは新規の技術的思想であり、同時にアルミニウムを燃焼し、回収し、還元し、再利用を図るアルミエネルギ・サイクル全体も同じく新規な技術的思想である。しかもこれらは、産業上極めて有効に利用することができる新規な技術的思想であると言える。   Until now, the technology that captured aluminum as an energy resource or fuel has been very limited. In particular, combustion of aluminum is not explosive combustion, and obtaining energy as steady combustion is a new technical idea. At the same time, the entire aluminum energy cycle that burns, recovers, reduces, and reuses aluminum is also a new technical idea. Moreover, it can be said that these are novel technical ideas that can be used very effectively in the industry.

次に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照して説明する。ここでは、図1に示すアルミエネルギ・サイクルの内、二重枠で示すステップ3の「アルミニウム燃焼」技術に関する。既述したように、アルミニウムの燃焼は爆発的であり、これから有効なエネルギとして取り出すには燃焼速度を制御して定常状態での燃焼(以下、本明細書ではこれを「定常燃焼」と言う。)としなければならない。「定常燃焼」とは「爆発的な燃焼(非定常燃焼)」の対極となるもので、燃焼速度が制御可能な状態におかれ、しかもその状態での燃焼を一定時間に亘って継続し得る燃焼をいう。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, it relates to the “aluminum combustion” technique of Step 3 indicated by a double frame in the aluminum energy cycle shown in FIG. As described above, the combustion of aluminum is explosive, and in order to extract it as effective energy, combustion in a steady state by controlling the combustion speed (hereinafter referred to as “steady combustion” in this specification). ) Must be. “Steady combustion” is the counter electrode of “explosive combustion (unsteady combustion)”. The combustion speed can be controlled and combustion in that state can be continued for a certain period of time. Refers to combustion.

図2は、アルミニウムの定常燃焼を可能とするアルミニウム燃焼装置1の一例を示している。図2において、アルミニウム燃焼装置1は、アルミニウム供給部10と、アルミニウム燃焼部30とから主に構成されている。この内、まずアルミ燃料供給部10は、適量のアルミニウムの粉末(以下、「アルミ燃料」ともいう。)5をアルミニウム燃焼部30へ供給するもので、下からターンテーブル11と、ターンテーブル11の上に載置されたアルミ燃料5を入れる燃料容器12と、燃料容器12内にアルミ燃料5を供給する燃料放出管13と、燃料容器12内からアルミ燃料5を取り出す燃料供給管14と、アルミ燃料5を取り出して搬送するためのキャリアガスを供給するキャリアガス供給管16とから構成されている。   FIG. 2 shows an example of an aluminum combustion apparatus 1 that enables steady combustion of aluminum. In FIG. 2, the aluminum combustion apparatus 1 is mainly composed of an aluminum supply unit 10 and an aluminum combustion unit 30. Among them, the aluminum fuel supply unit 10 supplies an appropriate amount of aluminum powder (hereinafter also referred to as “aluminum fuel”) 5 to the aluminum combustion unit 30, and the turntable 11 and the turntable 11 are arranged from below. A fuel container 12 for placing the aluminum fuel 5 placed thereon, a fuel discharge pipe 13 for supplying the aluminum fuel 5 into the fuel container 12, a fuel supply pipe 14 for taking out the aluminum fuel 5 from the fuel container 12, and aluminum The carrier gas supply pipe 16 supplies a carrier gas for taking out and transporting the fuel 5.

ターンテーブル11はモータ17によって回転駆動されるが、この回転数は図示しない制御装置によって制御可能である。燃料容器12には、燃料放出管13からアルミ燃料5が適宜放出される。例えば、燃料放出管13の先端にセンサ(図示せず)を取り付け、燃料容器12内のアルミ燃料5のレベルを検出してこれを一定のレベルに保つよう供給が可能である。なお、燃料放出管13に対しては逐次アルミ燃料5が上方から補充可能である。燃料供給管14とキャリアガス供給管16とは図示の例では二重管構造となっており、外周にあるキャリアガス供給管16を通ってアルゴン、ヘリウムなどのキャリアガスが上方から下方に向けて供給可能である。二重管は燃料容器12内でアルミ燃料5と接する高さ、もしくはその近傍にあり、キャリアガスの圧力によって巻き込まれたアルミ燃料5がキャリアガスと共に燃料供給管14の内部を下方から上方に向かって押し出され、さらに連結管20を通ってアルミニウム燃焼部30へと送られる。   The turntable 11 is rotationally driven by a motor 17, and the number of rotations can be controlled by a control device (not shown). The aluminum fuel 5 is appropriately discharged from the fuel discharge pipe 13 into the fuel container 12. For example, a sensor (not shown) can be attached to the tip of the fuel discharge pipe 13, and the level of the aluminum fuel 5 in the fuel container 12 can be detected and supplied to keep it at a constant level. The fuel discharge pipe 13 can be replenished with the aluminum fuel 5 from above. The fuel supply pipe 14 and the carrier gas supply pipe 16 have a double-pipe structure in the illustrated example, and carrier gas such as argon and helium is directed downward from above through the carrier gas supply pipe 16 on the outer periphery. It can be supplied. The double pipe is at or near the height in contact with the aluminum fuel 5 in the fuel container 12, and the aluminum fuel 5 entrained by the pressure of the carrier gas moves from the lower side to the upper side inside the fuel supply pipe 14 together with the carrier gas. Then, it is pushed out and sent to the aluminum combustion section 30 through the connecting pipe 20.

一方、アルミニウム燃焼部30は、アルミニウム燃料5とキャリアガスが混ざった燃料混合ガスを燃焼室40内に放出する燃料ノズル31と、その周囲から主に酸素を供給する二重管構造となった酸素供給管32と、ここではトーチ火炎を使用してアルミ燃料5に点火する点火機構33とから構成されている。酸素供給管32は、図示しない外部の酸素供給源に接続されている。なお、図面では二重管構造となったノズルを1つのみ描いているが、同様な構造の小型ノズルを多数配置するよう構成してもよい。   On the other hand, the aluminum combustion section 30 has a double-tube structure in which a fuel nozzle 31 that discharges a fuel mixed gas in which the aluminum fuel 5 and the carrier gas are mixed into the combustion chamber 40 and oxygen that mainly supplies oxygen from the surroundings. It is comprised from the supply pipe | tube 32 and the ignition mechanism 33 which ignites the aluminum fuel 5 using a torch flame here. The oxygen supply pipe 32 is connected to an external oxygen supply source (not shown). In the drawing, only one nozzle having a double tube structure is drawn, but a large number of small nozzles having the same structure may be arranged.

以上のように構成された本実施の形態に係るアルミ燃焼装置1の動作を、特には定常燃焼を実現するための制御対策と共に説明する。まず、アルミニウム供給部10の燃料放出管13から燃料容器12内にアルミ燃料5が放出され、モータ17によってターンテーブル11が回転駆動される。次にキャリアガス供給管16の上方から加圧されたキャリアガスが供給され、二重管の下端でキャリアガスの流れに巻き込まれたアルミ燃料5が燃料供給管14内に押し込まれ、その混合ガスが連結管20を通ってアルミニウム燃焼部30に供給される。アルミニウム燃焼部30では、酸素供給管32内に酸素が供給され、先のアルミ燃料5を含む燃料混合ガスと酸素とが混合された状態で点火機構33により点火され、アルミ燃料5の燃焼が開始される。その後は、次々に供給されるアルミ燃料5が燃焼し、高温、高圧ガスとなって燃焼室40から図の右方向にガイドされ、後述する発電用ガスタービン等のエネルギ生成装置に導かれる。   The operation of the aluminum combustion apparatus 1 according to the present embodiment configured as above will be described together with a control measure for realizing steady combustion in particular. First, the aluminum fuel 5 is discharged from the fuel discharge pipe 13 of the aluminum supply unit 10 into the fuel container 12, and the turntable 11 is rotationally driven by the motor 17. Next, pressurized carrier gas is supplied from above the carrier gas supply pipe 16, and the aluminum fuel 5 entrained in the flow of the carrier gas at the lower end of the double pipe is pushed into the fuel supply pipe 14, and the mixed gas. Is supplied to the aluminum combustion section 30 through the connecting pipe 20. In the aluminum combustion section 30, oxygen is supplied into the oxygen supply pipe 32 and is ignited by the ignition mechanism 33 in a state where the fuel mixed gas containing the aluminum fuel 5 and oxygen are mixed, and combustion of the aluminum fuel 5 starts. Is done. Thereafter, the aluminum fuel 5 supplied one after another burns, becomes high-temperature and high-pressure gas, is guided from the combustion chamber 40 to the right in the figure, and is led to an energy generating device such as a power generation gas turbine described later.

以上のような動作の間において、アルミニウムを爆発燃焼ではなく、制御された燃焼速度の定常燃焼を実現するため、以下のような制御手段を講ずることができる。
1.キャリアガス供給圧力の制御:キャリアガス供給管16の上流側に圧力調整弁を設け、キャリアガスの供給圧力を制御する。供給圧力の高低は、燃料供給管14内に巻き込まれるアルミ燃料5の量を増減させる。一例として、圧力は約100kPa〜1MPa、好ましくは約300〜600kPaにて制御する。
2.ターンテーブル11の回転数の制御:回転数を制御することによってキャリアガスによるアルミ燃料5の巻き込み量を制御することができる。あるいは、ターンテーブル11の代わりに該テーブルを上下移動可能に構成し、燃料容器12と燃料供給管14の下端の相対高さを制御してアルミ燃料5内への燃料供給管14の侵入深さを調整することでもよい。アルミ燃料5の供給量は供給酸素量に対して当量比で約0.2〜1.1、好ましくは約0.5〜0.8にて制御する。また、アルミ燃料5となるアルミニウムの粒子径は、約0.1〜30μm、好ましくは約1〜10μmとする。
3.アルミ燃料5に燃焼緩和効果のある要素を添加:一例として、アルミ燃料5を純粋なアルミニウム粒子のみとせず、一定の率でアルミナ粒子を加える。燃焼時の熱でアルミナが還元される際に一部のエネルギが吸収されて燃焼が定常燃焼となることを促進させる。アルミナの供給は、アルミ燃料に予め一定量を混ぜるか、あるいはアルミニウム供給部10に燃料放出管13と同様な放出管をもう一つ設け、必要なアルミナの放出量を制御して燃料容器12に供給することでもよい。アルミナ以外にも、他の燃焼緩和効果のある不純物、例えば水(水蒸気)を加えてもよい。
4.キャリアガスとアルミ燃料の混合ガスの供給量の制御:連結管20の途中に圧力調整弁を設け、スロットルのようにして混合ガスの供給量を制御する。
5.酸素供給管32内の酸素濃度の制御:酸素供給管32の上流側に切換弁34を設け、アルゴンなどの不活性ガスからなる希釈ガスを制御して酸素に混入させ、酸素濃度を希釈させる。酸素と希釈ガスとの体積割合は、酸素を酸素供給管32に規定量(アルミ燃料供給量に対して当量比で約0.2〜1.1、好ましくは約0.5〜0.8となるように制御)で投入した際に、希釈ガスと同程度の噴射圧力(100kPa〜1MPa、好ましくは300kPa〜600kPa)となるように混合する。
6.アルミニウム燃焼部の燃焼室温度の制御:アルミニウム燃焼部30においては,アルミニウムの自着火温度を超える温度に維持されており,燃焼室40の壁面はセラミックスなどの低熱伝導物質41で断熱されている.この断熱材41はアルミニウム燃焼によるふく射により高温に保たれており,安定燃焼に寄与する.また、酸素供給管32の上流側に熱交換部42を設け、燃焼器40で発生した熱の一部で供給酸素を加熱し、アルミ燃焼部の予熱に寄与する.一例として,アルミニウム燃焼部温度は約600K〜1200K,好ましくは約800K〜1000Kにて制御する.
During the operation as described above, the following control means can be taken in order to realize steady combustion at a controlled combustion speed, not aluminum explosion combustion.
1. Control of carrier gas supply pressure: A pressure adjusting valve is provided upstream of the carrier gas supply pipe 16 to control the supply pressure of the carrier gas. The level of the supply pressure increases or decreases the amount of the aluminum fuel 5 caught in the fuel supply pipe 14. As an example, the pressure is controlled at about 100 kPa to 1 MPa, preferably about 300 to 600 kPa.
2. Control of the rotational speed of the turntable 11: By controlling the rotational speed, the amount of aluminum fuel 5 entrained by the carrier gas can be controlled. Alternatively, instead of the turntable 11, the table is configured to be movable up and down, and the relative height of the lower ends of the fuel container 12 and the fuel supply pipe 14 is controlled to penetrate the fuel supply pipe 14 into the aluminum fuel 5. May be adjusted. The supply amount of the aluminum fuel 5 is controlled at an equivalent ratio of about 0.2 to 1.1, preferably about 0.5 to 0.8 with respect to the supply oxygen amount. Further, the particle diameter of aluminum used as the aluminum fuel 5 is about 0.1 to 30 μm, preferably about 1 to 10 μm.
3. Addition of an element having a combustion mitigating effect to the aluminum fuel 5: As an example, the aluminum fuel 5 is not limited to pure aluminum particles, but alumina particles are added at a constant rate. When alumina is reduced by heat at the time of combustion, part of the energy is absorbed and combustion is promoted to become steady combustion. For supplying alumina, a predetermined amount is mixed with aluminum fuel in advance, or another discharge pipe similar to the fuel discharge pipe 13 is provided in the aluminum supply section 10 to control the required discharge amount of alumina in the fuel container 12. It may be supplied. In addition to alumina, other impurities having an effect of mitigating combustion, such as water (water vapor), may be added.
4). Control of supply amount of mixed gas of carrier gas and aluminum fuel: A pressure adjusting valve is provided in the middle of the connecting pipe 20, and the supply amount of the mixed gas is controlled like a throttle.
5). Control of the oxygen concentration in the oxygen supply pipe 32: A switching valve 34 is provided upstream of the oxygen supply pipe 32, and a dilution gas composed of an inert gas such as argon is controlled and mixed into oxygen to dilute the oxygen concentration. The volume ratio of oxygen and dilution gas is such that the oxygen is supplied to the oxygen supply pipe 32 in a specified amount (equivalent ratio to the aluminum fuel supply amount is about 0.2 to 1.1, preferably about 0.5 to 0.8. The mixture is mixed so that the injection pressure is about the same as that of the dilution gas (100 kPa to 1 MPa, preferably 300 kPa to 600 kPa).
6). Control of the combustion chamber temperature of the aluminum combustion section: In the aluminum combustion section 30, the temperature exceeding the autoignition temperature of aluminum is maintained, and the wall surface of the combustion chamber 40 is thermally insulated by a low thermal conductive material 41 such as ceramics. This heat insulating material 41 is kept at a high temperature by radiation by aluminum combustion, and contributes to stable combustion. Further, a heat exchanging portion 42 is provided upstream of the oxygen supply pipe 32, and the supplied oxygen is heated by a part of the heat generated in the combustor 40, thereby contributing to preheating of the aluminum combustion portion. As an example, the aluminum combustion section temperature is controlled at about 600K to 1200K, preferably about 800K to 1000K.

以上の制御手段の内、いずれか一つ、もしくはこれらを任意に組み合わせることによってアルミニウムの燃焼速度を制御してこれを定常燃焼とすることができる。このための制御系としては、燃焼室40に温度センサ、圧力センサ(図示せず)を設け、これを制御装置に入力して必要な制御手段を動作できるものとする。なお、アルミ燃料5の燃焼中における緊急時には、アルミ燃料5の供給停止、キャリアガスの供給停止により、アルミ燃料の燃焼を即時ストップすることができる。この際、放射能や有害ガスが放出されることはない。   It is possible to control the combustion rate of aluminum by arbitrarily combining any one of the above control means, or any combination thereof, and to make this a steady combustion. As a control system for this purpose, a temperature sensor and a pressure sensor (not shown) are provided in the combustion chamber 40, and these are input to the control device so that necessary control means can be operated. In an emergency in which the aluminum fuel 5 is being burned, the combustion of the aluminum fuel can be stopped immediately by stopping the supply of the aluminum fuel 5 and the supply of the carrier gas. At this time, no radioactivity or noxious gas is released.

図3は、アルミ燃料により得られた高温、高圧ガスを利用して発電する発電装置50の一例を示している。図は、左側のガスタービンによる発電領域と、右側の蒸気タービンによる発電領域とを備えたコンバインド発電装置の例を示している。図3において、左側のガスタービン発電領域では、図2に示すアルミニウム燃焼装置1がガスタービン51につなげられ、燃焼ガスによりガスタービン51を回転駆動する。ガスタービン51の回転は軸を介して(ギア等を介することであってもよい)つながれた圧縮機52、さらに第1の発電機53に伝達され、第1の発電機53により電気が生成される。圧縮機52により生ずる圧力はアルミ燃焼装置1に戻され、燃焼ガス加圧圧力として利用される。   FIG. 3 shows an example of a power generation device 50 that generates power using high-temperature, high-pressure gas obtained from aluminum fuel. The figure shows an example of a combined power generation apparatus including a power generation region by a left gas turbine and a power generation region by a right steam turbine. 3, in the gas turbine power generation region on the left side, the aluminum combustion apparatus 1 shown in FIG. 2 is connected to the gas turbine 51, and the gas turbine 51 is rotationally driven by the combustion gas. The rotation of the gas turbine 51 is transmitted to a compressor 52 connected via a shaft (may be via a gear or the like) and further to a first generator 53, and electricity is generated by the first generator 53. The The pressure generated by the compressor 52 is returned to the aluminum combustion apparatus 1 and used as the combustion gas pressurization pressure.

一方蒸気タービン発電領域では、ガスタービン51を駆動させた後の燃焼ガスが熱交換器56に導かれ、ここで水蒸気を発生させる。熱交換した後の燃焼ガスは、矢印Aで示すように大気に放出されるか、あるいは回収されて再生利用されてもよい。熱交換器56で発生した蒸気は蒸気タービン57を回転させ、これにより第2の発電機58により電気が生成される。その後の蒸気は復水器59で水に戻され、循環して使用される。復水器59で得られた熱量は、他の用途に有効利用されてもよい。以上の発電装置50の構成は、アルミ燃焼装置1を除いて基本構成は化石燃料を利用するコンバインド発電装置と同様である。また、上記例ではアルミニウムの燃焼によって得られたエネルギを発電に利用する場合を示しているが、例えば定置式の工業用のガス/蒸気タービン・エンジンや、同じく船舶等の動力用エンジンとして利用されてもよい。   On the other hand, in the steam turbine power generation region, the combustion gas after driving the gas turbine 51 is guided to the heat exchanger 56 where steam is generated. The combustion gas after the heat exchange may be released to the atmosphere as indicated by an arrow A, or may be recovered and recycled. The steam generated in the heat exchanger 56 rotates the steam turbine 57, whereby electricity is generated by the second generator 58. Subsequent steam is returned to water by the condenser 59 and circulated for use. The amount of heat obtained by the condenser 59 may be effectively used for other purposes. The basic configuration of the power generator 50 described above is the same as that of the combined power generator that uses fossil fuel, except for the aluminum combustion apparatus 1. In the above example, the energy obtained by the combustion of aluminum is used for power generation. For example, it is used as a stationary industrial gas / steam turbine engine or a power engine for ships. May be.

次に、本願発明の第3の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、図1のステップ1に示すアルミナの還元方法に関する。上述の如く、本発明で燃焼に使用されるアルミニウムは、従来技術によるホール・エルー法により還元されたアルミニウムであっても使用可能であるが、ホール・エルー法によるアルミナの還元には大量の電力を消費すると共に、多量の温室効果ガスを発生するものとなる。アルミニウムを燃料として使用する際には、環境汚染物質を排出しない方法によって該エネルギ源を得ることが特に好ましく、本実施の形態では、図1に示すアルミエネルギ・サイクルにおいて利用されるアルミニウムが、少なくとも温室効果ガスの排出を全面的に回避し、かつ電力消費量の改善にもつながる方法によって得られたものとなるよう、新規なアルミナの還元方法を利用するものである。   Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment relates to the alumina reduction method shown in Step 1 of FIG. As described above, the aluminum used for combustion in the present invention can be aluminum reduced by the Hall Eru method according to the prior art, but a large amount of electric power is required for the reduction of alumina by the Hall Eru method. And a large amount of greenhouse gas is generated. When aluminum is used as a fuel, it is particularly preferable to obtain the energy source by a method that does not emit environmental pollutants. In this embodiment, the aluminum used in the aluminum energy cycle shown in FIG. The new alumina reduction method is used so that it can be obtained by a method that totally avoids the emission of greenhouse gases and leads to an improvement in power consumption.

なお、当該アルミナの還元方法は、本発明に係るアルミニウムを燃料として利用する方法、もしくはアルミエネルギ・サイクルにとって必ずしも必須の要件となるものではない。当該アルミナの還元方法の発明に関しては本出願と並行する独立した他の出願にて取り扱われており、本実施の形態ではその方法を本願のアルミエネルギ・サイクルに応用するものである。   The alumina reduction method is not necessarily an indispensable requirement for the method of using aluminum according to the present invention as a fuel or the aluminum energy cycle. The invention of the alumina reduction method is dealt with in another independent application parallel to the present application, and in this embodiment, the method is applied to the aluminum energy cycle of the present application.

図4は、本実施の形態に係るアルミナの還元方法の概要を示しており、破線で区別されている図の左側に示すA領域でのアルミナを熱解離するステップ、中央のB領域でのアルミニウムと酸素を分離してアルミニウムを単離するステップ、そして右側に示すC領域での単離したアルミニウムを回収するステップから主に構成されている。各ステップの流れは図の左側から右側へと移行する。   FIG. 4 shows an outline of the method for reducing alumina according to the present embodiment. The step of thermally dissociating alumina in the region A shown on the left side of the drawing distinguished by a broken line, aluminum in the central region B And separating oxygen and isolating aluminum, and recovering the isolated aluminum in the C region shown on the right side. The flow of each step moves from the left side to the right side of the figure.

まず図の左側にあるA領域におけるアルミナを熱解離するステップにおいて、使用される還元装置100の内部には流れを絞るスロート部111が設けられており、その上流側(図の左側)にアルミナ導入口112が、さらにその上流側に作動ガス導入口113が設けられている。アルミナ導入口112からはアルゴンなどのキャリアガスと共にアルミナ粉末が装置内部に導入され、作動ガス導入口113からは酸素とアルゴンガス等の不活性ガスからなる加圧された作動ガスが導入される。アルミナ導入口112から導入されるアルミナとキャリアガスの混合物では、全体に占めるアルミナの含有量が、例えば約0.1〜0.6g/l(l:リットル)の範囲で適切に制御される。また、作動ガス導入口113から導入される作動ガスの圧力は、好ましくは10気圧ほどである。アルミナとキャリアガスの混合物は、作動ガスにより図の左から右にスロート部111に向けて圧送される。   First, in the step of thermally dissociating alumina in the region A on the left side of the figure, a throat portion 111 for restricting the flow is provided inside the reducing apparatus 100 used, and alumina is introduced upstream (left side of the figure). The port 112 is further provided with a working gas inlet 113 upstream thereof. Alumina powder is introduced into the apparatus together with a carrier gas such as argon from the alumina introduction port 112, and a pressurized working gas composed of an inert gas such as oxygen and argon gas is introduced from the working gas introduction port 113. In the mixture of alumina and carrier gas introduced from the alumina introduction port 112, the content of alumina in the whole is appropriately controlled within a range of, for example, about 0.1 to 0.6 g / l (l: liter). The pressure of the working gas introduced from the working gas introduction port 113 is preferably about 10 atmospheres. The mixture of alumina and carrier gas is pumped by the working gas from the left to the right in the figure toward the throat portion 111.

スロート部111には、ここに焦点を合わせて図の左側からレーザ光114が照射される。本実施の形態では、最大出力2kW、波長10.6μm、ビーム径34mmの炭酸ガスレーザが使用されているが、これはアルミナをプラズマ状態にするに十分な熱量を与えるものであれば他の仕様であってもよい。レーザ光の焦点近傍は局部的に12,000Kの高温に達し、その高熱によってアルミナは溶融し(アルミナの融点は2,300K)、さらにプラズマ状態となってアルミニウムと酸素が熱解離する。ここでは逆制動輻射と呼ばれる電子が光を吸収して加速される現象が生じ、電子とイオンがクーロン衝突を繰り返すことによってプラズマが加熱される。
Al=2Al+3/2O−838kJ
The throat portion 111 is irradiated with laser light 114 from the left side of the drawing with a focus on the throat portion 111. In this embodiment, a carbon dioxide gas laser with a maximum output of 2 kW, a wavelength of 10.6 μm, and a beam diameter of 34 mm is used. There may be. The vicinity of the focal point of the laser beam locally reaches a high temperature of 12,000 K, and the alumina is melted by the high heat (the melting point of alumina is 2,300 K). Here, a phenomenon called reverse bremsstrahlung, where electrons are absorbed and accelerated, occurs, and the plasma is heated by repeated Coulomb collisions between the electrons and ions.
Al 2 O 3 = 2Al + 3 / 2O 2 −838 kJ

次に図の中央にあるB領域に移動して、加熱されて膨張し、スロート部111で絞られたプラズマ状態のガスは、スロート部111の出口であるノズル116から噴流となって図の右側に向けて放出される。この際の流速は1,000〜3,000m/sの超音速流となり、急激な膨張によって気流は急冷される。ここで従来のホール・エルー法によれば、電気分解されたアルミナ成分の内、酸素は陽極に引かれて炭素と結合して二酸化炭素となって分離され、残るアルミニウムのみが溶融炉内に沈殿して回収される。しかしながら、炭素電極などの還元剤がない状態では、一般にアルミナが熱解離して一旦アルミニウムと酸素とに分離されても、結合力の強いアルミニウムと酸素が冷却の過程で再び結合してアルミナに戻ってしまう傾向にある。本実施の形態に係る方法によれば、プラズマとなって分離されたアルミニウムと酸素が凍結された超音速気流で常温状態まで急冷される結果、この再結合がされることなくアルミニウムと酸素を分離状態のままで維持することができる。この事実は、この凍結流を発光分光測定し、アルミニウム特有の発光スペクトルのピークを観察することによって確認できる。   Next, the gas in the plasma state is moved to the B region in the center of the figure, heated and expanded, and is squeezed by the throat part 111, and then becomes a jet from the nozzle 116 which is the outlet of the throat part 111. Is released towards The flow velocity at this time is a supersonic flow of 1,000 to 3,000 m / s, and the air flow is rapidly cooled by rapid expansion. Here, according to the conventional Hall-Elu method, oxygen is attracted to the anode and separated into carbon dioxide by being combined with carbon in the electrolyzed alumina component, and only the remaining aluminum is precipitated in the melting furnace. And recovered. However, in the absence of a reducing agent such as a carbon electrode, even when alumina is thermally dissociated and separated into aluminum and oxygen, aluminum and oxygen, which have strong bonding strength, are recombined during the cooling process and returned to alumina. It tends to end up. According to the method according to the present embodiment, aluminum and oxygen separated as plasma are rapidly cooled to room temperature with a supersonic air flow in which the separated aluminum and oxygen are frozen. As a result, the aluminum and oxygen are separated without recombination. It can be maintained in a state. This fact can be confirmed by measuring the frozen flow with an emission spectrum and observing the peak of the emission spectrum peculiar to aluminum.

あとは図の右側にあるC領域に移行し、単離したアルミニウムのみを回収する。図示の例では、冷却された銅管117を利用し、この中に流体を流すことによって分離されたガス体の酸素は放出され、アルミニウムを銅管117の管壁に堆積させて回収することができる。この回収方法は一例であって、例えば酸素は透過し、アルミニウム粉末は捉えるフィルタを用いるなどにより回収することが可能である。   After that, the process moves to the C region on the right side of the figure, and only the isolated aluminum is recovered. In the illustrated example, a cooled copper tube 117 is used, and the oxygen in the separated gas body is released by flowing a fluid therethrough, and aluminum is deposited on the tube wall of the copper tube 117 and recovered. it can. This recovery method is an example, and for example, it is possible to recover by using a filter that transmits oxygen and captures aluminum powder.

アルミナ還元に際して制御された適量のアルミナ粉末をアルミナ導入口112まで導いて注入するには、一例として先の実施の形態1で説明した図2に示すアルミニウム供給部10と同等の機構を利用することができる。この際、図2の燃料容器12がアルミナ容器となり、燃料放出管13がアルミナ放出管として利用される。本実施の形態では、アルミナ粉末は約0.03〜3μm径の粉末が使用可能であるが、アルミナ粉末の供給量を安定状態で制御するためには1回の処理に使用されるアルミナ粉末はほぼ同一粒度のものに選別して使用されることが望ましい。   In order to guide and inject an appropriate amount of alumina powder controlled at the time of alumina reduction to the alumina inlet 112, as an example, a mechanism equivalent to the aluminum supply unit 10 shown in FIG. Can do. At this time, the fuel container 12 of FIG. 2 becomes an alumina container, and the fuel discharge pipe 13 is used as the alumina discharge pipe. In the present embodiment, alumina powder having a diameter of about 0.03 to 3 μm can be used, but in order to control the supply amount of alumina powder in a stable state, the alumina powder used for one treatment is It is desirable to select and use the particles having almost the same particle size.

以上の本実施の形態に係るアルミナ還元方法に対する変形態様の一つとして、作動ガス注入口114から導入される作動ガスに水素を含め、水素を利用したアルミナ還元を促進させることが考えられる。水素を加えることによってアルミナ中の酸素が水素と結合してHOを排出するが、これによっても環境に有害なガスを排出することにはならない。
Al+3H=2Al+3HO−112kJ
As one of the modifications to the above-described alumina reduction method according to the present embodiment, it is conceivable that hydrogen is contained in the working gas introduced from the working gas inlet 114 to promote alumina reduction using hydrogen. By adding hydrogen, oxygen in the alumina is combined with hydrogen to discharge H 2 O, but this does not discharge harmful gases to the environment.
Al 2 O 3 + 3H = 2Al + 3H 2 O-112kJ

アルミナの還元に水素を追加して利用した際、アルミナのみを直接溶融して分離する場合に比較して低いエネルギでアルミナ還元を実施することができ、熱量の節約が可能となる。本願発明者らの試算によれば、現在のホール・エルー法による電気分解と同等の熱量でのアルミナ還元(20mg/kJ)を実施するには、アルミナを直接熱解離する場合ではレーザ光熱量の30%が有効活用されれば、また水素を添加する場合には、実に4%の熱量が有効活用されればこれと同等の効率を達成することができる。本実施の形態に係るアルミナの還元方法では約35%の熱効率が可能であることから、このいずれの場合においてもホール・エルー法を上回る効率が達成され、温室効果ガスの発生を回避することに加えて還元に要する電力自身をも節約できる。   When hydrogen is additionally used for reduction of alumina, alumina reduction can be performed with lower energy than in the case where only alumina is directly melted and separated, and the amount of heat can be saved. According to the calculation by the inventors of the present application, in order to perform alumina reduction (20 mg / kJ) with the same amount of heat as electrolysis by the current Hall-Eleu method, in the case of directly thermally dissociating alumina, the laser light calorific value is reduced. If 30% is effectively used, and if hydrogen is added, the same efficiency can be achieved if the heat amount of 4% is actually effectively used. In the alumina reduction method according to the present embodiment, a thermal efficiency of about 35% is possible. Therefore, in any of these cases, efficiency exceeding the Hall-Eru method is achieved, and generation of greenhouse gases is avoided. In addition, the power required for reduction can be saved.

アルミナを従来技術による電気分解ではなく、熱解離によって還元する際の加熱手段として、上述した例ではレーザ光114を利用するものとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の加熱手段が利用されても良い。例えば、アーク放電、誘導結合プラズマなどがその例として挙げられる。しかしながら、アーク放電を利用した場合には電極(タングステン、銅)が消耗し、特に酸素雰囲気下では作動が制限されるという問題があり、また誘導結合プラズマを利用した場合には、作動圧力が1気圧以下と制限されるほか、生成金属であるアルミニウムとの干渉の問題がある。本実施の形態に係るレーザプラズマ方式によれば、電極などの消耗部分がないので酸素雰囲気下での作動が可能であり、また作動圧力も高く維持できることから(約10気圧まで)、超音速の凍結流を得るにはより好適であると言える。   In the above-described example, the laser beam 114 is used as a heating means when reducing alumina by thermal dissociation instead of electrolysis according to the prior art, but the present invention is not limited to this, A heating means may be used. Examples thereof include arc discharge and inductively coupled plasma. However, when arc discharge is used, the electrodes (tungsten, copper) are consumed, and there is a problem that the operation is limited particularly in an oxygen atmosphere. When inductively coupled plasma is used, the operating pressure is 1 In addition to being restricted to below atmospheric pressure, there is a problem of interference with aluminum which is a generated metal. According to the laser plasma system according to the present embodiment, since there is no consumable part such as an electrode, the operation in an oxygen atmosphere is possible, and the operation pressure can be maintained high (up to about 10 atm), so that the supersonic speed is high. It can be said that it is more suitable for obtaining a frozen flow.

実施の形態2に示すアルミニウムの定常燃焼を以下の内容で実施した。
−キャリアガス供給圧力:110kPa
−アルミニウム粉末の供給量:酸素量に対して当量比0.7
−供給酸素温度:750K
−アルミニウム粒子径:1μm
−アルミニウム燃焼室温度:燃焼室内壁をセラミックスで覆い、800K目標で維持
以上の条件でアルミニウム粉末と酸素の混合気をノズルから噴射し、トーチ火炎にて点火した結果、約1分間のアルミニウムの定常燃焼が確認できた。
The steady combustion of aluminum shown in the second embodiment was performed with the following contents.
-Carrier gas supply pressure: 110 kPa
-Supply amount of aluminum powder: Equivalent ratio with respect to oxygen amount 0.7
-Supply oxygen temperature: 750K
-Aluminum particle size: 1 μm
-Aluminum combustion chamber temperature: The combustion chamber wall is covered with ceramics and maintained at the 800K target. A mixture of aluminum powder and oxygen is injected from the nozzle under the above conditions and ignited with a torch flame. Combustion was confirmed.

実施の形態3に示すアルミナ還元を以下の仕様で実施した。
−レーザ仕様:出力1KWの連続発振型炭酸ガスレーザを使用。波長:10.6μm、ビーム径:34mm、レンズ:f95。
−スロート仕様:スロート径:1mm、ノズル出口:10mm
−アルミナ粉末流量:キャリアガス(アルゴン)に対して10%質量比。
−アルミナ粉末径:3μm
その結果、凍結流中にて、アルミニウム原子の存在を示す発光スペクトルのピーク(257nm、309nm、396nm)が観察され、アルミニウムの単離が確認された。
The alumina reduction shown in Embodiment 3 was performed with the following specifications.
-Laser specification: A continuous oscillation type carbon dioxide laser with an output of 1 KW is used. Wavelength: 10.6 μm, beam diameter: 34 mm, lens: f95.
-Throat specification: Throat diameter: 1 mm, nozzle outlet: 10 mm
-Alumina powder flow rate: 10% mass ratio to carrier gas (argon).
-Alumina powder diameter: 3 μm
As a result, emission peaks (257 nm, 309 nm, and 396 nm) indicating the presence of aluminum atoms were observed in the frozen flow, confirming the isolation of aluminum.

本発明に係るアルミニウムを燃料として利用する方法は、発電を中心としたエネルギを供給する産業、工業用や船舶用などの動力源を使用する産業ほか、エネルギ需要の生ずる、あるいはエネルギを消費する全ての産業分野において幅広く利用することができる。   The method of using aluminum as a fuel according to the present invention includes all industries that supply energy mainly for power generation, industries that use power sources such as industrial and marine use, as well as those that generate energy or consume energy. It can be widely used in various industrial fields.

1.アルミニウム燃焼装置、 5.アルミ燃料(アルミニウムの粉末)、 10.アルミニウム供給部、 11.ターンテーブル、 12.燃料容器、 13.燃料放出管、 14.燃料供給管、 16.キャリアガス供給管、 17.モータ、 20.連結管、 30.アルミニウム燃焼部、 31.燃料ノズル、 32.酸素供給管、 33.点火機構、 34.切換弁、 40.燃焼室、 41.低熱伝導物質、 42.熱交換部、 50.発電装置、 51.ガスタービン、 52.圧縮機、 53.第1の発電機、 56.熱交換器、 57.蒸気タービン、 58.第2の発電機、 59.復水器、 100.還元装置、 111.スロート部、 112.アルミナ導入口、 113.作動ガス導入口、 114.レーザ光、 116.ノズル、 117.銅管。
1. 4. Aluminum combustion device 10. Aluminum fuel (aluminum powder) 10. aluminum supply section; Turntable, 12. Fuel container, 13. Fuel discharge pipe, 14. Fuel supply pipe, 16. Carrier gas supply pipe, 17. Motor, 20. Connecting pipe, 30. Aluminum combustion section, 31. Fuel nozzle, 32. Oxygen supply pipe, 33. Ignition mechanism, 34. Switching valve, 40. Combustion chamber, 41. Low thermal conductivity material, 42. Heat exchange section, 50. Power generator, 51. Gas turbine, 52. Compressor, 53. First generator, 56. Heat exchanger, 57. Steam turbine, 58. Second generator, 59. Condenser, 100. Reduction device, 111. Throat section, 112. 114. Alumina inlet, 114. working gas inlet; Laser light, 116. Nozzle, 117. Copper tube.

Claims (6)

アルミニウムを燃焼させ、燃焼により発生するエネルギを活用する、アルミニウムを燃料として利用する方法において、
アルミニウムの粉末と酸素を燃焼室内に導入してアルミニウムを燃焼させ、その際、前記燃焼室内にアルミニウムの粉末を導入するためのキャリアガスの圧力を約100kPaから1MPaとし、アルミニウムの粉末の供給量を酸素の供給量に対して当量比で約0.2から1.1とし、アルミニウムの粉末の粒子径を約0.1から30μmとすることで燃焼速度を制御してこれを定常燃焼とし、該定常燃焼により生ずるエネルギを取り出して活用することを特徴とする、アルミニウムを燃料として利用する方法。
In a method of using aluminum as a fuel that burns aluminum and uses the energy generated by the combustion,
Aluminum powder and oxygen are introduced into the combustion chamber to burn aluminum. At this time, the pressure of the carrier gas for introducing the aluminum powder into the combustion chamber is about 100 kPa to 1 MPa, and the supply amount of the aluminum powder is The equivalence ratio with respect to the supply amount of oxygen is set to about 0.2 to 1.1, and the particle size of the aluminum powder is set to about 0.1 to 30 μm so as to control the combustion rate, thereby setting the steady combustion, A method of using aluminum as a fuel, characterized by extracting and utilizing energy generated by steady combustion.
前記アルミニウムを定常燃焼させる際に、燃焼室内に導入されるアルミニウムの粉末の量、酸素の量のいずれか一方もしくは双方を制御することによりアルミニウムの燃焼速度を制御する、請求項1に記載のアルミニウムを燃料として利用する方法。   2. The aluminum according to claim 1, wherein the aluminum burning rate is controlled by controlling either one or both of an amount of aluminum powder and an amount of oxygen introduced into the combustion chamber when the aluminum is steadily burned. To use as fuel. 前記燃焼室内に導入されるアルミニウムの粉末の量の制御を、該粉末を燃焼室内に導入するためのキャリアガスの噴流によって巻き込まれるアルミニウムの粉末の量を制御すること、またはアルミニウムの粉末に混合される不純物の量を制御することによって行う、請求項2に記載のアルミニウムを燃料として利用する方法。   The amount of aluminum powder introduced into the combustion chamber is controlled by controlling the amount of aluminum powder entrained by a jet of carrier gas for introducing the powder into the combustion chamber, or mixed with the aluminum powder. The method of using aluminum as a fuel according to claim 2, wherein the method is performed by controlling the amount of impurities. 前記不純物がアルミナの粉末、もしくは水または水蒸気のいずれかである、請求項3に記載のアルミニウムを燃料として利用する方法。   4. The method of using aluminum as a fuel according to claim 3, wherein the impurity is alumina powder, water, or water vapor. 前記燃焼室内に導入される酸素の量の制御を、酸素に加えて同時に導入される希釈ガスの量との混合比率を制御することによって行う、請求項2に記載のアルミニウムを燃料として利用する方法。   The method of using aluminum as a fuel according to claim 2, wherein the amount of oxygen introduced into the combustion chamber is controlled by controlling a mixing ratio with the amount of dilution gas introduced simultaneously with oxygen. . 前記定常燃焼の際に生ずる熱量を取り出す手段が、燃焼ガスによりガスタービン、蒸気タービンのいずれか一方もしくは双方を駆動することからなる、請求項1に記載のアルミニウムを燃料として利用する方法。
The method of using aluminum as a fuel according to claim 1, wherein the means for taking out the amount of heat generated during the steady combustion comprises driving one or both of a gas turbine and a steam turbine with combustion gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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