JP2023106117A - Plasma reaction method and reaction apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、CO2、水蒸気、空気等のガス中の原子の原子核をプラズマ雰囲気中で崩壊させたり、崩壊により生じた陽子、中性子、電子を再結合させるようにしたプラズマ反応方法及び装置に関する。 The present invention relates to a plasma reaction method and apparatus for collapsing nuclei of atoms in gases such as CO 2 , water vapor and air in a plasma atmosphere, and for recombining protons, neutrons and electrons generated by the collapse.
本件発明者は、従来、ステンレス製の反応炉内にプラズマ発生体(本明細書では増幅材)を収納し、前記反応炉を加熱して反応空間内に電磁波を発生せしめるとともにプラズマ発生体から微粒子を飛散せしめ、電磁波により微粒子を電離させてプラズマ雰囲気とし、このプラズマ雰囲気内で電磁波を増幅し、この増幅電磁波により反応空間内に供給された水分子中の酸素をプラズマ崩壊させて水素を発生していた。 The inventor of the present invention has conventionally housed a plasma generator (amplifying material in this specification) in a stainless steel reactor, heated the reactor to generate electromagnetic waves in the reaction space, and generated fine particles from the plasma generator. The particles are ionized by electromagnetic waves to form a plasma atmosphere, the electromagnetic waves are amplified in this plasma atmosphere, and the amplified electromagnetic waves cause plasma collapse of oxygen in water molecules supplied into the reaction space to generate hydrogen. was
ところが、特許文献1では、電磁波によるプラズマ崩壊を開示しているが、電磁波を増幅する増幅材(ステンレス、アルカリ金属)が、炉の運転中に固まってしまい微粒子の発生が少なくなり、プラズマ反応が短時間で停止することが判明した。 However, although Patent Document 1 discloses plasma collapse due to electromagnetic waves, the amplifying material (stainless steel, alkali metal) that amplifies electromagnetic waves solidifies during operation of the furnace, resulting in less generation of fine particles and plasma reaction. It turned out to stop after a short time.
また、反応炉の運転中には、加熱源のヒーターをオフしても常温の処理気体の供給にも拘わらず、炉の温度低下が起きないことが判明し、この現象を有効利用することが求められる。 In addition, it was found that the temperature of the furnace does not drop even if the heater of the heating source is turned off while the reactor is in operation, despite the supply of the process gas at room temperature. Desired.
本発明のプラズマ反応方法は、加熱により電磁波を放射する炉壁を備えた縦型のシリンダー状の反応炉内にその上部から増幅材としての溶融塩を噴射して微粒化し、前記電磁波が微粒子を金属イオンと電子とに電離させてプラズマ雰囲気を形成し、前記微粒子は電磁波のエネルギーを増幅し、この増幅された電磁波は、反応炉内に供給された処理すべき気体の原子核をプラズマ崩壊させて陽子と中性子と電子に分離し、陽子と電子とが再結合して生じた水素を外部に取出し、前記プラズマ崩壊の程度に応じて溶融塩の噴射量と処理気体の供給量を調整するようにした。 In the plasma reaction method of the present invention, molten salt as an amplifying material is sprayed from the upper part of a vertical cylindrical reactor equipped with a furnace wall that emits electromagnetic waves when heated to atomize the particles. Metal ions and electrons are ionized to form a plasma atmosphere, the fine particles amplify the energy of the electromagnetic waves, and the amplified electromagnetic waves cause the nuclei of the gas to be treated supplied into the reactor to undergo plasma collapse. The plasma is separated into protons, neutrons, and electrons, hydrogen generated by recombination of the protons and electrons is taken out, and the injection amount of the molten salt and the supply amount of the processing gas are adjusted according to the degree of plasma collapse. bottom.
また、本発明のプラズマ反応装置は、縦型のシリンダー状に形成され、加熱により電磁波を放射する反応炉と、この反応炉の上部に設けられ、増幅材をなす溶融塩を噴射する溶射装置と、前記反応炉の内壁に沿って処理すべき気体を噴射する気体噴射装置と、前記反応炉の底部に設けられ、噴射された溶融塩の微粒子が処理気体と反応して生成された残渣を排出する残渣排出装置と前記反応炉の本体を加熱するための加熱装置とで構成される。 Further, the plasma reactor of the present invention comprises a vertical cylindrical reactor that emits electromagnetic waves when heated, and a thermal spraying device that is provided above the reactor and injects molten salt as an amplification material. a gas injection device for injecting the gas to be treated along the inner wall of the reactor; and a gas injection device provided at the bottom of the reactor to discharge the residue generated by the reaction of the injected fine particles of the molten salt with the gas to be treated. and a heating device for heating the main body of the reactor.
本発明においては、増幅材を溶融塩として液化し、反応炉の上部から圧力気体で噴射をさせるようにしたので、増幅材の微粒子が炉内に均一に分散して反応が安定化し、従来の増幅材の能力が低下した時のその交換作業が不要となるし、増幅材の噴射量を、発生する水素量と処理気体の供給量に合わせて調節すれば、処理気体の処理能力を安定化できる。 In the present invention, the amplifying material is liquefied as molten salt and jetted from the upper part of the reaction furnace with pressurized gas. When the performance of the amplification material declines, it becomes unnecessary to replace it, and if the injection amount of the amplification material is adjusted according to the amount of hydrogen generated and the supply amount of the processing gas, the processing performance of the processing gas can be stabilized. can.
しかも反応炉は縦型に形成し、その上部に噴射ノズルを設けたので、噴射された増幅材の残渣は、重力により落下して反応炉の下部に形成された残渣収納部に貯溜するので、特に残渣を集める部材を設ける必要もなくなり、装置全体として構造が簡単となる。 Moreover, since the reactor is formed vertically and the injection nozzle is provided in the upper part thereof, the residue of the injected amplifying material falls by gravity and is stored in the residue storage section formed in the lower part of the reactor. There is no particular need to provide a member for collecting the residue, and the structure of the apparatus as a whole is simplified.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1において、プラズマ反応装置Mは、縦型密閉シリンダー状の本体1を有し、この本体1はSUS304からなり加熱により電磁波を発生する。前記本体1の内壁には、カーボン材2が内張りされ、前記本体1の外周には電気ヒーター3が配設されている。前記ヒーター3の加熱(400~500℃)により本体1及びカーボン材2からはマイクロ波程度の周波数(109~1012)を有する電磁波が本体1内に放射される。前記本体1の天壁1a上には溶射装置4が設置され、この溶射装置4はノズル5を有し、このノズル5からは前記カーボン材2から放射される電磁波のエネルギーを増幅する溶融増幅材6が噴射される。前記溶射装置4は、図3に示すように筒状の溶融釜7を備え、この溶融釜7は電気ヒーター8により700℃程度に加熱され、この溶融釜7内には、増幅材としてカセイソーダ粉末(NaOH)、亜鉛粉(Zn)及びアルミ粉(Al)が重量比で1.5:2:0.3の割合で供給され、これら3種の増幅材は700℃の温度で溶融され、釜7の下部出口7に設けられた調整弁9の開口を流下してノズル5に供給される圧力処理気体(CO2、水蒸気、空気等)によって絞られたノズル先端5aから本体空間(プラズマ空間)内に噴射される。前記調整弁9はコントローラCに接続されてその開閉が調節され、これにより溶融増幅材6の噴射量が調整される。
In FIG. 1, the plasma reactor M has a vertical sealed cylindrical main body 1, which is made of SUS304 and generates electromagnetic waves when heated. An inner wall of the main body 1 is lined with a
前記溶融増幅材6の成分としては、融点及び沸点が低く、活性でイオン化エネルギーが低いアルカリ金属(Li、Na、K)及び周期表2族のMg、Caのうち、いずれか一種を必須とし、これに補助材としてZn、Alを加えるのが好ましい。
As a component of the melt amplification material 6, any one of alkali metals (Li, Na, K) having a low melting point and boiling point, active and low ionization energy, and Mg and Ca of
電磁波のエネルギーは、光子数をn、周波数をν、プランク定数をhとすれば、
E=nhν …(1)
であり、エネルギーの増幅とは、nすなわち光子数を増やすことと、周波数を増やすことである。
If the number of photons is n, the frequency is ν, and the Planck constant is h, the energy of the electromagnetic wave is
E=nhν (1)
and the amplification of energy is to increase n, the number of photons, and to increase the frequency.
今、Na原子の電磁波の増幅について説明すると図4において、Na原子は原子核(陽子11個、中性子11個)の周りに11個(K穀2個、L穀8個、M穀1個)の電子が振動しながら回転している。このNa原子にカーボン材2から発生した電磁波γ0が侵入すると、その近傍の電子e-が共鳴して同一方向に電磁波γ1を誘導放出して光子数e-が増加する。また、電磁波γ0が11個の電子e-のうちの1個に当たると、その電子e-は、それよりも外側に位置する外穀にクオンタムジャンプをし、そこから元の位置に戻る時に、電磁波γ0よりも周波数の高い電磁波γ2を放出する。この電磁波γ2は、周囲のNa原子に吸収され、更に周波数の高い電磁波を放出し、このような増幅を光の速度で行っていくので、極短時間で著しく周波数の高いγ線領域の1021Hz以上の周波数の電磁波が発生する。
Now, to explain the amplification of electromagnetic waves of Na atoms, in FIG. The electron vibrates and rotates. When an electromagnetic wave γ 0 generated from the
今、CO2の処理を考えるに、C及びOの一核子当たりの核力は7.6MeV、7.98MeVであり、これは電磁波の周波数に換算すると、
1.9×1022、1.8×1022となり、
これはJ(ジュール)に換算すると
1.3×10-12J、1.2×10-12Jとなり、
したがって、0の核崩壊には、
1.3×10-12J×16核子(=2.04×10-11J)のエネルギーが、
Cの核崩壊には、
1.2×10-12J×12核子(=1.47×10-11J)のエネルギーが必要となる。
Now, considering the processing of CO2 , the nuclear force per nucleon of C and O is 7.6 MeV, 7.98 MeV, which when converted to the frequency of electromagnetic waves,
1.9×10 22 and 1.8×10 22 ,
When this is converted to J (joule), it becomes 1.3×10 -12 J and 1.2×10 -12 J,
Therefore, for 0 nuclear decay,
The energy of 1.3×10 −12 J×16 nucleons (=2.04×10 −11 J) is
For nuclear decay of C,
An energy of 1.2×10 −12 J×12 nucleons (=1.47×10 −11 J) is required.
すなわち、元素の各崩壊には一定以上の周波数をもった光子を一定以上の数だけ発生させる必要がある。 That is, each decay of an element requires the generation of a certain number of photons with frequencies above a certain level.
光子の個数は上述したように、Na原子の誘導放出により増えていくし、周波数の増幅はクオンタムジャンプにより生じる。このような2つの増幅が生じるタイミングは、確率的で電磁波の炉壁での反射回数とNa原子との衝突回数によって定まってくるし、その高エネルギーの発生時間はハイデルベルグの不確定性原理に従って定まってくる。すなわち、 As described above, the number of photons increases due to stimulated emission of Na atoms, and frequency amplification occurs due to quantum jumps. The timing at which these two amplifications occur is stochastic and determined by the number of times the electromagnetic wave is reflected on the furnace wall and the number of times it collides with Na atoms. come. i.e.
前記ノズル5から噴射された増幅材(NaOH、Zn、Al)は、本体1内の空間に散霧され、この空間は本体1の電気ヒーター3による400~500℃の加熱により200~300℃の温度となり、増幅材の噴霧微粒子はカーボン材2からの放射電磁波により電離してNa+イオン、O2-イオン、H+イオン、Zn2+イオン、Al3+イオンとなり、これに伴って電子e-も放出されてプラスイオンとマイナスの電子からなるプラズマ空間を形成する。
The amplification material (NaOH, Zn, Al) sprayed from the nozzle 5 is sprayed into the space inside the main body 1, and this space is heated to 200-300°C by the
一方、前記カーボン材2の内壁に沿って処理すべき気体(CO2ガス、水蒸気、空気)を噴射する第1気体噴射装置20が設けられ、この第1気体噴射装置20は、図2に示すようにコイル状のパイプ20aからなり、このパイプ20aには噴射気体がカーボン材2に沿うように気孔20a、20a2が多数形成されている。一方、反応炉の本体1内の底部には渦巻状の第2気体放射装置21が設けられ、この装置21は螺線パイプ21aからなり螺線パイプ21aには噴射気体が上方に向かうように、気孔21aが多数形成されている。
On the other hand, a first
このように、圧力ボンベ23からの処理気体(CO2ガス、水蒸気、空気等)を噴射すると、増幅材の噴霧微粒子は本体1の内壁から隔離されて本体1の中央部に集められて反応性の高いプラズマ空間PZが形成される。
In this way, when the processing gas (CO 2 gas, water vapor, air, etc.) is injected from the
前記本体1の下端部には、噴射された増幅材の反応後の残渣を貯溜しておくための残渣貯溜部25が形成され、この中の残渣26は残渣貯溜部25の一端に取り付けられた開閉蓋27を開けて取り出される。
A
前記本体1の天壁1aには、水素排出筒28が設けられ、プラズマ空間PZ内で発生した水素が排出され、この排出操作はコントローラ10に接続されたバルブ29で操作され、その流量は流量計30で測定され、その情報がコントローラ10に送られ、排出された水素ガスは水素ボンベ31に貯溜される。また、コントローラ10は処理気体が入った圧力ボンベ23の流れを調節するバルブ32を操作してプラズマ空間PZに送給される供給量をコントロールする。
A
前記増幅材6の噴射量と処理気体の供給量は以下のようにしてコントロールされる。前記増幅材6を金属ナトリウムを含んだNaOHとし、供給気体をCO2ガスとした場合について具体的に説明する。 The injection amount of the amplifying material 6 and the supply amount of the processing gas are controlled as follows. A case in which NaOH containing metallic sodium is used as the amplifying material 6 and CO 2 gas is used as the supply gas will be described in detail.
先ず、炉本体1の内部を真空引きし加熱の為の電気ヒーター3の設定温度を約400℃にし、プラズマ空間PZの温度を250~300℃とする。この状態で溶射装置4を作動せしめ、CO2ボンベ23から圧力CO2ガスをノズル5に送るとともに調整弁9を開放して所定量の溶融増幅材6をノズル5に送り、これにより一定量の増幅材が噴霧される。噴霧されたNaOHはカーボン材2からの電磁波(主として赤外線)が、増幅材微粒子により増幅されてγ線領域の電磁波となりNaOHのNaおよびO原子をプラズマ崩壊させて陽子と中性子と電子に分離せしめ、この内、陽子と電子が再結合してH原子となる。このH原子は水素排出筒28を出てH2ガスとなり、このH2ガス量が流量計30によって測定され炭酸ガスの供給量に対する水素発生量(反応比)がコントローラで計算され表示される。この反応比の値が予定値以下の場合には、増幅材の噴霧量を増すか、又は炭酸ガスの供給量を減少させる。この際、プラズマ空間PZ内の温度計30と、圧力計31からのデータを加味し、特に反応比が低い場合には、温度を上昇せしめる。一定時間運転した後は、残渣貯溜部25から開閉蓋27を開けて残渣を取り出して処理をする。
First, the inside of the furnace body 1 is evacuated, the set temperature of the
本発明はCO2を多量に排出する焼却炉、火力発電等に適用され得るし、水、空気から水素を採集する発電事業に応用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to incinerators, thermal power generation, etc. that emit a large amount of CO 2 , and can also be applied to the power generation business that collects hydrogen from water and air.
1…本体
2…カーボン材
7…電気ヒーター
4…溶射装置
5…ノズル
6…増幅材
7…溶融釜
10…コントローラ
20…第1気体装置
21…第2気体装置
23…圧力ボンベ
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US20220219977A1 (en) * | 2019-03-26 | 2022-07-14 | Yasuo Ishikawa | Method of and apparatus for plasma reaction |
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