JP6080034B2 - アルミニウムを再生可能燃料として利用する方法 - Google Patents
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Description
Al2O3+3C→2Al+3CO
Al2O3+3/2C→2Al+3/2CO2
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
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。
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.
Al2O3=2Al+3/2O2−838kJ
Al2O3+3H=2Al+3H2O−112kJ
−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。
−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。
Claims (9)
- 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し、燃焼後に生じたアルミナを回収して再利用する、アルミニウムを再生可能燃料として利用する方法において、
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ステップのいずれかのステップと、
前記アルミナ還元、もしくはアルミニウム再生のいずれかのステップにより得られた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、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ステップと、
前記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と、
前記回収したアルミナを前記アルミナ還元ステップにおいて再利用するステップとからなることを特徴とする、アルミニウムを再生可能燃料として利用する方法。 - 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再生可能燃料として利用する方法。
- 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再生可能燃料として利用する方法。
- 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再生可能燃料として利用する方法。
- 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再生可能燃料として利用する方法。
- 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再生可能燃料として利用する方法。
- 前記アルミナ還元のステップが、加熱手段を用いてアルミナ粉末を加熱しプラズマ状態としてアルミナをアルミニウムと酸素に熱解離するステップと、プラズマ状態となったガスをノズルから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ステップとからなる、請求項1に記載のアルミニウムを再生可能燃料として利用する方法。
- 前記アルミナ還元のステップで使用される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を含む、請求項1に記載のアルミニウムを再生可能燃料として利用する方法。
- 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に含む、請求項1に記載のアルミニウムを再生可能燃料として利用する方法。
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