KR20160043059A - 연소 합성 시스템, 반응 생성물, 물품, 연소 합성 방법, 발전 시스템, 플라스마 발생 장치 및 발전 장치 - Google Patents

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토시유키 와타나베
하루키 콘노
아키코 마츠시타
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어드밴스드 리조시스 인스티튜트 홀딩스 엘엘씨.
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Abstract

연소 합성 시스템(100)은, Si를 포함하는 입자 분말과, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성하는 공급부(1); 내열성 및 내압성을 구비하고, 공급부(1)로부터 공급된 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부(2); 반응부(2)에 공급된 혼합물을 착화하는 착화부(7); 및 반응부(2)의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 반응부(2)의 외부로 취출하는 열취출부(8)를 포함한다.

Description

연소 합성 시스템, 반응 생성물, 물품, 연소 합성 방법, 발전 시스템, 플라스마 발생 장치 및 발전 장치{COMBUSTION SYNTHESIS SYSTEM, REACTION PRODUCT, ARTICLE, COMBUSTION SYNTHESIS METHOD, POWER-GENERATING SYSTEM, PLASMA-GENERATING DEVICE, AND POWER-GENERATING DEVICE}
본 발명은, 연소 합성 시스템, 반응 생성물, 물품 및 연소 합성 방법, 특히 Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 사용한 연소 합성 시스템, 반응 생성물, 물품 및 연소 합성 방법에 관한 것이다. 또한, 발전 시스템, 플라스마 발생 장치 및 발전 장치에 관한 것이다.
산업, 운수, 소비 생활 등에서 사용된 전세계의 소비 전력은, 2010년에는 1.36×1016Wh였다. 이 중, 주요 공업용 소재의 제조가 약 30%를 차지한다. 특히, 철을 주성분으로 하는 특수강의 제조가 약 8%를 차지한다. 에너지원으로서는, 화석 연료가 여전히 약 85%로 높은 비율을 차지하고 있다. 그러나, 화석 연료에 대한 과도한 의존에서 벗어나는 발본적인 해결책은 아직 찾아내지 못했다.
산업혁명 이래 꾸준히 지속되어온 철문명은, 특정의 자원을 고갈시키는 상황을 초래할 뿐만 아니라, 지구 온난화 원인의 하나로 지목되고 있다. 여기서, 철을 대신하는 재료로서, 실리콘(이하, 금속 실리콘, 금속 Si, 단순히 Si라고도 한다)이 주목받고 있다. Si는, 지구의 지각을 구성하는 원소중 27%를 차지함에도 불구하고, 대부분 아직 손을 대지 않은 상태로 남겨져 있다. Si를 이용하는 기술은 이제 막 개발되기 시작했다.
Si로부터 유용한 재료를 얻기 위해, 몇 가지 방법이 개발되어 왔다. 예를 들면, 질소 분위기하의 챔버 내에서 금속 Si를 반응시켜 실리콘 산질화물계 세라믹스를 얻기 위한 수법으로서, 연소 합성법(이하, 단순히 연소 합성이라고도 한다)이 알려져 있다. 연소 합성시의 반응계의 내압과 온도를 일정값으로 제어하여, 안정적으로 실리콘-산소-질소계 연소 합성을 실행하는 제어형 연소 합성 장치의 실용화가 검토되고 있다. 여기서, 실리콘-산소-질소계 연소 합성이란, 원료로서 고체의 Si, SiO2 등의 산소 공급원, 및 기체의 N2를 사용하는 연소 합성을 말한다. 제어형 연소 합성이란, 내압과 온도를 제어하는 것에 의해, 반응열을 가능한 억제하는 연소 합성을 말한다. 제어형 연소 합성 장치로 제조된 각종의 실리콘 산질화물계 세라믹스인 Si6 - zAlzOzN8 -z(이하, Sialon, Sialon(s)라고도 한다)나 Al을 포함하지 않는 SiON(이하, Sion, Sion(s)라고도 한다)은, 실리콘 합금으로 불리고, 용도 개발도 검토되고 있다. 특히, 연소 합성시의 압력과 온도를 제어하여 안정적으로 Sialon계 세라믹스를 합성할 수 있는 장치는, 제어형 연소 합성 장치로서 실용화가 진행되고 있다.
제어형 연소 합성은, 실리콘 산질화물계 세라믹스를, 종래 기술에 비해 거의 에너지 비용을 들이지 않고 안정적으로 생산할 수 있는 점이 특징이다. 제어형 연소 합성 장치를 사용하여, 공업적으로 유용한 특성을 구비하는 몇 가지 실리콘 산질화물계 세라믹스가 생산되어 있다(비특허문헌 1, 2).
K.H.Jack, Journal Material Science Vol.11 (1976) pp1135 Yuwanwen Wo other, Journal of Materials Synthesis and Processing Vol.4, No.3, (1996) pp137
연소 합성은 일반적으로 폭발적으로 진행되기 때문에, 반응에 따라 대량의 에너지가 발생한다. 질소 환경중에서 실리콘이 연소할 때 발생하는 에너지는, O'Sialon 합성의 경우에 실측되고 있다. 반응을 유발하기 위한 단시간의 불꽃에 의한 착화에 의해, 이하의 식 1에 나타내는 바와 같이, 외부로부터의 에너지 투입 없이, 발열 반응이 진행된다.
3Si+SiO2+2N2→2Si2N2O(ΔH0=-984.6kJmol-1) … (식 1)
여기에 제시되는 엔탈피 ΔH0은, 반응계 또는 생성계 1mol당의 재료로부터의 총 발열량을 나타내고 있다. 이 값을 반응계 또는 생성계 재료의 단위 중량당의 전력량으로 환산하면 1.36kWh/kg로 환산된다. 즉, 이 계의 반응계 또는 생성계에서의 발열 반응에서는, 소재 재료인 질소 연소 합성에 의해 1.36kWh의 전력이 발생한다.
마찬가지로, β Sialon(z=3)의 생성에 관한 엔탈피 ΔH0은, 이하의 식 2와 같이 계산된다.
3Si+6Al+3SiO2+5N2→2Si3N4AlNAl2O3(ΔH0=-973.6kJmol-1) … (식 2)
이 경우에 발생하는 반응 생성물(여기서는 Si3N4AlNAl2O3) 1kg당 1157Kcal의 열량을 전력으로 환산하면, 1.4kWh가 된다.
식 1 및 식 2의 반응에 사용되는 SiO2는, 지구에 무진장으로 존재하는 사막의 모래의 주성분인 규석이다. Si는, SiO2를 환원하는 것에 의해 얻어진다. 또한, 질소는 압축 공기로부터 무진장으로 입수할 수 있다. 즉, 연소 합성에 사용되는 원료는, 지구에 풍부하게 존재하는 기본 자원 그 자체이다. 또한, 식 1 및 식 2에 나타내는 바와 같이, 연소 합성에서는 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는 점이 중요하다.
연소 합성에서는 대량의 반응열이 발생한다. 그 때문에, 종래의 제어형 연소 합성 장치에서는, 폭발적으로 진행되는 연소 합성 반응을, 1) 분위기 압력, 2) 연소 합성 온도, 3) 반응 억제 재료 등을 사용하여 극력 억제하는 것이 검토되어 왔다. 즉, 종래의 제어형 연소 합성 장치는, 연소 합성에 의해 발생하는 반응열을 1)~3)의 억제력을 최대한으로 발휘시켜 연소 합성의 반응을 극력 제어하여 안정적으로 진행하여, 공업제품의 기초 소재가 되는 반응 생성물을 공업적으로 안정적으로 제조하는 점에 초점을 두어 왔다.
그러나, 배치형(batch type) 장치를 사용하는 종래의 연소 합성법에서는, 반응 생성물을 얻는 것에만 초점이 맞춰져 있었다. 그 때문에, 연소 합성의 이용 효율에는 개선의 여지가 있었다.
본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해, 연소 합성에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 합성 시스템은, Si를 포함하는 입자 분말과, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성하는 공급부; 내열성 및 내압성을 구비하고, 공급부로부터 공급된 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부; 반응부에 공급된 혼합물을 착화하는 착화부; 및 반응부의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 반응부의 외부로 취출하는 열취출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 의하면, 반응에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용하는 것에 의해, 연소 합성의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 공급부를 통해 연속적으로 원료를 공급하고, 및 반응부에 있어서 연속적으로 반응을 진행시킬 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 공급부는, Si 및 SiO2를 포함하는 입자 분말과 N2 가스를 유동상(fluidized bed)을 사용하여 혼합시켜도 좋다. 이 실시예에 의하면, 원료의 혼합 및 연소 합성을 연속적이면서 효율적으로 진행시킬 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 열취출부는, 연소 합성 반응의 반응열을, 물을 열매체로 하여 열교환하는 것에 의해 취출해도 좋다. 이 실시예에 의하면, 생성열을 연소 합성 시스템으로부터 연속적이면서 효율적으로 취출할 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 반응 생성물을, 반응부의 외부에서 회수하는 회수부를 더 포함해도 좋다. 이 실시예에 의하면, 반응에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 연소 합성의 결과 생성되는 반응 생성물을 효율적으로 회수할 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 회수부는, 그 내부를 반응부의 내부보다 저기압으로 유지하고, 반응 생성물을 포함하는 기체를 팽창시켜 냉각해도 좋다. 이 실시예에 의하면, 반응 생성물인 실리콘 산질화물계 세라믹스의 고순도화나 미세화를 실현할 수 있다. 또한, 회수부가 그 내부를 반응부보다 저기압으로 유지하고, 반응 생성물을 포함하는 기체를 팽창시켜 냉각함으로써, 반응 생성물을 입자 분말로서 회수할 수 있다. 이에 의해, 종래에 필요했던 미분쇄화 공정을 생략할 수 있다. 반응부와 회수부의 내압차를 크게 하여 더욱 감압 팽창 효과를 높이는 것에 의해, 실리콘 산질화물계 세라믹스의 입경을 조정할 수 있고, 초마이크로 분말의 저렴 제조가 실현될 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 원료가 되는 SiO2를 포함하는 입자 분말은, 사막에 거의 무진장으로 매장되는 모래여도 좋다. 이 실시예에 의하면, 자원의 고갈 걱정 없이 화석 자원으로부터 염가로 대체 에너지를 생성할 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 시스템에 있어서, 공급부는, Al을 더 혼합시켜 혼합물을 생성해도 좋다. 이 실시예에 의하면, 반응 생성물로서 Sialon을 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 반응 생성물이다. 해당 반응 생성물은, 상기 실시예의 연소 합성 시스템에 의해 생성된 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함한다. 이 실시예에 의하면, 고순도의 반응 생성물을 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 물품이다. 해당 물품은, 상기 실시예의 반응 생성물을 사용하여 형성된다. 이 실시예에 의하면, 상온에서 고온하에 있어서의 강도, 내열 충격, 내마모성에 우수한 물품을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 연소 합성 방법이다. 해당 연소 합성 방법은, Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말(그리고 때로는 Al 등의 입자 분말), 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성하는 스텝; 내열성 및 내압성을 구비하고, 공급부로부터 공급된 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부를 사용하여 반응을 진행하는 스텝; 반응부에 수용된 혼합물을 착화하는 스텝; 및 반응부의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 반응부의 외부로 취출하는 스텝을 포함한다. 이 실시예에 의하면, 연소 합성의 반응열의 이용 효율을 높일 수 있다.
상기 실시예의 연소 합성 방법에 있어서, 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 반응 생성물을, 반응부의 외부에서 회수하는 스텝을 더 포함해도 좋다. 이 실시예에 의하면, 반응에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 연소 합성의 결과 생성되는 반응 생성물을 효율적으로 회수할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 발전 시스템이다. 해당 발전 시스템은, Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 이루어지는 혼합물이 공급되고, 해당 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부; 반응부로의 N2 가스의 공급량을 조정하여 반응부 내의 압력을 0.9GPa 이상으로 하고, 연소 합성으로 생성되는 반응 가스를 열플라스마화하는 제어부; 내부가 반응부 내보다 저압이면서, 반응 가스의 승화 온도보다 높은 온도인 감압부; 반응부 내와 감압부 내를 연통하고, 열플라스마화된 반응 가스를 반응부로부터 감압부에 유통시켜, 해당 유통에 의해 MHD 발전을 하는 발전부; 및 내부가 반응 가스의 승화 온도보다 낮은 온도이면서, 감압부 내와 연통되고, 감압부 내의 반응 가스가 유입하여 고체상의 반응 생성물이 형성되는 팽창 단열실을 구비한다.
본 발명의 다른 실시예는, 플라스마 발생 장치이다. 해당 플라스마 발생 장치는, Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 이루어지는 혼합물이 공급되고, 해당 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부와, 반응부로의 N2 가스의 공급량을 조정하여 반응부 내의 압력을 0.9GPa 이상으로 하고, 연소 합성으로 생성되는 반응 가스를 열플라스마화하는 제어부를 구비한다.
본 발명의 다른 실시예는, 발전 장치이다. 해당 발전 장치는, 상기 실시예의 플라스마 발생 장치와, 플라스마 발생 장치에서 생성되는 열플라스마화된 반응 가스의 유통에 의해 MHD 발전을 하는 발전부를 구비한다.
연소 합성에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 실시형태 1에 따른 개방형 연속 연소 합성 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 연소 합성 불꽃의 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 연소 합성 불꽃의 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 리액터내의 연소 온도와 절대 압력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시형태 2에 따른 발전 시스템을 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 설명한다.
(실시형태 1)
실리콘-산소-질소계 연소 합성에 관하여, 종래부터 이하의 가능성이 시사되어 왔다.
1) 반응 생성물인 실리콘 산질화물계 세라믹스는, 철을 주성분으로 하는 특수강의 대체가 될 수 있다.
2) 연소 합성 반응을 제어하는 것에 의해, 실리콘 산질화물계 세라믹스의 제조 원가를 더욱 대폭으로 저감시킬 수 있는 여지가 있다.
본 발명자들은, 이상의 가능성에 더하여, 이하의 가능성을 더 찾아냈다.
3) SiO2를 주성분으로 하는 규석 및 금속 실리콘을 주원료로 하여, 실리콘-산소-질소계 연소 합성을 하는 경우에, 반응 생성물을 이용하는 것에 더하여, 생성 에너지를 새 에너지원으로서 이용할 수 있다.
여기서, 본 발명자들은, 제어형 연소 합성 장치를 사용하여 실험을 종종 반복하여 검토를 더한 결과, 개방형 연속 연소 합성 시스템을 상도했다. 본 명세서 중에서 "개방형"의 연소 합성이란, 종래의 제어형 연소 합성과 달리, 상술한 바와 같이 반응열을 억제하지 않고, 얻어진 반응열을 가능한 외부에서 이용하는 것을 목적으로 하는 연소 합성을 말한다. 또한, "연속 연소 합성"이란, 원료를 계속적으로 투입하면서, 연속적으로 반응을 진행하는 연소 합성을 말한다.
개방형 연속 연소 합성 시스템인 본 실시형태의 연소 합성 시스템(100)의 특징은, 아래와 같다.
1) 연소 합성 리액터(반응부)와 그 전후 공정을 최적화함으로써, 연속 연소 합성을 가능하게 한다.
2) 연소 합성시에 발생하는 반응열을 효율적으로 외부에 취출하여, 전기 에너지로서 활용한다.
3) 필요한 경우에는, 연소 합성 종료후의 기체로부터, 반응 생성물을 미세 분말로 하여 직접 회수한다. 이 과정에서, 원료에 포함되어 있던 불순물이 실질적으로 포함되지 않는 고순도의 입자가 생성된다.
4) 종래의 화석 연료에 의한 에너지 생성시에는, 탄소를 주체로 하는 유기체를 산소에 의해 산화할 때 발생하는 에너지를 활용하기 때문에, 필연적으로 이산화탄소나 일산화탄소(기체)가 생성되어버린다. 그러나, 연소 합성 시스템(100)에서는, 에너지 생성시의 생성물은, 실리콘과 질소 및 산소로 구성되어 있기 때문에, 이산화탄소나 일산화탄소(기체)는 전혀 생성되지 않는다.
도 1은, 본 실시형태에 따른 개방형 연소 합성 시스템(100)을 나타내는 개략도이다. 연소 합성 시스템(100)은, 공급부(1)와, 반응부(2)와, 착화부(7)와, 열취출부(8)와, 회수부(3)를 주된 구성으로서 구비한다. 또한, 이들을 사용한 연속적인 연소 합성은, 제어부(20)에 의해 제어된다. 이하, 이들을 차례로 설명한다.
공급부(1)는, 원료로서 Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성한다. 즉, 공급부(1)는, 이들의 원료의 균일 혼합화를 하는 것에 더하여, 반응부(2)로의 원료의 공급 장치로서도 기능한다. 공급부(1)에는, 각각 제어 밸브를 구비하는 원료 분말체 공급구(5) 및 캐리어 가스 공급구(4)이 마련되어 있다. 공급부(1)에는, 원료 분말체 공급구(5)로부터 분말체(입자 분말)의 원료가, 캐리어 가스 공급구(4)로부터 캐리어 가스인 질소 가스(N2)가, 각각 공급된다. 제어부(20)는, 원료 분말체 공급구(5)로부터의 원료의 공급량 및 캐리어 가스 공급구(4)로부터의 질소 가스(N2)의 공급량을 제어한다. 이에 의해, 원료 분말체 공급구(5)로부터 공급된 원료의 분말체가, 원하는 반응에 필요한 비율로 혼합된다.
분말체를 단시간으로 균일 혼합하기 위해, 공급부(1)는, 질소 가스를 캐리어 가스로 사용하는 유동상을 구비하는 것이 바람직하다. 유동상은, 가로로 향해 있어서도 좋고, 세로로 향해 있어서도 좋다. 이하, 원료 분말체 공급구(5), 캐리어 가스 공급구(4), 분사 노즐(6) 및 도시하지 않는 유동상을 포함하여, 공급부(1)로 부르는 경우도 있는 것으로 한다.
종래의 유동상 발전에서는, 미분탄과 공기가 유동상중에서 균일 혼합된 후, 유동상 내에서 착화된다. 한편, 본 실시형태에서는, 반응 생성물의 조성을 정확하게 조절하는 것이 중요하다. 그 때문에, 본 실시형태에 있어서 공급부(1)가 유동상을 포함하는 경우에는, 원료를 균일하게 혼합하는 것을 목적으로 한다.
연소 합성 반응의 원료로서, 금속 실리콘(Si) 분말체, 금속 알루미늄(Al) 분말체, 산소 공급원으로서 SiO2를 주성분으로 하는 규석의 분말체를 사용할 수 있다. 규석으로서는, 사막의 모래를 바람직하게 사용할 수 있다. SiO2에 더하여, 알루미나(Al2O3)의 분말체를 사용할 수도 있다. 상술한 식 1은, SiO2를 산소 공급원으로서 가하고, Al을 가하지 않는 경우의 반응의 일례를 나타낸다. 한편, 상술한 식 2는, SiO2를 산소 공급원으로서 가하고, Al을 더 가한 경우의 반응의 일례를 나타낸다. 원료로서, 필요에 따라 합금 원소의 금속 및 금속의 산화물을 더욱 가할 수도 있다. 이들의 분말체의 조성비는, 목적으로 하는 반응 생성물에 따라, 제어부(20)를 사용하여 원료 분말체 공급구(5) 및 캐리어 가스 공급구(4)의 개폐 상태를 조절시키는 것에 의해, 적절히 조절하면 된다.
질소 가스를 통해 균일하게 혼합되어 기체중에 부유하는 고체 분말체는, 기체 공급구(16) 및 분사 노즐(6)을 통해 반응부(2)에 공급된다. 제어부(20)는, 분사 노즐(6)의 분사를 제어한다. 분사 노즐(6)은, 미분탄 버너인 것이 바람직하다. 또한, 분사 노즐(6)은, 백파이어 방지 기구를 구비하고 있다.
반응부(2)는, 내열성 및 내압성을 구비하고, 공급부(1)로부터 공급된 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행된다. 즉, 반응부(2)는, 공급부(1)로부터 공급된 원료를 내부에서 연소 합성시키는 연소 합성 리액터로서 기능한다. 반응부(2)에는, 혼합 기체 착화 장치인 착화부(7)가 마련되어 있다. 착화부(7)는, 반응부(2)에 공급된 혼합물을 착화한다. 제어부(20)는, 분사 노즐(6)의 선단에 있어서, 반응부에 수용된 혼합물의 착화부(7)에 의한 착화를, 고압 아크 방전에 의해 제어한다. 또한, 제어부(20)는, 캐리어 가스 공급구(4)로부터 반응부(2)로의 질소 가스의 공급량을 적정화하여, 반응부(2)의 내부에서 연소 합성 화염이 계속적으로 생성되도록 조건 설정한다.
온도 측정부(10)는, 반응부(2) 내의 온도를 측정한다. 내압 측정부(11)는, 반응부(2)의 내압을 측정한다. 온도와 내압의 측정값은, 제어부(20)에 송신된다. 연소 합성은 극히 단시간에 진행되기 때문에, 반응부(2) 내의 온도나 내압도 단시간에 변화한다. 그 때문에, 온도 및 내압의 값을 모니터하여, 원료 분말체 공급구(5)로부터의 분말체(입자 분말)의 원료의 공급량, 및 캐리어 가스 공급구(4)로부터의 캐리어 가스인 질소 가스(N2)의 공급량을 조절하는 것은, 연소 합성을 연속적이면서 안정적으로 계속시키기 위해 중요하다. 또한, 반응부(2)의 내압이 약 1.0메가파스칼(MP)을 넘은 시점에서, 제어부(20)는, 내압 조절 밸브(12)를 개방하도록 제어한다. 이에 의해, 반응부(2)의 내압은, 약 2.0MP 미만으로 조절되는 것이 바람직하고, 약 1.8MP 미만으로 조절되는 것이 더욱 바람직하고, 약 1.6MP 미만으로 조절되는 것이 더욱 바람직하다. 그 결과, 반응부(2) 내의 온도는 약 3000℃ 미만으로 조절되는 것이 바람직하고, 약 2800℃ 미만으로 조절되는 것이 더욱 바람직하고, 약 2600℃ 미만으로 조절되는 것이 특히 바람직하다. 이와 같이 낮은 온도와 내압에 의해 연소 합성을 진행하는 것은, 종래의 제어형 연소 합성 장치로는 매우 곤란했다. 온도와 내압은, 반응부(2) 내의 상이한 복수 개소에서 각각 측정되는 것이 바람직하다.
기체 배출구(17)는, 반응부(2)와 회수부(3)를 접속한다. 기체 배출구(17)에 마련된 내압 조절 밸브(12)를 개폐함으로써, 반응부(2)와 회수부(3)의 접속 상태가 조절된다. 제어부(20)는, 반응부(2)의 내압 및 온도가 소정값에 도달한 시점에서, 내압 조절 밸브(12)를 개방 상태로 한다.
회수부(3)는, 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 연소 합성 반응의 반응 생성물을, 반응부(2)의 외부에서 회수한다. 구체적으로는, 회수부(3)에는, 회수부(3)의 내압을 조절하는 내압 조절 밸브(14) 및 내압을 측정하는 내압 측정부(18)가 마련되어 있다. 내압의 측정 결과는, 제어부(20)에 송신된다. 제어부(20)는, 반응부(2)의 내압과 회수부(3)의 내압 측정값에 기초하여 내압 조절 밸브(14)를 제어함으로써, 회수부(3)의 내압을 반응부(2)의 내압 미만으로 조절한다. 제어부(20)가 내압 조절 밸브(12)를 개방 상태로 한 경우에, 내압차에 의해 반응 생성물을 포함하는 기체가 회수부(3) 내에 투입된다. 반응부(2) 내의 고압 상태에서 회수부(3) 내의 저압 상태에 투입되는 것에 의해 감압 팽창 효과가 발생하기 때문에, 기체의 온도는 급격하게 저하된다. 이에 따라, 기체중에 포함되는 반응 생성물이, 미세한 결정으로서 정출된다. 결정의 크기는, 제어부(20)가 반응부(2)의 내압(Pr)과 회수부(3)의 내압(Pf)의 내압차(△P)를 제어하는 것에 의해 조정할 수 있다. △P는, 약 0.6MP 이상인 것이 바람직하고, 약 0.8MP 이상인 것이 더욱 바람직하고, 약 1.0MP 이상인 것이 특히 바람직하다. △P를 이와 같은 범위로 조절하는 것에 의해, 반응 생성물의 평균 입경(입자의 지름의 산술 평균값: JIS Z 8901)을, 예를 들면 약 0.3~약 0.5㎛ 정도로 조정할 수 있다.
반응 생성물은, 최종적으로 분말로서, 회수부(3)에 접속된 취출부(15)에 의해 회수된다. 취출부(15)는, 분말을 연속적으로 배출하여 취출하는 분말 연속 배출 장치이다. 분말은, 공업제품인 각종 물품을 제조하기 위해 사용되어도 좋다. 각종 물품은, 예를 들면 각종 위치 결정 부재, 주조기용 부품, 볼 베어링이어도 좋지만, 이들에 한정되지 않는다.
반응부(2)에는, 열취출부(8)가 접속되어 있다. 열취출부(8)는, 화력 발전용 증기 터빈인 발전부(9)와, 열교환기(19)를 포함한다. 열교환기(19)는, 반응부(2)의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 반응부(2)의 외부로 취출한다. 이 경우, 열교환기(19)는, 반응부(2) 내에 발생한 열 에너지를, 물을 열매체로 하여 열교환한다. 제어부(20)는, 수량 조절 밸브(13)를 제어하는 것에 의해, 항상 일정 온도 범위내의 과열 증기를, 열교환기(19)에 공급한다. 열취출부(8)는, 발전부(9)에 있어서 열교환기(19)의 물로부터 열을 취출한다. 발생한 열 에너지를 화력 발전용 증기 터빈을 통해 전력화하는 대신, 열전 소자(펠티에 소자)에 의한 전력화나 MHD 발전을 사용하여 열 에너지를 취출해도 좋다.
이상, 본 실시형태의 연소 합성 시스템(100)에 의하면, 반응에 의해 발생한 반응열을 효율적으로 이용하는 것에 의해, 연소 합성의 반응열의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 공급부(1)를 통해 연속적으로 원료를 공급하고, 및 반응부(2)에 있어서 연속적으로 반응을 진행시킬 수 있다.
또한, 생성열을 억제할 필요가 없어지기 때문에, 반응부(2)를 간이한 구성으로 할 수 있다. 또한, 본 실시형태의 회수부(3)를 사용하는 것에 의해, 반응 생성물인 실리콘 산질화물계 세라믹스의 고순도화나 미세화를 실현할 수 있다. 또한, 회수부(3)가 그 내부를 반응부(2)보다 저기압으로 유지하고, 반응 생성물을 포함하는 기체를 팽창시켜 냉각함으로써, 반응 생성물을 입자 분말로서 회수할 수 있다. 이에 의해, 종래에 필요했던 미분쇄화 공정을 생략할 수 있다. 반응부(2)와 회수부(3)의 내압차를 크게 하여 감압 팽창 효과를 더욱 높이는 것에 의해, 실리콘 산질화물계 세라믹스의 입경을 조정할 수 있고, 초마이크로 분말의 저렴 제조가 실현될 수 있다.
또한, 연소 합성의 원료로서, 사막에 방대하게 존재하는 규석(SiO2)이나, 규석으로부터 용이하게 제조 가능한 금속 실리콘(Si)을 사용하는 것에 의해, 자원의 고갈 걱정 없이 화석 자원으로부터 염가로 대체 에너지를 생성할 수 있다.
또한, 공급부(1)가 유동상을 포함하는 것에 의해, 원료의 혼합 및 연소 합성을 효율적으로 진행시킬 수 있다. 또한, 열취출부에 의해 물을 열매체로 하여 열교환하여 반응열을 취출하는 것에 의해, 생성열을 연소 합성 시스템으로부터 효율적으로 취출할 수 있다. 또한, 원료로서 Al을 더 혼합시키는 것에 의해, 반응 생성물로서 Sialon을 생성할 수 있다.
또한, 반응 생성물이 연소 합성 시스템(100)의 회수부에 의해 회수된 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 것에 의해, 고순도의 반응 생성물을 얻을 수 있다. 또한, 연소 합성 반응의 반응 생성물을 사용하면, 상온, 고온하에 있어서의 강도, 내열 충격, 내마모성에 우수한 물품을 형성할 수 있다.
(유용성)
2010년도의 통계에서는, 1.36×1016Wh의 전기 에너지가 세계에서 소비되고 있다. 상술한 식 2를 사용한 시산 결과에 의하면, 연소 합성에 의해 사막의 모래의 주성분인 SiO2와 금속 실리콘 등을 신 에너지원으로서 사용한 경우, 반응 생성물 1kg당 1.4kWh의 발전이 가능하다. 연소 합성 시스템(100)을 사용하여 100억톤의 반응 생성물을 합성한 경우에, 효율 100%이면 이 전기 에너지 총량에 상당하는 반응열을 생성할 수 있다.
이 정도의 반응 생성물을 합성하기 위한 모래이면, 지구상에는 고갈을 걱정하지 않아도 좋을 정도로 충분히 존재하는 것으로 생각된다. 또한, Si가 염가이다. 그 때문에, 연소 합성 시스템(100)을 연속적으로 가동시켜, 반응 생성 에너지 및 반응 생성물을 회수하는 실리콘-산소-질소계 연소 합성을 하는 것에 의해, 자원으로서의 가치가 없는 것으로 생각되어 온 사막의 모래가, 공업용의 원료 및 에너지원으로서 활용되는 것이 기대된다. 사막의 모래의 주성분인 SiO2와 실리콘을 연소 합성시키는 것에 의해, 사막의 모래는 화석 연료를 대신하는 신 에너지원으로서 큰 가능성을 내포하고 있다.
또한, 철강의 원료인 철광석은, 자원의 고갈 문제가 해마다 심각해지고 있다. 여기서, 지구상에 철의 5배나 존재하는 것으로 여겨지는 실리콘(SiO2와 Si)을 연소 합성한 반응 생성물인 실리콘 산질화물계 세라믹스가, 차세대의 기반이 되는 공업용 소재로서, 현상에서는 가장 중요한 범용 공업용 소재인 철강을 대신할 가능성이 있다. 나아가, 실리콘 산질화물계 세라믹스는, 철과 동시에 핍박해 있는 레어 메탈을 대신할 가능성을 내포하고 있는 점에서도 매우 장래성이 있다. 특히 사막을 갖는 국가가 국가의 사업으로서, 본 실시형태의 연소 합성 시스템을 진지하게 실시할 것이 기대된다. 한편, 정제후의 Al이나 Si를 원료에 사용했다고 해도, 에너지 수지는 플러스가 된다.
(실시예)
1. 원료
본 실시예에서 사용한 금속 실리콘의 조성을 표 1에 나타낸다. 본 금속 실리콘은, 중국 규격 553 상당재이다. Al, Fe, Zr, Ca 및 Mg의 분석은, ICP법으로 실시했다. 산소의 분석은 융해법으로 실시했다. Si는 잔분(계산값)이다. 표 3, 4의 실시예 1~7에서는, 평균 입경(입자의 지름의 산술 평균값: JIS Z 8901)으로서, 10㎛, 100㎛ 및 200㎛를 각각 사용했다.
Si Al Fe Zr Ca Mg O
98.106 0.26 0.4 0.002 0.1 0.12 1.12
다음으로, SiO2로서 사용한, 아스완 사막(이집트)의 3곳의 지점 1~3에서 채취한 사막 모래의 조성 분석값을 표 2에 나타낸다. SiO2는 %로 표시하고, 기타는 PPM으로 표시하고 있다. 각 실시예에서는, 지점 1~3의 샘플을 등분 배합하여 사용했다. 표 3, 4의 실시예 1~7에서는, 평균 입경으로서, 10㎛, 100㎛ 및 200㎛를 각각 사용했다.
지점 SiO2 K2O Na2O MgO CaO Fe2O3 Al2O3 TiO2
1 99.847 15 25 15 120 53 69 1200
2 99.82 9 32 4 46 20 49 1600
3 99.86 15 31 7 5 15 100 1200
2. 시험 방법
도 1에 표시한 연소 합성 시스템(100)을 사용하여 시험을 실시했다. 연소 합성 시스템(100)은, 유동상 방식에 의해 질소 가스를 캐리어로 하여 원료를 균일화하는 기능을 구비하는 한편, 질소 기체에 의한 비중 분별 기능에 의해 고체 원료중의 불순물 제거 효과를 기대할 수 있다. 그 효과를 확인하는 목적으로, 고체 원료의 입경을 변화시켜 제공했다.
3. 시험 결과
시험 결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 표 3은, 사용한 원료의 배합비를 나타낸다. 표 4는, 연소 합성 시스템(100)의 가동 조건을 나타낸다. 표중의 성분값은, 공급부(1)에 있어서의 원료 균일 혼합화시의 원료의 배합비(질량비), 따라서 반응부(2)에 1분간당 공급하는 원료의 배합비를 나타낸다. 한편, 표 3에 있어서, Z의 값 "3"은 연소 합성의 반응 생성물로서 실리콘 산질화물계 세라믹스 Si6 - zAlzOzN8 -z의 Z=3을 합성하도록 성분 배합한 일련의 실시예를, "1"은 동일하게 Z=1을 합성하도록 성분 배합한 일련의 실시예를, 각각 나타낸다. 또한, 1gr(grain)=약 0.064g이다. 또한, 표 4에 있어서 "수증기"는, 열취출부(8)에 있어서의 수증기의 온도를 나타낸다.

실시예
Z의 값		 금속 실리콘(gr) SiO2(gr) Al
(gr)		 N2
(L)
입경(㎛) 입경(㎛)
10 100 200 10 100 200
1 3 84 180 162 112
2 3 84 180 162 200
3 3 84 180 162 112
4 3 84 180 162 112
5 1 126 30 27 78.4
6 1 126 30 27 78.4
7 1 126 30 27 78.4

실시예
Z의 값		 반응부(2) 수증기
(℃)		 회수부(3) 반응 생성물
온도
(℃)		 내압
(MP)		 내압(MP) 입경
(㎛)		 XRD 동정 Fe 분석값
(단위)
1 3 2500 1.2 850 0.1 0.4 Z=3 0.01
2 3 2500 1.3 870 0.01 0.3 Z=3 0.01
3 3 2400 1.3 870 0.1 0.6 Z=3 0.03
4 3 2400 1.3 860 0.1 0.5 Z=3 0.04
5 1 2000 1.1 850 0.1 0.5 Z=1 0.01
6 1 2100 1.2 860 0.1 0.4 Z=1 0.04
7 1 2100 1.1 840 0.1 0.3 Z=1 0.04
실시예 1과 2의 결과로부터, 고체 배합값이 결정되면 그에 대응한 질소량이 저절로 결정되는 것을 알았다. 또한, 본 실시예의 경우, 질소 112리터(L)로 과부족 없이 반응은 진행되었다(실시예 1). 그러나, 200L(과잉량)의 질소 가스를 첨가해도 생성되는 반응 생성물이 동일했다(실시예 2). 이는, 연소 합성 반응에 있어서의 극히 특징적인 성질이다. 동시에, 연소 합성이 매우 취급하기 쉬운 반응인 것이 확인되었다.
연소 합성 시스템(100)을 사용하면, 공급부(1)를 사용하여 원료를 균일 혼합한 후, 공급부(1)로부터 반응부(2)에 원료를 공급하는 동시에, 반응부(2) 내에서 착화부(7)에 의해 착화를 진행하는 것은, 극히 용이했다. 착화하면 즉석에서, 연소 합성 반응에 따른 화염은 반응부(2) 내로 폭발적으로 퍼졌다. 이에 따라, 반응부(2)의 내압은 약 1.2MP까지 급격하게 상승했다. 또한, 반응부(2) 내의 온도는, Z=3의 실시예 1~4에서는 약 2400℃ 이상으로, Z=1의 실시예 5~7에서는 약 2000℃ 이상으로, 각각 급격하게 상승했다. 반응부(2)는, 약 3000℃ 미만 및 약 2.0MP에서 안정적으로 가동되는 것이 확인되었다.
반응부(2)의 내압이 1MP를 넘은 시점에서, 내압 조절 밸브(12)를 개방했다. 회수부(3)는, 내압 조절 밸브(14) 및 내압 측정부(18)를 사용하여, 거의 상압인 0.1MP으로 내압을 조절했다. 반응부(2)와 회수부(3)의 내압차(△P)에 따라, 연소 합성후의 기체가 반응부(2)로부터 기체 배출구(17)를 통해 회수부(3)로 방출되었다. 그 결과, 취출부(15)에서 반응 생성물이 회수되었다.
회수된 반응 생성물의 평균 입경은 약 5㎛였다. XRD에 의한 동정 결과, 배합값으로 목표로 한 조성(Z=3의 경우: Si3Al3O3N5, Z=1의 경우: Si5Al1O1N7)을 구비하는 실리콘 산질화물계 세라믹스가 연소 합성 시스템(100)에 의해 합성할 수 있는 것이 확인되었다(표 4). 또한, 원료인 금속 실리콘 및 사막의 모래에 함유되는 불순물인 철분은, 반응 생성물인 실리콘 산질화물계 세라믹스 중에는 실질적으로 포함되지 않는 것이 확인되었다. 즉, 철분을 제거하지 않는 금속 실리콘이나 모래를 원료로 하여, 연소 합성 시스템(100)을 사용하여 연소 합성을 하는 것에 의해, 실질적으로 철분을 입자내에 포함하지 않는 반응 생성물의 입자를 생성할 수 있는 것이 명확해졌다.
또한, 연소 합성에 의해 생성된 반응열은, 화력 발전용 증기 터빈을 포함하는 리액터 열교환 장치인 열취출부(8)에 의해, 반응부(2)의 외부에 용이하게 취출할 수 있는 것이 확인되었다.
(실시형태 2)
본 실시형태는, 상술한 연소 합성 반응에 있어서 열플라스마 상태를 만들어 내고, 열플라스마를 이용하여 발전하는 기술에 관한 것이다. 이하에 상세를 설명한다.
화석 연료로부터 얻어지는 에너지는 방대하고, 또한 그 잔사로부터는 다종의 유기 제품이 얻어진다. 이 때문에, 현대 사회는 화석 연료에 쏠려있는 시대라고 할 수 있다. 화석 연료의 방대한 소비에 의해, 지구환경에 엄청난 부하가 걸리고 있다. 태고 시대부터, 원시생물이 수십억년에 걸쳐, 고정적으로 땅속 깊이 봉쇄한 이산화탄소를, 현대 인류가 주로 연료의 형태로 소비하여, 대기중으로 되돌려버리고 있다.
산업혁명 이후, 인류가 구축한 철문명은, 철광석을 탄소로 환원하여 철을 제조하는 문명이였다. 일반적으로, 철 1톤의 생산에 이산화탄소 2톤이 방출된다. 세계의 철강 생산량이 15억톤인 현재, 방출하고 있는 이산화탄소는 연간 30억톤에 달한다. 이는, 전세계의 이산화탄소 방출량의 40%에 상당한다.
본 발명자들은, 탄소-산소-철의 사이클로 구성된 현재의 순환계로부터 탈피하기 위해, 실리콘-질소로 구성되는 에너지 생성과 소재 제조의 시스템을 구축하는 것을 목적으로, 다양한 발본적 검토를 진행해 왔다. 한편, 실리콘은 고체 자원으로서 27%의 최대 매장량을 갖고, 질소는 대기 조성비 약 80%이다. 그리고, 본 발명자들은, 실리콘과 질소를 주체로 하는 연소 합성에 의해, 실리콘-질소계 세라믹스의 합성에 성공함과 함께, 그때 방대한 에너지를 발생시켜지는 것을 알아냈다. 연소 합성과 에너지 발생시에는, 이산화탄소는 전혀 발생하지 않는다. 본 실시형태에 의하면, 종래 자연 발생적으로 누려온 탄소-산소-철 사이클과는 이별하고, 실리콘-질소-세라믹스의 새로운 사이클을 구축할 수 있다.
연소 합성에 의해 발생하는 방대한 에너지의 제어 방법과, 에너지의 활용 방법에 대해 검토를 진행하고, 이하의 방향성을 찾아냈다.
(1) 연소 합성 반응의 온도는, 계에 있어서의 압력에 비례한다. 리액터의 내용적은 일정하기 때문에, 리액터내의 압력을 내리면 연소 합성 온도는 저하되고, 압력을 올리면 연소 합성 온도는 높아진다. 리액터내의 압력은, 리액터내와 연결하는 연통관을 통해, 외부로부터 가압할 수 있다. 본 실시형태에서는, 질소 가스를 사용하여 리액터내의 압력을 제어했다.
(2) 리액터내의 압력을 높이면 연소 합성 온도는 상승한다. 리액터내의 압력이 0.9GPa에서, 연소 합성 온도는 1900℃ 이상에 달한다. 이 시점에서, 연소 합성 불꽃은 열플라스마화한다.
이상의 지견을 바탕으로, 열플라스마로부터의 에너지 변환 방법과, 열플라스마로부터 입경이 제어된 결정계 분말을 얻는 방법에 대해 다양한 검토를 진행했다. 그 결과, 이하의 지견을 얻었다.
1) 연소 합성의 개시후에, 연소 합성 반응을 자유롭게 제어하기 곤란하다. 착화후의 연소 합성 반응에 아무런 제어도 이루어지지 않으면, 이른바 "폭주 반응"이 일어날 수 있다. 따라서, 어떠한 방책을 강구하여 연소 합성 반응을 제어하는 것이 중요하다. 더불어, 열플라스마를 사용한 발전, 예를 들면 MHD(Magneto-Hydro-Dynamics: 전자유체역학) 발전 등을 실시함에 있어서, 열플라스마의 상태를 연속적으로 유지하는 것이 중요하다.
2) 연소 합성으로 발생하는 과대한 반응열을 제어하기 위해, 완화재(dilution)를 50% 이상 첨가하는 것이 일반적이다. 완화재로서는, 연소 합성 반응의 생성물인 세라믹스가 사용된다. 이와 같은 완화재를 삭감하는 것도 과제이다. 또한, 완화재의 사용은, 연소 합성 반응의 연속화의 저해 요인이 되고 있다. 이 때문에, 연소 합성 반응으로 발생하는 에너지를 이용한 발전을 연속적으로 실시함에 있어서, 연소 합성 반응의 연속 조업을 실현할 수 있는 것이 요구된다.
3) 연소 합성 후에는, 반응 생성물을 자연 방냉하는 것이 통상의 방법이다. 자연 방냉한 경우에는, 수십cm 레벨의 큰 세라믹스 덩어리가 얻어진다. 이 덩어리는, 물 또는 유기 용제중에서, 비드밀을 사용하여 수십 시간에 걸쳐 분쇄된다. 이 분쇄에 드는 비용이, 세라믹스 미분말 비용의 대부분을 차지하고 있다.
4) 플라스마 환경의 가스체의 냉각을 제어하여 세라믹스 고체를 정출 합성할 때, 세라믹스의 결정 구조를 원하는 구조로 하는 한편, 세라믹스 분말의 입경을 원하는 크기로 하는 것이 요구된다. 이 때문에, 열플라스마를 사용한 발전에 있어서, 플라스마 기체의 냉각을 제어하는 방법과 그 시스템의 확립이 요구된다.
본 발명자들은, 이상의 지견을 바탕으로, 다음과 같이 예의 연구를 거듭했다.
(연소 합성에 있어서의 연소의 제어)
세미 양산 레벨의 전체 용적 8000리터의 리액터를 사용하여, 아래와 같이 다양한 연소 합성 조건의 시험을 반복했다. 그 결과, 연소 합성의 온도 제어와, 연소 합성 불꽃의 열플라스마 불꽃화에 대해, 파악할 수 있었다.
약 20㎛의 금속 실리콘을 미리 넣은 리액터에, 기체 질소를 도입한다. 기체 질소의 공급원으로서는, 액체 질소를 사용할 수 있다. 적절한 조건하에서 아크 히터를 사용하여 금속 실리콘에 착화한다. 착화와 함께, 질소 압력을 상승시킨다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 초기의 연소 합성 불꽃은 온화한 상태의 화염이다. 도 2에 나타내는 상태는, 리액터내의 압력이 0.7GPa이고, 연소 합성 온도가 1700℃인 상태이다. 도입 질소 압력을 높이면 연소 온도는 상승하고, 리액터내의 압력이 약 0.9GPa 이상이 되면, 도 3에 나타내는 바와 같이 극도로 강한 열플라스마 불꽃이 발생한다. 도 3에 나타내는 상태는, 리액터내의 압력이 0.9GPa이고, 연소 합성 온도가 1900℃인 상태이다.
리액터내의 연소 온도(K)와, 도입하는 질소 가스 압력(절대 압력)(MPa)의 관계를 도 4에 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 온도와 압력은, 직선 관계를 나타낸다. 이로부터, 리액터내의 압력을 제어하는 것에 의해, 리액터내의 연소 온도를 제어할 수 있는 것이 확인되었다.
연소 합성 반응에 있어서 열플라스마가 발생하는 현상의 전체는, 아래와 같이 총괄할 수 있다.
1) 실리콘-질소계의 연소 합성 현상의 시작은, 실리콘과 질소의 큰 반응열(엔탈피)에 의한 것으로 생각된다. 이는, 실리콘 단체의 프리 에너지+질소 단체의 프리 에너지≫실리콘·질소 화합물의 프리 에너지와 같은 관계하에 발현되는 것으로 이해된다. 유사한 계에서, 984.6KJ/mol의 반응열이 확인되어 있다.
2) 연소 합성 개시의 발열 반응에 유기되어 일어나는 그 후의 반응은, 질소 압력에 극히 정비례적으로 제어된다. 이는, 부피 일정(리액터 부피)의 조건하에서의 보일 샤를의 법칙: P·V=nRT(P=압력, V=리액터 부피(일정), T=온도)에 따른 것으로 고찰된다. 즉, 질소 압력(P)→대, 연소 합성 온도(T)→고온이 되고, 마찬가지로 질소 압력(P)→소, 연소 합성 온도(T)→저온이 되는 것이다. 따라서, 연소 합성 온도는, 도입하는 질소의 압력에 의해 임의로 제어할 수 있는 것이 이해된다.
3) 연소 합성 온도가 상승하면, 실리콘과 질소의 기체는 플라스마 상태가 되는 것이 확인되었다. 고온 영역에서의 열플라스마 불꽃의 발생이 확인된 것은, 획기적인 것이다. 지금까지, 다양한 전자기적 에너지를 기체에 부여하면 플라스마 불꽃이 발생하는 것은 보고되어 있다. 또한, 그때 얻어지는 플라스마 불꽃의 공학적 가치에 대해서도 보고되어 있다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 외부로부터의 전자기 에너지 부가를 수반하지 않고, 질소의 압력을 대략 0.9GPa 이상으로 하는 것에 의해, 열플라스마를 발현시키고 있다.
본 실시형태는, 연소 합성에 있어서의 연소 합성 엔트로피와 그 후의 질소 압력에 의해 생성되는 열플라스마 불꽃을 사용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 연소 합성 어시스트형의 플라스마 발생 기술이다. 이는, 종래의 전기·자장 에너지 어시스트형에 대비하여, 극히 플라스마 발생 비용이 저렴하다.
여기서, 실리콘-질소계의 연소 합성 반응으로 발생하는 열 에너지는, 신소재의 합성에 시점을 두면 이용 가치가 작다고 할 수 있다. 따라서, 종전은 이 반응열을 어떻게 방지할 것인지가 검토되고 있었다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 연소 합성에 사용되는 질소의 압력만을 이용하여 고발열량을 얻고, 그 결과로서 플라스마 상태를 얻는 것을 달성했다. 이에 의해, 플라스마화를 위한 별개 장치와 추가 에너지 부여를 생략할 수 있기 때문에, 저비용으로 플라스마 상태를 획득할 수 있다.
또한, 초기의 연소 합성 기술에 있어서는, 상술한 바와 같이 과잉의 열량을 어떻게 제어할지에 초점이 집중되고, 상술한 완화재의 첨가에 의해 반응열이 제어되고 있었다. 이에 대해, 본 실시형태에서는, 완화재를 사용하지 않고, 원료가 구비하는 발열 능력을 한계까지 발휘시켜, 질소 압력의 제어에 의해 연소 합성 반응을 제어하고 있다. 이에 의해, 폭발 반응으로 불리는 연소 합성 반응을 더욱 간단히 제어할 수 있게 되었다. 그리고, 이에 의해 이하에 설명하는 각종의 장치나 제어가 가능해졌다.
본 실시형태에 의하면, 열플라스마 상태에서 얻어지는 라디칼이나 유리 전자의 활용 방법으로서, 플라스마 발전을 진행할 수 있다. 또한, 연소 합성 반응의 반응 생성물인 세라믹스의 결정 제어와 입경 제어가 가능하다.
이하에, 열플라스마 상태로부터의 승화 반응에 의한 결정의 정출과, 입경 제어된 고체 분말 세라믹스의 생성 방법과, 그 도중 과정에 있어서의 발전에 대해 설명한다.
(열플라스마로부터의 발전과 세라믹스의 합성(고체의 생성 제어))
종래, 2000~3000℃의 온도와 도전성을 구비하는 작동 유체(플라스마)를, 외부로부터 자계가 인가된 발전기의 유로내에 흘려보내고, 패러데이(Faraday)의 전자기 유도 법칙에 따라 발전하는 MHD 발전이 알려져 있다. MHD 발전은, 발전기의 유로내에 가동 부분이 불필요하기 때문에, 차세대의 고효율 발전으로서 기대되고 있다. 종래의 MHD 발전에서 사용되는 작동 유체는, 석탄이나 천연가스에 공기 또는 산소를 부가하여 얻어지는 연소 가스를 베이스로 형성되어 있었다.
본 실시형태에 의하면, 연소 합성 플라스마와의 조합에 의해, MHD 발전을 용이하게 실행할 수 있다. 본 실시형태에 따른 발전 시스템에 대해, 이하에 설명한다.
본 실시형태의 발전 시스템은, 연소 합성과 질소 가압으로 얻어진 열플라스마를 활용하여 MHD 발전을 하는 시스템이다. 본 실시형태의 발전 시스템의 개략 구성을 도 5에 나타낸다. 도 5에서는, 원료의 삽입, 착화, 및 반응 생성물의 회수에 관련되는 구성은, 실시형태 1과 거의 동일하기 때문에, 도시를 생략하고 있다.
본 실시형태에 따른 발전 시스템(200)은, 리액터(반응부)(201)와, MHD 발전 장치(발전부)(202)와, 전자 밸브(203)와, 감압 용기(감압부)(204)와, 역지 밸브(205)와, 압력계(206)와, 온도계(207)와, 압력계(208)와, 온도계(209)와, 제어부(210)와, 밸브 개도 제어부(211)와, 단열 팽창실(212)과, 미세화용 노즐(213)과, 전자 밸브(214)와, 온도계(215)와, 진공도 측정 장치(216)와, 밸브 개도 제어부(217)와, 진공 장치(218)와, 진공 장치(219)와, 전자기 유도 자석(220)과, 인버터(221)와, 직류 출력(222)을 구비한다.
리액터(201)에, Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 이루어지는 혼합물이 공급되고, 리액터(201) 내에서 혼합물을 원료로 하는 연소 합성 반응이 실시된다. 혼합물에는, Al 등의 입자 분말이 혼합되어도 좋다. 이 연소 합성 반응은, 실시형태 1에서 설명한 바와 같다. 또한, 제어부(210)는, 캐리어 가스 공급구(4)로부터의 N2 가스의 공급량을 조정하여, 연소 합성 반응중에 리액터(201) 내의 질소 압력을 상승시킨다. 제어부(210)는, 리액터(201)에 마련된 압력계(206)의 계측 결과에 기초하여, 캐리어 가스 공급구(4)로부터의 N2 가스의 공급량을 제어한다. 이에 의해, 리액터내의 압력이 0.9GPa 이상으로 승압된다. 그 결과, 리액터내에 열플라스마가 발생한다. 즉, 연소 합성 반응의 반응 생성물인 반응 가스가 열플라스마화된다.
그리고, 리액터(201) 내에서 발생한 열플라스마, 즉 열플라스마화된 반응 가스에 고속의 유속이 부여되어, 열플라스마가 MHD 발전 장치(202) 내를 통과한다. MHD 발전 장치(202)는, 원추형의 구조를 구비하고, 열플라스마가 도입되는 측의 개방단, 즉 도입 개방단이 리액터(201)의 내부에 접속된다. 도입 개방단에는, 전자 밸브(203)가 마련된다. 전자 밸브(203)의 개도를 조절하는 것에 의해, MHD 발전 장치(202)로의 열플라스마의 도입과 그 정지를 제어할 수 있다. MHD 발전 장치(202)의 다른쪽의 개방단, 즉 방출 개방단은, 리액터(201)에 인접하여 설치된 감압 용기(204)의 내부에 접속된다. 따라서, MHD 발전 장치(202)에 의해 리액터(201)의 내부와 감압 용기(204)의 내부가 연통된다. 방출 개방단에는, 역지 밸브(205)가 마련된다. 역지 밸브(205)에 의해, 감압 용기(204)로부터 리액터(201)로의 반응 가스의 역류가 억제된다.
MHD 발전 장치(202)에 도입되는 열플라스마의 유속은, 리액터(201)와 감압 용기(204)의 내부 압력, 및 전자 밸브(203)의 개도의 조정에 의해 제어된다. 압력계(206) 및 온도계(207)는, 리액터(201) 내의 압력 및 온도를 계측하고, 압력계(208) 및 온도계(209)는, 감압 용기(204) 내의 압력 및 온도를 계측한다. 이들의 계측 결과는, 제어부(210)에 출력된다. 또한, 감압 용기(204)에는, 진공 장치(218)가 마련된다. 제어부(210)는, 얻어진 압력의 정보를 바탕으로 진공 장치(218)를 제어하여, 감압 용기(204) 내의 압력을 리액터(201) 내의 압력보다 낮은 상태로 유지한다. 또한, 제어부(210)는, 압력과 온도의 정보를 사용한 연산 결과에 기초하여, 밸브 개도 제어부(211)에 제어 신호를 출력한다. 밸브 개도 제어부(211)는, 이 제어 신호에 기초하여 전자 밸브(203)의 개도를 제어한다. 이에 의해, 리액터(201) 내에 발생하는 열플라스마에 유속을 부여하여, MHD 발전 장치(202)에 도입할 수 있다.
MHD 발전 장치(202)는, 도입된 열플라스마를 사용하여 발전한다. MHD 발전 장치(202)에는, 전자기 유도 자석(220)에 의해 자계가 인가된다. 발전에 의해 얻어지는 교류 전류는, 인버터(221)를 통해 직류 출력(222)으로서 취출된다. 즉, 발전 시스템(200)에서는, 개폐가 자유로운 전자 밸브(203)를 통해 리액터(201)와 연통된 감압 용기(204)의 압력을 제어하는 것에 의해, 임의 유속의 열플라스마류를 발생시켜, 이를 리액터(201)와 감압 용기(204) 사이에 마련한 MHD 발전 장치(202)에 유통시키는 것에 의해, MHD 발전이 진행된다. MHD 발전 장치(202)를 통과한 열플라스마는, 감압 용기(204) 내에 유입한다.
발전 시스템(200)에 있어서, MHD 발전 이후에 실시되는 세라믹스 결정의 생성과, 생성물의 입경 제어에 관한 구성은, 다음과 같다.
제어부(210)는, 얻어진 압력 및 온도의 정보에 기초하여, 감압 용기(204) 내에서 반응 가스가 승화 고화하지 않도록, 감압 용기(204) 내를, 감압 용기(204) 내의 압력하에 있어서의 반응 가스의 승화 온도보다 높은 온도로 유지한다. 예를 들면, 감압 용기(204) 내는 1400℃ 이상의 온도로 유지된다. 이에 의해, 감압 용기(204) 내에서 반응 생성물이 항상 기체 상태로 유지된다. 감압 용기(204)의 온도는, 리액터(201)에서 발생한 열을 사용하여 조정할 수 있다. 감압 용기(204)에 도입되는 기체의 온도 조정, 즉 감압 용기(204) 내의 온도 조정은, 주로 플라스마에 의해 진행할 수 있다. 한편, 반응 가스의 온도가 고온이되면, 플라스마의 발생량이 증가한다.
감압 용기(204)에 인접하여, 단열 팽창실(212)이 마련된다. 감압 용기(204)의 내부와 단열 팽창실(212)의 내부는, 미세화용 노즐(213)을 통해 연통된다. 미세화용 노즐(213)의 감압 용기(204)측의 개방단에는, 전자 밸브(214)가 마련된다. 단열 팽창실(212) 내의 온도 및 진공도는, 온도계(215) 및 진공도 측정 장치(216)에 의해 계측된다. 계측 결과는, 제어부(210)에 출력된다. 단열 팽창실(212)에는 진공 장치(219)가 마련된다. 진공 장치(219)는, 제어부(210)로부터의 제어 신호에 기초하여 제어된다. 단열 팽창실(212) 내의 압력 및 진공도는, 진공 장치(219)에 의해 조정할 수 있다. 단열 팽창실(212) 내의 온도는, 단열 팽창실(212) 내의 압력하에 있어서의 반응 가스의 승화 온도보다 낮은 온도로 된다. 제어부(210)는, 진공 장치(219)를 사용하여 단열 팽창실(212) 내의 압력 및/또는 온도를 조정하고, 이에 의해 단열 팽창실(212) 내의 온도를 승화 온도보다 낮은 상태로 유지할 수 있다. 단열 팽창실(212) 내의 온도 조정은, 단열 팽창실(212) 내의 진공도를 조정하고, 이에 의해 외부에서 단열 팽창실(212) 내로의 열전도율을 조정하는 것에 의해, 실시할 수 있다.
제어부(210)는, 얻어진 온도 및 진공도의 정보를 사용한 연산 결과에 기초하여, 밸브 개도 제어부(217)에 제어 신호를 출력한다. 밸브 개도 제어부(217)는, 이 제어 신호에 기초하여 전자 밸브(214)의 개도를 제어한다. 전자 밸브(214)가 개방되면, 감압 용기(204) 내의 반응 가스가 단열 팽창실(212)에 도입된다. 이에 의해, 감압 용기(204)로부터 단열 팽창실(212)에 도입되는 반응 가스는, 승화 현상에 의해 고체 입자상의 세라믹스가 된다. 발전 시스템(200)에서는, 자연 방냉에 의해 결정이 생성된다. 한편, 얻어지는 세라믹스의 승화 온도는 특정할 수 있기 때문에, 목적으로 하는 결정 구조가 얻어지는 정출 온도가 되도록, 단열 팽창실(212) 내의 압력을 조정하는 것에 의해, 원하는 결정 구조를 얻을 수 있다.
또한, 미세화용 노즐(213)을 통한 감압 용기(204)로부터 단열 팽창실(212)로의 기체의 분무 조건, 특히 분무 속도를 임의로 조정할 수 있기 때문에, 원하는 입경을 얻을 수 있고, 예를 들면 1미크론 이하의 세라믹스 미립자를 얻을 수도 있다. 분무 조건은, 예를 들면 감압 용기(204) 및 단열 팽창실(212)의 내부 압력차를 조정하는 것에 의해, 임의로 조정할 수 있다. 또한, 플라스마 발전 후에, 플라스마 구성 요소는 모두 세라믹스 미분말로서 회수할 수 있다. 본 실시형태에 의하면, MHD 발전 시스템의 간략화가 가능하고, 또한, 연소 합성시에, 다양한 시드 물질을 용이하게 첨가할 수 있는 이점도 있다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 발전 시스템(200)에 의하면, MHD 발전을 실시함과 동시에, 실리콘-질소계 세라믹스의 결정 상태를 원하는 상태로 한 후, 미세한 분말상의 세라믹스를 얻을 수 있다. 이에 의해 얻어지는 세라믹스의 저가격·고품질화와 그 효과에 대해 이하에 설명한다.
1) 본 실시형태에 의하면, 결정계를 조정한 미분말 실리콘-질소 세라믹스를, 직접 합성에 의해 염가로 제조할 수 있다. 예전에, 선샤인 프로젝트(Sunshine Project)나 문라이트 프로젝트(Moonlight Project)에서, 자동차를 비롯한 모든 산업용 구조용 용도로 실리콘계 세라믹스를 전개하는 국가(일본) 프로젝트가, 장기에 걸쳐 추진되었다. 이를 계기로, 자동차업계를 중심으로 세라믹스 붐(실리콘 붐)이 일었다. 우리나라(일본)의 세라믹스 연구 개발의 발전 계기가 여기에 있었다. 또한, 금속 자원이 부족한 우리나라(일본)에서 실리콘 붐이 이는 것은 당연했다.
개발 주체가 된 재료는, 단순한 구조의 질화규소였다. 하지만, 재료 가격은 10￥/g이고, 자동차업이 지향하는 가격인 1￥/g에 대응할 수 없었다. 또한, 재료의 신뢰성이 다소 불충분했다. 이 결과, 기능성 세라믹스로 역점이 옮겨져, 수많은 기능성(전자) 세라믹스가 개발되었다. 한편, 구조용 세라믹스에 대해서는, 그 후, 다양한 합성 방법이 개발되었지만, 가격 1￥/g에는 도달하지 못했다.
본 발명자들은 시행착오 끝에, 세라믹스의 높은 가격의 원인이 세라믹스의 합성후에 진행되는 분쇄 미세화 공정에 있다는 것을 찾아냈다. 비커스 경도(HV)가 1500이고, 수10cm의 크기를 갖는 초고경도의 세라믹스를, 분쇄하여 미크론 레벨(예를 들면 1미크론 이하)의 미분말로 하기 위해서는 장시간을 필요로 한다. 이와 같은 공정을 거쳐 제조되는 재료는, 공업용 범용 재료라 할 수 없다. 이 때문에, 세라믹스가 합성된 시점에서, 미크론 레벨의 미분말인 것이 바람직하다. 또한, 세라믹스의 결정 구조를 임의로 조정할 수 있는 것도 요구된다. 이에 대해, 본 실시형태의 발전 시스템(200)에 의하면, 상술한 바와 같이 1미크론 이하의 세라믹스 미분말을 얻을 수 있다. 또한, 결정 구조를 임의로 조정할 수도 있다.
즉, 발전 시스템(200)에 의하면, 임의의 온도로 고체를 정출하는 한편, 1미크론 이하의 입경의 세라믹스를 직접 제조할 수 있다. 이에 의해, 1￥/g 이하의 비용으로 세라믹스를 제조할 수 있다. 원료비+설비 상각+인건비(=자동화로 거의 0)로, 상기 비용은 간단히 달성할 수 있다.
발전 시스템(200)의 효과로서, 이하의 것이 생각된다.
(효과 1)
가격적으로 1￥/g의, 실리콘과 질소를 주체로 하는 본 세라믹스는, 새로운 범용 소재가 될 수 있고, 예전의 선샤인, 문라이트 프로젝트를 구체화할 수 있다. 이에 의해, 자동차의 경량화나, 무수냉 내열 엔진 등을 실현할 수 있다.
(효과 2)
실리콘과 질소를 사용하여 발전할 수 있다. 종래 상상도 못했던 신에너지의 제조가 가능해진다. 이는, 산소 및 탄소를 사용하지 않는 에너지이며, 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 실리콘은 금속으로서 지구 자원 함유량 27%이며, 또 우리나라(일본)에도 대량으로 존재하는 지하자원이다. 또한, 질소는, 공기의 80%를 차지한다. 따라서, 원료의 조달이 용이하다.
(효과 3)
본 세라믹스의 생산 규모를 증대해 가는 것에 의해 철강의 생산을 저감할 수 있고, 이에 의해 이산화탄소의 저감을 실현할 수 있다.
실리콘-질소계의 세라믹스의 연간 세계 생산량은, 400~500만톤이다. 지구 자원으로서 대량으로 존재하는 실리콘과 질소를 원료로 사용하고 있음에도, 그 생산량은 미미하다. 철강의 세계 생산량이 15억톤인 것부터도, 생산량이 적은 것을 알 수 있다.
그 이유는, 상술한 바와 같이 제조 비용에 있는 것으로 생각한다. 실리콘-질소계 세라믹스의 품질 평가는, 선샤인 프로젝트 및 문라이트 프로젝트에서 국가적인 인증이 얻어졌지만, 최근에도 가격이 6￥/g으로 고가이고, 범용 소재로서 인정을 받지 않은 현상이다. 자동차업계에서 사용되고 있는 소재는 양적으로는 대부분이 철이며, 그 가격은 0.1￥/g이다. 1대당 철의 사용량은 대략 1톤이다. 수지, 유리, 구리, 알루미늄 등의 사용량은, 1대당 100kg 정도이며, 가격은 1￥/g 미만이다. "범용 소재=자동차에 사용되는 소재=가격 1￥/g 정도"의 도식이 엄연히 존재한다. 이 때문에, 실리콘-질소 세라믹스를 범용 소재로 널리 판매하기 위해서는, 가격은 1￥/g인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 실리콘-질소 세라믹스가 고가인 이유는, 미세 분말로의 분쇄 비용이 들기 때문이다. 따라서, 미분말 상태의 세라믹스를 제조할 수 있으면 세라믹스의 저비용화가 가능하고, 본 실시형태에 의하면 이를 실현할 수 있다. 이하, 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.
(실시예)
"세라믹스의 가격을 내림=분쇄를 실시하지 않음=미세 분말을 직접 합성함"과 같은 기본 노선에 따르면서, 각종의 시험을 생산 레벨로 실시했다. 또한, 반응 가스의 열플라스마화를 실시하는 본 실시형태의 제조 방법에서의 세라믹스의 양산과, 반응 가스의 열플라스마화를 수반하지 않는 연소 합성에서의 세라믹스의 양산과, 종래의 고상 합성법에 의한 세라믹스의 양산에 대해 시뮬레이션을 하여 양산시의 상정 가격을 산출했다. 결과를 표 5에 나타낸다.
원료비
(￥/g)		 연소합성
반응의
제어방법		 합성시
전력비		 분쇄비(￥/g) 기타
(￥/g)		 가격
(￥/g)
10cm
건식		 3㎛
건식		 500㎚
습식		 건조
발전·합성법 0.3 질소압력조정 무 - - - - 0.5 1이하
연소 합성법1 0.3 완화재 첨가 무 - - - - 1.5 2이하
연소 합성법2 0.3 완화재 첨가 무 0.1 0.1 2.5 0.5 1.5 5
종래의 고상합성법 0.3 - 유 - - - - - 6
표 5에 있어서, "발전·합성법"은, 반응 가스의 열플라스마화를 실시하는 본 실시형태의 제조 방법을 나타낸다. "연소 합성법1" 및 "연소 합성법2"는, 반응 가스의 열플라스마화를 수반하지 않는 연소 합성을 나타낸다. "연소 합성법1"에서는, 세라믹스의 합성후에 분쇄 처리를 실시하지 않았지만, "연소 합성법2"에서는, 세라믹스의 합성후에 분쇄 처리를 실시했다.
본 실시형태에서는, 연소 합성 반응을 제어하는 방식으로서, 질소 게이지 압력을 컨트롤하여 리액터 압력을 제어하는 방법을 사용하고 있다. 이에 의해, 세라믹스의 분쇄를 생략할 수 있고, 또 완화재의 첨가도 생략할 수 있기 때문에, 세라믹스의 제조 비용을 1￥/g 이하로 저감시킬 수 있다.
2010년도의 통계에서는, 1.36×1016Wh의 전기 에너지가 세계에서 소비되었다. 상술한 바와 같이, 연소 합성에 의해 사막의 모래의 주성분인 SiO2와 금속 실리콘 등을 새 에너지원으로서 사용한 경우, 반응 생성물 1kg당 1.4kWh의 발전이 가능하다. 실시형태 1의 연소 합성 시스템(100)을 사용하여 100억톤의 반응 생성물을 합성한 경우에, 효율 100%이면 이 전기 에너지 총량에 상당하는 반응열을 생성할 수 있다.
하지만, 에너지 생성뿐만 아니라, 합성한 구조용 세라믹스를 산업용 범용 소재로서 활용할 수 있는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 세라믹스의 가격이 받아들여질 필요가 있다. 한편, 미분말의 구조용 세라믹스는, 산업 용도, 특히 자동차용 용도에 범용 소재로서 대량 사용되는 충분한 배경이 있는 것으로 문라이트 프로젝트, 선샤인 프로젝트에서 보고되어 있다. 또한, 실리콘-질소계 구조용 세라믹스의 시작 데이터는 자동차업계에서 채취되었다. 예를 들면, 엔진, 현가 장치, 파워트레인 부품 등에서, 수명 강도의 설계 평가가 존재한다. 하지만, 세라믹스의 가격이 고가이기 때문에, 채용이 보류되어 왔다. 이에 대해, 본 실시형태에 의하면, 구조용 세라믹스의 분말을 1￥/g의 비용으로 생산할 수 있다.
한편, 상술한 리액터(201)와, 리액터(201)로의 N2 가스의 공급량을 조정하여 리액터(201) 내의 압력을 0.9GPa 이상으로 하고, 반응 가스를 열플라스마화하는 제어부(210)를 구비하는 플라스마 발생 장치도, 본 실시형태에 포함된다. 또한, 이 플라스마 발생 장치와, MHD 발전 장치(202)를 구비하는 발전 장치도, 본 실시형태에 포함된다.
본 발명은, 연소 합성 시스템, 반응 생성물, 물품, 연소 합성 방법, 발전 시스템, 플라스마 발생 장치 및 발전 장치에 이용할 수 있다.
1: 공급부
2: 반응부
3: 회수부
4: 캐리어 가스 공급구
5: 원료 분말체 공급구
6: 분사 노즐
7: 착화부
8: 열취출부
9: 발전부
10: 온도 측정부
11, 18: 내압 측정부
12, 14: 내압 조절 밸브
13: 수량 조절 밸브
15: 취출부
16: 기체 배출구
17: 기체 배출구
19: 열교환기
20: 제어부
100: 연소 합성 시스템
201: 리액터(reactor)
202: MHD 발전 장치
204: 감압 용기
210: 제어부
212: 단열 팽창실
213: 미세화용 노즐

Claims (14)

  1. Si를 포함하는 입자 분말과, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성하는 공급부;
    내열성 및 내압성을 구비하고, 상기 공급부로부터 공급된 상기 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부;
    상기 반응부에 공급된 상기 혼합물을 착화하는 착화부; 및
    상기 반응부의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 상기 반응부의 외부로 취출하는 열취출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는, Si 및 SiO2를 포함하는 입자 분말과 N2 가스를 유동상(fluidized bed)을 사용하여 혼합시키는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열취출부는, 연소 합성 반응의 반응열을, 물을 열매체로 하여 열교환하는 것에 의해 취출하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 반응 생성물을, 상기 반응부의 외부에서 회수하는 회수부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회수부는, 그 내부를 상기 반응부의 내부보다 저기압으로 유지하고, 상기 반응 생성물을 포함하는 기체를 팽창시켜 냉각하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 SiO2를 포함하는 입자 분말은, 모래인 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급부는, Al을 더 혼합시켜 혼합물을 생성하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 연소 합성 시스템에 의해 생성된 실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 반응 생성물.
  9. 제8항에 기재된 반응 생성물을 사용하여 형성된 물품.
  10. Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 혼합물을 생성하는 스텝;
    내열성 및 내압성을 구비하고, 공급된 상기 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부를 사용하여 반응을 진행하는 스텝;
    상기 반응부에 수용된 상기 혼합물을 착화하는 스텝; 및
    상기 반응부의 내부에 있어서의 연소 합성 반응의 반응열을, 상기 반응부의 외부로 취출하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 합성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    실리콘 산질화물계 세라믹스를 포함하는 반응 생성물을, 상기 반응부의 외부에서 회수하는 스텝을 더 포함하는 연소 합성 방법.
  12. Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 이루어지는 혼합물이 공급되고, 해당 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부;
    상기 반응부로의 상기 N2 가스의 공급량을 조정하여 반응부 내의 압력을 0.9GPa 이상으로 하고, 상기 연소 합성으로 생성되는 반응 가스를 열플라스마화하는 제어부;
    내부가 상기 반응부 내보다 저압이면서, 상기 반응 가스의 승화 온도보다 높은 온도인 감압부;
    상기 반응부 내와 상기 감압부 내를 연통하고, 상기 열플라스마화된 반응 가스를 상기 반응부로부터 상기 감압부로 유통시켜, 해당 유통에 의해 MHD 발전을 하는 발전부; 및
    내부가 상기 반응 가스의 승화 온도보다 낮은 온도이면서, 상기 감압부 내와 연통되고, 감압부 내의 상기 반응 가스가 유입하여 고체상의 반응 생성물이 형성되는 팽창 단열실을 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  13. Si를 포함하는 입자 분말, SiO2를 포함하는 입자 분말 및 N2 가스를 혼합시켜 이루어지는 혼합물이 공급되고, 해당 혼합물을 원료로 하는 연소 합성이 내부에서 진행되는 반응부와,
    상기 반응부로의 상기 N2 가스의 공급량을 조정하여 반응부 내의 압력을 0.9GPa 이상으로 하고, 상기 연소 합성으로 생성되는 반응 가스를 열플라스마화하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 발생 장치.
  14. 제13항에 기재된 플라스마 발생 장치와,
    상기 플라스마 발생 장치에서 생성되는 상기 열플라스마화된 반응 가스의 유통에 의해 MHD 발전을 하는 발전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
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