JP2010521278A - Novel series power plant process and method for providing a hydrogen carrier reversibly usable in the power plant process - Google Patents
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Abstract
原油の埋蔵量の場合、タイムリミットが推定できる。二酸化珪素を含む開始材料を原材料として用いることが好適である。In the case of crude oil reserves, the time limit can be estimated. It is preferred to use a starting material containing silicon dioxide as a raw material.
Description
本願は、欧州特許庁に2006年12月18日に提出された欧州特許出願第06 126 325.7及び2007年5月9日に提出された米国特許出願第11/746,608に基づく優先権を主張する。本願は、さらに、欧州特許庁に2007年1月11日に提出された欧州特許出願第07 100 387.5及び2007年5月9日に提出された米国特許出願第11/746,620に基づく優先権を主張する。 This application is based on European Patent Application No. 06 126 325.7 filed December 18, 2006 and US Patent Application No. 11 / 746,608 filed May 9, 2007. Insist. This application is further based on European Patent Application No. 07 100 387.5 filed January 11, 2007 and US Patent Application No. 11 / 746,620 filed May 9, 2007 with the European Patent Office. Claim priority.
二酸化炭素は、炭素と酸素とからなる化合物であり、無色無臭の気体である。低濃度では、これは空気の天然成分であり、細胞呼吸の間生物において発生し、そして、十分な酸素による炭素物質の燃焼においても発生する。産業の起源から、大気におけるCO2成分はかなり増加してきている。この主な理由は、人為的CO2放出として知られる、人間に起因するCO2放出にある。 Carbon dioxide is a compound composed of carbon and oxygen, and is a colorless and odorless gas. At low concentrations, it is a natural component of air, occurs in living organisms during cellular respiration, and also occurs in the combustion of carbon materials with sufficient oxygen. From the origin of industrial, CO 2 component in the atmosphere has been increased significantly. The main reason for this is known as anthropogenic CO 2 release, in CO 2 emission caused by humans.
大気中における二酸化炭素は熱輻射の一部を吸収する。この特性から、二酸化炭素は温室効果ガスとされており、温室効果の原因の1つとなっている。 Carbon dioxide in the atmosphere absorbs part of the heat radiation. From this characteristic, carbon dioxide is regarded as a greenhouse gas and is one of the causes of the greenhouse effect.
これらの理由のため、また別の理由により、現在、人為的CO2放出の低減方法を探求する調査及び開発がいろいろ異なる方向から実施されている。特に、例えばコールやガス等の化石燃料キャリヤーの燃焼により実施されるエネルギー生産に関連して、又は他の燃焼プロセスにおいて(例えば生ゴミ焼却の間)、CO2を低減することが必要とされている。当該プロセスによって何億トンものCO2が毎年大気中に放出されている。 For these reasons, and for other reasons, research and development are currently being conducted from different directions to explore ways to reduce anthropogenic CO 2 emissions. In particular, in connection with energy production carried out by the combustion of fossil fuel carriers such as coal or gas, or in other combustion processes (eg during garbage incineration), there is a need to reduce CO 2. Yes. Hundreds of millions of tons of CO 2 are released into the atmosphere every year by the process.
最初に説明したように、熱を発生させるために必要とされる可燃物はCO2を生成する。現時点までに、含油砂(SiO2)、含油頁岩(SiO2+[CO3]2)、ボーキサイト又はタール含有砂若しくはタール含有頁岩、及び他の混合物に含まれている砂を用いてCO2の放出を低減し、さらには当該新規な方法により得られる製品から新規な原材料及びとりわけエネルギーを獲得するというアイデアには未だ誰も到達していない。 At first as described, combustibles required for generating the heat to generate CO 2. To date, CO 2 has been used with sand contained in oil-containing sand (SiO 2 ), oil-containing shale (SiO 2 + [CO 3 ] 2 ), bauxite or tar-containing sand or tar-containing shale, and other mixtures. No one has yet reached the idea of reducing emissions and even acquiring new raw materials and especially energy from the products obtained by the new method.
当該新規な方法において、自然に存在する、砂と油との混合物を用いる代わりに、可能であれば砂を混合した後の、炭化水素含有の産業廃棄物若しくは天然廃棄物を用いてもよい。油成分の代わりに天然のアスファルト(ミネラルピッチとも称する)を用いることも考えられる。純粋な砂若しくは砂成分を含む建築用石材とアスファルトとからなる混合物は特に好ましい。 In the novel method, instead of using a naturally occurring mixture of sand and oil, hydrocarbon-containing industrial waste or natural waste after mixing sand may be used if possible. It is also conceivable to use natural asphalt (also called mineral pitch) instead of the oil component. Pure sand or a mixture of building stone and asphalt containing sand components is particularly preferred.
しかしながら、水ガラス、砂と酸若しくは塩基との混合物を用いてもよい。本発明に必要とされる炭化水素成分を提供するため、当該水ガラスに鉱油を混合する(マイクロエマルジョン法)。 However, water glass, a mixture of sand and acid or base may be used. In order to provide the hydrocarbon component required for the present invention, mineral oil is mixed into the water glass (microemulsion method).
また、本発明は、特に好ましくは例えばタンカー事故後汚染されたビーチや砂州を洗浄するため適用することもできる。このため、本発明に係る、1以上の反応領域を有する乗り物が最も適切であり、好ましくは、本発明に係る、1以上の反応領域を有する船である。このため、重油を含む汚染砂は野外で処理され、そして環境に負荷を与えることなく、貴重な製品に変換され、同時にエネルギーが得られる。 The present invention can also be applied particularly preferably to clean beaches and sandbars contaminated, for example after a tanker accident. For this reason, a vehicle having one or more reaction areas according to the present invention is most suitable, preferably a ship having one or more reaction areas according to the present invention. For this reason, contaminated sand containing heavy oil is treated in the field and converted into a valuable product without impacting the environment, and at the same time energy is obtained.
含油砂(SiO2)及び含油頁岩(SiO2+[CO3]2)の埋蔵量は、世界の石油埋蔵量を何倍も超えることが知られている。オイルとミネラルとを分離するために適用される技術的方法は、現在のところ効率的でなく、また非常にコストが掛かる。天然のアスファルトは、地球の複数の地点に存在するけれども、現在のところ、主としてトリニダードにおいて工業的規模で採掘されている。 It is known that the reserves of oil-containing sand (SiO 2 ) and oil-containing shale (SiO 2 + [CO 3 ] 2 ) exceed the world oil reserves many times. The technical methods applied to separate oil and mineral are currently inefficient and very costly. Although natural asphalt exists at multiple points on the earth, it is currently mined on an industrial scale, primarily in Trinidad.
砂は、程度の差はあるけれども地球の表面のあらゆる場所において発生している。発生している当該砂の多くは、石英(二酸化珪素;SiO2)を含む。しかしながら、珪素成分は、片麻岩、雲母、花崗岩、粘板岩及びボーキサイトに存在するため、これらの岩石を使用してもよい。 Sand is generated everywhere on the Earth's surface, to varying degrees. Most of the generated sand contains quartz (silicon dioxide; SiO 2 ). However, since the silicon component is present in gneiss, mica, granite, slate and bauxite, these rocks may be used.
本発明の目的は、かかる可能な原料を提供し、それらの技術的生産方法を開示することを目的とする。当該方法において用いられる化学的な知見は、砂、頁岩、及びその他の混合物において存在する珪素が反応に関与し、そして可逆的な水素キャリヤーが提供されることを特徴とする。 The object of the present invention is to provide such possible raw materials and to disclose their technical production methods. The chemical knowledge used in the process is characterized in that silicon present in sand, shale, and other mixtures is involved in the reaction and a reversible hydrogen carrier is provided.
各反応の直列的シーケンス(ここでは、エネルギー−マテリアル直列的カップリング若しくはEMC2と称する)が、本発明の特徴である。これらの各反応は、放出されるエネルギーの量がそれぞれ各反応ステップとともに増加し、また他の(好ましくはより高い値の若しくはより高いエネルギーの)反応生成物が各反応ステップに与えられるように互いに組み合わされる。このため、部分反応が起こる個々の反応領域/ゾーンは、熱的に及び/又は反応物質の移送のために互いに接続される。 A serial sequence of each reaction (herein referred to as energy-material serial coupling or EMC 2 ) is a feature of the present invention. Each of these reactions is mutually related such that the amount of energy released increases with each reaction step and other (preferably higher value or higher energy) reaction products are provided to each reaction step. Combined. For this purpose, the individual reaction zones / zones in which the partial reactions take place are connected to one another thermally and / or for the transfer of reactants.
他方、本発明は、害無く輸送可能な可逆的水素キャリヤーの形態でエネルギーを発生させそしてこれを提供し、さらには消費者に水素を提供するための代替の可能なアプローチを提供することを目的とする。 On the other hand, the present invention aims to generate and provide energy in the form of a reversible hydrogen carrier that can be transported harmlessly, and to provide an alternative possible approach for providing hydrogen to consumers. And
本発明によれば、パワープラントプロセスの第1部分反応において、次の1以上の開始材料、すなわち含油砂、含油頁岩、ボーキサイト、片麻含、雲母、花崗岩、粘板岩から珪素が得られる。数字の1を用いることは、当該部分反応が最初に行われることを示すものではない。言及した1以上の開始材料の混合物は第1部分反応において使用され、例えばパイプを介した輸送可能性を改善するため、酸若しくは塩基を加えることにより液化される。当該ケースでは、酸若しくは塩基を第1エネルギープロバイダーを用いた加熱により再利用してもよい。 According to the invention, silicon is obtained in the first partial reaction of the power plant process from one or more of the following starting materials: oil-containing sand, oil-containing shale, bauxite, gneiss, mica, granite, slate. The use of the number 1 does not indicate that the partial reaction is performed first. The mixture of one or more starting materials mentioned is used in the first partial reaction and is liquefied by adding an acid or base, for example to improve transportability through a pipe. In this case, the acid or base may be reused by heating with the first energy provider.
本発明の好ましい実施の形態では、とりわけ、点火直後、珪素(具体的には、適当な温度において粉末である)を、純粋な(冷たい)窒素(具体的には大気からの窒素)と反応させシリコンナイトライドが生成されることを利用する。これは、当該反応は強い発熱性であるからである。発生する熱は、例えばパワープラントプロセスにおける反応炉において使用してもよい。シリコンナイトライドを生成するために珪素を反応させることは、ここでは、第2部分反応と称する。 In a preferred embodiment of the invention, especially after ignition, silicon (specifically a powder at a suitable temperature) is reacted with pure (cold) nitrogen (specifically nitrogen from the atmosphere). Take advantage of the fact that silicon nitride is produced. This is because the reaction is strongly exothermic. The generated heat may be used, for example, in a reactor in a power plant process. The reaction of silicon to produce silicon nitride is referred to herein as a second partial reaction.
本発明に係る第1部分反応における、含油砂、含油頁岩、ボーキサイト、片麻岩、雲母、花崗岩、及び/又は粘板岩からの、パワープラントプロセスにおいて発生する珪素は、表面的に活性であり、そしてモノシランが生成されるように、水素と触媒的に(具体的には、触媒としてマグネシウム及び/又はアルミニウムを使用して)処理してもよい。モノシランを生成するために珪素を反応させることは、ここでは、第3部分反応と称する。当該モノシランは反応チャンバーから取り除かれ、さらに他の位置において触媒圧力反応(第4部分反応)に供される。等式
により、長鎖シランが生成される。これは、燃料電池技術及びエンジンの両方において用いられる。当該シランは、可逆的な水素キャリヤーの考えられる形態である。
In the first partial reaction according to the invention, silicon generated in the power plant process from oil-containing sand, oil-containing shale, bauxite, gneiss, mica, granite and / or slate is surface active and It may be treated catalytically with hydrogen (specifically using magnesium and / or aluminum as a catalyst) so that monosilane is produced. Reacting silicon to produce monosilane is referred to herein as a third partial reaction. The monosilane is removed from the reaction chamber and subjected to a catalytic pressure reaction (fourth partial reaction) at another position. Equality
As a result, a long-chain silane is produced. This is used in both fuel cell technology and engines. The silane is a possible form of a reversible hydrogen carrier.
しかしながら、本発明に係るプロセスにおいて、珪素(例えば珪素粉末)は、およそ1400℃で窒素(N2)雰囲気下において窒化処理され、シリコンナイトライドSi3N4が生成される。このタイプの反応は、第2部分反応の変形例である。 However, in the process according to the present invention, silicon (for example, silicon powder) is nitrided at about 1400 ° C. in a nitrogen (N 2 ) atmosphere to produce silicon nitride Si 3 N 4 . This type of reaction is a variation of the second partial reaction.
当該シリコンナイトライドは、その後、例えば加水分解を用いてNH3に変換してもよい。当該加水分解において実行される具体的な反応は、次の等式
により与えられる。これにより、当該反応においてNH3及び二酸化珪素が生成される。NH3は、極めて優れた水素キャリヤーである。シリコンナイトライドの加水分解は、比較的遅く進行する。そのため、本発明によれば、当該シリコンナイトライドを、フレークとして、粉末として、若しくは多孔質の形態で使用し、その結果、極めて大きな表面積とする。これにより、シリコンナイトライドの加水分解をより効率的にそして急速に行うことができる。当該アプローチは、シリコンナイトライドの加水分解において表面加水分解が重要な役割を果たすという知見に基づいている。そのため、当該加水分解は、シリコンナイトライドの表面が故意に拡張されているためより効率的となる。加水分解を用いてNH3を生成するためにシリコンナイトライドを反応させることは、ここでは、第5部分反応と称する。Si3N4ナノ構造体若しくはナノ結晶を使用することは、ここでは特に効果的である。これらSi3N4ナノ構造体若しくはナノ結晶は、例えばゾルゲルプロセスから得られる。また、ゾルゲルプロセスのためのエネルギーは、本発明に係る部分反応の1つから取り出される。
The silicon nitride may then be converted to NH 3 using, for example, hydrolysis. The specific reaction carried out in the hydrolysis is the following equation:
Given by. Thereby, NH 3 and silicon dioxide are generated in the reaction. NH 3 is a very good hydrogen carrier. Hydrolysis of silicon nitride proceeds relatively slowly. Therefore, according to the present invention, the silicon nitride is used as flakes, as a powder, or in a porous form, resulting in a very large surface area. Thereby, the hydrolysis of silicon nitride can be performed more efficiently and rapidly. The approach is based on the finding that surface hydrolysis plays an important role in the hydrolysis of silicon nitride. Therefore, the hydrolysis is more efficient because the surface of silicon nitride is intentionally expanded. Reacting silicon nitride to produce NH 3 using hydrolysis is referred to herein as the fifth partial reaction. The use of Si 3 N 4 nanostructures or nanocrystals is particularly effective here. These Si 3 N 4 nanostructures or nanocrystals are obtained, for example, from a sol-gel process. Also, the energy for the sol-gel process is taken from one of the partial reactions according to the present invention.
珪素、NH3、またシランは、非常に優れたエネルギープロバイダーである。これらは、問題なく消費者に搬送され、そこで水素が取り出される。しかしながら、過酸化水素は、エネルギープロバイダーとして最も適切である。過酸化水素は、本発明に係る別の部分反応において発生する。これは、パワープラントプロセスに結び付けられるか、若しくは当該プロセスと組み合わされる。これは、珪素、NH3、若しくはシランの生成についても当てはまり、当該パワープラントプロセスに組み合わされられるか、若しくは当該プロセスに結び付けられる。 Silicon, NH 3 , and silane are very good energy providers. These are transported to the consumer without problems where the hydrogen is removed. However, hydrogen peroxide is most appropriate as an energy provider. Hydrogen peroxide is generated in another partial reaction according to the present invention. This is tied to or combined with the power plant process. This is also true for the production of silicon, NH 3 , or silane and is combined with or tied to the power plant process.
本発明の更なる詳細及び長所を実施の形態に基づいて以下に記載する。 Further details and advantages of the present invention are described below based on embodiments.
本発明の様々な側面を図面の各図に概略的に示している。 Various aspects of the invention are schematically illustrated in the drawings.
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。CO2は、エネルギーが得られるにしたがって放出されるものであるが、第1の実施例は、パワープラントオペレーションにおいて本発明を用いCO2放出を低減若しくは完全に排除することに関する。 Hereinafter, the present invention will be described based on examples. While CO 2 is released as energy is gained, the first embodiment relates to reducing or completely eliminating CO 2 emissions using the present invention in power plant operations.
ある対象の方法において、新規な化合物(生成物質と称する)が開始材料(遊離体若しくは反応物質と称する)から生成されるが、本発明によれば、当該対象の方法において一連の化学反応が実行される。本発明に係る(部分)反応は、CO2がかなりの量消費され及び/又は結合されるように設定する。 In one subject method, a new compound (referred to as a product) is generated from a starting material (referred to as a free form or reactant), but according to the present invention, a series of chemical reactions are performed in the subject method. Is done. The (partial) reaction according to the invention is set so that a considerable amount of CO 2 is consumed and / or combined.
第1の実施の形態において、例えば、鉱油、重油、タール及び/又はアスファルトと混合された砂を、第1のエネルギープロバイダーとして用い、又は含油頁岩を開始材料として用いる。しかしながら、次の1以上の第1のエネルギープロバイダー、すなわち、褐炭、無煙炭、泥炭、木、ガスを用いてもよい。 In the first embodiment, for example, sand mixed with mineral oil, heavy oil, tar and / or asphalt is used as the first energy provider, or oil-bearing shale is used as the starting material. However, one or more of the following first energy providers may be used: lignite, anthracite, peat, wood, gas.
当該開始材料を例えばアフターバーナー若しくは燃焼チャンバーの形態の反応チャンバーに供給する。また、CO2を当該チャンバーに供給する。第1の実施の形態において、当該CO2は、エネルギーが化石燃料から得られる時に大量に発生する。CO2排気ガスは現在まで大抵大気中に逃がしていた。必ずしも必要であるわけではないが、大気を第1部分反応の初期において当該チャンバーに付加的に供給することが好ましい。当該大気に代えて、若しくは当該大気に付加して、当該方法に、407℃以上でのスチーム若しくは超臨界H2Oを適用してもよい。しかしながら、超臨界H2Oを進行中のプロセスに上手く適用するため、対応する反応チャンバー/燃焼チャンバーにおいて高圧を用いることが好ましい。150バール以上の圧力が特に好ましいことが証明され、およそ300バールの圧力が特に好ましい。 The starting material is fed into a reaction chamber, for example in the form of an afterburner or a combustion chamber. In addition, CO 2 is supplied to the chamber. In the first embodiment, the CO 2 is generated in large quantities when energy is obtained from fossil fuels. To date, CO 2 exhaust gas has usually escaped into the atmosphere. Although not always necessary, it is preferable to additionally supply air to the chamber at the beginning of the first partial reaction. In place of or in addition to the atmosphere, steam at 407 ° C. or higher or supercritical H 2 O may be applied to the method. However, in order to successfully apply supercritical H 2 O to ongoing processes, it is preferred to use high pressure in the corresponding reaction / combustion chamber. A pressure of 150 bar or higher has proved to be particularly preferred, and a pressure of approximately 300 bar is particularly preferred.
さらに、窒素を当該方法における他のポイント(具体的には、第1部分反応の間)若しくは燃焼チャンバーにそれぞれ送り込む。さらに、複数の触媒若しくは一種類の触媒を1以上の部分反応に用いてもよい。適切な環境条件の下、チャンバーの中で還元を行う。当該条件は、極めて簡単な形式で以下のように示される:
すなわち、開始材料に存在する水晶成分が結晶性シリコンに変換される(第1部分反応)。
In addition, nitrogen is fed into other points in the process (specifically during the first partial reaction) or into the combustion chamber, respectively. Further, a plurality of catalysts or one type of catalyst may be used for one or more partial reactions. Perform reduction in the chamber under appropriate environmental conditions. The condition is shown in a very simple form as follows:
That is, the crystal component present in the starting material is converted into crystalline silicon (first partial reaction).
使用される砂に含まれる鉱油は、第1エネルギープロバイダーの役割を果たし、本発明に係る方法において、1000℃以上の温度で水素(H2)及びグラファイトと同様の化合物(すなわち、コークの形態)に大部分が熱的に分解される(すなわち、第1部分反応の間)。しかしながら、他の第1エネルギープロバイダーを、同様に、上記開始材料と一緒に用いてもよい。そのため、進行中の第1部分反応において、水素が第1エネルギープロバイダーの炭化水素鎖から離脱される。実施例に基づいて以下に説明するように、水素を、本発明にしたがって、既に言及した可逆的エネルギーキャリヤーの1つに結合させてもよい。しかしながら、当該方法に直接導入するか、又は例えば気体のアルカン若しくは水蒸気等の水を起源とする水素を1以上の部分反応に使用してもよい。 The mineral oil contained in the sand used serves as the first energy provider, and in the method according to the present invention, a compound similar to hydrogen (H 2 ) and graphite (ie, coke form) at a temperature of 1000 ° C. or higher. Most of them are thermally decomposed (ie during the first partial reaction). However, other first energy providers may be used with the starting material as well. Therefore, hydrogen is removed from the hydrocarbon chain of the first energy provider in the ongoing first partial reaction. As described below based on the examples, hydrogen may be bound to one of the reversible energy carriers already mentioned according to the invention. However, hydrogen introduced directly into the process or hydrogen originating from water such as gaseous alkanes or steam may be used for one or more partial reactions.
エネルギーキャリヤーとしてのシリコンナイトライド:
粉末状の若しくはフレーク状のシリコンナイトライドを提供することを可能とするため、当該プロセスにおいて(具体的には、第1部分反応の間若しくはその終盤において)発生する珪素をチャンバーに注入し若しくは移送してもよい。または、トラジェクトリーを介して、上方から下方へ滴下してもよい。窒素(具体的には、大気からの窒素)、好ましくは純粋な窒素(90〜100体積%の窒素を含む)を当該チャンバー若しくはトラジェクトリーに注入する。珪素は燃焼して窒素と反応し、シリコンナイトライドが生成され、1000℃より高い温度、好ましくは1350℃より高い温度でチャンバー内に存在する。当該反応(第2部分反応)は強力な発熱性である。当該反応(第2部分反応)において発生する熱量(第2エネルギーと称する)は、別の開始材料を加熱するため(この場合、もし例えば初期に加えた第1プロバイダーが消費されると、第2部分反応において放出される熱量を用いて、十分なエネルギーを第1部分反応に供給する)、使用してもよく、当該熱量を第2プロセス(第2部分反応)から分離してエネルギーを別の吸熱プロセス(具体的には、第6部分反応)に直列的に供給してもよい。これに加えて、若しくはこれに代えて、発生する熱量を使用してもよい。媒体(例えば水)を加熱しそしてそれによりガスタービン若しくはスチームタービンを駆動させる(従来からこれによりエネルギーを得ている)。
Silicon nitride as an energy carrier:
In order to be able to provide powdered or flaky silicon nitride, silicon generated in the process (specifically during or at the end of the first partial reaction) is injected or transferred into the chamber. May be. Alternatively, it may be dropped from above through the trajectory. Nitrogen (specifically nitrogen from the atmosphere), preferably pure nitrogen (containing 90-100 volume% nitrogen), is injected into the chamber or trajectory. Silicon burns and reacts with nitrogen to produce silicon nitride, which is present in the chamber at a temperature above 1000 ° C, preferably above 1350 ° C. The reaction (second partial reaction) is strongly exothermic. The amount of heat generated in the reaction (second partial reaction) (referred to as second energy) is used to heat another starting material (in this case, for example if the first provider added earlier is consumed) The amount of heat released in the partial reaction may be used to supply sufficient energy to the first partial reaction), which may be used to separate the heat from the second process (second partial reaction) You may supply in series to an endothermic process (specifically 6th partial reaction). In addition to this, or instead of this, the amount of generated heat may be used. A medium (eg water) is heated and thereby drives a gas turbine or a steam turbine (conventionally gaining energy).
例えば、極限条件下でシリコンナイトライドを乾燥させることにより多孔性のシリコンナイトライドを生成してもよい。乾燥のために、一種のオートクレーブを使用するアプローチが好ましい。当該オートクレーブにおいて、温度と圧力が上昇する。一方、必要とされる熱量(第2エネルギーと称する)は、上述の発熱プロセス(具体的には、第2部分反応)から得てもよい。当該圧力及び温度は、気体と液体との間の相境界が、冷却及び/又は乾燥が実行される前に区別不能となるように選択すべきである。多孔性のシリコンナイトライドは、当該プロセス(第6部分反応)において生成される。しかしながら、第6部分反応をシリコンナイトライドナノ構造体若しくはナノ結晶がゾルゲルプロセスにおいて生成されるように変更してもよい。これらのシリコンナイトライドナノ構造体若しくはナノ結晶は、可逆的な蓄エネルギー手段として、若しくはNH3を提供するための開始材料として、用いてもよい。 For example, porous silicon nitride may be generated by drying silicon nitride under extreme conditions. For drying, an approach using a kind of autoclave is preferred. In the autoclave, temperature and pressure increase. On the other hand, the required amount of heat (referred to as second energy) may be obtained from the above-described exothermic process (specifically, the second partial reaction). The pressure and temperature should be chosen so that the phase boundary between the gas and the liquid is indistinguishable before cooling and / or drying is performed. Porous silicon nitride is produced in the process (sixth partial reaction). However, the sixth partial reaction may be modified such that silicon nitride nanostructures or nanocrystals are produced in the sol-gel process. These silicon nitride nanostructures or nanocrystals may be used as a reversible energy storage means or as a starting material for providing NH 3 .
第2の実施の形態において、本発明は、ピロメックスAG(スイス)の熱分解法に関連して適用される。しかしながら、本発明は、オキシ燃料法に対する補完として、又はその代替として用いてもよい。そのため、例えば、本発明を用いて、エネルギー−マテリアル直列的カップリング(EMC2)を次のアプローチにしたがって実行してもよい。オキシ燃料法の代替として、アルミニウム、好ましくは液体の若しくは粉体のアルミニウム(当該アルミニウムは例えば第12部分反応を用いて生成してもよい)を添加して、そして、(オイル若しくはコールの代わりに)含油砂を最初酸素(O2)で、その後好ましくは窒素、及び可能であればアルミニウムとともに燃焼して(ワッカーアクシデント)(第7部分反応)、熱を付加的に発生させる。しかしながら、発熱性の第7部分反応において発生する熱は多量であるため、ここでは、オイル若しくはコールを第1エネルギープロバイダーから排除してもよい。 In the second embodiment, the present invention is applied in connection with the pyrolysis method of Piromex AG (Switzerland). However, the present invention may be used as a supplement to or as an alternative to the oxyfuel process. Thus, for example, using the present invention, energy-material serial coupling (EMC 2 ) may be performed according to the following approach. As an alternative to the oxyfuel process, aluminum, preferably liquid or powdered aluminum (which may be produced using, for example, the twelfth partial reaction) is added and (instead of oil or coal) The oil-impregnated sand is first burned with oxygen (O 2 ) and then preferably with nitrogen and possibly aluminum (Wacker accident) (seventh partial reaction) to generate additional heat. However, since the heat generated in the exothermic seventh partial reaction is large, oil or coal may be excluded from the first energy provider here.
第7部分反応において、アルミニウムは、二酸化珪素から酸素を取り除き、そして酸化されることにより酸化アルミニウムが生成される。当該部分反応は、特に、外部から酸素が全く若しくは少量しか導入されない場合に機能する。これは、酸素は、アルミニウム表面に薄い膜を即座に形成し、それによりアルミニウムを準不動態化させるためである。そのため、反応領域において窒素雰囲気を少なくとも一時的に予め画定する実施形態が特に好ましい。 In the seventh partial reaction, aluminum removes oxygen from silicon dioxide and is oxidized to produce aluminum oxide. The partial reaction functions particularly when no or only a small amount of oxygen is introduced from the outside. This is because oxygen instantly forms a thin film on the aluminum surface, thereby quasi-passivating the aluminum. Therefore, embodiments in which the nitrogen atmosphere is at least temporarily pre-defined in the reaction region are particularly preferred.
珪素化合物と結合する窒素が必要とされる場合、空気の酸素成分でプロパンガスを燃焼させること(プロパンニトロ化として知られている)により大気から純粋な窒素雰囲気を得ることが好ましい。しかしながら、酸素と窒素とを分離するのに他の方法が存在する。逆浸透法、古典リンデ法、若しくはペロブスカイト膜を用いて操作する方法は、考えられる別の方法とされている。窒素を提供することは、第8部分反応と称する。 When nitrogen combined with silicon compounds is required, it is preferable to obtain a pure nitrogen atmosphere from the atmosphere by burning propane gas with the oxygen component of air (known as propane nitration). However, other methods exist for separating oxygen and nitrogen. A reverse osmosis method, a classical Linde method, or a method using a perovskite membrane is considered as another possible method. Providing nitrogen is referred to as the eighth partial reaction.
本発明によれば、アルミニウムを用いてもよい。現在、アルミニウムをボーキサイトから費用効果的に得ることのみ可能である。ボーキサイトは、およそ60%の酸化アルミニウム(Al2O3)、およそ30%の酸化鉄(Fe2O3)、酸化珪素(SiO2)及び水を含む。これは、ボーキサイトは、典型的に常に酸化鉄(Fe2O3)及び酸化珪素(SiO2)により”汚染”されていることを意味する。 According to the invention, aluminum may be used. Currently, it is only possible to cost-effectively obtain aluminum from bauxite. Bauxite contains approximately 60% aluminum oxide (Al 2 O 3 ), approximately 30% iron oxide (Fe 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) and water. This means that bauxite is typically always “contaminated” by iron oxide (Fe 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO 2 ).
Al2O3は、その格子エネルギーが極めて高いため、化学的に還元されない可能性がある。しかしながら、酸化アルミニウムA2O3の融解塩電解(氷晶石−アルミナ法)によれば工業的にアルミニウムを生産することができる。Al2O3は、例えばバイエル法により得られる。氷晶石−アルミナ法では、酸化アルミニウムは氷晶石(塩:Na3[AlF6])に溶解され電解される。酸化アルミニウムは、当該酸化アルミニウムの高い溶融温度2000℃において反応しないようにするため、氷晶石の溶融物に溶解する。そのため、当該方法におけるオペレーション温度は、わずか940℃〜980℃である。 Al 2 O 3 has a very high lattice energy and may not be chemically reduced. However, aluminum can be industrially produced by molten salt electrolysis of aluminum oxide A 2 O 3 (cryolite-alumina method). Al 2 O 3 is obtained, for example, by the Bayer method. In the cryolite-alumina method, aluminum oxide is dissolved in cryolite (salt: Na 3 [AlF 6 ]) and electrolyzed. Aluminum oxide dissolves in cryolite melt in order not to react at the high melting temperature of 2000 ° C. of the aluminum oxide. Therefore, the operation temperature in the method is only 940 ° C to 980 ° C.
融解塩電解において、カソードにおいて液体のアルミニウムが発生し、そしてアノードにおいてAl2O3から酸素が発生する。カーボンブラック(グラファイト)をアノードとして使用する。これらのアノードは、結果として得られる酸素により焼失するため、継続的に交換しなければならない。 In molten salt electrolysis, liquid aluminum is generated at the cathode and oxygen is generated from Al 2 O 3 at the anode. Carbon black (graphite) is used as the anode. These anodes must be continuously replaced because they are burned out by the resulting oxygen.
別の態様では、電気的に導電性を有するプラズマをアノードとして使用してもよい。そのため、従来のアノードは、強力なアノードに置き換えられるであろう。当該プラズマは、適切な構成及び電極の活性により、トラフ上の領域に発生することが好ましい。 In another aspect, an electrically conductive plasma may be used as the anode. Thus, the conventional anode will be replaced by a strong anode. The plasma is preferably generated in a region on the trough with an appropriate configuration and electrode activity.
アルミニウムの高い結合エネルギーのため非常にエネルギー消費が大きいことが氷晶石−アルミナ法の重大な短所とされている。また、時折発生するフッ素の生成及び放出は、環境にとって問題である。 The extremely high energy consumption due to the high binding energy of aluminum is considered a significant disadvantage of the cryolite-alumina process. Also, the generation and release of occasional fluorine is a problem for the environment.
本発明に係る方法(第9部分反応)において、ボーキサイト及び/又は酸化アルミニウムを当該方法に適用してプロセス冷却を実現してもよい。当該システムにおける過剰の熱エネルギーを上記ボーキサイト及び/又は酸化アルミニウムにより消費してもよい。これは、溶融鉄が過剰に熱くなったときに、冷却のため、溶鉱炉の溶融鉄にスクラップ鉄が供給される当該方法と同様に実施される。このため、シュレッダー(破砕機)を用いて事前に適切なサイズに破砕されたブロックとして、例えばボーキサイトを反応チャンバーに導入してもよい。さらに、もし反応チャンバーにおける所望の温度を超えた場合ボーキサイト及び/又は酸化アルミニウムを反応チャンバーにおける温度を測定する適切な制御ループにより(具体的にはオプティカルセンサーを使用して)導入してもよい。 In the method according to the present invention (9th partial reaction), process cooling may be realized by applying bauxite and / or aluminum oxide to the method. Excess thermal energy in the system may be consumed by the bauxite and / or aluminum oxide. This is carried out in the same manner as the method in which scrap iron is supplied to the molten iron in the blast furnace for cooling when the molten iron becomes excessively hot. For this reason, for example, bauxite may be introduced into the reaction chamber as a block crushed to an appropriate size in advance using a shredder (crusher). In addition, if a desired temperature in the reaction chamber is exceeded, bauxite and / or aluminum oxide may be introduced (specifically using an optical sensor) through a suitable control loop that measures the temperature in the reaction chamber.
当該方法が制御不能に陥るおそれがある場合(ワッカーアクシデント参照)、氷晶石を補助として用い、それにより新規な氷晶石に基づく緊急冷却により当該システムにおいて温度を低下させてもよい。しかしながら、緊急の場合(若しくはこのようになる前に)反応チャンバーを希ガス(好ましくはアルゴン)で飽和させる希ガス緊急飽和システムがより適切である。当該希ガス緊急飽和システムは、各部分反応について用いることができる。上述の化学シーケンス及びエネルギープロセスについてのさらなる詳細が次の頁から示されている。 If the method may become uncontrollable (see Wacker Accident), cryolite may be used as a supplement, thereby reducing the temperature in the system by emergency cooling based on new cryolite. However, a rare gas emergency saturation system that saturates the reaction chamber with a rare gas (preferably argon) in an emergency (or before this happens) is more appropriate. The noble gas emergency saturation system can be used for each partial reaction. Further details about the chemical sequence and energy process described above are provided from the next page.
石英砂は液体アルミニウム若しくは粉体アルミニウムと発熱的に反応し、ホルマン−ウィバーグのテキストブックにしたがって珪素及び酸化アルミニウム(副生成物として)が生成される(第7部分反応):
珪素は、1350℃で窒素により燃焼し、シリコンナイトライドが生成される。当該反応は、上記のように発熱性である(第2部分反応):
その後珪素は僅かに発熱的にカーボンと反応し、シリコンカーバイドが生成される(第10部分反応):
しかしながら、シリコンカーバイドは、およそ2000℃で砂及びカーボンから直接吸熱的に得てもよい(第11部分反応):
当該シリコンカーバイドを得るための吸熱プロセスを、例えば、二酸化珪素と、アルミニウム(第7部分反応)及び/又は窒素(第2部分反応)との反応時に発生する熱(第2エネルギー)によりパワーアップさせてもよい。シリコンカーバイドは、同じ反応チャンバー又は下流若しくは近接の反応チャンバーにおいて得てもよい(第10部分反応若しくは第11部分反応)。 The endothermic process for obtaining the silicon carbide is powered up by heat (second energy) generated during the reaction of silicon dioxide with aluminum (seventh partial reaction) and / or nitrogen (second partial reaction), for example. May be. Silicon carbide may be obtained in the same reaction chamber or downstream or adjacent reaction chamber (10th partial reaction or 11th partial reaction).
副生成物のボーキサイト若しくは酸化アルミニウムAl2O3からアルミニウムを再生するため(第12部分反応)、液体のAl2O3(溶融点2045℃)に氷晶石を加えることなく電解しアルミニウムと酸素を生成する。第12部分反応は強い吸熱性であり、発熱反応(例えば第9部分反応参照)の冷却のためにこれを用いてもよい。このため、対応する反応を互いに熱的に組み合わせてもよい。すなわち、アルミニウムを再利用するための吸熱プロセスを、例えば、二酸化珪素と、アルミニウム及び/又は窒素と反応させる間に発生する熱を用いてパワーアップさせてもよい。しかしながら、Al2O3の高い格子エネルギーに打ち勝つためには、当該熱に加えて電流も必要となる。
シラン製品:
マグネシウムは、珪素と反応しマグネシウムシリサイドが生成される:
Magnesium reacts with silicon to produce magnesium silicide:
マグネシウムシリサイドは塩酸と反応しモノシランSiH4及び塩化マグネシウムが生成される:
当該合成経路は、アルミニウムとともに働く。結果的に、アルミニウムシリサイドAl4Si3は、中間物質として生成される。より高次のシランは、先行文献に示されているように、SiCl2のSiCl4との重合のみにより、そしてその後のLiAlH4との反応により入手することができる。 The synthetic route works with aluminum. As a result, aluminum silicide Al 4 Si 3 is produced as an intermediate material. Higher order silanes can be obtained by polymerization of SiCl 2 with SiCl 4 only and subsequent reaction with LiAlH 4 as shown in the prior art.
しかしながら、本発明によれば、モノシランは第3部分反応と称される方法にしたがって生成することが好ましい。アルミニウムシリサイド若しくはマグネシウムシリサイドを介した経路は代替であると理解される。 However, according to the present invention, monosilane is preferably produced according to a method called third partial reaction. It is understood that a route through aluminum silicide or magnesium silicide is an alternative.
本発明のさらに別の基本的な側面を以下に記載する。 Yet another basic aspect of the present invention is described below.
第1のエネルギープロバイダーをより効果的に使用するため、当該第1エネルギープロバイダーは、もし開始材料(砂、ボーキサイト、粘板岩、片麻岩、雲母、及び/又は花崗岩)に未だ混合されていない場合は、別々に予備加熱してもよい。そのため、例えば、原油を開始材料と混合する前に、原油を沸騰するまで煮沸してもよい。 In order to use the first energy provider more effectively, the first energy provider is not yet mixed with the starting material (sand, bauxite, slate, gneiss, mica, and / or granite) It may be preheated separately. Thus, for example, the crude oil may be boiled until it boils before it is mixed with the starting material.
第1エネルギープロバイダーの代わりに、若しくは第1エネルギープロバイダーに加えて、炉に外部若しくは内部加熱手段を設け、反応を開始するため必要な熱を供給してもよい(具体的には第1部分反応)。特に誘導炉が適している。しかしながら、本発明に係るプロセス(具体的には第1部分反応)を、化石燃料(具体的にはハードコール)を用いて操作する従来のパワープラントプロセスと組み合わせてもよい。当該ケースでは、従来のパワープラントプロセスにおいて発生する排熱の少なくとも一部を用いて開始材料を加熱する。 Instead of or in addition to the first energy provider, the furnace may be provided with external or internal heating means to supply the heat required to initiate the reaction (specifically, the first partial reaction) ). An induction furnace is particularly suitable. However, the process according to the present invention (specifically, the first partial reaction) may be combined with a conventional power plant process that operates using fossil fuel (specifically, hard coal). In that case, the starting material is heated using at least a portion of the exhaust heat generated in a conventional power plant process.
本発明の別の実施の形態では、開始材料の反応は、珪素(例えば粉末の形態)を窒素及び/又はアルミニウム(粉末の形態若しくは液体)と接触させることにより開始させることができる。ここで使用される珪素は、最初第1部分反応において得られる。第1部分反応の終盤において、得られた珪素の一部を保存してもよい。これにより、後で、CO2を発生させる第1のエネルギープロバイダーを用いて本発明に係る直列プロセスを開始させる必要はなくなる。 In another embodiment of the present invention, the reaction of the starting material can be initiated by contacting silicon (eg, powder form) with nitrogen and / or aluminum (powder form or liquid). The silicon used here is initially obtained in the first partial reaction. At the end of the first partial reaction, part of the obtained silicon may be stored. This eliminates the need for later initiating the series process according to the present invention with a first energy provider that generates CO 2 .
プロセスの初期において第1のエネルギープロバイダーを酸素で燃焼する際に発生するCO2を大気に放出しないようにするため、当該プロセスにおいて発生する燃焼排ガスを、戻り配管若しくは戻りダクトを介して反応チャンバーに戻してもよい。砂、ボーキサイト、粘板岩、片麻岩、雲母若しくは花崗岩を通って又はこれらの周りを流れるように燃焼排ガスを導入することは、特に好ましい。炭化水素を含む第1エネルギープロバイダーが第1部分反応において”消費”されるとき、燃焼排ガスを最初冷却タワー若しくはダウンストリーム汚染除去システム(脱硫システム等)若しくはフィルターに移送する。 In order to prevent the CO 2 generated when the first energy provider is burned with oxygen in the early stage of the process from being released into the atmosphere, the flue gas generated in the process is sent to the reaction chamber via a return pipe or return duct. You may return. It is particularly preferred to introduce the flue gas to flow through or around sand, bauxite, slate, gneiss, mica or granite. When the first energy provider containing hydrocarbons is “consumed” in the first partial reaction, the flue gas is first transferred to a cooling tower or downstream decontamination system (such as a desulfurization system) or filter.
しかしながら、上述のように、水ガラスを使用してもよい。水ガラスは、水溶性のアルカリシリケートである。これらは、概して、次の組成:すなわちM2O・nSiO2(n=1〜4)を有する、ガラス状の、すなわち、アモルファス状の、非結晶性化合物である。現在まで、ナトリウムシリケート及びカリウムシリケートは、頻繁に工業的に使用されてきた。本発明によれば、ナトリウムシリケート、カリウムシリケート、並びにアルミニウムシリケート若しくはこれらのシリケートの2若しくはそれ以上の混合物を使用してもよい。 However, as described above, water glass may be used. Water glass is a water-soluble alkali silicate. These are generally the following composition: i.e. having the M 2 O · nSiO 2 (n = 1~4), glassy, i.e., amorphous, non-crystalline compound. To date, sodium and potassium silicates have been frequently used industrially. According to the invention, sodium silicate, potassium silicate, and aluminum silicate or a mixture of two or more of these silicates may be used.
アルミニウムは、珪素と同様の化学的挙動を示すため、珪素化合物(ここでは珪素生成物と称する)が用いられるプロセス及びアルミニウム化合物が用いられるプロセスのコンビネーションが特に好適である。例えば、SiO2及びAl2O3を含むアルミニウムシリケートを使用することは特に好ましい。対応するシリケートを提供すること及び/又は水ガラスを生成することは、第3部分反応と称する。 Since aluminum exhibits a chemical behavior similar to that of silicon, a combination of a process using a silicon compound (herein referred to as a silicon product) and a process using an aluminum compound is particularly suitable. For example, it is particularly preferable to use an aluminum silicate containing SiO 2 and Al 2 O 3 . Providing the corresponding silicate and / or producing water glass is referred to as a third partial reaction.
シリケート若しくは水ガラス等は、本発明に係る方法の開始材料として使用しもよいし、若しくはそれらを例えば砂若しくは他の開始材料に混合し(第14部分反応)、例えば第2部分反応にとってより適した開始材料(開始材料Iと称する)を得てもよい。 Silicates or water glasses etc. may be used as starting materials for the process according to the invention, or they are mixed with eg sand or other starting materials (14th partial reaction), eg more suitable for the second partial reaction. A starting material (referred to as starting material I) may be obtained.
1以上の第1エネルギープロバイダー(具体的には鉱油)の混合物を生成するため(第15部分反応)、シリケート若しくは水ガラスを使用してもよく、本発明に係るプロセスをスタートさせるために必要な炭化水素成分を提供するため、そして当該反応を促進する若しくは加速させる反応剤(開始材料IIと称する)を提供するため、シリケート若しくは水ガラスを用いてもよい。 To produce a mixture of one or more first energy providers (specifically mineral oil) (15th partial reaction), silicates or water glass may be used and are necessary to start the process according to the invention. Silicate or water glass may be used to provide a hydrocarbon component and to provide a reactant (referred to as starting material II) that accelerates or accelerates the reaction.
最初に述べたように、パワープラントにおいて燃焼される化石燃料に硫黄残留物が堆積する。欧州特許出願第06 126 325.7によれば、H2O2は、化石燃料ベースのパワープラントプロセスにおいてエネルギーキャリヤーとして提供してもよい。 As mentioned at the outset, sulfur residues accumulate on fossil fuels burned in power plants. According to European Patent Application No. 06 126 325.7, H 2 O 2 may be provided as an energy carrier in a fossil fuel based power plant process.
純粋な(=水を含まない)H2O2は適切ではなく、例えば金属と接触した際、自然に爆発する可能性があるので、本発明によれば、高くても70パーセントの水による溶液(水溶液)を循環させる。70%の限界値は、ここでは、臨界濃度限界と称する。 According to the invention, pure (= water free) H 2 O 2 is not suitable and can explode spontaneously when it comes into contact with a metal, for example. (Aqueous solution) is circulated. The limit value of 70% is referred to herein as the critical concentration limit.
溶液は、H2O2の濃度が臨界濃度限界以下となるように、本発明にしたがって選択される。その後当該溶液は消費者(充填ステーション、最終消費者)に移送される。当該溶液から水素及び/又は酸素を取り出すことにより、また当該水素及び/又は酸素をエネルギーサプライヤー及び/又は燃料として用いることにより、エネルギーを消費者のところで発生させてもよい。 The solution is selected according to the present invention such that the concentration of H 2 O 2 is below the critical concentration limit. The solution is then transferred to the consumer (filling station, end consumer). Energy may be generated at the consumer by removing hydrogen and / or oxygen from the solution and using the hydrogen and / or oxygen as an energy supplier and / or fuel.
酸素は、ペルオキソ硫酸に対する反応において使用してもよい。当該ペルオキソ硫酸は、上述のように、それぞれ、大気、パワープラントプロセスのCO2排ガス、二酸化珪素還元プロセス(第1部分反応)から得ることができる。 Oxygen may be used in the reaction to peroxosulfuric acid. As described above, the peroxosulfuric acid can be obtained from the atmosphere, CO 2 exhaust gas from the power plant process, and silicon dioxide reduction process (first partial reaction), respectively.
H2O2は、エネルギー若しくは燃料として特に好適である。本発明にしたがって生成される可逆的に利用可能な水素キャリヤーを消費者に移送することは、様々な方法で(具体的には輸送車により)実行してもよい。当該移送は、間違いなく問題ない。これは、水素キャリヤーの取り扱いが比較的重大ではないからである。 H 2 O 2 is particularly suitable as energy or fuel. Transferring the reversibly available hydrogen carrier produced in accordance with the present invention to the consumer may be performed in a variety of ways (specifically by transport vehicles). The transfer is definitely a problem. This is because the handling of the hydrogen carrier is not relatively critical.
使用の場面において、可逆的に使用可能な水素キャリヤーの水素及び/又は酸素を取り出してもよい。その後、当該水素を例えば燃料電池において使用してもよい。 In use, hydrogen and / or oxygen of a reversibly usable hydrogen carrier may be removed. Thereafter, the hydrogen may be used, for example, in a fuel cell.
以下に、本発明の技術的実施のための様々な好ましいアプローチを概略図を参照しながら説明する。燃焼チャンバー若しくは炉の形態の反応領域の概略は、単に具体例であると理解されるべきことに留意すべきである。本発明に係る方法は、異なるように設計された燃焼チャンバー若しくは炉においても使用することができることは明らかである。 In the following, various preferred approaches for the technical implementation of the invention will be described with reference to the schematic drawings. It should be noted that the outline of the reaction zone in the form of a combustion chamber or furnace is to be understood as merely an example. It is clear that the method according to the invention can also be used in differently designed combustion chambers or furnaces.
図16に第1の実施の形態を示す。図16に示すように、2つの水平操作燃焼炉10及び20(具体的には溶鉱炉)が互いに隣り合うように配置されている。第1の燃焼炉10は、アウトレット領域11を有し、第2燃焼炉20は、アウトレット領域21を有する。それぞれのケースにおいて、排ガス(燃焼排ガス)を発生させる。第1燃焼炉10は、化石燃料12(具体的にはハードコール)で充填されており、化石燃料は酸素(具体的には空気の酸素)と反応し燃焼する。よく知られた当該方法の間大量の熱が放出される。当該熱は、熱交換機13を介して媒体(具体的には水)に部分的に伝導され結果として得られる水蒸気を用いてタービンを駆動させそれにより電流を得る。
FIG. 16 shows a first embodiment. As shown in FIG. 16, two horizontally operated
本発明によれば、様々な反応が直列的に進行する。示された実施の形態では、第2の燃焼炉20に対する熱カップリングが存在する。すなわち、2つの炉10及び20が直接的若しくは間接的に互いに熱的に組み合わされている。これは、図16において矢印W1により示されている。
According to the present invention, various reactions proceed in series. In the embodiment shown, there is a thermal coupling for the
2つの炉が壁面と壁面とを対向させて直立する当該実施の形態若しくは他の実施の形態において熱カップリングを実行してもよい。当該カップリングは、適切なパッシブ熱ブリッジ(具体的には熱伝導体を用いて)を介して、若しくはアクティブ熱ブリッジを介して(具体的には、熱交換機若しくは対応する移送媒体を用いて)実行してもよい。 Thermal coupling may be performed in the present embodiment or other embodiments in which two furnaces stand upright with the wall surfaces facing each other. The coupling is via an appropriate passive thermal bridge (specifically using a heat conductor) or via an active thermal bridge (specifically using a heat exchanger or a corresponding transfer medium). May be executed.
第2の燃焼炉20において、酸化珪素を含む開始材料22の1つは、第1炉10により与えられる熱量W1により加熱される。すなわち、第1炉10において進行する反応は、大体、本発明に係る第1部分反応のための第1エネルギープロバイダーとして用いられる。当該第1部分反応において、二酸化珪素は珪素に変換される。例えば、典型的な窒素成分を含む空気(若しくは純粋な窒素)をランス24若しくは同様の手段により炉20に導入してもよい。導入位置は別々に選択してもよいことは明らかである。珪素が窒素と反応してシリコンナイトライドが生成される(第2部分反応参照)。当該反応は、強力な発熱性であり、発生する熱量を熱交換機23を介して媒体(具体的には水)に部分的若しくは全体的に伝導させ、結果として得られる水蒸気を用いて、タービンを駆動させそれにより電流を獲得してもよい。
In the
別の部分反応をサポートし若しくはこれを可能にするため当該第2熱を用いるような第1の実施の形態の変形例が特に好ましい。そのため、例えば、図16に示すように、第2部分反応に起因するシリコンナイトライドを吸収し、これを多孔質のシリコンナイトライド、シリコンフレーク、若しくはシリコン粉末に変換する反応領域38を設けてもよい。これらは、熱を供給するとともに及び/又は反応剤及び/又は圧力について極めて大きい体積を有し、極めて大きい表面積を有する。第6部分反応は、適切な熱カップリングを介して、第2部分反応の第2熱によりサポートされ可能とされる。これは、図16において矢印W2により示されている。 A variation of the first embodiment that uses the second heat to support or enable another partial reaction is particularly preferred. Therefore, for example, as shown in FIG. 16, a reaction region 38 that absorbs silicon nitride resulting from the second partial reaction and converts it into porous silicon nitride, silicon flakes, or silicon powder may be provided. Good. They have a very large volume for supplying heat and / or for reactants and / or pressure and have a very large surface area. The sixth partial reaction can be supported by the second heat of the second partial reaction via appropriate thermal coupling. This is indicated by the arrow W2 in FIG.
シリコンナイトライドは、図16において示されているように、貨物車両31により取り除いてもよい。
Silicon nitride may be removed by
CO2は、炉20に導入してもよい(当該工程は任意である)。CO2は、第1炉10の排ガス領域11から第2炉20に誘導してもよいし、若しくは大気からのCO2を導入し還元し、すなわち、無害化してもよい。
CO 2 may be introduced into the furnace 20 (this step is optional). CO 2 may be guided from the
第2の実施の形態を図17に示す。図17に示すように、水平操作燃焼炉20を設けてもよい。二酸化珪素を含む開始材料22の1つは、第1エネルギープロバイダー(具体的にはオイル及び/又はタール等の化石燃料)の燃焼により燃焼炉20において加熱される。とりわけ、珪素は本発明に係る第1部分反応において発生する。第1の実施の形態と同様に、窒素を導入することによりシリコンナイトライド及び熱が発生する。しかしながら、当該プロセスの代替の方法において、珪素は炭素と反応してSiCを生成してもよい(第10部分反応参照)。当該炭素は化石燃料若しくはCO2を起源としてもよい。これは、任意ではあるが、炉20に(具体的には供給口25により)導入してもよい。当該部分反応は発熱的に進行するが、しかしながら、移送される熱は第2部分反応よりかなり少ない。
A second embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 17, a horizontally operated
上述したように、第2の実施の形態において、CO2を炉20に導入してもよい。
別の部分反応をサポートするため若しくは可能とするため、第2の熱W2が用いられるような第2の実施の形態の変形例が特に好ましい。そのため、例えば、図17に示すように、結果として得られる第10部分反応によるシリコンカーバイドを吸収し乾燥、焼結し、一方熱、及び/又は別の反応剤及び/又は圧力を供給しつつそれを精製する反応領域30を提供してもよい。当該別の部分反応は、図17において矢印W2により示されているように、適切な熱カップリングにより、第10部分反応の第2の熱によりサポートし、可能としてもよい。
As described above, CO 2 may be introduced into the
In order to support or enable another partial reaction, a variation of the second embodiment in which the second heat W2 is used is particularly preferred. Thus, for example, as shown in FIG. 17, the resulting silicon carbide from the tenth partial reaction is absorbed and dried, sintered, while supplying heat and / or another reactant and / or pressure. A
当該シリコンカーバイド若しくは精製されたシリコンカーバイドは、図17において示されているように、貨物車両31により取り除いてもよい。
The silicon carbide or purified silicon carbide may be removed by the
図18に第3の実施の形態を示す。図18に示すように、水平操作燃焼炉20を設けてもよい。二酸化珪素を含む開始材料22の1つは、第1エネルギープロバイダー(具体的にはオイル及び/又はタール等の化石燃料)の燃焼により燃焼炉20において加熱される。とりわけ、珪素は本発明に係る第1部分反応において得られる。第1の実施の形態と同様に、窒素を導入することによりシリコンナイトライド及び熱が生成される。しかしながら、当該部分反応は、極めて発熱的に進行する。炉20を冷却し、それにより第2部分反応を制御するため、酸化アルミニウム42(氷晶石を含有してもよいし若しくは含有しなくてもよい)を分離した反応領域40において冷却剤として用いる。当該反応領域40は、少なくとも部分的に炉20を包囲する。酸化アルミニウム42は上から投入してもよく、炉20が放出する大量の熱のため液体のアルミニウム43に変換される。これは、例えば下方向に排水してもよい。(融解塩)電解のための電極が反応領域40に設けられる場合当該変換(還元プロセス)が進行する。
FIG. 18 shows a third embodiment. As shown in FIG. 18, a horizontally operated
反応領域40は、例えばスチール製のトラフを備える。これは、(融解塩)電解のための炭素材料で覆われている。これらの詳細は図18には示されていない。液体の電解液(氷晶石を含有してもよいし若しくは含有しなくてもよい酸化アルミニウム)を当該トラフに配置する。電源の正極に接続されたアノード(具体的にはカーボンブラック)を電解質に浸漬する。当該トラフをカソードとして用い正極に接続する。当該第12部分反応(以下の等式参照)において還元されたアルミニウム電解質より重く、そのため当該トラフの底面に集まる。そこから、例えば吸入管を用いて取り除く。
この電解(融解塩電解としても知られる)のための開始材料は、ボーキサイト、酸化アルミニウム及び水酸化アルミニウム(Al(OH)3)等の粘土鉱物の混合物である。二酸化珪素は、通常ボーキサイト中に存在する。現在まで、ボーキサイトは、最初含有酸化鉄から(具体的にはバイエル法を用いて)分離されてきた。さらに、ボーキサイトを”汚染”する酸化珪素は、その後一般的には分離される。本発明によれば、当該混合物の成分の複雑な分離を実行することは必ずしも必要ではない。これは、当該プロセスにおいて十分なエネルギーが存在し、純粋なアルミニウムの調製は主要な関心事ではないからである。 The starting material for this electrolysis (also known as molten salt electrolysis) is a mixture of clay minerals such as bauxite, aluminum oxide and aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ). Silicon dioxide is usually present in bauxite. To date, bauxite has been initially separated from the iron oxide contained (specifically using the Bayer method). In addition, the silicon oxide that “contaminates” the bauxite is then generally separated. According to the invention, it is not always necessary to carry out a complex separation of the components of the mixture. This is because there is sufficient energy in the process and the preparation of pure aluminum is not a major concern.
現在まで工業的に使用されたアルミニウム製品において、ボーキサイト(上述の混合物の成分を含有していてもよいし若しくは含有していなくてもよい)を水で希釈して水酸化アンモニウムを生成してもよい。当該ボーキサイトは、水酸化アルミニウムを生成するため、水蒸気若しくは超臨界水と(407℃以上、高圧で)混合してもよい。 In aluminum products used industrially to date, bauxite (which may or may not contain the components of the above mixture) may be diluted with water to produce ammonium hydroxide. Good. The bauxite may be mixed with water vapor or supercritical water (above 407 ° C. at high pressure) to produce aluminum hydroxide.
酸化アンモニウムは、水酸化アルミニウムをおよそ1200℃〜1300℃まで(具体的には第2エネルギーを用いて)加熱することにより生成する:
当該水酸化アルミニウムは、上述のように氷晶石を含んでいてもよいし含んでいなくてもよいがその後(溶融塩)電解に供される。 The aluminum hydroxide may or may not contain cryolite as described above, but is then subjected to (molten salt) electrolysis.
冷却効果は、ボーキサイト及び/又は酸化アルミニウムを制御しながら添加することにより促進若しくは低減してもよい。当該実施の形態において、高い純度のアルミニウムが、第2部分反応の生成物とともに発生する。 The cooling effect may be promoted or reduced by adding bauxite and / or aluminum oxide in a controlled manner. In this embodiment, high purity aluminum is generated along with the product of the second partial reaction.
図19に概略的に示す別の好ましい実施の形態において、アルミニウム43を液体若しくは粉体の形態で反応領域(具体的には、炉20の反応領域)の二酸化珪素22に加える。アルミニウムの添加は、図19に矢印46により示されている。当該実施の形態において、アルミニウムは、また(溶融塩)電解を用いて、第12部分反応において得られる。当該(溶融塩)電解は、炭素材料44により被覆されたトラフの形態の反応領域40において実行される。アルミニウム43は、高い電流がアノード及びカソードとして用いられる炭素材料44に加えられるとき当該トラフにおいて酸化アルミニウム42(氷晶石を含んでいてもよいし若しくは含んでいなくてもよい)から生成される。当該アルミニウム43は、吸入管により底部に配置され当該底部において取り除いてもよいし、若しくはフォールパイプ45を介して下方に排出してもよい。液体のアルミニウムは、二酸化珪素から酸素を取り除くため、当該排出ポイントから炉20の反応領域に搬送してもよい。窒素雰囲気は、当該プロセスの当該フェーズにおいて炉20に存在することが好ましい。
In another preferred embodiment schematically shown in FIG. 19, aluminum 43 is added in liquid or powder form to
既知のサーマイト反応(アルミニウムは、例えば酸化鉄を鉄に還元するため還元剤として使用される酸化還元反応)と同様、当該アルミニウムは、ここでは、二酸化珪素から酸素を取り除くための還元剤として使用される。この反応(第7部分反応)は、極めて発熱的に進行し、そして、極めて大量の熱が放出される。この熱量は、並行に進行する、アルミニウムの製造プロセス(第12部分反応)に適用してもよいし、及び/又は当該熱量を(熱交換機23を使用して)電流を発生させるために使用してもよい。 Similar to the known thermite reaction (aluminum is used as a reducing agent, for example as a reducing agent to reduce iron oxide to iron), the aluminum is used here as a reducing agent to remove oxygen from silicon dioxide. The This reaction (seventh partial reaction) proceeds very exothermically and a very large amount of heat is released. This amount of heat may be applied in parallel to the aluminum manufacturing process (12th partial reaction) and / or the amount of heat may be used (using heat exchanger 23) to generate current. May be.
2つの可能性として考えられる実施の形態を図20及び21に概略的に例示する。両ケースにおいて水平に若しくは僅かに斜めにマウントされた炉を使用する。 Two possible embodiments are schematically illustrated in FIGS. 20 and 21. FIG. Use a furnace mounted horizontally or slightly diagonally in both cases.
本発明に係るエネルギー−マテリアル直列カップリング(EMC2)は、プロセスが、細胞及び器官の生体構造におけるように、消散構造において熱平衡を超えて進行する点で区別される。 The energy-material series coupling (EMC 2 ) according to the present invention is distinguished in that the process proceeds beyond thermal equilibrium in the dissipative structure, as in the anatomy of cells and organs.
本発明によれば、当該ポイントまで酸素を用いて燃焼プロセスをオペレートする代わりに、窒素燃焼プロセスと置換してもよい。 According to the present invention, instead of operating the combustion process with oxygen up to that point, a nitrogen combustion process may be substituted.
本発明によれば、いわゆる珪素生成物が生成される。ここで珪素生成物なる用語は、以下の(中間)生成物、すなわちシリコンナイトライド(具体的には粉末、フレークの形態、若しくは多孔質の形態)、珪素(具体的には、フレーク若しくは粉末)、シリコンカーバイド、モノシラン若しくは長鎖シラン、マグネシアシリサイド、SiCl2、SiCl4、珪素と、アルミニウム、カルシウム、若しくはマグネシア(シリケート)等の他の成分との組成物の変換を説明するため用いられる。これらの珪素生成物は、今まで、例えば半導体分野において使用されるため、化学的に非常にクリーンな形態で生成されてきた。例えば、純粋なシリコンは、98〜99.5%の純度、若しくは99.9999999%以下の純度を有する。 According to the invention, a so-called silicon product is produced. Here, the term silicon product refers to the following (intermediate) products: silicon nitride (specifically powder, flake form or porous form), silicon (specifically flake or powder) , Silicon carbide, monosilane or long chain silane, magnesia silicide, SiCl 2 , SiCl 4 , silicon, and other components such as aluminum, calcium, or magnesia (silicate) are used to illustrate the conversion of the composition. These silicon products have heretofore been produced in a chemically very clean form, for example in the semiconductor field. For example, pure silicon has a purity of 98-99.5%, or 99.9999999% or less.
現在まで、これらの材料のエネルギーキャリヤー(それぞれサプライヤー)としての潜在能力は認識されてこなかった。これらの珪素生成物の生成が、パワープラント若しくはパワープラントプロセスと同様の方法において実行される場合、比較的手頃な条件で大量に製造することができる。これらの珪素生成物は、反応パートナーに依存してSiO2に変換可能であることが珪素生成物の特別な長所であると考えられている。当該SiO2材料は、絶対的に環境フレンドリーであり処理が容易である。好ましくは、本発明にしたがって、パワープラントにおいて若しくはパワープラントプロセスと同様の方法により製造される珪素生成物は50〜97%の範囲の純度を有する。75〜97%の純度を有する珪素生成物は特に有益であることが証明された。そのような珪素生成物は、低価格のラージスケールプラントにおいて大量に製造することができ、それと同時にエネルギーキャリヤー(それぞれサプライヤー)として好適である。 To date, the potential of these materials as energy carriers (each supplier) has not been recognized. When these silicon products are produced in a manner similar to a power plant or power plant process, they can be produced in large quantities at relatively affordable conditions. It is believed that these silicon products are a special advantage of silicon products that they can be converted to SiO 2 depending on the reaction partner. The SiO 2 material is absolutely environmentally friendly and easy to process. Preferably, the silicon product produced in accordance with the invention in a power plant or by a method similar to a power plant process has a purity in the range of 50-97%. Silicon products having a purity of 75-97% have proven particularly beneficial. Such silicon products can be produced in large quantities in low-cost large-scale plants and at the same time are suitable as energy carriers (respectively suppliers).
Claims (19)
砂、二酸化珪素を含有するボーキサイト、石英、片麻岩、雲母、花崗岩、粘板岩からなる群から選択される少なくとも1種を含む開始材料を反応領域に導入する工程と、
上記開始材料が加熱され上記開始材料から珪素が生成される反応を開始するため、第1エネルギープロバイダーを供給する工程と、
発熱的に進行し熱を放出可能な第1部分反応において珪素を用いる工程と、
上記熱を第2エネルギーとして用い、上記開始材料を加熱する際第1エネルギープロバイダーと代替させ、及び/又は、珪素生成物が得られる終盤において少なくとも1つの別の部分反応若しくは一連の部分反応に、必要とされるエネルギーを供給する工程と、を備えることを特徴とする方法。 A method for supplying energy in a power plant process,
Introducing into the reaction zone a starting material comprising at least one selected from the group consisting of sand, bauxite containing silicon dioxide, quartz, gneiss, mica, granite, slate;
Supplying a first energy provider to initiate a reaction in which the starting material is heated and silicon is generated from the starting material;
Using silicon in the first partial reaction that proceeds exothermically and can release heat;
Using the heat as a second energy, replacing the first energy provider in heating the starting material, and / or for at least one other partial reaction or series of partial reactions at the end of the silicon product yield, Providing the required energy.
少なくとも1つの開始材料を受容するための第1反応領域と、
第1エネルギープロバイダーを用いて上記開始材料を加熱する手段と、
少なくとも1つの第1材料を受容し当該第1材料を第2材料に変換するための第2反応領域と、を有し、
上記第2反応領域は、上記第1反応領域において発生する熱が上記第2反応領域に供給されるように上記第1反応領域と熱的に組み合わされたことを特徴とする装置。 A device for providing energy, a first reaction zone for receiving at least one starting material;
Means for heating the starting material using a first energy provider;
A second reaction zone for receiving at least one first material and converting the first material to a second material;
The apparatus, wherein the second reaction zone is thermally combined with the first reaction zone so that heat generated in the first reaction zone is supplied to the second reaction zone.
オイル、タール、アスファルト、コールからなる群から選択される少なくも1種の第1エネルギープロバイダーを受容するよう設計されたことを特徴とする請求項10記載の装置。 The first reaction region receives one or more starting materials comprising sand, gneiss, mica, granite, slate, building stone containing silicon dioxide;
11. The apparatus of claim 10, wherein the apparatus is designed to receive at least one first energy provider selected from the group consisting of oil, tar, asphalt and coal.
上記ボーキサイト及び/又は酸化アルミニウムをレセプタクルエリアに導入することにより第1反応領域若しくは第2反応領域から熱が取り除かれるように上記レセプタクルエリアが設計され配置されたことを特徴とする請求項15記載の装置。 The cooling means comprises a receptacle area, preferably a trough;
16. The receptacle area according to claim 15, wherein the receptacle area is designed and arranged so that heat is removed from the first reaction region or the second reaction region by introducing the bauxite and / or aluminum oxide into the receptacle area. apparatus.
上記第2材料が、珪素、若しくは珪素生成物であることを特徴とする請求項10〜18のいずれかに記載の装置。 The first material is at least one selected from the group consisting of oil-containing sand, oil-containing shale, bauxite, gneiss, mica, granite, shale;
The apparatus according to claim 10, wherein the second material is silicon or a silicon product.
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