JP2011501345A - 混合し、変換すべき液状送給物をプラズマプルーム又はガス流中に注入する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体物質をプラズマトーチの中に注入するための装置に関し、プラズマ流領域（３）の周囲に配置した注入器を有するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループを備え、各注入器グループは少なくともｎｉ（ｎi≧２）個の注入器（１ｂ，１ｂ′，１ｄ，１ｄ′，１ｆ，１ｆ′）を有し、これら注入器をプラズマ流軸線の側方に配置し、各々が前記液体物質を、少なくとも部分的に前記プラズマの流れの方向とは反対方向（１０，１０ ′）に、前記プラズマ内に注入する。

Description

本発明は、プラズマプルームに液状送給物を注入する液体注入システムの分野に関する。

トーチ内で変換すべき液体としては、とくにバイオオイル、または廃水（汚水）処理施設からのスラッジ（汚泥）もしくはスラリー、すなわち、固体が粉末化することにより生じる粒子があり、これら粒子をプラズマトーチにおけるプルーム内に注入する液体と混合する。

液状送給物、特にバイオオイルをプラズマでガス化する方法で直面する主要な問題の１つは、変換を達成すべくプラズマトーチを最良に使用することである。

バイオオイルに関して、これは熱化学プロセス（温度Ｔが約５００°Ｃ）である急速熱分解によって得られ、この急速熱分解において、バイオマスを酸素下で非化学量論的に急速加熱する。熱作用の下で、バイオマスは分解し、恒常的なガス、凝縮可能な蒸気、エアロゾルおよび炭素残留物を形成する。揮発性化合物とエアロゾルを冷却および凝縮した後、典型的には暗褐色の液体が得られ、これがバイオオイルである。つぎに、これをプラズマトーチ内に注入することによってガス化する。

バイオオイルを前処理することにより、ガス化のためにバイオマスをプラズマトーチにおけるプルーム内に注入することができる。この前処理工程なしでは、バイオマスは事実上不均質であり、ほとんど分散性を有さず（または、予めコストのかかる破砕を行わない場合には、全く分散性を示さない）、固体状態であり、加圧下で注入することが困難である。バイオマスをガス化工場に搬送するコストの観点からも、急速熱分解タイプの前変換が有利であることが分かるであろう。

液体、特にバイオオイルを、プラズマトーチを使用して合成ガスに適切に変換するには、反応に影響する種々の異なるパラメータ間に良好なバランスを見出し、これらパラメータとしては、とりわけ、プラズマプルーム内における液体の滞留時間、プラズマプルームの温度、反応物とプラズマ媒体との間における交換表面積、および媒体の組成がある。

バイオオイルのガス化度が低いと、プロセスの収益性の観点から容認されない低い生成物収率のみならず、合成ガスの劣悪な品質、すなわち、タールが存在するため、バイオ燃料の合成における中間生成物としてその後の使用に耐えるほど、ガスは十分高い純度を示さない（タールの許容閾値は約０．１ｍｇ／Ｎｍ^３）。これらタールが存在すると、関連する種々の応用において多数の問題を生じ、とりわけ、フィッシャー・トロプシュ型の燃料合成中、熱および触媒の反応下に、すすおよび重い炭化水素化合物の析出を生じる。このことは、フィッシャー・トロプシュ合成に使用される触媒の寿命を大幅に短くする。

さらに、プラズマトーチによって生ずるプラズマプルームの主な特性は、高温度（５０００〜７０００Ｋ）、高い流速（８００〜１２００ｍ・ｓ^−１）、および高粘性である。この特性によれば、プルームの中心に位置しようとする粒子は、中心部分で跳ね返る傾向がある。

そのため、プラズマプルームの中心における液体の分散および／または変換を最適化する液体注入装置に対する現実的な産業上の要望がある。

これまでに提案された、プラズマプルームによる液体の分散／変換のためにその液体を注入する技術は、４つの主なファミリーに分けることができる。

第１のファミリーは、プラズマプルームへの注入前に液体を予め霧化する注入方法にグループ化できる。この種の解決法は、特許文献１（仏国特許第２，５６５，９９２号）に記載のように、反応物とプラズマ媒体との交換表面積を増大させる。この方法は、ベクターガスを用いて熱ガス流の周囲に同心円状に、霧化した物質を配置するのに使用できる装置によって実施する。回転運動をプラズマ発生器内におけるプラズマガスに与えて、同心状の流れにより霧化した物質に乱流を生じ、熱ガス流がこの混合物を加熱する。霧化した液体に十分な速度を与えることが難しいという事実は、プラズマプルームに入るのに必要な速度を与えるベクターガスの付加と、変換すべき物質と熱ガス流との間における乱流の発生とにより相殺される。それにも係わらず、この方法ではプラズマプルームを深く進入させることができず、ガス化反応は周縁でしか生じないため、プラズマプルーム内に深くまで利用可能な高温を有効活用できない。加えて、プラズマプルームが追加される冷たいガスで希釈され、このことは、一般的に液体を微細に分断化するには、無視できない量のベクターガスを必要とする点を考慮すれば、エネルギー収率の点で不利である。また、微粒子を含み、またコークスのような比較的粘性の高い液体では、比較的小さい直径のインジェクタを用いる霧化システムは、予想される装置の目詰まりのため、困難さを伴う。

第２のファミリーは、強制混合に基づく注入方法に関連する。この場合、いくつかの形態が考えられる。例えば、注入口に達するチャネルをプラズマが通過して、注入した液体をプラズマプルームに強制的に進入させる。例えば特許文献２（仏国特許第１，５０９，４３６号）または特許文献３（米国特許第５，９０６，７５７号）のような、様々な文献がこの技術に言及している。前者の特許文献では、拡大部分を設けたチューブ内でプラズマジェットを強制的に円運動させて、拡大部分内でプラズマジェットの圧力を低下させ、その結果、プラズマ内に乱流領域を形成する。この領域に液体を注入し、プラズマプルームの周りで乱流リングまたは乱流シリンダを形成する。後者の特許文献では、少なくとも１つの半径方向に指向させたインジェクタを設けたチューブ内でプラズマを円運動させ、このことは、液体を、接線方向の運動ベクトル成分を有するようプラズマ内に注入することを意味する。このタイプの解決法は、プラズマ流速があまり速くない（５００ｍ／ｓを超えることもあるプルームの中心での速度と比べて、１００ｍ／ｓのオーダー）プラズマプルームの周縁に液体を注入するため、滞留時間に好ましい効果を有する。それにも係わらず、この解決法は、チャネル壁に熱伝導するためエネルギー損失が発生する。さらに、この解決法では液体をプラズマプルームの深く進入させることができないため、温度効果、またはプラズマプルームの中心における反応核種成分の恩恵を受けることができない。

第３のファミリーは、いくつかのプラズマトーチを用いる注入方法にグループ化される。この方法の実施形態の一例は、特許文献４（カナダ国特許２，２０５，５７８号）に記載されている。この方法の原理は、少なくとも２つのプラズマジェットの合流点で反応物の流れをトラップし、プラズマジェットの合流ポイントが反応物の注入軸線上に存在するというものである。このタイプの解決法によれば、液体を直接プラズマプルームの深くに注入することができる。この場合、効果をもたらすのは温度であり、なぜならプラズマプルームの中心における高温の利点が得られるからである。

このタイプの解決法は、エネルギー損失の問題を引き起こす。

トーチの流れはチャネル経由で効果的に導かれるが、非チャネル経由のプラズマトーチ構成と比べて、変換すべき液体の注入を最適化する自由度がない。

さらに、ジェットは分断化されず、また変換すべき液体とプラズマ媒体との間の熱交換が最適ではない。

別の問題としては、１点での注入はプルームの使用を最適化しないことがある。プルームの全容積を使用していない。

他の問題は、注入がプルームの中心でなされるという事実に起因する。中心のプラズマ流速は高いため、滞留時間が短くなる。また、数個のプラズマトーチを使用するため、それらプラズマトーチの各個における問題またはメンテナンスの必要性が生じると、全てのトーチを停止させなければならない。

いくつかのトーチを用いることによる別の問題は、各トーチに電力供給をする必要性のため、エネルギー損失が増加することである。これらのエネルギー損失を相殺するために、所定流速に対してトーチの数を増やさなければならず、これは温度の観点からあまり好ましくない。結局、いくつかのトーチを用いると、中心注入システムが容易に適応できない不安定状態となる可能性がある。

最後のファミリーは、プラズマトーチ中に位置する中間部を用いる注入方法に分類する。そうするために、特許文献５（仏国特許第２６１４７５１号）に記載されているように、ある装置をガス流の経路に挿入してこのガス流を整形し、この流体物質をノズルに送給し、これにより方向が熱ガスの流れの方向に類似する流体物質の流れを作りだす。このタイプの装置によれば、流体は直接熱ガス流の中心に注入され、変換すべき粒子は高い粘性を付与された熱ガス流にトラップされる。この方法によれば、プラズマ流に対して対向（逆）流方向に注入することができるので、プラズマプルーム中の温度と滞留時間による恩恵を受けることができる。しかし、（熱損失の原因となる）高温による機械抵抗のため、部品を冷却しなければならず、このためプラズマをも冷却し、不安定にしてしまう。また、ノズルの温度のため、起動時や停止時に目詰まりする危険性もある。

プラズマプルームの中心で液体を分散／変換するほとんどの液体注入方法は、パラメータのうち１つ、すなわち、プラズマプルームの滞留時間、プラズマプルームの温度の活用、反応物とプラズマ媒体との交換表面積、及び最終的には媒体の組成のうち１つしか助長しないことが分かっている。第１のファミリーは反応物とプラズマ媒体との交換表面積、第２のファミリーは滞留時間、第３のファミリーは温度活用に基づくものであり、最後のファミリーは２つのパラメータ、すなわち滞留時間および温度活用に重点を置いている。

仏国特許２，５６５，９９２号明細書 仏国特許１，５０９，４３６号明細書 米国特許５，９０６，７５７号明細書 カナダ国特許２２０５５７８号明細書 仏国特許２，６１４，７５１号明細書

したがって、これまでの解決法では同時に以下の条件を満足することができるものがなかった。
・プラズマプルーム内における液体の滞留時間の最適化
・プラズマプルームの温度の最適な使用
・反応物とプラズマ媒体との間における交換表面積の最大化
・変換用の媒体における組成の有効利用

そこで、プラズマプルームの中心に分散／変換のために液体の注入を行う際の課題は、プラズマプルーム内での液体の滞留時間、プラズマプルームの温度、反応物とプラズマ媒体との間における交換表面積、および媒体の組成というパラメータ間での最適なバランスを得ることである。

本発明は第１に、液体物質による液体送給物をプラズマトーチ内に注入するための装置に関し、プラズマ流領域の周囲にプラズマプルームの流域から離して、またはプラズマ流領域の外側に配置した注入器を有するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループＧｉ（ｉ＝１，…Ｎ）を備え、各注入器グループまたは区分は少なくともｎｉ（ｎｉ≧２）個の注入器を有し、これら注入器を、例えばプラズマ流軸線の側方、またはプラズマ流軸線にほぼ直交する平面内に配置し、これにより、少なくとも部分的に前記プラズマの流れの方向とは反対方向に、前記液体物質の少なくとも一部をプラズマ内に注入することができるようにする。

ほとんどの場合、Ｎは１５または２０以下である。

１つの同一注入器グループＧｉにおけるｎｉ個の注入器を、互いに３６０°／ｎｉの角度差をもって前記プラズマ流領域の周囲に配置することができる。ｎｉ個の注入器は、好ましくは、これらがプラズマに注入した液体流が合流するように配置する。これら注入器は、プラズマプルームまたはプラズマ流領域とは直接接触しない。

少なくとも１個の注入器が、内面らせん溝を有し、その結果、回転成分を持つ運動を与え、プラズマプルームの中心で衝突したときの液体の分散を促進することができる。

少なくとも１個の注入器は、注入される前記液体を細分化するための圧電手段を有することができる。

本発明による装置は、プラズマ流軸線に沿って配置するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループを有し、異なる注入器グループにおける注入器は、プラズマ流軸線に対して異なる入射角を有しうる。この配置により、とりわけ、処理すべき液体送給物をプラズマ内でよりよく分布させることができる。好ましくは、プラズマプルームの基底から離れて位置する注入器ほど、プラズマ流軸線に対する入射角が小さくなるようにする。

本発明による装置は、さらに、少なくとも一部の注入器に、例えば液体流を脈動的なパルス列として、または周期変動する圧力（時間変数として）の下で液体流を注入する手段を備えることができる。

有利には、１個以上の注入器に、前記液体流と同時に蒸気流を注入する蒸気注入ノズルを設けることができる。

本発明による装置は、さらに、変換すべき前記液体送給物を加圧する手段を備えることができる。若干の液体流の圧力を、とりわけ若干の流れの構成において修正して、液体流の入射角の精度を調整できるようにする。

有利には、さらに、一方では変換すべき前記液体中の重い有機化合物を、他方ではこの同一液体中の軽い相を分離する手段を設けることができる。

注入すべき液体を調製する手段は、注入する前に水相を蒸発させる手段を備えることができる。

本発明による装置は、さらに、注入の質を制御し、かつ、随意に変換すべき前記液体の注入パラメータを前記プラズマプルームにおける変更に適合させる光学的手段を備えることができる。

より一般的には、変換すべき前記液体送給物の注入を、前記プラズマプルームにおける変化に適合させる手段を備えることができる。

本発明は、液体物質による液体送給物をプラズマトーチ内に注入する方法にも関し、前記液体物質を、プラズマ流領域の周囲にプラズマプルームの流域から離して配置した注入器を有するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループＧi（i＝１，…Ｎ）の注入器によって注入し、各注入器グループは少なくともｎｉ（ｎi≧２）個の注入器を有し、これら注入器を例えば、プラズマ軸線もしくはプラズマ流領域の側方またはこのプラズマ流領域の外側に、および／またはプラズマ流軸線にほぼ直交する平面内に配置し、前記液体物質の液体流を前記プラズマ内に、少なくとも部分的に前記プラズマの流れの方向とは反対方向に、注入する。

この場合、やはり、１つの同一注入器グループＧｉにおけるｎｉ個の注入器は、互いに３６０°／ｎｉの角度差をもって前記プラズマ流領域の周囲に配置することができる。ｎｉ個の注入器は、好ましくは、これらがプラズマに注入した液体流が合流するように配置する。

本発明による装置および方法は、バイオオイルタイプの液体、又は廃水処理施設からのスラッジ（汚泥）、又はスラリーに対して特に好適に適用できる。

前記プラズマによって生じた熱の一部は、前記注入器の支持体によって回収し、熱伝導により前記注入器を通過する液体に伝熱する。

少なくとも一部の注入器に対して、例えば液体流を脈動的なパルス列として、または注入圧力が周期的に変化（振動）する液体流を注入すると有利である。

他の有利な実施形態によれば、前記液体流の少なくとも一部に、前記液体流と同時に蒸気流を注入することができる。前記液体を、予め、比較的低い温度（８０〜１５０℃程度のオーダー）で蒸発可能な第１の部分と、前記プラズマに液状で注入される第２の重い部分とに分離することもできる。

注入すべき前記液体に水を添加することによって、処理すべき液体の変換反応を最適化することができる。

他の特に有利な実施形態によれば、蒸気の層を前記プラズマプルームの外側に形成する。

１つの同一注入器グループにおけるｎ個の注入器の液体流は、好ましくはプラズマ内で合流し、流れの合流の領域は、有利にはほぼプラズマ流軸線上に位置するようにする。

例えば、この液体流における前記液体の圧力を変化させることにより、プラズマ内における少なくとも１つの液体流の注入角を変化させることができる。

種々のパラメータの制御を行うことができ、パラメータとしては、例えば、
・例えば光学手段を使用して、液体流の注入の質
・および／または、トーチから放出されるプラズマの質
・および／または、随意にはプラズマプルームに注入された液体の脈動に伴う、プラズマプルームの脈動化
が挙げられる。

１回またはそれ以上の行った測定に対応するデータを用いて、システムのパラメータの調整を可能にするには、必要があれば、送給物の組成および／またはプラズマの操作条件を調整できることが望ましい。例えば、プラズマプルームのパルス間隔と注入のパルス間隔との位相ずれを調整することが望ましい。

本発明による装置の一実施形態の詳細を示す。 本発明によるシステムの一実施形態の詳細を示す。 本発明による装置で用いられる注入プロファイル（輪郭）の例を示す。 本発明による装置で用いられる注入プロファイル（輪郭）の例を示す。 本発明による装置で用いられる注入プロファイル（輪郭）の例を示す。 本発明による装置で用いられる注入プロファイル（輪郭）の例を示す。 本発明による装置で用いられる注入プロファイル（輪郭）の例を示す。 液体流がプラズマプルームを通過するとき、液体流の運動量が過剰の場合に直面する問題を示す。 液体流がプラズマプルームを通過するとき、液体流の運動量が不十分でプラズマコーンの中に入ることができない場合に直面する問題を示す。 衝突直前はほぼ９０°で合流する流れの最大細分化を伴う衝突状況を示す。 液体シートの形成を含む非直交合流による流れの衝突状況を示す。 液体シートの形成を含む非直交合流による流れの衝突状況を示す。 注入器におけるプラズマトーチの軸線に沿ういくつかの区域の構成を示す。 プラズマプルームが飽和する危険性を最小にするために、液体流のパルス注入列を示す。 プラズマプルームが飽和する危険性を最小にするために、液体流のパルス注入列を示す。 プラズマプルームが飽和する危険性を最小にするために、液体流のパルス注入列を示す。 プラズマトーチの軸線に沿って、かつ互いに直交する２つの軸線に沿って、３対の注入器が取り得る位置を示す。 プラズマプルームの流れ軸線xx′に関連する壁における熱交換係数のプロファイル曲線、ならびにプラズマプルームおよび壁の一部分を示す。 注入器と蒸気注入ノズルの位置を線図的に示す。 すすの形成を避けるために、水を多く含む蒸気をプラズマプルームの境界層に形成する状況を示す説明図である。 水／バイオオイルタイプの系における相状態図（ダイアグラム）の標準的な説明図である。 光学的測定による注入の診断を可能とする、反応炉の光インタフェースの１つを示す。 プラズマ流の軸線に沿う１つの同一平面における、３対の注入器を有するアセンブリの分布状況を詳細に示す説明図である。 プルームにおける変換すべき液状送給物の占有率を見積もるために、プラズマプルームの簡単な体積の線図的な説明図である。 ２つの液体流の合流による液体シートの形成状況を示す。 角度βおよび流れの入射角θに関連する、液体シートの半径ｒの変化を示す。 トーチ電極の電圧を経時的に監視することによる、プラズマトーチ内部の電気アーク変動の例を示す。 プラズマプルームの円形断面における、３つの注入器の分布状況を線図的に示す。

図１Ａに示した概略図につき、本発明の一実施形態を説明する。

図１Ｂは、その装置を付加的な周辺手段とともに示す。

図１Ａにおいて、参照符号３０，３１は両極間に放電が生じる電極である。同時に、これら電極間にプラズマを生成するガスが通過すると、プラズマプルーム３が形成される。

電極への電力供給手段を、参照符号３２で示す。

電極の出力部において、システムを配置し、このシステムは、処理すべき液体を注入する注入器の位置を位置決めおよび保持するための支持体２を形成する。この支持体に配置するキャビティ（空隙）２′内で、以下にプラズマ流軸線と称する軸線Ｂにほぼ沿って、プラズマプルームが流れる。一実施例では、キャビティ２′はほぼ環状形であり、かつ、軸線Ｂはこのキャビティと円筒対称性を有する軸線である。しかし、このキャビティに関して他の形状を選択することもできる。

この支持体２に、少なくとも２個の注入器を配置し、２個の注入器によるグループを形成する。

より一般的には、この支持体に配置するのは、注入器によるＮ個のグループＧｉ（Ｎ＞１だが、一般的にはＮ≦１５またはＮ≦２０）であり、各グループＧｉは少なくとも２個の注入器、より一般的にはｎｉ（ｎｉ≧２）個の注入器を有する。Ｎ個のグループにおける注入器はプラズマ流軸線に沿って配置する。これら注入器の配置は、以下により詳細に説明する。

図１Ａは、参照符号１ｂ，１ｄ，１ｂ′，１ｄ′で示した４つの液体注入器を線図的に示す。これらは、それぞれが２個の注入器を有する２個のグループＧ１およびＧ２に分けられる。この同一図面において、４個の他の注入器またはノズル１ａ，１ｃ，１ａ′，１ｃ′もこの区別をなし、これらノズルは、後述するように、蒸気の個別注入に使用し、それぞれ注入器１ｂ，１ｄ，１ｂ′，１ｄ′と各個に連携する。

液体注入器１ｂ，１ｄ，１ｂ′，１ｄ′は、プラズマプルーム３が形成されている領域に向かうよう指向し、プラズマの流れの方向Ｂ（この図面の矢印Ｂも参照）とは反対方向Ａ（図７，８，９，１０Ａ〜Ｃ，１４，１７の矢印Ａ参照）に沿う運動成分を持って液体を注入できるようにする。この場合、注入器は２個の、または２対のグループにして配置し、これら注入器の各対または出口オリフィス（処理すべき物質をプラズマに向けて噴出させるオリフィス）は、プラズマ流軸線または方向Ｂにほぼ直交する軸Ｉ−Ｉ′（図７参照）を形成し、各対における２個の注入器は、支持体２の周りにほぼ直径方向に対向させて配置し、かつ、プラズマ３が形成される領域に指向させる。

注入器のグループＧｉが３個の注入器（より一般的にはｎｉ個の注入器）を有する場合には、これらまたはそのオリフィスを、プラズマ流軸線に直交するある同一平面にほぼ配置する（図７において、この平面はＩ−Ｉ′線上であり、図の紙面および軸線Ｂに対して直交する）。この場合、好ましくは、それらは互いにほぼ１２０°（より一般的には３６０°／ｎｉ）の角度間隔で配置する。（例えば、注入支持体２の線図的な断面図である図２２を参照されたく、これはプラズマ流軸線Ｂに直交し、３個の注入器１ｂ，１ｂ′，１ｂ″を同一平面上で互いに１２０°の角度間隔で配置したグループを示す。）

プラズマ流軸線Ｂに関して、ある同一グループにおける注入器の注入出力における液体の投射軸線の角度、または、このグループにおける注入器（これらの注入器は、ｎｉ＝２の場合、プラズマ流軸線に対してほぼ直径方向に対向させて配置する。）の出力軸線の角度は、互いに（絶対値の点で）ほぼ等しい。

より複雑な構成を図９，１１，１７，１８に示し、この場合装置は注入器１ｂ，１ｂ′，１ｄ，１ｄ′，１ｆ，１ｆ′による３個の対またはグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３を有し、それらグループは軸線Ｂに沿って配置し、軸線Ｂに対して直交するが軸線上で３つの異なる位置に配置する。この場合もやはり、同一グループにおける注入器の投射軸線または出力軸線が形成する角度は、絶対値がほぼ等しい（これら注入器は、プラズマ流領域の周囲に位置し、このプラズマ流軸線に沿うある同一位置に存在する、すなわち、このプラズマ流軸線に直交する同一軸線上にほぼ位置する）。そのため、図１７において、軸線Ｂに対する各注入器１ｂ，１ｂ′（グループＧ１）の軸線角度はπ／２であり、軸線Ｂに対する各注入器１ｄ，１ｄ′（グループＧ２）の軸線角度はπ／４であり、軸Ｂに対する各注入器１ｆ，１ｆ′（グループＧ３）の軸線角度はπ／６である。

より一般的に、ある同一グループＧｉにおける注入器の個数ｎｉに関係なく、（これら注入器はそのためプラズマ流軸線方向Ｂに直交する同一平面上に配置する）
・この同一平面上に位置するこれら注入器の投射軸線または出力軸線によって形成される、プラズマ伝播軸線に対する角度は、互いに等しいまたはほぼ等しい、
・または、この同一グループおける注入器からプラズマ内に入る流れの入射方向によって形成される、プラズマ伝播軸線に対する角度は、互いに等しいまたはほぼ等しい。

実際上の理由で、図１７中の注入器はある同一平面（図の紙面）上に示されているが、好ましくは図１１に示すように、つまり、交互に互いに直交し、かつプラズマ流の方向に直交する軸線に沿って配置する。そのため図１１において、注入器の３個のグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３を示し、その全てにおいて、投射軸線とプラズマ流軸線との間の角度は９０°にほぼ等しく、このとき、注入器により形成される錐体の頂点における、プラズマ流軸線上での合流ポイントにおける角度はほぼ１８０°である。

図９，１７，１８に示した実施形態において、あるグループにおける注入器がプラズマプルーム３の基底３３から離れて位置するほど、このグループの注入器によって形成される、この軸線に対する入射角は小さくなる（図１７において、注入器１ｂ，１ｂ′のπ／２が、注入器１ｄ，１ｄ′ではπ／４に変わり、そして、プラズマの基底から最も離れて位置する注入器１ｆ，１ｆ′ではπ／６に変化する）。以下に説明するように、この構成によれば、プラズマ中の占有率を最適化するとともに、プラズマ飽和の危険性を減らすことができる。

そのため、注入器の個数に関係なく、ある同一グループにおける注入器は、それらの支持体２における位置決めおよび方向付けにより、（連続的な、または非連続的な）流れを合流させることができ、プラズマプルームの伝播軸線上で、各流れを他方の流れに対して傾斜させ、細分化することができる。

注入器のこの方向付けによって、流れが合流することに起因する運動量は、概してプラズマプルームの方向Ｂとは反対方向Ａに生ずる。これにより、変換すべき物質の滞留時間を増加し、プラズマプルームによる最適な２次細分化が保証される。物質は、物質をプラズマ伝播方向とは反対方向に駆動する運動量で、注入されるため、物質がプラズマによって駆動されるには、プラズマと同一方向に注入する場合と比較して、付加的な時間が必要になる。加えて、プラズマプルームが誘発する２次細分化は、プルームと変換すべき流体との相対速度の関数となる。すなわち、第１に液体の流れ、および第２にプラズマ流の逆向きの方向が、この相対速度を最適化する。

図５〜１０Ｃ，１３，１４，１７，１８で確認できるように、注入器は、プルームに（プルームのごく近傍にも）接触しない。そのため、コーキング化（注入器の温度に起因する現象）の危険性は最小限になり、それゆえ注入器の目詰まりの危険性もまた最小限になる。また、注入器を冷却する必要性も低くなり、そのため熱的収率が上昇し、比較的高速の液体流によって（後記の実施例参照）、場合によっては特定の冷却を回避できる温度限界を保証することができる。この冷却は、変換すべき送給物、および有利にはライン４１（図１Ｂ）の上流から到来するコークス化しない部分によって保証されうる。本発明では、プラズマプルーム３は、もはやプラズマプルームの輪郭に密に追随する壁に沿って導かれるものではなくなるという事実によって、熱伝達に対するこの有利な効果が強化される。キャビティ２′の壁および注入器の支持体２の壁は、プラズマプルームから比較的離れた位置にあり、プルームを閉じ込める役割を持っていないので、熱損失を制限することができ、エネルギー収率を増加させることができる。

一般的に、プラズマプルーム内への注入器の入力距離（目安として、プルームの直径の１０倍（それ以上）であり得る）によって、プルームに入る前の注入流の飛翔時間が保証され、プルームは注入流の加熱を完了し、また、随意に、（注入液体流内に残存することがある）軽い核種の断片を揮発させることができ、この揮発には変換すべきプラズマプルームの中心で得られる高温を必ずしも必要としない。このことにより、プルーム内における注入流の滞留時間を最適化でき、また、プラズマプルームは特別に変換しづらい核種の変換に用いることができる。

上記のように配置した注入器によれば、各流れで得られる運動量に関連して、液体供給物をプラズマプルーム３（または高密度高温熱流）に注入することができ、液体供給物はプラズマ流軸線まで完全にプラズマプルーム内に貫入することができ、注入流れはほぼこの軸線上で合流し、合流するとき流れは互いに傾斜してぶつかり合い、その結果細分化が進行する。このことにより図５に示した状況を回避することができ、図５の状況では、流れが部分的にプラズマプルームを通り抜けてしまい、かなりのスプレー状態で軸に到達するに過ぎず、また、流れがプラズマ内に進入しない状況（図６）も回避することができる。図６に示した場合には、液体流１０がプラズマ３の端縁と接触しただけで破砕する。図１７には、異なったグループの注入器からの流れが合流する３点Ａ１，Ａ２，Ａ３（３点ともプラズマ流軸線Ｂ上に位置する）を示す。

流れが衝突した直後（図７に示したように、細分化が最大となり、合流の直前までほぼ直交する合流で衝突する場合）、または、より減少した非直交の合流の場合（図８Ａ，８Ｂに示すような流れの場合であり、流れ１０，１０′がより小さい角度でプラズマ流軸線に到達し、図７に示した配置と比べて注入器がこの軸線上のより下流側に位置する場合）も含んで、ほぼプラズマ流軸線上で流れが合流した後、この細分化により、分散の最適化が可能となる。第１の場合（図７）には、主要な細分化が促進され、一方で、第２の場合では、プラズマプルーム３内での物質の滞留時間が増加し、変換すべき液体とプラズマプルーム３との交換表面積が増大する（液体は、各円筒形状部分１０，１０′からシート１３に変化する、図８参照）。

プラズマ流３により誘発されるせん断力を受けて細分化がされる前に、ある同一グループにおける注入器からの流れ１０，１０′、または、ある同一平面状に位置する注入器もしくはプラズマ流軸線に直交するある同一軸線上の注入器からの流れ１０，１０′の合流を達成することが好ましい。合流とは、流れ１０，１０′が細分化される前の衝突を意味しており、この合流の状況を図７に示し、図６は、流れがプラズマプルーム中に入らないことの問題を示す。図７，８Ａおよび８Ｂは、流れがプラズマプルームを部分的に横切る、または流れがプラズマプルームに進入しない危険性を克服する方法を示す。図８Ｂおよび１９は、２つの流れ１０，１０′の合流によって生ずる液体シート１３のより詳細な図を示す。

プラズマ流軸線上に位置する合流点または合流領域は、錐体（コーン）の頂点を形成し、その錐体の母線は、合流点または合流領域を、この合流点または合流領域で流れが合流する各注入器の、つまり、ある同一グループにおける注入器それぞれの出口オリフィスを結ぶ仮想線により形成される。錐体の頂点の半頂角は、各液体注入器の注入方向とプラズマ流とがなす角度、または、合流点における流れの入射方向とプラズマ流軸線と間における角度と等しい。

したがって、図１７において、注入器１ｄ、１ｄ′のグループは、これら２個の注入器による流れの合流点Ａ２と共に、頂点を正確に点Ａ２とする錐体を形成する。この点をこれら２個の注入器における各出口オリフィスと結ぶ直線Δ２，Δ２′のそれぞれが、対応する錐体（コーン）の母線を形成する。

同様に、この図１７において、注入器１ｆ、１ｆ′のグループは、これら２個の注入器における流れの合流点Ａ３と共に、頂点を正確に点Ａ３とする錐体を形成する。この点Ａ３をこれら２個の注入器の各出口オリフィスと結ぶ直線Δ３，Δ３′のそれぞれが、対応する錐体（コーン）の母線を形成する。

少なくとも２つの流れの合流、および随意的な液体シートの形成によって、交換表面積の最適化およびプラズマプルーム内での滞留時間の最適化が可能となる。

流れ同士の衝突、プラズマ流によるせん断効果、高温（プラズマの中心温度）、および、反応核種からの恩恵により、合流する流れはプラズマ内で直接霧化される。

流れの合流により問題を解決する、すなわち、運動量の最適化により液体をプラズマプルームの中心に導入することができる。流れに十分な運動量を与えることのみが事実上必要であり、その結果、プルーム内に進入することができるが、万が一最大限の運動量（実際上は、プルームの運動量に等しいオーダーの大きさ）を超えた場合にも、流れがプルームを通り抜けてしまう危険性がない。これにより、さらなる自由度と、二重の細分化（すなわち、プラズマによる［液体とプルームとの速度差による］細分化および衝突に起因する細分化）がもたらされるとともに、プラズマによる高温到達とプルーム内における液体滞留時間との間の両立が達成できる。

プラズマプルーム内に進入し、かつ細分化されない連続流れ１０の長さｈ（図５参照）は、
・第１に、（大きさのオーダーに関して）液体流１０の運動量とプラズマプルーム３の運動量との比（ｑで示される）平方根の関数であり、好ましくは、ｑは１より大きい、さらに好ましくは２より大きく、
・第２に、注入の角度（θで示され、これはプラズマ流軸線と流れの方向との間における角度である）の関数であり、
・しかし、さらに縮小距離（プルームに入る前の流れの長さｘと注入器により注入された流れの直径（ｄ）との比）の関数でもある。

流れの特性に依存して、細分化前の流れの長さを最大（ｈｍａｘ）にすることができる最適角（θ^＊）を見つけることができる。流体力学が熱的効果より優先している流れの状態において（プルーム内で細分化される前は、流れが液体であるという仮定で）、細分化しない流れの長さは、以下のタイプの式によって求めることができる。

この式において、ｘとｄは構造が決まれば固定される。

そのため、（注入器の出口がプロファイルを持たない場合のように、注入の角度が運動量に依存しない場合において）注入を最適化する上で２つの自由度（θとｄ）しかない。パラメータθの可変範囲は、パラメータｑより小さい。

注入器が多数あれば（注入器の区分またはグループあたり、図１Ａおよび１Ｂでは２個、図２２では３個だが、１個またはそれ以上の注入器グループにおいてより多い個数にすることもできる）、処理すべき送給物を飽和させることがないので、交換表面積を増大させて、プラズマプルームの体積をより有効に利用することができる。この目的のため、プラズマプルーム内における送給物の比率を一方で大きく減らすことなく密集を避けることができる最大のプルーム占有率または飽和率を保証する必要がある（さもないと、液体送給物１ｋｇの処理が非常にコスト高になる）。一般的に、以下のことが求められる。すなわち、
・プラズマプルーム３により供給されるパワーおよび送給物の変質エンタルピーを考慮して、許容最大量の送給物を注入すること、
・プルームを液体送給物で局部的に飽和する危険性を最小限にし、したがって、プルーム内の液体送給物の良好な分布を保証しようとすること、（プルームの体積中の液体送給物含有量をグレー陰影で示す図９を参照）である。
；そのため、流れの合流箇所（特に、プラズマの基底３３に最も近い第１の合流点、図１７，１８、後述の実施形態例参照）において、送給物の含有量は高く、そして、新たな注入の上流域では多かれ少なかれ変換するため、その含有量は減る傾向にある。分布の質が最適であることを予測できないが、アプリオリ（演繹的／論理的）にアプローチし（この点について後述の実施形態例を参照）、またポステリオリ（帰納的／経験的）に調整することができ、この場合、適切な診断、例えば図１に示す手段５および手段６により注入の質を制御することによって調整することができる。

飽和レート（率）は、プルームのタイプおよび処理すべき送給物の物理化学的特性（揮発性、表面張力等々）によって変化しうる。目安として、１％未満の局部的な送給物の含有量（液体を取り囲むプルーム領域の初期の容積に対する、この液体の体積（ある実施形態の例ではδＶｉで定義される））が、プルームが飽和するリスクを防護することができる（ただし、液体の占める体積とその液体が蒸発する場合に蒸気の占める体積との間に、少なくとも１０００倍の差があるということも考慮する）。

プラズマが密集する危険性を最小限にするために、以下の構成を適用することができる。
・注入器のグループをプラズマプルームの長手方向における異なったポイント毎に分布させる（図９，１０Ａ〜Ｃ，１７，１８の構造を参照）、および／または、注入の入射軸線または入射角を異ならせる（すべての注入器グループの注入器が、グループ毎に異なった入射角を有していることを示す同図を参照）、
・および／または、液体流を脈動的なパルス列として注入し、この場合注入器の区分またはグループ間で（脈動的パルス列注入のための）潜在的に位相をシフトさせて、プラズマ（または変換を可能にする熱ガス流）に送給物の含有量を配給する。この状況を、図１０Ａ〜１０Ｃに示し、２個の注入器１ｂ、１ｂ′しか示さないが、まず、それぞれが１回の物質流れを放出し、この物質３′は初期的に、プラズマ３のフロント領域に位置する（図１０Ａ参照）。つぎに、注入器がもはや物質を放出しない間、物質３′はプラズマ流の方向に駆動される（図１０Ｂ参照）。注入器それぞれが物質３″の新たな流れを放出すると、これは初期的にプラズマの上流領域に位置し、この上流領域は、最初の流れによって注入された物質３′がその時点でとる領域の上流域である（図１０Ｃ参照）。液体注入パルスの終わりと次のパルスの初めとを隔てる時間間隔は、好ましくは、少なくともプラズマの初期容積の置換時間である。言い換えると、プラズマ内における注入領域の十分な更新を可能とする液体の容積を、プラズマ内に注入し、新しい注入パルスを可能にすることが求められる。

これにより、異なる区分またはグループ間で注入器を交互に動作させることが可能となり、ガス流の流速は、（プラズマプルームの場合に）一般的に極めて高くなる。

他の実施形態（上述の実施形態と組み合わせることもできる）によれば、蒸気を注入する手段を設けることができ、図１Ａ，１３，１４に示すように、蒸気の注入器またはノズル１ｄ，１ｄ′を、液体送給物の注入器１ｂ，１ｂ′の注入方向１０，１０′に対して角度Ψをなす方向に蒸気流１００，１００′を注入するようそれぞれ配置する。この蒸気の注入により、液体流とプラズマプルームとの結果的な注入角にさらなる自由度がもたらされる。図１３，１４からよりよく分かるように、蒸気流の運動量と変換すべき液体送給物の流れの運動量との比によって程度の差はあるものの、蒸気１００，１００′は液体の当初の経路を方向転換する。この場合、プラズマ流軸線Ｂ上に位置する合流点または合流領域Ａ０は、錐体（コーン）の頂点を形成し、この錐体の母線は、この合流点に入射する液体の方向Ｄ１およびＤ２で形成される。

注入したガスは、有利には、変換すべき液体の容易に（例えば、８０〜１５０℃の間程度の温度で）蒸発することが可能な部分である（例えば、気化または変換するために必ずしも予めプラズマ中に注入する必要のない部分）。この部分は生来、（軽い成分で構成されるため）コークス化現象を起こしにくい。この蒸発可能な部分を蒸気の状態で注入するため、事前の偏析を行うことができ、これにより、ほとんど蒸発させることができず、比較的変換しにくく、それゆえプラズマ処理が必要な、変換すべき液体の有機物の部分を、一般的に比較的変換しやすい、蒸発可能な水相部分から分離する。該偏析を行う手段を、送給物調製手段と共に、さらに説明する。

この蒸発可能な水相部分の量は、追加の水を注入することによっても随意に調節することもでき、これにより、特にバイオオイルの特定組成のために酸素および水素が欠乏した場合に、バイオオイルの完全なに気化を保証することができる。

目安として、（ＣＨ_１．９Ｏ_０．７）タイプの平均的な実験式のバイオオイルを、以下の式によって十分に気化するには、バイオオイル１モル当たり０．３モルに等しい水量が必要となる。
ＣＨ_１．９Ｏ_０．７＋０．３Ｈ_２Ｏ → １．２５Ｈ_２＋ＣＯ （反応１）

この反応において、水分量が不足する場合でも反応は進行するが、平衡を欠いた反応であり、すすが形成する。

上述のような分割注入（蒸発可能な部分は蒸気の状態で、蒸発しない部分は液体の状態で、プラズマ内に注入すること）により、水分量の調節のみならず、最も変換しにくい送給物がプラズマ領域の中心を占有することも確保でき、この送給物の完全な構造分解と、変換するのにあまり高温を必要としない他の化合物によって希釈される恐れをできるだけ少なくする。すなわち、プラズマ内で変換すべき物質のみプラズマ内に注入し、プラズマの外部で蒸発可能な部分は、有利にも、別途に利用される。

また、液体流の入射角を変化させる効果および化学量論的組成を調節する効果に加えて、水蒸気を注入することにより、随意に、プラズマに入る前に液体送給物の予加熱が可能となる。プルーム３からの出力としてのすす（液体送給物の不十分な気化に起因する固相）の存在を最小限にすることも可能となる。プラズマプルーム３の運動量と比較して、水蒸気はプラズマプルームに進入するのに十分な運動量を事実上有していないため、水蒸気は図１４に示すように再循環し、その運動はプラズマプルーム３によって引き起こされ、プラズマプルームの境界面において多くの水分を含んだ蒸気の層１１，１１′を形成する。符号１１０，１１０′は、蒸気の注入後に、プラズマの片側に滞留する循環蒸気の雲（クラウド）を示し、これはその後層１１，１１′を形成する。すすは、極めて急速な（１／１０００秒の形成速度で）成長および団塊化の現象を形成する。このため、興味深いことに、水蒸気の多いこれら層１１，１１′の領域によってプラズマプルームを遮蔽し、ガス化に関して不利なサイズ（１ミクロンを超える場合がある）に達した後にはガス化が困難になる、このすすの形成を制限する。

すすの形成を最小限にするために、トーチに向かってプラズマ状ガスの組成物に作用することもできる。プラズマ状ガスの組成物は、プラズマ形成電極（図１Ａ参照）内への注入ポイントで制御することができる。

液体注入器１ｂ，１ｂ′，１ｄ，１ｄ′には、例えばオリフィス１２の最大径または最大サイズΦを有する輪郭（プロファイル）形成した（profiled）出口を設けることができ、注入すべき液体内に微粒子が存在することによる過度の目詰まりを防ぐのみならず、出口端部におけるプラズマプルーム内への流れの十分な分配をも保証する。その注入器は線図的に図２Ａおよび２Ｂに、例示として、正面図および断面図を示す。オリフィス１２は、注入器の延長軸線ＤＤ′で規定される方向に関して対称ではない。このオリフィスは、液体を軸線ＤＤ′の片側に向かって指向、または転向させる。

これら輪郭形成部材によれば、出口の上流に加わる流体圧にもよるが、随意に、限界範囲δα内で与えられる可変の入射角α＋δαとすることができ、図３Ａおよび３Ｂに示すように、その限界は、輪郭形成部材および流れによって規定される。これらの図では、第１の運動量ｑ１に対応する第１の圧力によって、αに等しい入射角を得ることができ（図３Ａ参照）、一方で、ｑ１より大きい第２の運動量ｑ２に対応する第２の圧力によって、α＋δαに等しい入射角を得ることができる（図３Ｂ参照）。そのため、この輪郭形成部材によれば、単に圧力を用いるだけで、主要な温度かつ封止上の制約がある方法には実施しにくい可動部材に頼ることなく、変換すべき液体の入射角を調整することができる。

図４に示すように、これら出口の内壁もまた、らせん状溝１２０を設けることもでき、これにより流体に対して回転運動の運動量パルスを付与することができ、その結果、プラズマプルーム３の内部における液体の細分化を増大することができる。この選択肢によれば、連続的または非連続的な流れを注入することが可能となる。

他の実施例によれば、注入器は、上述のようなタイプ、または直線状の出口であっても、注入器に圧電素子を設けて、その結果注入器を振動させて、液体を細分化するようにすることができる。この選択肢によれば、非連続的な流れの列を注入することができる。より一般的には、細分化は、プラズマトーチ内の電気アークの運動によるプラズマプルームの脈動的パルス化と、変換すべき液体流の脈動的パルス化の圧力との適切な位相整合に頼ることよって促進されうる。

変換すべき送給物を加圧する手段は、図１に参照符号４ｇ，４ｇ′で示すが、注入すべき液体の注入速度（量）、およびそれゆえ運動量を保証する。以下に説明するこれらの手段によって、圧力調整ができ、これら手段は、例えばマイクロプロセッサ型の手段７ａ（図１Ｂ）で駆動する。

一般に、細分化前の占有率および流れの長さに加えて、注入を最適化するために、以下の要素を特に考慮することができる。
・流れが他の流れと合流するまでの移動時間（この時間は、プルームへの注入前の飛翔時間と、プルーム内部での移動時間とに分かれる。）この時間によって、随意に、液体の温度が上昇し、それにより引き起こされる粘度の低下によって、流れの衝突時に細分化が増加する。
・流れが液滴に分裂する時間、
・流れの衝突後、細分化によって生じる液滴がプラズマプルームの流速と平衡状態に達するまでの時間（平衡状態の液滴は、事実上せん断応力による細分化をさらに受けることはない）、
・液滴の蒸発時間（少なくとも蒸発可能な部分の）、
・プラズマプルーム内での液体の滞留時間（衝突前における飛翔時間は計測しない）。

以下の表１では、これら時間は必ずしも、送給物の変換に関して寄与が等価である現象と対応しないということを踏まえて、これら時間の各桁（オーダー）を示す。化学変換時間はプラズマ媒体において未知であるため、値を示していない。

本発明では液体送給物の注入を最適化することによって、物理的現象（特に細分化および蒸発）を最適化することができる。

液体送給物の変換に最も重要なパラメータは、細分化時間、液滴蒸発の特性時間、および（衝突後の）滞留時間である。

液滴が平衡状態になるまでの時間は、他の現象に比べて比較的長いが、この平衡状態は、必ずしも求める必要があるわけではない。（流体力学的平衡に置くことのみによって、プルームの潜在的なせん断力が消費され、この平衡状態に達するとすぐに、プラズマと液体との相対速度がゼロになる。）

衝突前のプルーム内での飛翔時間は、衝突後の滞留時間に比べて無視することはできない。

この分析は以下のことを示している。すなわち、できるだけプラズマ流の上流側で、かつできるだけプラズマ流の対称的な長手方向軸線（軸線Ｂ）に沿って液体を細分化する（プルームを飽和させることなく）ことが好ましく、この手法によって、プラズマプルーム内での微小液滴の滞留時間を最大化することができる。

注入器のための支持体２を形成する手段または装置によって、注入器を適切な位置に配置し、保持することができる。これらの手段を、トーチに結合する。

注入器の支持体は、Ｎ（Ｎ＞１）個のグループＧi（i＝１，…Ｎ）を収容する収容手段を有し、各グループはすでに説明したよう位置決めしたｎｉ（ｎi≧２）個の注入器を有する。２つの異なる注入器のグループＧｉとＧｊ（i≠ｊ）は、互いに異なる個数ｎｉとｎｊの注入器を有することができる。注入器の支持体はプラズマプルームを包囲するので、リング状であり、区域（２ａ，２ｂ，２ｃ）に分割され、その結果、図１１に説明した場合に見られるように、異なる注入平面相互間のおける角度に関する自由度を得ることができ、これら平面は互いに交互に直交する（２個の注入器を有する１グループが、これら注入器から生じる２つの流れの合流点と共に、１つの平面（注入平面）を形成する）。図１１において、注入器の各グループは２個の注入器を有する。これら２個の注入器も、プラズマ流軸線Ｂに直交し、合流点を含む平面に対しても直交する軸線を規定する。

特に温度および注入角に関しては、最適化した条件で、注入器を作動させるために、支持体が、注入すべき液体の温度を維持して、特に、液体の粘度を制御し、また予加熱を完了させることを可能とし、その予加熱は、以下に説明するように、随意の送給物調製工程中に上流側で行うことができる。液体は注入前に変換温度付近の温度にするので、プラズマプルームの中心における滞留時間を最適化し、この理由としては、プラズマプルームが液体を加熱するのに用いされるのみならず、細分化後の液体の変換にも用いられるからである。

支持体および／または注入器の材料は、任意の耐火性材料とするとともに、注入すべき液体を予加熱できる十分な熱伝達を可能にし、しかも注入器の支持体にとっては高すぎる温度となる表面温度、または注入すべき送給物がコークス化する危険性を誘発することがないものとする。

図１２に示すように、熱流の大幅な増加が、主要な対流交換にとって有利な、プラズマプルーム３が途切れる領域で、注入器の支持体２のレベルで期待されることが分かる。この図において、参照符号２ａ，２ｂ，２ｃは注入器の支持体２の３区域を示す。これら３つの区域は、トーチの運転中には、プラズマプルーム３の周りに配置される。区域２ｃは、プラズマプルーム３の終端部に対応するが、これは図１２の上側部分に示すように、熱交換係数が最大となる区域である。

したがって、注入器の支持体２の一部を使用して、プラズマプルーム３から生じる熱の一部を回収することができる。つぎに、この回収した熱は、注入器を通過する液体に伝達することができる。これらの予加熱によって、液体の粘度を減少させることができ、そのため、液体はより流動体となり、プラズマ内でより良く細分化される。随意に、熱交換係数のピークが高すぎるという熱的制約がある場合には、区域２ｃをプラズマ流の下流側に移動することができる。

出口の輪郭形成部分に基づいて、また、すでに説明した蒸気注入に関連して、適用された運動量に関する注入角の適度な調整が可能となることを思い起こされたい。

図１Ａの装置は、様々な追加の周辺手段を有することができる。これら手段は、図１Ｂに線図的に示す。

手段４は、例えば、液体送給物を調製し、加圧し、プラズマプルーム３内に注入器によって注入すべき液体の温度を上昇させるために設ける。

随意に、手段５，５ａ，５ｂを設けて、注入の質の検査を実施する。

手段６を使用して、注入器のアレイに関連するプラズマトーチの脈動的パルス発生をモニタすることができる。

データ処理手段７ａ，７ｂは、例えば、再調整手段５，５ｂ，６から供給されるデータなど、このシステムで行われる様々な測定に対応するデータを扱うものであり、送給物の組成および／またはプラズマ動作条件を再調整が必要な場合に使用することができる。例えば、これら手段を使用して、プラズマプルーム３のパルス間隔と注入パルス間隔との位相ずれなどを調整することができる。

一実施形態の例によれば、送給物調製手段４（高い温度および圧力下に配置する）は、例えば以下の構成を有することができる。
・未処理の液体送給物用のバッファ貯蔵タンク４ａ
・水タンク４ｂ（この水は、排水処理からの有機残渣を含んだ水でもよい）
・偏析タンクまたは水分含有量調整タンク４ｃ（この結果、変換反応は化学量論的観点から完全となり得る。）

随意に、沈殿槽４ｄを使用して、偏析が可能な場合に、未処理の液体の偏析から派生する相を大まかに分離する。

偏析現象（バイオオイル、例えば他の特定の炭化水素に関して状態図が存在する。図１５参照。）は、多くのプロセスにおいて比較的有害であるが、本発明においては、この偏析現象を有効に使用して、大きな余分なコストをかけることなく、変換しにくい重い有機化合物を変換しやすい軽い相から分離することができる。分離した後、重い相は、プラズマトーチの出口で（図１７，１８で見て、基底３３にできるだけ近接させて）プラズマプルームの中心に有利に注入することができ、細分化を最適にする領域から最も恩恵を受けることができるとともに、軽い相（理論的には変換し易い）は、プラズマプルームの尾端部に注入することができ、または、（図１３におけるノズル１ａ，１ａ′のような）蒸気注入ノズルにおいて蒸気として注入することができ、さらに、変換すべき液体送給物の注入角に関して自由度を付加的に増大させることもできる。

フィルタ（図示の実施形態では２個）または（例えば遠心型の）分離手段４ｌ、４ｌ′を使用して、沈殿槽から得られる層をより高精度に分離することができる。

ポンプ４ｋを使用して、デキャンタ手段としての沈殿槽４ｄにおける望ましくない相（例えば、水相の調製領域における有機相）を再循環させることができる。

手段４ｈを使用して、偏析タンク４ｃからの出力における水分含有量を測定することができる。偏析現象を制御するため、（例えばカール・フィッシャー型の測定法を用いて）水分含有量の測定を行う。

また、バッファ容積４ｃ内で有機液体送給物が位置するポイントの上流における手段４ｉを使用して初期の組成物を測定することによって、変換すべき送給物における炭素、酸素および水素の含有量を決定することができる。

そして、（例えば上記で説明した反応１のような）完全なガス化を保証するのに必要な、追加すべき水分量を知ることができる。

加圧ガス（例えば、窒素、二酸化炭素、メタンまたは水蒸気）を供給する手段４ｅを、注入ラインに位置するバッファ槽４ｆの上方に設けることができ、この手段により、必要であればこのガスを液体送給物中に溶解させることができる。

このガスは、注入器からの出力において脱着し始めて、媒体（特に酸化核種）の組成物の調整が可能となる。（広範な温度および圧力勾配による）反応器の中心における、かつ、より特別にはプラズマプルームの、速やかな脱着を伴う、ガスのこの溶解によって、所望の細分化現象が促進される。変換すべき液体内でガス滴の形成を導くことができ、これらのガス滴が温度効果の下で微細破裂すると、注入された液体が局部的に細分化する傾向がある。

溶解すべきガスは、（ベクターガスを用いる霧化に比べると、）変換すべき液体に対する質量が少ない。変換すべき液体の細分化を導くだけでなく、付加的な反応物をこの変換のために供給することができる。

変換すべき送給物を加圧する手段４ｇ，４ｇ′は、注入速度、および、それ故その運動量を確保することができる。これらの手段により、圧力調整を行い、プラズマプルーム流に適用する周期性および信号（例えば、時間の関数としての正弦曲線的な圧力）のように、連続的または可変の圧力に維持することができる。特に、例えばオシロスコープ６ａからも明らかなように、注入圧力を、プラズマプルームの変動に適合するよう周期変化させることができる。これらの手段４ｇ，４ｇ′を、マイクロプロセッサ７ａにより駆動する。

分割した固体および界面活性剤を分配するシステム４ｊにより、随意に、スラリータイプの送給物のその場の調合が可能となる。

熱交換器４ｍを随意に使用して、水相を注入する前に蒸発させることができ、それは、上述したように、例えば図１Ａのノズル１ａ，１ａ′，１ｃ，１ｃ′を介して個別に注入すべき蒸気相を形成するためである。この水相を加熱するために、反応器冷却システムからの熱、およびプラズマトーチの電極からの熱を回収することができる。

手段４ｐ、４ｏを使用して、偏析用沈殿槽４ｄのレベルに位置する相の密度を測定することによって、適切な分離（沈殿による）を制御することができる。

手段４i，４ｈ，４ｏ，４ｐは、プロセッサ型の手段７ａに測定値を供給し、注入すべき液体の調製を管理する。

液体層および随意に分離蒸気相を注入するためにそれぞれ用いる導管４０，４１は、例えば加熱器ストリップ、または、トーチ３の出力で収集し、導管の周りの二重ジャケットに注入する熱ガスを用いて、加熱することができる。

本発明による装置は、注入の質を調査する手段５を設けることができる。

これら手段の一例としては、光学的診断アセンブリ５ａがあり、図１６により詳細に示すような１個以上の観察窓５１，５３を介しての画像診断により、細分化の質を診断することができる。

この光学的診断アセンブリは、プルーム内における液体送給物の液滴の位置もしくは動きを照らし、かつ、可視化するために、例えば高解像度カメラ５ｂおよびパルスレーザ５ｂ′を設けることができる。随意に、カメラ５ａに付随し、プラズマガスのタイプに適合するフィルタ系５５を使用して、プラズマ自体の放射率を克服し、レーザビームに照射された液滴を識別することができる。スキャンしている中性ガス（図１６における窒素）により、観察窓５１にすすが堆積するのを回避することができる。

これら手段の第２の例としては、診断アセンブリ５ｃがあり、反応器の出力において、（または、反応器内部でガスの滞留時間が長すぎる場合、反応器内部の異なるポイントにおいて、）恒常的なガス組成を観測する。これらの測定で得たデータから、（例えば、プルーム内部の変換率や細分化のレベルを観測することによって、）注入実行レベルに関して、大きさの第１次のオーダーを推定できる。

並行して、この測定をＰＩＤ型の測定（１０．６ｅＶに近いエネルギーのＵＶランプを用いた、光イオン化検出）と結びつけることができ、タールおよびバイオオイルの含有量の生産ライン見積もり、または、十分に変換されない有機送給物の生産ライン見積もりを与える、冷却ガスのガス材料によって混乱されないようにする。これら装置には、核種変換の反応速度を凍結させるための熱的鎮静およびフィルタ系（普通のものであり、図示しない）を先行して設け、例えばガス相クロマトグラフ５ｃやＰＩＤを通じて解析すべき流れが通過する前に、ガス流の冷却が可能となり、および、想定されるすすの痕跡を除去することができる。

診断手段の結果に関連して、プロセッサ手段７ａは、自身の調整系を組み込むことができ、注入の駆動素子および送給物調製系（注入角、運動量、水分含有量等々）を作動させ、これらのパラメータを適合させる。

さらに、変換すべき液体送給物の注入を、プラズマプルームの想定される変更、特にトーチの脈動的パルス発生における変化に適合させる手段を設けることができる。

非転移性のアークプラズマトーチのプルームは、特に、トーチ先端の内部における電気アークの破断および再衝突の時点で、生じた不安定さによる、パルスの影響を実際に受けやすい。これらの（特に温度における）変化は、比較的周期的で、かつ、図２１に示される電極３０，３１の端子における電圧を連続的に記録することにより、間接的に測定できる。トーチのプルームパルスの周期性は、所定のトーチおよび所定の作動条件により比較的一定のものであるため、注入を実時間におけるこれらのパルスに適合させることは必ずしも有効ではない（そして、いずれにしても、パルス周波数のため場合によっては不可能である）。しかしながら、周期性をドリフトさせず、パルスを液体流の注入（これがパルス状であれば）と好適に同期させるように制御することはでき、それらは特に以下のような目的、すなわち、
・変換すべき送給物とともにプラズマプルームを密集させる危険性を制限する、
・所定期間において、想定される最高の効率を有し、（それゆえに最も高温の）プラズマプルームからの恩恵を享受する
ことにある。

万一、周期性に何らかのドリフトが確認された場合（図１Ｂの高速取得オシロスコープ６により測定できる）、注入パラメータを選択された周期性に調整することができる。

そうするためには、要求された注入とプラズマプルームのパルスとの間における周期性および相のパラメータを定期的に比較する診断システムもプロセッサ７ａに接続する。

本発明による装置の機能を以下に説明する。

プラズマトーチはプラズマプルーム３を生成し、プラズマプルーム内に液体注入器により、変換すべき送給物を注入する。

送給物調製手段は、注入器に適合する送給物を供給する。

注入の質を診断する手段は、流れの細分化を確認し、恒常的なガス組成を観測することができる。

また、制御手段により、トーチパルスの観測が可能となる。

診断手段、制御手段および送給物調製手段は、収集した情報をデータ処理手段７ａ，７ｂに送信する。

つぎに、これらデータ処理手段は、収集した情報に関して送給物の組成を適合化するように、送給物調製手段に指示することができる。

データ処理手段は、プラズマパルスに関して注入器のパルスを制御することもでき、例えば、注入器のパルスをプラズマパルスに再調整することもできる。

本発明による注入システムの実施形態の一例を、ここで説明する。

この例は、プラズマプルーム内へのバイオオイルの最適な注入により、バイオオイルの最適化した変換を行うために、電力が２ＭＷの非転移アークのプラズマトーチを用いる。

以下の運転データを選択する。
・トーチノズルの直径：６０ｍｍ
・プラズマプルームの長さ：３００ｍｍ（計算を簡単にするため、プルームの温度および速度は、この領域内で一定であると仮定する）
・プルーム形状：円錐形
・プルーム温度：７，０００Ｋ
・プルーム密度：３．４９×１０^−２ｋｇ／ｍ^３
・バイオオイル密度：１，２００ｋｇ／ｍ^３
・プラズマプルームの温度収率：９０％
・変換すべき液体送給物の変態エンタルピー：１１ＭＪ／ｋｇ（送給物のＣ_ＸＨ_ＹＯ_Ｚ組成物は、追加の水の注入を要しない理想のものであると仮定する。）

これらのデータの観点から、処理システムの最大容量（Ｑｍａｘ）は、６００ｋｇ／ｈに近似する。６個の注入器とする合理的な個数は、プルーム内で、図１１に示すように注入器の軸線を交互にするこの分布を確実にするよう選択できる。図１７において、注入器が同一平面（図の平面）に位置する構成には、注入器の位置および注入角の異なる意味が与えられる。特に、
・ＲとＬは、それぞれ、プラズマ流軸線から測定したプラズマの基底における半径、およびプラズマプルームの基底からの長さである。
・ｒｉは、プラズマ流軸線上で測定される、流れの合流時における、細分化領域または液体シートの長さを示す。
・プラズマ流軸線上における、２つの流れの各合流領域は、ｘｉで示す。
・Ｈｉは、プラズマ流軸線に直交する軸線上にあり、かつ流れの各合流点を通過する流れ軸線にそれぞれ直交する図面の平面におけるプラズマプルームを三角形で模式化したときの長い方の側辺との交点位置を示す。
・x′i（それぞれＨ′ｉ）は、プラズマプルームを三角形で模式化したときの最も近接した側辺との各流れの交点を垂直投影したプラズマ流軸線に沿う位置（それぞれ、この流れの軸線に直交する軸線上、かつ図面の紙面上に位置する位置）を示す。

図１７，１８において、（プラズマプルームを三角形で模式化して示し）以下の式が成り立つ。

特別なふらつきもなく、２つの流れの合流によって、得るべき液体シートの形成が可能となり、その液体シートの長さは、特に、流れの入射角に依存する。一般に比er/(F/2)²を図１９に示されるような角度βの関数として見積もることができ、ここで、Φは、対応する注入器の注入直径である。

流れの入射角θの関数としてｒ（流れ１０，１０′の合流点とシートの周縁におけるポイントＲとの距離）の最大値を推定し、シート１３の厚さｅを合流する液体流１０，１０’′半径よりも小さいオーダーにすることによって、流れの合流の結果生じるシートの長さの最大値を（実際には、プラズマプルームはこれら液体シートの発達を減少させる傾向があるという事実により）、第１次近似として得ることができる。

図１８に示すように規定した初期容積δＶｉを、液体送給物（τi）が注入点を取り囲む初期容積と定義できる。

配置点ｘｉを取り囲む初期容積をδＶｉとすると、この初期容積の値は以下の式で表現できる。
dVi = 1/3. p . [ri + (xi’ - xi)]. (Hi’² + Hi’. Hi + Hi²).

ｑiを、プラズマプルームの運動量に対する注入器iの流れにおける運動量の比とし、Ｑiを、注入器iからの液体の流速とすると、以下の規則が成り立つ。すなわち、
ｘｉが増加すると、
・θiおよびΦiはともに減少するが、それぞれこの方法を実施するためのパラメータのままである。
・Ｑiもまた、この方法を実施するためのパラメータであり、減少するが、
ΣＱi＜Ｑｍａｘである。
・τiは減少傾向になるものの可変であり、１％未満のままである。
・ｑiもまた、この方法を実施するためのパラメータであり、１より大きい値に選択され、液体によるプルームからの導入を確かにする。

配置のこの規則に従うことにより、好ましい実施形態の例を表３に示し、操作の間、実行パラメータθi，Ｑiおよびｑiを用いて、ε（液体物質による２つの占有領域間の距離、図１８参照）を最小限にし、τｌの値（注入の質に関する診断データを考慮して）を調節する構成である。

より一般的には、この例以外には、選択された構成に関わらず、（そのため、注入器のグループの個数と注入器グループ毎の注入器の個数にかかわらず、）有利には、２個のグループの注入器であり、第１グループは第２グループよりプラズマの基底３３に近く、第１グループはτ１，θ１，Φ１，ｑ１およびＱ１のパラメータを有し、第２グループはτ２，θ２，Φ２，ｑ２およびＱ２のパラメータを有し、以下の関係が求められる。
−θ１＞θ２、かつ、Φ１＞Φ２
−Ｑ１＞Ｑ２、しかし、ΣＱi＜Ｑｍａｘである（Ｑｍａｘは、（プラズマプルーム内で得られる熱出力と送給物の変態エンタルピー［質量ユニットあたりの送給物を変換するのに必要なエネルギー］とに関連して規定される）総流量であり、τ１およびτ２は１％未満である）。
−ｑ１およびｑ２はともに１より大きい値である。

一般に、本発明を構成する装置により、送給物の可能な最適変換を保証するために、以下のパラメータ間の最適なバランスを見出すことができる。
・変換すべき液体の最適化した細分粒度であり、これにより、液体とプラズマプルームとの間における交換表面積の最適化が可能となる。
・できるだけ長い、プルーム内での送給物の滞留時間
・プラズマプルーム内における最高温度の最大限利用
・プラズマプルーム内における活性核種量の最大限利用
送給物の変換は、それ自体、上記のパラメータの増加関数であることを踏まえると、
（変換＝ｆ（ｔ，Ｓ_{媒体／反応物交換}，Ｔ°，組成物））
となる。

本発明は、バイオオイルのような液体、又は、廃水処理施設からのスラッジ（汚泥）、又は、スラリー（例えば固体の粉末化により生じる粒子）の変換に適用でき、これらの粒子はプラズマトーチ内への注入のために液体と混合する。

本発明は、バイオオイル型の液体の注入および／または変換にも適用でき、より一般的には、潜在的に微粒子を含む液体に適用でき、さらに一般的には、物理化学的特性（特に粘性）の理由で比較的霧化することが難しい液体に適用できる。

バイオオイルをガス化する方法により、合成動力燃料の生産に適用できるガスを得ることができる。

冒頭ですでに説明したように、バイオオイルは熱化学プロセス（温度Ｔが約５００℃）である急速熱分解によって得られ、この熱分解は、バイオマスを酸素のない環境下で急速に加熱する。熱の影響で、バイオマスは化学変化し、恒常的なガス、凝縮可能な蒸気、エアロゾルおよび炭素残留物を形成する。揮発性化合物とエアロゾルを冷却し、凝縮した後、典型的には茶褐色の液体が得られ、これがバイオオイルである。そして、これをプラズマトーチ中に注入することによってガス化され、本発明によれば、タールの存在を制限し、または、回避することができる（限界値が０．１ｍｇ／Ｎｍ^３以下）。

本発明は、プラズマプルーム、または炎、または比較的高温の熱流体の使用を必要とするプロセスであって、送給物をこのプルーム（またはこの炎、またはこの熱流体、または大きな運動量の発生とともに）と混合するのが容易でない大きな運動量を発生するプロセスにも有利に適用することができる。

本発明のシステムによれば、変換すべき液体の密度変動を許容できる。他のシステムであれば、液体の密度に変化があった場合、調整が必須となり面倒である。

Claims (25)

1. 液体物質による液体送給物をプラズマトーチ内に注入するための装置であって、
   プラズマ流領域（３）の周囲に配列した注入器を有するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループＧi（i＝１，…Ｎ）を備え、
   各注入器グループＧｉは少なくともｎｉ（ｎi≧２）個の注入器（１ｂ，１ｂ′，１ｄ，１ｄ′，１ｆ，１ｆ′）を有し、これら注入器の配置は、各注入器が前記液体物質の液体流を前記プラズマ内に、少なくとも部分的に前記プラズマの流れの方向とは反対方向（１０，１０′）に注入するように行い、
   １つの同一注入器グループＧｉにおけるｎｉ個の注入器を、互いに３６０°／ｎｉの角度差をもって前記プラズマ流領域の周囲に配置し、
   これにより、前記液体流を前記プラズマ内に注入するｎｉ個の注入器が、それぞれ、頂点がほぼ前記プラズマ流に存在する錐体の母線を形成する構成とした
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記プラズマ流の軸線に対する前記注入器の投射軸線の入射角が、前記プラズマ流領域であるプラズマプルーム（３）の基底（３３）から離れて位置する注入器ほど小さくなるよう配置した、装置。
3. 請求項１または２に記載の装置であって、
   少なくとも１個の注入器は、注入される前記液体を細分化する圧電手段を有する構成とした、装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置であって、
   少なくとも１個の注入器は、内面らせん溝（１２０）を有する構成とした、装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
   少なくとも一部の注入器に、液体流を脈動的なパルス列として注入する手段を備えた、装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置であって、
   少なくとも一部の注入器は、それぞれ前記液体流と同時に蒸気流を注入する蒸気注入ノズル（１ａ，１ａ′，１ｃ，１ｃ′）を有する構成とした、装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
   変換すべき前記液体送給物を加圧する手段（４ｇ，４ｇ′）を備えた、装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
   第１に変換すべき前記液体の重い有機化合物を、第２にこの同一液体の軽い相を分離する手段を備えた、装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
   注入する前に水相を蒸発させる手段（４ｍ′）を備えた、装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置であって、
    変換すべき前記液体送給物の注入の質を、制御し、かつ、随意的に前記プラズマプルームにおける変化に適合させる光学的手段を備えた、装置。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の装置であって、さらに、
    変換すべき前記液体送給物の注入を、前記プラズマプルームにおける変化に適合させる手段（６，７）を備えた、装置。
12. 液体物質による液体送給物をプラズマトーチ内に注入する方法であって、
    前記液体物質を、プラズマ流領域（３）の周囲に配列した注入器を有するＮ（Ｎ＞１）個の注入器グループＧi（i＝１，…Ｎ）の注入器によって注入し、
    各注入器グループは少なくともｎｉ（ｎi≧２）個の注入器（１ｂ，１ｂ′，１ｄ，１ｄ′，１ｆ，１ｆ′）を有し、これら注入器の配置は、各注入器が前記液体物質の液体流を前記プラズマ内に、少なくとも部分的に前記プラズマの流れの方向（Ｂ）とは反対方向（Ａ）に注入するように行い、
    １つの同一注入器グループにおけるｎｉ個の注入器を、互いに３６０°／ｎｉの角度差をもって前記プラズマ流領域の周囲に配置し、
    これにより、前記液体流を前記プラズマ内に注入するｎｉ個の注入器が、それぞれ、頂点がほぼ前記プラズマ流に存在する錐体の母線を形成する構成とした
    ことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記液体を、バイオオイルまたは廃水処理施設からのスラッジまたはスラリーとした、方法。
14. 請求項１２または１３に記載の方法であって、
    前記プラズマによって生じた熱の一部を、前記注入器の支持体によって回収し、熱伝導により前記注入器を通過する液体に伝熱する、方法。
15. 請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法であって、
    少なくとも一部の注入器に対して、液体流を脈動的なパルス列として注入する、方法。
16. 請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記液体流の少なくとも一部に、前記液体流と共に蒸気流を同時に注入する、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記液体を、予め、前記プラズマの平均温度より低い温度で蒸発可能な第１部分と、前記プラズマに液状で注入される第２部分とに分離する、方法。
18. 請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法であって、
    注入すべき前記液体に水を添加する、方法。
19. 請求項１２〜１８のいずれか一項に記載の方法であって、
    蒸気の層（１１，１１′）を前記プラズマ流領域であるプラズマプルームの外側に形成する、方法。
20. 請求項１２〜１９のいずれか一項に記載の方法であって、
    １つの同一注入器グループにおけるｎ個の注入器からの液体流を前記プラズマ内で合流させる、方法。
21. 請求項２０に記載の方法であって、
    液体流の合流領域は、前記プラズマ流軸線（３）にほぼ位置する、方法。
22. 請求項１２〜２１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記プラズマ内への少なくとも１つの液体流の注入角を修正する、方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、
    少なくとも１つの液体流の注入角を修正するのは、この液体流内での前記液体の圧力を変化させることによって行う、方法。
24. 請求項１２〜２３のいずれか一項に記載の方法であって、
    回転運動の運動量を、少なくとも１つの液体流に加える、方法。
25. 請求項１２〜２３のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記液体の注入は、前記プラズマ流軸線に対する入射角が異なる、異なった注入器グループにおける注入器により行う、方法。
    
    

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