JP2014529585A - プラズマアーク炉および応用 - Google Patents

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Abstract

メタン、都市固体廃棄物、農場または森林の廃棄物、石炭またはオイルシェール製造から生成する炭化した岩、石油化学による炭化水素（任意の炭素を含有するもの）、水および／または都市下水のうち、いずれかを供給源物質として用い、有用な燃料、例えば、メタノールを作るためのプラズマアーク改質器。高温プラズマアークは、供給源物質を原子へと解重合し、部分的に冷却すると、ＣＯおよびＨ２を多く含むガス流（合成ガス）を生成する。このシステムにおいて、その後の分子フィルターおよび触媒段階で汚染物質を除去し、出力燃料を与える。このシステムは、合成ガスの製造に関し、残留する未変換ガスを再利用し、所望の場合、排気ガスですら再利用するという点で、閉じたループである。発生する大量の熱を捕捉し、潜在的に高い効率が得られる超臨界ＣＯ２ランキンサイクルを用いて電力に変換する。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１１年８月４日に出願され、参照により組み込まれる米国仮出願番号第６１／５１５，０４８号（Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｃｅｌｌ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｗａｆｅｒ ａｎｄ Ｂａｓａｌｔ Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ）の利益を請求する。さらに、本出願は、２０１２年６月１３日に出願され、参照により組み込まれる米国特許仮出願番号第６１／６５９，１２４号（Ｐｌａｓｍａ Ａｒｃ Ｆｕｒｎａｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）の利益も請求する。
本発明は、合成ガスを作るためのプラズマアーク炉の分野に含まれる。また、本発明は、触媒を使用し、１種類以上の合成ガスをメタノールに変換する化学プロセスを使用する。また、本発明は、廃熱からの発電分野にも含まれる。さらに、本発明は、下水および／または埋め立て前材料または埋め立て後材料を含む任意の炭素を含有する材料の形態の都市廃棄物の処分を取り扱う。
合成ガス（ＣＯおよびＨ２）の作成におけるプラズマアーク炉の使用は、典型的には、数千万ドルから数億ドルの資本を投入し、何エーカーもの土地を占める大きな設備で行われる技術である。このような費用および物理的な大きさは、選ばれたシステムの構成要素によって決められる。これらは、ひいては、電気エネルギーに関する費用、廃熱の回収方法、ガスの洗浄プロセス、最終生成物の価値に基づいて決まる。典型的なプラズマアーク炉は、処理ガスとして空気を利用し炉容器内の材料を７５０〜１４００℃付近の解重合温度まで上げるために、この処理ガスをプラズマアークトーチで電気的に加熱する。空気を使用するので、炉の高温環境内に窒素が入り込み、廃棄物流の中に窒素酸化物および金属酸化物が生成する。排出がある場合、これらの物質が局所的に空気を環境汚染する。
都市下水を処理するときの問題は、地方自治体の負担が大きいことである。現時点での実施は、種々の段階で廃棄物を生物的に中和することである。この中和は、通常は、細菌を利用し、ほとんどの単純な栄養物を消費し、変換し、病原体を殺すバイオリアクターを含む。残渣を種々の沈降タンクに分ける。下水処理プラントから出た最終的な生産物は、典型的には、３種類の製品形態をとる。第１の形態は、理論的に飲料可能なほぼ純粋な水であり、第２の形態は、濃縮したスラッジであり、第３の形態は、苗床や園芸用に包装され、売られる窒素腐植肥料である。
特に、上に特定した１つ以上の問題を軽減するプラズマアーク炉システムの技術を現時点の状態から改良することは有用であろう。
生成物の一選択肢として、出力燃料、例えばメタノールを清潔で効率的な様式で製造するプラズマアーク改質システムが提示される。メタノールのための炭素と水は、数種類の異なる供給源に由来するものであってもよく、それぞれについて、以下に簡単に記載する。第１の供給源は、炭素の供給源として、例えば、メタンガスのような任意の炭化水素ガスを使用し、酸素のために蒸留水を使用するものである（両方とも水素を供給する）。蒸気の改質または蒸気改質反応に役立つ水を注入するために、この技術によるメタンの加熱が開発されているが、本発明は、このプロセスで生成する大量の廃熱を回収する効率的な様式を加えるものである。第２の供給源は、さらなる炭素供給源として、都市固体廃棄物を使用するものである。第３の供給源は、水の供給源として都市水道または都市下水を使用するものである。これらの供給源は、それぞれ、存在する他の物質（汚染物質と考えられる）を取り扱うために、システムを改変することが必要である。
本明細書に記載するシステムは、主に、処理用ガスとして空気の代わりにメタンを使用することによって促進される。メタンの電気特性は、空気と非常に近く、プラズマアークトーチに使用することができる。メタン（ＣＨ４）と水（Ｈ２Ｏ）を組み合わせることによって、生成する２Ｈ２＋ＣＯ混合物の化学量論関係を高度に制御することができる。空気の代わりにメタンを使用することによって、窒素に由来する環境汚染物質を生じてしまう窒素が、炉の環境ではほとんど利用できなくなるか、またはまったく利用できなくなる。
超臨界ＣＯ２（ＳＣＯ２）ハイブリッド廃熱回収技術（例えば、米国仮出願第６１／６３６，２３６号を参照）を利用すると、多くの廃熱が、このシステムを動かすための電気として回収される。これにより、効率が上がり、電力の消費が減ることによって費用が下がる。この改良は、このシステムのさまざまな場所で、例えば、炉の容器表面、高温の導管、粒子沈殿器、カルボニル分子フィルターにガスを導入する前の処理ガスの温度低下ユニット、その後の触媒を再生する反応器の前で熱交換器を使用することによって達成される。
従って、改質器を用いて燃料源を出力燃料に変換する方法が提供され、この方法は、
燃料源を改質器に投入する工程と、
水を改質器に投入する工程と、
燃料源および水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を、１つ以上の触媒を用いて出力燃料に変換する工程と、
改質器から出力燃料を取り出す工程とを含む。
さらに、改質器を用いて炭素系の投入燃料を所望の出力燃料に変換する方法が提供され、この方法は、
炭素系投入燃料を改質器に投入する工程と、
前記投入燃料を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
触媒サブシステムに投入するために、１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせを圧縮する工程と、
１つ以上の触媒を用い、水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料に変換する工程と、
出力燃料から汚染物質を除去する工程と、
出力燃料から除去した汚染物質の少なくとも一部を触媒サブシステムに再循環させて戻す工程と、
改質器から出力燃料を出力する工程とを含む。
さらに、燃料源を受け入れる投入部と、水を受け入れる投入部と、燃料源および水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解する、流れの中に配置するための熱源と、この流れから廃熱を抽出するための熱交換器と、廃熱を有用なエネルギーに変換するためのエンジンと、熱交換器から入ってくる流れを圧縮するための圧縮部と、１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料に変換するために、圧縮部からの圧縮流が入る、少なくとも１種類の触媒を含む１つ以上の触媒タンクと、出力燃料を出力するための出力インターフェースとを備える、燃料源を出力燃料に変換する改質器が提供される。
燃料源を受け入れる投入部と、燃料源を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解する、流れの中に配置するための熱源と、この流れから廃熱を抽出するための熱交換器と、廃熱を有用なエネルギーに変換するためのエンジンと、この流れから触媒毒となる汚染物質を除去するための濾過床と、１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料の流れに変換するために、圧縮部からの圧縮流が入る、少なくとも１種類の触媒を含む１つ以上の触媒タンクと、汚染物質の少なくとも一部を触媒タンクに再循環させて戻すための、出力燃料の流れから汚染物質を除去する、汚染物質を除去するサブシステムと、出力燃料を出力するための出力インターフェースとを備える、燃料源を出力燃料に変換する改質器も提供される。
また、さらなる例となる実施形態も提供され、限定されないが、いくつかの実施形態について、以下にさらに詳細に記載する。
本発明の性質をさらに完全に理解するために、添付の図面と組み合わせて、以下の詳細な記載を参照すべきである。
図１は、廃熱を回収するための主な配置を備える、メタン／水混合物からメタノールを作成する基本的なシステムのブロック図を示す。 図２は、都市固体廃棄物をさらなる炭素供給源として使用するか、または都市下水を水素供給源として使用するときの、基本的なシステムの改変を示す。 図３は、上述のシステムのいくつかの場所で用いられる超臨界ＣＯ２廃熱回収システムのブロック図を示す。 図４は、実施例のシステムの効率を示す一連のプロットである。
メタン、都市固体廃棄物、農場または森林の廃棄物、石炭またはオイルシェール製造から生成する炭化した岩、石油化学による炭化水素（任意の炭素を含有するもの）、水および／または都市下水のうち、いずれかを供給源物質として用い、有用な燃料、例えば、メタノールを作るためのプラズマアーク改質システムが提供される。高温プラズマアークは、供給源物質を原子へと解重合し、部分的に冷却すると、ＣＯおよびＨ２を多く含むガス流（合成ガス）を生成する。このシステムにおいて、その後の分子フィルターおよび触媒段階で汚染物質を除去し、出力燃料を与える。このシステムは、合成ガスの製造に関し、残留する未変換ガスを再利用し、所望の場合、排気ガスですら再利用するという点で、閉じたループである。発生する大量の熱を捕捉し、潜在的に高い効率が得られる超臨界ＣＯ２ランキンサイクルを用いて電力に変換する。
改質システムは、携帯用燃料として利用されるとともに、メタノールを製造することができ、大気への公害を減らすか、または完全になくし、さらに、廃熱回収システムの向上を含む。これらの改良点は、システムの大きさと費用を小さくする。さらに、合成ガスを作り、最終的に、最新型の触媒によって炭化水素（一例としてメタンまたはメタノール）を作り出す、下水および／または都市固体廃棄物を解重合するための構成およびプロセスも提示される。
これらの特徴を達成するのに有用な構成要素は、２０１２年３月２０日に出願され、参照により組み込まれる米国仮出願第６１／６３６，２３６号（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａl ｏｒ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２ ランキン Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ）に記載されており、ここでは、熱回収に有用なエンジンを開示しており、さらに、２０１１年３月２９日に出願され、これも参照により組み込まれる米国特許出願第１３／０７４，５１０号（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ）中の材料、および２０１２年４月１８日に出願され、参照により組み込まれる米国仮出願第６１／６２５，９４０号に記載されており、本明細書に提供するような熱回収の目的に有用であり得るさらなるエンジン設計について記載する多角形筒揺機関を開示している。
（第１の実施例の構造）
図１は、メタンと水からメタノールを作るための基本的なシステムにおける主な要素を示す。主な作業要素は、プラズマトーチ３であり、この中で、高圧下で、操作用ガスであるメタンが投入部１に投入され、下流で水２を混合する。出力部４は、非常に高温（＞７５０℃）で炭素、水素、酸素の原子の混合物を含む。この組み合わせを熱交換器６で冷却し、非加圧式熱移動システムのためのポリオールエステル油のような冷却液、または加圧状態での水Ａが、以下に記載する熱交換システムに循環する。ここで、出力部８の流体は、一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ２）の混合物（合成によって作られたガス、つまり合成ガス）であり、少量の二酸化炭素（ＣＯ２）を含む。この物質は、圧縮部１７によって圧縮された後、マニホルド２０に入る。マニホルド投入部１８でのガスは、その後の触媒変換器２２に必要な約２００〜２５０℃である。この温度は、熱交換器６の冷却液Ａの流速を制御することによって達成される。この時点で、設計者は、触媒の前に、大容積の１個の圧縮部または複数の圧縮部を備えるように選択してもよい。この構成において、合成ガス生成物の温度は、廃熱回収システムで最も低い排気温度まで下がり、約３５Cである。次いで、上述の圧縮部を使用することによって、その温度を、触媒の投入部の温度まで上げる。これは、温度が低下する熱交換器の後であってもよく、これによって、炉の部分を、もっと高い圧力で効率を得る触媒より前に周囲圧力以下で操作することができる。これにより、一例としてバーミキュライトから作られる単純で安価な密閉部を可能にする圧力で加熱部分を操作する自由によって、合成ガスを処理するガス回路を与えるのがそれほど難しくないため、このシステムの操作に顕著な改良点を与えることができる。
この設計は、当流れを分け、別個の触媒カラム２２のために、直列のバイパス回路要素に向かわせるマニホルド２０を備えている（並んだ触媒は、直列の回路で働き、整備のために電源を切るべきタンクは、マニホルドに配管でつながれ、そのタンクまたは任意の個々のタンクを隔離するように、並行に切り替えられるか、または迂回することができる）。それぞれの触媒容器は、全体的なシステムが生成物を作り続けている間に、整備（例えば、触媒の交換）のために、マニホルドのガス回路から個々に取り外すことができる。触媒タンク中の反応は、発熱反応であり、狭い温度範囲でのみ操作される。従って、それぞれのタンクは、それ自体が、第２の熱回収システムに循環する冷却液Ｂ（一例としてポリオールエステルまたは鉱物油、または加圧水）を含む熱交換システムを備えている。この熱回収システムは、温度にかなりの差があるため、流体Ａを用いるシステムとは分離されており、熱回収システムを局所的に最適化することができる。触媒カラム２２について、以下にさらに詳細に記載する。
収集マニホルド（例えば、合成ガスを圧縮部に供給する１個の管）２１は、１個の出力管を介し、それぞれの触媒カラムからの出力を集める。この出口のマニホルドは、その時点で、気体状メタノールまたはメタノール蒸気と、未変換の合成ガスの一部、触媒粒子を含む油スラリーの液滴を含む。この出力は、２４からサイクロンセパレーター２５に向かう。サイクロンは、ガスからほとんどの粒子を分離する。粒子（油液滴および触媒粒子）は、底部２８から流れ出て、投入部マニホルド２０に戻る。ガスは、２６を通り、凝縮器２７へと流れる。この凝縮器は、メタノールおよび合成ガスから、任意の残留する油蒸気を分離し、温度を約７０℃まで下げ（メタノールはまだガスである）、その後に、出力２８は、圧縮機２３によって圧縮される。圧縮された油は、再使用／再処理のために、圧縮器２３から投入マニホルド２０を介し、触媒カラム２２の触媒スラリーに戻る。
凝縮器２７の出力は、主にメタノールである（約９６％）が、合成ガスの一部と、炭素、水素、酸素のもっと重い化合物の一部を含む。この混合物は、出力３０を介し、メタン精製カラム３２に送られ、通常は、６７℃以下の凝縮を経て、出力３４中の最終的なメタノール生成物を他のガスから分離する。出力３５を経る合成ガスは、再使用／再処理のために、投入マニホルド２０を通ってシステムに戻される。設計者は、この時点で、ガス回路において、凝縮していないガス生成物を発電システムに向かわせるような選択肢を有する。もっと重い化合物は、出力３６を通って得られ、水投入部２を介してシステムに戻され、再びシステムを通って分解し、移動する。
（第２の実施例の構造）
図２は、都市固体廃棄物または都市下水の処分に使用する場合の、上述の基本的なシステムに対するある望ましい変更を示す。この実施例の改変では、変更は、主に、触媒カラムに導くマニホルド２０より前部分で提供される。都市固体廃棄物を取り扱う場合には、供給原料（切断された固体廃棄物）を、投入部５を介して、もっと古典的なプラズマアーク炉９に供給する。この炭素供給源は、炉の出力部１０で化学量論的な混合物が製造されるように、投入部１でのメタンと投入部２での水の流速を変える。都市廃棄物からのスラグ要素は、炉の底部に集められ、出力部７を経て抽出される。
都市下水を取り扱う代替的な使用では、供給原料は液体であり、主要成分は水である。これにより、投入部１から提供される望ましい異なる量のメタンと、投入部２から異なる量の水（水のすべてが下水であってもよいため、あるとすれば）と、スラグ出力部７で異なる要素の混合物とを必要とする。しかし、供給ガス（水およびメタン）の比率は、炉の出力部１０で可能な限り化学量論量の混合物に近い混合物を生成するように設定される。下水の場合、その比率は、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２であり、有機物質からの炭素は、非常に小さな割合であるが、炭素は、ＣＨ４が少なくなるように調節することによって決定づけられるだろう。都市固体廃棄物、森林または農場の廃棄物の場合、供給原料の例としてセルロースＣ６Ｈ１０Ｏ５を用い、投入物を概算する。これは、（６Ｃ＋５Ｈ２Ｏ）＋８ＣＨ４＋９Ｈ２Ｏ＝１４ＣＯ＋５８Ｈ＋１４Ｏであると考えてもよい。次いで、酸素原子および水素原子が合わさって、７Ｏ２と２９Ｈ２を形成する傾向がある。メタノール（ＣＨ３ＯＨである）の場合、調整される合成ガスの投入比は、ＣＯ＋４ＨまたはＣＯ＋２Ｈ２であるため、１３ＣＨ３ＯＨ＋６Ｈの前駆体となるだろう。過剰な水素は、その後の発電機という選択肢のための主な燃料になるだろう。
図２において、アーク炉９からの蒸気出力部１０は、典型的には、炉の供給原料の中にある物質に起因して、図１の実施形態のプラズマトーチからの蒸気出力部４とは異なっているだろう。これらの廃棄物処理例の場合には、これらの要素の一部が、カラム２２の触媒毒となり得るため、２２中にある触媒の毒となり得る任意の要素を蒸気から除去する目的で、分子フィルター１４として作用する触媒濾過床を備えていることが望ましい。この新しい濾過床１４で与えられる温度は、分子フィルターを含む容器で用いられる金属を収容するため、セパレーターの出力部１０よりも低くなければならず、典型的には、マニホルド２０の温度より高いが、５００Cの範囲である。従って、図２では、図１の熱交換器６と異なる２つの熱交換器１１および１６が加えられており、冷却液ＣおよびＤは、冷却液Ａとは異なる温度である。利用可能な冷却液の例としては、最も高い操作温度を有するポリオールエステル油が挙げられ、鉱物油は３５０Cまでは良好であり、水銀のような液体金属を使用することもでき、加圧下の水も同様に機能するだろう。さらに、圧縮部１７には、濾過部１４の出力部１５からの流れを投入し、圧縮された流れを熱交換器１６に出力する。ライン１２に投入されるガスは、低い温度でのみ出力部１０のガスと同じであり、硫黄、ヒ素および／または塩素のような触媒毒を含んでいてもよい。濾過床１４の出力部１５でのガスは、毒が触媒濾過床１４によって除去されるため、主に、合成ガスの要素である（ＣＯおよびＨ２）。
図２において、投入部１８を経る触媒マニホルド２０への投入は、典型的には、図１での投入部１８を経る場合と同じ温度で与えられる。従って、このシステムの残りの部分は、図１に関して上に記載したのと同じように操作する。
（熱回収システム）
図３は、実施例の炉で使用可能な熱回収システムの要素を示す。このようなシステムの一例は、２０１２年３月２０日に出願され、参照により組み込まれる米国仮出願第６１／６３６，２３６号（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ Ｔｒａｎｓｃｒｉｔｉｃａｌ ｏｒ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２ ランキン Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅ）に記載されている。このシステムは、臨界圧より高い圧力（＞７４ｂａｒ）から約２００ｂａｒ（またはそれより小さい）の圧力まで超臨界ＣＯ２を圧縮する圧縮部４１を備えている。ＣＯ２は、流速を制御する圧力／フロー制御デバイス４７を通って流れ、次いで、低温での加熱に使用する任意要素の熱交換器４８（例えば、図１の凝縮器２７から作られていてもよい）を通って流れる。この熱回収システムの鍵となる要素は、高温低圧側から低温高圧側へと熱を移動させる内部熱交換器４５である。次いで、超臨界ＣＯ２は、一次加熱器４６に入り、この加熱器は、図１の熱の流れＡまたはＢによって供給されるか、または図２の熱の流れＢ、ＣまたはＤで供給される。これにより、超臨界ＣＯ２の温度が、ＡまたはＣの流れの場合には約４５０℃まで上がり、ＢまたはＤの流れの場合には約２５０℃まで上がる。
熱交換器４６を使用してＣＯ２を加熱する。次いで、加熱されたＣＯ２は、エクスパンダー４２に入り、エクスパンダー４２は、永久磁石オルタネーター４３を駆動させ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーを用い、プラズマアークトーチの列で必要とされる出力を補填し、それによって、メタノール製造の全体的な効率を上げる。次いで、低圧のＣＯ２が、圧縮部４１に戻る前に内部熱交換器４５および冷却器４４を通って流れることによって、サイクルが完成する。
この熱回収システムの効率は、特定の圧力および温度の選択によって変わる。低温での熱交換器の場合、効率は約２５％が可能であり、高温での熱交換器の場合、効率は、４０％まで上げることができる。較正された実施例は、圧縮部とエクスパンダーの効率が、それぞれ８０％および８５％のものを使用する。これら２つの要素を実施例のシステムで潤滑剤および密閉剤として油を用いて操作する選択肢に起因して、その効率は、それぞれ約９２％にすることが可能であった。図４は、このような効率対低圧側の圧力の例をプロットしたものを示す。
（プラズマアーク炉）
基本的な実施例のシステムでは、プラズマアーク炉は、主に、整列したプラズマアークトーチから作られている（スラグは存在しない）。電気アークトーチによる加熱または誘導結合プラズマトーチによる加熱を利用することができた。すべてのプラズマアークトーチは、高圧メタンガス（ＣＨ４）が供給され、炭素イオンと水素イオンで構成される約５５００℃の炎が生じる。プラズマ発電機部分から下流で水（Ｈ２Ｏ）を注入し、すぐに酸素イオンと水素イオンに分解する。このガスと水の流れは、約７５０〜１４００℃の温度で酸素イオン１と水素イオン４以上に対し炭素イオンが１のほぼ化学量論量の混合物を与えるように設定される。熱低下の多くは、気体の膨張によるものであるが、チャンバの壁も冷却され、冷却液を用い、以下に記載する廃熱回収システムを動かす。得られたガス混合物は、主にＣＯとＨ２であり、少量のＣＯ２を含む。
さらなる炭素供給源として都市固体廃棄物を使用する応用例では、炉の構成は、閉じた上端と底端とを備え、下側部分に沿ってトーチの列を備える、耐火レンガで覆われた絶縁された垂直の円筒形である。メタンと水が炉の容器に入ると、プラズマトーチによってメタンと水を加熱する。ここで、炭素を含有する物質が非常に高温まで加熱され、構成要素である元素に分解する。容積基準でのメタン、水、都市固体廃棄物の混合物から、化学量論量のＨ２ガスおよびＣＯガスの混合物を生成する。このプロセスは、廃棄物からの他の原子種も存在している。これらの一部は、炉の底部に蓄積するスラグとしてあらわれる。他の原子種は気体状態のままであり、このシステムの後の工程で分離される。
都市下水を用いる場合には、プラズマアーク炉が関与する従来の実施との違いは、大きな炉容器を実際に必要としないという事実である。その代わりに、本明細書に開示するシステムは、従来のシステムよりもかなり小さく作ることができ、その結果、従来の大きな垂直円筒形ではなく、トーチノズルの列であってもよい。上に提示した他の実施例との主な差は、化学量論量の合成ガスの混合物を維持するために用いられる材料の比率と、集められるスラグ生成物の量である。
それぞれの場合に、好ましい実施形態は、高温スチールまたはステンレス鋼またはインコネルのようなアロイを含有するニッケルで作られる炉のケーシングに関するものであり、内側が耐火レンガの層で覆われており、炉容器の外側に接続する冷却管を備えている。その後に、内側のケースから離れた位置に保持される第２のケースに続き、内側のケースと外側のケースの間に、絶縁するか、または熱を維持するためのマッフルとして作用する孤立したリブを備えている。内側のケースに接続した冷却管は、炉からの廃熱を捕捉し、この廃熱を、ポンプによって流れる油を介して熱回収システムへと運ぶ機能を有する。
（熱回収システム）
加熱した合成ガスを、超臨界ＣＯ２エクスパンダーランキンサイクルエンジンの一部として用いられる熱交換器を介して再利用し、廃熱を捕捉し、廃熱を電気に変換し、主電源を補填することができる（参照により組み込まれる出願番号第１３／０７４，５１０号を参照のこと）。熱低下のそれぞれの工程は、超臨界二酸化炭素ランキンサイクルエンジンの廃熱回収システムのために潜在的に配置される。この様式で、廃熱の大部分が電力に変換され、システムを動かし、その効率を高める。または、回収エンジンは、参照により組み込まれる米国仮出願番号第６１／６２５，９４０号に開示されるような多角形エンジンの後に作られてもよい。
熱回収システムの効果は、従来の精製システムまたはプラズマアーク炉システムと比較して、全体的なシステム効率を上げ、さらに、改質器のプラントの大きさを小さくすることである。
（メタノール作成触媒）
触媒の好ましい例は、他の箇所で開発されており、２００４年にＡｉｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．とＥａｓｔｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙの共同で示され、両社は、液相メタノール生成過程を示すのに成功した。このような触媒は、酸化銅、酸化亜鉛および／またはニッケル、またはコバルトおよび／またはマンガンを含んでいてもよい。化学量論量になるように調整されたガス流は、通常は、加圧状態で反応容器に圧送され、触媒スラリーと混合し、メタノール蒸気へと変換される。触媒スラリーは、通常は、鉱物油に懸濁した酸化銅および酸化亜鉛で構成される。
この反応は発熱反応であり、典型的には、２１５℃〜２７０℃に維持されるだろう。この状況では、合成ガスのメタノールへの変換は、熱を放出し、冷却しない場合には、変換過程が停止するまで触媒の温度は上がり続けるだろう。反応器中の熱交換管によって熱が取り除かれ、廃熱回収システムのための別の熱源となる。その温度は、反応器内を流れる冷却液（油）の速度によって制御される。変換過程によって、９６％を超えるメタノールが生成する。
反応器を出るのは、メタノール、未変換の合成ガス、過剰な水素、触媒を含むスラリーの一部の混合物である。この混合物は、後で、サイクロンセパレーター内で分離され、スラリーは触媒反応器に戻され、ガスはさらなる処理へと進む。
変換された合成ガスおよび未変換の合成ガスがサイクロンセパレーターに入った後、ガスは高温になる。この温度は、凝縮器で下げられるが、メタノールの凝縮温度よりは高い温度に維持される。メタノールの場合には、その温度は、約６５℃である。この様式で、もっと重い反応生成物は分離され、プラズマアーク炉に戻されるか、または電力発電機に向かう。
（保護床フィルター）
都市固体廃棄物または都市下水からの気体流に含まれる触媒毒を除去するために、かなりの量の努力がはらわれる。この課題に対処するためにスクラバーが存在し、そのため、特別ではない技術を利用することができた。これらのスクラバーは、プラズマアーク炉の出力部と、メタノール生成触媒への投入部との中間の温度で操作することができ、操作温度は、通常は、中に入れる容器を製造するのに用いられる材料によって決定され、典型的には、定格で４８０℃であるか、またはこれより温度が高いスチールを用い、典型的な合成ガスの投入部の温度は５００℃である。
熱交換器を用い、炉から出たガスの温度を、保護床分子フィルターの許容温度（典型的には、約５００℃）まで下げる。保護床フィルターは、触媒と似ているが、むしろ所望の化合物を作成し、その目的は、このシステムで後に存在し得る汚染物質と反応し、捕捉し、除去し、メタノール触媒材料を中和する。このフィルターの組成例は、活性炭マトリックスに分散した酸化マンガンであるが、他の代替物も存在する。このフィルターは、原料に存在するかもしれない痕跡量のヒ素、硫黄および／または塩素を吸収するだろう。
保護床フィルターの後、典型的には、合成ガスを圧縮部の許容温度まで、次いで触媒変換部の許容温度まで下げるために、別の熱交換器が与えられるだろう。この許容温度は、触媒によって変わるがメタノールを製造するように設計された小さな液相触媒の場合、投入部の温度は、２３５±１５℃であろう。
（他の要素）
メタノール触媒カラムで行われる、粒子と油液滴の一部を除去するために使用される粒子サイクロンセパレーターが存在する。このセパレーターは、熱交換器を製造するのと同じような壁に作られた熱交換管も備えていてもよい。サイクロンセパレーターは、油液滴のほとんどを捕まえるが、一部の油蒸気は通り抜けるだろう。このサイクロンセパレーターは、粒子を含むガスを底部側で入れ、上部で抜き取ることによって動く。ガスは、底部から上部へと移動するときに、トルネード状のらせん形に動く。重い粒子は、壁の方へ飛ぶ。壁との接触による摩擦が、粒子の運動量を小さくし、重力によって、収集トラップが配置されている底部に引き寄せられる。ガスの出口は、中央上部にある。例となる実施形態では、溶接管が外側に提供され、第１にケースの金属円錐部で熱を除去し、第２に内壁と外壁との間の空気を含む空間に熱を捕捉するために、別個のバッフル層が提供される。
次いで、サイクロンの後は、メタノールの液体温度（この段階では、システムの実際の圧力によって変わる）より少し高い温度まで温度を下げる凝縮器である。この凝縮器は、すべての重い分子と残った油蒸気を除去するだろう。
最後の段階は、メタノールの精製である。この段階は、メタノールを消費者が望む純度まで洗浄することである。この精製は、まだ変換されていない合成ガスを触媒サイクルまたは発電機投入部に戻し、メタノール以外のもっと重い生成物を炉に戻し、再利用する。
（代替的な生成物および使用）
触媒の選択は、生成する炭化水素生成物によって決まるだろう。所望の場合、メタノール、エタノール、メタン、またはポリ芳香族炭化水素、例えば、オレフィンをすべて製造することができるが、本明細書に提示する実施例は、メタノールの製造に焦点を当てている。しかし、これらの炭化水素燃料または他の炭化水素燃料を用い、このシステムの一次電力発電機を動かすことができた。さらに、設計次第では、製造した合成ガスを発電機のエンジンに供給することができた。従って、どの供給源が、プラズマアークおよび必要なポンプを動かすための主な電力であるかは重要ではない。
本明細書に提示される実施例のシステムから得られる主な生成物は、最もきれいな液体燃料の１つであるメタノールである。大きな発電機をこの燃料で動かす場合、この過程で中性である空気中のＣＯ２、Ｈ２Ｏ、窒素が、発電機からの排気ガスとして生成される。さらに、望ましい生成物がＣＯ２である場合、この排気ガスを冷却し、圧縮し、水蒸気を除去して再利用し、ＣＯ２を圧縮し、液体状態へと圧縮することができる。液体のＣＯ２は環境に優しい洗浄剤であるため、この液体をタールサンドおよび油回収部で使用することができる。本出願は、この部位で水と蒸気の使用に置き換え、それによって、環境汚染の問題を減らすか、または完全になくしつつ、油回収量を増やす。廃棄生成物を回収し、廃棄生成物から窒素を分離し、改質システムに再利用することもできる。
（可能性のある応用）
改質とは、電気によって加熱された炭化水素ガスおよび水と、高温プラズマ解重合によって、すべての炭素を、主に一酸化炭素（ＣＯ）１分子と水素ガス２分子以上（２Ｈ２）の比率で含む合成ガスに変換することを意味する。触媒による変換は、基本的に、合成ガス生成物を選び、このガス成分を多くの生成物に対して結合する触媒を使用し、メタノールがガス成分の１つであってもよく、メタン、エタン、オレフィン、ジメチルエーテルはほんのわずかである。
電力生成は、電力発電機の燃料となる残った合成ガスからの燃料ガス廃棄分と、過剰な水素を用いた電気発生から生じる副産物であり、任意の発電機であってもよいが、本出願で引用したエンジンのいずれかを用いる発電機であってもよい。
廃棄物からの電力を用いた下水（水供給源として）の合成ガスへの改質、次いでメタノールへの触媒変換は、有用な応用である。
都市固体廃棄物（ＭＳＷ）のみ（プラズマアーク炉を経てプラズマを供給するためのガスを用いる）または下水の合成ガスへの改質、次いで、主にメタノールを生成する触媒による変換、廃棄物からの電力発電は、別の応用である。
農場または森林の廃棄物の合成ガスへの改質、次いで、下水またはＭＳＷを用いた触媒による変換、廃棄物からの電力発電は、別の応用である。
石炭の合成ガスへの改質、次いで、下水を用いた触媒による変換、廃棄物からの電力発電は、別の応用である。
シェールオイル処理から得られるカーボネート岩石層の合成ガスへの処理、次いで、触媒による変換は、別の応用である。
上の例のガス供給原料からの液体製造としての二酸化炭素。ＣＯを圧縮によって凝縮させ、水素から低温分離し、その後に、電力を用いて燃焼させてＣＯ２を製造し、圧縮し、低温処理して液体にする。
上の過程から得られたＣＯ２を、液体ＣＯ２中でシェール岩石を攪拌することによって、シェールオイル回収の液体として使用してもよい。これにより、他の過程よりも低い費用で高い回収率が得られるだろう。ＣＯ２を、生産高が低いか、または古い場所である枯渇した油田に注入し、任意の要素として高圧フラッキングを行う。この方法は、ＣＯ２が容器内で液体の場合に最も生産的であり、この時点までで、油の収率は、基本となる出力量よりも典型的に２０％高い。
船舶（例えば、石油プラットフォームで）は、合成ガスへの改質、次いで、天然ガス堆積物中で触媒による海洋メタンへの変換は、応用の１つであり、上の過程によって、合成ガスへの改質、次いで、天然ガスをＣＯ２に変換する。
プラットフォームでの応用は、合成ガスへの改質、次いで、天然ガスのメタノールへの触媒による変換を含む。プラットフォームで、合成ガスへの改質を経て油の性能を高め、次いで、岸で、または海上で他の望ましい生成物へと触媒によって変換する。プラットフォームで、破砕剤として海底に注入するためのＣＯ２を製造し、海底のシェールオイルまたはタールサンド堆積物中の油の回収を補助し、または、油田回収量を増やすための洗い出し剤としてＣＯ２を製造する。
未変換の合成ガスと水素を還元処理用ガスとして用い、別個のプラズマアーク炉で改質し、鉱石を製錬し、および／または金属片に還元するのは、別の応用である。これにより、その後に、望ましい形態のアロイおよび鉱石へと処理する。この態様で、記載した本体に対し、請求したように改質器を使用するが、第２の使用は、連結した金属製造プラントを備える電気プラントに対する混合廃棄物として、金属の回収または製造のための水素ガスを主に製造するための使用である。
多くの他の例となる実施形態は、上に記載した特徴のさまざまな組み合わせによって与えることができる。本明細書で上に記載した実施形態を特定の実施例および代替例に使用するが、本出願の意図する範囲を必ずしも逸脱することなく、種々のさらなる代替例を使用してもよく、等価物は、本明細書に記載する要素および／または工程を置き換えてもよいことが当業者には理解されるだろう。本出願の意図する範囲から逸脱することなく、実施形態を特定の状況または特定の需要に合わせるには、改変が必要であろう。本出願は、特定の実施例による実施および本明細書に記載する例となる実施形態に限定されるのではなく、開示されているか、または開示されていないが特許請求の範囲に包含されるすべての新規で明らかではない実施形態を包含するような最も広い合理的な解釈を与える特許請求の範囲によって文言的に、または均等論によって限定される。

Claims (27)

  1. 改質器を用いて燃料源を出力燃料に変換する方法であって、この方法は、
    燃料源を改質器に投入する工程と、
    水を改質器に投入する工程と、
    燃料源および水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
    水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を、１つ以上の触媒を用いて出力燃料に変換する工程と、
    改質器から出力燃料を取り出す工程とを含む、方法。
  2. ランキンエンジンを用い、前記改質器の廃熱を電気に変換する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記改質器の廃熱を電気に変換する工程は、発電機を含み、前記ランキンエンジンは、発電機を駆動するのに合わせた振動する円板型ピストンエンジンである、請求項２に記載の方法。
  4. 前記ランキンエンジンが、二酸化炭素によって駆動する、請求項２に記載の方法。
  5. 前記ランキンエンジンが、超臨界二酸化炭素によって駆動する、請求項２に記載の方法。
  6. 前記出力燃料がメタノールを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記燃料源がメタンを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記触媒は、酸化銅、酸化亜鉛および／またはニッケルのうち、１つ以上を含む、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
  9. 前記熱源がプラズマアーク源である、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
  10. 〜の工程をさらに含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
  11. 前記方法は、すべてのＣＯ２および他の排気ガス生成物をすべて完全に回収し、それによって、ゼロエミッション発電およびＣＯ２の再利用を提供する、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
  12. 前記方法が、合成ガスの生成を経て燃料を作成する、請求項１１に記載の方法。
  13. 例えば、サイクロンセパレーターを用い、前記変換工程からの汚染物質を除去する工程をさらに含む、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
  14. 前記１つ以上の熱源は、メタンおよび水の投入部を７５０℃以上の解重合温度まで上げる、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
  15. 改質器を用いてメタンをメタノールに変換する方法であって、この方法は、
    メタンを改質器に投入する工程と、
    水を改質器に投入する工程と、
    メタンおよび水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
    水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を、１つ以上の触媒を用いてメタノールに変換する工程と、
    改質器からメタノールを出力する工程とを含む、方法。
  16. 改質器を用いて燃料源を所望の出力燃料に変換する方法であって、この方法は、
    燃料源を改質器に投入する工程と、
    水を改質器に投入する工程と、
    燃料源および水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
    触媒サブシステムに投入するために、１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせを圧縮する工程と、
    １つ以上の触媒を用い、水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料に変換する工程と、
    出力燃料から汚染物質を除去する工程と、
    出力燃料から除去した汚染物質の少なくとも一部を触媒サブシステムに再循環させて戻す工程と、
    改質器から出力燃料を出力する工程とを含む、方法。
  17. 前記汚染物質が合成ガスを含む、請求項１６に記載の方法。
  18. エネルギー捕捉デバイスを与えるために、前記１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせから廃熱を除去する工程をさらに含む、請求項１６〜１７のいずれかに記載の方法。
  19. 前記方法は、すべてのＣＯ２および他の排気ガス生成物をすべて完全に回収し、それによって、ゼロエミッション発電およびＣＯ２の再利用を提供する、請求項１６〜１８のいずれかに記載の方法。
  20. 前記出力燃料がメタノールを含む、請求項１６〜１９のいずれかに記載の方法。
  21. 前記燃料源がメタンを含む、請求項１６〜２０のいずれかに記載の方法。
  22. 前記燃料源が下水廃棄物を含む、請求項１６〜２１のいずれかに記載の方法。
  23. 前記燃料源がセルロースを含む、請求項１６〜２２のいずれかに記載の方法。
  24. 請求項１〜２３に記載のいずれかの方法を実施するための改質器。
  25. 改質器を用いて炭素系の燃料源を所望の出力燃料に変換する方法であって、この方法は、
    炭素系燃料源を改質器に投入する工程と、
    燃料源を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、改質器内に１つ以上の熱源を提供する工程と、
    触媒サブシステムに投入するために、１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせを圧縮する工程と、
    １つ以上の触媒を用い、水および燃料源の１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料に変換する工程と、
    出力燃料から汚染物質を除去する工程と、
    出力燃料から除去した汚染物質の少なくとも一部を触媒サブシステムに再循環させて戻す工程と、
    改質器から出力燃料を出力する工程とを含む、方法。
  26. 燃料源を出力燃料に変換する改質器であって、
    燃料源を受け入れる投入部と、
    水を受け入れいる投入部と、
    燃料源および水を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解するために、流れの中に配置するための熱源と、
    この流れから廃熱を抽出するための熱交換器と、
    廃熱を有用なエネルギーに変換するためのエンジンと、
    熱交換器から入ってくる流れを圧縮するための圧縮部と、
    １種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料に変換するために、圧縮部からの圧縮流が入る、少なくとも１つの触媒を含む１つ以上の触媒タンクと、
    出力燃料を出力するための出力インターフェースとを備える、改質器。
  27. 燃料源を出力燃料に変換するための改質器であって、
    燃料源を受け入れる投入部と、
    燃料源を１種類以上の構成要素および／またはその組み合わせに分解する、流れの中に配置するための熱源と、
    この流れから廃熱を抽出するための熱交換器と、
    廃熱を有用なエネルギーに変換するためのエンジンと、
    この流れから触媒毒となる汚染物質を除去するための濾過床と、
    １種類以上の構成要素および／またはその組み合わせの少なくとも一部を出力燃料の流れに変換するために、圧縮部からの圧縮流を受け入れる、少なくとも１つの触媒を含む１つ以上の触媒タンクと、
    汚染物質の少なくとも一部を触媒タンクに再循環させて戻すための、出力燃料の流れから汚染物質を除去する、汚染物質を除去するサブシステムと、
    出力燃料を出力するための出力インターフェースとを備える、改質器。
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