JP6239031B2

JP6239031B2 - ガス変換システム

Info

Publication number: JP6239031B2
Application number: JP2016095571A
Authority: JP
Inventors: 谷端　透; 透谷端; コー，ジェ−モ; ハンリー，サン
Original assignee: リカーボン，インコーポレイテッド
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2016-05-11
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: EP2726195B1; US8633648B2; WO2013003164A2; JP2014520663A; CN103648635B; KR20140039037A; EP2726195A4; JP2016182599A; CA2838943C; ES2751112T3; CN103648635A; HK1190979A1; JP6289365B2; KR101609576B1; US20130002137A1; WO2013003164A3; CA2838943A1; EP2726195A2

Description

本発明はガス変換システムに関する。より具体的には本発明はマイクロ波プラズマと共に複数のガス変換手段を使用してガスを変換するシステムに関する。

近年、マイクロ波技術は様々な種類のプラズマを発生させるために適用されている。いくつかの適用例において、プラズマを使用したガス変換に要求される能力は非常に大きく、それは高出力のマイクロ波発生器を必要とする。

既存のマイクロ波技術は以下の欠点のうちの一つ又はそれ以上によって適切でなく、よくてもかなり非効率である。第一に、既存のシステムは適当な拡張性に欠けている。拡張性とは、様々な量のガス変換能力を適切に扱うシステムの能力、又は様々なガス変換能力を調整するために拡張／縮小されうるシステムの能力を指す。例えば、要求されるガス変換能力は適用例によって大きく変化し得る。第二に、マグネトロンの規模の経済は出力が上昇すると急激に増大する。例えば、１０ｋＷのマグネトロンの価格は１ｋＷのマグネトロン十台の価格よりも遥かに高い。第三に、より高い出力のマグネトロンを用いて構成されたシステムは、一度マグネトロン又はプラズマアプリケーターが問題を持った場合は、全システムがシャットダウンされることが必要となる可能性がある。従って、ガス変換能力に妥協することなく、高い拡張性を有し、近年入手可能なガス変換システムよりもシステムダウン時間が短く、かつ安価なガス変換システムの必要性が存在する。

本明細書において記述される一つの実施形態において、マイクロ波プラズマを用いるガス変換システムは、マイクロ波を伝搬させるためのマイクロ波導波管、該マイクロ波導波管を通り抜けるガス流管であって、当該ガス流管を通過してマイクロ波を伝搬させるように構成された、ガス流管、前記マイクロ波導波管の温度を制御するための第一の温度制御手段、前記ガス流管の近傍に配置され、前記マイクロ波導波管の温度を測定するように構成された温度センサー、前記ガス流管の近傍に配置され、前記ガス流管内でプラズマを生起させて、動作中に前記プラズマが前記ガス流管内を流れるガスを変換するように構成された、生起器、及び、前記ガス流管の近傍に配置され、プラズマを監視するように構成された、プラズマ検出器、を有する。本明細書において記述される一つの実施形態において、ガス変換システムは、ガス流管の近傍に配置され、ガス流管の温度を測定するように構成された温度センサーを更に有してもよい。

本明細書において記述される一つの実施形態において、ガス変換システムは、ガスを供給するための流入ガスマニホールド、及び、該流入ガスマニホールドに接続され、該流入ガスマニホールドからガスを受容するように構成された複数のガス変換ユニット、を有する。前記複数のガス変換ユニットのそれぞれは、マイクロ波を伝搬させるためのマイクロ波導波管、該マイクロ波導波管を通り抜けるガス流管であって、当該ガス流管を通過してマイクロ波を伝搬させるように構成された、ガス流管、前記マイクロ波導波管の温度を制御するための第一の温度制御手段、前記ガス流管の近傍に配置され、前記マイクロ波導波管の温度を測定するように構成された温度センサー、前記ガス流管の近傍に位置付けられ、前記ガス流管内でプラズマを生起させて、動作中に前記プラズマが前記ガス流管内を流れるガスを変換するように構成された、生起器、及び、前記ガス流管の近傍に配置され、プラズマを監視するように構成された、プラズマ検出器、を有する。ガス変換システムはまた前記複数のガス変換ユニットに接続され、該ガス変換ユニットからガスを受容するように構成された流出ガスマニホールド、を有する。

図１は本発明の一つの実施形態に係るガス変換システムの模式図である。図２Ａから図２Ｃは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図２Ａから図２Ｃは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図２Ａから図２Ｃは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図３Ａ及び図３Ｂは本発明による統合ガス変換システムの様々な実施形態の模式図である。図３Ａ及び図３Ｂは本発明による統合ガス変換システムの様々な実施形態の模式図である。図４は本発明の他の実施形態に係る統合ガス変換システムの模式図である。図５は本発明による図１のガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図６は本発明による図１のガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図７Ａから図７Ｄは本発明による図１のガス流管の代替的な実施形態の平面図である。図７Ａから図７Ｄは本発明による図１のガス流管の代替的な実施形態の平面図である。図７Ａから図７Ｄは本発明による図１のガス流管の代替的な実施形態の平面図である。図７Ａから図７Ｄは本発明による図１のガス流管の代替的な実施形態の平面図である。図８Ａ及び図８Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図８Ａ及び図８Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図９Ａ及び図９Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図９Ａ及び図９Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。

図１は本発明の一つの実施形態に係る、マイクロ波プラズマを発生し、ガスを変換するガス変換システム１の模式図である。図示されるように、ガス変換システム１は、ガラス、セラミック又はその他のあらゆる誘電性の材料など、マイクロ波に透明な材料、好ましくは石英のガス流管２６、マイクロ波をガス流管２６に供給するためのマイクロ波供給ユニット１１、及びマイクロ波をマイクロ波供給ユニット１１からガス流管２６へ伝達する導波管２４を有することができる。ガス流管２６は燃焼排気などのガス供給源からガス及び／又は混合ガスを受容する。

マイクロ波供給ユニット１１はガス流管２６へマイクロ波を提供する。マイクロ波供給ユニット１１は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器１２、マイクロ波発生器１２へ電力を供給する電源１３、及び断路器１５を有する。断路器１５はマイクロ波発生器１２に向かって伝搬する反射されたマイクロ波を消散するためのダミーロード１６、及び反射されたマイクロ波をダミーロード１６へと方向付けるサーキュレーター１８を有する。

一つの実施形態において、マイクロ波供給ユニット１１はマイクロ波の強度を測定するための連結器２０、ダミーロード１６において消散させるべき反射されたマイクロ波の強度を測定するためにダミーロード１６上に位置する他の連結器１７、及びガス流管２６から反射されたマイクロ波を低減するためのチューナー２２、を更に有する。図１に示されているマイクロ波供給ユニット１１の構成要素はよく知られたものであり、ここでは例示的な目的のみのために記載されている。また、本発明から逸脱することなく、マイクロ波供給ユニット１１をガス流管２６にマイクロ波を供給する能力を有するシステムで置き換えることも可能である。断路器１５と連結器２０の間に位相調整器を配置することも可能である。

ガス変換システム１は、ガス流管２６内での容易なプラズマの生起（ignition）のためのガス流管２６上の高電圧スパーク生起器（igniter）２８、ガスを受容し、それをガス流管２６内へ供給するガス流入口２７１を有する頂蓋２７、及び、効率的なプラズマのため定常波位置を調整するための可動ショート３５を有することができる。頂蓋２７は好ましくは金属で作られ、ガス流管２６の頂部からのマイクロ波の漏れを避ける。ガス流管２６内側のガスの流れは、ガス流入口２７１が側方噴射として構成されていることにより渦を巻く動きをもっていても良い。ガス流入口２７１は頂部噴射として、直線状の流れ（渦を巻く動きをもたない）をもつように構成されていても良く、又は、斜め噴射として構成されていても良い。

ガス変換システム１は煙道ガス（flue gas）処理のために使用することができる。より具体的には、それは煙道ガス中の二酸化炭素（CO₂）の一酸化炭素（CO）及び酸素（O₂）へのプラズマ１０１を用いた変換のために使用することができる。ガス変換システム１は煙道ガスをCO₂と他の成分（Non-CO₂）とに分離する流入ガス分離器４１を有していても良い。流入ガス分離器４１は既存の方法、例えば吸収による気体分離、低温気体分離又は気体分離膜を使用することができる。流入ガス分離器４１はガス流入口２７１を通過してガス流管２６にCO₂を供給する。ガス流管２６から排出された変換後のガスは流出ガス分離器４２に供給され、変換後のガスがCO、O₂及びCO₂に分離される。流出ガス分離器４２は既存の方法、例えば吸収による気体分離、圧力スイング吸着法又は気体分離膜を使用することができる。流出ガス分離器４２によって分離されたCO₂は更なる変換のためにガス流入口２７１へ循環させても良い。従って、ガス分離器４２及びガスライン４２１はガス循環システムを形成する。

図２Ａは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図示されるように、温度制御手段２４１（第一の温度制御手段）及び２６１（第二の温度制御手段）が導波管２４上及びガス流管２６上にそれぞれ設けられ、それぞれが導波管２４及びガス流管２６の温度を制御している。温度制御手段２４１及び２６１のそれぞれは水冷式システム、他の冷却剤を用いる冷却システム、又は、温水、オイル又はガスなどの加熱媒体を使用した加熱器とすることができる。温度制御手段２４１及び２６１の熱媒体の流れが矢印２４２及び２６２として示されている。導波管２４及びガス流管２６の温度は熱媒体の流量を調整すること及び温度計（温度センサ）２９を使用して導波管又はガス流管の温度を感知することによって制御され得る。

図２Ｂは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図示されるように、例えばヒートシンク等の空気冷却手段２４３（第一の温度制御手段）及び２６３（第二の温度制御手段）が導波管２４上及びガス流管２６上にそれぞれ設けられ、それぞれが導波管２４及びガス流管２６の温度を制御している。冷却のための空気流は矢印２４４として図示されている。導波管２４及びガス流管２６の温度は空気流量を調整すること及び温度計（温度センサ）２９を使用して温度を感知することによって制御され得る。

図２Ｃは図１に示されたガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図示されるように、熱交換機２６４がガス流管２６の下流に設けられ、反応器領域に存在するガスの温度が所定の水準に保たれるようになっている。反応器領域は絶縁材料２６５によって絶縁され、反応器領域内のガス温度がより高い温度に保たれ、それにより反応器の変換効率が向上するようにすることができる。熱交換機２６４は例えば水等の冷却剤を用いた急速ガス冷却手段とすることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは本発明による統合ガス変換システムの様々な実施形態の模式図である。図３Ａは４つのガス変換システム１ａ−１ｄを持つ統合ガス変換システムを示す。４つのガス変換システム１ａ−１ｄのそれぞれは図１に示されたガス変換システム１に類似する。煙道ガスは、制御部６１によって制御される流入ガスマニホールド５１へ供給される。４つのガス変換システム１ａ−１ｄのそれぞれに供給された煙道ガスは、ガス分離器によって分離され、そしてプラズマを使用して変換され、続いて流出ガスマニホールド５２へ送られる。それぞれのガス変換システム１ａ−１ｄは図１のシステム１と同様の機構及び機能を有しているため、ガスの分離及びCO₂の循環はガス変換システム１ａ−１ｄの内側（内部）で行われる。ガス変換システムが機能できない、例えばプラズマが不意に消滅させられた場合は、制御部６１は流入ガスマニホールド５１からのガスの分配を制御して、その機能できないガス変換システムへガスが供給されないようにする。加えて、制御部６１はガス変換システムに供給される全体のガス流量を、作動中のガス変換システムの数に応じて制御することができる。それぞれの反応領域でプラズマを監視するための検出器が図５に併せて記載されている。

図３Ｂは本発明による４つのガス変換ユニット２ａ−２ｄを持つ統合ガス変換システムの他の実施形態を示す。４つのガス変換システム２ａ−２ｄのそれぞれは図１に示されたガス変換ユニット２と同様の機構及び機能を有している。図１に示されたように、ガス変換ユニット２は如何なるインレット／流出ガス分離器又はガス循環システムも含んでいない。煙道ガスは流入ガス分離器４１に供給され、分離されたCO₂は制御部６１によって制御される流入ガスマニホールド５１へ供給される。４つのガス変換システム２ａ−２ｄへ供給されたCO₂はプラズマによって変換され、続いて流出ガスマニホールド５２へ送られる。流出ガスマニホールド５２に集められた変換後のガスは流出ガス分離器４２に供給される。それぞれのガス変換システム２ａ−２ｄは如何なる図１のガス分離器又はガス循環システムも含んでいないため、ガスの分離及びCO₂の循環はガス変換ユニット２ａ−２ｄの外側（外部）で行われる。ガス変換システムが機能できない、例えばプラズマが不意に消滅させられた場合は、制御部６１は流入ガスマニホールド５１からのガスの分配を制御して、その機能できないガス変換システムへガスが供給されないようにする。加えて、制御部６１はガス変換システムに供給される全体のガス流量を、作動中のガス変換システムの数に応じて制御することができる。それぞれの反応領域でプラズマを監視するための検出器が図５に併せて記載されている。

図３Ｂに示された実施形態に基づいて、流出ガス分離器４２及びCO₂循環システムをそれぞれのガス変換システム２ａ−２ｄ内に移動することで、他の統合ガス変換システムを構成することができる。もしくは、流出ガス分離器４２のみをそれぞれのガス変換システム２ａ−２ｄ内に移動することで、他の統合ガス変換システムを構成することができる。

図４は４つのガス変換システム３ａ−３ｄを含む、他の統合ガス変換システムを示す。ガス変換システム３ａ−３ｄのそれぞれは図１に示されたガス変換ユニット２に類似し、ガス変換システム３ａ−３ｄのそれぞれが断路器１５、連結器２０、チューナー２２及び可動ショート３５を有さない点で相違する。ガス変換システム３ａ−３ｄのそれぞれは効率的なプラズマ発生のために十分に最適化されており、従ってこれらの要素はシステムの適切な動作のために必須ではない。煙道ガスは流入ガス分離器４１に供給され、分離されたCO₂は制御部６１によって制御される流入ガスマニホールド５１へ供給される。分離されたCO₂は、４つのガス流管２６ａ−２６ｄを持つ４つのガス変換システム３ａ−３ｄへそれぞれ供給され、続いてプラズマによって変換され、そして流出ガスマニホールド５２へ送られる。流出ガスマニホールド５２に集められた変換後のガスは流出ガス分離器４２へ供給される。それぞれのガス変換システムは如何なるガス分離システム又はCO₂循環システムも持たないため、ガスの分離及びCO₂の循環はガス変換システム３ａ−３ｄの外側（外部）で行われる。ガス変換システムが機能できない、例えばプラズマが不意に消滅させられた場合は、制御部６１は流入ガスマニホールド５１からのガスの分配を制御して、その機能できないガス変換システムへガスが供給されないようにする。加えて、制御部６１はガス変換システムに供給される全体のガス流量を、作動中のガス変換システムの数に応じて制御することができる。それぞれの反応領域でプラズマを監視するための検出器が図５に併せて記載されている。

図５は本発明による図１のガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。図示されるように、プラズマを監視し、それによってガス変換システム１の適切な動作を監視するためにプラズマ検出器３０が導波管２４上に設けられている。プラズマ検出器３０はプラズマの発光を検出する光学センサー又はプラズマ発生に起因する温度上昇を検出する温度センサーであっても良い。プラズマ検出器３０は導波管２４上の代わりにガス流管２６上に設けられても良い。

図６は本発明による図１のガス変換システムの一部の代替的な実施形態の模式的な断面図である。メッシュ板３２、好ましくは接地された金属製のメッシュ板がガス流管２６の底に設けられている。メッシュ板３２の設置はガス流及びプラズマの安定性を高め、ガス流管２６の底からのマイクロ波の漏れを回避する。メッシュ板３２の網目寸法はマイクロ波供給ユニット１１によって発生されるマイクロ波の波長よりもはるかに小さい。メッシュ板３２を導波管２４の底表面から所定の距離を持った位置に設けて、プラズマのために十分な容積を持ち、ガス流管２６内でのアーク放電を回避することが好ましい。

図７Ａから図７Ｄは本発明による図１のガス流管２６の代替的な実施形態の平面図である。図示されるように、ガス流管２６６から２６９の断面形状は円、楕円、正方形、長方形、又は六角形とすることができる。当業者には他の適切な幾何学的形状が使用できることが明らかであろう。

図８Ａは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図示されるように、統合ガス変換モジュール４は複数の、例えば五十個の、ガス変換システム３を含む。それは制御部（図示なし）によって制御される流入ガスマニホールド５１ａ及び流出ガスマニホールド５２ａを含む。それぞれのガス変換システム３はスライド可能に取り付けられており、保守整備が必要な場合に簡単にアクセス可能である。

図８Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図示されるように、統合ガス変換システム５は複数の、例えば百九十二個の、ガス変換モジュール４を含む。それは制御部（図示なし）によって制御される流入ガスマニホールド５１ｂ、及び流出ガスマニホールド５２ｂを含む。それぞれのガス変換モジュール４はスライド可能に取り付けられており、保守整備が必要な場合に簡単にアクセス可能である。煙道ガスは流入ガス分離器（図示なし）に供給される。分離されたCO₂は流入ガスマニホールド５１ｂに供給され、その後にガス変換モジュール４上の流入ガスマニホールド５１ａを通してそれぞれのガス変換システム３に供給される。プラズマによって変換されたガスはガス変換モジュール４上の流出ガスマニホールド５２ａを通して流出ガスマニホールド５２ｂに集められ、その後に流出ガス分離器（図示なし）へ供給される。CO₂の循環を含む、流入ガス分離器以前及び流出ガス分離器以後の動作は図４に示されたシステムと同一であり、簡潔さのため繰り返しの記述は行わない。

図９Ａは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図示されるように、統合ガス変換モジュール４００は複数の、例えば六十個の、ガス変換システム３を含む。それは制御部（図示なし）によって制御される流入ガスマニホールド５１ａ、及び流出ガスマニホールド５２ａを含む。それぞれのガス変換システム３は放射状に配置されており、配管の容易さのためにガス管が中央に集中させることができ、人間である操作者は保守整備のための十分な空間を持つ。

図９Ｂは本発明による図４の統合ガス変換システムの代替的な実施形態の斜視図である。図示されるように、統合ガス変換システム５００は複数の、例えば二十個の、ガス変換モジュール４００を含む。それは制御部（図示なし）によって制御される流入ガスマニホールド５１ｂ、及び流出ガスマニホールド５２ｂを含む。煙道ガスは流入ガス分離器（図示なし）に供給される。分離されたCO₂は流入ガスマニホールド５１ｂに供給され、その後にガス変換モジュール４００上の流入ガスマニホールド５１ａを通してそれぞれのガス変換システム３に供給される。プラズマによって変換されたガスはガス変換モジュール４００上の流出ガスマニホールド５２ａを通して流出ガスマニホールド５２ｂに集められ、その後に流出ガス分離器（図示なし）へ供給される。CO₂の循環を含む、流入ガス分離器以前及び流出ガス分離器以後の動作は図４に示されたシステムと同一であり、簡潔さのため繰り返しの記述は行わない。

図３Ａ、図３Ｂ及び図４に示された統合ガス変換システムは４つのガス変換システムだけを持っていることが留意される。図８Ａに示された統合ガス変換モジュール及び図８Ｂに示された統合ガス変換システムはそれぞれ五十個のガス変換システム及び百九十二個のガス変換モジュールを持っていることもまた留意される。しかしながら、モジュール又はシステムは他の如何なる適切な数のガス変換モジュール又はシステムを含んでも良いことが当業者にとって明らかであろう。同様に、図９Ａ及び図９Ｂに示された統合ガス変換モジュールは他の適切な数のガス変換システム及びモジュールを持つことができる。

マイクロ波発生器１２ａ特にマグネトロンの価格は、出力が上がるにつれて急激に上昇する。例えば、十台の市販の電子レンジ（マイクロ波オーブン）のマグネトロンの価格は、その電子レンジの十倍の出力を持つ一台の高出力マグネトロンの価格よりも大幅に低い。従って、図３Ａから図８Ｂの複数のガス変換システムは、設計者が合計の変換能力を妥協せずに低コストのガス変換システムを作り上げることを可能にする。また、それは障害が発生した場合にガス分配を制御することで、より短いシステムのダウン時間をもつシステムを確立することを可能にする。

当然ながら、以上本明細書において記述したものは本発明の例示的な実施形態に関するものであり、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく変更を加えることが可能であることが理解されるであろう。

Claims

ガスを供給するための流入ガスマニホールド、
該流入ガスマニホールドに接続され、該流入ガスマニホールドからガスを受容するように構成された複数のガス変換ユニットであって、当該複数のガス変換ユニットのそれぞれは、
マイクロ波を伝搬させるためのマイクロ波導波管、
該マイクロ波導波管を通り抜けるガス流管であって、当該ガス流管を通過してマイクロ波を伝搬させるように構成された、ガス流管、
前記マイクロ波導波管の温度を制御するための第一の温度制御手段、
前記ガス流管の近傍に配置され、前記マイクロ波導波管の温度を測定するように構成された温度センサー、
前記ガス流管の近傍に位置付けられ、前記ガス流管内でプラズマを生起させて、動作中に前記プラズマが前記ガス流管内を流れるガスを変換するように構成された、生起器、及び、
前記マイクロ波導波管及び前記ガス流管の少なくとも一方に取り付けられ、プラズマを監視するように構成された、プラズマ検出器、
を有し、各ガス変換ユニットはスライド可能に取り付けられており、保守整備が必要な場合に簡単にアクセス可能である、複数のガス変換ユニット、
該複数のガス変換ユニットに接続され、該複数のガス変換ユニットからガスを受容するように構成された流出ガスマニホールド、並びに
前記流入ガスマニホールドを制御する制御部であり、当該制御部は、ガス変換ユニットが機能できない場合に、該機能できないガス変換ユニットへガスが供給されないように、前記流入ガスマニホールドからのガスの分配を制御するように構成されている、制御部、
を有するガス変換システム。
前記複数のガス変換ユニットのそれぞれは、
流入ガス分離器、
流出ガス分離器、及び、
該流出ガス分離器によって分離された二酸化炭素を前記ガス流管のガス流入口へ移動させ、それによりガス循環システムを形成するためのガスライン、
を更に有する、請求項１記載のガス変換システム。
前記流入ガスマニホールドの上流に配置された流入ガス分離器、
前記流出ガスマニホールドの下流に配置された流出ガス分離器、及び、
該流出ガス分離器によって分離された二酸化炭素をガス流入口へ移動させ、それによりガス循環システムを形成するためのガスライン、
を更に有する、請求項１記載のガス変換システム。
前記複数のガス変換ユニットのそれぞれは、前記ガス流管の温度を制御する第二の温度制御手段を更に有する、請求項１記載のガス変換システム。