KR101338266B1 - 가스 전환의 효율성을 최적화시키기 위한 수단을 포함하는 가스 개질 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실질적으로 밀봉되고 수용되었으며 제어된 환경 내에서 관련 특성들을 가진 초기 가스를 원하는 특성 파라미터를 가진 산출 가스로 효율적으로 개질시키기 위한 시스템과 방법을 제공한다. 이 가스 개질 시스템은 초기 가스 분자들 및 적절한 타입과 적절한 양이 주입된 공정 첨가제의 분자들을 이들의 구성성분으로 분해시키기 위해 가스 에너지화 필드를 사용하며 그 후 이 구성성분들은 원하는 파라미터들을 가진 산출 가스를 형성하기 위해 재조합된다. 상기 가스 개질 시스템은 공정을 조절하고 조절된 공정이 최적화될 수 있게 하는 컨트롤 시스템을 추가로 포함한다. 가스 에너지화 필드는 수소 버너 또는 플라즈마 토치에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다.

Description

가스 전환의 효율성을 최적화시키기 위한 수단을 포함하는 가스 개질 시스템{A GAS REFORMULATION SYSTEM COMPRISING MEANS TO OPTIMIZE THE EFFECTIVENESS OF GAS CONVERSION}

본 발명은 가스 개질 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 가스 전환의 효율성을 최적화하기 위한 수단을 포함하는 가스 개질 시스템에 관한 것이다.

오프-가스(합성가스)는 가스화, 플라즈마 가스화 및/또는 플라즈마 용융 등과 같은 다양한 재료 전환 공정으로부터 생성된다. 이 가스들은 적절한 하위 분야(예컨대, 발전, 액체연료와 화학물의 공업적 합성)에 이용될 수 있으며, 추후 사용을 위해 저장될 수 있거나 또는 연소될 수 있다. 어떤 경우에서는, 하위 분야(downstream application)에서 효율적으로 이용하기 위하여 화학적 조성을 개선시키기 위해, 생성된 가스를 개질하는 데 관심이 있다.

가스화 공정에서, 미정제 가스(raw gas)를 생성하기 위해, 제어된 및/또는 제한된 양의 산소 및 때로는 증기와 함께 탄소질 공급원료가 가스화장치(gasifier) 내에 공급된다. 가스화 공정으로부터 나온 오프-가스는 공급원료 조성에 따라 달라지며 H₂O, H₂, N₂, O₂, CO₂, CO, CH₄, H₂S, NH₃, C₂H₆, 및 아세틸렌, 올레핀, 방향족 물질, 페놀 그리고 타르와 같은 그 외 다른 탄화수소를 함유할 수 있다. 가스화 용도로 유용한 공급원료는 도시 폐기물, 산업활동에 의해 생성된 폐기물 및 생의학 폐기물, 하수, 슬러지, 석탄, 중유, 석유 코크, 정제 중잔여물(heavy refinery residuals), 정제 폐기물, 탄화수소 오염 토양, 생물자원(biomass), 농업용 폐기물, 타이어, 및 그 외 다른 유해 폐기물을 포함한다.

가스화 공정에서 생성된 가스의 품질에 영향을 끼치는 요인들에는, 입자 크기와 같은 공급원료 특성; 가스화장치 가열속도; 체류시간; 플랜트가 건식 또는 슬러리 공급 시스템을 사용하는 지의 여부, 공급원료-반응물 흐름의 기하학적 수치, 재 또는 슬래그 광물 제거 시스템의 디자인을 포함하는 플랜트 구성; 직접 또는 간접적인 열생성 및 열전달 방법 사용 여부; 및 합성가스 정제 시스템이 포함된다.

일부 가스화 설비들은 가스 품질 컨디셔닝 시스템을 통한 냉각 및 정제 작업에 앞서 가스를 보다 허용가능한 가스 조성으로 전환시키기 위한 가스 처리 시스템을 사용한다. 처리된 가스는 금속, 황 화합물 및 미세 미립자와 같은 원치않는 화합물들을 제거하기 위한 추가 처리 단계들을 거칠 수도 있다. 예를 들면, 미립자 물질 및 산 가스를 제거하기 위하여 건식 여과 시스템 및 습식 정제장치(scrubber)가 사용될 수 있다.

플라즈마는 산업상 두 가지 지배적인 에너지 공급원으로 사용되어왔다: 하나는 강한 열의 공급원으로서, 그리고 두 번째로는 분자들을 (반응성) 분해 단편들로 분해하는 것을 필요로 하는 많은 화학적 공정들을 개시하고 추진하는데 사용될 수 있는 자유 전자들의 공급원으로서 사용되어 왔다. 전자 충돌은 분자의 어떠한 해리 상태라도 여기시킬 수 있으며 분자를 단편으로 환원시킬 수 있는데, 이는 여러 환경들에서 라디칼 및 분자 단편들이 생성되는 중요한 메커니즘이다.

플라즈마는 적어도 부분적으로 이온화된 발광 가스이며, 전자 및 이온을 포함하는 여기된 가스 물질들로 이루어진다. 플라즈마는 많은 가스들을 사용하여 생성될 수 있어서, 작업 가스가 중성(예컨대, 아르곤, 헬륨, 네온), 환원성(예컨대, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소), 또는 산화성(예컨대, 산소, 이산화탄소)이 될 수 있을 때 플라즈마에서의 화학적 반응들 전반에 걸쳐 탁월한 제어를 제공한다.

상이한 플라즈마는 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 분류된다. 용어 "플라즈마 밀도"는 그 자체로 통상 전자 밀도, 즉, 단위 부피 당 자유 전자들의 수를 의미한다. 플라즈마의 이온화도는 손실한 (또는 수득한) 전자를 가지는 원자들의 비율이며 대부분 온도에 의해 제어된다.

플라즈마 온도는 통상적으로 켈빈 온도 또는 전자볼트로 측정되며, 입자 하나 당 평균 열역학 에너지의 비공식적 측정치이다. 큰 질량 차이로 인해, 전자들은 이온 또는 중성 원자들과 함께 평형에 도달하는 것보다 훨씬 신속하게 전자들간에 열역학적 평형을 이루게 된다. 이러한 이유로, "이온 온도"는 "전자 온도"와 매우 상이(통상적으로 더 낮음)할 수 있다. 전자, 이온, 및 중성자의 상대 온도에 기초하여, 플라즈마는 "열(thermal)" 또는 "비-열(non-thermal)"로 분류된다. 열 플라즈마는 동일한 온도에서 전자 및 무거운 입자들을 가진다, 즉, 이들은 서로와 열적 평형상태에 있다. 한편 비-열 플라즈마는 훨씬 낮은 온도에서 이온과 중성자를 가지며 전자들은 훨씬 더 "뜨겁다".

비-열 저온 플라즈마는 대기압에서 상대적으로 낮은 농도의 휘발성 유기 화합물을 파괴하는 것으로 해당 업계에 공지되어 있으며, 특히 저-농도의 폐기물 농축물의 처리 및 통상의 화학적 수단들에 의한 처리에 내성인 화합물들을 처리하는데 특히 바람직하다. 이러한 저온 플라즈마 처리 기술들은 일반적으로 고에너지 전자빔 조사 또는 전기 방전법, 가령, 펄스 코로나, 유전체 장벽, 모세관, 중공 캐소드(hollow cathode), 표면 및 충진층 코로나 방전에 관련된다. 이들 기술들 모두는 전기 에너지가 주위의 가스 이온 및 분자들보다 훨씬 더 높은 평균 운동에너지를 사용하여 전자를 생성할 수 있다는 사실에 따른다. 이들 에너지화 전자들은 바탕 가스와 상호작용하여 오염물을 우선적으로 파괴하게 될 고도로 반응성인 화학종(즉, 라디칼, 음이온, 양이온 및 2차 전자)을 생성할 수 있다.

폐기물 관리 분야에서, 플라즈마 토치(plasma torch)는, 유해 폐기물을 오프-가스(즉, 합성가스)로 전환시키고 무기 물질들을 대부분 포함하는 잔여물을 슬래그로 용융시킴에 의하여 유해 폐기물의 가스화, 용융 및 파괴를 추진하기 위한 열공급원으로서 사용되어왔다. 일부 플라즈마 가스화 시스템은 플라즈마 토치를 가스화 공정을 추진하기 위하여 사용할 뿐만 아니라, 다른 유입물(inputs) 또는 반응물을 첨가하거나 첨가하지 않고 긴 사슬의 휘발물을 더 작은 분자들로 전환, 재구성 또는 개질시킴에 의하여 가스화 챔버에 있는 미정제 오프-가스를 처리하기 위하여도 사용한다.

플라즈마 공급원은 또한 활성 화학종의 공급원으로서도 사용되어 왔다. 이들 활성 화학종들은 유해성 가스 분자들을 독성이 덜한 화학종으로 전환하는 것을 개시하고 추진하기 위하여 사용되어 왔다. 한 예가 미국 특허 제 6,810,821호에 제공되어 있는데, 이 특허는 흑연 전극 플라즈마 아크로(arc furnace)로부터 오프-가스에 존재하는 카본 블랙/숯을 환원시키기 위하여 설계된 싸이클론식 산화반응기(cyclonic oxidizer)를 기재한다. 싸이클론식 산화반응기는 질소를 배제시킨 산소 혼합물 및 이산화탄소를 포함하며 작업 가스를 이온화시키기 위하여 플라즈마 토치를 사용한다. 가스 혼합물이 플라즈마 아크 영역에서 이온화될 때, 이산화탄소는 매우 반응성인 일산화탄소와 산소 원자로 전환된다. 싸이클론식 산화반응기 챔버는 오프-가스의 업스트림 단부 근방에서 매우 높은 속도로 오프-가스를 접선방향으로 수용함으로써, 싸이클론식 산화반응기 내부에 싸이클론 조건을 생성한다. 싸이클론식 산화반응기 내에서 반응성 산소 원자의 존재 및 개선된 난류 환경을 조합하면, 카본 블랙/숯 및 부산물 가스에 존재하는 일시적 독성 물질은 효율적으로 전환되고 파괴될 수 있다.

미국 특허 제 6,810,821호는 또한 고내열성 원자화 노즐(high temperature resistance atomizing nozzle)에 의해 원자화되어 챔버 내부에 산화제로서 주입되는, 산소 원자 및 증기의 주입에 의하여 추가 산화제들이 제공되는 것을 설명한다. 산화 반응 효율성은 싸이클론식 산화반응기 내부에서의 강력한 싸이클론 작용에 의해 유발된, 부산물 가스 및 주입된 산소 원자와 증기간의 강력한 내부 혼합에 의해 증가된다. 싸이클론식 산화반응기는 낮은 발열량의 폐기물을 사용하여 부산물 가스를 완전히 물과 이산화탄소로 전환시킨다. 높은 발열량의 폐기물을 사용하면, 최종 부산물 가스는 전기 생성을 위한 고품질의 가연성 합성가스가 될 수 있다. 이러한 싸이클론식 산화반응기는 오염물을 산화시킴으로써 오프-가스를 처리(즉, 정제)할 수 있지만, 오프-가스를 원하는 화학적 조성의 생성물 가스로 개질시키기 위해 설계된 것은 아니다. 이러한 싸이클론식 산화반응기는 오프-가스를 정해진 조성의 가스로 개질시키는데 사용될 수 있는 가스 개질 영역을 생성하기 위하여 플라즈마 토치를 사용하지 않는다.

또 다른 예는 미국 특허 제 6,030,506호에서 제공되는데, 이 특허는 비-열 플라즈마 활성화된 외부 화학종들을 대상 유체(subject fluid)로 전달하기 위한, 다음 단계들을 포함하는 방법 및 장치를 설명한다: (a)에너지화 수단에서 활성화된 화학종을 생성하는 단계; 및 (b)생성된 활성화 화학종들을 고속 주입 수단을 사용하여 대상 유체에 도입하는 단계. 이 발명은 표백을 위한 대규모 화학의 실시, 화학적 반응의 개선 및 오염 제거 장치 및 방법을 제공할 뿐만 아니라 대기 오염 제어 또한 다룬다.

미국 특허 출원 제 11/745,414호는 가스 개질 시스템의 첫 번째 실시예를 제공하는데, 여기서 시스템 내부에의 플라즈마 토치의 배치는 각각의 토치 앞쪽에 오프-가스가 개질될 수 있는 반응성 필드를 제공한다. 이들 플라즈마 토치 및 에어 젯(air jet)의 배치는 챔버 내에서의 가스의 체류시간 및 흐름 패턴을 최적화하도록 설계된다.

전술한 시스템들은 미정제 합성가스의 대부분을 원하는 화학적 조성의 가스로 개질시키는 전체 효율성과 에너지화 메커니즘을 최적화시키지 못한다. 전반적으로 가장 비용효율적인 방식으로 탄소질 공급원료를 전기와 같은 에너지로 전환시키는 것을 추구하는 상업적 설비들은 합성가스를 하위 분야를 위해 의도된 조성의 가스로 효과적으로 전환시키기 위한 시스템을 필요로 한다. 따라서, 공정의 전체적인 효율성을 최적화시키는 가스 개질 시스템, 및/또는 초기 가스를 정해진 조성의 가스로 전환시키는 전체적인 공정을 포함하는 단계들을 제공하는 것은 해당 업계에서 상당한 진보를 이루는 것이 될 것이다.

본 발명은 분자들의 반응성 분해 단편들(중간생성물들)로의 분해를 개시시킴으로써 가스 개질 공정을 개시시키는 하나 이상의 에너지 공급원을 결합시킨 시스템을 제공한다. 에너지 공급원은, 가스 개질 공정 전체에 걸쳐 에너지 전이(energy transference)를 최적화하고 시스템 내부로 유입되는 가스의 양에 대한 개질될 가스의 양(가스 개질 비율)을 최적화함에 의하여 가스 개질 공정의 효율성을 최적화시키기 위하여 설계된 가스 매니퓰레이터와 결합된다.

본 발명의 목적은 가스 전환의 효율성을 최적화시키기 위한 수단들을 포함하는 가스 개질 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 초기 가스를 원하는 특성을 가진 개질된 가스로 개질시키기 위한 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 초기 가스의 특성을 하나 이상 감지하기 위한 수단; 개질을 위한 공정 유입물(process inputs)을 하나 이상의 초기 가스 특성 및 원하는 개질된 가스 특성에 기초하여 변형시키는 수단; 초기 가스의 가스 분자들 중 실질적인 대부분을 개질된 가스로 개질시키기에 충분한 하나 이상의 에너지 공급원을 제공하는 수단; 개질 촉진 수단; 개질된 가스를 안정화시키는 수단; 및 컨트롤 시스템을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 초기 가스를 원하는 특성들을 가진 개질된 가스로 개질시키기 위한 공정이 제공되는데, 이 공정은, 하나 이상의 초기 가스 특성을 감지하는 단계; 개질을 위한 공정 유입물을 감지된 초기 가스 특성들 및 원하는 산출 가스 특성들에 기초하여 변형시키는 단계; 가스 분자들의 대부분을 이들의 구성성분(constituent)으로 개질시키기에 충분한 가스 에너지화 필드를 제공하는 단계; 상기 구성성분들을 원하는 특성의 개질된 가스로 개질시키기 위한 효율적인 공정 가속화를 촉진하는 단계; 원하는 특성들을 유지시키기 위하여 새로이 형성된 분자들의 탈에너지화 및 안정화를 촉진하는 단계; 및 초기 가스의 산출 가스로의 효율적 전환을 관리하는 단계들 중 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 가스 개질 공정들의 개시를 위한 하나 이상의 에너지 공급원들; 가스 개질 공정 전체에 걸쳐 에너지 전이를 최적화하기 위한 하나 이상의 가스 매니퓰레이터를 포함하는 가스 개질을 위한 시스템이 제공되는데; 여기서, 상기 하나 이상의 에너지 공급원 및 하나 이상의 가스 매니퓰레이터는 가스 개질 비율을 최적화시키기 위하여 통합된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 하나 이상의 가스 개질 영역; 하나 이상의 가스 안정화 영역; 전체 공정을 조절하는 컨트롤 시스템; 선택적으로 하나 이상의 가스 추가 영역, 및/또는 선택적으로 하나 이상의 가스 정제 영역을 포함하는 가스 개질 시스템이 제공되는데, 여기서 상기 시스템 영역들은 초기 가스의 대부분이 원하는 조성의 가스로 개질되도록 하는 방식으로 배열되고 제어된다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 초기 가스를 개질된 가스로 개질시키는 방법이 제공되는데, 이 방법은 초기 가스를 가스 개질 챔버로 전달하는 단계; 유입 가스를 적어도 하나의 공정 첨가제와 혼합하여 사전형성된 가스를 생성하는 단계; 생성된 사전형성된 가스를 가스 에너지화 필드에 노출시켜, 가스 내부의 분자들을 이들의 구성성분 원소들로 분해하는 단계; 분해된 구성성분 원소들을 원하는 화학적 조성의 분자 화학종으로 개질시킴으로써 개질된 가스를 생성하는 단계; 및 개질된 가스를 챔버로부터 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 초기 가스를 개질된 가스로 개질시키기 위한 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 초기 가스를 수용하기 위한 하나 이상의 유입구를 포함하는 하나 이상의 내화재-라이닝된 챔버 및 하나 이상의 챔버 내부에서 가스 에너지화 필드를 생성하기 위한 수단을 포함하며; 하나 이상의 내화재-라이닝된 챔버는 초기 가스를 수용하기 위한 하나 이상의 유입구; 개질된 가스를 배출시키기 위한 하나 이상의 배출구; 챔버와 유체 소통하는 하나 이상의 공정 첨가제 유입구; 하나 이상의 챔버들 내부에 배치된 하나 이상의 가스 매니퓰레이터; 하나 이상의 챔버 내부에서 가스 에너지화 필드를 생성하기 위한 수단을를 포함한다.

특히, 이 시스템은 하나 이상의 공급원으로부터 초기 화학적 조성의 가스 (사전형성된 가스)로의 에너지 전달을 최적화하기 위해 설계되어 있으며 그리하여 개질 공정 전반에 걸쳐 상기 가스는 효율적인 방식으로 원하는 화학적 조성의 가스로 개질될 수 있다. 이 시스템은 가스가 가스 개질 챔버를 통해 통과할 때 개질 반응들의 속도, 효율성 및 완전성을 개선시키고, 전체적으로 가스를 개질시키는데 필요한 에너지의 양을 최소화하고, 원하는 화학적 조성의 가스로 개질되는 가스의 백분율을 최대화하는 기능을 하는 가스 매니퓰레이터 내부에서 구체화되는 설계 전략(design strategy)을 포함한다.

따라서, 가스 개질 시스템은 하나 이상의 "가스 개질 영역" 및 하나 이상의 "가스 안정화 영역"을 포함한다. 이러한 시스템은 선택적으로 통상 가스 개질 영역의 업스트림에 위치하는 하나 이상의 "가스 추가 영역" 및/또는 일반적으로 가스 안정화 영역의 다운스트림에 위치하는 하나 이상의 "가스 정제 영역"을 추가로 포함하며, 첨가제와 가스의 혼합을 구현하는 수단들을 구비할 수도 있고 구비하지 않을 수도 있는데, 여기서 혼합은 일반적으로 가스 내부에 난류(turbulence)를 증가시킴으로써 이루어진다. 가스 안정화 영역은 가스가 냉각될 때 가스로부터의 열을 포획하기 위한 열전달 수단을 선택적으로 포함한다. 상기 시스템 영역들은 초기 가스의 대부분이 본 발명의 시스템을 통과한 후 원하는 조성의 가스로 개질될 수 있도록 하는 방식으로 배열되고 제어된다. 가스 개질 시스템은 전체적인 공정을 조절하는 컨트롤 시스템을 추가로 포함한다.

도 1 내지 도 77은 본 발명의 다양한 실시예 및/또는 구성성분 부분들을 도시한다.
도 1과 도 2는 가스 개질 시스템의 여러 영역들을 도시한다. 점선들은 선택적 영역들을 도시한다. 가스는 도 2C와 도 2D에 표시된 바와 같이 영역들이 직렬로 배열되거나 또는 병렬로 배열되어 처리될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 가스 개질 시스템을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 4는 가스화장치에 결합된 본 발명의 가스 개질 시스템의 한 구체예를 도식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 두 개의 가스화장치에 결합된 본 발명의 가스 개질 시스템의 한 구체예를 도식적으로 도시한 도면이다.
도 6은 공통적인 초기 가스 유입구를 통해, 두 개의 가스화장치에 결합된 본 발명의 가스 개질 챔버의 한 구체예를 도식적으로 도시한 도면이다.
도 7, 도 8, 도 13 및 도 14는 수소 버너, RF 플라즈마 및 마이크로웨이브 플라즈마, 레이저 플라즈마, 코로나 플라즈마와 같은 가스 에너지화 공급원 타입들을 도시한다.
도 9는 비이행형 아크 토치, 이행형 아크 토치, 유도 결합 플라즈마 토치, 마이크로웨이브 플라즈마 토치와 같은 플라즈마 공급원 타입들을 도시한다.
도 12는 수소 버너를 도시한다.
도 10과 도 11은 본 발명의 여러 구체예들에 따라 유도결합식 플라즈마 토치, 가스 개질 시스템 내의 수소 버너 및 마이크로웨이브 플라즈마 토치 사용법을 예시한다.
도 15는 가스 개질 채널들의 다양한 구체예들을 도시한다.
도 16은 가스 개질 채널들의 다양한 구체예들을 도시한다.
도 17은 가스 개질 채널들의 다양한 구체예들을 도시한다.
도 18은 가스 개질 채널들의 다양한 구체예들을 도시한다.
도 19는 혼합 장치를 사용하는 가스 개질 채널을 도시한다.
도 20A-20B는 본 발명의 두 구체예들에 따라 가스 혼합을 증가시키기 위해 가스 개질 챔버 내에서 수축부(constriction)를 사용하는 것을 도시한다.
도 21 내지 도 23은 여러 가스 개질 챔버 디자인들을 도시한다.
도 24는 가스 개질 시스템의 여러 구체예들을 도시하는데, 여기서 가스 스트림(gas stream)은 상대적으로 더 작은 흐름들로 분리되어 병렬방식으로 개질을 거치게 된다.
도 25는 초기 가스 스트림과 서로 대면하는 가스 에너지화 공급원들의 다양한 배열을 도시한다.
도 26A-26C는 본 발명의 다양한 구체예들에 따라 가스 개질 챔버로 삽입되는 서로 다른 형태의 흐름 제한기들을 도시한다.
도 27A-27B는 본 발명의 두 개의 구체예들에 따라 실질적으로 전체 길이의 가스 개질 챔버를 위해 연장되는 서로 다른 흐름 제한기들을 도시한다.
도 28A-28B는 본 발명의 두 개의 구체예들에 따라 실질적으로 전체 길이의 챔버를 위해 연장되는 흐름 제한기들로 구비된 가스 개질 챔버를 3차원으로 도시한 도면들이다.
도 29A-29G는 흐름 제한기의 상이한 구체예들을 도시한다.
도 30A는 본 발명의 한 구체예에 따른 다중 디스크를 가진 회전 샤프트를 도시한다. 도 30B-30E는 가스가 에너지화 필드와 상호작용하는 것을 향상시키기 위해 회전 샤프트로 사용될 수 있는 서로 다른 디스크 구조들을 도시한다.
도 31A-31C는 본 발명의 다양한 구체예들에 따라 디스크와 샤프트를 위한 상이한 회전 방법들을 도시한다.
도 32와 도 33은 본 발명의 두 구체예들에 따라 가스 에너지화 필드로 각각 안내하기 위한 디플렉터와 코안다-효과 디플렉터 사용법을 도시한다.
도 34A-34B는 본 발명의 두 구체예들에 따라 플라즈마 기둥의 공간분포를 활성적으로 제어하기 위한 하나 이상의 에어 노즐 사용법을 도시한다.
도 35A-35D는 플라즈마 기둥을 가스 개질 챔버 내로 재안내하기 위한 상이한 디플렉터 사용법을 도시한다.
도 36A-36D는 본 발명의 다양한 구체예들에 따라 비대칭 회전 샤프트 물체 디플렉터 사용법을 도시한다.
도 37은 본 발명의 한 구체예에 따르며 토치 장착 시스템을 상세하게 보여주는 가스 개질 시스템의 일부분을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 38A는 본 발명의 한 구체예에 따라 가스 에너지화 필드를 가스 스트림의 흐름에 대해 역류방식으로 안내하도록 위치된 가스 에너지화 공급원을 도시한다. 도 38B는 가스가 상측 부분 가까이에서 유입되어 바닥 부분을 향해 배출되는 구체예를 도시한다. 도 38C는 본 발명의 한 구체예의 플라즈마 토치와 유입구 방향을 도식적으로 예시하는 도면이다.
도 39와 도 40은 유입 가스 스트림과 가스 개질 챔버와 서로 대면하는 가스 에너지화 공급원들의 다양한 배열을 도시한다.
도 41은 가스 개질 챔버 내 배플의 배열을 예시한다. 도 41A는 브릿지 월 배플을 포함하는 가스 개질 챔버 내의 공기-흐름을 예시한다. 도 41B는 터뷰레이터(turbulator) 또는 초크 링 배플을 포함하는 가스 개질 챔버 내의 공기-흐름을 예시한다.
도 43A-43B는 개질을 향상시키기 위해 포함된 난류 영역들을 도시한다. 도 43C는 난류발생장치의 예를 도시한다.
도 44는 개질 반응기 내에 접선방향으로 유입되는 개질되어야 하는 가스가 플라즈마 토치와 가스 매니퓰레이터에 의해 처리되는 소용돌이를 생성하는 것을 도시한다.
도 45와 46은 난류를 발생시키기 위한 대표 수단을 도시한다.
도 47은 타입 A 노즐로부터 나온 공기-흐름을 예시하는 다이어그램이다. 도 48은 타입 B 노즐로부터 나온 공기-흐름을 예시하는 다이어그램이다.
도 49와 도 50은 개질 챔버 내에서 촉매로서 사용되는 숯의 고정층을 도시한다. 도 51은 가스 개질 챔버와 조합하는 가스화장치를 도시하는데, 여기서 가스화장치에서 생성된 숯은 촉매분해로 이어진다.
도 52 내지 도 54는 가스화장치 내에 생성된 가스를 개질시키기 위해 촉매층과 에너지화 필드를 조합하는 다양한 구성을 도시한다.
도 55 내지 도 57은 본 발명의 한 구체예에 따라 촉매층이 가스 개질 챔버 내에 위치할 수 있는 여러 위치들을 도시한다.
도 58과 도 59는 본 발명의 한 구체예에 따라 가스 개질 시스템의 안정화 영역 내에 사용된 열교환 시스템에 관한 도면이다.
도 60A는 가스 개질 챔버의 한 구체예를 도식적으로 도시한 도면이다. 도 60B는 내화재 서포트를 상세하기 보여주는 도 60A의 가스 개질 챔버의 횡단도면이다.
도 61 내지 도 64는 가스 개질 챔버, 가스화장치 및 탄소전환장치들의 다양한 구성을 도시한 도면이다.
도 65는 본 발명의 가스 개질 시스템에 연결될 수 있는 가스화장치를 도시한다.
도 66 내지 도 68, 도 74 및 도 77은 원통형의 가스 개질 챔버에 새로 장착되도록 설계된 대표 가스 매니퓰레이터를 다양하게 도시한 도면들이다.
도 69, 도 70, 도 72, 도 73, 도 75, 도 76은 원통형의 가스 개질 챔버 내에 설치된 바와 같이 도 66의 대표 가스 매니퓰레이터를 다양하게 도시한 도면들이다.
도 71은 도 66의 대표 가스 매니퓰레이터가 없는 가스 개질 챔버의 상측 부분을 도시한다.
도 78은 도 1 내지 도 77에 사용된 바와 같은 가스 에너지화 공급원들을 대표하는 다양한 도면들이다. 모든 도면들은 본 명세서에 특정적으로 표시된 임의의 가스 에너지화 공급원을 표시하도록 사용될 수 있으며 임의의 가스 에너지화 공급원에 대해 균등하고, 혹은 해당 업계의 당업자에게 공지되어 있다.

그 외 달리 정의되지 않는다면, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명의 당업자들에게 공통적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "약(about)"은 명목상의 값으로부터의 ±10%의 편차를 의미한다. 이러한 편차는 특별히 언급되든 아니든 간에 본 명세서에 제공된 임의의 주어진 값에 항상 포함되는 것으로 이해하면 된다.

용어 "반응성 화학종(reactive species)"은 개질 공정을 통해 형성된 에너지화 화학종(energetic species)을 의미한다. 비제한적 예들에는 플라즈마와 같은 에너지 공급원에 의해 생성된 자유전자들, 또는 라디칼(radical) 또는 원하는 상세의 화학적 조성으로 개질시킬수 있는 사전형성된 가스의 중간 분해생성물/단편("사전형성된 분자(preformulated molecules)") 및/또는 에너지를 다른 분자들로 전달하며 오프-가스(예를 들어, 합성가스) 내에서 생성되는 사전형성된 가스의 중간 분해생성물(중간 유도생성물)이 포함된다. 당업자는 에너지 전달 과정이 지속됨에 따라 사전형성된 분자들이 순차적으로 반응성 화학종이 되며, 수득된 에너지를 가스 개질 영역 내의 다른 분자들로 전달하게 되는 것을 이해할 것이다.

용어 "미정제 오프-가스(raw off-gas)"는 공급원료를 슬래그로 전환시키는 공정을 통해 공급원료로부터 배출되는 가스를 의미한다. 이러한 타입과 품질을 가진 가스는 해당 업계에서 종종 "합성가스(syngas)"로 언급된다.

용어 "부분적으로 처리된 미정제 오프-가스(partially processed raw off-gas)"는, 폐기물을 분해하여 가스와 슬래그로 전환하도록 설계된, 플라즈마 용융 시스템과 같은 가스화 시스템 내에서 생성되는, 강한 열 또는 반응성 화학종과 같은 조건들로 인해 어떤 방식으로든 처리된 미정제 오프-가스(미정제 합성가스)를 의미한다. 이러한 처리법에는 미정제 오프-가스를 플라즈마 또는 그 외 다른 에너지 공급원들에 노출시키는 것을 포함할 수 있다.

용어 "초기 가스(initial gas)"는 하나 이상의 하위 분야를 위한 화학적 조성으로 개질되어야 하는 가스를 의미한다. 이 초기 가스에는 미정제 오프-가스(미정제 합성가스) 및/또는 부분적으로 처리된 미정제 오프-가스가 포함된다.

용어 "사전형성된 가스(preformulated gas)"는 가스 개질 영역으로 유입되는 가스를 지칭하도록 사용된다. 이 사전형성된 가스는 초기 가스 및 초기 가스를 원하는 화학적 조성으로 개질시키기 전에 가스의 화학적 조성을 조절하기 위하여 첨가되어 있는 임의의 선택적인 공정 첨가제(process additives)를 포함한다. 예를 들어, 가스가 증가된 수준의 수소를 필요로 하는 경우 가스 개질 영역의 업스트림에 공정 첨가제로서 증기가 첨가될 수 있으며, 이에 따라 개질 가스(reformulating gas)는 개질된 최종 가스 생성물(gas product)의 적절한 화학적 조성을 위해 제공되는 충분한 양의 수소 화학종(hydrogen species)을 함유할 것이다. 어떠한 선택적 공정 첨가제도 첨가되지 않으면, "사전형성된 가스"는 "초기 가스"와 동일한 조성을 가진다.

용어 "개질된 가스(reformulated gas)"는 가스 개질 시스템(Gas Reformulation System)으로부터 배출된 가스를 의미한다.

용어 "가스 개질 비율(Gas Reformulation Ratio)"은 가스 개질 시스템에 유입되는 가스의 양에 대한 개질된 가스의 양을 나타내기 위해 사용된다. 이 가스 개질 비율은 다음 식으로 기술될 수 있다.

대안으로, 그리고, 특히 어떠한 공정 첨가제 가스도 사용되지 않은 경우에는, 가스 개질 비율은 다음 식으로 기술될 수 있다.

가스 개질 비율은 직접적으로 또는 간접적으로 결정될 수 있다. 사전형성된 가스와 개질된 가스의 다운스트림 에너지 생성량(downstream energy production)을 비교함으로써, 가스 개질 비율이 간접적으로 결정될 수 있다. 다운스트림 에너지 생성량은 개질된 가스 백분율을 반영한다. 다운스트림 에너지 생성량이 증가하는 것은 개질된 가스의 백분율이 증가하는 것을 나타낸다.

용어 "가스 매니퓰레이터(Gas Manipulators)"는 가스 개질 공정을 촉진시키기 위한 기능을 본 발명의 시스템에 통합한 특징부들을 가리킨다.

본 명세서에서 번갈아 사용되는, 용어 "탄소질 공급원료(carbonaceous feedstock)" 및 "공급원료(feedstock)"는 가스화 공정에 사용될 수 있는 탄소함유 물질을 의미한다. 적절한 공급원료의 예에는, 도시 폐기물(municipal waste)을 비롯한 유해성 및 비-유해성 폐기물; 산업 활동에 의해 생성된 폐기물; 생의학 폐기물; 비-재생성 플라스틱을 비롯한, 재생에 부적절한 탄소질 물질; 하수 슬러지; 석탄; 중유; 석유 코크(petroleum coke); 비튜멘(bitumen); 정제 중잔여물(heavy refinery residuals); 정제 폐기물; 탄화수소 오염된 고형물질; 생물자원(biomass); 농업용 폐기물; 도시 고형 폐기물; 유해 폐기물 및 산업 폐기물이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 가스화에 유용한 생물자원의 예에는 폐목재; 생목재; 과실, 야채 및 곡물 가공과정에서 나온 잔여물; 종이 분쇄 잔여물; 짚; 풀, 및 비료(manure)가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

용어 "가스 에너지화 공급원(gas energizing source)"은 에너지를 사전형성된 가스에 가하여 이 사전형성된 가스를 정해진 조성의 가스로 개질시킬 수 있게 하도록 사용될 수 있는, 당업자에게 공지된 임의의 에너지 공급원을 의미한다. 이에 대한 예들에는, 플라즈마 생성원(plasma generating source), 방사선원(radiation source), 수소 버너(hydrogen burner), 전자빔건(electron beam gun) 등이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

용어 "가스 에너지화 필드(gas energizing field)"는 에너지를 개질 공정이 일어나는데 필요한 가스에 제공하기 위해 상기 시스템 내에서 사용되는 하나 이상의 가스 에너지화 공급원에 의해 생성된 필드 효과(field effect)를 지칭하기 위해 사용된다. 예를 들어, 플라즈마 토치에 의해 생성된 가스 에너지화 필드는 토치 파워, 작용 가스 소비량, 토치 위치, 토치 배열 방향 등에 따라 달라지는 3차원 공간을 나타낼 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "센싱요소(sensing element)"는 시스템, 입력(input) 및/또는 출력(output)의 하나 이상의 특성, 파라미터, 및/또는 정보를 감지하고, 탐지하며, 판독하고, 모니터링 등을 하기 위해 구성되는, 가스 개질 시스템에 관련된 임의의 요소의 양태(aspect)를 기술하는 가장 광범위한 개념으로 사용된다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "응답요소(response element)"는 신호에 응답할 수 있는, 가스 개질 시스템에 관련된 임의의 요소의 양태를 기술하기 위해 사용된다.

가스 개질 시스템(Gas Reformulation System)

본 발명은 탄소질 공급원료의 가스화로부터 배출되는 가스를 효율적으로 개질시키기 위한 시스템을 포함한다. 이 시스템에 유입시켜야 하는 초기 가스는 일반적으로 가변 길이를 가진 탄화수소 분자들의 복합 혼합물을 포함한다. 가스의 오염물 특성과 화학적 조성은 공급원료의 조성, 가스를 생성하는데 사용되는 공정 및 가스화 시스템 내의 조건들에 좌우될 것이다. 어떤 가스화장치는 단일 단계의 공정 용도로 설계되는데, 여기서 단일 챔버 내에서 가스를 생성시키기 위해 다양한 형태의 열이 사용된다. 그 외 다른 가스화장치들은, 한 챔버의 상이한 영역에서 또는 상이한 챔버들에서 또는 이들의 일부 조합에서, 다단계 공정으로 가스를 생성한다. 어떤 시스템이라도 통상 가스화 챔버 내의 열공급원(heat source)으로 인해 미정제 오프-가스의 일부 사전처리과정(pre-processing)을 포함할 수 있다.

이러한 설계 전략의 하나의 주목적은 가스 에너지화 영역(gas energizing zone)에서 반응성 화학종에 미정제 합성가스 및/또는 사전형성된 가스양을 효율적으로 노출시키는 것을 최적화시키는 데 있다. 효율적으로 노출되는 정도가 크면 클수록, 에너지 전이 효율성이 커지며, 이에 따라, 전체적으로 가장 비용효율적인 방식으로, 사전형성된 가스를 원하는 화학적 조성의 가스로 전환시키는 비중이 커진다.

이러한 설계 전략의 예들은 전체 시스템 디자인을 포함한다. 예를 들어, 중요한 설계 전략은 가스 에너지화 필드에 대한 사전형성된 가스의 흐름 패턴(난류) 및 특히 특정 시간 동안 이 필드를 통과하는 가스의 양을 포함한다. 이러한 전략의 한 예로서, 사전형성된 가스가 전기 아크를 생성하는 플라즈마를 통과하는 시스템 디자인이 있다. 또 다른 예에는, 플라즈마 기둥(plasma plume)이 사전형성된 가스에 역류방식으로 흐르도록(flow counter-current) 그리고 플라즈마 기둥이 사전형성된 가스 내로 직접적으로 흐르도록, 플라즈마 토치가 위치되는 시스템 디자인이 있다. 또 다른 구체예에서, 사전형성된 가스는 직렬 또는 병렬 가스 에너지화 필드를 통과한다.

본 발명의 개질 시스템은 생성 가스(product gas)로 개질되는 사전형성된 가스의 양을 최적화시키도록 설계된다. 한 구체예에서, 이 공정의 효율성은 용어 "가스 개질 비율(Gas Reformulation Ratio)"로 나타나는데, 상기 가스 개질 비율은 사전형성된 가스 또는 초기 반응 가스양으로 나눈 개질된 생성 가스양 X 100 = 개질된 가스의 백분율이 된다. 한 구체예에서, 가스 개질 비율은 95%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 90%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 85%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 80%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 75%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 70%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 65%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 가스 개질 배율은 60%이거나 또는 이보다 크다. 한 구체예에서, 이는 초기 가스에 비해 개질된 가스의 값의 비율로서 표시된다. 한 구체에서, 이 값은 전기 생성에 있어서 에너지화값(energetic value)이 된다.

초기 가스를 원하는 조성의 가스로 효율적으로 개질시키기 위하여, 본 발명은 하나 이상의 "가스 개질 영역", 및 하나 이상의 "가스 안정화 영역(gas stabilizing zone)"을 포함한다. 가스 안정화 영역은 가스가 냉각될 때 가스로부터 열을 포획(capture)하기 위한 열전달수단을 선택적으로 포함한다. 시스템은 혼합이 이루어지거나 또는 이루어지지 않는, 통상 가스 개질 영역의 업스트림에 위치되는 하나 이상의 "가스 추가 영역(gas additive zone)"을 선택적으로 포함한다. 또한 시스템은 통상 가스 안정화 영역의 다운스트림에 위치된 하나 이상의 "가스 정제 영역(gas cleaning zone)"을 선택적으로 포함한다.

명확하게 하기 위해 이 영역들은 개별적으로 기술된다. 하지만, 이 영역들이 일반적으로 연속적이고 시스템 내에서 상호 연관성이 있으며, 시스템이 불연속적이고 물리적으로 분리된 영역들을 포함하는 것(대안의 선택사항이긴 하지만)에만 제한되지 않음을 이해해야 한다. 특정 구체예의 디자인에 따라, 이 영역들은 거의 분리될 것이다. 또한, 단지 참조를 용이하게 하기 위하여 상기 영역들은 해당 영역에서 지배적으로 수행되는 공정 단계에 따라 명명되었다(named). 하지만, 당업자는 개질 공정의 특성으로 인해 그 외 다른 공정 단계들은 해당 영역에서 상대적으로 적게 수행될 수 있음을 이해할 것이다.

가스를 효율적으로 개질시키는 시스템은 초기 가스 분자들이 개질을 시작할 수 있도록 초기 가스 분자들의 에너지를 올릴 수 있어야 한다. 특히 반응성 중간생성물(reaction intermediates)의 개질이 개시된다(initiated). 반응의 에너지화 공정(energetic process)은 아래와 같은 곡선에 의해 설명된다.

당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 화살표는 원하는 화학적 조성의 분자들로의 개질을 시작하기 위하여 초기 화학적 조성의 가스 분자들을 유도하는데 필요한 에너지를 나타낸다. 점선은 촉매가 분자들의 개질을 수행하는데 필요한 에너지의 양을 낮추기 위해 사용될 때 필요한 에너지를 나타낸다. 통상의 지식수준의 당업자는 초기 가스 분자들의 결합을 파괴하고 개질된 분자들과 원자들로 개질되게 하기 위하여 초기 가스 분자들에 충분한 에너지가 가해질 필요가 있음을 이해할 것이다. 적당한 조건 하에서, 개질된 분자들 및/또는 원자들이 완전히 혼합할 수 있게 된다면, 이 원자들은 존재하는 화학종의 상대농도에 따라 재결합할 것이다. 게다가, 상당한 양의 사전형성된 가스가 에너지화 필드를 통과하는 경우, 상당한 양의 가스가 개질될 것이다.

가스를 효율적으로 개질하고자 하는 목적을 구현하기 위하여, 당업자는 가스의 개질 전체에 걸쳐 다음의 네 가지 화학적 공정들이 발생하는 것을 이해할 수 있다: 1)중간생성물 개질 개시 단계(initiation); 2)중간생성물의 적어도 일부분이 전파되는 단계(propagation); 3)중간생성물 개질 종결 단계(termination); 및 4)생성 가스 안정화 단계(stabilization).

가스 개질 공정은 네 개의 일반적인 공정들을 수반하도록 고려될 수 있다. 첫 번째 공정에서, 초기 가스 분자들과 같은 반응물 및 에너지 공급원, (자유전자, 및 그 외 다른 에너지화된 또는 활성화된 화학종(activated species), 가령, 이온과 자유 라디칼들이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아님)은 혼합을 통해 함께 모여지며 화학종 대 화학종(species-to-species) 접촉 상태에 도달한다. 이러한 접촉과 혼합물의 충분한 에너지 수준의 결과로, 반응물들이 상호작용하여 화학적 중간생성물(chemical intermediates)이 형성된다. 이 중간생성물 중 일부는 함께 반응하여 개질이 종결될 수 있으나, 중간생성물의 적어도 일부는 또 다른 단계를 거치게 되며, 이 단계에서 중간생성물은 반응물들의 참여하에 또는 반응물들의 참여없이 중간생성물 서로 간에 반응하여 다른 중간생성물들을 생성하며 이에 따라 연쇄화학반응을 일으킨다. 또 다른 공정에서, 중간생성물의 개질은 화학적 및/또는 물리적 수단에 의해 종결되며 특정 생성물을 생성한다. 네 번째이자 최종 단계에서, 형성된 생성물은 특정의 화학적 및/또는 물리적 조건들이 유지될 때 안정화된다.

따라서 중간생성물의 개질 개시 단계는 가스 개질 영역 내에서 초기에 발생하는 지배적인 공정으로서 고려될 수 있는데, 중간생성물-유도 수단(에너지 공급원)이 상기 가스 개질 영역에서 제공되며 가스 개질 영역에 유입되는 가스와 접촉한다. 혼합, 에너지 전달, 및/또는 방사선은 반응물들을 초기 중간생성물들로 변환되게 할 수 있다. 반응물들은 여기 상태(excited)가 된 것이라 할 수 있다.

중간생성물 전파 단계는 또 다른 중요한 공정이라 고려될 수 있는 단계로서, 이 단계는 다른 중간생성물을 생성하기 위해 초기 중간생성물들 간에 초기 중간생성물이 반응하는 가스 개질 영역에서 일어난다. 이 중간생성물들은 이전의 중간생성물로부터 나온 일 그룹의 중간생성물들과 연쇄반응을 일으키는 것이 가능하다.

일반적으로, 중간생성물 개질 종결 공정은 가스 개질 영역의 단부에서 발생하는 것으로 고려될 수 있으며, 몇몇 구체예들에서는, 심지어 가스 개질 영역의 외측 가장자리들을 정의하는 것으로 고려될 수 있는데, 여기서 화학적 및/또는 물리적 조건들이 변경되어 결과적으로 연쇄반응이 더 이상 진행되는 것이 중단된다. 하지만, 개질 종결 공정은 공정의 특성, 반응물/중간생성물 및 최종 생성물의 안정성에 따라 가스 개질 영역의 그 외 다른 영역들에서 수행될 수 있음이 이해될 것이다. 제어된 개질 종결 공정에 의해 또는 장애가 없는 진행(undisturbed progression) 단계에 의해 도달된 연쇄반응의 끝에서, 특정 생성물들이 형성된다.

가스 안정화 영역은 생성물의 안정화 단계가 우세한 공정인 곳에 위치되어야 하는 것으로 고려될 수 있으며 중간생성물의 재결합이 종결될 때 형성된 생성물들을 안정화시키기 위해 특정 조건들이 유지되는 영역으로서 정의될 수 있다. 이 생성물들은 통상 특정 분야를 위해 요구된다. 이와 다른 생성물들이 요구되는 경우에는, 중간생성물 개질 종결 지점을 조절해야 할 필요가 있는데 이는 연쇄반응 경로의 상이한 지점들이 개질 종결시 그리고 안정화 시에 서로 다른 생성물을 생성하는 상이한 중간생성물들에 상응하기 때문이다.

다수의 중간생성물 유도 수단(intermediate inducing means)이 존재한다. 이 수단은 열적 가열(thermal heating), 플라즈마 기둥(plasma plume), 수소 버너(hydrogen burner), 전자빔(electron beam), 레이저(laser), 방사선(radiation) 등을 포함한다. 반응물 분자들이 촉매의 존재하에 재배열하기에 충분한 에너지를 가지며 이러한 촉매와 접촉하게 되는 경우에서는, 촉매가 중간생성물 유도 수단의 역할을 수행하는 것으로 볼 수 있다. 중간생성물 유도 수단을 제공하는 에너지 공급원들(Energy Sources)의 공통적인 특징은 반응물들에 대해 화학적 변화를 유발하고 경로를 따라 최종 생성물로 진행하게 하는 것이다. 따라서, 형성된 중간생성물들은 상이한 중간생성물 유도 수단 간에 달라질 수 있으며 상이한 활성화(activation) 수준을 가질 수 있다.

분자들이 원하는 화학적 조성의 분자들로 개질하도록 하는 수준으로 초기 가스의 에너지를 올리는 다수의 방법들이 존재한다. 열이 초기 가스에 가해질 수 있다. 수소 공급원으로부터 생성되는 또는 플라즈마 내에서 발견되는 양이온 및 전자들과 같은 활성화된 화학종은 초기 가스 내의 분자들과 공정 첨가제, "사전형성된 가스"를 개질된 분자들과 원자들로 개질되게 하는데 필요한 에너지를 전달하기 위해 사용될 수 있다.

위에 기술된 바와 같이, 분자들을 개질시키게 하는데 꼭 필요한 에너지의 양을 낮추기 위해 사용될 수 있는 다양한 촉매들이 당업자에게 공지되어 있다. 백운석, 감람석, 산화아연(zinc oxide) 및 숯(char)과 같은 촉매는 통상 사용되는 촉매들의 일부 예이다.

본 발명은 관련 특성(예를 들어, 화학적 조성)을 가진 초기 가스를 특정 하위 목적을 위해 설계된 특성을 가진 산출 가스(output gas)로 계획대로 효율적이고 신중하게 개질시키기 위한 지능형 통합 가스 개질 시스템을 제공한다. 개질 공정을 전반적으로 가장 비용효율적으로 수행하기 위해 최적화가 이루어져야 하는데, 여기에는 전기와 같은 상위 비용들과 오염된 촉매들을 처리하는 것과 같은 하위 비용들이 포함된다.

가스 개질 시스템 공정은:

(1)초기 가스의 특정 파라미터(화학적 조성, 습도, 유속 등을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아님)의 타당성을 직접적으로 또는 간접적으로 감지한다. 선택적으로, 이 시스템은 업스트림 및/또는 다운스트림 시스템의 특성 및/또는 파라미터 또는 이들의 유입물 또는 산출물들을 감지할 수 있다;

(2)상기 감지된 초기 가스의 특정 파라미터들과 산출 가스의 목표 파라미터들에 기초하여, 다양한 유입 파라미터(input parameter)들을 개질 공정에 대해 변경한다(예를 들어, 적당한 양의 공정 첨가제를 선택적으로 늘이거나 또는 줄이며, 전기량을 변경한다 등등);

(3)가스 분자들의 대부분이 개질된 분자들과 원자들로 개질되도록 에너지를 가스 분자들로 전달하기 위해 오프-가스 분자(초기 가스 또는 사전형성된 가스)와 상호작용할 수 있는 충분한 에너지화 화학종을 포함하는 하나 이상의 가스 개질 영역을 생성한다;

(4)개질 영역에서, 개질이 개시된 가스 분자 구성성분(개시된 중간생성물)의 효율적인 혼합을 촉진하여 이 가스 분자 구성성분들이 개질된 가스 내에 존재하는 화학종들의 상대농도에 의해 결정된 화학적 조성으로 재조합하게 한다;

(5)안정화 영역을 제공하는데, 여기서 새로이 형성된 분자들은 탈에너지화되어(de-energized), 예를 들어, 가스 에너지화 공급원 또는 촉매의 영향으로부터 냉각되거나 혹은 제거되어 이에 따라 안정화됨으로써 원하는 특성을 유지한다; 및

(6)가스 개질 공정을 전체적으로 제어하기 위한 컨트롤 시스템을 제공한다.

가스 개질 시스템과 가스 개질 방법은 탄소질 공급원료의 가스화로부터 생성된 것과 같은 오프-가스의 상당양을 일산화탄소 및 수소와 같은 분자들의 최적 수준 그리고 바라지 않는 분자들의 최소 수준을 포함하는 개질된 가스로 개질시키기 위해 사용될 수 있다.

이하의 설명에서는, 가스 개질 시스템의 다음 부분들이 더욱 상세하게 기술된다. 기본 공정은 "가스 개질 영역" 및 "가스 안정화 영역"을 설명하는 것에서 시작하여 기술될 것이다. 가스 개질의 효율성과 정도를 최적화하는 방법은 촉매를 포함하는 가스 매니퓰레이터와 그 외 다른 가스 매니퓰레이터를 설명함으로써 기술될 것이다. 시스템 내에 포함시키기 위한 선택적인 특징부들에는 "가스 추가 영역(gas additive zone)" 및 "가스 정제 영역"이 포함된다. 마지막으로 가스 개질 챔버(gas reformulating chamber)의 디자인과 상기 모든 공정들을 관리하기 위한 컨트롤 시스템을 논의할 것이다.

가스 개질 영역(A Gas Reformulating Zone)

가스 개질 영역은 원하는 화학적 조성의 분자 화학종으로 개질시키기에 충분히 에너지화된 사전형성된 분자들의 개질이 일어나는 시스템 내의 영역이다. 일반적으로, 이 영역은 개질 공정 동안 난류를 유발하고 혼합하기 위한 수단을 통합하도록 설계된다.

가스 에너지화 공급원(Gas Energizing Sources)

가스 에너지화 공급원은 가스 개질 시스템 내부의 초기 가스 및 공정 첨가제(사전형성된 가스)의 분자 결합 에너지를 극복하는데 필요한 초기 에너지를 제공하며 이에 따라 이 분자들을 개질된 분자들 및 궁극적으로는 CO 및 H₂와 같이 원하는 화학적 조성의 분자들로 개질시키기 위해 사용된다. 이 에너지화 공급원은 반응성 중간생성물의 개질 개시를 위해 에너지를 제공하도록 그리고 필요시에 중간생성물의 전파를 지지하기 위한 에너지를 제공하도록 사용된다.

가스 에너지화 영역을 제공하기 위하여 본 발명에서 다양한 요소들이 고려된다. 가스 개질 에너지의 필요조건들을 충족하는데 필요한 에너지 수준은 여러 요인들에 좌우되는데, 이 요인들에는 초기 가스의 특성(예컨대, 조성), 공정 첨가제, 및 촉매의 존재가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이 영역을 구성하고 생성하기 위하여 온도, 체류시간(residence time) 및/또는 난류와 혼합을 증가시키기 위한 수단도 포함되도록 고려된다.

중간생성물을 반응성이 되도록 유도하기 위해 가스 에너지화에 필요한 에너지는 에너지화 공급원, 열적 가열, 플라즈마, 수소 버너, 전자빔, 레이저, 방사선 등으로서 언급되는 다양한 공급원들에 의해 제공될 수 있다. 이들의 공통적인 특징은 반응물들에 대해 화학적 변화를 유발하고 경로를 따라 최종 생성물로 진행하게 하는 것이다.

플라즈마 공급원(Sources of Plasma)

대부분, 플라즈마는 가스 개질 에너지를 분자들로 공급하기 위하여 사전형성된 가스와 상호작용할 수 있는 양전하를 가진 이온과 자유전자 형태인 에너지 공급원을 제공한다.

본 발명의 한 구체예에서, 초기 가스의 에너지를 가스 개질을 위해 충분히 높은 수준으로 올리기 위하여 그리고 이에 따라 가스 에너지화 영역을 제공하기 위하여, 그 외 다른 가스 에너지화 공급원들과 공동으로 또는 다른 가스 에너지화 공급원들 없이 작동되는 하나 이상의 플라즈마-계 공급원(예를 들어 플라즈마 토치)들이 사용된다. 적절한 에너지 수준은 초기 가스 및 공정 첨가제의 특성을 포함하는 여러 요인들에 좌우되지만 이에 제한되는 것은 아니며 당업자들에 의해 쉽게 결정된다.

열이 공정에 가해지기는 하지만, 에너지 대부분의 상당부분은 플라즈마 내의 반응성 화학종에 의해 공급된다. 본 발명의 한 구체예에서, 온도는 약 800℃ 내지 약 1200℃ 사이에 있다. 공급원에 필요한 에너지의 양은 촉매를 사용함으로써 낮추어질 수 있다.

하나 이상의 플라즈마 공급원들이 여러 타입들로부터 선택될 수 있는데, 이 타입들에는 비이행형(non-transferred) 및 이행형 아크(transferred) 플라즈마 토치, 교류(AC) 및 직류(DC) 플라즈마 토치, 고주파 유도 플라즈마 장치 및 유도 결합 플라즈마 토치(ICP)가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 모든 아크 생성 시스템에서, 아크는 캐소드와 애노드 사이에서 개시된다(initiated). 적절한 플라즈마 공급원 선택문제는 당업자의 통상의 기술 범위에 속한다.

이행형 및 비이행형 아크(AC 및 DC 둘 다) 토치는 적절하게 선택된 전극 재료들을 사용할 수 있다. 해당 분야에서 공지인, 전극으로 사용하기에 적절한 재료들은 구리, 텅스텐 합금, 하프늄(hafnium) 등을 포함한다. 전극 수명은 전극 상의 아크-작용 영역(arc-working area)과 같은 여러 요인들에 좌우되는데, 이 아크-작용 영역은 순차적으로 플라즈마 토치의 디자인과 전극들의 공간 배열에 기초한다. 작은 아크-작용 영역은, 전극들이 열이온 방출(thermionic emission)에 의해 냉각되도록 설계되지 않는 한, 통상 상대적으로 짧은 기간 주기 내에 전극들을 마모시킨다. 전극들은 전극들 사이의 틈(gap)에서 어떠한 변형도 감소시키도록 공간적으로 조절가능할 수 있는데, 전극들의 작동수명 동안 전극들이 마모됨에 따라 상기와 같이 변형이 일어나게 된다.

플라즈마 토치용 캐리어 가스(carrier gas)로서 여러 가스들이 사용될 수 있는데, 이들에는 공기, 아르곤, 헬륨, 네온, 수소, 메탄, 암모니아, 일산화탄소, 산소, 질소, 이산화탄소, C₂H₂ 및 C₃H₆이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 캐리어 가스는 중성, 환원성 또는 산화성일 수 있으며 가스의 이온화 포텐셜(ionization potentil)과 가스 개질 공정의 필요조건들에 기초하여 선택된다. 캐리어 가스를 적절하게 선택하고 플라즈마 토치 내로 캐리어 가스를 유입하는 수단을 이해하는 것은 효율성에 영향을 끼칠 수 있으며 당업자의 통상의 기술 범위에 속한다. 특히, 바람직하지 못하게 설계된 캐리어 가스의 유입은 뜨겁고 차가운 영역들을 가진 균일하지 못한 플라즈마 기둥을 초래할 수 있다.

한 구체예에서, 가스 개질 시스템은 하나 이상의 비이행형 역극성(reverse polarity) 직류 플라즈마 토치를 포함한다. 한 구체예에서, 가스 개질 시스템은 하나 이상의 수냉식 구리전극 NTAT DC 플라즈마 토치를 포함한다. 본 발명의 한 구체예에서, 가스 개질 시스템은 하나 이상의 AC 플라즈마 토치를 포함한다.

AC 플라즈마 토치는 아크의 안정성에 관련된 변동사항에 따라 단상(single-phase) 또는 다상(예컨대, 3-상)이 될 수 있다. 3-상 AC 플라즈마 토치는 종래의 유틸리티 네트워크로부터 또는 제너레이터 시스템으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다(powered). 상대적으로 높은 상을 가진 AC 시스템(예를 들어, 6-상) 뿐만 아니라 하이브리드 AC/DC 토치 또는 그 외 다른 하이브리드 장치들도 사용될 수 있는데, 상기 그 외 다른 하이브리드 장치에는 수소 버너, 레이저, 전자빔건, 또는 이온화된 가스들의 그 외 다른 공급원이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

다상 AC 플라즈마 토치는 일반적으로 전력공급에 있어서 상대적으로 낮은 손실율을 가진다. 또한, 레일-건 효과(rail-gun effect)로 인해 전극들을 따라 아크가 신속하게 움직이는 것은 전극들 사이에 열하중(thermal load)을 재분포(redistribution)하는 것을 개선시키는 결과를 가져올 수 있다. 이와 같이 전극을 위한 임의의 냉각 메커니즘과 함께 열하중을 재분포시키는 것은 상대적으로 낮은 용융점을 가지지만 높은 열전도율을 가진 전극용 재료를, 가령, 구리 합금을 사용할 수 있게 한다.

플라즈마 공급원은 적용시점에서 주기를 지속시키기에 적합한 고온의 화염 온도를 제공하는 다양한 상업용 플라즈마 토치를 포함할 수 있다. 일반적으로, 산출 전력 크기가 약 100kW 내지 6MW를 초과하는 상기와 같은 플라즈마 토치가 사용가능하다. 한 구체예에서, 플라즈마 토치는 각각 요구되는 (부분) 용량에서 작동하는 두 개의 300kW 플라즈마 토치이다.

수소 버너(Hydrogen Burners)

본 발명의 한 구체예에서, 가스 에너지화 필드는 산소와 수소가 반응하여 초고온 증기(>1200℃)를 형성하는 수소 버너에 의해 적어도 부분적으로 제공된다. 이렇게 높은 온도에서, 증기는 가스 개질 공정을 개선시키는 이온화된 형태로 존재할 수 있다. 수소 버너는 플라즈마 토치와 같은 그 외 다른 가스 에너지화 공급원들과 공동으로 또는 다른 가스 에너지화 공급원들 없이 작동될 수 있다. 활성화된 수소 화학종들은 반응성 화학종들의 신속한 분산 및 광범위한 증기 분해(cracking)의 이점을 포함하는데, 이 둘은 플라즈마를 사용하여 구현된 전환율보다 상대적으로 낮은 온도에서 초기 가스의 높은 전환율을 구현한다.

본 발명의 한 구체예에서, 수소 버너는 에너지화되는 에너지의 상당한 부분을 제공하여 주된 에너지화 필드 요소로서 작용한다.

수소 버너용 수소는 전기분해법에 의해 수득될 수 있다. 산소 공급원은 순수 산소 또는 공기가 될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이 그 외 다른 수소 및 산소용 공급원들도 사용될 수 있다. 이 버너의 설계는 표준 모델링 툴(standard modeling tools), 가령, 예를 들어 전산유체역학(CFD)에 기초한 툴을 사용할 수 있다. 상기 버너는 여러 가지 요인들을 고려하여 가스 개질 시스템의 필요조건들에 알맞도록 장착되고 크기가 정해지는데, 상기 여러 가지 요인들에는 개질하기 위한 가스의 수량, 챔버의 기하학적 형상 등이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 한 구체예에서, 수소 버너는 원통형의 노즐 바디를 포함하는데, 상측 및 하측 커버는 각각 수소 버너의 상측 및 하측 단부에 결합되고 바디 내에 미리정해진 환형 공간(S)을 형성한다. 가스 공급 파이프는 파이프가 그로부터 하부방향으로 경사지도록 바디의 측벽에 연결된다. 상측 커버는 바디와 함께 단일 구조물 내로 통합될 수 있으며, 이 상측 커버에는 열을 쉽게 분산시키기에 충분한 두께를 가진 열전달 부분이 제공된다. 수소를 대기로 배출하는 복수의 노즐 오리피스는 각각의 노즐 오리피스와 소통하도록 상기 노즐 오리피스의 상측 표면 상에 형성된 노출 오목부(depression)를 가진 열전달 부분을 통해 형성된다. 공기 흐름 챔버도 바디 내에 형성되며 이에 따라 공기가 이 챔버를 통과한다. 수소 가스의 유동(current)을 공간 내에서 원하는 방향으로 안내하기 위해 안내 돌출부(guide protrusion)가 공간의 내측 표면 상에 형성된다. 게다가, 노즐 오리피스의 하측 단부들과 소통하는 환형 공간(S)의 상측 단부는 돔 형태로 구성되어 이에 따라 수소 가스를 오리피스로 안내하기 위한 둥근 가이드(guide)를 형성한다.

수소 버너는 상대적으로 낮은 온도에서 작동하며 통상 수소를 공기와 혼합한다. 또한 수소 버너는 상당히 높은 온도에서 형성되는(run) 산소-수소 혼합물을 사용한다. 상기 고온에서는 더 많은 라디칼과 이온이 방출될 수 있는데(give off); 이에 따라 가스는 탄화수소 증기 및 메탄과 매우 반응성이게 될 것이다.

본 발명의 한 구체예에서, 수소 버너는 가스상(gaseous) 탄화수소가 합성가스로 개질되는 것을 가속시킬 수 있는 고온의 화학적 라디칼 공급원으로서 사용된다. 수소 버너는 산화제를 사용하여 작동되며, 산화제로서 공기와 산소가 일반적으로 선택된다. 당업자는 필요한 산화제와 수소의 상대적인 비율을 알고 있을 것이다. 고온의 라디칼을 생성하는 것 이외에도, 수소 버너는 제어가능한 증기양을 생성한다. 통상 수소 버너는 플라즈마 토치와 비슷한 효율성으로 전력이 공급될 수 있다.

전자빔건(Electron Beam Guns)

전자빔건은 열이온, 포토캐소드(photocathode) 및 냉방출(cold emission)과 같은 방출 메커니즘(emission mechanism)에 의해; 순수 정전기를 사용하여 포커싱(focusing)에 의해, 혹은, 자기장으로 및 다수의 전극들에 의해, 실질적으로 정확한 운동에너지를 가진 전자빔을 생성한다.

전자빔건은 원자로부터 전자를 추가하거나 또는 제거함으로써 입자들을 이온화하기 위해 사용될 수 있다. 당업자는 이러한 전자 이온화 공정(electron ionization process)이 가스 입자들을 이온화시키기 위해 질량분광법(mass spectrometry)에서 사용되어 왔음을 알고 있을 것이다.

전자빔건의 디자인은 해당 분야에서 공지이다. 예를 들어, DC 정전기 열이온 전자건은 열이온 방출을 통해 전자류(electron stream)를 생성하기 위해 가열되는 고온 캐소드(hot cathode); Wehnelt 실린더와 같이 빔을 집중시키기 위해 전기장을 생성하는 전극; 및 전자를 가속시키고 추가적으로 집중시키는 하나 이상의 애노드 전극들을 포함하는 몇몇 부품들로 형성된다. 캐소드와 애노드 사이에 상대적으로 더 많은 전압 차이를 위해, 전자는 더 빨리 가속되어야 한다. 애노드와 캐소드 사이에 배열된 척력링(repulsive ring)은 애노드 상의 작은 지점 위에 전자들을 집중시킨다. 이 작은 지점은 홀(hole)이 되도록 설계될 수 있는데, 이 경우 전자빔은 컬렉터(collector)로 지칭되는 두 번째 애노드에 도달되기 전에 시준된다(collimated).

방사선(Radiation)

이온화 방사선(ionizing radiation)은 원자 또는 분자를 이온화시킬 수 있는 고에너지화 입자 또는 웨이브를 의미한다. 이온화 성능은 방사선의 개별 패킷 에너지(전자기 방사선용 광자)의 함수이다. 이온화 방사선의 예들은 에너지화 베타 입자, 중성자, 및 알파 입자들이다.

전자기 방사선을 원자 또는 분자들로 이온화시키는 능력은 전자기 스펙트럼에 걸쳐 가변된다. 엑스레이와 감마선은 거의 모든 임의의 원자 또는 분자들을 이온화시킬 것이며; 원자외선은 다수의 원자와 분자들을 이온화시킬 것이고; 근자외선과 가시광선은 매우 적은 수의 분자들을 이온화시킬 것이다. 적절한 이온화 방사선의 공급원은 해당 분야에서 공지이다.

재생에너지(Recycled Energy)

가스 개질 공정을 유지하는데 필요한 외부에너지는 이 공정에 의해 생성된 임의의 열을 하네싱(harnessing) 함으로써 감소될 수 있다. 가스 개질 공정에 의해 생성된 열의 양은 초기 가스와 개질된 가스의 특성에 따른다. 한 구체예에서, 탄소 또는 다중-탄소 분자들이 주로 CO 및 H₂로 개질되는 동안 방출된(released) 열은 가스 개질 시스템 내로 주입된 공정 첨가제의 양과 타입(예컨대, 공기, O₂)을 최적화시킴으로써 최대화된다.

개질 영역으로부터 배출되는 가스 내에 존재하는 감열(sensible heat)은 가스 안정화 영역에서 열교환기를 사용하여 포획될 수 있으며, 개질 공정의 외부효율성을 향상시키기 위해 재생될 수 있다.

열에너지 또는 레이저에 기초한 그 외 다른 에너지화 공급원들 또한 사용될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명하다.

가스 매니퓰레이터(Gas Manipulators)

가스 매니퓰레이터는 가스 개질 공정 최적화를 추구하는 설계 전략의 구체예들을 대표한다. 가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 필드에 대한 사전형성된 가스의 흐름 패턴 및 특정 시간에서 특히 이 필드를 통과하는 가스의 양을 최적화하는 챔버의 디자인을 포함한다. 가스 매니퓰레이터의 또 다른 예는, 에너지-제공 공급원(플라즈마 토치와 같은)이 에너지 공급원 내에서 에너지화 화학종(energetic species)과 유입 가스(incoming gas) 사이에서의 혼합을 최대화하는 유입 개질 가스에 대해 배향되는 시스템 디자인이다. 또 다른 예는 난류와 혼합을 증가시키도록 설계된 공정 추가 노즐의 위치와 위치배열(positioning)이다. 또 다른 예에는 병렬 가스 개질 영역의 배열에 대한 직렬 가스 개질 영역의 배열이 포함된다.

가스 매니퓰레이터는 가스 개질 공정의 효율성을 증가시키도록 설계되고 시스템 내에 통합된 구조적 장치들을 포함한다. 이 구조적 장치들의 예에는 사전형성된 가스를 가스 에너지화 필드를 통해 그리고 가스 에너지화 필드를 향해 보다 효율적으로 안내하는 디플렉터(deflector)와 배플(baffle)과 같은 구조적 장치들이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 그 외 다른 예에는 개질 가스와 에너지화 공급원들의 혼합을 증가시키는 공정을 통해 난류를 증가시키는 구조적 장치들이 포함된다.

가스 매니퓰레이터는 또한 에너지호 필드의 수치들을 변경시키기 위해 에너지화 공급원의 물리적 배향을 안내하는 시스템의 양상들, 예를 들어 플라즈마 기둥 안내 장치를 포함하며, 및/또는 플라즈마 생성원에 공급되는 에너지 및 작업 가스의 유속 등에 대한 변경들은 사전형성된 가스 에너지화 필드의 크기를 변경시키기 위해 변형될 수 있는 본 발명의 시스템의 양상들의 비제한적 예들이다.

촉매 가스 매니퓰레이터는 에너지 전이(energy transference)의 효율성을 증가시키고 촉매를 포함한다. 가스 매니퓰레이터의 한 예는 사전형성된 가스가 플라즈마 생성 전기 아크를 통과하는 시스템 디자인이다. 시스템이 합성가스가 원하는 화학적 조성의 가스로 개질시킬 수 있게 하기에 충분한 산출값(output)을 가진 사전형성된 가스에 에너지를 제공하는 공정에서 사용된 에너지양의 균형을 맞추는 것을 최적화시키기 위하여 가스 매니퓰레이터가 포함된다.

상이한 범주를 가진 가스 매니퓰레이터가 있다.

가스 매니퓰레이터의 한 범주에는 공급원 에너지 노출 매니퓰레이터(Source Energy Exposure Manipulator)가 있다. 본 발명의 상기 양태의 기본적인 설계 전략은 초기 에너지 공급원에 대한 개질 반응을 지지하기에 필요한 사전형성된 가스양의 노출을 최적화하는 데 있다.

가스 매니퓰레이터의 또 다른 범주에는 혼합 매니퓰레이터(Mixing Manipulators)가 있다. 본 발명의 상기 양태의 기본적인 설계 전략은 개질 공정을 통해 에너지 전이을 향상시키도록 반응성 화학종의 혼합을 최적화시키는 데 있다.

가스 매니퓰레이터의 또 다른 범주에는 촉매 매니퓰레이터(Catalytic Manipulators)가 있다. 본 발명의 상기 양태의 기본적인 설계 전략은 개질 공정의 전체적인 효율성을 향상시키도록 시스템 내의 촉매활동을 최적화시키는 데 있다.

전체적인 효율성은 개질 공정의 완전성(가스 개질 비율에 의해 나타나는 바와 같이) 뿐만 아니라 구현되는 개질 공정에 사용된 전체 비용도 의미한다. 예를 들어, 전체적인 효율성은 개질 공정 동안 "피독(poisoned)"되었을 수도 있는 촉매를 사용하는 비용 및 이를 대체하는 비용도 고려한다. 또한 에너지 공급원 비용도 고려될 것이다.

본 발명의 가스 개질 시스템은 개질 공정의 효율성을 향상시키도록 설계된다. 이를 구현하는 여러 가지 수단들은 "가스 매니퓰레이터"로서 언급되며 이 수단들은 개질 공정의 효율성, 유효성 및 완전성을 향상시킨다. 사전형성된 가스가 시스템의 챔버를 통과할 때 개질 공정이 발생하며, 따라서 체류시간이 전환의 완전성과 공정의 효율성을 결정하는 핵심 양태가 된다. 개질된 화학종의 혼합 및 사전형성된 가스 분자들을 통해 에너지 전이의 정도와 비율을 가속시키는 요인은 가스가 시스템으로부터 배출되기 전에 전화의 완전성을 최적화한다.

플라즈마 내에 제공된 공급원, 및/또는 열과 같은, 에너지-제공 활성화된 화학종의 공급원에 대한 가스 분자들의 근접성(proximity)은 시간의 양에 좌우되며 가스 분자들은 공급원에 노출된다. 개질되기 시작하는 사전형성된 가스 분자들을 통해 에너지 전달의 공정을 향상시키는 시스템 내에 제공된 수단은 개질될 분자 개수를 최대화시킨다. 또한, 새로운 화학종으로 개질되어 이들의 조성이 개질된 가스 내에 존재하는 화학종의 상대농도에 대부분 좌우되도록, 활성화된 화학종/반응성 중간생성물의 혼합양을 증가시키는 수단은 생성되는 분자들의 양을 최대화시킨다.

가스 매니퓰레이터는 개질 공정의 효율성을 향상시키도록 설계되고 위치되며 작동된다. 어떤 구체예들에서, 가스 매니퓰레이터는 시스템 내의 높은 난류를 증가시키도록 설계된다. 난류를 증가시키는 것은 새로운 분자들로 개질시키는 공정 내에 있는 분자들과 에너지화되어야 하는 가스 분자들의 완전한 혼합을 제공함으로써 가스에 영향을 미치게 되며, 이들의 화학적 조성은 가스 개질 영역 내의 개별 화학종들의 상대농도에 의해 대부분 결정될 것이다.

가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 영역, 초기 가스, 공정 첨가제 및 이들의 구성성분 중 적어도 하나를 표적하여 재안내(redirection) 함으로써 가스 개질 시스템 내의 유체역학을 변경시켜서 이에 따라 이들의 상대적인 공간분포와 역학적 전개(dynamic evolution)에 변화를 초래하도록 설계될 수 있다. 또한 가스 매니퓰레이터는 높은 난류 환경(high turbulence environment)이 에너지화 및 개질 공정에 도움을 주기 위해 표적 위치들에 생성될 수 있도록 설계될 수 있다.

초기 가스와 공정 첨가제를 사용하여 가스 에너지화 필드(예를 들어, 플라즈마 기둥)의 노출을 개선시킴으로써, 가능한 최저 온도에서 에너지화 및 개질 용도의 개선된 반응 공정이 구현된다.

당업자는 가스 매니퓰레이터가 공정 첨가제용 유입구(inlet)와 가스 에너지화 공급원의 위치에 기초하여 그리고 챔버의 전체 디자인에 기초하여 배치되고 설계되어야 함을 쉽게 이해할 것이다.

노출 매니퓰레이터( Exposure Manipulators )

어떤 구체예들에서, 가스 매니퓰레이터는 사전형성된 가스를 개질 영역에 노출시키는 것을 실질적으로 향상시키도록 구성되고 설계된다. 앞에서 언급한 바와 같이, 이 가스 매니퓰레이터는 가스 개질 챔버(들)에 부착된 구조적 장치들과 분리될 수 있거나 또는 가스 개질 챔버들에 일체구성될 수 있다.

노출 매니퓰레이터를 위한 챔버 디자인( Chamber Designs for Exposure Manipulation )

한 구체예에서, 가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 필드에 대한 사전형성된 가스의 흐름 패턴 및 특히 특정 시간양으로 상기 필르들 통과하는 가스양을 최적화는 챔버 디자인을 포함한다. 이는 가스 개질 채널, 즉 챔버 내의 가스 흐름 경로가 달라지는 챔버 내부벽을 적절하게 설계함으로써 구현될 수 있다. 가스 개질 채널은 다양한 타입, 즉 직선형, 만곡형, 분기-수렴형(divergent-convergent) 및 미로형(labyrinth)이 될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

도 25 내지 도 28에는 가스 개질 채널의 다양한 구체예들이 도시된다. 당업자는 추가적인 특징을 가진 챔버 디자인, 가령, 예를 들어 공기 주입용 포트에 기초하여, 각각의 도 25 내지 도 28의 구체예들에 대해 디자인에 있어서 약간의 변형도 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 가스 개질 채널용 디자인 고려사항들에는 에너지 공급원에 대한 노출, 횡단면적, 온도 프로파일, 속도 프로파일, 가스 체류시간, 혼합, 및 압력 강하가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

도 15A 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버는 직선형이며 플라즈마 토치가 위치된 좁은 흡입구(throat)를 포함한다. 이 좁은 흡입구를 통과하는 가스는 반응성 이온화된 플라즈마 캐리어 가스(가스 에너지화 영역에서)와 혼합되게 되며 이에 따라 개질이 촉진된다. 상기 흡입구는 약 2000℃의 온도로 약 플라즈마 기둥의 가시적인 부분 크기를 가진다. 캐리어 가스는 이 온도들에서 이온화된 상(phase)으로 존재하므로 훨씬 더 활성을 띤다. 채널의 크기(예를 들어, 채널의 횡단면적), 속도 및 온도 프로파일 등과 같은 디자인 기준은 향상된 가스 개질에 필요한 화학적 공정에 의해 결정된다. 개질된 가스 내에 존재하는 임의의 미립자 물질은 흡입구에서의 상대적으로 높은 속도로 인해 챔버의 제 2 부분(seconadary portion) 내에 혼입되고(entrain) 축적될 수 있다.

또한 이 챔버들은 미립자 물질을 쉽게 분리시키도록 설계될 수 있다. 도 15B 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버의 제 2 부분은 미립자 물질이 바닥에서 분리될 수 있으며 배출될 수 있도록 하부방향으로 위치된다. 대안으로, 챔버의 제 2 부분은 챔버의 제 1 부분(primary portion)으로부터 접선방향으로 유입되는 가스를 가지도록 설계될 수 있으며 이에 따른 소용돌이 흐름(swirl flow)이 미립자 물질을 가스 스트림으로부터 분리되는 것을 촉진시킬 수 있다.

도 15A와 도 15B의 디자인이 가지는 이점들로는, 내부에 구조적 장치를 적절하게 배치시킴으로써 기계적 설계를 단순화시킬 수 있다는 점이다. 도 15C 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버의 형태는 챔버의 길이에 걸쳐 불변하며 채널은 오프-가스를 통과시키게 하기 위해 실질적으로 챔버 중앙부에 위치된다. 챔버 직경이 정해져 있기 때문에, 내화재 설치, 및 챔버의 제조와 설치가 단순화된다. 내부의 구조적 장치는 여분의 냉각 파이프, 팬 및 컨트롤과 같은 해당 분야에서 공지인 방법들을 사용하여 최적의 성능을 위해 냉각되고 우수하게 단열될 수 있다.

단일 플라즈마 토치에 의해 생성된 플라즈마 기둥은 수 밀리세컨드 시간 주기에서 특정한 유한 길이로 형성되며, 이 시간 주기 이후 이온화된 가스는 가스의 온도가 약 2000℃ 이하로 떨어짐에 따라 비-플라즈마 가스 상태(non-plasma gas state)로 복귀된다. 당업자는 이온화된 가스가 비-플라즈마 가스 상태로 복귀된 후의 시간이 플라즈마 토치의 여러 파라미터들에 좌우되는 것을 이해할 것이며, 이 파라미터들에는 플라즈마 토치의 엔탈피, 가스 흐름, 둘러싸는 가스의 온도 및 암페어수(amperage)가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 만곡형 타입의 채널들을 가진 가스 개질 챔버에서, 두 개 또는 그 이상의 플라즈마 토치들은 유입되는 오프-가스와 상호작용하기 위해 반응성인 이온화된 가스의 연속적인 흐름을 제공하도록 적절하게 배치될 수 있으며 이에 따라 타르 분해 공정의 효율성이 향상된다.

만곡형 채널들을 위해 여러 가지 디자인이 가능하지만 도 16A 내지 도 16C의 구체예들에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버의 제 2 부분은 챔버의 제 1 부분으로부터 가스가 접선방향으로 유입되게 하며 이에 따른 소용돌이 흐름이 가스 스트림으로부터 미립자 물질이 분리되는 것을 촉진시킨다. 당업자는 예를 들어 곡선의 각도의 차이에 따라 다양한 만곡형 채널의 디자인이 가능하다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

도 17 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 채널은 채널의 형태가 필요시에 속도, 압력 등과 같은 국부 조건들이 변경되게 하는 분기-수렴형이다.

도 18 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 채널은 미로형이다. 당업자는 이 채널 디자인이 필요시에 상대적으로 긴 체류시간을 위해 적합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 한 구체예에서, 챔버는 직선형으로서, 수직방향으로 배향된 커넥터를 통해 가스의 공급원(가스화장치)에 작동가능하게 연결된 실질적으로 수평의 원통형 구조물이다. 커넥터 및/또는 챔버의 벽들은 가스 매니퓰레이터로서 작용하도록 즉 사전형성된 가스 스트림을 정확하게 재안내하고 가스 에너지화 필드 및 선택적으로는 공정 첨가제와 상호작용하는 것을 증가시키도록 설계될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 챔버는 사전형성된 가스들이 가스 에너지화 필드(예를 들어, 플라즈마 기둥) 및/또는 공정 첨가제와 상호작용하는 것을 증가시키기 위해 적절한 위치에 제한된다. 도 20A 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버(3202) 내의 수축부(3999)는 두 개의 플라즈마 토치(3208) 약간 위에 위치된다. 도 20B 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 수축부(3999)는 보다 완만하게 형성되며(gradual) 플라즈마 토치(3208)가 챔버(3202)의 제한 영역 내에 낙하되도록(fall) 배치된다. 당업자는 구성에 있어서 서로 대면하는 플라즈마 토치의 상이한 위치들의 영향을 쉽게 이해할 것이다.

본 발명의 한 구체예에 따르면, 캐리어 가스로서 자체적인 인젝터 스트림(injector stream)을 가진 인젝터 플라즈마 토치(injector plasma torch)는, 개질되어야 하는 사전형성된 가스로 채워지며, 다상 AC 교류에 의해 구동된 전극들을 포함하는 챔버 내에서 이온화된 필드(ionized field)를 생성하기 위해 사용된다. 사전형성된 가스가 챔버를 통해 직접 통과하기 때문에 에너지화 및 개질 공정이 향상된다. 밑에서 기술되는 바와 같이 인젝터 플라즈마 토치의 기둥들이 제 1 전극의 틈 내로 정확하게 안내되게 하기 위해 가스 매니퓰레이터의 여러 구체예들이 이용될 수 있다.

또한 가스 개질 시스템은 병렬 개질화(parallel reformulation)를 거치는 상대적으로 작은 흐름으로 가스 스트림을 분리시키도록 설계될 수 있다. 도 24A와 도 24B에서, 각각의 상대적으로 작은 가스 스트림들이 독립적인 에너지화 공급원들에 의해 생성되는 활발한(dedicated) 개질 영역을 통과한다. 도 24B는 전달된 아크 토치들의 용도를 보여준다. 도 24C는 각각의 가스 스트림이 다수의 가스 에너지화 공급원들에 의해 생성될 수 있게 하기 위한 활발한 개질 영역을 보여준다. 도 24D는 혼합 요소(mixing element)들이 각각의 상대적으로 작은 가스 스트림의 경로 내에 유입되는 도 24A와 도 24B의 구체예를 도시한다.

도 25A-35C는 가스 에너지화 공급원들이 개질 챔버 내에서 각을 이루며 위치된 세 개의 가스 개질 시스템을 도시한다. 이 공급원들은 에너지화 필드를 가스의 흐름을 향해 또는 가스의 흐름에 반대로, 또는 이들의 조합으로 안내할 수 있다.

상기 챔버는 챔버의 예비-가열(pre-heating) 또는 토치 가열(torch heating)에 도움을 주기 위해 제 2 토치 열공급원을 위한 하나 이상의 포트를 추가로 포함할 수 있다.

사전형성된 가스 안내 장치( Preformulated Gas Directing Devices )

가스 매니퓰레이터는 능동 또는 수동 수단 또는 이 둘을 다 사용하여 챔버(들) 내부에서 사전형성된 가스의 공간분포 및 이러한 가스의 역학적 전개를 직접적으로 또는 간접적으로 조절함으로써 가스 에너지화 필드에 대한 사전형성된 가스의 노출을 증가시킬 수 있다. 이러한 가스 매니퓰레이터들은 개별적인 구조적 장치들이 될 수 있다. 이 구조적 장치들의 예에는 사전형성된 가스를 가스 에너지화 필드를 통해 그리고 가스 에너지화 필드를 향해 보다 효율적으로 안내하는 디플렉터(deflector)와 배플(baffle)과 같은 구조적 장치들이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 그 외 다른 예는 원하는 특정 유체역학 흐름 경로를 생성하기 위한 챔버의 디자인을 포함한다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스 매니퓰레이터는 초기 가스가 보다 균일한 조성 및/또는 온도로 구성되며 공정 첨가제와 적절하게 혼합되게 하기 위해 초기 가스 유입구에 또는 초기 가스 유입구 근처에 위치된다.

도 26A-26C 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 가스 매니퓰레이터는 챔버(3202)에 유입되는 가스 흐름을 변경하는 흐름 제한기(3999)를 포함한다. 당업자는 다양한 요인들에 좌우되는 가스 흐름 패턴들에 대한 차이점들을 쉽게 이해할 것이며, 이 요인들에는 흐름 제한기(3999)의 형태와 크기 및 이들의 위치가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

흐름 제한기는 다양한 체결 수단을 사용하여 챔버에 부착될 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 흐름 제한기는 챔버의 상측부(다운스트림 단부)로부터 걸려져 있다(suspended). 본 발명의 한 구체예에서, 흐름 제한기는 브래킷(bracket)들을 사용하여 챔버의 벽들에 부착된다.

도 27A와 도 27B 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 흐름 제한기(3999)는 챔버(3202)의 실질적으로 전체 길이를 위해 연장되어 가스 개질이 발생되는 환형 공간을 형성하게 된다. 도 27B에 도시된 바와 같이, 흐름 제한기(3999)는 모터(7001)를 사용하여 회전될 수 있으며, 이는 오프-가스 스트림을 직접적으로 조절하기 위하여 능동 수단을 사용하는 한 예이다. 흐름 제한기의 회전은, 선택적으로 전체 가스 개질 공정을 최적화시키고 조절하도록 설계된 컨트롤 시스템과 공동으로, 동력학적으로 제어될 수 있다.

도 28A와 도 28B는 횡방향으로 배향된 가스화장치에 직접적으로 결합되고 흐름 제한기를 포함하는 챔버의 3차원적인 도면을 도시한다. 흐름 제한기는 챔버 내에 통상적으로 존재하는 고온을 견디도록 설계되어야 한다.

도 29A-29G는 본 발명의 다양한 구체예들에 따라 상이한 흐름 제한기들을 도시한다. 이 도면들에서, 플라즈마 토치는 동일한 높이(elevation)에 있도록 도시된다. 대안으로, 흐름 제한기는 플라즈마 토치 상부에 또는 하부에 배치될 수 있다. 또한 공기와 증기와 같은 공정 첨가제의 주입을 위해 토치 하부에 추가적인 포트들도 도시된다.

도 29A에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 흐름 제한기는 유입되는 오프-가스와 플라즈마 기둥을 혼합하는 순환 흐름(cyclical flow)을 유도하도록 설계된 두 개의 나선형 행정(helical flight)을 가진다. 도 29B는 두 개의 나선형 행정을 가진 흐름 제한기를 도시하지만, 이 흐름 제한기는 본 발명의 한 구체예에 따라 상이한 형태를 가진다. 도 29D에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 흐름 제한기의 한 나선형 행정은 다른 나선형 행정보다 더 크며 플라즈마 기둥을 가진 오프-가스의 혼합과 순환 흐름을 추가로 유도한다. 도 29G에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에 따르면, 나선형 행정은 두 개의 새로운 행정이 시작되기 전에 제한기의 오직 절반만을 가린다(cover).

도 29C-29F에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 흐름 제한기는 (예를 들어, 공기, 물, 열매체유(thermal oil)와 같은) 냉각 매질(cooling medium)이 흐름 제한기의 온도를 제어하는 냉각 파이프에 부착된다. 도 29E에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 첨가제(예를 들어, 공기, 증기 등)는 첨가제가 오프-가스 스트림에 유입되기 전에 지지봉(support rod)의 상측부로부터 흐름 제한기의 바닥으로 흐른다. 이러한 디자인은 첨가제를 주입하기 전에 첨가제를 예비-가열하는 동안 흐름 제한기를 냉각하게 한다.

도 30E 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버는 모터에 부착된 하나 이상의 회전 샤프트의 형태인 가스 매니퓰레이터를 포함하며, 각각의 샤프트는 안정적인 회전을 위해 신중하게 무게가 정해질 수 있는 하나 이상의 디스크(disk)를 포함한다. 한 샤프트 위에 다수의 디스크를 가진 구체예에 대해서, 이 디스크들은 오프-셋 패턴으로 배열될 수 있다. 당업자는 이 디스크들이 냉각 목적을 위한 것일 수도 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다. 위에서 기술한 것과 같은 흐름 제한기가 회전 샤프트의 단부에 부착될 수 있다.

도 30A-30D는 회전 샤프트에 부착될 수 있는 상이한 타입의 디스크들을 도시한다. 도 30A에서, 디스크는 가스가 디스크의 한 측면으로부터 다른 측면으로 흐르게 하는 한 단면을 가진다. 도 30B에서, 디스크는 가스를 위로 그리고 챔버의 중앙부 내로 끌어가도록(pull) 설계된 나선형 단면을 가진다. 대안으로, 나선형 단면은 가스를 위로 그리고 챔버의 바깥 가장자리로 밀어내도록(push) 설계될 수 있다. 도 30C와 도 30D에서, 회전 디스크는 다수의 블레이드를 가진 발판(spoke)이다. 당업자는 안정적인 회전을 위해 블레이드의 배향과 중량 분포의 균형이 맞춰져야 한다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

도 31A-31C는 도 27B에 도시된 것과 같은 회전 샤프트의 상이한 구체예들을 도시하는데, 여기서는 상부 디스크가 볼 베어링 상에서 회전되게 하며 지지체(support)들에 의해 제자리에 고정되게 한다. 선택적으로, 냉각 유체 또는 첨가제는 샤프트의 중앙을 통해 이송될 수 있다(piped). 도 31A에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 하나 이상의 지지체들의 상부 위에, 회전하는 휠(스프로켓(sprocket))에 부착된 드라이브 샤프트를 가진 모터가 제공된다. 기계적 에너지가 디스크를 회전시키며 이에 따라 샤프트는 챔버 내로 돌출된다.

도 31B에서, 지지체들 사이에서 또는 지지체들의 일부분으로서 회전시키기 위해 전자석(electromagnet)들이 사용된다. 도 31C 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 챔버 내에서 샤프트를 안정화시키도록 전자석들이 사용된다. 디스크와 샤프트 내에서 회전 모멘트를 발생시키기 위해 제 1 수단 또는 제 2 수단으로서 전자석들이 사용된다. 본 발명의 한 구체예에서, 디스크는 샤프트와 무관하게 회전하는데, 예를 들어, 샤프트는 고정될 수 있거나 혹은 또 다른 속도로 또는 심지어 또 다른 방향으로 회전될 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 디스크는 영구 자성을 가지며 샤프트에 대한 열유체 냉각된 볼 베어링 커넥션으로 거의 중공이 될 수 있기 때문에 디스크 평면 위에서 냉각과정이 완료된다.

에너지화 공급원 안내 장치(Energizing Source Directing Devices)

에너지화 공급원 안내 장치들은 에너지화 필드의 수치들을 변경시키기 위해 에너지화 공급원의 물리적 배향을 안내하는 가스 매니퓰레이터이며, 및/또는 플라즈마 생성원에 공급된 에너지에 대한 변경사항, 작용 가스(working gas)의 유속 등은 사전형성된 가스 에너지화 필드의 수치들의 변경사항에 영향을 끼치도록 수정될 수 있는 본 발명의 시스템 양태들의 비제한적인 예들이다.

또한 가스 매니퓰레이터는 능동 또는 수동 수단 또는 이 둘을 다 사용하여 챔버(들) 내부에서 가스 에너지화 필드(예를 들어, 플라즈마 토치)의 공간분포 및 이들의 역학적 전개를 직접적으로 또는 간접적으로 조절함으로써 가스 에너지화 필드에 대한 사전형성된 가스의 노출을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 이는 에너지화 공급원(예를 들어, 플라즈마 토치)의 배향과 위치배열에 의해 구현될 수 있다.

도 33A에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 가스 매니퓰레이터는 플라즈마 토치(3208)로부터 플라즈마 기둥(3997)을 재안내하는 디플렉터(2998)이다. 플라즈마 기둥을 적절하게 재안내하는 것은 디플렉터(3998)의 다양한 디자인 요인들에 좌우되는데, 이 디자인 요인들에는 플라즈마 토치(3208)로부터의 디플렉터의 거리, 플라즈마 기둥의 방향과 대면하고 있는 디플렉터의 배향 각도, 플라즈마 기둥의 폭과 비교되는 디플렉터 크기, 및 디플렉터를 구성하는 있는 재료가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 내열성 재료들로 구성됨으로써 디플렉터가 플라즈마 토치(3208)의 근위부분(proximal)에 존재하는 고온을 견딜 수 있게 한다. 당업자는 높은 플라즈마 온도를 견뎌내도록 여러 재료들이 사용될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

도 33B 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 가스 매니퓰레이터는 플라즈마 기둥(3997)을 조절하도록 사용되는 코안다-효과(Coanda-effect)에 기초하는 디플렉터(3996)이다.

도 34A와 도 34B 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 하나 이상의 유체 젯(fluidic jet, 3208)(예를 들어, 에어 노즐)이 플라즈마 토치(들)(3208)에 의해 생성된 플라즈마 기둥(3997)을 재안내하도록 사용된다. 상기 유체 젯은 플라즈마 기둥을 직접적으로 조절하기 위해 사용되는 능동 수단의 한 예이다. 본 발명의 한 구체예에서, 유체 젯은, 선택적으로 전체 가스 개질 공정을 최적화시키고 조절하도록 설계된 컨트롤 시스템과 공동으로, 동력학적으로 제어된다.

도 35A-35D는 챔버 내에서 플라즈마 기둥을 재안내하기 위해 사용될 수 있는 디플렉터들의 그 외 다른 구체예들을 도시한다. 도 35A-35B에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 디플렉터는 플라즈마 토치 케이싱(casing)에 부착된다. 디플렉터의 형태를 조절함으로써, 플라자마 기둥이 분산되는 정도가 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 35B의 디플렉터는 도 35A의 디플렉터보다 더 넓은 플라즈마 기둥 분산 정도를 제공한다.

도 35C-35D는 디플렉터가 플라즈마 토치 케이싱에 부착되지 않은, 본 발명의 구체예들을 도시한다. 도 35D에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 디플렉터는 회전 샤프트에 부착된다. 당업자는 디플렉터 표면의 마감처리(finish)(예를 들어, 매끈한, 거친, 또는 각을 이룬)가 플라즈마 기둥의 분산에 영향을 끼치게 되는 것을 이해할 것이다.

도 36A-36D는 회전 샤프트 물체(object)가 불규칙한 표면을 가지는 본 발명의 상이한 구체예들을 도시한다. 가장자리의 개수, 토치 및 토치 각도는 플라즈마 기둥을 최적화시키도록 및/또는 플라즈마 기둥을 균일하게 분산시키도록, 따라서 플라즈마 기둥이 오프-가스와 접촉하는 것을 최대화시키도록 사용될 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 플라즈마 토치는 챔버의 중앙으로 직접 가리킨다(point).

도 36A에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 플라즈마 토치는 플라즈마 기둥의 적어도 일부분이 중앙 물체(center object)와 접촉하도록(hit) 각을 이룬다. 대안으로, 플라즈마 기둥은 중앙 물체로부터 이격되어 안내될 수 있다. 도 36B에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 샤프트 물체는 플라즈마 토치의 반대편 각도로 회전되어 플라즈마 기둥이 챔버의 외측을 향하도록 하게 한다.

도 36C-36D에 도시된 바와 같이 본 발명의 한 구체예에서, 플라즈마 기둥은 디플렉터가 중앙 샤프트를 향하도록 튀어나온다(bounced off). 디플렉터는 도 36C에 도시된 바와 같이 플라즈마 토치 케이싱 상에, 또는 도 36D에 도시된 바와 같이 챔버의 벽 위에 장착될 수 있다. 도 3C-36D에서 샤프트는 양 방향으로 회전될 수 있다.

선택적으로, 플라즈마 토치를 장착하기 위한 포트(port)들은 플라즈마 토치(들)를 용이하게 삽입하고 챔버로부터 용이하게 제거하기 위하여 슬라이딩 장착 메커니즘으로 끼워맞춤될 수 있으며 그 뒤 플라즈마 토치(들)을 철회하여 포트를 밀봉하기 위한 자동 게이트 밸브(gate valve)를 포함할 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 접선방향으로 장착된 플라즈마 토치용 포트들은 플라즈마 토치에 열을 최대한 노출시키기 위해 공기 유입구 위에 위치된다. 이러한 장착 메커니즘들은 가스 에너지화 공급원들의 위치를 조절할 수 있도록 하기 위해 변형될 수 있다.

도 38A 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 플라즈마 토치(3208)는 챔버(3202) 내로 주입된 가스들이 그 곳에 생성된 플라즈마 기둥에 대해 역류방식으로 흐르도록 위치된다. 당업자는 플라즈마 토치의 위치와 방향이 변할 때 플라즈마 기둥의 공간분포(spatial distribution)도 변경되는 것을 쉽게 이해해야 한다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스 에너지화 공급원(예를 들어, 플라즈마 토치)들은 해당 영역(예컨대, 플라즈마 기둥)이 초기 가스의 흐름 방향에 대해 수직으로 향하도록 배치된다. 본 발명의 한 구체예에서, 챔버는 실질적으로 원통형이며 플라즈마 기둥은 초기 가스 스트림의 실질적으로 축방향 흐름에 대해 수직으로 반경방향에서 안내된다. 교대로, 초기 가스 스트림은 플라즈마 기둥이 실질적으로 원통형인 가스 정제 챔버(gas refinement chamber)를 따라 축방향으로 안내될 때 반경방향으로 안내될 수도 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 챔버는 실질적으로 원통형이며 플라즈마 기둥은 초기 가스 스트림의 실질적으로 축방향 흐름에 대해 수직으로 접선방향에서 안내된다.

도 39는 가스 에너지화 공급원들이 다양하게 배열되어 그에 따른 가스 에너지화 필드들의 형태와 수치가 변경된 원통형 가스 개질 챔버들의 횡단면을 도시한다. 본 발명의 한 구체예에서, 가스 에너지화 공급원들은 AC 또는 DC 플라즈마 토치가 될 수 있다. 도 39A는 챔버 내에 접선방향으로 안내된 두 개의 가스 에너지화 공급원들을 도시한다. 도 39B에서, 챔버는 아크가 그 사이를 통과하는 세 개의 전극들을 포함한다. 가스는 이 아크를 통과하며 플라즈마가 형성되고 가스는 개질된다. 도 39C는 벽 위에서 전극들로부터 나온 아크가 전달되는 중앙 접지된(grounded) 전극이 있는 것을 제외하고는 도 39B의 구체예와 동일한 구체예를 도시한다. 당업자는 접지 전극이 접촉점만 제외하고는 전기적으로 보호된다는 것을 이해할 것이다. 도 39D는 챔버가 챔버를 통과하는 실질적으로 모든 가스들이 에너지화되기에 충분한 복수의 가스 에너지화 공급원(도시된 바와 같이 중앙부를 직접적으로 가리키는 형태이거나 또는 소용돌이 패턴으로)을 포함하는 한 대표 구체예를 도시한다. 도 39E와 도 39F는 각각 도 39B와 도 39C의 구체예와 유사하지만, 여기서는 여섯 개의 토치(3 또는 6상)를 가진다. 도 39B, 도 39C, 도 39E 및 도 39F에 대해 이와 유사하게 그 보다 더 많은 개수를 가진 토치들도 고려될 수 있다.

도 40은 본 발명의 두 개의 대표 구체예들을 도시하는데, 여기서 초기 가스 및/또는 사전형성된 가스 스트림은 가스 에너지화 공급원에 의해 생성된 가스 에너지화 필드를 통해 개질 챔버 내로 직접 유입된다.

가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 필드와 사전형성된 가스의 서로에 대한 공간분포, 및 이들의 역학적 전개를 적어도 부분적으로 조절한다.

혼합 매니퓰레이터(Mixing Manipulators)

몇몇 구체예들에서, 가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 필드에서 에너지화 화학종(energetic species)과 개질 가스의 혼합을 실질적으로 증가시키도록 구성되고 설계된다. 또한, 가스 매니퓰레이터는 공정 전체에 걸쳐 난류(turbulence)를 향상시킬 수 있어서 혼합을 개선되게 한다.

본 발명의 한 구체예에서, 공정 추가 노즐의 위치와 위치배열은 혼합 및 난류를 증가시키도록 설계된다.

한 구체예에서, 가스 매니퓰레이터는 난류 및 따라서 개질 가스의 혼합을 유도하기 위해 챔버 내에 위치된 하나 이상의 배플이다. 해당 분야에 여러 가지 배플 장치들이 공지되어 있으며 이 배플 장치에는 크로스 바 배플(cross bar baffle), 브릿지 월 배플(bridge wall baffle), 초크 링 배플(choke ring baffle) 장치 및 이들과 유사한 것이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 배플은 초기 가스가 보다 더 일정한 조성 및/또는 온도로 구성되도록 그리고 공정 첨가제와 적절하게 혼합되도록 초기 가스 유입구에 또는 초기 가스 유입구 근처에 위치될 수 있다.

도 43A-43B에서, 가스 에너지화 공급원 앞에 또는 가스 에너지화 뒤에 난류가 생성될 수 있다. 도 43C는 난류를 생성하기 위한 수단의 세 개의 대표 구체예: (i)수동형 그리드(passive grid); (ii)회전 샤프트를 이용하는 능동형 그리드(active grid); 및 (iii)쉬어 제너레이터(shear generator)를 도시한다. 도 45와 도 46은 난류를 생성하기 위한 수단의 추가적인 대표 실시예들을 도시한다.

한 구체예에서, 가스 매니퓰레이터는 가스 에너지화 필드에서 에너지화 화학종과 개질 가스의 혼합에 도움을 줄 수 있는(contribute) 에너지화 공급원들의 위치배열에 대한 디자인을 포함한다. 따라서 에너지화 공급원들은 가스 개질 공정을 최적화시키도록 배열될 수 있으며, 이 위치배열은 다양한 요인들에 좌우되는데 상기 요인들에는 가스 개질 챔버들(챔버)의 디자인이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 한 구체예에서, 두 개의 플라즈마 토치는 공기 및/또는 산소 유입물과 같이 동일한 소용돌이 방향을 생성시키기 위해 접선방향으로 위치된다. 본 발명의 한 구체예에서, 두 개의 플라즈마 토치는 챔버의 원주(circumference)를 따라 직경방향 위치들에 배치된다.

공정 첨가제(화학적 조성은 하기 논의) 유입물 배열(arrangement)은 다양한 요인들에 따르는데, 이 다양한 요인들에는 챔버의 디자인, 목표 흐름, 젯 속도, 관통(penetration) 및 혼합이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 가스 에너지화 공급원용 포트 및 공정 추가 포트들의 다양한 배열들이 본 발명에서 고려된다.

예를 들어, 산소 유입구 또는 포트, 증기 유입구 또는 포트 및 가스 에너지화 공급원용 포트는 챔버의 원주 주변을 따라 층으로 배열될 수 있으며, 이는 가스 에너지화 영역, 산소 및 증기가 접선방향으로 그리고 층상으로 주입되게 한다. 한 구체예에서, 챔버의 원주 주위로 세 개의 층들에 배열된 9개의 산소 공급원(들) 포트가 제공된다. 한 구체예에서 직경방향으로 위치되고 챔버의 원주 주위로 두 개의 층들에 배열된 두 개의 증기 유입 포트들이 제공된다. 공기 및/또는 산소 유입 포트들은 층들에 배열되며 이 포트들은 혼합 효과를 극대화시키도록 배열될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 공기 및/또는 산소 유입 포트는 접선방향으로 우치되며, 이에 따라 하부 높이 유입 포트가 가스를 사전혼합(premix)시키고, 가스를 토치 가열(torch heat up)시키며, 가스 내에서 소용돌이 운동(swirl motion)을 시작하게 한다. 상부 높이 공기 유입 포트는 소용돌이 운동을 가속시킬 수 있어서 이에 따라 재순환식 볼텍스 패턴(re-circulating vortex pattern)이 형성되고 유지되게 한다.

도 44 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 개질되어야 하는 가스는 개질 챔버 내에 접선방향으로 유입되어 소용돌이가 형성된다. 이 구체예는 가스 에너지화 공급원으로 가스 스트림의 노출을 증가시키도록 위치되고 형태가 형성된 대표 가스 매니퓰레이터를 도시한다.

한 구체예에서, 낮은 높이의 공기 유입 포트는 낮은 높이의 가스화장치로부터 생성되는 가스를 사전혼합시키고 토치 가열시킬 것이다. 그 외 다른 상부 두 개의 높이의 에어 노즐은 주 운동량(momentum)과 가스들과 혼합되도록 산소를 제공하며 요구되는 온도로 토치 가열시킨다. 증기 유입구 또는 포트의 배열은 증기 유입구 또는 포트가 온도 제어를 위해 최적화된 기능을 제공하는 위치에 배치되는 한, 개수, 높이, 방향 및 각도에 있어서 변경가능하다.

또한 산소 및/또는 증기 유입 포트는 가스의 소용돌이 또는 난류를 촉진시키는 챔버의 내부벽에 대한 각도로 챔버 내에 산소와 증기를 주입하도록 위치될 수 있다. 상기 각도는 챔버 직경과 원하는 공기 유입 포트 흐름 및 속도에 기초하여 젯의 관통이 충분히 구현되도록 선택된다. 이 각도는 약 50° 내지 70°사이에서 가변된다.

공기 유입 포트는 이들이 동일한 평면에 있거나 또는 순차적인 평면에 배열되도록 배열될 수 있다. 한 구체예에서 공기 유입 포트는 하부 및 상부 높이에 배열된다. 한 구체예에서, 하부 높이에 4개의 공기 유입 포트가 있고 상부 높이에 또 다른 6개의 공기 유입 포트가 있는데, 이 6개의 공기 유입 포트 중 3개의 유입 포트는 크로스-젯 혼합 효과(cross-jet mixing effect)를 발생시키기 위해 나머지 3개의 유입 포트보다 약간 더 높게 위치된다.

선택적으로, 공기는 챔버를 통과하는 가스의 싸이클론 운동(cyclonic movement) 또는 회전을 공기가 일으키도록 챔버 내부에 공기가 각을 이루며 블로잉될 수 있다(blown angularly). 가스 에너지화 공급원(예를 들어, 플라즈마 토치)들은 증기를 추가로 회전시키기 위해 각을 이룰 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 공기 및/또는 산소 및/또는 증기 유입구는 고내열성 원자화 노즐 또는 젯을 포함한다. 적절한 에어 노즐은 해당 분야에 공지되어 있으며 도 47-48에 예시된 타입 A 노즐과 타입 B 노즐과 같은 상업용 타입들을 포함할 수 있다. 이 노즐들은 단일 타입 또는 상이한 타입들로 제조될 수 있다. 노즐 타입은 기능적 필요조건들에 기초하여 선택될 수 있는데, 예를 들어, 타입 A 노즐은 원하는 소용돌이를 생성시키기 위해 공기 흐름의 방향을 변경하기 위한 것이며 타입 B 노즐은 특정 관통을 구현하고 혼합을 극대화시키도록 고속의 공기 흐름을 생성하기 위한 것이다.

노즐은 원하는 각도로 공기를 안내하도록 설계될 수 있다. 한 구체예에서, 에어 젯은 접선방향으로 위치된다. 한 구체예에서, 각을 이룬 블로잉은 유입 노즐의 끝단에 디플렉터를 가짐으로써 이루어지고, 이에 따라 유입 파이프와 플랜지가 챔버와 사각으로 형성되게 한다(square with).

본 발명의 한 구체예에서, 주입된 공기의 속도를 이용함으로써 초기 가스 스트림에서 소용돌이 운동을 생성하고 그리고 작은 양의 공기를 초기 가스에 주입하기 위해 하나 이상의 에어 젯(예를 들어, 에어 스월 젯)이 초기 가스 유입구에 또는 초기 가스 유입구 근처에 위치된다. 에어 스월 젯(air swirl jet)의 개수는 지명된 공기 흐름 및 배출구 속도에 기초하여 실질적으로 최대 소용돌이를 제공도록 설계될 수 있으며, 이에 따라 젯은 챔버의 중앙부로 관통될 수 있다.

촉매 매니퓰레이터(Catalytic Manipulators)

촉매 매니퓰레이터는 촉매들을 포함하며 에너지 이동(energy transference)의 효율성을 증가시킨다. 촉매는 평형상태에 도달하는데 필요한 시간을 경감시킴으로써 화학반응의 속도를 증가시킨다. 촉매는 다양한 메커니즘에 의해 반응물로부터 생성물까지의 대체가능하고 더욱 용이한 경로를 제공함으로써, 하지만 각각의 경우 반응의 활성 에너지를 낮춤으로써 작용한다. 균질 촉매는 반응물과 동일한 상으로 존재하며 반응 분자들 또는 이온과 결합하여 불안정한 중간생성물을 형성하는 기능을 한다. 이러한 중간생성물들은 그 외 다른 반응물들과 결합하여 원하는 생성물을 제공하고 촉매를 재생시킨다. 비균질 촉매는 생성물들과 반응물들의 상과 상이한 상으로 존재한다. 이러한 비균질 촉매는 통상 가스 또는 액체 반응물들의 존재하에서 고체이다. 반응은 비균질 촉매의 표면에서 일어난다. 이런 이유로 촉매는 통상적으로 높은 표면-대-부피 비율을 제공하는 세분된 고체이거나 입자 형상을 가진다. 석유의 열분해와 탄화수소의 개질은 비균질 촉매를 사용하는 공통적인 산업 분야이다. 비균질 촉매를 사용함에 있어서 어려운 점 중 하나는 이들 대부분이 쉽게 "피독"되며, 이 때, 반응물 내의 불순물은 비-반응성 물질과 함께 촉매를 코팅하거나 또는 촉매 표면을 변형시켜서, 촉매 활성을 손실시킨다는 점이다. 반드시 그러한 것은 아니지만 종종, 피독된 촉매는 정제되어 다시 사용될 수 있다.

가스 개질 시스템에서 적절한 촉매를 사용하는 것은 대체가능한 반응 경로를 제공함으로써, 가스 개질 공정에 필요한 에너지 수준을 감소시킬 수 있다. 촉매에 의해 제공되는 정확한 경로는 사용되는 촉매에 따라 달라질 것이다. 가스 개질 시스템에서 촉매 사용 가능성은 일반적으로 촉매의 수명에 따라 달라진다. 촉매의 수명은 '피독', 즉, 가스 내의 불순물들로 인한 촉매 성능의 저하에 의해 짧아질 수 있다.

가스 개질 시스템은 촉매를 쉽게 교체할 수 있도록 설계될 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 촉매는 슬라이딩 메커니즘 상에 고정된(mounted) 층의 형태로 가스 개질 시스템 내에 통합된다. 이 슬라이딩 메커니즘은 촉매층을 용이하게 제거하고 교체할 수 있게 한다. 상기 촉매층은 가스 개질 시스템 내의 다양한 위치들에 삽입될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스화 챔버로부터의 고온의 오프-가스는 가스 개질에 필요한 에너지 한계치를 효과적으로 낮추는 촉매와 접촉하여, 오프-가스 스트림은 가스 에너지화 필드에 노출되기에 앞서 개질을 거치게 된다. 그러므로 본 발명의 한 구체예에서, 가스 개질 시스템은 가스 에너지화 공급원(들)의 업스트림 위치에 촉매를 포함한다. 도 57에 설명된 한 구체예에서, 촉매층들은 가스 에너지화 공급원들 (예컨대, 플라즈마 토치) 앞 및/또는 뒤에 삽입된다.

촉매 성능은 또한 작업 온도에 따라 달라질 것이다. 다양한 촉매들에 적절한 작업 온도 범위는 해당 업계에 공지되어 있다. 가스 개질 시스템에는 촉매들을 반드시 이들의 최적 온도 범위 내에서 유지되게 하는 적절한 냉각 메커니즘을 통합시킬 수 있다. 촉매층 근방의 온도를 증가시키거나 감소시키는 것에 도움을 주기 위해 증기, 물, 공기, 산소 또는 재생된 개질 가스와 같은 첨가제들이 첨가될 수 있다. 당업자는 온도를 제어하기 위해 선택된 특정 첨가제가 촉매층의 위치 및 촉매층에서의 가스 온도에 따라 달라질 수 있음을 이해할 것이다.

촉매 표면의 불균질성(irregularity) 및 대형 유기 분자들과 표면 간의 우수한 접촉은 H₂ 및 CO와 같은 소형 분자들로 개질될 기회를 증가시킬 것이다.

사용될 수 있는 촉매들에는 감람석, 하소된 감람석, 백운석, 산화 니켈, 산화 아연 및 숯이 포함될 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니다. 감람석 중 철과 마그네슘의 산화물들의 존재는 더 긴 탄화수소 분자들을 개질시킬 수 있는 능력을 제공한다. 당업자는 시스템의 가스 환경에서 신속하게 질적으로 저하(degrade)되지 않는 촉매를 선택하는 것을 이해할 것이다.

비금속성 및 금속성 촉매 모두 개질 공정을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 하소된 형태의 백운석은 생물자원 가스화 공정들로부터 생성된 가스의 개질에 가장 널리 사용되는 비금속성 촉매이다. 이들은 비교적 값이 싸고 일회용(disposable)인 것으로 고려된다. 백운석이 증기와 함께 사용될 때 촉매 효율성이 높다. 또한, 최적 온도 범위는 약 800℃ 내지 약 900℃이다. 백운석의 촉매 활성과 물리적 성질은 보다 높은 온도에서 저하된다.

백운석은 일반 화학식 CaMg(CO₃)₂를 가지는 칼슘 마그네슘 광물이며, ~20중량%의 MgO, ~30 중량%의 CaO, 및 ~45 중량%의 CO₂ 및 그 외 다른 미량의 무기 불순물을 함유한다. 백운석의 하소는 CO₂를 제거하여 MgO-CaO를 형성하는 탄산염 광물의 분해에 관련된다. 완전한 백운석 하소는 꽤 높은 온도에서 일어나며 통상적으로 800℃-900℃에서 수행된다. 그러므로 백운석의 하소 온도는 이 촉매의 효율적인 사용을 상기와 같은 비교적 높은 온도에 제한시킨다.

또 다른 천연 광물인 감람석 또한 하소된 백운석과 유사한 촉매 활성을 보여주었다. 감람석은 전형적으로 하소된 백운석보다 더욱 강하다(robust).

사용될 수 있는 그 외 다른 촉매 물질들에는 탄산염암, 고토석회 및 탄화규소 (SiC)이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

숯은 저온에서 촉매로서 기능할 수 있다. 본 발명의 한 구체에에서, 가스 개질 시스템은 가스화장치에 연결되어 가동되며, 가스화장치 내부에서 생성된 숯의 적어도 일부분은 촉매로서 사용하기 위해 가스 개질 시스템으로 이동된다. 촉매로서 숯을 사용하는 구체예들에 있어서, 촉매층은 통상적으로 플라즈마 토치에 의해 제공되는 것과 같은 에너지화 구역 이전에 배치된다.

도 49는 개질 챔버에서 촉매로서 사용되는 숯의 고정층을 도시한다. 촉매작용에 사용되는 숯은 도 50에 도시된 가스화장치로부터 얻을 수 있다. 이는 가스 개질 챔버가 가스화장치에 연결되어 작동되고 가스화장치로부터 생성된 가스들을 개질시키기 위해 사용될 때 특히 해당될 수 있다. 숯은 그 촉매 성질을 잃었을 때 잔여물 컨디셔닝 챔버 또는 탄소 전환장치로 이동될 수 있다.

도 51은 플라즈마 토치에 기초한 가스 개질 챔버에 연결되어 작동하는 가스화 장치의 하나의 예시적 구조를 도시하는데, 여기서, 가스화장치에서 생성된 숯은 가스화에 의해 생성된 오프-가스의 촉매적 열분해를 돕는다. 가스화장치의 후반 단계에서 이루어지는 촉매적 열분해는 플라즈마 토치에 의해 생성된 가스 에너지화 필드에 가스를 노출시킴으로 인한 추가 가스 개질을 수반한다. 당업자에게 널리 공지된 다양한 유형의 가스화장치들, 가령 유동층 가스화장치 및 분류층 가스화장치 또한 사용될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 초기 가스는 900-950℃의 온도로 가열되고 니켈계 촉매를 통과하며 이 촉매에 의해 타르 성분 및 메탄을 비롯한 경질 탄화수소들이 CO와 H₂로 전환된다. 니켈계 촉매들은 초기 가스가 미량의 황 화학종 (가령, 황화수소)을 함유할 때, 가령, 예를 들어, 생물자원의 가스화에 의해 생성된 가스일 때 특히 유용할 수 있다. 니켈계 촉매들의 사용수명은 희토류 금속과 같은 프로모터의 사용에 의해 연장될 수 있다.

도 52에 도시된 본 발명의 한 구체예에서, 촉매층은 가스화장치의 바로 뒤에 설치되며 대부분의 휘발성물질들을 변형시킨다(transform). 촉매층의 유입구 온도는 휘발성물질들 중 적은 부분을 연소시킴으로써 600℃로부터 950℃로 상승될 수 있다. 촉매층의 배출구 온도는 850℃로 저하되는 것으로 예상되며, 배출 가스는 추가 개질을 위해 가스 에너지화 필드로 공급된다. 가스 에너지화 영역은 이러한 추가 개질을 위해 1000℃에서 작동될 수 있으며, 생성된 합성가스는 후속적인 가스 정제 공정을 시작하기 위하여 폐열회수장치(recuperator)로 보내진다.

도 53에 도시된 본 발명의 한 구체예에서, 가스화장치로부터 생성된 휘발성물질들은 온도가 약 900℃ 내지 약 1000℃인 가스 에너지화 영역을 통과한다. 촉매층은 추가 개질을 위해 사용된다. 촉매층의 배출구에서 합성가스의 온도는 85O℃로 떨어지는 것으로 예상된다. 그 후 합성가스는 가스 안정화 영역의 일부를 구성하는 열 교환장치 또는 폐열회수장치로 보내진다.

도 54에 도시된 본 발명의 한 구체예에서, 촉매층에 앞서 열이 회수된다. 가스화장치로부터의 휘발성물질 대부분은 약 1000℃ 온도의 가스 에너지화 영역에서 개질된다. 고온의 산출 가스는 공정 대기를 예열하기 위하여 열 교환장치 (또는 폐열회수장치)를 통해 통과하며, 이때 산출가스의 온도는 700℃ 근방으로 떨어진다. 냉각된 합성가스는 이후 합성가스의 적은 부분을 연소시킴으로써 900℃로 가열되어 촉매층으로 공급된다. 85O℃의 생성된 합성가스는 선택적으로 추가 가스 정제를 위해 보내진다.

촉매층이 에너지화 필드 이전에 배치된 구체예들에 있어서, 가스 온도는 전형적으로 높은 촉매 활성에 적합하다. 그러나 촉매층이 에너지화 필드, 가령, 플라즈마 토치에 의해 생성된 에너지화 필드 이후에 존재하는 구체예들에 있어서, 가스 온도는 감람석, 백운석, 및 많은 그 외 다른 촉매들과 같은 가장 통상적인 촉매들에 대해서는 너무 높을 수도 있다. 가스 온도는 도 55에 도시된 바와 같은 냉각 유체의 순환에 의해 (촉매층의 질적 저하를 방지하기에) 적절한 수준으로 감소될 수 있다. 적절한 냉각 유체들은 (도 56의 구체예에 도시된 바와 같이) 재생된 개질 가스, 물 및 증기를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

촉매층이 폐열회수장치 (열 교환장치) 이후에 존재하는 구체예에 있어서, 개질된 가스의 재생 스트림은 폐열회수장치 이전 또는 이후에 도입될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 개질 영역은 촉매층을 포함하며, 촉매 매니퓰레이터 또한 사전형성된 및/또는 개질화 가스를 촉매층에 노출시키는 것을 개선시키기 위해 설계된다.

가스 안정화 영역(A Gas Stabilizing Zone)

이 시스템은 하나 이상의 안정화 영역을 제공하는데, 이 안정화 영역에 의하여 새로이 형성된 분자들은 탈에너지화되어 (예컨대, 촉매 또는 에너지화 공급원의 영향으로부터 제거되거나 냉각됨) 새로이 형성된 분자들은 원하는 특성들, 예컨대, 원하는 화학적 조성을 유지하게 된다.

안정화 영역으로 유입하는 가스의 온도 범위는 약 400℃ 내지 1000℃ 이상이 될 것이다. 이 온도는 개질된 가스로부터 열을 회수하여 개질된 가스를 냉각시키는 가스 개질 시스템의 안정화 영역에서 열 교환 시스템에 의해 선택적으로 감소될 수 있다. 이러한 가스 온도의 감소는 다운스트림 응용 및 구성 성분들에 의해 필요해지게 될 수 있다.

도 22B를 보면, 안정화 영역의 가스 개질 챔버 (3002)는 새로이 형성된 분자들의 탈에너지화 및 안정화를 용이하게 하기 위하여 특수하게 형성(shaping)될 수 있다. 가스 개질 챔버 (3002)는 일반적으로 플라즈마의 구상 팽창(bulbous expansion) 다운스트림을 가지는 실린더 형상의 챔버이거나 또는 선택적으로 하나 이상의 개질된 가스 배출구 (3006)에 근접해 있다. 가스의 탈에너지화를 위하여 구상 팽창이 가능해지며 이에 따라 새로이 형성된 분자들을 안정화시킨다.

선택적 열 재생 수단들(Optional Heat Recycling Means)

열은 안정화 영역에서 또는 안정화 영역으로부터의 다운스트림에서 회수될 수 있다. 회수된 열은 다음과 같은 다양한 목적으로 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: 가스 개질 공정을 위한 공정 첨가물(예컨대, 공기, 증기)을 가열; 조합된 순환 시스템에서 전력을 생성. 회수된 전력은 가스 개질 공정을 추진시키는데 사용됨으로써, 지역 전력 소비 비용을 경감시킬 수 있다. 포획된 열의 양은 초기 가스 및 개질된 가스의 특성들 (예컨대, 화학적 조성, 유속)을 비롯한 다양한 요인들에 따라 달라지지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스 개질 시스템의 안정화 영역으로부터 회수된 열은 가스 개질 시스템과 연결되어 작동되는 가스화 시스템에 공급된다. 열 교환장치는 효율성 개선을 위해, 에너지 소모를 최소화하고 에너지 생성/회수를 최대화하기 위하여 선택적으로 구성된 컨트롤 시스템과 연결되어 작동될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스-대-유체 열 교환장치는 개질된 가스로부터 유체로 열을 전달하기 위하여 안정화 영역에서 사용되며, 가열된 유체 및 냉각된 가스를 생성한다. 열 교환장치는 개질된 가스 및 유체를 열 교환장치로부터 및 열 교환장치로 전달하기 위한 수단들(예컨대, 도관 시스템)을 포함한다. 적절한 유체에는 공기, 물, 오일, 또는 또다른 가스, 가령, 이산화탄소 또는 질소가 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다.

도관 시스템은 선택적으로 개질된 가스 및 유체의 유속을 관리하기 위해 적절히 배치된 하나 이상의 조절장치 (예컨대, 블로어)를 사용할 수도 있다. 이러한 도관 시스템들은 개질된 가스로부터 회수가능한 감열의 양을 높이기 위하여 열 손실을 최소화하기 위해 설계될 수 있다. 열 손실은, 예를 들면, 도관 주위에 해당 분야에서 공지인 절연재를 포함한 절연 장벽을 사용함으로써 및/또는 도관들의 표면적을 감소시킴으로써 최소화될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 가스-대-유체 열 교환장치는 가스-대-공기 열 교환장치이며, 여기서 열은 개질된 가스로부터 공기로 전달되어 가열된 교환 공기를 생성한다. 본 발명의 한 구체예에서, 가스-대-유체 열 교환장치는 열 회수 증기 생성장치이며, 여기서 열은 물로 전달되어 가열된 물과 증기를 생성한다.

직선형의, 단일-경로 설계 및 U-관형 복수 경로 설계 두 가지 모두의 원통 다관형 열 교환장치 및 판형 열 교환장치를 포함한, 상이한 종류의 열 교환장치들이 사용될 수 있다. 적절한 열 교환장치의 선택은 당업자의 통상의 지식 범위에 속한다.

미립자 물질이 가스에 존재할 수도 있으므로, 가스-대-공기 열 교환장치는 통상적으로 높은 수준의 미립자 부하를 위해 설계된다. 입자 크기는 통상적으로 약0.5 내지 약 100 마이크론으로 달라질 수 있다. 도 58에 도시된 한 구체예에서, 열 교환장치는 단일 경로 수직 흐름(flow) 열 교환장치 (5104B)이며, 여기서 개질된 가스 (5020)는 관 측면에서 흐르고 공기(5010)는 원통 측면에서 흐른다. 개질된 가스 (5020)는 "관류형(once through)" 설계에서 수직으로 흐르며, 이는 미립자 물질의 축적 또는 미립자 물질의 부식이 일어날 수 있는 영역을 최소화시킨다. 개질된 가스 속도는 자체-정제에 충분하면서도 부식을 최소화 하도록 높게 유지되어야 하며, 약 3000 내지 약 5000 mm/sec에서 달라질 수 있다.

공기 유입구 온도와 고온 생성물 가스 온도의 현저한 차이로 인해, 가스-대-공기 열 교환장치에 있는 각각의 관은 바람직하게는 관 파열을 막기 위한 개개의 팽창 벨로우즈(expansion bellows)를 가진다. 관 파열은 하나의 관이 막히게 되어 관 다발의 나머지와 더 이상 접촉하거나 팽창할 수 없는 경우에 발생할 수 있다. 공기 압력이 개질된 가스의 압력보다 더 큰 경우의 구체예들에서, 관 파열은 공기 유입 가스 혼합물로부터 생기는 문제들로 인하여 매우 위험하다.

열이 가스-대-유체 열 교환장치에서 회수된 후, 냉각된 개질된 가스는 그보다 다운스트림인 시스템들에 대하여 여전히 너무 많은 열을 함유할 수 있다. 컨디셔닝 이전에 생성물 가스의 추가 냉각을 위한 적절한 시스템의 선택은 당업자의 통상의 지식 범위에 속한다.

도 59에 도시된 바와 같은 한 구체예에서, 고온의 개질된 가스(5020)는 가스-대-공기 열 교환장치 (5103)를 통해 통과하여, 부분적으로 냉각된 개질된 가스(5023) 및 가열된 교환-공기 (5015)를 생성한다. 열 교환장치로 유입된 공기는 공정 공기 블로어에 의해 공급될 수 있다. 상기 부분적으로 냉각된 개질된 가스 (5023)는 건식 급냉 단계(dry quench step) (6103)를 거치며, 여기서 제어된 양의 미립화된 물의 추가(6030)는 더욱 냉각된 생성물 가스 (5025)를 생성한다.

또한 개질된 가스의 냉각은 습식, 건식 또는 하이브리드 냉각 시스템을 사용하여 이루어질 수도 있다. 습식 및 건식 냉각 시스템들은 직접식 또는 간접식 일 수 있다. 적절한 냉각 시스템들은 해당 업계에 공지이며, 시스템이 필요로 하는 바에 따라 당업자는 적절한 시스템을 선택할 수 있을 것이다.

한 구체예에서, 냉각 시스템은 습식 냉각 시스템이다. 습식 냉각 시스템은 직접식 또는 간접식 일 수 있다. 간접 습식 냉각을 이용하는 냉각 시스템에서, 개질된 가스로부터 열을 흡수하는 순환하는 냉각수 시스템이 제공된다. 흡수된 열은 하나 이상의 냉각 탑을 통해 증발에 의하여 대기 중으로 방출된다. 대안적으로, 물 보존을 용이하게 하기 위하여, 수증기는 응축되어, 폐쇄 루프의 시스템으로 되돌아간다.

한 구체예에서, 냉각 시스템은 건식 냉각 시스템이다. 건식 냉각 시스템은 직접식 또는 간접식 일 수 있다. 한 구체예에서, 건식 냉각 시스템은 통풍 건식(draft dry) 냉각 시스템이다. 비록, 건식 냉각이 설비 비용을 꽤 추가할지라도, 물 공급이 제한된 분야에서는 바람직할 수 있다.

한 구체예에서, 합성가스 냉각장치는 복사 가스 냉각장치(radiant gas cooler)이다. 다양한 복사 가스 냉각장치들이 해당 분야에 공지되어 있으며, 미국 특허 출원 제20070119577호, 및 미국 특허 제 5,233,943호에 개시된 것들을 포함한다.

또한 개질된 가스는 급냉장치와 같은 증발장치에서 직접적인 물 증발에 의해 냉각될 수도 있다.

개질된 가스의 배출 온도는 또한 냉각된 개질된 가스를 새로이 생성된 개질된 가스와 혼합하기 위한 가스 개질 시스템의 안정화 영역으로 적절히 배치된 유입구들을 통하여 재-순환시킴에 의해 감소될 수도 있다.

선택적 가스 추가 영역(Optional Gas Additive Zones)

이 챔버는 산소 공급원들, 이산화탄소, 그 외 탄화수소 또는 첨가 가스와 같은 공정 첨가제를 챔버 내에 주입하기 위한 하나 이상의 추가 포트를 선택적으로 포함한다. 해당 업계에서 알려진 산소 공급원들에는 산소, 산소-농후 공기, 공기, 산화매질, 증기 및 다른 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 그 외 다른 산소 공급원들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 한 구체예에서, 챔버는 공기 및/또는 산소 유입물을 위한 하나 이상의 포트(들)를 포함하며 선택적으로는 증기 유입물을 위한 하나 이상의 포트들을 포함한다.

공기, 증기 및 그 외 다른 가스와 같은 공정 첨가제는 이들을 주입하기 위한 유입구 없이도 선택적으로 추가할 수 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 공정 첨가제는 가스 공급원 또는 도관 내에 추가될 수 있는데, 이 가스 공급원 또는 도관으로부터 가스 개질 시스템이 초기 가스 스트림을 수득한다. 또한 공정 첨가제는 플라즈마 토치와 같은 가스 에너지화 공급원들을 통해 챔버에 추가될 수 있다.

선택적으로, 품질 규격을 충족하지 않는 개질된 가스가 추가적인 처리를 위해 챔버 내로 재순환될 수 있도록 하는 포트 또는 유입구들이 제공될 수 있다. 이러한 포트 또는 유입구는 챔버 내에서 재료의 난류 혼합을 촉진하기 위해 여러 각도에서 및/또는 여러 장소에 위치될 수 있다.

공정의 온도, 압력, 가스 조성 및 그 외 다른 상태들을 측정할 수 있게 하는 하나 이상의 포트들이 포함될 수 있다.

선택적으로, 하나 이상의 포트 또는 유입구를 챔버(3002) 내에 밀봉하기 위해 플러그, 커버, 밸브 및/또는 게이트가 제공된다. 적절한 플러그, 커버, 밸브 및/또는 게이트가 해당 업계에 공지되어 있으며 수동식으로 또는 자동식으로 작동되는 것들을 포함할 수 있다. 포트는 밀봉 글랜드(sealing gland)와 같은 적합한 밀봉장치를 추가로 포함할 수 있다.

선택적 가스 정제 영역(Optional Gas Cleaning Zones)

시스템은 가스 안정화 영역의 다운스트림에 위치된 하나 이상의 가스 정제 영역을 선택적으로 포함한다. 하나 이상의 가스 정제 영역들을 포함하는 본 발명의 구체예들은, 시스템으로부터 가스가 배출되기 전에, 가스를 정제하는 챔버 내로 물질들을 주입하는 수단을 일체구성한다. 예를 들어, 산소 및/또는 증기는 고내열성 원자화 노즐에 의해 원자화되어 안정화되고 개질된 가스를 정제하기 위한 챔버 내로 주입될 수 있다.

선택적 추가 처리공정(Optional Further Processing)

안정화되고 개질된 가스 스트림에는 하위 분야에 사용되거나, 저장되거나 또는 연소되기 전에 추가적인 처리공정을 거칠수 있다. 예를 들면, 개질된 가스는 미립자 물질, 산 가스(HCl, H₂S) 및/또는 중금속들이 제거될 수 있으며 가스의 온도 및/또는 습도가 조절될 수 있는 가스 컨디셔닝 시스템(gas conditioning system)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 만약 존재한다면, 먼지 입자들은 전자-필터 또는 섬유질 여과 필터를 포함하는 벤쳐 정제장치(venture scrubber)를 사용하여 가스로부터 제거될 수 있다.

개질된 가스는 또한 균질화 챔버를 통과할 수 있으며, 균질화 챔버의 체류시간과 형태는 개질된 가스의 특성에 있어서 변동을 줄이기 위해 개질된 가스의 혼합을 촉진시키도록 설계된다.

가스 개질 챔버(Gas Reformulating Chambers)

도 3 및 본 발명의 한 구체예에 따르면, 가스 개질 시스템(3000)의 챔버(3002)는 하나 이상의 초기 가스 유입구(3004), 하나 이상의 개질된 가스 배출구(3006), 하나 이상의 가스 에너지화 공급원(예를 들어 플라즈마 공급원)(3008) 및 선택적으로 하나 이상의 공정 첨가제(예컨대, 산소) 유입구(3010), 가스 매니퓰레이터(이 도면에서는 도시되지 않음), 및 컨트롤 시스템을 포함한다.

도 4에 도시된 한 구체예에서, 가스 개질 시스템(3000)은 챔버(3002)가 가스의 공급원(예를 들어, 가스화장치, 가스 저장 탱크)에 직접적으로 결합되어 가스 공급원과 가스 소통되도록(gaseous communication) 설계된다. 유지 또는 보수를 용이하게 하기 위하여, 가스 개질 시스템(3000)은 필요시에 가스 개질 시스템(300)이 제거될 수 있도록 선택적으로 가스화장치에 가역방식으로 결합될 수 있다.

도 5에 도시된 한 구체예에서, 가스 개질 시스템(3000)은 개별 파이프 또는 도관을 통해 두 개의 가스 공급원들로부터 초기 가스를 수용하는 독립식 유닛(stand-alone unit)이다. 도 6에 도시된 한 구체예에서, 개별 가스 스트림들은 가스 개질 시스템(3000) 내로 주입되기 전에 결합된다. 독립식 유닛에서, 가스 개질 시스템은 적절한 지지 구조물들을 추가로 포함할 수 있다.

압력을 원하는 압력으로, 예를 들어, 약 0 내지 5 mbar의 압력으로 유지시키기 위해 가스 소통하는 인덕션 블로어(induction blower)가 챔버의 다운스트림에 제공될 수 있다.

챔버 내에서 발생되는 가스 개질 공정의 효율성은 다양한 요인들에 좌우되는데, 이 요인들에는 챔버 내부 부피와 기하학적 형상, 가스 유속, 가스의 이동거리 및/또는 챔버를 통한 가스의 경로(즉 일직선 선형 경로 또는 소용돌이형 통로, 사이클론형, 나선형 또는 그 외 다른 비-선형 경로)가 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 따라서 챔버는 챔버 내부에서 가스의 원하는 유체역학을 구현하도록 형태가 형성되고 크기가 정해져야 한다. 예를 들어, 챔버를 통과하는 가스의 소용돌이 흐름을 촉진시키기 위한 에어 젯이 사용될 수 있으며, 이에 따라 가스의 경로가 비선형이 된다. 특정의 챔버 디자인이 원하는 가스 개질을 위해 요구되는 조건들(예를 들어, 공정 유입물들의 적절한 상호작용)을 촉진시키기 위한 전체적인 가스 개질 시스템의 유동 모델링이 사용될 수 있다.

당업자에게 잘 공지된 바와 같이 가스 개질 시스템의 하나 이상의 챔버들은 다양한 형태들로 설계될 수 있으며 다양한 위치들에 배치될 수 있다. 챔버는 실질적으로 수직방향으로, 실질적으로 수평방향 또는 각도를 이루며 배향될 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 챔버는 제 1 (업스트림) 단부와 제 2 (다운스트림) 단부를 포함하는 벤튜리 형태 또는 일직선 관형의 구조물이며 실질적으로 수직방향 위치 또는 실질적으로 수평방향 위치로 배향된다. 본 발명의 한 구체예에서, 챔버는 약 2 내지 약 6 사이 범위의 길이-대-직경비를 가진 직선형 실린더로서, 이 길이-대-직경비는 구현가능한 가스 속도에 영향을 끼친다. 한 구체예에서, 챔버의 길이-대-직경비는 3:1이다.

도 60A에 도시된 바와 같이 한 구체예에서, 챔버(3202)는 가스화장치에 직접적으로 결합되도록 구성되며, 직선형이고 실질적으로 수직방향으로 배열되며 내화재-라이닝되고 캡이 씌워지며, 챔버의 상측 (다운스트림) 단부에서 또는 상측 단부의 근위부분에 하나의 개질된 가스 배출구(3206)과 개방된 바닥 (업스트림) 단부를 가진 원통형의 구조물이다. 챔버의 상측 (다운스트림) 단부는 내화재-라이닝된 리드(3203)로 캡이 씌어질 수 있는데, 이 리드는 유지 또는 보수를 용이하게 하기 위하여 챔버에 탈착가능하게 밀봉될 수 있다.

챔버의 벽은 내화재로 라이닝될 수 있거나 또는 고온을 견디도록 다른 방식으로 제조될 수 있다. 챔버는 증기를 냉각시키고 및/또는 증기를 발생시키거나 또는 가용 토치 열을 회수(recovery)시키기 위해 워터 재킷(water jacket)으로 둘러쌀 수 있다. 챔버는 열을 회수시키기 위한 냉각 메커니즘과 함께 다중벽을 가질 수 있으며, 가스 개질 시스템은 고압/고온의 증기를 생성하거나 또는 그 외 다른 열 회수 기능을 위한 열교환기를 포함할 수 있다.

고온의 가압되지 않은 챔버에서 사용하기에 적합한 종래의 내화재는 당업자에게 잘 공지되어 있으며, 이러한 내화재에는 고온 소성 세라믹, 즉, 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 규산 알루미늄, 질화 붕소, 인산 지르코늄, 유리 세라믹 및, 주로 규소, 알루미나, 크로미아 및 티타니아를 함유하는 고알루미나질 내화벽돌, 세라믹 블랭킷, 및 내화 단열 벽돌이 포함되나, 이에 제한되는 것은 아니다. 보다 강력한 내화재가 요구되는 곳에서는 Didier Didoflo 89CR 및 Radex Compacflo V253과 같은 재료들이 사용될 수 있다.

한 구체예에서, 내화 디자인은 챔버 내에 존재하는 고온, 침식 및 부식에 대해 내성이며 가스 성질들에 있어서의 변동사항들을 줄이기 위한 히트 싱크(heat sink)를 제공하기 위해 내측 상에 고밀도층을 가진 다중층들을 가진다. 고밀도 재료 외측은 상대적으로 낮은 내부식성을 가지지만 높은 단열 요인을 가진 저밀도 재료이다. 선택적으로 이 층의 외측은 챔버 내에 존재할 수 있는 부식 환경에 노출되지 않기 때문에 사용될 수 있는 매우 높은 단열 요인을 가진 초저밀도 발포판(foam board) 재료이다. 이와 같은 다중층 디자인은 순응층(compliant layer)을 제공하기 위한 세라믹 블랭킷 재료인 베슬 쉘(vessel shell)과 발포판 사이에 외부층을 선택적으로 추가로 포함할 수 있어서 고형 내화재와 베슬 쉘 사이에 차별적인 팽창이 가능하게 한다. 다중층 내화재에 사용하기에 적합한 재료는 해당 업계에 잘 알려져 있다.

한 구체예에서, 다중층 내화재는 비압축성 내화재의 섹션들과 분리된 압축성 내화재의 섹션들을 추가로 포함할 수 있으며 이에 따라 내화재가 팽창할 수 있게 한다. 압축층은 연장가능한 고밀도 내화재를 포개어서 부식으로부터 선택적으로 보호될 수 있다. 한 구체예에서, 다중층 내화재는 크로미아층; 중간 알루미나층 및 외부의 단열판층을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 구체예들에서, 챔버는 처리공정 동안 형성된 반응성 중간생성물들로부터의 화학적 반응에 영향을 받지 않으면서 처리열을 최대로 체류하도록 하기 위해 전체 챔버에 걸쳐 특별히 선택된 내화재-라이닝된 약 최대 17 인치 또는 그 이상의 층을 포함할 수 있다.

내화재 라이닝이 플라즈마 토치 열의 작동 공급원들로부터 상대적으로 높은 온도를 견뎌내야만 하기 때문에, 챔버의 바닥 섹션에서의 내화재 라이닝은 더욱 마모되고 변질되기 쉽다. 따라서 한 구체예에서, 하부 섹션에서의 내화재는 챔버벽들과 상측 부분 상에서의 내화재보다 더 내구성이 큰 "고온 면(hot face)" 내화재를 포함하도록 설계된다. 예를 들어, 벽과 상측 부분 위의 내화재는 DIDIER RK30 벽돌로 제조될 수 있으며, 하부 섹션을 위한 상이한 "고온 면" 내화재는 RADEX COMPAC-FLO V253으로 제조될 수 있다.

챔버가 내화재-라이닝된 구체예들에서, 챔버의 벽은 내화재 라이닝되기 위한 지지체 또는 내화재 앵커(anchor)를 선택적으로 포함한다.

챔버는 고형의 미립자 물질용 컬렉터를 가질 수 있다. 챔버가 가스화장치와 공동으로 작동되는 구체예들에서, 수거되는 임의의 물질은 추가적인 처리를 위해 가스화장치 내로 또는 추가적인 처리를 위해 고형 잔여물 컨디셔닝 챔버 내로 공급될 수 있다. 해당 업계에서 공지인 고형의 미립자 물질용 컬렉터는 원심분리기, 관성 충돌 배플(inertial impingement baffle) 및 필터를 포함하지만 이들에 제한되는 것은 아니다. 가스 개질 시스템이 가스화장치에 직접적으로 결합된 구체예에 대해서, 형성된 미립자가 부분적으로 가스화장치 내로 직접 다시 떨어질 때는 추가적인 고형의 미립자 컬렉터가 필요하지 않을 수도 있다.

챔버용 포트, 유입구 및 배출구(Ports, Inlets and Outlets for the Chamber)

챔버는 개질을 위한 챔버 내로 초기 가스를 공급하는 하나 이상의 초기 가스 유입구, 및 개질된 가스를 더욱 다운스트림으로 보내기 위한 하나 이상의 개질된 가스 배출구를 포함한다. 유입구는 개구를 포함할 수 있거나 또는 대안으로 챔버 내로 들어가는 초기 가스의 흐름을 제어하는 장치 및/또는 초기 가스를 챔버 내로 주입하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 이 장치는 향상된 개질을 위해 초기 가스를 적절하게 주입하기 위한 가스 매니퓰레이터를 포함할 수 있으며 및/또는 초기 가스의 다양한 특징들을 측정하기 위한 센싱요소들을 포함할 수 있다.

초기 가스 유입구들은 병류(concurrent), 역류, 반경류, 접선류 또는 그 외 다른 공급 흐름 방향들로 촉진시키기 위해 일체구성될 수 있다. 한 구체예에서, 단일의 초기 가스 유입구는 점진적인 원뿔 형태를 가진다.

초기 가스 유입구는 챔버의 제 1 또는 업스트림 단부에서 또는 제 1 또는 업스트림 단부 근방에 위치될 수 있다. 한 구체예에서, 유입구는 챔버의 개방된 제 1 단부를 포함하는데, 여기서 유입구는 가스 공급원, 예컨대, 가스화장치와 직접적으로 가스 소통한다. 한 구체예에서, 유입구는 챔버의 밀폐된 제 1(업스트림) 단부에 위치된 개구를 포함한다. 한 구체예에서, 유입구는 제 1 (업스트림) 단부의 근위부분에 있는 챔버의 벽에 하나 이상의 개구를 포함한다.

가스화장치와 가스 개질 시스템이 직접적으로 결합된 구체예들에서, 가스화장치 상에서 가스 개질 시스템에 결합하기 위한 부착 부위는 챔버에 유입되기 전 가스 흐름을 최적화하고 및/또는 초기 가스의 혼합을 극대화시키기 위해 전략적으로 위치될 수 있다. 한 구체예에서, 챔버는 가스화장치의 중앙에 위치된다.

챔버가 하나 이상의 가스화장치에 연결된 구체예들에서, 챔버의 하나 이상의 초기 가스 유입구는 공통 개구를 통해 하나 이상의 가스화장치와 직접적으로 소통할 수 있거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이 파이핑(3009)을 통해 혹은 적절한 도관을 통해 가스화장치에 연결될 수 있다.

개질 반응에서 생성된 개질된 가스는 제 2 또는 다운스트림 단부에 또는 제 2 또는 다운스트림 단부 근방에 위치된 하나 이상의 개질된 가스 배출구를 통해 챔버로부터 배출된다. 배출구는 개구를 포함할 수 있거나 또는 대안으로 챔버로부터 나오는 개질된 가스의 흐름을 제어하는 장치를 포함할 수 있다. 이 장치는 개질된 가스의 다양한 특성들을 측정하기 위한 센싱요소들을 포함할 수 있다.

한 구체예에서, 배출구는 챔버의 개방된 제 2 (다운스트림) 단부를 포함한다. 한 구체예에서, 배출구는 챔버의 밀폐된 제 2 (다운스트림) 단부에 위치된 하나 이상의 개구를 포함한다. 한 구체예에서, 배출구는 제 2 (다운스트림) 단부 근처의 챔버벽에 하나 이상의 개구를 포함한다.

챔버는 선택적으로 여러 포트들을 포함하는데, 이 포트들에는 하나 이상의 공정 추가 포트, 하나 이상의 가스 에너지화 공급원용 포트, 선택적으로 하나 이상의 액세스 포트(access port), 뷰 포트(view port) 및/또는 기기용 포트가 포함된다. 가스 에너지화 공급원에는 플라즈마계 공급원(예컨대, 플라즈마 토치), 수소 버너 및 선택적인 제 2 공급원들이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니다. 포트, 유입구 및 배출구는 챔버 내에서 반응물 흐름들의 상호작용을 증가시키기 위해 여러 각도 및/또는 위치에 일체구성될 수 있다.

컨트롤 시스템(Control System)

본 명세서에 개시된 다양한 시스템 및/또는 서브시스템 내에서 및/또는 이들에 의해 구현되는 하나 이상의 공정을 제어하기 위하여, 및/또는 이러한 공정들에 영향을 끼치기 위해 본 명세서에서 고려되는 하나 이상의 공정 장치들을 제어하기 위하여, 컨트롤 시스템이 제공될 수 있다. 일반적으로, 컨트롤 시스템은 주어진 시스템, 서브시스템 또는 이들의 구성요소에 관한 다양한 부분공정 및/또는 국부공정, 및/또는 가스화 시스템과 같이 더 큰 시스템에서 구현되는 하나 이상의 광역 공정을 작동가능하게 제어할 수 있고, 이 컨트롤 시스템 내에서 또는 컨트롤 시스템과 공동으로 본 발명의 여러 구체예들이 실시될 수 있으며 이에 따라 정해지는 결과를 위해 이러한 공정들에 적절하게 영향을 미치도록 여러 컨트롤 파라미터들을 조절한다. 따라서 여러 센싱요소들과 응답요소들은 제어된 시스템(들)에 걸쳐, 또는 이 시스템(들)의 하나 이상의 구성요소들에 대해서 분포될 수 있고, 다양한 공정, 반응물 및/또는 생성물 특성들을 획득하도록 사용될 수 있으며, 원하는 결과를 구현하기 위해 도움이 되는 이러한 특성들의 적절한 범위와 상기 특성들을 비교하여, 하나 이상의 진행중인 공정에서 하나 이상의 제어가능한 공정 장치들을 통해 변경시켜 반응한다.

컨트롤 시스템은 일반적으로 예를 들어 시스템(들), 시스템 내부에서 실행된 공정(들), 이를 위해 제공된 입력(들), 및/또는 이에 따라 생성되는 출력(들)에 관한 하나 이상의 특징들을 감지하기 위한 하나 이상의 센싱요소들을 포함한다. 감지된 특징(들)을 대표하는 특성값에 접근하기 위해 하나 이상의 연산 플랫폼이 상기 센싱요소들에 소통가능하게 연결되며, 선택된 작동가능하고 및/또는 다운스트림 결과를 위해 적합한 이 특징들을 구체화시키도록 정의된 값들의 미리정해진 범위와 상기 특성값(들)을 비교하고, 상기 미리정해진 범위를 사용하여 특성값을 유지시키는데 도움을 주는 하나 이상의 공정 컨트롤 파라미터들을 계산하도록 구성된다. 따라서 복수의 응답요소들은 시스템, 공정, 입력 및/또는 출력에 작동가능하게 영향을 끼치는 하나 이상의 공정 장치들에 작동가능하게 연결될 수 있으며 감지된 특징을 조절하고 계산된 공정 컨트롤 파라미터(들)에 접근하고 그에 따라 공정 장치(들)를 작동시키기 위한 연산 플랫폼(들)에 소통가능하게 연결된다.

한 구체예에서, 컨트롤 시스템은 탄소질 공급원료를 가스로 전환시키는데 관한 여러 시스템, 공정, 입력 및/또는 출력들의 피드백, 피드포워드 및/또는 예측 컨트롤(predictive control)을 제공하여 그에 관해 실행된 하나 이상의 공정의 효율성을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 다양한 공정 특징들은 이러한 공정들에 영향을 주도록 제어가능하게 조절되고 평가될 수 있으며, 이 공정 특징들에는 공급원료의 가열값 및/또는 조성, 생성 가스의 특징들(예컨대, 가열값, 온도, 압력, 흐름, 조성, 탄소함유량 등), 이러한 특징들에 허용되는 변화량, 및 산출물값에 대한 입력의 비용이 포함될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다. 다양한 컨트롤 파라미터들에 대한 연속 및/또는 실시간 조정치(adjustments)들은 하나 이상의 공정에 관련된 특징들을 디자인 및/또는 하위 분야에 따라 평가하고 최적화하도록 실행될 수 있는데, 이 조정치들에는 열공급원 파워, 첨가제 공급속도(예를 들어, 산소, 산화물, 증기 등의 공급속도), 공급원료 공급속도(예를 들어, 하나 이상의 개별적 및/또는 혼합된 공급물의 공급속도), 가스 및/또는 시스템 압력/흐름 조정기(예컨대, 블로어, 릴리프 및/또는 컨트롤 밸브, 플레어 등) 및 이와 유사한 것이 포함될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

순수 피드-포워드 컨트롤을 사용하는 시스템에서, 시스템의 환경에서 측정된 교란(disturbance)의 형태인 변동사항들로 인해 시스템의 상태를 원하는 상태로 유지시키기 위하여, 피드백 컨트롤을 사용하는 시스템에 비해 사전결정된 응답이 나타난다. 따라서 피드-포워드 컨트롤에는 피드백 컨트롤의 안정성 문제가 나타나지 않는다.

피드-포워드 컨트롤은 다음과 같은 선결조건들이 충족될 때 매우 효율적일 수가 있다: 교란은 측정가능한 것이야 하고, 시스템의 산출물에 대한 교란의 효과는 공지인 것이야 하며 이 교란이 산출물에 영향을 미치는데 걸린 시간은 피드-포워드 컨트롤러가 산출물에 영향을 미치는데 걸린 시간보다 더 길어야 한다.

피드-포워드 컨트롤은 공지인 그리고 측정가능한 종류의 교란들에 보다 신속하게 응답할 수 있지만 신규한 교란에는 잘 응답하지 못한다. 이와 대조적으로, 피드-백 컨트롤은 원하는 시스템 거동로부터 나타나는 임의의 편차(deviation)도 다루지만 상기 편차를 유의하기 위해 교란에 대해 반응하는 시스템의 측정된 변수(산출물)을 필요로 한다.

피드포워드 및 피드백 컨트롤은 상호적으로 배타적이지 않다: 피드포워드 및 피드백 컨트롤은 결합될 수 있으며 이에 따라 피드포워드 컨트롤로 인해 신속한 응답이 제공될 수 있는 반면, 피드백 시스템은 피드-포워드 시스템에 의해 수행되는 사전결정된 조정에서의 어떠한 오류도 제거할 수 있다.

본 발명의 한 구체예에서, 모델 예측 컨트롤 기술이 사용될 수 있다.

교정형태의 또는 피드백 컨트롤에서, 적절한 센싱요소를 통해 모니터링되는 컨트롤 파라미터 또는 컨트롤 변수값은 구체적인 값 또는 범위와 비교된다. 컨트롤 신호는 두 값들 사이에서 편차에 따라 결정되고 이 편차를 줄이기 위해 컨트롤 요소에 제공된다. 종래의 피드백 또는 응답 컨트롤 시스템은 적응형 및/또는 예측형 구성요소를 포함하기에 추가로 적절할 수 있으며, 주어진 상태에 대한 반응은 제한적인 포텐셜이 상쇄작용에서 오버슈팅되는 동안 감지된 특징에 반응 응답을 제공하기 위하여 모델링된 및/또는 이전에 모니터링된 반응들에 따라 테일러링될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 주어진 시스템 구성을 위해 제공된 수득된 및/또는 이전의 데이타는 시스템에 대한 응답 및/또는 최적값으로부터 주어진 범위 내에 있어야 하는 감지된 공정 특징을 조절하기 위해 협력적으로 사용될 수 있으며 이전의 응답들은 최적값을 위해 모니터링되어 있고 원하는 결과를 제공하도록 조절되어 있다. 이러한 순응 및/또는 예측 컨트롤 구성들은 해당 업계에 잘 공지되어 있으며 이에 따라 본 명세서의 일반적인 범위와 원리로부터 벗어나지 않는 것으로 고려된다.

대안으로, 또는 추가적으로, 이 컨트롤 시스템은 적절한 작동을 위해 그리고 선택적으로, 규제 표준이 제공될 때, 실행되는 공정(들)이 상기 규제 표준 내에 있게 되도록, 주어진 시스템의 다양한 구성요소들의 작동을 모니터링 하도록 구성될 수 있다.

한 구체예에 따르면, 컨트롤 시스템은 주어진 시스템의 전체 에너지화 충격(energetic impact)을 모니터링하고 제어하는데 추가로 사용될 수 있다. 예를 들어, 주어진 시스템은, 예를 들어, 실행된 하나 이상의 공정들을 최적화함으로써, 또는 이러한 공정들에 의해 생성된 에너지 회수(예를 들어, 폐열)을 증가시킴으로써, 시스템의 에너지화 충격이 감소되거나 혹은 최소화되도록 작동될 수 있다. 대안으로, 또는 추가적으로, 컨트롤 시스템은 제어된 공정(들)을 통해 생성된 생성 가스의 특징들이 하위 분야에 적합할 뿐만 아니라 효율적이고 및/또는 최적사용을 위해 실질적으로 최적화되도록, 제어된 공정(들)을 통해 생성된 생성 가스의 조성 및/또는 그 외 다른 특징(예를 들어, 온도, 압력, 흐름 등)들을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 생성 가스가 전기 생성을 위해 주어진 타입의 가스 엔진을 구동시키기 위해 사용되는 구체예에서, 생성 가스의 특징들은 이 특징들이 상기 엔진들을 위한 최적의 입력 특징들에 가장 적합하도록 조정될 수 있다.

한 구체예에서, 컨트롤 시스템은 다양한 구성요소들에서 반응물 및/또는 생성물 체류시간에 관한 혹은 전체 공정의 여러 공정들에 관한 제한사항 또는 성능 가이드라인이 충족되고 및/또는 최적화되도록 주어진 공정을 조정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 업스트림 공정비율은 하나 이상의 순차적인 다운스트림 공정들과 실질적으로 일치시키도록 제어될 수 있다.

또한, 컨트롤 시스템은, 여러 구체예들에서, 연속적으로 및/또는 실시간으로, 주어진 공정의 다양한 양태들을 순차적으로 및/또는 동시적으로 제어하기에 적합할 수 있다.

일반적으로, 컨트롤 시스템은 언제든지 적용하기에 적합한 임의의 타입의 컨트롤 시스템 아키텍쳐를 포함할 수 있다. 예컨대, 컨트롤 시스템은 실질적으로 중앙집중형 컨트롤 시스템, 분산형 컨트롤 시스템, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 중앙집중형 컨트롤 시스템은 다양한 국부 및/또는 원격 센싱 장치 및 제어된 공정에 대한 다양한 특징들을 각각 감지하도록 구성된 응답요소들과 소통하도록 구성된 중앙 컨트롤러를 포함하고 제어된 공정에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼치기에 적합한 하나 이상의 제어가능한 공정 장치들을 통해 중앙 컨트롤러에 응답한다. 중앙집중형 아키텍쳐를 사용하여, 중앙 프로세서 또는 프로세서들을 통해 대부분의 연산이 중앙집중식으로 실행되며 이에 따라 공정 제어를 실행하기에 필요한 대부분의 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 동일한 위치에 배치된다.

분산형 컨트롤 시스템은 일반적으로 국부 및/또는 부분적 특징들을 모니터링하기 위하여 각각의 응답요소들 및 센싱요소들과 각각 소통할 수 있는 두 개 또는 그 이상의 분산 컨트롤러를 포함할 것이며, 국부 공정 또는 서브-공정에 영향을 미치도록 구성된 국부 및/또는 부분 공정 장치들을 통해 응답한다. 다양한 네트워크 구성을 통해 분산 컨트롤러들 사이에서 통신이 이루어질 수 있으며, 제 1 컨트롤러를 통해 감지된 특징들은 응답 위협(response threat)을 위해 제 2 컨트롤러에 소통될 수 있고, 이러한 원위 응답은 제 1 위치에서 감지된 특징들에 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어, 다운스트림 생성 가스의 특징은 다운스트림 모니터링 장치에 의해 감지될 수 있으며, 업스트림 컨트롤러에 의해 제어된 컨버터와 연결된 컨트롤 파라미터를 조정함으로써 조정된다. 분산형 아키텍쳐에서, 컨트롤 하드웨어 및/또는 소프트웨어는 또한 컨트롤러들 사이에서 분산되는데, 동일한 하지만 모듈식으로 구성된 컨트롤 구성은 각각의 컨트롤러 상에서 실행될 있거나 또는 다양한 협력적 모듈식 컨트롤 구성들이 각각의 컨트롤러 상에서 실행될 수 있다.

대안으로, 컨트롤 시스템은 독립적이지만 소통가능하게 연결된 국부, 부분 및/또는 광역 컨트롤 서브시스템들로 분할될 수 있다. 이러한 아키텍쳐는 주어진 공정 또는 일련의 상호관련된 공정들이 발생되게 할 수 있으며 그 외 다른 국부 컨트롤 서브시스템들과 최소로 상호작용하여 국소적으로 제어되게 할 수 있다. 광역 마스터 컨트롤 시스템은 포괄적인 결과를 위해 국부 공정들을 직접 조정하기에 필요한 각각의 국부 컨트롤 서브시스템과 소통할 수 있다.

본 발명의 컨트롤 시스템은 위의 아키텍쳐들 중 임의의 아키텍쳐, 또는 해당 업계에서 공통 공지인 그 외 다른 임의의 아키텍쳐를 사용할 수 있으며, 이는 본 명세서의 일반적인 원리와 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 본 발명 내에서 실행되고 제어된 공정들은 활발한 국부환경에서 제어될 수 있으며, 적용시에, 관련 업스트림 또는 다운스트림 공정들을 위해 사용되는 임의의 중앙 및/또는 원격 컨트롤 시스템과 선택적으로 외부 소통한다. 대안으로, 컨트롤 시스템은 부분 공정 및/또는 광역 공정을 협력적으로 제어하도록 설계된 부분 및/또는 광역 컨트롤 시스템의 하부 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모듈식 컨트롤 시스템은, 부분적 및/또는 광역적으로 제어하기에 필요한 상호모듈 소통을 위해 제공하면서도 컨트롤 모듈이 시스템의 여러 하부 구성요소들을 상호작용적으로 제어하도록 설계될 수 있다.

컨트롤 시스템은 일반적으로 하나 이상의 중앙 네트워크형 프로세서 및/또는 분산형 프로세서, 여러 센싱요소들로부터 감지된 현재 특징들을 수용하기 위한 하나 이상의 입력물, 및 여러 응답요소들에 신규한 또는 업데이트된 컨트롤 파라미터들을 소통하기 위한 하나 이상의 산출물을 포함한다. 컨트롤 시스템의 하나 이상의 연산 플랫폼은 또한 내부에 여러 사전결정된 및/또는 재조정된 컨트롤 파라미터, 설정 또는 바람직한 시스템 및 공정 특징작동 범위, 시스템 모니터링 및 컨트롤 소프트웨어, 작동 데이터, 및 이와 유사한 것을 저장하기 위한 하나 이상의 국부 및/또는 원격 컴퓨터 판독가능 매체(예를 들어 ROM, RAM, 탈착식 미디어, 국부 및/또는 네트워크 액세스 미디어 등)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 연산 플랫폼은 또한 직접적으로 또는 다양한 데이터 저장장치들을 통해 공정 시뮬레이션 데이터 및/또는 시스템 파라미터 최적화 및 모델링 수단에 액세스할 수 있다. 또한 연산 플랫폼에는 컨트롤 시스템에 대한 관리상의 액세스(시스템 업그레이드, 유지, 변형, 신규한 시스템 모듈 및/또는 기기로의 변환 등)를 제공하기 위한 입력 주변장치 및 하나 이상의 선택적인 그래픽 유저 인터페이스, 뿐만 아니라 외부 공급원(예를 들어, 모뎀, 네트워크 커넥션, 프린터 등)들과 정보와 데이터를 소통하기 위한 다양한 선택적 출력 주변장치들이 구비된다.

프로세싱 시스템 및 서브-프로세싱들 시스템 중 한 서브-프로세싱 시스템은 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 임의의 조합만을 포함할 수 있다. 서브-프로세싱 시스템들 중 임의의 서브-프로세싱 시스템은 하나 이상의 비례(P) 컨트롤러, 적분(I) 컨트롤러 또는 미분(D) 컨트롤러의 임의의 조합, 가령, 예를 들어, P-컨트롤러, I-컨트롤러, PI-컨트롤러, PD 컨트롤러, PID 컨트롤러 등을 포함할 수 있다. P, I, 및 D 컨트롤러의 조합 중 이상적인 선택은 가스화 시스템의 반응 공정의 일부의 지연시간(delay time)과 동력학 및 상기 조합이 제어하기 위한 작동 조건들의 범위, 및 조합 컨트롤러의 동역학 및 지연시간에 기초한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 이 조합들은 아날로그 하드와이어 형태(analog hardwired form)로 실행될 수 있는 것은 당업자에게 명백한 것으로서, 이 아날로그 하드와이어 형태는 센싱요소들을 통해 특성값을 지속적으로 모니터링할 수 있고 응답요소들을 통해 관측값과 구체값 사이의 차이를 줄이기 위해 적당하게 조정하여 각각의 컨트롤 요소에 영향을 주는 구체값과 비교할 수 있다. 또한 혼합된 디지털 하드웨어 소프트웨어 환경에서 상기 조합들이 실행될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 디지털 프로세싱, 데이터 획득, 및 추가 임의적 샘플링의 상대효과들은 당업자에게 잘 공지되어 있다. P, I, D 조합 컨트롤은 피드 포워드 및 피드백 컨트롤 구성들에서 실행될 수 있다.

컨트롤 요소(Control Elements)

위에서 정의되고 기술된 바와 같이, 본 발명에서 고려된 센싱요소들에는, 가스의 화학적 조성, 생성 가스의 유속 및 온도를 모니터링 하고, 온도를 모니터링 하며, 압력을 모니터링 하고, 가스 에너지화 공급원에 관한 다양한 파라미터(예를 들어, 파워와 위치)들과 가스의 불투명도를 모니터링하는 요소들이 포함될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

개질된 가스 내의 결과적인 H₂:CO 비율은 작동 시나리오(열분해에 의한 또는 적절한 O₂/공기를 사용한)에 제한되지 않고, 처리 온도, 초기 가스의 H₂:CO 비율 및 수분 함량의 여러 요인들에 좌우된다. 가스화 기술은 통상 H₂:CO 비율이 최대 약 6:1 내지 최소 1:1까지 변하는 생성 가스를 산출하는데, 하위 분야에 있어서 이 H₂:CO 비율은 최적의 H₂:CO 비율을 나타낸다. 한 구체예에서, 결과적인 H₂:CO 비율은 약 1.1:1 내지 약 1.2:1까지 가변한다. 한 구체예에서, 결과적인 H₂:CO 비율은 1.1:1이다.

위에서 언급한 요인들 중 하나 이상의 요인을 고려하여, 본 발명의 컨트롤 시스템은 제공된 가스 에너지화 필드(예를 들어 플라즈마 토치 열), 공정 첨가제(예를 들어 공기, 산소, 카본, 증기) 사이의 균형을 조절함으로써, 가능한 H₂:CO 비율의 범위를 초과하는 개질된 가스의 조성을 조정하여, 이에 따라 개질된 가스 조성이 특정 하위 분야에서 최적화되게 한다.

다수의 작동 파라미터들은 가스 개질 시스템이 최적의 설정점 내에서 작동하는 지를 결정하기 위해 정기적으로 또는 지속적으로 모니터링될 수 있다. 모니터링되는 파라미터들에는 화학적 조성, 개질된 가스의 온도 및 유속, 시스템 내의 여러 지점들에서의 온도, 시스템의 압력, 및 가스 에너지화 공급원들에 관한 여러 파라미터들(예를 들어 플라즈마 토치의 파워 및 위치)이 포함되지만 이에 제한되는 것은 아니며, 이 데이터들은 시스템 파라미터들을 조정할 필요가 있는지를 결정하기 위해 사용된다.

개질된 가스의 조성 및 불투명도(The Composition and Opacity of the Reformulated Gas)

생성 가스는 당업자에게 잘 알려진 방법들을 사용하여 샘플링되고 분석될 수 있다. 생성 가스의 화학적 조성을 결정하기 위해 사용될 수 있는 한 방법은 가스 크로마토그래피(GC) 분석법에 의한 것이다. 이 분석법을 위한 샘플 지점들은 시스템 전반에 걸쳐 위치될 수 있다. 한 구체예에서, 가스 조성은 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분석기를 사용하여 측정되며, 이것은 가스의 적외선 스펙트럼을 측정한다.

본 발명의 한 부분은 개질된 가스 스트림 내에 너무나 많은 또는 너무나 적은 산소가 존재하는 지를 결정하고 이에 따라 공정을 조정하는 것이다. 한 구체예에서, 일산화탄소 흐름에서 분석기 또는 센서는 이산화탄소 또는 그 외 적절한 기준 산소 농후 물질의 존재와 농도를 탐지한다. 한 구체예에서 산소는 직접 측정된다.

본 발명의 한 구체예에서, 열중량분석기(TGA)가 사용될 수 있다.

한 구체예에서, 센서는 개질된 가스의 조성을 일산화탄소, 수소, 탄화수소 및 이산화탄소에 관해 분석한다. 분석된 데이터에 기초하여, 컨트롤러는 챔버 내에 주입된 산소 및/또는 증기의 양을 조절하기 위하여 산소 및/또는 증기 유입구에 신호를 보내고 및/또는 가스 에너지화 공급원(들)에 신호를 보낸다.

한 구체예에서, 불투명도의 실시간 피드백을 제공하기 위하여 시스템 내에 하나 이상의 선택적인 불투명도 모니터가 설치되며, 미립자 물질의 레벨을 최대 허용가능 농도 미만으로 유지시키기 위해, 공정 첨가제, 주로 증기의 유입 속도의 자동화를 위한 선택적인 메커니즘을 제공한다.

시스템 내의 여러 위치에서의 온도(The Temperature at Various Locations in System)

한 구체예에서, 시스템 전반에 걸쳐 위치된 지점들에서의 온도와 개질된 가스의 온도를 모니터링하기 위한 수단이 제공되는데, 이 데이터들은 연속방식으로 획득된다. 챔버 내의 온도를 모니터링하기 위한 수단은 예를 들어 챔버의 외측벽 상에, 또는 챔버의 상측 부분, 중간 부분 및 바닥 부분에서 내화재 내측 상에 위치될 수 있다. 또한 개질된 가스의 배출 온도를 모니터링하기 위한 센서들이 제공된다.

한 구체예에서, 온도를 모니터링하기 위한 수단은 필요시에 시스템 내의 여러 위치들에 설치된 열전대에 의해 제공된다.

시스템 압력(The Pressure of System)

한 구체예에서, 챔버 내의 압력을 모니터링하기 위한 수단이 제공되는데, 여기서 이 데이터들은 연속적으로 실시간에 기초하여 획득된다. 또 다른 구체예에서, 이러한 압력 모니터링 수단은 반응 베슬 상의 임의의 장소, 가령, 예를 들어 반응 베슬의 수직벽 상에 위치된 압력 탭 또는 압력 변환기와 같은 압력센서들을 포함한다.

가스 유속(The Rate of Gas Flow)

한 구체예에서, 시스템 전반에 걸쳐 위치된 지점들에서 개질된 가스의 유속을 모니터링하기 위한 수단이 제공되는데, 이 데이터들은 연속적인 기준에 따라 획득된다.

가스 흐름 내의 변동은 비균일 상태(예를 들어, 토치 오작동 또는 전극 교체를 위한 시스템 중지 또는 그 외 다른 보조 기기의 오작동)의 결과일 수가 있다. 일시적인 측정치로서 가스 흐름 내의 변동은 블로어 속도, 물질의 공급속도, 2차 공급원료, 공기, 증기 및 토치 파워의 피드백 컨트롤에 의해 교정될 수 있다. 가스 흐름 내의 변동이 지속되는 경우, 시스템은 문제가 해결될 때까지 중지된다.

공정 첨가제 추가(Addition of Process Additives)

한 구체예에서, 컨트롤 시스템은 초기 가스를 개질된 가스로 화학적 개질시키는 것을 조절하기 위하여 임의의 공정 첨가제를 포함하는 반응물을 조정하기 위한 응답요소들을 포함한다. 예를 들어, 특정 화학적 조성의 초기 가스를 이와 상이한 원하는 화학적 조성의 개질된 가스로 효율적으로 개질시키는 것을 촉진시키기 위해 공정 첨가제가 챔버 내로 공급될 수 있다.

한 구체예에서, 센서가 개질된 가스 내에서 과량의 이산화탄소를 탐지하게 되면 증기 및/또는 산소 주입이 감소된다.

위에서 정의되고 기술된 바와 같이, 본 발명 내에서 고려되는 응답요소들은 주어진 컨트롤 파라미터를 조정함으로써 주어진 공정에 영향을 미치도록 구성된 공정-관련 장치들에 작동가능하게 결합된 여러 컨트롤 요소들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 하나 이상의 응답요소들을 통해 본 발명에서 작동가능한 공정 장치들은 산소 공급원(들) 유입물 및 가스 에너지화 공급원(들)을 조절하는 요소들을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다.

가스 에너지화 필드(예를 들어, 토치에 대한 파워) 조정 ( Adjusting Gas energizing field(e.g. Power to a Torch )

가스 에너지화 필드는 변경될 수 있다. 한 구체예에서, 플라즈마 토치 열은 반응을 추진하기 위해 제어된다. 공기를 챔버 내로 추가하는 것은 개질된 가스를 연소시켜 토치 열 에너지를 배출시킴으로써 토치 열하중(heat load)의 일부를 감당한다. 공정 공기의 유속은 토치 파워를 적절한 작동 범위에 유지시키기 위해 조정된다.

한 구체예에서, 플라즈마 토치 파워는 개질된 가스 배출 온도를 디자인 설정점에 안정화시키기 위해 조정된다. 한 구체예에서, 이 디자인 설정점은 가스 내에 있는 타르와 숯의 완전분해를 촉진시키기 위해 1000℃를 초과한다.

시스템 내의 압력 조정(Adjusting Pressure within the System)

한 구체예에서, 컨트롤 시스템은 챔버의 내부 압력을 제어하기 위한 응답요소를 포함한다. 한 구체예에서, 상기 내부 압력은 음압 즉 대기압보다 약간 작은 압력에 유지된다. 예를 들어, 챔버의 압력은 약 1-3 mbar의 진공상태로 유지될 수 있다. 한 구체예에서, 시스템의 압력은 양압으로 유지된다.

이렇게 내부 압력을 제어하기 위한 수단의 대표 구체예는 가스 개질 시스템과 가스 소통하는 인덕션 블로어에 의해 제공된다. 따라서 사용된 인덕션 블로어는 시스템을 음압으로 유지한다. 양압이 유지되는 시스템에서 블로어는 음압의 경우보다 더 낮은 RPM에서 작동하도록 하는 명령을 수행하거나 또는 컴프레서가 사용될 수 있다.

시스템 전반에 걸쳐 위치된 압력 센서들에 의해 획득횐 데이터에 응답하여, 인덕션 블로어의 속도는 시스템 내의 압력이 증가되는지(이에 따라 팬이 속도를 증가시킬 것임) 또는 감소되는지(이에 따라 팬이 속도를 감소시킬 것임)에 따라 조정될 것이다.

게다가, 본 발명에 따르면, 시스템은 가스가 대기로 방출되는 것을 방지하기 위해 대기압에 비해 약간 음압 하에서 유지될 수 있다.

압력은 개질된 가스 블로어의 속도를 조정함으로써 안정화될 수 있다. 선택적으로, 블로어의 최소 작동 주파수 이하의 속도에서, 제 2 컨트롤 장치는 중단되며 대신 재순환 밸브가 조정된다. 일단 재순환 밸브가 다시 완전히 닫히면, 제 1 컨트롤 장치가 재작동된다.

실시예 1

이 실시예는 기존의 가스 개질 챔버 디자인에 대해 개선될 수 있게 설계된 가스 매니퓰레이터의 한 예를 보여준다. 도 60A는 수평방향으로 배향되고 내화재-라이닝된 가스화장치에 직접 연결될 수 있게 설계된 가스 개질 시스템(GRS) 3200을 도시한다.

가스는 가스화장치의 가스 배출구를 통하여 장착 플랜지(3214)를 통해 가스화장치에 밀봉식으로 결합된 GRS 3200 내로 배출되며, 이 장착 플랜지(3214)는 GRS의 단일 원뿔 형태의 유입 가스 유입구와 가스화장치 가스 배출구를 직접 연결한다.

유입 가스 스트림 내에 소용돌이 운동(swirling motion) 또는 난류를 생성시키기 위해 스월 포트(3212)를 통해 유입 가스 스트림 내로 공기가 주입되어 이에 따라 유입 가스를 혼합하고 GRS 내에서 재순환식 볼텍스 패턴을 생성한다. GRS 내의 가스의 체류시간은 약 1.2초이다.

도 60A에서, GRS는 약 3:1의 길이-대-직경비를 가진, 실질적으로 수직방향으로 장착된 내화재-라이닝된 원통형의 챔버와 단일 원뿔 형태의 유입 가스 유입구를 포함하며 가스화장치는 장착 플랜지(3214)를 통해 이 유입 가스 유입구에 연결된다. 챔버는 내화재-라이닝된 리드(3203)로 캡이 씌워지며 이에 따라 밀봉된 가스 개질 챔버(3202)를 형성한다.

가스 개질 챔버는 하나 이상의 히터(3216)용 포트, 하나 이상의 산소 공급원용 하나 이상의 포트(3210), 및 선택적으로 하나 이상의 액세스 포트 또는 뷰 포트(3326) 및/또는 기기 포트(3226)를 포함하는 여러 포트들을 포함한다. 또한 가스 개질 챔버에는 리프팅 포인트(3230)들이 장착된다.

챔버의 벽 상에 사용된 내화재는 챔버 내에 존재하는 고온, 침식 및 부식에 대해 내성을 가지기 위해 내측 상에 고밀도층, 상대적으로 낮은 내성을 가지지만 상대적으로 높은 단열계수를 가진 저밀도 중간재료층 및 매우 높은 단열계수를 가진 외측의 초저밀도 발포판층을 가진 다중층 디자인이다. 발포판과 베슬 강 쉘 사이의 외부층은 순응층(compliant layer)을 제공하기 위한 세라믹 블랭킷 재료이며 고형 내화재와 베슬 쉘 사이에 차별적인 팽창이 가능하게 한다. 비압축성 내화재의 섹션들과 분리되는 압축성 내화재층에 의해 내화재가 수직방향으로 팽창된다. 압축층은 중첩되지만 연장가능한 고밀도 내화재에 의해 침식으로부터 보호된다.

도 60B에서, 가스 개질 챔버는 일련의 원주방향으로 연장되는 선반(shelves, 3220)들로 구성된 내화재 서포트 시스템을 추가로 포함한다. 각각의 선반은 분할되어 있으며 팽창할 수 있도록 틈을 포함한다. 각각의 선반 세그먼트(3222)는 일련의 서포트 브래킷(3224)들에 의해 지지된다.

상기 GRS 구체예에서, 하나 이상의 산소 공급원(들)용 하나 이상의 유입물들은 공기와 증기 유입물을 포함한다.

GRS는 세 개 레벨의 접선방향으로 위치된 에어 노즐, 두 개의 접선방향으로 위치된 플라즈마 토치, 6개의 열전대 포트, 두 개의 버너 포트, 두 개의 압력 트랜스미터 포트 및 몇몇 스페어 포트를 추가로 포함한다.

공기는 하부 높이(3212)에서 4개의 젯과 상부 높이(3211)에서 또 다른 6개의 젯을 포함하는 3개 높이의 에어 노즐에 의해 가스 스트림 내로 주입되며, 상부 높이에서 3개의 젯은 더 잘 혼합되도록 크로스-젯 혼합 효과(cross-jet mixing effect)를 생성하기 위해 다른 3개의 젯보다 약간 더 높게 위치된다.

GRS는 슬라이딩 메커니즘 상에 장착된, 두 개의 접선방향으로 장착된 300kW의 수냉식 구리 전극, NTAT, DC 플라즈마 토치를 추가로 포함한다. 두 개의 플라즈마 토치는 플라즈마 토치 열에 최대 노출을 제공하기 위하여 에어 노즐 위에 위치된다.

플라즈마 파워 서플라이는 각각의 플라즈마 토치를 위해 3-상 AC 파워를 DC 파워로 전환시킨다. 중간단계로서, 이 유닛은 우선 3-상 AC 입력을 단일의 고주파상으로 전환시킨다. 이에 따라 쵸퍼 섹션(chopper section)에서 최종 DC 출력이 더 우수하게 선형화되게 한다. 이 유닛은 안정적인 DC 전류를 유지하기 위해 변동되도록 허용된 출력 DC 전압을 가능하게 한다.

도 37에서, 각각의 플라즈마 토치(3208)는 토치(3208)를 가스 개질 챔버 내로 이동시킬 수 있으며 가스 개질 챔버로부터 이동시킬 수 있는 슬라이딩 메커니즘 상에 장착된다. 토치(3208)는 밀봉 글랜드에 의해 가스 개질 챔버(3202)에 밀봉된다. 이 밀봉 글랜드는 게이트 밸브에 대해 밀봉되는데, 게이트 밸브는 차례대로 베슬 상에 장착되고 베슬에 밀봉된다. 토치(3208)를 제거하기 위하여, 슬라이드 메커니즘에 의해 개질 챔버(3202)로부터 끌어당겨진다. 슬라이드의 초기 이동은 안전 문제를 위해 고전압의 토치 파워 서플라이의 기능을 중단시킨다(disable). 게이트 밸브는 토치(3208)가 밸브를 지나 수축되고 냉각제의 순환이 정지될 때 자동적으로 중단된다. 호스와 케이블이 토치(3208)로부터 연결해제되며, 글랜드는 게이트 밸브로부터 구속해제되어 토치(3208)가 호이스트(hoist)에 의해 이격되어 올라간다.

위의 절차와 반대인 절차를 사용하여 토치(3208)를 교체하는데, 슬라이드 메커니즘은 토치(3208)의 삽입 깊이를 변경할 수 있게 하기 위해 조정될 수 있다. 게이트 밸브가 기계식으로 작동되어 상기 작동은 자동적으로 수행된다. 냉각시스템의 작동이 실패할 경우에는 토치를 자동적으로 철회하기 위해 공압식 액츄에이터(3233)가 사용된다. 상기 액츄에이터를 작동시키기 위한 압축 공기가 활발한 공기 저장기로부터 공급되어 심지어 전력이 끊어지는 경우에도 항상 파워를 사용할 수 있다. 동일한 공기 저장기는 게이트 밸브(3234)에도 공기를 제공한다. 고전압 토치 커넥션에 접근하는 것을 방지함으로써 추가적인 안전성을 제공하기 위해 전기연동식(electrically interlocked) 커버가 사용된다.

GRS 내에서 개질된 가스의 온도가 약 1000℃에서 유지되도록 가스 개질 챔버와 다양한 위치에 열전대가 배치되며 가스의 온도가 이 온도 이하로 떨어지면 공기 주입 또는 플라즈마 토치에 대한 파워가 증가된다.

이 구체예에서, GRS 내로 유입되는 공기 흐름은 가스화장치 및/또는 GRS의 각각의 단계에서 발생하는 공정과 온도를 조정하기 위해 역학적으로 가변될 수 있다.

가스 개질 챔버 내에서 가스상 혼합물의 분자들은 플라즈마 아크 영역에서 구성성분 요소들로 분해되며 그 뒤 개질된 가스로 개질된다. 고온의 개질된 가스는 개질된 가스 배출구(3206)를 통해 GRS로부터 배출된다.

사전형성된 가스를 플라즈마 토치에 의해 생성된 반응성 화학종들에 노출시키는 것 그리고 이러한 노출에 의해 발생된 반응성 중간생성물을 혼합시키는 것을 개선시킴으로써, 가스 개질 공정을 향상시키고 큰 수소-탄소 분자들의 최대분해율을 구현하도록 가스 매니퓰레이터가 설계되었다.

도 69와 도 70에서, 가스 매니퓰레이터는 가스 개질 챔버의 중앙에 그리고 에어 노즐과 두 개의 플라즈마 토치 위에 실질적으로 위치된다. 따라서 가스화장치로부터 수용된 초기 가스들은 에어 노즐을 통해 높은 주입속도로 유입된 공기와 혼합된다.

가스 매니퓰레이터의 형태는 도 66 내지 도 68에 도시된다. 가스화장치로부터 초기 가스의 혼합에 의해 수득된 사전형성된 가스 및 주입된 공기는, 플라즈마 토치의 이온화된 가스와 함께, 가스 매니퓰레이터의 디자인에 의해서 가스 매니퓰레이터의 두 개의 채널을 통해 통과하게 된다. 플라즈마 토치가 실질적으로 채널의 입구(entrance)에 위치됨에 따라, 사전형성된 가스는 플라즈마 토치에 의해 생성된 가스 에너지화 필드에 최대로 노출된다.

가스 매니퓰레이터의 채널 내측에서 가스의 온도는 약 1100℃이다. 채널을 통과하는 가스는 가스가 도 66에 도시된 디플렉터에 부딪힘에 따라 흐름 방향이 변경되며 이에 따라 연속적으로 혼합된다. 또한 디플렉터는 가스 매니퓰레이터 채널 내측에 열을 유지하는데 도움을 주며 이에 따라 가스 개질 동력학이 개선되게 할 수 있다.

도 67에서, 가스 매니퓰레이터 입구의 경사진 표면은 가스 스트림으로부터 미립자 물질이 분리되는 것을 향상시킨다.

가스 매니퓰레이터는 도 68에 도시된 바와 같이 내화재-라이닝된 강 구조물로 제조된다. 이 강 구조물은 공기로 냉각된다. 냉각 공기는 세 개의 지지 파이프를 통해 유입된다. 냉각 공기는 내부가 빈 챔버를 통과하여 강 구조물을 냉각시킨다. 가열된 냉각 공기는 가스 매니퓰레이터 챔버의 바닥 부분에서 노즐을 통과하는 다시 돌아간다.

냉각 공기의 유속은 강 표면(침니에 가까운)의 온도를 가능한 최대로 뜨겁게 하지만 여전히 550℃ 미만으로 유지시키도록 제어되며, 이 온도에서 강의 강도는 상당히 우수하다.

본 발명은 본 명세서에 기술된 바와 기술되었지만 본 발명이 다수의 방법들로 변형될 수 있는 것은 명백할 것이다. 이러한 변경사항들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 것으로 고려되지 않으며 당업자들에게 자명한 바와 같이 이 모든 변형예들은 다음의 청구항의 범위 내에 포함되어 있다.

Claims (198)

1. CO:H₂ 비율이 다양한 오프 가스(off gas)를 1:6 내지 1:1 사이의 일정한 CO:H₂ 비율을 가진 개질된 가스로 개질시키기 위한 단일-반응기 공정에 있어서, 상기 공정은
   a) 반응성 화학종을 선택적으로 포함하는 하나 이상의 가스 에너지화 필드(energizing field)를 생성하는 단계;
   b) 오프 가스 내 가스 분자들이 하나 이상의 가스 에너지화 필드 내에서 반응성 화학종에 노출되도록 하나 이상의 가스 에너지화 필드를 통해 오프 가스의 흐름을 안내하여, 이에 따라 가스 분자들로부터 중간생성물의 형성을 개시하고 상기 중간생성물들의 적어도 일부분이 전파하는 것을 지지하는 단계;
   c) 하나 이상의 가스 분자, 반응성 화학종, 중간생성물, 또는 이들의 조합 간에 에너지 전달을 촉진시킴으로써 중간생성물의 형성, 중간생성물의 전파 또는 중간생성물의 종결을 촉진시켜 개질된 가스를 제공하는 단계;
   d) 개질된 가스를 안정화시키기 위한 화학적 또는 물리적 조건들에 노출시킴으로써, 안정화된 개질된 가스를 제공하는 단계;
   e) 오프 가스의, 개질된 가스의, 또는 이들의 조합의 하나 이상의 특성들 또는 파라미터들을 직접적으로 또는 간접적으로 측정하는 단계, 및
   f) 개질된 가스 내에서 일정한 CO:H₂ 비율을 유지하기 위해, a), b), c), d) 중 하나 이상의 단계의 조정(adjustment) 또는 하나 이상의 공정 첨가제의 추가가 필요한지 여부를 e) 단계에서 측정된 하나 이상의 특성들 또는 파라미터들로부터 결정하고, 필요한 경우 일정한 CO:H₂ 비율이 유지되도록 상기 조정 또는 첨가제의 추가 단계를 포함하며,
   상기 공정은 하기 단계들 중 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는 단일-반응기 공정:
   ⅰ) 가스 분자들을 가스 에너지화 필드에 노출시키는 것을 개선시키기 위해 하나 이상의 가스 에너지화 필드의 공간분포를 조절하는 단계;
   ⅱ) 개질된 가스로부터 미립자 물질을 제거하는 단계;
   ⅲ) 오프 가스를 하나 이상의 가스 에너지화 필드에 노출시키기 전에 오프 가스에 난류를 제공하는 단계;
   ⅳ) 가스 분자들을 하나 이상의 가스 에너지화 필드에 노출시킨 후에, 가스 분자, 반응성 화학종, 중간생성물, 개질된 가스, 또는 이들의 임의의 조합에 난류를 제공하는 단계;
   ⅴ) 중간생성물의 형성을 촉진시키기 위하여, 또는 가스 분자들 또는 중간생성물들 간에 에너지 전달을 전파하기 위하여 오프 가스 또는 중간생성물을 중간생성물 유도 수단에 노출시키는 단계;
   ⅵ) 오프 가스 또는 중간생성물들을 촉매에 노출시키는 단계; 또는
   ⅶ) 전달 또는 재생을 위한 공정 동안 발생된 과잉열을 포획하는 단계.
2. 제 1항에 있어서,
   하나 이상의 공정 첨가제는 산소 공급원, 증기, 이산화탄소 및 탄화수소들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
3. 제 2항에 있어서,
   산소 공급원은 산소, 산소-농후 공기, 공기, 산화매질, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
4. 제 1항에 있어서,
   개질 동안 열의 방출을 최대화시키기 위해, 초기 가스에 첨가된 공정 첨가제의 양을 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
5. 제 1항에 있어서,
   하나 이상의 가스 에너지화 필드는 열적 가열, 플라즈마, 수소 버너, 전자빔건, 레이저, 이온화 방사선, 및 재생열로부터 선택된 하나 이상의 가스 에너지화 공급원들을 사용하여 a)단계에서 생성되는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
6. 제 1항에 있어서,
   a)단계에서 복수의 가스 에너지화 필드를 생성하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
7. 제 1항에 있어서,
   하나 이상의 가스 에너지화 필드는 하나 이상의 플라즈마 공급원을 사용하여 a)단계에서 생성되며, 가스 에너지화 필드의 공간분포를 조절하는 단계는 플라즈마 공급원들로부터 플라즈마 기둥(plume)을 재분포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
8. 제 1항에 있어서,
   가스 에너지화 필드 내로 가스 분자들을 안내하는 단계;
   ⅰ)단계에서 가스 에너지화 필드의 공간분포를 조절하는 단계;
   오프 가스 또는 중간생성물들의 공간분포를 조절하는 단계 중 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
9. 제 1항에 있어서,
   오프 가스의 흐름을 안내하는 단계는,
   오프 가스를 적어도 하나의 가스 에너지화 필드 내로 직접 유입하는 단계;
   가스 분자들을 하나 이상의 가스 에너지화 필드에 노출시키는 것을 개선시키기 위해 오프 가스의 흐름 경로를 수축(constricting)시키는 단계;
   각각의 가스 스트림이 적어도 하나의 가스 에너지화 필드에 노출되는, 복수의 가스 스트림을 제공하기 위해 오프 가스의 흐름 경로를 나누는 단계;
   하나 이상의 가스 에너지화 공급원의 배출 방향에 대해 역류방향인 오프 가스 흐름 경로, 병류방향인 오프 가스 흐름 경로, 접선방향인 오프 가스 흐름 경로, 반경방향인 오프 가스 흐름 경로 또는 각을 이루는 오프 가스 흐름 경로를 생성하는 단계; 또는
   직선형, 만곡형, 분기-수렴형(diverger-converger) 또는 미로형인 오프 가스 흐름 경로를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 공정.
10. CO:H₂ 비율이 다양한 오프 가스를 1:6 내지 1:1 사이의 일정한 CO:H₂ 비율을 가진 개질된 가스로 개질시키는데 사용하도록 구성된 단일-반응기 가스 전환 시스템에서, 상기 시스템은
    a) 하나 이상의 가스 유입구 및 하나 이상의 가스 배출구를 포함하는 가스 개질 챔버를 포함하고, 상기 챔버는 적어도 가스 개질 영역과 가스 안정화 영역을 형성하도록 구성되며;
    b) 개질 공정을 개시하는데 충분한 에너지를 개질 영역에 제공하도록 구성된 하나 이상의 가스 에너지화 공급원을 포함하고, 각각의 공급원은 열적 가열, 플라즈마, 수소 버너, 전자빔건, 레이저, 이온화 방사선, 및 재생열로부터 선택되며;
    c) 각각 노출 매니퓰레이터, 혼합 매니퓰레이터, 및 촉매 매니퓰레이터들로부터 선택된 하나 이상의 가스 매니퓰레이터를 포함하고, 하나 이상의 가스 매니퓰레이터는 시스템을 통과하는 가스 분자들의 개질 효율성을 향상시키기 위해 시스템 내부에 구성되며;
    d) 컨트롤 시스템을 포함하고, 상기 컨트롤 시스템은:
    i. 상기 시스템과 작동가능하게 연결된 하나 이상의 센싱요소;
    ii. 상기 시스템 내의 하나 이상의 변경사항 또는 시스템 내부에 함유된 가스에 영향을 미치도록 구성된 하나 이상의 응답요소; 및
    iii. 상기 하나 이상의 센싱요소들 및 상기 하나 이상의 응답요소에 소통가능하게 연결된 하나 이상의 연산 플랫폼을 포함하며, 상기 하나 이상의 연산 플랫폼은 상기 적어도 하나의 센싱요소로부터 입력 신호를 수신하고 상기 적어도 하나의 응답요소에 컨트롤 신호를 제공하도록 구성되고,
    상기 (a), (b), (c) 및 (d)단계는 개질 공정의 하나 이상의 단계를 최적화시키기 위하여 상호협력하여 기능하도록 구성되는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 챔버는 하나 이상의 가스 추가 영역 또는 하나 이상의 가스 정제 영역을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
12. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 고형의 미립자 물질을 위한 컬렉터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
13. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 하나 이상의 공정 첨가제를 시스템 내부로 유입시키도록 구성된 하나 이상의 공정 첨가제 유입구를 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 공정 첨가제 유입구는 선택적으로 상기 하나 이상의 센싱요소 또는 상기 응답요소와 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
14. 제 10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 에너지화 공급원은 하나 이상의 플라즈마 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
15. 제 10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 가스 매니퓰레이터는 가스 분자들에 난류를 제공하도록 구성되고, 상기 적어도 하나의 가스 에너지화 공급원의 업스트림에 위치하며, 수동형 그리드, 능동형 그리드, 또는 전단(shear) 제너레이터를 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
16. 제 10항에 있어서,
    상기 시스템은 하나 이상의 노출 매니퓰레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
17. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 상기 챔버의 횡단면적보다 더 작은 횡단면적을 가지는 하나 이상의 채널을 포함하며, 상기 하나 이상의 채널은 선택적으로 직선형, 만곡형, 분기-수렴형 또는 미로형인 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
18. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 하나 이상의 내측 수축부(internal constriction)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
19. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 상기 챔버를 통과하는 가스를 복수의 스트림으로 분리시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
20. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 상기 가스 개질 챔버 내에서 가스 에너지화 영역의 공간분포를 조절하도록 구성된 하나 이상의 에너지화 공급원 안내 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
21. 제 10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 에너지화 공급원은 하나 이상의 플라즈마 공급원을 포함하며, 상기 하나 이상의 에너지화 공급원 안내 장치는 플라즈마 공급원으로부터 플라즈마 기둥을 재분포하도록 구성된 디플렉터, 작용 가스 또는 플라즈마 공급원으로의 유입 에너지의 유속을 제어하기 위한 수단, 또는 하나 이상의 플라즈마 공급원 또는 이들의 조합으로부터 플라즈마 기둥을 재안내하도록 구성된 하나 이상의 유체 젯(jet)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
22. 제 10항에 있어서,
    상기 가스 개질 챔버는 상기 가스 개질 챔버 내부의 가스의 공간분포 또는 이의 동적인 전개(dynamic evolution)를 조절하도록 구성된 하나 이상의 가스 안내 장치를 추가로 포함하며, 상기 가스 안내 장치는 하나 이상의 배플, 디플렉터 또는 흐름 매니퓰레이터를 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
23. 제 10항에 있어서,
    상기 시스템은 하나 이상의 혼합 매니퓰레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
24. 제 10항에 있어서,
    상기 시스템은 하나 이상의 촉매 매니퓰레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
25. 제 10항에 있어서,
    상기 컨트롤 시스템은 피드 포워드 컨트롤, 피드 백 컨트롤 또는 이들의 조합을 실행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 단일-반응기 가스 전환 시스템.
26. 삭제
27. 삭제
28. 삭제
29. 삭제
30. 삭제
31. 삭제
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제
35. 삭제
36. 삭제
37. 삭제
38. 삭제
39. 삭제
40. 삭제
41. 삭제
42. 삭제
43. 삭제
44. 삭제
45. 삭제
46. 삭제
47. 삭제
48. 삭제
49. 삭제
50. 삭제
51. 삭제
52. 삭제
53. 삭제
54. 삭제
55. 삭제
56. 삭제
57. 삭제
58. 삭제
59. 삭제
60. 삭제
61. 삭제
62. 삭제
63. 삭제
64. 삭제
65. 삭제
66. 삭제
67. 삭제
68. 삭제
69. 삭제
70. 삭제
71. 삭제
72. 삭제
73. 삭제
74. 삭제
75. 삭제
76. 삭제
77. 삭제
78. 삭제
79. 삭제
80. 삭제
81. 삭제
82. 삭제
83. 삭제
84. 삭제
85. 삭제
86. 삭제
87. 삭제
88. 삭제
89. 삭제
90. 삭제
91. 삭제
92. 삭제
93. 삭제
94. 삭제
95. 삭제
96. 삭제
97. 삭제
98. 삭제
99. 삭제
100. 삭제
101. 삭제
102. 삭제
103. 삭제
104. 삭제
105. 삭제
106. 삭제
107. 삭제
108. 삭제
109. 삭제
110. 삭제
111. 삭제
112. 삭제
113. 삭제
114. 삭제
115. 삭제
116. 삭제
117. 삭제
118. 삭제
119. 삭제
120. 삭제
121. 삭제
122. 삭제
123. 삭제
124. 삭제
125. 삭제
126. 삭제
127. 삭제
128. 삭제
129. 삭제
130. 삭제
131. 삭제
132. 삭제
133. 삭제
134. 삭제
135. 삭제
136. 삭제
137. 삭제
138. 삭제
139. 삭제
140. 삭제
141. 삭제
142. 삭제
143. 삭제
144. 삭제
145. 삭제
146. 삭제
147. 삭제
148. 삭제
149. 삭제
150. 삭제
151. 삭제
152. 삭제
153. 삭제
154. 삭제
155. 삭제
156. 삭제
157. 삭제
158. 삭제
159. 삭제
160. 삭제
161. 삭제
162. 삭제
163. 삭제
164. 삭제
165. 삭제
166. 삭제
167. 삭제
168. 삭제
169. 삭제
170. 삭제
171. 삭제
172. 삭제
173. 삭제
174. 삭제
175. 삭제
176. 삭제
177. 삭제
178. 삭제
179. 삭제
180. 삭제
181. 삭제
182. 삭제
183. 삭제
184. 삭제
185. 삭제
186. 삭제
187. 삭제
188. 삭제
189. 삭제
190. 삭제
191. 삭제
192. 삭제
193. 삭제
194. 삭제
195. 삭제
196. 삭제
197. 삭제
198. 삭제

Images