特表 2023-529629 酸素炎の存在下で炭素源および水素源から合成ガスを生成するための方法および反応器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-11

(54)【発明の名称】酸素炎の存在下で炭素源および水素源から合成ガスを生成するための方法および反応器

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/02 20060101AFI20230704BHJP

【ＦＩ】

C01B3/02 Z ZAB

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022574558

(86)(22)【出願日】2021-06-03

(85)【翻訳文提出日】2023-01-13

(86)【国際出願番号】 CA2021050761

(87)【国際公開番号】W WO2021243462

(87)【国際公開日】2021-12-09

(31)【優先権主張番号】3,081,971

(32)【優先日】2020-06-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CA

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】513138072

【氏名又は名称】ハイドロ－ケベック

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100225060

【弁理士】

【氏名又は名称】屋代 直樹

(72)【発明者】

【氏名】レオナルド ラブレック

(72)【発明者】

【氏名】ロバート シュルツ

(72)【発明者】

【氏名】ミシェル ヴィエノウ

(72)【発明者】

【氏名】ジャルマン ラロック

【テーマコード（参考）】

4G140

【Ｆターム（参考）】

4G140BA03

4G140BB02

4G140BB03

(57)【要約】

本技術は、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む合成ガスを生成する方法に関し、合成ガスは、酸素炎と接触する、炭素源および過剰の水素を含む第１フローの還元反応によって生成される。水素は還元流に由来し、その第１部分は最終的に第１フローになり、その第２部分は、酸素（Ｏ_２）を含む第２フローの存在下で水素を燃焼させることにより酸素炎を発生させるために使用され、第２フローは酸化流に由来する。第１フローおよび第２フローは、酸素炎が炭素源と水素との間の反応をサポートするように、互いに一定の距離がある。本方法を実装するために、様々な構成を有し得る反応器も提案されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む合成ガスを生成する方法であって、前記合成ガスは、酸素炎と接触する、炭素源および過剰の水素を含む第１フローの還元反応によって生成され、
前記水素は還元流に由来し、その第１部分は最終的に前記第１フローになり、また、第２部分は、酸素（Ｏ_２）を含む第２フローの存在下での水素の燃焼によって前記酸素炎を発生させるために使用され、前記第２フローは酸化流に由来し、
前記第１フローおよび前記第２フローは、前記酸素炎が前記炭素源と前記水素との間の反応をサポートするように、互いに一定の距離をとるものとする、
方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法において、前記還元反応は、固体触媒の非存在下で実行される、方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の方法において、前記酸素炎は、前記炭素源のＣＯへの転化を促進するイオン種およびフリーラジカルを発生させる、方法。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の方法において、前記炭素源は、
・ＣＯ_２、または、
・式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）、または、
・１つ以上の炭化水素、または、
・上記炭素源のうちの少なくとも２つの混合物、
を含む、方法。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の方法において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応はガスから水への逆反応、すなわち「逆水性ガスシフト」を含む、方法。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか一項に記載の方法において、前記還元流は水素である、方法。

【請求項7】

請求項１～５のいずれか一項に記載の方法において、前記還元流は水素および前記炭素源を含む、方法。

【請求項8】

請求項１～５のいずれか一項に記載の方法において、前記還元流は水素およびＣＯ_２を含む、方法。

【請求項9】

請求項１～５のいずれか一項に記載の方法において、前記還元流は、水素、ＣＯ_２、および式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を含む、方法。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載の方法において、前記酸化流は酸素である、方法。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法において、前記酸化流は酸素およびＣＯ_２を含む、方法。

【請求項12】

請求項１～６のいずれか一項に記載の方法において、前記還元流は水素のみを含み、前記酸化流は酸素のみを含み、前記炭素源は独立流によって供給される、方法。

【請求項13】

請求項１２に記載の方法において、前記独立流はＣＯ_２を含む、方法。

【請求項14】

請求項１２に記載の方法において、前記独立流はＣＯ_２およびメタンを含む、方法。

【請求項15】

請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法において、前記酸素は水電解反応に由来する、方法。

【請求項16】

請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法において、前記水素は水電解反応に由来する、方法。

【請求項17】

請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法において、前記炭素源は、バイオマスのガス化または熱分解プロセスから生じるガス混合物に由来する、方法。

【請求項18】

請求項１～１７のいずれか一項に記載の方法において、前記還元反応は、少なくとも６００℃の平均温度で実行される、方法。

【請求項19】

請求項１～１８のいずれか一項に記載の方法において、前記還元反応は、少なくとも１２００℃の平均温度で実行される、方法。

【請求項20】

請求項１～１９のいずれか一項に記載の方法において、前記還元反応は、最大で２２００℃の平均温度で実行される、方法。

【請求項21】

請求項１～２０のいずれか一項に記載の方法において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．１ｍｍ～１００ｍｍの間の距離をとる、方法。

【請求項22】

請求項１～２１のいずれか一項に記載の方法において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．３ｍｍ～５０ｍｍの間の距離をとる、方法。

【請求項23】

請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．６ｍｍ～３０ｍｍの間の距離をとる、方法。

【請求項24】

請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応は、２～７のＨ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行される、方法。

【請求項25】

請求項１～２４のいずれか一項に記載の方法において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応は、０．３５～０．９のＯ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行される、方法。

【請求項26】

請求項１～２５のいずれか一項に記載の方法において、前記還元反応は、０．１～０．３のＯ_２／Ｈ_２モル比を使用して実行される、方法。

【請求項27】

請求項１～２６のいずれか一項に記載の方法において、生成された前記合成ガスは、少なくとも１．８のＨ_２／ＣＯモル比を有する、方法。

【請求項28】

請求項１～２７のいずれか一項に記載の方法において、生成された前記合成ガスは、少なくとも２のＨ_２／ＣＯモル比を有する、方法。

【請求項29】

請求項１～２７のいずれか一項に記載の方法において、生成された前記合成ガスは、１．８～５．０のＨ_２／ＣＯモル比を有する、方法。

【請求項30】

請求項１～２９のいずれか一項に記載の方法において、生成された前記合成ガスはさらにＣＯ_２を含む、方法。

【請求項31】

請求項３０に記載の方法において、生成された前記合成ガスは、（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）≧２となるようなＨ_２、ＣＯおよびＣＯ_２のモル比を有する、方法。

【請求項32】

請求項１～３１のいずれか一項に記載の方法において、冷却合成ガスを形成するために、前記合成ガスの冷却ステップをさらに含む、方法。

【請求項33】

請求項３２に記載の方法において、前記冷却合成ガスに含有される水を凝縮し、該水を回収するステップをさらに含む、方法。

【請求項34】

請求項３３に記載の方法において、回収された前記水の少なくとも一部は、前記冷却ステップに再循環される、方法。

【請求項35】

化学製品または燃料の製造のための、請求項１～３４のいずれか一項に記載の方法によって生成された合成ガスの使用。

【請求項36】

メタノールまたは合成炭化水素の製造のための、請求項１～３４のいずれか一項に記載の方法によって生成された合成ガスの使用。

【請求項37】

一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む合成ガスを生成するための反応器であって、
酸素炎と接触する、炭素源および過剰の水素を含む第１フローの還元反応によって合成ガスが生成される、反応チャンバーと、
水素を含む還元流を前記反応チャンバーに供給するための少なくとも１つの第１の手段であって、前記還元流の第１部分は最終的に第１フローになり、また、第２部分は、酸素（Ｏ_２）を含む第２フローの存在下での水素の燃焼によって燃焼する前記チャンバー内で前記酸素炎を発生させるために使用される、第１の手段と、
前記第２フローを形成する酸化流を前記反応チャンバーに供給するための少なくとも１つの第２の手段と、
を備え、
前記第１フローおよび前記第２フローは、前記酸素炎が前記炭素源と前記水素との間の反応をサポートするように、互いに一定の距離をとるものとする、
反応器。

【請求項38】

請求項３７に記載の反応器において、前記還元反応は、固体触媒の非存在下で実行される、反応器。

【請求項39】

請求項３７または３８に記載の反応器において、前記酸素炎は、前記炭素源のＣＯへの転化を促進するイオン種およびフリーラジカルを発生させる、反応器。

【請求項40】

請求項３７～３９のいずれか一項に記載の反応器において、前記炭素源は、
・ＣＯ_２、または、
・式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）、または、
・１つ以上の炭化水素、または、
・上記炭素源のうちの少なくとも２つの混合物、
を含む、反応器。

【請求項41】

請求項３７～４０のいずれか一項に記載の反応器において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応はガスから水への逆反応、すなわち「逆水性ガスシフト」である、反応器。

【請求項42】

請求項３７～４１のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流は水素である、反応器。

【請求項43】

請求項３７～４１のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流は水素および前記炭素源を含む、反応器。

【請求項44】

請求項３７～４１のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流は水素およびＣＯ_２を含む、反応器。

【請求項45】

請求項３７～４１のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流は、水素、ＣＯ_２、および式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を含む、反応器。

【請求項46】

請求項３７～４５のいずれか一項に記載の反応器において、前記酸化流は酸素である、反応器。

【請求項47】

請求項３７～４５のいずれか一項に記載の反応器において、前記酸化流は酸素およびＣＯ_２を含む、反応器。

【請求項48】

請求項３７～４７のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流を供給するための前記第１の手段および前記酸化流を供給するための前記第２の手段は、チューブである、反応器。

【請求項49】

請求項３７～４７のいずれか一項に記載の反応器において、前記反応チャンバー内への前記酸化流の注入を可能にする複数のチューブからなる複数の第２の手段、および前記反応チャンバー内への前記還元流の注入を可能にする複数の開口部からなる複数の第１の手段を含む、反応器。

【請求項50】

請求項４９に記載の反応器において、各開口部は、前記複数のチューブのうちの１つのチューブの外径によって区切られ、また、該チューブの外壁から垂直に延在する環状空間によって画定される、反応器。

【請求項51】

請求項５０に記載の反応器において、分離壁によって前記反応チャンバーから分離された還元流の分配チャンバーをさらに備え、前記分配チャンバーおよび前記分離壁は、前記複数のチューブによって横切られており、各チューブの前記外壁から垂直に延在する前記環状空間もまた、該分離壁を横切っている、反応器。

【請求項52】

請求項３７～４２のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元流は第１のチューブからなる前記第１の手段によって前記反応チャンバーに供給される水素であり、前記酸化流は第２のチューブからなる前記第２の手段によって前記反応チャンバーに供給される酸素であり、および、前記炭素源は、前記反応チャンバーの壁に配置された少なくとも１つの開口部を通して該反応チャンバーに注入される独立流によって供給される、反応器。

【請求項53】

請求項５２に記載の反応器において、前記開口部は、前記第１のチューブおよび前記第２のチューブと同心の第３のチューブによって形成され、前記第２のチューブは内側チューブを形成し、前記第１のチューブは中間チューブを形成し、前記第３のチューブは外側チューブを形成する、反応器。

【請求項54】

請求項５３に記載の反応器において、前記開口部は、前記第３のチューブの内径と前記第１のチューブの外径とによって区切られた環状空間によって形成される、反応器。

【請求項55】

請求項５２～５４のいずれか一項に記載の反応器において、分離壁によって前記反応チャンバーから分離された分配チャンバーをさらに備え、前記分配チャンバーは、前記炭素源を含む前記独立流を供給するのに役立ち、かつ前記第１のチューブおよび前記第２のチューブによって横切られている、反応器。

【請求項56】

請求項５２～５５のいずれか一項に記載の反応器において、前記独立流はＣＯ_２を含む、反応器。

【請求項57】

請求項５２～５６のいずれか一項に記載の反応器において、前記独立流はＣＯ_２およびメタンを含む、反応器。

【請求項58】

請求項３７～５７のいずれか一項に記載の反応器において、前記酸素は水電解反応に由来する、反応器。

【請求項59】

請求項３７～５８のいずれか一項に記載の反応器において、前記水素は水電解反応に由来する、反応器。

【請求項60】

請求項３７～５９のいずれか一項に記載の反応器において、前記炭素源は、バイオマスのガス化または熱分解プロセスから生じるガス混合物に由来する、反応器。

【請求項61】

請求項３７～６０のいずれか一項に記載の反応器において、前記反応チャンバーは、前記還元反応中に少なくとも６００℃の温度に達する、反応器。

【請求項62】

請求項３７～６１のいずれか一項に記載の反応器において、前記反応チャンバーは、前記還元反応中に少なくとも１２００℃の温度に達する、反応器。

【請求項63】

請求項３７～６２のいずれか一項に記載の反応器において、前記反応チャンバーは、前記還元反応中に最大で２２００℃の温度に達する、反応器。

【請求項64】

請求項３７～６３のいずれか一項に記載の反応器において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．１ｍｍ～１００ｍｍの間の距離をとる、反応器。

【請求項65】

請求項３７～６４のいずれか一項に記載の反応器において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．３ｍｍ～５０ｍｍの間の距離をとる、反応器。

【請求項66】

請求項３７～６５のいずれか一項に記載の反応器において、前記第１フローおよび前記第２フローは、互いに０．６ｍｍ～３０ｍｍの間の距離をとる、反応器。

【請求項67】

請求項３７～６６のいずれか一項に記載の反応器において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応は、２～７のＨ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行される、反応器。

【請求項68】

請求項３７～６７のいずれか一項に記載の反応器において、前記炭素源はＣＯ_２を含み、前記還元反応は、０．３５～０．９のＯ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行される、反応器。

【請求項69】

請求項３７～６８のいずれか一項に記載の反応器において、前記還元反応は、０．１～０．３のＯ_２／Ｈ_２モル比を使用して実行される、反応器。

【請求項70】

請求項３７～６９のいずれか一項に記載の反応器において、生成された前記合成ガスは、少なくとも１．８のＨ_２／ＣＯモル比を有する、反応器。

【請求項71】

請求項３７～７０のいずれか一項に記載の反応器において、生成された前記合成ガスは、少なくとも２のＨ_２／ＣＯモル比を有する、反応器。

【請求項72】

請求項３７～６９のいずれか一項に記載の反応器において、生成された前記合成ガスは、１．８～５．０のＨ_２／ＣＯモル比を有する、反応器。

【請求項73】

請求項３７～７２のいずれか一項に記載の反応器において、生成された前記合成ガスは、さらにＣＯ_２を含む、反応器。

【請求項74】

請求項７３に記載の反応器において、生成された前記合成ガスは、（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）≧２となるようなＨ_２、ＣＯおよびＣＯ_２のモル比を有する、反応器。

【請求項75】

冷却合成ガスを形成するための合成ガスの冷却デバイスに結合された、請求項３７～７４のいずれか一項に記載の反応器を備えるシステム。

【請求項76】

請求項７５に記載のシステムにおいて、前記冷却デバイスは直接接触冷却器である、システム。
請求項７５または７６に記載のシステムにおいて、前記冷却合成ガスから水を回収するための水の凝縮装置をさらに備える、システム。

【請求項77】

請求項７７に記載のシステムにおいて、前記凝縮装置は冷却－凝縮器である、システム。

【請求項78】

請求項７７または７８に記載のシステムにおいて、回収した前記水の少なくとも一部を前記冷却デバイスに再循環するための器機をさらに備える、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［優先する出願］
本出願は、２０２０年６月４日に出願されたカナダ出願ＣＡ３.０８１.９７１の優先権を主張し、参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本出願は、炭素および水素（Ｈ_２）の供給源から合成ガスを生成するための方法および反応器に関する。より具体的には、合成ガス生成方法は、酸素炎の直接存在下で実行され、炭素および水素の供給源を含むフローを合成ガスに変換する。

【背景技術】

【0003】

気候変動との闘いにおいては、とりわけ、温室効果ガス（ＧＨＧ）排出量、特にＣＯ_２およびメタンの排出量を大幅に削減する必要がある。これを行うには、漸進的な改善に関連するあらゆる手段を超えた、ＧＨＧ排出量の削減という点で目標を達成できる抜本的な手段が求められる。現在、エネルギー源としての、およびいくつかの化学合成の基本成分としての、化石資源の消費を最小限に抑えるために多大な労力が払われている。原子組成に炭素を含有する製品の製造については、炭素源を提供するための基本的な試薬としてＣＯ_２を使用することが有望な解決策である。ＣＯ_２は、大気中に見られるが、ＣＯ_２を排出する工業プロセス（セメント工場、アルミニウム工場、鉄鋼工場など）からの大気排出物にも見られる。周囲の空気由来のＣＯ_２または産業プロセスによって排出されるＣＯ_２を捕捉して後で使用するためにリサイクルするプロセスは、「炭素捕捉利用」（ＣＣＵ）としても知られている。このように捕捉されたＣＯ_２は、カーボンニュートラル（つまり、その生産および使用のサイクルには実質的に温室効果ガスの正味の排出が含まれない）と見なすことができる幅広い製品の生産のための炭素源として使用することができる。したがって、既存のインフラストラクチャーで使用できるカーボンニュートラルな合成燃料を生成することが可能である。

【0004】

炭素を提供するための基本試薬としてＣＯ_２を使用する方法はいくつかある。最も実用的な方法は、「逆水性ガスシフト（Reverse Water Gas Shift）」すなわち、ＲＷＧＳと呼ばれる反応（Ａ）に従って、ＣＯ_２を一酸化炭素（ＣＯ）に変換することにある。
CO₂ + H₂ a CO + H₂O (vapor) (A)

【0005】

ＣＯ_２を過剰の水素（Ｈ_２）と反応させることにより、水素およびＣＯベースの混合物を生成することができる。このような混合物は、「合成ガス」または「シンガス」と呼ばれる。これら合成ガスは、残留ＣＯ_２も含み得る。

【0006】

合成ガスは、様々な汎用化学品の生成に使用できる。これらの製品の中には、自動車のガソリン、ディーゼル、灯油などに含まれるメタノールおよび炭化水素が特に見られる。

【0007】

メタノールは、ホルムアルデヒドなどの他の多くのベース製品の原料として使用できるプラットフォーム分子である。メタノールは、フロントガラスのウォッシャー液用、および工業用溶剤としての使用でも知られている。また、燃料としても使用できる。メタノールは合成炭化水素に変換することさえ可能である。最終的にメタノールは、それ自体が化学中間体であるジメチルエーテル（ＤＭＥ）に変換できる。ＤＭＥは、とりわけ、エアロゾルの噴射剤として使用される。ＤＭＥは、ディーゼルエンジンの燃料として、またはプロパンの代替燃料として使用できる。

【0008】

合成ガスからメタノールを生成するための既知である基本的な反応は、以下の反応（Ｂ）である：
CO + 2 H₂ a CH₃OH (B)

【0009】

合成炭化水素は、フィッシャー・トロプシュ反応（Ｃ）に従って、合成ガスから生成できる：
n CO + 2n H₂ a -(CH₂)_n- + n H₂O (C)

【0010】

生成される化学製品に応じて、これらの製品について合成ガスとして有用なＣＯ／Ｈ_２ベースの混合物はバランスが取れていなければならない。つまり、Ｈ_２およびＣＯを適切な比率で含有していなければならない。反応（Ｂ）および（Ｃ）を考慮すると、理論的には、合成ガス（シンガス）は、２に近いＨ_２／ＣＯモル比に従って、Ｈ_２およびＣＯを本質的に含有しなければならないことに注意されたい。より正確には、合成ガス中に残留ＣＯ_２が存在する可能性を考慮すると、反応（Ｂ）または（Ｃ）を実行できるガスのモル比は、一般に、以下の式（Ｄ）および（Ｅ）の比率Ｒ１またはＲ２に対応する：
(D) R1 = H₂/CO ≧ 2
(E) R2 = (H₂-CO₂) / (CO + CO₂) ≧ 2

【0011】

Ｒ１またはＲ２のモル組成基準を満たし得る合成ガスを使用して、非常に多くの化学合成および炭化水素合成を実行できる。また、合成ガスからメタン（ＣＨ_４）を生成できることにも留意されたい。１モルのＣＯおよび３モルのＨ_２から１モルのメタンを生成できる。

【0012】

ＲＷＧＳ（Ａ）の反応は吸熱反応である（室温で４１ｋＪ／モルの反応エンタルピー)。この反応の化学量論によれば、１ｋｇのＣＯを生成するには、１．５７ｋｇのＣＯ_２および０．０７ｋｇのＨ_２が必要であり、また、１４６５ｋＪもしくは０．４ｋＷｈの熱エネルギーを準備する必要がある。この反応を実行するために、一般に触媒層（catalytic bed）反応器を用いる。しかしながら、反応（Ａ）を実行するための従来の触媒の使用では、高い転化率を得ることはできない。これは、ワンパスあたりの（per pass）転化率、つまりＣＯ_２が触媒層を通過する間の転化率がかなり低いことを意味する。その理由は、触媒層を備えた反応器の場合、動作温度がかなり制限されているためであり、６００℃未満であることがしばしばである。しかしながら、熱力学的に、反応（Ａ）はより高い温度レベルでかなり有利になることが知られている。これは、温度（大気圧で）の関数として平衡定数の値を提示する表１によって示される。

【0013】

【表1】

【0014】

特に興味深いのは、炭素源および水素源から合成ガスを生成する方法である。従来の固体触媒の使用を必要とせずに、例えばＣＯ_２から、および水素から合成ガスを生成する方法も特に興味深い。様々な化学製品の製造に有用な合成ガスの調製を可能にする方法も魅力的である。このような方法について以下に説明する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

第１の態様によれば、本技術は、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む合成ガスを生成する方法であって、合成ガスは、酸素炎と接触する、炭素源および過剰の水素を含む第１フローの還元反応によって生成され、
水素は還元流に由来し、その第１部分は最終的に第１フローになり、また、第２部分は、酸素（Ｏ_２）を含む第２フローの存在下での水素の燃焼によって酸素炎を発生させるために使用され、第２フローは酸化流に由来し、
第１フローおよび第２フローは、酸素炎が炭素源と水素との間の反応をサポートするように、互いに一定の距離をとるものとする、
方法に関する。

【0016】

一実施形態によれば、該方法は、還元反応が固体触媒の非存在下で実行されるような方法である。

【0017】

別の実施形態によれば、該方法は、酸素炎が、炭素源のＣＯへの転化を促進するイオン種およびフリーラジカルを発生させるような方法である。

【0018】

別の実施形態によれば、該方法は、炭素源が、
・ＣＯ_２、または、
・式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）、または、
・１つ以上の炭化水素、または、
・上記炭素源のうちの少なくとも２つの混合物、
を含むような方法である。

【0019】

別の実施形態によれば、炭素源はＣＯ_２を含み、還元反応はガスから水への逆反応、すなわち「逆水性ガスシフト」を含む。

【0020】

別の実施形態において、該方法は、還元流が水素であるような方法である。別の実施形態において、還元流は水素および炭素源を含む。別の実施形態において、還元流は水素およびＣＯ_２を含む。

【0021】

別の実施形態によれば、該方法は、還元流が、水素、ＣＯ_２、および式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を含むような方法である。

【0022】

別の実施形態によれば、該方法は、酸化流が酸素であるような方法である。別の実施形態において、酸化流は酸素およびＣＯ_２を含む。

【0023】

別の実施形態によれば、該方法は、還元流が水素のみを含み、酸化流が酸素のみを含み、炭素源が独立流（independent stream）によって供給されるような方法である。別の実施形態によれば、独立流はＣＯ_２を含む。別の実施形態によれば、独立流はＣＯ_２およびメタンを含む。

【0024】

別の実施形態によれば、該方法は、酸素が水電解反応に由来するような方法である。

【0025】

別の実施形態によれば、該方法は、水素が水電解反応に由来するような方法である。

【0026】

別の実施形態によれば、該方法は、炭素源がバイオマスのガス化または熱分解プロセスから生じるガス混合物に由来するような方法である。

【0027】

別の実施形態によれば、該方法は、還元反応が少なくとも６００℃の平均温度で実行されるような方法である。別の実施形態によれば、該方法は、還元反応が少なくとも１２００℃の平均温度で実行される。別の実施形態によれば、該方法は、還元反応が最大で２２００℃の平均温度で実行される。

【0028】

別の実施形態によれば、該方法は、第１フローおよび第２フローが互いに０．１ｍｍ～１００ｍｍの間の距離をとるような方法である。別の実施形態によれば、第１フローおよび第２フローは、互いに０．３ｍｍ～５０ｍｍの間の距離をとる。別の実施形態によれば、第１フローおよび第２フローは、互いに０．６ｍｍ～３０ｍｍの間の距離をとる。

【0029】

別の実施形態によれば、該方法は、炭素源がＣＯ_２を含み、還元反応が２～７のＨ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行されるような方法である。

【0030】

別の実施形態によれば、該方法は、炭素源がＣＯ_２を含み、還元反応が０．３５～０．９のＯ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行されるような方法である。

【0031】

別の実施形態によれば、該方法は、還元反応が０．１～０．３のＯ_２／Ｈ_２モル比を使用して実行されるような方法である。

【0032】

別の実施形態によれば、該方法は、生成された合成ガスが少なくとも１．８のＨ_２／ＣＯモル比を有するような方法である。別の実施形態によれば、生成された合成ガスは、少なくとも２のＨ_２／ＣＯモル比を有する。別の実施形態によれば、生成された合成ガスは、１．８～５．０のＨ_２／ＣＯモル比を有する。

【0033】

別の実施形態によれば、該方法は、生成された合成ガスがさらにＣＯ_２を含むような方法である。

【0034】

別の実施形態によれば、該方法は、生成された合成ガスが、（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）≧２となるようなＨ_２、ＣＯおよびＣＯ_２のモル比を有するような方法である。

【0035】

別の実施形態によれば、該方法は、合成ガスを冷却して冷却合成ガスを形成するステップをさらに含む。

【0036】

別の実施形態によれば、該方法は、冷却合成ガスに含有される水を凝縮し、水を回収するステップをさらに含む。別の実施形態によれば、回収水の少なくとも一部が冷却ステップに再循環される。

【0037】

別の態様によれば、本技術は、化学製品または燃料の製造のための、本技術に係る方法によって生成された合成ガスの使用に関する。

【0038】

別の態様によれば、本技術は、メタノールまたは合成炭化水素の製造のための、本技術に係る方法によって生成された合成ガスの使用に関する。

【0039】

別の態様によれば、本技術は、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含む合成ガスを生成するための反応器であって、
酸素炎と接触する、炭素源および過剰の水素を含む第１フローの還元反応によって合成ガスが生成される、反応チャンバーと、
水素を含む還元流を反応チャンバーに供給するための少なくとも１つの第１の手段であって、還元流の第１部分は最終的に第１フローになり、また、第２部分は、酸素（Ｏ_２）を含む第２フローの存在下での水素の燃焼によって燃焼するチャンバー内で酸素炎を発生させるために使用される、第１の手段と、
第２フローを形成する酸化流を反応チャンバーに供給するための少なくとも１つの第２の手段と、
を備え、
第１フローおよび第２フローは、酸素炎が炭素源と水素との間の反応をサポートするように、互いに一定の距離をとものとする、反応器に関する。

【0040】

一実施形態によれば、反応器は、還元反応が固体触媒の非存在下で実行されるような反応器である。

【0041】

別の実施形態によれば、反応器は、酸素炎が、炭素源のＣＯへの転化を促進するイオン種およびフリーラジカルを発生させるような反応器である。

【0042】

別の実施形態によれば、反応器は、炭素源が以下のもの、すなわち、
・ＣＯ_２、または、
・式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）、または、
・１つ以上の炭化水素、または、
・上記炭素源のうちの少なくとも２つの混合物、
を含むような反応器である。

【0043】

別の実施形態によれば、反応器は、炭素源がＣＯ_２を含み、還元反応がガスから水への逆反応、すなわち「逆水性ガスシフト」であるような反応器である。

【0044】

別の実施形態において、反応器は、還元流が水素であるような反応器である。別の実施形態において、還元流は水素および炭素源を含む。別の実施形態において、還元流は水素およびＣＯ_２を含む。

【0045】

別の実施形態によれば、反応器は、還元流が水素、ＣＯ_２、および式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、少なくとも１種の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を含むような反応器である。

【0046】

別の実施形態によれば、反応器は、酸化流が酸素であるような反応器である。別の実施形態によれば、酸化流は酸素およびＣＯ_２を含む。

【0047】

別の実施形態によれば、反応器は、還元流を供給するための第１の手段および酸化流を供給するための第２の手段がチューブであるような反応器である。

【0048】

別の実施形態によれば、反応器は、反応チャンバー内への酸化流の注入を可能にする複数のチューブからなる複数の第２の手段、および反応チャンバー内への還元流の注入を可能にする複数の開口部からなる複数の第１の手段を含む。別の実施形態によれば、各開口部は、複数のチューブのうちの１つのチューブの外径によって区切られ（delimited）、また、チューブの外壁から垂直に延在する環状空間によって画定される。別の実施形態によれば、反応器は、分離壁によって反応チャンバーから分離された還元流分配チャンバーをさらに備え、前記分配チャンバーおよび前記分離壁は、複数のチューブによって横切られており、各チューブの外壁から垂直に延在する環状空間もまた、分離壁を横切っている。

【0049】

別の実施形態によれば、反応器は、還元流が第１のチューブからなる第１の手段によって反応チャンバーに供給される水素であり、酸化流が第２のチューブからなる第２の手段によって反応チャンバーに供給される酸素であり、および、炭素源が反応チャンバーの壁に配置された少なくとも１つの開口部を通して反応チャンバーに注入される独立流によって供給されるような反応器である。別の実施形態によれば、開口部は、第１のチューブおよび第２のチューブと同心の第３のチューブによって形成され、第２のチューブは内側チューブを形成し、第１のチューブは中間チューブを形成し、第３のチューブは外側チューブを形成する。別の実施形態によれば、開口部は、第３のチューブの内径と第１のチューブの外径とによって区切られた環状空間によって形成される。別の実施形態によれば、反応器は、分離壁によって反応チャンバーから分離された分配チャンバーをさらに備え、前記分配チャンバーは、炭素源を含む独立流を供給するのに役立ち、かつ第１のチューブおよび第２のチューブによって横切られている。別の実施形態によれば、反応器は、独立流がＣＯ_２を含むような反応器である。別の実施形態によれば、反応器は、独立流がＣＯ_２およびメタンを含むような反応器である。

【0050】

別の実施形態によれば、反応器は、酸素が水電解反応に由来するような反応器である。

【0051】

別の実施形態によれば、反応器は、水素が水電解反応に由来するような反応器である。

【0052】

別の実施形態によれば、反応器は、炭素源がバイオマスのガス化または熱分解プロセスから生じるガス混合物に由来するような反応器である。

【0053】

別の実施形態において、反応器は、反応チャンバーが還元反応中に少なくとも６００℃の温度に達するような反応器である。別の実施形態において、反応チャンバーは、還元反応中に少なくとも１２００℃の温度に達する。別の実施形態において、反応チャンバーは、還元反応中に最大で２２００℃の温度に達する。

【0054】

別の実施形態において、反応器は、第１フローおよび第２フローが互いに０．１ｍｍ～１００ｍｍの間の距離をとるような反応器である。別の実施形態によれば、第１フローおよび第２フローは、互いに０．３ｍｍ～５０ｍｍの間の距離をとる。別の実施形態によれば、第１フローおよび第２フローは、互いに０．６ｍｍ～３０ｍｍの間の距離をとる。

【0055】

別の実施形態において、反応器は、炭素源がＣＯ_２を含み、還元反応が２～７のＨ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行されるような反応器である。別の実施形態によれば、炭素源は、ＣＯ_２を含み、還元反応が０．３５～０．９のＯ_２／ＣＯ_２モル比を使用して実行される。

【0056】

別の実施形態によれば、反応器は、還元反応が０．１～０．３のＯ_２／Ｈ_２モル比を使用して実行されるような反応器である。

【0057】

別の実施形態によれば、反応器は、生成された合成ガスが少なくとも１．８のＨ_２／ＣＯモル比を有するような反応器である。別の実施形態によれば、生成された合成ガスは、少なくとも２のＨ_２／ＣＯモル比を有する。別の実施形態によれば、生成された合成ガスは、１．８～５．０のＨ_２／ＣＯモル比を有する。

【0058】

別の実施形態によれば、反応器は、生成された合成ガスがさらにＣＯ_２を含むような反応器である。

【0059】

別の実施形態によれば、反応器は、生成された合成ガスが、（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）≧２となるようなＨ_２、ＣＯおよびＣＯ_２のモル比を有するような反応器である。

【0060】

さらに別の実施形態によれば、本技術は、冷却合成ガスを形成するための合成ガスの冷却デバイスに結合された、本技術に従って定義される反応器を備えるシステムに関する。

【0061】

一実施形態によれば、システムは、冷却デバイスが直接接触冷却器であるようなシステムである。

【0062】

別の実施形態によれば、システムは、冷却合成ガスから水を回収するための水の凝縮装置をさらに備える。

【0063】

別の実施形態によれば、システムは、凝縮装置が冷却－凝縮器であるようなシステムである。

【0064】

別の実施形態によれば、システムは、回収水の少なくとも一部を冷却デバイスに再循環するための器機をさらに備える。

【図面の簡単な説明】

【0065】

【図1】合成ガスを生成するための本方法の一般的な動作原理の概略図である。

【図2】第１の実施形態に係る合成ガスを生成する方法を実行するために使用することができる反応器の垂直面に沿った断面図を示す。

【図3】合成ガス生成方法の一実施形態に係る、異なるフロー間および／または反応器の異なる要素間における特定の距離パラメーターを示す。

【図4】別の実施形態に係る合成ガス生成方法を実行するために使用することができる反応器の垂直面に沿った断面図を示す。

【図5】別の実施形態に係る合成ガスを生成する方法を実行するために使用することができる反応器の垂直面に沿った断面図を示す。

【図6a】別の実施形態に係る合成ガス生成方法を実行するために使用することができる反応器の垂直面に沿った断面図を示す。

【図6b】図６ａの反応器の上面断面図を示す（この実施形態に係る距離パラメーターを説明するために、２つの同心チューブの拡大図も示されている）。

【図7】さらに別の実施形態に係る合成ガス生成プロセスの図を示す。

【図8】実施例に使用される、一般的なチューブの配置であるミニ反応器の垂直面に沿った概略断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0066】

本明細書で使用されるすべての技術的および科学的用語および表現は、本技術の当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。そうではあるが、使用される特定の用語および表現の定義を以下に示す。

【0067】

本明細書で使用される「約（about）」という用語は、おおよそ、その領域内、およびその周辺を意味する。「約」という用語が数値に関連して使用される場合、例えば、公称値と比較して１０％の変動で上下に修正される。この用語は、例えば、測定デバイスの実験誤差または値の丸めも考慮に入れることができる。

【0068】

本出願において値の間隔（interval）が言及される場合、特に明記しない限り、間隔の下限および上限は常に定義に含まれる。

【0069】

ここで説明される化学構造は、本分野の慣習に従って描かれている。また、描画された炭素原子などの原子が不完全な原子価を含むように見える場合、明示的に描画されていなくても、原子価は１つ以上の水素原子によって満たされているものと見なされる。

【0070】

本明細書において、用語「合成ガス（synthesis gas）」および「シンガス（syngas）」は、少なくとも一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ_２）を含むガス混合物を識別するために交換可能に使用される。いくつかの実施形態において、合成ガスまたはシンガスはＣＯ_２を含むことができる。一実施形態によれば、合成ガス中のＨ_２／ＣＯモル比は１以上である。他の実施形態において、合成ガスは、少なくとも１．８、例えば１．８～５．０の間のＨ_２／ＣＯモル比を有し得る。別の実施形態によれば、合成ガス中のＨ_２／ＣＯモル比は２以上である。したがって、合成ガス中のＨ_２／ＣＯモル比は、１．８または１．９または２．０または２．１または２．２または２．３または２．４または２．５または２．６または２．７または２．８または２．９または３．０または３．１または３．２または３．３または３．４または３．５または３．６または３．７または３．８または３．９または４．０または４．１または４．２または４．３または４．４または４．５または４．６または４．７または４．８または４．９または５．０であり得る。しかしながら、Ｈ_２／ＣＯのモル比の種々異なる合成ガスを得ることができる。

【0071】

「流れ（stream）」という用語は、合成ガスの形成が行われる反応チャンバーに給送する様々なガス流を表すために使用される。以下でより詳細に説明するように、方法は、水素（Ｈ_２）を含む少なくとも１つの流れ、および酸素（Ｏ_２）を含む少なくとも１つの流れを用いる。該方法で使用される炭素源は、その性質に応じて、独立流によって、またはＯ_２含有流によって、またはＨ_２含有流によって給送され得る。反応チャンバーに入る流れは気体状態である。必要に応じて、液体状態の試薬を蒸発させて、気体の形態で反応チャンバーに到達させることができる。

【0072】

「フロー（flow）」という用語は、反応チャンバー内での合成ガス生成反応の実行に関与する様々なガスフローを表すために使用される。以下でより詳細に説明するように、反応は、互いに反応して合成ガスを形成することになる水素（Ｈ_２）および炭素源を含む還元流と、水素（Ｈ_２）と反応して酸素炎を形成することになる酸素（Ｏ_２）を含む酸化流と、を伴う。

【0073】

「炭素源（carbon source）」という用語は、最終的に生成される合成ガスになる炭素を提供するために使用される化合物を表す。したがって、炭素源は、生成される一酸化炭素（ＣＯ）に最終的に至る、少なくとも炭素を提供する。様々な化合物を炭素源として使用できる。一実施形態によれば、炭素源はＣＯ_２を含み得る。別の実施形態によれば、炭素源は、式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、１種以上の含酸素炭素系分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を含み得る。炭素源はまた、例えばアルカン、アルケンおよび／または芳香族などの１つ以上の炭化水素を含み得る。合成ガスを生成するために使用される炭素源は、上記の異なる源の２つ以上の組み合わせとすることも可能である。したがって、特定の実施形態によれば、炭素源は、ＣＯ_２およびＣ_αＨ_βＯ_γ型の１つ以上の含酸素分子を含み得る。他の実施形態によれば、炭素源は、ＣＯ_２および１つ以上の炭化水素、例えばＣＯ_２およびメタンを含み得る。炭素源が炭化水素のみを含有する場合、酸素原子の摂取が必要になる。この酸素はＣＯ_２によって供給されるが、水蒸気の形態で供給されることもあり得る。いくつかの実施形態によれば、炭素源は、１つ以上の炭化水素、ＣＯ_２および水蒸気を含み得る。水蒸気は、必要に応じて、酸素炎を発生させる反応（以下の反応（Ｇ）を参照）を由来とし得、および／または反応チャンバーに給送され得る。

【0074】

したがって、本明細書は、炭素源から合成ガスを生成するための革新的な方法を提示する。前述のように、炭素源は様々である。いくつかの実施形態において、炭素源は、一般に、２つの主要な供給源カテゴリー、すなわち、人間の活動に関連する人為的供給源、およびいわゆる生物起源の自然供給源を導き出すことができるＣＯ_２を含む。本方法は、上記両方のタイプの発生源に由来するＣＯ_２を用いることができ、純粋なＣＯ_２を用いることもできる。別の実施形態によれば、ＣＯ_２、および式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、１種以上の含酸素分子（式中、αが１～５であり、βが２～１０であり、γが１～４である）を用いることができる。あるいは、炭素源は、単純に１種以上のＣ_αＨ_βＯ_γ分子を含み得る。別の実施形態によれば、ＣＯ_２と、アルカン（例えば、メタン）、アルケンおよび／または芳香族分子などの炭化水素と、を含むガス混合物を用いることもできる。しかし、炭化水素のみを炭素源として使用することも可能である。いくつかの実施形態によれば、炭素源は、ＣＯ_２、１種以上のＣ_αＨ_βＯ_γ分子、および１種以上の炭化水素を含み得る。炭素源を提供するガス混合物中には、任意に硫黄を含有し得る化石源由来の生成物を含む、広範囲の有機分子が存在する可能性がある。

【0075】

より具体的には、合成ガスを生成する方法は、酸素炎と接触させて、炭素源を過剰の水素と反応させることによって実行される。本技術によれば、「酸素炎（Oxy-flame）」は、以下の反応（Ｆ）に従って、酸素（Ｏ_２）などの酸化剤の存在下で水素が燃焼することによって生成される炎を意味する：
H₂ + 1/2 O₂ a H₂O (vapor) + Heat (F)

【0076】

この炎は、明るく光り輝くものであり、また炭素源から合成ガスを生成する反応をサポートするために必要な熱を供給する。この炎は、炭素源からＣＯへの転化を触媒できるイオン種およびフリーラジカルを発生させ得る。特定の実施形態によれば、酸素炎は、反応チャンバー内で、少なくとも約６００℃の平均温度に到達することを可能とし得る。他の実施形態によれば、反応チャンバー内で到達する平均温度は少なくとも約１２００℃である。反応チャンバー内で到達する温度は、約２２００℃ まで上昇し得る。したがって、反応チャンバー内で合成ガスを生成する反応は、少なくとも６００℃～約２２００℃までの平均温度で実行することができる。酸素炎は、水素と酸素との燃焼反応が、過剰な水素の存在下で起こるため、「還元性酸素炎」と見なすことができる。一実施形態において、酸素炎を生成するために使用される酸化剤は、酸素（Ｏ_２）ベースの混合物、好ましくは純粋酸素（pure oxygen）であり得る。「純粋な」酸素とは、これが必ずしも１００％の純度を意味するわけではなく、酸素ベースの混合物が実質的にＯ_２を含み、例えばＮ_２、Ｈ_２Ｏなどの特定の不純物を伴う可能性があることを理解されたい。

【0077】

上述のように、合成ガスを形成するための反応は、過剰の水素の存在下で実行される。「過剰な水素（excess of hydrogen）」とは、水素（Ｈ_２）の量が、一方では燃焼反応（Ｆ）により酸素炎を生成するのに十分であり、また他方では炭素源の合成ガスへの転化反応を実行することができるのに十分でなければならないことであることを理解されたい。必要な水素の量は、使用する炭素源に応じて、および関与する反応の化学量論を考慮して決定され得る。

【0078】

以下でより詳細に説明される別の実施形態によれば、本方法で必要とされる水素ならびに酸素炎を生成するために使用される酸素は、少なくとも部分的に水電解反応から生じ得る。水電解システムが再生可能電力で駆動されている場合、これはさらに有利になり得る。酸素炎を生成する燃焼は、電気アーク、白熱線、または他の既知のエネルギー源などの点火デバイスを用いて開始することができる。

【0079】

特定の実施形態によれば、本方法は、２に近いＨ_２／ＣＯモル比でＨ_２およびＣＯを本質的に含有する合成ガスを生成することができる。特定の実施形態によれば、本方法は、上述した式（Ｄ）および（Ｅ）によって示される条件を満たす組成を有する合成ガスの生成に適している。これは、酸化流および還元流を生成する異なるガス流の割合を変えることによって可能となる。

【0080】

図１は、該方法の操作の一般的な原理を示している。少なくとも水素および炭素源を含む還元流（図の右側）は、最終的に反応チャンバー（１０）に入る。炭素源をＣＯに転化するために必要な熱は、酸素炎と呼ばれる高温の炎によって提供され、その炎は酸素などの酸化剤の存在下で水素を燃焼させることによって生成される（図の左側）。反応チャンバーに供給される水素の一部は、酸素炎（図の下の矢印）を生成するために使用され得る。反応チャンバーに供給される水素の別の部分は、合成ガスを生成するためにそのまま使用される。酸素炎は、炭素源からＣＯへの転化反応に必要な熱を提供することに加えて、この転化を促進できるイオン種およびフリーラジカルを発生させ得る。水素は過剰に反応チャンバーに導入され、一部分ＣＯとともに抜かれて合成ガスを形成する。全体として、プロセス全体は「オートサーマル」プロセスとして認めることができる。

【0081】

したがって、反応チャンバー（１０）には、２つの別個のフローが存在し、第１のフローは、酸化流と呼ばれる純粋な酸素を有する酸化ガスを由来とするものであり、またもう一方のフローは還元流と呼ばれ、水素ベースの還元ガス混合物から生じ、炭素源を含有する。この２つのフローは近接している。一実施形態によれば、この２つのフローは、０．１ｍｍ≦ｄ≦１００ｍｍとなるように、互いに距離「ｄ」だけ分離され得る。別の実施形態によれば、２つのフローを分離する距離ｄは、０．３ｍｍ≦ｄ≦５０ｍｍであってもよい。この距離は、好ましくは０．６ｍｍ≦ｄ≦３０ｍｍであり得る。したがって、この２つの流れを分離する距離ｄは、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３５ｍｍ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍｍ、６０ｍｍ、６５ｍｍ、７０ｍｍ、７５ｍｍ、８０ｍｍ、８５ｍｍ、９０ｍｍ、９５ｍｍ、１００ｍｍ、または上記の値の間の任意の距離をとり得る。反応チャンバー内に最終的に入る還元フローおよび酸化フローは、様々な流れを由来とし得ることに留意されたい。実際のところ、還元フローは少なくともＨ_２を含む還元流を由来とし、酸化フローは少なくとも酸素を含む酸化流を由来とする。しかしながら、反応チャンバー内の還元フローに最終的に入る炭素源は、還元流もしくは独立流、またはこの炭素源がＣＯ_２のみを含む場合は酸化流のいずれかによって供給され得る。

【0082】

合成ガス生成方法の第１の実施形態を図２に示す。この実施形態は、炭素源としてＣＯ_２から合成ガスを生成するのに特に適している。酸素を含む流れ（１）がＣＯ_２を含む流れ（２）と混合され、Ｏ_２およびＣＯ_２の混合物を含む酸化流（３）を生成する。酸化流（３）は、反応器の反応チャンバー（１０）内にＯ_２およびＣＯ_２の混合物を注入することができるチューブ（４）を通って運ばれる。反応チャンバー（１０）の内部では、Ｏ_２およびＣＯ_２の混合物が酸化フロー（６）を形成し、そのうちのＯ_２は酸素炎（９）の生成に使用される。水素を含む流れ（５）は、チューブ（４）の外壁と反応チャンバーの入口にある開口部（７）の円周部との間に画定された環状空間を通して反応チャンバー内に注入される。水素流（５）は還元流を構成し、チャンバー内に入ると、それ自体が２つの部分に分かれる還元フローを形成することとなる。還元フローの第１部分（８ａ）は、水素燃焼反応（Ｆ）に従って酸化フロー（６）と反応して、酸素炎（９）を生成することとなる。

【0083】

水素フローの第２部分（８ｂ）は、ＲＷＧＳ反応（Ａ）の試薬成分として使用される。この反応に必要な熱は、酸素炎（９）を由来とする。

【0084】

反応（Ｆ）および（Ａ）は、反応チャンバー（１０）内で起こり、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水蒸気からなるガス混合物（１２）を形成する。ガス混合物（１２）は湿式合成ガスとも呼ばれる。このガス混合物（１２）は、反応器の開口部（１３）を通して排出される。

【0085】

この実施形態に使用される反応器は、耐火材料および断熱（insulating）材料（１１）で満たすことができる壁（１４）を備える。反応チャンバー（１０）の体積は、長さＬおよび直径Ｄによって画定される円筒形空間によって決定される。反応器内では、例えば電気アーク、白熱線（図示せず）などの従来の点火デバイスを使用して燃焼を開始することができる。一実施形態によれば、反応器は、反応チャンバー内の温度を測定することを可能にするデバイスを備えることができる。このようなデバイスは、例えば熱電対（図示せず）であり得る。酸化流（３）の注入チューブ（４）は、デバイス（１５）によって固定することができる。いくつかの実施形態によれば、固定デバイス（１５）は、注入チューブ（４）のガイドとして、および封止システムとして使用することができる。固定デバイス（１５）は、例えば、ケーブルグランドパッキンを有するクランプを備えることができる。

【0086】

いくつかの実施形態によれば、反応チャンバーの長さＬは、１ｃｍ～３００ｃｍの間、好ましくは１０ｃｍ～１００ｃｍの間であり得る。反応チャンバーの直径Ｄは、例えば、０．３ｃｍ～１００ｃｍの間、好ましくは１ｃｍ～５０ｃｍの間であり得る。いくつかの実施形態によれば、反応チャンバーの長さおよび直径の上記の値は、図２～図５に示される反応器にも適用することができる。

【0087】

特定の実施形態によれば、異なるガスフローは、以下に定義される特定のパラメーターによって特徴付けることができる。これらのパラメーターの一部は、例えば図３に示された、様々な距離に依存する。

【0088】

酸化フロー（６）は、以下の式（Ｇ）による速度パラメーターｖ１によって特徴付けることができる：
v1 = V1/ ((π/4)●D₁^2) (G)
式中、Ｖ１は、反応チャンバー内の温度および圧力条件における酸化流（３）の体積流量に対応し、Ｄ_１は、酸化流（３）の入口チューブ（４）の内径である。式中の記号「●」は「乗算」を意味し、記号「＾２」は「二乗」を意味する。

【0089】

直径Ｄ１は、酸化フロー（６）を特徴付ける速度ｖ１が、体積流量Ｖ１に基づいて少なくとも１ｍ／秒となるようなものである。別の実施形態によれば、直径Ｄ１は、速度ｖ１が５ｍ／秒～１５０ｍ／秒の間、好ましくは５ｍ／秒～１００ｍ／秒の間となるようなものである。したがって、速度ｖ１は、例えば、５ｍ／秒～９０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～８０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～７０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～６０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～５０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～４０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～３０ｍ／秒の間、５ｍ／秒～２０ｍ／秒の間、または５ｍ／秒～１０ｍ／秒の間であり得る。

【0090】

還元フロー（８ａ、８ｂ）の流れは、下記式（Ｈ）による速度パラメーターｖ２によって特徴付けられる：
v2 = V2 / ((π/4)●(D^2-D’₁^2)) (H)
式中、Ｖ２は、反応チャンバー内の温度および圧力条件での還元フロー（８ａ、８ｂ）の体積流量であり、Ｄは反応器の内径であり、Ｄ'_１は酸化流（３）の入口チューブ（４）の外径である。

【0091】

（Ｄ／２－Ｄ'_１／２）によって特徴付けられる開口部（７）は、チューブ（４）の外壁と該開口部（７）の円周部との間に画定される環状空間を流れる還元流の速度ｖ２が、体積流量Ｖ２に基づいて少なくとも１ｍ／秒になるようにすることができる。別の実施形態によれば、開口部（７）（Ｄ／２－Ｄ'_１／２）は、速度ｖ２が５ｍ／秒～１５０ｍ／秒、好ましくは１０～１００ｍ／秒となるような開口部である。したがって、速度ｖ２は、例えば、１０ｍ／秒～９０ｍ／秒の間、１０ｍ／秒～８０ｍ／秒の間、１０ｍ／秒～７０ｍ／秒の間、１０ｍ／秒～６０ｍ／秒の間、１０ｍ／秒～５０ｍ／秒の間、または１０ｍ／秒～４０ｍ／秒の間であり得る。

【0092】

いくつかの実施形態によれば、還元フロー（８ａ、８ｂ）と酸素炎（９）を生成するフローとの間の近接レベルを特徴付けるパラメーターを定義することが可能である。上記パラメーターは、以下の式（Ｉ）に従って距離ｄによって定義できる：
d = (D - D’₁)/4 (I)

【0093】

先に示したように、距離ｄは、０．１ｍｍ～１００ｍｍの間、好ましくは０．３ｍｍ～５０ｍｍの間、好ましくは０．６ｍｍ～３０ｍｍの間であり得る。距離ｄは、これらの値の範囲内の任意の距離にすることもできる。

【0094】

一実施形態によれば、反応器の反応チャンバー（１０）の体積は、反応チャンバー（１０）内のすべての反応物に対して特定の滞留時間を少なくとも０．０１秒とすることが可能である。この滞留時間は、以下の式（Ｊ）に従って定義できる：
t = ((π/4)●D^2●L) / (V1 + V2) (J)
式中、Ｌは、反応チャンバー（１０）の長さ、すなわち、図２の例に示すように、反応器の内部体積の長さである。

【0095】

特定の実施形態によれば、Ｖ１は、２Ｌ／分（３．３３Ｅ－５ｍ^３／秒）～１０００００Ｌ／分（１．６７ｍ^３／秒）の間、好ましくは５Ｌ／分（８．３３Ｅ－０５ｍ^３／秒）～５００００Ｌ／分（０．８４ｍ^３／秒）の間であり得る。いくつかの実施形態によれば、Ｖ２は、１０Ｌ／分（１．６７Ｅ－０４ｍ^３／秒）～３０００００Ｌ／分（５ｍ^３／秒）の間、好ましくは２５Ｌ／分（４．１７Ｅ－０４ｍ^３／秒）～２０００００Ｌ／分（３．３３ｍ^３／秒）であり得る。

【0096】

特定の実施形態によれば、合成ガスを生成する方法は、２～７の間のＨ_２／ＣＯ_２モル比を用いて実行することができる。Ｏ_２／ＣＯ_２モル比は、例えば、０．３５～０．９の間であり得る。合成ガスの生成は、例えば、０．１～０．３の間のＯ_２／Ｈ_２モル比を用いて実行することができる。

【0097】

特定の実施形態によれば、合成ガスを生成する方法は、以下のモル比の異なる試薬、
・２～７の間のＨ_２／ＣＯ_２モル比
・０．３５～０．９の間のＯ_２／ＣＯ_２モル比
・０．１～０．３の間のＯ_２／Ｈ_２モル比
を用いて実行することができる。

【0098】

合成ガス生成中に反応チャンバー内での到達温度は、少なくとも６００℃になり得る。この温度は最大で２２００℃であり得る。したがって、温度は６００℃～２２００℃の値の間で変化させることができることから、例えば１０００℃、１１００℃、１２００℃、１３００℃、１４００℃、１５００℃、１６００℃、１７００℃、１８００℃、１９００℃、２０００℃、２１００℃および２２００℃、またはこれらの値の間の任意の温度であり得ることが理解されるであろう。反応チャンバー内では、反応中に温度プロファイルが確立されることが理解される。したがって、温度は、反応チャンバー内の別のスポットに対してあるスポットで必ずしも同じであるとは限らない。換言すれば、反応チャンバー内により温度の高い領域とより温度の低い領域とがある。したがって、反応チャンバー内で到達温度について述べるときは、代表的な平均温度について述べていることになる。

【0099】

温度は、合成ガス生成反応中の反応チャンバー内の圧力に応じて変化し得る。合成ガス生成反応を行うための圧力は、少なくとも０．５気圧であり得る。いくつかの実施形態によれば、合成ガスの生成は、３気圧以下の圧力で実行することができる。したがって、いくつかの実施形態によれば、圧力は、０．５気圧、１気圧、１．５気圧、２気圧、２．５気圧、もしくは３気圧、またはこれらの値の間の任意の圧力でさえあり得る。例えば、圧力は１気圧～３気圧の間であり得る。

【0100】

いくつかの実施形態では、ＣＯ_２およびＨ_２の所与の流量について、ＲＷＧＳ反応を操作するための反応器内の温度および熱の所望のレベルを得るために、Ｏ_２供給速度を調節することができる。さらに、Ｈ_２の流量は、開口部（１３）によって排出されるガス混合物（１２）について好適な、式（Ｅ）によって定義されるＨ_２／ＣＯ比またはＲ２比が得られるように調整することができる。

【0101】

図４は、合成ガス生成方法およびこの生成のために使用できる反応器の別の考え得る実施形態を示す。この実施形態は、任意の考え得る炭素源からの合成ガスの生成に適合する。この場合、炭素源を含む流れ（２）が水素の流れ（５ａ）と混合して、その後に反応器に送られる還元流（５ｂ）を形成する。しかし、炭素源が酸化剤であるＣＯ_２を含む場合でも、ＣＯ_２を含むガスと水素とを混合することによって形成される混合物（５ｂ）は、主に水素から構成されるため、還元性混合物である。いくつかの実施形態において、炭素源はＣＯ_２であり、還元流中のＨ_２／ＣＯ_２モル比は、少なくとも約２、好ましくは少なくとも３であり得る。反応チャンバー（１０）に入ると、還元流（stream）（５ｂ）は還元フロー（flow）（８ａ、８ｂ）になる。Ｏ_２を含む酸化流（１）は、チューブ（４）によって反応器に給送され、酸化フロー（６）を形成する。還元フローの第１部分（８ａ）は、酸化フロー（６）と反応して酸素炎（９）を生成する。炭素源をも含有する水素フローの第２部分（８ｂ）は、酸素炎（９）からの熱を用いて反応する。該フロー（８ｂ）が過剰の水素を含むとすると、反応器の出口で形成されるガス混合物（１２）は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水蒸気から構成される。このガス流または湿式合成ガスは、反応器の開口部（１３）を通して排出される。

【0102】

一実施形態によれば、流れ（２）を形成する炭素源は本質的にＣＯ_２を含み得、また、反応チャンバー内で生じる反応はＲＷＧＳ反応（Ａ）である。

【0103】

別の実施形態によれば、流れ（２）を形成する炭素源は、化学式Ｃ_αＨ_βＯ_γで表される、有機分子（式中、αが１～５の間で変化し得、βが２～１０の間で変化し得、γが１～４の間で変化し得る）を含み得る。アルカン（例えば、メタン）、アルケン、芳香族といった炭化水素など、他の種類の有機分子も流れ（２）を形成することができる。これらの有機分子は、任意に流れ（２）中のＣＯ_２と混合され得る。

【0104】

炭素源がＣ_αＨ_βＯ_γタイプの有機分子を含む場合、反応チャンバー内で以下の反応が起こり：
・式（Ｋ）による合成ガス生成；
C_αH_βO_γ + a’ H₂ + Q a c H₂ + d CO + e’ H₂O + f CO₂ (K)
・式（Ｌ）による水素燃焼；
a’’ H₂ + b O₂ a e’’ H₂O + Q (L)
式中、ａ’、ａ’’、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ’、ｅ’’、およびｆは、その値が関与する分子および合成ガスの生成を達成するために考慮される操作条件に依存する化学量論係数であり、また、Ｑはプロセス中に含まれる熱である。

【0105】

したがって、ａ＝ａ’＋ａ’’およびｅ＝ｅ’＋ｅ’’の時、方程式（Ｋ）および（Ｌ）の合計は、以下の化学量論方程式（Ｍ）を与える：
C_αH_βO_γ + a H₂ + bO₂ a c H₂ + d CO + e H₂O + f CO₂ (M)

【0106】

化学量論係数は、炭素源として使用される有機化合物の化学式から決定できる。

【0107】

例えば、α＝１の場合、係数は以下の値、
・ａは、１～５の間
・ａ’’は、０．５～２の間
・ｂは、０．２５～１の間
・ｃは、２～３の間
・ｄは、０．５～１の間
・ｅは、０．５～２．５の間
・ｅ’’は、０．５～２の間
・ｆは、０．１５～０．７５の間
を有し得る。

【0108】

上述のように、流れ（２）は、ＣＯ_２と式Ｃ_αＨ_βＯ_γの有機分子との混合物を含み得る。この場合、反応（Ａ）および（Ｍ）の両方が反応チャンバー内で起こり、合成ガスを形成し得る。

【0109】

炭素源が炭化水素を含む場合、合成ガスの生成が、反応チャンバー内において炭化水素の酸化を可能にする酸化剤の存在下で起こり得る。そのような酸化剤は、水蒸気および／またはＣＯ_２を含み得る。水蒸気は、酸素炎の形成中にＨ_２燃焼反応（Ｆ）によって発生し得、および／または独立して反応チャンバーに給送され得る。

【0110】

炭素源が炭化水素としてメタンを含む場合、関与する酸化剤（水蒸気、ＣＯ_２）に応じて、反応チャンバー内で以下の反応が起こり得る：
CH₄ + H₂O a CO + 3 H₂ (N)
CH₄ + CO₂ a 2 CO + 2 H₂ (O)

【0111】

炭素源が式Ｃ_ｎＨ_ｍの炭化水素を含む場合、反応チャンバー内で以下の反応が起こり得る：
C_nH_m + n H₂O = n CO + (n + 1/2 m) H₂ (P)

【0112】

したがって、合成ガスを生成する本方法は、様々な炭素源の使用可能性を提供する。例えば、炭素源は、バイオマスのガス化または熱分解プロセスなどの工業プロセスによって生成されるガス混合物であり得る。

【0113】

図３に関して上述した様々な反応パラメーター（圧力、温度、距離、直径、速度、体積流量、滞留時間など）は、図４に関連して提示された様々な炭素源を包含する実施形態にも適用できることに留意されたい。

【0114】

図５は、合成ガスを生成する方法の別の実施形態、および、とりわけこの実施形態に使用できる反応器の別の実施形態を示す。図４に示される実施形態の場合と同様に、図５の実施形態は、任意の考え得る炭素源（例えば、ＣＯ_２、式Ｃ_αＨ_βＯ_γの分子、炭化水素またはそれらの混合物）由来の合成ガスの生成に適合される。図５に示すように、酸素炎（９）は、２つの別個の同心チューブ（４ａおよび４ｂ）の手段を用いて酸素および水素を注入することによって生成でき、これについては、以下でさらに詳しく説明する。この実施形態では、反応器は、その下部に、より大きな直径の第２チューブ（４ｂ）に適合する中心の（central）チューブ（４ａ）を備える。中心のチューブ（４ａ）は、封止デバイスなどの固定デバイス（１５ｂ）によって、より大きなチューブ（４ｂ）に取り付けることができる。第２のより広いチューブ（４ｂ）自体は、前記固定デバイス（１５ｂ）と同様であることが好ましい固定デバイス（１５ａ）によって反応器の壁（１４）に取り付けることができる。反応器の内部は２つの区画（１０ａおよび１０ｂ）に分けられる。２つの区画（１０ａ、１０ｂ）は、開口部（７ｂ）を備えた壁（１６）によって分離されている。第１区画（１０ａ）は、反応器の反応チャンバーを構成する。

【0115】

図５に見られるように、酸素ベースの酸化流（１）が中心のチューブ（４ａ）に注入され、水素を含む流れ（５）が第２のチューブ（４ｂ）に注入される。水素流（５）は、中央の（median）チューブ（４ｂ）の内壁と中心のチューブ（４ａ）の外壁との間の環状空間（７ａ）によって画定される開口部を通過する。炭素源を含む流れ（２）は、分配チャンバーとして認めることのできる区画（１０ｂ）内に注入され、次いで開口部（７ｂ）を通過して反応チャンバー（１０ａ）に入る。反応器内で、Ｏ_２の流れ（１）は酸化フロー（６）になり、Ｈ_２の流れ（５）は水素フロー（８ｃ）になり、炭素源を含む流れ（２）は最終的に第３フロー（８ｄ）になる。酸素フロー（６）および水素フローの一部（８ｃ）は、酸素炎（９）の生成に使用され、過剰の、すなわち燃焼されない水素は、炭素源を含むフロー（８ｄ）と反応する。反応チャンバーのちょうど入口で、炭素源を含むフロー（８ｄ）とは異なるＨ_２フロー（８ｃ）があったとしても、これらの２つのフロー（８ｃ）および（８ｄ）は、反応チャンバーに入るとすぐに完全分離したフローを構成することはなく、反応チャンバーに入ると、それぞれ各フローがＨ_２と炭素源との両方を含むことができる。

【0116】

図５に示される実施形態では、炭素源（２）を含む流れはＣＯ_２であり得る。しかしながら、該流れ（２）はまた、ＣＯ_２を含まないが、上記の有機分子および／または炭化水素などの他の化合物を含み得る。さらに、いくつかの実施形態によれば、流れ（２）は水素も含み得る。したがって、ある特定の量の水素を使用される中央のチューブ（４ｂ）に給送して水素フロー（８ｃ）を形成することができ、一方、水素の別の部分をＣＯ_２および／または有機および／または炭化水素蒸気と混合してフロー（８ｃ）を形成することができる。

【0117】

図３に関して上述した様々な反応パラメーター（圧力、温度、速度、直径、体積流量、滞留時間など）は、ちょうど図５に関連して提示された様々な炭素源を包含する実施形態にも適用できることに留意されたい。

【0118】

図６ａおよび６ｂは、大容量反応器を使用する合成ガス生成方法の実施形態を示す。図２に関連して提示された実施形態に関して、図６ａおよび６ｂの実施形態は、炭素源としてのＣＯ_２由来の合成ガスの生成に特に適している。この実施形態によれば、反応器は、反応チャンバー（１０ａ）を保護するために、壁（１４）並びに、断熱および耐火材料（１１）を備え得る。分配チャンバー（１０ｂ）は、反応チャンバー（１０ａ）と連通して反応器の下部に配置される。分配チャンバーは、水素を含む還元流（５）を反応チャンバーに入る前に受け取る。反応チャンバー（１０ａ）は、壁によって還元流分配チャンバー（１０ｂ）から分離されている。壁は、断熱材を備えた耐火材料で作ることができ、プレート（１６）で支持することができる。プレート（１６）は、例えば金属プレートとすることができる。区画（１０ｂ）は、区画（１０ｂ）の下部で反応器壁（１４）に固定することができる多数の同心チューブ（４）によって横切られ得る。チューブ（４）は、封止デバイス（１５）によって壁（１４）に固定することができる。固定および封止デバイス（１５）は、チューブ（４）の位置を維持するためのガイドとしても使用できる。同心チューブ（４）は、分配チャンバー（１０ｂ）を通って反応チャンバー（１０ａ）の下部まで延在し、多数の入口ポート（７ｂ）を形成し、そのポートを通過して酸化流（３）が反応チャンバーに注入される。さらに、分配チャンバーと反応チャンバーとの間の壁には、半径ｒ_１の多数の入口ポート（７ａ）を形成する開口部が設けられ、そこを通過して還元流（５）が反応チャンバー内に入り込むことができる。好ましい実施形態によれば、開口部（７ａ）は、図６ｂに見られるように、チューブ（４）の周りに環状空間を形成する。半径ｒ_２の入口ポート（７ｂ）は、入口ポート（７ａ）に対して同心であり得る。還元流（５）は、２つ以上の入口ポートを通して分配チャンバー（１０ｂ）に注入することができる。図６ｂでは、反応器には、還元流（５）のための少なくとも４つの入口ポートを設けることができることがわかる。さらに、図６ａに示すように、反応器は、酸化流（３）を反応チャンバー（１０ａ）に注入するための多数のチューブ（４）を備えることができる。最終的に、この実施形態に係る反応器はまた、反応チャンバー内で生成された合成ガスを排出することを可能にする出口（１３）も備える。

【0119】

この実施形態によれば、複数の酸素炎が反応チャンバー内に形成し得る。この実施形態の還元フローと酸化フロー（酸素炎）との間の距離パラメーターは、以下のように定義することができる：
d = (r₁ -r₂)/2 (Q)

【0120】

すべての実施形態に関して、距離ｄは、好ましくは、０．１ｍｍ～１００ｍｍの間であり得る。別の実施形態によれば、２つのフローを分離する距離ｄは、０．３ｍｍ～５０ｍｍの間、または好ましくは０．６ｍｍ～３０ｍｍの間であり得る。距離 d は、これらの値の範囲内の任意の距離でもあり得る。

【0121】

上述のように、いくつかの実施形態によれば、還元流で必要とされ、また合成ガスを得るために使用される水素は、再生可能な資源から生成され得る。特に、水素は、再生可能エネルギー源からの電気で駆動する水電解システムから生成することができる。試薬としても必要とされる炭素源（例えば、ＣＯ_２）を含む流れは、それ自体、上述のバイオマスのガス化または熱分解技術から生じるガス混合物であり得る。したがって、全体として、捕捉された炭素源、水および再生可能な資源由来の電気から合成ガスを生成することが可能である。

【0122】

再生可能資源から合成ガスを生成する方法のこの実施形態は、図７の一部に示されている。図７はまた、例えば合成ガス生成反応中に形成された水の回収を含む追加のステップも示す。したがって、図７は以下のステップ、
・再生可能資源（Ｅ）からの電気によって供給される水（Ｈ_２Ｏ－ａ）の電解ステップ（２０）；
・上述の実施形態の１つによる合成ガスの生成ステップ（３０）；
・例えば直接接触冷却による、生成されたガスの冷却ステップ（４０）；
・凝縮ステップ（５０）による水（Ｈ_２Ｏ－ｃ）の回収；
を示している。

【0123】

具体的には、図７に見られるように、電解システム（２０）に水（Ｈ_２Ｏ－ａ）を給送して、水素（Ｈ_２）および酸素を生成する。電気分解によって生成された水素（Ｈ_２）を、ＣＯ_２および／または別の炭素源、好ましくはＣＯ_２を含むガスと混合する。ＣＯ_２および／または別の炭素源を含むこのガスは、バイオマスのガス化または熱分解のプロセスに少なくとも部分的に由来し得る。得られた混合物（Ｇ０）は、その後に合成ガスの生成ステップ（３０）に使用できる還元流を形成する。電気分解（２０）によって生成された酸素の一部（Ｏ_２－ａ）は、合成ガスの生成ステップ（３０）に送られ、そこで酸素炎の発生に使用することができる。電気分解（２０）によって生成された酸素の残りの部分（Ｏ_２－ｂ）は、排出することができる。

【0124】

次いで、反応（Ａ）の逆反応の発生を制限／防止するために、合成ガスの生成ステップ（３０）から生じるガス（Ｇ１）を急速に冷却する（４０）。冷却は従来の方法により行うことができる。好ましい実施形態によれば、冷却ステップ（４０）は、水流（Ｈ_２Ｏ－ｂ）との直接接触冷却器によって実行することができる。一実施形態によれば、ガス（Ｇ１）は、高温ガスの露点より高く、２５０℃を超えない温度まで冷却される。いくつかの実施形態によれば、高温ガス（Ｇ１）の露点は大気圧で９０℃未満である。例えば、高温ガス（Ｇ１）の露点は大気圧で６０℃～９０℃である。いくつかの実施形態によれば、該ガス（Ｇ１）は、９０℃～２５０℃の間の温度に冷却することができる。

【0125】

冷却（４０）後に得られる冷却されたガス（Ｇ２）は湿式ガスである。次いで、このガス（Ｇ２）は、凝縮ステップ（５０）によって実行できる第２の冷却を受け得る。いくつかの実施形態によれば、この凝縮ステップは、冷却－凝縮器を使用して実行することができる。好ましい実施形態によれば、凝縮ステップ（５０）は、ガス（Ｇ２）が３５℃以下の温度に冷却されるように実行することができる。冷却－凝縮器の出口では、一方で合成ガス（Ｇ３）が得られ、他方で凝縮水（Ｈ_２Ｏ－ｃ）が得られる。凝縮水（Ｈ_２Ｏ－ｃ）の一部は冷却段階（４０）に再循環することができ（Ｈ_２Ｏ－ｂフロー）、凝縮水の残りの部分は排出することができる（Ｈ_２Ｏ－ｄフロー）。いくつかの実施形態によれば、Ｈ_２Ｏ－ｂフローは、少なくとも部分的に、電解システム（２０）に水を供給するために使用することができる。

【0126】

前述のように、本明細書に記載の合成ガス生成方法は、ＣＯおよびＨ_２をベースとするバランスがとれた、すなわちＣＯおよびＨ_２の適切な比率を有して、その後、従来の化学合成によって様々な生成物の生成を可能にするガス混合物（合成ガス）を生成することを可能にし得る。このように、使用される試薬の性質および量（例えば、ガス流の流量）を制御することによって、混合物がその後の化学合成で直接使用できるようにＣＯおよびＨ_２の割合が適合された合成ガスを生成することが可能である。反応チャンバー内の温度、圧力、およびＯ_２供給速度を制御することにより、合成ガス中のＣＯおよびＨ_２の割合を操作することも可能である。また、反応器内の温度は、供給される酸素の流量によって制御することができる。一実施形態によれば、生成される合成ガスは、Ｈ_２／ＣＯ≧２のモル比でＨ_２およびＣＯを含有する。記載された方法によって生成された合成ガスはまた、ＣＯ_２も含有し得る。この場合、合成ガス中のＨ_２、ＣＯ、およびＣＯ_２のモル比は、（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）≧２となり得る。

【0127】

これらのモル比を遵守することにより、本方法によって生成された合成ガスを使用して、多数の汎用化学物質を生成することができる。これらの製品の中でいくつかの例を挙げると、特に自動車のガソリン、ディーゼル、灯油などに含まれるメタノールおよび炭化水素を見つけることができる。

【0128】

したがって、上述の合成ガス生成方法およびこの方法を実施するために使用できる反応器は、いくつかの利点を有する。試薬は簡単に入手でき、再生可能な資源から得ることができる。固体触媒の使用に頼る必要がない。反応物の転化率は、触媒の存在下で従来の方法で実行されるＲＷＧＳ反応の場合に観察される転化率よりも大きくなり得る。最後に、本方法は、用途が広く、実装が簡単であるという点において、その堅牢性によって特徴付けられる。したがって、これらの利点により、例えばＣＯ_２などの炭素源をリサイクルするという有益な環境効果に加えて、生成コストを削減することが可能になる。

【実施例】

【0129】

［実施例１］
本実施例は、図８に模式的に示されている小さな反応器に基づいている。このミニ反応器は、事前に混合されたＯ_２およびＣＯ_２を内側チューブの内部、つまり空間Ａに同時注入し、環状空間ＢにＨ_２を注入するというシナリオに従って動作する。反応器は、Ｉｎｃｏｎｅｌ６００（商標）の小さなチューブから構築した。以下の寸法を、ミニ反応器のジオメトリ（Ｉ.Ｄ.＝内径、Ｅ.Ｄ.＝外径)を特徴付けるために使用し、式中、Ｌは反応ゾーンの開始点からの長さに対応する（寸法はｍｍ）:
・外側チューブ：内径＝１０．４１、外径＝１２．７、Ｌ＝３７１．８３
・中央のチューブ：内径＝７．７５２、外径＝９．５３、Ｌ≒０（反応ゾーンの開始）
・内側チューブ：内径＝３．０４８、外径＝６．３５、Ｌ≒０（反応ゾーンの開始）

【0130】

パルス反応器（pulsoreactor）を点火するために使用される点火システム、つまり２０ｋＶで点火するスパークプラグを、内側チューブおよび中央のチューブの上端に非常に近い、反応器内に挿入した。スパークプラグを挿入できるように穴を開けている（明確にするため図には示されていない）。反応器内の温度レベルの変化を、熱電対を使用してモニタリングした。ミニ反応器内の反応ゾーンの下部および上部で温度を測定した。つまり、反応ゾーン（ガスを注入する場所）の基部付近で反応ゾーンの開始点のライン（図８を参照）より具体的に１３ｍｍ高い位置の１つの温度の読み取り、および反応ゾーンの開始点のライン（図８を参照）より８９ｍｍ高い位置のもう１つの読み取りを実行した。熱電対を、Ｔコネクター（図には示していない）によって取り付けた。

【0131】

実験のセットアップには、以下、反応器自体、反応器を出るガスの急速冷却を可能にするチューブおよびジャケット熱交換器、凝縮液回収タンク、ガス相対湿度（ＲＨ）分析システム、また最後に、ガス冷却システムの出口で、ＣＯ、ＣＯ_２、炭化水素（ＣｘＨｙ）の含有量、並びに生成されたガスの酸素含有量を測定できる分析システム（ＣＯ_２／ＣＯ／ＣｘＨｙ／Ｏ_２）を含む。

【0132】

自動制御バルブを備えた質量流量計のシステムもセットアップする。該システムには、反応器に導入されるガス混合物の組成の変化をプログラミングするためのソフトウェアが備わっている。最終的に、手動バルブを用いて、各ガスを目的の反応チューブに送る。

【0133】

点火時のフラッシュバックを避けるために、点火は段階的に（約１秒間持続して)実行する。点火シーケンスの主な段階としては、以下のステップ、すなわち、１）Ｈ_２の注入を開始するステップと、２）数秒後、連続する段階において各段階を数秒間継続しながら、目的の流量まで酸素を注入するステップと、３）ＣＯ_２の注入を開始するステップと、を含む。

【0134】

点火させると、分析ステップに進むことができる。これら各段階の持続時間は６０秒である。この期間の後、様々な測定を実行する。入力流量（２５℃、１気圧／分での標準リットル（ＳＬ））は次のとおり、
・ＣＯ_２：１．３ＳＬ／分
・Ｏ_２：０．９３ＳＬ／分
・Ｈ_２：６．１ＳＬ／分
である。

【0135】

ＣＯ_２およびＯ_２のフローはあらかじめ混合している。作動圧力はほぼ１気圧である。

【0136】

以下の結果、
・ガス中のＣＯモル濃度：２２．２％
・ガス中のＣＯ_２モル濃度：８．１％
・炭化水素のモル濃度：微量（trace）
・生成ガス中のＣＯ／ＣＯ_２モル比：２．７４
・ＣＯ_２からＣＯへの転化率：７３％
・反応チャンバー内の平均温度：６８６℃
・入口でのＯ_２／ＣＯ_２混合物の速度（平均温度、１気圧）：１６．４ｍ／秒
・入口でのＨ_２の速度（平均温度）：２１．１ｍ／秒
・反応器内の滞留時間（秒）：＜０．０６秒
・比率Ｒ２＝（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）：２．２６
が得られた。

【0137】

Ｒ２比の計算では、Ｈ_２濃度を原子収支から計算した。原子収支自体は、すべての入力（ＣＯ_２、Ｈ_２、Ｏ_２）を考慮し、また、排出ガスの組成（ＣＯおよびＣＯ_２含有量、ＣＨ_４換算で表される炭化水素含有量、ガス湿度、残留酸素含有量）を考慮して実行した。水素原子の原子収支により、反応器の出口でのガスの水素組成を計算することができる。

【0138】

［実施例２］
この実施例では、実施例１と同じデバイスを使用するが、内側チューブ（空間Ａ）へのＯ_２の注入、中央のチューブと内側チューブとの間の環状空間（空間Ｂ）へのＨ_２の注入、および外側チューブと中央のチューブとの間の環状空間（空間Ｃ）へのＣＯ_２／ＣＨ_４の等モル混合物の注入を行った。入力流量（２５℃、毎分１気圧での標準リットル）は次のとおり、
・ＣＯ_２：０．４０ＳＬ／分
・ＣＨ_４：０．４０ＳＬ／分
・Ｏ_２：０．９ＳＬ／分
・Ｈ_２：３．３ＳＬ／分
である。

【0139】

上記３つのフローをミニ反応器に別々に注入する。以下の結果、
・乾燥ガス中のＣＯ濃度：１３．３％
・ガス中のＣＯ_２モル濃度：１０．２％
・ガス中の炭化水素のモル濃度：２１３５ｐｐｍ
・生成ガス中のＣＯ／ＣＯ_２比：１．３０
・ＣＯ_２転化率：１３．１％
・ＣＨ_４転化率：９８．２％
・平均温度：８５５℃
・入口でのＯ_２の速度（平均温度、１気圧）：７．７７ｍ／秒
・入口でのＨ_２の速度（平均温度、１気圧）：１３．４ｍ／秒
・入口でのＣＯ_２／ＣＨ_４混合物の速度（平均温度、１気圧）：７．４６ｍ／秒
・試薬の滞留時間：＜０．０７秒
・Ｒ２＝（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）：２．８７
が得られた。

【0140】

比率Ｒ２の計算では、Ｈ_２濃度を原子収支から計算した。

【0141】

［実施例３］
この実施例では、実施例１と同じ反応器を使用するが、外側のＩｎｃｏｎｅｌ（商標）チューブを石英チューブに置き換える。反応チャンバーの長さは同じである。この実施例では、ＣＯ_２およびＯ_２のフローはあらかじめ混合している。得られた混合物を内側チューブ内（空間Ａ）に注入し、水素を空間Ｂ内に注入する。作動圧力はほぼ１気圧である。温度は直接測定できないため、使用される温度は、測定されたものと同じＣＯ／ＣＯ_２比を有するガスを取得するために計算された熱力学的平衡温度値である。

【0142】

入力流量（２５℃、毎分１気圧での標準リットル）は次のとおり、
・ＣＯ_２：１．３ＳＬ／分
・Ｏ_２：０．９３ＳＬ／分
・Ｈ_２：６．２ＳＬ／分
である。

【0143】

入力流量（２５℃、毎分１気圧での標準リットル）は次のとおり、
・ガス中のＣＯ濃度：２２．９％
・ガス中のＣＯ_２濃度：７．３０％
・炭化水素のモル濃度：微量（trace）
・生成ガス中のＣＯ／ＣＯ_２比：３．１４
・ＣＯ_２からＣＯへの転化率：７５．８％
・平衡温度Ｔ：１２３０℃
・入口でのＯ_２／ＣＯ_２混合物の速度（温度Ｔ、１気圧）：２５．６ｍ／秒
・入口でのＨ_２の速度（温度Ｔおよび１気圧）：３３．７ｍ／秒
・試薬の滞留時間：＜０．０４秒
・Ｒ２＝（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）：２．３４
である。

【0144】

比率Ｒ２の計算のために、反応器を出るガスのＨ_２濃度を原子収支から計算する。実施例１の結果と実施例３の結果との比較は、反応器の材料の性質（Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）に対して石英）がＣＯ_２転化率に有意な影響を及ぼさないことを示している。

【0145】

［実施例４］
この実施例では、実施例３と同じ器機を使用、つまり、外側チューブとして石英チューブを使用することを基礎としている。この実施例では、空間ＡにＯ_２を注入し、空間ＢにＨ_２を注入し、空間ＣにＣＯ_２を注入する。温度は直接測定できないため、使用される温度は、測定されたものと同じＣＯ／ＣＯ_２比を有するガスを取得するために計算された熱力学的平衡温度値である。入力流量（２５℃、１気圧／分での標準リットル（ＳＬ））は次のとおり、
・ＣＯ_２：１．３ＳＬ／分
・Ｏ_２：０．９３ＳＬ／分
・Ｈ_２：６．１ＳＬ／分
である。

【0146】

以下の結果、
・ガス中のＣＯ濃度：１８．２１％
・ガス中のＣＯ_２濃度：１１．５％
・炭化水素の濃度：微量（trace）
・ガス中のＣＯ／ＣＯ_２比：１．５８
・ＣＯ_２からＣＯへの転化率：６１．２％
・平衡温度Ｔ：８７７℃
・Ｏ_２の速度（温度Ｔ）：８．２０ｍ／秒
・Ｈ_２の速度（温度Ｔ、１気圧）：２５．４ｍ／秒
・ＣＯ_２の速度（温度Ｔ、１気圧）：９．０２ｍ／秒
・反応器内の滞留時間：＜０．０５秒
・Ｒ２＝（Ｈ_２－ＣＯ_２）／（ＣＯ＋ＣＯ_２）：２．２６
が得られた。

【0147】

比率Ｒ２の計算のために、反応器を出るガスのＨ_２濃度を原子収支から計算する。

【0148】

合成ガス生成プロセスの適用可能性は、とりわけ、炭素源としてのＣＯ_２の使用に基づいて、上記の実施例で実証された。ＣＯ_２は化学的に非常に安定した分子であり、αが１～５のＣ_αＨ_βＯ_γ分子よりもはるかに安定している。上記の実施例は、Ｃ_αＨ_βＯ_γタイプの分子よりも化学的に変換するのが難しいことが明らかであるＣＯ_２に本プロセスが適用できることを示しているため、本方法はＣ_αＨ_βＯ_γタイプの分子にも適用可能であると結論付けるのが妥当である。

【0149】

本方法、およびこの方法を実施するために使用できる反応器のいくつかの実施形態を上述したが、方法および反応器はこれらのみの実施形態に限定されない。企図される本技術の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態の一方または他方に対して複数の修正を行うことができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】