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(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】2024-05-13
(54)【発明の名称】プラズマトーチ及び動作方法
(51)【国際特許分類】
H05H 1/34 20060101AFI20240502BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20240502BHJP
C01B 3/24 20060101ALI20240502BHJP
【ＦＩ】
H05H1/34
B01J19/08 E
C01B3/24
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023563081
(86)(22)【出願日】2022-04-13
(85)【翻訳文提出日】2023-11-16
(86)【国際出願番号】 GB2022050935
(87)【国際公開番号】W WO2022219338
(87)【国際公開日】2022-10-20
(31)【優先権主張番号】2105248.5
(32)【優先日】2021-04-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523386005
【氏名又は名称】ハイイロック－エックス デベロップメンツ リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ウィーカンプ，アテ
【テーマコード（参考）】
2G084
4G075
4G140
【Ｆターム（参考）】
2G084AA15
2G084AA26
2G084BB06
2G084BB23
2G084BB27
2G084DD12
2G084DD37
2G084FF02
2G084FF16
2G084FF32
2G084FF33
2G084FF39
2G084GG02
2G084GG07
2G084GG13
2G084GG15
2G084GG18
2G084GG24
2G084GG26
4G075AA03
4G075AA37
4G075BA05
4G075BA10
4G075CA03
4G075CA47
4G075DA02
4G075DA18
4G075EA05
4G075EB01
4G075EB43
4G075EC01
4G075EC21
4G075FA14
4G075FB02
4G075FB03
4G075FB04
4G140DA03
4G140DB03
4G140DB05
(57)【要約】
化学反応器における使用のためのプラズマトーチが、記載されている。プラズマトーチは、反応生成物の流出のための開放端及び開放端の反対側の閉鎖端を有するトーチチャンバを有する。第１及び第２の電極は、トーチチャンバ内に配置され、第２の電極は、第１の電極と開放端との間にある。入力システムは、プラズマトーチの中への１つ以上のガス状供給原料の入力のために提供されている。プラズマトーチは、実質的に大気圧上方で動作するように適合されている。プラズマトーチはまた、トーチを通るガス状供給原料及び反応生成物の流れが第２の電極上の固体堆積を防止又は低減するように適合されるように構成されている。化学反応器においてプラズマトーチを動作させる好適な方法も、記載されている。
【選択図】図５
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
化学反応器における使用のためのプラズマトーチであって、前記プラズマトーチは、反応生成物の流出のための開放端及び前記開放端の反対側の閉鎖端を有するトーチチャンバと、
前記トーチチャンバに配置された第１の電極と、
前記第１の電極と前記開放端との間で前記トーチチャンバに配置された第２の電極と、
前記プラズマトーチの中への１つ以上のガス状供給原料の入力のための入力システムと、を備え、
前記プラズマトーチは、実質的に大気圧上方で動作するように適合されており、前記プラズマトーチは、前記トーチを通るガス状供給原料及び反応生成物の流れが前記第２の電極上の固体堆積を防止又は低減するように適合されるように構成されている、プラズマトーチ。
【請求項2】
少なくとも前記第２の電極は、実質的に円筒形である、請求項１に記載のプラズマトーチ。
【請求項3】
前記第２の電極は、円形断面を有するが、前記断面直径は、前記第２の電極の長さに沿って変化する、請求項１又は２に記載のプラズマトーチ。
【請求項4】
前記第２の電極は、反応生成物の流出をコリメートするために、開放端に、ベンチュリノズルと、拡散器セクションとを備える、請求項３に記載のプラズマトーチ。
【請求項5】
前記閉鎖端部は、セラミックカップによって形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項6】
前記入力システムからの１つ以上のガス入力を備える前記トーチチャンバのセクションは、概して円形断面を有し、前記１つ以上のガス入力は、前記トーチチャンバの前記円形断面に対して接線方向に方向付けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項7】
前記１つ以上のガス入力は、内面が前記トーチチャンバの壁の一部を形成するリング要素に配置されている、請求項６に記載のプラズマトーチ。
【請求項8】
前記リング要素において複数のガス入力があり、前記ガス入力は、前記リング要素の前記内面の周りに対称的に配置されている、請求項７に記載のプラズマトーチ。
【請求項9】
前記トーチチャンバは、前記トーチチャンバを通るガスの螺旋流をサポートするように整形されている、請求項６～８のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項10】
前記トーチチャンバを通る前記ガスの螺旋流は、前記ガス入口から前記トーチチャンバの前記閉鎖端までのより大きい直径の螺旋と、前記トーチチャンバの前記閉鎖端から前記トーチチャンバの前記開放端までのより小さい直径の螺旋とを含む、請求項９に記載のプラズマトーチ。
【請求項11】
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された１つ以上の中間電極がある、請求項１～１０のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項12】
前記中間電極又は各中間電極は、実質的に円筒形である、請求項１１に記載のプラズマトーチ。
【請求項13】
前記第１及び第２の電極のいずれか又は両方は、多孔質であり、そのような各多孔質電極は、ガスが前記電極を通って流れることを可能にするために、ガス入力に接続されている、請求項１～１２のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項14】
前記電極を通る前記ガスの通過は、前記トーチチャンバの前記開放端に向かうか、又は前記開放端から離れるかのいずれかの成分を有する、請求項１３に記載のプラズマトーチ。
【請求項15】
前記プラズマトーチは、１０ｂａｒｇ超の、好ましくは３０ｂａｒｇ超の、より好ましくは４０～６０ｂａｒｇの範囲における内圧で動作するように適合されている、請求項１～１４のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項16】
前記プラズマトーチは、前記ガス状供給原料が少なくとも１つの炭化水素を含み、前記反応生成物が水素を含むように適合されている、請求項１～１５のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項17】
前記固体堆積は、炭素の堆積である、請求項１６に記載のプラズマトーチ。
【請求項18】
前記ガス状供給原料は、各多孔質電極への前記ガス入力として水素を更に含む、請求項１３に従属する、請求項１６又は１７に記載のプラズマトーチ。
【請求項19】
前記プラズマトーチは、非反応性液体の中へ噴射するように適合されている、請求項１～１８のいずれか一項に記載のプラズマトーチ。
【請求項20】
前記拡散器は、前記反応生成物のコリメートされたジェットを前記非反応性液体の中へ提供するように適合されている、請求項５に従属する、請求項１９に記載のプラズマトーチ。
【請求項21】
前記プラズマトーチチャンバは、前記プラズマトーチが動作中でないときに、前記非反応性液体を少なくとも部分的に充填するように適合されている、請求項１９又は２０に記載のプラズマトーチ。
【請求項22】
化学反応器においてプラズマトーチを動作させる方法であって、前記プラズマトーチは、反応生成物の流出のための開放端及び前記開放端の反対側の閉鎖端を有するトーチチャンバを備え、第１の電極が前記トーチチャンバに配置されており、前記カソードと前記開放端との間で、第２の電極が前記トーチチャンバに配置されており、前記プラズマトーチは、前記プラズマトーチの中への供給原料ガスの入力のための入力システムを更に備え、前記方法は、前記入力システムを通して前記トーチチャンバの中に１つ以上の供給原料ガスを流すことと、
１つ以上の反応生成物を形成するために、前記プラズマトーチにおいて前記１つ以上の供給原料ガスを消費することと、
前記第２の電極上への固体堆積を防止又は低減するように、前記プラズマトーチを通して供給原料ガス及び反応生成物の流れを動作させることであって、前記プラズマトーチにおける圧力は、大気圧を実質的に上回る、動作させることと、を含む、方法。
【請求項23】
固体堆積は、ベンチュリノズルの使用によって前記第２の電極を通る流れを加速することによって低減されている、請求項２２に記載の方法。
【請求項24】
前記トーチチャンバの壁は、供給原料ガスが前記トーチチャンバの中に注入される断面が実質的に円形であり、固体堆積は、前記供給原料ガスが前記トーチチャンバを通る螺旋経路を採用するように、前記トーチチャンバの壁の前記円形断面に対して接線方向に前記トーチチャンバの中に供給原料ガスを注入することによって低減される、請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項25】
前記螺旋経路は、前記トーチチャンバの中へのガスの前記入力から前記チャンバの前記閉鎖端までのより大きい直径の螺旋と、前記チャンバの前記閉鎖端から前記チャンバの前記開放端までのより小さい直径の螺旋とを備え、それによって、前記トーチチャンバの前記壁から離れる反応生成物の流れを維持する、請求項２４に記載の方法。
【請求項26】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、それらの間のスパークギャップが主に前記より小さい直径の螺旋を通過するように適合されるように構成されている、請求項２５に記載の方法。
【請求項27】
前記第１の電極及び前記第２の電極は、前記第１の電極と前記第２の電極との間のスパークが前記第２の電極上の任意の固体堆積を侵食するように適合されるように配置されている、請求項２３～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項28】
前記第１の電極及び前記第２の電極のうちの一方又は両方は、多孔質であり、入力ガスをそのような各多孔質電極を通して、及びそのような各多孔質電極の表面上に流すことによって、そのような各多孔質電極の表面では、固体堆積が防止されている、請求項２３～２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項29】
そのような各多孔質電極を通して入力ガスを流すことは、堆積された固体材料との反応によって固体堆積を侵食する、請求項２８に記載の方法。
【請求項30】
前記多孔質電極又は各多孔質電極を通って流れる前記入力ガスは、前記トーチチャンバの前記開放端に向かうか、又は前記開放端から離れるかのいずれかの流れの成分を有する、請求項２８又は２９に記載の方法。
【請求項31】
前記多孔質電極又は各多孔質電極を通って流れる前記入力ガスは、前記供給原料ガス又は反応生成物よりも実質的に冷たく、前記入力ガスは、前記多孔質電極を冷却するように適合されている、請求項２８～３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項32】
動作中の前記プラズマトーチにおける内圧は、１０ｂａｒｇ超、好ましくは３０ｂａｒｇ超、より好ましくは４０～６０ｂａｒｇの範囲である、請求項２２～３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項33】
前記プラズマトーチから出る反応生成物の流れは、非反応性液体の流れの中へジェットとして方向付けられている、請求項２２～３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項34】
前記プラズマトーチがオフにされているときに、非反応性液体は、前記プラズマトーチチャンバに入り、部分的に充填する、請求項３３に記載の方法。
【請求項35】
前記反応生成物の流れは、前記非反応性液体の流れに熱及び運動量を提供する、請求項３３又は３４に記載の方法。
【請求項36】
前記非反応性液体は、液体金属、液体金属合金、又は液体塩を含む、請求項３３～３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項37】
前記非反応性液体は、反応温度で液体であり、周囲温度で固体である、請求項３３～３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項38】
前記供給原料ガスは、炭化水素、任意選択でメタンを含む、請求項２２～３７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項39】
前記供給原料ガスは、水素を更に含み、前記水素は、前記多孔質電極（複数可）のための前記入力ガスとして使用される、請求項２８に従属する、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラズマトーチ及びプラズマトーチについての動作方法に関する。これは、具体的には、化学反応器における使用のためのプラズマトーチに関連している。
【背景技術】
【0002】
プラズマトーチは、電極間の電気アークの作用によって、供給原料ガスからプラズマの流れを生成するデバイスである。典型的には、これは、プラズマの方向付けられた流れであり、プラズマトーチは、廃棄物の切断、溶接、及びガス化を含む、様々な目的のために使用される。
【0003】
プラズマトーチ、又はプラズマバーナーについての１つの特定の使用分野は、高温分解用の反応器である。そのようなプラズマバーナーを使用する１つのプロセスは、炭化水素を分解してカーボンブラック及び水素を形成するためのＫｖａｅｒｎｅｒプロセスである。これは、摂氏約１６００度でプラズマバーナーにおいて起こる吸熱反応である。Ｋｖａｅｒｎｅｒプロセス反応は、以下の通りである。
【数1】
【0004】
炭化水素から水素を形成するためのほとんどの方法とは異なり、二酸化炭素は副生成物ではないため、これは、主に汚染廃棄物ガスとして扱われるメタンなどの炭化水素から有用な生成物を形成するための特にクリーンな方法であり得る。Ｋｖａｅｒｎｅｒ反応などの反応における使用のために特に好適であるプラズマトーチを開発することができることが望ましい。
【発明の概要】
【0005】
第１の態様では、本発明は、化学反応器における使用のためのプラズマトーチであって、プラズマトーチは、反応生成物の流出のための開放端及び開放端の反対側の閉鎖端を有するトーチチャンバと、トーチチャンバに配置された第１の電極と、第１の電極と開放端との間でトーチチャンバに配置された第２の電極と、プラズマトーチの中への１つ以上のガス状供給原料の入力のための入力システムと、を備え、プラズマトーチは、実質的に大気圧上方で動作するように適合されており、プラズマトーチは、トーチを通るガス状供給原料及び反応生成物の流れが第２の電極上の固体堆積を防止又は低減するように適合されるように構成されている、プラズマトーチを提供する。
【0006】
このアプローチを使用して、プラズマトーチは、プラズマトーチ自体内で著しい堆積が発生することなく、供給原料ガスを処理するのに効果的である。これは、プラズマトーチが、使用中止されることなく長期間使用されることを可能にするため、反応器が長期間連続して動作することが可能になる。
【0007】
実施形態では、少なくとも第２の電極は、実質的に円筒形である。この第２の電極は、円形断面を有し得るが、断面直径は、第２の電極の長さに沿って変化するようになる。特定の実施形態では、第２の電極は、反応生成物の流出をコリメートするために、開放端に、ベンチュリノズルと、拡散器セクションとを備え得る。このアプローチは、反応生成物をプラズマチャンバの壁から遠ざけ、堆積を防止し、プラズマトーチが反応生成物の出力ジェットを提供するように、反応生成物を加速及び方向付ける。以下に言及されるように、これは、全体的なリアクター設計において非常に効果的に使用され得る。
【0008】
閉鎖端部は、実施形態では、セラミックカップによって形成され得る。入力システムからの１つ以上のガス入力を備えるトーチチャンバのセクションは、概して円形の断面を有し得る。１つ以上のガス入力は、トーチチャンバの円形断面に対して接線方向に方向付けられ得る。これらの１つ以上のガス入力は、内面がトーチチャンバの壁の一部を形成するセラミックリング要素に配置され得る。このセラミックリング要素において複数のガス入力があり得、ガス入力は、セラミックリング要素の内面の周りに対称的に配置されている。
【0009】
ガス入力を提供するこのアプローチを使用して、トーチチャンバは、トーチチャンバを通るガスの螺旋流をサポートするように整形され得る。トーチチャンバを通るガスのそのような螺旋流は、二重螺旋構造、すなわち、ガス入口（複数可）からトーチチャンバの閉鎖端までのより大きい直径の螺旋と、トーチチャンバの閉鎖端からトーチチャンバの開放端までのより小さい直径の螺旋とを含み得る。このアプローチは、複数の利点を有する。まず第一に、供給原料ガスとプラズマスパークとの反応は、主に内側螺旋において発生し、出力生成物は、主に内側螺旋において生成され、次いで、プラズマトーチの開放端を通って迅速に輸送される。第二に、電極は、概して、プラズマスパークによって過熱された反応生成物ではなく、反応前に供給原料ガスに隣接しているため、反応温度よりも低い温度となる。これは、電極の寿命、したがって、プラズマトーチの寿命を向上させる。
【0010】
実施形態では、第１の電極と第２の電極との間に配置された１つ以上の中間電極があり得る。そのような中間電極は、実質的に円筒形であり得る。
【0011】
実施形態では、第１及び第２の電極のいずれか又は両方は、多孔質であり得、そのような各多孔質電極は、ガスが電極を通って流れることを可能にするために、ガス入力に接続され得る。このアプローチを使用して、より冷たい温度でのガス入力は、電極を直接冷却するために使用することができ、再び電極の寿命を延ばす。電極を通るそのようなガスの通過は、トーチチャンバの開放端に向かうか、又は開放端から離れるかのいずれかの成分を有し得る。このようにして、ガスは、電極について保護カーテンとして動作することができ、それは、プラズマトーチを通る供給原料ガス及び反応生成物について螺旋流レジームと協働することができる。
【0012】
言及されるように、そのようなプラズマトーチは、大気圧を実質的に上回る内圧で動作するように適合され得るが、このアプローチを使用して、より低い圧力（１０ｂａｒｇ又は３０ｂａｒｇなど）においても利点がある一方で、約５０ｂａｒｇ（例えば、４０～６０ｂａｒｇの作動範囲内）での動作は、達成するために実用的であり、高い反応スループットを提供する。
【0013】
プラズマトーチは、ガス状供給原料が少なくとも１つの炭化水素を含み、反応生成物が水素を含むように適合され得る。次いで、プラズマトーチは、炭化水素を構成要素に分解するために動作し得、そのような場合では、固体堆積は、炭素の堆積であり得る。このアプローチの場合、ガス状供給原料は、各多孔質電極へのガス入力として水素を更に含み得る。このようにして、プラズマトーチからの出力は、水素及び炭素を含み、水素は、電極を冷却するためのいくつかのガス入力とともに、主に反応生成物を含む。
【0014】
実施形態では、プラズマトーチは、液体金属などの非反応性液体に噴射するように適合されている。次いで、拡散器は、反応生成物流出のコリメートされたジェットを非反応性液体の中へ提供するように適合され得る。実施形態では、プラズマトーチがオフにされているときに、非反応性液体は、プラズマトーチチャンバに入り、部分的に充填する。これは、プラズマトーチチャンバをクリーンにし、電極（液体金属の場合）を再生し、初期電圧パルスの効果が始動時に加熱及び排出されるプラグ（反応温度では液体であるが、周囲温度では固体である、液体金属又は他の導電性材料の場合）によって吸収される可能性があるため、初期スパークによる侵食なしにプラズマトーチのためのソフトスタートを提供するために使用することができる。
【0015】
第２の態様では、本発明は、化学反応器においてプラズマトーチを動作させる方法であって、プラズマトーチは、反応生成物の流出のための開放端及び開放端の反対側の閉鎖端を有するトーチチャンバを備え、第１の電極がトーチチャンバに配置されており、カソードと開放端との間で、第２の電極がトーチチャンバに配置されており、プラズマトーチは、プラズマトーチの中への供給原料ガスの入力のための入力システムを更に備え、方法は、入力システムを通してトーチチャンバの中に１つ以上の供給原料ガスを流すことと、１つ以上の反応生成物を形成するために、プラズマトーチにおいて１つ以上の供給原料ガスを消費することと、第２の電極上への固体堆積を防止又は低減するように、プラズマトーチを通して供給原料ガス及び反応生成物の流れを動作させることであって、プラズマトーチにおける圧力は、大気圧を実質的に上回る、動作させることと、を含む、方法を提供する。
【0016】
そのような方法では、固体堆積は、ベンチュリノズルの使用によって第２の電極を通る流れを加速することによって低減され得る。実施形態では、トーチチャンバの壁は、供給原料ガスがトーチチャンバの中に注入される断面が実質的に円形であり、固体堆積は、供給原料ガスがトーチチャンバを通る螺旋経路を採用するように、トーチチャンバ壁の円形断面に対して接線方向にトーチチャンバの中に供給原料ガスを注入することによって低減される。そのような螺旋経路は、トーチチャンバの中へのガスの入力からチャンバの閉鎖端までのより大きい直径の螺旋と、チャンバの閉鎖端からチャンバの開放端までのより小さい直径の螺旋とを備え得、それによって、トーチチャンバの壁から離れる反応生成物の流れを維持する。第１の電極及び第２の電極は、それらの間のスパークギャップが主により小さい直径の螺旋を通過するように適合されるように構成され得る。
【0017】
言及されるように、そのようなプラズマトーチは、大気圧を実質的に上回る内圧で動作するように適合され得るが、このアプローチを使用して、より低い圧力（１０ｂａｒｇ又は３０ｂａｒｇなど）においても利点がある一方で、約５０ｂａｒｇ（例えば、４０～６０ｂａｒｇの作動範囲内）での動作は、達成するために実用的であり、高い反応スループットを提供する。
【0018】
実施形態では、第１の電極及び第２の電極は、第１の電極と第２の電極との間のスパークが第２の電極上の任意の固体堆積を侵食するように適合されるように配置され得る。
【0019】
実施形態では、第１の電極及び第２の電極の一方又は両方は、多孔質であり得、入力ガスは、そのような各多孔質電極を通して、及びそのような各多孔質電極の表面上を流れることができるため、そのような各多孔質電極の表面では、固体堆積が防止されている。このようにしてそのような各多孔質電極を通して入力ガスを流すことは、堆積された固体材料との反応によって固体堆積を侵食し得る。好ましくは、該多孔質電極又は各多孔質電極を通って流れる入力ガスは、トーチチャンバの開放端に向かうか、又は開放端から離れるかのいずれかの方向における流れの成分を有する。該多孔質電極又は各多孔質電極を通って流れる入力ガスは、供給原料ガス又は反応生成物よりも実質的に冷たくなり得るため、入力ガスは、多孔質電極を冷却するように適合され得る。
【0020】
プラズマトーチから出る反応生成物の流れは、液体金属などの非反応性液体の流れの中へジェットとして方向付けられて提供され得る。プラズマトーチがオフにされているときに、非反応性液体は、プラズマトーチチャンバに入り、部分的に充填し得る。動作中、反応生成物のそのような流れは、非反応性液体の流れに熱及び運動量を提供し得る。非反応性液体は、液体金属、液体金属合金、又は液体塩を含み得る。特定の実施形態では、非反応性液体は、反応温度で液体であり、周囲温度で固体であり、非反応性液体がまた導電性である場合、これは、トーチ点火のための特定の利点を有する。液体金属合金が使用されている場合、これは、鉛又はビスマスを含み得る。供給原料ガスは、メタン、又は別の好適な炭化水素を含み得る。次いで、供給原料ガスはまた、水素を含み得、該水素は、多孔質電極（複数可）のための入力ガスとして使用されている。
【0021】
ここで、本発明の実施形態は、添付の図を参照しながら、実施例として記載される。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の実施形態による、反応器の側面図を示す。
【図2】本発明の実施形態による、反応器の主な機能要素の高レベルの概略図を示す。
【図3】本発明の一施形態による、反応器からのプラズマトーチの長手方向断面図を示す。
【図7】本発明の実施形態による、プラズマトーチのセット及び供給原料システムを備えるリボルバシステムを示す。
【図11】本発明の実施形態による、反応器システムのための例示的な反応プロセスを例証する。
【図19】合成ガス生成のための修正された反応フローを示す。
【図20A】本発明の実施形態における使用のためのプラズマトーチの第２の実施形態の異なる図を示す。
【図20B】本発明の実施形態における使用のためのプラズマトーチの第２の実施形態の異なる図を示す。
【図21A】本発明の実施形態における使用のためのプラズマトーチの第３の実施形態の異なる図を示す。
【図21B】本発明の実施形態における使用のためのプラズマトーチの第３の実施形態の異なる図を示す。
【図22】本発明の更なる実施形態による、反応器システムのシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の一般的及び特定の実施形態は、図面を参照して以下に記載される。
【0024】
図１は、本発明の実施形態による、反応器の斜視図を提供する。反応器１は、プラズマトーチに電力供給するための電気入力（ここには示されないが、図１２は、これがシステムにどのように統合されるかを示す）と、ガス状供給原料がシステムに導入されるためのガス入力４とを有する圧力容器２として形成されている。これらの入力は各々、アセンブリアパーチャ５に嵌合するように適合されているリボルバアセンブリ（ここには示されておらず、更なる詳細については図７～図９及び図１２を参照）に方向付けられ、リボルバアセンブリは、プラズマトーチのセットを収容し、各プラズマトーチにガス状供給原料も提供する。ここに示されている反応器は、複数の段階を有し、プラズマトーチは、第１の反応器段階として作用し、液体金属反応器は、プラズマトーチによって生成された熱を消費する更なる反応器段階として作用する。反応生成物は、以下で考察される主な実施例では水素である加熱ガスを含み、熱交換器は、加熱ガスを使用して、供給原料ガスを反応のための正しい温度にし、予備反応器段階として効果的に作用する。
【0025】
反応器システムは、図２に概略的に示されている。ガス状入力１１、例えば、メタンなどの炭化水素、及び冷却のための追加の水素（これは出力生成物から再循環され得るが）は、プラズマトーチ１２に導入され、プラズマトーチ１２は、炭素及び水素などの出力生成物の第１のセットを提供する入力供給原料ガスを消費する。これらの第１の出力生成物は、高温で入力１３として液体金属システム１４に通過し、次いで、実施形態では、更なる供給原料ガスの熱分解を提供する。設計に応じて、液体金属を通じて、又はガス状出力から抽出され得る炭素、及びガスとして出力される水素などの最終出力生成物１５は、分離プロセス後に液体金属反応器１４から提供され、これらの最終出力生成物は、プラズマトーチ１２からの第１の出力生成物を含み、液体金属反応器１４における熱分解から生成される更なる出力生成物によって補完され得る。熱分解反応は、吸熱性であるが、ガス状最終出力生成物が貯蔵のために望ましい温度よりも著しく高い温度にあるのに十分な熱が存在するため、使用される余分な熱が存在する。ここで、この加熱されたガス出力は、反応器プロセスの異なる段階のために供給原料ガスの温度を制御する熱交換器１６によって使用される。以下に更に言及されるように、本発明の実施形態は、動作するために図２の配設に示される全ての特徴を必要としない場合があり、図２の配設は、メタンなどの炭化水素から炭素及び水素を特に効果的に生産するための一連のプロセスの相乗的な組み合わせである。以下に更に示されるように、そのようなプロセスはまた、合成ガスなどの他の出力生成物を生成するように適合され得る。
【0026】
プラズマトーチの実施形態は、図３～図５により詳細に示されている。プラズマトーチ３０の長手方向断面図は、図３に提供される。プラズマトーチ３０は、概して円筒形であり、本発明の実施形態で使用される配設では、それは、液体金属循環システム４０（以下で更に考察される）内に延在し、そこで、それは、液体金属内に直接噴射する。プラズマトーチは、カソード３１及びアノード３２を含む中央チャンバ３００を有する。これらは、中央チャンバ３００における条件に好適な任意の導電性材料であり得、炭素（グラファイト）を使用することができ、又は均一であるか、若しくは好適なインサートを有する任意の好適な金属若しくは合金であり得、例えば、ハフニウムインサートを有する銅が可能な選択肢である。ここで、カソード３１は、液体金属反応器３９から離れたプラズマトーチ３０の端部に向かって位置し、セラミックカップ形状の端部セクション３８がプラズマトーチを終端する。代替的なトーチ設計では、電極は、反対方向に配置され得、又はアノード及びカソードではなく、電極について伝達することだけを意味する交流プラズマトーチが、使用され得る。アノードは、概して円筒形であるが、ノズル３５及び拡散セクション３６を備える整形された内面３４を有し、これは、以下でより詳細に記載される。保護電極３３は、カソード３１とアノード３２との間に配置され得、当業者であれば、再び、電極構造が、プラズマトーチチャンバ内で所望の電界パターンを達成するために変更され得、ゼロ、１つ、若しくは複数の中間電極を含み得、複数の保護電極が、効果的な点火のためにスパークの安定化に役立つように、又はアノードの摩耗を防止するためにカスケード接続され得ることを理解するであろう。ガス入力３７は、ガス状供給原料を反応器内に導入するために提供され、図３に示される配設では、メタンは、保護電極３３に配置されたガス入力３７に導入される。以下で更に詳細に示されるように、本発明の異なる実施形態では、異なるガス入力位置は、異なる供給原料ガスについて提供されている。以下の考察は主にメタンに関するものであるが、他の炭化水素も同様によく使用され得ることを理解されたく、例えば、プロパンは、液体形態で輸送され得るが、プラズマトーチ反応器における反応のために容易に蒸発し、そのため、処理のための別の特に好適な選択肢となるであろう。
【0027】
図４は、メタンを分解するために図３に示されるプラズマトーチ３０の使用における１つの現象を例証する。この反応では、メタンは、摂氏６０００度の温度を有し得るプラズマトーチスパークの作用を通じて、高温で水素ガス及び炭素に分解し、瞬間的分解をもたらす。実用上の問題は、これが、トーチを詰まらせる炭素堆積物４１をもたらし得、これはプロセスの効率に著しく影響を与え、メンテナンスのための著しいダウンタイムをもたらす可能性があることである。そのような炭素の蓄積を防止し、両方の反応生成物がプラズマトーチ３０を出ることが望ましいであろう。これを達成するための１つの特徴は、蓄積を阻害するガスでアノードを保護することである。これは、アノード３２を多孔質にすることによって達成することができ、アノードガス出力４２は、アノードを通して、ガス（この場合、水素）を送達して、アノードの内側に沿った保護カーテンを提供し、炭素の蓄積を阻害する。ガスは、この保護カーテンを達成するためにプラズマトーチ出力に向かって速度の成分を有するように、アノードに対してある角度で送達され、代替的に、これは、依然として電極に保護カーテンを提供するので、速度の成分は、プラズマトーチ出力から離して提供することができる。保護カーテンを提供することに加えて、水素による堆積炭素のアクティブ侵食もあり得、水素は、メタンに戻る逆反応において炭素と反応することができ、したがって、堆積された炭素を更に侵食する。水素はまた、アノードを冷却する役割を果たし、それが劣化されるのを防止する。このように多孔質アノードを使用することに加えて、カソードはまた、多孔質にされ、同様の方式で冷却することができる。
【0028】
更なる戦略は、炭素の蓄積を防止するために、使用される。アノードの整形はまた、動作中のトーチとのスパークギャップの領域内のアノード上にある炭素のための可能性の高い堆積点があるように配設され得、スパーク作用は、次いで、あらゆる炭素の蓄積を更に侵食することができる。
【0029】
炭素の蓄積を防止する別の特徴は、プラズマトーチ構造を通るガスの通過を例証する図５に示されている。ここで、メタンは、保護電極におけるガス入力３７を通って接線方向にプラズマトーチに入り、この入力メタンは、概して螺旋経路に従ってカソードに向かって移動する。ここでのガス入力３７は、図６ａ及び図６ｂにより詳細に示される、セラミックリング５１を通して提供される。セラミックリング５１は、リングの周囲の入力ガスの循環のためのギャラリー５２を有し、チャンバ内に入力ガスを接線状に送達するいくつかのチャネル５３（図示の設計では４つ）に入力ガスが通過することを可能にし、チャンバの壁に隣接する出力ガスの螺旋経路、及び、またプラズマトーチチャンバ内の渦の両方を確立する。これは、所望の流れパターンを達成するために、ガスタイプ、流れ条件、圧力、及び温度を考慮に入れて最適化され得る。壁構造（特に、壁の粗さ及び幾何学的形状）は、ガスの外側螺旋がその運動量を維持し、より速く回転するガスの内側螺旋から分離することを促進し、トーチの幾何学的形状は、ガスを、より速い速度で、かつより緊密な内側円を有する内側戻り螺旋に押し込む。ガスは、カソードとアノードの間を移動する際にこのより緊密な螺旋を採用し、カソードとアノードの間のスパークギャップで炭素と水素に分解されるため、加熱時にこれを維持する。プラズマの形成は、迅速であり、典型的には、１マイクロ秒未満しかかからない。ガスの場合、適した調整は、竜巻と同様に、螺旋間のエネルギー交換を最小限に抑えるために、（圧力、温度、及び密度によって）調整されることを可能にする。この構成は、すでに出力ガス（この場合、水素）にプラズマトーチの出力に向かって著しい速度を与えており、壁ではなくプラズマトーチチャンバの中心に炭素が形成されるため、炭素の凝縮及び堆積を防止する。プラズマは、熱平衡に近い状態でエネルギーバランスのとれたイオン及び電子を含み、分子は、主に原子に分解され、プラズマトーチにおける温度及び圧力の動作条件下では、炭素の安定状態は、ガスとして存在し、炭素堆積の可能性を低減する。プラズマトーチの設計は、概して、反応生成物がプラズマトーチから液体金属反応器に優先的に駆動されるように、チャンバの中央で反応を促進し、壁で反応を抑制するように配設されている。外側螺旋は、内側螺旋における原子状炭素が壁上に凝縮するのを防止しながら、壁を冷却し、断熱する。反応からの水素は、ノズル３５を通過し、ノズル３５は、ベンチュリ効果に従って速度の増加及び圧力の減少をもたらす。次いで、ガスは、高温（及び運動エネルギー）で拡散器３６を通ってプラズマトーチ３０から出力され、プラズマは、超音速でトーチから排出される。これらの特徴の累積効果によって、炭素は、概して、アノードの壁上の堆積物の著しい蓄積なしに、プラズマトーチ出力内に運ばれる。拡散器３６の役割は、以下でより詳細に記載されるように、プラズマトーチの出力の圧力を次の反応器段階と一致させることである。本明細書に言及されるように、本明細書に詳細に記載される実施形態では、次の反応器段階は、液体金属反応器であり、本明細書の液体金属はまた、以下で更に考察されるように、トーチと直接相互作用するために使用され得る。
【0030】
本発明の実施形態で使用するための代替的なプラズマトーチ設計は、図２０ａ及び図２０ｂ（第２のトーチ実施形態について）、並びに図２１ａ及び図２１ｂ（第３のトーチ実施形態について）に示されている。図２０ａ及び図２０ｂは、ガス入力ライン２００がトーチチャンバと一直線に位置しているが、カソード２０３１及びアノード２０３２がスペーサ２０１によって分離されているプラズマトーチを示しており、カソード２０３１は、ここでカップ端を形成し、プラズマトーチ出力のために直径の大きい通路領域２０３に開口しているアノードを通って形成されている直径の小さい通路領域２０２が形成されている。図２１ａ及び図２１ｂは、管状形態のカソード２１３１（ここではモリブデン製）に隣接する閉鎖端でチャンバ内へのガス流入を提供する渦流プレート２１５１を有する代替的な実施形態を示す。アノード２１３２は、以前と同様に、直径のより小さい通路領域２１２及び直径のより大きい通路領域２１３を有して段状になっているが、この場合、これらの領域は、プラズマチャンバに対してより短く、直径のより大きい通路領域２１３は、直線的に増加する直径の拡散器２１４において終端する。
【0031】
上に記載されるトーチにおけるこの配設は、ガス状供給原料の非常に高いスループットで、高温（反応点で摂氏６０００度を上回る）、及びトーチにおける高圧での動作を可能にする。プラズマトーチに２００ｋＷの電力を入力し、反応点でトーチチャンバ内の動作温度が摂氏６０００度、圧力が５０バールの場合、おおよそ７２ｋｇ／時間のメタンが、この設計を使用して処理され得る。電極にわたる電圧は、典型的には１５０Ｖ～６００Ｖ、典型的には約２５０Ｖであり、動作電流は、１００Ａ～５００Ａ、典型的には約２００Ａである。供給原料ガスは、熱分解反応において放出される熱を利用して（以下の更なる考察を参照）、熱交換器を使用することによって予熱することができるが、アノードを冷却するために使用される水素は、より低い温度で提供される。
【0032】
プラズマトーチの高圧動作は、本明細書で記載される本発明の実施形態に共通しており、反応システムは、典型的には、図１に示されるように圧力容器内に含まれる。しかしながら、効果的な反応は、様々な圧力レジームで達成することができ、本明細書で記載されるシステムは、５０ｂａｒｇ（大気圧を５０バール上回る）での動作に特に好適であるが、高圧動作による熱分解に関連したプラズマトーチの使用に対する従来のアプローチとは区別され、低いが依然として高圧（２０ｂａｒｇ、１０ｂａｒｇ、あるいは１ｂａｒｇ）でのシステムの使用は、大気圧で動作する温度よりも効率的な動作を可能にする。以下に更に言及されるように、より低い温度で、及びより低い電力トーチでの動作はまた、可能である（これは、図２２に関して以下で更に考察される）。
【0033】
【0034】
このタイプの反応器設計の潜在的な問題の１つは、プラズマトーチを維持する必要がある場合、プラズマトーチを停止させることが必要となる長いサイクル時間のために反応器が著しく効率を失う可能性があることである。これは、トーチをメンテナンスのためにはるかに低い温度及び圧力まで下げる必要があり、次いで、再び動作するためには温度及び圧力に戻す必要があるためである。本発明の実施形態では、取られるアプローチは、反応器における各「トーチ位置」について複数のトーチを使用することであり、プラズマトーチのうちの１つは、アクティブ位置にあり、動作の準備ができており、他のプラズマトーチは、実際に動作しているトーチに影響を与えることなく、取り外し又は動作の準備をすることができる他の位置にある。このアプローチは、プラズマトーチに電力及びガス状供給原料を提供するための効率的なシステムと効果的に組み合わせることができる。
【0035】
図７は、この複数のトーチアプローチの一実施形態を示しており、この実施形態では、３つのトーチ７１、７２、７３は、カルーセル又はリボルバ７０に取り付けられている。リボルバ７０は、長手方向軸の周りに回転することができるが、回転後、３つのトーチのうちの１つが反応器内で動作するアクティブ位置又はアクティブベイにある３つの位置のうちの１つにロックされている。フィードスルーシステム７４は、リボルバ７０の軸に沿って提供され、このシステムは、ガス状供給原料及び電力がアクティブ位置にあるプラズマトーチに提供されるように構成される。他の２つのプラズマトーチは、アクティブ位置になく、それらは、使用のために、又は抽出のために準備することができ、例えば、２つの位置のうちの一方は、トーチが動作温度に達する「準備」位置（又はローディングベイ）であることができ、２つの位置のうちの他方は、以前にアクティブトーチが冷却され、メンテナンスのために取り外しの準備ができた「クールダウン」位置（又は冷却ベイ）であり得る。
【0036】
図８は、リボルバにおけるトーチ位置に嵌合するプラズマトーチを示す。３つのトーチ位置は、リボルバの軸の周りに対称的に配設され、プラズマトーチは、それがアクティブベイに回転されるとき、プラズマトーチチャンバ内の圧力を維持することができるように、適切な圧力封止を提供され、所定の位置にロックされるまで、反応器から離れた側からスライドする。
【0037】
図９Ａ及び図９Ｂは、リボルバのベイが３つの利用可能な位置の間で回転され得るギアシステム９１を示しており、任意の適切なギアシステムが使用され得る。ロック機構は、ベイが指定された位置にのみロックされ得るように提供され、３つのベイの場合、これは３つの可能なロック位置を含む。図９Ｂは、これが行われ得る２つの方式を示す。リボルバキャップ上のピン９３は、リボルバコアを貫通し、リボルバを所定の位置にロックするために使用され得る。代替的に、ギアのうちの１つ、例えば、ステッピングモータ接続部のギア９２は、モータ制御で所定の場所にロックされ得る（所望される場合、ギアシャフトの各々を、このようにロックすることができる）。
【0038】
図１０は、図７～図９に示されるリボルバで使用するためのフィードスルーシステムを示す。フィードスルーシステム７４は、各リボルバについて提供され、アクティブベイにおけるトーチに電気及びガス状入力を提供し、入力はまた、必要とされる場合、他のベイ（例えば、冷却ベイへの冷却ガス）に提供され得るが、概して、フィードスルーシステムは、作業位置におけるトーチによる使用のためにアクティブベイのみへの入力を有するように形成される。トーチとは対照的に、フィードスルーシステムは、どのトーチが任意の所与の時間にアクティブベイに配置されているかに関係なく、正しい入力がアクティブベイに提供されるように、ベイに対して固定構成を採用する。このアプローチを使用して、特定の入力場所を、特定の入力ガスについて指定することができる。いくつかの場合では、これは、概して、プラズマトーチにおける反応とは独立し得る（例えば、より低温の水素は、いくつかの異なる反応においてアノードを冷却するために入力され得る）が、他の場合では、特定のガス状入力は、特定の反応のために特定の位置７５でプラズマトーチに入るために提供され得、プラズマトーチにおける複数のガス入力３７（図３を参照）は、これらの供給出力７５と交代し得る。フィードスルーシステムは、このようにして、特定の供給原料ガス及び特定の反応についてコード化（例えば、色分け）することができる。図１０において、ガス状入力は、示されているが、電気接続部は、示されていない。しかしながら、セラミック絶縁体７６は、トーチ上の接続部、特に電気接続部を分離するように示されている。トーチに関しては、この配設は、使用中にプラズマトーチチャンバ内で５０バールの圧力を維持することを可能にするのに効果的な圧力封止で提供される必要がある。適切な供給原料システムの構築に対する異なるアプローチが取られ得るが、ここに示されるアプローチは、一連の整列されたディスクを使用し、この場合、これらは、セラミック絶縁ディスク７８によって分離された金属ディスク７７である。
【0039】
供給原料システムは、入力にのみ関連して上で記載されているが、出力についても使用され得る。例えば、再循環がある場合（例えば、出力として生成されるが、冷却ガスとしても使用される水素と同様に）、再循環システムは、供給原料システムを通して入力及び出力の両方を使用し得る。
【0040】
ここでは、異なるトーチが、実際には、異なる反応に使用され得ることに留意されたく、例えば、トーチは、メタンについて最適化された供給原料入力位置で設計され得、別のトーチは、異なる供給原料ガスについて最適化された異なる入力位置で設計され得る。これらの異なる入力位置は、正しい入力ガス及びトーチの組み合わせのみが使用され得るような方式で、供給原料システム上の異なる位置と整列され得る。また、同じ供給原料ガスを、異なるトーチ（又は更には異なる反応）について異なる位置に供給することができるように、供給原料システムを再構成することが可能であり得、これは、特定の配設について事前構成されたバルブ位置のセットを伴う供給原料システムにバルブを追加することで達成され得る。
【0041】
反応器の他の要素を記載する前に、全体的な反応フローが、図１１に関して記載される。この反応フローは、メタンの分解及び熱分解に特有であるが、本明細書では、より概して、複合反応器の異なる部分において起こる異なる反応プロセスを例証するために使用される。例えば、プロパンなどの他の炭化水素は、プラズマトーチ反応器だけでなく、液体金属反応器においても、メタンではなく供給原料炭化水素として使用され得る。
【0042】
システムへの２つの入力、すなわち、電気１１０１及び炭化水素１１０２（この場合、メタン）が、示されている。２つの出力、すなわち、水素１１０３（ただし、他の反応のために、他の出力ガスは、同様に又は代わりに提供され得、また、生成された水素の一部が反応プロセスにおける使用のために再循環されることに留意されたい）及びカーボンブラック１１０４が、示されている。
【0043】
両方の入力は、プラズマトーチ１１０５に提供され、電力及び炭化水素供給原料に加えて、水素は、入力として提供される。示される配設では、低温水素入力１１１１（ここでは、摂氏２００～４００度の範囲で示される）は、例えば、反応供給原料として使用される高温炭化水素１１１２（ここでは、摂氏約７００度で示される）でアノードを冷却するために、また、反応チャンバの温度及び圧力を維持し、プラズマトーチを通る材料の流れを促進するために、プラズマトーチ１１０５に提供される。プラズマトーチが電気エネルギーを消費し、高温出力を生成すると、これは、第２の反応器１１２２における熱分解反応によって部分的に消費され、そこから加熱された出力ガスが、摂氏約２００度の低温炭化水素１１１３から摂氏約７００度のプラズマトーチ反応温度で高温炭化水素１１１２に上昇させるように、炭化水素供給原料を循環させるために熱交換器１１２１において使用することができ、熱交換器１１２１はまた、より冷たい温度でプラズマトーチに水素を供給することができる。したがって、この熱交換器１１２１は、第１の反応器プロセスとして効果的に作用し、終了プロセスの熱を吸収し、それを使用して、反応段階に必要なガスを正しい温度にする。
【0044】
プラズマトーチ１１０５自体は、第２の反応器１１２２として作用し、高温の水素及び（主に）ガス化炭素を出力１１１４として提供する。その反応生成物を通るプラズマトーチ１１０５は、液体金属熱分解反応器１１２３である次の反応器段階で動作する。プラズマトーチ１１０５は、この反応について熱を提供し、金属（ここでは、鉛）を反応温度まで加熱し、また、鉛に回転を提供し、炭素が反応器の中心で抽出されることを可能にする。より高温の炭化水素１１１５は、液体金属熱分解反応器１１２３のための供給原料として熱交換器１１２１から提供される。熱分解反応器における放熱反応から非常に高い温度（おおよそ摂氏１２００度）で提供される水素出力１１１６は、主に水素ガス出力１１０４で（より低い温度で）提供されながら、熱交換器１１２１に戻され、プラズマトーチ１１０５に部分的に再循環される。
【0045】
液体金属熱分解反応器は、図１２～図１８により詳細に示されている。図１２は、反応器アセンブリの主な要素を例証する。トーチ取り付け部１２１は、メイン反応器容積１２３に供給する液体金属レーストラック１２２内に方向付けられている。また、渦流チャンバ１２５を含むメイン反応器容積１２３へのガス入力１２４がある。液体（溶融）金属は、液体金属カラムに回転を与えるように渦流チャンバ１２５内に送達され、液体金属が入力ガス中で熱分解反応を開始すること、遠心分離器として作用し、回転カラムの中心に向かって反応生成物を分離することの両方を可能にする。次いで、炭素は、炭素出力１２６において、反応器の基部から抽出可能である。水素は、液体金属から上昇し、反応器の上部から水素出力１２７を通って放出される。反応は、高温及び高圧（典型的には、摂氏８００～１０００度及び５０バール）で実行される。
【0046】
この機能は、液体金属システム自体が反応器ではない場合でさえも、プラズマトーチの機能と有用に組み合わされ得、その場合、それは、プラズマトーチ出力のエネルギーによって電力供給されるプラズマトーチから反応生成物を分離するための分離器としてのみ作用する。しかしながら、これは、著しく過剰な熱を残し、液体金属システム自体を、更なる炭化水素の吸熱熱分解のために使用される反応器にすることは、特に効果的な反応器システムにつながることが見出される。
【0047】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、異なる角度からのプラズマトーチ取り付け部及び液体金属レーストラックを示し、図１４Ａ及び図１４Ｂは、これらの要素の異なる断面図を示す。液体金属は、冷却すると反応チャンバから出て行き、反応生成物が分離され、次いで、エルボージョイント１２８を通ってプラズマトーチ取り付け部１２１に向かって液体金属レーストラック１２２を通過し、プラズマトーチ出力は、液体金属内に噴射される。これは、メタンなどの炭化水素で熱分解反応を開始するのに十分な温度まで液体金属を加熱し、また、プラズマトーチ反応の反応生成物を液体金属反応器に運び、それらをシステムから収集され得るようにする（プラズマトーチジェットから液体金属内に通過するメタンはまた、この時点で熱分解され得る）。加熱された金属は、液体金属レーストラックの残りの部分に沿って通過し、底部から液体金属反応器チャンバに入る。レーストラック構造の部品は、結果として、加熱された液体金属からの高温に耐える必要があり、それらはまた、反応プロセス中の温度と反応プロセス外の温度との間の著しい差からの膨張に対して適合される必要がある。ジョイントは、例えば、図１４Ｂに示されるように、モリブデンスリーブ１４１の使用によって保護され得る。
【0048】
プラズマトーチは、液体金属レーストラック１２２内に効果的に噴射するように設計されており、特に、プラズマトーチの拡散器は、トーチの外側と圧力を一致させるように設計されている。これは、液体金属レーストラック内の乱流ではなく直線的な流れをサポートするという利点を有する。液体金属は、プラズマジェットを安定させるように作用する渦又は渦巻きにされ得る。プラズマトーチからの反応生成物、示される実施例では、水素及び炭素は、以下に記載されるように、液体金属反応器においてその後の分離及び液体金属反応器からの出力のために液体金属中に運ばれる。
【0049】
液体金属システムはまた、プラズマトーチ反応器の出力を不純物からパージするのに役立ち得る。例えば、エチレンは、副産物として生成され得るが、次いで、液体金属システムにおいて再び分解され得る。
【0050】
液体金属システムからの液体金属は、他の機能を有し得る。例えば、プラズマトーチの拡散器は、液体金属が拡散器をクリーンにし、そこで炭素の蓄積を防止するように作用するように、液体金属レーストラック内に十分に遠くまで延在し得、実施形態では、拡散器セクションは、液体金属の流れをサポートするために部分的に多孔質であり得る。所望される場合、レーストラックからの液体金属は、プラズマトーチを溢れさせ、反応を急速にクエンチし、その動作を停止させるように駆動されることさえ可能である。したがって、液体金属は、多孔質アノード（及び使用される場合は、カソード）構造を浸水させるために使用され、したがってクリーンにすることができる。
【0051】
これは、シャットダウン及び始動時のシステムの動作について影響を及ぼす。プラズマトーチが停止すると、液体金属レーストラックからのプラズマトーチ構造のある程度の埋め戻しが予想され得、液体金属は、トーチチャンバに入り、（金属の選択肢に応じて）トーチが冷却すると凝固し得る。多孔質電極が使用される場合、電極、又は少なくともトーチアパーチャに最も近い電極は、液体金属で溢れ得る。これは、トーチの効果的な動作ために、及びその作業寿命の延長のために有益に使用することができる。電極は、使用中の侵食について補償し得る、固化された金属によって直接補充され得る。プラズマトーチを再始動することは、通常、高電圧パルスを使用して達成され、これは、典型的には、概して、電極及びトーチ構造に著しい老化効果を及ぼすであろう。液体金属がトーチチャンバに入った場合、特に固体金属プラグを形成した場合、トーチを始動する効果は、著しく軟化する。そのような固体金属プラグは、典型的には、プラズマトーチの電極間のリンクを形成し、それゆえ、高電圧パルスは、典型的には、プラグを通る高電流（おそらく、２００Ａ）をもたらし、プラグを非常に迅速に加熱及び溶解し、プラグ溶解とトーチへの供給原料ガスの供給との組み合わせは、金属プラグの迅速な排除をもたらす一方、また、プラズマトーチにソフトスタートを提供して、プラズマトーチのパワーサイクルの老化効果を低減し、結果は、液体金属システムによって支援される、より効果的な自己点火プロセスである。プラグの解除をより迅速にするため、これは、プラグの背後にガスを注入することによって、又はプラグが液体金属システムに前方に圧力をかけるためにプラグの前方で真空にすることによって、刺激され得る。プラグと係合し、プラグを取り出すための機械的システムはまた、可能である。
【0052】
鉛、又は鉛を含有する混合物は、液体金属システムにおいて液体金属として使用され得る。鉛は、高蒸気圧を有することなく反応温度で液体であり、他のほとんどの好適な金属よりも毒性の問題を引き起こすことが少ないため、好適な選択肢である。ガリウムはまた、ビスマスと同様に、別の可能な選択肢である。システムの実施形態において使用される１つの合金は、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｒｏｗｌａｎｄ Ｌｔｄ．から入手可能な、ビスマス及び鉛を含むＷＲ５８である。「液体金属」という用語は、本明細書全体を通して使用されるが、実施形態では、循環液体は、それ自体が金属でない場合があり、それが反応器温度で液体であり、反応生成物の分離をサポートする（反応器として作用する場合、更なる熱分解をサポートする）が、それ自体は供給原料ガス又は熱分解反応生成物との更なる化学反応を持たないことを条件とする。いくつかの塩はまた、適切な特性を有する。上で言及されたように、冷却プラグがトーチの自己点火に使用される場合、反応器が冷たいときに循環液体が固体になり、ある程度導電性になる必要がある。
【0053】
上で言及されたように、液体金属システムは、ここでは、分離器としてだけでなく、反応器としても作用するように設計されている。図１５は、液体金属熱分解反応器のための反応チャンバを形成する渦流チャンバ１２５の図を提供する。加熱された液体金属は、入力ガスとともに下からこのチャンバに通され、渦流チャンバ１２５内の循環は、遠心作用によって分離された反応生成物とともに、循環液体金属カラムの中心への分離につながり、炭素及び水素は、最初に反応器の上部のハット構造１５１に収集される。これを使用して、クリーンな水素を収集することができ、これは、この時点で唯一のガスであり、フロートバルブを通して単に放出することができる。液体塩構造は、この構造において、鉛と炭素の混合物が浸透するために提供することができ、これは、鉛から炭素が分離し、プロセスは、重力によって完了し、より軽い炭素は、より重い鉛及び塩の両方の上に浮上する。これは、炭素が、チャンバの中央領域におけるシュートを通して落下させることによって、分離されることを可能にする。渦流チャンバ１２５の下のベースプレート１５２は、ガス状入力のための貫通孔を有する。冷却金属は、渦流チャンバ１２５の側面における貫通孔を出て、ベースプレート１５２を通って下に行き、そこで、図１３及び図１４に示された液体金属レーストラック上に循環する。
【0054】
【0055】
図１６は、反応が起こる渦流チャンバ１２５の下の液体金属反応器容器の下部を示す。プラズマトーチから加熱された熱い金属は、ガス入口１６２を通って入る反応ガスとともに、金属入口１６１を通って下から入る。炭素は、炭素出力１６３において、反応器の底部を通って出力される。水素は、その後の循環及び渦流チャンバ上の収集のために、渦流チャンバ１２５のベースプレート１５２を通って下に循環される。
【0056】
図１７は、渦流チャンバ１２５のベースプレート１５２の上の領域を示す。液体金属は、エルボー１７１を通って液体金属カラムに接線方向に入力され、これは、遠心分離器として作用するように、液体金属カラムに回転を提供する。また、図１７に示されるのは、更なる供給原料ガス、この場合、熱分解のためのメタンのための浸透入口１７２である。浸透入口１７２は、ここでは、エルボー１７１からの液体金属の直前に配置され、それにより、更なる供給原料ガスは、熱分解のために液体金属流に直接浸透する。このプロセスは、適切な触媒を使用することによって更に発展され得、例えば、ニッケルボール（ここでは図示せず）は、渦流チャンバ１２５に含めることができ、これらは、注入されたメタンの流路を延長し、反応を促進するとともに、不純物の水素をクリーンにする。ニッケルボールは、鉛（液体金属として使用される場合）上に浮くが、塩に沈むため、効果的に分離層に閉じ込められるので、魅力的な選択肢である。ベースプレート１５２を通る接続部は、図１８の断面図により詳細に示されている。
【0057】
上で記載されたように、反応において生成された熱を使用して、反応における使用のための正しい温度の入力ガスを提供することを可能にする熱交換器システムが提供されている。高温（摂氏１２００度）にある、液体金属反応器から出力された水素は、プラズマトーチ及び液体金属熱分解反応器の両方に供給するためのメタン供給原料を加熱するために使用されている。この水素出力の一部は、はるかに低い温度（例えば、摂氏２００～４００度）まで冷却され、上で記載されたように、プラズマトーチのアノード及びカソードを冷却するために使用される。
【0058】
本明細書で記載される反応器の実施形態は、メタンの熱分解に適合されているが、この反応器構造は、多くの反応について用いることができる。供給原料システムの考察において言及されているように、例えば、様々な入力ガスは、プラズマトーチ全体を通してガスの正しい循環を達成するために、選択されたガスの入力位置で、異なる反応において使用され得る。同様に、異なる入力は、異なる反応を達成するために、単にメタンではなく、液体金属反応器に提供され得る。
【0059】
上の実施例に記載される反応器プロセスは、メタンからの水素及び炭素の生成を対象としているが、ここで使用される反応器構造は、他の反応プロセスに適合させることができる。図１９に示されるように、メタン又は別の炭化水素が、プラズマトーチ内で直接、又は液体金属反応器内でのその後の熱分解を通してのいずれかで、水素及び炭素に分解され（１９１）、分離（１９２）が、液体金属分離器内で起こった後、合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）（合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）又は合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）は主に水素と一酸化炭素の混合物である）は、更なる入力ガスとして炭素流に二酸化炭素を添加することによって生成され（１９３）得る。二酸化炭素を炭素によって還元して一酸化炭素を形成し、一酸化炭素は、渦流チャンバの上の水素で収集し、合成ガスとして抽出することができる。このアプローチを使用して、一酸化炭素は、渦流チャンバの外側に放出され、容器の上部で収集のために浸透する。その時には、水素（渦流チャンバの上のハットから）及び合成ガス（液体金属反応器構造全体の上部から）の両方の出力が存在し得る。
【0060】
上で概して記載されたアプローチでは、プラズマトーチからの熱は、効率的な複合反応器を確立するために、吸熱反応、主な実施例では、メタン熱分解によって使用されている。これは、プラズマトーチによって提供される熱の効果的な使用であるが、この熱を使用する代替的な方法がある場合、液体金属システムは、反応器として使用される必要はない。他の実施形態では、例えば、液体金属システムは、プラズマトーチ反応器によって生成された水素及び炭素の分離のために本質的に使用され得、その場合、液体金属システムへのメタンの供給は、要求されない。
【0061】
プラズマトーチ反応器からの熱の大部分は、吸熱メタン熱分解反応によって使用されるが、熱の著しい割合は、高温（典型的には、摂氏１２００度）で提供される水素出力で反応器から除去される。ここに示される配設では、これは、供給原料ガス、すなわちプラズマトーチのためのメタン、及び液体金属反応器のためのメタンを、従来の熱交換器における反応温度までもたらすために使用される。上で記載されたように、熱交換器からの更なる出力は、電極の冷却のための低温の水素流であることが望ましい。しかしながら、この出力熱の効果的な代替的な使用がある場合、この熱交換器は、使用される必要はなく、他のアプローチが、ガスを適切な反応温度まで上げるために採用され得、周囲温度又は別の副反応温度での水素源が、使用され得る。
【0062】
図２２は、本発明の更なる実施形態による、反応器システムのシステム図である。この設計では、動作温度は、より低く、液体金属システムは、追加の反応器段階を提供するのではなく、分離のためにトーチから生成物を搬送し、熱交換器段階は、使用されない。この反応器システムは、より低い温度動作（明らかに、プラズマスパークでの局所的な温度が著しくより高いであろうが、ここでは、反応器全体を通して２００～３００℃の動作範囲を有する２５０℃の通常温度について）のために設計されているが、また、高圧動作（通常反応器圧力として５０ｂａｒｇで、４０～６０ｂａｒｇの動作範囲で）のために設計されている。この配設では、炭化水素供給物２２０２、好ましくはメタンは、周囲温度で提供され、プラズマトーチ２２０５に提供される前に、８０℃に予熱される。この実施形態では、単一のプラズマトーチは、使用されている（リボルバは、存在しない）。本システムは、システム全体が５０ｂａｒｇ周辺で動作する、１８ｋｇ／時のスループットのために設計されている。プラズマトーチ２２０５は、５０ｋＷ（最大８００ＶＤＣ、３００アンペア）で動作する。水素とカーボンブラックの反応生成物は、液体金属ハンドリングシステム（クエンチ反応器とも称され得、これは、図１１の配設の「プラズマ反応器」と同等である）に噴出され、この場合、液体金属システムは、少なくとも８０℃まで加熱されたＷＲ５８合金を使用し、液体金属システム２２１４は、金属供給タンク２２１４ａから供給される。反応生成物は、ここでは、第１及び第２のサイクロン２２３１、２２３２と、パルスジェットフィルタ２２３３（切り替えることができる代替のパルスジェットフィルタを有する）と、を備える、抽出システム２２３０によって液体金属ハンドリングシステム２２１４から抽出される。これらのシステムの各々は、主に水素を含むガスが次の段階に進むことを可能にしながら、固体としてカーボンブラックを堆積させる。示された配設では、第１のサイクロン２２３１は、１８ｋｇ／時、４８ｂａｒｇ及び２００℃）で反応器からの流れを受け入れる。第１のサイクロン２２３１によって堆積される固体は、いくつかの金属合金を有するカーボンブラックであるため、この時点で分離器が必要とされる。第２のサイクロン２２３２は、１７．６６ｋｇ／時、４７ｂａｒｇ、１９０℃で入力を受け入れ、より多くのカーボンブラックを放出しながら、４．９６ｋｇ／時、４６ｂａｒｇ、及び１８５℃でガスを出力する。この出力は、より多くのカーボンブラックを放出するパルスジェットフィルタ２２３３によって受容され、冷却器２２３４内で周囲温度まで冷却される水素ガスを出力する。カーボンブラックは、中間バルク容器２２３５に堆積され、示された配設は、生成されたカーボンブラックの大部分が液体金属からの分離を必要としないように、第２及び第３のバルク容器の中への堆積を最適化する。
【0063】
更なる実施形態は、図１１の配設の高温動作（１２００℃であり得る）までのより高い動作温度で生成することができる。そのような設計は、必要に応じて、図１１及び図２２の配設のいずれか又は両方の特徴を使用し得、例えば、中間設計は、図２２に示されるタイプの分離配設を使用しながら、図１１に示されるものと同様の熱交換器を有し得る。
【0064】
当業者が理解するように、本明細書に述べられたプラズマトーチ及び反応器技術並びに反応プロセスの他の実施形態は、実施形態に述べられているが、特許請求の範囲によって必要とされない特定の特徴に限定されることなく、提供される特許請求の範囲の範囲内で提供され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20A】
【図20B】
【図21A】
【図21B】
【図22-1】
【図22-2】
【国際調査報告】