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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】2024-05-27
(54)【発明の名称】持続可能なカーボンブラック形成
(51)【国際特許分類】
C09C 1/50 20060101AFI20240520BHJP
【ＦＩ】
C09C1/50
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023575736
(86)(22)【出願日】2022-06-02
(85)【翻訳文提出日】2024-02-07
(86)【国際出願番号】 EP2022065127
(87)【国際公開番号】W WO2022258495
(87)【国際公開日】2022-12-15
(31)【優先権主張番号】21178730.4
(32)【優先日】2021-06-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521399892
【氏名又は名称】オリオン エンジニアード カーボンズ アイピー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディト ゲゼルシャフト
(74)【代理人】
【識別番号】110000109
【氏名又は名称】弁理士法人特許事務所サイクス
(72)【発明者】
【氏名】シンケル アルント ペーター
(72)【発明者】
【氏名】ティママン エディー
(72)【発明者】
【氏名】マーゲンターラー ピーター
(72)【発明者】
【氏名】ディーターズ ダーヴィト
【テーマコード（参考）】
4J037
【Ｆターム（参考）】
4J037BB15
4J037BB21
4J037BB25
4J037BB29
4J037BB35
(57)【要約】
本発明は、反応器およびカーボンブラックの製造方法に関する。キャリアガスとしては、カーボンブラックの収率を高める燃料と同様に、水素が使用される。さらに、カーボンブラック形成をさらに増強する水素ラジカルおよび水素イオンを生成するために、カーボンブラック反応器システムの蒸発ゾーンの下流または原料注入の下流（ガス状原料の場合）にプラズマを適用することができる。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カーボンブラックの製造方法であって、（ａ） 注入手段を用いて反応器の燃焼チャンバに第１の流体を注入すること、
（ｂ） 導管を通して燃焼チャンバ内に第２の流体を供給すること、
（ｃ） 第２の流体と第１の流体とを混合して燃焼混合物を得ること、
（ｄ） 燃焼チャンバ内で燃焼混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成すること、
（ｅ） 燃焼チャンバの後に、反応器の反応チャンバ内で高温燃焼ガスを受け入れること、
（ｆ） 燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中にカーボンブラック用の原料を注入して、カーボンブラック用の原料を含む高温反応混合物を得ること、および
（ｇ） 反応チャンバ内で高温反応混合物を反応させて、カーボンブラックを含む高温生成物混合物を得ること、
を含む製造方法：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
【請求項2】
第１の流体は酸素含有ガス、特にＯ２であり、第２の流体は水素であり、および／または酸素含有ガスはＯ２である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
（ｈ） 反応器の急冷チャンバ内で、好ましくは水などの急冷媒体を使用して、高温生成物混合物を急冷して、急冷反応混合物を得ること、（ｉ） 高温反応混合物および／または急冷反応混合物からカーボンブラックを得て、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含む排ガス混合物を得ること、
（ｊ） 排ガス混合物中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換すること、
（ｋ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮させること、
（ｌ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離すること、および／または
（ｍ） 分離されたＨ２を、第１または第２の流体として、ステップ（ａ）または（ｂ）における反応器の燃焼チャンバに提供すること、
をさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
（ｉ） 高温燃焼ガスは、Ｈ２ＯおよびＨ２を含み、（ｉｉ） 高温反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２およびカーボンブラック用の原料を含み、
（ｉｉｉ） 高温生成物混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含み、および／または
（ｉｖ） 急冷反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含む、
請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項5】
方法ステップ（ｆ）は、カーボンブラック用の原料の注入後、高温反応混合物をプラズマに供することをさらに含み、好ましくは原料を、７００～２１００℃、８００～１４００℃および／または１４００～２０００℃の熱分解温度までの温度に上昇させた後に行う、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項6】
高温反応混合物は、好ましくはプラズマによって生成される、水素から誘導されるＨラジカルおよび／またはＨ＋イオンを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項7】
カーボンブラック製造用の反応器システムであって、（ｉ） 酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ、
（ｉｉ） 第２の流体を燃焼チャンバに供給する導管、
（ｉｉｉ） 第１の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段、および
（ｉｖ） カーボンブラック（Ｉ）のための原料を、燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中に注入して、カーボンブラックを形成する手段を含む、燃焼チャンバに続く反応チャンバ、
を含むカーボンブラック反応器を含む、反応器システム：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
【請求項8】
第１の流体は酸素含有ガスであり、好ましくは酸素含有ガスはＯ２であり、第２の流体は水素である、請求項７に記載の反応器システム。
【請求項9】
反応器システムは、高温反応混合物および／または急冷反応混合物からカーボンブラックを分離して、カーボンブラックおよび排ガス混合物を得るフィルタユニットをさらに備え、フィルタユニットは、カーボンブラック反応器の急冷チャンバと流体接続している、請求項７または８に記載の反応器システム。
【請求項10】
（Ａ） 排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されまたはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されたチャンバ、（Ｂ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されまたはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、および／または
（Ｃ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２とＨ２を分離するチャンバであって、好ましくはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されまたはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、
を含む、請求項７～９のいずれか１項に記載の反応器システム。
【請求項11】
反応器システムはさらに、第１の流体を燃焼チャンバに供給する導管（ｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管、または、第２の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段（ｉｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管を備える、請求項１０に記載の反応器システム。
【請求項12】
反応器チャンバ（ｉｖ）は、反応チャンバ内にプラズマを発生させる手段（ＩＩ）を含み、プラズマを発生させる手段（ＩＩ）は、当該手段に続いて下流にてカーボンブラック（Ｉ）のための原料を注入する、請求項７～１１のいずれか１項に記載の反応器システム。
【請求項13】
請求項１～６のいずれか１項に記載の方法に従っておよび／または請求項７～１２のいずれか１項に記載の反応器システムを使用して製造されたカーボンブラック。
【請求項14】
カーボンブラック製造用の、酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物および／または水素を含む高温燃焼混合物の使用。
【請求項15】
カーボンブラック製造用のキャリアガスおよび／または燃料としての水素の使用。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、反応器およびカーボンブラックの製造方法に関する。キャリアガスとしては、カーボンブラックの収率を高める燃料と同様に、水素が使用される。さらに、カーボンブラック形成をさらに増強する水素ラジカルおよび水素イオンを生成するために、カーボンブラック反応器システムの蒸発ゾーンの下流または原料注入の下流（ガス状原料の場合）にプラズマを適用することができる。
【背景技術】
【0002】
標準的なカーボンブラック形成は、キャリアガスとして空気を使用する。投入流のエクセルギーの約５０％をカーボンブラックに変換することができる。現在、エクセルギーの５０％は、破壊されるか、または低発熱ガス流に変換され、非常に低い効率でクラウジウスランキン法で利用されている。窒素のような高含有量の不活性ガスは、排ガスの使用を経済的に魅力のないものにする。
【0003】
カーボンブラック形成は、原料の温度を熱分解温度まで上昇させること（および原料が液体である場合、原料の蒸発）、アセチレンおよび芳香族含有中間生成物などの不飽和種への原料の熱分解、核形成、表面成長、および凝集を含む異なるプロセス工程に分離することができる。
【0004】
脂肪族油、再生可能なカーボンブラック原料およびバイオマスベースの原料などの持続可能なカーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は、高含有量の脂肪族Ｃ－Ｃ結合および低含有量の芳香族Ｃ－Ｃ結合を有する。脂肪族Ｃ－Ｃ結合は、Ｃ－Ｈ結合または芳香族Ｃ－Ｃ結合と比較して弱い。したがって、主に、持続可能なカーボンブラック原料のＣ－Ｃ結合が破壊されるが、Ｃ－Ｈ結合の切断が、カーボンブラックの形成のための不飽和種を得るために好ましい。
【0005】
したがって、上述の問題を克服する、カーボンブラックを形成するための方法および反応器システムを提供することが望まれる。特に、排ガスを容易に分離し、キャリアガスとして再利用することができるか、または高発熱ガス流として利用することができる、カーボンブラックを形成するための方法および反応器システムを提供することが望ましい。さらに、カーボンブラックの形成に積極的に影響を及ぼし、持続可能なカーボンブラック原料を使用することが望ましい。
【0006】
驚くべきことに、水素（Ｈ２）はカーボンブラックを生成するための方法および反応器システムにおいて、特にファーネスプロセスまたはその反応器システムにおいて、燃料およびキャリアガスとして使用することができ、したがって、従来のカーボンブラック製造プロセスにおいて空気流の代わりに使用することができることが見出された。水素は、ガス流中の水素ラジカルのレベルを増加させ、原料の熱分解反応を加速する。熱分解反応を加速することは、ガス流の逆混合の影響を低減する。これは、核形成の量を増加させ、したがって、カーボンブラックの収率を増加させる。さらに、水素ラジカル量の増加は、持続可能なカーボンブラック原料、例えば、バイオマスベースの原料、脂肪族油、または一般に脂肪族材料の使用を可能にする。
【0007】
さらに、テールガスは一般に、水素、ＣＯ、ＣＯ２および水を含み、水素は、テールガスから分離され、キャリア材料として再利用され、高発熱ガス流として利用され、またはフィッシャー・トロプシュ法のための合成ガスとして使用され得ることが見出された。
【0008】
特に持続可能なカーボンブラック原料を用いたカーボンブラックの形成は、水素ラジカルおよび水素イオンを発生させるためにプラズマを用いることによって、さらにプラスの影響を受ける可能性がある。水素ラジカルおよび水素イオンによる処理は、液体原料の場合には反応器の蒸発ゾーンの下流に、気体原料の場合には原料注入の下流に適用されるべきである。
【発明の概要】
【0009】
本発明は、カーボンブラックの製造方法に関するものであり、この方法は、（ａ）注入手段を用いて第１の流体を反応器の燃焼チャンバ内に注入すること、（ｂ）導管を通して第２の流体を燃焼チャンバ内に供給すること、（ｃ）第２の流体と第１の流体とを混合して燃焼混合物を得ること、（ｄ）燃焼チャンバ内で燃焼混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成すること、（ｅ）燃焼チャンバに続く反応器の反応チャンバ内で高温燃焼ガスを受け取ること、（ｆ）燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガスにカーボンブラック用の原料を注入して、カーボンブラック用の原料を含む高温反応混合物を得ること、および（ｇ）高温反応混合物を反応チャンバ内で反応させて、カーボンブラックを含む高温生成物混合物を得ることを含み、ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
【0010】
さらに、本発明は、カーボンブラックを生成するための反応器システムに関するものであり、この反応器システムは、（ｉ）酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ、（ｉｉ）第２の流体を燃焼チャンバに供給する導管、（ｉｉｉ）第１の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段、および（ｉｖ）燃焼チャンバに続く反応チャンバであって、燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガスにカーボンブラック（Ｉ）用の原料を注入してカーボンブラックを形成する手段を含む反応チャンバ、を含むカーボンブラック反応器を含み、ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
【0011】
さらに、本発明の方法に従って、および／または本発明による反応器システムを使用して製造されるカーボンブラックが提供される。酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物および／または水素を含む高温燃焼混合物を、カーボンブラックを製造するために使用することができ、水素を、カーボンブラック製造用のキャリアガスおよび／または燃料として使用することができることが見出された。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
上述のように、本発明は、カーボンブラックの製造のための方法および反応器システム、製造されたカーボンブラック、ならびに水素および酸素含有ガスを含む燃焼混合物／水素を含む高温燃焼混合物の使用、さらにはカーボンブラック製造のための水素の使用に関する。本発明は、添付の図面を参照して説明されるが、本発明の範囲および領域を限定するものではない。
【0014】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「酸素含有ガス」への言及は酸素含有ガスの混合物を含み、「燃料」への言及は、２つ以上のそのような燃料の混合物などを含む。水素とは、分子状水素または二水素、すなわちＨ２を指す。
【0015】
カーボンブラックの製造方法は、（ａ）注入手段を用いて第１の流体を反応器の燃焼チャンバ内に注入すること、（ｂ）導管を通して第２の流体を燃焼チャンバ内に供給すること、（ｃ）第２の流体と第１の流体とを混合して燃焼混合物を得ること、（ｄ）燃焼チャンバ内で燃焼混合物を燃焼させて、高温水素含有燃焼ガスなどの高温燃焼ガスを生成すること、（ｅ）燃焼チャンバに続く反応器の反応チャンバ内で高温燃焼ガスを受け取ること、（ｆ）燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガスにカーボンブラック用の原料を注入して、カーボンブラック用の原料を含む高温反応混合物を得ること、および（ｇ）高温反応混合物を反応チャンバ内で反応させて、カーボンブラックを含む高温生成物混合物を得ることを含み、ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。したがって、燃焼混合物は、酸素含有ガスおよび水素を含む。
【0016】
この方法は、水素を、カーボンブラック製造のための燃料として使用すると共に、キャリア材料としても利用する。従来のカーボンブラックプロセスは、天然ガス、燃料油、または他の気体もしくは液状の炭化水素を使用する。一般に、燃料および酸素含有ガスは、燃料の完全燃焼をもたらす量で燃焼チャンバに供給される。典型的には空気が燃料の燃焼のための酸素を提供するための酸素含有ガスとして使用され、空気はカーボンブラック製造用のキャリア材料としても使用される。キャリア材料として空気を使用する欠点は、得られる排ガスを別のプロセスで分離または使用することができないことである。水素を燃料としてだけでなくキャリア材料としても使用することで、排ガスから残りの水素を分離して、水素を第１または第２の流体として燃焼チャンバに再供給し、さらなるプロセスで使用可能な高発熱ガス流を得たり、水素または水素／ＣＯを合成ガスとして使用したりすることができる。同時に、水素は、カーボンブラック製造に有益な影響を及ぼす。キャリア材料として水素を使用することによって、カーボンブラックの収率および均一な特性を高めることができる。特に、カーボンブラックの収率は、持続可能なカーボンブラック原料、脂肪族油、再生可能な原料材料またはバイオマスベースの原料が使用される場合であっても、増加させることができる。理論に束縛されるものではないが、熱分解加速および核形成を改善する水素ラジカルおよび／または水素イオンが形成されると推察される。さらに、Ｃ－Ｈ切断は、キャリア材料としての水素を使用する二分子または三分子の反応によって加速されると推察される。Ｃ－Ｈ切断を促進すると、望ましくないＣ－Ｃ開裂が抑制される。したがって、アセチレンおよび芳香族含有中間生成物のような不飽和種への原料の熱分解を改善することができ、その結果、カーボンブラックのより高い収率および均一な特性が得られる。
【0017】
水素ガスおよび酸素含有ガスは、注入手段または導管を介して燃焼チャンバに供給することができる。好ましくは、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であり、その結果、酸素含有ガスが注入手段を介して供給され、水素が導管を介して供給される。例えば、酸素含有ガス（第１の流体）は、導管の中を伸びるランスパイプによって燃焼チャンバに供することができ、導管の内面とランスパイプの外面との間の間隙は、水素である第２の流体のための通路を画定している。
【0018】
酸素含有ガスは一般に、燃料の完全燃焼のための酸素の量に対して過剰の酸素を生じない量で供給される。言い換えれば、水素（燃料）が完全に燃焼せず、それにより高温の燃焼混合物ならびに高温の反応混合物中に存在するように、酸素の量に対してモル過剰の水素を生じる量で水素を供給することが望ましい。酸素含有ガスは、１より高いｋ値、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で供給される。酸素含有ガスは、１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０のｋ値で燃焼混合物中に存在する。ここで、ｋ値は、供給されたＯ２量に対する、燃料の完全な化学量論的燃焼に必要な化学量論的Ｏ２量の比率によって定義される。
【0019】
水素対燃焼混合物中の酸素含有ガスのモル比は、１０００００／１から１／１超まで、例えば１００００／１から１／１超、５０００／１から１．１／１、２０００／１から２／１、３０／１から２／１、２５／１から２／１、２０／１から２／１、または１５／１から２／１である。燃焼混合物中の酸素含有ガス対水素のモル比は、０．０００００１／１から１／１未満、例えば０．００００１／１から１／１未満、０．０００５／１から０．１／１、０．００２／１から０．０２／１、０．００２／１から０．２／１、０．２５／１から１／２、０．２／１から１／２、または０．１５／１から１／１．１である。
【0020】
最大効率を達成するためには、２／１以上のモル比が好ましい。４／１または５／１のモル比は、酸化火炎を回避する。しかしながら、残留水素はキャリアガスとして使用されるので、より高いモル比もまた特に有益である。カーボンブラックの表面特性などの特性は、燃焼混合物中の酸素含有ガスの量、つまり生成される水の量を調整することによって調整することが可能である。
【0021】
水素は、水素ガス混合物として燃焼チャンバに供給することができる。水素ガス混合物は、８５モル％以上、好ましくは９０モル％以上、より好ましくは９５モル％以上、最も好ましくは９８モル％以上の純度を有することができる。純度は、燃焼チャンバ内に供給される水素ガス混合物中の水素の量を指す。水素ガス混合物は、水分、ＣＯ、ＣＯ２、例えばメタンなどの少量の炭化水素、およびさらなる非水素ガスなどの不純物を含んでもよい。
【0022】
酸素含有ガス（Ｏ２含有ガスまたはＯ２含有ガス混合物）は、空気、酸素富化空気、他の酸素含有ガスおよび／または純酸素（Ｏ２）であり得る。好ましくは、酸素含有ガスは酸素富化空気またはＯ２であり、最も好ましくは酸素含有ガスはＯ２である。酸素含有ガス中に存在する酸素の重量％は、２０～１００重量％、好ましくは５０～９９重量％、より好ましくは６０～９５重量％、最も好ましくは７０～９０重量％であるべきであり、ここで、重量％は酸素含有ガスの総重量に基づく。酸素含有ガス中の酸素濃度を高くすることは、テールガス中の低発熱ガスの含有量を可能な限り低くするために好ましい。
【0023】
典型的には、酸素含有ガスは、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱され、次いで燃料、すなわち水素と混合され、好ましくは燃料も予熱される。
【0024】
典型的には、水素は、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱され、次いで酸素含有ガスと混合され、好ましくは酸素含有ガスも予熱される。
【0025】
典型的には、水素および酸素含有ガスは、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱され、次いで混合される。
【0026】
酸素含有ガスおよび水素の予熱は、電気的にまたは熱交換器を用いて行うことができる。水素および／または酸素含有ガスを予熱することは、水素の燃焼から生成されるエネルギーをより少なくする必要があるので、特に好ましい。典型的には燃焼の温度は、１３００℃～３０００℃、例えば１４００～２２００℃、１３００～１６００℃、または１３００～２４００℃、最も好ましくは１３００～２４００℃であり、高温燃焼混合物の温度は、予熱された酸素含有ガスおよび／または水素の温度よりも高くなければならない。例えば、水素と酸素含有ガスを１３００℃に予熱する場合、温度を例えば１６００℃に上昇させるために水素を燃焼させる酸素含有ガスは少量で済む。次いで、生成された高温燃焼混合物は、反応チャンバに供され、ここで、原料が高温燃焼チャンバに注入される。原料を高温燃焼混合物に注入すると、得られた高温反応混合物が所望の温度に冷却される。したがって、高温反応混合物の温度は、高温燃焼混合物に注入される原料の量によって調整することができる。
【0027】
さらに、予熱すること、したがって酸素含有ガスの必要量が少ないことのもう１つの利点は、高温燃焼混合物および高温反応混合物がより少ない水（Ｈ２Ｏ）を含むことである。水は、生成されたカーボンブラックの表面特性に影響を及ぼす。したがって、燃焼混合物中のＯ２などの酸素含有ガスの量を使用して、高温燃焼混合物および／または高温反応混合物中の水の量を制御し、これにより、好ましくは、生成されたカーボンブラックの表面特性を制御することができる。
【0028】
ステップ（ａ）において注入されるか、またはステップ（ｂ）において供給される水素は圧縮水素であり得、圧縮水素の絶対圧力は好ましくは１．１～２，０００バール、例えば２～１，０００バール、３～２００バール、または４～１００バールである。圧縮水素は、エネルギー密度を増加させる。また、本発明によれば、液体水素を燃焼チャンバに導入する。液体水素は、酸素含有ガスと混合され、燃焼チャンバ内で燃焼され得る。
【0029】
本発明の方法は、追加の方法ステップを含むことができる。この方法は、反応器の急冷チャンバ内で、好ましくは水などの急冷媒体を使用して、高温生成物混合物を急冷して、急冷反応混合物を得ることを含むことができる。しかしながら、急冷ボイラまたは熱交換器を使用して、高温生成物混合物を急冷することもできる。
【0030】
さらに、（ｉ）カーボンブラックは、高温反応混合物および／または急冷反応混合物、ならびにＨ２Ｏ、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含む排ガス混合物から得ることができる。また、上記排ガス混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、およびＣＯを含むことも可能である。その際、後述するようにＨ２およびＣＯを含む合成ガスが所望される場合、ＣＯ２およびＨ２の分離を省略することができる。
【0031】
排ガスは、水素が分離される前に再処理されるべきである。排ガス中に存在するＣＯは、ＣＯ２に変換されるべきである（ステップｊ）。その変換は、水－ガスシフト反応を用いて行うことができ、そこでは、ＣＯおよび水は、ＣＯ２およびＨ２へと反応する。水－ガスシフト反応は周知であり、アンモニア、炭化水素、メタノール、および水素の製造に使用される。それはまた、メタンおよび他の炭化水素の水蒸気改質と併せて使用されることが多い。
【0032】
ステップ（ｋ）の前または後に排ガス中に存在する水は、凝縮され（ステップｋ）、これにより、排ガスから除去することができる。
【0033】
水素は、排ガスから分離することができる。分離は、Ｈ２およびＣＯ２を分離するために、圧力スイング吸着技術を用いて行うことができる。このようにして、排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離することができる（ステップｌ）。上記分離は、ステップ（ｊ）および（ｋ）の後に起こることが好ましい。
【0034】
分離された水素は、ステップ（ａ）または（ｂ）に従って、第１または第２の流体として反応器の燃焼チャンバに供給することができる（ステップｍ）。好ましくは、水素が第２の流体として提供される。本発明による方法において水素をリサイクルすることにより、カーボンブラック製造の持続性がさらに改善される。
【0035】
分離された水素はまた、収集され、および／または電気エネルギーを提供する燃料電池に提供され得る。電気エネルギーは、ポンプを駆動し、または前述の予熱のために使用して、カーボンブラック製造の持続可能性を高めることができる。
【0036】
さらに、ＣＯのＣＯ２へのシフトまたは変換は省略することができ、その結果、前述の分離後に、水素／ＣＯ混合物が得られ、これを回収して合成ガスとして使用することができる。例えば、水素／ＣＯ混合物をフィッシャー・トロプシュ法で使用して、混合物を脂肪族生成物に変換することができる。次いで、脂肪族生成物は、カーボンブラック製造のための原料として使用して、プロセスの持続可能性を高めることができる。ＣＯに対する水素のモル比は、５／１から１．５／１、例えば４／１から２／１であるべきである。
【0037】
特に、高温燃焼ガスは、Ｈ２およびＨ２Ｏを含むことが好ましい。高温燃焼ガスは、酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼後に生成される。燃焼後の高温燃焼ガス中に少量の酸素が存在する可能性がある。しかしながら、酸素濃度は可能な限り低いことが望ましい。さらに、高温燃焼ガスは、窒素を含まないか、または１，０００ｐｐｍ未満の窒素を含むことが望ましい。酸素のモル含有量が、燃焼混合物中の水素のモル含有量よりも低い場合、高温燃焼ガスは水素を含む。
【0038】
高温燃焼ガスは、高温燃焼ガスの総重量に基づいて、２～９０重量％、例えば５～６０重量％、２～８０重量％、１０～７０重量％、３０～５０重量％、または１５～４０重量％の水素を含むことが好ましい。高温燃焼ガスは、高温燃焼ガスの総モル量に基づいて、１０～９５モル％、例えば２０～９０モル％、３０～８０モル％、４０～７０モル％、２０～６０モル％、または２５～５０モル％の水素を含むことができる。
【0039】
さらに、高温燃焼ガスは、５モル％未満、好ましくは２モル％未満、より好ましくは１モル％未満、最も好ましくは０．１モル％未満の炭化水素燃料を含むことが好ましい。高温燃焼ガスは炭化水素燃料を含まないことが特に望ましい。
【0040】
さらに、燃焼混合物は、５モル％未満、好ましくは２モル％未満、より好ましくは１モル％未満、最も好ましくは０．１モル％未満の炭化水素燃料を含むことが好ましい。燃焼混合物は炭化水素燃料を含まないことが特に望ましい。
【0041】
炭化水素燃料は不純物として燃焼混合物中に存在することができるが、炭化水素燃料の濃度は可能な限り低いことが望ましい。
【0042】
炭化水素燃料は、酸素含有ガスの燃焼のための任意の炭化水素燃料とすることができる。例えば、液体または気体の炭化水素燃料である。例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの脂肪族燃料、芳香族燃料、油、エチレン、プロペン、アセチレン、ヘキサン、天然ガスである。
【0043】
さらに、高温燃焼ガスおよび／または高温反応混合物は、水素に由来するＨラジカルおよび／またはＨ＋イオンを含むことができる。水素ラジカルおよびＨ＋イオンは、原料材料の熱分解中にＣ－Ｈ結合切断を二分子または三分子反応によって加速する。これにより、アセチレンや芳香族含有中間生成物などの不飽和種への熱分解を向上させ、カーボンブラックの収率を向上させることができる。
【0044】
したがって、高温反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２およびカーボンブラック用の原料を含むことができる。高温生成物混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含むことができる。急冷反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含むことができる。カーボンブラックは、高温生成物混合物または急冷反応混合物から分離することができる。残りのガスは、排ガスと見なされる。
【0045】
カーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は、非芳香族原料、芳香族原料、脂肪族原料、脂肪族油、持続可能な原料、再生可能なカーボンブラック原料、および／またはバイオベースの原料であり得るか、またはそれらを含み得る。したがって、カーボンブラック原料は、再生可能なカーボンブラック原料、持続可能な原料および／またはバイオベースの原料に限定されない。
【0046】
好ましくは、脂肪族原料は、カーボンブラック用の原料の総重量に基づいて、２０～１００重量％、例えば４０～１００重量％、５０～９９重量％、６０～９５重量％、または８０～９０重量％などの高い含有量で脂肪族材料（脂肪族原料に由来するカーボンブラック用の原料）を含む。持続可能な原料、再生可能なカーボンブラック原料および／またはバイオベースの原料は、多くの場合、上記のような高含有量の脂肪族原料を含む。
【0047】
持続可能なカーボンブラック原料は、一般に高含有量の脂肪族Ｃ－Ｃ結合、好ましくは低含有量の芳香族Ｃ－Ｃ結合を有する原料を指す。持続可能なカーボンブラック原料は、脂肪族油、再生可能なカーボンブラック原料、およびバイオマスベースの原料を含むことができる。バイオマスベースの原料、持続可能なカーボンブラック原料および／または再生可能なカーボンブラック原料は、原料中のＣ１４含有量を測定することによって（放射性炭素年代測定）、化石ベースの原料と区別することができる。Ｃ１２と比較したＣ１４原子の相対量（Ｃ１４対Ｃ１２比）は、バイオマスベースの原料と比較して化石ベースの原料においてより低い。
【0048】
好ましくは、カーボンブラック原料は再生可能なカーボンブラック原料である。再生可能なカーボンブラック原料は、植物ベースの原料、好ましくは非食用植物ベースの原料および／または廃棄植物ベースの原料を含むことができる。本明細書で使用される場合、用語「非食用」は、ヒトの消費に適した材料を指す。用語「廃棄」は、例えば使用後に、不適切としてまたは意図された目的のためにもはや有用ではないとして、廃棄されまたは処分される材料を指す。食用油、すなわち調理油に関しては、使用済みの調理油が廃棄物と考えられる。
【0049】
再生可能カーボンブラック原料は、固体成分および／または液体成分を含んでもよい。好ましくは、再生可能カーボンブラック原料は液体成分を含むことができる。
【0050】
再生可能カーボンブラック原料は、好ましくは植物ベースの油、より好ましくは非食用植物ベースの油および／または廃棄植物ベースの油を含み得る。
【0051】
本発明による再生可能カーボンブラック原料は、木材、草、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、天然ゴムおよび／または再生可能原料から得られた合成ゴムを含む廃材、黒液、トール油、ゴム種子油、タバコ種子油、ヒマシ油、ポンガミア油、クランベ油、ニーム油、杏仁油、米ぬか油、カシューナッツ殻油、シペルス・エスクレンタス油、調理油、バイオディーゼル植物からの蒸留残渣、またはそれらのいずれかの混合物もしくは組み合わせを含んでもよい。
【0052】
本明細書で使用するとき、用語「木材」は、樹木および他の木本植物の茎および根に見られる多孔性および繊維状構造組織を指す。木材の適切な例としては、松、トウヒ、カラマツ、ジュニパー、トネリコ、シデ、カバノキ、ハンノキ、ブナ、オーク、ピン、トチノキ、クワ、またはそれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。草の適切な例としては、トウモロコシ、コムギ、イネ、オオムギまたはキビなどの穀物草；自然草地の竹や草、ならびに芝地や牧草地で栽培されている種が挙げられるが、これらに限定されない。リグニンの適切な例としては、クラフト法によって除去されたリグニンおよびリグノスルホネートが挙げられるが、これらに限定されない。天然ゴムおよび／または再生可能原料から得られた合成ゴムを含む廃材は、タイヤ、ケーブルシース、チューブ、コンベヤベルト、靴底、ホースまたはそれらの混合物であってもよい。天然ゴムは、ゴムの樹（ヘルビア・ブラジリエンシス（Helvea brasiliensis））、グアユール（guayule）、およびダンデライオン（dandelion）に由来し得る。合成ゴムは、スチレン－ブタジエンゴム、例えばエマルジョン－スチレン－ブタジエンゴム（ＥＳＢＲ）および溶液－スチレン－ブタジエンゴム（ＳＳＢＲ）、ポリブタジエン、ポリイソプレン、エチレン－プロピレン－ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン－プロピレンゴム（ＥＰＭ）、ブチルゴム、ハロゲン化ブチルゴム、塩素化ポリエチレン、クロロスルホン化ポリエチレン、アクリロニトリル－ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル－ブタジエンゴム、ポリクロロプレン、アクリレートゴム、エチレン－ビニルアセテートゴム、エチレン－アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーンゴム、フルオロシリコーンゴム、フルオロカーボンゴム、または上記のいずれかの組み合わせまたは混合物を含むことができる。ポリブタジエンなどの合成ゴムは、植物バイオマスの醗酵によって得られるアルコールから製造することができる。発酵によって得られるアルコールの適切な調製、およびそのようなアルコールからのポリブタジエンの調製は、欧州特許出願公開第２８６８６９７号明細書Ａ１に記載されている。
【0053】
本明細書で使用するとき、用語「調理油」は、フライ、ベーキング、および他の種類の調理などの食品調理に使用される食用油を指す。本発明によれば、調理油は、米ぬか油、菜種油、アマニ油、パーム油、ココナッツ油、キャノーラ油、大豆油、ヒマワリ油、綿種子油、パイン種子油、オリーブ油、コーン油、グレープ種子油、サフラワー油、アサイーパーム油、ジャンブー油、ゴマ油、チア種子油、大麻油、エゴマ油、ピーナッツ油、スティリンジア油、カシューナッツ油、ブラジルナッツ油、マカダミアナッツ油、クルミ油、アーモンド油、ヘーゼルナッツ油、ビーチナッツ油、キャンドルナッツ油、チェスナッツ油、またはこれらのいずれかの混合物もしくは組み合わせを含み得る。本発明の調理油は、使用済み調理油でもよい。本明細書で使用するとき、用語「使用済み調理油」は、調理またはフライなどの食品調理に使用された、レストランなどの商業的または工業的な食品加工作業に由来する油を指す。
【0054】
固体成分は、これらに限定されないが、木材、草、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、天然ゴムおよび／または再生可能原料から得られた合成ゴムを含む廃材、またはそれらのいずれかの混合物もしくは組み合わせから選択され得る。
【0055】
液体成分は、黒液、トール油、ゴム種子油、タバコ種子油、ヒマシ油、ポンガミア油、クランベ油、ニーム油、杏仁油、米ぬか油、カシューナッツ殻油、シペルス・エスクレンタス油、調理油、バイオディーゼル植物からの蒸留残渣、または上記のいずれかの混合物もしくは組合せから選択され得るが、これらに限定されない。いくつかの油は、室温、例えば、２５℃の温度で固体であり得るが、高温、例えば２５℃を超える温度、例えば２５～１００℃の範囲の温度で液体であり得る。本明細書で使用するとき、用語「黒液」は、セルロースパルプを製造する硫酸塩およびソーダ方法に由来するクラフト方法からの副生成物を指す。
【0056】
非食用植物ベースの原料は、これらに限定されないが、木材、セルロース、ヘミセルロース、リグニン、黒液、トール油、ゴム種子油、タバコ種子油、ヒマシ油、ポンガミア油、クランベ油、ニーム油、杏仁油、米ぬか油、カシューナッツ殻油、シペルス・エスクレンタス油、バイオディーゼル植物からの蒸留残渣、天然ゴムおよび／もしくは再生可能原料から得られた合成ゴムを含む廃材、またはそれらのいずれかの混合物もしくは組み合わせを含み得る。
【0057】
廃棄植物ベースの原料は、これらに限定されないが、天然ゴムおよび／または再生可能原料から得られた合成ゴムを含む廃材、使用済み調理油、またはそれらのいずれかの混合物もしくは組み合わせを含み得る。
【0058】
カーボンブラック原料は、トール油を含んでもよい。用語「トール油」および「未精製トール油」は特に明記しない限り、本明細書全体を通して互換的に使用され得る。トール油は、木材の化学パルプ化に由来する。典型的には、トール油は、樹脂酸、脂肪酸、ステロール、アルコールおよびさらなるアルキル炭化水素誘導体を含む混合物である。トール油は、天然未精製品または精製品であってもよい。精製トール油は、トール油脂肪酸、トール油脂肪ロジン、蒸留トール油およびトール油ピッチを含み得る。トール油を蒸留して、１０重量％を超える樹脂酸含有量を含有するトール油樹脂酸を得ることができる。トール油はまた、トール油脂肪酸に精製されてもよく、ここで、樹脂酸含量は、典型的には１０重量％未満である。トール油の適切な例としては、ＳＹＬＦＡＴ（登録商標）製品 ＳＹＬＶＡＴＡＬ（登録商標）製品、ＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ（登録商標）製品およびＳＹＬＶＡＲＯＳ（登録商標）製品（全てクレイトン社（米国）から入手可能）、ならびに未精製トール油およびＴａｌｌ Ｏｉｌ １などのトール油製品（ＵＣＹエナジー（ドイツ）から入手可能）が挙げられるが、これらに限定されない。
【0059】
カーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は特に、トール油ピッチを含むことができる。トール油ピッチは、トール油の蒸留による精製から不揮発性残渣として得られ、トール油精製のフォアラン（fore-runs）と混合され得る。精製プロセスにおけるトール油ピッチの収率は、例えばトール油の品質および組成に応じて、約１５～５０重量％の範囲であり得る。トール油ピッチは、典型的には中性物質、樹脂酸および脂肪酸を含む遊離酸、脂肪酸エステル、結合および遊離ステロール、ならびにポリマー化合物を含む。さらに、トール油ピッチには、金属、金属カチオン、ならびに金属レジネートおよび脂肪酸塩を含む無機有機化合物を見出すことができる。金属カチオンは、典型的には木材および肥料に由来する。トール油ピッチの好適な実例としてはこれらに限定されないが、ＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ（登録商標）製品、例えば、ＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ ＦＡ７００２、ＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ ＰＦ４０、ＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ ＰＦ６０およびＳＹＬＶＡＢＬＥＮＤ ＳＦ７５（全てクレイトン社（米国）から入手可能）、並びにＴａｌｌ Ｏｉｌ１、ＵＣＹ－ＴＯＦ４０およびＵＣＹ－ＴＯＦ６０（全てＵＣＹエナジー（ドイツ）から入手可能）が挙げられる。
【0060】
本発明によれば、カーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は、再生可能なカーボンブラック原料と従来のカーボンブラック原料との混合物であり得る。従来のカーボンブラック原料は、脂肪族または芳香族、飽和または不飽和炭化水素またはそれらの混合物、コールタール蒸留物、石油留分の接触分解中に生成される残留油、ナフタまたはガス油の分解を介してオレフィン生成中に生成される残留油、天然ガス、またはそれらの混合物もしくは組合せであってもよい。したがって、カーボンブラック原料は、特定の原料材料に限定されない。カーボンブラック原料は、液体、固形、並びに気体であり得る。カーボンブラック原料は、液体または気体であることが好ましい。例えば、気体カーボンブラック原料は、メタン、エタン、アセチレン、エチレン、エタン、プロピン、プロパンプロペン、ブタジエン、ブタン、ペンタン、またはそれらの混合物などの脂肪族原料であり得る。
【0061】
本発明のカーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は、カーボンブラック原料の総重量に基づいて、１０重量％以上の量で再生可能なカーボンブラック原料を含むことができる。例えば、本発明によるカーボンブラック原料は、カーボンブラック原料の総重量に基づいて、１５重量％以上、２０重量％以上、２５重量％以上、３０重量％以上、３５重量％以上、４０重量％以上、４５重量％以上、５０重量％以上、５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上、９０重量％以上、または９５重量％以上の量で再生可能カーボンブラック原料を含むことができる。カーボンブラック原料は、カーボンブラック原料の総重量に基づいて、１０重量％以上、好ましくは１５重量％以上、特に好ましくは２５重量％以上、より好ましくは５０重量％以上、さらにより好ましくは８５重量％以上、最も好ましくは９９重量％以上の量で再生可能カーボンブラック原料を含むことができる。カーボンブラック原料は、再生可能カーボンブラック原料からなることができる。
【0062】
本発明のカーボンブラック原料（すなわち、カーボンブラック用の原料）は、カーボンブラック原料の総重量に基づいて、５重量％以上、例えば１０重量％以上、１５重量％以上、２０重量％以上、２５重量％以上、２５重量％以上、３０重量％以上、３５重量％以上、４０重量％以上、４５重量％以上、５０重量％以上、５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上、９０重量％以上、または９５重量％以上の量でトール油ピッチを含むことができる。カーボンブラック原料は、カーボンブラック原料の総重量に基づいて、１０重量％以上、好ましくは１５重量％以上、特に好ましくは２５重量％以上、より好ましくは５０重量％以上、さらにより好ましくは８５重量％以上、最も好ましくは９５重量％以上の量でトール油ピッチを含むことができる。カーボンブラック原料は、トール油ピッチからなることができる。
【0063】
本発明の再生可能カーボンブラック原料は、再生可能カーボンブラック原料の総重量に基づいて、５重量％以上、例えば１０重量％以上、１５重量％以上、２０重量％以上、２５重量％以上、３０重量％以上、３５重量％以上、４０重量％以上、４５重量％以上、５０重量％以上、５５重量％以上、６０重量％以上、６５重量％以上、７０重量％以上、７５重量％以上、８０重量％以上、８５重量％以上、９０重量％以上、または９５重量％以上の量でトール油ピッチを含むことができる。再生可能カーボンブラック原料は、再生可能カーボンブラック原料の総重量に基づいて、１０重量％以上、好ましくは１５重量％以上、特に好ましくは２５重量％以上、より好ましくは５０重量％以上、さらにより好ましくは８５重量％以上、最も好ましくは９５重量％以上の量でトール油ピッチを含むことができる。再生可能カーボンブラック原料は、トール油ピッチからなることができる。
【0064】
本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６－２０のＢ法（ＡＭＳ）に従って測定して、１％以上、例えば２％以上、５％以上、７％以上、１０％以上、１２％以上、１５％以上、１７％以上、２０％以上、２２％以上、２５％以上、２７％以上、３０％以上、３２％以上、３５％以上、３７％以上、４０％以上、４２％以上、４５％以上、４７％以上、５０％以上、５２％以上、５５％以上、５７％以上、６０％以上、６２％以上、６５％以上、６７％以上、７０％以上、７２％以上、７５％以上、７７％以上、８０％以上、８２％以上、８５％以上、８７％以上、９０％以上、９２％以上、９５％以上、９７％以上、または９９％以上のｐＭＣ（現代炭素含有率）を有することができる。それぞれの試料について、１４Ｃ／１３Ｃの比率を計算し、シュウ酸ＩＩ標準（ＮＩＳＴ－４９９０Ｃ）で行った測定値と比較する。測定値（ｐＭＣ）は、同位体比質量分析計（ＩＲＭＳ）を用いて測定したｄ１３Ｃによって補正する。本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６－２０のＢ法（ＡＭＳ）に従って測定して、好ましくは１０％以上、特に好ましくは１５％以上、より好ましくは５０％以上、さらにより好ましくは８５％以上、最も好ましくは９０％以上のｐＭＣ（現代炭素含有率）を有することができる。本発明のカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ６８６６－２０のＢ法（ＡＭＳ）に従って測定して１００％のｐＭＣ（現代炭素含有率）を有することができる。
【0065】
方法ステップ（ｆ）において原料が注入される高温燃焼ガスの温度および／または方法ステップ（ｇ）における反応の温度は、７００～２４００℃、例えば８００～２２００℃、８００～１４００℃、１５００～２０００℃、１５００～１８００℃、９００～１３００℃、９５０～１４００℃、または１０００～１２００℃であり得る。脂肪族原料材料、持続可能なカーボンブラック原料、再生可能なカーボンブラック原料および／またはバイオベース原料については、速いＣ－Ｃ結合開裂を防止するために８００～１４００℃の温度範囲が好ましい。しかしながら、キャリア材料として水素を使用すると、原料は、さらに高い温度で導入することができる。化石カーボンブラック原料などの芳香族カーボンブラック原料は、芳香族Ｃ－Ｃ結合が熱的に破壊されない程度に安定しているため、２０００℃でさえ、前述のガス中に注入することができ、好ましくは１３００～２４００℃、最も好ましくは１４５０～２４００℃である。
【0066】
方法ステップ（ｆ）は、カーボンブラック用の原料の注入後、原料を、好ましくは上記で定義したように７００～２１００℃などの熱分解温度までの温度に上昇させた後（および原料が液体である場合、原料の蒸発の後）、高温反応混合物をプラズマに供することをさらに含むことができる。原料材料のプラズマ処理は、高温反応混合物中のＨラジカルおよび／またはＨ＋イオンの濃度をさらに増加させ、したがって、カーボンブラックの収率を増加させる。高温反応混合物の処理は、カーボンブラックの形成の前に、すなわち、好ましくは、上述のように熱分解、核形成、表面成長および凝集の前に適用されることに留意されたい。したがって、プラズマは、ファーネスブラック反応器などのカーボンブラックを生成するための反応器内の位置に適用されるべきであり、原料は高温燃焼混合物に注入され、（液体であれば）蒸発し、熱分解温度まで加熱される。換言すれば、プラズマは、原料材料は例えば、７００～２４００℃、例えば８００～２０００℃、８００～１４００℃、１５００～２０００℃、１５００～１８００℃、９００～１３００℃、９５０～１４００℃、または１０００～１２００℃の熱分解温度までの温度に原料材料が達した後（さらに原料が液体である場合は蒸発後）かつ特に原料材料の熱分解前に、反応器チャンバ内に適用されるべきである。反応チャンバに注入した後のガス状原料は既に気体であるので、ガス状原料は蒸発させる必要がないことは明らかである。
【0067】
プラズマトーチは、上述の処理のためのプラズマを提供することができる。プラズマトーチのデザインは、国際公開第１９９３／０１２６３３号Ａ１に記載されている。しかしながら、プラズマを生成するための当技術分野で公知の任意の手段を使用することができる。プラズマは、電極間で燃焼する電気アークによって加熱されるプラズマキャリアガスによって形成することができる。３０００℃から２０，０００℃の高温のプラズマゾーンで、プラズマ処理が可能である。プラズマキャリアガスは、酸素または水素であり得る。プラズマキャリアガスとしての水素が特に好ましい。
【0068】
マイクロ波プラズマも、前述の処理のためのプラズマを提供することができる。例えば、反応チャンバ内にマイクロ波放射を提供するマイクロ波発生器を使用することができる。次いで、高温反応混合物中にすでに存在する水素は、プラズマキャリア材料として、またはプラズマを生成するためのガスとして使用される。１～３００ＧＨｚを有するマイクロ波放射を使用することができる。代替として、プラズマは、高周波電源（ＲＦ発生器）を使用して生成され得る。本発明によれば、酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物および／またはカーボンブラック製造のための水素を含む高温燃焼混合物が、カーボンブラックを製造するために使用される。酸素含有ガスはＯ２であることが好ましい。さらに、燃焼混合物は、好ましくは酸素含有ガス中に存在する酸素に対してモル過剰の水素を含む。換言すれば、水素対酸素のモル比は１を超えるべきである。
【0069】
カーボンブラック反応器の反応チャンバ中に存在する水素は、カーボンブラック用の原料の熱分解反応を促進するために使用することができる。カーボンブラック反応器の反応チャンバ内に存在する水素は、プラズマに供することができる。
【0070】
本発明によれば、水素は、キャリアガスおよび／またはカーボンブラック製造用の燃料として使用することができる。水素は、キャリアガスおよびカーボンブラック製造用の燃料として使用されることが好ましい。水素が燃焼混合物中に酸素に対してモル過剰で存在する場合、水素はキャリアガスとして使用される。したがって、水素は、高温燃焼ガスおよび高温反応混合物中に存在すべきである。
【0071】
本発明によれば、カーボンブラックは、プラズマブラック、ガスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラックまたはファーネスブラック、好ましくはファーネスブラックであることができる。
【0072】
生成されたカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４－１９に従って測定された８０ｍＬ／１００ｇ以下の吸油量（ＯＡＮ）を有することができる。例えば、カーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４－１９に従って測定して、７０ｍＬ／１００ｇ以下、例えば６０ｍＬ／１００ｇ以下、５０ｍＬ／１００ｇ以下、４５ｍＬ／１００ｇ以下、４０ｍＬ／１００ｇ以下、または３７ｍＬ／１００ｇ以下のＯＡＮを有することができる。カーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４－１９に従って測定して、１９ｍＬ／１００ｇ以上、例えば２３ｍＬ／１００ｇ以上、または２５ｍＬ／１００ｇ以上のＯＡＮを有することができる。本発明によるカーボンブラックは、列挙された下限値および上限値のいずれかの間の範囲のＯＡＮを有することができる。本発明によるカーボンブラックは、ＡＳＴＭ Ｄ２４１４－１９に従って測定して、１９～８０ｍＬ／１００ｇ、好ましくは１９～７０ｍＬ／１００ｇ、特に好ましくは２３～６０ｍＬ／１００ｇ、より好ましくは２３～５０ｍＬ／１００ｇ、さらにより好ましくは２５～４０ｍＬ／１００ｇ、最も好ましくは２５～３７ｍＬ／１００ｇの範囲のＯＡＮを有することができる。
【0073】
本発明はまた、好ましくは上記態様のいずれか１つによる方法を使用する、カーボンブラックを生成するための反応器システムをも対象とし、この反応器システムは、（ｉ）酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ、（ｉｉ）第２の流体を燃焼チャンバに供給する導管、（ｉｉｉ）第１の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段、および（ｉｖ）燃焼チャンバに続く反応チャンバであって、燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガスにカーボンブラック（Ｉ）の原料を注入してカーボンブラックを形成する手段を含む反応チャンバ、を含むカーボンブラック反応器を含み、ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。好ましくは、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素である。カーボンブラック反応器は、好ましくはファーネスカーボンブラック反応器である。
【0074】
カーボンブラック反応器は、反応器の中心長手軸に沿った流路を有することができ、ファーネスブラック反応器とすることができる。反応器は、上流から下流（流れ方向）への次の順序で、燃焼チャンバ、反応チャンバ、および任意選択的に急冷チャンバを備える。
【0075】
反応チャンバは、燃焼チャンバ内で得られた高温燃焼ガスが反応チャンバ内に流入できるように、燃焼チャンバと接続されている。反応チャンバは、反応器の中心長手軸に沿って配置することができる。反応チャンバの直径は、高温燃焼ガスが膨張することができるように、燃焼チャンバの狭窄部の直径よりも大きくすることができる。その膨張部は、好ましくは円筒として寸法決めされ、燃焼チャンバと連通し、好ましくは燃焼チャンバの狭窄部と連通する。
【0076】
反応チャンバは、カーボンブラック用の原料を高温燃焼ガス中に注入するための手段を含む。原料を注入するための手段は、好ましくは中心長手軸に対して円周方向に配置された複数の注入ノズルを備えることができる。円周方向の配置により、カーボンブラック用の原料を高温燃焼ガスと均質に混合することができるので、カーボンブラックの均一性をさらに改善する。
【0077】
反応器システムは、反応チャンバに続いて下流に急冷チャンバをさらに含むことができ、好ましくは、急冷チャンバに急冷媒体を注入するための手段を含む。急冷チャンバは、熱交換器または急冷ボイラであってもよい。
【0078】
反応器システムは、高温反応混合物および／または急冷反応混合物からカーボンブラックを分離して、カーボンブラックおよび排ガス混合物（または排ガス）を得るフィルタユニットをさらに備え、フィルタユニットは、カーボンブラック反応器の急冷チャンバと流体接続している。
【0079】
反応器システムは、急冷チャンバと、カーボンブラックおよび排ガスを分離するためのフィルタユニットとを備えることが意図されている。次いで、排ガスは、異なる複数のチャンバまたは１つのチャンバ内で再処理し、第１または第２の流体として反応器システムに再供給することができる残存水素を排ガスから分離することができる。
【0080】
したがって、反応器システムはさらに、（Ａ）排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されたチャンバ、（Ｂ）排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、ならびに／または（Ｃ）排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離するチャンバであって、好ましくはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、を備えることができる。したがって、上流から下流への好ましい順序は、（Ａ）排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバ、（Ｂ）Ｈ２Ｏを凝縮するチャンバ、および（Ｃ）排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離するチャンバ、である。前述のように、合成ガスを得ることが望まれる場合、（Ａ）排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバは存在せず、分離チャンバ（Ｃ）は、排ガスからＨ２および残留ＣＯ２を分離するが、Ｈ２部分にはＣＯも含まれているから、Ｈ２／ＣＯ（Ｈ２およびＨ２Ｏ）混合物が得られる。排ガス中にＣＯ２が存在しない、すなわち排ガスがＣＯ、Ｈ２およびＨ２Ｏを含むとき、カーボンブラックを濾過し、Ｈ２Ｏを凝縮するだけでよく、得られた混合物はＨ２およびＣＯを含む。上述のチャンバまたはユニットにおいて、分離、凝縮および変換は、上述のように達成することができる。
【0081】
反応器システムはさらに、第１の流体を燃焼チャンバに供給する導管（ｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続されたＨ２を供給する導管、または、第２の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続されたＨ２を供給する導管を備えることができる。したがって、前述のチャンバ内で分離された水素を反応器システムに再供給して、さらに改善された持続可能なカーボンブラック製造を得ることができる。
【0082】
反応器チャンバ（ｉｖ）はまた、その反応チャンバ内にプラズマを発生させる手段（ＩＩ）を含むことができる。プラズマを発生させる手段は、上述のようなプラズマトーチ、マイクロ波プラズマ発生器、または高周波発生器であり得る。プラズマキャリアガスは、排ガスを容易に分離できるように水素であることが好ましい。プラズマを発生させる手段（ＩＩ）は、当該手段に続いて下流にてカーボンブラック（Ｉ）のための原料を注入するように配置される。プラズマを発生させる手段は、反応チャンバに対して円周方向に配置することができる。
【0083】
注入手段は、好ましくはランスパイプであり、これは、導管を通って延び、導管の内面とランスパイプの外面との間に間隙を形成して第２の流体のための通路を画定している。第２の流体は好ましくは水素であり、第１の流体は好ましくは酸素含有ガスである。
【0084】
ここで、本発明の範囲および領域を限定しない添付の図面を参照して、本発明を説明する。提供される説明は純粋に、事例および説明図を示すためのものである。しかしながら、図面に例示された特定の特徴は、本発明の範囲および特許請求の範囲をさらに制限するために使用され得る。
【0085】
図１は、カーボンブラック製造用のファーネスカーボンブラック反応器（１００）を示す。ファーネスカーボンブラック反応器（１００）は、本発明による反応器システムの一部であり、本発明による方法は、反応器システムの上記ファーネスカーボンブラック反応器（１００）内で実施することができる。
【0086】
ファーネスカーボンブラック反応器（１００）は、燃焼チャンバ（１２０）と、反応チャンバ（１３０）と、急冷チャンバ（１４０）とを備える。さらに、チューブ状導管（１１０）が燃焼チャンバ（１２０）に接続される。これらの構成要素は、反応器の中心長手軸（１０１）に沿って配置され、流路を形成する。矢印（１０２）は、チューブ状導管（１１０）を通って燃焼チャンバ（１２０）に供給される水素（第２の流体）の流れ方向を示す。この反応器（１００）において、注入手段は、チューブ状管路（１１０）の内部に設けられたランスパイプ（１１１）である。ランスパイプ（１１１）は、反応器の中心長手軸（１０１）に沿って配置される。矢印（１０３）は、酸素であることが好ましい酸素含有ガス（第１の流体）の流れ方向を示す。しかしながら、反応器またはチューブ状導管（１１０）の中心長手軸（１０１）に対して円周方向に配置された酸素の注入手段もまた、本発明に従う。
【0087】
水素と酸素含有ガスとが混合され、燃料、すなわち水素が燃焼チャンバ（１２０）内で燃焼される。キャリアガスとして一般にＨ２を含む、得られた高温燃焼混合物は、次いで、反応チャンバ（１３０）内へ移送される。反応チャンバ（１３０）は、カーボンブラック原料（１３２）（すなわち、炭化水素原料）を注入する複数の原料注入手段（１３１）を含む。さらに、プラズマを発生させる手段（１３３）が、反応器チャンバ（１３０）内における原料注入手段（１３１）の下流に存在する。プラズマを発生させる手段（１３３）は、原料注入手段（１３１）の近くに配置されるべきであり、これにより、原料は、最大でも熱分解温度までの温度上昇（および原料が液状である場合には原料の蒸発）となり、実質的に熱分解されない。
【0088】
急冷チャンバ（１４０）は、反応チャンバ（１３０）の後に配置される。急冷チャンバ（１４０）は、水などの急冷媒体（１３５）を注入する複数の注入ノズル（１３４）を備える。上述のように、熱交換器または急冷ボイラを使用することもできる。
【0089】
したがって、図は、上流から下流（流れ方向）に、燃焼チャンバ（１２０）、反応チャンバ（１３０）、および急冷チャンバ（１４０）のチャンバを含むカーボンブラック反応器を示す。
【0090】
次いで、生成されたカーボンブラックおよび排ガスをフィルタユニットに供することができ、水素を分離し、チューブ状導管（１１０）に再供給することができる（図示せず）。水素を回収することもでき、または水素ＣＯ混合物を合成ガスとして使用することもできる。
【0091】
本発明の原理から逸脱することなく、様々な修正を行うことができ、好ましい実施形態において多くの変更を行うことができることが理解されるであろう。
【0092】
発明の態様
１．
好ましくは態様１７～２４による反応器システム、好ましくは態様２６～３１による使用において実施されるカーボンブラックの製造方法であって、
（ａ） 注入手段を用いて反応器の燃焼チャンバに第１の流体を注入すること、
（ｂ） 導管を通して燃焼チャンバ内に第２の流体を供給すること、
（ｃ） 第２の流体と第１の流体とを混合して燃焼混合物を得ること、
（ｄ） 燃焼チャンバ内で燃焼混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成すること、
（ｅ） 燃焼チャンバの後に、反応器の反応チャンバ内で高温燃焼ガスを受け入れること、
（ｆ） 燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中にカーボンブラック用の原料（またはカーボンブラック原料）を注入して、カーボンブラック用の原料（またはカーボンブラック原料）を含む高温反応混合物を得ること、および
（ｇ） 反応チャンバ内で高温反応混合物を反応させて、カーボンブラックを含む高温生成物混合物を得ること、
を含む製造方法：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
２．
第１の流体は酸素含有ガス、特にＯ２であり、第２の流体は水素である、態様１に記載の方法。
３．
酸素含有ガスはＯ２であり、および／または酸素含有ガス中に存在する酸素の重量％は、酸素含有ガスの総重量に基づいて、２０～１００重量％、好ましくは５０～９９重量％、より好ましくは６０～９５重量％、最も好ましくは７０～９０重量％である、態様１または２に記載の方法。
４．
ステップ（ａ）において注入されるか、またはステップ（ｂ）において供給される水素は圧縮水素であり、圧縮水素の絶対圧力は好ましくは１．１～２，０００バール、例えば２～１，０００バール、３～２００バール、または４～１００バールである、態様１～３のいずれか１つに記載の方法。
５．
（ｈ） 反応器の急冷チャンバ内で、好ましくは水などの急冷媒体を使用して、高温生成物混合物を急冷して、急冷反応混合物を得ること、
（ｉ） 高温反応混合物および／または急冷反応混合物、ならびにＨ２Ｏ、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含む排ガス混合物から、カーボンブラックを得ること、
（ｊ） 排ガス混合物中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換すること、
（ｋ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮させること、
（ｌ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離すること、および／または
（ｍ） 分離されたＨ２を、第１または第２の流体として、ステップ（ａ）または（ｂ）における反応器の燃焼チャンバに提供すること、
をさらに含む、態様１～４のいずれか１つに記載の方法。
６．
分離されたＨ２は、電気エネルギーを供給する燃料電池に供給される、態様１～５のいずれか１つに記載の方法。
７．
ＣＯがＣＯ２に変換されず、排ガス混合物の分離中に、水素／ＣＯ混合物が得られ、好ましくは水素対ＣＯモル比が５／１から１．５／１、例えば４／１から２／１である、態様１～６のいずれか１つに記載の方法。
８．
（ｉ） 高温燃焼ガスは、Ｈ２ＯおよびＨ２を含み、
（ｉｉ） 高温反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２およびカーボンブラック用の原料を含み、
（ｉｉｉ） 高温生成物混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含み、および／または
（ｉｖ） 急冷反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含む、
態様１～７のいずれか１つに記載の方法。
９．
カーボンブラック原料は、非芳香族原料、芳香族原料、脂肪族原料、持続可能なカーボンブラック原料、再生可能なカーボンブラック原料、および／またはバイオベースの原料であるか、またはそれらを含む、態様１～８のいずれか１つに記載の方法。
１０．
方法ステップ（ｆ）においてカーボンブラック用の原料を高温燃焼ガス中に注入する温度および／または方法ステップ（ｇ）における反応の温度は、７００～２４００℃、例えば８００～２０００℃、８００～１４００℃、１５００～２０００℃、１５００～１８００℃、９００～１３００℃、９５０～１４００℃、または１０００～１２００℃である、態様１～９のいずれか１つに記載の方法。
１１．
方法ステップ（ｆ）は、カーボンブラック用の原料の注入後、高温反応混合物をプラズマに供することをさらに含み、好ましくは原料を、７００～２１００℃、例えば８００～１４００℃および／または１４００～２０００℃の熱分解温度までの温度に上昇させた後に行う、態様１～１０のいずれか１つに記載の方法。
１２．
高温反応混合物は、好ましくはプラズマによって生成される、水素から誘導されるＨラジカルおよび／またはＨ＋イオンを含む、態様１～１１のいずれか１つに記載の方法。
１３．
高温燃焼ガスは、高温燃焼ガスの総重量に基づいて、２～９０重量％、例えば、５～６０重量％、２～８０重量％、１０～７０重量％、３０～５０重量％、または１５～４０重量％の水素を含む、態様１～１２のいずれか１つに記載の方法。
１４．
水素対燃焼混合物中の酸素含有ガスのモル比は、１０００００／１から１／１超まで、例えば１００００／１から１／１超、５０００／１から１．１／１、２０００／１から２／１、３０／１から２／１、２５／１から２／１、２０／１から２／１、または１５／１から２／１である、態様１～１３のいずれか１つに記載の方法。
１５．
酸素含有ガスなどの第１の流体は、導管の中を伸びるランスパイプによって燃焼チャンバに注入され、導管の内面とランスパイプの外面との間の間隙は、水素などの第２の流体のための通路を画定している、態様１～１４のいずれか１つに記載の方法。
１６．
（ｉ） 水素は、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱され、および／または
（ｉｉ） 酸素含有ガスは、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱される、
態様１～１５のいずれか１つに記載の方法。
１７．
カーボンブラック製造用の反応器システムであって、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法を使用するものであり、
（ｉ） 酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ、
（ｉｉ） 第２の流体を燃焼チャンバに供給する導管、
（ｉｉｉ） 第１の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段、および
（ｉｖ） カーボンブラック（Ｉ）のための原料を、燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中に注入して、カーボンブラックを形成する手段を含む、燃焼チャンバに続く反応チャンバ、
を含むカーボンブラック反応器を含む反応器システム：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
１８．
第１の流体は酸素含有ガスであり、好ましくは酸素含有ガスはＯ２であり、第２の流体は水素である、態様１７に記載の反応器システム。
１９．
反応器は、反応チャンバに続いて下流に急冷チャンバをさらに含み、好ましくは、急冷チャンバに急冷媒体を注入するための手段を含む、態様１７または１８に記載の反応器システム。
２０．
反応器システムは、高温反応混合物および／または急冷反応混合物からカーボンブラックを分離して、カーボンブラックおよび排ガス混合物を得るフィルタユニットをさらに備え、フィルタユニットは、カーボンブラック反応器の急冷チャンバと流体接続している、態様１７～１９のいずれか１つに記載の反応器システム。
２１．
（Ａ） 排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されたチャンバ、
（Ｂ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、および／または
（Ｃ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２とＨ２を分離するチャンバであって、好ましくはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、
を含む、態様１７～２０のいずれか１つに記載の反応器システム。
２２．
反応器システムはさらに、第１の流体を燃焼チャンバに供給する導管（ｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管、または、第２の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段（ｉｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管を備える、態様２１に記載の反応器システム。
２３．
反応器チャンバ（ｉｖ）は、反応チャンバ内にプラズマを発生させる手段（ＩＩ）を含み、プラズマを発生させる手段（ＩＩ）は、当該手段に続いて下流にてカーボンブラック（Ｉ）のための原料を注入する、態様１７～２２のいずれか１つに記載の反応器システム。
２４．
注入手段は、第１の流体のための上記導管の中を伸びるランスパイプであり、導管の内面とランスパイプの外面との間の間隙は、第２の流体のための通路を画定している、態様１７～２３のいずれか１つに記載の反応器システム。
２５．
態様１～１６のいずれか１つに記載の方法に従っておよび／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを使用して製造されたカーボンブラック。
２６．
酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物および／または水素を含む高温燃焼混合物の、カーボンブラック製造のための使用、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法における使用、および／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを用いての使用。
２７．
カーボンブラック反応器の反応チャンバ中に存在する水素は、カーボンブラック用の原料の熱分解反応を促進するために使用される、態様２６に記載の使用。
２８．
カーボンブラック反応器の反応チャンバ中に存在する水素はプラズマに供される、態様２６または２７に記載の使用。
２９．
燃焼混合物中のＯ２などの酸素含有ガスの量を使用して、高温燃焼混合物および／または高温反応混合物中の水の量を制御し、これにより、好ましくは、生成されたカーボンブラックの表面特性を制御する、態様２６～２８のいずれか１つに記載の使用。
３０．
カーボンブラック製造のためのキャリアガスおよび／または燃料としての水素の使用、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法における使用、および／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを用いての使用。
３１．
水素は、キャリアガスとして、またはキャリアガスおよび燃料として使用される、態様３０に記載の使用。
３２．
酸素含有ガスが燃焼混合物中に存在し、および／またはｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で供給される、態様１～１６のいずれか１つに記載の方法。
３３．
酸素含有ガスは、ｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で燃焼混合物中に存在するか、または燃焼チャンバ中に存在する、態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システム。
３４．
酸素含有ガスは、ｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で供給される、態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システム。
１．
好ましくは態様１７～２４による反応器システム、好ましくは態様２６～３１による使用において実施されるカーボンブラックの製造方法であって、
（ａ） 注入手段を用いて反応器の燃焼チャンバに第１の流体を注入すること、
（ｂ） 導管を通して燃焼チャンバ内に第２の流体を供給すること、
（ｃ） 第２の流体と第１の流体とを混合して燃焼混合物を得ること、
（ｄ） 燃焼チャンバ内で燃焼混合物を燃焼させて高温燃焼ガスを生成すること、
（ｅ） 燃焼チャンバの後に、反応器の反応チャンバ内で高温燃焼ガスを受け入れること、
（ｆ） 燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中にカーボンブラック用の原料（またはカーボンブラック原料）を注入して、カーボンブラック用の原料（またはカーボンブラック原料）を含む高温反応混合物を得ること、および
（ｇ） 反応チャンバ内で高温反応混合物を反応させて、カーボンブラックを含む高温生成物混合物を得ること、
を含む製造方法：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
２．
第１の流体は酸素含有ガス、特にＯ２であり、第２の流体は水素である、態様１に記載の方法。
３．
酸素含有ガスはＯ２であり、および／または酸素含有ガス中に存在する酸素の重量％は、酸素含有ガスの総重量に基づいて、２０～１００重量％、好ましくは５０～９９重量％、より好ましくは６０～９５重量％、最も好ましくは７０～９０重量％である、態様１または２に記載の方法。
４．
ステップ（ａ）において注入されるか、またはステップ（ｂ）において供給される水素は圧縮水素であり、圧縮水素の絶対圧力は好ましくは１．１～２，０００バール、例えば２～１，０００バール、３～２００バール、または４～１００バールである、態様１～３のいずれか１つに記載の方法。
５．
（ｈ） 反応器の急冷チャンバ内で、好ましくは水などの急冷媒体を使用して、高温生成物混合物を急冷して、急冷反応混合物を得ること、
（ｉ） 高温反応混合物および／または急冷反応混合物、ならびにＨ２Ｏ、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含む排ガス混合物から、カーボンブラックを得ること、
（ｊ） 排ガス混合物中に含まれるＣＯをＣＯ２に変換すること、
（ｋ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮させること、
（ｌ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２およびＨ２を分離すること、および／または
（ｍ） 分離されたＨ２を、第１または第２の流体として、ステップ（ａ）または（ｂ）における反応器の燃焼チャンバに提供すること、
をさらに含む、態様１～４のいずれか１つに記載の方法。
６．
分離されたＨ２は、電気エネルギーを供給する燃料電池に供給される、態様１～５のいずれか１つに記載の方法。
７．
ＣＯがＣＯ２に変換されず、排ガス混合物の分離中に、水素／ＣＯ混合物が得られ、好ましくは水素対ＣＯモル比が５／１から１．５／１、例えば４／１から２／１である、態様１～６のいずれか１つに記載の方法。
８．
（ｉ） 高温燃焼ガスは、Ｈ２ＯおよびＨ２を含み、
（ｉｉ） 高温反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２およびカーボンブラック用の原料を含み、
（ｉｉｉ） 高温生成物混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含み、および／または
（ｉｖ） 急冷反応混合物は、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、カーボンブラック、ＣＯおよびＣＯ２を含む、
態様１～７のいずれか１つに記載の方法。
９．
カーボンブラック原料は、非芳香族原料、芳香族原料、脂肪族原料、持続可能なカーボンブラック原料、再生可能なカーボンブラック原料、および／またはバイオベースの原料であるか、またはそれらを含む、態様１～８のいずれか１つに記載の方法。
１０．
方法ステップ（ｆ）においてカーボンブラック用の原料を高温燃焼ガス中に注入する温度および／または方法ステップ（ｇ）における反応の温度は、７００～２４００℃、例えば８００～２０００℃、８００～１４００℃、１５００～２０００℃、１５００～１８００℃、９００～１３００℃、９５０～１４００℃、または１０００～１２００℃である、態様１～９のいずれか１つに記載の方法。
１１．
方法ステップ（ｆ）は、カーボンブラック用の原料の注入後、高温反応混合物をプラズマに供することをさらに含み、好ましくは原料を、７００～２１００℃、例えば８００～１４００℃および／または１４００～２０００℃の熱分解温度までの温度に上昇させた後に行う、態様１～１０のいずれか１つに記載の方法。
１２．
高温反応混合物は、好ましくはプラズマによって生成される、水素から誘導されるＨラジカルおよび／またはＨ＋イオンを含む、態様１～１１のいずれか１つに記載の方法。
１３．
高温燃焼ガスは、高温燃焼ガスの総重量に基づいて、２～９０重量％、例えば、５～６０重量％、２～８０重量％、１０～７０重量％、３０～５０重量％、または１５～４０重量％の水素を含む、態様１～１２のいずれか１つに記載の方法。
１４．
水素対燃焼混合物中の酸素含有ガスのモル比は、１０００００／１から１／１超まで、例えば１００００／１から１／１超、５０００／１から１．１／１、２０００／１から２／１、３０／１から２／１、２５／１から２／１、２０／１から２／１、または１５／１から２／１である、態様１～１３のいずれか１つに記載の方法。
１５．
酸素含有ガスなどの第１の流体は、導管の中を伸びるランスパイプによって燃焼チャンバに注入され、導管の内面とランスパイプの外面との間の間隙は、水素などの第２の流体のための通路を画定している、態様１～１４のいずれか１つに記載の方法。
１６．
（ｉ） 水素は、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱され、および／または
（ｉｉ） 酸素含有ガスは、燃焼チャンバに入る前に、５００～２４００℃、好ましくは５００～２０００℃、５００～１４００℃、５００～１３００℃、５００～１２５０℃、５００～１２００℃、５００～１１００℃、６００～９００℃、または７５０～９５０℃の温度に予熱される、
態様１～１５のいずれか１つに記載の方法。
１７．
カーボンブラック製造用の反応器システムであって、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法を使用するものであり、
（ｉ） 酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物の燃焼によって高温燃焼ガスを生成する燃焼チャンバ、
（ｉｉ） 第２の流体を燃焼チャンバに供給する導管、
（ｉｉｉ） 第１の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段、および
（ｉｖ） カーボンブラック（Ｉ）のための原料を、燃焼チャンバから受け取った高温燃焼ガス中に注入して、カーボンブラックを形成する手段を含む、燃焼チャンバに続く反応チャンバ、
を含むカーボンブラック反応器を含む反応器システム：
ここで、第１の流体は酸素含有ガスであり、第２の流体は水素であるか、または第１の流体は水素であり、第２の流体は酸素含有ガスである。
１８．
第１の流体は酸素含有ガスであり、好ましくは酸素含有ガスはＯ２であり、第２の流体は水素である、態様１７に記載の反応器システム。
１９．
反応器は、反応チャンバに続いて下流に急冷チャンバをさらに含み、好ましくは、急冷チャンバに急冷媒体を注入するための手段を含む、態様１７または１８に記載の反応器システム。
２０．
反応器システムは、高温反応混合物および／または急冷反応混合物からカーボンブラックを分離して、カーボンブラックおよび排ガス混合物を得るフィルタユニットをさらに備え、フィルタユニットは、カーボンブラック反応器の急冷チャンバと流体接続している、態様１７～１９のいずれか１つに記載の反応器システム。
２１．
（Ａ） 排ガス混合物中に存在するＣＯをＣＯ２に変換するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されたチャンバ、
（Ｂ） 排ガス混合物中に存在するＨ２Ｏを凝縮するチャンバであって、好ましくはカーボンブラックを分離するフィルタユニットに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、および／または
（Ｃ） 排ガス混合物中に存在するＣＯ２とＨ２を分離するチャンバであって、好ましくはＨ２Ｏを凝縮するチャンバに接続されおよび／またはＣＯを変換するチャンバに接続されたチャンバ、
を含む、態様１７～２０のいずれか１つに記載の反応器システム。
２２．
反応器システムはさらに、第１の流体を燃焼チャンバに供給する導管（ｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管、または、第２の流体を燃焼チャンバに注入する注入手段（ｉｉｉ）およびＣＯ２とＨ２を分離するチャンバに接続された、Ｈ２を供給する導管を備える、態様２１に記載の反応器システム。
２３．
反応器チャンバ（ｉｖ）は、反応チャンバ内にプラズマを発生させる手段（ＩＩ）を含み、プラズマを発生させる手段（ＩＩ）は、当該手段に続いて下流にてカーボンブラック（Ｉ）のための原料を注入する、態様１７～２２のいずれか１つに記載の反応器システム。
２４．
注入手段は、第１の流体のための上記導管の中を伸びるランスパイプであり、導管の内面とランスパイプの外面との間の間隙は、第２の流体のための通路を画定している、態様１７～２３のいずれか１つに記載の反応器システム。
２５．
態様１～１６のいずれか１つに記載の方法に従っておよび／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを使用して製造されたカーボンブラック。
２６．
酸素含有ガスおよび水素を含む燃焼混合物および／または水素を含む高温燃焼混合物の、カーボンブラック製造のための使用、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法における使用、および／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを用いての使用。
２７．
カーボンブラック反応器の反応チャンバ中に存在する水素は、カーボンブラック用の原料の熱分解反応を促進するために使用される、態様２６に記載の使用。
２８．
カーボンブラック反応器の反応チャンバ中に存在する水素はプラズマに供される、態様２６または２７に記載の使用。
２９．
燃焼混合物中のＯ２などの酸素含有ガスの量を使用して、高温燃焼混合物および／または高温反応混合物中の水の量を制御し、これにより、好ましくは、生成されたカーボンブラックの表面特性を制御する、態様２６～２８のいずれか１つに記載の使用。
３０．
カーボンブラック製造のためのキャリアガスおよび／または燃料としての水素の使用、好ましくは態様１～１６のいずれか１つに記載の方法における使用、および／または態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システムを用いての使用。
３１．
水素は、キャリアガスとして、またはキャリアガスおよび燃料として使用される、態様３０に記載の使用。
３２．
酸素含有ガスが燃焼混合物中に存在し、および／またはｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で供給される、態様１～１６のいずれか１つに記載の方法。
３３．
酸素含有ガスは、ｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で燃焼混合物中に存在するか、または燃焼チャンバ中に存在する、態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システム。
３４．
酸素含有ガスは、ｋ値が１より高い、好ましくは１．１～２０００、２～１００、３～５０、４～４０、５～３０、および／または６～２０の量で供給される、態様１７～２４のいずれか１つに記載の反応器システム。
【符号の説明】
【0093】
１００ カーボンブラック反応器
１１０ チューブ状導管
１１１ ランスパイプ
１２０ 燃焼チャンバ
１３０ 反応チャンバ
１３２ カーボンブラック原料
１３５ 急冷媒体
１４０ 急冷チャンバ
１１０ チューブ状導管
１１１ ランスパイプ
１２０ 燃焼チャンバ
１３０ 反応チャンバ
１３２ カーボンブラック原料
１３５ 急冷媒体
１４０ 急冷チャンバ
【図1】
【国際調査報告】