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特表2024-528785炭素隔離システム及びプロセス並びに熱分解プロセス及び反応器
(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】2024-08-01
(54)【発明の名称】炭素隔離システム及びプロセス並びに熱分解プロセス及び反応器
(51)【国際特許分類】
D01F 9/127 20060101AFI20240725BHJP
C10B 53/07 20060101ALI20240725BHJP
C08J 11/12 20060101ALI20240725BHJP
C01B 32/15 20170101ALI20240725BHJP
B01J 23/745 20060101ALI20240725BHJP
D01F 9/133 20060101ALI20240725BHJP
C10B 47/24 20060101ALI20240725BHJP
【ＦＩ】
D01F9/127
C10B53/07 ZAB
C08J11/12
C01B32/15
B01J23/745 M
D01F9/133
C10B47/24
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023577631
(86)(22)【出願日】2022-06-17
(85)【翻訳文提出日】2024-02-09
(86)【国際出願番号】 CA2022050977
(87)【国際公開番号】W WO2022261784
(87)【国際公開日】2022-12-22
(31)【優先権主張番号】63/211,760
(32)【優先日】2021-06-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523470555
【氏名又は名称】ソクプラ サイエンシズ エト ジーニー エス．イー．シー．
(71)【出願人】
【識別番号】523470566
【氏名又は名称】ケーダブリューイー クンストストッフワーク インダストリーズ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】アバツォグルー、ニコラス
(72)【発明者】
【氏名】ギッツホーファー、フランソワ
(72)【発明者】
【氏名】ラローシュ、イヴ
(72)【発明者】
【氏名】ブランチャード、ジャスミン
【テーマコード（参考）】
4F401
4G146
4G169
4H012
4L037
【Ｆターム（参考）】
4F401AA27
4F401BA05
4F401CA22
4F401CA70
4F401CB01
4F401CB14
4F401DA01
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4F401EA22
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4F401EA77
4F401FA01Z
4F401FA07Z
4G146AA01
4G146AB06
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4G146BA12
4G146BA13
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4G146BB06
4G146BC03
4G146BC25
4G146BC33A
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4G146BC42
4G146BC44
4G146DA03
4G146DA13
4G146DA27
4G146DA45
4G169AA03
4G169BA01B
4G169BB02B
4G169BC66B
4G169CB81
4G169DA08
4G169EA01X
4G169FC07
4H012HB03
4L037CS03
4L037FA01
4L037FA02
4L037FA03
(57)【要約】
カーボンナノ繊維を連続的に生成するためのプロセス、及びカーボンナノ繊維を連続的に生成するための炭素隔離反応器が提供される。廃棄物プラスチックなどの炭素系原料からの燃料を含む熱分解生成物を生成するように構成される熱分解システムも提供される。熱分解生成物の少なくとも一部が熱分解システムの燃料として、及び／又は炭素隔離プロセス及び反応器の原料として、再循環される熱分解プロセスも提供される。炭素隔離プロセス及び反応器の生成物の少なくとも一部は、プラズマ反応器に供給され、水素並びにカーボンブラック及び／又はグラフェンを生成し得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスであって、前記プロセスが、ガス入口を通して炭化水素化合物及び酸化炭素を含む連続ガス状流を、炭素隔離触媒粒子を含む反応チャンバに供給するステップと、
前記反応チャンバの内部で、前記ガス入口の上方に取り付けられ、前記ガス入口から垂直方向に間隔を置いた第１のガス導管に前記ガス状流を少なくとも部分的に導入するステップであって、前記第１のガス導管の両端部が、開口している、ステップと、
前記反応チャンバに収容された前記触媒粒子の床の上方に位置するガス出口を通して前記反応チャンバからガスを引き出すステップと
を含み、
それによって、動作中、前記触媒粒子が、前記ガス状流によって吸い上げられて流動化され、前記第１のガス導管と前記ガス入口との間に画定された空間を通って、かつ前記第１のガス導管の前記第１の端部を通って、前記第１のガス導管まで移動し、前記第１のガス導管の前記上部端部で出て、前記第１のガス導管の外側に落下して再循環される、プロセス。
【請求項2】
前記触媒粒子が前記ガス入口に流入することを防止するステップ、を更に含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項3】
前記酸化炭素が、二酸化炭素を含む、請求項１及び２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項4】
前記反応チャンバに供給される前記連続ガス流中のＣ／ＣＯ２が、約０．５～２である、請求項３に記載のプロセス。
【請求項5】
前記反応チャンバに供給される前記連続ガス流中のＣ／ＣＯ２が、約０．８～１．２である、請求項３に記載のプロセス。
【請求項6】
前記ガス状混合物が、漏斗形状のテーパ部分を通って前記反応チャンバに供給され、前記触媒粒子が、前記第１のガス導管の外側に、かつ前記反応チャンバの前記テーパ部分に向かって、落下して再循環される、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項7】
前記反応チャンバに供給される前記ガス状流のガス状混合物が、４００℃を超える温度を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項8】
前記反応チャンバ内に含まれる前記ガス状流のガス状混合物が、約５５０℃～約７００℃の温度を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項9】
前記反応チャンバから引き出される前記ガスが、カーボンナノ繊維、炭化水素化合物、並びに一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つを含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項10】
前記ガスから前記カーボンナノ繊維を回収するために、前記反応チャンバから引き出された前記ガスを濾過するステップ、を更に含む、請求項９に記載のプロセス。
【請求項11】
前記濾過されたガスを除湿するステップ、を更に含む、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項12】
前記ガスが、前記反応チャンバから連続的に引き出される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項13】
前記触媒粒子が、鉄系であり、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項14】
前記鉄系触媒粒子が、ニッケルを更に含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項15】
前記触媒粒子が、前記触媒粒子内に少なくとも１０ｗｔ％の鉄を含むＦｅ／Ａｌ２Ｏ３を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項16】
前記触媒粒子が、約５００μｍより小さい、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項17】
前記触媒粒子が、約１５０μｍ～約５００μｍの直径を有する、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項18】
炭化水素化合物を含む前記連続ガス状流を前記反応チャンバに供給するステップの前に、液体の前記炭化水素化合物をガス状態に加熱するステップ、を更に含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項19】
前記ガス状流が、前記反応チャンバ内で約１秒～約１０秒の平均接触時間を有する、請求項１から１８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項20】
前記触媒粒子の前記床にわたる圧力降下が、約０．５ａｔｍ～約４ａｔｍの範囲である、請求項１から１９のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項21】
請求項１から２０のいずれか一項に記載のプロセスによって生成されるカーボンナノ繊維。
【請求項22】
カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスであって、前記プロセスが、熱分解反応器に炭素系原料を連続的に供給するステップと、
熱分解生成物を生成するために、前記炭素系原料を熱分解するステップと、
前記熱分解反応器から前記熱分解生成物を引き出すステップと、
炭素隔離反応器に前記熱分解生成物の少なくとも一部を連続的に供給するステップであって、前記炭素隔離反応器が、カーボンナノ繊維を形成するための炭素隔離触媒を含む、ステップと、
前記炭素隔離反応器から前記カーボンナノ繊維を含む炭素隔離反応器生成物を引き出すステップと
を含む、プロセス。
【請求項23】
前記炭素隔離反応器から前記炭素隔離反応器生成物を引き出すステップが、前記炭素隔離反応器から前記炭素隔離反応器生成物を連続的に引き出すステップ、を含む、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項24】
前記炭素隔離反応器から前記炭素隔離反応器生成物を連続的に引き出すステップが、前記カーボンナノ繊維を含む連続ガス流を同時に引き出すステップ、を含む、請求項２３に記載のプロセス。
【請求項25】
前記炭素隔離反応器から引き出された前記連続ガス流が、炭化水素化合物と、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つと、を含む、請求項２４に記載のプロセス。
【請求項26】
前記カーボンナノ繊維を回収するために、前記炭素隔離反応器から引き出された前記連続ガス流を濾過するステップ、を更に含む、請求項２４及び２５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項27】
前記熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤及び燃料を連続的に供給し、前記熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために、前記熱分解反応器の前記酸化チャンバ内の前記燃料を少なくとも部分的に酸化するステップ、を更に含む、請求項２２から２６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項28】
前記熱分解生成物の少なくとも一部を前記酸化チャンバに供給される燃料として再循環するステップ、を更に含む、請求項２７に記載のプロセス。
【請求項29】
前記熱分解生成物をガス生成物と液体生成物とに分離するステップ、を更に含み、前記燃料が、前記熱分解生成物の前記分離から得られた前記ガス生成物の少なくとも一部を含む、請求項２８に記載のプロセス。
【請求項30】
前記熱分解反応チャンバから引き出された前記熱分解生成物の少なくとも一部を凝縮し、凝縮後に、かつ前記熱分解生成物の前記少なくとも一部を前記酸化チャンバに供給される前記燃料として再循環するステップの前に、前記熱分解生成物の一部の圧力を上昇させるステップ、を更に含む、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項31】
前記酸化チャンバが、前記酸化剤及び前記燃料を連続的に供給され、前記熱分解反応チャンバが、前記炭素系原料を連続的に供給される、請求項２７から３０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項32】
前記酸化剤が、空気及び酸素のうちの少なくとも１つを含む、請求項２７から３１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項33】
前記燃料及び前記酸化剤が、約０．５～約１．１の範囲の比で、前記酸化チャンバに供給される、請求項２７から３２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項34】
前記燃料及び前記酸化剤が、約０．９～約１．１の範囲の比で、前記酸化チャンバに供給される、請求項２７から３２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項35】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で実行される、請求項２７から３２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項36】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で実行される、請求項２７から３２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項37】
前記炭素系原料が、前記熱分解反応器の熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有する、請求項２７から３６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項38】
前記熱分解生成物を引き出すステップが、連続的に実行される、請求項２２から３８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項39】
前記炭素系原料が、プラスチック系原料である、請求項２２から３８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項40】
前記プラスチック系原料が、実質的に塩素を含まない、請求項３９に記載のプロセス。
【請求項41】
前記プラスチック系原料が、約１．５ｃｍより小さい直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項３９及び４０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項42】
前記プラスチック系原料が、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項３９及び４０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項43】
前記炭素系原料の前記熱分解が、流動化粒子床を含む前記熱分解反応器の熱分解チャンバ内で実施される、請求項２２から４２のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項44】
前記流動化粒子床が、不活性無機粒子を含む、請求項４３に記載のプロセス。
【請求項45】
前記流動化粒子床が、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される熱触媒粒子を含む、請求項４３に記載のプロセス。
【請求項46】
前記炭素隔離反応器に供給するステップが、前記反応チャンバのテーパ部分に位置するガス入口を通して前記炭素隔離反応器の反応チャンバに供給するステップ、を含む、請求項２２から４５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項47】
前記炭素隔離反応器に供給される前記熱分解生成物の前記少なくとも一部が、約０．５～約２のＣ／ＣＯ２比を有する炭化水素化合物及び酸化炭素を含む、請求項２２から４６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項48】
前記炭素隔離反応器に供給される前記熱分解生成物の前記少なくとも一部が、４００℃を超える温度を有する、請求項２２から４７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項49】
前記炭素隔離触媒が、約５００μｍより小さい鉄系触媒粒子を含み、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む、請求項２２から４８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項50】
前記鉄系触媒粒子が、ニッケルを更に含む、請求項４９に記載のプロセス。
【請求項51】
前記炭素隔離反応器に供給するステップが、前記炭素隔離反応器にガス状態の前記熱分解生成物の前記少なくとも一部を供給するステップ、を含む、請求項２２から５０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項52】
前記炭素隔離反応器に供給するステップの前に、前記熱分解生成物の前記少なくとも一部をガス状態に変換するステップ、を更に含む、請求項５１に記載のプロセス。
【請求項53】
請求項２２から５２のいずれか一項に記載のプロセスによって生成されるカーボンナノ繊維。
【請求項54】
カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスであって、前記プロセスが、熱分解反応器に炭素系原料を供給するステップと、
熱分解生成物を生成するために前記炭素系原料を熱分解するステップと、
前記熱分解反応器から前記熱分解生成物を引き出すステップと、
炭素隔離反応器に前記熱分解生成物の少なくとも一部を供給するステップであって、前記炭素隔離反応器が、カーボンナノ繊維及びガス状生成物を形成するために炭素隔離触媒を含む、ステップと、
前記炭素隔離反応器から前記カーボンナノ繊維を引き出すステップと、
水素と、カーボンブラック及びグラフェンのうちの少なくとも１つと、を含むガス状生成物を含むプラズマ反応器生成物を生成するために、プラズマ反応器に前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物の少なくとも一部を供給するステップと、
前記熱分解反応器に前記炭素隔離反応器からの前記ガス状生成物の少なくとも一部を供給するステップと
を含む、プロセス。
【請求項55】
前記熱分解反応器に、前記炭素系原料、及び前記プラズマ反応器からの前記ガス状生成物の少なくとも一部を供給するステップが、前記熱分解反応器に、前記炭素系原料、及び前記プラズマ反応器からの前記ガス状生成物の前記少なくとも一部を連続的に供給するステップと、前記熱分解反応器から前記熱分解生成物を引き出すステップが、前記熱分解生成物を前記熱分解反応器から連続的に引き出すステップとを含む、請求項５４に記載のプロセス。
【請求項56】
前記炭素隔離反応器に前記熱分解生成物の少なくとも前記一部を供給するステップが、前記炭素隔離反応器に前記熱分解生成物の少なくとも前記一部を連続的に供給するステップ、を含み、前記炭素隔離反応器から前記カーボンナノ繊維を引き出すステップが、前記炭素隔離反応器から前記カーボンナノ繊維を連続的に引き出すステップ、を含む、請求項５４及び５５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項57】
前記炭素隔離反応器から前記カーボンナノ繊維を連続的に引き出すステップが、連続ガス流と共に前記カーボンナノ繊維を同時に引き出すステップ、を含む、請求項５６に記載のプロセス。
【請求項58】
前記プラズマ反応器に前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物の前記少なくとも一部を供給するステップが、前記プラズマ反応器に前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物の前記少なくとも一部を連続的に供給するステップ、を含む、請求項５４から５７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項59】
前記炭素隔離反応器から引き出された前記連続ガス流が、炭化水素化合物と、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つと、を含む、請求項５７に記載のプロセス。
【請求項60】
前記カーボンナノ繊維を回収するために、前記炭素隔離反応器から引き出された前記連続ガス流を濾過するステップ、を更に含む、請求項５７に記載のプロセス。
【請求項61】
前記熱分解反応器の酸化チャンバ内の前記プラズマ反応器からの前記ガス状生成物の前記少なくとも一部を少なくとも部分的に酸化して、前記熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために、前記熱分解反応器の前記酸化チャンバに酸化剤を連続的に供給するステップ、を更に含む、請求項５５に記載のプロセス。
【請求項62】
前記熱分解生成物の少なくともガス状部分を前記熱分解反応器の前記酸化チャンバに再循環するステップ、を更に含む、請求項６１に記載のプロセス。
【請求項63】
前記熱分解反応器に前記炭素系原料を供給するステップが、前記熱分解反応器の前記熱分解反応チャンバに前記炭素系原料を供給するステップ、を含む、請求項６１及び６２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項64】
前記プラズマ反応器からの前記ガス状生成物の前記少なくとも一部、及び前記酸化剤が、約０．５～約１．１の範囲の比で前記酸化チャンバに供給される、請求項６１から６３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項65】
前記燃料及び前記酸化剤が、約０．９～約１．１の範囲の比で、前記酸化チャンバに供給される、請求項６１から６３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項66】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で実行される、請求項５４から６５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項67】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で実行される、請求項５４から６５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項68】
前記炭素系原料が、前記熱分解反応器の熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有する、請求項５４から６７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項69】
前記炭素系原料が、プラスチック系原料である、請求項５４から６８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項70】
前記プラスチック系原料が、実質的に塩素を含まない、請求項６９に記載のプロセス。
【請求項71】
前記プラスチック系原料が、約１．５ｃｍより小さい直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項６９及び７０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項72】
前記プラスチック系原料が、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項６９及び７０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項73】
前記炭素系原料の前記熱分解が、流動化粒子床を含む前記熱分解反応器の熱分解チャンバ内で実施される、請求項６９から７２のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項74】
前記流動化粒子床が、不活性無機粒子を含む、請求項７３に記載のプロセス。
【請求項75】
前記流動化粒子床が、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される熱触媒粒子を含む、請求項７３に記載のプロセス。
【請求項76】
前記炭素隔離反応器に供給するステップが、前記反応チャンバのテーパ部分に位置するガス入口を通して前記炭素隔離反応器の反応チャンバに供給するステップ、を含む、請求項５４から７５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項77】
前記炭素隔離反応器に供給される前記熱分解生成物の前記少なくとも一部が、約０．５～約２のＣ／ＣＯ２比を有する炭化水素化合物及び酸化炭素を含む、請求項５４から７６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項78】
前記炭素隔離反応器に供給される前記熱分解生成物の前記少なくとも一部が、４００℃を超える温度を有する、請求項５４から７７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項79】
前記炭素隔離触媒が、約５００μｍより小さい鉄系触媒粒子を含み、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む、請求項５４から７８のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項80】
前記鉄系触媒粒子が、ニッケルを更に含む、請求項７９に記載のプロセス。
【請求項81】
前記炭素隔離反応器に供給するステップが、前記炭素隔離反応器にガス状態の前記熱分解生成物の前記少なくとも一部を供給するステップ、を含む、請求項５５から８０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項82】
前記炭素隔離反応器に前記熱分解生成物の前記少なくとも一部を供給するステップの前に、固体粒子を少なくとも部分的に除去するために前記熱分解生成物を濾過するステップ、を更に含む、請求項５４から８１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項83】
前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物が、水、水素、及び一酸化炭素を含み、前記プロセスが、前記プラズマ反応器に前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物の前記少なくとも一部を供給するステップの前に、前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物から前記水、前記水素及び、前記一酸化炭素を少なくとも部分的に除去するステップ、を更に含む、請求項５４から８２のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項84】
前記熱分解反応器に、前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物から回収された前記一酸化炭素の少なくとも一部を供給するステップ、を更に含む、請求項８３に記載のプロセス。
【請求項85】
前記熱分解反応器に、前記炭素隔離反応器の前記ガス状生成物から回収された前記水素の少なくとも一部を供給するステップ、を更に含む、請求項８３及び８４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項86】
カーボンブラック及びグラフェンのうちの前記少なくとも１つと、前記プラズマ反応器生成物の前記ガス状生成物とを分離するステップ、を更に含む、請求項５４から８５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項87】
カーボンブラック及びグラフェンのうちの前記少なくとも１つと、前記プラズマ反応器生成物の前記ガス状生成物とを分離するステップが、前記プラズマ反応器生成物を濾過するステップ、を含む、請求項８６に記載のプロセス。
【請求項88】
前記炭素隔離反応器に供給するために、前記プラズマ反応器生成物の前記ガス状生成物の少なくとも一部を再循環するステップ、を更に含む、請求項８６及び８７のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項89】
前記プラズマ反応器生成物の前記ガス状生成物が、水素と、軽質炭化水素と、を含む、請求項８８に記載のプロセス。
【請求項90】
請求項５４から８９のいずれか一項に記載のプロセスによって生成されるカーボンナノ繊維。
【請求項91】
請求項５４から８９のいずれか一項に記載のプロセスによって生成されるグラフェン及び／又はカーボンブラック。
【請求項92】
カーボンナノ繊維を生成するための炭素隔離反応器であって、テーパ部分を有し、かつ触媒粒子を収容する反応チャンバを画定するハウジングであって、前記ハウジングが、内部に画定されたガス入口及びガス出口を有し、前記ガス入口が、前記反応チャンバの前記テーパ部分に開口し、前記ガス出口が、前記反応チャンバに収容された前記触媒粒子の床の上方に位置する、ハウジングと、
前記反応チャンバの内側に位置し、第１のガス導管を備える炭素隔離ユニットであって、前記第１のガス導管が、前記ガス入口の上方に取り付けられ、前記ガス入口から垂直方向に間隔を置いており、前記第１のガス導管の両端部が、開口している、炭素隔離ユニットと
を備える、炭素隔離反応器。
【請求項93】
前記第１のガス導管が、前記ガス入口と同軸である、請求項９１に記載の炭素隔離反応器。
【請求項94】
前記第１のガス導管が、前記ガス入口と位置合わせされている、請求項９３に記載の炭素隔離反応器。
【請求項95】
前記反応チャンバ内に延在する第２のガス導管であって、前記第２のガス導管が、前記ハウジングに取り付けられて前記ガス入口に外接する第１の端部と、前記第１のガス導管の第１の端部から間隔を置いた、前記第１の端部と同軸の第２の端部と、を有する、第２のガス導管を、更に備える、請求項９１から９４のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項96】
前記第１のガス導管の前記第１の端部、及び前記第２のガス導管の前記第２の端部が、位置合わせされている、請求項９５に記載の炭素隔離反応器。
【請求項97】
炭素隔離触媒粒子が前記ガス入口を通って前記反応チャンバの外側に流れること防止するために、前記ガス入口を覆う格子を更に備える、請求項９１から９６のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項98】
炭素隔離触媒粒子の床を更に備える、請求項９１から９７のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項99】
前記触媒粒子が、鉄系であり、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む、請求項９８に記載の炭素隔離反応器。
【請求項100】
前記鉄系触媒粒子が、ニッケルを更に含む、請求項９９に記載の炭素隔離反応器。
【請求項101】
前記触媒粒子が、前記触媒粒子内に少なくとも１０ｗｔ％の鉄を含むＦｅ／Ａｌ２Ｏ３を含む、請求項９８に記載の炭素隔離反応器。
【請求項102】
前記触媒粒子が、約５００μｍより小さい、請求項９１から１０１のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項103】
前記触媒粒子が、約１５０μｍ～約５００μｍの直径を有する、請求項９１から１０２のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項104】
前記ガス入口と流体連通する二酸化炭素供給源を更に備える、請求項９１から１０３のいずれか一項に記載の炭素隔離反応器。
【請求項105】
熱分解反応チャンバを画定するハウジングと、仕切り格子により前記熱分解反応チャンバから分離され、前記熱分解反応チャンバの下に位置する酸化チャンバと、を含む、熱分解反応器を備える、熱分解システムであって、
前記ハウジングが、前記熱分解反応チャンバに開口した炭素系原料入口と、前記熱分解反応チャンバに開口した熱分解生成物出口と、前記酸化チャンバとガス連通する燃料入口と、を有し、
前記熱分解生成物出口が、前記熱分解反応器の前記燃料入口と流体連通して、前記熱分解反応器の前記酸化チャンバに熱分解生成物を少なくとも部分的に導く、熱分解システム。
【請求項106】
前記熱分解生成物出口に接続され、前記熱分解生成物をガス状燃料と液体生成物とに分離する相分離ユニットを更に備え、前記熱分解生成物出口が、前記相分離ユニットを少なくとも介して前記熱分解反応器の前記燃料入口と流体連通して、前記ガス状燃料を前記熱分解反応器の前記酸化チャンバに少なくとも部分的に導く、請求項１０５に記載の熱分解システム。
【請求項107】
前記燃料入口が、ガス状燃料供給源及び酸化剤供給源とガス連通している、請求項１０５及び１０６のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項108】
前記酸化剤供給源が、空気供給源及び酸素供給源のうちの少なくとも１つを備える、請求項１０７に記載の熱分解システム。
【請求項109】
前記熱分解生成物出口及び前記燃料入口と流体連通する熱分解生成物再循環導管と、前記燃料入口の上流及び前記酸化剤供給源の下流で、前記熱分解生成物再循環導管とガス連通する、前記熱分解生成物再循環導管に取り付けられた混合器と、を更に備える、請求項１０７及び１０８のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項110】
前記仕切り格子が、約１５００℃を超える温度に耐え得るセラミック材料で少なくとも部分的に製造される、請求項１０５から１０９のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項111】
前記仕切り格子が、約０．１ｃｍより小さい直径を有する複数の開口部を備える、請求項１０５から１０９のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項112】
熱分解のため、前記熱分解反応チャンバにプラスチック粒子を供給するために前記炭素系原料入口に接続されるプラスチック粒子供給源を更に備える、請求項１０５から１１１のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項113】
前記熱分解反応チャンバの容積が、前記酸化チャンバ及び前記熱分解反応チャンバの総容積の約８０％～９５％である、請求項１０５から１１２のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項114】
前記熱分解生成物出口の下流に取り付けられ、前記熱分解生成物出口及び前記燃料入口とガス連通する、凝縮器及びブースタを更に備え、前記ブースタが、前記燃料入口に導かれる前にガス状燃料のガス圧を上昇させるように構成される、請求項１０５から１１３のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項115】
前記熱分解反応チャンバが、粒子床を含む、請求項１０５から１１４のいずれか一項に記載の熱分解システム。
【請求項116】
前記粒子床が、不活性無機粒子を含む、請求項１１５に記載の熱分解システム。
【請求項117】
前記粒子床が、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される熱触媒粒子を含む、請求項１１５に記載の熱分解システム。
【請求項118】
熱分解プロセスであって、熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤及び燃料を供給するステップと、
前記熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために、前記熱分解反応器の前記酸化チャンバ内の前記燃料を少なくとも部分的に酸化するステップと、
前記燃料の前記少なくとも部分的な酸化によって生成された熱を使用して炭素系原料を熱分解するために前記熱分解反応器の前記熱分解反応チャンバに前記炭素系原料を供給するステップと、
前記熱分解反応器の前記熱分解反応チャンバから熱分解生成物を引き出すステップと、
前記熱分解生成物の少なくとも一部を前記酸化チャンバに供給される燃料として再循環するステップと
を含む、熱分解プロセス。
【請求項119】
前記熱分解生成物をガス生成物及び液体生成物に分離するステップ、を更に含み、前記燃料が、前記熱分解生成物の前記分離から得られた前記ガス生成物の少なくとも一部を含む、請求項１１８に記載の熱分解プロセス。
【請求項120】
前記酸化チャンバが、前記酸化剤及び前記燃料を連続的に供給され、前記熱分解反応チャンバが、前記炭素系原料を連続的に供給される、請求項１１８から１１９のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項121】
前記熱分解生成物が、前記熱分解反応チャンバから連続的に引き出される、請求項１２０に記載の熱分解プロセス。
【請求項122】
前記酸化剤が、空気及び酸素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１８から１２１のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項123】
前記炭素系原料が、プラスチック系原料である、請求項１１８から１２２のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項124】
前記プラスチック系原料が、実質的に塩素を含まない、請求項１２３に記載の熱分解プロセス。
【請求項125】
前記プラスチック系原料が、約１．５ｃｍより小さい直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項１２３及び１２４のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項126】
前記プラスチック系原料が、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有するプラスチック粒子を含む、請求項１２３及び１２４のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項127】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で実行される、請求項１１８から１２６のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項128】
前記炭素系原料の前記熱分解が、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で実行される、請求項１１８から１２６のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項129】
前記炭素系原料が、前記熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有する、請求項１１８から１２８のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項130】
前記酸化チャンバに前記酸化剤及び前記燃料を供給し、前記熱分解反応チャンバに前記炭素系原料を供給するステップが、連続的に実行される、請求項１１８から１２９のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項131】
前記熱分解生成物を引き出すステップが、連続的に実行される、請求項１１８から１３０のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項132】
前記熱分解反応チャンバから引き出された前記熱分解生成物の少なくとも一部を凝縮し、凝縮後に、かつ前記熱分解生成物の前記少なくとも一部を前記酸化チャンバに供給される前記燃料として再循環するステップの前に、前記熱分解生成物の一部の圧力を上昇させるステップ、を更に含む、請求項１１８から１３１のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項133】
前記燃料及び前記酸化剤が、約０．５～約１．１の範囲の比で、前記酸化チャンバに供給される、請求項１１８から１３２のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項134】
前記燃料及び前記酸化剤が、約０．９～約１．１の範囲の比で、前記酸化チャンバに供給される、請求項１１８から１３２のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項135】
前記炭素系原料の前記熱分解が、流動化粒子床を含む前記熱分解チャンバ内で実施される、請求項１１８から１３４のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項136】
前記流動化粒子床が、不活性無機粒子を含む、請求項１３５に記載の熱分解プロセス。
【請求項137】
前記流動化粒子床が、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される熱触媒粒子を含む、請求項１３５に記載の熱分解プロセス。
【請求項138】
前記酸化チャンバに供給される前記燃料が、炭化水素、一酸化炭素、及び水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１８から１３７のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【請求項139】
軽質炭化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水、及び水素のうちの少なくとも１つを前記熱分解反応チャンバから引き出された前記熱分解生成物、請求項１１８から１３８のいずれか一項に記載の熱分解プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本技術分野は、炭素系原料をエネルギー及び他の価値のある生成物に変換するために組み合わせられ得る、炭素隔離プロセス及び熱分解システムに関する。本発明はまた、炭素系原料を熱分解するためのプロセスと、カーボンナノ繊維を生成するためにプラスチック廃棄物熱分解に由来し得る炭化水素化合物から炭素を隔離するプロセスと、カーボンナノ繊維生成のための反応器と、に関する。
【背景技術】
【0002】
プラスチック廃棄物の生産及び消費は、警報すべき速度で増加している。更に、毎年生成されるプラスチックの大部分は、包装の使い捨て品を、又は製造後１年以内に廃棄される他の短命製品を、製造するために使用される。したがって、廃棄された使用済みプラスチックが廃棄物として世界中のゴミ処分場及び自然生息地に蓄積することを低減するために、廃棄物プラスチックを管理することは課題である。
【0003】
熱分解は、プラスチック廃棄物を、固体、液体及びガス状燃料、並びに他の価値のある生成物の形態のエネルギーに変換するために使用される一般的な技術である。しかしながら、プラスチック熱分解は、吸熱性で、高エネルギー消費プロセスである。好適な生成物収率を達成するためには、少なくとも３５０～５００℃が必要であり、７００～９００℃もの高温が必要である場合がある。
【0004】
熱分解が、廃棄物プラスチックを燃料に変換するための興味深い固体廃棄物管理技術であるので、そのエネルギー消費を最適化することによってそのエコロジカルフットプリントを低減する必要がある。上記を考慮して、上記の従来技術の懸念のいくつかを克服又は少なくとも最小化し得る熱分解システム及びプロセスが必要とされている。
【0005】
更に、プラスチック熱分解生成物は、カーボンフットプリントを低減するために隔離され得る比較的高い炭素含有量を有する。炭素は、炭素隔離反応器内でカーボンナノ繊維（ＣＮＦ）を生成することによって隔離され得る。既存の炭素隔離反応器は、ＣＮＦを除去するために間隔を置いて停止しなければならない半回分反応器である。上記を考慮して、上記の従来技術の懸念のいくつかを克服又は少なくとも最小化し得る炭素隔離反応器が必要とされている。
【発明の概要】
【0006】
したがって、本発明の目的は、上記の問題に対処することである。
【0007】
一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスが提供される。そのプロセスは、ガス入口を通して炭化水素化合物及び酸化炭素を含む連続ガス状流を、炭素隔離触媒粒子を含む反応チャンバに供給することと、反応チャンバの内部で、ガス入口の上方に取り付けられ、ガス入口から垂直方向に間隔を置いた第１のガス導管にガス状流を少なくとも部分的に導入することであって、第１のガス導管の両端部が開口している、導入することと、反応チャンバに収容された触媒粒子の床の上方に位置するガス出口を通して反応チャンバからガスを引き出すことと、を含み、それによって、動作中、触媒粒子は、ガス状流によって吸い上げられて流動化され、第１のガス導管とガス入口との間に画定された空間を通って、第１のガス導管の第１の端部を通って、第１のガス導管まで移動し、第１のガス導管の上部端部で出て、第１のガス導管の外側に落下して再循環される。
【0008】
一実施形態では、本プロセスは、触媒粒子がガス入口に流入することを防止すること、を更に含む。
【0009】
一実施形態では、酸化炭素は二酸化炭素を含む。反応チャンバに供給される連続ガス流中のＣ／ＣＯ２は、約０．５～２、別の実施形態では、約０．８～１．２であり得る。
【0010】
一実施形態では、ガス状混合物は、漏斗形状のテーパ部分を通って反応チャンバに供給され、触媒粒子は、第１のガス導管の外側に、反応チャンバのテーパ部分に向かって、落下して再循環される。
【0011】
一実施形態では、反応チャンバに供給されるガス状流のガス状混合物は、４００℃を超える温度を有する。
【0012】
一実施形態では、反応チャンバ内に含まれるガス状流のガス状混合物は、約５５０℃～約７００℃の温度を有する。
【0013】
一実施形態では、反応チャンバから引き出されるガスは、カーボンナノ繊維、炭化水素化合物、並びに一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つを含む。一実施形態では、本プロセスは、ガスからカーボンナノ繊維を回収するために、反応チャンバから引き出されたガスを濾過すること、を更に含む。一実施形態では、プロセスは、濾過したガスを除湿すること、を更に含む。
【0014】
一実施形態では、ガスは、反応チャンバから連続的に引き出される。
【0015】
一実施形態では、触媒粒子は、鉄系であり、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む。鉄系触媒粒子は、ニッケルを更に含み得る。
【0016】
一実施形態では、触媒粒子は、触媒粒子内に少なくとも１０ｗｔ％の鉄を含むＦｅ／Ａｌ２Ｏ３を含む。
【0017】
一実施形態では、触媒粒子は、約５００μｍより小さく、特定の実施形態では、触媒粒子は、約１５０μｍ～約５００μｍの直径を有する。
【0018】
一実施形態では、本プロセスは、炭化水素化合物を含む連続ガス状流を反応チャンバに供給する前に、液体の炭化水素化合物をガス状態に加熱すること、を更に含む。
【0019】
一実施形態では、ガス状流は、反応チャンバ内で約１秒～約１０秒の平均接触時間を有する。
【0020】
一実施形態では、触媒粒子の床にわたる圧力降下は、約０．５ａｔｍ～約４ａｔｍの範囲である。
【0021】
別の一般的な態様によれば、上記のプロセスによって生成されたカーボンナノ繊維が提供される。
【0022】
更に別の一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するプロセスが提供される。本プロセスは、熱分解反応器に炭素系原料を連続的に供給することと、熱分解生成物を生成するために、炭素系原料を熱分解することと、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことと、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を連続的に供給することであって、炭素隔離反応器が、カーボンナノ繊維を形成するための炭素隔離触媒を含む、供給することと、炭素隔離反応器からカーボンナノ繊維を含む炭素隔離反応器生成物を引き出すことと、を含む。
【0023】
一実施形態では、炭素隔離反応器から炭素隔離反応器生成物を引き出すことは、炭素隔離反応器から炭素隔離反応器生成物を連続的に引き出すこと、を含み、これは、カーボンナノ繊維を含む連続ガス流を引き出すことと同時に実行され得る。炭素隔離反応器から引き出された連続ガス流は、炭化水素化合物と、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つと、を含み得る。一実施形態では、本プロセスは、カーボンナノ繊維を回収するために、炭素隔離反応器から引き出された連続ガス流を濾過すること、を更に含む。
【0024】
一実施形態では、本プロセスは、熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤及び燃料を連続的に供給し、熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために熱分解反応器の酸化チャンバ内の燃料を少なくとも部分的に酸化すること、を更に含む。一実施形態では、プロセスは、熱分解生成物の少なくとも一部を酸化チャンバに供給される燃料として再循環すること、を更に含む。一実施形態では、本プロセスは、熱分解生成物をガス生成物と液体生成物とに分離することを更に含み、燃料は、熱分解生成物の分離から得られたガス生成物の少なくとも一部を含む。一実施形態では、本プロセスは、熱分解反応チャンバから引き出された熱分解生成物の少なくとも一部を凝縮し、凝縮後に、かつ酸化チャンバに供給された燃料として熱分解生成物の少なくとも一部を再循環することの前に、熱分解生成物の一部の圧力を上昇させること、を更に含む。
【0025】
酸化チャンバは、酸化剤及び燃料を連続的に供給され、並びに／あるいは熱分解反応チャンバは、炭素系原料を連続的に供給され得る。酸化剤は、空気及び酸素のうちの少なくとも１つを含み得る。燃料及び酸化剤は、約０．５～約１．１の範囲の比で、特定の実施形態では、約０．９～約１．１の範囲の比で、酸化チャンバに供給されてもよい。炭素系原料の熱分解は、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で、特定の実施形態では、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で、実行されてもよい。炭素系原料は、熱分解反応器の熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有し得る。
【0026】
一実施形態では、熱分解生成物の引き出しは連続的に実行される。
【0027】
一実施形態では、炭素系原料はプラスチック系原料であり、より具体的には、プラスチック系原料は実質的に塩素を含まなくてもよい。これは、約１．５ｃｍよりも小さく、特定の実施形態では、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有する、プラスチック粒子を含み得る。
【0028】
一実施形態では、炭素系原料の熱分解は、流動化粒子床を含む熱分解反応器の熱分解チャンバ内で実施される。流動化粒子床は、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される不活性無機粒子及び／又は熱触媒粒子を含み得る。
【0029】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給することは、反応チャンバのテーパ部分に位置するガス入口を通して炭素隔離反応器の反応チャンバに供給すること、を含む。
【0030】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給される熱分解生成物の少なくとも一部は、約０．５～約２のＣ／ＣＯ２比を有する炭化水素化合物及び酸化炭素を含む。
【0031】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給される熱分解生成物の少なくとも一部は、４００℃を超える温度を有する。
【0032】
一実施形態では、炭素隔離触媒は、約５００μｍより小さい鉄系触媒粒子を含み、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む。鉄系触媒粒子は、ニッケルを更に含み得る。
【0033】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給することは、炭素隔離反応器にガス状態の熱分解生成物の少なくとも一部を供給すること、を含む。一実施形態では、本プロセスは、炭素隔離反応器に供給する前に、熱分解生成物の少なくとも一部をガス状態に変換すること、を更に含む。
【0034】
一般的な態様によれば、上記のプロセスによって生成されたカーボンナノ繊維が提供される。
【0035】
更なる一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスが提供される。本プロセスは、熱分解反応器に炭素系原料を供給することと、熱分解生成物を生成するために炭素系原料を熱分解することと、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことと、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を供給することであって、炭素隔離反応器が、カーボンナノ繊維及びガス状生成物を形成するために炭素隔離触媒を含む、供給することと、炭素隔離反応器からカーボンナノ繊維を引き出すことと、水素と、カーボンブラック及びグラフェンのうちの少なくとも１つと、を含むガス状生成物を含むプラズマ反応器生成物を生成するために、プラズマ反応器に炭素隔離反応器のガス状生成物の少なくとも一部を供給することと、熱分解反応器に炭素隔離反応器からのガス状生成物の少なくとも一部を供給することと、を含む。
【0036】
一実施形態では、熱分解反応器に炭素系原料、及びプラズマ反応器からのガス状生成物の少なくとも一部を供給することは、熱分解反応器に炭素系原料、及びプラズマ反応器からのガス状生成物の少なくとも一部を連続的に供給すること、を含み、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことは、熱分解反応器から熱分解生成物を連続的に引き出すこと、を含む。
【0037】
一実施形態では、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を供給することは、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を連続的に供給すること、を含み、炭素隔離反応器からカーボンナノ繊維を引き出すことは、炭素隔離反応器からカーボンナノ繊維を連続的に引き出すことであって、これが、カーボンナノ繊維を含有する連続ガス流を引き出すことと同時に実行され得る、引き出すこと、を含む。
【0038】
一実施形態では、プラズマ反応器に炭素隔離反応器のガス状生成物の少なくとも一部を供給することは、プラズマ反応器に炭素隔離反応器のガス状生成物の少なくとも一部を連続的に供給すること、を含む。炭素隔離反応器から引き出された連続ガス流は、炭化水素化合物と、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、及び水蒸気のうちの少なくとも１つと、を含み得る。一実施形態では、本プロセスは、カーボンナノ繊維を回収するために、炭素隔離反応器から引き出された連続ガス流を濾過すること、を更に含む。
【0039】
一実施形態では、本プロセスは、熱分解反応器の酸化チャンバ内のプラズマ反応器からのガス状生成物の少なくとも一部を少なくとも部分的に酸化して、熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために、熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤を連続的に供給すること、を更に含む。一実施形態では、本プロセスは、熱分解生成物の少なくともガス状部分を熱分解反応器の酸化チャンバに再循環すること、を更に含む。熱分解反応器に炭素系原料を供給することは、熱分解反応器の熱分解反応チャンバに炭素系原料を供給すること、を含み得る。プラズマ反応器からのガス状生成物の少なくとも一部、及び酸化剤は、約０．５～約１．１の範囲の比で、特定の実施形態では、約０．９～約１．１の範囲の比で、酸化チャンバに供給され得る。
【0040】
一実施形態では、炭素系原料の熱分解は、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で、特定の実施形態では、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で、実行される。
【0041】
一実施形態では、炭素系原料は、熱分解反応器の熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有する。
【0042】
一実施形態では、炭素系原料はプラスチック系原料であり、より具体的には、プラスチック系原料は実質的に塩素を含まなくてもよい。これは、約１．５ｃｍよりも小さく、特定の実施形態では、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有する、プラスチック粒子を含み得る。
【0043】
一実施形態では、炭素系原料の熱分解は、流動化粒子床を含む熱分解反応器の熱分解チャンバ内で実施される。流動化粒子床は、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される不活性無機粒子及び／又は熱触媒粒子を含み得る。
【0044】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給することは、反応チャンバのテーパ部分に位置するガス入口を通して炭素隔離反応器の反応チャンバに供給すること、を含む。
【0045】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給される熱分解生成物の少なくとも一部は、約０．５～約２のＣ／ＣＯ２比を有する炭化水素化合物及び酸化炭素を含む。
【0046】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給される熱分解生成物の少なくとも一部は、４００℃を超える温度を有する。
【0047】
一実施形態では、炭素隔離触媒は、約５００μｍより小さい鉄系触媒粒子を含み、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含む。鉄系触媒粒子は、ニッケルを更に含み得る。
【0048】
一実施形態では、炭素隔離反応器に供給することは、炭素隔離反応器にガス状態の熱分解生成物の少なくとも一部を供給すること、を含む。
【0049】
一実施形態では、本プロセスは、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を供給する前に、固体粒子を少なくとも部分的に除去するために熱分解生成物を濾過すること、を更に含む。
【0050】
一実施形態では、炭素隔離反応器のガス状生成物は、水、水素及び一酸化炭素を含み、本プロセスは、プラズマ反応器に炭素隔離反応器のガス状生成物の少なくとも一部を供給する前に、炭素隔離反応器のガス状生成物から水、水素及び一酸化炭素を少なくとも部分的に除去すること、を更に含む。一実施形態では、本プロセスは、熱分解反応器に、炭素隔離反応器のガス状生成物から回収された一酸化炭素の少なくとも一部を供給すること、を更に含む。一実施形態では、本プロセスは、熱分解反応器に、炭素隔離反応器のガス状生成物から回収された水素の少なくとも一部を供給すること、を更に含む。
【0051】
一実施形態では、本プロセスは、カーボンブラック及びグラフェンのうちの少なくとも１つと、プラズマ反応器生成物のガス状生成物とを分離すること、を更に含み、これは、プラズマ反応器生成物の濾過によって実施され得る。一実施形態では、本プロセスは、炭素隔離反応器に供給するために、プラズマ反応器生成物のガス状生成物の少なくとも一部を再循環すること、を更に含む。プラズマ反応器生成物のガス状生成物は、水素と、軽質炭化水素と、を含み得る。
【0052】
一般的な態様によれば、上記のプロセスによって生成されたカーボンナノ繊維、グラフェン、及び／又はカーボンブラックが提供される。
【0053】
別の一般的な態様によれば、ハウジングと、炭素隔離ユニットと、を備える、カーボンナノ繊維を生成するための炭素隔離反応器が提供される。テーパ部分を有し、かつ触媒粒子を収容する反応チャンバを、ハウジングは画定する。ハウジングは、内部に画定されたガス入口及びガス出口を有し、ガス入口は、反応チャンバのテーパ部分に開口し、ガス出口は、反応チャンバに収容された触媒粒子の床の上方に位置する。炭素隔離ユニットは、反応チャンバの内側に位置し、第１のガス導管を備え、第１のガス導管は、ガス入口の上方に取り付けられてガス入口から垂直方向に間隔を置いており、第１のガス導管の両端部は開口している。
【0054】
一実施形態では、第１のガス導管は、ガス入口と同軸である。第１のガス導管は、ガス入口と位置合わせされ得る。
【0055】
一実施形態では、炭素隔離反応器は、反応チャンバ内に延在する第２のガス導管を更に備え、第２のガス導管は、ハウジングに取り付けられてガス入口に外接する第１の端部と、第１のガス導管の第１の端部から間隔を置いた、第１の端部と同軸の第２の端部と、を有する。第１のガス導管の第１の端部、及び第２のガス導管の第２の端部は、位置合わせされ得る。
【0056】
一実施形態では、炭素隔離反応器は、炭素隔離触媒粒子がガス入口を通って反応チャンバの外側に流れること防止するために、ガス入口を覆う格子を更に備える。
【0057】
一実施形態では、炭素隔離反応器は、炭素隔離触媒粒子の床を更に備え、これは、鉄系であり、少なくとも５０％ｍｏｌの鉄を含み得る。一実施形態では、鉄系触媒粒子は、ニッケルを更に含んでもよい。一実施形態では、触媒粒子は、触媒粒子内に少なくとも１０ｗｔ％の鉄を含むＦｅ／Ａｌ２Ｏ３を含む。
【0058】
一実施形態では、触媒粒子は、約５００μｍより小さく、特定の実施形態では、約１５０μｍ～約５００μｍの直径を有する。
【0059】
一実施形態では、炭素隔離反応器は、ガス入口と流体連通する二酸化炭素供給源を更に備える。
【0060】
別の一般的な態様によれば、熱分解反応器を備える熱分解システムが提供される。熱分解反応器は、熱分解反応チャンバを画定するハウジングと、仕切り格子により熱分解反応チャンバから分離され、熱分解反応チャンバの下に位置する酸化チャンバと、を含む。ハウジングは、熱分解反応チャンバに開口した炭素系原料入口と、熱分解反応チャンバに開口した熱分解生成物出口と、酸化チャンバとガス連通する燃料入口と、を有する。熱分解生成物出口は、熱分解反応器の燃料入口と流体連通して、熱分解生成物を熱分解反応器の酸化チャンバに、少なくとも部分的に導く。
【0061】
一実施形態では、熱分解生成物出口に接続され、熱分解生成物をガス状燃料と液体生成物とに分離する相分離ユニットを、熱分解システムは更に備え、熱分解生成物出口は、相分離ユニットを少なくとも介して熱分解反応器の燃料入口と流体連通して、ガス状燃料を熱分解反応器の酸化チャンバに、少なくとも部分的に導く。
【0062】
一実施形態では、燃料入口は、ガス状燃料供給源及び酸化剤供給源とガス連通しており、それらは、空気供給源及び酸素供給源のうちの少なくとも１つを備えてもよい。
【0063】
一実施形態では、熱分解システムは、熱分解生成物出口及び燃料入口と流体連通する熱分解生成物再循環導管と、燃料入口の上流及び酸化剤供給源の下流で、熱分解生成物再循環導管とガス連通する熱分解生成物再循環導管に取り付けられた混合器と、を更に備える。
【0064】
一実施形態では、仕切り格子は、約１５００℃を超える温度に耐え得るセラミック材料で少なくとも部分的に製造される。仕切り格子は、約０．１ｃｍより小さい直径を有する複数の開口部を備え得る。
【0065】
一実施形態では、熱分解システムは、熱分解のため、熱分解反応チャンバにプラスチック粒子を供給するために炭素系原料入口に接続されたプラスチック粒子供給源を更に備える。
【0066】
一実施形態では、熱分解反応チャンバの容積は、酸化チャンバ及び熱分解反応チャンバの総容積の約８０％～９５％である。
【0067】
一実施形態では、熱分解生成物出口の下流に取り付けられ、熱分解生成物出口及び燃料入口とガス連通する、凝縮器及びブースタを、熱分解システムは更に備え、ブースタは、燃料入口に導かれる前にガス状燃料のガス圧を上昇させるように構成される。
【0068】
一実施形態では、熱分解反応チャンバは粒子床を含む。粒子床は、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される不活性無機粒子及び／又は熱触媒粒子を含み得る。
【0069】
更に別の一般的な態様によれば、熱分解プロセスが提供され、それは、熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤及び燃料を供給することと、熱分解反応器の熱分解反応チャンバに熱を供給するために、熱分解反応器の酸化チャンバ内の燃料を少なくとも部分的に酸化することと、燃料の少なくとも部分的な酸化によって生成された熱を使用して炭素系原料を熱分解するために熱分解反応器の熱分解反応チャンバに炭素系原料を供給することと、熱分解反応器の熱分解反応チャンバから熱分解生成物を引き出すことと、熱分解生成物の少なくとも一部を燃料として酸化チャンバに供給されるように再循環することと、を含む。
【0070】
一実施形態では、熱分解プロセスは、ガス生成物及び液体生成物への熱分解生成物を更に含み、燃料は、熱分解生成物の分離から得られたガス生成物の少なくとも一部を含む。
【0071】
一実施形態では、酸化チャンバは、酸化剤及び燃料を連続的に供給され、熱分解反応チャンバは、炭素系原料を連続的に供給される。熱分解生成物は、熱分解反応チャンバから連続的に引き出され得る。
【0072】
一実施形態では、酸化剤は、空気及び酸素のうちの少なくとも１つを含む。
【0073】
一実施形態では、炭素系原料はプラスチック系原料であり、より具体的には、プラスチック系原料は実質的に塩素を含まなくてもよい。これは、約１．５ｃｍよりも小さく、特定の実施形態では、約０．１ｃｍ～１．３ｃｍの直径を有する、プラスチック粒子を含み得る。
【0074】
一実施形態では、炭素系原料の熱分解は、約５５０℃～約９００℃の範囲の温度で、特定の実施形態では、約６００℃～約８５０℃の範囲の温度で、実行される。
【0075】
一実施形態では、炭素系原料は、熱分解反応器の熱分解反応チャンバ内で約５秒～約１０秒の平均滞留時間を有する。
【0076】
一実施形態では、酸化チャンバに酸化剤及び燃料を供給し、熱分解反応チャンバに炭素系原料を供給することは、連続的に実行される。
【0077】
一実施形態では、熱分解生成物の引き出しは連続的に実行される。
【0078】
一実施形態では、熱分解プロセスは、熱分解反応チャンバから引き出された熱分解生成物の少なくとも一部を凝縮し、凝縮後に、かつ熱分解生成物の少なくとも一部を酸化チャンバに供給される燃料として再循環することの前に、熱分解生成物の一部の圧力を上昇させること、を更に含む。
【0079】
一実施形態では、燃料及び酸化剤は、約０．５～約１．１の範囲の比で、特定の実施形態では、約０．９～約１．１の範囲の比で酸化チャンバに供給される。
【0080】
一実施形態では、炭素系原料の熱分解は、流動化粒子床を含む熱分解反応器の熱分解チャンバ内で実施される。流動化粒子床は、ドロマイト又はＮｉ－Ａｌ－スピネル含有粒子を備える群から選択される不活性無機粒子及び／又は熱触媒粒子を含み得る。
【0081】
一実施形態では、酸化チャンバに供給される燃料は、炭化水素、一酸化炭素、及び水素のうちの少なくとも１つを含む。
【0082】
一実施形態では、軽質炭化水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水、及び水素のうちの少なくとも１つを熱分解反応チャンバから引き出された熱分解生成物。
【0083】
更なる一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスが提供される。本プロセスは、熱分解反応器に炭素系原料を連続的に供給することと、熱分解生成物を生成するために炭素系原料を熱分解することと、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことと、炭素隔離反応器に熱分解生成物の少なくとも一部を連続的に供給することであって、炭素隔離反応器が、カーボンナノ繊維を形成するための炭素隔離触媒を含む、供給することと、炭素隔離反応器からカーボンナノ繊維を引き出すことと、を含む。
【0084】
一実施形態では、カーボンナノ繊維は、炭素隔離反応器から連続的に引き出される。
【0085】
一実施形態では、炭素系原料は、プラスチック系原料である。
【0086】
一実施形態では、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことは、熱分解反応器から熱分解生成物を連続的に引き出すこと、を含む。
【0087】
一実施形態では、熱分解反応器から熱分解生成物を引き出すことは、熱分解反応器から熱分解生成物の気相を連続的に引き出すこと、を含む。
【0088】
なお更なる一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するための炭素隔離反応器が提供され、それは、テーパ部分を有する反応チャンバを画定して、触媒粒子を含有するハウジングであって、ハウジングが、内部に画定されたガス入口及びガス出口を有し、ガス入口が、反応チャンバのテーパ部分に開口し、ガス出口が、反応チャンバの出口部分に位置し、触媒粒子の床の上方に位置する、ハウジングと、反応チャンバの内側に位置する炭素隔離ユニットであって、炭素隔離ユニットが、第１のガス導管を備え、第１のガス導管が、ガス入口の上方に取り付けられ、ガス入口から垂直方向に間隔を置いており、第１のガス導管の両端部が開口している、炭素隔離ユニットと、を備える。
【0089】
一実施形態では、第１のガス導管は、ガス入口と同軸である。
【0090】
なお更なる一般的な態様によれば、カーボンナノ繊維を生成するためのプロセスが提供される。本プロセスは、炭素隔離触媒粒子を含む反応チャンバに、炭化水素化合物及び酸化炭素を含む連続ガス状流を、反応チャンバのテーパ部分に位置するガス入口を通して供給することと、反応チャンバ内で、ガス入口の上方に取り付けられ、ガス入口から垂直方向に間隔を置いた第１のガス導管にガス状流を少なくとも部分的に導入することであって、第１のガス導管の両端部が開口している、導入することと、反応チャンバの出口部分に位置し、触媒粒子の床の上にあるガス出口を通って反応チャンバからガスを引き出すことと、を含み、それによって、動作中、触媒粒子は、ガス状流によって吸い上げられて流動化され、第１のガス導管とガス入口との間に画定された空間を通って、第１のガス導管の第１の端部を通って第１のガス導管まで移動し、第１のガス導管の上部端部で出て、第１のガス導管の外側に、及び反応チャンバのテーパ部分に向かって、落下して再循環される。
【0091】
一実施形態では、本プロセスは、触媒粒子がガス入口に流入することを防止すること、を更に含む。
【0092】
一実施形態では、酸化炭素は二酸化炭素を含む。
【0093】
一実施形態では、ガス状混合物は、漏斗形状部分を通って反応チャンバに供給される。
【0094】
一実施形態では、反応チャンバに供給されるガス状流のガス状混合物は、４００℃を超える温度を有する。
【0095】
一実施形態では、反応チャンバ内に含まれるガス状流のガス状混合物は、約４００℃～約６００℃の温度を有する。
【0096】
一実施形態では、本プロセスは、ガスからカーボンナノ繊維を回収するために反応チャンバから引き出されたガスを濾過すること、を更に含む。
【0097】
一般的な態様によれば、熱分解システムが提供され、それは、熱分解反応器を備え、熱分解反応器は、熱分解反応チャンバ及び酸化チャンバを画定するハウジングを含み、酸化チャンバは、仕切り格子により熱分解反応チャンバから分離され、熱分解反応チャンバの下に位置し、ハウジングは、熱分解反応チャンバ内に開口した炭素系原料入口と、熱分解反応チャンバ内に開口した熱分解生成物出口と、酸化チャンバとガス連通する燃料入口と、を有し、熱分解生成物出口は、熱分解生成物を熱分解反応器の酸化チャンバに少なくとも部分的に導くために、熱分解反応器の燃料入口と流体連通する。
【0098】
一実施形態では、熱分解生成物出口に接続され、熱分解生成物をガス状燃料と液体生成物とに分離する相分離ユニットを、熱分解システムは更に備え、熱分解生成物出口は、相分離ユニットを少なくとも介して熱分解反応器の燃料入口と流体連通して、ガス状燃料を熱分解反応器の酸化チャンバに、少なくとも部分的に導く。
【0099】
一実施形態では、燃料入口は、ガス状燃料供給源及び酸化剤供給源とガス連通する。酸化剤供給源は、空気供給源及び酸素供給源のうちの少なくとも１つを含み得る。熱分解システムは、熱分解生成物出口及び燃料入口と流体連通する熱分解生成物再循環導管と、燃料入口の上流及び酸化剤供給源の下流で、熱分解生成物再循環導管とガス連通する熱分解生成物再循環導管に取り付けられた混合器と、を更に備え得る。
【0100】
一実施形態では、熱分解反応器に再循環された熱分解生成物は、燃料入口を通して酸化チャンバに供給される。
【0101】
別の一般的な態様によれば、熱分解プロセスが提供され、それは、熱分解反応器の酸化チャンバに酸化剤及び燃料を供給することと、熱分解反応器の熱分解反応チャンバを加熱するために、熱分解反応器の酸化チャンバ内の燃料を少なくとも部分的に酸化することと、燃料を少なくとも部分的に酸化することによって生成された熱を使用して炭素系原料を熱分解するために、熱分解反応器の熱分解反応チャンバに炭素系原料を供給することと、熱分解反応器の熱分解反応チャンバから熱分解生成物を引き出すことであって、酸化チャンバに供給される燃料が、熱分解生成物の少なくとも一部を含む、引き出すことと、を含む。
【0102】
一実施形態では、熱分解システムは、熱分解生成物をガス生成物と液体生成物とに分離することを更に含み、熱分解生成物の少なくとも一部は、熱分解生成物の分離から得られたガス生成物の少なくとも一部を含む。
【0103】
一実施形態では、熱分解システムは、熱分解生成物をガス生成物と液体生成物とに分離することを更に含み、熱分解生成物の少なくとも一部は、熱分解生成物の分離から得られたガス生成物の少なくとも一部である。
【0104】
一実施形態では、酸化チャンバは、酸化剤及び燃料を連続的に供給され、熱分解反応チャンバは、炭素系原料を連続的に供給される。熱分解生成物は、熱分解反応チャンバから連続的に引き出され得る。
【0105】
一実施形態では、酸化剤は、空気及び酸素のうちの少なくとも１つを含む。
【0106】
一実施形態では、炭素系原料は、プラスチック系原料である。
【0107】
本明細書では、「炭化水素化合物」という用語は、炭化水素及び酸素炭化水素、すなわち炭素及び水素に加えて１つ又は複数の酸素分子を含む有機分子を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【0108】
【図1】一実施形態による、熱分解システムのフロー図である。
【図4】別の実施形態による、熱分解システムのフロー図であり、システムは、熱分解プロセス中に生成されたガス状燃料のための再循環ループを含まない。
【図5】一実施形態による、カーボンナノ繊維製造システムのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0109】
添付の図面を通して、同様の特徴は同様の参照番号によって識別されることに留意されたい。
【0110】
更に、流動床熱分解装置、熱分解システム、炭素隔離反応器及びシステム並びにそれらの対応する部分の実施形態を、本明細書で説明し、例示する特定の幾何学的構成を備えるが、これらの構成要素及び幾何学的形状のすべてが必須であるわけではなく、したがってそれらの限定的な意味で解釈されるべきではない。当業者には明らかなように、他の適切な構成要素及びそれらの間の協働、並びに他の適切な幾何学的構成が、本明細書で簡単に説明され、当業者によって本明細書から容易に推測され得るように、流動床熱分解装置、熱分解システム、炭素隔離反応器及びシステムに使用され得ることが理解されるべきである。更に、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「左方（ｌｅｆｔ）」、「右方（ｒｉｇｈｔ）」などの位置の説明は、特に指示がない限り、図面の文脈で解釈されるべきであり、限定的であると見なされるべきではないことが理解されよう。
【0111】
以下の説明において、同じ参照符号は同様の要素を指す。更に、簡潔さ及び明確さのために、すなわち、いくつかの参照番号を有する図に過度に負担をかけないように、すべての図がすべての構成要素及び特徴への参照を含むわけではなく、いくつかの構成要素及び特徴への参照は１つの図にのみ見出すことができ、他の図に示している本開示の構成要素及び特徴はそこから容易に推測され得る。図面に示している実施形態、幾何学的構成、言及した材料及び／又は寸法は任意選択であり、例示のみを目的として与えられている。
【0112】
更に、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「前方（ｆｏｒｗａｒｄ）」、「後方（ｒｅａｒｗａｒｄ）」、「左方（ｌｅｆｔ）」、「右方（ｒｉｇｈｔ）」などの位置の説明は、特に明記しない限り、図の文脈で解釈されるべきであり、動作中の流動床熱分解装置及び炭素隔離反応器の位置及び向きに対応することが理解されよう。位置の説明は限定的であると見なされるべきではない。
【0113】
以下の説明では、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語は、当業者によって決定される特定の値の許容可能な誤差範囲内を意味し、値がどのように測定又は決定されるか、すなわち測定システムの制限に、部分的に依存する。１０％精度の尺度が許容可能であり、「約（ａｂｏｕｔ）」という用語を包含することが一般に受け入れられている。
【0114】
一実施形態によれば、一実施形態ではバブリング流動床熱分解装置である流動床熱分解装置が提供され、それは、自己熱的に作動することができ（自己熱流動床熱分解装置（ＡＴＰ）とも呼ばれる）、熱分解反応は、反応自体によって生成された熱エネルギーのみを使用して、合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｇａｓ）（又は合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）、すなわち炭化水素から生成され、主な成分として水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）を含み、残りの成分として二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）などを含む原料ガス）を生成する。流動床熱分解装置は、熱分解反応器とも呼ばれ、熱分解システムに含められ得る。流動床熱分解装置内では、燃料の部分酸化と、それに続く炭素系（又は炭素質）原料の熱分解（ｔｈｅｒｍｏｌｙｓｉｓ）（又は熱分解（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ））が実行される。以下に詳細に説明するように、ガス状料の部分酸化は、炭素質材料の熱分解のための熱エネルギーを生成する。
【0115】
熱分解反応器のための原料は、限定はしないが、プラスチック廃棄物、木材、バイオマス、製紙工場残渣などを含む炭素系材料を含んでもよい。また、いくつかの炭素系材料と他の汚染物質との混合物を含んでもよい。一実施形態では、原料は、任意の熱分解性有機物含有材料を含む。一実施形態では、熱分解反応器の炭素質原料は、実質的に塩素を含まない（不可避の汚染物質を除く）。一実施形態では、炭素質原料は、約１．５ｃｍ未満、別の実施形態では、約０．１ｃｍ～約１．３ｃｍの粒子として供給される。
【0116】
熱分解反応生成物は、大部分がガス状態で熱分解反応器から引き出され、以下で詳細に説明するように、燃料として、合成ガス又は水素の原料として、及びカーボンナノ繊維及び／又はカーボンブラックを製造するための原料として、使用され得る、いくつかの成分を含む。
【0117】
一実施形態では、流動床熱分解装置及び関連する熱分解プロセスは、連続的又は半連続的（半回分）で動作するように構成される。したがって、炭素質原料及び燃料は、流れとして供給され、熱分解生成物は、熱分解反応器から引き出される。一実施形態では、燃料は、ガス状燃料である。別の実施形態では、熱分解生成物は、熱分解反応器から連続的に引き出される。一実施形態では、熱分解生成物の気相は、熱分解反応器から連続的に引き出され、固相及び／又は液相は、断続的に、すなわちバッチによって引き出される。
【0118】
カーボンナノ繊維（ＣＮＦ）を生成するための炭素隔離反応器も提供される。炭素隔離反応器は、カーボンナノ繊維製造システムに含められ、ここで、注入物は少なくとも部分的であり、熱分解システムの生成物の一部であり、すなわち、カーボンナノ繊維製造システムは、熱分解システムの下流に取り付けられ、そのガス状生成物が供給される。一実施形態では、炭素隔離反応器及び関連する炭素隔離プロセスは、連続的に動作するように構成される。
【0119】
より詳細には、図１～図３を参照すると、熱分解反応器２２（自己熱分解装置とも呼ばれる）を含む熱分解システム２０の実施形態を示している。熱分解反応器２２は、２つのサブチャンバ、つまり、酸化チャンバ２６ａと、熱分解反応（又は熱分解）チャンバ２６ｂと、に分割された内部チャンバ２６を画定するハウジング（又は反応器容器）２４を含む。ガス流に関して、酸化チャンバ２６ａは、熱分解反応チャンバ２６ｂの下流に位置する。非限定的な実施形態では、熱分解反応チャンバの容積は、酸化チャンバ及び熱分解反応チャンバの総容積の約８０％～約９５％である。
【0120】
図１～図３に示す実施形態では、酸化チャンバ２６ａと熱分解反応（又は熱分解）チャンバ２６ｂとは流体連通しているが、ガスが流れることを可能にする仕切り（又は流動化）格子２８（図１）によって分離されている。図示の実施形態では、酸化チャンバ２６ａは、熱分解反応チャンバ２６ｂの下に位置する、すなわち、ハウジング２４の下部に位置する。
【0121】
流動床は、熱分解反応チャンバ２６ｂ内に位置し、すなわち、酸化チャンバ２６ａは、流動床粒子を実質的に含まない。したがって、内部チャンバ２６を酸化チャンバ２６ａと熱分解反応（又は熱分解）チャンバ２６ｂとに分割する仕切り格子２８は、ガスが流れることを可能にするが、流動床粒子が酸化チャンバ２６ａに流れることを防止するように設計される。
【0122】
非限定的な実施形態では、仕切り格子２８は、１５００℃以上の温度に耐え得るセラミック材料で製造され、酸化チャンバ２６ａに供給されるガス状燃料の実質的な酸化を可能にするように設計される構成である。非限定的な実施形態では、仕切り格子２８は、貫通して延在する複数の開口部を有する。開口部は、ガスが流れることを可能にするが、プラスチック及び流動床粒子が酸化チャンバ２６ａに流れることを防止するために、約０．１ｃｍより小さい直径を有する。
【0123】
図示の実施形態では、ハウジング２４は、熱分解反応チャンバ２６ｂに開口する炭素系材料入口３０と、熱分解反応チャンバ２６ｂに開口する熱分解生成物出口３２と、酸化チャンバ２６ａに開口して流体連通する燃料入口３４と、を有する。図示の実施形態では、酸化反応において酸化剤として作用する空気２７及び／又は酸素２９、並びに燃料は、熱分解反応器２２に供給される前に、例えば、混合器内で混合される。したがって、いくつかの実施形態では、熱分解システム２０は、燃料入口３４の下流に位置する混合器を含む。しかしながら、代替的な実施形態（図示せず）では、ハウジング２４は、空気２７及び／又は酸素２９の入口に加えて燃料入口を含むことができ、両方とも酸化チャンバ２６ａ内で開口していることが理解される。
【0124】
一実施形態では、燃料は、酸化チャンバ２６ａに供給されるとガス状態にあり、そこで燃焼が点火される。燃料がガス状態で供給されるとき、燃料入口３４の上流に位置する混合器は、ガス混合器とすることができる。
【0125】
ここで図１に示す非限定的な実施形態に戻ると、熱分解生成物出口３２に接続され、熱分解生成物６０をガス状燃料６２と液体生成物６４とに分離する相分離ユニット４０を、熱分解システム２０はまた、含むことを示している。より具体的には、熱分解生成物は、熱分解生成物出口３２を通って熱分解反応器２２から出るとき、ガス状態である。次いで、それらは相分離ユニット４０に導かれ、そこでそれらは部分的に凝縮され、液体及びガス生成物は、互いに少なくとも部分的に分離され、すなわちガス状燃料６２及び液体生成物６４である。
【0126】
相分離ユニット４０は、燃料導管３８（又は熱分解生成物再循環導管）を介して、ガス状燃料６２を熱分解反応器２２の酸化チャンバ２６ａに少なくとも部分的に再循環するために、熱分解反応器２２のガス状反応物入口３４（又は燃料入口３４）とガス連通する。したがって、熱分解反応器２２を出る廃棄物可燃性ガスは、熱分解反応器２２の下部セクション、すなわち酸化チャンバ２６ａに少なくとも部分的に再導入され、それらの発熱性酸化反応を介して、上部セクション、すなわち熱分解反応チャンバ２６ｂで生じる炭素質原料の熱分解のための熱（又は熱エネルギー）を提供する。したがって、原料熱分解に必要なエネルギーは、熱分解生成物の一部の酸化によって、同じ単一の熱分解反応器２２（又はそれと流体連通し、熱分解システム２０の一部である任意の他の熱分解反応器）内で、少なくとも部分的に提供される。
【0127】
代替の実施形態では、熱分解システムは、相分離ユニットを含まなくてもよく、熱分解反応器２２を出る熱分解生成物６０は、熱分解反応器２２の酸化チャンバ２６ａに少なくとも部分的に供給されてもよい。熱分解生成物６０は、ガス状態であってもよく、又は液相を含んでもよい。熱分解生成物出口３２は、熱分解生成物再循環導管３８を介して熱分解反応器２２の燃料入口３４と流体連通して、熱分解生成物に含まれるガス状態の燃料を、熱分解反応器２２の酸化チャンバ２６ａに少なくとも部分的に再循環し得る。
【0128】
一実施形態では、熱分解プロセスの非凝縮性生成物（すなわち、室温で非凝縮性成分）の少なくとも一部は、自己熱熱分解プロセスの酸化反応のための燃料として再循環される。非凝縮性生成物は、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、及びＣ３Ｈ８などの軽質炭化水素を含んでもよい。
【0129】
これにより、酸化チャンバ２６ａでは、部分酸化が実施される。部分酸化は、熱エネルギーを生成する発熱反応であり、これは、上に要約したように、酸化チャンバ２６ａの上方に位置する熱分解反応チャンバ２６ｂで熱分解（又は熱分解（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｒａｃｋｉｎｇ））を実施するために使用され得る。
【0130】
部分酸化が原料熱分解に必要な熱エネルギーの少なくとも一部を供給する場合でも、熱分解システム２０は、外部エネルギー供給源（図示せず）を含んでもよい。一実施形態では、供給された外部エネルギーは、十分な燃料が生成され、酸化チャンバ２６ａに再循環され、部分的に酸化されて炭素質原料熱分解のための熱を生成するまで、熱分解プロセスの開始時に使用される。例えば、限定的ではないが、外部エネルギー供給源は、反応器２２内の温度が約７００℃～約８００℃に達するまで使用されてもよい。熱分解生成物から得られた再循環燃料と組み合わせて、又は再循環燃料の代わりに、熱分解反応器２２がその運用体制に達した後に使用されてもよい。
【0131】
一実施形態では、熱分解反応器によって生成された燃料の一部のみが、炭素質材料の熱分解に十分な熱エネルギーを提供する。しかしながら、上述のように、熱分解反応器によって生成された燃料は、例えば、炭素系原料の組成の変動にもかかわらず実質的に一定の炭化剤組成を維持するために、外部の炭化剤供給源と組み合わせられてもよい。
【0132】
したがって、熱分解反応器２２の熱分解反応チャンバ２６ｂには、プラスチック廃棄物など、炭素質原料が供給される。熱分解は、熱分解反応チャンバ２６ｂの内部で、約５５０℃～９００℃、いくつかの実施形態では、約６００℃～８５０℃の範囲の温度で生じる。熱分解反応チャンバ２６ｂは、流動床を含み、流動床は、かんらん石若しくはアルミナ若しくはケイ砂など、限定的ではない、不活性無機粒状材料、又は約５００μｍ未満、一実施形態では約１００μｍ～約５００μｍの粒子を含む、ドロマイト若しくはＮｉ－Ａｌ－スピネル担持床など、限定的ではない、熱触媒材料として寄与する成分、のいずれかであり得る。不活性無機粒状材料は、純粋又は混合物、例えば、採掘残渣又は冶金残渣であり得ることが理解される。
【0133】
一実施形態では、内部チャンバ２６を画定するハウジング２４の内壁は、セラミックベースのコーティングで裏打ちされている。
【0134】
更に図１を参照すると、熱分解システム２０の非限定的な実施形態を更に詳細に説明する。熱分解システム２０又はその変形は、炭素質原料の熱分解を実行するために使用され得る。
【0135】
炭素質原料は、原料リザーバ５０内に収容され、エンドレススクリューコンベア５２を介して熱分解反応器２２に供給される。炭素質原料を熱分解反応器２２に供給する供給システムは、図示の実施形態とは異なり得ることが理解される。炭素質原料は、原料（有機材料）入口３０を介して内部チャンバ２６、より具体的には熱分解反応チャンバ２６ｂの内部に入る。
【0136】
図示の非限定的な実施形態では、エンドレススクリューコンベア５２は、水（水入口５３ａ、水出口５３ｂ）で冷却されたモータ／ギアボックスアセンブリ５４によって作動される。
【0137】
熱分解反応器２２は、ガス状燃料であり得る燃料と、その下部の酸化剤（空気２７、酸素２９、又はそれらの混合物）と、が供給される。より詳細には、燃料及び酸化剤は、燃料入口３４を介して酸化チャンバ２６ａに入る。燃料及び酸化剤の各々は、熱分解反応器のハウジング内にそれ自体の入口を有し得ることが理解される。いくつかの実施形態では、酸化剤（空気２７及び／又は酸素２９）は、約０．５～約１．１の範囲の化学量論比、別の実施形態では、約０．９～約１．１の範囲の化学量論比で燃料が供給される。
【0138】
したがって、熱分解反応器２２には、部分酸化反応を実行するために燃料と酸化剤（空気２７及び／又は酸素２９）との混合物が供給され、これは、熱分解反応器２２の酸化チャンバ２６ａ内での発熱であり、熱分解反応器２２内で実行される別の反応、より具体的には、熱分解反応のための熱エネルギーを生成する。
【0139】
上述のように、一実施形態では、熱分解システム２０は、燃料入口３４の下流に位置するガス混合器など、限定的でない、混合器を含む。しかしながら、代替的な実施形態（図示せず）では、ハウジング２４は、空気及び／又は酸素入口に加えて燃料入口を含み得ることが理解される。
【0140】
上記のように、熱分解反応器２２は、有機系原料（又は炭素質原料若しくは炭素系原料）が供給される。熱分解反応器２２の熱分解反応チャンバ２６ｂで生じる熱分解反応は、部分酸化反応からの熱エネルギーを必要とする吸熱反応である。上述のように、熱分解は、熱分解反応チャンバ２６ｂの内部で約６００℃～９００℃の範囲の温度で生じる。
【0141】
図示の実施形態では、熱分解反応器２２は、バブリング流動床を含む。しかしながら、それは、循環流動床を含み得ることが理解される。
【0142】
非限定的な実施形態では、熱分解反応器２２によって実行されるプロセスは、連続プロセスであり、熱分解反応器２２は、ガス状燃料、空気及び／又は酸素）、及び炭素系原料が連続的に供給される。いくつかの実施形態では、熱分解反応チャンバ２６ｂ内の有機物／炭素質材料の平均滞留時間は、約５秒～約１０秒の範囲である。
【0143】
炭素質原料の熱分解は、熱分解生成物を生成し、これは、熱分解反応器２２から熱分解生成物出口３２を通って引き出される。熱分解生成物出口３２は、熱分解反応チャンバ２６ｂ内に位置するポートを有する。次いで、熱分解生成物は、相分離（凝縮）ユニット４０に導かれ、気相及び液相を生成し、次いで、気相及び液相は、ガス生成物と液体生成物とに分離される。
【0144】
実施形態では、熱分解システム２０は、ただ１つの熱分解反応器２２を含む。しかしながら、これは、並列構成で構成され得る２つ以上の熱分解反応器２２を含み得ることが理解される。
【0145】
図示の非限定的な実施形態では、相分離（凝縮）ユニット４０は、冷却液として水４３を使用する逆流スクラバー（又は噴霧タワー）である。水は液体生成物と共に回収され、他の液体成分から分離されて熱分解システム２０に、より具体的には、導管３９を介して相分離（凝縮）ユニット４０の冷却液として再循環され得る。
【0146】
上述のように、代替の実施形態（図示せず）では、熱分解システム２０は、相分離（凝縮）ユニット４０を含まず、熱分解生成物の少なくとも一部は、熱分解反応器２２の燃料入口３４に、直接又は間接的に、導かれ得る。更に別の実施形態（図示せず）では、熱分解システム２０は、相分離（凝縮）ユニット４０を含んでもよく、熱分解生成物の一部は、相分離（凝縮）ユニット４０に導かれ、熱分解生成物の別の部分は、熱分解反応器２２の燃料入口３４に導かれ得る。
【0147】
プロセスが連続プロセスである場合、熱分解生成物は、熱分解反応器２２の熱分解反応チャンバ２６ｂから引き出され、任意選択で連続的に引き出され、相分離（凝縮）ユニット４０に導かれる。一実施形態では、炭素質原料は、熱分解反応器２２に連続的に供給されてもよく、熱分解生成物は、バッチとして不連続的に引き出されてもよい。
【0148】
図示の実施形態では、ガス状燃料を含むガス状生成物（又は気相）は、凝縮器４２及びブースタ４４（又は圧縮機）に順次導かれ、上述のように、熱分解反応器２２に少なくとも部分的に再循環される前に、ガス圧を上昇させる。
【0149】
一実施形態では、ガス状燃料であるガス状生成物は、熱分解反応器２２に少なくとも部分的に戻され、酸化チャンバ２６ａに供給され、部分酸化を生じ、上述のように熱分解反応のための熱エネルギーを生成する。一実施形態では、酸化チャンバ２６ａに供給されるガス状燃料はまた、熱分解生成物の分離から得られたガス生成物の少なくとも一部と組み合わせられ得る別の燃料を含んでもよい。
【0150】
熱分解生成物の液相は、相分離（凝縮）ユニット４０から回収され、１つ又は複数のセトリングタンク４６ａ、４６ｂに導かれる。図示の実施形態では、熱分解システム２０は、並列構成で構成される２つのセトリングタンク４６ａ、４６ｂを含むが、セトリングタンクの数及び構成は、存在する場合、図示の実施形態とは異なり得ることが理解される。
【0151】
セトリングタンク４６ａ、４６ｂからのガス状生成物は、凝縮器４２に導かれ、液相に含まれる水は、相分離（凝縮）ユニット４０に再循環される。
【0152】
一実施形態では、水を除く液相が回収され、その価値のある含有物を処理し得る。例えば、限定的ではないが、以下で詳細に説明するように、炭素隔離プロセスが、カーボンナノ繊維（ＣＮＦ）を生成するために液相に対して実施されてもよい。
【0153】
代替的な実施形態（図示せず）では、熱分解システムは、相分離（凝縮）ユニット４０を含まなくてもよく、熱分解生成物は、炭素隔離プロセスに少なくとも部分的に導かれてもよい。例えば、限定的ではないが、炭素隔離プロセスは、以下で詳細に説明するように、灰を含むガス／固体粒子に続いて、熱分解生成物に対して直接実施されてもよい。ガス状ＣＯを含む炭素隔離プロセスの生成物の一部は、酸化チャンバ２６ａのための供給物として熱分解反応器２２に戻され得る。
【0154】
ここで図４を参照すると、熱分解システム２０の代替実施形態を示しており、特徴は、前の実施形態の参照番号に対応する１００系列の参照番号で番号付けしていることである。
【0155】
熱分解システム１２０では、熱分解反応器１２２から出る生成物の少なくとも一部の代わりに燃料として、熱分解反応器１２２にプロパン（Ｃ３Ｈ８）１３１が供給されることを除いて、構成要素は実質的に同様である。液相の熱分解生成物は、エチレングリコールを含み、これは、凝縮器１４２の下流の炭化水素リザーバ１６０に貯蔵される。
【0156】
他の適切な炭化水素が、プロパンの代わりに燃料として使用されてもよく、そのような炭化水素は、図１のシステムの外部エネルギー供給源として使用されてもよいことが理解される。
【0157】
凝縮ユニット４０、１４０又はセトリングタンク４６ａ、４６ｂ、１４６ａ、１４６ｂから出る液体熱分解生成物の少なくとも一部、主に液体炭化水素及び酸素炭化水素は、更に処理され得る。本明細書で使用される場合、「炭化水素化合物」という用語は、炭化水素及び酸素炭化水素を含む。炭素隔離反応器２７０に供給される炭化水素化合物は、飽和炭化水素、不飽和炭化水素、酸素炭化水素、及びそれらの混合物を含み得る。
【0158】
図１～図３を参照して上で詳述した特徴は、図４に示す実施形態にも適用されることが理解される。したがって、図１～図３に示す実施形態の特徴は、図４に示す実施形態の特徴と組み合わせてもよく、その逆も可能である。
【0159】
【0160】
図５の実施形態では、炭化水素化合物タンク２６４に貯蔵され得る、熱分解システム２０、１２０の液体生成物は、カーボンナノ繊維製造システムに移送され、より具体的には、蠕動ポンプなど、限定的でないポンプ（図示せず）によって炭素隔離反応器２７０に供給される。より具体的には、一実施形態では、熱分解反応器２２、１２２は、プラスチック系原料が供給され、プラスチック系原料は、熱分解生成物を生成するために熱分解され、熱分解生成物は、熱分解反応器２２、１２２の熱分解反応チャンバ２６ｂ、１２６ｂから引き出され、任意選択で連続的に引き出される。炭化水素化合物を含む熱分解生成物の少なくとも一部は、炭素隔離反応器２７０に供給され、任意選択で、二酸化炭素（ＣＯ２）と連続的に組み合わせられ、これは、ＣＯ２リザーバ２６８（又は任意の他の適切なＣＯ２供給源）から収容され、供給され得る。
【0161】
炭素隔離反応器２７０は、カーボンナノ繊維（図示せず）を形成するための炭素隔離触媒（図示せず）を含み、これは、炭素隔離反応器２７０から引き出され得る。一実施形態では、炭素隔離触媒は、鉄系であり、ニッケルを含み得る。例えば、それは、通常約５０％ｍｏｌより高い重要な濃度の鉄又は酸化鉄（ＦｅｘＯｙ）を含んでもよい。使用される触媒粒子の量は、触媒の特性（粒径及びその密度を含む）、及び反応器の形状の関数である。この量は、ハイブリッド動作（すなわち、流動床及び移動床）を適切に行い得るように選択される。一実施形態では、炭素隔離触媒は、約５００μｍより小さい粒子を含み、別の実施形態では、触媒粒子は、約１５０μｍ～約５００μｍの範囲の直径を有する。
【0162】
上述のように、一実施形態では、炭素隔離反応器２７０に供給される炭化水素化合物は、上述のように、自己熱分解装置２２、１２２の生成物であってもよい。それらは、スクラビングされ、冷却されて液相と固相とを分離することなく、熱分解装置２２、１２２から炭素隔離反応器２７０に実質的に直接炭素隔離反応器２７０に供給され得る。したがって、加熱された炭素隔離反応器２７０には、既に高温でガス状態である、熱分解反応器２２、１２２の出力生成物が供給される。
【0163】
代替的な実施形態では、炭素隔離反応器２７０は、熱分解反応器２２、１２２の下流に取り付けられた凝縮／スクラビングユニット４０、１４０によって生成された、液相の少なくとも一部のみが供給される。炭素隔離反応器２７０に供給される前に、液体の炭化水素化合物は、ガス状態の炭化水素化合物に変換するために、予熱ユニット２７２内で加熱される。
【0164】
別の実施形態では、炭素隔離反応器２７０は、二酸化炭素と組み合わせて、代替の炭化水素化合物供給源（すなわち、熱分解反応器の生成物ではない炭化水素化合物）が供給されてもよい。なお更なる実施形態では、炭素隔離反応器２７０は、いくつかの炭化水素化合物供給源のために生成される炭化水素化合混合物が供給されてもよい。
【0165】
炭素隔離反応器２７０内で、炭化水素化合物は乾式改質され、以下で詳細に説明するように、カーボンナノファイバーとも呼ばれるカーボンナノ繊維（ＣＮＦ）を生成する。
【0166】
図５の実施形態では、カーボンナノ繊維製造システム２８０は、反応部分２８２（炭素隔離反応器２７０を含む）に分割され、続いて、濾過部分２８４、ＣＮＦ回収部分２８５、バッグ充填部分２８６、及びガス生成物除湿部分２８８によって順次分割され得る。
【0167】
反応部分２８２では、炭化水素化合物及び二酸化炭素（又は酸化炭素）を含むガス状混合物は、予熱ユニット２７２内の炭素隔離反応器２７０に供給される前に加熱され得る。一実施形態では、炭化水素化合物は、液体状態で予熱ユニット２７２に供給され、その中でガス状態に変換される。更に、ガス混合物の温度を周囲温度から約４００℃～約６００℃の範囲の温度まで上昇させる。一実施形態では、炭素隔離反応器２７０は、約４００℃～約６００℃の範囲の温度で動作する。
【0168】
炭化水素化合物が所望の温度範囲で、ガス状態で供給される場合、予熱ユニット２７２を省略し得ることが理解される。
【0169】
次いで、加熱されたガス混合物は、炭素隔離反応器２７０に移送される。非限定的な実施形態では、図６及び図７を参照すると、炭素隔離反応器２７０は、炭素隔離触媒粒子（図示せず）を含む反応チャンバ２７５を画定するハウジング２７４を備える。ハウジング２７４は、反応チャンバ２７５のテーパ部分を画定し、その中にガス入口２７６が画定され、ガス出口２７７は、反応チャンバ２７５の出口（上部）部分で、触媒粒子の床の上に位置する。
【0170】
触媒粒子の床は、移動床と流動床との組合せである。移動床では、粒子、ここでは触媒粒子は、曝気されることなく絶えず移動し、流動床内では、触媒粒子は、高温ガスの流れによって流動状態に保たれる。炭素隔離反応器２７０は、環状部内で触媒床をゆっくり下方に移動する中央部の流動化触媒粒子床の動作と利点とを組み合わせている。したがって、運転中、触媒床は均質化され、その表面は、ＣＮＦとして連続的に更新され、ＣＮＦは、表面的に形成され、最終的に分離し、反応器の中央流動化部分で触媒粒子表面から除去される。図示の実施形態では、移動床を含む従来の反応器とは異なり、炭素隔離反応器２７０は、内部又は外部の可動機械部品がない。
【0171】
炭素隔離ユニット２７８が、反応チャンバ２７５の内部に位置付けられ、収容される。炭素隔離ユニット２７８は、ガス入口２７６の上方に取り付けられた第１の内部ガス導管２８１を含む。図示の非限定的な実施形態では、第１の内部ガス導管２８１は、管状部材の形状であるが、その形状は、図示の実施形態から変化し得ることが理解される。図示の実施形態では、第１の内部ガス導管２８１は、ガス入口２７６のガス導管２７９と実質的に同軸であり、ガス入口２７６から垂直方向に間隔を置いており、すなわち、第１の内部ガス導管２８１の入口ポートは、反応チャンバ２７５に開口したガス入口２７６のガス導管２７９のポート２８９から間隔を置いている。内部ガス導管２８１は、反応チャンバ２７５に入る反応ガス流を、内部ガス導管２８１の内部チャネルに流入する第１のガス流部分と、内部ガス導管２８１の外側に流れる第２のガス流部分と、すなわち、内部ガス導管２８１の外面と、反応チャンバ２７５を画定するハウジング２７４の内面との間に分ける。したがって、内部ガス導管２８１は、反応チャンバ２７５内のガス流分流器として作用する。
【0172】
代替的な実施形態では、炭素隔離ユニット２７８は、第２のガス導管（図示せず）を含んでもよく、これは、触媒粒子がガス入口２７６に接触又は侵入することを防止するために、反応チャンバ２７５内でテーパ部分の最下点から上方に（又はガス入口２７６のガス導管２７９のポート２８９から上方に）、ガス入口２７６のガス導管２７９と連続して、延在する。第１の内部ガス導管２８１として、第２のガス導管も管状部材であってもよい。
【0173】
図示の実施形態では、ガス入口２７６のガス導管２７９への接触又は侵入からの触媒粒子のために、反応チャンバ２７５のテーパ部分内に延在し、反応チャンバ２７５内に開口したガス入口２７６のガス導管２７９のポート２８９を覆う、格子を、炭素隔離反応器２７０は含んでもよい。
【0174】
炭素隔離反応器２７０の動作中、ＣＯ２、ＣＯ又はそれらの混合物などの高温酸化炭素は、ガス入口２７６を介して反応チャンバ２７５に入り、第１の内部ガス導管２８１まで流れる。反応チャンバ２７５に含まれる触媒粒子は、二酸化炭素によって吸い上げられて流動化され、それによって反応チャンバ２７５内に流動床を形成する。流動化された触媒粒子は、空間２８３を通って第１の内部ガス導管２８１まで移動する。空間２８３は、第１の内部ガス導管２７９と、反応チャンバ２７５内に開口したガス入口２７６のガス導管２７９のポート２８９との間に（又は反応チャンバ２７５内で上方に延在し、ガス導管２７９に接続された第２のガス導管の出口ポートから）画定される。空間２８３の長さは、触媒の特性（粒径及びその密度を含む）、及び反応器の形状の関数として選択される。空間２８３の長さは、ハイブリッド動作（すなわち、流動床及び移動床）を適切に行い得るように選択される。
【0175】
触媒粒子は、第１の内部ガス導管２８１の上部端部で出て、第１の内部ガス導管２８１の外側に、ハウジング２７４のテーパ部分に向かって落下し、最終的に再循環され、それによって、反応チャンバ２７５内に触媒粒子の一定の再循環を作り出す。ガス出口２７７から出るガスは、第１の内部ガス導管２８１の周りを上昇及び下降する触媒粒子と接触している。第１の内部ガス導管２８１によって画定される細長いチャネルのサイズ（長さ及び直径）は、ガスと触媒粒子との間の適切な接触時間を確実にするように選択される。非限定的な実施形態では、接触時間は、通常約１～約１０秒であり、別の実施形態では、接触時間は、約１～約５秒である。
【0176】
いくつかの触媒粒子は、反応チャンバ２７５の底部に留まり、炭素隔離反応に直接関与するのではなく、流動床を形成する触媒粒子のための支持材料として貢献する。
【0177】
図示の非限定的な実施形態では、ハウジング２７４は、２つのガス出口２７７を含むが、ガス出口２７７の数は、図示の実施形態とは異なり得ることが理解される。ハウジング２７４は、１つ又は複数のガス出口を含んでもよい。炭素隔離反応器２７０の底部からの高さを含むガス出口２７７の位置は、様々なパラメータの関数である。これらのパラメータは、第１の内部ガス導管２８１及び第２のガス導管の全高、存在する場合、空間２８３の垂直位置、触媒粒子の床の性質及び全高を含む。
【0178】
炭素隔離反応器２７０の内部で、ＣＮＦは、触媒粒子上に表面的に形成され、ガス排出口によって除去され、ガス出口２７７を通って、ガス排出口を用いて炭素隔離反応器２７０から出る。
【0179】
図示の非限定的な実施形態では、テーパ部分のハウジング２７４の内壁は、反応チャンバ２７５とガス連通するガス導管２７９のポート２８９に向かって傾斜して、実質的に直線状であるように示している。しかしながら、代替的な実施形態（図示せず）では、それらは湾曲してもよく、又は任意の他の適切な形状であってもよいことが理解される。更に、反応器ハウジング２７４（又は結果として生じる反応チャンバ２７５）のテーパ部分の角度は、反応チャンバ２７５に含まれる触媒粒子の性質及び特性、プロセス試薬の性質などを含むが、限定的でない、いくつかのプロセス変数に従って変化し得ることが理解される。
【0180】
再び図５を参照すると、炭素隔離反応器２７０の生成物が引き出され、カーボンナノ繊維製造システム２８０の濾過部分２８４に移送されることを示している。より具体的には、固体とガスの混合物を含む反応器生成物は、濾過ユニット２９０に移送される。図示の非限定的な実施形態では、濾過ユニットは、市販の金属製キャンドル濾過システムである。一実施形態では、金属製キャンドルは、その壁を通るＣＮＦエントレインメントを回避するために極めて小さな孔を有するが、濾過の大部分は、これらの壁に形成された固形物によって実施される。固形物の厚さが増すにつれて、圧力降下は増加する。圧力降下が決定的に禁止されると、不活性ガスパルス技術が、固形物を除去するために使用され、次いで、キャンドル濾過ハウジングの底部出口に位置する受け入れ容器で生成物を回収する。
【0181】
非限定的な実施形態では、反応器生成物は、ＣＮＦに加えて、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６などの炭化水素、二酸化炭素及び一酸化炭素、水素、並びに水蒸気を含んでもよい。
【0182】
カーボンナノ繊維は、濾過ユニット２９０の下部で回収され、カーボンナノ繊維製造システム２８０のＣＮＦ回収部分２８５に移送される。濾過ユニット２９０から、ＣＮＦを一時貯蔵タンク２９２に移送することができ、固体ＣＮＦをＣＮＦ回収タンク２９４に移送する前に、過剰なガス（Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６などの炭化水素、二酸化炭素及び一酸化炭素、水素、並びに水蒸気を含み得る）が除去され、更なる使用の準備がなされる。カーボンナノ繊維製造システム２８０の濾過部分２８４の上述の実施形態は非限定的な実施形態であり、他の実施形態も想定され得ることが理解される。
【0183】
Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６などの炭化水素、二酸化炭素及び一酸化物、水素、並びに水蒸気を含み得る、濾過ユニット２９０のガス状生成物は、次に、カーボンナノ繊維製造システム２８０のガス生成物除湿２８８に移送され得る。ガス生成物除湿２８８は、凝縮器２９６と、それに続く液体貯蔵リザーバ２９８（グリコール貯蔵リザーバなど）と、を順次含み得る。したがって、ガス生成物除湿段階２８８では、ガス生成物を、液体－ガス接触器（又は凝縮器２９６）で除湿することができ、液相はグリコールであってもよく、除湿ガス生成物は、熱分解反応器に送られて燃焼され、吸熱熱分解反応に必要な熱の少なくとも一部を提供し得る。
【0184】
上述のカーボンナノ繊維製造システム２８０は、炭素隔離プロセスを実施するために使用され、この生成物は、熱分解反応器のエネルギー供給として少なくとも部分的に使用され得る。
【0185】
炭素隔離プロセスの開始時に、炭素隔離反応器２７０は、ガス状態のＣＯ２及び炭化水素化合物が供給される前に、約４００℃～約７００℃の範囲の温度に予熱される。非限定的な実施形態では、反応器２７０は、加熱ガスを介して、又は熱交換器を介して電気的に予熱されてもよい。この予熱段階の間、反応器２７０は、触媒粒子を収容する。一実施形態では、水素、窒素、又はそれらの混合物など、限定的でない、加熱ガスが、反応器２７２の内部を流れる。
【0186】
予熱段階に続いて、炭素隔離プロセスが開始する。上述のように、炭素隔離反応器２７０は、ガス状態の炭化水素化合物とＣＯ２との混合物が、任意選択で、連続的に供給される。これらのガスが、加圧されたリザーバに貯蔵され、室温（約２５℃）でこれらのリザーバから出る場合、これらのガスは、乾式改質される炭素隔離反応器２７０に供給される前の温度に予熱される。
【0187】
代替的な実施形態では、炭素隔離反応器２７０は、その間で液相と固相とを分離するためにスクラビングされ、冷却されることなく、熱分解装置２２、１２２からの生成物が供給される。したがって、加熱された炭素隔離反応器２７０には、既に高温でガス状態である、熱分解反応器２２、１２２の出力生成物の少なくとも一部が供給される。
【0188】
更に別の実施形態では、液相の熱分解装置２２、１２２からの生成物のみが、カーボンナノ繊維製造システム２８０に移送される。液相中のこの原料は、乾式改質される炭素隔離反応器２７０に供給される前に、加熱され、ガス状態に変換される。
【0189】
一実施形態では、ガス状態の炭化水素化合物とＣＯ２との混合物は、約４００～約７５０℃、別の実施形態では、５５０～約７００℃の範囲の温度で炭素隔離反応器２７０に入る。
【0190】
非限定的な実施形態では、炭化水素化合物及び二酸化炭素を含む混合物は、約０．５～約２の範囲のＣ／ＣＯ２モル比、別の実施形態では、約０．８～約１．２の範囲のＣ／ＣＯ２モル比で炭素隔離反応器２７０に供給される。
【0191】
非限定的な実施形態では、触媒粒子の流動床にわたる圧力降下は、約０．５～約４ａｔｍ、別の実施形態では、１～約２ａｔｍである。
【0192】
ＣＮＦを含むガスは、約５００～約６５０℃の範囲の温度で炭素隔離反応器２７０の外側に流れる。次いで、それらは、カーボンナノ繊維製造システム２８０の濾過部分２８４の濾過ユニット２９０に導かれる。非限定的な実施形態では、反応器生成物は、ＣＮＦに加えて、Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６などの炭化水素、二酸化炭素及び一酸化炭素、水素、並びに水蒸気を含んでもよい。
【0193】
濾過ユニット２９０はまた、窒素などの不活性ガスが供給され得る。
【0194】
濾過ユニットの生成物は、カーボンナノ繊維と、ガスと、を含む。ＣＮＦは、回収され、カーボンナノ繊維製造システム２８０のＣＮＦ回収部分２８５の一時貯蔵タンク２９２に移送され、固体ＣＮＦをＣＮＦ回収タンク２９４に移送する前に、過剰なガス（Ｃ２Ｈ４、ＣＨ４、及びＣ２Ｈ６などの炭化水素、二酸化炭素及び一酸化炭素、水素、並びに水蒸気を含み得る）が、除去される。
【0195】
次に、濾過ユニット２９０のガス状生成物は、カーボンナノ繊維製造システム２８０のガス生成物除湿２８８に移送され、順次部分的に凝縮されてグリコールを生成し、これを液体貯蔵リザーバ２９８に貯蔵し得る。ガス生成物除湿段階２８８に続く残りの気相は、熱分解反応器に戻されて燃焼され、吸熱熱分解反応に必要な熱の少なくとも一部を提供し得る。
【0196】
炭素隔離プロセスの例
上記の炭素隔離反応器２７０を使用して、触媒Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３（触媒内の１０ｗｔ％の鉄）と共に原料としてＣ２Ｈ４とＣＯ２の混合物を使用してＣＮＦを製造した。２つの試験を実施した。プロセスパラメータ及び試験結果を以下の表に詳述する。両方の試験について、反応物を反応器２７０に導入する前に活性化工程を実行した。
上記の炭素隔離反応器２７０を使用して、触媒Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３（触媒内の１０ｗｔ％の鉄）と共に原料としてＣ２Ｈ４とＣＯ２の混合物を使用してＣＮＦを製造した。２つの試験を実施した。プロセスパラメータ及び試験結果を以下の表に詳述する。両方の試験について、反応物を反応器２７０に導入する前に活性化工程を実行した。
【0197】
炭素隔離プロセスの間、触媒粒子が、反応器２７０の内部シリンダをオーバーフローし、環状領域の床の上部に沈降するまで、触媒粒子は、流動化された。その後、触媒粒子は、再び内部シリンダの下部に入り込んで流動化した。触媒粒子の流動床に戻る流動は、連続性を確保した。
【表1】
【表2】
【0198】
ここで図８を参照すると、廃棄物プラスチックなどの炭素系原料を、カーボンナノ繊維及び水素を含むいくつかの価値のある生成物に変換するプロセスを実行するために使用され得る廃棄物プラスチック変換システムを示している。システム３００は、３つのサブシステムを含み、各サブシステムは、それ自体の反応器、すなわち、自己熱熱分解反応器３２２を含む熱分解システム３２０と、炭素隔離反応器３７０を含む炭素隔離システム３８０と、任意選択で、プラズマ反応器３１２を含むグラフェン及び／又はカーボンブラック合成システム３１０と、を含む。プラズマ反応器は、参照により本明細書に組み込まれるＬｙｎｕｍの米国特許第５９９７８３７号明細書に開示されているものなど、限定的でない、任意の適切な反応器であり得る。
【0199】
図８に示す熱分解システム３２０は、図１及び図４に示すもの２０、１２０のシステムとはいくつかの違いがある。しかしながら、熱分解システム３２０の特徴は、図１及び図４の熱分解システムの特徴（又はその代替例）に置換され得ることが理解される。同様に、図８の熱分解システム３２０は、炭素隔離システム３８０、並びに／あるいはグラフェン及び／又はカーボンブラック合成システム３１０なしで、あるいはその一部のみで動作し得る。更に、熱分解反応器３２２は、図２及び図３に示すものであってもよく、又はそれと同様の特徴を有してもよい。
【0200】
図８に示す炭素隔離システム３８０は、図５に示すシステム２８０とはいくつかの違いがある。しかしながら、炭素隔離システム３８０の特徴は、図５の炭素隔離システム（又はその代替物）の特徴に置換され得ることが理解される。同様に、図８の炭素隔離システム３８０は、熱分解システム３２０並びに／あるいはグラフェン及び／又はカーボンブラック合成システム３１０なしで、あるいはその一部のみで動作し得る。更に、炭素隔離反応器３７０は、図６及び図７に示すものであってもよく、又はそれと同様の特徴を有してもよい。
【0201】
グラフェン及び／又はカーボンブラックに加えて、プラズマ反応器３１２の生成物は、メタン（ＣＨ４）を含むガス状原料から温室効果ガス（ＧＨＧ）排出なしに実質的に生成されるＨ２を含む。
【0202】
システム３００全体及び関連するプロセスの主な生成物は、Ｈ２、ＣＮＦ、並びにグラフェン及び／又はカーボンブラックを含む。
【0203】
とりわけ、このシステムは、メタン（ＣＨ４）を含むガス状原料からの温室効果ガス（ＧＨＧ）排出を実質的に伴わずにＨ２を合成するために使用され得る。
【0204】
上記で説明したように、埋立て予定の使用済みプラスチック３５１は、熱分解システム３２０の自己熱分解装置３２２（又は自己熱分解反応器）で処理される。自己熱分解装置３２２の原料はまた、廃棄物プラスチック３５１に加えて、酸素３５３、一酸化炭素（ＣＯ）３５５、及び水素３５７（すべてガス状態）を含む。図８に示すように、自己熱分解装置３２２に供給する一酸化炭素（ＣＯ）３５５及び水素３５７は、炭素隔離システム３８０の炭素隔離反応器３７０によって生成される。自己熱分解装置３２２の生成物３５９は、固体画分（主に灰）と、軽質炭化水素、二酸化炭素（ＣＯ２）、水素、及び水蒸気を含むガス状画分と、を含む。非限定的な実施形態では、自己熱分解装置３２２の生成物３５９の固体画分３６１は、サイクロン分離器など、限定的でない、固体ガス分離ユニット３６５内でガス状画分３６３から分離されてもよい。
【0205】
プラズマ反応器３１２を出る、軽質炭化水素及び水素を含む、グラフェン及び／又はカーボンブラック合成システム３１０によって生成されたガス状画分３６７は、ＣＮＦ合成のために炭素隔離反応器３７０に供給され得る。ＣＮＦ（すなわち、固体画分）３６９に加えて、炭素隔離反応器３７０の生成物３７１は、水素、ＣＯ、ＣＨ４、及び水蒸気を含むガス状画分３７３を含む。
【0206】
炭素隔離反応器３７０の生成物３７１は、濾過ユニットなど、固気分離ユニット３７５内でガス状画分３６７と固体画分３６９とに分離される。
【0207】
次いで、ガス状画分３７３は、ＣＯ及び水素３７７が残留ＣＨ４３７９及び水蒸気３８１から分離される第１の分離段階３７５に移送される。第２の分離段階３８３では、ＣＯ３５５が水素３８７から分離される。ＣＯ３５５及び水素３８７の少なくとも一部３８７ａは、自己熱分解装置３２２に戻されてもよく、ＣＯは、エネルギー供給として作用する。次に、メタン（ＣＨ４）３７９は、原料として使用されるために、プラズマ反応器３１２に移送される。
【0208】
メタン系原料（炭素隔離反応器３７０に由来するメタン３７９、及び存在する場合は補充メタン３８９を含む）から、グラフェン／カーボンブラック合成システム３１０は、ガス状画分３６７として水素及び炭化水素を、固体画分３９１としてカーボンブラック又はグラフェンを生成する。より具体的には、プラズマ反応器３１２の生成物３９３は、濾過ユニットなど、限定的でない、固体ガス分離ユニット３９５で分離される。
【0209】
上述のように、ガス状画分３６７は、原料の一部として、炭素隔離反応器３７０に導かれ得る。グラフェン及び／又はカーボンブラックを含む固体画分３９１は、更なる使用のために回収される。
【0210】
図８に示す実施形態では、熱分解生成物は、炭素隔離反応器３７０に導かれる。しかしながら、代替の実施形態（図示せず）では、そのガス状部分は、熱分解反応器３２２に、より具体的には、熱分解反応器３２２の酸化チャンバ用の燃料として再循環され得る。非限定的な実施形態では、熱分解反応器３２２の約２０ｗｔ％未満が、燃料として再循環されてもよく、残りの部分は、炭素隔離反応器３７０に導かれ得る。上述のように、必要に応じて、熱分解反応器３２２の酸化チャンバに追加の燃料供給を導入して燃料組成を調整してもよい。
【0211】
【0212】
上記のシステムは、石油産業が直面する問題の一部について少なくとも部分的な解決策をもたらす。最初に、石油酸及びアンモニア製造中に必要とされる水素を生成する。第２に、カーボンブラックを生成する。第３に、廃棄物プラスチックは、汚染されたプラスチック又は熱硬化性プラスチックであっても、処理されて価値のある生成物が得られる。グラフェン及び／又はカーボンブラック及びＣＮＦは、特殊な用途において、又は石油を使用して通常製造される従来のカーボンブラックの価値の高い代替材料として使用され得る。
【0213】
以下の表３は、１ｔ／ｈの再循環不可能なポリマーの注入に基づくプラズマ反応器内でメタン（ＣＨ４）の添加のない例示的なマスバランスを示す。このプロセスは、水素生成を最大化しないが、炭素フィラメントの形成を促進する。水素生成を増加させるために、メタンを０．５ｔ／ｈの速度で添加することができ、以下の表４に示すように、カーボンブラック又はグラフェンの生成を大幅に増加させ、依然として実質的な温室効果ガス放出を伴わずに生成される約２倍の水素を引き出すことができる。
【表3】
【表4】
【0214】
熱分解と炭素隔離プロセスを組み合わせた例
上記の説明において、実施形態は、本発明の例又は実装形態である。「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、又は「いくつかの実施形態（ｓｏｍｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」の様々な出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。本明細書における「いくつかの実施形態」、「実施形態」、「一実施形態」又は「他の実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくともいくつかの実施形態に含まれるが、必ずしもすべての実施形態に含まれるわけではないことを意味する。更に、本発明の様々な特徴を単一の実施形態の文脈で説明することができるが、特徴は別個に又は任意の適切な組合せで提供し得る。逆に、本発明は、明確にするために別個の実施形態の文脈で本明細書に記載され得るが、本発明はまた、単一の実施形態で実施されてもよい。
上記の説明において、実施形態は、本発明の例又は実装形態である。「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、又は「いくつかの実施形態（ｓｏｍｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）」の様々な出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すとは限らない。本明細書における「いくつかの実施形態」、「実施形態」、「一実施形態」又は「他の実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくともいくつかの実施形態に含まれるが、必ずしもすべての実施形態に含まれるわけではないことを意味する。更に、本発明の様々な特徴を単一の実施形態の文脈で説明することができるが、特徴は別個に又は任意の適切な組合せで提供し得る。逆に、本発明は、明確にするために別個の実施形態の文脈で本明細書に記載され得るが、本発明はまた、単一の実施形態で実施されてもよい。
【0215】
本明細書に記載の詳細は、本発明の用途に対する限定と解釈されないことを理解されたい。更に、本発明は、様々な方法で実行又は実施することができ、本発明は、上記の説明で概説したもの以外の実施形態で実施し得ることを理解されたい。
【0216】
本明細書で使用する表現及び用語は、限定として解釈されるべきではなく、説明目的のためだけであることを理解されたい。
【0217】
本発明の教示の原理及び使用は、添付の説明、図面及び実施例を参照して好適に理解され得る。
【0218】
「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ）」という用語及びそれらの文法上の変形は、１つ又は複数の構成要素、特徴、ステップ、若しくは整数又はそれらのグループの追加を排除するものではなく、これらの用語は、構成要素、特徴、ステップ、又は整数を指定するものとして解釈されるべきであることを理解されたい。
【0219】
明細書又は特許請求の範囲が「追加の」要素に言及する場合、それは追加の要素が２つ以上存在することを排除しない。特許請求の範囲又は明細書が「１つの（ａ）」又は「１つの（ａｎ）」要素に言及する場合、そのような言及は、その要素が１つしかないと解釈されるべきではないことを理解されたい。
【0220】
本明細書が、構成要素、特徴、構造、又は特性を「含み得る」、「含んでもよい」、「含むことができる」、又は「含む場合がある」と述べている場合、その特定の構成要素、特徴、構造、又は特性を含める必要はないことを理解されたい。
【0221】
適用可能な場合、状態図、フロー図、又はその両方を使用して実施形態を説明することができるが、本発明はそれらの図又は対応する説明に限定されない。例えば、フローは、図示した各ボックス又は状態を通って、又は図示及び説明されたのと全く同じ順序で移動する必要はない。
【0222】
本発明の方法は、選択されたステップ又はタスクを手動で、自動的に、又はそれらの組合せで実施又は完了することによって実施され得る。
【0223】
特許請求の範囲及び明細書に提示した説明、例、方法及び材料は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単なる例示として解釈されるべきである。本発明は、本明細書に記載したものと同等又は同様の方法及び材料を用いた試験又は実験において実施され得る。
【0224】
本明細書で使用する技術用語及び科学用語の意味は、特に定義しない限り、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるべきものである。
【0225】
いくつかの代替的な実施形態及び実施例を本明細書で説明及び例示した。上述の本発明の実施形態は、例示のみを意図している。当業者は、個々の実施形態の特徴、並びに構成要素の可能な組合せ及び変形を理解するであろう。当業者は、実施形態のいずれかが、本明細書に開示した他の実施形態との任意の組合せで提供され得ることを更に理解するであろう。本発明は、その中心的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化され得ることが理解される。したがって、本実施例及び実施形態は、あらゆる点で例示的であって限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、本明細書で与えた詳細に限定されるべきではない。したがって、特定の実施形態を図示及び説明してきたが、多くの変更が考えられる。したがって、本発明の範囲を、添付の特許請求の範囲によってのみ限定することを意図している。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】