特表 2025-503665 一体型炭素変性改質器および工程

(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】2025-02-04

(54)【発明の名称】一体型炭素変性改質器および工程

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20250128BHJP

   B01J 19/08 20060101ALI20250128BHJP

   C01B 3/02 20060101ALI20250128BHJP

【ＦＩ】

B01J19/00 301B

B01J19/08 E

C01B3/02 F

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024541697

(86)(22)【出願日】2023-01-13

(85)【翻訳文提出日】2024-09-04

(86)【国際出願番号】 US2023060691

(87)【国際公開番号】W WO2023137470

(87)【国際公開日】2023-07-20

(31)【優先権主張番号】63/266,827

(32)【優先日】2022-01-14

(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】514014827

【氏名又は名称】リカーボン，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110002077

【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】ハラズ， ハテム

(72)【発明者】

【氏名】クー， ジェ モ

(72)【発明者】

【氏名】キム， ヒソン

【テーマコード（参考）】

4G075

【Ｆターム（参考）】

4G075AA03

4G075AA13

4G075BA05

4G075BA06

4G075BA08

4G075CA03

4G075CA47

4G075CA54

4G075DA02

4G075EA07

4G075EB01

4G075FB04

4G075FB06

(57)【要約】

一体型改質器は、外側チャンバと、第１の導入口と、第２の導入口と、外側チャンバに関連付けられた冷却ユニットと、を含む。第１の導入口は、外側チャンバにおける第１の空間内への第１のガス流を得るように構成される。第２の導入口は、外側チャンバにおける第１の空間内への第２のガス流を得るように構成される。冷却ユニットは、第１のガス流から熱エネルギーを吸収するように構成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外側チャンバと、
前記外側チャンバにおける第１の空間内への第１のガス流を得るように構成される第１の導入口と、
前記外側チャンバにおける前記第１の空間内への第２のガス流を得るように構成される第２の導入口と、
前記外側チャンバに関連付けられた冷却ユニットと、を備え、
前記冷却ユニットは、前記第１のガス流から熱エネルギーを吸収するように構成される、装置。

【請求項2】

前記冷却ユニットは、前記第１の導入口に隣接して配設される、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記冷却ユニットは冷却剤を受け入れるように構成され、前記冷却剤は、Ｈ_２Ｏ、油、ＣＯ_２、またはＣＨ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記冷却ユニットは、前記外側チャンバの周囲に配設される管を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記管は、冷却剤を受け入れるように構成される冷却剤導入口を含み、
前記管は、前記第１のガス流から前記熱エネルギーを吸収した前記冷却剤を放出するように構成される冷却剤排出口を含む、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記冷却剤導入口が受け入れた前記冷却剤は、液体状態のＨ_２Ｏを含み、
前記冷却剤排出口からの前記冷却剤は、ガス状態のＨ_２Ｏを含む、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記冷却剤排出口からの前記冷却剤は、前記外側チャンバにおける前記第１の空間に提供される、請求項５に記載の装置。

【請求項8】

前記外側チャンバにおける反応チャンバをさらに備え、
前記冷却剤排出口からの前記冷却剤、前記第１のガス流、および前記第２のガス流は、前記反応チャンバにおける第２の空間に提供される、請求項５に記載の装置。

【請求項9】

前記反応チャンバにおける触媒をさらに備え、
前記冷却剤排出口からの前記冷却剤、前記第１のガス流、および前記第２のガス流は、前記触媒を通過する、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記触媒は多孔性物質を含む、請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記反応チャンバから第３のガス流を放出するように構成される排出口をさらに備え、
前記第３のガス流は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記冷却剤排出口からの前記冷却剤によって生じた反応に基づく、請求項８に記載の装置。

【請求項12】

前記第１のガス流は第１の合成ガスを含み、
前記第２のガス流は炭化水素燃料を含み、
前記第３のガス流は第３の合成ガスを含む、請求項１１に記載の装置。

【請求項13】

前記炭化水素燃料は、バイオガス、天然ガス、またはＣＨ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

前記炭化水素燃料は前記外側チャンバよりも前に予熱される、請求項１２に記載の装置。

【請求項15】

排出口をさらに備え、
前記排出口は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記冷却剤排出口からの前記冷却剤によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出する、請求項７に記載の装置。

【請求項16】

前記第１の導入口と前記排出口との間の触媒をさらに備える、請求項１５に記載の装置。

【請求項17】

前記第１のガス流は第１の合成ガスを含み、
前記第２のガス流は炭化水素燃料を含み、
前記第３のガス流は第２の合成ガスを含む、請求項１５に記載の装置。

【請求項18】

前記炭化水素燃料は、バイオガス、天然ガス、またはＣＨ_４のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の装置。

【請求項19】

前記炭化水素燃料は前記外側チャンバよりも前に予熱される、請求項１７に記載の装置。

【請求項20】

蒸気発生ユニットからの蒸気が、前記外側チャンバにおける前記第１の空間に提供される、請求項５に記載の装置。

【請求項21】

排出口をさらに備え、
前記排出口は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記蒸気発生ユニットからの前記蒸気によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出する、請求項２０に記載の装置。

【請求項22】

前記外側チャンバにおける反応チャンバをさらに備え、
蒸気発生ユニットからの蒸気、前記第１のガス流、および前記第２のガス流は、前記反応チャンバにおける第２の空間に提供される、請求項５に記載の装置。

【請求項23】

排出口をさらに備え、
前記排出口は、前記第１のガス流、前記第２のガス流、および前記蒸気によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出する、請求項２１に記載の装置。

【請求項24】

前記装置は、プラズマ炭素変換機（ＰＣＣＵ）に含まれる一体型改質器を含み、前記ＰＣＣＵは前記一体型改質器と流体連通するプラズマ反応器を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項25】

プラズマ炭素変換のための方法であって、
外側チャンバ内への第１のガス流をプラズマ反応器から受け入れることと、
前記外側チャンバ内への第２のガス流を受け入れることと、
冷却ユニットによって前記第１のガス流から熱エネルギーを吸収することと、を含む、方法。

【請求項26】

前記第１のガス流は第１の導入口で受け入れられ、前記第２のガス流は第２の導入口で受け入れられる、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

前記第１のガス流、前記第２のガス流、および冷却剤を、前記外側チャンバにおける反応チャンバに提供することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項28】

前記第１のガス流は第１の合成ガスを含み、
前記第２のガス流は炭化水素燃料を含む、請求項２５に記載の方法。

【請求項29】

前記第２のガス流は前記外側チャンバよりも前に予熱される、請求項２５に記載の方法。

【請求項30】

蒸気発生ユニットからの蒸気が、前記外側チャンバにおいて受け入れられる、請求項２５に記載の方法。

【請求項31】

前記第１のガス流および前記第２のガス流によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出することをさらに含む、請求項２５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
この米国特許出願は、２０２２年１月１４日に出願された仮特許出願第６３／２６６，８２７号の優先権を主張するものである。この先行出願の開示は、本出願の開示の一部とみなされ、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示は一般的に、一体型炭素変性改質器、およびＣＯ_２還元工程を含む工程に関する。

【背景技術】

【0003】

別段本明細書に示されない限り、本明細書に説明される資料は、本出願の特許請求の範囲の先行技術ではなく、この節に含まれることにより先行技術であると認められない。

【0004】

プラズマベース解離反応を使用して、炭素系の化学反応を容易にする場合がある。プラズマベース解離反応は、高温およびエネルギーをもたらして、炭素系の化学反応の完了を促し得る。

【0005】

本開示において特許請求される主題は、いずれの不利点も解決するまたは上述されるような環境のみにおいて動作する実装形態に限定されない。もっと正確に言えば、この背景技術は、本開示に記載されるいくつかの実装形態が実践され得る１つの例示の技術分野を示すためだけに提供される。

【発明の概要】

【0006】

本開示の１つの態様は、（一体型改質器などの）装置を提供する。装置は、外側チャンバと、外側チャンバにおける第１の空間内への第１のガス流を得るように構成される第１の導入口と、外側チャンバにおける第１の空間内への第２のガス流を得るように構成される第２の導入口と、外側チャンバに関連付けられた冷却ユニットと、を含む。冷却ユニットは、第１のガス流から熱エネルギーを吸収するように構成される。

【0007】

本開示の実装形態は、以下の随意的な特徴の１つまたは複数を含み得る。いくつかの実装形態では、冷却ユニットは、第１の導入口に隣接して配設される。いくつかの実装形態では、冷却ユニットは、外側チャンバの周囲に配設される管を含む。いくつかの実装形態では、管は、冷却剤を受け入れるように構成される冷却剤導入口を含み、管は、第１のガス流から熱エネルギーの少なくとも一部を吸収した冷却剤を放出するように構成される冷却剤排出口を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤導入口が受け入れた冷却剤は、液体状態のＨ_２Ｏを含み、冷却剤排出口からの冷却剤は、ガス状態のＨ_２Ｏを含む。

【0008】

いくつかの実装形態では、装置は、外側チャンバにおける反応チャンバを含む。いくつかの実装形態では、冷却剤排出口からの冷却剤、第１のガス流、および第２のガス流は、反応チャンバにおける第２の空間に提供される。いくつかの実装形態では、装置は、反応チャンバにおける触媒を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤排出口からの冷却剤、第１のガス流、および第２のガス流は、触媒を通過する。いくつかの実装形態では、触媒は多孔性物質を含む。いくつかの実装形態では、装置は、反応チャンバから第３のガス流を放出するように構成される排出口を含む。いくつかの実装形態では、第３のガス流は、第１のガス流、第２のガス流、および冷却剤排出口からの冷却剤によって生じた反応に基づく。いくつかの実装形態では、第１のガス流は第１の合成ガスを含み、第２のガス流は炭化水素燃料（例えば、バイオガス、天然ガス、ＣＨ_４、またはこれらの任意の組み合わせ）を含み、第３のガス流は第３の合成ガスを含む。

【0009】

いくつかの実装形態では、冷却剤排出口からの冷却剤は、外側チャンバにおける第１の空間に提供される。いくつかの実装形態では、装置は、排出口と、第１の導入口と排出口との間の触媒とを含む。いくつかの実装形態では、排出口は、第１のガス流、第２のガス流、および冷却剤排出口からの冷却剤によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出する。いくつかの実装形態では、触媒は多孔性物質を含む。いくつかの実装形態では、第１のガス流は第１の合成ガスを含み、第２のガス流は炭化水素燃料（例えば、バイオガス、天然ガス、ＣＨ_４、またはこれらの任意の組み合わせ）を含み、第３のガス流は第２の合成ガスを含む。

【0010】

本開示の別の態様はシステムを提供する。システムは、プラズマ反応器、およびプラズマ反応器と流体連通する一体型改質器を含むプラズマ炭素変換機を含む。一体型改質器は、外側チャンバと、プラズマ反応器から外側チャンバにおける第１の空間内への第１のガス流を得るように構成される第１の導入口と、外側チャンバにおける第１の空間内への第２のガス流を得るように構成される第２の導入口と、外側チャンバに関連付けられた冷却ユニットと、を含む。冷却ユニットは、第１のガス流から熱エネルギーを吸収するように構成される。

【0011】

本開示の実装形態は、以下の随意的な特徴の１つまたは複数を含み得る。いくつかの実装形態では、冷却ユニットは、第１の導入口に隣接して配設される。いくつかの実装形態では、冷却ユニットは、外側チャンバの周囲に配設される管を含む。いくつかの実装形態では、管は、冷却剤を受け入れるように構成される冷却剤導入口を含み、管は、第１のガス流から熱エネルギーを吸収した冷却剤を放出するように構成される冷却剤排出口を含む。いくつかの実装形態では、システムは、一体型改質器から第３のガス流を放出するように構成される排出口を含む。いくつかの実装形態では、第３のガス流は、第１のガス流、第２のガス流、および冷却剤排出口からの冷却剤によって生じた反応に基づく。いくつかの実装形態では、システムは、排出口と流体連通する熱利用ユニットを含む。いくつかの実装形態では、熱利用ユニットは、第３のガス流を受け入れるように構成され、第３のガス流を、さらなる工程または下流工程（例えば、水性ガスシフト工程）に適した所定の温度まで冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、下流の水性ガスシフト工程のための所定の温度は、３００℃～３５０℃である。

【0012】

添付の図面を使用することにより、さらなる特殊性および詳細と共に、例示の実装形態について記載し説明する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示のある実装形態による、プラズマ炭素変換機（ＰＣＣＵ）の例示の動作を示す図である。

【図2】本開示のいくつかの実装形態による、例示の二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システムを示す図である。

【図3】本開示のいくつかの実装形態による、別の例示のＣＯ_２還元および利用システムを示す図である。

【図4】本開示のいくつかの実装形態による、別の例示のＣＯ_２還元および利用システムを示す図である。

【図5A】本開示のいくつかの実装形態による、例示の一体型改質器の断面図である。

【図5B】本開示のいくつかの実装形態による、例示の一体型改質器の断面図である。

【図6A】本開示のいくつかの実装形態による、別の例示の一体型改質器の断面図である。

【図6B】本開示のいくつかの実装形態による、別の例示の一体型改質器の断面図である。

【図7】本開示のいくつかの実装形態による、プラズマ炭素変換機の例示の方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

様々な図面における同様の参照記号は同様の要素を示す。

【0015】

いくつかの実装形態では、プラズマ炭素変換機（ＰＣＣＵ）を使用して行われる化学反応（例えば、発熱反応）は、化学反応の完了を促すまたは促進する高温反応環境をもたらす。本開示は、とりわけ、二酸化炭素（ＣＯ_２）を取り除く（例えば、ＣＯ_２放出量を低減する）、および／または水素ガス（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、およびＰＣＣＵを使用する合成ガス（例えば、Ｈ_２およびＣＯ含むガス）などの様々な生成ガスを発生させるための化学反応に関連している場合がある。

【0016】

いくつかの実装形態では、ＰＣＣＵは、プラズマ反応器、およびプラズマ反応器と流体連通する一体型改質器を含む。プラズマ反応器を使用して行われる化学反応は、生成ガスのより大きい歩留りをもたらし得るが、これは、プラズマ反応器が生成ガス（例えば、合成ガス）の形成を促すための大きなエネルギー量をもたらすからである。

【0017】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器の動作から発生したエネルギー（例えば、運動エネルギー、熱エネルギー）は、他の処理ユニットのさらなる動作および／または化学反応を促す。例えば、プラズマ反応器からのエネルギーを使用して、一体型改質器、一体型改質器に関連付けられた熱利用ユニットの動作、および／または様々な生成ガスの形成、再循環、および分離のその他の工程を促し得る。

【0018】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、第１の投入源をマイクロ波プラズマ（例えば、大気マイクロ波プラズマ、高圧マイクロ波プラズマ）に曝して）第１の投入源におけるＣＯ_２およびＣＨ_４を第１の合成ガスに変換する。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器と流体連通する一体型改質器は、プラズマ反応器から第１の合成ガスを受け入れ、第１の合成ガスを、バイオガス（例えば、ＣＯ_２およびＣＨ_４を含む浄化したバイオガス）、ＣＨ_４、天然ガス、またはこれらの任意の組み合わせなどの炭化水素燃料と混合させ、水蒸気改質工程を使用して、第１の合成ガスと炭化水素燃料との混合物を第２の合成ガスに変換する。いくつかの実装形態では、エネルギーを節約するために、プラズマ反応器からのエネルギーを水蒸気改質工程に利用する。その結果、一体型改質器は、（プラズマ反応器における化学反応から発生した）エネルギーを使用して、第２の投入源におけるＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２、ＣＯ、およびＨ_２Ｏ（第１の合成物、炭化水素燃料、および蒸気の混合物）を第２の合成ガスに変換する。プラズマ反応器および一体型改質器を使用して、ＰＣＣＵは、（水蒸気改質工程を含む工程のためのさらなるエネルギー源を有することなく）プラズマ反応器からのエネルギーを使用してより多量の合成ガスを生成することが可能である。

【0019】

本開示は、様々なガス（例えば、バイオガス、天然ガス／メタン（例えば、ＣＨ_４を含むガス）、ＣＯ_２、これらの様々な組み合わせ）を合成ガス（例えば、上述した第２の合成ガス）に変換し、合成ガスを様々な最終生成物（例えば、様々なＨ_２対ＣＯ比の合成ガス、Ｈ_２）に変性させるために、ＰＣＣＵと共に様々なタイプの機器（例えば、熱利用ユニット、水性ガスシフト反応器、アミン装置、圧力スイング吸着装置、コンプレッサ、プレコンプレッサ、空気分離器、分離ユニット）が配置されたいくつかのシステムを含む。

【0020】

いくつかの実装形態では、一体型改質器（またはＰＣＣＵ）に関連付けられた熱利用ユニットは、第２の合成ガスの温度を調節するように構成される。例えば、熱利用ユニットは、第２の合成ガスから熱エネルギーを吸収する。その結果、熱利用ユニットは、第２の合成ガスを冷却することで、第２の合成ガスは、様々な機器（例えば、水性ガスシフト反応器、アミン装置、圧力スイング吸着装置、コンプレッサ）によって行われる後続の工程に適するようになる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニットは、第２の合成ガスから吸収した熱エネルギーを使用して、蒸気（例えば、水蒸気、過熱水）を含み得る冷却剤を一体型改質器および／または水性ガスシフト反応器に提供する。いくつかの実装形態では、熱利用ユニットは、一体型改質器への供給原料（例えば、炭化水素燃料、水蒸気改質工程用の蒸気）を加熱または予熱する。いくつかの実装形態では、熱利用ユニットは、適した方法を使用して（例えば、蒸気タービンを動作させるために熱エネルギーを使用する蒸気を発生させて）一体型改質器からの熱エネルギーを電力に変換することによって、電力を様々な機器（例えば、コンプレッサ、プレコンプレッサ）に提供する。

【0021】

いくつかの実装形態では、水性ガスシフト反応器は、一酸化炭素および水が可逆反応してＣＯ_２およびＨ_２を形成する水性ガスシフト反応器によるＨ_２の形成を助長する。例えば、水性ガスシフト反応器は、水性ガスシフト反応器を通っていく第２の合成ガスにおけるＣＯおよびＨ_２ＯをＨ_２およびＣＯ_２に変換（例えば、ＣＯをＨ_２に変換）する。

【0022】

いくつかの実装形態では、アミン装置は、アミン装置に投入されたプロセスガス（例えば、第２の合成ガス、第２の合成ガスに基づいて水性ガスシフト反応器によって発生したＨ_２およびＣＯ_２を含むガス）からＣＯ_２を回収するまたは取り除くように構成される。

【0023】

いくつかの実装形態では、圧力スイング吸着装置は、圧力スイング吸着装置に投入されたプロセスガス（例えば、水性ガスシフト反応器およびアミン装置によって発生したＨ_２およびＣＯを含むガス）からＣＯおよび不純物を回収するまたは取り除くように構成される。

【0024】

図１は、本開示のある実装形態によるＰＣＣＵ１０２の例示の動作を示す。

【0025】

図１に示されるように、いくつかの実装形態では、ＰＣＣＵ１０２は、プラズマ反応器１１０と、プラズマ反応器１１０と流体連通する一体型改質器１２０とを含む。プラズマ反応器１１０と一体型改質器１２０との流体連通は、一体型改質器１２０に対する（プラズマ反応器１１０によって発生したまたは変換された第１の合成ガスを含む）放出流１１４を維持するように機能する。

【0026】

示されるように、いくつかの実装形態では、プラズマ反応器１１０は、投入エネルギー１１３（例えば、マイクロ波エネルギー）と共にバイオガス（例えば、ＣＨ_４およびＣＯ_２を含むガス）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、酸素（Ｏ_２）、および天然ガス／メタン（ＣＨ_４）の投入流１１２を得、二酸化炭素（ＣＯ_２）ガス、蒸気、および第１の合成ガス（Ｈ_２およびＣＯを含むガス）の放出流１１４を生成するまたはもたらす。その結果、投入流１１２と投入エネルギー（上に論じられるようなマイクロ波エネルギー）との反応によって、投入流１１２を（第１の合成ガスを含む）放出流１１４に変換するプラズマ（例えば、マイクロ波プラズマ）が引き起こされる。

【0027】

示されるように、いくつかの実装形態では、投入流１１２と投入エネルギー１１３との反応は、プラズマ反応器１１０における放出エネルギー１１５（例えば、運動エネルギー、熱エネルギー）を発生させ、放出エネルギー１１５は放出流１１４により一体型改質器１２０に移動する。その結果、放出流１１４の温度は高くなる（例えば、この例では１５００℃を上回る温度）。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器１１０における投入流１１２と投入エネルギー１１３との反応は、運動エネルギーを発生させる。

【0028】

いくつかの実装形態では、バイオガス、ＣＯ_２、および天然ガス／メタンは、プラズマ反応器１１０に提供されたエネルギーに応じて反応し、第１の合成ガス、蒸気、および化学的生成物としての二酸化炭素の残量をもたらす。その結果、投入流１１２に含まれる相当量の二酸化炭素が取り除かれる。さらに、第１の合成ガスをもたらした化学反応によって動力が発生し得ることで、化学的生成物が高温（例えば、１，０００℃、１，１００℃、１，２００℃、１，３００℃、１，４００℃、１，５００℃、１，６００℃、１，７００℃、１，８００℃、１，９００℃、２，０００℃など）で放出される。上に論じられるように、この例では、プラズマ反応器１１０からの第１の合成ガスは、１５００℃を上回る温度を有する。

【0029】

図１に示されるように、いくつかの実装形態では、プラズマ反応器１１０への投入流１１２に含まれる二酸化炭素の量は、放出流１１４に含まれる二酸化炭素の量を上回る。いくつかの実装形態では、投入エネルギー１１３は、プラズマ反応器１１０によってもたらされた放出エネルギー１１５を下回るが、これは、プラズマ反応器１１０で影響を受けた化学反応が反応工程中に熱エネルギー（例えば、熱）を発生させる発熱反応であるからである。いくつかの実装形態では、化学反応によって発生したエネルギーおよび／またはプラズマ反応器１１０における化学反応によってもたらされた二酸化炭素は、ＰＣＣＵ１００（例えば、プラズマ反応器１１０、一体型改質器１２０）への投入量として再循環されかつ含まれて、二酸化炭素（ＣＯ_２）のさらなる化学反応および／または還元を容易にし得る。

【0030】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器１２０は、（ＣＯ_２ガス、蒸気、第１の合成ガスを含む）放出流１１４を得、放出流１１４をさらなる炭化水素燃料（例えば、バイオガス、ＣＨ_４、天然ガス）および蒸気と混合させて、流動改質を行う。その結果、一体型改質器１２０は、第２の合成ガス（例えば、水素リッチ合成ガス）を含む第２の放出流１１６を発生させる。換言すれば、一体型改質器１２０は、放出流１１４におけるＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＨ_２Ｏを第２の合成ガスを含む第２の放出流１１６に変換する。

【0031】

図２は、本開示のいくつかの実装形態による、例示の二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム２００を示す。ＣＯ_２還元および利用システム２００は、バイオガス／天然ガスから水素を生成するシステムを含み得る。

【0032】

図２に示されるように、いくつかの実装形態では、ＣＯ_２還元および利用システム２００は、（プラズマ反応器２１０、およびプラズマ反応器２１０と流体連通する一体型改質器２２０を含む）ＰＣＣＵ２０２、プレコンプレッサ２３２、コンプレッサ２３４、スクラバー２３６、空気分離器２３８、熱利用ユニット２４０、水性ガスシフト反応器２４２、アミン装置２４４、および圧力スイング吸着装置２４６を含む。

【0033】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ２３２の導入口は、バイオガス投入源と流体連通している。その結果、プレコンプレッサ２３２は、システム２００内への（例えば、図２に示されるようなスクラバー２３６への）バイオガス蒸気の圧力を制御することができる。いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ２３２は、システム２００内へのバイオガス蒸気の圧力を高める。例えば、投入されたバイオガスは、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍ、またはその他の圧力でプレコンプレッサ２３２によって得られ得、プレコンプレッサ２３２を出るバイオガス（例えば、スクラバー２３６へのバイオガス流）は、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0034】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ２３２の排出口は、スクラバー２３６の導入口と流体連通している。その結果、スクラバー２３６は、プレコンプレッサ２３２からバイオガス（例えば、加圧されたバイオガス）を受け入れる。いくつかの実装形態では、スクラバー２３６は、プレコンプレッサ２３２から受け入れたバイオガスの不純物、汚染物質、または有害成分を取り除く。例えば、スクラバー２３６は、有害物質（例えば、硫黄酸化物、粒子状物質、酸性ガスなど）がスクラバー２３６に含まれる乾燥試薬に吸着させる乾燥浄化工程を含み得る。別の例として、スクラバー２３６は、バイオガスから１つまたは複数の成分を分離するために（プレコンプレッサ２３２からの）バイオガスに湿性物質（例えば、水）が噴霧される湿式浄化工程を含んでよい。示されるように、スクラバー２３６の排出口は、一体型改質器２２０と流体連通している。その結果、浄化されたバイオガス（例えば、ＣＨ_４およびＣＯ_２を含むガス）流が一体型改質器２２０に提供される。

【0035】

示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器２３８は、投入気流を得、投入気流を、主に窒素ガス（Ｎ_２）および酸素ガス（Ｏ_２）を含み得るその構成成分に分離する。空気分離器２３８は、分留、圧力スイング吸着、真空圧力スイング吸着、膜分離により、または任意のその他の分離方法によって、投入気流に含まれる成分の分離を容易にし得る。示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器２３８は、ＰＣＣＵ２０２と流体連通している（例えば、ＰＣＣＵ２０２のプラズマ反応器２１０と流体連通している）。示されるように、流体連通により、分離された空気成分はＰＣＣＵ２０２のプラズマ反応器２１０に送られ得る。

【0036】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０は、石英またはセラミック材料から作られるプラズマチャンバを含み、このプラズマチャンバにおける１つまたは複数の導波管は、プラズマチャンバで生じる化学反応を容易にするように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０は、以下にさらに詳細に説明されるように、天然ガス投入源からの天然ガス（ＣＨ_４を含むガス）流、空気分離器２３８からの分離された空気成分、およびアミン装置２４４からの二酸化炭素を得て、導入口のガス流の間の化学反応に影響を与えるように構成される。

【0037】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０において、導入口の天然ガス流からのＣＨ_４、アミン装置２４４からのＣＯ_２は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２およびＣＨ_４をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）に変換される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０は、燃焼なく瞬時にＣＯ_２およびＣＨ_４をＨ_２およびＣＯに変換する。その結果、プラズマ反応器２１０は、アミン装置２４４からＣＯ_２を、および天然ガス投入源からＣＨ_４を継続して受け入れるため、ＣＯ_２およびＣＨ_４を（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスに変換することができる。

【0038】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０において、天然ガス投入源、アミン装置２４４、および空気分離器２３８からのＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２の混合物をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯを発生させるために使用される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０は、燃焼なくＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して瞬時にＨ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）を発生させる。その結果、プラズマ反応器２１０は、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を継続して受け入れるため、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスを発生させることができる。

【0039】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器２１０における合成ガス変換工程の間に熱が発生する。プラズマ反応器２１０で発生した熱（例えば、熱エネルギー）は、第１の放出流の温度および第１の放出流に含まれる第１の合成ガスの温度を上昇させる。例えば、第１の合成ガスの温度は、１５００℃～２５００℃であってよい。いくつかの実装形態では、上に論じられるように、プラズマ反応器２１０と流体連通する一体型改質器２２０は、プラズマ反応器２１０から、第１の合成ガスを含む第１の放出流を受け入れるように構成される。その結果、プラズマ反応器２１０で発生した熱エネルギーの少なくとも一部は、第１の合成ガス（例えば、１５００℃を上回る温度を有する合成ガス）を含む第１の放出流を介して一体型改質器２２０に移動する。

【0040】

いくつかの実装形態では、一体型改質器２２０は、プラズマ反応器２１０に接続される個別の反応装置を含む。さらにまたは代替的には、プラズマ反応器２１０および一体型改質器２２０は、単一の装置であってよく、それによって、一体型改質器２２０による合成ガス（例えば、第２の合成ガス）の形成は、プラズマ反応器／一体型改質器の結合ユニットで生じる。

【0041】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器２２０は、プラズマ反応器２１０の第１の放出流からの第１の合成ガス（Ｈ_２およびＣＯ）、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＨ_２Ｏ、スクラバー２３６からの浄化されたバイオガス、および熱利用ユニット２４０からの蒸気（例えば、過熱水）を、（第２の放出流に含まれる）第２の合成ガスに変換するように構成される水蒸気メタン改質反応器または任意の他の反応器を含む。

【0042】

いくつかの実装形態では、一体型改質器２２０への蒸気は、以下にさらに詳細に説明されるような冷却ユニット５１４／６１４によって提供される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器２１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水蒸気改質工程のために第１の合成ガスをある温度範囲（例えば、７００℃～１０００℃）まで冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水を冷却剤として使用して、プラズマ反応器２１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する。冷却剤は、蒸気を含む任意の形態の水を含んでよい。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器２１０から一体型改質器２２０への（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する工程で加熱される水である蒸気を提供するように構成される。

【0043】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器２２０は、アミン装置２４４から再循環蒸気を得るように構成される。いくつかの実装形態では、一体型改質器２２０は、熱利用ユニット２４０からの蒸気、冷却ユニット５１４／６１４からの蒸気、および／またはアミン装置２４４からの蒸気を得るように構成される。その結果、第１の合成ガスおよびバイオガスの１つまたは複数の生成ガス（この例では第２の合成ガス）への変換率を容易に大きくするためのさらなる反応物が提供される。

【0044】

示されるように、一体型改質器２２０は熱利用ユニット２４０（例えば、熱交換機）と流体連通している。いくつかの実装形態では、流体連通により、一体型改質器２２０によって生成された（第２の合成ガスを含む）第２の放出流は、熱利用ユニット２４０に送られる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０は、一体型改質器２２０からの第２の合成ガスを含む第２の放出流を冷却するように構成されるため、第２の合成ガスを含む第２の放出流はさらなる工程（例えば、水性ガスシフト工程）により適するようになる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０は、第２の合成ガスを含む第２の放出流を所定の温度または所定の温度範囲（例えば、水性ガスシフト工程用の３００℃～３５０℃）まで冷却するように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却剤、プロセス水、または補給水として、水が熱利用ユニット２４０に提供される。水が、第２の合成ガスを含む第２の放出流を熱利用ユニット２４０で冷却する際、水は第２の合成ガスを含む第２の放出流からの熱エネルギーを吸収する。それ故に、水の状態はガス（例えば、過熱水）に変化し、これは、一体型改質器２２０および／または水性ガスシフト反応器２４２に提供され得る。

【0045】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０は動力発生ユニット（例えば、蒸気タービン）を含む。いくつかの実装形態では、動力発生ユニットは、熱利用ユニット２４０で発生した蒸気を使用して動力を起こす（例えば、発電する）。

【0046】

上に論じられるように、熱利用ユニット２４０は、（例えば、冷却剤、プロセス水、または補給水としての）水の投入流、および一体型改質器２２０によって発生した第２の合成ガスを含む第２の放出流を受け入れるように構成される蒸気発生ユニットを含み得る。熱利用ユニット２４０は、一体型改質器２２０から入ってくる（第２の合成ガスを含む）第２の放出流によって熱利用ユニット２４０に投入される、プラズマ反応器２１０によって発生した余熱を使用して投入された水を気化させてまたは加熱してよく、発生した蒸気は水性ガスシフト反応器２４２に送られてよい。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０からのいずれの余分な蒸気も一体型改質器２２０に送られて、一体型改質器２２０における第２の合成ガスの形成を容易にする。

【0047】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０は水性ガスシフト反応器２４２と流体連通している。いくつかの実装形態では、流体連通により、（第２の合成ガスを含む）第２の放出流は、熱利用ユニット２４０における冷却工程後、水性ガスシフト反応器２４２に送られる。いくつかの実装形態では、水性ガスシフト反応器２４２は、一酸化炭素および水が可逆反応してＣＯ_２およびＨ_２を形成する水性ガスシフト反応器２４２によるＨ_２の形成を容易にする。例えば、水性ガスシフト反応器２４２は、水性ガスシフト反応器２４２を通っていく（第２の合成ガスを含む）第２の放出流におけるＣＯおよびＨ_２ＯをＨ_２およびＣＯ_２（図２では「生成ガス」）を含む第３の放出流に変換する。示されるように、いくつかの実装形態では、水性ガスシフト反応器２４２における水性ガスシフト工程後、生成ガスは、さらなる冷却工程のために熱利用ユニット２４０に送り返される。例えば、熱利用ユニット２４０は、水性ガスシフト反応器２４２からの生成ガスを所定の温度または所定の温度範囲（例えば、４０℃～５０℃）まで冷却する。

【0048】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット２４０は、熱利用ユニット２４０から生成ガスを受け入れる（Ｈ_２、ＣＯ_２、および未反応のまたは部分的に反応した物質を含む生成ガスを「冷却する」）ように構成され、生成ガスを加圧するように構成されるコンプレッサ２３４と流体連通している。示されるように、コンプレッサ２３４はアミン装置２４４と流体連通している。いくつかの実装形態では、コンプレッサ２３４は、上に論じられるように熱利用ユニット２４０によって発生した動力（例えば、電力）に基づいて動作する。その結果、コンプレッサ２３４は、生成ガスを受け入れ、その生成ガスを加圧後にアミン装置２４４に提供する。例えば、生成ガスは、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍの圧力、またはその他の圧力でコンプレッサ２３４によって得られ得、コンプレッサ２３４を出る生成ガスは、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0049】

アミン装置２４４は、いずれの残りの不純物（例えば、硫化水素、硫黄酸化物、またはその他の有害物質）も取り除くためにコンプレッサ２３４を出る生成ガスと反応する様々なアミンの水溶液を含み得る。さらにまたは代替的には、アミン装置２４４に含まれるアミンは、二酸化炭素などの酸性ガスの除去を容易にし得る。いくつかの実装形態では、アミン装置２４４によって取り除かれた二酸化炭素は、再循環しプラズマ反応器２１０に送り返されることで、（第１の合成ガスを発生させるための）さらなる合成ガス反応を容易にする。示されるように、いくつかの実装形態では、アミン装置２４４に入った生成ガスにおけるいずれかの部分的に反応したまたは未反応のガスが、再循環流で一体型改質器２２０に引き戻されて、合成ガス（この例では第２の合成ガス）および／または水素ガス生成物の形成に関連する化学反応をさらに高い完成度まで促す。

【0050】

示されるように、いくつかの実装形態では、アミン装置２４４は、アミン装置２４４から生成ガスを受け入れるように構成される圧力スイング吸着装置２４６と流体連通している。いくつかの実装形態では、アミン装置２３４からの水素ガスを含む生成ガスおよび任意の残留ガスは、圧力スイング吸着装置２４６に送られて、得られたガスをさらに分離する。いくつかの実装形態では、例えば、圧力スイング吸着装置２４６は、水素ガスに加えて吸着剤を通過する化合物を捕捉することによって、圧力スイング吸着装置２４６に入った任意のその他のガスから水素ガスを分離する吸着剤を含む。吸着剤によって捕捉されたガスは、圧力スイング吸着装置２４６における圧力を低減することによって吸着剤から脱着させてよく、脱着したガス（例えば、ＣＯ）はさらに反応させるためにＰＣＣＵ２０２へと（例えば、一体型改質器２２０に）再循環させてよい。換言すれば、アミン装置２４４および圧力スイング吸着装置２４６は、水性ガスシフト反応器２４２からのＨ_２およびＣＯ_２を含む生成ガスから非水素ガスを取り除く。その結果、二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム２００は、ＣＯ_２を還元し、高純度Ｈ_２（例えば、９９．９５％のＨ_２）を発生させることができる。

【0051】

本開示の範囲から逸脱することなく、二酸化炭素還元および利用システム２００に対する修正、追加、または省略がなされてよい。例えば、説明されたような異なる要素の名称は、本明細書に説明される概念の説明に役立つように意図されており、限定するものではない。例えば、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ２３２、スクラバー２３６、空気分離器２３８、プラズマ反応器２１０および一体型改質器２２０を含むＰＣＣＵ２０２、熱利用ユニット２４０、水性ガスシフト反応器２４２、コンプレッサ２３４、アミン装置２４４、および圧力スイング吸着装置２４６は、本明細書に記載される概念を説明する際の助けとなるように記載された特定の様式で描写されているが、そのような描写は限定を意図するものではない。さらに、二酸化炭素還元および利用のシステム２００は、任意の数の他の要素を含んでよい、または記載されたもの以外の他のシステムまたは文脈の範囲内で実装されてよい。

【0052】

図３は、本開示のいくつかの実装形態による、例示の二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム３００を示す。ＣＯ_２還元および利用システム３００は、バイオガスから合成ガスを生成するシステムを含んでよい。

【0053】

図３に示されるように、いくつかの実装形態では、ＣＯ_２還元および利用システム３００は、（プラズマ反応器３１０、およびプラズマ反応器３１０と流体連通する一体型改質器３２０を含む）ＰＣＣＵ３０２、プレコンプレッサ３３２、コンプレッサ３３４、スクラバー３３６、空気分離器３３８、熱利用ユニット３４０、アミン装置３４４、分離ユニット３４８を含む。

【0054】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ３３２の導入口はバイオガス投入源と流体連通している。その結果、プレコンプレッサ３３２はシステム３００内への（例えば、図３に示されるようなスクラバー３３６への）バイオガス流の圧力を制御することができる。いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ３３２は、システム３００内へのバイオガス流の圧力を高める。例えば、投入されたバイオガスは、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍの圧力、またはその他の圧力でプレコンプレッサ３３２によって得られ得、プレコンプレッサ３３２を出るバイオガス（例えば、スクラバー３３６へのバイオガス流）は、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0055】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ３３２の排出口はスクラバー３３６の導入口と流体連通している。その結果、スクラバー３３６はプレコンプレッサ３３２からバイオガス（例えば、加圧されたバイオガス）を受け入れる。いくつかの実装形態では、スクラバー３３６はプレコンプレッサ３３２から受け入れたバイオガスの不純物、汚染物質、または有害成分を取り除く。例えば、スクラバー３３６は、有害物質（例えば、硫黄酸化物、粒子状物質、酸性ガスなど）がスクラバー３３６に含まれる乾燥試薬に吸着される乾燥浄化工程を含み得る。別の例として、スクラバー３３６は、バイオガスから１つまたは複数の成分を分離するために（プレコンプレッサ３３２からの）バイオガスに湿性物質（例えば、水）が噴霧される湿式浄化工程を含んでよい。示されるように、スクラバー３３６の排出口は、プラズマ反応器３１０および一体型改質器３２０と流体連通している。その結果、浄化されたバイオガス（例えば、ＣＨ_４およびＣＯ_２を含むガス）の流れがプラズマ反応器３１０および一体型改質器３２０に提供される。

【0056】

示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器３３８は、投入気流を得、投入気流を、主に窒素ガス（Ｎ_２）および酸素ガス（Ｏ_２）を含み得るその構成成分に分離する。空気分離器３３８は、分留、圧力スイング吸着、真空圧力スイング吸着、膜分離により、または任意のその他の分離方法によって、投入気流に含まれる成分の分離を容易にし得る。示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器３３８は、ＰＣＣＵ３０２と流体連通している（例えば、ＰＣＣＵ３０２のプラズマ反応器３１０と流体連通している）。示されるように、流体連通により、分離された空気成分はＰＣＣＵ３０２のプラズマ反応器３１０に送られ得る。

【0057】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０は、石英またはセラミック材料から作られるプラズマチャンバを含み、このプラズマチャンバにおける１つまたは複数の導波管は、プラズマチャンバで生じる化学反応を容易にするように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０は、スクラバー３３６からのバイオガス流、空気分離器３３８からの分離された空気成分を得て、導入口のガス流の間の化学反応に影響を与えるように構成される。

【0058】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０において、スクラバー３３６からの浄化されたバイオガス流におけるＣＯ_２およびＣＨ_４は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２およびＣＨ_４をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）に変換される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０は、燃焼なく瞬時にＣＯ_２およびＣＨ_４をＨ_２およびＣＯに変換する。その結果、プラズマ反応器３１０は、浄化されたバイオガスを継続して受け入れるため、ＣＯ_２およびＣＨ_４を（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスに変換することができる。

【0059】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０において、スクラバー３３６および空気分離器３３８からのＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２の混合物をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯを発生させるために使用される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０は、燃焼なくＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して瞬時にＨ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）を発生させる。その結果、プラズマ反応器３１０は、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を継続して受け入れるため、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスを発生させることができる。

【0060】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器３１０における合成ガス変換工程の間に熱が発生する。プラズマ反応器３１０で発生した熱（例えば、熱エネルギー）は、第１の放出流の温度および第１の放出流に含まれる第１の合成ガスの温度を上昇させる。例えば、第１の合成ガスの温度は、１５００℃～２５００℃であってよい。いくつかの実装形態では、上に論じられるように、プラズマ反応器３１０と流体連通する一体型改質器３２０は、プラズマ反応器３１０から第１の合成ガスを含む第１の放出流を受け入れるように構成される。その結果、プラズマ反応器３１０で発生した熱エネルギーの少なくとも一部は、第１の合成ガス（例えば、１５００℃を上回る温度を有する合成ガス）を含む第１の放出流を介して一体型改質器３２０に移動する。

【0061】

いくつかの実装形態では、一体型改質器３２０は、プラズマ反応器３１０に接続される個別の反応装置を含む。さらにまたは代替的には、プラズマ反応器３１０および一体型改質器３２０は、単一の装置であってよく、それによって、一体型改質器３２０による合成ガス（例えば、第２の合成ガス）の形成は、プラズマ反応器／一体型改質器の結合ユニットで生じる。

【0062】

いくつかの実装形態では、一体型改質器３２０は、プラズマ反応器の第１の放出流からの第１の合成ガス（Ｈ_２およびＣＯ）、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＨ_２Ｏ、スクラバー３３６からの浄化されたバイオガス、および熱利用ユニット３４０からの蒸気（例えば、過熱水）を、（第２の放出流に含まれる）第２の合成ガスに変換するように構成される水蒸気メタン改質反応器または任意の他の反応器を含む。

【0063】

いくつかの実装形態では、（以下にさらに詳細に説明されるような）分離ユニット３４８は、一体型改質器３２０にさらなるＣＯを提供する。それ故に、示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器３２０は、プラズマ反応器３１０の第１の放出流からの第１の合成ガス（Ｈ_２およびＣＯ）、ＣＯ_２、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、スクラバー３３６からの浄化されたバイオガス、熱利用ユニット３４０からの蒸気（例えば、過熱水）、および分離ユニット３４８からの再循環ガスを、（第２の放出流に含まれる）第２の合成ガスに変換するように構成される水蒸気メタン改質反応器または任意の他の反応器を含む。その結果、第１の合成ガスおよびバイオガスの１つまたは複数の生成ガス（この例では第２の合成ガス）への変換率を容易に大きくするためのさらなる反応物が提供される。

【0064】

いくつかの実装形態では、ＰＣＣＵ３０２で生じる化学反応によってもたらされた合成ガス（この例では第２の合成ガス）は、他の既存の化学工程によってもたらされた合成ガスよりも効率的に発生し得る。さらにまたは代替的には、一体型改質器３２０で生じる合成ガス反応を容易にするためのさらなる熱は必要とされない場合があるが、これは、プラズマ反応器３１０で生じる反応によって発生する熱が一体型改質器３２０内に投入され得るからである。

【0065】

いくつかの実装形態では、一体型改質器３２０への蒸気は、以下にさらに詳細に説明されるような冷却ユニット５１４／６１４によって提供される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器３１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水蒸気改質工程のために第１の合成ガスをある温度範囲（例えば、７００℃～１０００℃）まで冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水を冷却剤として使用して、プラズマ反応器３１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器３１０から一体型改質器３２０への（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する工程で加熱される水である蒸気を提供するように構成される。

【0066】

示されるように、一体型改質器３２０は熱利用ユニット３４０（例えば、熱交換機）と流体連通している。いくつかの実装形態では、流体連通により、一体型改質器３２０によって生成された（第２の合成ガスを含む）第２の放出流は、熱利用ユニット３４０に送られる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット３４０は、一体型改質器３２０からの第２の合成ガスを含む第２の放出流を冷却するように構成されるため、第２の合成ガスを含む第２の放出流はさらなる工程（例えば、アミン装置３４４におけるＣＯ_２除去工程）により適するようになる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット３４０は、第２の合成ガスを含む第２の放出流を所定の温度または所定の温度範囲（例えば、４０℃～５０℃）まで冷却するように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却剤、プロセス水、または補給水として、水が熱利用ユニット３４０に提供される。水が、第２の合成ガスを含む第２の放出流を熱利用ユニット３４０で冷却する際、水は第２の合成ガスを含む第２の放出流からの熱エネルギーを吸収する。それ故に、水の状態はガス（例えば、過熱水）に変化し、これは、一体型改質器３２０に提供され得る。

【0067】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット３４０は動力発生ユニット（例えば、蒸気タービン）を含む。いくつかの実装形態では、動力発生ユニットは、熱利用ユニット３４０で発生した蒸気を使用して動力を起こす（例えば、発電する）。

【0068】

上に論じられるように、熱利用ユニット３４０は、（冷却剤、プロセス水、または補給水としての）水の投入流、および一体型改質器３２０によって発生した第２の合成ガスを含む第２の放出流を受け入れるように構成される蒸気発生ユニットを含み得る。熱利用ユニット３４０は、一体型改質器３２０から入ってくる（第２の合成ガスを含む）第２の放出流によって熱利用ユニット３４０に投入される、プラズマ反応器３１０によって発生した余熱を使用して投入された水を気化させてまたは加熱してよく、発生した蒸気は一体型改質器３２０に送られて、一体型改質器３４０における第２の合成ガスの形成を容易にし得る。

【0069】

いくつかの実装形態では、第２の放出流に含まれる第２の合成ガスは、０．５：１から２．９：１に及ぶ比率の（例えば、図３に示されるように２：１の比率の）水素ガスおよび一酸化炭素を含む。形成される第２の合成ガスの比率は、プレコンプレッサ３３２内に投入されるバイオガス容量、空気分離器３３８内に投入される空気容量、ＰＣＣＵ３０２のプラズマ反応器３１０または一体型改質器３２０に供給されるエネルギー量、熱利用ユニット３４０から一体型改質器３２０に送られる蒸気量、またはこれらの何らかの組み合わせに左右され得る。例えば、水素ガス対一酸化炭素の比率は、熱利用ユニット３４０から一体型改質器３２０への蒸気の再循環流がない場合、およそ０．５：１からおよそ１．５：１に及ぶ場合があるが、水素ガス対一酸化炭素の比率は、一体型改質器３２０に再循環される（または提供される）蒸気量に応じて、およそ１．３：１からおよそ２．９：１に増大し得る。

【0070】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット３４０は、熱利用ユニット３４０からの（第２の合成ガスを含む）熱利用ユニット３４０によって冷却される第２の放出流を受け入れるように構成され、第２の放出流を加圧するように構成されるコンプレッサ３３４と流体連通している。示されるように、コンプレッサ３３４はアミン装置３４４と流体連通している。いくつかの実装形態では、コンプレッサ３３４は、上に論じられるように熱利用ユニット３４０によって発生した動力（例えば、電力）に基づいて動作する。その結果、コンプレッサ３３４は、熱利用ユニット３４０によって冷却される第２の放出流を受け入れ、「冷却された」第２の放出流を加圧後にアミン装置３４４に提供する。例えば、第２の放出流は、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍの圧力、またはその他の圧力でコンプレッサ３３４によって得られ得、コンプレッサ３３４を出る「冷却された」第２の放出流は、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0071】

アミン装置３４４は、いずれの残りの不純物（例えば、硫化水素、硫黄酸化物、またはその他の有害物質）も取り除くためにコンプレッサ３３４を出る「冷たい」第２の放出流と反応する様々なアミンの水溶液を含み得る。さらにまたは代替的には、アミン装置３４４に含まれるアミンは、二酸化炭素などの酸性ガスの除去を容易にし得る。

【0072】

示されるように、いくつかの実装形態では、アミン装置３４４は、アミン装置３４４から（アミン装置３４４によって処理されたまたは調製された）「冷却された」第２の放出流を受け入れるように構成される分離ユニット３４８と流体連通している。

【0073】

その結果、（アミン装置３４４によって処理された）「冷却された」第２の放出流
は、分離ユニット３４８に送られて第２の放出流の様々な成分を分解する。例えば、分離ユニット３４８は、（アミン装置３４４によって処理された）「冷却された」第２の放出流に含まれる成分を分離するための圧力スイング吸着装置を含んでよく、この圧力スイング吸着装置は、吸着剤を通過する化合物をフィルター処理することによって、圧力スイング吸着装置に入ったガス成分を分離する吸着剤を含む。吸着剤によって捕捉されたガスは、圧力スイング吸着装置における圧力を低減することによって吸着剤から脱着させてよく、脱着したガス（例えば、ＣＯ）はさらに反応させるためにＰＣＣＵ３０２へと（例えば、一体型改質器３０２に）再循環させてよい。いくつかの実装形態では、（アミン装置３４４によって処理された）「冷却された」第２の放出流の第１の部分は、圧力スイング吸着装置によって処理され、（アミン装置３４４によって処理された）「冷却された」第２の放出流の第２の部分は、圧力スイング吸着装置をバイパスする。いくつかの実装形態では、圧力スイング吸着装置によって処理された（アミン装置３４４によって処理された）「冷却された」第２の放出流の第１の部分の量を変化させることによって、第１の部分および第２の部分の総量を放出するように構成される分離ユニット３４８は、様々なＨ_２：ＣＯの比率で合成ガスを生成することができる。その結果、二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム３００は、ＣＯ_２を還元し、様々なＨ_２：ＣＯの比率の合成ガスを発生させることが可能である。

【0074】

本開示の範囲から逸脱することなく、二酸化炭素還元および利用システム３００に対する修正、追加、または省略がなされてよい。例えば、説明されたような異なる要素の名称は、本明細書に説明される概念の説明に役立つように意図されており、限定するものではない。例えば、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ３３２、スクラバー３３６、空気分離器３３８、プラズマ反応器３１０および一体型改質器３２０を含むＰＣＣＵ３０２、熱利用ユニット３４０、コンプレッサ３３４、アミン装置３４４、および分離ユニット３４８は、本明細書に記載される概念を説明する際の助けとなるように記載された特定の様式で描写されているが、そのような描写は限定を意図するものではない。さらに、二酸化炭素還元および利用システム３００は、任意の数の他の要素を含んでよい、または記載されたもの以外の他のシステムまたは文脈の範囲内で実装されてよい。

【0075】

図４は、本開示のいくつかの実装形態による、例示の二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム４００を示す。ＣＯ_２還元および利用システム４００は、バイオガスから水素を生成するシステムを含んでよい。

【0076】

図４に示されるように、いくつかの実装形態では、ＣＯ_２還元および利用システム４００は、（プラズマ反応器４１０、およびプラズマ反応器４１０と流体連通する一体型改質器４２０を含む）ＰＣＣＵ４０２、プレコンプレッサ４３２、コンプレッサ４３４、スクラバー４３６、空気分離器４３８、熱利用ユニット４４０、水性ガスシフト反応器４４２、アミン装置４４４、および圧力スイング吸着装置４４６を含む。

【0077】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ４３２の導入口はバイオガス投入源と流体連通している。その結果、プレコンプレッサ４３２はシステム４００内への（例えば、図４に示されるようなスクラバー４３６への）バイオガス蒸気の圧力を制御することができる。いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ４３２は、システム４００内へのバイオガス蒸気の圧力を高める。例えば、投入されたバイオガスは、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍの圧力、またはその他の圧力でプレコンプレッサ４３２によって得られ得、プレコンプレッサ４３２を出るバイオガス（例えば、スクラバー４３６へのバイオガス流）は、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0078】

示されるように、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ４３２の排出口はスクラバー４３６の導入口と流体連通している。その結果、スクラバー４３６はプレコンプレッサ４３２からバイオガス（例えば、加圧されたバイオガス）を受け入れる。いくつかの実装形態では、スクラバー４３６は、プレコンプレッサ４３２から受け入れたバイオガスの不純物、汚染物質、または有害成分を取り除く。例えば、スクラバー４３６は、有害物質（例えば、硫黄酸化物、粒子状物質、酸性ガスなど）がスクラバー４３６に含まれる乾燥試薬に吸着される乾燥浄化工程を含み得る。別の例として、スクラバー４３６は、バイオガスから１つまたは複数の成分を分離するために（プレコンプレッサ４３２からの）バイオガスに湿性物質（例えば、水）が噴霧される湿式浄化工程を含んでよい。示されるように、スクラバー４３６の排出口は、プラズマ反応器４１０および一体型改質器４２０と流体連通している。その結果、浄化されたバイオガス（例えば、ＣＨ_４およびＣＯ_２を含むガス）流がプラズマ反応器４１０および一体型改質器４２０に提供される。

【0079】

示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器４３８は、投入気流を得、投入気流を、主に窒素ガス（Ｎ_２）および酸素ガス（Ｏ_２）を含み得るその構成成分に分離する。空気分離器４３８は、分留、圧力スイング吸着、真空圧力スイング吸着、膜分離により、または任意のその他の分離方法によって、投入気流に含まれる成分の分離を容易にし得る。示されるように、いくつかの実装形態では、空気分離器４３８は、ＰＣＣＵ４０２と流体連通している（例えば、ＰＣＣＵ４０２のプラズマ反応器４１０と流体連通している）。示されるように、流体連通により、分離された空気成分はＰＣＣＵ４０２のプラズマ反応器４１０に送られ得る。

【0080】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０は、石英またはセラミック材料から作られるプラズマチャンバを含み、このプラズマチャンバにおける１つまたは複数の導波管は、プラズマチャンバで生じる化学反応を容易にするように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０は、スクラバー４３６からのバイオガス（例えば、浄化されたバイオガス）流、空気分離器４３８からの分離された空気成分を得て、導入口のガス流の間の化学反応に影響を与えるように構成される。

【0081】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０において、スクラバー４３６からの浄化されたバイオガス流におけるＣＯ_２およびＣＨ_４は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２およびＣＨ_４をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）に変換される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０は、燃焼なく瞬時にＣＯ_２およびＣＨ_４をＨ_２およびＣＯに変換する。その結果、プラズマ反応器４１０は、スクラバー４３６からＣＯ_２およびＣＨ_４を継続して受け入れるため、ＣＯ_２およびＣＨ_４を（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスに変換することができる。

【0082】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０において、スクラバー４３６および空気分離器４３８からのＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物は、マイクロ波プラズマを使用して（例えば、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２の混合物をマイクロ波プラズマに曝して）Ｈ_２およびＣＯを発生させるために使用される。いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０は、燃焼なくＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して瞬時にＨ_２およびＣＯ（第１の合成ガス）を発生させる。その結果、プラズマ反応器４１０は、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を継続して受け入れるため、ＣＯ_２、ＣＨ_４、およびＯ_２を含むガスの混合物を使用して（第１の放出流に含まれる）第１の合成ガスを発生させることができる。

【0083】

いくつかの実装形態では、プラズマ反応器４１０における合成ガス変換工程の間に熱が発生する。プラズマ反応器４１０で発生した熱（例えば、熱エネルギー）は、第１の放出流の温度および第１の放出流に含まれる第１の合成ガスの温度を上昇させる。例えば、第１の合成ガスの温度は、１５００℃～２５００℃であってよい。いくつかの実装形態では、上に論じられるように、プラズマ反応器４１０と流体連通する一体型改質器４２０は、プラズマ反応器４１０から、第１の合成ガスを含む第１の放出流を受け入れるように構成される。その結果、プラズマ反応器４１０で発生した熱エネルギーの少なくとも一部は、第１の合成ガス（例えば、１５００℃を上回る温度を有する合成ガス）を含む第１の放出流を介して一体型改質器４２０に移動する。

【0084】

いくつかの実装形態では、一体型改質器４２０は、プラズマ反応器４１０に接続される個別の反応装置を含む。さらにまたは代替的には、プラズマ反応器４１０および一体型改質器４２０は、単一の装置であってよく、それによって、一体型改質器４２０による合成ガス（例えば、第２の合成ガス）の形成は、プラズマ反応器／一体型改質器の結合ユニットで生じる。

【0085】

いくつかの実装形態では、（以下にさらに詳細に説明されるような）圧力スイング吸着装置４４８は、一体型改質器４２０にさらなるＣＯを提供する。それ故に、示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器４２０は、プラズマ反応器４１０の第１の放出流からの第１の合成ガス（Ｈ_２およびＣＯ）、ＣＯ_２、ＣＨ_４、ＣＯ、およびＨ_２Ｏ、スクラバー４３６からの浄化されたバイオガス、圧力スイング吸着装置４４８からの再循環ガス、および熱利用ユニット４４０からの蒸気（例えば、過熱水）を、（第２の放出流に含まれる）第２の合成ガスに変換するように構成される水蒸気メタン改質反応器または任意の他の反応器を含む。

【0086】

いくつかの実装形態では、一体型改質器４２０への蒸気は、以下にさらに詳細に説明されるような冷却ユニット５１４／６１４によって提供される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器４１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水蒸気改質工程のために第１の合成ガスをある温度範囲（例えば、７００℃～１０００℃）まで冷却するように構成される。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、水を冷却剤として使用して、プラズマ反応器４１０からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する。いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４／６１４は、プラズマ反応器４１０から一体型改質器４２０への（第１の合成ガスを含む）第１の放出流を冷却する工程で加熱される水である蒸気を提供するように構成される。

【0087】

いくつかの実装形態では、一体型改質器４２０は、熱利用ユニット４４０からの蒸気および冷却ユニット５１４／６１４からの蒸気を得るように構成される。その結果、第１の合成ガスおよびバイオガスの１つまたは複数の生成ガス（この例では第２の合成ガス）への変換率を容易に大きくするためのさらなる反応物が提供される。

【0088】

示されるように、一体型改質器４２０は熱利用ユニット４４０（例えば、熱交換機）と流体連通している。いくつかの実装形態では、流体連通により、一体型改質器４２０によって生成された（第２の合成ガスを含む）第２の放出流は、熱利用ユニット４４０に送られる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０は、一体型改質器４２０からの第２の合成ガスを含む第２の放出流を冷却するように構成されるため、第２の合成ガスを含む第２の放出流はさらなる工程（例えば、水性ガスシフト工程）により適するようになる。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０は、第２の合成ガスを含む第２の放出流を所定の温度または所定の温度範囲（例えば、３００℃～３５０℃）まで冷却するように構成される。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却剤、プロセス水、または補給水として、水が熱利用ユニット４４０に提供される。水が、第２の合成ガスを含む第２の放出流を熱利用ユニット４４０で冷却する際、水は第２の合成ガスを含む第２の放出流からの熱エネルギーを吸収する。それ故に、水の状態はガス（例えば、過熱水）に変化し、これは、一体型改質器４２０および／または水性ガスシフト反応器４４２に提供され得る。

【0089】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０は動力発生ユニット（例えば、蒸気タービン）を含む。いくつかの実装形態では、動力発生ユニットは、熱利用ユニット４４０で発生した蒸気を使用して動力を起こす（例えば、発電する）。

【0090】

上に論じられるように、熱利用ユニット４４０は、（冷却剤、プロセス水、または補給水としての）水の投入流、および一体型改質器４２０によって発生した第２の合成ガスを含む第２の放出流を受け入れるように構成される蒸気発生ユニットを含み得る。熱利用ユニット４４０は、一体型改質器４２０から入ってくる（第２の合成ガスを含む）第２の放出流によって熱利用ユニット４４０に投入される、プラズマ反応器４１０によって発生した余熱を使用して投入された水を気化させてまたは加熱してよく、発生した蒸気は水性ガスシフト反応器４４２に送られ得る。いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０からのいずれの余分な蒸気も一体型改質器４２０に送られて、一体型改質器４４０における第２の合成ガスの形成を容易にする。

【0091】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０は水性ガスシフト反応器４４２と流体連通している。いくつかの実装形態では、流体連通により、（第２の合成ガスを含む）第２の放出流は、熱利用ユニット２４０における冷却工程後、水性ガスシフト反応器４４２に送られる。いくつかの実装形態では、水性ガスシフト反応器４４２は、一酸化炭素および水が可逆反応してＣＯ_２およびＨ_２を形成する水性ガスシフト反応器４４２によるＨ_２の形成を容易にする。例えば、水性ガスシフト反応器４４２は、水性ガスシフト反応器４４２を通っていく（第２の合成ガスを含む）第２の放出流におけるＣＯおよびＨ_２ＯをＨ_２およびＣＯ_２（図４では「生成ガス」）を含む第３の放出流に変換する。示されるように、いくつかの実装形態では、水性ガスシフト反応器４４２における水性ガスシフト工程後、生成ガスは、さらなる冷却工程のために熱利用ユニット４４０に送り返される。例えば、熱利用ユニット４４０は、水性ガスシフト反応器４４２からの生成ガスを所定の温度または所定の温度範囲（例えば、４０℃～５０℃）まで冷却する。

【0092】

示されるように、いくつかの実装形態では、熱利用ユニット４４０は、生成ガスを受け入れる（Ｈ_２、ＣＯ_２、および未反応のまたは部分的に反応した物質を含む生成ガスを「冷却する」）ように構成され、生成ガスを加圧するように構成されるコンプレッサ４３４と流体連通している。示されるように、コンプレッサ４３４はアミン装置４４４と流体連通している。いくつかの実装形態では、コンプレッサ４３４は、上に論じられるように熱利用ユニット４４０によって発生した動力（例えば、電力）に基づいて動作する。その結果、コンプレッサ４３４は、生成ガスを受け入れ、その生成ガスを加圧後にアミン装置４４４に提供する。例えば、生成ガスは、０．５ａｔｍ、１ａｔｍ、１．５ａｔｍ、２ａｔｍの圧力、またはその他の圧力でコンプレッサ４３４によって得られ得、コンプレッサ４３４を出る生成ガスは、圧力が、２ａｔｍ、３ａｔｍ、５ａｔｍ、１０ａｔｍ、２０ａｔｍ、１００ａｔｍ、またはその他の圧力であり得る。

【0093】

アミン装置４４４は、いずれの残りの不純物（例えば、硫化水素、硫黄酸化物、またはその他の有害物質）も取り除くためにコンプレッサ４３４を出る生成ガスと反応する様々なアミンの水溶液を含み得る。さらにまたは代替的には、アミン装置４４４に含まれるアミンは、二酸化炭素などの酸性ガスの除去を容易にし得る。

【0094】

示されるように、いくつかの実装形態では、アミン装置４４４は、アミン装置４４４から生成ガスを受け入れるように構成される圧力スイング吸着装置４４６と流体連通している。いくつかの実装形態では、アミン装置４３４からの水素ガスを含む生成ガスおよび任意の残留ガスは、圧力スイング吸着装置４４６に送られて、得られたガスをさらに分離する。いくつかの実装形態では、例えば、圧力スイング吸着装置４４６は、水素ガスに加えて吸着剤を通過する化合物を捕捉することによって、圧力スイング吸着装置４４６に入った任意のその他のガスから水素ガスを分離する吸着剤を含む。吸着剤によって捕捉されたガスは、圧力スイング吸着装置４４６における圧力を低減することによって吸着剤から脱着させてよく、脱着したガス（例えば、ＣＯ）はさらに反応させるためにＰＣＣＵ４０２へと（例えば、一体型改質器４２０に）再循環させてよい。換言すれば、アミン装置４４４および圧力スイング吸着装置４４６は、水性ガスシフト反応器４４２からのＨ_２およびＣＯ_２を含む生成ガスから非水素ガスを取り除く。その結果、二酸化炭素（ＣＯ_２）還元および利用システム４００は、ＣＯ_２を取り除き、高純度Ｈ_２（例えば、９９．９５％のＨ_２）を発生させることができる。

【0095】

本開示の範囲から逸脱することなく、二酸化炭素還元および利用システム４００に対する修正、追加、または省略がなされてよい。例えば、説明されたような異なる要素の名称は、本明細書に説明される概念の説明に役立つように意図されており、限定するものではない。例えば、いくつかの実装形態では、プレコンプレッサ４３２、スクラバー４３６、空気分離器４３８、プラズマ反応器４１０および一体型改質器４２０を含むＰＣＣＵ４０２、熱利用ユニット４４０、水性ガスシフト反応器４４２、コンプレッサ４３４、アミン装置４４４、および圧力スイング吸着装置４４６は、本明細書に記載される概念を説明する際の助けとなるように記載された特定の様式で描写されているが、そのような描写は限定を意図するものではない。さらに、二酸化炭素還元および利用のシステム４００は、任意の数の他の要素を含んでよい、または記載されたもの以外の他のシステムまたは文脈の範囲内で実装されてよい。

【0096】

図５Ａは、本開示のいくつかの実装形態による、例示の一体型改質器５００Ａの断面図を示す。

【0097】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器５００Ａは、外側チャンバ５０２および反応チャンバ５０４を含む。

【0098】

示されるように、いくつかの実装形態では、外側チャンバ５０２は、第１のガス流（例えば、プラズマ反応器からの第１の合成ガスを含むガス流）を得るように構成される第１の導入口５０６と、第２のガス流（例えば、バイオガス、ＣＨ_４、天然ガス、またはこれらの任意の組み合わせなどの炭化水素燃料を含むガス流）を得るように構成される第２の導入口５０８と、を含む。

【0099】

示されるように、いくつかの実装形態では、第２のガス流は、熱利用部５４０（例えば、図２／３／４における熱利用ユニット２４０／３４０／４４０と同様の熱利用ユニット）からのものである。いくつかの実装形態では、第２のガス流は、チャンバ５０２に導入する前に、熱利用ユニット５４０によって所定の温度まで加熱または冷却される。

【0100】

いくつかの実装形態では、一体型改質器５００Ａは、第１のガス流および第２のガス流が混合され冷却されている混合および冷却ゾーン５１０を外側チャンバ５０２に設けている。示されるように、いくつかの実装形態では、混合および冷却ゾーン５１０において第１のガス流および第２のガス流を混合するために、第２の導入口５０８の第１の端部５１２は、外側チャンバ５０２の壁を介して混合および冷却ゾーン５１０内に延在する。示されるように、いくつかの実装形態では、外側チャンバ５０２における第２の導入口５０８の第１の端部５１２は、第２の導入口５０８の第１の端部５１２が第１の導入口５０６に向けられるように折り曲げられる。それ故に、第１のガス流および第２のガス流は、混合をより良くするために混合および冷却ゾーン５１０において直接衝突する。

【0101】

いくつかの実装形態では、図２、図３、および図４に関して説明されるプラズマ反応器からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流などの第１のガス流は、プラズマ反応器からのものである。論じられるように、プラズマ反応器からの第１の放出流（図５における第１のガス流）は、プラズマ反応器の動作により高温（例えば、１５００℃～２５００℃の温度範囲）を有する。

【0102】

（高温の）第１のガス流を第１のガス流よりも比較的低い温度の第２のガス流（この例ではバイオガス）と混合させることによって、第１のガス流と第２のガス流との混合物の温度は、第１のガス流の温度よりも低い。いくつかの実装形態では、第１のガス流と第２のガス流との混合物を所定の温度または所定の温度範囲まで効率的に冷却することで、第１のガス流と第２のガス流との混合物の温度が（蒸気を伴って反応チャンバ５０４において）水蒸気改質に適した範囲（例えば、７００℃～１０００℃）内にあるように、冷却ユニット５１４は外側チャンバ５０２に結合される。

【0103】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器５００Ａは、混合および冷却ゾーン５１０に隣接して配設される冷却ユニット５１４を含む。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４は混合および冷却ゾーン５１０を取り囲む。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４は、混合および冷却ゾーン５１０に隣接して外側チャンバ５０２の周囲に配設されたまたは巻き付けられた管５１６（またはパイプ）を含む。示されるように、いくつかの実装形態では、混合および冷却ゾーン５１０は第１の導入口５０６と反応チャンバ５０４との間に設けられる。

【0104】

いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４は、水を冷却剤として使用して、第１のガス流および／または第２のガス流の混合物を冷却する。例えば、水は、外側チャンバ５０２の周りに配設された管５１６の第１の端部５１８に供給される。水は管５１６内に流れるため、水は、第１のガス流および／または第２のガス流の混合物から熱エネルギー（熱）を吸収して蒸気（例えば、ガス状態の水）になる。

【0105】

示されるように、いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４は、反応チャンバ５０４に蒸気を提供するように構成される。示されるように、管５１６の第２の端部５２０は、反応チャンバ５０４の混合ガス導入口５２２に隣接するように反応チャンバ５０４に配設される。示されるように、いくつかの実装形態では、管５１６の第２の端部５２０は、反応チャンバ５０４の混合ガス導入口５２２を介して反応チャンバ５０４に接続される（またはこれと流体連通している）。

【0106】

示されるように、いくつかの実装形態では、管５１６の第２の端部５２０は、混合ガス導入口５２２の側面の反対側に向けられる。示されるように、第１のガス流と第２のガス流との混合物は、混合ガス導入口５２２を介して反応チャンバ５０４に提供される。その結果、第１のガス流と第２のガス流との混合物は、反応チャンバ５０４において蒸気と混合される。その結果、反応チャンバ５０４では、第１のガス流、第２のガス流、および水蒸気改質を使用する蒸気に基づいて（第２の合成ガスを含む）第３のガス流が発生する。示されるように、反応チャンバ５０４は、一体型改質器５００Ａによって発生した（第２の合成ガスを含む）第３のガス流を放出するための排出口５２４を含む。示されるように、いくつかの実装形態では、反応チャンバ５０４は、合成ガス生成（例えば、触媒工程）のためのより多くの反応を促進するための触媒５２６を含む。いくつかの実装形態では、触媒は多孔性物質または構造（例えば、メッシュ、複数の管またはパイプ、膜）を含む。示されるように、触媒５２６は、排出口５２４と混合ガス導入口５２２との間に配設されるため、第１のガス流、第２のガス蒸気、および冷却ユニット５１４からの蒸気の混合物は、触媒工程のために触媒５２６を効率的に通過することができる。

【0107】

本開示の範囲から逸脱することなく、一体型改質器５００Ａに対する修正、追加、または省略がなされてよい。例えば、冷却ユニット５１４における冷却剤は、第１のガス流および／または第２のガス流の混合物を冷却するためだけに使用され、（上に論じられるような）熱利用ユニットからの蒸気は水蒸気改質工程のために使用される。この場合、冷却剤は、第１のガス流および／または第２の流れの混合物を冷却後、冷却ユニット５１４によって凝結後に再利用され得る。

【0108】

図５Ｂは、本開示のいくつかの実装形態による例示の一体型改質器５００Ｂの断面図を示す。

【0109】

示されるように、一体型改質器５００Ｂは図５Ａにおける一体型改質器５００Ａと実質的に同様である。従って、重複する詳細の説明はここでは繰り返されない。

【0110】

示されるように、いくつかの実装形態では、反応チャンバ５０４の蒸気導入口５２０Ｂは熱利用ユニット５４０と流体連通している。いくつかの実装形態では、冷却装置５１４からの冷却剤に加えて、熱利用ユニットからの蒸気が反応チャンバ５０４に提供されて、第３のガス流が発生する。いくつかの実装形態では、冷却装置５１４からの冷却剤の代わりに、熱利用ユニットからの蒸気が反応チャンバ５０４に提供されて、第３のガス流が発生する。

【0111】

いくつかの実装形態では、冷却ユニット５１４における冷却剤は、第１のガス流および／または第２のガス流の混合物を冷却するためだけに使用され、熱利用ユニット５４０からの蒸気は水蒸気改質工程のために使用される。この場合、冷却剤は、第１のガス流および／または第２の流れの混合物を冷却後、冷却ユニット５１４によって凝結／冷却後に再利用され得る。

【0112】

いくつかの実装形態では、冷却剤は水を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤はＣＯ_２を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤はＣＨ_４を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤は油を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤は、第１のガス流（例えば、１５００℃以上の温度）を冷却するのに適した物質を含む。

【0113】

図６Ａは、本開示のいくつかの実装形態による、例示の一体型改質器６００Ａの断面を示す。

【0114】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器６００Ａはチャンバ６０２（外側チャンバと称される）を含む。

【0115】

示されるように、いくつかの実装形態では、チャンバ６０２は、第１のガス流（例えば、第１の合成ガスを含むガス流）を得るように構成される第１の導入口６０６と、第２のガス流（例えば、バイオガス、ＣＨ_４、天然ガス、またはこれらの任意の組み合わせなどの炭化水素燃料を含むガス流）を得るように構成される第２の導入口６０８と、蒸気を得るための第３の導入口６０９と、を含む。

【0116】

示されるように、いくつかの実装形態では、第２のガス流は、熱利用部６４０（例えば、図２／３／４における熱利用ユニット２４０／３４０／４４０と同様の熱利用ユニット）からのものである。いくつかの実装形態では、第２のガス流は、チャンバ６０２に導入する前に、熱利用ユニット６４０によって所定の温度まで加熱または冷却される。

【0117】

いくつかの実装形態では、チャンバ６０２は、第１のガス流、第２のガス流、および蒸気が混合され冷却されている混合および冷却ゾーン６１０をチャンバ６０２に設けている。

【0118】

いくつかの実装形態では、図２、図３、および図４に関して説明されるプラズマ反応器からの（第１の合成ガスを含む）第１の放出流などの第１のガス流は、プラズマ反応器からのものである。論じられるように、プラズマ反応器からの第１の放出流（図６における第１のガス流）は、プラズマ反応器の動作により高温（例えば、１５００℃～２５００℃の温度範囲）を有する。

【0119】

（高温の）第１のガス流を、第１のガス流よりも比較的低い温度の第２のガス流（この例ではバイオガス）および第１のガス流よりも比較的低い温度の蒸気と混合させることによって、第１のガス流、第２のガス流、および蒸気の混合物の温度は、第１のガス流の温度よりも低い。いくつかの実装形態では、第１のガス流、第２のガス流、および蒸気の混合物を、水蒸気改質に適した所定の温度または所定の温度範囲（例えば、７００℃～１０００℃）まで効率的に冷却するために、冷却ユニット６１４はチャンバ６０２に結合される。

【0120】

示されるように、いくつかの実装形態では、一体型改質器６００Ａは、混合および冷却ゾーン６１０に隣接して配設される冷却ユニット６１４を含む。示されるように、いくつかの実装形態では、冷却ユニット６１４は、混合および冷却ゾーン６１０に隣接して外側チャンバ６０２の周囲に配設される管６１６（またはパイプ）を含む。示されるように、いくつかの実装形態では、混合および冷却ゾーン６１０は第１の導入口６０６と反応ゾーン６０４との間にある。示されるように、いくつかの実装形態では、触媒６２６が一体型改質器６００Ａに含まれるとき、混合および冷却ゾーン６１０は、第１の導入口６０６と、チャンバ６０２に配設された触媒６２６との間にある。示されるように、いくつかの実装形態では、混合および冷却ゾーン６１０は、第２の導入口６０８と第３の導入口６０９との間にある。

【0121】

いくつかの実装形態では、冷却ユニット６１４は水を冷却剤として使用して、第１のガス流の混合物を冷却する。例えば、水は、チャンバ６０２の周りに配設された管６１６の第１の端部６１８に供給される。水は管６１６内に流れるため、水は、第１のガス流から熱エネルギー（熱）を吸収して蒸気になる。

【0122】

示されるように、いくつかの実装形態では、冷却ユニット６１４は、チャンバ６０２に蒸気を提供するように構成される。示されるように、管６１６の第２の端部６２０は、第３の導入口６０９に結合されて、蒸気を混合および冷却ゾーン６１０に提供する。

【0123】

その結果、チャンバ６０２では、第１のガス流、第２のガス流、および水蒸気改質を使用する蒸気に基づいて（第２の合成ガスを含む）第３のガス流が発生する。示されるように、チャンバ６０２は、一体型改質器５００Ａ、Ｂによって発生した（第２の合成ガスを含む）第３のガス流を放出するための排出口６２４を含む。

【0124】

示されるように、いくつかの実装形態では、触媒６２６を含み得る反応ゾーン６０４は、排出口６２４と第１の導入口６０６との間に配設されるため、第１のガス流、第２のガス流、および冷却ユニット５１４からの蒸気の混合物は、合成ガス生成のためのより多くの反応を促進する反応ゾーン６０４を効率的に通過することができる。同じような理由で、反応ゾーン６０４が触媒６２６を含むとき、第１のガス流、第２のガス流、および蒸気の混合物は、合成ガス生成（例えば、触媒工程）のためのより多くの反応を促進する触媒６２６を効率的に通過することができる。

【0125】

示されるように、いくつかの実装形態では、触媒６２６は多孔性物質または構造（例えば、メッシュ、複数の管またはパイプ、膜）を含む。

【0126】

本開示の範囲から逸脱することなく、一体型改質器６００Ａに対する修正、追加、または省略がなされてよい。例えば、冷却ユニット６１４における冷却剤は、第１のガス流を冷却するためだけに使用され、（上に論じられるような）熱利用ユニットからの蒸気は水蒸気改質工程のために使用される。この場合、冷却剤は、第１のガス流の混合物を冷却後、冷却ユニット６１４によって凝結後に再利用され得る。

【0127】

図６Ｂは、本開示のいくつかの実装形態による例示の一体型改質器６００Ｂの断面図を示す。

【0128】

示されるように、一体型改質器６００Ｂは、図６Ａにおける一体型改質器６００Ａと実質的に同様である。従って、重複する詳細の説明はここでは繰り返されない。

【0129】

示されるように、いくつかの実装形態では、第３の導入口６０９は熱利用ユニット６４０と流体連通している。いくつかの実装形態では、冷却装置６１４からの冷却剤（例えば、蒸気）に加えて、熱利用ユニット６４０からの蒸気がチャンバ６０２に提供されて、第３のガス流が発生する。いくつかの実装形態では、冷却装置６１４からの冷却剤の代わりに、熱利用ユニット６４０からの蒸気がチャンバ６０２に提供されて、第３のガス流が発生する。

【0130】

いくつかの実装形態では、冷却ユニット６１４における冷却剤は、第１のガス流を冷却するためだけに使用され、熱利用ユニット６４０からの蒸気は水蒸気改質工程のために使用される。この場合、冷却剤は、第１のガス流の混合物を冷却後、冷却ユニット６１４によって凝結後に再利用され得る。

【0131】

いくつかの実装形態では、冷却剤は水を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤はＣＯ_２を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤はＣＨ_４を含む。いくつかの実装形態では、冷却剤は油を含む。

【0132】

図７は、本開示のある実装形態によるプラズマ炭素変換機のための例示の方法７００のフローチャートを示す。方法７００は、プラズマ炭素変換機１０２、一体型改質器１２０、または任意のその他のコンポーネントもしくはサブコンポーネントを含む任意のコンポーネントによって実行され得る。説明を簡潔にするために、本明細書に説明される方法は、一連の行為として図示され説明される。しかしながら、本開示による行為は様々な順序でおよび／または同時に生じる場合があり、その他の行為は本明細書には提示も説明もされていない。さらに開示された主題に従って方法を実施するために示された行為全ては使用されない場合がある。さらに、方法が代替的には、状態図またはイベントにより一連の相互に関係する状態として表される場合があることを当業者は理解し認識するであろう。様々なブロックは、別個のブロックとして示されているが、所望の実装形態に応じて、さらなるブロックに分割される、組み合わせてより少ないブロックにされる、または削除される場合がある。

【0133】

方法７００は、動作７０２において、外側チャンバ内への第１のガス流をプラズマ反応器から受け入れることを含む。動作７０４において、方法は、外側チャンバ内への第２のガス流を受け入れることを含み、この場合、第２のガス流は、水／蒸気などの冷却剤を含み得る。動作７０６において、方法は、冷却ユニットによって第１のガス流から熱エネルギーを吸収することを含む。動作７０８において、方法は、第１のガス流および第２のガス流によって生じた反応に基づく第３のガス流を放出することを含む。

【0134】

本開示、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）に使用される用語は、一般的に、「オープン用語」として意図されている（例えば、用語「～を含んでいる」は、「～を含んでいるが、それに限定されない」として解釈されるべきである）。

【0135】

さらに、導入される請求項記載の特定の数が意図される場合、そのような意図は、特許請求の範囲に明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しない。例えば、理解の助けとして、以下の添付の特許請求の範囲は、請求項記載を導入するために「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という前置きの語句の使用を含んでいる場合がある。しかしながら、このような語句の使用は、同じ請求項が「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」という前置きの語句、および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞とを含むときであっても（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味するように解釈されるべきである）、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項記載の導入が、そのように導入された請求項記載を含んでいる任意の特定の請求項を、唯一のそのような記載を含んでいる実装形態に限定することを含意するように解釈されるべきでない。同じことが、請求項記載を導入するために使用される定冠詞の使用にも当てはまる。

【0136】

さらに、導入される請求項記載の特定の数が明示的に記載されている場合であっても、当業者が認識するように、そのような記載は、少なくとも記載の数を意味するように解釈されるべきである（例えば、他の修飾語のない「２つの記載」のそのままの記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。また、「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの少なくとも１つ」または「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの１つまたは複数」に類似した慣用的表現が使用されるような事例では、一般に、そのような構文は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢを共に、ＡとＣを共に、ＢとＣを共に、または、ＡとＢとＣを共になどを含むことを意図している。

【0137】

さらに、２つ以上の代替的な用語の前にある離接語または語句は、明細書、特許請求の範囲、または図面にかかわらず、それらの用語のうちの１つ、それらの用語のうちのいずれか、またはそれらの用語の双方を含む可能性を意図しているように理解されるべきである。例えば、語句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」もしくは「Ｂ」または「ＡおよびＢ」の可能性を含むように理解されるべきである。

【0138】

本開示に記載された全ての例および条件付きの言葉は、本開示と、技術を前進させるために本発明者によって与えられる概念とを読者が理解する助けとなるように教育的な目的を意図したものであり、そのように具体的に記載した例および条件への限定ではないと解釈されるべきである。本開示の実装形態について詳細に説明したが、これらの実装形態には、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換、および改変がなされ得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【国際調査報告】