JP7377381B2 - 炭素を原料ガス反応器に再循環させる方法 - Google Patents

Description

本開示（本発明）は、炭素を原料ガス反応器に再循環させる方法およびシステムに関する。例えば、本明細書において説明する方法およびシステムは、炭素触媒を用いて炭化水素原料を熱分解して水素を生じさせることができる。

石油生産、アンモニア生産、およびメタノール生産を含む多くの産業は、工業用水素ガス（Ｈ₂）の使用に依存している。工業用水素のほぼ９６％は、化石燃料に由来しており、大部分は、天然ガスの水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）によって生産される。かかる現行のプロセスはまた、相当多量の温室ガスエミッションの原因になっている。ＳＭＲは、例えば、生産される水素の１トン当たり１０～１７トンの二酸化炭素（ＣＯ₂）を生じさせる場合がある。ＣＯ₂浄化および隔離をＳＭＲ煙道ガス流に追加することは、二酸化炭素エミッションの不利益が実質的に増大しない限り、一般的には費用がけた違いにかかって見合わない。

持続性のある水素生産の別の手段としては、電解槽を用いた再生可能電気からの水素の生産または反応熱が再生可能電気源によって供給される熱分解法を用いて天然ガスを純粋水素と固体の隔離可能な炭素に分解することが挙げられる。天然ガスの熱分解は、典型的には、定圧定常流プロセスであり、それにより、天然ガスを加熱し、ついには、この天然ガスが水素と炭素の生成を開始するのに必要な温度に達するようになる。この時点で、反応条件は、ある特定の時間にわたって持続され、ついには、所望の生成物が生じる。かかる底流反応器では、生成した炭素は、反応器の表面上に堆積しがちであり（炭素ファウリングと呼ばれるプロセス）、最終的に、反応器の性能を損なう。機械的掻き取りプロセスおよび空気を反応器中に導入することによって炭素を燃やして表面から落とすプロセスは、反応器をクリーニングする２つのありふれた手段であるが、システムの複雑さならびに資本経費および運転費を増大させる。

回収可能な生成物水素が生成物流からいったん分離されると、反応生成物を再循環により反応器に戻すのが良い。この仕組みにより、未反応の原料、残留生成物ガス、および他の残留炭化水素（例えば、不飽和かつ芳香族炭化水素）を反応器に再び入れることができ、それによりさらに分解するとともに処理し、ついには、循環した原料が最終的には、Ｈ₂の所望の最終生成物および例えば固体炭素に変換されるようになる。

再循環ガスはまた、再循環ガスを用いて吸熱熱分解反応によって必要とされる熱を発生させることができ、吸熱熱分解反応は、例えば、変換後のメタンの１モル当たり名目上７５ｋＪのエネルギー入力を必要とする場合がある。再循環生成物ガスの発熱量は、通常、バーナ内での酸化（燃焼）によってこのエネルギーを供給するよう使用され、バーナは、熱を反応器に供給する。酸化時、主としてＣＯ₂および水蒸気（Ｈ₂Ｏ）を含む生成物ガスは、環境に排出され、その結果、温室ガスエミッションが放出される。

熱分解反応器の動作温度を下げるため、幾つかの提案されたプロセスは、触媒を反応器に導入する。当初は効果的であるが、触媒有効性は、作動中において炭素汚染に起因して低下するので、触媒を交換しまたは再活性化する必要がある。

本発明の第１の観点によれば、１つ以上の流体流路を経て燃焼チャンバに流体結合された反応チャンバを有する原料ガス反応器を用いる方法であって、本方法は、炭化水素を含む原料ガスを反応チャンバ中に導入するステップと、可燃ガスを燃焼チャンバ中に導入するステップと、燃焼チャンバ内の可燃ガスを燃焼させて１種類以上の燃焼生成物ガスを生成するとともに１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分が１つ以上の流体流路を経て反応チャンバ中に流入して原料ガスと混合するようにするステップとを含み、１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分と原料ガスとの混合の結果として、エネルギーが１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分から原料ガスに伝達され、それにより化学反応を生じさせて水素を含む１種類以上の反応生成物ガスの状態に原料ガスを分解し、本方法は、原料ガス反応器から混合生成物流を取り出すステップをさらに含み、混合生成物流は、水素、炭素、および水を含み、本方法は、原料ガス反応器から出力された１種類以上の酸化ガスを含むベントガス流を発生させるステップと、ベントガス流を用いて炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップと、活性化炭素の幾分かを原料ガス反応器に再循環させるステップとをさらに含むことを特徴とする方法が提供される。

１種類以上の酸化ガスは、Ｏ₂、ＣＯ₂、ＣＯ、Ｈ₂Ｏ、およびＮ₂の酸化物のうちの１つ以上を含むのが良い。

ベントガス流を発生させるステップは、１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分を燃焼チャンバから抜き出すステップを含むのが良い。

ベントガス流を発生させるステップは、炭素の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離して炭素欠乏混合生成物流を生じさせるステップと、１種類以上のガスを炭素欠乏混合生成物流から抜き出すステップとを含むのが良い。

炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップは、炭素の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離するステップと、分離した炭素を活性化するステップとを含むのが良い。

炭素の少なくとも幾分かを分離するステップは、サイクロン、焼結金属フィルタ、およびバッグフィルタの１つ以上を用いて炭素の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離するステップを含むのが良い。

炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップは、炭素の少なくとも幾分かをベントガス流と反応させるステップを含むのが良い。

炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップは、水をベントガス流で加熱して水蒸気を生じさせるステップと、炭素の少なくとも幾分かを炭素接触器内で水蒸気と反応させるステップを含むのが良い。

水をベントガス流で加熱するステップは、水の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離するステップと、分離した水をベントガス流で加熱するステップとを含むのが良い。

炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップは、炭素の少なくとも幾分かを炭素接触器内で活性化するステップを含むのが良い。

本方法は、炭素の少なくとも幾分かの活性化により生じた排気流を炭素接触器から取り出すステップをさらに含むのが良い。

本方法は、取り出した排気流を燃やすステップ、および化学物質または燃料生産のために取り出した排気流を用いるステップの１つ以上をさらに含むのが良い。

排気流は、ＣＯおよびＨ₂を含むのが良い。

本方法は、取り出した排気流の少なくとも幾分かを混合生成物流に再循環させるステップをさらに含むのが良い。

本方法は、炭素の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離して炭素欠乏混合生成物流を生じさせるステップをさらに含むのが良い。

取り出した排気流の少なくとも幾分かを再循環させるステップは、再循環させた排気流を炭素欠乏混合生成物流と混ぜ合わせるステップを含むのが良い。

本方法は、ベントガス流を調節するステップをさらに含むのが良い。

ベントガス流を調節するステップは、原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出し持続時間、原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出し頻度、原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出しに用いられる１つ以上のベントオリフィスのサイズ、原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出しに用いられるベントの個数、および原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出しに用いられるベント流路の両端相互間の圧力降下の１つ以上を調節するステップを含むのが良い。

ベントガス流を調節するステップは、本方法の測定または推定プロセスパラメータに基づいて、原料ガス反応器から出力された１種類以上のガスの抜き出しを調節するステップを含むのが良い。

測定または推定プロセスパラメータは、混合生成物流中のＨ₂の濃度、および原料ガスの流量の１つ以上を含むのが良い。

原料ガスを導入するステップ、可燃ガスを導入するステップ、および可燃ガスを燃焼させるステップは、多数の対応の反応サイクルの一部として多数回にわたって繰り返し実施される。ベントガス流を発生させるステップは、１つ１つの反応サイクルでまたは１つ１つのあらかじめ設定された数の反応サイクルで実施されるのが良い。

本方法は、水素の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離するステップをさらに含むのが良い。

水素の少なくとも幾分かを分離するステップは、膜分離器、高分子膜分離器、パラジウム膜分離器、化学吸着法、圧力スイング吸着法、および温度スイング吸着法の１つ以上を用いて水素の少なくとも幾分かを分離するステップから成るのが良い。

水素の少なくとも幾分かを分離するステップは、圧力スイング吸着法を用いるステップを含むのが良い。

本方法は、炭素の少なくとも幾分か、水素の少なくとも幾分か、および水の少なくとも幾分かを混合生成物流から分離し、それにより排ガス流を生じさせるステップと、排ガス流の少なくとも一部分を原料ガス反応器に再循環させるステップとを含むのが良い。

排ガス流を原料ガス反応器に再循環させるステップは、排ガス流の第１のフラクションを酸化体と混合するステップと、排ガス流の第２のフラクションを原料ガスの源と混合するステップとを含むのが良い。

第１のフラクションに第２のフラクションを加えた数値は、１に等しいのが良い。

排ガス流を再循環させるステップは、排ガス流を第１および第２のフラクションに分割するステップを含むのが良い。

排ガス流を分割するステップは、フロースプリッタ、１つ以上の可変制御弁、可変分流器、１つ以上の圧縮機、および１つ以上のポンプのうちの１つ以上を用いるステップを含むのが良い。

排ガス流の第１のフラクションを酸化体と混合するステップは、排ガス流の第１のフラクションを、原料ガス反応器中の原料ガスの分解を推し進めるのに十分な量の酸化体と混合するステップを含むのが良い。

排ガス流の第２のフラクションを原料ガスの源と混合するステップは、排ガス流の第２のフラクションを標的圧力および標的温度に達することができるようにするのに十分な量の原料ガスと混合するステップを含むのが良く、標的圧力および標的温度は、原料ガス反応器内の原料ガスの量の分解に必要な圧力および温度である。

本方法は、酸化体と排ガス流の第１のフラクションの混合物を燃焼チャンバ中に導入するステップと、原料ガスと排ガス流の第２のフラクションの混合物を反応チャンバ中に導入するステップと、酸化体と燃焼チャンバ内の排ガス流の第１のフラクションの混合物を燃焼させて１種類以上の燃焼生成物ガスを生じさせるとともに１種類以上の燃焼生成物ガスが１つ以上の流体流路を経て反応チャンバ中に流れて原料ガスと排ガス流の第２のフラクションの混合物と混合するようにするステップとをさらに含むのが良く、１種類以上の燃焼生成物ガスと、原料ガスと排ガス流の第２のフラクションとの混合物との混合の結果として、エネルギーが１種類以上の燃焼生成物ガスから原料ガスに伝達され、それにより化学反応を生じさせて水素を含む１種類以上の反応生成物ガスの状態に原料ガスを分解する。

本方法は、反応チャンバの入口のところの原料ガスの圧力、反応チャンバの入口のところの原料ガスの温度、燃焼チャンバの入口のところの可燃ガスの圧力、燃焼チャンバの入口のところの可燃ガスの温度、可燃ガスを含む可燃ガス混合物内の空気の化学当量、燃焼チャンバから抜き出された１種類以上の燃焼生成物ガスの量、および混合生成物流を通過させる水素分離器の水素分離度のうちの１つ以上を調節するステップをさらに含むのが良い。

原料ガスの温度を調節するステップは、原料ガスの温度を約１，０００Ｋ～約１，３００Ｋに制御するステップをさらに含むのが良い。

可燃ガスの温度を調節するステップは、可燃ガスの温度を約３００Ｋ～約６００Ｋに制御するステップを含むのが良い。

可燃ガスの圧力を調節するステップは、可燃ガスの圧力を約１２ｂａｒ～約１５ｂａｒに制御するステップを含むのが良い。

原料ガスの圧力を調節するステップは、原料ガスの圧力を約１２ｂａｒ～約１５ｂａｒに制御するステップを含むのが良い。

可燃ガスは、純粋酸素を含むのが良い。

原料ガスは、メタンまたは天然ガスを含むのが良い。

混合生成物流を取り出すステップは、反応チャンバから、原料ガスの分解の結果として生じた反応生成物ガスの少なくとも一部分を取り出すステップを含むのが良い。

混合生成物流を取り出すステップは、１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分を燃焼チャンバから取り出すステップを含むのが良い。

本発明の別の観点によれば、システムであって、本システムは、原料ガス反応器を含み、原料ガス反応器は、反応チャンバと、１つ以上の流体流路を経て反応チャンバに流体結合された燃焼チャンバと、点火器とを有し、本システムは、原料ガス反応器から出入りするガスの流量を制御する弁装置と、次のステップを含む方法を実施するよう構成された１つ以上の制御装置を含み、すなわち、この方法は、炭化水素を含む原料ガスを反応チャンバ中に導入するよう弁装置を制御するステップと、可燃ガスを燃焼チャンバ中に導入するよう弁装置を制御するステップと、点火器を制御して燃焼チャンバ内の可燃ガスを燃焼させて１種類以上の燃焼生成物ガスを生じさせるとともに１種類以上の燃焼生成物ガスが１つ以上の流体流路を経て反応チャンバ内へ流入して原料ガスと混合するようにするステップとを含み、１種類以上の燃焼生成物ガスと原料ガスとの混合の結果として、エネルギーが１種類以上の燃焼生成物ガスから原料ガスに伝達され、それにより化学反応を生じさせて水素を含む１種類以上の反応生成物ガスの状態に原料ガスを分解し、この方法は、原料ガス反応器から混合生成物流を取り出すよう弁装置を制御するステップをさらに含み、混合生成物流は、水素、炭素、および水を含み、この方法は、原料ガス反応器から出力された１種類以上の酸化ガスを含むベントガス流を発生させるよう弁装置を制御するステップと、抜き出した１種類以上の燃焼生成物ガスを用いて炭素のうちの少なくとも幾分かを活性化するよう弁装置を制御するステップと、活性化炭素のうちの少なくとも幾分かを原料ガス反応器に再循環させるよう弁装置を制御するステップとを含むことを特徴とするシステムが提供される。

本システムは、炭素のうちの少なくとも幾分かを混合生成物流から分離する炭素分離器をさらに含むのが良い。

炭素分離器は、サイクロン、焼結金属フィルタ、およびバッグフィルタのうちの１つ以上を含むのが良い。

本システムは、炭素のうちの少なくとも幾分かを活性化する炭素接触器をさらに含む。

炭素接触器は、流動層反応器、充填層反応器、および回転キルンのうちの１つ以上を含むのが良い。

本システムは、水素のうちの少なくとも幾分かを混合生成物流から分離する水素分離器をさらに含むのが良い。

水素分離器は、圧力スイング吸着装置であるのが良い。

本システムは、排ガス流を原料ガス反応器に再循環させる排ガス流分割装置をさらに含むのが良い。排ガス流は、混合生成物流から分離された少なくとも幾分かの炭素、少なくとも幾分かの水、および少なくとも幾分かの水素を含む混合生成物流の少なくとも一部分を含むのが良い。

排ガス流分割装置は、排ガス流の第１のフラクションを酸化体と混合し、排ガス流の第２のフラクションを原料ガスの源と混合するよう構成されているのが良い。

排ガス流分割装置は、フロースプリッタ、１つ以上の可変制御弁、可変分流器、１つ以上の圧縮機、および１つ以上のポンプのうちの１つ以上を含むのが良い。

第１のフラクションに第２のフラクションを加えた数値は、１に等しいのが良い。

本システムは、次の場所、すなわち、燃焼チャンバ内、原料ガス反応器の下流側、炭素分離器の下流側、および混合生成物流の少なくとも一部分を再利用するための再循環ライン内のうちの１つ以上に配置された１つ以上のベントをさらに含むのが良い。

１つ以上の制御装置は、さらに、１つ以上のベントが開いている持続時間、１つ以上のベントの開放頻度、および１つ以上のベントの１つ以上のオリフィスのサイズのうちの１つ以上を調節するよう構成されているのが良い。

本発明の概要は、必ずしも、全ての観点の範囲全体を説明しているわけではない。他の観点、他の特徴、および他の利点は、特定の実施形態の以下の説明を読むと当業者には明らかになろう。

添付の図面は、本発明の非限定的な例示の実施形態を示している。図面は、本発明の種々の観点を明確に説明することだけを意図して概略のまたは単純化された図である。

本発明の実施形態に従って、抜き出したガスを用いて生成した炭素の一部分を再活性化するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に従って、抜き出したガスを用いて生成した炭素の一部分を再活性化するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に従って、抜き出したガスを用いて生成した炭素の一部分を再活性化するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に従って、抜き出したガスを用いて生成した炭素の一部分を直接再活性化するシステムを示す図である。 本発明の実施形態に従って、抜き出したガスを用いて生成した炭素の一部分を間接的に再活性化するシステムを示す図である。 本発明の一実施形態による混合チャンバおよび燃焼チャンバの一配置例を示す図である。 本発明の一実施形態による混合チャンバおよび燃焼チャンバの別の配置例を示す図である。 本発明の一実施形態に従って天然ガスを熱分解する方法の略図である。 本発明の一実施形態による位相ずれ状態で動作するバンドル型反応器を含むシステムの互いに異なる形態を示す図である。 本発明の一実施形態による静止バルブ回りに回転するバンドル型反応器を示す図である。 本発明の一実施形態に従って、原料ガスと可燃ガスの混合を行うために用いられる燃焼チャンバおよび混合チャンバ、および可燃ガスと原料ガスの混合気を差し向けかつ１つ以上の生成物を混合気から生じさせる第３のチャンバの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に従って、原料ガスと可燃ガスの混合を行うために用いられ、１つ以上の生成物を混合気から生じさせる燃焼チャンバおよび混合チャンバの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に従って、原料ガスと可燃ガスの混合を行うために用いられ、１つ以上の生成物を混合気から生じさせ、再利用ガスがプロセスのための熱エネルギーを提供するために用いられる燃焼チャンバおよび混合チャンバの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に従って、混合チャンバ内に配置された燃焼チャンバの略図である。 本発明の一実施形態に従って、混合チャンバの外側に配置された燃焼チャンバの略図である。 本発明の一実施形態に従って、混合チャンバ内に配置された燃焼チャンバを示す図である。 本発明の一実施形態に従って、静止反応器および回転弁を含む多反応器バンドルを示す図である。

本発明は、炭素を原料ガス反応器に再循環させる方法およびシステムを提供しようとするものである。本発明の種々の実施形態を以下に説明するが、本発明は、これら実施形態には限定されず、これら実施形態の変形例が添付の特許請求の範囲の記載にのみ基づいて定められる本発明の範囲に十分に属すると言える。

一般に、本発明の実施形態に従って、炭化水素解離反応器を作動させて水素および炭素反応生成物を生じさせるプロセスが記載される。生成物炭素の一部分を活性化してこれを反応器中に導入し、それにより反応を促進する。酸化炭素燃焼生成物を循環して反応器に戻し、それにより生成物炭素に変換することによって、プロセスは、閉ループ形態で働くことができる。提案するプロセスは、炭素活性化を利用する現行の水素生成方法と比較して、温室ガス（ＧＨＧ）エミッションを著しく減少させることができる。

先行技術における欠点を解決するため、主としてＣＯ₂およびＨ₂Ｏを含む既存のベントガス流を用いると、生成した炭素が反応器中に導入される前に、生成した炭素の一部分を活性化することができる。その結果、生成した炭素を活性化するのに追加のエネルギーまたは原料流が不要であり、それにより、システム全体の運転費を増大させることがない。さらに、生成した炭素の一部分を活性化するために既存のガス流を用いると、結果的に、追加の温室ガスエミッションが生じない。

本方法は、少なくとも一部として、国際出願公開第２０２０／１１８４１７（Ａ１）号パンフレットに記載されているパルスメタン熱分解（ＰＭＰ）プロセスを利用しており、この国際出願公開を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。本発明は、活性化した炭素を用いて熱分解反応を促進する目的で、ＣＯ₂およびＨ₂Ｏの流れを用いて生成した炭素を活性化する新規なやり方を提案する。これは、運転費および温室ガスエミッションを増大させることなく、達成される。

図４Ａ～図１４を参照して、次に本明細書において説明する方法のうちの任意のものとともに利用できる実施形態としてのＰＭＰ熱分解装置または反応器について説明する。熱分解装置は、非定常・定容型パルス反応プロセスに従って動作して天然ガスを用いた原料から水素および炭素生成物を生じさせることができる。可燃ガスと酸化体の別個のチャンバがエネルギーをその反応に提供し、このエネルギーは、直接接触によるガス動的圧縮および迅速混合熱エネルギー変換によって原料混合チャンバに直接伝達される。以下の説明において、空気が酸化体として用いられるが、他の酸化体、例えば純粋酸素をこのプロセスに使用することができる。さらに、原料ガスおよび可燃ガスは、同一のガスまたはガス混合物（本明細書では、「混合物」と「混合気」は区別なく用いられる）を含むことができ、または互いに異なるガスまたは互いに異なる混合気を含むことができる。幾つかの実施形態では、可燃ガスは、再利用混合気を含むことができる。

反応器は、混合チャンバおよび燃焼チャンバを有する。これらチャンバは、常時開放状態にある多数の通路により互いに連結される。幾つかの実施形態では、反応器は、大型固体管（混合チャンバ）内に設けられた有孔管（燃焼チャンバ）を有し、これについては図４Ａを参照されたい。他の実施形態では、燃焼チャンバは、混合チャンバの外部に位置するのが良い（図４Ｂに示されているように）。外部弁は、原料としての酸化体および可燃ガス（ＣＨ₄として示されている）ならびに反応中に生じた排出水素、炭素および他のガスを提供する。

図５を参照すると、サイクルの開始時、混合チャンバに先の反応サイクルの生成物を充填する。混合チャンバに原料反応生成物と燃焼反応の生成物の一部分の混合物を充填する。燃焼チャンバには、主として、燃焼反応の生成物が充填される。ステップ５００では、新たな原料およびおそらくは幾分かの再利用生成物ガスを混合チャンバ中に導入して先のサイクルの生成物を混合チャンバの端から押し出す。それと同時に、可燃ガス／空気混合気を燃焼チャンバ中に導入し、燃焼生成物を燃焼チャンバの端から押し出す。ステップ５０２では、入口弁と出口弁を閉じ、閉鎖容積部を形成する。次に、ステップ５０４では、燃焼チャンバ内のガスに点火し、その結果、燃焼チャンバ内での圧力および温度が増大する。ステップ５０６において、燃焼チャンバと混合チャンバとの間の通路により、可燃ガス生成物が混合チャンバに入ることができ、それにより原料ガスを圧縮するとともにこれらの圧力および温度を増大させる。加うるに、高温状態の燃焼チャンバガス生成物が原料ガスと混合し、それによりこれらの熱エネルギーを原料ガスに伝達し、それによりこれらの温度をさらに増大させる。その結果生じる原料ガスの温度および圧力により、反応が起こる。ステップ５０８では、反応は、所望の反応を完了させるとともに所望の生成物を生じさせるためにある期間にわたって続くようになる。ステップ５１０では、生成物を外部容積部（図示せず）に放出することによって、混合チャンバ内の圧力を迅速に下げる。燃焼チャンバ内に残っている燃焼生成物ガスを混合チャンバ内のガスとともに抜き出すことができ、または専用ポートを通って別々に抜き出すことができる。混合チャンバ内の圧力減少により、温度が減少し、しかも反応が停止しまたは抑止する。この迅速な減圧と膨張は、固体反応生成物、例えば炭素を反応器壁から除去するという望ましい作用効果を奏する。加うるに、燃焼から生じる圧力波は、炭素付着物を反応器壁から除去することができる。

原料ガスと可燃ガスをあらかじめ混合した場合、この混合気は、これが濃厚すぎるので、点火が生じない。したがって、混合チャンバと燃焼チャンバは、点火に先立って別個独立であり、その結果、原料ガスと可燃ガスとの混合が生じずまたは好ましくは極めて僅かしか生じない。

多数の反応器システムを束にして合わせることができ、そして互いにわずかに位相はずれの状態で作動させることができ、それにより反応器システムに出入りする連続流が生じる。弁は、図６に示されているように静止状態であっても良く、回転状態であっても良い。幾つかの実施形態では、弁が静止状態のままで反応器を回転させることができる（これについては、図７を参照されたい。なお、チャン・シニン等（Chan Shining et al.），「ウェーブ・ロータ・デザイン・メソッド・ウィズ・スリー・ステップス・インクルーディング・エクスペリメンタル・バリデーション（Wave rotor design method with three steps including experimental validation）」，ジャーナル・オブ・エンジニアリング・フォア・ガス・タービンズ・アンド・パワー（Journal of Engineering for Gas Turbines and Power），２０１７年１２月の図２から改造されており、この非特許文献を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする）。

種々のパラメータを調節すると、反応器が効率的に働くことができるようになる。原料ガスをこれが反応し始める温度の直前まで予熱するのが良く、その後、混合チャンバに導入する。代表的な温度は、原料成分および動作圧力に応じて、６００Ｋから１，３００Ｋまでの範囲にある。

さらに、導入中の可燃ガス／酸化体混合気もまた、燃焼チャンバに流入する前に予熱されるのが良い。代表的な温度は、用いられる可燃ガスに応じて、４００Ｋから７００Ｋまでの範囲にある。可燃ガス／酸化体混合気を予熱することにより、プロセスの効率を向上させることができ、その結果、より多くの燃焼エネルギーが燃焼生成物を加熱するために用いられるのではなく、反応体に伝達されるようになる。

混合チャンバと燃焼チャンバの容積比は、燃焼チャンバ内に入っている正確なエネルギー量が混合チャンバに提供されて所望の生成物を生じさせるように設定されるのが良い。また、混合チャンバに入る可燃ガス生成物は、効果的な混合をもたらすのに十分な量であるべきである。一般的には、１０：１未満の容積比が望まれる。酸化体として空気を用いる場合、窒素は、低容積比を促進するとともに混合を増進する非反応性ガスとして有益であると言える。純粋酸素を酸化体として用いる場合、別のガス、例えばＣＯ₂は、酸化体として空気を用いる場合において窒素と同一の利益をもたらすことができる。追加のＣＯ₂を可燃混合気に導入することにより、その結果として、多くの固体炭素生産量が得られる。

長さと直径の比は、燃焼チャンバから混合チャンバへの効率的なエネルギー伝達を得るうえで重要である。短い大径の反応器は、混合を貧弱にする傾向があり、これに対し、長くて小径の反応器は、原料ガスおよび可燃ガスを反応器中にその長さに沿って導入するには難題となる。一般的には、３０：１未満の長さと直径の比が望まれる。

幾つかの実施形態によれば、反応器は、原料ガスとして幾つかの再利用生成物ガスに加えて、メタン（または天然ガス）および可燃ガスとして再利用ガス／酸化体混合気を用いる。反応器は、反応生成物流中の水素および固体炭素の生産を最大にするよう設計されるとともに作動されるのが良い。反応器は、混合チャンバ内に有孔管である燃焼チャンバを有するのが良い。有孔燃焼チャンバは、混合チャンバの中心からオフセットしているとともに図１３で理解できるように、構造的健全性および支持作用を提供するよう混合チャンバの壁に結合されるのが良い。混合チャンバ／燃焼チャンバの容積比は、１０：１以下であるのが良く、長さと直径の比は、１０：１であるのが良い。幾つかの実施形態では、混合チャンバ／燃焼チャンバの容積比は、約６：１であるのが良く、幾つかの実施形態では、混合チャンバ／燃焼チャンバの容積比は、約３．５：１であるのが良い。

反応器は、結果として生じる水素を標準型圧力スイング吸着技術の使用により浄化することができるほど十分高い圧力で作動されるのが良い。幾つかの実施形態によれば、生成物ガス、例えば未反応メタン（ＣＨ₄）、一酸化炭素（ＣＯ）、および幾分かの水素を再利用してより多くのメタンと混合させて原料ガス混合物を生じさせてこれを反応器に提供する。可燃ガス混合物は、ＣＯ₂除去システムから除去されたＣＯ₂および純粋酸素に加えて（空気吹込み型反応器の場合）再利用混合気を含む。幾つかの実施形態では、燃焼チャンバと混合チャンバの両方に流れる再利用混合気は、ＣＨ₄、ＣＯおよびＨ₂に加えてＣＯ₂を含む。原料ガス混合物および可燃ガス混合物は、それぞれ、マルチストリーム型熱交換器経由で反応生成物流から回収された熱エネルギーにより約９００Ｋおよび約６００Ｋに予熱される。変形実施形態では、混合チャンバ／燃焼チャンバの容積比は、３．５：１であり、メタン（または天然ガス）／空気混合気は、可燃ガスに用いられる。

次に、図８～図１４を参照して、本発明の別の実施形態について説明する。

図８を参照すると、可燃ガス１０および酸化体ガス２０は、燃焼混合器状態調節・制御システム３０に入り、このシステムは、可燃ガス混合物３１をチャンバ６０の必要とする正確な温度および圧力に状態調節する。原料ガス４０および再利用ガス混合物９１は、原料混合気状態調節・制御システム５０に入り、このシステムは、原料混合気５１をチャンバ６０の必要とする正確な温度および圧力に状態調節する。幾つかの実施形態では、再利用ガス混合物は、利用可能ではなく、原料ガス４０だけが原料混合気状態調節・制御システム５０に入る。

チャンバ６０は、状態調節済み可燃混合気３１からの燃焼エネルギーを用いて状態調節済み原料混合気５１の圧力および温度をいつでも反応が可能な状態（反応可能状態）レベルまで増大させる定容積装置である。主として燃焼後の状態調節済み可燃ガス混合物３１の燃焼生成物を含む燃焼生成物ガス混合物６７をチャンバ６０から抜き出すのが良い。反応可能状態のガス混合物６１は、反応器７０に入り、この反応器内で反応可能状態ガス混合物はそのままであり、ついには、この混合気は、これを定容吸熱反応のうちで反応済み生成混合気７１に変換される。定容反応は、バッチモードで動作し、流れのタイミングの制御を必要とする非定常プロセスである。これは、状態調節システム３０，５０および分離・制御システム８０内における流量制御によって達成される。

反応済み生成混合気７１は、生成物分離・制御システム８０に入り、このシステムは、所望の反応済み生成混合気７１の圧力および温度を減少させることによって反応器７０内での反応を停止させ、そして個々の生成物成分８１，８２、望ましくない生成物８３、および再利用ガス混合物８４を分離するとともに／あるいは浄化する。再利用ガス混合物８４は、予備状態調節再利用ガスシステム９０に入り、このシステム内において、再利用ガス混合物８４は、所望の温度および圧力に予備状態調節され、そして原料混合気状態調節・制御システム５０に流れる。

幾つかの実施形態では、可燃ガス１０および原料ガス４０は、天然ガスであり、酸化体ガス２０は、空気である。反応器７０内の所望の反応は、一般的な以下の化学反応式により与えられるメタン熱分解である。
ＣＨ₄（メタン）＋エネルギー →Ｃ（炭素）＋２Ｈ₂（水素）
個別の生成物８１は、水素ガスであり、個別の生成物８２は、炭素であり、望ましくない生成物８３は、主として二酸化炭素、窒素および水である。再利用ガス混合物８４は、主として、未反応天然ガス、水素、窒素および一酸化炭素で構成されている。

図９のシステムは、チャンバ６０と反応器７０が組み合わされて定容積反応器６２になっていることを除き、図８のシステムと同じである。

図１０は、図９と類似しているが、予備状態調節済みの再利用ガスコンディショナ９０内で状態調節された再利用混合気８４の一部分は、可燃ガスコンディショナ・制御システム３０に送られて可燃ガス１０の必要量を相殺する。

図１１は、チャンバ６０か定容積反応器６２かのいずれかの断面図である。この説明では、図１１は、定容積反応器６２を記載している。

定容積反応器６２は、燃焼チャンバ６３内に収容された燃焼容積部６５を有する。燃焼チャンバ６３は、反応容積部６４によって包囲され、反応容積部６４は、反応チャンバ６８内に収められている。通路６６が燃焼容積部６５を反応器容積部６４に連結している。燃焼チャンバ６３は、反応器チャンバ６８の中央に示されているが、燃焼チャンバ６３は、反応器チャンバ６８内のどこかの場所に配置されていてよく、かかる配置場所としては、反応器チャンバ６８の外壁６９に当てた配置状態が挙げられる。

状態調節済み可燃ガス混合物３１は、可燃ガス混合物弁３２および通路３３を通って燃焼チャンバ６３に入り、燃焼容積部６５内に存在する燃焼生成物ガス混合物６７があればこれを通路７４および燃焼生成物弁７５を経て反応器６２から押し出す。状態調節済み原料ガス混合物５１は、原料ガス混合物弁５２および通路５３を通って混合チャンバ６８に入り、反応器容積部６４内の所望の反応済み生成混合気７１を通路７３および生成物弁７２経由で押し出す。状態調節済み可燃ガス混合物３１と状態調節済み原料ガス混合物５１の両方は、同一の圧力で定容積反応器６２に同時に入るのが良く、その結果、通路６６を介する混合が極めて小さくなる。

主として可燃ガス混合物６７および所望の生成混合気７１が全ていったん反応器６２から押し出されると、燃焼生成物弁７５と生成物弁７２は、閉じられる。所望の反応器内圧力にいったん達すると、可燃ガス混合物弁３２および原料ガス混合物弁５２を閉じ、それにより反応器６２内に閉鎖容積部が創られる。点火器１００が点火エネルギー１０１を生じさせ、この点火エネルギーにより、燃焼チャンバ６３内の状態調節済み可燃ガス混合物３１が発熱反応で燃焼して燃焼生成物ガス混合物６７を高い温度および高い圧力で生じさせる。燃焼チャンバ６３と混合チャンバ６８との間に結果として生じる圧力差に起因して、可燃ガス混合物６７の一部分は、反応器容積部６４に入り、原料ガス混合物５１を圧縮して高い圧力にする。それと同時に、高温可燃ガス混合物６７のこの部分は、原料ガス混合物５１と混ざり合って熱伝導、熱対流、および熱放射によってこれを加熱する。いまや、原料ガス混合物５１は、吸熱反応が起こるための条件を生じさせる高い温度および高い圧力状態にある。定容積反応器６２は、吸熱反応が所望の生成混合気７１を生じさせるのに足るほど長く続行するまで閉鎖容積部として維持される。この条件にいったん達すると、生成物弁７２および燃焼生成物弁７５を開き、それにより圧力および温度を低下させて、吸熱反応を停止させる。次に、このプロセスを繰り返す。

図１２は、チャンバ６０または定容積反応器６２の一実施形態を示しており、燃焼チャンバ６３は、混合チャンバ６８の外部に位置している。燃焼容積部６５は、多数の通路６８を経て反応器容積部６４に連結されている。多数の点火器が必要に応じて特定の燃焼状態を生じさせるよう燃焼チャンバ６３に沿って位置決めされるのが良い。多数の点火器はまた、燃焼チャンバ６３が反応器チャンバ壁６９の隣に位置決めされる場合、図１１の定容積反応器６２内に位置決めされても良い。

図１３は、チャンバ６０または定容積反応器６２の一実施形態の等角図であり、燃焼チャンバ６３は、反応器チャンバ６８の反応器チャンバ壁６９に直接結合されている。燃焼チャンバ６３を反応器チャンバ壁６９に直接結合することにより、構造的支持作用および位置合わせ作用が燃焼チャンバ６３に与えられ、それにより本質的には、一体型チャンバ６０または定容積反応器６２が形成されている。

準または半連続流れシステムを作るため、多数のチャンバ６０または定容積反応器６２が一緒に配置されて位相外れの状態で作動されるのが良く、その結果、各チャンバまたは反応器は、図１１に記載されたプロセスの互いに異なる部分を実行しているようになる。

図１４は、多管式反応器１１０の一実施形態を示しており、図１４に示された多数の個々の定容積反応器６２が円形パターンをなして配列されている。状態調節済み可燃ガス混合物３１は、プレナム３５中に通じる通路３４を経て多管式反応器１１０′に入る。状態調節済み原料ガス混合物５１は、プレナム５５中に通じる通路５４を経て多管式反応器１１０′に入る。多管式反応器１１０′に入る状態調節済み燃焼ガス混合物と状態調節済み原料ガス混合物のタイミングは、回転弁組立体１２１′の一部を成す入口回転弁１２０′によって制御される。入口回転弁１２０′は、図１１に記載された可燃ガス混合物弁３２、通路３３、原料ガス混合物弁５２、および通路５３と同一の機能を実行する。多管式反応器１１０′を出る燃焼生成物ガス混合物６７と所望の生成混合気７１のタイミングは、回転弁組立体１２１′の一部を成す出口回転弁１２２′によって制御される。出口回転弁１２２′は、図１１に記載された燃焼生成物弁７２、通路７３、原料生成物弁７５、および通路７４と同一の機能を実行する。

各定容積反応器６２からの燃焼生成物ガス混合物６７は、燃焼生成物プレナム１２３′内に集められ、そして通路１２５′を経て多管式反応器１１０′から分布された状態で出される。各定容積反応器６２からの生成混合気７１は、生成物プレナム１２４′内に集められ、そして通路１２６′を経て多管式反応器１１０′から出される。

次に、原料ガス反応器、例えば図４Ａ～図１４と関連して上述した原料ガス反応器のうちの任意のものを用いて、水素と炭素を含む１種類以上の生成物を生じさせ、そして、生成した炭素のうちの少なくとも幾分かを反応器に循環させて反応を促進することを特徴とする本発明の実施形態について説明する。

図１ａを参照すると、炭化水素原料１１１および酸化体１１０がパルスメタン熱分解（ＰＭＰ）反応炉１０１中に装入されている状態でパルスフローバッチ反応システム１１９の動作原理を示している。酸化体１１０を燃焼反応において原料１１１の一部分と混ぜ合わせて残りの原料１１１の熱分解反応を促進するのに必要な熱を生じさせる。反応器１０１は、閉鎖定容積装置なので、原料１１１および酸化体１１０を反応器１０１中にいったん装入すると、燃焼反応は、反応器１０１を熱分解の開始点まで加熱するとともに加圧する。この反応は、所望の保持時間にわたって反応器１０１内で維持され、それにより炭化水素原料１１１を分解することができ、その時点で、反応器１０１が下流側流路に対して開かれ、反応器１０１を減圧して反応を止める。この時点で、水素、固形炭素、未反応原料、ならびに炭素酸化物（ＣＯ₂およびＣＯ）および水を含む燃焼反応の生成物を含む混合生成物流１２８を反応器１０１から取り出す。例えばフィルタまたはサイクロン分離器であるのが良い適当な炭素分離器１０５を用いて、炭素を混合生成物流１２８から除去する。水分離器１０６を用いて水１４０もまた混合生成物流１２８から実質的に除去するが、かかる水分離器の種々の形式が当該技術分野において知られている。結果的に生じる合成ガス（英語表現としては“syngas”が用いられる）流１２０を水素分離器１０７に送る。水素分離器１０７は、例えば、圧力スイング吸着ユニット（ＰＳＡ）、膜分離器、または極低温分離器であるのが良い。Ｈ₂の回収可能なフラクションを生成物流１３２としていったん除去すると、残留排ガス１１４を反応器１０１に再循環させる。炭素ならびに水素または水の大部分を取り除いても、排ガス１１４は、依然として未反応原料、水素分離器１０７で分離されなかった残留水素、ならびに炭素酸化物（例えばＣＯ₂およびＣＯ）の混合物を含む。

排ガス１１４は、圧縮機１０８およびフロースプリッタ１１８に通される。フロースプリッタ１１８の機能は、適当な量の排ガス１１４を燃焼チャンバ１０２に割り当てることにより、反応チャンバ１０３内の原料ガスの熱分解反応を維持するのに十分なエネルギーを生じさせる。実際には、流量は、受動的か能動的かのいずれかによって制御可能である。流量を制御する受動的手段としては、特定のオリフィスサイズを備えた物理的流路または流路圧力降下が挙げられ、その結果、流れは、所望の比に従って分かれるようになっている。能動的制御手段は、変化する動作条件または出力レートに応答して反応器１０１の作動中に分割比を動的に変化させるよう採用される場合がある。この場合、制御手段としては、同じ排ガス入力１１４から供給される各分割流１１２，１１３について、能動制御弁、可変ダイバータ、または独立制御再循環圧縮機が挙げられる。幾つかの実施形態によれば、再循環排ガス１１４のうちの約２０％が燃焼チャンバ１０３にそらされる。

排ガス流１１４が再利用燃焼流１１２および再利用反応流１１３にいったん分割されると、酸化体１１０を燃焼流１１２と混合して燃焼ガス混合物を生じさせ、この燃焼ガス混合物を所望の条件に合わせて予熱して加圧する。燃焼ガス混合物の圧力および温度は、再利用流圧縮機（図示せず）および酸化体供給圧縮機（図示せず）によって制御され、これら圧縮機は、再利用燃焼流１１２中に含まれている燃料に対する酸化体の正確な化学当量を保証するよう設定されるのが良い。次に、燃焼ガス混合物を例えば国際公開第２０２０／１１８４１７（Ａ１）号パンフレットに詳細に説明されているように、混合生成物流１２８から回収された熱を用いて燃焼ガス混合物を予熱するのが良く（図示せず）、この国際公開を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。

原料１１１を再利用反応流１１３と同様に混合して同様な手段によって適当な温度および圧力に制御する。新たな原料１１１を標的温度および標的圧力で利用できる体積が存在する程度まで再利用反応流１１３に追加する。それゆえ、新たな原料１１１は、以下に詳細に説明するように、システム１１９から除去された生成物または抜き出されたガスを補うに過ぎない。幾つかの実施形態によれば、反応チャンバ１０３の入口のところでの原料１１１に関する標的温度および標的圧力は、約１０００Ｋおよび約１３．５ｂａｒであり、燃焼チャンバ１０２の入口のところでの可燃ガス混合物１１０に関する標的温度および標的圧力は、約６００Ｋおよび１３．５ｂａｒであり、酸化体の化学当量は、約１．２であり、燃焼チャンバ１０２の容積と反応チャンバ１０３の容積の比は、約６：１であり、ただし、これらパラメータは、特定の用途に最適であるとみなされる広い範囲にわたって様々であって良い。燃焼および熱分解反応がいったん完了すると、上述したように、反応器１０１の内容物を排出し、混合生成物流１２８を急冷して炭素分離器１０５に差し向ける。

原料が純粋な、例えばメタン（ＣＨ₄）であり、酸化体もまた純粋酸素（Ｏ₂）である場合、システム１１９は、水素、炭素、水から成り、他のエミッションは含まれていない純粋生成物流１２８を生じさせることになる。Ｏ₂は、酸素分離ユニット（ＡＳＵ、ただし図示せず）によって供給でき、この酸素分離ユニットは、種々の技術、例えば分離膜、選択的圧力、温度依存性吸着ユニット（ＰＳＡ／ＴＳＡ）、または極低温分離器に基づいて動作することができる。反応の燃料酸化ステップで生じた燃焼生成物を反応器１０１へのサイクル動作の繰り返しによって完全に分解し、正味のＣＯ₂温室ガスエミッションが生じることはない。

実際には、業界で用いられる炭化水素および酸化体原料は、純度が１００％であることはめったになく、これらの不純物を取り扱うための手立てがなされなければならない。例えば、天然ガスが原料として用いられる場合、天然ガスは、一般に、メタン（ＣＨ₄）のみで構成されているわけではない。むしろ、天然ガスは、主として、メタン（約７０％～９０％）および炭素数の高い炭化水素要素、例えばエタン（Ｃ₂）、プロパン（Ｃ₃）、ブタン（Ｃ₄）、および（Ｃ₅₊）分子の配合物である場合がある。天然ガスは、反応性非炭化水素分子、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ₂）ならびに非反応性成分、例えば、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）、および二酸化炭素（ＣＯ₂）をさらに含む場合がある。不純物のフラクションは、大きくは、原料の源で決まる。ＰＭＰプロセスにとって最も有意であるのは、例えば非反応性または不活性要素のような不純物であり、かかる不純物は、反応器内でさらに解離できず、しかも水素、炭素、または水に変換できない。天然ガス中の原料不純物、例えばＮ₂やＨｅは、百万部当たりの部（ｐｐｍ）で表される微量からモルフラクションを基準として最高５％Ｎ₂および２％Ｈｅまでの範囲にわたる場合がある。酸化体として用いられる酸素（Ｏ₂）は、同様に、例えばＮ₂やアルゴン（Ａｒ）のような不純物を含む場合がある。アルゴンは、最高４％までの量で空気から分離された酸素中に存在する場合がある。

不純物の減少を助けるため、ある量の燃焼生成物１０４をベント１１６によって環境中に抜き出すのが良い。ベント１１６は、制御型の弁、固定オリフィス、固定または選択可能な圧力降下のベントライン、またはこれらに類似した装置であるのが良い。抜き出しの頻度および持続時間を計測するとともに制御するのが良く、したがって、混合生成物流１２８のフラクションとして抜き出されるガスの相対量を調節することができる。抜き出されたガスは、好ましくは、高い割合の堆積不純物（例えば、Ｎ₂およびＡｒ）および低い割合の価値ある反応生成物（Ｈ₂および固形炭素）を含む。燃焼反応が起こった後、燃焼生成物１２１の一部分が膨張して反応チャンバ１０３内に入り、ここで、燃焼生成物は、炭化水素原料を加熱するとともに加圧する。膨張および反応が完了した後においては燃焼チャンバ１０２と反応チャンバ１０３は、同じ圧力状態にあり、それ以上ガスが交換されることはない。プロセスのこの時点において、燃焼チャンバ１０２内には、膨張して反応チャンバ１０３内に入らなかった燃焼生成物の残留フラクションだけが入っており、熱分解反応の生成物は入っていない。燃焼チャンバ１０２内のガス組成物は、主として、酸化体流１１０および排ガス流１１４中のほんの少しの堆積不純物および非反応ガス、並びに主としてＣＯ₂および水蒸気から成るほんの少しの燃焼生成物である。ベントシステム制御装置は、燃焼チャンバ１０３内の残留ガスの全体的体積の何分の一かとして抜き出される残留燃焼生成物ガスを変化させることができる（０％から１００％まで）。ベント１１６を堆積非反応ガス成分のしきい値に対応した所望の頻度でさらに動作させることができる。この頻度は、反応サイクルごとに１回からｎサイクルごとに１回まで様々な場合がある。抜き出しの頻度は、一定の場合がありまたは計測されたガスまたはシステムの実績量に応じて可変の場合がある。

本発明の別の実施形態によれば、水素分離器１０７はまた、小さな分子、例えば窒素に対して選択制を有する場合がある。ゼオライト吸着床または層を採用する圧力スイング吸着ユニット（ＰＳＡ）は、重い分子、例えば炭化水素（例えば、メタン（ＣＨ₄））、ＣＯ₂およびＣＯを選択的に吸着する一方で、水素を通過させることができ、それにより高純度水素（例えば、他の小さな分子が存在していない場合には９９．５％を超える純度）の出力流を実現することができる。しかしながら、他の小さな分子、例えば窒素が存在している場合、ＰＳＡはまた、水素と共にこれら種のうちの何分の一かを通過させることができ、その結果、水素生成物流または製品流１３２は、稀薄状態の不純物流を含むようになっている。例えば、取り出し源に応じて、天然ガスは、モルを基準として最大５％までの不純物を含み、空気から分離された酸素は、モルを基準として最大４％までの不純物を含む場合がある。不純物のこの上のレベルでは、生成物水素流１３２は、約９６％の純度を有することができる。ＰＳＡは、堆積状態の窒素の選択的抜き出し手段としての役目も果たすことができる。ＰＳＡが標的種（この場合、幾分かのＮ₂と共に水素）のうちの８０％～９０％にわたって効果的に選択的に分離するので、水素生成物および堆積Ｎ₂の１０％～２０％のみが再利用のために反応器１０１に戻される。幾つかの実施形態によれば、ＰＳＡ型Ｈ₂分離器１０７が採用され、この分離器は、原料不純物の堆積を抑制するのに必要な燃焼生成物抜き出し度を最小限に抑える。ＰＳＡ吸着材料をＰＳＡの濾過選択性に合わせてあつらえることができ、それにより追加の自由度を達成して水素純度、ベントガス量、反応器生成物収量効率、および反応器のスループット能力についての互いに競合する制約をさらに最適化することができる。

上述したように、実際には、原料１１１および酸化体１１０は、完全には純粋ではなく、したがって、これら不純物を管理してかかる不純物の濃度が増大しないようにし、最終的には、反応器１０１が水素１３２および炭素１１５の製造を停止するようにするための手立てが行われなければならない。したがって、上述したように、燃焼チャンバ１０２内の燃焼生成物ガスの一部分を弁１１６の使用によりベントガス流１０４として抜き出す。ベントガス流１０４は、高温（１０００～２０００Ｋ）状態にあり、かかるベントガス流は、不純物に加えてＨ₂ＯおよびＣＯ₂をさらに含む。図１ａで理解できるように、ベントガス流１０４を炭素活性化器１０９に差し向け、ここで、ベントガスを用いて炭素１１７を炭素接触器１４５内のベントガスに接触させることにより炭素分離器１０５により混合生成物流１２８から分離された炭素１１７の一部分を活性化する。炭素接触器１４５は、例えば、流動層反応器、充填層反応器、または回転キルンであるのが良い。活性化された炭素１２２を原料１１１と混合し、その後、反応器１０３中に導入する。活性化は、ＣＯ₂および／またはＨ₂Ｏ（幾つかの実施形態によれば、８００～９００℃の状態にある）を用いて以下の化学反応式に従って炭素を部分的にガス化し、それによりその表面積、微孔構造および表面反応性のうちの１つ以上を高めるプロセスである。
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂
Ｃ＋ＣＯ₂→２ＣＯ
生成物炭素流１３５は、炭素活性化器１０９には差し向けられない生成物炭素の一部分を表している。

炭素活性化器１０９から外に差し向けられた排気流１３０は、Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、および不純物の任意の組み合わせを含む場合があり、かかる排気流を他のプロセス、例えばメタノールまたはアンモニア製造に直接用いることができ、それにより熱を発生させ、あるいは排気流を単に大気に逃がしても良い。排気流１３０はまた、水‐水性ガスシフト反応器に送られて追加のＨ₂を生じさせることができる。

ＣＯおよびＨ₂は、温室ガスではないので、直接炭素活性化方式のＰＭＰプロセスのＧＨＧ強度は、０ｋｇＣＯ₂／ｋｇＨ₂である。しかしながら、排気流１３０を燃やした場合、ＣＯは、ＣＯ₂の状態に変換されるようになり、プロセスのＧＨＧ強度は、０．８７ｋｇＣＯ₂／ｋｇＨ₂まで増大することができる。

図１ｂおよび図１ｃは、図１ａに示されたシステム１１９の変形例を示している。例えば、図１ｂでは、炭素分離器１０５の出力ガス流１２９から抜き出されたガスを用いて炭素１１７を炭素活性化器１０９内で活性化する。したがって、炭素１１７は、燃焼チャンバ１０２からのベントガス１０４を用いて活性化される必要はなく、幾つかの実施形態に従って、システム１１９の別の部分から抜き出されたガスを用いて活性化されるのが良い。例えば、幾つかの実施形態（図示せず）によれば、ガスを混合生成物流１２８から直接抜き出すのが良く、この抜き出されたガスを用いて炭素１１７を炭素活性化器１０９内で活性化するのが良い。図１ｃでは、排気流１３０の一部分１３１（または全て）を炭素分離器１０５から出て水分離器１０６に入るガス流１２９と混合する。このようにして、排気流１３０中の未反応Ｈ₂Ｏを水分離器１０６によって除去し、Ｈ₂をＨ₂分離器１０７によって分離し、ＣＯを分離器排ガス１１４に含ませた状態で反応器１０１に送り戻す。

次に、図２を参照すると、炭素を原料反応器に再循環させる一実施形態としてのシステム２１９が示されている。システム２１９は、図１ａに示されたシステム１１９とほぼ同じであり、同一の要素は、同一の参照符号で示されている。システム２１９内では、ベントガス流２０４を、炭素接触器２４５を含む炭素活性化器２０９に差し向け、ここで、ベントガスを用いて炭素分離器２０５によって混合生成物流２２８から分離された生成炭素２１７の一部分を炭素接触器２４５内で直接活性化する。活性化された炭素２２２を原料２１１と混合し、その後反応器２０３中に導入する。排気流２３０の一部分２３１を炭素分離器２０５から出て水分離器２０６に入るガス流２２９と混合する。このようにして、排気流２３０中の未反応Ｈ₂Ｏを水分離器２０６によって除去し、Ｈ₂をＨ₂分離器２０７によって分離し、ＣＯを分離器排ガス２１４に含ませた状態で反応器２０１に送り戻す。

次に、図３を参照すると、炭素を原料反応器に再循環させる一実施形態としての別のシステム３１９が示されている。システム３１９は、図２に示されたシステム２１９とほぼ同じであり、同一の要素は、同一の参照符号で示されている。システム３１９では、ベントガス流３０４を、炭素接触器３４５および水蒸気発生器３４６を含む炭素活性化器３０９に差し向ける。高温ベントガスを用いて水蒸気発生器３４６内で、水分離器３０５によって混合生成物流３２８から分離された水３４１の一部分を加熱することによって高温の水蒸気３４２を生じさせる。冷却されたベントガス３３１は、水蒸気発生器３４６を出た状態で見える。高温水蒸気３４２を炭素接触器３４５に差し向け、ここで、水分離器３０５によって混合生成物流３２８から分離された炭素３１７の一部分を高温水蒸気３４２との相互作用によって活性化する。炭素活性化器３０９から出力された活性化炭素３２２を原料３１１と混合し、その後、熱分解反応器３０３中に導入する。活性化反応は次の通りである。
Ｃ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋Ｈ₂
排気流３３０を炭素分離器３０５から出て水分離器３０６に入るガス流３２９と混合する。このようにして、排気流３３０中の未反応Ｈ₂Ｏを水分離器３０６によって除去し、Ｈ₂をＨ₂分離器３０７によって分離し、ＣＯを分離器排ガス３１４に含ませた状態で反応器３０１に送り戻す。

図３の実施形態では、ＰＭＰプロセスのＧＨＧ強度は、炭素活性化が行われないＰＭＰの基本的な場合と同一であるのが良く、すなわち、０．３６ｋｇＣＯ₂／ｋｇＨ₂である。

原文特許請求の範囲および／または原文明細書の“comprising”（訳文では「～を有する」としている場合が多い）または“including” （「～を含む」）と関連して用いられる用語“a”または“an”は、「１つ」を意味する場合があるが、この用語は、別段の明示の指定がなければ、「１つ以上」、「少なくとも１つ」、および「１つまたは２つ以上」の意味とも一致している。同様に、“another”（「もう１つ」または「別の」）という用語は、別段の明示の指定がなければ、少なくとも第２以上を意味する場合がある。

本明細書で用いられる「結合され」、「結合し」、または「連結され」という用語は、これらの用語が用いられる文脈に応じて幾つかの互いに異なる意味を持つ場合がある。例えば、「結合され」、「結合し」、または「連結され」という用語は、機械的または電気的意味を有する場合がある。例えば、本明細書で用いられる「結合され」、「結合し」、または「連結され」という用語は、特定の文脈に応じて、２つの要素または装置が互いに直接連結されまたは１つ以上の中間要素または装置を介して、または電気的要素、電気信号、または機械的要素を経て互いに連結されることを示す場合がある。アイテムの一覧と関連して用いられる場合に本明細書に記載されている「および／または」という用語は、この一覧を含むアイテムのうちの任意の１つ以上を示している。

本明細書で用いられるように、数値について「約」または「ほぼ」と言った場合、または数値について「実質的に」等しいと言った場合、これは、その数値の±１０％であることを意味している。

本発明を特定の実施形態と関連して説明したが、理解されるべきこととして、本開示は、これら実施形態には限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、これら実施形態の変更、改造、および変形を当業者によって実施できる。さらに、本明細書において説明された任意の観点または実施形態の任意の部分を具体化でき、または本明細書において説明した任意他の観点または実施形態の任意の部分と組み合わせることができることが想定される。

Claims (21)

1. １つ以上の流体流路を経て燃焼チャンバに流体結合された反応チャンバを有する原料ガス反応器を用いる方法であって、前記方法は、
   炭化水素を含む原料ガスを前記反応チャンバ中に導入するステップを含み、
   可燃ガスを前記燃焼チャンバ中に導入するステップを含み、
   前記燃焼チャンバ内の前記可燃ガスを燃焼させて１種類以上の燃焼生成物ガスを生成するとともに前記１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分が前記１つ以上の流体流路を経て前記反応チャンバ中に流入して前記原料ガスと混合するようにするステップを含み、前記１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分と前記原料ガスとの混合の結果として、エネルギーが前記１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分から前記原料ガスに伝達され、それにより化学反応を生じさせて水素を含む１種類以上の反応生成物ガスの状態に前記原料ガスを分解し、
   前記反応チャンバから混合生成物流を取り出すステップを含み、前記混合生成物流は、水素、炭素、および水を含み、
   前記燃焼チャンバから出力された１種類以上の酸化ガスを含むベントガス流を発生させるステップを含み、
   前記ベントガス流を用いて前記炭素の少なくとも幾分かを活性化するステップを含み、
   前記活性化炭素の幾分かを前記原料ガス反応器に再循環させるステップを含む、方法。
2. 前記ベントガス流を発生させる前記ステップは、
   前記１種類以上の燃焼生成物ガスの少なくとも一部分を前記燃焼チャンバから抜き出すステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ベントガス流を発生させる前記ステップは、
   前記炭素の少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離して炭素欠乏混合生成物流を生じさせるステップと、
   １種類以上のガスを前記炭素欠乏混合生成物流から抜き出すステップとを含む、請求項１または２記載の方法。
4. 前記炭素の少なくとも幾分かを活性化する前記ステップは、
   前記炭素の少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離するステップと、
   前記分離した炭素を活性化するステップとを含む、請求項１～３のうちいずれか一に記載の方法。
5. 前記炭素の少なくとも幾分かを活性化する前記ステップは、
   前記炭素の少なくとも幾分かを前記ベントガス流と反応させるステップを含む、請求項１～４のうちいずれか一に記載の方法。
6. 前記炭素の少なくとも幾分かを活性化する前記ステップは、
   水を前記ベントガス流で加熱して水蒸気を生じさせるステップと、
   前記炭素の少なくとも幾分かを炭素接触器内で前記水蒸気と反応させるステップを含む、請求項１～５のうちいずれか一に記載の方法。
7. 前記水を前記ベントガス流で加熱する前記ステップは、
   前記水の少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離するステップと、
   前記分離した水を前記ベントガス流で加熱するステップとを含む、請求項６記載の方法。
8. 前記炭素の少なくとも幾分かを活性化する前記ステップは、
   前記炭素の少なくとも幾分かを炭素接触器内で活性化するステップを含む、請求項１～７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 前記炭素の少なくとも幾分かの前記活性化により生じた排気流を前記炭素接触器から取り出すステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
10. 前記取り出した排気流を燃やすステップ、および
    化学物質または燃料生産のために前記取り出した排気流を用いるステップの１つ以上をさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 前記排気流は、ＣＯおよびＨ₂を含む、請求項９または１０記載の方法。
12. 前記取り出した排気流の少なくとも幾分かを前記混合生成物流に再循環させるステップをさらに含む、請求項９～１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 前記方法は、前記炭素の少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離して炭素欠乏混合生成物流を生じさせるステップをさらに含み、
    前記取り出した排気流の前記少なくとも幾分かを再循環させる前記ステップは、前記再循環させた排気流を前記炭素欠乏混合生成物流と混ぜ合わせるステップを含む、請求項１２記載の方法。
14. 膜分離器、高分子膜分離器、パラジウム膜分離器、化学吸着法、圧力スイング吸着法、および温度スイング吸着法の１つ以上を用いて前記水素の少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離するステップをさらに含む、請求項１～１３のうちいずれか一に記載の方法。
15. システムであって、
    原料ガス反応器を含み、前記原料ガス反応器は、
    反応チャンバと、
    １つ以上の流体流路を経て前記反応チャンバに流体結合された燃焼チャンバと、
    点火器とを有し、
    前記原料ガス反応器から出入りするガスの流量を制御する弁装置を含み、
    次のステップを含む方法を実施するよう構成された１つ以上の制御装置を含み、すなわち、前記方法は、
    炭化水素を含む原料ガスを前記反応チャンバ中に導入するよう前記弁装置を制御するステップを含み、
    可燃ガスを前記燃焼チャンバ中に導入するよう前記弁装置を制御するステップを含み、
    前記点火器を制御して前記燃焼チャンバ内の前記可燃ガスを燃焼させて１種類以上の燃焼生成物ガスを生じさせるとともに前記１種類以上の燃焼生成物ガスが前記１つ以上の流体流路を経て前記反応チャンバ内へ流入して前記原料ガスと混合するようにするステップを含み、前記１種類以上の燃焼生成物ガスと前記原料ガスとの混合の結果として、エネルギーが前記１種類以上の燃焼生成物ガスから前記原料ガスに伝達され、それにより化学反応を生じさせて水素を含む１種類以上の反応生成物ガスの状態に前記原料ガスを分解し、
    前記反応チャンバから混合生成物流を取り出すよう前記弁装置を制御するステップを含み、前記混合生成物流は、水素、炭素、および水を含み、
    前記燃焼チャンバから出力された１種類以上の酸化ガスを含むベントガス流を発生させるよう前記弁装置を制御するステップを含み、
    前記ベントガス流を用いて前記炭素のうちの少なくとも幾分かを活性化するよう前記弁装置を制御するステップを含み、
    前記活性化炭素のうちの少なくとも幾分かを前記原料ガス反応器に再循環させるよう前記弁装置を制御するステップを含む、システム。
16. 前記炭素のうちの少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離する炭素分離器をさらに含む、請求項１５記載のシステム。
17. 前記炭素分離器は、サイクロン、焼結金属フィルタ、およびバッグフィルタのうちの１つ以上を含む、請求項１６記載のシステム。
18. 前記炭素のうちの少なくとも幾分かを活性化する炭素接触器をさらに含む、請求項１５～１７のうちいずれか一に記載のシステム。
19. 前記炭素接触器は、流動層反応器、充填層反応器、および回転キルンのうちの１つ以上を含む、請求項１８記載のシステム。
20. 前記水素のうちの少なくとも幾分かを前記混合生成物流から分離する水素分離器をさらに含む、請求項１５～１９のうちいずれか一に記載のシステム。
21. 前記水素分離器は、圧力スイング吸着装置である、請求項２０記載のシステム。

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