(57)【要約】本発明は、実質的に密閉、包覆、制御された環境において、関連する特徴を有する初期ガスを、所望の特徴パラメータを有する産出ガスに効率的に改質するためのシステムおよび方法を提供する。当該ガス改質システムは、ガス賦活領域を使用して、初期ガスの分子および注入される適切な種類および量のプロセス添加剤の分子を、後に再結合して、所望されるパラメータを有する産出ガスを形成するそれらの構成原子に解離させる。当該ガス改質システムは、プロセスを調整し、それによって該プロセスの最適化を可能にする制御システムをさらに含む。該ガス賦活領域は、少なくとも部分的に、水素バーナまたはプラズマトーチによって提供され得る。
2010533742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期ガスを、設計された特徴を有する改質ガスに改質するためのシステムであって、
ａ）前記初期ガスの少なくとも１つの特徴を検知するための手段と、
ｂ）前記初期ガスの前記少なくとも１つの特徴と、前記改質ガスの前記設計された特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するための手段と、
ｃ）前記初期ガスの気体分子の実質的大部分を前記改質ガスに改質するのに十分である、１つもしくは複数のエネルギー源を適用するための手段と、
ｄ）前記改質を促進するための手段と、
ｅ）前記改質ガスを安定化するための手段と、
ｆ）制御システムと、
を含む、システム。
【請求項２】
プロセス投入物を改変するための前記手段が、適量のプロセス添加剤を添加するための手段を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
初期ガスを、所望の特徴を有する改質ガスに改質するためのプロセスであって、以下のステップ、
ａ）前記初期ガスの少なくとも１つの特徴を検知するステップと、
ｂ）前記初期ガスの前記検知された特徴と、産出ガスの所望の特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するステップと、
ｃ）気体分子の大部分を、それらの構成原子に改質するために十分であるガス賦活領域を適用するステップと、
ｄ）前記構成原子を設計された特徴を有する改質ガスに改質するための、効率的なプロセスの加速を促進するステップと、
ｅ）新しく形成された分子の非励起および安定化を促進して、前記設計された特徴を維持するステップと、
ｆ）初期ガスの産出ガスへの効率的な変換を管理するステップ
のうちの１つもしくは複数のステップを含む、プロセス。
【請求項４】
改質のためのプロセス投入物を改変するステップが、適量のプロセス添加剤を添加するステップを含む、請求項３に記載のプロセス。
【請求項５】
ガスの改質のためのシステムであって、
ａ）ガス改質プロセスの開始のための１つもしくは複数のエネルギー源と、
ｂ）前記ガス改質のプロセス全体を通したエネルギー移動の最適化のための１つもしくは複数のガスマニピュレータと、
を含み、
前記１つもしくは複数のエネルギー源および前記１つもしくは複数のガスマニピュレータは、ガス改質率を最適化するように統合される、システム。
【請求項６】
ガス改質システムであって、
ａ）１つもしくは複数のガス改質ゾーンと、
ｂ）１つもしくは複数のガス安定化ゾーンと、
ｃ）全体的なプロセスを調整する制御システムと、
ｄ）任意選択的に１つもしくは複数のガス添加剤ゾーン、および／または
ｅ）任意選択的に１つもしくは複数のガス浄化ゾーンと、
を含み、
前記初期ガスの大部分が設計された組成のガスに改質されるように、前記システムの前記ゾーンが配設および制御される、ガス改質システム。
【請求項７】
初期ガスの改質のための方法であって、以下のステップ、
（ａ）前記初期ガスをガス改質チャンバに送達するステップと、
（ｂ）投入ガスを少なくとも１つのプロセス添加剤と混合して、事前配合ガスを作製するステップと、
（ｃ）前記事前配合ガスをガス賦活領域に曝露することによって、前記ガス内の分子をそれらの構成原子に解離させるステップと、
（ｄ）前記構成原子を、設計された化学組成の分子種に改良することによって、前記改質ガスを生成するステップと、
（ｅ）前記チャンバから前記改質ガスを除去するステップと、
を含む、ステップ。
【請求項８】
前記ガス賦活領域が、１つもしくは複数のプラズマトーチによって形成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記チャンバから前記改質ガスを除去する前に、前記改質ガスをガス安定化ゾーンに曝露するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記改質が、ガスマニピュレータによって強化される、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
初期ガスの改質ガスへの改質のためのシステムであって、
１つもしくは複数の耐火物で内張りされたチャンバであって、
前記初期ガスを受け取るための１つもしくは複数の入口と、
前記改質ガスを放出するための１つもしくは複数の出口と、
前記チャンバと流体連通する１つもしくは複数のプロセス添加剤入口と、
前記１つもしくは複数のチャンバ内に配置される１つもしくは複数のガスマニピュレータと、を有するチャンバと、
前記１つもしくは複数のチャンバ内のガス賦活領域を形成するための手段と、
を含む、システム。
【請求項１２】
前記ガス賦活領域を形成するための手段が、１つもしくは複数のプラズマトーチである、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記１つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記チャンバ内で乱流を増加させる、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記１つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記チャンバ内の流体力学を変更する、請求項１１または１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記１つもしくは複数のガスマニピュレータが、前記事前配合ガスの、前記ガス賦活領域への曝露を改善する、請求項１１または１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス改質の分野に関する。具体的には、本発明は、ガス変換の効率を最適化するための手段を含むガス改質システムに関連する。
【背景技術】
【０００２】
オフガス（合成ガス）は、ガス化、プラズマガス化および／またはプラズマ溶融等の様々な材料変換プロセスから生成される。これらのガスは、適切な下流用途（例えば、発電、化学物質および液体燃料の工業合成）に利用するか、後の使用のために貯蔵するか、または燃焼することができる。時として、下流用途における有効利用に向けて化学組成を改善するために、生成されるガスを改質することに関心が寄せられる。
ガス化プロセスでは、炭素質原料が、制御および／または制限された量の酸素、また時には蒸気とともにガス化装置に供給され、原料ガスを生成する。ガス化プロセスからのオフガスは、原料組成物によって、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２Ｓ、ＮＨ３、Ｃ２Ｈ６、ならびにアセチレン、オレフィン、芳香族化合物、フェノール、およびタール等の他の炭化水素を含む可能性がある。ガス化に有用である原料には、都市廃棄物、産業活動によって生成される廃棄物および生物医学廃棄物、下水、汚泥、石炭、重油、石油コークス、重油精製残渣、精製廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、農産廃棄物、タイヤ、ならびに他の有害廃棄物を含む。
ガス化プロセスにおいて生成されるガスの品質に影響を与える要因には、粒度等の原料の特徴；ガス化装置の加熱率；滞留時間；乾燥またはスラリー供給システム、原料‐反応物の流動形状、灰またはスラグ鉱物除去システムの設計を利用するかどうか含むプラント構成；直接的または間接的な発熱および運搬方法を用いるかどうか；ならびに合成ガス浄化システムを含む。
ガス化設備の中には、ガス品質調整システムを介して、冷却および浄化の前に、ガスをより許容できるガス組成に変換するためのガス処理システムを利用するものもある。処理されたガスは、金属、硫黄化合物、および微粒子等の望ましくない化合物を除去するための、さらなる処理ステップを経ることができる。例えば、乾式濾過システムや湿式スクラバーを用いて、粒状物質および酸性ガスを除去することができる。
プラズマは、２つの主要なエネルギー源のために業界で用いられてきた。１つ目は強力な熱源としてのエネルギー源、また２つ目は、分子を（反応性の）解離断片に解離させることを必要とする、多くの化学プロセスを開始および促進するために用いることができる自由電子源としてのエネルギー源である。電子衝突は、任意の解離状態にある分子を励起して断片に微細化することができ、これは、ラジカルおよび分子の断片が多くの環境において生成される、重要な機構である。
プラズマは、少なくとも部分的にイオン化された発光ガスであり、電子およびイオンを含む励起されたガス状物質で構成されている。プラズマは多くのガスで生成することができ、従って、作動ガスが中性（例えば、アルゴン、ヘリウム、ネオン）、還元性（例えば、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素）、または酸化性（例えば、酸素、二酸化炭素）であり得るので、プラズマ内の化学反応に対して優れた制御を行う。
異なるプラズマは、それらの温度および密度に従って分類される。「プラズマの密度」という用語は、通常はそれ自体で電子の密度、つまり、単位体積あたりの自由電子の数を意味する。プラズマのイオン化の程度は、電子を損失した（または獲得した）原子の割合であり、大抵は温度によって制御される。
プラズマの温度は、通常ケルビンまたは電子ボルトで測定され、粒子あたりの平均熱動力学エネルギーの非公式な基準である。質量が大きく異なるため、電子は、イオンまたは中性原子と平衡状態になるよりも、電子同士で非常に迅速に熱力学的平衡状態になる。この理由から、「イオンの温度」は、「電子の温度」とは非常に異なる可能性がある（通常、それよりも低い）。電子、イオン、および中性原子の相対温度に基づいて、プラズマは「熱プラズマ」または「非熱プラズマ」に分類される。熱プラズマは、同じ温度で電子および重粒子を有する、すなわち、それらは互いに熱力学的平衡状態にある。一方、非熱プラズマは、非常に低い温度でイオンおよび中性原子を有するのに対して、電子はそれよりも非常に「熱い」温度を有する。
非熱、低温のプラズマは、大気圧下で比較的低い濃度の揮発性有機化合物を破壊するため、低レベル廃棄物濃度の処理、および標準的な化学手段による処理に耐性を持つ化合物の取り扱いに特に魅力的であることが、当技術分野で知られている。これらの低温プラズマ処理技術は、一般に、高エネルギー電子ビーム照射か、またはパルスコロナ、誘電体バリア、キャピラリー、中空陰極、表面、および充填層型コロナ放電等の放電方式のいずれか一方を伴う。これらすべての技術は、電気エネルギーが、周囲の気相イオンおよび分子よりも非常に高い運動エネルギーで電子を生成することができる、という事実に依存している。これらのエネルギー電子は、背景ガスと相互作用して、汚染物質を選択的に破壊する、高度に反応性である種（すなわち、ラジカル、陰イオン、陽イオン、および二次電子）を生成することができる。
廃棄物管理の分野において、有害な廃棄物をオフガス（すなわち合成ガス）に変換し、主に無機物質を含む残渣を溶融してスラグにすることによって、有害な廃棄物のガス化、溶融、および破壊を促進するための熱源として、プラズマトーチが使用されてきた。プラズマガス化システムの中には、ガス化プロセスを促進するためだけでなく、他の投入物または反応物質を添加して、または添加せずに、長鎖の揮発性物質をより小さな分子に変換、再構成、または改良することによって、ガス化チャンバ内の原料オフガスを処理するためにも、プラズマトーチを使用するものがある。
プラズマ源は、活性種の源としても用いられてきた。これらの活性種は、有害な気体分子から毒性の少ない種への変換を開始および促進するために使用されてきた。その一例は、黒鉛電極プラズマアーク炉からのオフガスに存在する炭素のカーボンブラック／煤を減少させるために設計されたサイクロン式酸化装置を記載する、米国特許第６，８１０，８２１号によって提供される。サイクロン式酸化装置は、窒素を含まない、二酸化炭素と酸素の混合物を含む作動ガスをイオン化するために、プラズマトーチを使用する。ガス状混合物がプラズマアークゾーンでイオン化されると、二酸化炭素は、一酸化炭素と非常に反応性の高い原子状酸素とに変換される。サイクロン式酸化装置のチャンバは、その上流端付近で、非常に高速で接線方向にオフガスを受けるため、サイクロン式酸化装置内にサイクロン状態を形成する。反応性の原子状酸素の存在とサイクロン式酸化装置における強化した乱流環境を組み合わせることで、カーボンブラック／煤および副生ガス中の一過性の毒性物質を、効果的に変換および破壊することができる。
米国特許第６，８１０，８２１号も、耐高温噴霧ノズルによって噴霧され、酸化剤としてチャンバ内に注入される噴霧酸素および蒸気の注入により、追加の酸化剤が提供されると教示している。酸化反応効率は、サイクロン式酸化装置内の激しいサイクロン作用の力によって生じる、副生ガスおよび注入された噴霧酸素と蒸気との内部の激しい混合によって増加する。低発熱量の廃棄物では、サイクロン式酸化装置は、副生ガスを完全に水と二酸化炭素に変換する。高発熱量の廃棄物では、最終的な副生ガスは、発電向けの高品質な燃焼性合成ガスとなり得る。このサイクロン式酸化装置は、汚染物質を酸化することによりオフガスを処理（すなわち浄化）することが可能だが、設計された化学組成の生成ガスにガスを改質するようには設計されていない。該装置は、オフガスを規定の組成のガスに改質するために用いることができるガス改質ゾーンを形成するために、プラズマトーチを使用しない。
別の例は、外因性の非熱プラズマで活性化された種を対象となる液体に送達するための方法および装置を記載する米国特許第６，０３０，５０６号によって提供され、（ａ）賦活手段により活性化された種を作製するステップと、（ｂ）高速注入手段を用いて、活性化された種を、対象となる液体に導入するステップとを含む。この発明は、空気汚染規制、ならびに、漂白、化学反応の強化、および汚染除去のための大規模化学を実行する装置および方法の提供に言及している。
米国特許出願第１１／７４５，４１４号は、システム内にプラズマトーチを配置することで各トーチの前に反応領域を提供し、それによってオフガスが改質され得る、ガス改質システムの最初の例を提供している。これらのプラズマトーチおよびエアジェットの配置は、チャンバ内でのガスの流れのパターンおよび滞留時間を最適化するように設計される。
上述のシステムは、大部分の原料合成ガスを、設計された化学組成のガスに改質することの、エネルギー機構および全体的な効率を最適化するものではない。炭素質原料を全体的な費用効率の最も高い様式で電気等のエネルギーへと変換しようとする商業施設には、合成ガスを下流用途のために設計された組成のガスを効果的に変換するためのシステムが必要である。したがって、プロセスの全体的な効率を最適化するガス改質システム、および／または初期ガスを規定の組成のガスに変換する全体的なプロセスを含むステップを提供することは、当該技術分野における著しい進歩である。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、分子から反応性解離断片（中間体）への解離を開始させることによって、ガスの改質プロセスを開始する１つもしくは複数のエネルギー源を組み込んだシステムを提供する。エネルギー源（複数を含む）は、システム内に投入されるガスの量に対する改質されるガスの量（ガス改質率）を最適化することに加えて、ガス改質のプロセス全体を通してエネルギー移動を最適化することにより、ガス改質プロセスの効率を最適化するように設計されたガスマニピュレータと組み合わされる。
本発明の目的は、ガス変換の効率を最適化するための手段を含むガス改質システムを提供することである。本発明の一態様によれば、初期ガスを、設計された特徴を有する改質ガスに改質するためのシステムであって、初期ガスの少なくとも１つの特徴を検知するための手段と、初期ガスの少なくとも１つの特徴と、改質ガスの設計された特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するための手段と、初期ガスの気体分子の実質的大部分を改質ガスに改質するのに十分である、１つもしくは複数のエネルギー源を適用するための手段と、改質を促進するための手段と、改質ガスを安定化するための手段と、制御システムと、を含む、システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスを、所望の特徴を有する改質ガスに改質するためのプロセスであって、初期ガスの少なくとも１つの特徴を検知するステップと、初期ガスの検知された特徴と、産出ガスの所望の特徴とに基づいて、改質のためのプロセス投入物を改変するステップと、気体分子の大部分を、それらの構成原子に改質するために十分であるガス賦活領域を適用するステップと、構成原子を設計された特徴を有する改質ガスに改質するための、効率的なプロセスの加速を促進するステップと、新しく形成された分子の非励起および安定化を促進して、設計された特徴を維持するステップと、初期ガスの産出ガスへの効率的な変換を管理するステップのうちの１つもしくは複数のステップを含む、プロセスが提供される。
本発明の別の態様によれば、ガスの改質のためのシステムであって、ガス改質プロセスの開始のための１つもしくは複数のエネルギー源と、ガス改質のプロセス全体を通したエネルギー移動の最適化のための１つもしくは複数のガスマニピュレータと、を含み、１つもしくは複数のエネルギー源および１つもしくは複数のガスマニピュレータが、ガス改質率を最適化するように統合される、システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、ガス改質システムであって、１つもしくは複数のガス改質ゾーンと、１つもしくは複数のガス安定化ゾーンと、全体的なプロセスを調整する制御システムと、任意選択的に１つもしくは複数のガス添加剤ゾーン、および／または、任意選択的に１つもしくは複数のガス浄化ゾーンと、を含み、システムのゾーンが、初期ガスの大部分が設計された組成のガスに改質されるように配設および制御される、ガス改質システムが提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスを改質ガスへ改質するための方法であって、初期ガスをガス改質チャンバに送達するステップと、投入ガスを少なくとも１つのプロセス添加剤と混合して、事前配合ガスを作製するステップと、事前配合ガスをガス賦活領域に曝露することによって、ガス内の分子をそれらの構成原子に解離させるステップと、構成原子を、設計された化学組成の分子種に改良することによって、改質ガスを生成するステップと、チャンバから改質ガスを除去するステップと、を含む、方法が提供される。
本発明の別の態様によれば、初期ガスの改質ガスへの改質のためのシステムであって、１つもしくは複数の耐火物で内張りされたチャンバであって、初期ガスを受け取るための１つもしくは複数の入口と、改質ガスを放出するための１つもしくは複数の出口と、チャンバと流体連通する１つもしくは複数のプロセス添加剤入口と、１つもしくは複数のチャンバ内に配置される１つもしくは複数のガスマニピュレータと、を有するチャンバと、１つもしくは複数のチャンバ内のガス賦活領域を形成するための手段と、を含む、システムが提供される。
具体的には、本システムは、ガスが、設計された化学組成のガスに効果的な様式で改質するように、１つもしくは複数の源から初期化学組成のガス（事前配合ガス）への、および改質プロセス全体を通しての、エネルギーの移動を最適化するように設計されている。本システムは、ガスを改質するために全体的に必要とされるエネルギーの量を最小限に抑えるため、そして設計された化学組成のガスへのガス改質の割合を最大化するために、ガスがガス改質チャンバを通過する際の改質反応の速度、効率、および徹底を促進するために機能するガスマニピュレータ内に具現化された設計戦略を含む。
したがって、ガス改質システムは、１つもしくは複数の「ガス改質ゾーン」、および１つもしくは複数の「ガス安定化ゾーン」を含む。本システムは、通常、ガス改質ゾーンの上流に位置する１つもしくは複数の「ガス添加物ゾーン」（ガスと添加剤との混合を実現するための手段を持つかまたは持たず、通常、混合はガス内の乱流を増加することによって実現される）、および／または、通常、ガス安定化ゾーンの下流に位置する１つもしくは複数の「ガス浄化ゾーン」を任意選択的にさらに含んでもよい。ガス安定化ゾーンは、ガスが冷却する際にガスから熱を捕捉するための熱交換手段を任意選択的に含む。本システムのゾーンは、本発明のシステムを通過した後に、大部分の初期ガスが設計された組成のガスに改質されるように、配設および制御されている。当該ガス改質システムは、全体的なプロセスを調整する制御システムをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１〜７７は、本発明および／またはその構成部位の様々な実施形態を示す図である。
【図１】ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図２ＢＡおよび２ＢＢに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。
【図２Ａ】ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図２ＢＡおよび２ＢＢに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。
【図２Ｂ】ガス改質システムの様々なゾーンを示す図である。破線は任意選択的なゾーンを示す。ガスは、図２ＢＡおよび２ＢＢに示すように、一連の連続的なゾーンで、または並行配列で、プロセスを受けることができる。
【図３】本発明の実施形態に従った、ガス改質システムの略図である。
【図４】ガス化装置に連結された、本発明のガス改質システムの一実施形態の略図である。
【図５】２つのガス化装置に連結された、本発明のガス改質システムの一実施形態の略図である。
【図６】共通の初期ガス注入口を介して２つのガス化装置に連結された、本発明のガス改質チャンバの一実施形態の略図である。
【図７】以下の種類のガス賦活源を示す図である：水素バーナ、高周波（ＲＦ）およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。
【図８】以下の種類のガス賦活源を示す図である：水素バーナ、高周波（ＲＦ）およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。
【図９】以下の種類のプラズマ源を示す図である：非移行型アークトーチ、移行型アークトーチ、誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ。
【図１０】本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質システムにおける誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ、および水素バーナの使用を示す図である。
【図１１】本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質システムにおける誘導結合プラズマトーチ、マイクロ波プラズマトーチ、および水素バーナの使用を示す図である。
【図１２】水素バーナを示す図である。
【図１３】以下の種類のガス賦活源を示す図である：水素バーナ、高周波（ＲＦ）およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。
【図１４】以下の種類のガス賦活源を示す図である：水素バーナ、高周波（ＲＦ）およびマイクロ波プラズマ、レーザプラズマ、コロナプラズマ。
【図１５】ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。
【図１６】ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。
【図１７】ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。
【図１８】ガス改質チャネルの様々な実施形態を示す図である。
【図１９】混合デバイスを用いたガス改質チャネルを示す図である。
【図２０Ａ】本発明の２つの実施形態に従った、ガスの混合を促進するためのガス改質チャンバ内のくびれ部の使用を示す図である。
【図２０Ｂ】本発明の２つの実施形態に従った、ガスの混合を促進するためのガス改質チャンバ内のくびれ部の使用を示す図である。
【図２１Ａ】様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。
【図２１Ｂ】様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。
【図２２】様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。
【図２３】様々なガス改質チャンバの設計を示す図である。
【図２４】ガス流が、より小さなガス流に分けられ、並行して改質を受ける、ガス改質システムの様々な実施形態を示す図である。
【図２５】初期ガス流に対するガス賦活源の様々な配置を示す図である。
【図２６Ａ】本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。
【図２６Ｂ】本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。
【図２６Ｃ】本発明の様々な実施形態に従った、ガス改質チャンバに挿入された流量制限器の異なる形状を示す図である。
【図２７Ａ】本発明の３つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。
【図２７Ｂ】本発明の３つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。
【図２８Ａ】本発明の２つの実施形態に従った、実質的にチャンバの全長分だけ延在する流量制限器を装備するガス改質チャンバの三次元図である。
【図２８Ｂ】本発明の２つの実施形態に従った、実質的にチャンバの全長分だけ延在する流量制限器を装備するガス改質チャンバの三次元図である。
【図２９Ａ−２９Ｇ】流量制限器の異なる実施形態を示す図である。
【図３０Ａ】本発明の一実施形態に従った、複数のディスクを持つ回転軸を示す図である。
【図３０Ｂ】ガスと賦活領域との相互作用を強化するために、回転軸とともに用いることができる、異なるディスク構造を示す図である。
【図３１Ａ−３１Ｃ】本発明の様々な実施形態に従った、軸およびディスクの異なる回転方法を示す図である。
【図３２】本発明の２つの実施形態に従った、ガス賦活領域を方向付けるための偏向器およびコアンダ効果に基づく偏向器の使用を、それぞれ示す図である。
【図３３】本発明の２つの実施形態に従った、ガス賦活領域を方向付けるための偏向器およびコアンダ効果に基づく偏向器の使用を、それぞれ示す図である。
【図３４Ａ】本発明の２つの実施形態に従った、プラズマプルームの空間分布を能動制御するための、１つもしくは複数のエアノズルの使用を示す図である。
【図３４Ｂ】本発明の２つの実施形態に従った、プラズマプルームの空間分布を能動制御するための、１つもしくは複数のエアノズルの使用を示す図である。
【図３５Ａ−３５Ｄ】ガス改質チャンバ内のプラズマプルームを方向転換させるための、異なる偏向器の使用を示す図である。
【図３６Ａ−３６Ｄ】本発明の様々な実施形態に従った、非対称回転軸型の対象物偏向器の使用を示す図である。
【図３７】トーチ搭載システムの詳細を示す、本発明の実施形態に従ったガス改質システムの一部の略図である。
【図３８Ａ】本発明の一実施形態に従った、ガス流の流れに逆行するガス賦活領域を方向付けるように配置されたガス賦活源を示す図である。
【図３８Ｂ】ガスが上部付近に流入して下部に向かって流出する、図３８Ａの実施形態を示す図である。
【図３８Ｃ】一実施形態の注入口およびプラズマトーチの配向を示す略図である。
【図３９】ガス改質チャンバおよび注入ガス流に対する、ガス賦活源の様々な配置を示す図である。
【図４０】ガス改質チャンバおよび注入ガス流に対する、ガス賦活源の様々な配置を示す図である。
【図４１Ａ】ガス改質チャンバ内のバッフルの配置を示す図である。図４１Ａは、仕切り壁バッフルを備えるガス改質チャンバ内の空気流を示す。図４１Ｂは、タービュレータまたはチョークリングバッフルを備える、ガス改質チャンバ内の空気流を示す図である。
【図４１Ｂ】ガス改質チャンバ内のバッフルの配置を示す図である。図４１Ａは、仕切り壁バッフルを備えるガス改質チャンバ内の空気流を示す。図４１Ｂは、タービュレータまたはチョークリングバッフルを備える、ガス改質チャンバ内の空気流を示す図である。
【図４２】本発明の３つの実施形態に従った、実質的にガス改質チャンバの全長分だけ延在する流量制限器を示す図である。
【図４３Ａ】強化された改質のための乱流ゾーンの封入を示す図である。
【図４３Ｂ】強化された改質のための乱流ゾーンの封入を示す図である。
【図４３Ｃ】乱流発生器の例を示す。
【図４４】プラズマトーチおよびガスマニピュレータによって処理される、渦を形成しながら改良反応器の中に接線方向に進入していく、改質されるべきガスを示す図である。
【図４５】乱流を発生させるための例示的手段を示す図である。
【図４６】乱流を発生させるための例示的手段を示す図である。
【図４７】Ａ型ノズルから流出する空気流を示す図である。
【図４８】Ｂ型ノズルから流出する空気流を示す図である。
【図４９】改質チャンバ内で触媒として用いられるチャーの固定床を示す図である。
【図５０】改質チャンバ内で触媒として用いられるチャーの固定床を示す図である。
【図５１】ガス改質チャンバと組み合わせたガス化装置を示し、ガス化装置内で形成されるチャーは触媒クラッキングを引き起こす。
【図５２】ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。
【図５３】ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。
【図５４】ガス化装置内で発生したガスの改質のために、触媒床と賦活領域とを組み合わせるための様々な構成を示す図である。
【図５５】本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。
【図５６】本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。
【図５７】本発明の一実施形態に従った、ガス改質チャンバ内で触媒床を設置することができる様々な位置を示す。
【図５８】本発明の一実施形態に従った、ガス改質システムの安定化ゾーン内で用いられる熱交換システムに関連する図である。
【図５９】本発明の一実施形態に従った、ガス改質システムの安定化ゾーン内で用いられる熱交換システムに関連する図である。
【図６０Ａ】ガス改質チャンバの一実施形態の略図である。
【図６０Ｂ】耐火性支持部を詳細に示す、図６０Ａのガス改質チャンバの断面図である。
【図６１】ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。
【図６２】ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。
【図６３】ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。
【図６４】ガス改質チャンバ、ガス化装置、および炭素変換器の様々な構成を示す図である。
【図６５】本発明のガス改質システムに結合することができるガス化装置を示す図である。
【図６６】円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図６７】円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図６８】円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図６９】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７０】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７１】図６６の例示的なガスマニピュレータを有しないガス改質チャンバの上面図である。
【図７２】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７３】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７４】円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７５】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７６】円筒型ガス改質チャンバに取り付けられた、図６６の例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７７】円筒型ガス改質チャンバに組み込まれるように設計された、例示的なガスマニピュレータの様々な図である。
【図７８】図１〜７７で用いたガス賦活源の様々な表現を示す図である。すべての表現は同等物であり、本明細書に具体的に示すガス賦活源のうちのいずれかを示すために用いることができるか、または当業者には既知であろう。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、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ものと同じ意味を有する。
本明細書で用いられる場合、「約」という用語は、基準値から±１０％の変動を意味する。そのような変動は、具体的に言及されているかどうかにかかわらず、本明細書に提供される任意の所与の値に常に含まれると理解される。
「反応種」という用語は、改質プロセス全体を通して形成されるエネルギー種を意味する。非限定的な例は、プラズマ等のエネルギー源によって生成される自由電子、または、他の分子にエネルギーを移動するオフガス（例えば合成ガス）中で形成されるラジカルもしくは解離された中間体（誘導された中間体）、および／または事前配合ガスの他の分子解離された中間体／断片（「事前に配合された分子」）を含み、設計された規格の化学組成にそれらを改質することができる。当業者は、エネルギー移動プロセスが持続するにつれて、事前に配合された分子の中には、順に反応種になり、それらの取得したエネルギーをガス改質ゾーン内の他の分子に移動するものがあることを理解する。
「原料オフガス」という用語は、スラグに変換するプロセス全体を通して原料から生じるガスを意味する。この種類および品質のガスは、当業界において「合成ガス」と称されることが多い。
「部分的に処理された原料オフガス」という用語は、廃棄物の破壊、ならびにガスおよびスラグへの変換のために設計されたプラズマ溶融システム等のガス化システムにおいて生成される、強力な熱または反応種等の条件によって、何らかの形で処理された原料オフガス（原料合成ガス）を指す。そのような処理には、原料オフガスをプラズマまたは他のエネルギー源に曝露することを含んでもよい。
「初期ガス」という用語は、１つもしくは複数の下流用途のために設計された化学組成に改質されるべきガスを指す。それには原料オフガス（原料合成ガス）および／または部分的に処理された原料オフガスを含む。
「事前配合ガス」という用語は、ガス改質ゾーンに進入するガスを表すために用いられる。このガスは、設計された化学組成に改質する前にガスの化学組成を調節するために添加された、任意の選択的なプロセス添加剤の他に、初期ガスを含む。例えば、ガスが水素レベルの増加を必要とする場合は、改質中のガスが、最終的な改質ガス生成物の適切な化学組成を提供するのに十分である量の水素種を含有するように、ガス改質ゾーンの上流で、蒸気がプロセス添加剤として添加され得る。任意選択的なプロセス添加剤が添加されなかった場合には、「事前配合ガス」は「初期ガス」と同じ組成を有する。
「改質ガス」という用語は、ガス改質システムから流出するガスを指す。
「ガス改質率」という用語は、システムに投入されるガスの量に対する改質されたガスの量について説明するために用いられる。以下の式によって表すことができる。
【数１】
2010533742.tif 000003
代替として、また特に、プロセス添加ガスが使用されない場合は、以下の式で表すことができる。
【数２】
2010533742.tif 000004
ガス改質率は、間接的または直接的に評価することができる。ガス改質率の間接的評価は、改質ガスの下流のエネルギー生成と、事前配合ガスとを比較することによって、行うことができる。下流のエネルギー生成は、改質されたガスの割合を反映する。下流のエネルギー生成の増加は、改質されたガスの割合が増加したことを示唆する。
「ガスマニピュレータ」という用語は、ガス改質のプロセスを促進するために機能する、本発明のシステムに組み込まれた特徴部分を意味する。
「炭素質原料」および「原料」という用語は、本明細書において交換可能に使用され、ガス化プロセスで用いることができる炭素質材料を指すと定義される。好適な原料の例には、都市廃棄物を含む有害および非有害な廃材、産業活動によって生成される廃棄物、生物医学廃棄物、再利用不可能なプラスチックを含む再利用に不適切な炭素質材料、下水汚泥、石炭、重油、石油コークス、ビチューメン、重油精製残渣、精製廃棄物、炭化水素汚染土壌、バイオマス、農産廃棄物、都市固体廃棄物、有害廃棄物および産業廃棄物を含むが、これらに限定されない。ガス化に有用であるバイオマスの例には、廃木材、生木材、果物や野菜や穀物の加工の残りかす、製紙工場のくず、藁、草、および糞尿を含むが、これらに限定されない。
「ガス賦活源」という用語は、事前配合ガスにエネルギーを付与して、規定の組成のガスに改質することを可能にするために用いることができる、当業者に既知である任意のエネルギー源を指す。その例には、プラズマ発生源、照射源、水素バーナ、電子ビーム銃等を挙げることができるが、それらに限定されない。
「ガス賦活領域」という用語は、改質プロセスが起こるのに必要なエネルギーをガスに提供するために、本システム内で使用される１つもしくは複数のガス賦活源によって生じさせられる電界効果を表すために用いられる。例えば、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域は、トーチの出力、作動ガスの組成、トーチの位置、トーチの配向等によって異なる三次元空間を表す。
本明細書で用いられる場合、「検知要素」という用語は、システム、投入物および／または産出物の１つもしくは複数の特徴、パラメータ、および／または情報を検知、検出、読解、監視等するために構成される、ガス改質システムに関連する任意の要素の態様を説明するために広義で用いられる。
本明細書で用いられる場合、「応答要素」という用語は、信号に応答することができるガス改質システムに関連する任意の要素の態様を説明するために用いられる。
ガス改質システム
本発明は、炭素質原料のガス化に由来するガスの効果的な改質のためのシステムを含む。本システムに投入されるべき初期ガスは、通常、様々な長さの炭化水素分子の複合混合物を含む。ガスの化学組成および汚染物質の品質は、原料の組成、ガスを生成するために用いられるプロセス、およびガス化システム内の条件に依存する。あるガス化装置は、単一チャンバ内でガスを生成するために様々な形の熱が用いられる、１段階プロセス用に設計される。他のガス化装置は、１つのチャンバの異なる部分または異なるチャンバ、またはそれらのある組み合わせにおいて、複数段階プロセスでガスを生成する。いずれのシステムも、通常、ガス化チャンバ内の熱源によって、原料オフガスの前処理をある程度含む可能性がある。
これらの設計戦略の主な目的の１つは、ガス賦活ゾーンにおける原料合成ガスおよび／または事前配合ガスの、反応種への効果的な曝露の量を最適化することである。効果的な曝露の程度が大きいほど、エネルギー移動の効率が高くなるため、事前配合ガスが、設計された化学組成のガスに最も費用効率の高い様式で変換される割合が高くなる。
設計戦略の例には、全体的なシステムの設計を含む。例えば、重要な設計戦略は、ガス賦活領域に対する事前配合ガスの流れのパターン（乱流）、特に、特定の時間内にその領域を通過するガスの量を含む。これらの戦略の一例は、事前配合ガスが、電気アーク（複数を含む）を生成するプラズマを通過するシステム設計である。別の例は、プラズマプルームが逆流して、事前配合ガスに直接流れ込むようにプラズマトーチが配置される、システム設計である。別の実施形態では、事前配合ガスは、連続するまたは並列するガス賦活領域を通過する。
本発明の改質システムは、生成ガスに改質される事前配合ガスの量を最適化するように設計される。一実施形態では、本システムの効率は、改質された生成ガスの量を、事前配合ガスまたは初期ガスの量で除したものに１００を乗じたパーセンテージである、ガス改質率という用語によって表される。一実施形態では、改質率は９５％以上である。一実施形態では、改質率は９０％以上である。一実施形態では、改質率は８５％以上である。一実施形態では、改質率は８０％以上である。一実施形態では、改質率は７５％以上である。一実施形態では、改質率は７０％以上である。一実施形態では、改質率は６５％以上である。一実施形態では、改質率は６０％以上である。一実施形態では、この概念は、初期ガスと比較した改質ガスの値の比率として表される。一実施形態では、当該値は、発電に関するエネルギー値である。
初期ガスを、設計された組成のガスに効果的に改質するために、本発明は、１つもしくは複数の「ガス改質ゾーン」および１つもしくは複数の「ガス安定化ゾーン」を含む。ガス安定化ゾーンは、ガスが冷却する際にガスから熱を捕捉するための熱交換手段を任意選択的に含む。本システムは、通常はガス改質ゾーンの上流に位置する、混合するまたは混合しない、１つもしくは複数の「ガス添加物ゾーン」を任意選択的に含む。また本システムは、通常、ガス安定化ゾーンの下流に位置する１つもしくは複数の「ガス浄化ゾーン」を任意選択的に含む。
明瞭にする目的で、これらのゾーンを別々に説明する。しかしながら、これらのゾーンは、通常、システム内に隣接して相互に関連しており、代替オプションとして残っているものの、本システムは、別個の、物理的に分離されたゾーンを含むことに限定されるものではないことを理解されたい。特定の実施形態の設計に依存して、多少の違いこそあれ、それらは分離される。また、参照し易くするためにのみ、これらのゾーンは、主にそのゾーン内で起こるプロセスの段階に従って名付けられている。しかしながら、当業者は、改質プロセスの性質によって、他のプロセスの段階が、より少ない程度でそのゾーン内で起こり得ることを理解する。
ガスを効果的に改質するシステムは、初期ガス分子が改質を始めるように、それらのエネルギーを上昇させることができる必要がある。具体的には、反応中間体が開始される。反応のエネルギープロセスは、下に示すような曲線によって表される。
【表１】
2010533742.tif 000005
当業者が理解するように、矢印は、初期化学組成の気体分子が、設計された化学組成の分子へと改質を始めるのを誘導するために必要なエネルギーを指し示している。破線は、分子の改質を引き起こすのに必要とされるエネルギー量を減少させるために、触媒が用いられる時に必要なエネルギーを表す。当業者は、一般的なレベルで、結合を破壊して改質された分子および原子に改質するように促進するために、初期ガスに付与されるための十分なエネルギーが必要とされることを理解する。適切な条件下では、改質された分子および／または原子が完全に混合することが可能とされる場合、存在する種の相対濃度に従って原子が再結合する。さらに、相当量の事前配合ガスが賦活領域を通過する場合、相当量のガスが改質される。
ガスを効果的に改質するという目的を達成するために、当業者は、ガスの改質全体を通して以下の４つの化学的プロセスが起こることを理解することができる：１）中間体の開始、２）中間体の少なくとも一部の成長、３）中間体の停止、および４）生成ガスの安定化。
ガス改質プロセスは、４つの一般的なプロセスを伴うと想定することができる。第１のプロセスでは、初期気体分子等の反応物とエネルギー源（自由電子、およびイオンまたはフリーラジカル等の他の賦活または活性化された種を含むが、これに限定されない）とが、混合を介して統合され、種対種の接触状態に到達する。そのような接触および十分なエネルギーレベルでの混合の結果として、反応物の相互作用が化学中間体の形成をもたらす。中間体の中には、ともに反応して停止するものもあるが、少なくとも中間体の一部はもう１つの段階に進み、他の中間体を生成するための反応物の関与の有無にかかわらず中間体同士が反応して、連鎖の化学反応を引き起こす。もう１つのプロセスでは、中間体は、化学的および／または物理的手段によって停止され、特定の生成物を生じる。４番目にして最後の段階では、特定の化学的および／または物理的条件が維持される場合に、形成された生成物が安定化される。
ゆえに、中間体の開始は、中間体誘導手段（エネルギー源）が提供され、ガス改質ゾーンに進入するガスと接触させられる、ガス改質ゾーン内で早期に起こる主なプロセスであると考えることができる。混合、エネルギー移動、および／または反応物が初期中間体へと変化することを可能にする照射。反応物は励起されていると言える。
中間体の成長段階は、初期中間体同士が反応して他の中間体を生成する、ガス改質ゾーン内で起こる別の重要なプロセスであると考えることができる。これらの中間体は、前の中間体から派生する中間体の一群と一連の反応を形成することが可能である。
一般に、中間体の停止プロセスは、ガス改質ゾーンの終端部で起こると考えることができ、いくつかの実施形態では、そのために連鎖反応がさらに進むのを阻止するように化学的および／または物理的条件が変更される、ゾーンの外縁部を定義するとさえ考えられてもよい。しかしながら、プロセスの特質、反応物／中間体、および最終生成物の安定性に依存して、停止プロセスはガス改質ゾーンの他の部分で起こり得ることを理解されたい。制御された停止、または中断されずに進行することのいずれかによって連鎖反応が終了した時点で、特定の生成物が形成される。
ガス安定化ゾーンは、生成物の安定化が主なプロセスである場所に位置すると考えることができ、中間体の再結合が停止した時点で形成される生成物を安定化するために、特定の条件が維持されるゾーンとして定義することができる。これらの生成物は、通常特定の用途に所望される。連鎖反応過程の異なるポイントが、停止および安定化した時点で異なる生成物を生じる異なる中間体に対応するため、異なる生成物が必要とされる場合は、中間体の停止ポイントを調節するための努力をすることが必要かもしれない。
多くの中間体誘導手段が存在する。それらには、加熱、プラズマプルーム、水素バーナ、電子ビーム、レーザ、照射等が含まれる。反応物の分子が、触媒の存在下で再編成するのに十分なエネルギーを有し、そのような触媒と接触させられる状況下では、触媒が中間体誘導手段としての役割を果たすのを見ることができる。中間体誘導手段を提供するエネルギー源の一般的な特徴は、反応物に化学的変化をもたらして、最終生成物への経路を進むことである。したがって、形成される中間体は、異なる中間体誘導手段で異なり、異なるレベルの活性化を有する。
初期ガスのエネルギーを、分子が設計された化学組成の分子へと改質するレベルまで上昇させるいくつかの方法が存在する。初期ガスに熱を加えることができる。初期ガスおよびプロセス添加剤である「事前配合ガス」中の分子を、改質された分子および原子に改質させるために必要なエネルギーを移動するために、プラズマ内に見られる、または水素源から生成される電子および陽イオン等の活性化種を用いることができる。
上述の通り、分子を改質させるために必要とされるエネルギー量を減少させるために用いることができる、当業者に既知である様々な触媒が存在する。ドロマイト、オリビン、酸化亜鉛、およびチャー等の触媒は、一般的に使用される触媒のいくつかの例である。
本発明は、関連する特徴的な特徴（例えば、化学組成）を持つ初期ガスの、特定の下流の目的のために設計された特徴的な特徴を持つ産出ガスへの、効率的な、意図的に計画された改質のための、高性能な、統合型ガス改質システムを提供する。最適化は、電気等の先に発生するコストおよび汚染された触媒の処理等の下流コストを含む、全体的な費用効率の最も高い様式で改質を達成することを含む。
ガス改質システムのプロセス
（１）化学組成、湿度、流速等を含むがこれらに限定されない初期ガスの特徴パラメータの妥当性を、直接的または間接的に識別する。任意選択的に、当該システムは、上流および／もしくは下流のシステム、またはその投入物もしくは産出物の、特徴および／またはパラメータを検知することができる。
（２）検知された初期ガスの特徴パラメータおよび所望の産出ガスのパラメータに基づいて、改質プロセスに合わせて様々な投入パラメータを改変する（例えば、任意選択的に適切なプロセス添加剤の量を増加または減少させる、電力量を改変する等）。
（３）大部分の気体分子が改質された分子および原子に改質するようにエネルギーを気体分子に移動するために、オフガス分子（初期ガスまたは事前配合ガス）と相互作用することができる十分なエネルギー種を含む、１つもしくは複数のガス改質ゾーンを生成する。
（４）改質ゾーンにおいて、開始された気体分子成分が結合して、改質ガス中に存在する種の相対濃度によって決定される化学組成になるように、開始された気体分子成分（開始された中間体）の効率的な混合を促進する。
（５）新しく形成された分子が不活化され（例えば、冷却される、または触媒もしくはガス賦活源の影響を受けないようにする）、従って所望の特徴を維持するように安定化される、安定化ゾーンを提供する。
（６）ガス改質プロセスの全体的な制御のための制御システムを提供する。
ガス改質のシステムおよび方法は、炭素質原料のガス化から生成される等の相当量のオフガスを、最適レベルの一酸化炭素および水素等の分子ならびに最低レベルの望ましくない分子を含む改質ガスに改質するために、用いることができる。
次の説明では、ガス改質システムの以下の部分がより詳細に考察される。「ガス改質ゾーン」および「ガス安定化ゾーン」の説明から始まる基本的なプロセスが教示される。ガス改質の程度および効率を最適化するための戦略および方策が、触媒および他のガスマニピュレータを含むガスマニピュレータについて考察することで説明される。当該システムに含まれる任意選択的な特長には、「ガス添加剤ゾーン」および「ガス浄化ゾーン」が含まれる。最後に、本説明は、上記すべてのプロセスを管理するためのガス改質チャンバおよび制御システムの設計について検討する。
ガス改質ゾーン
改質ゾーンは、設計された化学組成の分子の種に改質するように十分に賦活された事前に配合された分子が生じる、システム内のゾーンである。一般に、このゾーンは、改質プロセスの間に、乱流および混合を引き起こすための手段を組み込むように設計される。
ガス賦活源
ガス賦活源は、ガス改質システム内の初期ガスとプロセス添加剤（事前配合ガス）との分子結合エネルギーに打ち勝つために必要とされる初期エネルギーを提供することによって、これらの分子を改質された分子に改質し、最終的にはＣＯおよびＨ２等の設計された化学組成の分子に改質する役目を果たす。これらの賦活源は、反応性中間体の開始のためのエネルギーを提供する役目を果たし、必要な場合には、中間体の成長を支持するためのエネルギーを提供する役目を果たす。
ガス賦活ゾーンの提供のために、本発明内で様々な要素が想定される。ガス改質エネルギーの要件を満たすために必要とされるエネルギーレベルは、初期ガスの特徴（例えば組成）、プロセス添加剤、および触媒の存在を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。温度、滞留時間および／または乱流、ならびに混合を増加させるための手段も、このゾーンの設計および作製に含まれることが想定される。
中間体を誘導して反応的にするためにガス賦活に必要なエネルギーは、加熱、プラズマ、水素バーナ、電子ビーム、レーザ、照射等の、賦活源と称される様々な源によって提供され得る。これらの一般的な特徴は、反応物に化学的変化をもたらして、最終生成物への経路を進むことである。
プラズマの源
プラズマは、主に、事前配合ガスと相互作用して分子にガス改質エネルギーを供給することができる電子および正電荷を持つイオンの形態で、エネルギー源を提供する。
本発明の一実施形態では、他のガス賦活源と組み合わせて、または組み合わせずに操作される、１つもしくは複数のプラズマ系の源（例えばプラズマトーチ）が、ガス改質のために十分である高いレベルまで初期ガスのエネルギーを上昇させるために用いられるので、ガス賦活ゾーンを提供することになる。適切なエネルギーレベルは、初期ガスおよびプロセス添加剤の特徴を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存し、当業者によって容易に決定され得る。
熱はプロセスに寄与するものの、相当量のエネルギーの大半はプラズマ中の反応種によって供給される。本発明の一実施形態では、温度は約８００℃〜約１２００℃の間である。源に必要とされるエネルギーの量は、触媒の使用によって減少することができる。
非移行型および移行型アーク、交流電流（ＡＣ）および直流電流（ＤＣ）、プラズマトーチ、高周波誘導プラズマデバイス、および誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）等を含むが、これらに限定されない様々な種類から、１つもしくは複数のプラズマ源が選択され得る。すべてのアーク発生システムにおいて、アークは陰極と陽極との間で開始される。適切なプラズマ源の選択は、当業者の技術の範囲内である。
移行型アークおよび非移行型アーク（ＡＣおよびＤＣの両方）のトーチは、適切に選択された電極材料を用いることができる。当該技術分野において既知である電極に好適な材料には、銅、タングステン合金、ハフニウム等を含む。電極の寿命は電極上のアーク作動領域等の様々な要因に依存して、次にはプラズマトーチの設計および電極の空間的配置に依存する。小さなアーク作動領域では、熱イオン放出によって電極が冷却されるように設計されていない限り、一般的に短期間で電極が消耗する。寿命期間中に電極が消耗するにつれて電極の間隔に変動が生じるが、電極を空間的に調節することでいずれの変動をも低減させることができる。
プラズマトーチ用のキャリアガスとして、空気、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水素、メタン、アンモニア、一酸化炭素、酸素、窒素、二酸化炭素、Ｃ２Ｈ２、およびＣ３Ｈ６等を含むが、これらに限定されない様々なガスを用いることができる。キャリアガスは、中性、還元性、または酸化性であってもよく、改質プロセスの要件およびガスのイオン化ポテンシャルに基づいて選択される。適切なキャリアガスの選択、およびその効率に影響を及ぼす可能性のあるキャリアガスをプラズマトーチに導入する手段を理解することは、当業者の通常の技術の範囲内である。具体的には、不十分に設計されたキャリアガスの導入は、熱いゾーンと冷たいゾーンを持つ不均一なプラズマプルームを結果的にもたらす場合がある。
一実施形態では、ガス改質システムは、１つもしくは複数の非移行型の逆極性ＤＣプラズマトーチを含む。一実施形態では、ガス改質システムは、１つもしくは複数の水冷式、銅電極、ＮＴＡＴ  ＤＣプラズマトーチを含む。本発明の一実施形態では、ガス改質システムは、１つもしくは複数のＡＣプラズマトーチを含む。
ＡＣプラズマトーチは、関連するアーク安定性の変動を伴う、単相または多相（例えば、３相）のいずれかであり得る。３相ＡＣプラズマトーチに、従来のユーティリティネットワークまたはジェネレータシステムから直接電力が供給され得る。より高い相のＡＣシステム（例えば、６相）、およびハイブリッドＡＣ／ＤＣトーチ、または水素バーナ、レーザ、電子ビーム銃、もしくは他のイオン化ガス源を用いる他のハイブリッドデバイスが使用され得るが、これらに限定されない。
多相ＡＣプラズマトーチは、一般的に電力供給の損失がより少ない。さらに、レールガン効果による電極に沿ったアークの迅速な動きは、電極間の熱負荷の再分布の改善をもたらす。この任意の電極冷却機構に沿った熱負荷の再分布により、比較的溶融点は低いが熱伝導率の高い、銅合金等の材料を電極に使用することが可能である。
プラズマ源は、適用された際に長時間にわたって好適に高い火炎温度を提供する、様々な市販のプラズマトーチを含むことができる。一般的に、そのようなプラズマトーチは、出力約１００ｋＷから６ＭＷを超えるサイズで入手可能である。一実施形態では、プラズマトーチは、各々が、要求される（部分的な）能力で作動する、２つの３００ｋＷプラズマトーチである。
水素バーナ
本発明の一実施形態では、ガス賦活領域は水素バーナによって少なくとも部分的に提供され、酸素と水素が反応して超高温蒸気（＞１２００℃）を形成する。このような高温では、ガス改質プロセスを強化するイオン化された形態で蒸気が存在できる。水素バーナは、プラズマトーチ等の他のガス賦活源と組み合わせて、または組み合わせずに、動作させることができる。活性化された水素種は、反応種の迅速な分散および広範囲にわたる蒸気クラッキングという利点を有し、その両方が、プラズマを用いて達成されるよりも低い温度で初期ガスの高変換率をもたらす。
本発明の一実施形態では、水素バーナはエネルギー賦活の相当な部分を担うため、主要な賦活領域の要素としての役割を果たす。
水素バーナ用の水素は、電気分解によって得ることができる。酸素源は、純粋な酸素または空気であり得る。当業者には既知であるように、水素および酸素の他の源も使用することができる。バーナの設計には、例えば数値流体力学（ＣＦＤ）に基づくツール等の、標準的なモデリングツールを利用することができる。改質用のガス量、チャンバの形状等を含むが、これらに限定されない様々な要因を考慮に入れて、ガス改質システムの要件に合うようにバーナの構成およびサイズ変更をすることができる。
本発明の一実施形態では、水素バーナは円筒状のノズル本体を含み、上カバーおよび下カバーが、その上端および下端にそれぞれ連結され、該本体中の所定の環状空間Ｓを画定する。ガス供給パイプは、側壁からパイプが下向きに傾斜するように本体の側壁に接続されている。上カバーは、本体と統合させて単一の構造にすることができ、熱が容易に消散するのに十分な厚さを有する熱移動部を備える。大気中に水素を放出する複数のノズルオリフィスは、それぞれのノズルオリフィスと連通するようにその上部表面に形成された露呈する陥凹部を有する熱交換部を介して形成される。気流チャンバも、空気がチャンバを通過するように画定される。ガイド突起部は、空間の内部表面上に形成され、水素ガスの流れを空間内の所望の方向に誘導する。さらに、ノズルオリフィスの下端部と連通する環状空間Ｓの上端部はドーム型に構成されており、水素ガスをオリフィスに誘導するためのアーチ型ガイドを画定する。
水素バーナは、より低い温度で動作し、通常、水素を空気と混合する。それらは、著しくより高い温度で動作する酸素‐水素混合物を用いることもできる。このより高い温度は、より多くのラジカルおよびイオンを生じさせることが可能であり、また、該ガスを炭化水素の蒸気およびメタンと非常に反応し易くする。
本発明の一実施形態では、水素バーナは、ガス状炭化水素の合成ガスへの改質を加速させることができる、高温の化学的ラジカルの源としての役割を果たす。水素バーナは、空気および酸素が２つの一般的な選択肢である、酸化剤を用いて操作される。当業者は、水素と必要とされる酸化剤の相対的な比率を理解するであろう。高温ラジカルを生成することの他に、水素バーナは、制御可能な量の蒸気も生成する。典型的には、水素バーナは、プラズマトーチと類似する効率で電力供給され得る。
電子ビーム銃
電子ビーム銃は、熱イオン放出、光電陰極放出、および電界放出等の放出機構、純粋な静電界を用いたもしくは磁場を用いた集束、ならびにいくつかの電極の使用、のいずれかによって、実質的に精確な動的エネルギーを有する電子ビームを生成する。
電子ビーム銃は、原子に電子を追加すること、または原子から電子を除去することによって、粒子をイオン化するために用いることができる。当業者は、そのような電子イオン化プロセスは、質量分析において気体粒子をイオン化するために用いられてきたことを容易に理解する。
電子ビーム銃の設計は、当該技術分野において容易に知られている。例えば、ＤＣ、静電気型熱電子銃は、加熱されるとイオン放出による電子流を生成する加熱陰極、電界を形成してビームを収束させるウェーネルト円筒等の電極、および電子を加速させてさらに収束させる１つもしくは複数の陽極電極を含む、いくつかの部位から形成される。陰極と陽極の間の大きな電圧差のために、電子はより早く加速する。陰極と陽極の間に位置する反発リングは、陽極上の小さな点に電子を収束させる。小さな点は孔であるように設計されてもよく、その場合、コレクタと称される第２の陽極に到達する前に、電子ビームの視準が合わせられる。
放射線
電離性放射線とは、原子または分子をイオン化することができる高エネルギー性の粒子または波を指す。電離能は、放射線の個々のパケット（電磁放射のための光子）のエネルギーの関数である。電離性放射線の例は、エネルギー性のベータ粒子、中性子、およびアルファ粒子である。
原子または分子を電離する電磁放射の能力は、電磁スペクトル全体にわたって異なる。Ｘ線およびガンマ線は、ほぼすべての分子または原子を電離し、遠紫外線は多くの原子および分子を電離し、近紫外線および可視光線は、ほとんど分子を電離しない。電離性放射線の適切な源は、当該技術分野において既知である。
エネルギーの再利用
ガス改質プロセスを維持するために必要な外部エネルギーは、当該プロセスによって生成されるあらゆる熱を利用することによっても減少することができる。ガス改質プロセスによって生成される熱の量は、初期ガスおよび改質ガスの特徴によって左右される。一実施形態では、炭素または多炭素（ｍｕｌｔｉ−ｃａｒｂｏｎ）の分子を主にＣＯおよびH２に改質する間に放出される熱は、ガス改質システムに注入されるプロセス添加剤の量および種類（例えば、空気、Ｏ２）を最適化することによって最大化される。
改質ゾーンを出ようとするガス中に存在する検知可能な熱は、ガス安定化ゾーン内の熱交換器を用いて捕捉することができ、改質プロセスの外部効率を向上するために再利用される。
当業者には明白であるように、熱エネルギーまたはレーザに基づく他の賦活源が用いられ得る。
ガスマニピュレータ
ガスマニピュレータは、ガス改質のプロセスの最適化を追求する設計戦略の実施形態を表す。それらは、事前配合ガスの流れのパターンをガス賦活領域に対して最適化するチャンバの設計、特に、特定の時間内にこの領域を通過するガスの量を含む。ガスマニピュレータの別の例は、エネルギー供給源（プラズマトーチ等）が、流入ガスとエネルギー源中のエネルギー種との混合を最大化する流入する改質中のガスに対して配向されるシステム設計である。別の例は、乱流および混合を増加するように設計される、プロセス添加剤ノズルの位置および配置である。別の例は、連続するガス改質ゾーン対並列するガス改質ゾーンの配設を含む可能性がある。
ガスマニピュレータは、ガス改質プロセスの効率を増加させるために設計され、システムに組みこまれた、構造デバイスを含む。例には、ガス賦活領域に向かって、また該領域を通して、事前配合ガスをより効果的に方向付けるバッフルおよび偏向器等の構造デバイスが挙げられるが、これらに限定されない。他の例は、賦活源と改質中のガスとの混合を増加させる、プロセス全体を通して乱流を増加する構造デバイスを含む。
また、ガスマニピュレータは、例えばプラズマプルーム方向決定デバイス等の、賦活領域の寸法を変更するために賦活源の物理的配向を決定するシステムの態様も含み、および／または、プラズマ発生源へのエネルギー供給、動作ガスの流速等に対する変更は、事前配合ガスの賦活領域の寸法の変更をもたらすように改変され得る、本発明のシステムの非限定的な態様の例である。
触媒ガスマニピュレータは、エネルギー移動の効率を増加させ、触媒を含む。ガスマニピュレータの一例は、事前配合ガスがプラズマを発生する電気アーク（複数を含む）を通過するシステム設計である。ガスマニピュレータを含むことは、当該システムが合成ガスを設計された化学組成のガスに改質するのに十分である産出量の事前配合ガスにエネルギーを供給するプロセスにおいて、消費されるエネルギー量のバランスを最適化することを意図している。
多様なカテゴリーのガスマニピュレータが存在する。
ガスマニピュレータの１つのカテゴリーは、ソースエネルギー曝露マニピュレータ（Ｓｏｕｒｃｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ）と称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質反応を支持するために必要な量の事前配合ガスの、初期エネルギー源への曝露を最適化することである。
ガスマニピュレータの別のカテゴリーは、混合マニピュレータと称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質プロセス全体を通してエネルギー移動を促進するために、反応種の混合を最適化することである。
ガスマニピュレータの別のカテゴリーは、触媒マニピュレータと称される。本発明の本態様の主な設計戦略は、改質プロセスの全体的な効率を高めるために、当該システム内の触媒活性を最適化することである。
全体的な効率は、改質を達成する全体的な費用に加えて、改質プロセスの徹底（ガス改質率によって表される）も意味する。例えば、全体的な効率について、プロセスの最中に「毒性」となる可能性がある触媒を使用する費用およびその交換費用を考慮する。また、エネルギー源の費用も考慮する。
本発明のガス改質システムは、改質プロセスの効率を高めるように設計される。これを達成する様々な手段は「ガスマニピュレータ」と称され、それらは効率、有効性、および改質プロセスの徹底を促進する。改質プロセスは、事前配合ガスが当該システムのチャンバを通過する際に起こるため、滞留時間は、当該プロセスの効率および転換の徹底を判定する重要な態様である。事前配合ガスの分子全体にわたるエネルギー移動の速度および程度を加速させる要因ならびに改質種の混合が、ガスが当該システムから流出する前の変換の徹底を最適化する。
プラズマ中に提供されるおよび／または熱等のエネルギーを提供する活性種の源に対する気体分子の近接性は、気体分子が該源に曝露される時間の長さに依存する。事前配合ガスの分子全体にわたってエネルギー移動のプロセスを促進し、それによって改質を始めるようにシステム内に提供される手段は、改質される分子の数を最大化する。さらに、それらが新しい化学種（その組成は、改質ガス中に存在する種の相対的濃度に大きく依存する）に再編されるように、活性種／反応中間体の混合量を増加させる手段も、生成される設計された分子の量を最大化する。
ガスマニピュレータは、改質プロセスの効率を高めるように設計、配置、および操作される。いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、当該システム内の高い乱流を増加させるように設計される。乱流の増加は、賦活されるべきガス分子および新しい分子に改質するプロセスにあるガス分子を完全に混合してガスに影響を与え、その化学組成は、ガス改質ゾーン内の個々の化学種の相対的濃度によって大きく決定される。
ガスマニピュレータは、ガス賦活ゾーン、初期ガス、プロセス添加剤、およびその構成成分のうちの少なくとも１つの標的とする方向転換によって、それらの相対的な空間分布およびその力学的進化の変化をもたらし、位置ガス改質システム内の流体力学を変更するように設計することができる。ガスマニピュレータは、賦活および改質プロセスを補助するために、標的化した位置において高乱流環境が形成されることを保証するように設計され得る。
ガス賦活領域（例えばプラズマプルーム）の初期ガスおよびプロセス添加剤への曝露を向上することにより、賦活および改質のため反応プロセスの向上が、可能な限り低い温度で達成される。
当業者は、ガス賦活源およびプロセス添加剤の注入口の位置、チャンバの全体的な設計に基づいて、ガスマニピュレータが設計および配置されなければならないことを、容易に理解する。
曝露マニピュレータ
いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、事前配合ガスの改良ゾーンへの曝露を実質的に促進するように設計および構成される。前述したように、これらのガスマニピュレータは、ガス改質チャンバ（複数を含む）に付属する別個の構造のデバイスであり得るか、またはガス改質チャンバ内に統合され得る。
曝露操作のためのチャンバ設計
一実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域に対する事前配合ガスの流れのパターン、特に、特定の時間内にその領域を通過するガスの量を最適化するチャンバの設計を含む。これは、ガス改質チャネル、すなわちチャンバ内のガス流経路における違いをもたらす、チャンバの内部壁の適切な設計によって達成される。ガス改質チャネルは、以下の種類を含むがこれに限定されない様々な種類であり得る：直線、曲線、分岐−集中型、およびラビリンス型。
ガス改質チャネルの様々な実施形態を図２５〜２８に示す。当業者は、例えば、空気注入用ポール等の、チャンバの追加的特徴の設計に基づいて、図２５〜２８の各実施形態にはいくつかの設計変更が可能であることを容易に理解する。ガス改質チャネルに関する設計上の考察は、エネルギー源への曝露、断面積、温度プロファイル、速度プロファイル、速度プロファイル、ガス滞留時間、混合、および圧力降下を含むが、これらに限定されない。
図１５Ａを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバは直線的であり、プラズマトーチが位置するくびれたスロート部を含む。くびれたスロート部を通過するガスは、反応性のイオン化プラズマのキャリアガス（ガス賦活ゾーン）と混合させられ、それによって改質を促進する。スロート部は、プラズマプルームの可視部ほどの大きさであり、２０００℃を超える温度を伴う。キャリアガスは、そのような温度にあるイオン化相の状態で流出するため、はるかにより活性である。チャネルの大きさ（例えば、その断面積）、速度プロファイル、および温度プロファイル等の設計基準は、ガス改質の促進のために必要とされる化学プロセスによって決定される。スロート部でのより高い速度のために、改質ガス中に存在する粒状物質のどれも、引き込まれてチャンバの第２の部位で堆積する可能性がある。
チャンバは、粒状物質の分離を容易にするためにさらに設計され得る。図１５Ｂを参照すると、また本発明の一実施形態によると、粒状物質が下部で分離して運ばれ得るように、チャンバの第２の部位は下向きに位置している。代替として、チャンバの第２の部位は、生じる旋回流がガス流からの粒状物質の分離を促進できるように、チャンバの主要部分から接線方向にガスが導入されるように設計することができる。
図１５Ａおよび１５Ｂの設計の利点は、内部に構造デバイスを適切に設置することにより、簡略化された機械的設計を用いて達成することもできる。図１５Ｃを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバの形状はその長さ全体を通して変化しておらず、チャネルは、オフガスを通過させるために、実質的にチャンバの中央に位置している。チャンバの直径が固定されているため、耐火物の設置ならびにチャンバの製造および設置が簡略化される。内部の構造デバイスは、追加の冷却用配管、ファン、およびコントローラ等の当該技術分野で既知である方法を用いて、最適な性能のために十分に断熱および冷却することができる。
単一のプラズマトーチを用いて発生させるプラズマプルームは、数ミリ秒間で特定の有限長であり、その後で温度が約２０００℃未満に低下して、イオン化されたガスが非プラズマ状態に戻る。当業者は、その後でイオン化されたガスが非プラズマ状態に戻る時間は、トーチのエンタルピー、ガスの流れ、周囲のガスの温度、およびアンペア数を含むが、これらに限定されないプラズマトーチの様々なパラメータに依存することを理解する。湾曲した種類のチャネルを有するガス改質チャンバ内では、流入するオフガスとの相互作用のために反応性イオン化ガスの連続的な流れを提供し、その結果、タールのクラッキングプロセスの効率を高めるように、２つ以上のプラズマトーチを適切に配置することができる。
湾曲したチャネルには、図１６Ａ〜１６Ｃの実施形態に限定されない、様々な設計が可能である。本発明の一実施形態によると、チャンバの第２の部分は、チャンバの主要部分からガスが接線方向に導入されることを可能にし、そうすることで、生じる旋回流が、ガス流からの粒状物質の分離を促進する。当業者は、例えば、曲線の角度の違いに基づいて、数多くの湾曲したチャネルの設計が可能であることを容易に理解する。
図１７を参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャネルは先細末広型であり、チャネルの形状は、必要に応じて、速度、圧力等の局所的な条件における変動を可能にする。
図１８を参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャネルはラビリンス型である。当業者は、このチャネル設計が、必要に応じて、より長い滞留時間に対応できることを容易に理解する。
本発明の一実施形態では、チャンバは、垂直に配向されたコネクタを介してガスの源（例えばガス化装置）に動作可能に連結された、直線的な、実質的に水平な、円筒状の構造である。該チャンバおよび／またはコネクタの壁は、ガスマニピュレータとしての役割を果たすように、すなわち、事前配合ガス流を精確に方向転換させて、ガス賦活領域および任意選択的にプロセス添加剤との相互作用を促進するように、設計することができる。
本発明の一実施形態では、チャンバは、事前配合ガスと、ガス賦活領域（例えば、プラズマプルーム）および／またはプロセス添加剤との相互作用を促進させるのに適した位置でくびれている。図２０Ａを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバ３２０２内のくびれ部３９９９は、２つのプラズマトーチ３２０８のやや上の方に設置される。図２０Ｂを参照すると、また本発明の一実施形態によると、くびれ部３９９９はより緩やかであり、プラズマトーチ３２０８がチャンバ３２０２のくびれた部分内に来るように配置される。当業者は、プラズマトーチに対するくびれ部の異なる配置の影響を容易に理解する。
本発明の一実施形態では、それ自体のインジェクタの流れをキャリアガスとして用いるインジェクタプラズマトーチは、多層ＡＣ電流によって駆動される電極を含むチャンバ内で、イオン化された領域を生成するために用いられ、改質されるべき事前配合ガスで充填されている。事前配合ガスが直接チャンバを通過すると、賦活および改質プロセスが促進される。以下に記載するガスマニピュレータの様々な実施形態は、インジェクタプラズマトーチのプルームが一次電極の隙間内に精確に方向付けられることを確実にするためにさらに利用され得る。
図２１Ａおよび２１Ｂを参照すると、賦活源、添加剤の流れ、ならびにガス投入物および産出物の構成に基づいて、ガス改質システムの様々な実施形態が考えられ得る。
ガス改質システムは、ガス流がより小さな流れに分けられ、並行して改質を受けるように設計することもできる。図２４Ａおよび２４Ｂを参照すると、より小さなガス流のそれぞれが、独立した賦活源によって形成される専用の改質ゾーンを通過する。図２４Ｂは、移動されたアークトーチの使用を示す。図２４Ｃは、それぞれ別個のガス流のための専用の改質ゾーンが、複数のガス賦活源によって形成され得ることを示す。図２４Ｄは、混合要素がより小さなガス流のそれぞれの経路に導入される、図２４Ａおよび２４Ｂの実施形態を示す。
図２５Ａ〜Ｃは、ガス賦活源が角度をつけて改質チャンバに配置される、３つのガス改質システムを示す。該源は、その賦活領域を、ガスの流れに向かってもしくは対抗して、またはその組み合わせのいずれかに方向付けることができる。
チャンバは、チャンバの予熱またはトーチによる加熱を補助するための、二次的なトーチの熱源用の１つもしくは複数のポートをさらに含み得る。
事前配合ガス方向決定デバイス
ガスマニピュレータは、能動的もしくは受動的手段または両方を用いて、直接的または間接的に、チャンバ（複数を含む）内での事前配合ガスの空間分布およびその力学的進化を操作することによって、事前配合ガスのガス賦活領域への曝露を促進することができる。そのようなガスマニピュレータは、別個の構造デバイスであり得る。例には、ガス賦活領域に向かって、および該領域を通して、事前配合ガスをより効果的に方向付けるバッフルおよび偏向器等の構造デバイスが含まれるが、それに限定されない。他の例には、特定の所望の流体力学的な流路を形成するためのチャンバの設計が含まれる。
本発明の一実施形態では、ガスマニピュレータは、初期ガスがより均一な組成および／または温度であること、プロセス添加剤と適切に混合されることを確実にするために、初期ガス注入口にまたはその近くに位置づけられる。
図２６Ａ〜Ｃを参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガスマニピュレータは、チャンバ３２０２に進入するガスの流れを変更する流量制限器３９９９を含む。当業者は、ガス流のパターンに対する相違は、流量制限器３９９９のサイズおよび形状、ならびにそれらの配置を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存することを容易に理解する。
流量制限器は、様々な係止手段を用いてチャンバに取り付けることができる。本発明の一実施形態では、流量制限器はチャンバの上部（下流端）から懸垂される。本発明の一実施形態では、流量制限器は、ブラケットを用いてチャンバの壁に取り付けられる。
図２７Ａおよび２７Ｂを参照すると、また本発明の一実施形態によると、流量制限器３９９９は、実質的にチャンバ３２０２の全長分だけ延在し、結果としてガス改質が起こる環状空間を形成している。図４２に示すように、流量制限器３９９９は、オフガス流の直接的な操作のための動的手段の使用例である、モータ７００１を用いて回転させることが可能である。流量制限器の回転は、任意選択的に、全体的なガス改質プロセスを調整および最適化するように設計される制御システムとともに、動的に制御され得る。
図２８Ａおよび２８Ｂは、流量制限器を含み、横方向に配向されたガス化装置に直接連結したチャンバの三次元図を示す。流量制限器は、典型的にチャンバ内に存在する高温に耐えるように設計されなければならない。
図２９Ａ〜Ｇは、本発明の様々な実施形態に従った、異なる流量制限器を示す。これらの図中、プラズマトーチは同じ高度になるように示されている。代替として、該流量制限器は、プラズマトーチより上または下に設置することができる。空気および蒸気等のプロセス添加剤の注入のための添加剤ポートも、トーチの下に示されている。
本発明の一実施形態では、図２９Ａに示すように、流量制限器は、流入するオフガスとプラズマプルームとの、より循環型の流れの混合を誘発するように設計される、２つのらせん状の羽根を有する。図２９Ｂは、本発明の一実施形態に従った、２つのらせん状の羽根を有するが形状は異なる流量制限器を示す。本発明の一実施形態では、図２９Ｄに示すように、流量制限器の一方のらせん状の羽根は他方よりも大きく、循環型の流れおよびオフガスとプラズマプルームの混合をさらに誘発する。本発明の一実施形態では、図２９Ｇに示すように、新しい２つの羽根として開始する前は、羽根のスパイラルは制限器の半分のみをカバーする。
本発明の一実施形態では、図２９Ｃ〜Ｆに示すように、流量制限器は、冷却用配管に取り付けられ、冷却媒体（例えば、空気、水、熱油）が流量制限器の温度を制御する。図２９Ｅに示す本発明の一実施形態では、添加剤（例えば、空気、蒸気等）は、オフガス流に進入する前に、支持棒の上部から流量制限器の下部へと流れる。この設計により、添加剤を注入する前に添加剤を予熱している間に、流量制限器の冷却が可能となる。
図３０Ａを参照すると、また本発明の一実施形態によると、チャンバは、モータに取り付けられた１つもしくは複数の回転軸の形態でガスマニピュレータを含み、各軸は、安定した回転のために注意深く重さを調節できる１つもしくは複数のディスクを含む。軸上に複数のディスクを有する実施形態では、ディスクをオフセット状に配設することができる。当業者は、ディスクは冷却を組み入れることができると容易に理解する。上記のような流量制限器は、回転軸の端部に取り付けることができる。
図３０Ｂは、回転軸に取り付けることができる異なる種類のディスクを示す。図３０ＢＡを参照すると、ディスクは、ガスがディスクの一方の側から他方の側へと流れることができるようにするセクションを有する。図３０ＢＢを参照すると、ガスを引き上げてチャンバの中央に入るように設計される、スパイラル状のセクションを有する。代替として、スパイラル状のセクションは、ガスを上に押し上げてチャンバの周縁部に押し出すように設計され得る。図３０ＢＣおよび３０ＢＤを参照すると、回転ディスクは、複数の翼のスポークである。当業者は、安定した回転のために、翼の配向および重量分布の均衡が保たれるべきであることを容易に理解するであろう。
図３１Ａ〜Ｃは、図４２に示す回転軸の異なる実施形態を示しており、上部のディスクはボールベアリング上で回転することが可能であり、支持部によって定位置に保たれている。任意選択的に、冷却液または添加剤は軸の中心を通って配管され得る。本発明の一実施形態では、図３１Ａに示すように、回転するホイール（スプロケット）に取り付けられた駆動軸を有する、１つもしくは複数の支持部の上にモータがある。力学的エネルギーがディスクを回転させるため、軸はチャンバ内に突出している。
図３１Ｂを参照すると、回転を生じさせるために、支持部の間で、または支持部の一部として、電磁石が用いられる。図３１Ｃを参照すると、また本発明の一実施形態によると、電磁石は、チャンバ内の軸を安定させるために使用される。電磁石は、軸およびディスク内で回転モーメントを形成するための一次的または二次的な手段として使用することができる。本発明の一実施形態では、ディスクは軸とは独立して回転し、例えば、軸は静止していても、または別のスピードで回転していても、またさらには別の方向で回転してもよい。本発明の一実施形態では、ディスクは永久磁石を有し、熱流体で冷却されたボールベアリングがシャフトに接続した状態でそれはほとんど空洞であるため、冷却はディスク平面上で行われる。
賦活源方向決定デバイス
賦活源方向決定デバイスは、例えばプラズマプルーム方向決定デバイス等のガス賦活領域の寸法を変更するために、賦活源の物理的配向を方向付けるガスマニピュレータであり、および／またはプラズマ発生源に供給されるエネルギーに対する変更、作動ガスの流速等は、ガス賦活領域の寸法の変更に影響を与えるように改変され得る本発明のシステムの態様の非制限的な例である。
また、ガスマニピュレータは、能動的もしくは受動的手段または両方を用いて、直接的または間接的に、チャンバ（複数を含む）内でのガス賦活領域（例えばプラズマプルーム）の空間分布およびその力学的進化を操作することによって、事前配合ガスのガス賦活領域への曝露を促進する。本発明の一実施形態では、賦活源（例えばプラズマトーチ）の配置および配向によって、これが達成され得る。
本発明の一実施形態では、図３３Ａに示すように、ガスマニピュレータは、プラズマトーチ３２０８からのプラズマプルーム３９９７を方向転換させる偏向器３９９８である。プラズマプルームの適切な方向転換は、プラズマトーチ３２０８からの距離、プラズマプルームの方向に対する配向の角度、プラズマプルームの幅と比較したサイズ、およびその構成材料を含むが、これらに限定されない、偏向器３９９８の様々な設計上の要因に依存する。耐熱材料は、偏向器がプラズマトーチ３２０８の近位で生じる高温に耐えられることを確実にする。当業者は、高いプラズマ温度に耐えるために使用することができる異なる材料を容易に理解する。
図３３Ｂを参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガスマニピュレータは、プラズマプルーム３９９７を操作するために用いられる、コアンダ効果に基づく偏向器３９９６である。
図３４Ａおよび３４Ｂを参照すると、また本発明の一実施形態によると、１つもしくは複数の流体ジェット３２０８（例えばエアノズル）が、プラズマトーチ（複数を含む）３２０８によって生成されるプラズマプルーム３９９７を方向転換させるために使用される。流体ジェットは、プラズマプルームの直接的な操作のために用いられる動的手段の一例である。本発明の一実施形態では、流体ジェットは、任意選択的に、全体的なガス改質プロセスを調整および最適化するように設計される制御システムとともに、動的に制御される。
図３５Ａ〜Ｄは、ガス改質チャンバ内のプラズマプルームを方向転換させるために使用することができる偏向器の実施形態を示す。本発明の一実施形態では、図３５Ａ〜Ｂに示すように、偏向器はプラズマトーチのケーシングに取り付けられる。偏向器の形状を調節することによって、プラズマプルームの分散の広がりを制御することができる。例えば、図３５Ｂの偏向器は、図３５Ａの偏向器よりも広いプルームの分散をもたらす。
図３５Ｃ〜Ｄは、偏向器がプラズマトーチのケーシングに取り付けられていない、本発明の実施形態を示す。本発明の一実施形態では、図３５Ｄに示すように、偏向器は回転軸に取り付けられる。当業者は、偏向器表面の仕上げ（例えば、滑らか、粗い、または勾配がある）が、プルームの分散に影響を与えることを理解する。
図３６Ａ〜Ｄは、回転軸のオブジェクトが平坦ではない表面を有する、本発明の異なる実施形態を示す。エッジの数、トーチ、およびトーチの角度は、プラズマプルームを最適化するために、および／またはプラズマプルームを均等に拡散するために使用することが可能であり、それによってプルームとオフガスとの接触を最大化する。本発明の一実施形態では、プラズマトーチは、チャンバの中心をまっすぐ向いている。
図３６Ａに示す本発明の一実施形態では、プラズマトーチに勾配があるため、プラズマプルームの少なくとも一部が中心のオブジェクトに命中する。代替として、プラズマプルームは、中心のオブジェクトから離れて方向付けることができる。図３６Ｂに示す本発明の一実施形態では、軸のオブジェクトがトーチとは反対の角度に回転させられるため、プラズマプルームをチャンバの外側に押し出すことになる。
図３６Ｃ〜Ｄに示す本発明の一実施形態では、プラズマプルームは偏向器から中心軸に向かって跳ね返される。偏向器は、図３６Ｃに示すようにプラズマトーチのケーシングに取り付けることができるか、または、図３６Ｄに示すようにチャンバの壁に取り付けることができる。図３６Ｃ〜Ｄ中の軸は、いずれの方向にも回転させることが可能である。
任意選択的に、プラズマトーチを取り付けるためのポートは、プラズマトーチ（複数を含む）のチャンバへの挿入およびチャンバからの取り外しを容易にし、プラズマトーチ（複数を含む）を引き出した後にポートを封止するための自動ゲートバルブを含み得る、摺動機構とともに嵌合されることができる。本発明の一実施形態では、接線方向に取り付けられたプラズマトーチのためのポートは、プラズマトーチに最大曝露を提供するように空気注入口の上に位置する。このような取付機構は、ガス賦活源の配置を調節できるように改変され得る。
図３８Ａを参照すると、また本発明の一実施形態によると、プラズマトーチ３２０８は、チャンバ３２０２に注入されるガスが、そこで生成されるプラズマプルームに対して逆流するように配置される。当業者は、プラズマトーチの配向および配置が異なる場合、プラズマプルームの空間分布の変動を容易に理解するべきである。
本発明の一実施形態では、ガス賦活源（例えば、プラズマトーチ）は、生じるゾーン（例えば、プラズマプルーム）が初期ガスの流れの方向に対して垂直に方向付けられるように設置される。本発明の一実施形態では、チャンバは実質的に円筒状であり、プラズマプルームは、初期ガス流の実質的に軸方向である流れに対して、軸方向に垂直に方向付けられる。代替として、初期ガス流は軸方向に方向付けることができ、一方プラズマプルームは、実質的に円筒状であるガス精製チャンバに沿って軸線方向に方向付けることができる。本発明の一実施形態では、チャンバは実質的に円筒状であり、プラズマプルームは、初期ガス流の実質的に軸線方向である流れに対して、接線方向に垂直に方向付けられる。
図３９は、生じるガス賦活領域の形状および寸法に関連する変化をもたらす、様々な配設のガス賦活源を有する円筒状のガス改質チャンバの断面図を示す。本発明の一実施形態では、使用されるガス賦活源は、ＡＣまたはＤＣプラズマトーチのいずれか一方であってもよい。図３９Ａは、チャンバ内に接線方向に方向付けられた２つのガス賦活源を示す。図３９Ｂを参照すると、チャンバは、アークが電極の間を通過する３つの電極を含む。ガスがこのアークを通過してプラズマが形成され、ガスが改質される。図３９Ｃは、壁の電極からのアークがアークをなす中央の接地電極があること以外は、図３９Ｂと類似する実施形態を示す。当業者は、接地電極は接触点を除いて電気的に遮蔽されていることを理解する。図３９Ｄは、チャンバが、チャンバを通過する実質的にすべてのガスが確実に賦活されるのに十分である複数のガス賦活源（図示するようにまっすぐ中央に向かって、または渦パターンのいずれか）を含む、例示的な実施形態の１つを示す。図３９Ｅおよび３９Ｆは、それぞれ図３９Ｂおよび３９Ｃの実施形態と類似するが、６つのトーチを含む（３または６相）。より多数のトーチも、図３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｅ、および３９Ｆの実施形態に検討され得る。
図４０は、本発明の２つの例示的な実施形態を示し、初期ガスおよび／または事前配合ガスの流れは、ガス賦活源によって形成されるガス賦活領域を介して、改質チャンバに直接導入される。
ガスマニピュレータは、事前配合ガスおよびガス賦活領域の互いに対する空間分布、ならびにそれらの力学的進化を少なくとも部分的に操作する。
混合マニピュレータ
いくつかの実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域内の改質中のガスとエネルギー種の混合を実質的に促進するように設計および構成される。また、ガスマニピュレータは、プロセス全体を通して乱流を促進することもでき、混合の向上をもたらす。
本発明の一実施形態では、乱流および混合を増加させるように設計されるプロセス添加剤ノズルの位置および配置。
一実施形態では、ガスマニピュレータは、乱流、ひいては改質中のガスの混合を誘発するためにチャンバ内に位置する１つもしくは複数のバッフルである。異なるバッフルの配設が当該技術分野において既知であり、それには、クロスバーバッフル（ｃｒｏｓｓ  ｂａｒ  ｂａｆｆｌｅｓ）、仕切り壁ワッフル（ｂｒｉｄｇｅ  ｗａｌｌ  ｂａｆｆｌｅｓ）、チョークリングバッフル（ｃｈｏｋｅ  ｒｉｎｇ  ｂａｆｆｌｅ）の配設等を含むが、これらに限定されない。またバッフルは、初期ガスがより均一な組成および／または温度であること、ならびにプロセス添加剤と適切に混合されることを確実にするために、初期ガス注入口またはその近くに位置してもよい。
図４３Ａ〜Ｂを参照すると、乱流は、ガス賦活源の前または後で形成され得る。図４３Ｃは、乱流を形成するための手段の３つの例示的な実施形態を示す：（ｉ）受動的グリッド、（ｉｉ）回転軸を利用する能動的グリッド、および（ｉｉｉ）せん断発生器。図４５および４６は、乱流を発生させるための手段の追加の例示的な実施形態を示す。
一実施形態では、ガスマニピュレータは、ガス賦活領域内の改質中のガスとエネルギー種の混合に寄与し得る、賦活源を配置する設計を含む。よって、賦活源はガス改質プロセスを最適化するように配置されてもよく、該配置は、ガス改質チャンバ（チャンバ）の設計を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。本発明の一実施形態では、空気および／または酸素の入口と同じように渦の方向を形成するように、２つのプラズマトーチが接線方向に配置される。本発明の一実施形態では、２つプラズマトーチは、チャンバの周縁部に沿った対向する位置に配置される。
プロセス添加剤（後に考察される化学組成の寄与）用の入口の配設は、チャンバの設計、所望の流れ、ジェットの速度、浸透、および混合を含むが、これらに限定されない様々な要因に基づく。プロセス添加剤ポートおよびガス賦活源のためのポートの様々な配設が、本発明によって企図される。
例えば、酸素の入口またはポート、蒸気の入口またはポート、およびガス賦活源のポートは、チャンバの周縁部の周りに層状に配設することができ、ガス賦活ゾーン、酸素、および蒸気の接線方向および層状の注入を可能にする。一実施形態では、チャンバの周縁部の周りに３層状に配設される９つの酸素源ポートが提供される。一実施形態では、チャンバの周縁部の周りに２層状に配設される、対向して配置される２つの蒸気入口ポートが提供される。空気および／または酸素の入口ポートが層状に配設される実施形態では、それらは混合効果を最大化するように配設することができる。
本発明の一実施形態では、空気および／または酸素入口ポートは接線方向に配置されているため、下のレベルの入口ポートがガスを予め混合し、トーチがそれを加熱して、ガス中に旋回運動を開始させることが可能になる。上のレベルの空気入口ポートは旋回運動を加速させることが可能であり、それによって渦パターンが展開および持続されるように再循環させることができる。
図４４を参照すると、また本発明の一実施形態によると、改質されるべきガスは接線方向に改質チャンバに進入するため、渦が形成される。また本実施形態は、ガス流のガス賦活源への曝露を促進するように成形および配置される例示的なガスマニピュレータを示している。
一実施形態では、最も下のレベルの空気入口ポートは、下方のガス化装置から生成されるガスを予め混合する４つのジェットから構成され、トーチがそれを加熱する。他の上の２つのレベルのエアノズルは、ガスを混合するための主な運動量および酸素を提供し、トーチが要求される温度まで加熱する。蒸気の入口またはポートの配設は、最適化された温度制御能力を提供する位置に配置される限り、それらの数、レベル、配向、および角度は自由である。
酸素および／または蒸気の入口ポートは、それらが酸素および蒸気をチャンバの内壁に対して角度をつけてチャンバ内に注入するように配置することもでき、ガスの乱流または旋回を促進する。該角度は、チャンバの直径ならびに設計された空気入口ポートの流れおよび速度に基づいて、十分なジェットの浸透を達成するように選択される。該角度は、約５０°〜７０°の間で異なり得る。
空気入口ポートは同じ平面内にあるように配設され得るか、または連続的な平面内にあるように配設され得る。一実施形態では、空気入口ポートは下のレベルおよび上のレベルに配設される。一実施形態では、下のレベルに４つの空気入口ポート、そしてさらに６つの空気入口ポートが上位にあり、交差噴流式混合効果を形成するために、そのうち３つの入口ポートは他の３つよりもやや高くなっている。
任意選択的に、空気がチャンバを通過するガスの回転つまりサイクロン運動を形成するように、空気はチャンバ内に角度をつけて吹き込まれてもよい。さらなる流れの回転を提供するために、ガス賦活源（例えばプラズマトーチ）が角度をつけられてもよい。
本発明の一実施形態では、空気および／または酸素および／または蒸気の入口は、耐高温性の噴霧ノズルまたはジェットを含む。適切なエアノズルは当該分野において既知であり、図４７〜４８に示されるＡ型ノズルおよびＢ型ノズル等の市販されている種類を含み得る。該ノズルは単一の種類または異なる種類であり得る。ノズルの種類は機能要件に基づいて選択され得、例えば、Ａ型ノズルは、空気流の方向を変更して所望の渦を形成するために、Ｂ型ノズルは、高速の空気流を形成して特定の浸透および最大の混合を達成するために選択される。
当該ノズルは、空気を所望の角度に方向付けるように設計することができる。一実施形態では、空気ジェットは、接線方向に配置される。一実施形態では、入口ノズルの先端に偏向器を有することにより角度のついた送風が達成され、それによって注入口のパイプおよびフランジをチャンバと直角にすることができる。
本発明の一実施形態では、１つもしくは複数の空気ジェット（例えば、空気旋回ジェット）が初期ガス注入口またはその近くに配置され、初期ガス中に少量の空気を注入して、その注入された空気の速度を利用することにより、初期ガス流に旋回運動を形成する。空気旋回ジェットの数は、ジェットがチャンバの中心まで浸透できるように、設計された空気流および流出速度に基づいて、実質的に最大の渦を提供するように設計することができる。
触媒マニピュレータ
触媒マニピュレータは触媒を含み、エネルギー移動の効率を増加させる。触媒は、平衡に達するために必要な時間を短縮することによって、化学反応の速度を増加する。触媒は、様々な機構を用いて、反応物から生成物への代替のより容易な経路を提供することによって作用するが、いずれの場合も、反応の活性化エネルギーを減少させることによるものである。均一触媒は反応物と同じ相に存在し、反応中の分子またはイオンと組み合わせることにより機能して、不安定な中間体を形成する。これらの中間体は、他の反応物と結合して所望の生成物を生じ、触媒を再生成する。不均一触媒は、反応物および生成物の相とは異なる相に存在する。それらは、ガス状または液状の反応物の存在下では、通常は固体である。不均一触媒の表面で反応が起こる。この理由から、触媒は微細に分割された固体であるか、または高い表面積対体積比を提供する粒子形状を有する。石油のクラッキングおよび炭化水素の改良は、不均一触媒の使用の一般的な産業上の応用である。不均一触媒の使用における困難の１つは、それらのほとんどが容易に「汚染」され、反応物中の不純物が触媒を非反応性の材料で被覆するか、またはその表面を改変するため、触媒活性が失われてしまうことである。必ずではないが、汚染された触媒は精製され、再び使用され得ることが多い。
代替の反応経路を提供することにより、ガス改質システムにおける適切な触媒の使用は、ガス改質プロセスに必要であるエネルギーレベルを減少させることができる。触媒によって提供される精確な経路は、使用される触媒に依存する。ガス改質システムにおける触媒使用の実現可能性は、一般的に、それらの寿命に依存する。触媒の寿命は、「汚染」、すなわち、ガス中の不純物による触媒能力の劣化によって、短縮される可能性がある。
ガス改質システムは、触媒の交換が容易にできるように設計することができる。本発明の一実施形態では、触媒は、摺動機構上に取り付けられた触媒床の形態で、ガス改質チャンバ内に組み込まれる。摺動機構は、触媒床の容易な取り外しおよび交換を可能にする。触媒床は、ガス改質システム内の様々な場所に挿入され得る。
本発明の一実施形態では、ガス化チャンバからの高温のオフガスは、ガス改質に必要であるエネルギー閾値を効果的に低下させる触媒に接触し、オフガス流が、ガス賦活領域に曝露される前に改質するようにする。本発明の一実施形態では、したがって、ガス改質システムは、ガス賦活源（複数を含む）の上流の位置に触媒を含む。一実施形態では、図５７に開示されるように、触媒床はガス賦活源（例えば、プラズマトーチ）の前および／または後に挿入される。
また触媒能力は、動作の温度に依存する。適切な動作温度は、当該技術分野で既知である様々な触媒によって異なる。当該ガス改質システムは、触媒が最適な動作温度の範囲内に確実に維持されるように適切な冷却機構を組み入れることができる。蒸気、空気、酸素、または再循環させられた改質ガス等の添加剤を、触媒床付近の温度を上昇または低下させる補助のために加えることができる。当業者は、温度を制御するために選択される特定の添加剤は、触媒床の位置およびそこのガス温度に依存することを理解する。
触媒表面の不規則性、および大きな有機分子と表面との間の良好な接触は、Ｈ２およびＣＯ等のより小さな分子へと改質する機会を増加させる。
使用され得る触媒は、オリビン、焼成オリビン、ドロマイト、酸化ニッケル、酸化亜鉛、およびチャーを含むが、これらに限定されない。オリビン中の鉄およびマグネシウムの酸化物の存在は、より長い炭化水素分子を改質する能力を付与する。当業者は、本システムのガス環境において、急激に劣化しない触媒を選択することを理解する。
非金属および金属触媒の両方が、改質プロセスの促進のために使用され得る。焼成された形態のドロマイトは、バイオマスガス化プロセスからのガスの改質のために最も広く使用される非金属触媒である。それらは比較的安価であり、使い捨てであると考えられる。蒸気を用いてドロマイトを操作すると、触媒の効率は高い。また、最適温度範囲は約８００℃〜約９００℃の間である。触媒の活性およびドロマイトの物理的特性は、より高い温度で劣化する。
ドロマイトは、一般的な化学式ＣａＭｇ（ＣＯ３）２を有するカルシウムマグネシウム鉱石であり、重量ベースで約２０％のＭｇＯ、約３０％のＣａＯ、および約４５％のＣＯ２を、他の微量な鉱物不純物とともに含む。ドロマイトの焼成には、ＣＯ２を除去してＭｇＯ−ＣａＯを形成する炭酸塩鉱物の分解を伴う。完全なドロマイトの焼成は非常に高い温度で起こり、通常は８００℃〜９００℃で行われる。したがって、ドロマイトの焼成温度によって、この触媒の効果的な使用は、これらの比較的高温に限定される。
別の自然発生する鉱物であるオリビンも、焼成ドロマイトとに類似する触媒活性を示した。オリビンは、典型的には焼成ドロマイトよりも強力である。
使用することができる他の触媒材料には、炭酸塩岩、石灰ドロマイト、および炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むが、これらに限定されない。
チャーは低温で触媒として作用することができる。本明の一実施形態では、ガス改質システムはガス化装置に動作可能に連結されており、ガス化装置内で形成されるチャーの少なくとも一部はガス改質システムに移動され、触媒として使用される。触媒としてチャーを用いる実施形態では、触媒床は、典型的にはプラズマトーチによって提供される等、賦活ゾーンの前に設置される。
図４９は、改質チャンバ内で触媒として使用されるチャーの固定床を示す。触媒として使用されるチャーは、図５０に示すようにガス化装置から得ることができる。これは、ガス改質チャンバがガス化装置に動作可能に連結され、そこから生成されるガスを改質するために使用される場合に、特に適用され得る。チャーは、その触媒特性を失った時点で、残渣調整チャンバまたは炭素変換器に移動させることができる。
図５１は、プラズマトーチベースのガス改質チャンバに動作可能に連結されたガス化装置の例示的な構成を示し、ガス化装置内で形成されるチャーは、ガス化によって形成されるオフガスの触媒クラッキングを補助する。ガス化装置の後半の段階で達成される触媒クラッキングの後に、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域にガスを曝露することにより、さらなるガス改質が続く。流動床ガス化装置および巻き込み流ガス化装置等、当業者には容易に理解され得る様々な種類のガス化装置も利用され得る。
本発明の一実施形態では、初期ガスは９００〜９５０℃の温度まで加熱され、ニッケル系触媒上を通過させられ、それによってタール組成物およびメタンを含む軽質炭化水素がＣＯおよびＨ２に変換される。ニッケル系触媒は、初期ガスが、例えば、バイオマスのガス化によって生成されるガス等の最少量の硫黄種（硫化水素等）を含有する場合に、特に有用となり得る。ニッケル系触媒の寿命は、希少金属等の促進剤の使用によって延長することが可能である。
図５２に示す本発明の一実施形態では、触媒床がガス化装置のすぐ後に取り付けられ、揮発性物質の大部分を変換する。触媒床の注入口の温度は、微量の揮発性物質を燃焼させることによって、６００〜９５０℃まで上昇させることができる。触媒床の排出口の温度は８５０℃まで下降することが予想され、排出ガスはさらなる改質のためにガス賦活領域に供給される。ガス賦活ゾーンはこの目的のために１０００℃で操作することができ、得られる合成ガスは後続するガス浄化プロセスを開始するためにレキュペレータに送られる。
図５３に示す本発明の一実施形態では、ガス化装置からの揮発性物質は、約９００℃〜約１０００℃の間の温度であるガス賦活ゾーンを通過する。さらなる改質のために触媒床が用いられる。合成ガスの温度は、触媒床の出口で８５０℃まで下降することが予想される。その後、ガスは、熱交換器またはガス安定化ゾーンの一部を形成するレキュペレータに送られる。
図５４に示す本発明の一実施形態では、熱回収は触媒床の前で達成される。ガス化装置からの揮発性物質の大部分は、ガス賦活ゾーンにおいて約１０００℃の温度で改質される。熱い産出ガスは、熱交換器（つまりレキュペレータ）を通過してプロセス空気を予熱し、その時点でその温度は約７００℃まで降下する。その後、冷却された合成ガスは、その微量を燃焼させることによって９００℃まで加熱され、触媒床に供給される。８５０℃で得られる合成ガスは、任意選択的に、さらなるガス浄化のために送られる。
触媒床が賦活領域の前に設置される実施形態では、ガスの温度は、典型的には高い触媒活性に適している。しかしながら、触媒床が賦活領域（プラズマトーチによって生成される等）の後にある実施形態では、オリビン、ドロマイト、および他の多数のほとんどの典型的な触媒には、ガス温度が高すぎる可能性がある。図５５に示すように、冷却液の循環によって、ガス温度を適切なレベルまで低下させることができる（触媒床の劣化を避けるため）。適切な冷却液は、再循環させられた改質ガス（図５６の実施形態に示す）、水、および蒸気を含み得るが、これらに限定されない。
触媒床がレキュペレータ（熱交換器）の後にある実施形態では、改質ガスの再循環させられた蒸気は、レキュペレータの前または後のいずれか一方に挿入され得る。
本発明の一実施形態では、改良ゾーンは触媒床を含み、また触媒マニピュレータは、事前配合ガスおよび／または改質中のガスの触媒床への曝露を促進するように設計される。
ガス安定化ゾーン
本システムは１つもしくは複数の安定化ゾーンを提供し、それによって、設計された化学組成等の所望の特徴を維持することを確実にするために、新しく形成される分子が不活性化（例えば、冷却される、または触媒もしくは賦活源の影響を受けないように）される。
安定化ゾーンに進入するガスの温度は、約４００℃から、１０００℃を超える範囲まで異なる。改質ガスから熱を回収し、ひいては改質ガスを冷却する、ガス改質システムの安定化ゾーン内にある熱交換システムによって、任意選択的に該温度を低下させることができる。ガス温度のそのような低下が、下流の用途および構成部品に必要とされる可能性がある。
図２２Ｂを参照すると、安定化ゾーンのガス改質チャンバ３００２は、新しく形成される分子の不活性化および安定化を促進するように、特異的に成形することができる。ガス改質チャンバ３００２は、一般的に、プラズマの下流または任意選択的に１つもしくは複数の改質ガス排出口３００６の近位に球根状の拡張部を有する、円筒型のチャンバである。球根状の拡張部はガスの不活性化を可能にすることで、新しく形成される分子を安定化させる。
任意選択的な熱再利用手段
熱は、安定化ゾーンにおいて、または安定化ゾーンの下流で回収することができる。回収された熱は、以下の目的を含むが、これらに限定されない様々な目的のために使用することが可能である：ガス改質プロセスのためのプロセス添加剤（例えば空気、蒸気）の加熱、複合循環システム内での発電。回収された電気は、ガス改質プロセスを駆動するために使用することができ、したがって局所的な電力消費の費用を軽減する。捕捉される熱の量は、初期ガスおよび改質ガスの特徴（例えば、化学組成、流速）を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。
本発明の一実施形態では、ガス改質システムの安定化ゾーンから回収された熱は、ガス改質システムとともに動作するガス化システムに供給される。熱交換器は、効率の向上のためにエネルギー消費を最小限に抑え、エネルギーの生成／回収を最大化するように任意選択的に構成される制御システムとともに動作させることができる。
本発明の一実施形態では、改質ガスから液体に熱を移動するために、ガス‐液体熱交換器が安定化ゾーンにおいて使用され、加熱された液体および冷却されたガスを生じさせる。熱交換器は、改質されたガスおよび液体を熱交換器におよび熱交換器から移動するための手段（例えば、導管システム）を含む。好適な液体は、空気、水、油、または窒素もしくは二酸化炭素等の別のガスを含むが、これらに限定されない。
導管システムは、任意選択的に、改質ガスおよび液体の流速を管理するために適切に位置する１つもしくは複数のレギュレータ（例えば、送風機）を用いることができる。これらの導管システムは、改質ガスから回収可能な顕熱の量を増加させるために、熱損失を最小限に抑えるように設計することができる。熱損失は、例えば、導管の周りに当該技術分野において既知である断熱材を含む断熱バリアを使用することによって、および／または、導管の表面積を減少させることによって、最小限に抑えることが可能である。
本発明の一実施形態では、ガス‐液体熱交換器はガス−空気熱交換器であり、熱が改質ガスから空気に移動され、加熱された交換空気を生成する。本発明の一実施形態では、ガス‐液体熱交換器は熱回収蒸気発生器であり、熱が水に移動され、加熱された水または蒸気を生成する。
シェルアンドチューブ型熱交換器（直線的な単一経路設計およびＵ字型の複数経路設計の両方)、およびプレート式熱交換器を含む、様々な分類の熱交換器が使用され得る。適切な熱交換器の選択は、当業者の知識の範囲内である。
粒状物質がガス中に存在する可能性があるため、ガス−空気熱交換器は典型的には高度な粒子負荷のために設計される。粒子サイズは、典型的には約０．５〜約１００ミクロンで異なり得る。図５８に示す一実施形態では、熱交換器は単一経路の垂直熱交換器５１０４Ｂであり、改質ガス５０２０はチューブ側に流れ、空気５０１０はシェル側を流れる。改質ガス５０２０は「貫流」設計の中を垂直方向に流れ、粒状物質から堆積および浸食が生じる可能性のあるエリアを最小限に留める。改質ガスの速度は、自己浄化に十分でありながら、浸食を最小限に抑える速さで維持されるべきであり、約３０００〜約５０００ｍｍ／秒で異なり得る。
空気入口温度と熱い生成ガスに大きな温度差があるため、ガス‐空気熱交換器のそれぞれのチューブは、好ましくは、チューブの破裂を避けるために個々の拡張ベローズを有する。チューブの破裂は、単一のチューブが詰まったために、それ以上は残りの管束とともに拡張／伸縮できなくなると起こる可能性がある。改質ガスの圧力よりも空気圧の方が高いこれらの実施形態では、チューブの破裂は、ガス混合物に進入する空気が原因となる問題による大きな危険を意味する。
ガス‐液体熱交換器で熱が回収された後、冷却された改質ガスは、さらに下流のシステムにとってはまだ多すぎる熱を含んでいる可能性がある。調整の前に生成ガスをさらに冷却するための適切なシステムの選択は、当業者の知識の範囲内である。
一実施形態では、図５９に示すように、熱い改質ガス５０２０は、ガス‐空気熱交換器５１０３を通過して、部分的に冷却された改質ガス５０２３および加熱された交換空気５０１５を生成する。熱交換器への空気の投入は、プロセス空気送風機によって供給され得る。部分的に冷却された改質ガス５０２３は乾式消火ステップ６１０３を行い、制御された量の噴霧水６０３０の添加によって、さらに冷却された生成ガス５０２５を生じる。
改質ガスの冷却は、湿式、乾式、またはハイブリッドの冷却システムを用いて達成することもできる。該湿式および乾式の冷却システムは、直接的または間接的であり得る。適切な冷却システムは当該技術分野において既知であるため、当業者はシステムの要件を考慮して、適切なシステムを選択することができるであろう。
一実施形態では、冷却システムは湿式冷却システムである。該湿式冷却システムは、直接的または間接的であり得る。間接的な湿式冷却を用いる冷却システムでは、改質ガスから熱を吸収する循環式の冷却水システムが提供される。熱は、１つもしくは複数の冷却タワーを介した蒸発によって大気中に放出される。代替として、節水を促進するために、水蒸気が凝縮され、閉ループ内で該システムに戻される。
一実施形態では、冷却システムは乾式冷却システムである。乾式冷却システムは直接的または間接的であり得る。一実施形態では、該乾式冷却システムは通風乾式冷却システムである。乾式冷却は多少の設備費用が掛かるが、水の供給が限られた地域では好ましい可能性がある。
一実施形態では、合成ガス冷却器は放射型ガス冷却器である。様々な放射型ガス冷却器が当該技術分野において既知であり、それには米国特許出願第２００７０１１９５７７号および米国特許第５，２３３，９４３号に記載されるものを含む。
改質ガスは、クエンチ剤等の蒸発したＸＸＸＸにおける直接的な水の蒸発によって冷却されてもよい。
改質ガスの出口温度は、新しく生成された改質ガスと混合するために、適切に位置する注入口を介して、ガス改質システムの安定化ゾーンまで冷却された改質ガスを再循環させることによって、冷却することもできる。
任意選択的なガス添加剤ゾーン
チャンバは、酸素源、二酸化炭素、他の炭化水素、または追加のガス等のプロセス添加剤をチャンバ内に注入するための１つもしくは複数のプロセス添加剤用のポートを、任意選択的に有してもよい。当該技術分野において既知である酸素源は、当業者によって容易に理解され得る、酸素、酸素富化空気、空気、酸化媒体、蒸気、および他の酸素源を含むが、これらに限定されない。一実施形態では、チャンバは、空気および／または酸素投入のための１つもしくは複数のポートを有し、蒸気投入のための１つもしくは複数のポートを任意選択的に有する。
空気、蒸気、および他のガス等のプロセス添加剤の任意選択的な添加は、それらの注入専用の注入口なしで達成することもできる。本発明の一実施形態では、ガス改質システムがその初期ガス流を得るガスの源または導管内に、プロセス添加剤を添加することが可能である。プロセス添加剤は、プラズマトーチ等のガス賦活源を介してチャンバに添加することもできる。
任意選択的に、品質標準を満たさない改質ガスが、さらに処理されるべくチャンバ内に再循環させられるように、ポートまたは注入口が提供され得る。そのようなポートまたは注入口は、チャンバ内での物質の乱流混合を促進するように、様々な角度でおよび／または位置に位置し得る。
１つもしくは複数のポートが、プロセス温度、圧力、ガス組成、および他の該当する条件の測定を可能にするように含まれ得る。
任意選択的に、プラグ、カバー、バルブおよび／またはゲートは、チャンバ３００２のポートまたは注入口のうちの１つもしくは複数を封止するように提供される。適切なプラグ、カバー、バルブおよび／またはゲートは当該技術分野において既知であり、手動操作または自動のものを含み得る。該ポートは、シーリンググランド等の適切な封をさらに含んでもよい。
任意選択的なガス浄化ゾーン
本システムは、ガス安定化ゾーンの下流に位置する１つもしくは複数のガス浄化ゾーンを任意選択的に含む。１つもしくは複数のガス安定化ゾーンを含む本発明の実施形態には、本システムから流出する前にガスを浄化する物質をチャンバ内に注入する手段が組み込まれる。例えば、酸素および／または蒸気は、安定化された改質ガスを浄化するために、耐高温噴霧ノズルによって噴霧され、チャンバに注入されてもよい。
任意選択的な追加の処理
安定化された改質ガス流は、下流用途において利用されるか、貯蔵されるか、または燃焼させられる前に、さらに処理されることが可能である。例えば、改質ガスは、ガス調整システムを通過させることができ、そこでは粒状物質、酸性ガス（ＨＣｌ、Ｈ２Ｓ）および／または重金属が除去され得、該ガスの温度および／または湿度が調節され得る。例えば、粉塵が存在する場合、電気フィルタまたは布製のバグハウスフィルタを含む、画期的な洗浄集じん装置を用いて、該ガスから除去することができる。
改質ガスは、均質化チャンバを通過させることも可能であり、その滞留時間および形状は、改質ガスの混合を促進して、該ガスの特徴の変動を軽減するように設計される。
ガス改質チャンバ
図３を参照すると、また本発明の一実施形態によると、ガス改質システム３０００のチャンバ３００２は、１つもしくは複数の初期ガス注入口３００４、１つもしくは複数の改質ガス排出口３００６、１つもしくは複数のガス賦活源（例えばプラズマ源）３００８、ならびに任意選択的に１つもしくは複数のプロセス添加剤（例えば酸素）入口３０１０、ガスマニピュレータ（図示せず）、および制御システムを含む。
図４に示す実施形態では、ガス改質システム３０００は、チャンバ３００２が直接ガスの源（例えばガス化装置、ガス貯蔵タンク）に連結され、気体連通するように設計される。維持または修復を容易にするために、ガス改質システム３０００は、必要に応じてガス改質システム３０００が除去され得るように、任意選択的に、可逆的にガス化装置に連結されてもよい。
図５によって示される一実施形態では、ガス改質システム３０００は、別個の配管または導管を介して、２つのガスの源から初期ガスを受け取る自立型ユニットである。図６に示す実施形態では、独立したガス流は、ガス改質システム３０００に注入される前に統合される。自立型ユニットにおいて、当該ガス改質システムは、適切な支持構造をさらに含み得る。
誘導送風機は、チャンバの圧力を所望の圧力、例えば、約０〜５ｍｂａｒの圧力で維持するために、チャンバの下流に気体連通するように提供され得る。
チャンバ内で起こるガス改質プロセスの効率は、チャンバの内部容積および形状、ガス流速、チャンバを通ってガスが移動する距離および／またはガスの経路（すなわち、直線状の経路であるか、または旋回する、サイクロン式、らせん、もしくは他の非直線状の経路であるか）を含むが、これらに限定されない様々な要因に依存する。したがって、該チャンバは、その中で所望のガスの流体力学を得るように成形され、サイズが決定されなければならない。例えば、ガスの通り道が非直線状であるように、エアジェットを用いてチャンバを通るガスの旋回流を促進することができる。特定のチャンバ設計が、所望のガス改質に必要である条件（例えば、プロセス投入物の適切な相互作用）を促進することを確実にするために、全体的なガス改質システムの流れのモデルを用いることができる。
ガス改質システムの１つもしくは複数のチャンバは、当業者には容易に理解されるように、様々な形状で設計することができ、様々な場所に配置することができる。該チャンバは、実質的に垂直に、実質的に水平にまたは傾斜して、配向され得る。
本発明の一実施形態では、当該チャンバは、第１の（上流）端部および第２の（下流の）端部を含み、実質的に垂直位置に、または実質的に水平位置に配向される、直線的な管状またはベンチュリ型の構造である。本発明の一実施形態では、当該チャンバは約２：約６の範囲の長さ対直径比を有する直線的な円筒であり、達成可能なガス速度に対して関連する影響を与える。一実施形態では、当該チャンバの長さ対直径の比は３：１である。
図６０Ａに示される一実施形態では、チャンバ３２０２はガス化装置に直接連結されるように構成され、直線的な、実質的に垂直な、耐火物で内張りされた、蓋付きの、円筒状の構造であり、開放底（上流）の端部３２０４と、該チャンバの上（下流）端部の近位または該端部に１つの改質ガス出口３２０６を有する。該チャンバの上（下流）端部は、維持または修復を容易にするために、該チャンバに取り外しできるように封止され得る、耐火物で内張りされた蓋３２０３で覆われていてもよい。
該チャンバの壁は、耐火物材質で内張りされているか、あるいは高温に耐えるように製造され得る。該チャンバは、蒸気の冷却および／もしくは生成、または使用可能なトーチの熱の回収のために、水ジャケットで覆われていてもよい。該チャンバは、熱回収のための冷却機構とともに、複数の壁を有することが可能であり、該ガス改質システムは、高圧／高温の蒸気生成のための熱交換器、または他の熱回収機能を含み得る。
高温の非加圧チャンバでの使用に好適である従来の耐火物材料は当業者に既知であり、高温焼成セラミックス、すなわち酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、アルミニウムシリケート、窒化ホウ素、リン酸ジルコニウム、ガラスセラッミク、主にシリカ、アルミナ、クロミアおよびチタニアを含む高アルミナれんが、セラミックブランケット、および耐火断熱れんがを含むが、これらに限定されない。Ｄｉｄｉｅｒ  Ｄｉｄｏｆｌｏ  ８９ＣＲおよびＲａｄｅｘ  Ｃｏｍｐａｃｆｌｏ  Ｖ２５３等の材料が、より強靭な耐火物材料が必要とされる場合に用いることができる。
一実施形態では、耐火物の設計は、高温、浸食、およびチャンバ内に存在する腐食に耐えるように、内側に高密度層を伴う複数の層を有し、ガスの特性の変動を軽減するためのヒートシンクを提供する。高密度材料の外側は、浸食耐性は低めだが高めの断熱係数を有する低密度材料である。任意選択的に、この層の外側は、チャンバ内に存在する可能性のある腐食性環境に曝露されないがゆえに使用することができる、非常に高い断熱係数を持つ外側の超低密度発砲板材料である。多層設計は、固形耐火物と容器シェルとの間で異なる膨張を可能にするための柔軟層を提供するように、発砲板とセラミックブランケットの材料である容器シェルとの間にさらに外側の層を任意選択的に含む。多層耐火物内の使用のために適切な材料は、当該技術分野において周知である。
一実施形態では、当該多層耐火物は、耐火物の膨張を可能にするために非圧縮性耐火物のセクションを分離する圧縮性耐火物のセグメントをさらに含み得る。圧縮性の層は、任意選択的に、重複する拡張可能な高密度耐火物によって浸食から保護することができる。一実施形態では、当該多層耐火物は内側に配向されたクロミア層、中央のアルミナ層、および外側のＩＮＳＵＬＢｏａｒｄ層を含み得る。
本発明のいくつかの実施形態では、当該チャンバは、処理中に形成される反応中間体の化学反応に影響されない一方で、処理熱を最大に保持することを確実にするために、チャンバ全体にわたる特別に選択された耐火物の内張りの、約１７インチまで、またはそれ以上の層を含む。
チャンバ底部の耐火物の内張りは、動作中のプラズマトーチの熱源からのより高い温度に耐えなければならないため、より磨耗および劣化する傾向にあり得る。したがって、一実施形態では、下部の該耐火物は、チャンバの壁および上部の耐火物よりも耐久性の高い「稼動面」用の耐火物を含むように設計される。例えば、壁および上部の耐火物は、ＤＩＤＩＥＲ  ＲＫ３０れんがで作製することができ、下部用の異なる「稼動面」用の耐火物は、ＲＡＤＥＸ  ＣＯＭＰＡＣ−ＦＬＯ  Ｖ２５３で作製することができる。
当該チャンバが耐火物で内張りされた実施形態では、チャンバの壁には、耐火物の内張りまたは耐火物アンカーのための支持部が任意選択的に組み込まれる。
当該チャンバは、固体粒状物質のためのコレクタを有し得る。当該チャンバがガス化装置とともに操作される実施形態では、収集されるあらゆる物質が、さらなる処理のためにガス化装置に供給されてもよく、またはさらなる処理のために固形残渣調整チャンバに供給されてもよい。当該技術分野において既知である固体粒状物質のためのコレクタは、遠心分離機、内部衝突バッフル、およびフィルタを含むが、これらに限定されない。ガス改質システムがガス化装置に直接連結される実施形態では、形成される粒子が、一部、ガス化装置に直接戻ることができるため、追加の固体粒状コレクタは必要でない可能性がある。
チャンバのポート、注入口、および排出口
当該チャンバは、改質のために初期ガスをチャンバ内に供給する１つもしくは複数の初期ガス注入口と、改質ガスをさらに下流に通過させるための１つもしくは複数の改質ガス排出口とを含む。該注入口は、開口部を含むことができるか、または代替として、初期ガスのチャンバ内への流れを制御するためのデバイスおよび／または初期ガスをチャンバ内に注入するためのデバイスを含むことができる。当該デバイスは、改質の促進のために初期ガスを適切に注入するためのガスマニピュレータを含むことができ、および／または、初期ガスの様々な特徴を測定するための検知要素を含むことができる。
該初期ガス注入口は、並流、逆流、放射状、接線方向、または他の供給流の方向を促進するために、組み入れることができる。一実施形態では、単一の初期ガス注入口は、徐々に円錐形をしている。
該初期ガス注入口は、チャンバの第１または上流端部に、またはその近くに位置し得る。一実施形態では、該注入口は、ガス源（例えば、ガス化装置）と直接的に気体連通する、チャンバの開放された第１の端部を含む。一実施形態では、該注入口は、チャンバの閉じられた第１の（上流）端部に位置する、開口部を含む。一実施形態では、該注入口は、第１の（上流）端部の近位のチャンバの壁に、１つもしくは複数の開口部を含む。
ガス化装置とガス改質システムとが直接連結される実施形態では、ガス改質システムを連結するためのガス化装置側にある取付場所は、チャンバに進入する前にガス流を最適化するように、および／または初期ガスの混合を最大化するように、戦略的に位置し得る。一実施形態では、当該チャンバはガス化装置の中心に位置する。
当該チャンバが１つもしくは複数のガス化装置に接続される実施形態では、チャンバの１つもしくは複数の初期ガス注入口は、共通の開口部を介して１つもしくは複数のガス化装置と直接連通し得るか、または図５に示すように配管３００９を介して、もしくは適切な導管を介して、ガス化装置と接続され得る。
改質反応で生成される改質ガスは、第２または下流端部に位置する、またはその近くの１つもしくは複数の改質ガス排出口を介してチャンバから流出する。該排出口は、開口部を含むことができるか、または代替として、チャンバを出る改質ガスの流れを制御するためのデバイスを含むことができる。該デバイスは、改質ガスの様々な特徴を測定するための検知要素を含むことができる。
一実施形態では、該排出口は、チャンバの開放された第２の（下流）端部を含む。一実施形態では、該排出口は、チャンバの閉じられた第２の（下流）端部に位置する１つもしくは複数の開口部を含む。一実施形態では、該排出口は、第２の（下流）端の近くのチャンバの壁にある、１つもしくは複数の開口部を含む。
当該チャンバは、任意選択的に、１つもしくは複数のプロセス添加剤ポート、ガス賦活源のための１つもしくは複数のポート、任意選択的に１つもしくは複数のアクセスポート、観察ポートおよび／または計装ポートを含む、様々なポートを含む。ガス賦活源は、プラズマ系の源（例えばプラズマトーチ）、水素バーナ、および任意選択的な二次的源を含むが、これらに限定されない。ポート、注入口、および排出口は、チャンバ内での反応物流の相互作用を促進するように、様々な角度でおよび／または位置に組み込まれることができる。
制御システム
制御システムは、本明細書に開示される様々なシステムおよび／もしくはサブシステムにおいて実施されるおよび／もしくはそれらによって実施される、１つもしくは複数のプロセスを制御するため、ならびに／またはそのようなプロセスに影響を与えるために本明細書に企図される１つもしくは複数のプロセスデバイスの制御を提供するために、提供され得る。一般的に、当該制御システムは、所与のシステム、サブシステム、またはその構成要素と関連する、および／または、その中でまたはそれと連携して本発明の様々な実施形態が操作され得るガス化システム等のより大きなシステム内で実施される１つもしくは複数の大域的プロセスに関連する、様々な局所的および／または領域的プロセスを動作可能に制御することが可能であり、それによって、これらのプロセスに影響を与えて定義された結果になるように適合された、その様々な制御パラメータを調節する。したがって、様々な検知要素および応答要素をコントロールシステム（複数を含む）の至るところに、またはその１つもしくは複数の構成要素と関連させて分布することができ、様々なプロセス、反応物、および／または生成物の特徴を取得し、これらの特徴を、所望の結果を達成するのに役立つ好適な範囲のそのような特徴と比較して、１つもしくは複数の制御可能なプロセスデバイスを介して進行中のプロセスのうちの１つもしくは複数において変更を実施することにより応答するために使用することができる。
当該制御システムは、一般的に、例えば、システム（複数を含む）に関連する１つもしくは複数の特徴、そこで実施されるプロセス（複数を含む）、それに提供される投入物（複数を含む）、および／またはそれによって生成される産出物（複数を含む）を検知するための、１つもしくは複数の検知要素を含む。１つもしくは複数の計算プラットフォームは、検知された特徴（複数を含む）を代表する特徴値にアクセスするために、これらの検知要素と通信可能に連結されており、特徴値（複数を含む）を、これらの特徴を選択された動作および／または下流の結果に好適であると特徴付けるように定義された所定の範囲のそのような値と比較して、この所定の範囲で特徴値を維持するのに役立つ１つもしくは複数のプロセス制御パラメータを計算するように、構成される。複数の応答要素は、システム、プロセス、投入物および／または産出物に影響を与えるように作動する１つもしくは複数のプロセスデバイスに、動作可能なように連結され得、それによって検知された特徴を調節し、また、計算されたプロセス制御パラメータ（複数を含む）にアクセスし、それに従ってプロセスデバイス（複数を含む）を操作するために、計算プラットフォーム（複数を含む）に通信可能に連結され得る
一実施形態では、当該制御システムは、フィードバック、フィードフォワード、および／または炭素質原料のガスへの変換に関連する様々なシステム、プロセス、投入物および／もしくは産出物の予測制御を提供し、それに関連して実施される１つもしくは複数のプロセスの効率を高める。例えば、様々なプロセスの特徴を評価して、これらのプロセスに影響を与えるように制御可能に調節することができ、それらには、熱量および／または原料の組成、生成ガスの特徴（例えば、熱量、温度、圧力、流れ、組成、炭素含有量等）、そのような特徴に容認される変動の程度、および投入物の費用対産出物の値を含み得るが、これらに限定されない。熱源出力、添加剤供給量（例えば、酸素、酸化剤、蒸気等）、原料供給量（例えば、１つもしくは複数の別個のおよび／または混合された供給物）、ガスおよび／またはシステムの圧力／流量調節器（例えば、送風機、リリーフおよび／または制御バルブ、フレア等）等を含み得るが、これらに限定されない、様々な制御パラメータに対する継続的および／またはリアルタイムでの調節は、１つもしくは複数のプロセスに関連する特徴が設計および／または下流の規格に従って評価および最適化される様式で実行することができる。
純粋なフィードフォワード制御を用いるシステムでは、所望の状態のシステムを維持するために、フィードバック制御を用いるシステムとは対照的に、測定された外乱という形でのシステム環境の変化は予め定義された応答をもたらす。したがって、フィードフォワード制御は、フィードバック制御の安定性の課題を有さない可能性がある。
以下の必要条件が満たされる場合、フィードフォワード制御は非常に効果的であり得る。外乱は測定可能でなければならず、システムの出力に対する外乱の影響が分からなければならず、外乱が出力に影響を与えるのに掛かる時間は、フィードフォワード制御が出力に影響を与える時間よりも長くなければならない。
フィードフォワード制御は、既知および測定可能な外乱にはより迅速に応答することができるが、新規の外乱には大して役に立たない。反対に、フィードバック制御は、所望のシステム挙動からのいかなる逸脱にも対応するが、逸脱に気付くために外乱に反応するには、測定されたシステムの変数（出力）を必要とする。
フィードフォワードおよびフィードバック制御は互いに排他的ではなく、フィードフォワード制御によって迅速な応答が提供され、一方では、フィードバックシステムは、フィードフォワードシステムによって作製された所定の調節におけるいかなる誤差にも対処するよう、それらを組み合わせることができる。
本発明の一実施形態では、モデル予測制御技術を使用することができる。
是正、またはフィードバック制御において、適切な検知要素を介して監視される制御パラメータの値または制御変数は、規定の値または範囲と比較される。制御信号は、２つの値間の偏差に基づいて決定され、その偏差を減少させるために制御要素に提供される。従来のフィードバックまたは応答制御システムは、適応および／または予測可能な構成要素を含むようにさらに構成されてもよく、所与の条件に対する応答は、検知された特徴に反応する応答を提供するために、モデル化されたおよび／または以前に監視された反応に従って調整することが可能である一方、補償作用における潜在的なオーバーシュートを制限することが理解される。例えば、所与のシステム構成のために提供される取得および／または履歴データは、所望の結果を提供するために以前の応答が監視および調節されてきた最適な値からの所与の範囲内になるべく検知されるシステムおよび／またはプロセスの特徴に対する応答を調節するように、協調的に使用することができる。このような適応可能および／または予測可能な制御スキームは、当該技術分野において周知であり、それ自体は、本開示の一般的な範囲および主旨から逸脱するとは見なされない。
代替として、またそれに加えて、当該制御システムは、適切な動作を保証するため、また任意選択的に、規制基準が適用される場合は、実施されるプロセス（複数を含む）がそれによって該規制基準の範囲内であることを確実にするために、所与のシステムの様々な構成要素の動作を監視するように構成することができる。
一実施形態によると、当該制御システムは、所与のシステムの全体的なエネルギー的影響の監視および制御においてさらに使用することができる。例えば、所与のシステムは、例えば、それによって実施されるプロセスのうちの１つもしくは複数を最適化することによって、またはこれらのプロセスによって生成されるエネルギーの回収（例えば廃熱）を増加させることによって、そのエネルギー的影響が減少される、または再度最小限に抑えられるように、操作することができる。代替として、またそれに加えて、当該制御システムは、制御されたプロセスを介して生成される生成ガスの組成および／または他の特徴（例えば、温度、圧力、流れ等）を、そのような特徴が下流の使用に好適であるだけでなく、効率的および／または最適な使用のために実質的に最適化されるように調節するために、構成することができる。例えば、電気の生成のための所与の種類のガスエンジンを駆動するために生成ガスが使用される実施形態では、これらの特徴がそのようなエンジンのための最適な投入物の特徴に最も適するように、生成ガスの特徴を調節することができる。
一実施形態では、様々な構成要素における反応物および／または生成物の滞留時間に関する、あるいは全体的なプロセスの様々なプロセスに関する制限または性能ガイドラインが満たされるおよび／または最適化されるように、所与のプロセスを調節するために、当該制御システムを構成することができる。例えば、上流プロセスの速度は、１つもしくは複数の後続する下流プロセスと実質的に一致するように制御することができる。
さらに、様々な実施形態において、当該制御システムは、連続的および／またはリアルタイムの形式で、所与のプロセスの様々な態様の逐次的および／または同時制御に適合され得る。
一般に、当該制御システムは、手元のアプリケーションに好適である任意の種類の制御システムアーキテクチャを含むことができる。例えば、当該制御システムは、実質的に集中型の制御システム、分散型の制御システム、またはその組み合わせを含むことができる。集中型制御システムは、通常、様々な局所的および／または遠隔の検知デバイスと通信するように構成される集中コントローラと、制御されたプロセスに関連する様々な特徴を別個に検知して、制御されたプロセスに直接的または間接的に影響を与えるように構成される１つもしくは複数の制御可能なプロセスデバイスを介してそれに応答するように構成される応答要素と、を含む。集中型アーキテクチャを用いて、集中型のプロセッサ（複数を含む）を介してほとんどの計算が中央で実施されるため、プロセスの制御を実施するために必要なハードウェアおよび／またはソフトウェアのほとんどが、同じ場所に位置する。
分散型制御システムは、通常、局所的および／または領域的特徴を監視するために、それぞれが別個の検知および応答要素と通信することができ、局所的なプロセスまたはサブプロセスに影響を与えるように構成される局所的および／または領域的プロセスデバイスを介してそれに応答する、２つ以上の分散型コントローラを含む。通信は、分散型コントローラの間で様々なネットワーク構成を介して行うことができ、第１のコントローラを介して検知される特徴は、そこでの応答のために第２のコントローラと通信することが可能であり、そのような遠位応答は、第１の位置で検知された特徴に影響を与える可能性がある。例えば、下流生成ガスの特徴は、下流監視デバイスによって検知することが可能であり、上流のコントローラによって制御されるコンバータに関連する制御パラメータを調節することによって、調節され得る。分散型アーキテクチャにおいて、制御ハードウェアおよび／またはソフトウェアもコントローラの間に分散され、同じではあるがモジュール構成された制御スキームが各コントローラに実装され得るか、または様々な協調的なモジュール式制御スキームがそれぞれのコントローラに実装され得る。
代替として、当該制御システムは、別個ではあるが通信可能に連結された局所的、領域的、および／または大域的な制御サブシステムに細分することができる。そのようなアーキテクチャは、所与のプロセス、または一連の相互に関連するプロセスが起こることを可能にし、他の局所的なサブシステムとの最低限の相互作用で、局所的に制御され得るようにする。そうすることで、大域的なマスター制御システムは、それぞれ別個の局所的な制御サブシステムと通信して、大域的な結果のための局所的なプロセスに必要な調節を支持する。
本発明の制御システムは、上記のどのアーキテクチャも用いることができ、または、本開示の一般的な範囲および主旨の範囲であると見なされる、当該技術分野において一般的に知られる他のどのアーキテクチャを用いてもよい。例えば、本発明の文脈において制御および実施されるプロセスは、適用可能である場合は、関連する上流または下流プロセスのために用いられる任意の集中および／または遠隔制御システムとの、任意選択的な外部通信を有する、専用の局所的な環境において制御することができる。代替として、当該制御システムは、領域的および／または大域的なプロセスを協調的に制御するように設計された、領域的および／または大域的な制御システムの副構成要素を含むことができる。例えば、モジュール式制御システムは、制御モジュールがシステムの様々な副構成要素をインタラクティブに制御する一方で、領域的および／または大域的な制御のために必要に応じて、モジュール間の相互通信を提供するように設計することができる。
当該制御システムは、一般的に、集中型のネットワーク化されたおよび／または分散型の１つもしくは複数のプロセッサ、様々な検知要素から検知された最新の特徴を受け取るための１つもしくは複数の入力、および新しいまたは更新された制御パラメータを様々な応答要素に伝えるための１つもしくは複数の出力を含む。当該制御システムの１つもしくは複数の計算プラットフォームは、様々な所定のおよび／または再調節された制御パラメータ、設定されたまたは好ましいシステムおよびプロセスの特徴的な動作範囲、システム監視および制御ソフトウェア、動作データ等をコンピュータ可読媒体の中に保存するための、１つもしくは複数の局所的および／または遠隔のコンピュータ可読媒体（例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、取り外し可能な媒体、局所的および／またはネットワークアクセス媒体等）を含むこともできる。任意選択的に、計算プラットフォームは、直接的にまたは様々なデータ保存デバイスを介して、シミュレーションデータおよび／またはシステムパラメータの最適化およびモデル化手段を処理するためのアクセスを有することもできる。また、計算プラットフォームは、制御システムに管理アクセス（システムアップグレード、維持、改変、新しいシステムモジュールおよび／または設備等への適応）を提供するための１つもしくは複数の任意選択的なグラフィカルユーザーインターフェースおよび入力周辺機器、および外部の源（例えば、モデム、ネットワーク接続、プリンタ等）と、データおよび情報を通信するための様々な任意選択的な出力周辺機器を備えることもできる。
該処理システム、および副処理システムのうちの任意の１つは、ハードウェアまたはハードウェアとソフトウェアの任意の組み合わせを排他的に含むことができる。副処理システムのどれも、例えば、Ｐ−コントローラ、Ｉ−コントローラ、Ｐｉ−コントローラ、ＰＤコントローラ、ＰＩＤコントローラ等の、１つもしくは複数の比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、または微分（Ｄ）コントローラの任意の組み合わせを含んでもよい。当業者には、Ｐ、Ｉ、およびＤコントローラの理想的な組み合わせは、ガス化システムの反応プロセスの一部の力学および遅延時間、その組み合わせが制御することを意図する動作条件の範囲、そして組み合わせたコントローラの力学および遅延時間に依存することを理解するであろう。当業者は、観察された値と規定値との差を減少するために、これらの組み合わせが、検知要素を介して特徴の値を継続的に監視し、十分な調節を行うためにそれぞれの制御要素に影響を与えるように、応答要素を介してそれを規定値と比較することができる、アナログの配線接続の形態で実装され得ることは明白であろう。当業者には、混在するデジタルハードウェアソフトウェア環境において、上記組み合わせが実装され得ることは、さらに明白であろう。追加的な任意のサンプリング、データ取得、およびデジタル処理の関連効果は、当業者には周知である。Ｐ、Ｉ、Ｄの組み合わせ制御は、フィードフォワードおよびフィードバック制御スキームにおいて実装することが可能である。
制御要素
上記で定義および説明されるように、本文脈内において企図される検知要素は、ガスの化学組成、生成ガスの流速および温度を監視する要素、温度を監視する要素、圧力を監視する要素、ガスの不透明度およびガス賦活源に関連する様々なパラメータ（例えば、出力および位置）を監視する要素を含むことができるが、これらに限定されない。
改質ガス中で得られるＨ２：ＣＯ比は、動作状況（熱分解、または十分なＯ２／空気を有する）、処理温度、水分含量、および初期ガスのＨ２：Ｃ０比に限定されない様々な要素に依存する。ガス化技術は、通常、最高で約６：１から最低で約１：１まで変化するＨ２：ＣＯ比の生成ガスを生じ、下流用途が最適なＨ２：ＣＯ比を左右する。一実施形態では、得られるＨ２：ＣＯの比は、約１．１〜約１．２まで異なる。一実施形態では、得られるＨ２：ＣＯの比は１．１：１である。
１つもしくは複数の上記要因を考慮に入れて、本発明の制御システムは、適用されるガス賦活領域（例えば、プラズマトーチの熱）とプロセス添加剤（例えば、空気、酸素、炭素、蒸気）とのバランスを調節することによって、改質ガスの組成が特定の下流用途のための最適化を可能にして、改質ガスの組成を可能なＨ２：ＣＯ比の範囲で調整する。
いくつかの動作パラメータは、ガス改質システムが最適な設定点の範囲で動作しているかどうかを判断するために、定期的または継続的に監視される。監視されるパラメータは、化学組成、改質ガスの流速および温度、システム内の様々なポイントでの温度、システムの圧力、およびガス賦活源（例えば、プラズマトーチの出力および位置）に関連する様々なパラメータを含むことができるが、これらに限定されず、データはシステムパラメータに調節が必要かどうかを判断するために用いられる。
改質ガスの組成および不透明度
生成ガスは、当業者に周知である方法を用いてサンプルとして抽出して分析することができる。生成ガスの化学組成を判定するために使用することができる方法の１つは、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）の分析である。これらの分析のための抽出ポイントは、該システムの至るところに位置し得る。一実施形態では、ガスの組成は、ガスの赤外線スペクトルを測定するフーリエ変換赤外（Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＦＴＩＲ）分析器を用いて測定される。
本発明の一環は、改質ガス流に存在する酸素が多過ぎるまたは少な過ぎるかどうかを判断して、それに応じてプロセスを調節することである。一実施形態では、一酸化炭素流中の分析器またはセンサは、二酸化炭素または他の好適な基準となる酸素富化材料の存在および濃度を検出する。一実施形態では、酸素は直接測定される。
本発明の一実施形態では、熱重量分析器（ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ  ａｎａｌｙｚｅｒ：ＴＧＡ）を使用することができる。
一実施形態では、該センサは、一酸化炭素、水素、炭化水素、および二酸化炭素について、改質ガスの組成を分析する。分析されたデータに基づいて、コントローラは、チャンバ内に注入される酸素および／または蒸気の量を制御するために、酸素および／または蒸気注入口に信号を送り、かつ／またはガス賦活源（複数を含む）へ信号を送る。
一実施形態では、不透明度のリアルタイムのフィードバックを提供するために、１つもしくは複数の任意選択的な不透明度モニタが当該システム内に搭載され、それによって、最大許容濃度を下回るように粒状物質のレベルを維持するために、プロセス添加剤（主に蒸気）の投入量の自動化のための任意選択的な機構が提供される。
システム内の様々な位置での温度
一実施形態では、改質ガスの温度および当該システムの至るところに位置する場所での温度を監視するための手段が提供され、そのようなデータは継続的に取得される。チャンバ内の温度を監視するための手段は、例えば、チャンバの外壁、または上部の耐火物の内側、チャンバの中部および下部に位置することができる。また、改質ガスガスの出口温度を監視するためのセンサが提供される。
ある実施形態では、温度を監視するための手段は、要求どおり当該システム内の数箇所に搭載されたサーモカップルを用いる。
システムの圧力
一実施形態では、チャンバ内の圧力を監視するための手段が提供され、そのようなデータは、継続的にリアルタイムベースで取得される。さらなる実施形態では、これらの圧力監視手段は、反応容器上のどこに（例えば、反応容器の垂直壁）位置してもよい、圧力トランスデューサまたは圧力タップ等の圧力センサを含む。
ガス流量
ある実施形態では、当該システムの至るところに位置する場所で改質ガスの流速を監視するための手段が提供され、そのようなデータは連続的に取得される。
ガス流における変動は、不均一な条件（例えば、トーチの故障、電極の変化による不調、または他の支持設備の故障）の結果である可能性がある。応急処置として、ガス流の変動は、送風機のスピード、材料の供給流、二次原料、空気、蒸気、およびトーチの出力のフィードバック制御によって是正することができる。ガス流の変動が持続する場合は、問題が解決するまでシステムをシャットダウンしてもよい。
プロセス添加剤の添加
ある実施形態では、当該制御システムは、初期ガスの改質ガスへの化学的改質を管理するために、任意のプロセス添加剤を含む、反応物を調節するための応答要素を含む。例えば、プロセス添加剤は、特定の化学組成の初期ガスが異なる所望の化学組成の改質ガスへ効率的に改質することを促進するように、チャンバに供給することができる。
一実施形態では、センサが改質ガス中に余分な二酸化炭素を検出した場合、蒸気および／または酸素の注入が減少する。
上記で定義および説明したように、本文脈において企図される応答要素は、所与のプロセスに関連する所与の制御パラメータの調節によって、所与のプロセスに影響を与えるように構成されるプロセス関連デバイスに、動作可能に連結された様々な制御要素を含むことができるが、これらに限定されない。例えば、本文脈における１つもしくは複数の応答要素を介した動作可能なプロセスデバイスは、酸素源（複数を含む）投入物およびガス賦活源（複数を含む）を調整する要素を含むことができるが、これらに限定されない。
ガス賦活領域の調節（例：トーチへの電力供給）
ガス賦活領域は変更することができる。一実施形態では、プラズマトーチの熱は、反応を促進させるために制御される。チャンバ内への空気の添加も、改質ガスを燃焼してトーチの熱エネルギーを放出することにより、トーチの熱負荷の一部を負担する。プロセス空気の流速は、トーチの出力を好適な動作範囲に保つように調節される。
一実施形態では、プラズマトーチの出力は、改質ガスの出口温度を設計上の設定点で安定化させるように調節される。一実施形態では、設計上の設定点は、ガス中のタールおよび煤の完全分解を促進するように、１０００℃を上回る。
システム内での圧力調整
一実施形態では、当該制御システムは、チャンバの内圧を制御するための応答要素を含む。一実施形態では、内圧は、陰圧で、すなわち大気圧をやや下回る圧力で維持される。例えば、チャンバの圧力は、約１〜３ｍｂａｒの真空下で維持することが可能である。一実施形態では、当該システムの圧力は、陽圧で維持される。
内圧を制御するためのそのような手段の例示的な実施形態は、ガス改質システムと気体連通する誘導送風機によって提供される。このように、用いられる誘導送風機は、当該システムを陽圧で維持する。陽圧が維持されるシステムでは、陰圧の場合よりも低いＲＰＭで動作するように指令を受けるか、またはコンプレッサが用いられてもよい。
当該システムの至るところに位置する圧力センサによって取得されるデータに応じて、システム内の圧力が増加しているか（ファンが加速しているか）または減少しているか（ファンが減速しているか）によって、誘導送風機のスピードが調節される。
さらに、本発明のプロセスによると、ガスが環境に放出されるのを防ぐために、大気圧よりもやや陰圧で当該システムを維持することができる。
圧力は、改質ガス送風機のスピードを調節することにより安定化することができる。任意選択的に、送風機の最小動作周波数を下回るスピードで、二次制御が優先されて、代わりに再循環バルブを調節する。再循環バルブがいったん完全に閉じた状態に戻ると、一次制御が再び関与する。
実施例１
本例は、既存のガス改質チャンバの設計に組み込まれるように設計されたガスマニピュレータの例を示す。図６０Aは、水平に配向され、耐火物で内張りされたガス化装置に直接結合されるように設計された、ガス改質システム（ＧＲＳ）３２００を示す。
ガスは、ガス化装置のガス排出口を通って、ガス化装置のガス排出口をＧＲＳの単一円筒型投入ガス注入口に直接接続する取付フランジ３２１４を介してガス化装置に密閉可能に連結されたＧＲＳ３２００の中に流出する。旋回ポート３２１２を介して空気が投入ガス流に注入され、投入ガス流内に旋回運動つまり乱流を形成し、それによって投入ガスを混合して、ＧＲＳ内に再循環する渦を形成する。ＧＲＳ内でのガスの滞留時間は約１．２秒である。
図６０Ａを参照すると、ＧＲＳは、長さ対直径比が約３：１であり、取付フランジ３２１４を介してガス化装置が接続された単一円筒型投入ガス注入口を有する、実質的に垂直に取り付けられた、耐火物で内張りされた円筒状のチャンバを有する。該チャンバは耐火物で内張りされた蓋３２０３で覆われており、それによって密閉されたガス改質チャンバ３２０２を形成する。
ガス改質チャンバは、ヒーター３２１６のための１つもしくは複数のポート、１つもしくは複数の酸素源３２１０のための１つもしくは複数のポート、ならびに任意選択的に１つもしくは複数のアクセスもしくは観察ポート３３２６および／または計装ポート３２２６を含む、様々なポートを有する。また、該ガス改質チャンバは、持上げポイント３２３０を備えている。
該チャンバの壁に使用される耐火物は、チャンバ内に存在する高温、浸食、および腐食に耐性を持つ内側の高密度層、耐性は低めだが高めの断熱係数を持つ中間の低密度材層、および非常に高い断熱係数を持つ外側の超低密度発砲板層を有する、多層設計である。発砲板と容器鋼シェルとの間にある外側の層は、固形耐火物と容器シェルとの間の異なる膨張を可能にするための柔軟層を提供する、セラミックブランケットの材料である。耐火物の上下方向への膨張は、非圧縮性耐火物の部分を分離する圧縮性耐火物の層によって提供される。該圧縮性の層は、重複しているが拡張可能である高密度耐火物によって、浸食から保護される。
図６０Ｂを参照すると、ガス改質チャンバは一連の周方向拡張棚３２２０を含む耐火物支持システムをさらに有する。各棚は分割されており、膨張を可能にするための隙間を含む。各棚セグメント３２２２は、一連の支持ブラケット３２２４によって支持されている。
このＧＲＳの実施形態では、１つもしくは複数の酸素源のための１つもしくは複数の投入物は、空気および蒸気の投入物を含む。
ＧＲＳは、接線方向に配置された３段階エアノズル、接線方向に位置する２つのプラズマトーチ、６つの熱電対ポート、２つのバーナポート、２つの圧力トランスミッタポート、およびいくつかの予備ポートをさらに備える。
空気は、下のレベルの４つのジェット３２１２と、より良好な混合を達成するための交差噴流式混合効果を形成するように、３つのジェットが他の３つよりもやや高い、上のレベルの別の６つのジェット３２１１を含む、３段階エアノズルによってガス流に注入される。
ＧＲＳは、摺動機構上に接線方向に取り付けられた３００ｋＷ、水冷式、銅電極、ＮＴＡＴ  ＤＣプラズマトーチ２つをさらに含む。２つのプラズマトーチは、プラズマトーチの熱への最大曝露を提供するために、エアノズルより上に位置する。
プラズマ電源は、各プラズマトーチの３相ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。中間ステップとして、該ユニットは、最初に３相ＡＣ入力を単一の高周波相に変換する。これにより、チョッパー部における最終的なＤＣ電力のより良好な線形化が可能になる。該ユニットは、安定したＤＣ電流を維持するために、出力ＤＣ電圧が変動され得るようにする。
図３７を参照すると、各プラズマトーチ３２０８は、トーチ３２０８を動かしてガス改質チャンバから出し入れすることが可能な摺動機構上に取り付けられている。トーチ３２０８は、シーリンググランドによってガス改質チャンバ３２０２に封止されている。このグランドはゲートバルブに対して封止されており、ひいては、容器上に取り付けられ、またそこに密封されている。トーチ３２０８を取り外すには、摺動機構によって改質チャンバ３２０２からトーチ３２０８が引き出される。スライドの最初の動きが、安全目的のために高電圧トーチ電源を切る。トーチ３２０８が引き出されてバルブを通り過ぎると、ゲートバルブが自動的に閉じ、冷却剤の循環が停止される。ホースおよびケーブルがトーチ３２０８から切断され、グランドがゲートバルブから解放されて、トーチ３２０８が巻上げ機によって持ち上げられる。
トーチ３２０８の交換は、上記手順の逆を用いて行われ、トーチ３２０８の挿入深度を変化させるために摺動機構が調節されてもよい。動作が自動になるように、ゲートバルブは機械的に操作される。冷却システムが故障した場合には、トーチを自動的に回収するために、空気圧アクチュエータ３２３３が用いられる。たとえ停電の場合でも常に電力が入手可能であるように、アクチュエータを操作するための圧縮空気が専用の空気溜めから供給される。同じ空気溜めが、ゲートバルブ３２３４のための空気を提供する。高電圧トーチの接続部への接近を防ぐことによって、さらなる安全機能として電気的に連動したカバーが用いられる。
ＧＲＳ内の改質ガスの温度が約１０００℃で維持されるように、熱電対がガス改質チャンバ内の様々な位置に配置され、この温度を下回った場合は、プラズマトーチへの電力または空気注入が増加される。
この実施例では、ＧＲＳに流入する空気流は、ガス化装置および／またはＧＲＳの各段階で発生する温度およびプロセスを調節するために、動的に変化させてもよい。
ガス改質チャンバ内のガス状混合物中の分子は、プラズマアークゾーンでそれらの構成元素へと解離し、その後改質ガスに改良される。熱い改質ガスは、改質ガス排出口３２０６を通ってＧＲＳから流出する。
ガスマニピュレータは、プラズマトーチによって形成される反応種への曝露、およびそのような曝露によって生成される反応中間体の混合を強化することにより、ガス改質プロセスを強化するように、また大きな炭化水素分子の最高分解率を達成するように設計された。
図６９および７０を参照すると、ガスマニピュレータは、実質的には、ガス改質チャンバの中心、エアノズルおよび２つのプラズマトーチより上に位置している。したがって、ガス化装置から受け取る初期ガスは、エアノズルを介して導入される空気と高い注入速度で混合される。
ガスマニピュレータの形状を図６６〜６８に示す。ガス化装置からの初期ガスと注入された空気とを混合することによって得られる事前配合ガス、そしてプラズマトーチのイオン化ガスは、ガスマニピュレータの設計によって、その２つのチャネルを通過することを余儀なくされる。プラズマトーチは、実質的には該チャネルの入口に位置するため、事前配合ガスは、プラズマトーチによって形成されるガス賦活領域へ最大に曝露される。
ガスマニピュレータのチャネル内にあるガスの温度は約１１００℃である。これらのチャネルを通過するガスは、図６６に示す偏向器に当たるとその流れの方向を変更するので、連続的な混合をもたらす結果になる。また偏向器は、ガスマニピュレータのチャネル内の熱を維持するのに役立つため、ガス改質反応速度の強化を可能にする。
図６７を参照すると、ガスマニピュレータの入口の傾斜のついた表面が、ガス流からの粒状物質の分離を促進する。
ガスマニピュレータは、図６８に示すように、耐火物で内張りされた鋼構造から成る。鋼構造は空気によって冷却される。冷却用の空気は３つの支持パイプを介して導入される。冷却用の空気は内部にある空のチャンバを通過して、鋼構造を冷却する。加熱された冷却用の空気は、ガスマニピュレータのチャンバ下部にあるノズルを介して、基本プロセスへと戻る。
冷却用の空気の流速は、鋼の表面をできる限り熱く（煙突に近い）、しかし、それでいて鋼の強度がかなり良好な温度である５５０℃未満に維持するために、制御される。
このように本発明を説明してきたが、本発明は、多くの様式で変更されてもよいことは明白である。そのような変更は、本発明の主旨および範囲からの逸脱として見なされるものではなく、当業者には明白であろうそのようなすべての改変は、以下の特許請求の範囲の範疇に含まれることを意図するものである。
独占的な所有権または特権を主張する本発明の実施例を、以下に定義する。
【図１】
2010533742.tif 000006
【図２Ａ】
2010533742.tif 000007
【図２Ｂ】
2010533742.tif 000008
【図３】
2010533742.tif 000009
【図４】
2010533742.tif 000010
【図５】
2010533742.tif 000011
【図６】
2010533742.tif 000012
【図７】
2010533742.tif 000013
【図９】
2010533742.tif 000014
【図１０】
2010533742.tif 000015
【図１１】
2010533742.tif 000016
【図１２】
2010533742.tif 000017
【図１４】
2010533742.tif 000018
【図１５】
2010533742.tif 000019
【図１６】
2010533742.tif 000020
【図１７】
2010533742.tif 000021
【図１８】
2010533742.tif 000022
【図１９】
2010533742.tif 000023
【図２０Ａ】
2010533742.tif 000024
【図２０Ｂ】
2010533742.tif 000025
【図２１Ａ】
2010533742.tif 000026
【図２１Ｂ】
2010533742.tif 000027
【図２２】
2010533742.tif 000028
【図２４】
2010533742.tif 000029
【図２５】
2010533742.tif 000030
【図２６Ａ】
2010533742.tif 000031
【図２６Ｂ】
2010533742.tif 000032
【図２６Ｃ】
2010533742.tif 000033
【図２７Ａ】
2010533742.tif 000034
【図２７Ｂ】
2010533742.tif 000035
【図２８Ａ】
2010533742.tif 000036
【図２８Ｂ】
2010533742.tif 000037
【図２９Ａ−２９Ｇ】
2010533742.tif 000038
【図３０Ａ】
2010533742.tif 000039
【図３１Ａ−３１Ｃ】
2010533742.tif 000040
【図３２】
2010533742.tif 000041
【図３３】
2010533742.tif 000042
【図３４Ａ】
2010533742.tif 000043
【図３４Ｂ】
2010533742.tif 000044
【図３５Ａ−３５Ｄ】
2010533742.tif 000045
【図３６Ａ−３６Ｄ】
2010533742.tif 000046
【図３７】
2010533742.tif 000047
【図３８Ａ】
2010533742.tif 000048
【図３８Ｂ】
2010533742.tif 000049
【図３８Ｃ】
2010533742.tif 000050
【図４１Ａ】
2010533742.tif 000051
【図４１Ｂ】
2010533742.tif 000052
【図４２】
2010533742.tif 000053
【図４３Ｃ】
2010533742.tif 000054
【図４５】
2010533742.tif 000055
【図４６】
2010533742.tif 000056
【図４７】
2010533742.tif 000057
【図４８】
2010533742.tif 000058
【図５２】
2010533742.tif 000059
【図５３】
2010533742.tif 000060
【図５４】
2010533742.tif 000061
【図５５】
2010533742.tif 000062
【図５６】
2010533742.tif 000063
【図５７】
2010533742.tif 000064
【図５８】
2010533742.tif 000065
【図５９】
2010533742.tif 000066
【図６０Ｂ】
2010533742.tif 000067
【図６１】
2010533742.tif 000068
【図６２】
2010533742.tif 000069
【図６６】
2010533742.tif 000070
【図６７】
2010533742.tif 000071
【図６８】
2010533742.tif 000072
【図６９】
2010533742.tif 000073
【図７０】
2010533742.tif 000074
【図８】
2010533742.tif 000075
【図１３】
2010533742.tif 000076
【図２３】
2010533742.tif 000077
【図３０Ｂ】
2010533742.tif 000078
【図３９】
2010533742.tif 000079
【図４０】
2010533742.tif 000080
【図４３Ａ】
2010533742.tif 000081
【図４３Ｂ】
2010533742.tif 000082
【図４４】
2010533742.tif 000083
【図４９】
2010533742.tif 000084
【図５０】
2010533742.tif 000085
【図５１】
2010533742.tif 000086
【図６０Ａ】
2010533742.tif 000087
【図６３】
2010533742.tif 000088
【図６４】
2010533742.tif 000089
【図６５】
2010533742.tif 000090
【図７１】
2010533742.tif 000091
【図７２】
2010533742.tif 000092
【図７３】
2010533742.tif 000093
【図７４】
2010533742.tif 000094
【図７５】
2010533742.tif 000095
【図７６】
2010533742.tif 000096
【図７７】
2010533742.tif 000097
【図７８】
2010533742.tif 000098
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月23日(2009.10.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスおよび／または合成ガスを含む種々のＣＯ：Ｈ２比の初期ガスを、実質的に一貫した約１：６〜約１：１のＣＯ：Ｈ２比を有する安定化された改質ガスに改質するための１つの反応器によるプロセスであって、
ａ） 反応種を含む１つもしくは複数のガス賦活領域を生成するステップと、
ｂ） 前記初期ガスから成る気体分子が、前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の前記反応種に曝露するように、前記初期ガスの流れを方向付けることによって、前記気体分子から中間体の形成を開始し、前記中間体の少なくとも一部の成長を支持するステップと、
ｃ） 前記気体分子、前記反応種、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせのうちの１つもしくは複数の間のエネルギー移動を促進することによって、前記中間体の形成、前記中間体の成長、および／または前記中間体の停止を容易にして、改質ガスを提供するステップと、
ｄ） 前記改質ガスを化学的および／または物理的条件に曝露して、前記改質ガスを安定化させることにより、前記安定化された改質ガスを提供するステップと、
ｅ） 直接的もしくは間接的に、前記原料ガスおよび／もしくは合成ガス、前記初期ガス、前記安定化された改質ガス、またはこれらの組み合わせの１つもしくは複数の特徴および／またはパラメータを測定するステップと、
ｆ） 前記安定化された改質ガス内で前記実質的に一貫した約１：６〜約１：１のＣＯ：Ｈ２比が維持されるように、必要に応じて、ステップａ）、ｂ）、ｃ）もしくはｄ）のうちの１つもしくは複数のステップを調節する、および／または１つもしくは複数のプロセス添加剤を添加するステップと、を含む、プロセス。
【請求項２】
前記プロセスが、６０％以上の実質的に一貫したガス改質率によって定義される最低効率を達成し、前記ガス改質率が、以下の式によって説明される、請求項１に記載のプロセス。
安定化された改質ガスの量×１００＝改質ガスの割合（％）
初期反応ガスの量
【請求項３】
前記プロセスは、６０％以上の実質的に一貫したガス改質率によって定義される最低効率を達成し、前記ガス改質率が、以下の式によって説明される、請求項１に記載のプロセス。
安定化された改質ガスのエネルギー値×１００＝改質ガスの割合（％）
初期反応ガスのエネルギー値
【請求項４】
前記ガス改質率が６５％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項５】
前記ガス改質率が７０％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項６】
前記ガス改質率が７５％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項７】
前記ガス改質率が８０％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項８】
前記ガス改質率が８５％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項９】
前記ガス改質率が９０％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記ガス改質率が９５％以上である、請求項２に記載のプロセス。
【請求項１１】
１つもしくは複数のプロセス添加剤を前記初期ガスに添加して、事前配合ガスを提供するステップをさらに含み、前記プロセス添加剤はガスであり、前記ガス改質率が、以下の式によって説明される、請求項２に記載のプロセス。
安定化された改質ガスの量×１００＝改質ガスの割合（％）
事前配合ガスの量
【請求項１２】
１つもしくは複数のプロセス添加剤を添加する前記ステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記１つもしくは複数のプロセス添加剤が、前記初期ガスに添加され、酸素源、蒸気、二酸化炭素および炭化水素から選択される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
前記酸素源が、酸素、酸素富化空気、空気、酸化媒体、またはこれらの組み合わせである、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
改質している間の熱の放出を最大化するように、前記初期ガスに添加されるプロセス添加剤の前記量を調節するステップをさらに含む、請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記１つもしくは複数のガス賦活領域が、熱加熱、プラズマ、水素バーナ、電子ビーム銃、レーザー、イオン化照射、および再利用熱から選択される１つもしくは複数のガス賦活源を使用して、ステップａ）で生成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１７】
ステップａ）で複数のガス賦活領域の生成を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記複数のガス賦活領域が直列に配設される、請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記複数のガス賦活領域が並列に配設される、請求項１７に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記気体分子のその中の前記反応種への曝露を強化するように、前記１つもしくは複数のガス賦活領域の空間分布を操作するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項２１】
前記１つもしくは複数のガス賦活領域が、１つもしくは複数のプラズマ源を使用して、ステップａ）で生成され、前記ガス賦活領域の前記空間分布を操作するステップが、前記プラズマ源からプラズマプルームを再分配するステップを含む、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２２】
前記１つもしくは複数のガス賦活領域が、１つもしくは複数のガス賦活源を使用して、ステップａ）で生成され、前記ガス賦活領域の前記空間分布を操作するステップが、作動ガスの流速または前記１つもしくは複数のガス賦活源への投入エネルギーを制御するステップを含む、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２３】
前記１つもしくは複数のガス賦活領域が、１つもしくは複数のガス賦活源を使用して、ステップａ）で生成され、前記ガス賦活領域の前記空間分布を操作するステップが、前記ガス改質チャンバに対する前記１つもしくは複数のガス賦活源の位置および／または配向を変更するステップを含む、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２４】
前記ガスの前記空間分布が、複数のブレードに動作可能に関連し、前記ガス改質チャンバ内で回転するように構成される軸を使用して操作される、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２５】
前記１つもしくは複数のガス賦活領域の前記空間分布が、バッフル、偏向器、流動マニピュレータ、またはこれらの組み合わせを使用して操作される、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２６】
少なくとも１つのガス賦活源がプラズマである、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項２７】
前記プラズマが、他のガス賦活源とともに動作する１つもしくは複数のプラズマトーチによって提供される、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項２８】
前記プラズマが、２つのプラズマトーチによって提供される、請求項２６に記載のプロセス。
【請求項２９】
少なくとも１つのガス賦活領域が、水素バーナによって生成される、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項３０】
少なくとも１つのガス賦活領域が、水素バーナによって部分的に生成される、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項３１】
前記少なくとも１つのガス賦活領域が、主に前記水素バーナによって生成される、請求項３０に記載のプロセス。
【請求項３２】
前記水素バーナが、改質のためのガスの分量、またはチャンバの形状を考慮するように、構成される、および／またはサイズ決定される、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項３３】
前記水素バーナが、１つもしくは複数の他のガス賦活源とともに動作する、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項３４】
前記水素バーナが、酸素および空気の混合物を使用する、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項３５】
前記水素バーナが、酸素および水素の混合物を使用する、請求項２９に記載のプロセス。
【請求項３６】
少なくとも１つのガス賦活源が熱加熱である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項３７】
少なくとも１つのガス賦活源が電子ビーム銃である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項３８】
少なくとも１つのガス賦活源がレーザーである、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項３９】
少なくとも１つのガス賦活源がイオン化照射である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項４０】
少なくとも１つのガス賦活源が再利用熱である、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項４１】
ステップｂ）が改質チャンバで行われ、前記初期ガスが前記改質チャンバの少なくとも１つのガス賦活領域へ直接導入される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４２】
前記初期ガスの流れを方向付けるステップが、前記気体分子の前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の前記反応種への曝露を強化するように、前記初期ガスの流路を狭窄するステップを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４３】
前記初期ガスの流れを方向付けるステップが、複数のガス流を提供するように、前記初期ガスの流路を分割するステップを含み、各ガス流が、前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の反応種に曝露される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４４】
前記初期ガスの流れを方向付けるステップが、前記１つもしくは複数のガス賦活源の産出方向に対して逆行、並流、実質的に接線方向、放射状、または勾配のある初期ガス流路を生成するステップを含む、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項４５】
前記初期ガスの流れを方向付けるステップが、直線状、曲線状、分岐−集中型、またはラビリンス型である初期ガス流路を生成するステップを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項４６】
前記初期ガス流路が曲線状であり、前記１つもしくは複数のガス賦活領域が、反応性イオン化ガスの連続的な流れによって生成され、２つ以上のプラズマトーチによって提供される、請求項４５に記載のプロセス。
【請求項４７】
ステップｂ）が、ガス改質チャンバ内で行われ、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記ガス改質チャンバ内に角度を持って設置される、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項４８】
前記ガス賦活源が、前記ガス賦活領域を、ガスの流れに向かって、もしくはガスの流れに反して、または両方の組み合わせに方向付ける、請求項４７に記載のプロセス。
【請求項４９】
前記ガス改質チャンバが、二次トーチ熱源のための１つもしくは複数のポートをさらに含む、請求項４７に記載のプロセス。
【請求項５０】
前記ガス改質チャンバを予熱またはトーチ加熱するステップをさらに含む、請求項４７に記載のプロセス。
【請求項５１】
前記気体分子は、１つもしくは複数の曝露マニピュレータを使用して、ステップｂ）で前記ガス賦活領域に方向付けられる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５２】
ステップｂ）が、１つもしくは複数の注入口を含むガス改質チャンバ内で行われ、前記１つもしくは複数のガス賦活源と動作可能に関連する、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項５３】
ステップｂ）の前記気体分子の前記ガス賦活領域への方向付けが、前記ガス改質チャンバと前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって達成され、前記ガス改質チャンバが、狭窄したスロート部を含み、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記狭窄したスロート部を通過するガスが前記ガス賦活源と連動するように強制されるように、その中に位置する、請求項５２に記載のプロセス。
【請求項５４】
ステップｂ）の前記気体分子の前記ガス賦活領域への方向付けが、前記ガス改質チャンバの断面積未満の断面積を有する１つもしくは複数のチャネルが提供されるように前記改質チャンバ内に位置する１つもしくは複数の構造デバイスによって達成され、前記１つもしくは複数のチャネルおよび前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記チャネルを通過するガスが前記ガス賦活源と連動するように強制されるように、相対的に構成される、請求項５２に記載のプロセス。
【請求項５５】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数の内部狭窄部を画定し、ステップｂ）の前記気体分子の前記ガス賦活領域への方向付けが、前記１つもしくは複数の内部狭窄部と前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって達成され、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記ガスと前記ガス賦活源との連動を強化するように前記狭窄部内に設置される、請求項５２に記載のプロセス。
【請求項５６】
前記ガス改質チャンバが、前記チャンバを通過するガスを複数の流れに分離するための手段を含み、ステップｂ）の前記気体分子の前記ガス賦活領域への方向付けが、ガスを分離するための前記手段と前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって達成され、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、複数のガス賦活領域が並列して生成されるように設置される、請求項５２に記載のプロセス。
【請求項５７】
複数のガス賦活領域がステップａ）で生成され、ステップｂ）の前記気体分子の前記ガス賦活領域への方向付けが、複数の前記ガス賦活源の相対的構成によって達成され、前記複数のガス賦活源が順序正しく配設される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５８】
ステップｂ）がガス改質チャンバ内で行われ、前記初期ガスの流れの方向付けが、能動的または受動的手段によって、前記チャンバ内の前記初期ガスの前記空間分布を直接または間接的に操作することによって達成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項５９】
前記改質ガスから粒状物質を除去するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６０】
ステップｂ）が、曲線状のチャネルを有するガス改質チャンバ内で行われ、前記ガス改質チャンバの下流端が、生じる旋回流が前記ガス流からの前記粒状物質の分離を促進するように、前記チャンバの主要部分から前記ガスを接線方向に導入するように構成され、前記初期ガスの流れの方向付けは、前記チャンバの前記下流端の構成によって達成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６１】
ステップｂ）が、ガス改質チャンバ内で行われ、前記チャンバが、垂直に配向されたコネクタを介してガスの源に動作可能に連結される、直線状で実質的に水平な円筒状の構造であり、前記初期ガスの流れの方向付けが、前記チャンバおよび／またはコネクタの壁の構成によって達成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６２】
ステップｂ）の前記初期ガスの流れの方向付けが、前記初期ガスの流れを制限するステップによって達成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６３】
前記初期ガスの流れを制限するステップが、任意選択的に制御システムとともに動的に制御される、請求項６２に記載のプロセス。
【請求項６４】
少なくとも１つのガス賦活領域が、インジェクタプラズマトーチを使用して生成される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６５】
前記インジェクタプラズマトーチが、多相ＡＣ電流によって駆動される電極を含む、少なくとも１つのガス賦活領域を生成する、請求項６４に記載のプロセス。
【請求項６６】
ステップｂ）が、前記初期ガスから成る前記気体分子を前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の反応種に暴露する前に、前記初期ガスに乱流を付与するステップを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６７】
乱流が、受動的グリッドを使用して付与される、請求項６６に記載のプロセス。
【請求項６８】
乱流が、回転軸を利用する能動的グリッドを使用して付与される、請求項６６に記載のプロセス。
【請求項６９】
乱流が、せん断発生器を使用して付与される、請求項６６に記載のプロセス。
【請求項７０】
前記初期ガスから成る前記気体分子を前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の反応種に暴露した後、前記気体分子、前記反応種、前記中間体、前記改質ガス、または任意のこれらの組み合わせに乱流を付与するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７１】
乱流が、受動的グリッドを使用して付与される、請求項７０に記載のプロセス。
【請求項７２】
乱流が、回転軸を利用する能動的グリッドを使用して付与される、請求項７０に記載のプロセス。
【請求項７３】
乱流が、せん断発生器を使用して付与される、請求項７０に記載のプロセス。
【請求項７４】
前記初期ガス、前記気体分子、前記反応種、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせに乱流を付与することによって、ステップｃ）でエネルギー移動が促進される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７５】
開始された中間体が、存在する種の相対濃度によって決定される化学組成の改質ガスに再結合するように、前記乱流が前記中間体の効率的な混合を促進する、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項７６】
前記乱流が、反応種と、前記初期ガス、前記気体分子、および／または前記中間体との混合を促進することによって、前記改質プロセス全体を通してエネルギー移動を強化する、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項７７】
乱流が、前記初期ガス、前記気体分子、および／または前記中間体に１つもしくは複数のプロセス添加剤を添加することによって付与される、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項７８】
乱流が、１つもしくは複数の混合マニピュレータを使用して、ステップｃ）で前記初期ガス、前記気体分子、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせに付与される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項７９】
ステップｃ）が、ガス改質チャンバ内で行われ、乱流が、前記ガス改質チャンバの内壁の構成によって前記初期ガス、前記気体分子、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせに付与される、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項８０】
ステップｃ）が、ガス改質チャンバ内で行われ、乱流が、前記チャンバの断面積未満の断面積を有する１つもしくは複数のチャネルが提供されるように前記ガス改質チャンバ内に位置する１つもしくは複数の構造デバイスによって、前記初期ガス、前記気体分子、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせに付与される、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項８１】
前記１つもしくは複数のチャネルが、直線状、曲線状、分岐−集中型、またはラビリンス型になるように構成される、請求項８０に記載のプロセス。
【請求項８２】
ステップｃ）が、１つもしくは複数の内部狭窄部を画定するガス改質チャンバ内で行われ、前記混合マニピュレータが、前記１つもしくは複数の内部狭窄部の相対的構成によって提供される、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項８３】
乱流が、前記初期ガス、前記気体分子、および／または前記中間体の、前記賦活領域内の反応種との混合を促進するために、前記初期ガス、前記気体分子、前記中間体、または任意のこれらの組み合わせに付与される、請求項７４に記載のプロセス。
【請求項８４】
前記中間体の形成を促進、ならびに／または前記気体分子および／もしくは前記中間体間のエネルギー移動を伝播するために、前記初期ガスおよび／または中間体を触媒に曝露するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８５】
前記初期ガスが、前記１つもしくは複数のガス賦活領域で前記反応種を曝露する前に、前記触媒に曝露される、請求項８４に記載のプロセス。
【請求項８６】
前記初期ガスおよび／または中間体が、前記１つもしくは複数のガス賦活領域内の前記反応種に曝露する間に、前記触媒に曝露される、請求項８４に記載のプロセス。
【請求項８７】
前記触媒が、オリビン、焼成オリビン、ドロマイト、酸化ニッケル、酸化亜鉛、チャー、またはこれらの組み合わせから選択される、請求項８４に記載のプロセス。
【請求項８８】
前記中間体の形成を促進、ならびに／または前記気体分子および／もしくは前記中間体間のエネルギー移動を伝播するために、前記初期ガスおよび／または中間体を中間体誘導手段に曝露するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８９】
前記中間体誘導手段が、熱加熱、プラズマプルーム、水素バーナ、電子ビーム、レーザー、または照射を含む、請求項８８に記載のプロセス。
【請求項９０】
ステップａ）の前記ガス賦活領域が、熱を使用して生成され、前記プロセスが、前記ガス賦活領域内の前記初期ガスのエネルギーを、前記初期ガスから成る前記気体分子が、設計された化学組成の改質ガスに改質するようなレベルに上昇させるステップを含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９１】
ステップａ）で生成される前記ガス賦活領域が、プラズマまたは水素源を使用して生成され、前記ガス賦活領域内の前記反応種が、エネルギーを前記初期ガス中の前記気体分子に移動し、前記分子を前記改質ガスに改質させる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９２】
前記プロセスの動作温度を前記触媒にとって最適の動作温度範囲に維持するステップをさらに含む、請求項８４に記載のプロセス。
【請求項９３】
前記改質ガスの化学的および／または物理的条件への曝露が、前記ガスの冷却を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９４】
前記改質ガスの化学的および／または物理的条件への曝露が、前記改質ガスの流路の拡張を含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９５】
前記初期ガスの前記改質が、電気等の先に発生するコストおよび汚染された触媒の処理等の下流コストを考慮に入れて、全体的に費用効率が高い様式で達成されるように、ステップａ）、ｂ）、ｃ）、またはｄ）のうちの１つもしくは複数のステップを調節するステップをさらに含み、前記気体分子および／または中間体を触媒に曝露するステップを任意選択的に含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９６】
ステップｅ）で測定される、前記原料ガスおよび／もしくは合成ガス、前記初期ガス、前記安定化された改質ガス、またはこれらの組み合わせの前記１つもしくは複数の特徴および／またはパラメータが、化学組成、湿度、流速、またはこれらの組み合わせである、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９７】
前記初期ガスおよび／または前記改質ガスの流速を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９８】
ステップａ）、ｂ）、ｃ）、またはｄ）のうちの１つもしくは複数のステップが行われる圧力を調節するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９９】
ステップａ）、ｂ）、ｃ）、ｄ）、ｅ）、またはｆ）のうちの１つもしくは複数のステップが、１つもしくは複数の比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、または微分（Ｄ）制御器を含む制御システムを使用して制御される、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１００】
前記ガス改質率を直接評価するステップを含む、請求項２に記載のプロセス。
【請求項１０１】
改質ガスの下流のエネルギー産出を前記初期ガスと比較することによって、前記ガス改質率を間接的に評価するステップを含む、請求項２に記載のプロセス。
【請求項１０２】
前記ガス賦活領域に対する前記初期ガスの流れのパターン、および特定の時間で前記ガス賦活領域を通過するガスの量を最適化するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０３】
１つもしくは複数のソースエネルギー曝露マニピュレータ（Ｓｏｕｒｃｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ）を使用して、前記初期ガスの前記ガス賦活領域への曝露を最適化するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０４】
移動または再利用のために前記プロセスの間に生成された過剰な熱を捕捉するステップをさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０５】
前記安定化された改質ガスは、所望の化学組成、ならびに／または所望の発熱量および／もしくは最適化された発熱量を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０６】
原料ガスおよび／または合成ガスを含む種々のＣＯ：Ｈ２比の初期ガスの、実質的に一貫した約１：６〜約１：１のＣＯ：Ｈ２比を有する安定化された改質ガスへの改質において使用するように構成される、１つの反応器によるガス変換システムであって、
ａ）１つもしくは複数のガス注入口と１つもしくは複数のガス排出口とを含むガス改質チャンバであって、少なくともガス改質ゾーンとガス安定化ゾーンとを画定するように構成されるチャンバと、
ｂ）改質プロセスを開始するために十分なエネルギーを前記改質ゾーンに提供するように構成される１つもしくは複数のガス賦活源であって、前記源のそれぞれが、熱加熱、プラズマ、水素バーナ、電子ビーム銃、レーザー、イオン化照射、および再利用熱から選択される、ガス賦活源と、
ｃ）曝露マニピュレータ、混合マニピュレータ、および触媒マニピュレータからそれぞれ選択される１つもしくは複数のガスマニピュレータであって、前記システムを通過するガス分子の改質の効率を強化するように、前記システム内に構成される、１つもしくは複数のガスマニピュレータと、
ｄ）制御システムであって、
ｉ．前記システムと動作可能に関連する１つもしくは複数の検知要素と、
ｉｉ．前記システムおよび／またはその中に含まれるガスにおいて１つもしくは複数の変更を生じさせるように構成される、１つもしくは複数の応答要素と、
ｉｉｉ．前記１つもしくは複数の検知要素および前記１つもしくは複数の応答要素に通信的に結合される１つもしくは複数の計算プラットフォームであって、少なくとも１つの検知要素から入力信号を受信し、少なくとも１つの応答要素に制御信号を提供するように構成される、１つもしくは複数の計算プラットフォームと、を含む、制御システムと、
を含み、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）が、前記改質プロセスの１つもしくは複数のステップを最適化するように協調的に機能するように構成され、それによって実質的に一貫した約１：６〜約１：１のＣＯ：Ｈ２比を有する安定化された改質ガスが、前記システムにとって費用効率が高い様式で生成される、システム。
【請求項１０７】
前記チャンバが、１つもしくは複数のガス添加剤ゾーンをさらに画定する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記ガス添加剤ゾーンが、少なくとも１つのガス改質ゾーンの上流に位置する、請求項１０７に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記チャンバが、１つもしくは複数のガス浄化ゾーンをさらに画定する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１０】
前記ガス浄化ゾーンが、少なくとも１つのガス安定化ゾーンの下流に位置する、請求項１０９に記載のシステム。
【請求項１１１】
前記ガス改質チャンバが、実質的に垂直に配向される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１２】
ガス改質チャンバが、実質的に水平に配向される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１３】
前記ガス改質チャンバが、前記チャンバの中間体セクションへのアクセスを可能にするように構成される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１４】
前記ガス改質チャンバが、前記チャンバの中間体セクションへのアクセスを可能にするように分離することができるセクションを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１５】
前記ガス改質チャンバの長さ対直径比が、約２：１〜６：１である、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１６】
前記安定化された改質ガスが、所望の化学組成、ならびに／または所望の発熱量および／もしくは最適化された発熱量を有する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１７】
前記ガス改質チャンバが、固体粒状物質のためのコレクタをさらに含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１８】
前記ガス改質チャンバが、固体粒状物質を収集し、さらなる処理のために、前記ガス変換システムと動作可能に関連する１つもしくは複数の他のシステムに供給するための手段をさらに含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１１９】
前記システムが、前記ガス改質チャンバと流体連通する１つもしくは複数の誘導送風機と動作可能に関連し、前記誘導送風機のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数のセンサおよび／または１つもしくは複数の応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２０】
前記ガス改質チャンバが、前記改質ガスからの熱回収を提供するように構成される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２１】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数の熱交換器と動作可能に関連し、前記システムが、前記改質ガスを熱回収および冷却するように構成される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２２】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数の密閉可能な注入口をさらに含み、前記密閉可能な注入口が、プラグ、カバー、バルブ、シーリンググランド、および／またはゲートを含み、前記密閉可能な注入口のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数のセンサおよび／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２３】
前記ガス改質チャンバの加熱を補助するように構成される１つもしくは複数の二次熱源をさらに含み、前記二次熱源のうちの前記少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２４】
前記ガス注入口のうちの少なくとも１つが、前記ガス改質チャンバへの投入ガスの流れを制御するための制御器を含み、前記制御器が、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２５】
前記ガス注入口のうちの１つもしくは複数が、前記投入ガスを前記ガス改質チャンバに注入するためのインジェクタを含み、少なくとも１つのインジェクタが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２６】
前記ガス注入口のうちの少なくとも１つが、上流端またはその近傍で前記ガス改質チャンバの壁の中に設置される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２７】
前記ガス排出口のうちの少なくとも１つが、前記ガス改質チャンバの下流端またはその近傍に設置され、少なくとも１つの前記改質ガス排出口が、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２８】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数のプロセス添加剤を前記システムに導入するように構成される１つもしくは複数のプロセス添加剤注入口をさらに含み、前記プロセス添加剤注入口のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１２９】
前記プロセス添加剤注入口が、耐熱噴霧ノズルまたはジェットを含む、請求項１２８に記載のシステム。
【請求項１３０】
前記ガス改質チャンバが、拡張された直径を有するセクションを含み、前記ガス安定化ゾーンは、前記拡張されたセクションによって画定され、それによって拡張するガス流のパターンが生成され、前記改質ガスの安定化を可能にする、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１３１】
前記拡張されたセクションが、ラッパ状、曲線状、または長方形である、請求項１３０に記載のシステム。
【請求項１３２】
前記ガス賦活源のうちの１つ以上が、約８００℃〜約１２００℃の温度を前記ガス改質ゾーンに提供するように構成され、ガス賦活源のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１３３】
前記１つもしくは複数のガス賦活源が、１つもしくは複数のプラズマの源を含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１３４】
前記プラズマの源が、非移行型アークプラズマトーチ、移行型アークプラズマトーチ、交流（ＡＣ）プラズマトーチ、直流プラズマトーチ、高周波誘導プラズマデバイス、誘導結合プラズマトーチ（ＩＣＰ）、およびマイクロ波プラズマトーチから選択される、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１３５】
前記プラズマの源が、周波数（ＲＦ）プラズマ、マイクロ波プラズマ、レーザープラズマ、コロナプラズマから選択される、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１３６】
前記ＡＣプラズマトーチが、単相ＡＣプラズマトーチである、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３７】
前記ＡＣプラズマトーチが、多相ＡＣプラズマトーチである、請求項１３４に記載のシステム。
【請求項１３８】
少なくとも１つのプラズマの源が、ハイブリッドＡＣ／ＤＣプラズマトーチである、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１３９】
前記ガス賦活源のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、非移行型アークＡＣプラズマトーチである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４０】
前記ガス賦活源のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、非移行型アークＤＣプラズマトーチである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４１】
前記ガス賦活源のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、非移行型の逆極性ＤＣプラズマトーチである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記ガス賦活源のうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、水冷式、銅電極、ＮＴＡＴ  ＤＣプラズマトーチである、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４３】
プラズマの源のうちの少なくとも１つがプラズマトーチであり、前記プラズマトーチが、空気、Ｏ２、Ｎ２、Ａｒ、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、およびＣ３Ｈ６を含む群から選択されるガスを利用する、請求項１３３に記載のシステム。
【請求項１４４】
前記１つもしくは複数のガス賦活源が、１つもしくは複数の水素バーナ、熱加熱、電子ビーム銃、レーザー、イオン化照射の源、再利用熱、および／または再利用エネルギーを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４５】
前記ガス賦活源のうちの１つもしくは複数が、摺動取付機構に取り付けられる、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４６】
少なくとも１つのガスマニピュレータが、前記ガス分子に乱流を付与するように構成され、少なくとも１つのガス賦活源の上流に位置する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１４７】
前記ガスマニピュレータが、受動的グリッドを含む、請求項１４６に記載のシステム。
【請求項１４８】
前記ガスマニピュレータが、回転軸を利用する能動的グリッドを含む、請求項１４６に記載のシステム。
【請求項１４９】
前記ガスマニピュレータが、せん断発生器を含む、請求項１４６に記載のシステム。
【請求項１５０】
少なくとも１つのガスマニピュレータが、前記ガス分子、改質ガス、またはこれらの組み合わせに乱流を付与するように構成され、少なくとも１つのガス賦活源の下流に位置する、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１５１】
前記ガスマニピュレータが、受動的グリッドを含む、請求項１５０に記載のプロセス。
【請求項１５２】
前記ガスマニピュレータが、回転軸を利用する能動的グリッドを含む、請求項１５０に記載のプロセス。
【請求項１５３】
前記ガスマニピュレータが、せん断発生器を含む、請求項１５０に記載のプロセス。
【請求項１５４】
前記システムが、１つもしくは複数の曝露マニピュレータを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１５５】
少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記ガス改質ゾーン内の前記ガス分子の流れを促進するために、前記１つもしくは複数のガス賦活源と１つもしくは複数の前記ガス注入口との相対的構成によって提供され、前記流れが、前記１つもしくは複数のガス賦活源の産出方向に対して並流、逆行、放射状、実質的に接線方向、または勾配がある、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５６】
少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記ガス分子と前記ガス賦活源との連動を促進するために、前記１つもしくは複数のガス賦活源と１つもしくは複数の前記ガス注入口との相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５７】
少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記ガス改質チャンバと前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって提供され、前記ガス改質チャンバが狭窄したスロート部を含み、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記狭窄したスロート部を通過するガスが前記ガス賦活源との連動を強制されるようにスロート部の中に位置する、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５８】
前記ガス改質チャンバが、前記チャンバの断面積未満の断面積を有する１つもしくは複数のチャネルを含み、前記曝露マニピュレータのうちの少なくとも１つが、前記チャネルを通過するガスが前記ガス賦活源との連動を強制されるように、前記１つもしくは複数のチャネルと前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１５９】
前記１つもしくは複数のチャネルが、直線状、曲線状、分岐−集中型、またはラビリンス型である、請求項１５８に記載のシステム。
【請求項１６０】
前記１つもしくは複数のチャネルを断熱するための断熱手段をさらに含む、請求項１５８に記載のシステム。
【請求項１６１】
前記１つもしくは複数のチャネルを冷却するための冷却手段をさらに含む、請求項１５８に記載のシステム。
【請求項１６２】
前記チャネルのそれぞれが、ガス賦活源と動作可能に関連し、任意選択的に前記ガスに乱流を付与するための混合要素と動作可能に関連する、請求項１５８に記載のシステム。
【請求項１６３】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数の内部狭窄部を画定し、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記ガスと前記ガス賦活源との連動が強化されるように、前記１つもしくは複数の内部狭窄部とその中に設置される１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１６４】
前記ガス改質チャンバが、前記チャンバを通過するガスを複数の流れに分離するための手段を含み、前記曝露マニピュレータが、ガスを分離するための前記手段と前記１つもしくは複数のガス賦活源との相対的構成によって提供され、前記１つもしくは複数のガス賦活源が、前記複数の流れが平行して改質するように設置される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１６５】
少なくとも１つの曝露マニピュレータが、複数の前記ガス賦活源の相対的構成によって提供され、前記複数のガス賦活源が順序正しく配設される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１６６】
前記ガス改質チャンバが、前記ガス改質チャンバ内の前記ガス賦活ゾーンの空間分布を操作するように構成される、１つもしくは複数の賦活源方向決定デバイスをさらに含み、前記曝露マニピュレータが、前記ガス改質チャンバ内の前記賦活源方向決定デバイスの相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１６７】
前記１つもしくは複数の賦活源が、１つもしくは複数のプラズマの源を含み、前記１つもしくは複数の賦活源方向決定デバイスが、前記プラズマの源からのプラズマプルームを再分布するように構成される偏向器、作動ガスの流速を制御または前記プラズマの源へエネルギーを投入するための手段、または前記１つもしくは複数のプラズマの源からのプラズマプルームを方向転換するように構成される１つもしくは複数の流体ジェット、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１６６に記載のシステム。
【請求項１６８】
少なくとも１つの偏向器が、コアンダに基づく偏向器である、請求項１６７に記載のシステム。
【請求項１６９】
前記１つもしくは複数の賦活源方向決定デバイスが、前記１つもしくは複数のガス賦活源の位置および／または配向を改変するように構成される取付機構によって提供される、請求項１６６に記載のシステム。
【請求項１７０】
前記ガス改質チャンバが、前記ガス改質チャンバ内のガスの空間分布および／またはその力学的進化を操作するように構成される、１つもしくは複数のガス方向決定デバイスをさらに含み、前記曝露マニピュレータが、前記ガス改質チャンバ内の前記１つもしくは複数のガス方向決定デバイスの相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１７１】
前記ガス方向決定デバイスが、バッフル、偏向器、または流れマニピュレータのうちの１つもしくは複数を含む、請求項１７０に記載のシステム。
【請求項１７２】
前記ガス方向決定デバイスのうちの少なくとも１つが、複数のブレードと動作可能に関連し、前記ガス改質チャンバ内で回転するように構成される軸を含む、請求項１７１に記載のシステム。
【請求項１７３】
前記ガス改質チャンバが、１つもしくは複数のガス方向決定デバイスと１つもしくは複数の賦活源方向決定デバイスとをさらに含み、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記１つもしくは複数のガス方向決定デバイスと前記１つもしくは複数の賦活源方向決定デバイスとの相対的構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１７４】
前記ガス改質チャンバの下流端が、前記チャンバから粒状物質を除去するように構成され、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、粒状物質が前記チャンバから除去されるように、前記チャンバの前記下流端の構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１７５】
前記ガス改質チャンバの下流端が、生じる旋回流が前記ガス流からの前記粒状物質の分離を促進するように、前記チャンバの主要部分から前記ガスを接線方向に導入するように構成され、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記チャンバの前記下流端の構成によって提供される、請求項１５４に記載のシステム。
【請求項１７６】
前記ガス改質チャンバが、実質的に一貫した直径を有し、かつ前記ガスの前記ガス改質ゾーンの通過を強制するように構成される中央チャネルを含み、前記曝露マニピュレータのうちの少なくとも１つが、前記中央チャネルによって提供される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１７７】
少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記ガス賦活源の前の前記ガス分子を方向付けるように構成されるガス方向決定デバイスによって提供される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１７８】
少なくとも１つのガス賦活源が、複数の一次電極を含むプラズマトーチであり、前記ガス方向決定デバイスが、前記プラズマトーチのプルームを前記一次電極の間の隙間に方向付けるように構成される、請求項１７７に記載のシステム。
【請求項１７９】
前記ガス改質チャンバが、前記ガス賦活源の直ぐ下流に位置する狭窄部を画定し、少なくとも１つの曝露マニピュレーが、前記狭窄部と前記ガス賦活源との相対的構成によって提供される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１８０】
前記ガス改質チャンバが、前記ガス賦活源の前記チャンバのくびれた部分内に位置するように設置される狭窄部を画定し、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記狭窄部と前記ガス賦活源との相対的構成によって提供される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１８１】
前記ガス改質チャンバが、垂直に配向されたコネクタを介してガスの源に動作可能に連結される、直線状で実質的に水平な円筒状の構造として構成され、前記チャンバの壁および／またはコネクタが、前記事前配合ガスを前記ガス賦活源に向かって方向付けるように構成され、少なくとも１つの曝露マニピュレータが、前記チャンバの前記壁と前記ガス賦活源との相対的構成によって提供される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１８２】
前記システムが、１つもしくは複数の混合マニピュレータを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１８３】
少なくとも１つの混合マニピュレータが、前記システムを通過するガスの混合を促進する前記ガス改質チャンバの内壁の構成によって提供される、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１８４】
前記混合マニピュレータが、前記チャンバの断面積未満の断面積を有する１つもしくは複数のチャネルを画定する前記ガス改質チャンバ内に位置する、１つもしくは複数の構造デバイスによって提供される、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１８５】
前記１つもしくは複数のチャネルが、直線状、曲線状、分岐−集中型、またはラビリンス型である、請求項１８４に記載のシステム。
【請求項１８６】
前記ガス改質チャンバは、１つもしくは複数の内部狭窄部を画定し、少なくとも１つの混合マニピュレータが、前記１つもしくは複数の内部狭窄部の相対的構成によって提供される、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１８７】
前記１つもしくは複数の混合マニピュレータが、前記システムを通過するガスと前記ガス賦活ゾーン内の反応種との混合を促進するように構成される、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１８８】
少なくとも１つの混合マニピュレータが、前記システムを通過するガスに乱流を導入するように構成される前記チャンバ内に位置するバッフルによって提供される、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１８９】
前記バッフルが、前記１つもしくは複数のガス賦活源の上流、前記１つもしくは複数のガス賦活源の下流、前記ガス改質ゾーン内、またはこれらの組み合わせに位置する、請求項１８８に記載のシステム。
【請求項１９０】
少なくとも１つの混合マニピュレータが、前記ガス改質チャンバと動作可能に関連する１つもしくは複数の空気ジェットによって提供され、ならびに前記ガス改質チャンバを通過するガスの混合を促進するように構成され、前記ジェットのうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１９１】
少なくとも１つの混合マニピュレータが、前記ガス改質チャンバを通過するガスの混合が促進されるように協調的に構成される、酸素源用のポートおよび／またはガスエネルギー源用のポートによって提供され、前記ポートのうちの少なくとも１つが、任意選択的に１つもしくは複数の検知要素および／または応答要素と動作可能に関連する、請求項１８２に記載のシステム。
【請求項１９２】
前記システムが、１つもしくは複数の触媒マニピュレータを含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１９３】
前記１つもしくは複数の触媒マニピュレータが、前記ガス改質ゾーンの上流、前記ガス改質ゾーンの下流、前記ガス改質ゾーン内、またはこれらの組み合わせに位置する、請求項１９２に記載のシステム。
【請求項１９４】
前記触媒マニピュレータが、オリビン、焼成オリビン、ドロマイト、酸化ニッケル、酸化亜鉛、チャー、またはこれらの組み合わせから選択される触媒である、請求項１９２に記載のシステム。
【請求項１９５】
前記触媒マニピュレータのうちの少なくとも１つが、中間体誘導手段を含む、請求項１９２に記載のシステム。
【請求項１９６】
前記制御システムが、フィードフォワード制御スキーム、フィードバック制御スキーム、またはこれらの組み合わせを実行するように構成される、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１９７】
前記制御システムが、１つもしくは複数の比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、または微分（Ｄ）制御器を含む、請求項１０６に記載のシステム。
【請求項１９８】
前記制御システムが、適応制御および／または予測制御を利用する、請求項１０６に記載のシステム。
【国際調査報告】
2010533742.tif 000099
2010533742.tif 000100