(57)【要約】少なくとも１つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法は、少なくとも１つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約４００℃以上の温度、約１×１０５パスカル以上の圧力、および少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つのガス状還元材料とを反応させることを含む。熱エネルギーは、水蒸気を含むガス状流出ストリームから抽出される。熱エネルギーの回収を有する固体炭素生成システムのように、回収可能な熱エネルギーを発生させる他の方法を開示する。2015525179.tif 000005
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約４００℃以上の温度、約１×１０５パスカル以上の圧力、および少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つのガス状還元材料とを反応させることと、
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することと
を含む、少なくとも１つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法。
【請求項２】
少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つの還元材料とを反応させることが、約５００℃以上の温度、および約１×１０５パスカル〜約１×１０９パスカルの範囲内の圧力で、前記少なくとも１つの炭素酸化物材料と前記少なくとも１つの還元材料とを反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのガス状還元材料が、水素および水素含有化合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの触媒材料が、元素周期表の５族〜１０族から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することが、前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることが、前記ガス状流出ストリームから、前記少なくとも１つの炭素酸化物材料および前記少なくとも１つの還元材料のうちの少なくとも１つへと熱エネルギーを伝達させることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることが、少なくとも１つの高圧蒸気を形成するために、少なくとも１つの交換流体へと熱エネルギーを伝達させることを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、前記高圧蒸気を膨張させることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することが、液体水を含む冷却されたガス状流出ストリームを生成しかつ熱エネルギーを少なくとも１つの冷却材料へと提供するために、前記少なくとも１つの冷却材料で前記ガス状流出ストリームを冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
水素ガスおよび酸素ガスを生成するために、前記液体水を電気分解することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記水素ガスの少なくとも一部分を前記ガス状還元材料に再循環させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つの炭素酸化物と少なくとも１つのガス状還元材料とを含む供給源ガスストリームを、少なくとも１つの触媒材料を中に有する反応器に導入することと、
少なくとも１つの固体炭素材料とガス状水とを含む反応生成物ストリームを生成するために、前記少なくとも１つの触媒材料の存在下で、前記少なくとも１つの炭素酸化物と前記少なくとも１つの還元剤とを反応させることと、
前記少なくとも１つの固体炭素材料と前記ガス状水を分離することと、
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することと
を含む、回収可能な熱エネルギーを発生させる方法。
【請求項１３】
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することが、前記供給源ガスストリームが前記反応器に提供される前に、少なくとも前記ガス状水から前記供給源ガスストリームへと熱を伝達させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することが、少なくとも前記ガス状水から少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも前記ガス状水から少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることが、加熱された第１の交換流体を形成するために少なくとも前記ガス状水から第１の交換流体へと熱を伝達させることと、前記第１の加熱された熱交換流体から第２の交換流体へと熱を伝達させることとを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも前記ガス状水から少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることが、高圧蒸気を発生させるために、少なくとも前記ガス状水から、前記ガス状水から流体的に分離された液体水へと熱を伝達させることを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、膨張タービン中で前記高圧蒸気を膨張させることと、
前記液体水を形成するために、膨張タービンの排気を凝縮することと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの炭素酸化物および少なくとも１つの還元材料を、少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの固体炭素材料およびガス状反応生成物ストリームへと発熱的に変換するように構成された、反応器；ならびに
少なくとも前記ガス状反応生成物ストリームから熱エネルギーを回収するように位置付けられかつ構成された、少なくとも１つの熱交換器
を備える、少なくとも１つの熱エネルギー回収手段を有する固体炭素生成システム。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの熱交換器から受け取った交換流体を膨張させるように構成された膨張タービンをさらに備える、請求項１８に記載の熱エネルギー発生システム。
【請求項２０】
前記ガス状反応生成物ストリームから前記少なくとも１つの固体炭素材料を分離するように構成された分離器をさらに備える、請求項１８に記載の熱エネルギー発生システム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの熱交換器が、金属ダスティングに耐えるように調製された金属および金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の熱エネルギー発生システム。
【請求項２２】
固体炭素材料およびガス状反応生成物を生成するために、反応ゾーン中の触媒の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物を少なくとも１つの還元ガスと発熱的に反応させることと、
前記反応ゾーンから熱エネルギーを抽出することと
を含む、固体炭素生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本出願は、２０１２年４月１６日に出願された、米国仮特許出願第６１／６２４，５７３号、名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｆｒｏｍ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｂｙ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ」の恩典を主張するものであり、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示の実施形態は、全般的に、固体炭素材料を生成する方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示の実施形態は、熱エネルギーの回収および変換を利用して固体炭素材料を生成する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
背景
２０１２年２月９日に公開された米国特許出願公開第２０１２／００３４１５０Ａ１号は、本明細書の背景情報を開示し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００４】
追加的な情報は、以下の文書で開示され、Ｄａｌｌａｓ  Ｂ．Ｎｏｙｅｓを発明者として列記し、それぞれの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
１．２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７０２号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１０９４５．１ＰＣ）、
２．２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７２３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  ｂｙ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１０９４７．１ＰＣ）、
３．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７５３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｌｕｓｔｅｒｓ，ａｎｄ  Ｆｏｒｅｓｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１００１．１ＰＣ）、
４．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，５１３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｒｅａｔｉｎｇ  ａｎ  Ｏｆｆｇａｓ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１００２．１ＰＣ）、
５．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，８４８号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅｔａｌ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｉｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１２４８．１ＰＣ）、
６．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，４６２号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  ａｎｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍａｓｓ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ  ｉｎ  ａ  Ｗａｓｔｅ  Ｇａｓ  Ｓｔｒｅａｍ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１２４９．１ＰＣ）、
７．  ２０１２年７月１３日に出願された米国特許出願第６１／６７１，４６４号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ａｍｍｏｎｉａ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１３６１．１ＰＣ）、および
８．  ２０１２年４月２３日に出願された米国特許出願第６１／６３７，２２９号の恩典を主張する、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｂｉｍｏｄａｌ  Ｓｉｚｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」について本願と同日に出願された、国際特許出願第＿＿＿号（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１７７１ＰＣ）。
【０００５】
固体炭素は、数多くの商業的用途を有する。これらの用途は、タイヤ、インク等のフィラー材料としてのカーボンブラックおよび炭素繊維の使用等の長期間にわたる使用、種々の形態のグラファイト（例えば、電極、遮熱材としての熱分解グラファイト）のための使用、およびバックミンスターフラーレンおよびカーボンナノチューブのための革新的かつ新たに出現した用途を含む。種々の形態の固体炭素を製造するための従来の方法は、一般的に、好適な触媒の存在下での炭化水素の熱分解を含む。炭素源としての炭化水素の使用は、炭化水素の歴史的に多量の入手可能性および低コストに起因する。固体炭素の生成における、炭素源としての炭素酸化物の使用は、殆ど未開発のままであった。
【０００６】
炭素酸化物、特に二酸化炭素は、炭化水素燃焼の排気ガス等の点排出源から、またはいくつかのプロセスオフガスから抽出され得る、多量のガスである。二酸化炭素はまた、空気からも抽出され得る。点排出源は、空気よりも著しく高い二酸化炭素濃度を有するので、該排出源は、しばしば、二酸化炭素を採取するための経済的な源である。しかしながら、空気の即時的な入手可能性は、空気中の二酸化炭素から固体炭素生成物の局所的製造を通しての輸送コストを排除することによって、コストの相殺を提供し得る。
【０００７】
二酸化炭素は、発電および化学プロセスの副産物として益々入手可能になり、また安価になっており、ここで、１つの課題は、二酸化炭素の捕捉およびその後の隔離によって（例えば、地質学的形成物中へ注入することによって）、大気中への二酸化炭素の排出を削減する、または排除することであり得る。例えば、二酸化炭素の捕捉および隔離は、いくつかの「グリーン」石炭燃焼発電所の基礎である。現在の実務において、二酸化炭素の捕捉および隔離は、多大なコストを必要とする。
【０００８】
炭素、酸素、および水素を反応させることができる方法の数は、限定されている。種々の平衡が識別されている、これらの元素の関与する多種多様な反応がある。炭化水素の熱分解は、一般的に酸素が殆どまたは全く存在しない状態で、固体炭素の生成に好都合である水素と炭素との間の平衡を伴う。「一酸化炭素の不均化反応」とも称されるＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、一般的に水素が殆どまたは全く存在しない状態で、固体炭素の生成に好都合である炭素と酸素との間の平衡の範囲である。ボッシュ反応は、同じく固体炭素の生成に好都合である反応条件下で、炭素、酸素、および水素の全てが存在する平衡の範囲内である。
【０００９】
炭化水素の熱分解と、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応と、ボッシュ反応との関係は、図１で示されるように、Ｃ−Ｈ−Ｏ平衡状態図に関して理解され得る。図１のＣ−Ｈ−Ｏ平衡状態図は、カーボンナノチューブ（「ＣＮＴ」）を含む固体炭素までの種々の既知のルートを示す。炭化水素の熱分解反応は、水素（Ｈ）および炭素（Ｃ）を結ぶ平衡線（すなわち、三角形の左縁部）上にある。Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応または一酸化炭素の不均化反応は、酸素（Ｏ）とＣを結ぶ平衡線の近く（すなわち、三角形の右縁部）上にある。本図を横切る種々の温度に関する平衡線は、固体炭素が形成されるおよその領域を示す。各温度について、固体炭素は、関連する平衡線の上側の領域で形成され得るが、全般的に、平衡線の下側の領域では形成されない。
【００１０】
米国特許第７，７９４，６９０号（Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕ他）は、有機材料からの炭素の隔離のための、乾燥改質プロセスを教示する。Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕは、随意に３Ｄ乾燥改質触媒を伴う、２Ｄ炭素隔離触媒を利用する方法を開示している。例えば、Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕは、第１段階で、３Ｄ触媒上で有機材料（例えば、メタン、エタノール）およびＣＯ２を乾燥改質して合成ガスを形成し、それに続いて、ＣＮＴおよびカーボンナノフィラメントを形成するために２Ｄ炭素鋼触媒上で合成ガスを炭素隔離するための、２段階プロセスを開示している。２Ｄ触媒は、非多孔性金属担体もしくはセラミック担体上の活性金属（例えば、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｃｕ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｎｉ）、またはモノリス担体上の鉄系触媒（例えば、鋼）であり得る。３Ｄ触媒は、類似の組成であり得るか、または類似の担体上の複合触媒（例えば、Ｎｉ／ＺｒＯ２−Ａｌ２Ｏ３）であり得る。Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕは、鉄をそのアルファ相へと変態させるために、その共晶点を超える温度で触媒の表面に不活性ガスストリームを通過させることによる、２Ｄ触媒の事前活性化を開示している。Ａｂａｔｚｏｇｌｏｕは、２段階プロセスにおいて水を最小限にすること、または乾燥改質の第１段階中に、反応ガス混合物中に低濃度（０〜１０重量％）の水を添加することを教示している。
【００１１】
固体炭素を形成するための新しい方法およびシステムを有することが所望される。さらに、新しい方法およびシステムは、動作に際してエネルギー効率が高く、コスト効率が高く、かつ比較的単純であるかどうかが所望される。
【発明の概要】
【００１２】
発明の開示
本明細書で説明される実施形態は、炭素酸化物を還元することによって固体炭素を生成するための、および熱エネルギーを回収しかつ変換するための方法およびシステムを含む。例えば、本明細書で説明される一実施形態に従って、少なくとも１つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法は、少なくとも１つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約４００℃以上の温度、約１×１０５パスカル以上の圧力、および少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つのガス状還元材料とを反応させることを含む。熱エネルギーは、ガス状流出ストリームから抽出される。
【００１３】
追加的な実施形態において、回収可能な熱エネルギーを発生させる方法は、少なくとも１つの炭素酸化物と少なくとも１つのガス状還元材料とを含む供給源ガスストリームを、少なくとも１つの触媒材料をその中に有する反応器に提供することを含む。少なくとも１つの固体炭素材料とガス状水とを含む反応生成物ストリームを生成するために、少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物と少なくとも１つの還元剤とを反応させる。少なくとも１つの固体炭素材料とガス状水は、分離される。熱は、少なくともガス状水から抽出される。
【００１４】
さらに追加的な実施形態において、熱エネルギー回収を有する固体炭素生成システムは、少なくとも１つの炭素酸化物および少なくとも１つの還元材料を、少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの固体炭素材料およびガス状反応生成物ストリームへと発熱的に変換するように構成された反応器と、少なくともガス状反応生成物ストリームから熱エネルギーを回収するように位置付けられかつ構成された、少なくとも１つの熱交換器とを備える。
【００１５】
さらにまた追加的な実施形態において、固体炭素生成方法は、固体炭素材料およびガス状反応生成物を生成するために、反応ゾーン中の触媒の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物を少なくとも１つの還元ガスと発熱的に反応させることを含む。熱エネルギーは、反応ゾーンから抽出される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本開示の特徴および利点は、添付図面と関連してなされる以下の詳細な説明を参照することにより明らかになるであろう。
【００１７】
【図１】Ｃ−Ｈ−Ｏ平衡状態図である。
【図２】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【図３】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【図４】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【図５】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【図６】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【図７】本開示の実施形態に従う、熱エネルギー回収および変換の変更を含む、固体炭素生成システムの簡略概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明は、本開示の実施形態の徹底した説明を提供するために、触媒のタイプ、ストリームの組成、および処理条件（例えば、温度、圧力、流速等）等の具体的な詳細を提供する。しかしながら、当業者は、これらの具体的な詳細を用いることなく、本開示の実施形態が実践され得ることを理解するであろう。実際に、本開示の実施形態は、産業界で用いられる従来のシステムおよび方法と併せて実践され得る。加えて、本開示の実施形態を理解するために必要なそれらのプロセス構成要素および作用だけが、下で詳細に説明される。当業者は、いくつかのプロセス構成要素（例えば、パイプライン、ラインフィルタ、弁、温度検出器、流れ検出器、圧力検出器等）が、本質的に本明細書で開示されること、および種々の従来のプロセス構成要素および作用を加えることが、本開示と一致することを理解するであろう。本出願に添付する図面は、例示の目的のためだけであり、また、任意の特定の材料、デバイス、またはシステムの実際の概観を意味するものではない。加えて、図面間で共通の要素は、同じ数字表示を保持し得る。
【００１９】
本明細書で使用されるとき、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに指示のある場合を除き、複数形も含むことを意図する。
【００２０】
本明細書で使用されるとき、「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、１つまたは複数の関連する列記された品目うちの任意および全ての組み合わせを含む。
【００２１】
本明細書で使用されるとき、「第１の（ｆｉｒｓｔ）」、「第２の（ｓｅｃｏｎｄ）」、「頂部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「〜の上（ｏｖｅｒ）」、「〜の下（ｕｎｄｅｒ）」等の、関係を示す用語は、本開示および添付図面を理解する際に明確かつ簡便にするためのものであり、文脈上明らかに指示のある場合を除き、いかなる特定の選好、配向、または順序も暗示せず、またはそれらに依存しない。
【００２２】
本明細書で使用されるとき、所与のパラメータ、特性、または条件の参照における「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、所与のパラメータ、特性、または条件が、許容可能な製造許容差の範囲内等の、小さいばらつき度に合致すると当業者が理解するであろう程度を意味する。
【００２３】
固体炭素を利用して熱エネルギー回収および変換を生成する方法およびシステムが説明される。本開示の方法およびシステムは、触媒の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物（例えば、一酸化炭素または二酸化炭素）と、少なくとも１つの還元材料（例えば、水素、メタン等）との還元反応により、少なくとも１つの固体炭素材料の、エネルギー効率の高い生成を容易にする。本開示の方法およびシステムは、炭素酸化物および還元材料のそれぞれを生成するための従来の方法およびシステムと組み合わせられ得る。還元反応の反応条件（例えば、温度、圧力、滞留時間）は、固体炭素材料の所望のモルフォロジまたは構成（例えば、形状、サイズ）を達成するように変動され得る。本開示の還元反応は、図１で示されるＣ−Ｈ−Ｏ相状態図の内側領域内で起こり得、該内側領域では、固体炭素と、炭素の化合物と、水素と、酸素との間に平衡が確立され得る。Ｃ−Ｈ−Ｏ相状態図の内側領域は、ＣＮＴの形成に好ましい複数のポイント、ならびに固体炭素の他の形態を含む。本開示の方法およびシステムは、固体炭素材料生成プロセスのエネルギー効率を高めるために、還元反応からの過剰な熱エネルギーの捕捉を容易にする。回収された過剰な熱エネルギーは、例えば、デバイスまたはシステムのうちの少なくとも１つまたは複数に少なくとも部分的に給電するために利用され得る。本開示の方法およびシステムは、ＣＮＴが挙げられるが、それに限定されない有益な固体炭素材料を生成するエネルギー効率の高い方法を好都合に可能にする。
【００２４】
以下、本開示の１つの実施形態を、図２を参照して説明するが、図２は、固体炭素生成システム１００を概略的に例示する。図２で示されるように、固体炭素生成システム１００は、少なくとも１つの熱交換器１０２と、少なくとも１つの加熱器１０４と、反応器１０６と、分離器１１０とを含み得る。熱交換器１０２は、供給源ガスストリーム１０１を受け取り得、加熱された供給源ガスストリーム１０５を形成するために、供給源ガスストリーム１０１の温度を上昇させ得、該供給源ガスストリームは、加熱器１０４に方向付けられ得る。
【００２５】
供給源ガスストリーム１０１は、少なくとも１つの炭素酸化物（例えば、二酸化炭素、一酸化炭素）および少なくとも１つのガス状還元材料を含み得る。少なくともいくつかの実施形態において、炭素酸化物は、一酸化炭素（ＣＯ）および二酸化炭素（ＣＯ２）の組み合わせである。炭素酸化物は、主炭化水素の燃焼から得られ得るか、大気（例えば、空気）から得られ得るか、またはいくつかの他の供給源から得られ得る。ガス状還元材料は、下でさらに詳細に説明されるように、少なくとも１つの固体炭素材料を形成するために、反応器１０６内の少なくとも１つの触媒の存在下で、炭素酸化物との化学反応を受け得る、既知の還元材料を含み得る。限定的でない例として、ガス状還元材料は、炭化水素ガス（例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン等の低級炭化水素アルカン）、アルコール（例えば、エタノール）、または水素（Ｈ２）ガスであり得る。利用される場合、炭化水素ガスおよび／またはアルコールは、ガス状還元材料、および追加的な炭素材料の供給源の双方としての役割を果たし得る。１つまたは複数の実施形態において、供給源ガスストリーム１０１の少なくとも一部分は、合成ガス（ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｇａｓ）（「合成ガス（ｓｙｎｇａｓ）」）であり得る。合成ガスは、大量のＣＯおよびＨ２と、少量の他の材料、例えばＣＯ２およびＮ２等とを含む。少なくともいくつかの実施形態において、ガス状還元材料は、メタン（ＣＨ４）およびＨ２の組み合わせである。追加的な実施形態において、ガス状還元材料および炭素酸化物は、別個のストリーム（例えば、還元材料ストリームおよび炭素酸化物ストリーム）で熱交換器１０２に提供され得る。供給源ガスストリーム１０１は、任意の所望の比率の炭素酸化物と還元材料とを有し得る。
【００２６】
熱交換器１０２は、一方の流体またはガスからもう一方の流体またはガスに熱を交換するための、当技術分野で知られている任意の好適な装置またはデバイスであり得る。例えば、熱交換器１０２は、供給源ガスストリーム１０１を加熱し、一方で、（下で説明される）高温副ストリーム１１４を冷却するように機能する、伝熱式熱交換器（例えば、チューブインチューブ式熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器等）であり得る。例えば、熱交換器１０２を出る加熱された供給源ガスストリーム１０５は、最高で反応器１０６の動作温度までの温度、例えば約３００℃〜約１０００℃の範囲内の温度、例えば約３５０℃〜約８００℃を有し得る。加熱された供給源ガスストリーム１０５は、約２５ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）（すなわち、約１．７２×１０５パスカル）〜約１，０００ｐｓｉ（すなわち、約６．９０×１０６パスカル）の範囲内の圧力、例えば約３５ｐｓｉ（すなわち、約２．４１×１０５パスカル）〜約６００ｐｓｉ（すなわち、約４．１４×１０６パスカル）、または約４５ｐｓｉ（すなわち、約３．１０×１０５パスカル）〜約１００ｐｓｉ（すなわち、約６．９×１０５パスカル）を有し得る。少なくともいくつかの実施形態において、熱交換器１０２を出る加熱された供給源ガスストリーム１０５は、約８００℃の温度および約４８ｐｓｉ（すなわち、約３．３１×１０５パスカル）の圧力を有する。さらなる実施形態では、供給源ガスストリーム１０１の圧力および流速を制御するために、追加的な処理装置（例えば、圧縮機、質量流コントローラ、ガス分析器等）が、熱交換器１０２の上流に提供され得る。
【００２７】
熱交換器１０２はまた、その中の金属ダスティングを実質的に低減または排除するようにも構成され、動作し得る。本明細書で使用されるとき、「金属ダスティング」という用語は、腐食現象を指し、該腐食現象では、純金属および金属合金で形成され、それらを含む構造が、炭素を含むガス状環境中で、約４５０℃〜約８５０℃の範囲内の温度で、粉末または「ダスト」に分解（例えば、崩壊）する。熱交換器１０２は、例えば、鉄、クロム、アルミニウムの合金（ＦｅＣｒＡｌ合金）、ならびにニッケル、クロム、およびアルミニウムの合金等の、金属ダスティングに対して高い耐性を呈する金属および金属合金のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含み得る。好適な金属および金属合金は、数多くの供給源から市販されており、Ｋａｎｔｈａｌ  ＡＰＭという商品名でＳａｎｄｖｉｋ  ＡＢ（Ａｍｈｅｒｓｔ，ＮＹ）、インコネル（登録商標）合金６９３という商品名でＳｐｅｃｉａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ，ＷＶ）が挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの実施形態において、熱交換器１０２の少なくとも一部分（例えば、供給源ガスストリーム１０１および高温副ストリーム１１４のうちの１つまたは複数と相互作用している部分）は、Ｋａｎｔｈａｌ  ＡＰＭおよびインコネル（登録商標）合金６９３のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含む。追加的な実施形態において、熱交換器１０２の少なくとも一部分（例えば、供給源ガスストリーム１０１および高温副ストリーム１１４のうちの１つまたは複数と相互作用している部分）は、セラミック材料で形成され、それを含む。
【００２８】
加熱器１０４は、ガス状材料の温度を上昇させるように構成され、動作する、既知のデバイスまたは装置であり得る。限定的でない例として、加熱器１０４は、燃焼加熱器、電気抵抗加熱器、誘導加熱器、および電磁加熱器のうちの少なくとも１つであり得る。加熱器１０４は、加熱された供給源ガスストリーム１０５を受け取り得、かつ、加熱された供給源ガスストリーム１０５の温度を、所定の設定ポイントまで上昇させ得る。所定の設定ポイントは、下でさらに詳細に説明されるように、反応器１０６の動作パラメータに依存し得る。例えば、予熱器１０４は、加熱された供給源ガスストリーム１０５の温度を、最高で反応器１０６の動作温度まで、例えば最高で約１０００℃の温度まで上昇させ得る。熱交換器１０２が供給源ガスストリーム１０１を最高で反応器１０６の動作温度まで加熱するのに十分である場合等の、さらに他の実施形態において、加熱器１０４は、省略され得る。加えて、熱交換器１０２と同様に、加熱器１０４は、金属ダスティングに対して高い耐性を呈する金属および金属合金のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含み得る。いくつかの実施形態において、加熱器１０２の少なくとも一部分（例えば、加熱された供給源ガスストリーム１０５と相互作用している部分）は、Ｋａｎｔｈａｌ  ＡＰＭおよびインコネル（登録商標）合金６９３のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含む。
【００２９】
加熱された供給源ガスストリーム１０５は、加熱器１０４を出ることができ、反応器１０６中へ方向付けられ得る。反応器１０６は、加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分または反応物質（例えば、炭素酸化物およびガス状還元材料）から反応生成物ストリーム１０８を形成するように構成され、動作する、任意の好適なデバイスまたは装置であり得る。反応生成ストリーム１０８は、少なくとも１つの固体炭素材料（例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、煤煙、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ、ダイヤモンド等）、および少なくとも１つの追加的な材料（例えば、水等の１つまたは複数の追加的な反応生成物；二酸化炭素、一酸化炭素、および水素等の熱源ガスストリーム２０５の未反応成分；触媒材料；等）を含み得る。
【００３０】
例えば、反応器１０６は、次の反応式に従って、ＣＯ２とＨ２とのボッシュ反応から固体炭素および水（Ｈ２Ｏ）を形成するように構成され、動作し得る。
ＣＯ２＋２Ｈ２←→Ｃ（ｓ）＋Ｈ２Ｏ（ｇ）  （１）
ボッシュ反応は、発熱性であり得る。限定的でない例として、ＣＮＴを形成するために使用される場合、ボッシュ反応は、６５０℃で約２４．９ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−２４．９ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱の形成（ΔＨ））を容易にし得る。別の限定的でない例として、グラファイトを形成するために使用される場合、ボッシュ反応は、６５０℃で約２３．８ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−２３．８ｋｃａｌ／ｍｏｌのΔＨ）を容易にし得る。さらにまた別の限定的でない例として、バックミンスターフラーレンを形成するために使用される場合、ボッシュ反応は、６５０℃で約１３．６ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−１３．６ｋｃａｌ／ｍｏｌのΔＨ）を容易にし得る。ボッシュ反応におけるカーボンランプブラックの形成は、吸熱性であり、６５０℃で約１４７．５ｋｃａｌ／ｍｏｌを消費する（すなわち、ΔＨは、＋１４７．５ｋｃａｌ／ｍｏｌである）。ボッシュ反応におけるカーボンランプブラックの形成は、吸熱性であり、６５０℃で約１４７．５ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー入力（すなわち、約＋１４７．５ｋｃａｌ／ｍｏｌのΔＨ）を利用する。反応式１のボッシュ反応は、次の反応式に従って、２つの段階に分けられ得る。
ＣＯ２＋Ｈ２←→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  （２）
ＣＯ＋Ｈ２←→Ｃ（ｓ）＋Ｈ２Ｏ   （３）
反応式２で示されるボッシュ反応の第１の段階において、ＣＯ２は、Ｈ２と反応して、吸熱反応でＣＯおよびＨ２Ｏを作成する。吸熱反応は、６５０℃で、約８．４７ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー入力を利用し得る。反応式３で示されるボッシュ反応の第２の段階において、ＣＯは、Ｈ２と反応して、発熱反応で固体炭素およびＨ２Ｏを形成する。限定的でない例としてＣＮＴを形成するために使用される場合、発熱反応は、６５０℃で約３３．４ｋｃａｌ／ｍｏｌ（１．１６×１０４ジュール／グラムＣ（ｓ））の熱エネルギー出力を容易にし得る。他の固体炭素生成物（例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン等）についてのΔＨ値は、特定の固体炭素生成物についての反応式１のΔＨ値と、反応式２のΔＨ値のとの差によって決定され得る。発熱反応は、化学量論的量の反応物質によって、または過剰量のＣＯ２およびＨ２のうちの１つによって起こり得る。
【００３１】
いくつかの実施形態において、ボッシュ反応による固体炭素の形成は、次の反応式に従うＢｏｕｄｏｕａｒｄ反応（すなわち、酸化還元反応）による、少なくとも一部分のＣＯの、固体炭素およびＣＯ２への不均化によって増大され得る。
２ＣＯ←→ＣＯ２＋Ｃ（ｓ）  （４）
Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、約７００℃以下の温度で発熱性であり得る。限定的でない例として、ＣＮＴを形成するために使用される場合、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、６５０℃で約４１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−４１．９ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱の形成（ΔＨ））を容易にし得る。別の限定的でない例として、グラファイトを形成するために使用される場合、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、６５０℃で約４０．８ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−４０．８ｋｃａｌ／ｍｏｌのΔＨ）を容易にし得る。さらにまた別の限定的でない例として、バックミンスターフラーレンを形成するために使用される場合、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、６５０℃で約３０．５ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力（すなわち、約−３０．５ｋｃａｌ／ｍｏｌのΔＨ）を容易にし得る。低温では、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応は、負のギブス自由エネルギー（ΔＧ）を有し得、固体炭素およびＣＯ２の生成は、自然に起こり得る。より高い温度では、Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応のΔＧは、正になり得、よって、逆反応が自然に起こり得る。ΔＧがゼロである温度（すなわち、それを超える温度では逆Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応が自然に起こり、それ未満であれば正Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応が自然に起こる温度）は、生成される炭素の形態に依存し得る。限定的でない例として、バックミンスターフラーレンの場合は約４５０℃で、または、ＣＮＴの場合は約７００℃で、ΔＧがゼロに等しくなり得る。故に、反応条件は、正Ｂｏｕｄｏｕａｒｄ反応を容易にするように調整され得る（例えば、温度は、約７００℃未満に維持され得る）。
【００３２】
追加的な実施形態において、反応器１０６は、次の反応式に従って、ＣＯ２とメタン（ＣＨ４）との還元反応から固体炭素およびＨ２Ｏを形成するように構成され、動作し得る。
ＣＯ２＋ＣＨ４←→２Ｃ（ｓ）＋２Ｈ２Ｏ  （５）
反応式５は、発熱性であり得、標準状態（２５℃）で、約３．６５ｋｃａｌ／ｍｏｌの熱エネルギー出力を容易にし得る。上の反応式１〜反応式５で示される反応のうちの１つまたは複数は、例えば反応器１０６の、反応ゾーン中で起こり得る。
【００３３】
反応器１０６は、少なくとも１つの触媒材料を含み得る。本明細書で使用されるとき、「触媒材料」という用語は、加熱された供給源ガスストリーム１０５の２つ以上の成分からの固体炭素材料の形成に触媒作用を及ぼす任意の材料を意味し、含む。触媒材料は、反応式２、３、４、および５のうちの少なくとも１つの反応速度を速め得る。より速い反応速度は、固体炭素材料がより小さいサイズを有すること（例えば、より小さい直径のＣＮＴ）を可能にし得、一方で、より遅い反応速度は、固体炭素材料がより大きいサイズを有すること（例えば、より大きい直径のＣＮＴ）を可能にし得る。触媒材料はまた、反応器１０６がより低い温度で動作することも可能にし得る。触媒材料は、特別な調製（例えば、酸洗浄）を伴って、または伴わずに利用され得る。
【００３４】
限定的でない例として、触媒材料は、元素周期表の２族（例えば、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム）、３族（例えば、スカンジウム、イットリウム、ランタニド、アクチニド）、４族（例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム）、５族（例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル）、６族（例えば、クロム、モリブデン、タングステン）、７族（例えば、マンガン、レニウム）、８族（例えば、鉄、ルテニウム、オスミウム）、９族（例えば、コバルト、ロジウム、イリジウム）、１０族（例えば、ニッケル、パラジウム、プラチナ）、１１族（例えば、銅、銀、金）、１２族（例えば、亜鉛、カドミウム）、１３族（例えば、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、タリウム）、１４族（例えば、シリコン、ゲルマニウム、スズ、鉛）、または、１５族（例えば、ヒ素、アンチモン、ビスマス）の元素、それらの酸化物、それらの炭化物、それらの合金、またはそれらの組み合わせを含み得る。触媒材料は、例えば、金属ダスティングを受けることが知られている金属を含み得る。いくつかの実施形態において、触媒材料は、元素周期表の５族〜１０族から選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００３５】
種々のグレードの触媒材料が使用され得る。触媒材料は、例えば、鉄、クロム、モリブデン、コバルト、タングステン、またはニッケルを含有する合金または超合金のグレードであり得る。そのような材料は、インコネル（登録商標）の商品名で、Ｎｅｗ  Ｈａｒｔｆｏｒｄ、Ｎｅｗ  ＹｏｒｋのＳｐｅｃｉａｌ  Ｍｅｔａｌｓ  Ｃｏｒｐ．，から、またはハステロイ（登録商標）（例えば、ハステロイ（登録商標）Ｂ−２、ハステロイ（登録商標）Ｂ−３、ハステロイ（登録商標）Ｃ−４、ハステロイ（登録商標）Ｃ−２０００、ハステロイ（登録商標）Ｃ−２２、ハステロイ（登録商標）Ｃ−２７６、ハステロイ（登録商標）Ｇ−３０、ハステロイ（登録商標）Ｎ、またはハステロイ（登録商標）Ｗ）の商品名で、Ｋｏｋｏｍｏ、ＩｎｄｉａｎａのＨａｙｎｅｓ  Ｉｎｔ'ｌ，Ｉｎｃ．，から等、数多くの供給源から市販されている。鋼を含む鉄合金は、アルファ鉄（オーステナイト）、ガンマ鉄、およびデルタ鉄を含む、種々の鉄の同素体を含み得る。いくつかの実施形態において、触媒材料は、鉄含有合金を含むが、鉄は、アルファ相ではない。
【００３６】
限定的でない例として、触媒材料は、低クロムステンレス鋼、鋼、および鋳鉄（例えば、白鋳鉄）のうちの少なくとも１つを含み得る。触媒材料は、約２２重量パーセント（重量％）以下のクロム、および約１４重量％以下のニッケル（例えば、約８重量％以下のニッケル等）を含み得る。いくつかの実施形態において、触媒材料は、３１６Ｌステンレス鋼を含む。３１６Ｌステンレス鋼は、約１６重量％のクロム〜約１８．５重量％のクロム、および約１０重量％のニッケル〜約１４重量％のニッケルを含む。３１６Ｌステンレス鋼は、３０４ステンレス鋼等の他のタイプのステンレス鋼と比較して、比較的高い反応速度を達成し得る。３１６Ｌステンレス鋼の使用は、固体炭素の複数のモルフォロジ（例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、煤煙、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ、ダイヤモンド等）の形成を容易にし得る。反応条件（例えば、温度、圧力等）は、固体炭素の１つまたは複数の所望のモルフォロジを形成するように制御され得る。反応器１０６の構造材料等の別の目的の場合、反応器１０６（および／または固体炭素生成システム１００の他の構成要素）には、３０４ステンレス鋼等の、比較的より低い固体炭素形成速度（例えば、より低いＣＮＴ形成速度）を呈するグレードのステンレス鋼が利用され得る。
【００３７】
いくつかの実施形態において、触媒材料は、少なくとも部分的に酸化した金属材料（例えば、錆のある鋼等の、錆びのある金属）を含み得る。酸化金属は、上の反応式１、４、および５のうちの少なくとも１つを通しての固体炭素の形成前および／または形成中に、還元反応を通して形成され得る。特定の理論に束縛されるものではないが、酸化物の除去は、触媒材料の表面に空隙または凸凹を残し、触媒材料の全表面積を増加させると考えられる。
【００３８】
触媒材料は、固体構造（例えば、ウエハ、円筒、板、シート、箔、粉末、ショット、グリット、ウール、細断ウール、球、ペレット、繊維等）、および別の構造上の少なくとも部分的な被覆（例えば、反応器１０６内で、ウエハ、円筒、板、シート、箔、粉末、ショット、グリット、ウール、裁断ウール、球、ペレット、繊維等の不活性基材構造上に堆積された、触媒材料の粒子）のうちの少なくとも１つとして、反応器１０６内（例えば、反応器１０６の反応ゾーン内）に提供され得る。触媒材料は、随意に、固体担体構造（例えば、セラミック担体構造、金属担体構造等）を使用することなく、反応器１０６内に提供され得る。固体担体構造を使用することなく、触媒材料を反応器内に提供することは、例えば、反応器１０６の構成を簡略化し、コストを低減させ得る。
【００３９】
いくつかの実施形態において、触媒材料は、複数のナノ粒子として反応器１０６内に提供され得る。本明細書で使用されるとき、「ナノ粒子」という用語は、約５００ｎｍ以下の平均粒径を有する任意の粒子を意味し、含む。ナノ粒子は、約５００ｎｍ以下の平均結晶粒径を有する触媒材料の結晶粒を含む。触媒材料のナノ粒子は、還元反応（例えば、ボッシュ反応）が進行するときに、炭素酸化物および還元材料と接触する触媒材料の表面積を増加させるように構成され得る。触媒材料は、反応器１０６内に固定（例えば、反応器１０６内の少なくとも１つの表面に結合）され得るか、または該反応器内を移動し得る（反応器１０６内の表面に結合されない）。いくつかの実施形態では、触媒材料の一部分が反応器１０６内を移動し得、触媒材料の別の一部分が反応器１０６に固定され得る。
【００４０】
触媒材料は、反応器１０６内で、例えば、触媒材料および少なくとも１つの溶媒（例えば、水）を含む触媒溶液を、（例えば、噴霧ノズルにより）反応器１０６中へ導入すること（注入すること、噴霧ノズルを通して噴霧すること、静電噴霧すること、回転付属具の表面から溶液を散布すること）、および溶媒を蒸発させ、触媒材料を形成するために触媒溶液を加熱することによって提供され得る。追加的な実施形態において、触媒材料は、少なくとも１つの触媒前駆体の分解により反応器１０６内に提供され得る。触媒前駆体は、触媒前駆体の分解温度が、反応器１０６内の温度未満であるように選択され得る。
【００４１】
反応器１０６への導入に応じて、触媒前駆体は、分解して、触媒材料を形成し得る。限定的でない例として、触媒前駆体は、触媒前駆体溶液を形成するために、溶媒（例えば、水）中に溶解され得る。触媒前駆体溶液は、反応器１０６中へ供給（例えば、噴霧）され、分解温度まで加熱されて、触媒材料を形成し得る。触媒材料をその場で形成することは、触媒材料のサイズを制御し得る（例えば、触媒材料の粒子または結晶粒を、小さい均一なサイズに保ち得る）。
【００４２】
さらに追加的な実施形態において、触媒材料は、キャリアガス中に粉末形態で同伴され得、反応器１０６中へ導入され得る。粉末は、触媒材料の粉砕および篩分けプロセスから形成され得、触媒材料の結晶粒（例えば、ナノ粒子）のサイズ均一性を高め得る。所望であれば、触媒材料は、触媒材料が表面に結合または連結するように表面を十分に加熱することによって、反応器１０６内の少なくとも１つの表面に提供される。表面は、反応器１０６と一体化され得るか、または反応器１０６とは別個であり得る。表面は、例えば、反応器１０６内に、少なくとも１つの構造（例えば、板、円筒、ペレット、球等）の表面を含み得る。１つまたは複数の実施形態において、触媒材料は、高陰圧（例えば、約１．３３×１０−４パスカル〜約１．３３×１０−６パスカル）および高温（例えば、約９００℃〜約１３００℃）で、真空堆積プロセスにより、反応器１０６内の表面に形成され得る。
【００４３】
触媒材料の組成、平均結晶粒径、および平均粒界形状は、固体炭素材料の所望のモルフォロジ（例えば、形状およびサイズ）を達成するように調整され得る。固体炭素材料（例えば、ＣＮＴ）は、触媒材料の結晶粒から成長し得る（例えば、触媒材料の結晶粒は、核形成サイトとしての役割を果たし得る）。したがって、固体炭素材料のモルフォロジは、触媒材料の平均結晶粒径および平均粒界形状のそれぞれに関連し得る。触媒材料の結晶粒径と形成されたＣＮＴの直径との比率は、約１．２〜約１．６の範囲内であり得る。
【００４４】
特定の理論に束縛されるものではないが、触媒材料の結晶粒径とＣＮＴ直径との相関関係に関する１つの可能な理論的基礎は、Ｎａｓｉｂｕｌｉｎ他のＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｃａｔａｌｙｓｔ  ｐａｒｔｉｃｌｅ  ａｎｄ  ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｌｌｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒｓ，４３ＣＡＲＢＯＮ２２５１−５７（２００５）で開示されている。より小さい結晶粒径の触媒材料は、より小さい直径のＣＮＴを生成し得る。触媒材料の平均粒径は、触媒材料の化学的特性、および触媒材料を反応器１０６内の１つまたは複数の表面に形成する方法論（例えば、熱処理方法）の双方との関係によるものであり得る。
【００４５】
触媒材料の結晶粒は、結晶粒の全てが実質的に同じサイズである単分散であり得るか、または、結晶粒がある範囲のサイズを有しかつ平均される多分散であり得る。加えて、触媒材料の結晶粒は、それぞれが実質的に同じ結晶粒界形状を有するか、または触媒材料の結晶粒の少なくともいくつかが実質的に異なる結晶粒界形状を有し得る。結晶粒径および結晶粒界形状を含む、触媒材料の結晶粒分布は、当技術分野で知られている方法によって制御され得る。例えば、結晶粒径は、結晶粒の微細化または接種等によって、触媒材料の核形成を制御することによって制御され得る。
【００４６】
核形成を促進するための接種物としては、チタン、ホウ素、アルミニウムチタン（Ａｌ３Ｔｉ）、二ホウ化チタン（ＴｉＢ２）等が挙げられ得る。触媒材料の核形成はまた、パルスレーザ光の使用によって、例えばパルスを触媒に通過させる（そして、存在すれば、触媒前駆体に通過させる）ことによって、促進され得る。パルスレーザ光の使用は、少なくとも１つの触媒材料の結晶粒径の均一性を高め得る。
【００４７】
触媒材料の結晶粒構造は、従来の方法によって改質され得るが、本明細書では詳細に説明されない。限定的でない例として、少なくとも１つの触媒材料は、少なくとも１つの触媒材料を再結晶させるのに十分な温度まで加熱されて、ランダムに配向した複数の結晶粒を形成し得る。本明細書で使用されるとき、「再結晶」という用語は、少なくとも１つの触媒材料の結晶粒の成長に影響を及ぼすために、触媒材料（例えば、金属構造）が塑性的に変形、焼なまし、またはそうでなければ熱処理され得るプロセスを意味し、含む。
【００４８】
触媒材料はまた、触媒材料の結晶粒界形状および結晶粒径のうちの少なくとも１つを変化させるために、焼なましされ得る。限定的でない例として、触媒材料は、触媒材料をその再結晶温度を超える温度まで加熱し、ある期間にわたってその温度を維持し、次いで、触媒材料を冷却することによって、焼なましされ得る。結果として生じる結晶粒構造のサイズは、触媒材料の再結晶温度、および触媒材料が再結晶温度以上の温度に晒される時間の量に少なくとも依存し得る。加えて、再結晶温度からの急速冷却速度は、最大過冷却の増加、および核形成サイトの増加を促進し得、より小さい結晶粒径の触媒材料を可能にする。
【００４９】
反応器１０６内の触媒材料は、加熱された供給源ガスストリーム１０５への露出前に、予め調整され得る。限定的でない例として、触媒材料は、不活性キャリアガス中で加熱され得る。不活性キャリアガス中で触媒材料を加熱することは、例えば、単層ＣＮＴの特定のキラリティーの成長を促進し得る（例えば、ヘリウムは、金属特性を有するキラリティーの成長を促進することが知られている）。
【００５０】
多種多様な反応器構成は、加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分からの固体炭素材料の形成を容易にし得る。反応器１０６は、炭素酸化物および還元材料に対する触媒材料の露出表面積を増加させるように構成され、動作し得る。反応器１０６はまた、触媒材料からの固体炭素材料のエルトリエーションまたは剥離を可能にするようにも構成され得、反応器１０６の実質的に連続した動作を容易にする。反応器１０６は、バッチ反応器であってもよく、または連続反応器であってもよい。限定的でない例として、反応器１０６は、エアロゾル反応器および流動床反応器のうちの１つであり得る。
【００５１】
例えば、反応器１０６がエアロゾル反応器である場合、反応器１０６は、上で説明される触媒材料がガス相で反応器１０６内に分布するように、および／または触媒材料が反応器１０６内の少なくとも１つの表面に堆積するように構成され、動作し得る。エレクトロスプレーは、触媒材料をエアロゾル反応器中へ導入するための有効な方法であり得る。エレクトロスプレーは、触媒材料溶液を、触媒材料の個々の粒子を形成し得る小さい液滴に分離させるために、クーロン力を使用し得る。エレクトロスプレーは、持続的な粒子の分離を容易にし得、かつ、（例えば、静電集塵機を使用して）固体炭素材料の採取がより容易であるように、その後に形成される固体炭素材料を帯電させ得る。エアロゾル反応器内の触媒材料の分布は、触媒材料上の固体炭素材料の成長、およびその後の反応器１０６からの固体炭素材料の輸送の双方を容易にし得る。
【００５２】
例えば、反応器１０６が流動床反応器である場合、反応器１０６は、上で説明される触媒材料が、触媒材料の粒子として、または流動床反応器内の他の粒子（例えば、鋼球）への触媒材料の被覆として、反応器１０６内に分布するように構成され、動作し得る。固体炭素材料は、例えば、触媒材料上で成長され、流動床反応器中でエルトリエーションされ、反応ガス中に同伴されて流動床反応器から輸送され得る。流動床反応器は、触媒材料を保持し得、一方で、固体炭素材料を反応ガス流中に同伴させ、所望のサイズ（例えば、所望のＣＮＴ長さ）に到達した時点で流動床反応器からロフトさせることを可能にする。そのような制御は、流動床反応器の形状および流動床反応器を通るガス流速の制御のうちの少なくとも１つを通して達成され得る。追加的な実施形態では、触媒材料の粒子および／または触媒材料で被覆された他の粒子が流動床反応器から取り出され得、その後に、固体炭素材料が触媒材料から取り出され得る。
【００５３】
１つまたは複数の実施形態において、流動床反応器内の粒子（例えば、触媒材料の粒子または触媒材料で被覆された別の材料の粒子）は、実質的に均一な直径であり得る。粒子の直径は、流動床反応器の構成、反応器を通るガスの流速、ならびに触媒材料、加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分、および利用される任意の不活性キャリアガスのうちの１つまたは複数についての化学特性（例えば、密度）、のうちの少なくとも１つに基づいて選択され得る。粒子の直径は、触媒材料の、反応ガスとの同伴を防止するように、および流動床反応器の粒子を通る加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分のチャネリングを回避するように選択され得る。粒子を通る均一な流れパターンを提供して、粒子を通るチャネリングの防止を支援するために、加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分が通過し得る、ディフューザまたはスパージャーが用いられ得る。
【００５４】
触媒材料の固体ウエハ等の、触媒材料の固体構造を使用した場合、固体炭素材料は、一連の型で成長し得る。限定的でない例として、ＣＮＴは、上で参照することにより本明細書にその全体が組み込まれた、米国特許出願第１３／２６３，３１１号、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  ｂｙ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ」で説明されるように、凝集塊、ピロー、フォレスト、繊維、パイル等を形成し得る。加えて、触媒材料を製造物（すなわち、別の構造）上に被覆する場合、製造物の表面全体を固体炭素材料で均一に覆う必要はない。例えば、固体炭素材料の形成は、製造物の表面に沿った選択場所での固体炭素材料の形成を促進するために、マスキングによって、または少なくとも触媒材料を製造物上に選択的に堆積させることによって、製造物の表面に沿った１つまたは複数の領域に制限することができる。
【００５５】
触媒材料の存在下で、炭素酸化物および還元材料の反応によって形成される固体炭素材料の物理的性質は、随意に、反応器１０６から固体炭素材料を取り出す前に改質され得る。限定的でない例として、所望であれば、固体炭素材料の物理的性質を改質するために、固体炭素材料の形成中に、少なくとも１つの改質剤（例えば、アンモニア、チオフェン、窒素ガス、および／または過剰水素）が反応器１０６に導入され得る。例えば、過剰水素は、固体炭素材料の水素化をもたらし得、固体炭素材料の半導体種のかなりの収率をもたらす。加えて、少量の他の改質剤（例えば、硫黄）は、触媒材料上の固体炭素材料の成長を迅速化する触媒促進剤としての役割を果たし得る。そのような触媒促進剤は、様々な化合物を使用して反応器１０６中へ導入され得る。
【００５６】
例えば、鉄系触媒材料のための触媒促進剤として硫黄を選択した場合、硫黄は、チオフェンガスとして、またはチオフェン液滴として反応器１０６中へ導入され得る。硫黄含有触媒促進剤の例としては、チオフェン、硫化水素、複素環スルフィド、および無機硫化物が挙げられる。他の促進剤としては、鉛化合物およびビスマスが挙げられる。改質剤は、例えば、改質剤を含有する別個のストリーム（図示せず）を反応器１０６中へ送達することによって、反応器１０６中へ導入され得る。改質剤はまた、加熱された供給源ガスストリーム１０５の成分としても反応器１０６中へ導入され得る。
【００５７】
反応器１０６の動作温度は、触媒材料の組成および触媒材料の平均結晶粒径に少なくとも部分的に依存し得る。例えば、小さい粒径を有する触媒材料は、全般的に、より大きい粒径を有する同じ触媒材料よりも低い温度で、最適な反応温度を呈する。限定的でない例として、ボッシュ反応は、鉄系触媒の場合、使用する鉄系触媒の結晶粒径および組成、ならびに固体炭素材料の所望の形態に応じて、約４００℃〜約８００℃の範囲内の温度で起こり得る。全般に、グラファイトおよびアモルファス固体炭素は、より低い温度で形成し、ＣＮＴは、より高い温度で形成する。ＣＮＴは、約６８０℃を超える温度で形成し得る。少なくともいくつかの実施形態において、反応器１０６の動作温度は、約６５０℃以上である。
【００５８】
反応器１０６は、反応器１０６に進入する加熱された供給源ガスストリーム１０５の温度、および１つまたは複数の一体化された加熱デバイス（例えば、火炎点火加熱器、電気抵抗加熱器、誘導加熱器、電磁加熱器等）によって、所望の動作温度に維持され得る。熱交換器１０２および加熱器１０４は、選択された動作温度に反応器１０６を維持するのに必要な加熱負荷を低減させ得る。全般に、固体炭素材料を形成するための還元反応は、約１４ｐｓｉ（すなわち、約１×１０５パスカル）〜約１．４５×１０５ｐｓｉ（すなわち、約１×１０９パスカル）、または約１４ｐｓｉ（すなわち、約１×１０５パスカル）〜約６００ｐｓｉ（すなわち、約４．１４×１０６パスカル）の範囲等の、広範囲にわたる圧力で進行し得る。圧力を増加させれば、反応速度が増加し得る。反応器１０６内の滞留時間は、約１×１０−４〜約１×１０４秒の範囲内、例えば約１×１０−３秒〜約１０００秒、または約０．０１秒〜約５００秒であり得る。反応器１０６中の滞留時間は、１つまたは複数の力（例えば、重力、電磁力、遠心力等）によって、少なくとも部分的に制御され得る。
【００５９】
図２の参照を続けると、固体炭素材料（例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ等）を含む反応生成物ストリーム１０８は、反応器１０６を出ることができ、そして分離器１１０中へ方向付けられ得る。分離器１１０は、反応生成物ストリーム１０８の追加的な材料（例えば、ガス状Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２）から、反応生成物ストリーム１０８の固体炭素材料を分離するまたは取り出すように構成され、動作する、任意の既知のデバイスまたは装置であり得る。反応生成物ストリーム１０８から固体炭素材料を取り出すために利用される分離器１１０は、反応器１０６の構成に依存し得る。限定的でない例として、反応器１０６がエアロゾル反応器または流動床反応器である場合、分離器１１０は、静電集塵器、熱泳動収集器、遠心分離デバイス、および濾過デバイスのうちの少なくとも１つであり得る。加えて、熱交換器１０２および加熱器１０４と同様に、分離器１１０は、金属ダスティングに対して高い耐性を呈する金属および合金のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含み得る。いくつかの実施形態において、分離器１１０の少なくとも一部分（例えば、反応生成物ストリーム１０８と相互作用している部分）は、Ｋａｎｔｈａｌ  ＡＰＭおよびインコネル（登録商標）合金６９３のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含む。
【００６０】
追加的な実施形態では、反応生成物ストリーム１０８を分離器１１０中へ方向付ける前に、水および蒸気のうちの少なくとも１つが、随意に、反応生成物ストリーム１０８中へ導入され得る。水および蒸気のうちの少なくとも１つを反応生成物ストリーム１０８中へ導入することは、分離器１１０中の、および分離器の下流の構成要素（例えば、熱交換器１０２、加熱器１０４等）中の金属ダスティングを実質的に低減または排除するように、反応生成物ストリーム１０８を冷却し得、また、炭素活量を低減させ得る。
【００６１】
反応生成物ストリーム１０８が、触媒材料（例えば、触媒材料の固体構造、別の構造上の触媒材料の粒子、またはそれらの組み合わせ）を含む場合、固体炭素材料は、触媒材料の表面から取り出され（例えば、削り取られ、洗い取られ）得る。少なくともいくつかの実施形態において、分離器１１０は、サイクロン分離器である。固体炭素材料は、実質的な冷却の前に、反応生成物ストリーム１０８から取り出され得る。冷却する前に反応生成物ストリーム１０８から炭素材料を取り出すことは、炭素材料上の望ましくないモルフォロジの堆積または成長を低減させ得る。追加的な実施形態において、反応生成物ストリーム１０８は、分離器１１０中への送達の前に熱エネルギーを再捕捉するために、少なくとも１つの熱交換器（図示せず）を通過し得る。固体炭素材料は、固体炭素生成物ストリーム１１２として分離器１１０を出ることができ、所望に応じて利用され得る。
【００６２】
追加的な材料は、高温副ストリーム１１４として分離器１１０を出ることができ、熱交換器１０２中へ方向付けられ得る。上で説明されるように、熱交換器１０２内で、加熱された供給源ガスストリーム１０５を形成するために、高温副ストリーム１１４は、熱を供給源ガスストリーム１０１へと伝達させ得る。液体Ｈ２Ｏおよび追加的な材料（例えば、ガス状Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２）のうちの１つまたは複数を含む、冷却された副ストリーム１１６は、熱交換器１０２を出ることができ、所望に応じて利用または廃棄され得る。いくつかの実施形態において、冷却された副ストリーム１１６および高温副ストリーム１１４のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分は、供給源ガスストリーム１０１、加熱された供給源ガスストリーム１０５、および反応器１０６のうちの少なくとも１つの中へ再循環され得る。冷却された副ストリーム１１６および高温副ストリーム１１４のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分を再循環させることは、例えば、反応器１０６内の水の分圧を制御するために使用され得る。
【００６３】
反応器１０６内の水の分圧は、反応器１０６内の所望のモルフォロジの固体炭素（例えば、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、煤煙、繊維状炭素、バックミンスターフラーレン、単層ＣＮＴ、多層ＣＮＴ、ダイヤモンド等）を形成するために、および固体炭素形成の動力学を制御するために制御され得る。例えば、反応器１０６内の水の分圧を変化させることは、反応器１０６内の炭素活量（Ａｃ）を変化させ得る。いかなる特定の理論にも束縛されるものではないが、炭素活量（Ａｃ）は、固体炭素のどの同素体が特定の反応条件（例えば、温度、圧力、反応物質、濃度）の下で形成されるのかを決定するためのメトリックであると考えられる。例えば、より高い炭素活量は、ＣＮＴの形成をもたらし得、かつ、より低い炭素活量は、固体炭素の黒鉛型の形成をもたらし得る。ガス状反応物質から固体炭素を形成する反応のための炭素活量は、反応平衡定数にガス状生成物の分圧を掛けて、反応物質の分圧で割ったものとして定義することができる。例えば、Ｋの反応平衡定数を有する反応
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において、炭素活量Ａｃは、Ｋ・（ＰＣＯ・ＰＨ２／ＰＨ２Ｏ）として定義される。したがって、Ａｃは、ＣＯおよびＨ２の分圧に正比例し、かつＨ２Ｏの分圧に反比例する。より高いＰＨ２Ｏは、ＣＮＴ形成を阻害し得る。この反応の炭素活量はまた、モル分率および全圧に関しても表され得る。Ａｃ＝Ｋ・ＰＴ（ＹＣＯ・ＹＨ２／ＹＨ２Ｏ）、式中、ＰＴは、全圧であり、Ｙは、種のモル分率である。反応平衡定数は、全般的に、温度によって変動するので、炭素活量は、温度によって変動し得る。炭素活量はまた、消費されるモル数とは異なるモル数のガスが生成される反応の全圧によっても変動する。固体炭素の同素体の混合物およびそのモルフォロジは、反応器１０６中の触媒材料および反応ガスの炭素活量を変えることによって達成することができる。
【００６４】
追加的な実施形態では、冷却された副ストリーム１１６の温度をさらに制御するために（例えば、冷却された副ストリーム１１６中の任意の残留ガス状Ｈ２Ｏを液体Ｈ２Ｏに凝縮するために）、少なくとも１つの追加的な熱交換器（例えば、凝縮器）が、熱交換器１０２の下流に提供され得る。追加的な実施形態では、高温副ストリーム１１４および供給源ガスストリーム１０１のうちの少なくとも１つの流速を制御するために、およびその熱交換速度を調節するために、少なくとも１つの流量制御デバイス（図示せず）が、熱交換器１０２の入口および出口のうちの少なくとも１つの近くに位置付けられ得る。高温副ストリーム１１４を熱交換器１０２中へ送達することは、反応器１０６中へ（例えば、加熱された供給源ガスストリーム１０５および／または１つまたは複数の一体化された加熱デバイスにより）入力されかつ該反応器内で（例えば、上で説明される反応式３、４、および５の発熱還元反応のうちの少なくとも１つにより）発生する熱エネルギーの回収を容易にする。さらなる実施形態において、高温副ストリーム１１４は、熱交換器１０２中への送達の前に、高温副ストリーム１１４中の任意の粒子レベルを実質的に低減させるために、高温（例えば、セラミック）フィルタ等の、少なくとも１つの濾過ユニット（図示せず）を通過し得る。
【００６５】
以下、本開示の別の実施形態を、図３を参照して説明するが、図３は、固体炭素生成システム２００を概略的に例示する。図３の固体炭素生成システム２００は、図２の固体炭素生成システム１００と類似しているが、プロセス効率を増加させ得、および／または運転コストを低減させ得る、熱回収の変更を含む。図３で示されるように、（図２を参照して上で説明される）高温副ストリーム１１４は、分離器１１０を出ることができ、膨張タービン２０２中へ方向付けられ得る。高温副ストリーム１１４が固体材料（例えば、懸濁粒子）を含む場合等の、追加的な実施形態において、高温副ストリーム１１４は、膨張タービン２０２中へ送達される前に、高温（例えば、セラミック）フィルタ等の、少なくとも１つの追加的な分離デバイス（図示せず）を通過し得る。
【００６６】
膨張タービン２０２（例えば、蒸気タービン）は、仕事（すなわち、機械動力）を生成して、発電機２０４を駆動するために、高温副ストリーム１１４を使用し得る。発電機２０４によって発生した電力は、電力バス２０６に連結され得る。電力バス２０６からの電力は、固体炭素生成システム２００の１つまたは複数のデバイスまたは装置（例えば、種々のポンプ、種々の圧縮機、反応器１０６、加熱器１０４が電気加熱器である場合の加熱器１０４等）に少なくとも部分的に給電するため等の、所望に応じて利用され得る。追加的な実施形態において、膨張タービン２０２は、固体炭素生成システム２００の少なくとも１つの他のデバイスまたは装置（例えば、少なくとも１つのポンプ、少なくとも１つの圧縮機等）を直接駆動するために、機械的に連結され得る。
【００６７】
膨張タービンの排気２０８は、膨張タービン２０２を出ることができ、熱交換器１０２に方向付けられ得る。熱交換器１０２内で、膨張タービンの排気２０８は、冷却された副ストリーム１１６および加熱された供給源ガスストリーム１０５を形成するために、供給源ガスストリーム１０１へと熱を伝達させ得る。追加的な実施形態では、膨張タービンの排気２０８および供給源ガスストリーム１０１のうちの少なくとも１つの流速を制御するために、およびその熱交換速度を調節するために、少なくとも１つの流量制御デバイス（図示せず）が、熱交換器１０２の入口および出口のうちの少なくとも１つの近くに位置付けられ得る。電力バス２０６から加熱器１０４に送達される発生した電力が、加熱器１０４が供給源ガスストリームの温度を所定の温度まで上昇させることを可能にするのに十分である場合等の、追加的な実施形態において、熱交換器１０２は、省略され得る。
【００６８】
以下、本開示の別の実施形態を、図４を参照して説明するが、図４は、固体炭素生成システム３００を概略的に例示する。図４の固体炭素生成システム３００は、図３の固体炭素生成システム２００と類似しているが、プロセス効率を増加させ得、および／または運転コストを低減させ得る、追加的な変更を含む。図４で示されるように、液体Ｈ２Ｏおよび種々のガス状成分（例えば、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２、ガス状Ｈ２Ｏ、ＣＨ４）を含み得る冷却された副ストリーム１１６は、熱交換器１０２を出ることができ、貯蔵容器３０２中へ方向付けられ得る。貯蔵容器３０２は、オフガス３０４として任意のガス状成分（例えば、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２、ガス状Ｈ２Ｏ、ＣＨ４）を吐出させ得る。追加的な実施形態において、冷却された副ストリーム１１６のガス状成分は、冷却された副ストリーム１１６が貯蔵容器３０２中へ送達される前に吐出され得る。さらに追加的な実施形態において、冷却された副ストリーム１１６の任意のガス状成分は、固体炭素生成システム３００中へ再循環され得る（例えば、外部供給源ガスストリーム３３２、供給源ガスストリーム１０１、および加熱された供給源ガスストリーム１０５のうちの少なくとも１つに送達され得る）。所望であれば、追加的な液体Ｈ２Ｏが、供給源水ストリーム３０６として貯蔵容器３０２に提供され得る。水ストリーム３０８は、貯蔵容器３０２を出ることができ、脱イオン化装置３１０に送達（例えば、ポンプで注入）され得る。脱イオン化装置３１０は、脱イオン水３１２を生成するために、水ストリーム３０８を脱イオン化し得る。実質的にいかなる固体炭素微粒子も脱イオン化装置３１０に進入しないことを確実にするために、少なくとも１つの濾過デバイス（例えば、逆浸透デバイス）が利用され得る。追加的な実施形態において、脱イオン化装置３１０は、省略され得る。
【００６９】
脱イオン水３１２は、脱イオン化装置３１０を出ることができ、随意に、少なくとも１つの予熱器３１６中へ方向付けられ得る。随意の予熱器３１６（例えば、燃焼加熱器、電気抵抗加熱器、誘導加熱器、電磁加熱器等）は、電解槽３１８の所望の動作温度に基づいて、脱イオン水３１２の温度を所定の温度まで上昇させ得る。脱イオン水３１２の温度を上昇させることは、電解槽３１８の電気負荷要求を低減させ得る。以下でさらに詳細に説明されるように、燃焼加熱器が随意の予熱器３１６として使用される場合、予熱器の燃料（例えば、Ｈ２、Ｏ２）は、その後の水の電気分解によって提供され得る。電気抵抗加熱器が随意の予熱器３１６として使用される場合、電気加熱器を動作させるための電力は、電力バス２０６から少なくとも部分的に供給され得る。加熱された脱イオン水ストリーム３１４（または、予熱器３１６が省略された場合の脱イオン水３１２、もしくは脱イオン化装置３１０および予熱器３１６の双方が省略された場合の水ストリーム３０８）は、予熱器３１６から電解槽３１８中へ方向付けられ得る。
【００７０】
電解槽３１８は、加熱された脱イオン水ストリーム３１４を、水素ガスストリーム３２０および酸素ガスストリーム３２２へと再生させ得る。水素ガスストリーム３２０は、電解槽３１８を出ることができ、圧縮され、水素貯蔵容器３２４中へ送達され得る。水素貯蔵容器３２４は、所望の量の水素を貯蔵し、混合器３３０の圧力よりも高い圧力等の所望の圧力を維持するように構成され、動作する、任意の貯蔵容器であり得る。酸素ガスストリーム３２２は、電解槽３１８を出ることができ、随意に、圧縮され、酸素貯蔵容器３２６中へ送達され得る。酸素貯蔵容器３２６は、所望の量の酸素を貯蔵し、所望の圧力を維持するように構成され、動作する、任意の貯蔵容器であり得る。追加的な実施形態において、水素ガスストリーム３２０および酸素ガスストリーム３２２は、単一の貯蔵容器（図示せず）中へ送達され得る。電解槽３１８、ならびに水素ガスストリーム３２０および酸素ガスストリーム３２２のうちの１つまたは複数を圧縮するために使用される少なくとも１つの圧縮機（図示せず）のうちの少なくとも１つを動作させるための電力は、電力バス２０６から少なくとも部分的に供給され得る。
【００７１】
水素貯蔵容器３２４の水素および酸素貯蔵容器１４４の酸素は、所望に応じて利用され得る。限定的でない例として、水素貯蔵容器３２４中の水素の少なくとも一部分は、供給源ガスストリーム１０１中の還元材料として使用され得る。例えば、図４で示されるように、流出水素ガスストリーム３２８は、水素貯蔵容器３２４を出ることができ、混合器３３０中へ送達され得る。混合器３３０内では、上で図２を参照して本明細書で説明される供給源ガスストリーム１０１を形成するために、流出水素ガスストリーム３２８を、外部供給源ガスストリーム３３２と混合または組み合わせ得る。外部供給源ガスストリーム３３２は、少なくとも１つの炭素酸化物（例えば、ＣＯ２、ＣＯ）を含み得、また随意に、少なくとも１つの還元材料（例えば、Ｈ２、ＣＨ４等のガス状炭化水素等）を含み得る。したがって、流出水素ガスストリーム３２８は、供給源ガスストリーム１０１の還元材料の単一の供給源としての役割を果たし得るか、または供給源ガスストリーム１０１の還元材料の追加的な供給源としての役割を果たし得る。
【００７２】
さらに追加的な実施形態において、水素貯蔵容器３２４中の水素および酸素貯蔵容器３２６中の酸素のうちの少なくとも１つは、固体炭素生成システム３００の少なくとも１つのストリームを加熱するために利用され得る。限定的でない例として、図４で示されるように、予熱器３１６が燃焼加熱器である場合、水素貯蔵容器３２４からの水素３３４および酸素貯蔵容器３２６からの酸素３３６のうちの少なくとも１つは、脱イオン水３１２を効率的に加熱し、かつ加熱された脱イオン水ストリーム３１４を形成するために、予熱器３１６中へ受け取られ得、燃焼反応を起こし得る。燃焼反応の生成物は、Ｈ２Ｏであり、それは、追加的な熱交換器を必要とすることなく、固体炭素生成システム３００中へ再循環され（例えば、電解槽３１８中へ方向付けられ）得る。水素貯蔵容器３２４中の水素および酸素貯蔵容器３２６中の酸素のうちの少なくとも１つは、加熱された供給源ガスストリーム１０５が反応器１０６中へ送達される前に、加熱された供給源ガスストリーム１０５を（例えば、加熱器１０４により）さらに加熱するのと類似した様式で使用され得る。上で説明されるように水素貯蔵容器３２４中の水素および酸素貯蔵容器３２６中の酸素のうちの少なくとも１つを利用することは、熱エネルギーの直接的な活用を可能にすることによって、固体炭素生成システム３００の電力要求を好都合に低減させる。
【００７３】
以下、本開示の別の実施形態を、図５を参照して説明するが、図５は、固体炭素生成システム４００を概略的に例示する。図５の固体炭素生成システム４００は、図２の固体炭素生成システム１００と類似しているが、プロセス効率を増加させ得、および／または運転コストを低減させ得る、追加的な熱回収の変更を含む。図５で示されるように、Ｈ２Ｏおよび１つまたは複数の追加的な材料（例えば、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＨ４、他の還元材料等）を含み得る、高温副ストリーム１１４は、分離器１１０を出ることができ、第１の熱交換器４０２中へ方向付けられ得る。高温副ストリーム１１４が固体材料（例えば、触媒材料の懸濁粒子）を含む場合等の、追加的な実施形態において、高温副ストリーム１１４は、第１の熱交換器４０２中へ送達される前に、高温（例えば、セラミック）フィルタ等の、少なくとも１つの追加的な分離デバイス（図示せず）を通過し得る。
【００７４】
第１の熱交換器４０２は、一方の流体またはガスからもう一方の流体に熱を交換するための、当技術分野で知られている任意の好適な装置またはデバイスであり得る。限定的でない例として、第１の熱交換器４０２は、高温副ストリーム１１４を冷却し、一方で、高圧蒸気４０６を生成するために交換流体４０４を蒸発させるように機能する、伝熱式熱交換器（例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器）であり得る。交換流体４０４は、高温副ストリーム１１４から熱が効率的に回収され、かつ膨張タービン４０８が効率的に動作し得るように選択され得る。
【００７５】
少なくともいくつかの実施形態において、交換流体４０４は、液体Ｈ２Ｏ（すなわち、水）であり、高圧蒸気４０６は、高圧ガス状Ｈ２Ｏ（すなわち、高圧蒸気）である。第１の熱交換器４０２の出口を出る高圧蒸気４０６は、約３００℃以上の温度であり得る。高圧蒸気４０６は、下で説明されるように、膨張タービン４０８中へ送達され得る。追加的な実施形態において、交換流体４０４は、第１の熱交換器４０２での加熱の後に、（例えば、高温、高圧の交換流体として）実質的に液相のままであり得、膨張タービン４０８中への送達時に、高圧蒸気４０６に蒸発し得る。交換流体で冷却された副ストリーム４１０は、第１の熱交換器４０２の別の出口を出ることができ、第２の熱交換器４１２中へ方向付けられ得る。交換流体で冷却された副ストリーム４１０が固体材料（例えば、触媒材料の懸濁粒子）を含む場合等の、追加的な実施形態において、交換流体で冷却された副ストリーム４１０は、第２の熱交換器４１２に送達される前に、少なくとも１つの追加的な分離デバイスを通過し得る。
【００７６】
第２の熱交換器４１２は、図２を参照して上で説明される熱交換器１０２と、実質的に類似し得る。第２の熱交換器４１２は、冷却された副ストリーム１１６および加熱された供給源ガスストリーム１０５を形成するために、交換流体で冷却されたストリーム４１０から供給源ガスストリーム１０１へと熱を伝達させ得る。追加的な実施形態では、交換流体で冷却されたストリーム４１０および供給源ガスストリーム１０１のうちの少なくとも１つの流速を制御するために、およびその熱交換速度を調節するために、少なくとも１つの流量制御デバイス（図示せず）が、第１の熱交換器４１２の入口および出口のうちの少なくとも１つの近くに位置付けられ得る。
【００７７】
膨張タービン４０８（例えば、蒸気タービン）は、第１の熱交換器４０２から高圧蒸気４０６を受け取り得、かつ、仕事（すなわち、機械動力）を生成して、発電機４１４を駆動するために、高圧蒸気４０６を使用し得る。発電機４１４によって発生した電力は、電力バス４１６に連結され得る。電力バス４１６からの電力は、固体炭素生成システム４００の１つまたは複数のデバイスまたは装置（例えば、種々のポンプ、種々の圧縮機、反応器１０６、加熱器１０４が電気抵抗加熱器等である場合の加熱器１０４等）に少なくとも部分的に給電するため等の、所望に応じて利用され得る。追加的な実施形態において、膨張タービン４０８は、固体炭素生成システム４００の少なくとも１つの他のデバイスまたは装置（例えば、少なくとも１つのポンプ、少なくとも１つの圧縮機等）を直接駆動するために、機械的に連結され得る。膨張タービンの排気４１８は、再度交換流体４０４を形成するために、少なくとも１つの凝縮器４２０中で凝縮され得る。交換流体４０４は、ポンプ４２２中で加圧され得、かつ、追加的な熱エネルギー回収を容易にするために第１の熱交換器４０２中へ方向付けられ得る。交換流体４０４の組成は、（例えば、固体炭素生成システム４００の熱回収効率を維持するために）高温副ストリーム１１４の温度および膨張タービンの排気４１８の温度のうちの少なくとも１つの変化に応じて、随意に、改質され得る。
【００７８】
以下、本開示の別の実施形態を、図６を参照して説明するが、図６は、固体炭素生成システム５００を概略的に例示する。図６の固体炭素生成システム５００は、図５の固体炭素生成システム４００と類似しているが、プロセス効率を増加させ得、および／または運転コストを低減させ得る、追加的な変更を含む。図６で示されるように、冷却された副ストリーム１１６は、熱交換器１０２を出ることができ、貯蔵容器５０２中へ方向付けられ得る。貯蔵容器５０２は、オフガス５０４として任意のガス状成分（例えば、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２、ガス状Ｈ２Ｏ、ＣＨ４）を吐出させ得る。追加的な実施形態において、冷却された副ストリーム１１６の任意のガス状成分は、冷却された副ストリームが貯蔵容器５０２に送達される前に吐出され得る。さらに追加的な実施形態において、冷却された副ストリーム１１６の任意のガス状成分は、固体炭素生成システム４００中へ再循環され得る（例えば、外部供給源ガスストリーム５３２、供給源ガスストリーム１０１、および加熱された供給源ガスストリーム１０５のうちの少なくとも１つに送達され得る）。所望であれば、追加的な液体Ｈ２Ｏが、供給源水ストリーム５０６として貯蔵容器５０２に提供され得る。水ストリーム５０８は、貯蔵容器５０２を出ることができ、脱イオン化装置５１０に送達（例えば、ポンプで注入）され得る。脱イオン化装置５１０は、脱イオン水５１２を生成するために、水ストリーム５０８を脱イオン化し得る。追加的な実施形態において、脱イオン化装置５１０は、省略され得る。
【００７９】
脱イオン水５１２は、脱イオン化装置５１０を出て、随意に、少なくとも１つの予熱器５１６中へ方向付けられ得る。随意の予熱器５１６（例えば、燃焼加熱器、電気抵抗加熱器、誘導加熱器、電磁加熱器等）は、電解槽５１８の所望の動作温度に基づいて、脱イオン水５１２の温度を所定の温度まで上昇させ得る。脱イオン水５１２の温度を上昇させることは、電解槽５１８の電気負荷要求を低減させ得る。
【００８０】
下でさらに詳細に説明されるように、燃焼加熱器が随意の予熱器５１６として使用される場合、予熱器の燃料および酸素（例えば、Ｈ２、Ｏ２）の少なくとも一部分は、その後の水の電気分解によって提供され得る。電気抵抗加熱器が随意の予熱器５１６として使用される場合、電気加熱器を動作させるための電力は、電力バス４１６から少なくとも部分的に供給され得る。加熱された脱イオン水ストリーム５１４（または、予熱器５１６が省略された場合の脱イオン水５１２、もしくは脱イオン化装置５１０および予熱器５１６の双方が省略された場合の水ストリーム５０８）は、予熱器５１６から電解槽５１８中へ方向付けられ得る。
【００８１】
電解槽５１８は、加熱された脱イオン水ストリーム５１４を、水素ガスストリーム５２０および酸素ガスストリーム５２２へと再生させ得る。水素ガスストリーム５２０は、電解槽５１８を出ることができ、圧縮され、水素貯蔵容器５２４中へ送達され得る。水素貯蔵容器５２４は、所望の量の水素を貯蔵し、所望の圧力を維持するように構成され、動作する、任意の貯蔵容器であり得る。酸素ガスストリーム５２２は、電解槽５１８を出ることができ、随意に、圧縮され、酸素貯蔵容器５２６中へ送達され得る。酸素貯蔵容器５２６は、所望の量の酸素を貯蔵し、所望の圧力を維持するように構成され、動作する、任意の貯蔵容器であり得る。追加的な実施形態において、水素ガスストリーム５２０および酸素ガスストリーム５２２は、単一の貯蔵容器（図示せず）中へ送達され得る。電解槽５１８、ならびに水素ガスストリーム５２０および酸素ガスストリーム５２２のうちの１つまたは複数を圧縮するために使用される少なくとも１つの圧縮機（図示せず）のうちの少なくとも１つを動作させるための電力は、電力バス４１６から少なくとも部分的に供給され得る。
【００８２】
水素貯蔵容器５２４の水素および酸素貯蔵容器５４４の酸素は、所望に応じて利用され得る。限定的でない例として、水素貯蔵容器５２４中の水素の少なくとも一部分は、供給源ガスストリーム１０１中の還元材料として使用され得る。例えば、図６で示されるように、流出水素ガスストリーム５２８は、水素貯蔵容器５２４を出ることができ、混合器５３０中へ送達され得る。混合器５３０内では、上で図２を参照して本明細書で説明される供給源ガスストリーム１０１を形成するために、流出水素ガスストリーム５２８を、外部供給源ガスストリーム５３２と混合または組み合わせ得る。外部供給源ガスストリーム５３２は、少なくとも１つの炭素酸化物（例えば、ＣＯ２、ＣＯ）を含み得、また随意に、少なくとも１つの還元材料（例えば、Ｈ２、ＣＨ４等のガス状炭化水素等）を含み得る。したがって、流出水素ガスストリーム５２８は、供給源ガスストリーム１０１の還元材料の単一の供給源としての役割を果たし得るか、または供給源ガスストリーム１０１の還元材料の追加的な供給源としての役割を果たし得る。いくつかの実施形態において、流出水素ガスストリーム５２８の少なくとも一部分は、少なくとも１つの他の用途で使用するために、分流され得る。
【００８３】
さらに追加的な実施形態において、水素貯蔵容器５２４中の水素および酸素貯蔵容器５２６中の酸素のうちの少なくとも１つは、固体炭素生成システム５００の少なくとも１つのストリームを加熱するために利用され得る。限定的でない例として、図６で示されるように、予熱器５１６が燃焼加熱器である場合、水素貯蔵容器５２４からの水素５３４および酸素貯蔵容器５２６からの酸素５３６のうちの少なくとも１つは、脱イオン水５１２を効率的に加熱し、かつ加熱された脱イオン水ストリーム５１４を形成するために、予熱器５１６中へ受け取られ得、燃焼反応を起こし得る。燃焼反応の生成物は、Ｈ２Ｏであり、それは、追加的な熱交換器を必要とすることなく、固体炭素生成システム５００中へ再循環され（例えば、電解槽５１８中へ方向付けられ）得る。水素貯蔵容器５２４中の水素および酸素貯蔵容器５２６中の酸素のうちの少なくとも１つは、加熱された供給源ガスストリーム１０５が反応器１０６中へ送達される前に、加熱された供給源ガスストリーム１０５を（例えば、加熱器１０４により）さらに加熱するのと類似した様式で使用され得る。上で説明されるように水素貯蔵容器５２４中の水素および酸素貯蔵容器５２６中の酸素のうちの少なくとも１つを利用することは、熱エネルギーの直接的な活用を可能にすることによって、固体炭素生成システム５００の電力要求を好都合に低減させる。
【００８４】
以下、本開示の別の実施形態を、図７を参照して説明するが、図７は、固体炭素生成システム６００を概略的に例示する。図７の固体炭素生成システム６００は、図２の固体炭素生成システム１００と類似しているが、プロセス効率を増加させ得、および／または運転コストを低減させ得る、追加的な熱回収の変更を含む。図７で示されるように、固体炭素生成システム６００は、その中に配置される内部熱交換器６０４を有する、反応器６０２を含み得る。内部熱交換器６０４の包含を除いて、反応器６０２は、図２を参照して上で説明される反応器１０６と実質的に類似した手法で構成され、動作し得る。追加的な実施形態において、図７の固体生成システム６００は、反応器６０２の上に外部的に配置されて、それと接触する、熱交換器（図示せず）を含み得る。限定的でない例として、熱交換器は、反応器６０２の少なくとも一部分に巻き付けられ（例えば、コイル状に巻かれ）得る。熱交換器は、内部熱交換器６０４の代わりに（すなわち、内部熱交換器６０４の代替物として）、または内部熱交換器６０４と組み合わせて提供され得る。
【００８５】
内部熱交換器６０４は、反応器６０２内の高温反応ガス（例えば、反応器６０２内の反応生成物ストリーム１０８）から第１の交換流体６０６へと、熱（例えば、上で説明される発熱還元反応によって発生した熱等）を伝達させるように構成され、動作する、装置またはデバイスであり得る。限定的でない例として、内部熱交換器６０４は、シェルアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、プレートフィン熱交換器、螺旋状熱交換器、または他のタイプの任意の熱伝達装置であり得る。内部熱交換器６０４は、例えば、反応器６０２の長手方向軸（図示せず）に対して横断方向または軸方向に配向された管（図示せず）を含み得、よって、高温反応ガスは、管の長さを横切って、またはそれに沿って流れる。
【００８６】
少なくともいくつかの実施形態において、内部熱交換器６０４は、プレートフィン熱交換器である。内部熱交換器６０４は、反応器６０２内の温度、圧力、および材料にとって好適な材料（例えば、金属）で形成され、それを含み得る。限定的でない例として、内部熱交換器６０４は、高クロムステンレス鋼で形成され、それを含み得る。いくつかのステンレス鋼は、本明細書の上で説明される炭素酸化物の還元反応（例えば、ボッシュ反応）のための活性触媒表面を提供し得るので、反応器６０２中で反応ガスと接触する内部熱交換器６０４の成分は、金属ダスティングに対して高い耐性を呈する金属および金属合金のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含み得る。いくつかの実施形態において、内部熱交換器６０４の少なくとも一部分（例えば、加熱された供給源ガスストリーム１０５と相互作用している部分）は、Ｋａｎｔｈａｌ  ＡＰＭおよびインコネル（登録商標）合金６９３のうちの少なくとも１つで形成され、それらを含む。１つまたは複数の実施形態において、第１の交換流体６０６の流速を制御し、反応器６０２内の高温反応ガスと第１の交換流体６０６との間の熱交換速度を調節するために、少なくとも１つの流量制御デバイス（図示せず）が、内部熱交換器６０４の入口および出口のうちの少なくとも１つの近くに位置付けられ得る。
【００８７】
第１の交換流体６０６は、反応器６０２内の高温反応ガスから熱を受け取るのに好適な材料であり得る。第１の交換流体６０６は、例えば、内部熱交換器６０４が、大気圧またはほぼ大気圧等の、低圧で動作することを可能にするように選択され得る。第１の交換流体６０６は、高い熱容量および高い熱伝達係数を有し得る。限定的でない例として、第１の交換流体６０６は、溶融塩（例えば、溶融ＮａＮＯ３、ＮａＮＯ３およびＫＮＯ３の溶融混合物、ＬｉＦおよびＢｅＦ２の溶融混合物等）またはヘリウムであり得る。第１の交換流体６０６の動作温度は、内部熱交換器６０４を通る第１の交換流体６０６の流速によって、少なくとも部分的に、第１の交換流体６０６の最高動作温度未満に維持され得る。加熱された第１の交換流体６０８は、内部熱交換器６０４を出ることができ、外部熱交換器６１０中へ方向付けられ得る。
【００８８】
外部熱交換器６１０は、一方の流体またはガスからもう一方の流体に熱を交換するための、当技術分野で知られている任意の好適な装置またはデバイスであり得る。限定的でない例として、外部熱交換器６１０は、加熱された第１の交換流体６０８を冷却し、一方で、高圧蒸気６１４を生成するために第２の交換流体６１２を蒸発させるように機能する、伝熱式熱交換器（例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器）であり得る。第２の交換流体６１２は、下で説明されるように、加熱された第１の交換流体６０８から熱が効率的に回収され、かつ膨張タービン６１６が効率的に動作し得るように選択され得る。少なくともいくつかの実施形態において、第２の交換流体６１２は水であり、高圧蒸気６１４は、高圧蒸気である。
【００８９】
外部熱交換器６１０の出口を出る高圧蒸気６１４は、約３００℃以上の温度であり得る。高圧蒸気６１４は、下で説明されるように、膨張タービン６１６中へ送達され得る。追加的な実施形態において、第２の交換流体６１２は、外部熱交換器６１０での加熱の後に、（例えば、高温、高圧の交換流体として）実質的に液相のままであり得、膨張タービン６１６中への送達時に、高圧蒸気６１４に蒸発し得る。
【００９０】
外部熱交換器６１０の別の出口を出る第１の交換流体６０６は、別の通過を容易にするために、内部熱交換器６０４中へ戻るように方向付けられ（例えば、ポンプで注入され）得る。追加的な実施形態において、内部熱交換器６０４に進入する第１の交換流体６０６の温度をさらに制御するために、１つまたは複数の熱交換器が、外部熱交換器６１０の下流に提供され得る。追加的な実施形態では、第１の交換流体６０６および第２の交換流体６１２のうちの少なくとも１つの流速を制御するために、およびそれらの熱交換速度を調節するために、少なくとも１つの流量制御デバイス（図示せず）が、外部熱交換器６１０の入口および出口のうちの少なくとも１つの近くに位置付けられ得る。
【００９１】
追加的な実施形態において、外部熱交換器６１０、第１の交換流体６０６、および加熱された第１の交換流体６０８は、随意に、省略され得、よって、高圧蒸気６１４を生成するために、第２の交換流体６１２は、内部熱交換器６０４を通って直接流れ、その中で加熱される。
【００９２】
膨張タービン６１６（例えば、蒸気タービン）は、外部熱交換器６１０から高圧蒸気６１４を受け取り得、かつ、仕事（すなわち、機械動力）を生成して発電機６１８を駆動するために、高圧蒸気６１４を使用し得る。発電機６１８によって発生した電力は、電力バス６２０に連結され得る。電力バス６２０からの電力は、固体炭素生成システム６００の１つまたは複数のデバイスまたは装置（例えば、種々のポンプ、種々の圧縮機、反応器６０２、加熱器１０４が電気抵抗加熱器等である場合の加熱器１０４）に少なくとも部分的に給電するため等の、所望に応じて利用され得る。追加的な実施形態において、膨張タービン６１６は、固体炭素生成システム６００の少なくとも１つの他のデバイスまたは装置（例えば、少なくとも１つのポンプ、少なくとも１つの圧縮機等）を直接駆動するために、機械的に連結され得る。膨張タービンの排気６２２は、再度第２の交換流体６１２を形成するために、少なくとも１つの凝縮器６２４中で凝縮され得る。第２の交換流体６１２は、ポンプ６２６中で加圧され得、かつ、追加的な熱エネルギー回収を容易にするために外部熱交換器６１０中へ方向付けられ得る。第２の交換流体６１２の組成は、（例えば、固体炭素生成システム６００の熱回収効率を維持するために）加熱された第１の交換流体６０８の温度および膨張タービンの排気６２２の温度のうちの少なくとも１つの変化に応じて、随意に、改質され得る。
【００９３】
追加的な実施形態において、固体炭素生成システムは、一連の反応器を含むように構成され、動作し得る。そのような固体炭素生成システムは、２０１２年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／６２４，７２３号で説明されており、上で参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。例えば、一連の反応器は、吸熱反応を容易にする少なくとも１つの反応器（例えば、上の反応式２に従う反応を主に容易にする、第１の反応器）と、発熱反応を容易にする少なくとも１つの他の反応器（例えば、上の反応式３および反応式４のうちの少なくとも１つに従う反応を主に容易にする、第１の反応器の下流に位置する、第２の反応器）とを含み、熱エネルギーは、上で説明される方法およびシステムのうちの１つまたは複数を使用して、少なくとも１つの他の反応器およびその流出ストリームのうちの１つまたは複数から抽出され得る。
【００９４】
以下の実施例は、本開示の実施形態をさらに詳細に説明するのに役立つ。実施例は、本開示の範囲に関して網羅的または排他的であると解釈されるべきではない。
【実施例】
【００９５】
シミュレーションは、図２〜図７のそれぞれで示される固体炭素生成システムについて行い、熱エネルギー回収および変換の変更を含まない固体炭素生成物システムに対する基準シミュレーションと比較した。基準シミュレーションは、熱交換器１０２を含まないことを除いて、図１に関連して上で説明される固体炭素生成システム１００に類似した、固体炭素生成システムを含んだ。シミュレーションのそれぞれに対する動作パラメータは、約１：１の比率でＣＨ４およびＣＯ２を含む供給源ガスストリームと、約１２００°Ｆ（すなわち、約６５０℃）の温度および約６００ｐｓｉ（すなわち、４．１４×１０６パスカル）の圧力で動作するギブス最小化反応器とを含んだ。動作パラメータは、反応式３〜反応式５のそれぞれについて反応物質から固体炭素への約２０パーセントの変換を伴って、反応式３〜反応式５を通して固体炭素の生成を容易にするように選択した。シミュレーション結果は、表１で下に要約される。
【００９６】
【表１】
2015525179.tif 000004
【００９７】
シミュレーションの結果は、本開示の固体炭素生成システムおよび方法が、熱エネルギー回収および変換の変更を含まない固体炭素生成システムと比較して、エネルギーの節約をもたらすことを示している。例えば、シミュレーション１（すなわち、図２の固体炭素生成システム１００に関する）は、基準シミュレーションと比較して、冷却要求において、１００パーセントのエネルギーの節約をもたらし、かつ冷却要求において、７２．２２パーセントのエネルギーの節約をもたらした。
【００９８】
本開示は、種々の変更および代替形態が可能であるが、その具体的な実施形態は、図面中に一例として示され、本明細書で詳細に説明される。しかしながら、本開示は、開示される特定の形態に限定することを意図しない。むしろ、本発明は、以下の添付の特許請求の範囲によって定義される発明の精神および範囲内にある全ての変形物、同等物、および代替物をカバーするものである。例えば、１つの実施形態に関連して開示される要素および特徴は、本開示の他の実施形態に関連して開示される要素および特徴と組み合わせられ得る。
【図１】
2015525179.tif 000006
【図２】
2015525179.tif 000007
【図３】
2015525179.tif 000008
【図４】
2015525179.tif 000009
【図５】
2015525179.tif 000010
【図６】
2015525179.tif 000011
【図７】
2015525179.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年2月16日(2015.2.16)
【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】
少なくとも１つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約４００℃以上の温度、約１×１０５パスカル以上の圧力、および少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つのガス状還元材料とを反応させることと、
前記ガス状流出ストリームから、前記少なくとも１つの炭素酸化物材料および前記少なくとも１つの還元材料のうちの少なくとも１つへと熱エネルギーを伝達させることによって、前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することと
を含む、少なくとも１つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法。
【請求項２】
少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つの還元材料とを反応させることが、約５００℃以上の温度、および約１×１０５パスカル〜約１×１０９パスカルの範囲内の圧力で、前記少なくとも１つの炭素酸化物材料と前記少なくとも１つの還元材料とを反応させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つのガス状還元材料が、水素および水素含有化合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの触媒材料が、元素周期表の５族〜１０族から選択される少なくとも１つの元素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも１つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約４００℃以上の温度、約１×１０５パスカル以上の圧力、および少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物材料と少なくとも１つのガス状還元材料とを反応させることと、
少なくとも１つの高圧蒸気を形成するために、少なくとも１つの交換流体へと熱エネルギーを伝達させることによって、前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することと
を含む、少なくとも１つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法。
【請求項６】
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、前記少なくとも１つの高圧蒸気を膨張させることをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することが、液体水を含む冷却されたガス状流出ストリームを生成しかつ熱エネルギーを少なくとも１つの冷却材料へと提供するために、前記少なくとも１つの冷却材料で前記ガス状流出ストリームを冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
水素ガスおよび酸素ガスを生成するために、前記液体水を電気分解することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記水素ガスの少なくとも一部分を前記ガス状還元材料に再循環させることをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの炭素酸化物と前記少なくとも１つのガス状還元材料とを含む供給源ガスストリームを、前記少なくとも１つの触媒材料を中に有する反応器に導入すること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記供給源ガスストリームが前記反応器に導入される前に、少なくとも１つの高圧蒸気から前記供給源ガスストリームへと熱を伝達させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ガス状流出ストリームから熱を抽出することが、前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることが、加熱された第１の交換流体を形成するために前記ガス状流出ストリームから第１の交換流体へと熱を伝達させることと、前記第１の加熱された熱交換流体から第２の交換流体へと熱を伝達させることとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ガス状流出ストリームから少なくとも１つの交換流体へと熱を伝達させることが、高圧蒸気を発生させるために、前記ガス状流出ストリームから、ガス状水から流体的に分離した液体水へと熱を伝達させることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、膨張タービン中で前記高圧蒸気を膨張させることと、
前記液体水を形成するために、膨張タービンの排気を凝縮することと
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの炭素酸化物および少なくとも１つの還元材料を、少なくとも１つの触媒材料の存在下で、少なくとも１つの固体炭素材料およびガス状反応生成物ストリームへと発熱的に変換するように構成された、反応器；
少なくとも前記ガス状反応生成物ストリームから熱エネルギーを回収するように位置付けられかつ構成された、少なくとも１つの熱交換器；ならびに
前記少なくとも１つの熱交換器から受け取った交換流体を膨張させるように構成された膨張タービン
を備える、少なくとも１つの熱エネルギー回収手段を有する固体炭素生成システム。
【請求項１７】
前記ガス状反応生成物ストリームから前記少なくとも１つの固体炭素材料を分離するように構成された分離器をさらに備える、請求項１６に記載の固体炭素生成システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの熱交換器が、金属ダスティングに耐えるように調製された金属および金属合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の固体炭素生成システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
追加的な情報は、以下の文書で開示され、Ｄａｌｌａｓ  Ｂ．Ｎｏｙｅｓを発明者として列記し、それぞれの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
１．２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７０２号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ  ｗｉｔｈ  Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７２（代理人整理番号３５２５−Ｐ１０９４５．１ＰＣ）、
２．２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７２３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  ｂｙ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｄｉｏｘｉｄｅ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７７（代理人整理番号３５２５−Ｐ１０９４７．１ＰＣ）、
３．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，７５３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｒｅａｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｌｕｓｔｅｒｓ，ａｎｄ  Ｆｏｒｅｓｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７３（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１００１．１ＰＣ）、
４．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，５１３号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｔｒｅａｔｉｎｇ  ａｎ  Ｏｆｆｇａｓ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７５（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１００２．１ＰＣ）、
５．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，８４８号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｅｔａｌ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｉｎ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７１（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１２４８．１ＰＣ）、
６．  ２０１２年４月１６日に出願された米国特許出願第６１／６２４，４６２号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｓｅｑｕｅｓｔｅｒｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  ａｎｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍａｓｓ  ｏｆ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｏｘｉｄｅｓ  ｉｎ  ａ  Ｗａｓｔｅ  Ｇａｓ  Ｓｔｒｅａｍ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００８１（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１２４９．１ＰＣ）、
７．  ２０１２年７月１３日に出願された米国特許出願第６１／６７１，４６４号の恩典を主張する、「Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｆｏｒｍｉｎｇ  Ａｍｍｏｎｉａ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７８（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１３６１．１ＰＣ）、および
８．  ２０１２年４月２３日に出願された米国特許出願第６１／６３７，２２９号の恩典を主張する、「Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｂｉｍｏｄａｌ  Ｓｉｚｅ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ」について本願と同日に出願された、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／００００７９（代理人整理番号３５２５−Ｐ１１７７１ＰＣ）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
さらにまた追加的な実施形態において、固体炭素生成方法は、固体炭素材料およびガス状反応生成物を生成するために、反応ゾーン中の触媒の存在下で、少なくとも１つの炭素酸化物を少なくとも１つの還元ガスと発熱的に反応させることを含む。熱エネルギーは、反応ゾーンから抽出される。
[本発明1001]
少なくとも1つの固体炭素材料と、水蒸気を含むガス状流出ストリームとを生成するために、約400℃以上の温度、約1×105パスカル以上の圧力、および少なくとも1つの触媒材料の存在下で、少なくとも1つの炭素酸化物材料と少なくとも1つのガス状還元材料とを反応させることと、
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することと
を含む、少なくとも1つの固体炭素材料の生成からの熱エネルギー回収方法。
[本発明1002]
少なくとも1つの触媒材料の存在下で、少なくとも1つの炭素酸化物材料と少なくとも1つの還元材料とを反応させることが、約500℃以上の温度、および約1×105パスカル〜約1×109パスカルの範囲内の圧力で、前記少なくとも1つの炭素酸化物材料と前記少なくとも1つの還元材料とを反応させることを含む、本発明1001の方法。
[本発明1003]
前記少なくとも1つのガス状還元材料が、水素および水素含有化合物のうちの少なくとも1つを含む、本発明1001の方法。
[本発明1004]
前記少なくとも1つの触媒材料が、元素周期表の5族〜10族から選択される少なくとも1つの元素を含む、本発明1001の方法。
[本発明1005]
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することが、前記ガス状流出ストリームから少なくとも1つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることを含む、本発明1001の方法。
[本発明1006]
前記ガス状流出ストリームから少なくとも1つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることが、前記ガス状流出ストリームから、前記少なくとも1つの炭素酸化物材料および前記少なくとも1つの還元材料のうちの少なくとも1つへと熱エネルギーを伝達させることを含む、本発明1005の方法。
[本発明1007]
前記ガス状流出ストリームから少なくとも1つの他の材料へと熱エネルギーを伝達させることが、少なくとも1つの高圧蒸気を形成するために、少なくとも1つの交換流体へと熱エネルギーを伝達させることを含む、本発明1005の方法。
[本発明1008]
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、前記高圧蒸気を膨張させることをさらに含む、本発明1007の方法。
[本発明1009]
前記ガス状流出ストリームから熱エネルギーを抽出することが、液体水を含む冷却されたガス状流出ストリームを生成しかつ熱エネルギーを少なくとも1つの冷却材料へと提供するために、前記少なくとも1つの冷却材料で前記ガス状流出ストリームを冷却することを含む、本発明1001の方法。
[本発明1010]
水素ガスおよび酸素ガスを生成するために、前記液体水を電気分解することをさらに含む、本発明1009の方法。
[本発明1011]
前記水素ガスの少なくとも一部分を前記ガス状還元材料に再循環させることをさらに含む、本発明1010の方法。
[本発明1012]
少なくとも1つの炭素酸化物と少なくとも1つのガス状還元材料とを含む供給源ガスストリームを、少なくとも1つの触媒材料を中に有する反応器に導入することと、
少なくとも1つの固体炭素材料とガス状水とを含む反応生成物ストリームを生成するために、前記少なくとも1つの触媒材料の存在下で、前記少なくとも1つの炭素酸化物と前記少なくとも1つの還元剤とを反応させることと、
前記少なくとも1つの固体炭素材料と前記ガス状水を分離することと、
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することと
を含む、回収可能な熱エネルギーを発生させる方法。
[本発明1013]
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することが、前記供給源ガスストリームが前記反応器に提供される前に、少なくとも前記ガス状水から前記供給源ガスストリームへと熱を伝達させることを含む、本発明1012の方法。
[本発明1014]
少なくとも前記ガス状水から熱を抽出することが、少なくとも前記ガス状水から少なくとも1つの交換流体へと熱を伝達させることを含む、本発明1012の方法。
[本発明1015]
少なくとも前記ガス状水から少なくとも1つの交換流体へと熱を伝達させることが、加熱された第1の交換流体を形成するために少なくとも前記ガス状水から第1の交換流体へと熱を伝達させることと、前記第1の加熱された熱交換流体から第2の交換流体へと熱を伝達させることとを含む、本発明1014の方法。
[本発明1016]
少なくとも前記ガス状水から少なくとも1つの交換流体へと熱を伝達させることが、高圧蒸気を発生させるために、少なくとも前記ガス状水から、前記ガス状水から流体的に分離された液体水へと熱を伝達させることを含む、本発明1014の方法。
[本発明1017]
仕事を生成しかつ電力を発生させるために、膨張タービン中で前記高圧蒸気を膨張させることと、
前記液体水を形成するために、膨張タービンの排気を凝縮することと
をさらに含む、本発明1016の方法。
[本発明1018]
少なくとも1つの炭素酸化物および少なくとも1つの還元材料を、少なくとも1つの触媒材料の存在下で、少なくとも1つの固体炭素材料およびガス状反応生成物ストリームへと発熱的に変換するように構成された、反応器；ならびに
少なくとも前記ガス状反応生成物ストリームから熱エネルギーを回収するように位置付けられかつ構成された、少なくとも1つの熱交換器
を備える、少なくとも1つの熱エネルギー回収手段を有する固体炭素生成システム。
[本発明1019]
前記少なくとも1つの熱交換器から受け取った交換流体を膨張させるように構成された膨張タービンをさらに備える、本発明1018の熱エネルギー発生システム。
[本発明1020]
前記ガス状反応生成物ストリームから前記少なくとも1つの固体炭素材料を分離するように構成された分離器をさらに備える、本発明1018の熱エネルギー発生システム。
[本発明1021]
前記少なくとも1つの熱交換器が、金属ダスティングに耐えるように調製された金属および金属合金のうちの少なくとも1つを含む、本発明1018の熱エネルギー発生システム。
[本発明1022]
固体炭素材料およびガス状反応生成物を生成するために、反応ゾーン中の触媒の存在下で、少なくとも1つの炭素酸化物を少なくとも1つの還元ガスと発熱的に反応させることと、
前記反応ゾーンから熱エネルギーを抽出することと
を含む、固体炭素生成方法。
【国際調査報告】
2015525179.tif 000013
2015525179.tif 000014