(57)【要約】  製品ガス燃料、及び固体チャー燃料を、炭素含有供給原料から製造するためのシステム、並びに方法が記載される。供給原料が、少なくとも１つの実質的に水平な昇華反応チャンバに入れられ、これを通して運ばれる。初期及び最終の昇華温度が、±１０℃未満で、外部の酸素、及び外部から供給される触媒のない雰囲気中で維持される。システムは、前記反応チャンバの外へ製品ガスを全く漏洩させないように、又は前記反応チャンバを加熱するように構成されるホットボックス中へ酸素を漏洩させないように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体炭素含有供給原料から燃料を製造するためのシステムであって：
周囲温度から作動昇華温度へ加熱すること、±１０℃未満で安定している初期の作動昇華温度と最終の作動昇華温度を維持すること、及び、ホットボックス中へ酸素を漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却することが可能であるように構成され、必要な場合に熱を供給するように、前記ホットボックスの内部と連絡する、少なくとも１つの熱源を有する前記ホットボックス；
前記ホットボックス内に大部分が位置し、表面を有し、前記固体炭素含有供給原料の少なくとも一部を昇華するのに十分な短い時間枠で、実質的に全く液体を生じずに、前記固体炭素含有供給原料を、外部の触媒、又は追加の水なしで、作動昇華温度へ加熱するように構成され、周囲温度から作動昇華温度へ加熱し、昇華温度で作動し、前記周囲のホットボックス中へ製品ガス燃料を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却するように構成され、前記ホットボックスの外側に入力端を含み、前記ホットボックスの外側の入力管、及び出力端を通して、圧縮された供給原料を受けるように構成され、製品ガス燃料を、吐出し管を通して、固体チャー燃料を、出力管を通して、吐出すように構成される、少なくとも１つの実質的に水平な反応チャンバ；
前記反応チャンバ内に位置し、前記固体炭素含有供給原料が、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料へ変換されるように、前記固体炭素含有供給原料の昇華製品を、前記反応チャンバを通して運ぶように構成される第１の動力輸送機構；並びに、
前記入力管及び前記出力管の両方上にあり、熱い製品燃料ガスが、前記反応チャンバから逆に漏洩するのを防ぐように構成される気密要素を含む、前記システム。
【請求項２】
互いに直列で連絡する、少なくとも２つの実質的に水平な反応チャンバがあり、前記第１の動力輸送機構が、各反応チャンバ、及び前記ホットボックスの外側に伸びる軸の一部を有する請求項１に記載のシステムであって：
前記ホットボックスの外側で、前記第１の動力輸送機構の伸びた部分の周りでつばを囲む前記ホットボックスの領域に位置し、開始及び停止の操作の温度が変化する間、及び定常状態の昇華の操作の間、前記ホットボックスに流入する外部の酸素が、前記ホットボックスの外側から逆に流入するのを防ぐように構成される調節可能なシーリング要素をさらに含む、前記システム。
【請求項３】
前記調節可能なシーリング要素が、
前記ホットボックスに調節可能に取り付けられた実質的に垂直なプレートを含み、つばと前記軸との間の逆の接触を防ぐように、前記第１の動力輸送機構の前記軸の伸びた部分の周りで前記つばを垂直に動かすように構成される、調節可能なプレート、並びに、
前記調節プレートと連絡し、前記第１の動力輸送機構の前記軸の前記伸びた部分の周りに位置し、気密シールを、前記ホットボックスから伸びるように、前記第１の動力輸送機構の前記軸の周りに維持するように設計されたコーン及びロープを含む、調節可能なシールを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
リアクターチャンバが、前記ホットボックス内の前記反応チャンバの外側へ取り付けられた多岐管をさらに含み、ガス状プラズマが昇華温度に暴露される時間を増やすために、前記ガス状プラズマを、前記反応チャンバと前記多岐管との間を通過させるように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記固体炭素含有供給原料が、１つ以上の麦わら、稲わら、エネルギー作物、イネ科の草、植物の茎及び幹、作物残渣、植物由来のセルロース、ｘツリーの枝、並びに、肥料などの動物の排せつ物などの再生可能な供給原料を含み、前記固体チャー燃料が、固体バイオチャー燃料である、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記供給原料が、泥炭、並びに、プラスチック、タイヤ粉末、及び少なくとも部分的に木材、又は他のセルロース系材料で出来ている工業要素のうち、１つ以上の工業製品の廃棄物などの非再生可能供給原料を含み、前記固体チャー燃料が、固体工業チャー燃料である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記リアクターの前記作動昇華温度が、６００℃と８５０℃の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記リアクターの前記作動昇華温度が、６５０℃と７５０℃の間である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記固体炭素系供給原料が、前記ホットボックス内の前記リアクターチャンバで、前記作動昇華温度に到達するのに要する時間が、０．００１秒未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記吐出し管が、圧力分離要素をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ホットボックスが、前記実質的に水平な反応チャンバの下にある垂直な支持物をさらに含み、前記実質的に水平な反応チャンバの開始、作動、及び停止の間に起こる場合がある、周囲温度と約８５０℃との間の温度変化に亘って、垂直方向に２．５ｃｍ（１インチ）以内で、寸法的に安定であるように構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１２】
前記垂直な支持物が、前記支持物を通って流れる物質によって冷却される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記物質が、水、ハロゲン化ガス、四塩化炭素、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素、エタン、プロパン、エーテル、及びジメチルエーテルなどの冷却剤；空気、水素、不活性ガス、及びサルファーヘキサフルオリドなどの気体冷却剤；水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、及びＤｕＰｏｎｔによるＦｒｅｏｎ（登録商標）などの液体冷却剤；並びに、ドライアイスなどの固体冷却剤から成る群からのものである、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ホットボックスの外側にあり、前記実質的に水平な反応チャンバの前に置かれて連絡し、前記固体炭素含有供給原料から自由水、及び酸素を除去するように構成され、前記固体炭素含有供給原料が、前記実質的に水平な反応チャンバに流入する前に、前記固体炭素含有供給原料をプラグへ圧縮するように構成される調製チャンバ；並びに
前記調製チャンバ内に部分的に位置し、前記調製チャンバの外側に伸びる部分を有し、前記固体炭素含有供給原料を前記調製チャンバを通して移動させること、及び自由水が乾燥するように、前記固体炭素含有供給原料を前記調製チャンバ内に圧縮することのうち、１つ以上を実行するように構成される、第２の動力輸送機構をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記調製チャンバが、第２の動力輸送機構を各々有する、２つのサブチャンバから成り、前記第１のサブ−調製チャンバが、自由水及び酸素の大部分を、前記固体炭素含有供給原料から除去するように構成され、前記第２のサブ−調製チャンバが、残留している自由水及び酸素を、前記固体炭素含有供給原料から除去し、前記固体炭素含有供給原料が、前記実質的に水平な反応チャンバに流入する前に、前記固体炭素含有供給原料をプラグへ圧縮するように構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記調製チャンバと連絡し、前記固体炭素含有供給原料の粒度を、前記システムの前記調製チャンバを通してより容易に運搬され、酸素、又は水を同伴することなく、そこでより容易に圧縮され、液層を形成させずに、そこでより容易に昇華温度へ加熱される大きさに縮小させるように構成される、プレ−調製チャンバ；並びに
前記プレ−調製チャンバの前に置かれて連絡し、前記プレ−調製チャンバの外側に伸びる部分を有し、前記固体炭素含有供給原料を前記プレ−調製チャンバを通して移動させること、及び前記固体炭素含有供給原料を、前記プレ−調製チャンバ内に、より処理しやすい粒度に圧縮することのうち、１つ以上を実行するように構成される第３の動力輸送機構をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記粒度が、一辺が１．８ｃｍ（３／４インチ）の立方体に相当する体積より少ない体積、及びいずれか１つの方向で５ｃｍ（２インチ）以下の長さを有する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
製品ガス燃料、及び固体チャー燃料を製造するために、炭素含有化合物を変換する方法であって、
ホットボックス内に大部分が含まれ、周囲温度から作動昇華温度へ加熱すること、昇華温度で作動すること、及び、反応チャンバから前記ホットボックス、若しくは雰囲気中へ熱い製品ガス燃料を全く漏洩させずに、又は前記ホットボックスの外側から前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩させずに、作動昇華温度から周囲温度に冷却することを可能にするように構成される、前記実質的に水平な昇華反応チャンバに、固体炭素含有供給原料を入れること；
固体炭素含有供給原料を、液層形成が可能になる前に、昇華温度へ加熱すること；
前記炭素含有供給原料を、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料に変換するために必要な長さの時間である滞留時間の間、昇華温度で温度を維持すること;並びに
前記製品ガス燃料を、前記固体チャー燃料から分離することを含む、前記方法。
【請求項１９】
前記実質的に水平な昇華反応チャンバが、前記実質的に水平な反応チャンバの下にある垂直な支持物により支持され、前記実質的に水平な反応チャンバの開始、作動、及び停止の操作の間に起こる場合がある、周囲温度から約８５０℃の温度変化に亘って、垂直方向に寸法的に安定であるように構成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記実質的に水平な昇華反応チャンバに入れられる前記固体炭素含有供給原料が、外部の触媒を全く含まず、最少量の自由水を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
滞留時間が１０分未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
滞留時間が５分未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
滞留時間が、２分未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記リアクターの前記作動昇華温度が、６００℃と８５０℃の間である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記固体炭素系供給原料が、前記リアクターチャンバにおいて、前記作動昇華温度に達するのにかかる時間が、０．００１秒未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記製品ガス燃料の一部が、前記反応チャンバを前記作動昇華温度へ加熱する熱源に燃料を補給するように誘導するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記固体炭素系供給原料が、前記反応チャンバに流入する前に、前記ホットボックスの内容物の一部が、前記固体炭素系供給原料を加熱するように誘導して自由水を除去するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、炭素含有供給原料からの燃料の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
天然ガス、及び原油は、今日使用されている燃料の大部分の源である。これらの源は、限られた地下の埋蔵量から得られる。地球の天然ガス、及び原油の供給が枯渇するにつれて、世界中のエネルギー需要が、同時に増大している。今後１０年に亘って、残存している世界中の容易に利用し得る天然ガスと原油の埋蔵量の枯渇は、それらから得られる燃料に関するコストの著しい増大をもたらすだろう。
【０００３】
合成ガス、又は合成用ガスは、水素、一酸化炭素から主に成り、若干量の二酸化炭素を含むこともよくある、燃料ガス混合物である。合成ガス、又は合成用ガスは、合成天然ガス、合成石油、及びガスタービンを運転するための製品を生成するときに、中間体として一般に使用される。製造方法は、例えば、農業廃棄物、及び都市廃棄物のガス化などの炭素含有バイオマスのガス化を含む。しかしながら、合成ガスは、天然ガスのエネルギー密度の半分より少ないエネルギー密度を有し、生じる一酸化炭素及び二酸化炭素は、地球温暖化に対する有害な寄与因子であると考えられている。
【０００４】
再生可能材料を、輸送、発電、及び／又は発熱に適する燃料に効率的に変換し得る方法を発見するための研究は、増え続けるエネルギー需要を満たすことにおいて、重要な要素である。バイオマスなどの炭素系供給原料を、天然ガスのエネルギー密度と少なくともほぼ同じエネルギー密度でガス状燃料に効率的に変換するための方法、及びシステムが必要である。本発明は、これらの必要性を満たし、先行技術を超えた様々な利点を与える。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、炭素含有供給原料から燃料を製造するためのシステムを対象にする。前記システムは、ホットボックス、少なくとも１つの反応チャンバ、第１の動力輸送機構、及び気密要素を含む。前記ホットボックスは、周囲温度から作動昇華温度へ加熱すること、±１０℃未満で安定である、初期の作動昇華温度、及び最終の作動昇華温度を維持すること、並びに、前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却することが可能であるように構成され、必要な場合に熱を供給するように、前記ホットボックスの内部と連絡する、少なくとも１つの熱源を有する。前記少なくとも１つの反応チャンバは、実質的に水平であり、前記ホットボックス内に大部分が位置し、表面を有し、前記固体炭素含有供給原料の少なくとも一部を昇華するのに十分な短い時間枠で、実質的に全く液体を生じずに、前記固体炭素含有供給原料を、外部の触媒、又は追加の水なしで、作動昇華温度へ加熱するように構成される。また、前記少なくとも１つの反応チャンバは、周囲温度から作動昇華温度へ加熱し、昇華温度で作動し、前記周囲のホットボックス中へ製品ガス燃料を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却するように構成される。さらに、前記少なくとも１つの反応チャンバは、前記ホットボックスの外側に入力端を含み、前記ホットボックスの外側の入力管、及び出力端を通して、圧縮された供給原料を受けるように構成され、製品ガス燃料を、吐出し管を通して、固体チャー燃料を、出力管を通して、吐出すように構成される。前記第１の動力輸送機構は、前記反応チャンバ内に位置し、前記固体炭素含有供給原料が、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料へ変換されるように、前記固体炭素含有供給原料の昇華製品を、前記反応チャンバを通して運ぶように構成される。前記気密要素は、前記入力管及び前記出力管の両方上にあり、熱い製品燃料ガスが、前記反応チャンバから逆に漏出するのを防ぐように構成される。
【０００６】
本発明の別の実施形態は、炭素含有化合物を、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料へ変換する方法を含む。前記方法は、少なくとも４つの方法を含む。第１のステップは、ホットボックス内に大部分が含まれ、周囲温度から作動昇華温度へ加熱すること、昇華温度で作動すること、及び、反応チャンバから前記ホットボックス、若しくは雰囲気中へ熱い製品ガス燃料を全く漏洩させずに、又は前記ホットボックスの外側から前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩させずに、作動昇華温度から周囲温度に冷却することを可能にするように構成される、前記実施的に水平な昇華反応チャンバに、固体炭素含有供給原料を入れることである。第２のステップは、固体炭素含有供給原料を、液層形成が可能になる前に、昇華温度へ加熱することである。第３のステップは、前記炭素含有供給原料を、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料に変換するために必要な長さの時間である滞留時間の間、昇華温度で温度を維持することである。第４のステップは、前記製品ガス燃料を、前記固体チャー燃料から分離することである。
【０００７】
上述の概要は、本発明の各実施形態、又は各実施を記載するように意図されたものではない。本発明のより完全な理解に伴う利点及び実現は、添付の図面と合わせて、以下の詳細な説明、及び特許請求の範囲を参照することによって、明らかになり、認識されるようになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、１つの流路を有するリアクターチャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。
【図２】図２は、２つの流路、可動性軸シール、及び高温調節可能な軸カバープレートを有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、所定位置に圧縮されたロープシールを伴った可動性軸シールケーシングの実施形態の側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、二重ロープシールを保持するフレームの背面図を示す、図３Ａの実施形態の一要素の図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、単一のロープシールを保持するフレームの背面図を示す、図３Ａの実施形態の一要素の図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、図３Ｂの二重ロープシールを圧縮するカバーを示す、図３Ａの実施形態の一要素の正面図、及び側面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、図３Ｃの単一ロープシールを圧縮するカバーを示す、図３Ａの実施形態の一要素の正面図、及び側面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、上半分を示す、高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図、及び側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、下半分を示す、図４Ａの高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図、及び側面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、結合された、図４Ａの上半分、及び図４Ｂの下半分を示す、図４Ａの高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、低温位置における、組み立てられた高温調節可能なカバープレートの正面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、高温位置における、組み立てられた高温調節可能なカバープレートの正面図である。
【図５】図５は、２つの流路、可動性軸シール、高温調節可能な軸カバープレート、及び高温垂直支持スタンドを有する、反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、通過する冷却剤のための湾曲した受け台、及び水平なリングを示す、垂直スタンドの実施形態の正面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、冷却リングを示す、図６Ａの実施形態の上面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、湾曲した受け台、及び垂直スタンドの垂直軸内の垂直に上下する冷却流路を示す、垂直スタンドの実施形態の正面図である。
【図７】図７は、滞留時間を増やすように、反応チャンバの外側に取り付けられた２つの流路、及び４つの流路のバイパス多岐管を有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。
【図８】図８は、２つの流路、圧縮チャンバ、及び乾燥チャンバを有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態に従った、炭素含有供給原料から燃料を生成するための方法のフローダイアグラムである。
【０００９】
本発明は、様々な変更、及び代替的な形態を受け入れるが、これらの詳細は、例として図面において示されており、以下で細部に亘り記載することにする。しかしながら、記載される特定の実施形態に本発明を制限することを目的としないことが、理解されるべきである。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲により記載される本発明の範囲に含まれる、全ての変更、均等物、代替物を包含するように意図される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な実施形態の詳細な説明
図示された実施形態の以下の説明において、本明細書の一部を形成する添付の図面が参照される。図面において、様々な実施形態が図示によって示されており、実施形態によって、本発明が実施される場合がある。他の実施形態が利用されてもよく、構造的及び機能的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、なされてもよいことが理解されるべきである。
【００１１】
以下の説明は、昇華機構によって、固体炭素含有供給原料をガス状製品燃料、及び残留固体チャー燃料へ加工するためのアプローチに関する。ガス状燃料は、主にメタンであるが、固体炭素含有供給原料の性質と、昇華過程の間に採用される滞留時間に応じて、エタン、プロパン、及びブタンも含まれる場合がある。固体チャー燃料は、ガス状製品燃料に変換することができない固体炭素系残留物である。本明細書の目的のための固体炭素含有供給原料は、石炭を含まないが、例えば、工業的非再生可能含有物、及び生物的再生可能含有物を含む、炭素含有供給原料の全ての他の形態を含む。工業的非再生可能含有物は、例えば、プラスチック、タイヤ、ボール紙、及び少なくとも部分的に木材、又は他のセルロース系材料で出来ている工業要素などの人工炭素含有廃棄物である。本発明の方法は、これらのような供給原料を、ガス状製品燃料、及び、工業チャーと呼ばれる固体チャー燃料、すなわち、再生可能でない炭素含有供給原料から作られたチャーへ変換する。生物的再生可能含有物は、およそ数ヶ月から数年かけて再生され、１つ以上の麦わら、稲わら、エネルギー作物、イネ科の草、植物の茎及び幹、作物残渣、植物由来のセルロース、木の枝、及び木製製品；並びに、肥料などの動物の排せつ物などの農業廃棄物などの固体再生可能炭素含有材料を含む、炭素含有供給原料である。本発明の方法は、これらのような供給原料を、ガス状製品燃料、及びバイオチャーと呼ばれる固体チャー燃料、すなわち、再生可能な炭素含有供給原料から作られたチャーへ変換する。自然が生物的再生可能含有物供給原料から泥炭を形成するのに、数年よりずっと長い時間がかかるので、本明細書の目的のために、泥炭は、非再生可能含有物である炭素含有供給原料と見なされる。
【００１２】
メタンは、ガスタービン、ガス往復エンジン、又は蒸気ボイラーにおいてメタンを燃料として燃焼させることによる発電にとって重要である。炭化水素燃料と比べて、メタンの燃焼は、放出される各熱量単位に関して、地球温暖化に関連するガスである、二酸化炭素の生成が少ない。メタンの燃焼熱は、約８９１ｋＪ／ｍｏｌであり、他の炭化水素のどれよりも低いが、燃焼熱対１６ｇ／ｍｏｌの分子量（うち、１２ｇ／ｍｏｌは炭素）の比は、一番単純な炭化水素であるメタンが、他のどの複雑な炭化水素よりも、質量単位当りの高い熱量である、５５．７ｋＪ／ｇを生成することを示す。天然ガスが、主にメタンであり、少ない量のエタン、プロパン、及びブタンを含むため、燃料としてのメタンは、一般的に天然ガスとして知られ、立方メートル当り３９メガジュール、又は標準的な立方フート当り１，０００ＢＴＵのエネルギー含有量を有す。
【００１３】
天然ガスは、事実上、バイオマスの全ての形態で見られる。天然ガスは、新鮮な採集から何百万年も古い採集に亘る、植物残渣及び動物残渣中に見られる。天然ガスは、例えば、プラスチック、及び紙製品などの人工製品にも見られ得る。問題は、一般的に、天然ガスを探すためにどこへ行くべきなのかではなく、むしろ、天然ガスをどう遊離させるかである。
【００１４】
一般的に、ガス化方法は、ガスタービン発電機を運転するために使用され得る、又は蒸気発電機を運転するために、水を蒸気に変換するために使用され得る熱いガスを生成するように、炭素含有供給原料の燃焼から構成される。燃焼方法は、液体状態を通過し、炭素含有供給原料中の炭素化合物から二酸化炭素、及び水を、炭素含有供給原料中に一般的に含まれる窒素、及び硫黄の化合物から腐食性の窒素、及び硫黄の化合物を生成する、相変化方法である。石炭は、高い熱含有量のため、炭素含有供給原料の通常の源であるが、天然ガス、木材、及び農業廃棄物などの他の源は、利用可能性の理由から使用される場合がある。しかしながら、近年、二酸化炭素などのグリーンハウスガスに対する懸念が、発電のための望ましい手段としてのガス化への世論の支持を失わせている。
【００１５】
別の方法は、昇華であり、ガス化の下での上述された多くの副反応をもたらし得る通過である、液体状態の通過なく、クリーンに固体をガスに変換する高温の方法である。昇華の重要な点は、自由水の非存在下で、実質的に酸素が無い雰囲気下で、固体を高温に暴露することである。昇華の下で、メタン基は、二酸化炭素と水に分解することなく、炭素鎖から分離する。しかしながら、この方法は、このような高い温度を必要とするため、エネルギー効率がよくないことが分かっている。昇華は、吸熱過程である。結果として生じる出力がメタンである場合と少なくとも同じ量のエネルギーが、炭素含有供給原料を昇華温度に加熱するために使用される。本明細書の目的のために、メタン、製品ガス燃料、及び天然ガスの製品ガス燃料を、交換可能に使用することにする。
【００１６】
本発明は、昇華が、例えば、ガスタービンの運転などのエネルギー使用のためにメタンを製造する実用的方法である、エネルギー効率が十分によい、装置の態様、及び方法の態様を含む。さらに、装置は、近隣の小さな町に必要な電力を供給するために、農場の農業廃棄物を加工して付属のガスタービンを用いて発電するのに便利になる大きさに小型化され得る。類似の利点が、炭素含有供給原料として、自治体のバイオマス廃物を使用することによって、自治体から得られ得る。さらに、都市廃棄物を加工するために装置を使用する自治体は、ごみ処理地に必要な土地の領域を削減すること、及び廃棄物のガス化の間に焼却炉より生成される二酸化炭素が引き起こす有害なグリーンハウスを削減することができ、一方、同時に、有用な製品ガス燃料、及び固体バイオチャー燃料を生成することができる。
【００１７】
システムの態様は、体積単位当り低密度、又は低重量から、単位体積当り高重量の高密度に亘る炭素含有供給原料を加工するための、実質的に水平な昇華器を含む。低密度の炭素含有供給原料の例は、一般的に、生物的再生可能炭素含有材料であり、例えば、麦わら、稲わら、エネルギー作物、イネ科の草、植物の茎及び幹、作物残渣、植物由来のセルロース、及び木の枝を含む。製品が、エネルギー市場で価格競争力を持ち得るように、十分な炭素含有供給原料が、時間単位当りに加工され得るために、低密度の炭素含有供給原料は、密度を増すように圧縮され、密度を高められる必要があるだろう。高密度の炭素含有供給原料の例は、一般的に、工業的非再生可能炭素含有材料であり、例えば、プラスチック、タイヤ、及び少なくとも部分的に木材、又は他のセルロース系材料で出来ている工業要素を含む。これらの材料は、しばしば、ごみ処理地、及び自治体の固体廃棄物に関連している。高密度の供給原料は、経済的であるのに十分な短い時間で昇華を可能にする粒度に縮小される必要がある。高密度の炭素含有供給原料が昇華器の壁に液体タールを形成するのを避けるように、方法の状態を制御するように注意しなければならない。
【００１８】
ここで、実質的に水平な昇華器を使用して、炭素含有供給原料を製品ガス燃料、及び固体チャー燃料に効率的に変換することに関して、全方法を論じることにする。炭素含有供給原料の調製、乾燥、及び圧縮を必要とし、２つの反応チャンバ、及びバーナーを有する装置を使用して昇華熱を伝える実施形態について、方法を簡潔に論じることにする。本発明の装置、及び方法を、後により詳細に論じることにする。手短に言えば、本明細書の本実施形態の昇華方法は、調製ステップ、乾燥ステップ、圧縮ステップ、昇華ステップ、及び分離ステップを含む。炭素含有供給原料の調製は、その水含有量、並びに大きさ及び厚さのような物理的特性などの、加工／変換が検討される炭素含有供給原料の物理的特性によって決められるようになる。炭素含有供給原料の大きさの縮小は、炭素含有供給原料の圧縮率を高めて、反応チャンバにおける最大の処理量を可能にするであろう。いくつかの実施形態において、大きさは、いずれか１つの方向で約５ｃｍ（約２ｉｎ）以下の長さを有する、一辺が約２ｃｍ（約０．７５ｉｎ）の立方体に相当する体積よりも少ない体積である。
【００１９】
炭素含有供給原料は、適切に調製された後、次に、入力管上の気密要素を通って、内部オーガーを有する実質的に水平な乾燥チャンバ中に流入し、可能なだけ多くの自由水を追い出すように、下流の方法から回収された熱で処理されることになる。自由水の含有量を削減することは、炭素含有供給原料による熱の吸収を増加させ、昇華反応チャンバ内、及び完成した製品ガス燃料内の水により呈する酸素の量を削減することになる。製品ガス燃料が含む自由水、及び酸素を削減することは、エネルギー含有量を増加させるのに望ましい、製品ガス燃料中のより少ない二酸化炭素、及び一酸化炭素をもたらすことになる。
【００２０】
乾燥チャンバの後、炭素含有供給原料は、炭素含有供給原料を所望の密度に圧縮するように設計される圧縮スクリューを含む圧縮チャンバ中へ流入することになる。この圧縮は、さらに、残留しているあらゆる自由水を減少させる。炭素含有供給原料中の同伴空気もまた除去し、昇華反応チャンバ中に呈する酸素を最小限にすることにもなる。この脱水され、脱気され、密度を高められた炭素含有供給原料は、反応チャンバに流入することになる。
【００２１】
圧縮チャンバは、反応チャンバに流入する供給原料プラグを、その出口で発生させる。このプラグは、部分的なバリア、又はシールとして働くため、反応チャンバで製造された最小量のガスが逆流し、漏出する。入力管上の気密要素は、残りのガスが、システムから漏出することを防ぐ。
【００２２】
論じられる実施形態において、昇華器の有形設備は、上部に沿った、内部の実質的に水平な反応チャンバ、滴下流路、次に上部の反応チャンバと逆方向にある、第２の実質的に水平な反応チャンバを有する、三次元の、長方形の箱である。各反応チャンバは、供給原料を運ぶために、独自のオーガーを含み、連続しており、あらゆる熱い製品ガス燃料の漏出に備えて、完全に密封されている。
【００２３】
本実施形態において、バーナーは、加熱ボックスの外側であるが、加熱ボックスに取り付けられており、加熱ボックスの内壁と、反応チャンバ構造の外壁との間の空間を加熱するため、反応チャンバの外面を加熱する加熱された転移空気と、昇華を行っている反応チャンバ中の炭素含有供給原料の含有物とが混ざることには全くならない。加熱ボックスの全内面は、熱の喪失を最小化し、内部リアクターの空隙を最小化するように、高温断熱材料で覆われている。
【００２４】
圧縮スクリューの後、炭素含有供給原料プラグは、今度、反応チャンバに流入する。内部にオーガーを含む反応チャンバは、生成されたガスを集めるために、管の上部であるが反応チャンバ内の上部空間に通気している管の内部である場合がある。オーガーは、炭素含有供給原料を、推進させ、回転させて、効率的な熱交換のために、かつ、均等な加熱のために供給原料を「回転させる」ために、管又は反応チャンバの側壁に炭素含有供給原料を均等にさらす。反応チャンバは、反応チャンバの外面から加熱されるので、転移物は、空気を加熱し、バーナーからのあらゆる燃焼製品は、炭素含有供給原料、及び／又は製品ガス燃料と混合しない。反応チャンバは、あらゆる熱いガスを漏洩するのを防ぐように構築される。
【００２５】
次に、炭素含有供給原料は、反応チャンバの長さにオーガーで縮小される（ａｕｇｅｒｅｄ  ｄｏｗｎ）。反応チャンバの終わりで、炭素含有供給原料は、第１のリアクター管と同じ設計である、第２のオーガーのある（ａｕｇｅｒｅｄ）反応チャンバ中に下る。３つから成る構造である、連結流路を含むチャンバは、９０度左に回転したＵに似ている。
【００２６】
炭素含有供給原料は、ここで、非揮発性の炭素、及び揮発性ガスに減少している。揮発性ガスは、熱い炭素表面と共に流れて混合され、熱い炭素表面と反応して熱い製品ガス燃料を形成する。両方の反応チャンバでの滞留時間は、昇華の間に生成される揮発性ガスを、分離させ、反応チャンバを通って移動させる。
【００２７】
第２のリアクターチャンバの終わりには、２つの出口がある。１つの出口は、非不揮発性の炭素が、気密機構を通って流れ、固体チャー燃料として収集されるためのものであり、第２の出口は、製品ガスが捕集されるためのものである。製品ガスは、ろ過され、冷却されて最終の製品ガス燃料へ再度まとめられ、その後、貯蔵される。
【００２８】
さらに具体的には、本発明の装置の態様は、ホットボックス、少なくとも１つの反応チャンバ、第１の動力輸送機構、及び気密要素を含むシステムを含む。前記ホットボックスは、周囲温度から作動昇華温度へ加熱すること、±１０℃未満で安定している初期の作動昇華温度と最終の作動昇華温度を維持すること、及び、前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却することが可能であるように構成され、必要な場合に熱を供給するために、前記ホットボックスの内部と連絡する、少なくとも１つの熱源を有する。
【００２９】
炭素含有供給原料を昇華するのに必要な温度は、個々の供給原料に依存する。作動温度が低すぎる場合、固体からガスへの相変化の間に、上述された、ガス化に関連する不都合な反応を伴って、液体が生じる。温度が高すぎる場合、既に吸熱の反応でエネルギーが浪費される。作動昇華温度は、一般的に、６００℃と８５０℃の間である。より一般的な低い密度の炭素含有供給原料は、６５０℃と７５０℃の間の作動昇華温度を有する。
【００３０】
上記の理由により、反応チャンバにおける作動温度は、装置の作動の間、合理的に安定であるべきである。反応チャンバが、より短い長さを有し、炭素含有供給原料の流速がより小さい、いくつかの実施形態において、作動温度は、±１０℃未満で実質的に一定である場合がある。より長い滞留時間と、より大きい炭素含有供給原料の処理量を有する、他の実施形態において、反応チャンバは、一定ではなく、むしろ、反応チャンバの滴下を通した始まりから終わりまでのプロファイルを形成する場合がある。これらの実施形態において、エネルギー効率の理由により、反応チャンバを通した温度プロファイルの個々の温度は、作動の間、±１０℃未満で安定であるべきである。
【００３１】
熱源は、ホットボックスの内部を、安定な作動昇華温度に加熱し、装置の作動の間、その温度を維持できなければならない。熱源は、十分な熱を与え得る任意のものを含んでもよく、例えば、赤外線源、レーザー光源、及び燃焼源を含んでもよい。燃焼源を使用する実施形態は、外部の源から追加のエネルギーを全く必要としないように、若干量の製品ガス燃料によって燃料を供給され得るという追加の利点を有する。このような実施形態は、作動の間、装置で生成される製品ガス燃料の１０パーセントといった少量で、自給自足できる場合がある。このことは、製品ガス燃料の高いエネルギー含有量に起因する。
【００３２】
少なくとも１つの反応チャンバは、実質的に水平であり、前記ホットボックス内に大部分が位置し、表面を有し、前記固体炭素含有供給原料の少なくとも一部を昇華するのに十分な短い時間枠で、実質的に全く液体を生じずに、前記固体炭素含有供給原料を、外部の触媒、又は追加の水なしで、作動昇華温度へ加熱するように構成される。また、少なくとも１つの反応チャンバは、周囲温度から作動昇華温度へ加熱し、昇華温度で作動し、前記周囲のホットボックス中へ製品ガス燃料を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却するように構成される。さらに、少なくとも１つの反応チャンバは、前記ホットボックスの外側に入力端を含み、前記ホットボックスの外側の入力管、及び出力端を通して、圧縮された供給原料を受けるように構成され、製品ガス燃料を、圧力分離要素を通して、固体チャー燃料を、出力管を通して、吐出すように構成される。
【００３３】
昇華は、固体炭素系供給原料から、より小さいガス状炭化水素を放散する反応である。プラズマは、固体チャー燃料残留物と相互作用するように、製品ガス燃料へ再度まとめられる。このように、製品ガス燃料を生成するために、高価な外部の触媒、及び続きの精密な再形成操作は、全く必要でない。さらに、あらゆる酸素は、反応して、二酸化炭素などの燃料ではない反応生成物を生じさせるので、本発明の昇華は、最小量の酸素の存在下で実施される。従って、作動昇華温度を達成するために、炭素含有供給原料と接触させた過熱蒸気を用いないことが望まれる。セルロースの細胞で隙間に閉じ込められた若干量の酸素は、木材、又は植物残渣を含む炭素含有供給原料にとって、やむを得ない。さらに、他の酸素は、不完全な乾燥を通して入る場合がある。しかしながら、これらの酸素の源は、ごく一部を成し、ガス状製品の２０パーセント未満、しばしば、使用される特定の炭素含有供給原料に応じて、１０パーセント又は５パーセント未満に寄与する。
【００３４】
液相を通過するのを避けるために、固体炭素含有供給原料の固体表面は、迅速に昇華温度に到達するべきである。いくつかの実施形態において、これは、１ミリ秒以内である。いくつかの実施形態において、この時間は、０．１ミリ秒よりも少ない。更なるほかの実施形態において、０．０１ミリ秒未満である。
【００３５】
いくつかの実施形態は、単一の反応チャンバを有する。これらは、開始操作の間の、周囲温度から作動昇華温度を通過することに関連する温度変化、及び、停止操作の間の、逆の温度変化に耐えるように構築される。特徴は、極厚壁、及び／又は、反応の変換部分がホットボックスの側面と連絡する場所であるガセットなどの支持要素の使用を含む場合がある。
【００３６】
第１の動力輸送機構は、前記反応チャンバ内に位置し、前記固体炭素含有供給原料が、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料へ変換されるように、前記固体炭素含有供給原料の昇華製品を、前記反応チャンバを通して運ぶように構成される。いくつかの実施形態は、前記第１の動力輸送機構を含む管を含む反応チャンバを有する。前記反応チャンバは、製品ガス燃料が生成された場合に、これを収集するために前記管と連絡する上部空間も有する。前記第１の動力輸送機構は、前記炭素含有供給原料の固体部分、特に前記炭素含有供給原料の低密度の形態を進めるように構成される。前記第１の動力輸送機構は、また、製品ガス燃料が、前記供給原料の前記固体部分から継続して除去されるように、前記供給原料の前記固体部分と連絡して、安定な作動昇華温度を維持するのを助けるように、反応チャンバの表面の熱と混合するのを助けるように構成される。前記第１の輸送機構は、昇華温度で効率的に作動でき、作動の開始と冷却段階の間、熱膨張、及び熱収縮によって正常とは逆に機能することがない、輸送機構である。効率的な第１の輸送機構の１つの例は、オーガーである。
【００３７】
気密要素は、前記入力管及び前記出力管の両方上にあり、熱い製品燃料ガスが、前記反応チャンバから逆に漏出するのを防ぐように構成される。製品ガス燃料が、制御されていない方法で、反応チャンバから流出させる漏洩は、深刻な安全上の問題を引き起こす可能性がある。熱い表面の存在下での可燃性の製品ガス燃料は、火災と爆発を引き起こす可能性がある。論じられる温度でのこの目的に有効な気密要素の例は、回転弁、回転真空弁、及び作動二重ゲート弁である。
【００３８】
反応チャンバでの作動圧力は、製品ガス燃料を圧力分離要素に通すことによって、その吐出し管に残っている製品ガス燃料からの不都合な不安定性から防御される場合がある。このことは、反応チャンバ内で安定な昇華条件を維持するのに役立つ。圧力分離要素は、反応チャンバで圧力を維持するために、例えば、バブラー、及びサイクロンを含む。あるいは、反応チャンバでの圧力は、気密貯蔵タンク中に吐出されている製品ガス燃料を通して制御される場合がある。
【００３９】
システムのいくつかの実施形態は、連続して互いに連絡する、少なくとも２つの実質的に水平な反応チャンバを有し、第１の動力輸送機構は、反応チャンバ、及びホットボックスのそれぞれの外側に伸びる軸の一部を有する。連続する１つ以上の反応チャンバを有する実施形態は、単一の反応チャンバを有するいくつかのシステムのフットプリントと類似のフットプリントを有する、より多くの量の炭素含有供給原料を加工できるシステムを与える。これらの実施形態は、さらに、ホットボックスの外側で、第１の動力輸送機構の伸びた部分の周りでつばを囲むホットボックスの領域に位置する、調節可能なシーリング要素を含む。調節可能なシーリング要素は、開始及び停止の操作の温度が変化する間、及び定常状態の昇華の操作の間、ホットボックスに流入する外部の酸素が、ホットボックスの外側から逆に流入するのを防ぐように構成される。外側からホットボックス中へ酸素を流入させる漏洩、又は反応チャンバから製品ガス燃料を流入させる漏洩は、作動昇華温度に、望まない大きな変動を引き起こす可能性がある。漏洩は、燃焼する場合に、追加の制御されない熱源に相当する。
【００４０】
各シーリング要素は、調節可能なプレート、及び調節可能なシールを含み、開始及び停止の操作の間の、システムの要素の熱膨張、及び熱収縮の間生成される、望まない漏洩を通して、ホットボックス中、又は反応チャンバ中へ漏洩する、追加の望まない酸素の満足な除去を可能にする。調節可能なプレートは、ホットボックスに調節可能に取り付けられ、つばと軸との間の逆の接触を防ぐように、第１の動力輸送機構の軸の伸びた部分の周りでつばを垂直に動かすように構成される、実質的に垂直なプレートを含む。調節可能なシールは、調節プレートと連絡し、第１の動力輸送機構の軸の伸びた部分の周りに位置し、気密シールを、ホットボックスから伸びるように、第１の動力輸送機構の軸の周りに維持するように設計されたコーン及びロープを含む。
【００４１】
反応チャンバの滞留時間は、固体炭素含有供給原料の性質、及び加工されている量と共に変化する。一般的に、少なくとも５０重量パーセントと、９０重量パーセント余りの間の固体炭素含有供給原料が、石炭と類似のエネルギー密度を有する固体チャー燃料である残留物と共に、製品ガス燃料へと変換され得る。より長い滞留時間は、より多いメタン単位が、プラズマから再度まとめられることを可能にし、７０重量パーセント余りから、９０重量パーセント余りに到達する、製品ガス燃料へのより高い変換をもたらす場合がある。滞留時間は、いくつかの実施形態における１０分未満から、いくつかの実施形態における５分未満まで、いくつかの実施形態における２分未満までの範囲に亘る場合がある。一旦、理論的な変換が実質的に達成されると、極端に長い滞留時間には、不都合な効果は全くない。
【００４２】
いくつかの実施形態において、反応チャンバは、ホットボックス内の反応チャンバの外側に取り付けられた多岐管をさらに含む。反応チャンバの表面、及び多岐管は、ガス状プラズマを、前記反応チャンバと前記多岐管との間に通過させて、ガス状プラズマが昇華温度に暴露される時間を増やすように構成される。いくつかの場合において、この追加の時間は、より長い炭素-炭素鎖を有するプラズマガスを、メタンへとさらに解離させるという結果をもたらす場合がある。
【００４３】
本発明のシステムのいくつかの実施形態は、熱い反応チャンバの壁、及びガセットなどの支持要素が、十分な支持を与えるのが望めない、又は可能でない場合である、開始、停止、及び作動の条件の間、重さを支えるように、前記ホットボックス内にあり、前記実質的に水平な反応チャンバの下にある垂直な支持物をさらに含む。一般的に、垂直な支持物は、実質的に水平な反応チャンバの開始、作動、及び停止の間に起こる場合がある、周囲温度と約８５０℃との間の温度変化に亘って、垂直方向に２．５ｃｍ（約１インチ）以内で、寸法的に安定であるように構成される。
【００４４】
垂直方向の寸法安定性は、断熱材の使用に加えて、支持物を通って流れる冷却材料の使用と組み合わせて断熱材を使用することによって達成される。冷却材料は、通常冷却に関連するものであり、例えば、水、ハロゲン化ガス、四塩化炭素、クロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロカーボン、アンモニア、二酸化炭素、エタン、プロパン、エーテル、及びジメチルエーテルなどの冷却剤；空気、水素、不活性ガス、及びサルファーヘキサフルオリドなどの気体冷却剤；水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、及びＤｕＰｏｎｔによるＦｒｅｏｎ（登録商標）などの液体冷却剤；並びに、ドライアイスなどの固体冷却剤を含む。
【００４５】
冷却材料は、所望の垂直方向の寸法安定性を維持する任意の方法で、垂直な支持物を通る、又はこの周囲を通過する場合がある。垂直な支持物が冷却されない場合、熱膨張は、数インチの垂直方向の膨張をもたらす場合がある。このことは、支持される反応チャンバにある溶接点を壊して、製品ガス燃料をホットボックス中へ漏洩させる、又は環境へと漏出させるのに十分である。上述したように、このことは、安全上の問題をもたらす可能性があり、反応チャンバにおける作動温度プロファイルを不都合に不安定化する可能性がある。いくつかの実施形態は、支持されている熱い反応チャンバの近くの垂直な支持壁に水平に沿った冷却材料の流路を有する場合がある。いくつかの実施形態は、冷却材料を、垂直な支持物の軸へと垂直上昇して流れさせる場合がある。反応チャンバにある溶接点で漏洩が起こるのに十分な程度の垂直方向の熱膨張を制限する限り、他の構成もまた可能である。
【００４６】
システムのいくつかの実施形態は、ホットボックスの外側にある調節チャンバをさらに含む場合がある。これは、炭素含有供給原料が、乾燥され圧縮された形態で供給されなかった場合に、有用である。調製チャンバは実質的に水平な反応チャンバと連絡し、固体炭素含有供給原料からの若干量の自由水、及び酸素を除去するように構成され、固体炭素含有供給原料が、実質的に水平な反応チャンバに流入する前に、プラグへ圧縮するように構成される。
【００４７】
調製チャンバは、調製チャンバ内に部分的に位置し、調製チャンバの外側に伸びる部分を有する、第２の動力輸送機構も含む。調節チャンバは、固体炭素含有供給原料を調製チャンバを通して移動させること、及び自由水が乾燥するように、固体炭素含有供給原料を調製チャンバ内に圧縮することのうち、１つ以上を実行するように構成される。
【００４８】
熱は、乾燥機能によって内部で供給される場合がある。いくつかの実施形態において、固体炭素含有供給原料を乾燥するのに使用される熱は、ホットボックス中の燃焼ガスから供給される。いくつかの実施形態において、熱は、熱い製品ガス燃料、及び固体チャー燃料のうち少なくとも１つから、例えば、熱交換器などの熱運搬装置を通して供給される場合がある。
【００４９】
いくつかの実施形態において、調製チャンバは、追加の乾燥が起こる、乾燥チャンバ、及び圧縮チャンバに細分される場合がある。圧縮チャンバは、独自の第２の動力輸送機構を備えている場合がある。乾燥チャンバは、独自の第３の動力輸送機構を備えている場合がある。この実施形態において、乾燥チャンバ、又はプレ−調製チャンバは、圧縮チャンバ、又は調整チャンバと連絡しており、固体炭素含有供給原料が、システムの調製チャンバを通してより容易に運搬され、酸素、又は水を同伴することなく、そこでより容易に圧縮され、液層を形成させずに、そこでより容易に昇華温度へ加熱されることを可能にするように、低い密度の固体炭素含有供給原料の粒度を、ある大きさに削減し、初期の水、及び閉じ込められた空気の大部分を除去するように構成される。この実施形態において、プレ−調節チャンバの前に置かれて連絡する第３の動力輸送機構は、プレ−調節チャンバの外側に伸びる部分を有する。機構は、固体炭素含有供給原料をプレ−調製チャンバを通して移動させること、及び固体炭素含有供給原料を、プレ−調製チャンバ内で、より処理しやすい粒度に圧縮することのうち、１つ以上を実行するように構成される。
【００５０】
両方の場合において、個々の輸送機構は、固体炭素含有供給原料を昇華の条件へと前進させるものである。輸送機構の一例は、オーガーであるが、所望の機能を達成する場合に、その他も適する。
【００５１】
本発明のシステムは、固体炭素含有供給原料を、本発明のシステムにより使用されるための条件へと調整するように、様々な単位を含む場合がある。様々な供給原料は、上述されたように、乾燥され、圧縮され、速やかに昇華され得る寸法に減少された大きさを有していなければならない。例として、タイヤは、タイヤ粉末に減少されなければならず、わら、又は茎は、システムの調製チャンバを通してより容易に運搬され、酸素、又は水を同伴することなく、そこでより容易に圧縮され、液層を形成させずに、そこでより容易に昇華温度へ加熱される形状に減少されなければならない。単位は、例えば、粉砕する、刻む、スライスする、又は切る装置を含む場合がある。
【００５２】
図１から８は、上述のシステムの様々な実施形態を図示する。同じ数は、実施形態が異なっている場合も、類似の機能的要素に対して使用される。図１は、１つの流路を有する単一の実質的に水平な反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。システム（１００）は、反応チャンバ（１２０）を囲むベント（１１２）を含むホットボックス（１１０）と共に描かれている。ベントは、ホットボックスが、燃焼製品を生成するバーナーを用いて加熱される場合に必要である。純粋な他の源により熱が生成される場合、排気される必要がある過剰なガスが生成しない場合がある。反応チャンバ１２０は、表面（１２１）を有し、軸（１２４）を有する、オーガーである、第１の輸送機構（１２２）を含む。反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように、反応チャンバ１２０、及びホットボックス１１０の伸びている外側の一端には、固体炭素含有供給原料が回転真空弁（１３４）を伴った入力管（１３２）を通って流入する前端（１３０）がある。反応チャンバ、及びホットボックス１１０の伸びている外側の一端には、後端（１４０）があり、ここでは、製品ガス燃料が、反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように配置された圧力分離要素（１４４）を伴った吐出し管（１４２）から流出し、固体チャー燃料が、反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように配置された回転真空弁（１４８）を伴った吐出し管（１４６）から流出する。
【００５３】
図２は、２つの流路、可動性軸シール、及び高温調節可能な軸カバープレートを有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。システム１００は、反応チャンバ１２０を囲み、台（１１４）上にある、ベント１１２を含むホットボックス１１０と共に描かれている。表面１２１を有する反応チャンバ１２０は、垂直な流路と右端で連結された、２つの水平な流路を側面で有し、開口の「Ｕ」のように構成される。各水平な流路は、軸１２４を有するオーガーである、第１の輸送機構１２２を含む。各軸は、反応チャンバ１２０、及びホットボックス１１０の水平な流路から伸びる。各軸の末端に関して、高温調節可能な軸シールプレート（１２６）が、各軸つば（１２７）を囲い込み、ホットボックスへ調節可能に固定されている。各軸の末端に関して、調節可能な高温シール（１２８）が、１つの末端で軸つば１２７上に固定されており、軸つば１２７、及び軸１２４の伸びた軸の末端の一部の両方を包囲する。第１の反応チャンバ１２０、及びホットボックス１１０の伸びている外側の一端には、前端１３０があり、ここでは、固体炭素含有供給原料が、反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように配置された回転真空弁１３４を有する入力管１３２を通って流入する。第２の反応チャンバ１２０、及びホットボックス１１０の伸びている外側の一端には、後端１４０があり、ここでは、製品ガス燃料が、反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように配置された冷却要素１４４を有する吐出し管１４２から流出し、固体チャー燃料が、反応チャンバ内のあらゆる昇華されたプラズマを分離するように配置された回転真空弁（１４８）を有する吐出し管（１４６）から流出する。
【００５４】
図２で示されている、高温調節可能なシール、及びプレートは、機能が達成される限り、様々な形態を有してもよい。ある実施形態は、図３Ａから図３Ｅ、及び図４Ａから図４Ｅにおいて図示されている、調節可能な軸シールプレート１２６である。図３Ａは、所定位置に圧縮されたロープシールを伴った高温調節可能な軸シールケーシングの実施形態の側面図である。シール１２８は、軸１２４の末端に面する前端に、二重ロープシールベースプレート（２１０）を含む、ケーシング（２００）を含む。ベース２１０は、２つのロープシール（２２０）と結合し、二重ロープシールを形成する。この構造は、さらに図３Ｂで図示される。ホットボックス１１０に面するケーシング２００の後端は、さらに図３Ｃで図示される単一ロープシールベースプレート（２５０）上の単一ロープシール２２０の隣に、軸つば１２７を固定するように構成される、ボルトで固定できるつば（２４０）を含む。
【００５５】
図３Ｂは、二重ロープシールを保持するフレームの背面図を示す、図３Ａの実施形態の一要素の図である。軸１２４の末端からケーシング２００を通して見た図である。ボルト穴（２６０Ａ）が描かれている。
【００５６】
図３Ｃは、単一のロープシールを保持するフレームの背面図を示す、図３Ａの実施形態の一要素の図である。ホットボックス１１０からケーシング２００を通して見た図である。ボルト穴（２６０Ｂ）が描かれている。
【００５７】
図３Ｄは、図３Ｂの二重ロープシールを圧縮するカバーを示す、図３Ａの、図３Ａでは示されていない、実施形態の一要素の正面図、及び側面図である。正面図は、ロープシールに面する側の図である。カバー（２７０）は、ボルト穴２６０Ａを有する外側支持リング（２７４）に取り付けられた傾斜した断面の縁部を有する、突出た内側圧縮リング（２７２）を含む。図３Ｂの穴にボルトで固定される場合、突出た内側圧縮リング２７２は、軸に対して内向きにロープシールを押し、酸素を含む空気の不都合な漏洩を、開始と停止の温度の膨張及び収縮の周期の間、ホットボックスへの流入から排除する。
【００５８】
図３Ｅは、図３Ｃの単一ロープシールを圧縮するカバーを示す、図３Ａの、図３Ａでは示されていない、実施形態の一要素の正面図、及び側面図である。正面図は、ロープシールに面する側の図である。カバー（２８０）は、ボルト穴２６０Ｂを有する外側支持リング（２８４）に取り付けられた四角い断面の縁部を有する、突出た内側圧縮リング（２８２）を含む。図３Ｃの穴にボルトで固定される場合、突出た内側圧縮リング２８２は、ロープシールをつば２４０に対して下向きに押し、酸素を含む空気の不都合な漏洩を、開始と停止の温度の膨張及び収縮の周期の間、ホットボックスへの流入から排除する。
【００５９】
図４Ａは、上半分を示す、高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図、及び側面図である。高温調節可能なシールプレートプレート１２６の上半分（３１０）は、２つの調節可能な穴（３１２）、結合穴（３１４）、及び軸つば１２７の半周にはめ合うように設計された半円状の開口（３１６）を含む。断面（３１８）は、まっすぐである。
【００６０】
図４Ｂは、下半分を示す、図４Ａの高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図、及び側面図である。高温調節可能なシールプレート１２６の下半分（３２０）は、２つの調節可能な穴（３２２）、結合穴（３２４）、軸つば１２７の半周にはめ合うように設計された半円状の開口（３２６）、及び、組み立てたときに、滑らかな表面をホットボックスに接触させるように連結穴３２４を含む、ステッププレート（３２５）を含む。断面（３２８）は、階段状である。
【００６１】
図４Ｃは、結合された、図４Ａの上半分、及び図４Ｂの下半分を示す、図４Ａの高温調節可能なカバープレートの実施形態の正面図である。
【００６２】
図４Ｄは、低温位置における、組み立てられた高温調節可能なカバープレートの正面図である。見て分かるように、ホットボックス１１０は、まだ熱膨張を受けていないので、軸１２４は、つば１２７を軸１２４に作動の間不都合に接触させることを回避するように、低い位置でつば１２７を通して、ホットボックス１１０を出る。
【００６３】
図４Ｅは、高温位置における、組み立てられた高温調節可能なカバープレートの正面図である。見て分かるように、ホットボックス１１０は、開始の加熱の作動の間、上向きの形式で熱膨張したため、つば１２７は、軸１２４に作動の間不都合に接触することを回避するように、上向きに移動されなければならない。調節可能な穴３１２及び３２２は、このような調節を可能にする。いくつかの実施形態は、手動調節を使用する。いくつかの実施形態は、自動調節を使用する。
【００６４】
図５は、２つの流路、可動性軸シール、高温調節可能な軸カバープレート、及び垂直支持スタンドを有する、反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。この実施形態は、高温垂直支持物（４００）が、ホットボックス１１０内で反応チャンバ１２０を支持するように使用されることを除いて、図２で示される実施形態に類似している。垂直支持物４００は、反応チャンバ１２０を保持するように、垂直軸（４１０）、及び受け台（４２０）を含む。垂直軸及び受け台の構造の安定性は、軸４１０を受け台４２０に、軸４１０をシステムベース１１４に取り付けるガセット（４３０）を用いて強化される。
【００６５】
図５で示される高温垂直支持スタンドは、機能が達成される限り、様々な形態を有する場合がある。ある実施形態は、図６Ａ及び６Ｂに図示される。その実施形態のバリエーションは、図６Ｃに図示される。図６Ａは、流れる冷却剤のための湾曲した受け台、及び水平なリングを示す、垂直スタンドの実施形態の正面図である。受け台は、反応チャンバ１２０の底に適合するように設計される。反応チャンバ１２０の底が、湾曲していない場合のシステムの実施形態において、異なる適合する形状の受け台が採用されるであろう。軸４１０は、断熱材（示されていない）で囲まれている。しかしながら、反応チャンバ１２０から受け台４２０を通ってスタンド４１０に熱が流れることは、上述したように、軸４１０の不都合な大規模の垂直な熱膨張を引き起こす可能性がある。軸４１０の上部内に水平に配置される冷却リング（４４０）は、上述したように、装置によって採用される温度の範囲に亘って、満足な長さに軸４１０の熱膨張を最小化するように使用され得る。
【００６６】
図６Ｂは、冷却リング４４０を示す、図６Ａの実施形態の上面図である。
【００６７】
図６Ｃは、湾曲した受け台、及び垂直スタンドの垂直軸内の垂直に上下する冷却流路を示す、垂直スタンドの実施形態の正面図である。
【００６８】
図７は、滞留時間を増やすように、反応チャンバの外側に取り付けられた２つの流路、及び４つの流路のバイパス多岐管を有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。システム（５００）は、バイパス多岐管（反応チャンバの表面（１２１）にある装置（示されていない）を通って反応チャンバ内のプラズマと連絡する５１０）、及びそれらが連結する多岐管を含む。このことは、固体炭素含有供給原料の製品ガス燃料、及び固体チャー燃料への所望の変換に適する、延長された滞留時間をプラズマが受けることを可能にする。
【００６９】
図８は、２つの流路、圧縮チャンバ、及び乾燥チャンバを有する反応チャンバを伴ったシステムの実施形態の側面図である。このシステムは、図６で示されるシステムに類似しており、追加の加工チャンバを有する。材料が製品燃料として流出するまで、材料がシステムに流入し進行するときの材料の流路を、太線で示す。システム７００は、反応チャンバの前端１３０に流入する前に、炭素含有供給原料をプラグへ圧縮するための調節チャンバ（７１０）を含む。第２の動力輸送機構（７２０）は、圧縮を達成するように、チャンバの内側にある。いくつかの追加の乾燥が、ここでも起こる場合がある。プレ−調節チャンバ（７３０）は、加熱された環境下で固体炭素含有供給原料を変換して、供給原料を乾燥するように、第３の動力輸送機構（７４０）を有する調節チャンバ７１０と連絡する。チャンネル（７５０）は、ホットボックスからプレ−調節チャンバに熱い燃焼ガスを流し込んで、この乾燥の一部、又は全てを助けるように使用される。
【００７０】
本発明の別の実施形態は、炭素含有化合物を製品ガス燃料、及び固体チャー燃料へ変換するための方法を含む。方法は、少なくとも４つのステップを含む。第１のステップは、ホットボックス内に大部分が含まれ、周囲温度から作動昇華温度へ加熱し、昇華温度で作動し、反応チャンバから前記ホットボックス、若しくは雰囲気中へ熱い製品ガス燃料を全く漏洩することなく、又は前記ホットボックスの外側から前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩することなく、作動昇華温度から周囲温度へ冷却できるように構成される、前記実質的に水平な昇華反応チャンバの中へ、固体炭素含有供給原料を入れることである。第２のステップは、固体炭素含有供給原料を、液層形成が可能になる前に、昇華温度に加熱することである。第３のステップは、前記炭素含有供給原料を、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料に変換するために必要な長さの時間である滞留時間の間、昇華温度で温度を維持することである。第４のステップは、前記製品ガス燃料を、前記固体チャー燃料から分離することである。
【００７１】
前記方法により生成された熱は、様々な方法で使用されてもよい。いくつかの実施形態は、前記固体炭素含有供給原料が、圧縮のために調整チャンバに流入する前に、必要であれば、昇華チャンバに流入する前に、前記固体炭素含有供給原料を乾燥するために、前記ホットボックスからの加熱された燃焼ガスをプレ−調製チャンバへ直接使用する場合がある。いくつかの実施形態は、建物を加熱するなどの他の目的のために熱を使用する場合がある。
【００７２】
供給原料を昇華するために使用される熱は、製品燃料ガスの燃焼部分により供給される場合がある。昇華温度は、上述したようにバーナーのために燃料として使用されている、ほんのわずかな製品ガス燃料を用いて維持され得る。
【００７３】
図９は、本発明の実施形態に従った、炭素含有供給原料から燃料を生成するための方法のフローダイアグラムである。８１０において、前記固体炭素含有供給原料は、反応チャンバからホットボックス、若しくは雰囲気中へ熱い製品ガス燃料を全く漏洩することなく、又は前記ホットボックスの外側から前記ホットボックス中へ酸素を全く漏洩することなく、前記ホットボックス内に含まれる前記水平な昇華反応チャンバの中へ入れられる。次に、ステップ８２０において、前記固体炭素含有供給原料は、液層形成が可能になる前に、昇華温度に加熱される。ステップ８３０において、前記炭素含有供給原料を、製品ガス燃料、及び固体チャー燃料に変換するために必要な長さの時間である滞留時間の間、昇華温度で温度が維持される。最後に、ステップ８４０において、前記製品ガス燃料、及び前記固体チャー燃料が、互いに分離される。
【００７４】
様々な変更、及び追加が、本発明の範囲から逸脱することなく、前述の好ましい実施形態へなされ得る。従って、本発明の範囲は、上述の特定の実施形態によって制限されるべきではないが、以下で説明される特許請求の範囲、及びその均等物によってのみ定義されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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