(57)【要約】  プラズマ反応器(100)は、複数のマイクロ波プラズマノズル(105)と共通反応チャンバー(102)を有する。イオン化される材料を含む流体は、プラズマノズル(105)に供給される。ノズル内で発生するプラズマが入口を通って供給されて反応チャンバー(102)内に捕集されるように各プラズマノズル(105)は反応チャンバー(102)の入口に接続している。上記プラズマ反応器は、複数のプラズマノズルのそれぞれを同時に使用することで規模の拡大を可能にする。従って、多種多様な供給材料の処理における使用や商業規模での使用に適している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバーとそれに連結する2又は3以上のプラズマノズルを具備する反応槽であって、
各プラズマノズルはマイクロ波プラズマ発生器と、材料のフローが前記プラズマ発生器を通って前記反応チャンバーに対するそれぞれの入口に導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記材料が前記反応チャンバーへ入る前に前記材料を少なくとも部分的にイオン化しプラズマを形成する、反応槽。
【請求項２】
１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管内でプラズマ安定フローを促進するように構成される、請求項１に記載の反応槽。
【請求項３】
前記１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管の内部成形によって安定フローを促進するように構成される、請求項２に記載の反応槽。
【請求項４】
前記１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管内に攪拌部を組込むことによって安定フローを促進するように構成される、請求項２又は３に記載の反応槽。
【請求項５】
前記プラズマノズルの構成は、前記プラズマ発生器の近くに据え付けられる、請求項２から４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項６】
前記プラズマ安定フローは、渦である、請求項２から５のいずれかに記載の反応槽。
【請求項７】
前記反応チャンバーは、湾曲側壁を有する、請求項１から６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項８】
単一のノズルを有し、少なくとも前記ノズルの前記給送管の断面は、前記反応チャンバーに対する入口方向へ内向きにテーパーがついている、請求項１から７のいずれかに記載の反応槽。
【請求項９】
前記給送管は、前記プラズマ発生器の下流に反応物用給送管を備え、
前記給送管は、前記給送管への反応材料のフローが前記給送管内の前記プラズマ安定フローの維持を支えるように配置される、請求項１から８のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１０】
前記ノズルと、前記反応チャンバーへのその入口は、前記反応チャンバーと同軸方向に配置され、追加の安定フローは前記反応チャンバー内に設置される、請求項８又は９に記載の反応槽。
【請求項１１】
前記反応チャンバーに対する１又は複数のプラズマノズルの連結は、前記反応チャンバー内に追加の安定フローを確実にするように構成される、請求項２から６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１２】
各プラズマノズルの出力方向は、前記反応チャンバーの周囲壁に対して鋭角で供給材料を前記反応チャンバーに投入するように配向される、請求項１１に記載の反応槽。
【請求項１３】
前記追加の安定フローは、渦である、請求項１０、１１又は１２のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１４】
基質材料の一定層又は可動層は、プラズマ反応における１又は複数の構成成分の分離及び捕集のための前記反応チャンバー内に設けられる、請求項１から１３のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１５】
前記追加の安定フローが前記反応チャンバー内の粒子性浮遊物を支えることを可能にする、請求項１０から１４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１６】
前記粒子性浮遊物は、前記反応チャンバー内の前記プラズマ反応における1又は複数の構成成分の分離及び捕集に利用される、請求項15に記載の反応槽。
【請求項１７】
前記プラズマ発生器の各ノズルは、マグネトロンが原動力である、請求項１から１６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１８】
前記反応チャンバーは、前記プラズマ発生器に関して共振しない、請求項１７に記載の反応槽。
【請求項１９】
前記反応チャンバーは、前記チャンバーの上方壁を通って延びる排出管を備える、請求項１から１８のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２０】
前記排出管は、前記チャンバー内へ調節可能な長さに延びる、請求項１９に記載の反応槽。
【請求項２１】
前記反応槽は、前記反応チャンバーと流体連通する二次チャンバーを備える、請求項１から２０のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２２】
前記二次チャンバーは、排出ポートを備える、請求項２１に記載の反応槽。
【請求項２３】
前記排出ポートは、ガス制限バルブが取り付けられている、請求項２２に記載の反応槽。
【請求項２４】
前記二次チャンバーは、静電捕集器、粉体集塵装置又はポリマー加工基質を備える、請求項２１から２３のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２５】
前記反応チャンバーは、導入管を備える、請求項１から２４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２６】
1又は複数の反応物の第2のフローは、前記導入管に沿って通過することができる、請求項２５に記載の反応槽。
【請求項２７】
前記反応槽は、前記プラズマ発生器の前に前記供給材料を噴霧又は気化するための噴霧装置又は気化装置を備える、請求項１から２６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２８】
前記反応槽は、1又は複数の反応物を噴霧又は気化するため噴霧装置又は気化装置を備える、請求項１から２７のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２９】
プラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器を介して入口から材料のフローを導く給送管と、
前記プラズマ発生器から遠くにあり、反応チャンバーへ連結するように構成されているノズル出口と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記材料を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、前記ノズル出口を通るフローを維持する、プラズマノズル。
【請求項３０】
前記ノズルは、互いに独自のプラズマ発生領域を有し、前記給送管が両方のプラズマ発生領域を横切るように配置された2つのプラズマ発生器を備える、請求項２９に記載のプラズマノズル。
【請求項３１】
前記2つのプラズマ発生領域と前記給送管とのそれぞれの交点間の間隔は、前記2つの交点の間に延びる前記給送管内に単一のプラズマ雲が形成されるように選択される、請求項３０に記載のプラズマノズル。
【請求項３２】
ガス状炭化水素の供給との接続のための手段と、
それに連結する少なくとも2つのプラズマノズルと、
前記少なくとも2つのプラズマノズルに連結する反応チャンバーと、を備え、
各プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ発生器と、炭化水素のフローを前記プラズマ発生器を介して前記反応チャンバーのそれぞれの入口へ導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記ガス状炭化水素が前記反応チャンバーへ入る前に前記ガス状炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
前記反応チャンバーは、捕集される水素が通る少なくとも1つの出口を備える、水素生成槽。
【請求項３３】
ガス状炭化水素の供給との接続のための手段と、
それに連結する少なくとも2つのプラズマノズルと、
前記少なくとも2つのプラズマノズルに連結する反応チャンバーと、を備え、
各プラズマノズルは、マイクロ波プラズマ発生器と、炭化水素のフローを前記プラズマ発生器を介して前記反応チャンバーのそれぞれの入口へ導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記ガス状炭化水素が前記反応チャンバーへ入る前に前記ガス状炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
前記反応チャンバーは、捕集される炭素が通る少なくとも1つの出口を備える、炭素抽出槽。
【請求項３４】
炭素の捕集様式が捕集される炭素の主要な形態を決定する、請求項３３に記載の炭素抽出槽。
【請求項３５】
前記反応チャンバーは、炭素が優先して堆積する基質を備え、
前記炭素は、前記反応チャンバーからの前記基質の除去によって捕集される、請求項３４に記載の炭素抽出槽。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ反応器の分野に関する。特に、しかし排他的ではなく、本発明は、商業規模で多種多様な供給材料の処理に用いることができる、プラズマを発生させるマイクロ波用反応器に関する。
【０００２】
車及び他の乗り物及び建物からの有害排出物の減少に関する現在の重点的な取り組みと共に、ガソリン及びオイルに対する代替物(例：水素及びバイオガス)を燃料とする乗り物の開発に多大な研究がなされてきた。炭化水素燃料に対する代替物を採用することで、乗り物がより環境にやさしくなる機会を与える一方で、かかる代替燃料が生産される工程は理想からほど遠い。水素は、例えば、炭化水素分子の接触分解によって現在合成されている。この反応を起こすのに必要な高い温度は、燃料油又は石炭によって通常達成されるため、結果として更なる環境汚染物質が放出される。事実、現在の商業的な水素製造工程は、水素に置き換えられる予定の燃料を直接燃焼するよりも水素の方が有効エネルギー量当たりの有害な温室効果ガスがより多量に発生すると見なされている。換言すれば、現在の水素は、その製造が考慮される場合はクリーンな燃料ではない。
【０００３】
従って、現在利用可能なものよりも高効率であり、環境への影響がより著しく低い状態で水素を生産可能な工程を開発する必要がある。理想的なものは、かかる工程が小規模、中規模及び大規模な商業規模で直ちに実施可能であるべきという点で融通性が高いものだろう。現行の市販システムよりも低い環境コストで水素を生成する潜在的能力を提供する1つの方法が、プラズマ処理の利用である。プラズマ処理において、気体又は液体はチャンバーに流入し、それらが(例えば高強度場への露出によって)イオン化されることによってプラズマが形成される。プラズマ状態において、供給材料の構成成分は解離され、そして別々に取り出されるか、それと再結合するか、又は追加の供給材料と反応するだろう。それは、要求される出力生成物に依存するだろう。プラズマ処理は、例えば、熱分解、解離及び蒸着(ダイヤモンド蒸着及び活性化生成物の製造を含む)とガス研磨の領域における著しい効果及び固有の能力も提供する。
【０００４】
様々な様式のプラズマが存在することは公知であり、一般的にはそれらのエネルギー特性によって分類される。主なものは熱プラズマ及び非平衡プラズマである。後者のグループには、RF、誘導、バリア放電、マイクロ波及びレーザー励起によって生じるものが含まれる。電磁誘導プラズマは、特にガス及び液体供給料材の両方を高効率に熱分解できる潜在的能力を提供する。かかるプラズマは、触媒効果を有することが示されている。これは、電磁場、特にマイクロ波場と供給材料の間のカップリングの結果として反応速度を増加させる触媒効果である。そして、供給材料がプラズマ状態を維持しなければならない時間が減らされる。
【０００５】
マイクロ波は、1mから1x10-2mの範囲の波長を有する電磁放射線であると、一般に言われている。この範囲外の電磁放射線でも効果的にプラズマを発生させることができるが、マイクロ波源はレーダーや電子レンジの分野において長く用いられてきているように成熟した技術を表す。それ故に、適切なパワーレベルのマイクロ波源は、すぐに利用可能である。
【０００６】
しかし、商業運転用に、マイクロ波により発生するプラズマを使用する反応チャンバーの規模を拡大することには課題がある。このように、マイクロ波プラズマが化学反応及び処理を容易にする理想的なルートを提供する一方で、現在まで、比較的小さな規模やバッチ処理として実施されるだけだった。
【０００７】
マイクロ波により発生するプラズマ源は、2つのグループ、低圧で作動するものと大気圧程度及び大気圧よりも高い気圧で作動するもの、に分けることができる。燃料分解用に使用可能な市販システムは、好ましくは「高圧」システムに基づいており、供給流体のより高い処理能力を可能にし、効果的でエネルギー効率の良い最終生成物の蓄積を可能にする。低圧システムで起り得る著しい圧力差が、市販応用に対して低圧システムを採用することに魅力を感じさせない。
【０００８】
2つの従来型の大気プラズマ発生器は公知である：低体積の単一チューブとより高体積の単一マグネトロン。両方のタイプに基づく反応器が実験室規模ではいくつかの成功を納めてきた一方で、商業規模での運転に関して十分に融通性のある設計は、まだ判明していなかった。前者のグループのそれらは、励起放射の封じ込めに必要な導波管のディメンションによってサイズが制限される。即ち、導波管はプラズマの表面で形をなし、それによって、プラズマを封じ込めている。反応器のチューブ直径に関する基本的な制限は、マイクロ波源の周波数によって規定され、それが応用を実験室規模の装置に制限している。後者のグループのそれらは、空洞共振器に依存し、高強度電磁界の領域を局所的に発生させ、プラズマの発生及び維持を行う。従って、強力な源が必要とされ、それはプラズマを発生させることと、処理のための供給材料に充分なエネルギーを供給することの両方を行うためである。また、装置サイズがマイクロ波源の周波数と出力によって制限されるのは、反応チャンバーが共振する必要があるためである。それが発生するマイクロ波の周波数と出力の両方が、この動作原理に基づく反応器の、潜在的なチャンバーサイズを制限している。
【０００９】
AC、DC、RF及びHFプラズマを組み合わせてより多くのプラズマを処理のために発生させることは比較的簡単な一方で、マイクロ波プラズマが有する可能性の大部分は今まで判明していなかった。反応チャンバーのプラズマ量を増加させる位相同期マイクロ波源に関する問題点は、周知であり文書で十分に裏付けられている。周波数及び位相を制御できるRF電磁エネルギー発生に関する多くの技術が存在する。加算的に組み合わせた複数のプラズマ源に関して要求される位相同期を提供するために、RF発振器は微調整ができ、全て同じ位相及び周波数での作動を確実にする。マイクロ波発振器(例：マグネトロン又はクライストロン)は、容易に調節可能な位相及び周波数特性を有していない。共振器の出力、周波数、位相及びサイズは全て互いに関係する。一方の貢献に悪影響を与えることなくもう一方を調整することは単純にはできない。更に、マグネトロン及びクライストロンは、基本的な値の周波数バンドを発する。重要な成分は基本周波数の外側に存在する。これらが充分に増幅され、マイクロ波源にフィードバックして損傷を与える。アイソレーターを使用して上記源を保護することもできる。しかし、位相同期とアイソレーターを一緒にすることは、相当な費用が加算され、利用可能なマイクロ波エネルギーが減少する。実際には、マグネトロン位相同期は達成されたが、極めて少ない源に関するものだけであり、これは非常に限られた条件下で、相当な複雑性を伴って達成された。
【００１０】
マイクロ波を利用するマイクロ波プラズマ生成用装置の1つの例は、US6,204,603に記載されている。この装置は、マイクロ波が組み込まれる同軸共振器を利用する。電磁定在波パターンが共振器内に高強度の領域(振幅)で形成される。それは、プラズマを発生するのに十分である。しかしながら、この装置における共振空洞の利用が、一度に発生することができる潜在的なプラズマ量を制限する。
【００１１】
広範囲プラズマ発生器は、JP2006/156100に記載されている。この書類には、共有空間中でプラズマを発生させるために個々のマイクロ波アンテナを多く使用することが記載されている。これは、その空間の中でより均一なプラズマ分布を達成するためである。上記アンテナは分離されているにもかかわらず、それらは１つの共有マイクロ波源によって作動し、全てのプラズマ源(アンテナ)が同期することを確実にしている。それによって最大プラズマ量も制限されている。上記書類には、複数のマイクロ波プラズマ源を使用してプラズマ領域を維持することの問題点及び複雑さが明確に示されている。
【００１２】
本発明の目的は、マイクロ波電磁放射を使用するプラズマ利用のための代替装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の更なる目的は、従来装置に課せられている制限と同じ制限を、マイクロ波が発生させるプラズマ量に課さないプラズマ発生装置(発生と維持が同時に可能)を提供することにある。
【００１４】
本発明の更なる目的は、従来型のプラズマ反応器と比較して、プラズマ発生に利用される上記源の特性に対する依存度を低下させる、プラズマ量及び出力を生み出すマイクロ波プラズマ発生器を提供することである。
【００１５】
従って、本発明は反応チャンバーとそれに連結する2又は3以上のプラズマノズルを具備する反応槽であって、各プラズマノズルはマイクロ波プラズマ発生器と、材料のフローを上記プラズマ発生器を通り上記反応チャンバーへ導く給送管を具備し、上記プラズマ発生器は材料が上記反応チャンバーへ入る前に上記材料を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成する、反応槽を提供する。
【００１６】
本発明に従って造られる装置は、先行技術に対して多数の効果がある。最も重要なのは、本発明については従来型のプラズマ発生と比較して、より高い量のプラズマ(マイクロ波が発生させるもの)を単一容積内で同時に発生及び捕集できる。それが、装置及びプラズマ発生方法を商業規模の処理作業に特に適するようにし、プラズマ処理作業(例えば水素の生成)における効率の改善を成し遂げることができる。このセットアップは、それぞれのプラズマ発生器を電磁的に隔離することを可能にし、相互干渉による損傷リスクを著しく低下させることを確実にする。プラズマは反応チャンバーに捕集されるため、かかる源によって発生するプラズマは加算的である。これは、位相同期を必要とせずに達成される。これにより、先行技術の厳しい限定要因を証明した。
【００１７】
本発明に従って構成される装置は、反応チャンバーがプラズマ源と空間的に分離している結果、先行技術として公知のプラズマ反応器より著しい融通性がある。同様の反応器は、種々の処理に適するに容易に構成可能であり、希望するなら連続運転が可能である。
【００１８】
前述のように、マイクロ波放射の許容範囲は、1mから1×10-2mの範囲の波長である。本発明に従う、プラズマ発生に用いるマイクロ波は、0.5mから0.05mの範囲であることが好ましい。プラズマ発生器から離れた反応チャンバーの配置によって、複数のプラズマ発生源が加算を可能にするメカニズムによって出力が維持されるように使用可能になる。即ち、生じるプラズマの量(故に、反応に利用可能な量)は、上記源の数に関して実質的に直線的に増加する。これは、マイクロ波放射の発生自体の特徴によって基本的な限定が与えられる先行技術とは正反対のものである：従来型のプラズマ反応器については、上記チャンバーはこの放射に対して共振しなければならないか、プラズマ周辺の領域に限定された導波管を作り出さなければならず、上記導波管の機能はマイクロ波の周波数によって決定されるもののサイズに制限される。
【００１９】
マイクロ波プラズマ発生に関する従来の処理方法(例：US 6,204,603及びJP2006/156100に記載されているもの)を商業規模にまで拡大されたことは公知ではなく、単に利用可能な技術によって実行できないだけである。単一チューブの処理は、プラズマ表面で導波管を形成する必要があるため低い量に制限される。複数のマイクロ波源にまで広げることによってかかる方法を用いてより多くのプラズマを発生させることはできない。上記源は、周波数及び位相が同期される必要があり、それを達成するのは困難である。しかし、より基本的には、プラズマの量はやはり導波管のディメンションによって制限される：複数の源によって強烈なプラズマになるのは、よりエネルギー集約的な処理のためであるが、それ自体は処理プラズマではない。単一マグネトロン処理は、US 6,204,603にて説明される通り、マイクロ波放射の適切なモードに関して共振する反応チャンバーに依存する。このようにして局所化された高強度場の領域をチャンバー内に生じさせることができる。所望の反応を起こすことができる充分な時間スケールがあるため、プラズマを励起させてそれを維持するのには充分である。限られた数のモードのうちの1つに対して共振するチャンバーの要件は、マイクロ波源の周波数によって決定されるそのサイズであることが必然的に意味される。従って、所定の励起周波数のためにかかる装置の規模を拡大縮小させることは不可能である。
【００２０】
上述した通り、プラズマ発生領域は反応チャンバーから離れている。プラズマ発生領域と反応チャンバーの間の最小分離距離は、複数のプラズマノズルにおける個々のマイクロ波場の電磁隔離を確保するのに必要な最小距離である。最大分離距離は、少なくともプラズマのエネルギーに依存するプラズマ状態の持続と、供給フローの速度及び安定化に依存する。好ましくは、分離距離は、0.005mと1mの間、より好ましくは0.05m及び0.5mの間、更により好ましくは0.02mと0.2mの間である。最小分離間隔は、使用される電磁放射の波長に部分的に依存する。
【００２１】
理想的には、本発明に従って発生するプラズマは、安定パターンのフローが誘導され、プラズマ発生サイトを超えた先での存続時間を延ばし、その結果反応チャンバー内のプラズマの捕集を可能にする。反応チャンバー内の流動は、必要な反応の大部分が起こる上記チャンバー内に「反応ゾーン」を描出することができる。主なものは、捕集チャンバーにおいて持続するプラズマ残光であり、上記残光はプラズマが励起発生以外のメカニズムによって維持される領域である。かかる持続は、安定フローによって補助されると考えられている。
【００２２】
共通チャンバーと離れたプラズマ源を有し、反応が起こる共通チャンバー内にプラズマプルームを移送して結合することによって、1又は複数の反応物がプラズマ状態を持続することに関して、本発明はプラズマ処理の基本的な態様に大きな融通性を提供する。特に、プラズマ処理の解離段階は反応処理の再結合段階と物理的に別れている位置且つ解離が起こる環境から分離される位置で発生する。これによって、種々の処理条件を各段階で設定することができる。これによって、所望の反応/再結合を促進するために再結合の理想条件を反応チャンバーにセットできる。従って、反応器のサイズ及び出力の規模を拡大縮小する潜在能力と、反応チャンバーにおいて実行される化学的及び物理的な反応処理のタイプ及び範囲との両方について柔軟性が提供される。特定の実施形態に関しては、後述するように、本発明は多くの他の業種間、製造、エネルギー生成及び廃棄物処理の分野での応用が容易に見つかるだろう。
【００２３】
位相同期された、複数のマイクロ波プラズマ発生器を結合する先行技術プラズマチャンバーとは異なり、本発明については、1つの捕集チャンバーに連結可能なマイクロ波プラズマ発生器の数(3以上)に制限はない。唯一の実用限界は、捕集チャンバーにおける上記発生器のサイズと、捕集チャンバーに対するプラズマノズルの連結部の物理的なディメンション(即ち、上記チャンバー周辺に物理的に取り付け可能なプラズマノズルの数)である。使用目的によっては、プラズマノズルの数は、反応チャンバー中の特定のガスフロー特性を確立するのに必要なものによって制限されてもよい。本明細書における特定の実施形態においては、好ましくは少なくとも4つのプラズマ発生器は単一の反応チャンバーに連結する。
【００２４】
捕集チャンバーへ投入される総プラズマ発生は、応用によって1KWから数MWまでとすることができ、使用するプラズマノズルの数に応じている。
【００２５】
「プラズマノズル」という用語は、本願明細書において、供給流体を入力ポートからプラズマ発生領域又はゾーンを通り出力ポートまで導くことができる任意の装置を包含する。
【００２６】
プラズマノズルは、誘導菅の中に限定することによって捕集チャンバー内の安定フローを促進するように構成してもよい。例えば、ノズルの設計は横方向のへ入力が強い渦運動を有する出力ガスフローを導く渦管に基づいてもよい。あるいは、ノズルは上記管内に攪拌部(例えば、螺旋状羽根車又はファン)を具備してもよい。
【００２７】
理想的には、安定フローを促進するノズル構成はプラズマ発生器上流の位置である。この配置は、処理がより均一になるようにプラズマゾーンへの供給材料の曝露を増やす付加的な効果がある。
【００２８】
安定フローは、最も好ましくは半径が減少する渦フローであり、一般的には螺旋状のガスフローになることを意味する。渦フローがある程度プラズマを安定させることができることは公知であるが、かかる安定メカニズムが本願明細書に記載されているような、反応槽の設計に対する融通性についての驚くべき利益を有するとはこれまで認識されてこなかった。
【００２９】
あるいは又は加えて、本発明のプラズマ反応器は捕集チャンバー内部に追加の安定フローを促進するように更に構成してもよい。この追加安定フローは、ノズル中の安定フローのフロー特性によって、及び/又は捕集チャンバー周りのプラズマノズル配置及び/又は上記チャンバーに対するそれらの連結様式によって促進させてもよい。ノズルは、上記チャンバー壁に対して角度をもって、好ましくは接線の角度をもって供給材料/プラズマを上記チャンバーに投入するように上記チャンバーへ連結できる。追加の安定フローは、渦フローでもあってもよい。他のフローインデューサーはノズルとは区別されるものであり、反応チャンバー内の攪拌部のようなものも想定される。
【００３０】
好ましくは、反応チャンバーは湾曲側壁を有する。例えば、上記チャンバーは、形状が円筒状、環状又は球形でさえあってもよい。これと安定フローとの組合せが化学的及び物理的処理の範囲を広げることへの改善に関する大きな潜在的能力を提供する。まず第一に、プラズマプルーム/残光はノズル出口から出て反応チャンバーへ延び、フローパターンによって形成され、反応チャンバー壁のそばを側方向に延びる。上記反応チャンバー周辺に流れる供給材料又は他の反応材料は、連続するノズルからの残光が発生するにつれて、残光環境における滞留時間が増加するだろう。これがより完全なプラズマ処理を可能にし、従って反応効率が向上する。プラズマノズルが十分に近い、及び/又はプルームが充分な時間持続する場合、これらの個々のプルームが融合し、連続したプラズマの円環体をチャンバー内に形成することができる。
【００３１】
上記チャンバー内のフロー状態によって提供される他の効果は、反応生成物の迅速な分離が多くの場合可能だろう。例えば、炭素及び水素が反応生成物である場合、炭素はクラスター形成し、重力で落とすことが可能である一方で、水素フローは上方に向かうことができる。従って、上記チャンバーの上部及び下部の排出口又はその付近の排出口によって、これらの生成物が除去されるのは、反応槽内でプラズマ発生及び反応が続くためである。即ち、生成物の除去を反応処理を止めることなく促進させる。連続運転の可能性は、生産性を大幅に向上させる。
【００３２】
他の実施形態では、安定フローは上記チャンバーにおける浮遊中の微粒子ベルトを支える能力がある。これらの粒子は、数多くの効果を可能にする。第1に、上記粒子は、1又は複数の反応生成物に対する基質として作用することができる。上記チャンバーからのそれらの分離及び除去を補助する。また、これがバッチ操作とは対照的に反応槽の連続運転を可能にする。これまでは、かかる反応槽の操作手段のみであった。
【００３３】
本発明の反応槽又は捕集チャンバーは、利用するプラズマのタイプによっては制限されない。各プラズマノズルは、低容量の源若しくは大容量の共振源、又は実際は他の適切なマイクロ波プラズマ源を備えてもよい。実際、マイクロ波プラズマ源に加えて、反応槽は他の非マイクロ波プラズマ源及びプラズマノズルを有することができる。しかしながら、有望な市販応用にとって大気圧付近及び大気圧よりも高い気圧で動作することは有益であるとみなされる。好ましい動作範囲は0.3 - 3barであるが、約10barまでの動作圧力は想定可能である。
【００３４】
特に本発明については、各ノズルのプラズマ源は、好ましくはマイクロ波源としてマグネトロンを利用することで得られる。各ノズルは、供給材料が流れる給送管を備え、各マグネトロンはマイクロ波放射のために寸法取りされ、マイクロ波放射の電界が最も強い位置か、その近くの位置で給送管が横切るように配置される少なくとも一つの導波管を備えてもよい。かかる設計は実装し易く、事実かかるマイクロ波源は容易で安く利用可能である。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態において、上記給送管は給送管とマグネトロン導波管との交点又はその近くに位置する渦インデューサーを具備する。これが安定(好ましくは渦)フローを、プラズマと共に供給材料をより良好に混合することを確実にするプラズマ発生の前に誘導することを確実にし、より良好な処理を確実にする。
【００３６】
前述のように、マイクロ波放射の許容範囲は、1mから1x10-2mの範囲の波長である。現在、容易に利用できる装置を用いて、本発明に従う、プラズマを発生させるために用いるマイクロ波は、0.5mから0.05mの範囲の波長の装置を有することが好ましい。
【００３７】
プラズマノズルにおいて使用されるマイクロ波プラズマ発生器は、好ましくは同軸マグネトロンである。各プラズマノズルのマイクロ波発振器に供給されるエネルギーは、好ましくは0.1kWと500kWの間、より好ましくは0.5kWから120kWの間、最も好ましくは1kWから75kWの間である。
【００３８】
好ましい実施形態において、プラズマ反応器のプラズマノズルの全ては、各々マイクロ波プラズマ発生器を有する。しかしながら、プラズマ反応器が捕集チャンバーと連結する種々のプラズマ源(いくつかはマイクロ波プラズマ発生器でなくなくてもよい)を備えてもよい。プラズマ反応器のマイクロ波プラズマ発生器のいずれも位相は同期されないが、更に一般的にいえば、共通反応チャンバーに接続するマイクロ波プラズマ発生器の少数だけは位相を同期させてもよい。
【００３９】
プラズマノズルを通る材料のフローには、好ましくは流体、より好ましくはガスが含まれる。更に、プラズマノズルのプラズマ発生ゾーンを通るフローには、優先して1又は複数の反応物が含まれる。処理反応に従って、好ましくは少なくとも1つの反応物の大部分又は理想的には全てがプラズマ発生ゾーンを通って流れる。反応物は、プラズマ発生ゾーンを通るフローの50%超、より好ましくはフローの75%超、最も好ましくはフローの90%超を構成してもよい。
【００４０】
プラズマノズルに供給される流体は、好ましくは-20℃と+600℃の間、より好ましくは0℃と200℃の間、最も好ましくは50℃から150℃までの温度である。
【００４１】
プラズマノズル中の圧力は、好ましくは0.01bar abs.から5bar abs.の間、より好ましくは0.3bar abs.から2bar abs.の間、最も好ましくは0.8bar abs.から1.5bar abs.の間である。
【００４２】
プラズマノズル中の平均滞留時間は、10-6秒から10-1秒であってもよいが、好ましくは2x10-6秒から10-2秒であってもよい。しかしながら、平均滞留時間はイオン化されている材料に依存することは理解されるだろう。例えば、本発明のマイクロ波プラズマ発生器を通過するメタンを完全に熱分解する特定の消費エネルギーは、100%の効率で約23kJ/molである。
【００４３】
反応チャンバーの体積がいずれの場合においてもプラズマ反応器の意図された応用及び処理要件に依存する一方で、2.45GHzのマイクロ波プラズマ発生器の場合、体積の例示的な範囲は、10-3m3から103m3、より好ましくは10-2m3から102m3、最も好ましくは1.5m3から102m3である。反応チャンバーの体積は、KW当たり5 x 10-4m3/ノズル以上であるべきであるが、これに限定されずに大きくなる方向へ拡大させてもよい。
【００４４】
反応チャンバー中の滞留時間は、上記チャンバー内で発生する1又は複数の反応と所望の出力生成物に依存するが、0.1秒から数時間まで延ばすことが可能である。
【００４５】
反応チャンバー(そうでなければ、本明細書において捕集チャンバーと称されるもの)は、上記チャンバーの上方壁を通って延び、好ましくは中央に位置する排出管を実際に具備する。上記排出管は、上記チャンバー内へ予め選択した長さ又は調節可能な長さに延ばしてもよい。上記排出管は、反応チャンバーから出る1又は複数のガス状産物の捕集地点としての機能を果たす。上記チャンバー中のその高さを調節して特定のガス生成物を捕集してもよい。また、渦運動が反応チャンバーに残ることを促進し、排気ガスの流出によっては消失しない方法で、排出管中により小さい管を多く内部的に取り付けても良い。
【００４６】
反応チャンバーからの1又は複数の排出口設備がプラズマの発生を妨げないか、又は止めることなく反応生成物を取り出すことを可能にする。即ち、上記処理の連続運転には影響を及ぼさない。生成物の除去は、生成物が系(例：炭素生成工程)を目詰りさせることを防止するために、又は圧力の増加(例：水素又は他のガス生成工程)を開放するためにも望ましい。
【００４７】
プラズマ反応器は、反応チャンバーと流体連通する二次チャンバーを更に備えてもよい。上記二次チャンバーは、排出ポートを備えることも可能である。好ましい実施形態においては、上記二次チャンバーは、反応チャンバーの下に位置する。かかる下部ポートは、理想的には固体生成物をチャンバーから抜き取るために配置される。更に、第2の渦は、この排出ポート(捕集する反応生成物を伴出するために、上記チャンバーの中心に配向されたもの)によって描かれる。例えば、蒸気存在下でのメタンの熱分解において、出力生成物は、水素及び一酸化炭素(合成ガス)だろう。上記チャンバーの中心ゾーンを通る水素化マグネシウムのフローを伴出することによって、水素は1つのポートへ出る水素化マグネシウムによって吸収され、一酸化炭素が上部排出ポートを経たガスとして出ることが可能になるだろう。ガスを下部排出ポートへ漏れるのを防止するために、上記ポートは、ガス制限バルブを取り付けてもよい。
【００４８】
捕集補助器具(例：静電捕集器、粉体集塵装置又はポリマー加工基質)は、上下のチャンバーの一方又は両方との流体連通の中に備えるか、又はそこに備えてもよい。これらが更に可能性のある手段を設け、反応チャンバーの中で起こっている反応の性質に依存して出力生成物を捕集する。例えば、静電プレート又はリングは、固体を引きつけ、ガスフローからそれらの分離を促進するだろう。
【００４９】
本発明の特に有望な応用は、水素ガスと炭素が生じる炭化水素の熱分解である。水素ガスは、クリーン燃料として排出管を介して捕集できる。炭素は、活性炭の形で捕集できる。
【００５０】
生成物捕集のための基質又は他の材料の導入ができるように、反応チャンバーは第2のフローが通過可能な導入管を更に備えてもよい。あるいは、他の材料は、その時点でプラズマを活発に発生させていたり発生させていなかったりする1又は複数のプラズマノズルを経て反応チャンバーへ投入してもよい。
【００５１】
プラズマ反応器は、1又は複数の噴霧又は気化装置を備え、液体を処理可能にすることも本発明において可能である。噴霧又は気化装置は、プラズマノズル、又は反応チャンバーに対する入口に位置してもよい。
【００５２】
本発明の実施形態は、ここで、単なる例を添付図面と共に記載している。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、本発明に従う反応槽の略図である。
【図２】図２ａは、本発明の実施形態の略図であり、反応チャンバーについてのプラズマノズルの配置を示している。図２ｂは、他の実施形態の略図であり、反応チャンバーについてのプラズマノズルの種々の配置を示している。
【図３】図３は、ノズルへの組込みに適するプラズマ源の1つの例を概略的に示している。
【図４】図４は、本発明での使用に適しているプラズマ源の他の例を概略的に示している。
【図５】図５は、渦運動の供給ガスをプラズマ発生領域を通して導くように形づくられるプラズマノズルの構成部品の略図である。
【図６】図６は、渦運動の供給ガスをプラズマ発生領域を通して導くように形づくられるプラズマノズルの中の他の構成部品の略図である。
【図７】図７は、ガス研磨、ガス洗浄、有害ガス又は有毒ガス処理に適する、反応槽の他の実施形態の略図である。
【００５４】
図1に関して、本発明によるプラズマ反応器100が、概要として示されている。反応器100には、供給ガスが環状マニホールド104へと流れる導入管103が具備されている。複数のプラズマノズル105がマニホールド104と反応チャンバー102とを接続する。1つの特定構造においては、直径35mmの4つのノズルが用いられる。例示したノズルの数より多い又は少ないものも想定され、直径は25mmから50mmの範囲内である。反応チャンバー102は、直径500mmであるが、例えば、250mmから数メートルまでの範囲であってもよく、それは所望の生産規模次第である。各プラズマノズル105の中で供給ガスを励起し、プラズマをプラズマ発生ゾーン又は領域において形成させてもよい。プラズマ発生ゾーンと反応チャンバーへの入口の間の最小分離距離は、複数のプラズマノズルにおける個々のマイクロ波場の電磁隔離を確保するのに必要な最小距離である。最大分離距離は、少なくともプラズマのエネルギーに依存するプラズマ状態の持続と、供給フローの速度及び安定化に依存する。好ましくは、プラズマ発生ゾーンを反応チャンバーから分離している距離は、0.005mと1mの間、より好ましくは0.05m及び0.5mの間、更により好ましくは0.02mと0.2mの間である。
【００５５】
各ノズルは、渦インデューサー110をノズルの入力位置か、ノズル入力とノズルのプラズマ発生領域(この図に示されない)との間の位置に備える。渦インデューサー110は、供給ガスを渦運動で流れることを促進するように構成される。渦運動を維持し、イオン化された状態のままにする方法で、この渦運動がノズルの中で発生するプラズマを安定にする。これは、反応チャンバー102に流れるためである。従って、プラズマは反応チャンバー102において多少の持続期間の間は反応性がある。理想的には、ノズル中の各渦フローの回転方向は、渦フローが反応チャンバー内での一般的なプラズマの安定化に確実に寄与するような方向である。
【００５６】
下部チャンバー108は反応チャンバー102の下に位置し、これを反応生成物の分離に用いても良い。本実施形態においては、反応に関する固体生成物は下部チャンバーにおいて分離されると考えられる。回転流動を確立し、その回転面は実質的に反応チャンバーに対して水平であるか、反応チャンバー内で螺旋状になることが望ましいので、下部チャンバー近接の反応チャンバーは好ましくは固体粒子捕集用のサイクロンであること考えられる。上記固体生成物は、ガス制限バルブ106(例：回転弁)を通過し、下部出力ポートに移動する。上部出力ポート101は、上記チャンバー102より上に設けられ、本発明のこの実施形態においては、ガス状の反応生成物(それは、下部出力ポート107を介して排出するのを回転弁106によって防止される)を捕集するために用いられる。
【００５７】
プラズマ反応器100の動作は、図1に関連して、ここで記載されている。処理されるガス供給物は、制御圧力(典型的には、1と2 bar absの間)で導入管103を通りマニホールド104に入る。供給ガスの流量は、様々な反応条件に従って調節される：例えば、プラズマ発生源のエネルギー、供給ガスの化学組成及び所望の反応産物。ガスフローは、この実施形態に関して、典型的には1ノズルにつき10 l/minから100 l/minの間であり、プラズマ発生のために6kWのマグネトロンを使用する。供給ガスは、複数のプラズマノズル105を通って流れる。ノズル中で、供給ガスは複数の渦インデューサー110によって安定流動パターン(例：渦運動)に最初に攪拌されて、プラズマ発生ゾーンで6 kWマグネトロンによりプラズマに励起される。その結果、解離ガス及び/又は部分的な解離ガスの可動雲となり、その流動パターンが反応チャンバー102まで続く。プラズマの上記流動パターンは、ガスがプラズマ発生領域の後から反応チャンバー102に入るまでプラズマ状態を維持されるという意味では、プラズマの安定性を増加させる。かかる安定化が、イオン化されたガスをプラズマ源の後と反応チャンバーの中の両方において高濃度のままにすることを可能にし、それによって反応可能な活性領域を拡大している。反応チャンバー102において、解離ガスの構成成分は分離されるかもしれないし、再結合して他の生成物を形成するかもしれないし、基質と反応するかもしれないし、又は上記チャンバー102に導入された他の物質と反応するかもしれない。それは、要求される反応の仕様によって決まる。いずれの反応経路が用いられようとも、生成物は出力ポート101、107で取り出される。
【００５８】
上述の実施形態のマグネトロンは6 kWマグネトロンであるが、最高100 kW又は更により大きな他のマグネトロン源であっても、有効性によっては使用可能である。ノズルを通る流量やチャンバー内の流量がより高い場合は、より高出力のマグネトロンが好ましい。
【００５９】
本発明の基礎をなす動作原理の試験を行った。この試験では、3つのマイクロ波プラズマノズルの各々を直径0.5mの共通反応チャンバーへ放射状に接続し、上記反応チャンバーとの交点で互いに90度の間隔で配置したものを使用した。各プラズマノズルは、内径32mmの石英管と交差する1.5kWのマイクロ波源を備えていた。各プラズマノズルのプラズマ発生ゾーンは、反応チャンバーから0.15mの位置であった。バッファーガス(窒素)を3つ全てのプラズマノズルへ同時に導入し、上記ノズルへ接線方向に導入、つまり各々のノズルにおいて安定渦ガスフローが発生するように導入した。各々ノズルにおいて、窒素はプラズマ発生ゾーンでイオン化された。プラズマとその残光は、発生の位置から石英管に沿って反応チャンバーに入るまで延びることが観察された。
【００６０】
プラズマ発生ゾーンを反応チャンバーから分離することは、2つの要素の効果を有する。第1に、ノズルからのプラズマの出力は、加算的である。即ち、各ノズルがそのプラズマを上記チャンバー内へ供給し、そして上記チャンバー内のプラズマ量は使用するノズルの数に比例して増加する。第2に、上記反応チャンバーは、プラズマを発生させる方法(特にプラズマ発生に重要なマイクロ波の波長)によって、いかなる形であっても制限されない。これは、プラズマ反応器の設計に非常に融通が利くものであり、上記反応器の中で起きている反応に容易に適合可能であることを意味する。例えば、ある基質を上記チャンバーへ直接又はプラズマノズルを通って導入できたり、ガスフローを特定産物の伴出に用いることができたりする。
【００６１】
他の動作様式において、種々の供給材料は、反応チャンバー周辺の様々なプラズマノズル内に導入可能である。これがより複合的な反応を起こす上記チャンバー条件をセットすることを可能にする。
【００６２】
反応槽に関して使用する上記ディメンション及びパラメーターの値は、1つの特定の実施形態だけを示すものであり、限定する意図はない。記載されているシステムは、拡大が容易である。例えば、2450MHzで動作する6kWのマグネトロンは、1kWから30kWのマグネトロンと置き換えることができる。更により大きいマグネトロンであって、35kWと100kWとの間でより低い周波数により動作が可能なマグネトロンは、より大きく、最大100mmの直径を有するノズルと共に使用してもよい。上記反応チャンバーは、取り付けノズルの数に比例したり、従ったりしてサイズを拡大すべきである。
【００６３】
プラズマの安定化は、供給ガスの反応相を反応チャンバー102において維持し、プラズマ発生源から遠くへ離すことができるような分離が重要な特徴である。渦運動は、単純な荒い螺旋パターンの流体の動きであり、比較的安定したフロー構造を形成することが知られている。この構造は、ノズルのプラズマ発生領域を通ることで容易に描かれ、螺旋状の動きが均一な分布の供給ガスを励起源に暴露させることを確実にする。上記チャンバー102中においてプラズマが安定するまでは、渦は持続させるべきである。明らかなことであるが、実際の時間は、複数の要因(例：渦速度及び初期ガスフロー)に依存するだろう。
【００６４】
安定化を考慮する際に、起きている反応に燃料を供給することとプラズマを形成することの間で決定付けられるバランスを考慮する必要がある。ノズルのプラズマ発生領域通るフローを増加させることは、より早くプラズマを移動させるだろうし、これが渦安定化の必要性を低減させるはずである。しかしながら、増加するフローは、プラズマ密度の低下を回避するために、イオン化エネルギーを供給するプラズマ源のエネルギー需要を増大させることを意味する。
【００６５】
他の安定化方法はもちろん可能であるが、渦フローが好ましい。特定形状のプラズマ「雲」を保つために外力をフローに与えることが単純に必要とされる。それがプラズマを反応チャンバー102内へ流れるように維持する。例えば、磁力や音速流を用いてもよい。
【００６６】
反応チャンバー中においては、プラズマ雲はノズルから上記チャンバーの壁近傍に延びる。これが、プラズマの領域が拡張し、壁のそばに位置し、そこを通って供給材料及び他の反応材料が流れるという結果となる。これが、プラズマゾーンにおける反応材料の滞留時間を増やし、処理仕上げや効率を向上させる。上記チャンバー周辺のノズルとノズルとの間隔が上記チャンバー内の1又は複数のプラズマ雲の形状及び強度を決定する。特に、各雲は、それと隣接するものと融合し、連続した環状プラズマゾーンを反応チャンバーの壁に隣接する位置に生じることができる。
【００６７】
本発明の融通性を示すために、2つの特異的反応が考慮されるだろう。第1の反応は、水素及び炭素が生じるメタンの解離である。メタンがマニホールド104に供給され、ノズル105を通りプラズマとして反応チャンバー102に入る。プラズマが発生する位置から、プラズマ中で解離炭素及び水素を形成する反応が開始され、反応チャンバー102中で反応が続く。水素ガスは、上部出力ポート101を通って捕集される。
【００６８】
一実施形態として、静電プレート又はリングが下部チャンバー108に設置される。この反応によって生じた固体炭素は、このプレート又はリングに引きつけられるので、優先して堆積する。上記リングは、除去及び置き換えが必要に応じて可能である。これらの炭素製品は現在利用可能な商品と比較すると、それらが硫黄及び酸素不純物を含まないという点で有利である。
【００６９】
あるいは、メタンと水(蒸気)の組合せがマニホールドに供給可能である。本実施形態においては、気化又は蒸気噴射ジェットが、水をガス状の形態に変換する目的でマニホールド104に備わっている。この場合、反応生成物は合成ガス(一酸化炭素及び水素)である。先行技術では、合成ガス分離は成し遂げることが困難であると判明している。しかしながら本発明の本実施形態においては、水素化マグネシウムを下部チャンバー108へ導入できたり、上記チャンバー102中の中央へ延び、そして上部出力ポート101から引き出される渦ガスフロー中の微粒子として導入できたりする。水素化マグネシウムが水素を吸収し、一酸化炭素は追加の排出口の外において捕集されるようにそのままにしておく。
【００７０】
ここで図2a及び2bに関して、反応チャンバー102に関するプラズマノズル105の別の配向が示されている。図2aにおいて、示される配置は複数の開始点を有する螺旋状構成体102aである。ノズル中で発達した渦フローは、この構成体102aに存在し、更に反応チャンバー102において促進される。これは、いくつかの処理に関して有益である。図2bに示される別の配置は、反応チャンバー102においてより多くの軸流が提供される。これは、上で概説される例を用いた固体炭素形成とは対照的に合成ガス形成によりよく適している。当業者によって、これらの2つの両極端なものの間におけるノズル構成が実施形態の範囲を形成することが理解されよう。
【００７１】
ノズル配置又はその他の配置によって、反応チャンバー内の流動は維持できる。特定の状況下では、このフローが導入粒子の浮遊ベルトを支えるのに充分である可能性があり、1又は複数の反応生成物のための基質として作用させてもよい。
【００７２】
本実施形態において例示される反応チャンバー102は、形状が環状であるが、代わりに球体又は円筒形、あるいは他の形状で、好ましくは湾曲壁を有するものであってもよい。
【００７３】
図2a及び2bの例において、4つのプラズマノズル105は反応チャンバー102に供給することが示されているが、これは単に明確化のための例示である。更により多くのノズルを用いてもよく、どれぐらいの数のノズルを上記チャンバー102周辺に取り付けることができるかが本質的な限定要因である。全てのノズルがプラズマを発生させることに用いられることは、無論必須ではない。例えば、ノズルを10本有するチャンバーについては、おそらく5本だけをある特定反応のためのプラズマ発生用に使用しても良い。残りは、供給ガスが作動中のノズルのプラズマ発生領域を迂回して、上記チャンバーに入ることを防止するために閉じられるだろう。あるいは、プラズマ発生のために使用されていないノズルは、基質粒子の導入又はガス(反応チャンバーにおける産出を由来とするガスを含む)の導入のために使用してもよく、これにより反応物の供給及び/又は反応チャンバー中での運動エネルギーの増加のために使用してもよい。
【００７４】
上述した通り、反応チャンバーからプラズマ発生を分離することが本発明の重要な点であり、それによってノズルがプラズマ発生に対する付加的な貢献をすることができる。従って、これらのノズルの構造は、図3から6を参照してより充分に記載されているだろう。図3及び4は、プラズマ発生領域(双方ともマイクロ波プラズマ発生に基づくもの)の位置について可能性があるところを例示している。図4及び5は、渦インデューサー110の例を示している。
【００７５】
最初に図3を参照すると、マグネトロン301及び導波管302をプラズマ発生器として構成するものが示されている。マグネトロン301は従来型のマイクロ波発振器構造であり、一般には電子レンジと認識されている。この配置において、1kWのマグネトロン301は、4分の1波長分の突出部を形成している閉鎖端304を有する標準導波管302に供給される。石英管303は、電界が最大になる位置(即ち、閉鎖端304から1/4波長)にあり、電界強度が上記管303に含まれるガスのイオン化をもたらすようにしている。処理されるガスは上記管303に供給され、導波管302と上記管303の交差部から排出口305へと解離された状態で流れる。好適な導波管の例は、Sairemが提供するSurfaguideTMである。石英管303は、電気絶縁性であって好ましい動作周波数で低い誘電率を有する他の材料であっても同様によい。
【００７６】
上記の多くの場所で言及されるように、本発明の効果は各プラズマ発生器からの出力が合算される点である。この効果は、有意である。最も大きい市販のマグネトロンは、75 - 120kWの範囲である。かかるマグネトロンの多く(例えば10)を反応チャンバーの周囲に配向して用いることで、MW強度のプラズマゾーンを発生させることができる。
【００７７】
各ノズルの流路は、好ましくは直線である。プラズマ発生ゾーンのノズル直径は、好ましくは5mmと100mmの間、より好ましくは10mmと50mmの間、最も好ましくは30mmから40mmまでであり、これは6kWのマグネトロンに関するものである。
【００７８】
プラズマノズルにおいて使用されるマイクロ波プラズマ発生器は、好ましくは同軸マグネトロンである。更に、プラズマノズルにおいて発生及び使用されるマイクロ波は、好ましくは0.01mと1mの間、より好ましくは0.05mから0.5mの間、最も好ましくは0.1mから0.3mまでの装置波長を有する。また、各プラズマノズルのマイクロ波発振器に供給されるエネルギーは、好ましくは0.1kWと500kWの間、より好ましくは0.5kWから120kWの間、最も好ましくは1kWから75kWの間である。
【００７９】
プラズマノズルを通る材料のフローには、好ましくは流体、より好ましくはガスが含まれる。更に、プラズマノズルのプラズマ発生ゾーンを通るフローには、優先的に1又は複数の反応物が含まれる。好ましくは、複数ある反応物の少なくとも1つの大部分又は理想的に全てがプラズマ発生ゾーンの中を流れる。反応物は、プラズマ発生ゾーンを通るフローの50%超、より好ましくはフローの75%超、及び最も好ましくはフローの90%超を構成してもよい。
【００８０】
プラズマノズルに供給される流体は、好ましくは-20℃と+600℃の間、より好ましくは0℃と200℃の間、最も好ましくは50℃から150℃までの温度である。一方、プラズマノズル内の圧力は、好ましくは0.01bar absから5bar absまでの間、より好ましくは0.3bar absから2bar absまでの間、最も好ましくは0.8bar absから1.5bar absまでの間である。プラズマ発生ゾーンの量は、好ましくは2 x 10-6m3/kWと10 x 10-6m3/kWの間、より好ましくは4 x 10-6m3/kW - 10 x 10-6m3/kWまでの間、最も好ましくは6 x 10-6m3/kW - 10 x 10-6m3/kWまでの間である。一方、プラズマノズル中の平均滞留時間は、10-6秒から10-1秒であってもよく、これはイオン化される材料に依存する。
【００８１】
例えば、本発明のマイクロ波プラズマ発生器を通過するメタンを完全に熱分解するために消費される比エネルギーは、100%の効率で約23kJ/molである。
【００８２】
反応チャンバーの体積は、いずれの場合においても意図する応用及びプラズマ反応器の処理要件に依存するが、2.45GHzのマイクロ波プラズマ発生器の場合は、例示的な体積の範囲は、10-3m3から103m3、より好ましくは10-2m3から102m3、最も好ましくは1.5 m3から102m3である。しかしながら、反応チャンバーの体積は、好ましくはKW当たり5x 10-4m3/ノズル以上であるが、限定されるものではなく、これより高くてもよい。
【００８３】
更に、反応チャンバー中の滞留時間は、上記チャンバー内で発生している1又は複数の反応及び所望の出力生成物に依存するが、0.1秒から数時間まで延ばしてもよい。
【００８４】
図4に示される配置は、2つの小型マグネトロンが原動力となるように改良されたプラズマ発生器を表す。2つのマグネトロン(図示せず)を配置し、互いに妨げないか、精巧な位相及び周波数固定システムを必要としない共通の石英管404を供給する。図1に示される反応器の各プラズマノズルはこのタイプであってもよい。その場合には、上記反応器は、図3に示されるタイプのプラズマノズルを使用する反応器よりも高い出力を発生させることができる。
【００８５】
図4において、2つの導波管405及び406はテーパーがつくように設計され、電界が共通石英管404の領域において強まるようにしている。処理されるガスはマニホールド104から石英管404を通過し、矢印402が示す反応チャンバー102の方向へ進む。ガスは、導波管406によって生じるプラズマ発生ゾーンを最初に通過し、そしてマグネトロン導波管405によって形成されるプラズマ発生ゾーンを通過する。2つのプラズマ発生ゾーンは非常に近接しており、2つのプラズマ発生ゾーンの間に単一のプラズマ雲が広がるように形成されることが好ましい。そして、導波管405、406は、図4に示すように逆並行でなければならないというわけではない。この配向は、明確化のためだけに示している。この配置では、発生したプラズマの強度及びエンベロープ(長さ)を増加させることができる。
【００８６】
前述のように、プラズマ発生器の他の設計は、従来技術において公知であり、本発明での使用にも適している。商業規模の生産は、しかしながら、供給ガスの高い処理能力を必要とするだろうし、そのようなものとして、大気圧又は大気圧より高い気圧で動作するプラズマ発生器であることが好ましい。マイクロ波は、燃料ガス処理に関する大気プラズマに対して特に有効な発生器である。
【００８７】
図5に関しては、プラズマ発生領域前のプラズマノズル105に組み込まれる渦インデューサーの先頭デザインが示されている。図3及び4に示される発生器と組み合わせて用いる場合、渦インデューサーはプラズマ発生領域の上流の石英管303、404に位置する。渦インデューサーの目的は、供給ガスを安定フロー(例：渦フロー)へと攪拌して、プラズマゾーンを通過させるためである。渦インデューサーには、多くの切れ込み502が突出部501に備わる。連結フランジ503(外部から冷却してもよい)が可撓性シールの効果をもたらし、それが縮小することで石英管303、404を損傷させず、そしてそれが拡張することで密封を維持する。その理由は、温度の変動がプラズマ発生工程の間に普通にみられるためである。ガスが突出物501に圧力をかけて押し込まれ、切れ込み502を無理やり出ると、一般的には螺旋状のフローパターンが誘導される。上記シール503は、マニホールドへ逆流することを防止する。
【００８８】
他の渦インデューサー110が、図6に示されている。これはHilsch管の小型版に基づくもので、強い渦運動をガスフローに誘導することで知られている。圧縮ガスは、アーム601a、b、c、dに沿ってより大きな直径の管600に対する接線方向から供給される。ガスは、より大きな直径の管600と隣接するより小さい直径の管602の両方から渦フローで排出される。より小さい管602からのガスは、より強い渦フローでプラズマ発生領域に供給される。より大きな管600から排出するガスは、再循環する。
【００８９】
渦インデューサーの他のデザインは、例えば螺旋状羽根車、渦管の配置又は単純なファンの配置も想定される。最も重要なことは、供給ガスを安定フローへと誘導することが、ノズルのプラズマ発生領域を通過する前ということである。目的は2つの要素からなる。第1は、石英管303、404の中でプラズマを安定にし、反応チャンバーまで持続することを確実にすることであり、第2は、全ての供給ガスがプラズマ発生領域を通過することを確実にし、その処理の均一性を向上させることである。
【００９０】
上記記載から以下のことが明らかになる。本発明に従うプラズマ反応器には多くの有効な応用が存在するか、又は発展させてもよい。特に、本発明の実施形態は、供給ガス(例えば、メタン、天然ガス及びバイオガスであって、以前から知られていない効率を有するもの)を解離するために用いてもよい。解離生成物は、クリーン燃料(例えば、水素ガス及び価値ある副産物(例：高品質カーボンブラック))を作るように再結合させてもよい。
【００９１】
試験は、プラズマ反応器を用いて実施されたものであり、上記プラズマ反応器は、直径500mmの反応チャンバーに上記反応チャンバーに対して角度20℃で放射状に結合する直径35mmの単一のプラズマノズルを備える。6.15kWの電気入力がプラズマノズルのマグネトロンに供給され、メタンは率12.8 l/min、温度10℃及び圧力20psigで上記ノズルを通り供給された。これで、体積1.6 x 10-5m3のプラズマが発生した。これは1m3のメタンの熱分解に等しかった。反応チャンバーからの産出は、多量の水素と、重力で落下し反応チャンバーの下部ポートを経て集められた250gの炭素であった。
【００９２】
本発明は、多くの事業規模に適応できる。小規模の事業としては、燃料供給の卸(例えば、水素を燃料とする未来の輸送システム用の水素給油所)に役立つ。あるいは、本発明は燃料電池と一体化する小型家庭用規模のシステムを提供し、クリーンで環境的に健全な電気及び水を生産することができる。大規模な事業は、中央集中型クリーン水素生成システムに役立つ。
【００９３】
なお更なる応用には、有毒及び危険な廃棄物の処理が含まれ、危険な供給材料を破壊しながら価値ある元素を再生する。かかる処理に適している、本発明に従う反応槽の例は、図7に示される。図1に共通の構成要素は、同様に参照される。
【００９４】
反応器100には、供給ガスが環状マニホールド104へと流れる導入管103が具備されている。複数のプラズマノズル105がマニホールド104と反応チャンバー102とを接続する。各ノズルは、渦インデューサー(図示せず)を、ノズルの入力位置か、ノズル入力とノズルのプラズマ領域(この図に示されない)との間の位置に備える。既に述べた通り、渦運動を維持してイオン化された状態のままにする方法で、供給ガスに誘導される渦運動がノズルの中で発生するプラズマを安定にする。これは、渦運動が反応チャンバー102に流れるためである。従って、プラズマは反応チャンバー102において多少の持続期間の間は反応性がある。下部チャンバー108は、反応チャンバー102の下に位置する。これを反応生成物の分離の際に用いてもよい。上部出力ポート151はチャンバー102より上に設け、ガス状反応生成物を捕集するために用いられる。下部入力ポート152は上記チャンバーの下に設けられる。出力ポート152は、ガス状生成物をこの排出口に導く円錐スカートによって囲まれる。ガスフロー分散剤(図示せず)は、入力ポート152を通って入るガスが上記チャンバー周辺のプラズマゾーンを通過することを確実にする目的で、上記チャンバー102の中央に位置する。
【００９５】
ガス入力及び出力に関して様々な構成が可能であり、それは、要求される処理の性質に依存する。導入管103は、処理、浄化又は研磨されるガスを供給できる。他の処理として、このガスは、入力ポート152を通過して供給されるため、プラズマ形成では解離されない。プラズマは、不活性バッファーガス又は他の反応性ガスを使用して形成してもよい。出力ポート151で捕集された処理ガスは、導入管103又は入力ポート152を介してチャンバーに再供給してもよい。それは、行われている処理に依存する。これが、処理ガスが許容可能な不純物/危険/汚染レベルに減少するまで、複数サイクルの浄化又は処理を可能にする。
【００９６】
煙道ガスからの二酸化硫黄(SO2)の除去は、図7のプラズマ反応器を使用して実行可能なガス浄化処理の例である。概要として、二酸化硫黄の除去を可能にする処理は、以下の通りである:
2SO2 + 2H2O + O2 > 2H2SO4
【００９７】
上述のプラズマ反応器内で、水及び酸素の、プラズマへの解離は、ヒドロキシルラジカル及び酸素原子を形成する:
(O2 + e) + (2H2O + e) > OH + OH + OH +O + O + O + O
【００９８】
ヒドロキシルラジカル及び酸素原子は、二酸化硫黄と反応し、煙道ガスから取り出し可能な硫酸を形成する。
【００９９】
本発明に係るプラズマ反応器の規模を拡大可能にする複数のプラズマノズルに関する付加的な性質のおかげで、プラズマ反応器を既存の排気管に据え付けたり、商業規模の産業における将来の排気管に組み込んだりできる。
【０１００】
プラズマ反応器がマイクロ波プラズマ発生源の使用に関して主に記載されていたにもかかわらず、本発明のプラズマ反応器は、2又は3以上のマイクロ波プラズマノズルと組み合わせる別のタイプのプラズマ源を使用してもよいことが想定される。非マイクロ波プラズマ源の例は、以下の通りである：３つの電極であって、プラズマ発生ゾーンが３つの電極とそこから等距離の面に位置しながら、互いが等距離になるような面に配置される３つの電極。電気的に絶縁のチューブであって、適切な不活性材料(例：セラミック)のチューブが、3つの電極の平面に対して90度の軸に沿って配置されて、その平面を横切っている。上記管は、ガスフローを包含するために用いられ、そのガスフローはプラズマ発生ゾーンを横切って流れる。高電圧のDC、AC(それは、三位相電源であってもよい)又はパルスDCを電極に印加し、アークが電極と電極の間に放電され、上記管の開口部を通過することでプラズマ発生ゾーンを横切るようにする。アークが複数電極の間のプラズマ発生ゾーンを横切るように流れるガスをイオン化し、プラズマが生じる。電極に印加される電圧は、複数電極の間を流れるガスの絶縁破壊電圧を超えなければならない。そして、電流は、所望の反応に従い、プラズマに変えられる電力が制御されるように電流制御回路によって制限してもよい。電源がAC又はDCのいずれかである時は、プラズマは主に熱プラズマであるが、パルスDCが使われる時は、ある程度の非平衡プラズマも生じる。発生するプラズマを上述のものと同一又は類似の技術を使用して安定化させてもよいことは、当然明らかであろう。
【０１０１】
上述のもの以外のプラズマ反応器への変更は、本願明細書に添付される請求項に記載の本発明の精神と範囲から逸脱することなく想定される。更に、上述のもの以外の処理を、本発明のプラズマ反応器を使用して付加的に実行してもよいことは、直接的に明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年6月24日(2011.6.24)
【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】
反応チャンバーと、前記反応チャンバーに連結する2又は3以上のプラズマノズルを具備する反応槽であって、
各プラズマノズルは、マグネトロンを原動力とするマイクロ波プラズマ発生器と、材料のフローを前記プラズマ発生器を通って前記反応チャンバーへのそれぞれの入口に導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記材料が前記反応チャンバーへ入る前に前記材料を少なくとも部分的にイオン化しプラズマを形成し、
各ノズルのプラズマ発生領域は、前記反応チャンバーから0.005から1mの距離、より好ましくは0.05から0.5mの距離、更により好ましくは0.02から0.2mの距離離れている、反応槽。
【請求項２】
１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管内でプラズマ安定フローを促進するように構成される、請求項１に記載の反応槽。
【請求項３】
前記１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管の内部形状によって安定フローを促進するように構成される、請求項２に記載の反応槽。
【請求項４】
前記１又は複数のプラズマノズルは、前記給送管内に攪拌部を組込むことによって安定フローを促進するように構成される、請求項２又は３に記載の反応槽。
【請求項５】
前記プラズマノズルの構成は、前記プラズマ発生器の近くに据え付けられる、請求項２から４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項６】
前記プラズマ安定フローは、渦である、請求項２から５のいずれかに記載の反応槽。
【請求項７】
前記反応チャンバーは、湾曲側壁を有する、請求項１から６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項８】
単一のノズルを有し、少なくとも前記ノズルの前記給送管の断面は、前記反応チャンバーへの入口方向へ内向きにテーパーがついている、請求項１から７のいずれかに記載の反応槽。
【請求項９】
前記給送管は、前記プラズマ発生器の下流に反応物用入力ポートを備え、
前記入力ポートは、前記給送管への反応材料のフローが前記給送管内の前記プラズマ安定フローの維持を支えるように配置される、請求項１から８のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１０】
前記ノズルと、前記反応チャンバーへの前記ノズルの入口は、前記反応チャンバーと同軸方向に配置され、追加の安定フローは前記反応チャンバー内に設けられる、請求項８又は９に記載の反応槽。
【請求項１１】
前記反応チャンバーに対する１又は複数のプラズマノズルの連結は、前記反応チャンバー内に追加の安定フローを確実にするように構成される、請求項２から６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１２】
各プラズマノズルの出力方向は、前記反応チャンバーの周囲壁に対して鋭角で供給材料を前記反応チャンバーに投入するように配向される、請求項１１に記載の反応槽。
【請求項１３】
前記追加の安定フローは、渦である、請求項１０、１１または１２のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１４】
基質材料の一定層又は可動層は、プラズマ反応における１又は複数の構成成分の分離及び捕集のために前記反応チャンバー内に設けられる、請求項１から１３のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１５】
前記追加の安定フローが前記反応チャンバー内の粒子性浮遊物を支えることを可能にする、請求項１０から１４のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１６】
前記粒子性浮遊物は、前記反応チャンバー内の前記プラズマ反応における1又は複数の構成成分の分離及び捕集に利用される、請求項１５に記載の反応槽。
【請求項１７】
前記反応チャンバーは、前記プラズマ発生器に対して非共振性である、請求項１６に記載の反応槽。
【請求項１８】
前記反応チャンバーは、前記チャンバーの上方壁を通って延びる排出管を備える、請求項１から１７のいずれかに記載の反応槽。
【請求項１９】
前記排出管は、前記チャンバー内へ調節可能な長さに延びる、請求項１８に記載の反応槽。
【請求項２０】
前記反応槽は、前記反応チャンバーと流体連通する二次チャンバーを備える、請求項１から１９のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２１】
前記二次チャンバーは、排出ポートを備える、請求項２０に記載の反応槽。
【請求項２２】
前記排出ポートは、ガス制限バルブが取り付けられている、請求項２１に記載の反応槽。
【請求項２３】
前記二次チャンバーは、静電捕集器、粉体集塵装置又はポリマー加工基質を備える、請求項２０から２２のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２４】
前記反応チャンバーは、導入管を備える、請求項１から２３のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２５】
1又は複数の反応物の第2のフローは、前記導入管に沿って通過可能である、請求項２４に記載の反応槽。
【請求項２６】
前記反応槽は、前記プラズマ発生器の前に前記供給材料を噴霧又は気化するための噴霧装置又は気化装置を備える、請求項１から２５のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２７】
前記反応槽は、1又は複数の反応物を噴霧又は気化するための噴霧装置又は気化装置を備える、請求項１から２６のいずれかに記載の反応槽。
【請求項２８】
プラズマ発生器と、
前記プラズマ発生器を介して入口から材料のフローを導く給送管と、
前記プラズマ発生器から遠くにあるノズル出口と、を備え、
前記ノズル出口は、反応チャンバーへ連結するように構成され、
前記プラズマ発生器は、マイクロ波源としてマグネトロンを使用することによって前記材料を少なくとも部分的にイオン化して、前記ノズル出口を通って流れるように維持されるプラズマを形成し、
前記マグネトロンは、マイクロ波放射の電界が最も強い位置又はその近くの位置で前記給送管が横切るように前記マイクロ波放射のためにサイズを規定した少なくとも1つの導波管を備え、
各ノズルのプラズマ発生領域は、前記反応チャンバーから0.005から1mの距離、より好ましくは0.05から0.5mの距離、更により好ましくは0.02から0.2mの距離離れている、プラズマノズル。
【請求項２９】
前記ノズルは、それぞれ独自のプラズマ発生領域を有し、前記給送管が両方のプラズマ発生領域を横切るように配置された2つのプラズマ発生器を備える、請求項２８に記載のプラズマノズル。
【請求項３０】
前記2つのプラズマ発生領域と前記給送管とのそれぞれの交点間の間隔は、前記2つの交点の間に延びる前記給送管内に単一のプラズマ雲が形成されるように選択される、請求項２９に記載のプラズマノズル。
【請求項３１】
ガス状炭化水素の供給部への接続のための手段と、
それに連結する少なくとも2つのプラズマノズルと、
前記少なくとも2つのプラズマノズルに連結する反応チャンバーと、を備え、
各プラズマノズルは、マグネトロンを原動力とするマイクロ波プラズマ発生器と、炭化水素のフローを前記プラズマ発生器を介して前記反応チャンバーのそれぞれの入口へ導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記ガス状炭化水素が前記反応チャンバーへ入る前に前記ガス状炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
前記反応チャンバーは、捕集される水素が通る少なくとも1つの出口を備え、
各ノズルのプラズマ発生領域は、前記反応チャンバーから0.005から1mの距離、より好ましくは0.05から0.5mの距離、更により好ましくは0.02から0.2mの距離離れている、水素生成槽。
【請求項３２】
ガス状炭化水素の供給部への接続のための手段と、
それに連結する少なくとも2つのプラズマノズルと、
前記少なくとも2つのプラズマノズルに連結する反応チャンバーと、を備え、
各プラズマノズルは、マグネトロンを原動力とするマイクロ波プラズマ発生器と、炭化水素のフローを前記プラズマ発生器を介して前記反応チャンバーのそれぞれの入口へ導く給送管と、を備え、
前記プラズマ発生器は、前記ガス状炭化水素が前記反応チャンバーへ入る前に前記ガス状炭化水素を少なくとも部分的にイオン化してプラズマを形成し、
前記反応チャンバーは、捕集される炭素が通る少なくとも1つの出口を備え、
各ノズルのプラズマ発生領域は、前記反応チャンバーから0.005から1mの距離、より好ましくは0.05から0.5mの距離、更により好ましくは0.02から0.2mの距離離れている、炭素抽出槽。
【請求項３３】
炭素の捕集様式が捕集される炭素の主要な形態を決定する、請求項３２に記載の炭素抽出槽。
【請求項３４】
前記反応チャンバーは、炭素が優先して堆積する基質を備え、
前記炭素は、前記反応チャンバーからの前記基質の除去によって捕集される、請求項３３に記載の炭素抽出槽。
【国際調査報告】
2012518263.tif 000010
2012518263.tif 000011
2012518263.tif 000012