JP2017525550A - マイクロ波誘導プラズマ清浄装置及び発生炉ガス関連への応用方法 - Google Patents

Abstract

発生炉ガスを清浄する装置と方法は、フィルタ層チャンバ、マイクロ波チャンバ、第１の触媒チャンバ、及び第２の触媒チャンバを備える。前記フィルタ層チャンバは、炭素系材料と使用済みの炭の出口を備える。前記マイクロ波チャンバは、透過性の頂部と、マグネトロンを使用して装置内にマイクロ波を導入できる導波管を外周の周囲に備える。前記第１の触媒チャンバは、前記マイクロ波チャンバに接続され、前記第２の触媒チャンバは、前記第１の触媒チャンバに接続されている。前記方法は、前記装置を使用して前記フィルタ層チャンバを炭素系材料で充填することと、マグネトロンと導波管を使ってマイクロ波を前記マイクロ波チャンバの内部に導入することと、ガスを前記フィルタ層チャンバ内の炭素系材料と、前記マイクロ波チャンバと、前記第１の触媒チャンバと、前記第２の触媒チャンバとに通すことによってガス内に取り込まれた重質炭素を分離することとを含む。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１４年６月２日に提出の米国特許仮出願Ｎｏ．６２／００６，４４８の優先権を主張するものであり、ここにその内容を援用することにより本出願に組み込まれる。

ガス化は、固体有機物または、炭素質材料（原料）が可燃性のガス混合物に分解される連続的熱分解プロセスである。形成される可燃性のガス成分は、主に一酸化炭素（ＣＯ）水素（Ｈ２）、及びメタン（ＣＨ４）である。他の窒素（Ｎ２）、蒸気（Ｈ２Ｏ）、及び二酸化炭素（ＣＯ２）などのような不燃性ガスも様々な分量存在する。ガス化のプロセスには、熱分解と、その後に続く部分的な酸化が含まれ、その部分的酸化は、空気または他の酸素を含むガスを部分的に熱分解した原料に注入することによって制御される。さらに詳しくは、バイオマスガス化とは、水分蒸発、リグニン分解、セルロース爆燃、及び炭素還元などの一連の反応のことをいう。高濃度酸素を使用した場合、結果生成されるガス混合物は、合成ガスと呼ばれる。（窒素を含む）空気を酸化剤として使用した場合には、その結果得られるガス混合物は、発生炉ガスと呼ばれる。簡素化のため、ここで使用する用語「発生炉ガス」は、合成ガスと発生炉ガスの両方を含むものとする。両ガス混合物は、「燃料ガス」と考えられており、数多くのプロセスで天然ガスの代替として使用することができる。また、これらは、様々な工業化学物質やモーター燃料を生成する前駆体としても使用できる。バイオマスを原料として使用する場合には、発生炉ガスのガス化と燃焼が再生可能エネルギー源と考えられる。

発生炉ガスは、エンジンやバーナーなどで直接燃焼させ、純化されてメタノールや水素を生成する、もしくは、フィッシャー・トロプシュ法または他の方法及びプロセスによって合成液体燃料に変換される。

紀元前２０００年から１５００年という昔から液体やガスを浄化させるために木炭を使用していた。ガスは、活性炭を通るに従って、炭素がＣＯやＣＯ２と同様に多くの不純物を吸い取るのである。

１９５０年代から基板を加熱するためにマイクロ波が使用され、１９８０年代の初めには、触媒として機能して化学反応を引き起こすようにマイクロ波を応用してきた。マイクロ波は、周りの容器を加熱しないで基板を加熱することができ、また、単に基板の外側だけでなく、その内部も加熱できる。マイクロ波は、また、従来の加熱方法よりも、基板を迅速に加熱できる。最終的には、一般駅にマイクロ波を使えば、熱伝導や対流よりも少ないエネルギーで基板を加熱することができる。

燃料ガス、特に、高濃度酸素が存在する状態でのバイオマスのガス化の結果として生成される合成ガスや、（窒素を含む）空気がある状態でのバイオマスのガス化の結果として生成される発生炉ガスは、数多くの装置や技術を使って、純化、清浄、及び生成してきた。合成ガスまたは発生炉ガスを燃料ガスとして有用にするためには、タールや他の汚染物質をガスから取り除かなければならない。

現行の装置及び方法は、一般的に、未処理ガスの部分燃焼に頼っており、これによって、タールを分解するのに必要なエネルギーを生成している。これらの装置及び方法は、ガスを無駄にし、タールの不完全燃焼の結果、さらなる汚染物質を引き起こす可能性がある。

必要なのは、燃料ガスを生成するために、効率がよく、低コストでタールや他の汚染物質を未処理合成ガスと発生炉ガスから取り除く装置と方法である。
この装置及び方法は、エネルギー源としてガスの燃焼によらず、純化を完了するための低コストのエネルギー源によるものである。

タールと長鎖炭化水素を熱分解するための熱を生成して、従来の技術を使って現在得られるものよりも純ガスの比率を上げるマイクロ波、活性炭、及び占有のマイクロ波吸収剤を使用して発生炉ガスを清浄する装置と方法を開示する。マイクロ波がそのような未処理ガスのチャンバに向けられると、そのガスは、加熱され、炭素とマイクロ波の相互作用がプラズマにイオン化し、プロセスの組み合わせにより、不純物や重質炭素をガスの流れの中に解離させる。マイクロ波を受ける前に、活性炭（例えば、降流ガス化装置から回収したバイオ炭）の層または褐炭にそのガスを通すことにより、不純物の多くが物理的に活性炭によって捕らえられ、ガスから分離させられる。炭素ろ過とプラズマイオン化の組み合わせによってガスが清浄化されるとともに、質を求める応用に向けて清浄で純粋なガスの比率を上げることができる。

本発明のこれらの、そして他の利点は、当業者が下記の明細書、特許請求の範囲、そして、添付の図面を参照することによって、さらに深く理解、認識できるであろう。

装置の斜視図である。

装置の側断面図であって、供給オーガ組立体を含む図である。

装置の側断面図であって、残留物抽出オーガを含む図である。

装置の上面図である。

添付の図面に示す、また、下記の明細書で説明する特定の装置とプロセスは、添付の特許請求の範囲で定義する本発明概念を示す実施形態である。よって、ここで開示する実施形態の特定の寸法や他の物理的な特徴は、特許請求の範囲で明確に示していない限りは本発明を限定するものではない。ガス清浄装置とその特徴をここに列記し、実施形態のオプションについてのさらに詳しい説明を下記に示す。

Ｉ． 装置の概要

装置１００は、未処理のガス流を受け入れ、そのガスを活性炭層に通し、ガス流をイオン化するとともに、マイクロ波を当てることにより高温に曝す構成のスタンドアロン型のガス清浄器である。純化された、あるいは処理されたガスは、抜き取られて冷却され、工業及び商業的に応用される。

図１、２、及び３に示すように、装置１００は、様々な構成をとりうる。一実施形態において、装置は、次の構成部品を含む。供給オーガ組立体１１０、フィルタ層筐体１２０、マイクロ波チャンバ２００、少なくとも１つのガス入り口３３０、残留物抽出オーガ組立体１３０、及び少なくとも１つの触媒チャンバである。図１に示すように、装置は、第１の垂直に設置した管として構成され、管は外周と、外壁１２１と、基端１２４及び先端１２３とを有する。図２に示すように、装置は、内壁１２２と、第１の触媒チャンバ２４０を有する。図３に示すように第２の触媒チャンバ３８０は、第２の垂直に設置した管を備え、第２の管も外周と、外壁３８１と、基端３８４と、先端３８３を有する。図３に示すように、第２の触媒チャンバ３８０は内壁３８５も有する。

図１に示すように、第１の垂直に設置した管は、いつくかの短尺で同じ直径の管を有する管を垂直に設置し、ボルトで互いに留めて構成することもできる。一実施形態では、それぞれの垂直に設置した管は、長さが約４８インチから６０インチの間であり、組立てられた管の長さは約２２８インチである。一実施形態において、第１の垂直に設置した管は、Ａ３６のスチール板から作られたものである。一実施形態において、第１の垂直に設置した管の対向する内壁の間の直径は、約２６インチである。

一実施形態において、図２に示すように、装置１００は、外周、内壁、外壁１２１、基端１２４及び先端１２３を有する第１の垂直に設置した管に収容されている。一実施形態において、筐体は、基端１２４に位置するフィルタ層チャンバ２２０と、炭素系材料の入口２０１と、使用済みの炭出口２５０と、使用済みの炭出口２５０とフィルタ層チャンバ２２０との間に位置するガス入り口３３０とを含む。筐体は、フィルタ層チャンバ２２０の上方に位置するマイクロ波チャンバ２００を含む。マイクロ波チャンバ２００はマイクロ波吸収材料で構成された透過性頂部２０２と、マイクロ波が装置１００に導入できる外周の周りに位置する導波管１５０と、各導波管１５０に取り付けられたマグネトロンとアイソレータとを有する。装置１００は、マイクロ波チャンバ２００の遠位に接続された第１の触媒チャンバ２４０と、第１の触媒チャンバ２４０に接続したガス出口３３１と、一実施形態において、第１の触媒チャンバ２４０のガス出口３３１に接続された第２の触媒チャンバ３８０を有していてもよい。第２の触媒チャンバ３８０は、外周と、内壁３８５と、外壁３８１と、基端３８３と、先端３８４とを有する第２の垂直に設置した管でもよい。

ガスを清浄する方法は、前のパラグラフで説明した装置を使って、下記の工程を実施することを含む。フィルタ層チャンバ２２０を炭素系材料でそのフィルタ層チャンバ２２０頂部まで充填することと、マグネトロンと導波管１５０を使ってマイクロ波をマイクロ波チャンバ２００の内部に導入することと、ガスをガス入り口３３０と、フィルタ層チャンバ２２０内の炭素系材料と、マイクロ波チャンバ２００と、第１の触媒チャンバ２４０と、第２の触媒チャンバ３８０とに通すことによってガス内に取り込まれた重質炭素を分離することと、純化したガスを抜き取ることである。

ＩＩ．マイクロ波チャンバ組立体

Ａ．供給オーガ組立体

一実施形態において、バイオ炭（活性炭ともよばれる）は、降流ガス化、石炭、または他のろ過に適した炭素系材料の副産物でもよい。図２に示すように、活性炭は、オーガシュート２１０を介して装置１００内に入り、オーがシュート２１０は入り口２１４と出口２１５を有する。装置１００は、活性炭がフィルタ層チャンバ２２０に入るためのフィルタ層チャンバ入口２０１を有する。一実施形態において、オーガシュート２１０は、例えば、バイオ炭のような炭素系材料をフィルタ層チャンバ２２０の頂部に供給して、チャンバ内の炭素系材料の層に追加する。供給オーガ組立体１１０は、フィルタ層チャンバ入口２０１への通路のすべての、または一部に延在していてもよい。マイクロ波はオーガシュート２１０をオーガシュート２１０の出口においてマイクロ波と相互作用する炭素系材料自体によって、あるいは、ガイドがマイクロ波チャンバ２００まで延在している場合には、そのガイドによって逆流しないように防ぐことができる。

Ｂ．フィルタ層チャンバ

一実施形態において、バイオ炭は、装置１００をマイクロ波チャンバ２００まで充填してもよい。本実施形態ではバイオ炭層は、マイクロ波チャンバ２００の底を形成している。操作中、バイオ炭の先端は、マイクロ波とバイオ炭との相互作用により、プラズマ場を形成するために装置を操作している間、触媒として作用するインターフェースとなる。

装置１００の制御システムは、装置１００の各種センサやインジケータから受け取る温度や圧力の変化などのような信号に基づいて、いつ各バイオ炭充填サイクルを開始するかを決定する。バイオ炭のレベルは、電波近接スイッチによって維持することができる。エンドユーザは、ガス化装置の原料充填工程を、タイマーで、またはマイクロ波センサあるいは他の適した充填レベルインジケータで自動化して、ガス化装置における充填レベルにおける原料の存在を検出するようにしてもよい。装置１００は、高温環境で機能できる１つもしくは複数の充填レベルインジケータを有していてもよい。充填レベルインジケータは、装置１００のマイクロ波と干渉しない、またはマイクロ波の干渉を受けないものであればいかなるインジケータでもよい。一実施形態において、充填レベルインジケータがバイオ炭のレベルが低いと検出すると、供給オーガ組立体１１０は、バイオ炭をフィルタ層チャンバ入口２０１に供給し始める。複数の充填レベルインジケータを有する設計のある装置は、自動充填システムを使用する際に、バイオ炭残留層の高さを選択できるさらなる選択肢を有している。供給オーガ組立体１１０は、フィルタ層チャンバ２２０の圧力に適合するように加圧することができる。一実施形態において、活性炭は、フィルタ層チャンバ入口２０１を介してフィルタ層チャンバ２２０に供給される。フィルタ層チャンバ入口２０１は、フィルタ層チャンバ２２０の上半分に位置する。

Ｃ．マイクロ波チャンバ

マイクロ波チャンバ２００は形状と、未処理ガスの純化に必要な熱を生成するのに使用する材料を最適化することができる。図２に示すようにマイクロ波チャンバ２００の形状は、壁と、頂部２０２と底部２０３を有する筒型の管でもよい。マイクロ波チャンバ２００の底２０３は、やはり頂部２２３と底部２２４を有する他の管、すなわちフィルタ層チャンバ２２０に接続することができる。一実施形態において、マイクロ波チャンバ２００とフィルタ層チャンバ２２０は単一の管である。別の実施形態において、管は、正方形または長方形など、非筒型の管である。

バイオ炭の層の上方には、マイクロ波チャンバ２００があり、そのマイクロ波チャンバ２００の寸法は可変である。マイクロ波チャンバ２００は、管でも、円錐形状のチャンバでもよい。マイクロ波チャンバ２００は、マイクロ波チャンバ２００の外側の外周の周囲に位置する、電子的に制御されたマイクロ波ガン（マグネトロンとも呼ばれる）によって生成されるマイクロ波場にマイクロ波を集中させるように設計されている。マイクロ波チャンバ２００の壁は、マイクロ波が壁の特定の位置を貫通できるように設計されている。マイクロ波チャンバ２００は、壁を透過するマイクロ波に対応するように穴または凹部を有する。マイクロ波チャンバ２００の、この設計により、バイオ炭の粒子間で起きる放出とともにそのマイクロ波が集中できるようになる。これらの放出の集中効果によりプラズマ領域が形成され、それによって、プラズマ領域の温度が華氏５０００度の論理温度のすぐ下まで到達する。一実施形態では、マイクロ波チャンバ２００の頂部２０２は、特別に設計された炭化ケイ素及び酸化アルミニウム、炭素と酸化アルミニウムの混合物のような裏打ちで形成されている。一実施形態において、装置１００全体の内部が、炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、耐熱合金、他のセラミクスや高温に対して安定している類似の特性を持つ他の材料で裏打ちされている。一実施形態において、マイクロ波チャンバ２００のある領域が、熱分解プロセスをさらに高めるための高温区間を形成するマイクロ波吸収材料２６０で裏打ちされている。マイクロ波チャンバ２００全体で使用する材料のこの組み合わせにより、マイクロ波が装置１００から逃げ出さないように防ぐことができる。マイクロ波吸収材料は、マイクロ波エネルギーを熱エネルギーに効率よく変換すれば、いかなる材料でもよい。これらの材料は、例えば、限定はしないが、炭化ケイ素の混合（標準の高温セラミックスラリに懸濁する、濃度が２．５％から１２％までの）でもよい。

バイオ炭または褐炭の細胞壁構造は、放電に必要な形状を有している。装置１００は、プラズモイドを制約された環境の中で生成及び維持し、バイオ炭の層の頂部の「電界」密度がプラズマ放電を促進する。バイオ炭の層の頂部は、フィルタ層チャンバ２２０の頂部２２３の位置またはその近傍にある。プラズマ放電は、バイオ炭が高密度電界と相互作用することによって発現する。マイクロ波の連続供給と、バイオ炭の置き換えにより、その環境内での放電を維持する。バイオ炭は、その表面が尖っているので、放電の発生が促進される。電磁波とこれらの尖った点の間の相互作用により、プラズマ放電が起きるのである。他の材料とは異なり、バイオ炭の形状は、非常に低い電力レベルで放電を促進する。バイオ炭からの放電に必要な電力レベルの範囲は、バイオマスのような材料に必要なそれよりも低い。

図１及び４に示すように一実施形態において、マグネトロン１５１を使って、マイクロ波チャンバ２００の周囲（外周）に沿った穴または凹部に位置する約７本の導波管１５０を通してマイクロ波をマイクロ波チャンバ２００に導入することができる。各導波管１５０は、他の導波管と対向せず、それぞれ異なる垂直面上に位置しているため、導波管の出口は、他の導波管１５０に向かっていない。一実施形態において、各マグネトロン１５１の電力は、１．５ｋＷと５ｋＷの間でもよい。導波管はＷＲ３４０フランジを有する標準的な１．７インチｘ３．４インチの導波管でよい。マグネトロン１５１は、プログラム可能な論理制御された電力供給によって発火させてもよい。これらは、すべて２．４５ＧＨｚで発火することができる（標準Ｄクラスのエミッタ）。導波管１５０は、直線状でも、キャップを装着したものでもよい。マイクロ波は、キャップを通過できるよう、キャップは、セラミック材料で形成してもよい。導波管１５０は、チューナを使用してもよい。チューナは、一実施形態で使用するエミッタが本質的に後方散乱を抑制する場合にはなくてもよい。しかし、いくつかの実施形態では、アイソレータを取り付けえ、マグネトロン１５１を保護して、設備の耐年数を延ばすこともできる（反射するマイクロ波からのオーバーヒートを防ぐ）。例えば、一実施形態において、マグネトロン１５１と導波管１５０の間にアイソレータ１５２がある。導波管１５０は、マグネトロンの製造業者によって決められた特定の周波数を誘導することができる。周波数は、装置の実施形態によって変更が可能である。導波管１５０はマイクロ波をマイクロ波チャンバ２００に誘導する。電力設定は、マグネトロン電源を循環させることによって設定することができる。これらは、インバータータイプ／スタイルの電源である。マイクロ波の周波数は、いくつかの実施形態では、選択したマグネトロンによって異なる場合もある。一実施形態において、装置は、できるだけ多くのマイクロ波エネルギーをプラズマ領域（マイクロ波チャンバの底）に、低価格で入手することができるように設計されている。このコスト要素は、マグネトロンの効率に関するのみならず、ハードウェアの初期費用も関連する。低周波数のマイクロ波は、残留層によりよく浸透する一方、高周波数は、表面をかすめ、接触領域の特定の温度をより効率よく上昇させることができる。いずれの範囲の周波数も効率的になりうる。

マイクロ波チャンバ２００内のマイクロ波からの熱は、電界においてバイオ炭を部分的に酸化させ、フィルタ層チャンバ２２０内を燃やす。バイオ炭は、そうでなければ生成しなければならない熱を生成してくれる。

装置１００は、マイクロ波を制御された区間に収容することによって放電をマイクロ波チャンバ２００の全体領域に広げるように設計されており、それらを収容するためにバリアを使う。マイクロ波チャンバ２００の設計（その外形など）は、進入してくるガス、進入してくるマイクロ波、進入してくる基板、排出されるガス、そして排出される基板の相互作用を最適化することによって、電界、ガス、及びバイオ炭の相互作用を最適化する。マイクロ波チャンバ２００は天井または頂部を有し、その天井または頂部はタイルで裏打ちしてもよい。タイルは、マイクロ波エネルギーを熱エネルギーに変換する触媒を含浸したセラミックを含んでいてもよい。このセラミックバリアは、主にマイクロ波の汚染に対するものであるが、ガスがマイクロ波チャンバ２００から出て触媒チャンバに入るときに（標準的な熱のメカニズムによって）タールを分解できる最終「区間」（図２に２４０として示した触媒チャンバ）としても機能する。

Ｄ．ガス入口

図２及び３に示すように、一実施形態において、装置１００はマイクロ波チャンバ２００にガスが入るガス入り口３３０と、マイクロ波チャンバ入口２００に活性炭が入るマイクロ波チャンバ入口２０１を備える。一実施形態において、ガスは、装置１００の底から１／３上方のフランジ付きノズルを通して導入される。別の実施形態において、ガスは、フィルタ層筐体１２０の底で、入り口３３０を通して導入される。各入口３３０は、２つの対向する二重ノズルと、各ノズルの入口点の上方に位置する偏向拡散器を備えることができる。

Ｅ．残留物抽出オーガ組立体

マイクロ波チャンバ２００は、または、一実施形態において、フィルタ層チャンバ２２０は、さらに、使用済みの炭をマイクロ波チャンバ２００から出すための出口２５０を備える。出口２５０は、残留物抽出オーガ３６１と弁組立体３６２を有する残留物抽出組立体１３０に取り付けることができる。
一実施形態において、残留物抽出組立体はオーガ及びポケットバルブである。

残留物抽出オーガ３６１はスチール、ステンレススチール、または他の強度の高い、耐熱性の、非多孔材料で形成しても良い。バイオ炭は、残留物抽出オーガ３６１を通って装置１００を出る。残留物抽出オーガ３６１は、装置１００の底または近傍に配置することができる。一実施形態において、少なくとも２つの残留物抽出オーガ３６１が装置１００の中心軸に対して対称に配置される。

残留物抽出オーガ３６１は管状オーガでもよい。残留物抽出オーガ３６１は、残留物抽出オーガ３６１にボルトで留めたクロスパイプスプールの端部にボルトで留めたポケットバルブ３６２の中にバイオ炭を移動させる。一実施形態において、ポケットバルブ３６２は、標準的に空気駆動式８インチまたは１０インチのボールバルブであり、一端にボールが密閉して設けられている。「上方」位置にあるときには、ボールがバケットを形成する。残留物抽出オーガ３６１を装置の制御システムで制御して、ポケットバルブ３６２が上方位置にある間に、残留物抽出オーガ３６１がバイオ炭をポケットバルブ３６２内に廃棄する。制御システムが工程を停止すると、残留物抽出オーガ３６１が停止しポケットバルブ３６２が「下方」位置まで回転し、その内容物を外部の収集容器または他のいずれかの二次的除去装置に放出する。ポケットバルブ３６２のボールが一端で閉じているので、ポケットバルブ３６２は常に閉じた状態を保ち、発生炉ガスが残留物抽出組立体１３０から漏れるのを防ぐ。少量の発生炉ガスは逃げるが、高い位置の通気管によって安全に放出されるか、あるいは、真空ポンプによって吸い出される。

装置１００は、活性炭が追加され、使用済みの炭が装置１００から除去される率を制御することによってフィルタ層チャンバ２２０内の適した活性炭レベルを維持することができる。一実施形態において、装置１００は、充填レベルインジケータを使って装置内の炭のレベルを監視する残留物抽出システムを有する。

バイオ炭が消費されると、追加のバイオ炭に置き換えられる。これは、追加のバイオ炭を装置１００に追加する供給オーガ組立体１１０と、装置１００から使用済みのバイオ炭を取り除く残留物抽出組立体１３０によって行われる。装置１００は、自動化されており、バイオ炭のレベルが下がるとそれを検出する充填レベルセンサ２９０による測定値に基づいて連続的にバイオ炭をフィルタ層チャンバ２２０に追加する。

一実施形態において、装置はウォータージャケット３７０を有していてもよい。ウォータージャケット３７０を設けた結果、そのため、装置自体の合計の直径も、絶縁量も大きく変化する可能性がある。一実施形態において、装置は高温の表面領域と迷走マイクロ波からオペレータを保護する機能、例えば、限定はしないが、アルミニウム安全ケージまたは穿孔スチールケージ、あるいは家庭用の電子レンジのドアにみられるようなスクリーンなどを有している。迷走マイクロ波は、水の中で効率よく散乱し、ウォータージャケット３７０は、化学反応炉の管を低温に保つ素晴らしい手段である。

ＩＶ．触媒チャンバ

図２に示すように、一実施形態において、第１の触媒チャンバ２４０はマイクロ波チャンバ２００の上方にある。一実施形態において、図２に示すように、この第１の触媒チャンバ２４０はキューブ形状マイクロ波チャンバ２００の頂部２０２を形成するものでも良い。上述したように、この最終的な「区間」または第１の触媒チャンバ２４０は、タイルで裏打ち可能なマイクロ波チャンバ２００の天井または頂部２０２を形成することができる。タイルは、マイクロ波エネルギーを熱エネルギーに変換する触媒を含浸したセラミックを含んでいてもよい。図２に示すように、タイルは縦方向に互いに平行に並べてもよく、これにより、透過性バリアが形成され、ガスが第１の触媒チャンバ２４０まで通過できるようになる。別の実施形態において、少なくとも１つの触媒反応チャンバがマイクロ波チャンバ２００に隣接している。

一実施形態において、追加の反応チャンバは、第２の触媒チャンバ３８０である。一実施形態において、第２の触媒チャンバ３８０はマイクロ波チャンバ２００に隣接している。図１に示すように、第２の触媒チャンバは、筐体１８０内に収容されている。図３に示すように、第２の触媒チャンバ３８０は外壁３８１、内壁３８５、基端３８３、及び先端３８４を有している。先端３８４は第１の礫岩盤３８６を備えていてもよい。基端３８３は第２の礫岩盤３８８を備えていてもよい。第１の礫岩盤３８６と第２の礫岩盤３８８の間には、第２の導波管部３８９が設けられている。

これらの触媒チャンバは、ガス清浄とバイオ炭還元を促進するように設計された酸化アルミニウムなど、様々な触媒を含んでいてもよい。蒸気または純化した酸素を注入してガスの質を向上させてもよい。

装置１００は、さらにガス出口３３１を有している。一実施形態において、ガス出口３３１は、マイクロ波チャンバ２００の頂部にあり、別の実施形態では、第１の触媒チャンバ２４０の頂部にある。第２の触媒チャンバ３８０を有する実施形態において、第２の触媒チャンバ３８０とマイクロ波チャンバ２００（あるいは図３に示すように、第１の触媒チャンバ２４０）は、フランジ付き管３９０によって接続することができる。

Ｖ．ガス流

一実施形態において、ガスは、フィルタ層チャンバ２２０の底に入り、バイオ炭の層を通して上方に通過してマイクロ波チャンバ２００内のマイクロ波によって誘発されたプラズマに入る。ガスがバイオ炭内を進むにつれ、バイオ炭はＣＯ、ＣＯ２、水、及び他の不純物を吸収する。バイオ炭を出ると、ガスは電界とプラズモイドを通過し、そこで、タールを含む、ガスに取り込まれている残留炭素材料のすべて、または大部分が解離される。バイオ炭または褐炭が排出される場合には、ガスは、圧力の差分によって、マイクロ波チャンバ２００を通過して移動するが、マイクロ波で照射されつづける。そしてガスは加熱されたマイクロ波チャンバ２００の頂部２０２を通過する。

加熱されたガス分子のエレクトロンのエネルギーレベルは、すでにプラズマ生成促進に十分なレベルに達している。低温のガスは同じ効果を得るためにより多くのエネルギーを必要とする。

プラズマ場は、装置の壁から自然に離れる。一実施形態において、含浸触媒ディスク／タイルを支持する「リップ」（図示せず）の底部の近傍のプラズマ領域の直下で蒸気を注入する。蒸気はリップと炭化ケイ素を冷却する。仮説は、次の通りである。蒸気の量が十分に少なければプラズマの状態に影響を与えないが、実際にはいくらかの水素を遊離させる。

一実施形態において、ガス出口３３１に、またはその近傍に熱伝対を備える。装置１００に使用するいくつかの異なる冗長制御方法と、工程全体を通してより正確な制御が可能である手段としての機能がある。一実施形態において、効果的な制御方法は、装置１００のさまざまな部分の温度を監視することにある。これらの温度は、装置１００の裏打ち壁の内側に埋め込まれた熱伝対によって得ることができる。一実施形態において、装置１００の制御装置はこの情報を使ってマイクロ波のレベルや、バイオ炭注入、除去の速度を変更する。

ある実施形態は、装置１００全体を炭化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、耐熱合金、他のセラミクスや高温に対して安定している類似の特性を持つ他の材料で裏打ちされていることによる温度の一貫性を向上する。この裏打ちにより、装置１００に熱を分配して伝達し、熱伝対を使用することができるようになり、同時にそれらを装置１００の内部で起きる反応から保護することができるようになる。

制御システムは、すべての異なる方法を使用して前記方法をアルゴリズムのコントローラに合体させることができる。後者は、制御システム全体を通して冗長性を可能とするだけでなく、信頼性と効率をさらに高めることができる。また、さらに、発生炉ガスを一定とし、高品質とすることができる。

ＶＩ．装置制御システム

装置１００の操作は、正確なリアルタイムの調整を行い、プラズモイドの位置を制御する必要がある。例えば、機械的装置をプラズモイドに挿入してその位置を調整すると、マイクロ波チャンバ２００が高温（華氏１６００度と華氏５０００度の間）となって機械的装置を破壊する可能性がある。よって、残留物抽出オーガは、温度が大幅に低いバイオ炭のフィルタ層に配置できるので、それを使って装置からバイオ炭の除去を制御する。装置からバイオ炭の除去の率をあげることによるバイオ炭層の高さの変更は、プラズモイドの縦方向の位置を調整するために必要な変化の一部を早めることができる。

いくつかの方法とシステムを装置制御システム全体の一部として使って、装置１００が操作可能な状態を保ちながらプラズモイドの変化を早め、制御することができる。制御装置は、装置を監視し、調整するさまざまなアルゴリズムを使用する。制御システムは、リアルタイムの調整を可能とし、装置がオフラインの間に調整可能な他の方法からなるサブシステムを含んでいてもよい。

ＶＩＩ． センサと構成部品

一実施形態において、制御装置は、装置を監視するためにセンサを装置全体に配置する必要がある。一実施形態において、装置１００は次のうちの少なくとも１つに温度センサを有する。（１）バイオ炭出口２５０、（２）ガス入り口３５０、（３）フィルタ層チャンバ２２０の中間点、（４）ガス出口３３１、そして、（５）フィルタ層チャンバ入口２０１である。一実施形態において、装置１００は、圧力センサをガス入り口３３０とガス出口３３１に設けてある。一実施形態において、装置１００は充填レベルセンサを、電波近接スイッチまたはバイオ炭保温タンクレベルスイッチに設けている。一実施形態において、装置１００は、供給オーガ組立体１１０と残留物抽出組立体１３０を操作する可変周波数ドライバを有する。一実施形態において、装置１００は、供給オーガ組立体１１０と残留物抽出組立体１３０に弁を有する。

解釈

本説明の実施形態をここで説明する。実施形態の変形も上記の説明を読んだ当業者にとっては明らかであろう。本発明者は、専門的な職人がこのような変形を適切に採用することを期待し、また、発明者は、本発明がここで説明している以外の方法でも実施できるようにすることを意図している。よって、本発明は、ここに添付の特許請求の範囲の変形もそれと同等のものも、適用される法律によって許容されるものとしてすべて包含するものである。さらに、すべての可能な変形において上記の要素のいかなる組み合わせもここで明記しない限り、また、その内容から矛盾しない限りは本発明に含まれるものである。

本開示は、本発明の原理について説明しているが、これらは説明のみを目的としたものであり、本発明の利用は、すべての通常の変化、及び適応／または変更を含み、添付の特許請求の範囲及びそれと等価物を含むことを認識すべきである。

公報、特許出願及び特許などここで引用したすべての参照文献は、同等に参照することによって援用されるものであり、各参照文献を個別に、そして詳細に参照されることによってその全体を援用するものと考える。

本発明の説明内容における不定冠詞や定冠詞やそれに類似するもの（特に下記の特許請求の範囲の内容では）は、内容で明確に示している場合、または内容から矛盾が明らかな場合をのぞき、単数と複数の両方を含むものとする。含む、備える、設けるなどの用語は、特に言及しない限り、無制限の用語（すなわち、含むがそれに限定されない）として考える。ここで示す値の範囲は、特に提示しない限り、単に個々の別々の数値がある範囲に含まれることを言及するための手っ取り早い方法として採用するものであり、各値はそれぞれ、個々をここで述べているかのごとく、明細書に組み込まれるものである。ここで説明する方法はすべて、特に明確に言及しない限り、あるいは明らかに内容から矛盾しない限りはいかなる適した順番で実行されてもよい。ここで示す、いかなる、そしてすべての例または例示の用語（例えば、「などのような」）は、単に本発明をわかりやすくする目的でのみ提示するものであり、特に請求の範囲で指定しない限りは本発明の範囲を限定するものではない（すなわち、限定されないが、例えば）。本明細書のいかなる用語も、請求していない要素を本発明の実施に対して必須であると示していると解釈してはならない。

上に説明した実施形態の各種適応や変更は、本発明の範囲と精神にもとることなく、構成することが可能である。
よって、添付の請求の範囲内において、本発明は、ここに特に説明した方法以外にも実施が可能である。

Claims (30)

1. ガス清浄装置であって、
   外周と、内壁と、外壁と、基端と、先端を有する第１の垂直に設置した管と；
   前記基端に位置し、炭素系材料用の入り口と使用済みの炭の出口を有するフィルタ層チャンバと；
   前記使用済みの炭の出口と前記フィルタ層チャンバの間に位置するガス入り口と；
   前記フィルタ層チャンバの上方に位置し、マイクロ波吸収材料を含む透過性頂部と、
   マイクロ波を前記装置に導入できる外周の周囲に位置する導波管と、
   各導波管に取り付けられたマグネトロンとアイソレータと、
   を備えるマイクロ波チャンバと；
   前記マイクロ波チャンバの先端に接続した第１の触媒チャンバと；
   前記第１の触媒チャンバに接続したガス出口と；
   前記第１のチャンバに接続され、外周と、内壁と、外壁と、基端と、先端とを有する第２の垂直に設置した管とを備えた第２の触媒チャンバとを備える前記装置。
2. 前記使用済みの炭の出口に取り付けた残留物抽出オーガ組立体をさらに有する請求項１に記載の装置。
3. 前記フィルタ層チャンバに接続した供給オーガ組立体をさらに含む請求項２に記載の装置。
4. 前記マイクロ波吸収材料は、マイクロ波エネルギーの熱エネルギーへの変換に触媒作用を及ぼす材料に含浸させたセラミックタイルを含む、請求項１に記載の装置。
5. さらに、前記内壁上に裏打ちを含み、前記裏打ちは炭化ケイ素と酸化アルミニウムまたは炭素と酸化アルミニウムである、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
6. 前記炭素系材料は活性炭である、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の触媒チャンバは、酸化アルミニウムを含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記第２の触媒チャンバは、さらに、注入された蒸気または純化酸素を含む、請求項７に記載の装置。
9. 前記管は、非管状の管である、請求項１に記載の装置。
10. ７本の導波管を有し、前記導波管は、それぞれＷＲ３４０のフランジを有する標準の１．７インチｘ３．４インチの導波管である、請求項１に記載の装置。
11. 前記マグネトロンは、プログラム可能な論理制御された電力供給によって発火せしめられる、請求項１に記載の装置。
12. 前記マグネトロンは、標準クラスＤエミッタであり、２．４５ＧＨｚで発火する、請求項１に記載の装置。
13. さらに、前記装置の裏打ち内部に埋め込まれた熱伝対を含む請求項１に記載の装置。
14. 前記導波管は、さらに前記マイクロ波の後方散乱を抑制するチューナを備える、請求項１に記載の装置。
15. 前記マイクロ波チャンバはさらに、マグネトロンと導波管の間にアイソレータを含み、マグネトロンを保護し、オーバーヒートを防ぐ請求項１に記載の装置。
16. 各導波管は異なる垂直方向の面上に位置する請求項１に記載の装置。
17. 前記装置の周囲にウォータージャケットをさらに備えた請求項１に記載の装置。
18. ガスを清浄する方法であって、
    ガス清浄装置を使用することを含み、前記装置は、
    外周と、内壁と、外壁と、基端と、先端を有する第１の垂直に設置した管と；
    前記基端に位置し、炭素系材料用の入り口と使用済みの炭の出口を有するフィルタ層チャンバと；
    前記使用済みの炭の出口と前記フィルタ層チャンバの間に位置するガス入り口と；
    前記フィルタ層チャンバの上方に位置し、マイクロ波吸収材料を含む透過性頂部と、
    マイクロ波を前記装置に導入できる外周の周囲に位置する導波管と、
    各導波管に取り付けられたマグネトロンとアイソレータと
    を備えるマイクロ波チャンバと；
    前記マイクロ波チャンバの先端に接続した第１の触媒チャンバと；
    前記第１の触媒チャンバに接続したガス出口と；
    前記第１のチャンバに接続され、外周と、内壁と、外壁と、基端と、先端とを有する第２の垂直に設置した管とを備えた第２の触媒チャンバと、
    を備えたガス清浄装置を使用することと；
    前記フィルタ層チャンバを炭素系材料でそのフィルタ層チャンバ頂部まで充填することと；
    前記マグネトロンと導波管を使ってマイクロ波を前記マイクロ波チャンバの内部に導入することと；
    ガスを前記ガス入り口と、前記フィルタ層チャンバ内の炭素系材料と、前記マイクロ波チャンバと、前記第１の触媒チャンバと、前記第２の触媒チャンバとに通すことによってガス内に取り込まれた重質炭素を分離することと；
    純化したガスを抜き取ることと、を含む前記方法。
19. 前記フィルタ層チャンバに接続した供給オーガ組立体を使用して前記フィルタ層チャンバを充填することをさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 使用済みの炭の出口に取り付けた残留物抽出オーガ組立体を使用して前記使用済みの炭を取り除くことをさらに含む請求項１９に記載の方法。
21. マグネトロンによって供給されたマイクロ波を使用して前記装置内のマイクロ波場を濃縮することをさらに含む請求項１８に記載の方法。
22. 前記使用済みの炭の出口に取り付けた前記残留物抽出オーガ組立体を使用して炭素系材料のレベルを維持することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
23. 前記フィルタ層チャンバに接続した供給オーガ組立体を使用して炭素系材料を充填し、そのレベルを維持することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
24. 制御システム及びセンサを使って炭素系材料のレベルを監視し、調整することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
25. 前記マイクロ波吸収材料は、マイクロ波エネルギーの熱エネルギーへの変換に触媒作用を及ぼす材料に含浸させたセラミックタイルを含む、請求項１８に記載の方法。
26. 前記装置は、さらに、前記内壁上に裏打ちを施すことを含み、前記裏打ちは炭化ケイ素と酸化アルミニウムまたは炭素と酸化アルミニウムである、請求項１８に記載の方法。
27. 蒸気または純化酸素を前記第２の触媒チャンバにさらに含む請求項１８に記載の方法。
28. 前記装置の各導波管は異なる垂直方向の面上に位置する請求項１８に記載の方法。
29. 前記装置は、前記装置の周囲にウォータージャケットをさらに備えた請求項１８に記載の方法。
30. 前記炭素系材料は活性炭である、請求項１８に記載の方法。

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