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公開番号2025085068
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-04
出願番号2024187582
出願日2024-10-24
発明の名称熱分解反応器の反応チャンバから炭素を除去するためのシステム及び方法
出願人モダンハイドロジェンインコーポレイテッド
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類C10B 43/04 20060101AFI20250528BHJP(石油,ガスまたはコークス工業;一酸化炭素を含有する工業ガス;燃料;潤滑剤;でい炭)
要約【課題】熱分解反応器から炭素を除去するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】例えば、本技術による熱分解反応器は、燃焼燃料供給部に流体的に結合可能な燃焼コンポーネントと、燃焼コンポーネントの出力に熱的に結合された反応チャンバとを含むことができる。さらに、熱分解反応器は、反応チャンバに動作可能に結合された炭素除去コンポーネントを含むことができる。炭素除去コンポーネントは、アクチュエータと、アクチュエータに結合されたロッドと、ロッドに結合されて反応チャンバ内に配置されたスクレーパヘッドとを含むことができる。アクチュエータは、反応チャンバ内でロッドの動きを引き起こすことによってスクレーパヘッドの動きを引き起こすことができる。スクレーパヘッドは、反応チャンバの内壁から炭素堆積物をスクレイピングするように配置された複数の歯を含むことができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
熱分解反応器であって、
燃焼燃料供給部に流体的に結合可能な燃焼コンポーネントと、
前記燃焼コンポーネントの出力に熱的に結合され、熱分解燃料供給部に流体的に結合可能であり、前記燃焼コンポーネントからの熱を前記熱分解燃料供給部からの熱分解燃料の流れに伝えて水素ガス及び炭素微粒子を含む出力流を生成するように構成された反応チャンバと、
前記反応チャンバに動作可能に結合された炭素除去コンポーネントと、
を備え、前記炭素除去コンポーネントは、
アクチュエータと、
前記アクチュエータに動作可能に結合され、少なくとも部分的に前記反応チャンバ内に配置されたロッドと、
前記反応チャンバの長手方向軸に沿った前記ロッドの移動を可能にして前記反応チャンバからのガスの流れを制限する、前記ロッドと前記反応チャンバとの間の密封装置と、
前記ロッドに結合されたスクレーパヘッドであって、前記反応チャンバの前記長手方向軸に沿った前記ロッドの移動中に前記反応チャンバの内壁から炭素堆積物をスクレイピングするように配置された複数の歯を有する前記スクレーパヘッドと、
を含む、ことを特徴とする熱分解反応器。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
前記燃焼コンポーネントに流体的に結合され、前記燃焼コンポーネントから高温の排ガスを受け取るように配置された燃焼チャンバをさらに備え、
前記反応チャンバは、前記燃焼チャンバの周囲に周方向に配置され、
前記スクレーパヘッドは、前記燃焼チャンバに面する内側及び外側を有するリング状コンポーネントであり、前記内側又は前記外側の少なくとも一方に沿って前記複数の歯が配置され、
前記ロッドは、前記スクレーパヘッドの前記リング状コンポーネントに結合されて前記リング状コンポーネントの周囲に分散する複数のロッドのうちの１つである、
請求項１に記載の熱分解反応器。
【請求項３】
前記スクレーパヘッドは、第１のハウジングと、前記第１のハウジングに回転可能に結合された、歯車軌道を含む第２のハウジングとを含み、
前記複数のロッドの各々の遠位端領域は、前記第１のハウジングに固定して結合され、
前記複数のロッドのうちの少なくとも１つのロッドの前記遠位端領域は、前記第２のハウジングの前記歯車軌道に結合された歯車を含み、
動作時に前記歯車を駆動すると、前記第２のハウジングが前記第１のハウジングに対して前記長手方向軸の周囲で回転するようになる、
請求項２に記載の熱分解反応器。
【請求項４】
前記スクレーパヘッドは、前記内側に沿って配置された前記複数の歯の少なくとも一部に結合された第１の歯ホルダーと、前記外側に沿って配置された前記複数の歯の少なくとも一部に結合された第２の歯ホルダーとを含む、
請求項２に記載の熱分解反応器。
【請求項５】
前記燃焼コンポーネントは、前記燃焼コンポーネントからの熱を前記熱分解燃料の流れに伝達するために前記反応チャンバを通じて高温の排ガスを導くように前記反応チャンバに流体的に結合される、
請求項１に記載の熱分解反応器。
【請求項６】
前記スクレーパヘッドは、前記複数の歯からの個々の歯を受け取るようなサイズをそれぞれが有する複数の開口部を含み、
前記炭素除去コンポーネントは、各個々の歯を前記複数の開口部からの対応する開口部内に保持するように前記スクレーパヘッドに結合可能なエンドキャップをさらに含む、
請求項５に記載の熱分解反応器。
【請求項７】
前記ロッドは内部駆動シャフトを含み、
前記スクレーパヘッドは、
前記ロッドの前記内部駆動シャフトに結合された太陽歯車と、
前記複数の歯からの個々の歯を受け取るようなサイズをそれぞれが有する複数の開口部を有する本体と、
それぞれが前記太陽歯車及び前記複数の歯からの対応する歯に結合され、前記内部駆動シャフトを駆動すると前記太陽歯車を介してそれぞれの回転が駆動される複数の歯車と、
各個々の歯を前記複数の開口部からの対応する開口部内に保持するために前記本体に結合可能なエンドキャップと、
を含む、請求項５に記載の熱分解反応器。
【請求項８】
前記反応チャンバは複数の反応チャンバのうちの１つであり、前記炭素除去コンポーネントは、複数のロッドと、前記複数のロッドからの対応するロッドに個別に結合された複数のスクレーパヘッドとを含み、前記複数のスクレーパヘッドの各々は、前記複数の反応チャンバからの対応する個々の反応チャンバ内に配置される、
請求項１に記載の熱分解反応器。
【請求項９】
前記複数の歯の個々の歯は、前記複数のスクレーパヘッドが前記対応する個々の反応チャンバの前記長手方向軸に沿って移動する際に前記複数のスクレーパヘッドの各々の回転を少なくとも部分的に引き起こすように配向された楔形輪郭を有する、
請求項８に記載の熱分解反応器。
【請求項１０】
前記密封装置は、前記ロッドの周囲にシールを形成するようなサイズのアパーチャをそれぞれが有する１又は２以上の拡張可能コンポーネントを含む、
請求項１に記載の熱分解反応器。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
〔関連出願との相互参照〕
本出願は、２０２３年１０月２４日に出願された米国仮特許出願第６３／５９２，９０９号に対する優先権を主張するものであり、この文献は全体が引用により本明細書に組み入れられる。
続きを表示（約 4,800 文字）【０００２】
本技術は、一般に反応チャンバから固形物を除去するためのシステム及び方法に関する。具体的には、本技術は、熱分解反応器の１又は２以上のチャンバから炭素を除去するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
炭化水素熱分解反応器は、二酸化炭素をほとんど又は全く排出せずに水素を生成することができる。一般に、熱分解反応器は、無酸素環境下で炭化水素投入物を熱分解反応のためのエンタルピー点（又はそれ以上）まで加熱することによって機能し、その後に熱を加え続けて反応が完全に行われるのを促す。熱分解反応では、炭化水素が様々な成分に分解される結果、出力流が固体炭素及び水素ガスを含むようになる。その後、炭素回収システムにおいて出力流から固体炭素を濾過することができる。結果として、熱分解反応器は、燃料から炭素を分離しながらメタンなどの炭化水素投入物を可燃性水素に転化することができる。さらに、水素ガスは、メタン、天然ガス又はその他の炭化水素を使用するように設計された多くのシステムが使用することができる。従って、熱分解反応器は、メタン、天然ガス又はその他の炭化水素から炭素を除去することによって二酸化炭素、一酸化炭素及びその他の温室効果ガスの排出を大幅に削減する機会をもたらす。従って、炭化水素（例えば、天然ガス）を（例えば、家庭用暖房のために、炉、ボイラ及びエンジンなどにおいて）燃焼又は反応させる前にこれらを脱炭素化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
米国特許公開第２０２１／０３８０４０７号明細書
米国特許公開第２０２２／０３１５４２４号明細書
米国特許公開第２０２２／０１２０２１７号明細書
米国特許公開第２０２２／０３８７９５２号明細書
【発明の概要】
【０００５】
しかしながら、時々熱分解反応器の壁に出力流内の固体炭素が溜まることによって反応器内に付着物（ｆｏｕｌｉｎｇ）が生じ、このため最終的に熱分解反応器を停止させて洗浄することが必要になる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本技術の実施形態に従って構成された熱分解システムの概略ブロック図である。
本技術の実施形態に従って構成された熱分解反応器の一部の概略断面図である。
本技術の実施形態に従って構成された熱分解反応器の一部の概略上面図である。
本技術の実施形態に従って構成された熱分解システムの概略図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略分解図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略分解図である。
本技術の実施形態に従って構成された熱分解反応器の一部の概略断面図である。
本技術の実施形態に従って構成された熱分解反応器の一部の概略上面図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略断面図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術の実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略底面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された炭素除去コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された熱分解反応器の部分的概略等角断面図である。
本技術の実施形態に従って構成されたマルチチャンバ型熱分解反応器の部分的概略上面図である。
本技術の実施形態に従って構成されたマルチチャンバ型熱分解反応器の部分的概略上面図である。
本技術の実施形態に従って構成されたマルチチャンバ型熱分解反応器の部分的概略上面図である。
本技術の実施形態に従って構成されたマルチチャンバ型熱分解反応器の概略的等角図である。
本技術の実施形態によるマルチチャンバ型熱分解反応器のための炭素除去コンポーネントの様々な態様の部分的概略図である。
本技術の実施形態によるマルチチャンバ型熱分解反応器のための炭素除去コンポーネントの様々な態様の部分的概略図である。
本技術の実施形態によるマルチチャンバ型熱分解反応器のための炭素除去コンポーネントの様々な態様の部分的概略図である。
本技術の実施形態によるマルチチャンバ型熱分解反応器のための炭素除去コンポーネントの様々な態様の部分的概略図である。
本技術の実施形態によるマルチチャンバ型熱分解反応器のための炭素除去コンポーネントの様々な態様の部分的概略図である。
本技術の実施形態による炭素除去コンポーネントの楔形コンポーネントの部分的概略図である。
本技術の実施形態に従って構成された密封装置の部分的概略断面図である。
本技術の実施形態に従って構成された密封装置の部分的概略分解図である。
本技術の実施形態に従って構成された密封装置の部分的概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術のさらなる実施形態に従って構成された密封装置の概略断面図である。
本技術の実施形態に従って構成された密封装置の密封コンポーネントの部分的概略等角図である。
本技術の実施形態に従って構成された密封装置のツールスクレイピングコンポーネントの部分的概略等角図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面は、必ずしも縮尺通りに描いていない。同様に、本技術の実装の一部を説明する目的で、いくつかのコンポーネント及び／又は動作を異なるブロックに分離し、又は単一のブロックに組み合わせていることもある。さらに、本技術は、様々な修正及び代替形態が可能であるが、図面には特定の実装を一例として示し、以下ではこれらについて詳細に説明する。しかしながら、説明する特定の実装に本技術を限定する意図はない。
【０００８】
概要
熱分解反応器は、炭化水素反応物（例えば、メタン、天然ガス、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ガソリン、ディーゼル、灯油など）を加熱して、これらを水素ガス、固体炭素及び様々な生成物に分解する。例えば、熱分解反応器は、天然ガス中のメタン、エタン、プロパン及びその他の炭化水素成分を分解して水素ガスを生成することができる。メタンの例では、熱分解反応は以下の通りである。
ＣＨ４（気体）→Ｃ（固体）＋２Ｈ２（気体）
この結果、天然ガス又はその他の炭化水素が使用される予定であったあらゆる場所で水素ガスを燃焼燃料として代用することができる。例えば、水素ガスは、様々な加熱ユニット（例えば、炉、温水器、湯沸器、蒸気ボイラなど）、燃焼エンジン、燃料電池及び／又は発電機（例えば、予備発電機）、熱電併給システム、調理ユニット（例えば、ガスコンロ）、及び／又は他の様々な好適な用途で消費することができる。これに加えて又は代えて、水素は、様々なアンモニアベースの製品（例えば、アンモニア肥料）の製造、プロセス熱の供給、及び／又はその他の化学処理産業などの様々な工業プロセスで使用することができ、及び／又はパイプライン内の天然ガスを部分的に脱炭素化するために天然ガスパイプラインに逆注入することもできる。さらに、固体炭素を回収して様々な下流用途で使用することもできる。ほんの一例として、固体炭素製品は、アスファルト製品内の結合剤に部分的に取って代わることにより、炭化水素反応物から効果的に炭素を隔離することができる。
【０００９】
しかしながら、しばしば固体炭素は熱分解反応器内の壁（及び／又はその他の表面）に溜まってしまう。固形炭素蓄積物を反応チャンバから除去するために何も行われなければ、炭化水素から水素への転化に悪影響が及ぶようになる。時間が経つと、炭素蓄積物は最終的に反応チャンバを詰まらせてしまい、このため反応チャンバを停止させ、洗浄して再加熱することが必要になる。例えば、（「コークス」及び／又は「付着物」と呼ばれることもある）炭素蓄積物は、Ｏ
2
ガス及び／又は空気で炭素を酸化させ、炭素に高温の加圧水又は蒸気噴流を吹きつけ、かき集め、ブラッシングし、こすり取り、又は別様に機械的に炭素を取り除くことによって除去することができる。別の例では、熱分解反応器が、反応器に炭素（又は別の材料）の鋳型（ｔｅｍｐｌａｔｅ）及び／又は足場（ｓｃａｆｆｏｌｄ）を挿入する化学気相含浸（「ＣＶＩ」）プロセスを組み込むことができる。この場合は、（例えば、反応器の壁に加えて又は代えて）足場が熱分解から発生した炭素を蓄積する。その後に熱分解反応器を冷却して足場を取り除き、炭素を除去して廃棄することができる。しかしながら、これらのプロセスでは、二酸化炭素及び／又は一酸化炭素の排出が生じることによって熱分解システムの目標のうちの１つが弱体化してしまう恐れがある。さらに、洗浄の結果として、炭化水素反応物が水素及び固体炭素に転化されない停止時間が生じてしまう。さらに、冷却及び再加熱プロセスが熱分解反応の全体的効率を弱体化してしまう恐れもある。
【００１０】
いくつかのシステムでは、熱分解反応器を、固体炭素の捕捉及び除去を支援するように設計することができる。例えば、熱分解反応器は流動層反応器（ｆｌｕｉｄｉｚｅｄｂｅｄｒｅａｃｔｏｒ）を含むことができる。流動層反応器では、反応ガスストリーム上で粒子（時には触媒）が流動化する。炭素は、形成されると粒子に付着することができる。粒子上に炭素が蓄積すると、これらは大型化して反応器から押し出され、或いは底部に落下して分離する。別の例では、熱分解反応器が、溶融塩型又は溶融金属型触媒反応器を含むことができる。この例では、溶融塩内に炭素が形成される。この結果、炭素は、溶融塩よりも低密度であるという性質によって溶融塩床の上部に浮かび上がり、そこで炭素を流動化させ、又は表面から掬い取ることができる。しかしながら、これらの各設計選択は、熱分解反応器に（例えば、溶融塩の使用を必要とする）他の制約を課してしまうことにより、熱分解反応の効率を低下させ、及び／又は実装に過度なコストを要する場合がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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