KR102438787B1 - 하나 이상의 생성물을 제조하기 위한 방법 및 반응기 - Google Patents

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Abstract

천연 가스와 같은 공급원료 가스가 혼합 챔버 내로 도입된다. 가연성 가스는, 예를 들어 공급원료 가스의 도입과 동시에 연소 챔버 내로 도입된다. 그 후, 가연성 가스가 점화되어, 가연성 가스가 연소 챔버 및 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 공급원료 가스와 혼합되도록 한다. 가연성 가스와 공급원료 가스의 혼합은 하나 이상의 생성물이 제조되도록 한다.

Description

하나 이상의 생성물을 제조하기 위한 방법 및 반응기
본 개시는, 예를 들어 천연 가스와 같은 공급원료 가스의 크래킹(cracking)을 통해 하나 이상의 생성물을 제조하기 위한 방법 및 관련 반응기에 관한 것이다.
천연 가스 (CH4)의 화학적 크래킹은 천연 가스가 탄소 (C) 및 수소 (H2)의 이의 구성 성분으로 분해되는 것을 지칭한다. 증기 메탄 개질 (steam methane reforming; SMR)과 같은 종래 수소 생성 방법은 상당한 희석 CO2 배출을 초래하며, 이는 격리를 위해 고비용의 개질 후 정화(post-reforming cleanup)를 요구할 수 있다. 결과적으로, SMR은 생성된 H2 1톤당 약 8 내지 10톤의 CO2를 생성한다. 이산화탄소 배출에 대한 벌금이 티핑 포인트(tipping point)로 증가하지 않는 한, SMR 연도 가스(flue gas) 스트림에 CO2 정화를 추가하는 것은 일반적으로 막대한 비용이 든다.
수소 및 고체 탄소를 제조하기 위한 열 분해의 다른 방법, 예컨대 열 및 액체 금속 열분해(pyrolysis) 및 플라즈마 열분해가 존재한다. 이들 공정은 일반적으로 관련 탄소 시장을 위해 고체 탄소의 제조를 최대화하도록 맞춤화되어 있으며, 이러한 산업에서 널리 사용된다.
천연 가스의 열 크래킹은 전형적으로 일정한 압력의 정상 유동(steady-flow) 공정이며, 이에 의해, 천연 가스가 수소 및 탄소의 형성을 시작하는 데 요구되는 온도에 도달할 때까지 천연 가스는 가열된다. 이 시점에서, 평형 반응을 완료하기 위해 소정 시간 동안 온도가 유지된다. 1 ATM의 일정한 압력을 가정할 때, 온도가 증가함에 따라, 메탄 전환에 요구되는 시간은 감소한다 (도 1에 나타낸 바와 같음 - 그 전문이 본원에 참조로 통합된 문헌 [Kinetic model of homogeneous thermal decomposition of methane and ethane, Maryam Younessi-Sinaki, Edgar A. Matida, Feridun Hamdullahpur, Carleton University, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, 1125 Colonel By Drive, Ottawa, ON K1S 5B6, Canada]로부터 얻어진 도식).
이러한 정상 유동 반응기에서, 형성된 탄소는 반응기의 표면 상에 축적되는 경향이 있으며, 결국 너무 두꺼워져, 반응기 성능이 저하된다. 기계적 스크레이핑(mechanical scraping) 공정, 또는 반응기 내로 공기를 도입하여 표면에서 탄소를 연소시키는 것은 반응기를 세척하는 2가지의 통상의 방법이다. 기계적 스크레이핑은 구현하기에 어렵고, 경질 탄소 침전물을 제거하지 못할 수 있다. 공기로 탄소를 연소시키는 것은 상당한 CO2 배출을 생성하며, 이는 바람직하지 않다. 따라서, 우선 표면 상에 탄소를 형성하지 않고, 생성된 탄소를 하류 공정으로 보내는 것이 매우 바람직하다.
또한, 반응기의 크기를 감소시키기 위해 더 짧은 반응 시간이 필요하지만, 이는 고온 및 매우 고가의 특수 재료(exotic material)를 요구한다. 이를 극복하기 위해, 반응기에 촉매가 첨가되며, 이는 반응 온도를 낮추는 효과를 갖는다. 그러나, 이제 촉매의 표면 상에서 탄소 축적이 또한 일어나며, 상기 촉매는 시간 경과에 따라 비활성화되어, 재활성화 공정을 요구하거나 또는 교체된다. 이들 선택사항(option) 둘 모두는 고가이며, 공정에 복잡성을 추가한다.
액체 금속 반응기와 같은 액체 매질 반응기는, 천연 가스가 액체 금속 또는 염과 같은 고온 액체의 컬럼을 통해 버블링(bubbling)되는 열 공정을 포함한다. 이는 일정한 압력의 정상 유동 공정이기 때문에, 상술한 바와 동일한 온도 대(vs) 시간 반응 속도가 적용된다. 이 공정의 이익은, 생성된 수소가 반응기 컬럼의 상부로부터 버블링되고 탄소가 액체 매질 (이론적으로 제거될 수 있음)의 표면으로 부유하기 때문에, 수소 및 탄소의 분리가 단순화된다는 것이다. 일부 예에서, 촉매 효과를 제공하고 반응 온도를 낮추는 액체 금속 합금이 확인되었다. 그러나, 모든 경우에, 반응기 상부에서의 탄소 축적은 문제로 남아있으며, 용융 매질의 사용은 반응기에 복잡성, 재료 과제 및 비용을 추가한다.
대부분의 열 공정에 대해, 반응기를 가열하고 공정을 유지하는 데 요구되는 에너지는 통상적으로 공기로 일부 과량의 천연 가스를 연소시킴으로써 공급된다. 이 연도 가스는 CO2를 대기 내로 방출하고, 지구 온난화에 기여한다. 일부 경우에, 과량의 탄소 축적 및/또는 수소가 또한 반응의 열을 제공하는 데 사용될 수 있다.
플라즈마 반응기는 전기에 의해 생성되는 고온 플라즈마를 통해 일정한 압력에서 천연 가스를 통과시킨다. 플라즈마는, 예를 들어 전극 또는 마이크로파의 사용에 의해 생성될 수 있다. 이들 반응기에서, 탄소 축적은 여전히 문제가 될 수 있지만, 고온 플라즈마가 매우 작은 영역에 한정되기 때문에 열 반응기보다는 적다. 열 반응기와 달리, 플라즈마 반응기는 에너지 투입물로서 전기에만 의존한다. 열 시스템과 비교하여, 투입 에너지를 위한 전기의 비용은 천연 가스에 대한 비용보다 훨씬 더 높으며, 따라서 그 결과의 수소 및 메탄의 제조 비용은 훨씬 더 높다.
따라서, 더 낮은 자본 비용을 가지며 탄소 축적 문제를 덜 겪는 열 에너지를 사용하는 천연 가스 크래킹 공정에 대한 필요성이 당업계에 존재한다.
일반적으로, 본 개시는, 천연 가스를 열 분해하는 데 필요한 압력 및 온도를 생성하기 위해 동적 가스 압축 및 혼합을 사용하여 천연 가스를 탄소 (C) 및 수소 (H2)의 이의 성분으로 크래킹하는 것에 관한 것이다 (그러나 이에 제한되지 않음). 상기 공정의 목표는 수소 수율을 위해 상기 공정을 최적화하고, 탄소 온실 배출을 최소화하면서 고체 탄소를 2차 가치 스트림으로서 회수하는 것이다. 직접 탄소 연료 전지 (Direct Carbon Fuel Cell; DCFC)와 쌍을 이룰 때, 탄소 생성물은, 전기 및 격리에 적합한 CO2의 순수한 생성물 스트림을 생성하는 데 사용될 수 있다 (도 2 참조). 그 결과는 저가의 "청정(clean)" 수소 생성이다.
본 개시의 제1 측면에 따르면, 하기 단계를 포함하는, 하나 이상의 생성물의 제조 방법이 제공된다: 공급원료 가스를 혼합 챔버 내로 도입하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 가연성 가스를 연소 챔버 내로 도입하는 단계로서, 상기 가연성 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및 그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여, 상기 가연성 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 공급원료 가스와 혼합되도록 하는 단계로서, 여기서 에너지가 상기 가연성 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 하나 이상의 생성물이 제조되도록 하는, 단계.
공급원료 가스 및 가연성 가스의 도입은, 공급원료 가스가 점화 전에 가연성 가스와 실질적으로 혼합되지 않거나 또는 아주 적거나 또는 무시할 만한 혼합을 겪도록 하는 것일 수 있다.
상기 방법은 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 공급원료 가스를 혼합 챔버 내로 도입하기 전에 공급원료 가스를 예열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은 가연성 가스를 연소 챔버 내로 도입하기 전에 가연성 가스를 예열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
혼합 챔버의 부피 대 연소 챔버의 부피의 비는 약 10:1 이하일 수 있다.
혼합 챔버의 길이 대 혼합 챔버의 직경의 비는 약 30:1 이하일 수 있다.
공급원료 가스는 천연 가스를 포함할 수 있다. 공급원료 가스는 천연 가스 및 재순환 가스의 혼합물을 포함할 수 있다. 재순환 가스는 천연 가스; 수소; 일산화탄소; 및 이산화탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
가연성 가스는 산화제를 포함할 수 있다. 산화제는 산소 및 공기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 가연성 가스는 CH4 및 O2의 혼합물을 포함할 수 있다. 가연성 가스는 재순환 가스 및 산화제의 혼합물을 포함할 수 있다. 재순환 가스는 천연 가스; 수소; 일산화탄소; 및 이산화탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
가연성 가스는, 혼합 챔버 내로의 공급원료 가스의 도입과 동시에 연소 챔버 내로 도입될 수 있다.
가연성 가스는, 공급원료 가스가 혼합 챔버 내로 도입되는 압력과 동일한 압력에서 연소 챔버 내로 도입될 수 있다.
하나 이상의 생성물은 수소 및 탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나 이상의 생성물은 수소 및 일산화탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
하나 이상의 생성물은 수소, 질소 및 탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 수소 및 질소는 암모니아 제조에 사용될 수 있다.
하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하는 단계는 혼합 챔버 내의 압력을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 혼합 챔버 내의 압력은 혼합 챔버의 탄소 파울링을 억제하도록, 예를 들어 1초 미만에 걸쳐 적어도 50%만큼 충분히 빠르게 감소될 수 있다.
가연성 가스의 연소에 의해 생성된 압력파(pressure wave)는 혼합 챔버의 탄소 파울링을 억제할 수 있다.
에너지는 가스 동적 압축 및 혼합을 통해 가연성 가스로부터 공급원료 가스로 전달될 수 있다.
점화 후 그러나 가연성 가스와 공급원료 가스의 혼합 전의 연소 챔버 내의 온도는, 예를 들어 산화제로서 순수 O2를 사용하고 가연성 가스로서 재순환 가스를 사용하는 경우 ~90 ATM 및 ~3,700K일 수 있다.
가연성 가스와 공급원료 가스의 혼합 후, 그리고 하나 이상의 생성물이 제조되기 전에, 공급원료 가스 및 가연성 가스의 혼합물의 적어도 일부가 제3 챔버로 전달될 수 있다. 따라서, 사용자가 제3 챔버에서 하나 이상의 생성물이 제조되기를 기다리는 동안 연소 챔버 및 혼합 챔버는 새로운 가연성 가스 및 공급원료 가스로 보충될 수 있다.
본 개시의 추가 측면에서, 공급원료 가스 반응기가 제공되며, 상기 공급원료 가스 반응기는 혼합 챔버; 연소 챔버; 상기 혼합 챔버 및 상기 연소 챔버의 내부 및 외부로의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브; 점화기; 및 하기 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 포함한다: 공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 가연성 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및 그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여 상기 가연성 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 공급원료 가스와 혼합되도록, 상기 점화기를 제어하는 단계로서, 여기서 에너지가 상기 가연성 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 하나 이상의 생성물이 제조되도록 하는, 단계.
공급원료 가스 및 가연성 가스의 도입은, 공급원료 가스가 가연성 가스와 실질적으로 혼합되지 않도록 하는 것일 수 있다.
상기 방법은 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하도록 밸브를 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
연소 챔버는 혼합 챔버 내에 위치할 수 있다. 연소 챔버는 혼합 챔버의 종축으로부터 오프셋될 수 있다.
연소 챔버는 혼합 챔버 외부에 위치할 수 있다.
연소 챔버는 내부에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다.
공급원료 가스 반응기는 본 개시의 제1 측면과 관련하여 기술된 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 추가 측면에서, 하기를 포함하는 공급원료 가스 반응기가 제공된다: 혼합 챔버; 내부에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는 연소 챔버로서, 상기 하나 이상의 개구부는 연소 챔버로부터 혼합 챔버로의 하나 이상의 유체 유동 경로를 제공하는, 연소 챔버; 혼합 챔버 및 연소 챔버의 내부 및 외부로의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브; 및 점화기.
공급원료 가스 반응기는 본 개시의 제1 측면과 관련하여 기술된 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
밸브를 제어하는 단계는 개별 밸브의 개방 및/또는 폐쇄를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 밸브를 제어하는 단계는 반응기에 대해 밸브를 회전시키는 (예를 들어, 모터를 사용함) 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 추가 측면에서, 다중 공급원료 반응기를 포함하는 시스템이 제공되고, 상기 각각의 반응기는 혼합 챔버; 연소 챔버; 및 점화기; 혼합 챔버 및 연소 챔버의 내부 및 외부로의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브; 및 각각의 반응기에 대해, 하기 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 포함하며: 공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 가연성 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및 그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여 상기 가연성 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 공급원료 가스와 혼합되도록, 상기 점화기를 제어하는 단계로서, 여기서 에너지가 상기 가연성 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 하나 이상의 생성물이 제조되도록 하는 단계; 주어진 반응기에 대해, 상기 방법은 다중 반응기 중 적어도 하나의 다른 반응기와 역상(out of phase)으로 수행된다.
각각의 반응기에 대해, 공급원료 가스 및 가연성 가스의 도입은, 공급원료 가스가 가연성 가스와 실질적으로 혼합되지 않도록 하는 것일 수 있다.
각각의 반응기에 대해, 상기 방법은 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하도록 밸브를 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
다중 반응기는 중심 축을 중심으로 방사상으로 배열될 수 있으며, 시스템은 회전기를 추가로 포함할 수 있고, 상기 회전기는, 밸브를 포함하는 밸브 조립체에 대해 중심 축을 중심으로 다중 반응기를 회전시키거나; 또는 밸브를 포함하는 밸브 조립체를 다중 반응기에 대해 중심 축을 중심으로 회전시키도록 구성된다. 따라서, 밸브 조립체는 반응기가 고정된 동안 회전될 수 있거나, 또는 밸브 조립체는 반응기가 회전하는 동안 고정될 수 있다. 일부 구현예에서, 밸브 조립체 및 반응기는 심지어 동시에 회전될 수 있다.
밸브를 제어하는 단계는 개별 밸브의 개방 및/또는 폐쇄를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 밸브를 제어하는 단계는 반응기에 대해 밸브를 회전시키는 (예를 들어, 모터를 사용함) 단계를 포함할 수 있다.
상기 시스템은 본 개시의 제1 측면과 관련하여 기술된 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 추가 측면에서, 하기를 포함하는 시스템이 제공된다: 상술한 반응기 중 임의의 하나 이상; 및 하나 이상의 반응기에 결합되며, 가연성 가스와 공급원료 가스의 혼합으로부터 생성된 탄소를 수용하도록 구성된 하나 이상의 연료 전지를 포함한다.
상기 시스템은 본 개시의 제1 측면과 관련하여 기술된 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
이제, 본 개시의 구현예는 첨부 도면과 함께 상세하게 기술될 것이다.
도 1은, 다양한 온도 및 시간 상수 하에 1 기압의 압력에서 메탄으로부터 생성된 수소의 몰분율 그래프이고;
도 2는, 본 개시의 구현예에 따른, 수소, 전기 및 순수한 이산화탄소를 제조하기 위한 천연 가스 해리 및 탄소 연료 전지의 조합을 나타내고;
도 3은, 본 개시의 구현예에 따른, 천연 가스를 크래킹하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 4a 및 4b는, 본 개시의 구현예에 따른, 혼합 챔버 및 연소 챔버의 상이한 배열을 나타내고;
도 5는 본 개시의 구현예에 따른 천연 가스 크래킹 방법의 개략도이고;
도 6은, 본 개시의 구현예에 따른, 역상으로 작동하는 번들형(bundled) 반응기를 포함하는 시스템의 상이한 구성을 나타내고;
도 7은, 본 개시의 구현예에 따른, 고정 밸브 둘레를 회전하는 번들형 반응기를 나타내고;
도 8은, 본 개시의 구현예에 따른, 공급원료 가스와 가연성 가스의 혼합을 제공하는 데 사용되는 연소 챔버 및 혼합 챔버, 및 가연성 및 공급원료 가스 혼합물이 투입되며 그 안에서 혼합물로부터 하나 이상의 생성물이 제조되는 제3 챔버의 개략적인 블록 다이어그램이고;
도 9는, 본 개시의 구현예에 따른, 공급원료 가스와 가연성 가스의 혼합을 제공하는 데 사용되며, 그 안에서 혼합물로부터 하나 이상의 생성물이 제조되는 연소 챔버 및 혼합 챔버의 개략적인 블록 다이어그램이고;
도 10은, 본 개시의 구현예에 따른, 공급원료 가스와 가연성 가스의 혼합을 제공하는 데 사용되며, 그 안에서 혼합물로부터 하나 이상의 생성물이 제조되고, 여기서 재순환 가스가 상기 공정을 위한 열 에너지를 제공하는 데 사용되는 연소 챔버 및 혼합 챔버의 개략적인 블록 다이어그램이고;
도 11은, 본 개시의 구현예에 따른, 혼합 챔버 내에 위치한 연소 챔버의 개략도이고;
도 12는, 본 개시의 구현예에 따른, 혼합 챔버 외부에 위치한 연소 챔버의 개략도이고;
도 13은, 본 개시의 구현예에 따른, 혼합 챔버 내에 배열된 연소 챔버를 나타내고;
도 14는, 본 개시의 구현예에 따른, 고정 반응기 및 회전 밸브를 갖는 다중 반응기 번들을 나타낸다.
본 개시는 하나 이상의 생성물을 제조하기 위한 개선된 방법 및 반응기를 제공하는 것을 추구한다. 본 개시의 다양한 구현예가 아래에 기술되지만, 본 개시는 이들 구현예에 제한되지 않으며, 이들 구현예의 변형은, 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되는 본 개시의 범위 내에 충분히 속할 수 있다.
단수명사는 청구범위 및/또는 명세서에서 용어 "포함하는(comprising)" 또는 "포함하는(including)"과 함께 사용되는 경우, 내용이 달리 명확히 나타내지 않는 한, "하나"를 의미할 수 있지만, 이는 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 초과"의 의미와 일치한다. 유사하게, 단어 "또 다른"은 내용이 달리 명확히 나타내지 않는 한, 적어도 제2 또는 그 초과를 의미할 수 있다.
본원에 사용된 용어 "결합된", "결합하는" 또는 "연결된"은 이들 용어가 사용되는 문맥에 따라 여러 상이한 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 용어 "결합된", "결합하는" 또는 "연결된"은 기계적 또는 전기적 함축을 가질 수 있다. 예를 들어, 본원에서 사용된 용어 "결합된", "결합하는" 또는 "연결된"은, 2개의 요소 또는 장치가 서로에 직접 연결되거나 또는 특정한 문맥에 따라 전기적 요소, 전기적 신호 또는 기계적 요소를 거쳐 하나 이상의 중간 요소 또는 장치를 통해 서로에 연결됨을 나타낼 수 있다. 항목 목록과 관련하여 사용되는 경우 본원에서 용어 "및/또는"은 상기 목록을 포함하는 품목 중 임의의 하나 이상을 의미한다.
본원에 사용된, 숫자에 대해 "약" 또는 "대략"에 대한 지칭 또는 숫자와 "실질적으로" 동일하다는 지칭은 상기 숫자의 +/- 10% 내에 있음을 의미한다.
일반적으로, 본 개시의 구현예에 따르면, 천연 가스 공급원료로부터 수소가 풍부한 가스 및/또는 탄소 생성물을 제조하기 위해 사용되는 매우 풍부한 펄스화된 열분해 공정(ultra-rich pulsed pyrolysis process)이 기술된다. 대규모 수소 제조의 경우, 상기 공정은 SMR과 경쟁할 수 있다.
본 개시의 구현예에 따르면, 천연 가스 기반 공급원료로부터 수소 및 탄소 생성물을 제조하기 위해 비정상(unsteady)의 일정 부피 펄스화된 반응 공정의 사용이 기술된다. 가연성 가스 및 산화제의 개별 챔버는 반응을 위한 에너지를 제공하고, 직접 접촉을 통한 가스 동적 압축 및 신속 혼합 열 에너지 교환에 의해 공급원료 혼합 챔버로 직접 전달된다. 아래 논의에서, 공기가 산화제로서 사용되지만; 순수한 산소와 같은 다른 산화제가 공정에 사용될 수 있다. 또한, 공급원료 가스 및 가연성 가스는 동일한 가스 또는 가스 혼합물을 포함할 수 있거나 또는 상이한 가스 또는 가스 혼합물을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 가연성 가스는 재순환 가스 혼합물을 포함할 수 있다.
반응기는 혼합 챔버 및 연소 챔버를 포함한다. 이들 챔버는 항상 개방된 다수의 통로를 통해 연결된다. 일부 구현예에서, 반응기는 더 큰 고체 튜브 (혼합 챔버) 내에 천공 튜브 (연소 챔버)를 포함하며; 도 3 및 4a를 참조한다. 다른 구현예에서, 연소 챔버는 혼합 챔버의 외부에 있을 수 있다 (도 4b에 도시된 바와 같음). 외부 밸브는 공급원료, 산화제 및 가연성 가스 (CH4로 표시됨) 뿐만 아니라 배출된 수소, 탄소 및 반응 동안 생성된 다른 가스를 제공한다.
도 5를 참조하면, 사이클의 시작 시, 혼합 챔버는 이전 반응 사이클의 생성물로 채워진다. 혼합 챔버는, 공급원료 반응 생성물에 더하여 연소 반응 생성물의 일부의 혼합물로 채워진다. 연소 챔버는 주로 연소 반응의 생성물로 채워진다. (500)에서, 새로운 공급원료 및 아마도 일부 재순환 생성물 가스가 혼합 챔버 내로 도입되어 혼합 챔버의 끝으로부터 이전 사이클의 생성물을 대체한다. 동시에, 가연성 가스/공기 혼합물이 연소 챔버 내로 도입되어, 연소 챔버의 끝으로부터 연소 생성물을 대체한다. (502)에서, 모든 입구 및 출구 밸브가 폐쇄되어, 폐쇄된 부피를 생성한다. (504)에서, 이어서, 연소 챔버 내 가스가 점화되어, 연소 챔버 내 압력 및 온도의 증가를 낳는다. (506)에서, 연소 챔버 및 혼합 챔버 사이의 통로는 가연성 가스 생성물이 혼합 챔버 내로 들어가게 하여, 공급원료 가스를 압축하고, 이들의 압력 및 온도를 증가시킨다. 또한, 고온 연소 챔버 가스 생성물은 공급원료 가스와 혼합되어 이들의 열 에너지를 원료 가스로 전달하여, 이들의 온도를 더욱 증가시킨다. 그 결과의 공급원료 가스의 온도 및 압력은 반응이 일어나도록 한다. (508)에서, 목적하는 반응을 완료하고 목적하는 생성물을 발생시키기 위해 소정 시간 동안 반응이 진행되도록 한다. (510)에서, 혼합 챔버 내의 압력은, 생성물을 외부 부피 (미도시)로 방출함으로써 신속히 낮아진다. 연소 챔버에 남아있는 연소 생성물 가스는 혼합 챔버 가스와 함께 배기되거나 또는 전용 포트를 통해 별도로 배기될 수 있다. 혼합 챔버에서의 압력 감소는 온도를 감소시키고, 반응을 중지하거나 또는 켄칭(quenching)한다. 이러한 신속한 감압 및 팽창은 또한, 반응기 벽으로부터 탄소와 같은 고체 반응 생성물을 제거하는 바람직한 효과를 갖는다. 또한, 연소로부터 생성된 압력파는 반응기 벽으로부터 탄소 침전물을 스트리핑(stripping)할 수 있다.
공급원료 및 가연성 가스가 예비혼합되는 경우, 혼합물은 너무 풍부하여 점화되지 않을 수 있다. 따라서, 혼합 챔버 및 연소 챔버는 점화 전에 구별되고 분리되어, 공급원료 가스 및 가연성 가스 사이에 혼합이 발생하지 않거나 또는 바람직하게는 거의 발생하지 않도록 한다.
다수의 반응기 시스템은 함께 번들화되어, 반응기 시스템의 내부 및 외부로의 연속적인 유동을 생성하도록 서로 약간 역상으로 작동할 수 있다. 밸브는 도 6에 도시된 바와 같이 고정되거나 또는 회전할 수 있다. 일부 구현예에서, 반응기는 회전될 수 있고, 밸브는 고정된 상태로 유지될 수 있다 (그 전문이 본원에 참조로 통합된 문헌[Wave rotor design method with three steps including experimental validation, Chan Shining et al., Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, December 2017]의 도 2로부터 변형된 도 7 참조).
다양한 파라미터는 반응기가 효과적으로 작동할 수 있도록 조정될 수 있다. 공급원료 가스는 혼합 챔버 내로 도입되기 전에 반응을 시작하는 온도 바로 아래로 예열될 수 있다. 전형적인 온도는 공급원료 성분 및 작동 압력에 따라 600K 내지 1000K 범위일 것이다.
또한, 도입되는 가연성 가스/산화제 혼합물은 또한 연소 챔버로 들어가기 전에 예열될 수 있다. 전형적인 온도는 사용되는 가연성 가스에 따라 400K 내지 700K 범위일 것이다. 가연성 가스/산화제 혼합물을 예열하는 것은 공정의 효율을 개선하여, 더 많은 연소 에너지가 연소 생성물을 가열하는 데 사용되기보다는 반응물로 전달되도록 할 수 있다.
혼합 챔버 및 연소 챔버 사이의 부피 비는, 연소 챔버에 함유된 정확한 양의 에너지가 혼합 챔버에 제공되어 목적하는 생성물을 제조하도록 설정되어야 한다. 또한, 효과적인 혼합을 제공하도록 혼합 챔버로 들어가는 충분한 가연성 가스 생성물이 있어야 한다. 일반적으로 < 10:1의 부피 비가 바람직하다. 공기를 산화제로서 사용하는 경우, 질소는, 더 낮은 부피 비를 촉진하고 혼합을 증가시키는 비반응성 가스로서 유익할 수 있다. 산화제로서 순수한 산소를 사용하는 경우, CO2와 같은 또 다른 가스는 산화제 경우와 같이 공기 중의 질소와 동일한 유익을 제공할 수 있다. 가연성 가스 혼합물에 추가적인 CO2를 도입하는 것은 더 큰 고체 탄소 제조를 낳을 수 있다.
길이 대 직경 비는 연소 챔버로부터 혼합 챔버로의 효율적인 에너지 전달을 얻기 위해 중요하다. 짧고 직경이 큰 반응기는 불량한 혼합을 갖는 경향이 있을 것이지만, 길고 얇은 반응기는 이의 길이를 따라 반응기 내로 공급원료 및 가연성 가스를 도입하는 것에서 어려움을 발생시킬 것이다. 일반적으로 < 30:1의 길이-직경 비가 바람직하다.
일부 구현예에 따르면, 반응기는, 공급원료 가스로서의 일부 재순환 생성물 가스 및 가연성 가스로서의 재순환 가스/산화제 혼합물에 더하여 메탄 (또는 천연 가스)을 사용한다. 반응기는, 반응 생성물 스트림에서 수소 및 고체 탄소의 생성을 최대화하도록 설계 및 작동될 수 있다. 반응기는 혼합 챔버 내부에 천공 튜브인 연소 챔버를 포함할 수 있다. 천공된 연소 챔버는 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 혼합 챔버의 중심으로부터 오프셋될 수 있고, 혼합 챔버의 벽에 결합되어 구조적 무결성 및 지지를 제공할 수 있다. 혼합 챔버/연소 챔버 부피 비는 10:1 이하일 수 있고, 길이 대 직경 비는 10:1일 수 있다. 일부 구현예에서, 혼합 챔버/연소 챔버 부피 비는 약 6:1일 수 있고, 일부 구현예에서 혼합 챔버/연소 챔버 부피 비는 약 3.5:1일 수 있다.
도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 다수의 반응기 튜브는 외부 회전 밸브와 함께 배열되어, 모든 공급원료, 가연성 가스 및 반응 생성물의 유동 및 순서를 제공할 수 있다. 별도의 포트는 연소 챔버 연소 생성물을 배기할 수 있다.
반응기는, 생성된 수소가 표준 압력 스윙 흡수(swing absorption) 기술을 사용하여 정제될 수 있도록 충분히 높은 압력에서 작동될 수 있다. 일부 구현예에 따르면, 미반응 메탄 (CH4), 일산화탄소 (CO) 및 일부 수소와 같은 생성물 가스는 재순환되고, 더 많은 메탄과 혼합되어, 반응기에 공급원료 가스 혼합물을 생성한다. 가연성 가스 혼합물은, CO2 제거 시스템으로부터 제거된 CO2 및 순수한 산소에 더하여 (에어 블로운 반응기(air-blown reactor)의 경우) 재순환 가스 혼합물을 포함한다. 일부 구현예에서, 연소 챔버 및 혼합 챔버 둘 모두로 유동하는 재순환 가스 혼합물은 CH4, CO 및 H2에 더하여 CO2를 함유한다. 공급원료 가스 혼합물 및 가연성 가스 혼합물은 다중 스트림 열 교환기를 통해 반응기 생성물 스트림으로부터 회수된 열 에너지로부터 각각 ~900K 및 ~600K로 예열된다. 대안적인 구현예에서, 혼합 챔버/연소 챔버 부피 비는 3.5:1이고, 메탄 (또는 천연 가스)/공기 혼합물이 가연성 가스에 사용된다.
이제 본 개시의 구현예에 대한 상세한 설명이 제공될 것이다.
도 8을 참조하면, 연소성 가스(10) 및 산화제 가스(20)는, 연소성 가스 혼합물(31)을 챔버(60)에 의해 요구되는 정확한 온도 및 압력으로 상태조절(conditioning)하는 연소 혼합물 상태조절 및 제어 시스템(30)으로 들어간다. 공급원료 가스(40) 및 재순환 가스 혼합물(91)은, 공급원료 혼합물(51)을 챔버(60)에 의해 요구되는 정확한 온도 및 압력으로 상태조절하는 공급원료 혼합물 상태조절 및 제어 시스템(50)으로 들어간다. 일부 구현예에서, 재순환 가스 혼합물은 이용가능하지 않으며, 공급원료 가스(40)만이 공급원료 혼합물 상태조절 및 제어 시스템(50)으로 들어간다.
챔버(60)는, 상태조절된 가연성 가스 혼합물(31)로부터의 연소 에너지를 사용하여, 상태조절된 공급원료 혼합물(51)의 압력 및 온도를 반응 준비 수준으로 증가시키는 일정 부피 장치이다. 연소된 상태조절된 가연성 가스 혼합물(31)의 연소 생성물을 주로 포함하는 연소 생성물 가스 혼합물(67)은 챔버(60)로부터 배기될 수 있다. 반응 준비 가스 혼합물(61)은 반응기(70)로 들어가며, 이에 의해 이는 가스 혼합물이 일정 부피의 흡열 반응으로 반응한 생성물 혼합물(71)로 전환될 때까지 남아있다. 일정 부피 반응은, 배치(batch) 모드로 작동하고 유동 시기의 제어를 요구하는 비정상(unsteady) 공정이다. 이는 상태조절 시스템(30, 50), 및 분리 및 제어 시스템(80)에서의 유동 제어에 의해 달성된다.
반응한 생성물 혼합물(71)은 생성물 분리 및 제어 시스템(80)으로 들어가며, 상기 생성물 분리 및 제어 시스템(80)은 목적하는 반응한 생성물 혼합물(71)의 압력 및 온도를 감소시킴으로써 반응기(70)에서 반응을 중지하고, 개별 생성물 성분(81, 82), 원치 않는 생성물(83) 및 재순환 가스 혼합물(84)을 분리 및/또는 정제한다. 재순환 가스 혼합물(84)은 예비상태조절 재순환 가스 시스템(90)으로 들어가며, 여기서 재순환 가스 혼합물(84)은 목적하는 온도 및 압력으로 예비상태조절되고, 공급원료 혼합물 상태조절 및 제어 시스템(50)으로 유동한다.
일부 구현예에서, 가연성 가스(10) 및 공급원료 가스(40)는 천연 가스이고, 산화제 가스(20)는 공기이다. 반응기(70)에서 목적하는 반응은 일반적으로 하기 식에 의해 주어진 메탄 열분해이다:
CH4 (메탄) + 에너지 → C (탄소) + 2H2 (수소)
개별 생성물(81)은 수소 가스이고, 개별 생성물(82)은 탄소이며, 원치 않는 생성물(83)은 주로 이산화탄소, 질소 및 물이다. 재순환 가스 혼합물(84)은 주로 미반응 천연 가스, 수소, 질소 및 일산화탄소로 구성된다.
도 9에서의 시스템은, 챔버(60) 및 반응기(70)가 일정 부피 반응기(62)로 조합되는 것을 제외하고 도 8의 시스템과 유사하다.
도 10은 도 9와 유사하지만, 예비상태조절된 재순환 가스 상태조절기(90)에서 상태조절된 재순환 혼합물(84)의 일부는 요구되는 가연성 가스(10)의 양을 상쇄하기 위해 가연성 가스 상태조절기 및 제어 시스템(30)으로 보내진다.
도 11은 챔버(60) 또는 일정 부피 반응기(62)의 단면도를 나타낸다. 이 설명에서, 이는 일정 부피 반응기(62)를 나타낸다.
일정 부피 반응기(62)는 연소 챔버(63) 내에 함유된 연소 부피(65)를 포함한다. 연소 챔버(63)는 반응기 챔버(68)에 함유된 반응기 부피(64)에 의해 둘러싸여 있다. 통로(66)는 연소 부피(65)를 반응기 부피(64)에 연결한다. 연소 챔버(63)가 반응기 챔버(68)의 중앙에 도시되어 있지만, 연소 챔버(63)는 반응기 챔버(68)의 외벽(69)에 대한 것을 포함하여 반응기 챔버(68)의 어느 곳에나 위치할 수 있다.
상태조절된 가연성 가스 혼합물(31)은 가연성 가스 혼합물 밸브(32) 및 통로(33)를 통해 연소 챔버(63)로 들어가, 연소 부피(65)에 존재하는 임의의 연소 생성물 가스 혼합물(67)을 통로(74) 및 연소 생성물 밸브(75)를 통해 반응기(62) 밖으로 이동시킨다. 상태조절된 공급원료 가스 혼합물(51)은 공급원료 가스 혼합물 밸브(52) 및 통로 (53)를 통해 혼합 챔버(68)로 들어가, 반응기 부피(64) 내의 목적하는 반응 생성물 혼합물(71)을 통로(73) 및 생성물 밸브(72)를 통해 반응기(62) 밖으로 이동시킨다. 상태조절된 가연성 가스 혼합물(31) 및 상태조절된 공급원료 가스 혼합물(51) 둘 모두는, 통로(66)를 통한 혼합이 거의 없도록 동일한 압력에서 일정 부피 반응기(62)에 동시에 들어갈 수 있다.
주로 모든 가연성 가스 혼합물(67) 및 목적하는 생성물 혼합물(71)이 반응기(62)로부터 이동되면, 연소 생성물 밸브(75) 및 생성물 밸브(72)는 폐쇄된다. 목적하는 반응기 압력에 도달하면, 가연성 가스 혼합물 밸브(32) 및 공급원료 가스 혼합물 밸브(52)는 폐쇄되어, 반응기(62)에 폐쇄된 부피를 생성한다. 점화기(100)는 점화 에너지(101)를 생성하며, 상기 점화 에너지(101)는, 연소 챔버(63)에서 상태조절된 가연성 가스 혼합물(31)이 발열 반응으로 연소되어, 상승된 온도 및 압력에서 연소 생성물 가스 혼합물(67)을 생성하도록 한다. 연소 챔버(63) 및 혼합 챔버(68) 사이의 생성된 압력 차이로 인하여, 가연성 가스 혼합물(67)의 일부가 반응기 부피(64)로 들어가, 공급원료 가스 혼합물(51)을 더 높은 압력으로 압축한다. 동시에, 고온 가연성 가스 혼합물(67)의 이 부분은 전도, 대류 및 복사에 의해 공급원료 가스 혼합물(51)을 혼합하고 가열한다. 공급원료 가스 혼합물(51)은 이제, 흡열 반응이 일어나기 위한 조건을 생성하는 상승된 온도 및 압력에 있다. 일정 부피 반응기(62)는, 흡열 반응이 목적하는 생성물 혼합물(71)을 생성하기에 충분히 오래 진행될 때까지 폐쇄된 부피로서 유지된다. 이 조건에 도달하면, 생성물 밸브(72) 및 연소 생성물 밸브(75)가 개방되고, 이는 압력 및 온도를 하락시켜 흡열 반응을 중지시킨다. 이어서, 상기 공정이 반복된다.
도 12는 혼합 챔버(68) 외부에 연소 챔버(63)를 갖는 챔버(60) 또는 일정 부피 반응기(62)의 구현예를 도시한다. 연소 부피(65)는 다수의 통로(68)를 통해 반응기 부피(64)에 연결된다. 요구되는 경우, 특정 연소 조건을 생성하기 위해 연소 챔버(63)을 따라 다수의 점화기가 위치될 수 있다. 연소 챔버(63)가 반응기 챔버 벽(69) 옆에 위치하는 경우, 다중 점화기가 또한 도 11의 일정 부피 반응기(62)에 위치할 수 있다.
도 13은 반응기 챔버(68)의 반응기 챔버 벽(69)과 직접 결합된 연소 챔버(63)를 갖는 챔버(60) 또는 일정 부피 반응기(62)의 구현예의 등각도를 도시한다. 연소 챔버(63)를 반응기 챔버 벽(69)에 직접 결합하는 것은 연소 챔버(63)에 대한 구조적 지지 및 정렬을 제공하고, 본질적으로 일체형 챔버(60) 또는 일정 부피 반응기(62)를 생성한다.
준연속 또는 반연속 유동 시스템을 생성하기 위해, 다중 챔버(60) 또는 일정 부피 반응기(62)가 함께 배열되고, 각각의 챔버 또는 반응기가 도 11에 기술된 공정의 상이한 부분을 겪도록 역상으로 작동될 수 있다.
도 14는, 도 14에 도시된 다수의 개별 일정 부피 반응기(62)가 원형 패턴으로 배열된 다중튜브 반응기(110)의 구현예를 도시한다. 상태조절된 가연성 가스 혼합물(31)은 플리넘(plenum; 35) 내로의 통로(34)를 통해 다중튜브 반응기(110)로 들어간다. 상태조절된 공급원료 가스 혼합물(51)은 플리넘(55) 내로의 통로(54)를 통해 다중튜브 반응기(110)로 들어간다. 상태조절된 연소 및 상태조절된 공급원료 가스 혼합물이 다중튜브 반응기(110)로 들어가는 시기는 회전 밸브 조립체(121)의 일부인 입구 회전 밸브(120)에 의해 제어된다. 입구 회전 밸브(120)는 도 11에 기술된 가연성 가스 혼합 밸브(32), 통로(33), 공급원료 가스 혼합 밸브(52) 및 통로(53)와 동일한 기능을 수행한다. 연소 생성물 가스 혼합물(67) 및 목적하는 생성물 혼합물(71)이 다중튜브 반응기(110)를 떠나는 시기는 회전 밸브 조립체(121)의 일부인 출구 회전 밸브(122)에 의해 제어된다. 출구 회전 밸브(122)는 도 11에 기술된 연소 생성물 밸브(72), 통로(73), 공급원료 생성물 밸브(75) 및 통로(74)와 동일한 기능을 수행한다.
각각의 일정 부피 반응기(62)로부터의 연소 생성물 가스 혼합물(67)은 연소 생성물 플리넘(123)에 수집되고, 통로(125)를 통해 다중튜브 반응기(110) 외부로 분배된다. 각각의 일정 부피 반응기(62)로부터의 생성물 혼합물(71)은 생성물 플리넘(124)에 수집되고, 통로(126)를 통해 다중튜브 반응기(110) 외부로 분배된다.
본 개시는 주로 공급원료 가스의 크래킹의 문맥에서 제시되었지만, 본 개시는 공급원료 가스로부터 하나 이상의 생성물을 제조하는 다른 방법으로 확장된다. 예를 들어, 합성 가스 (H2 및 CO)는, 가연성 가스가 (혼합에 더하여) 공급원료 가스와 반응하도록 상기 공정의 하나 이상의 파라미터를 조정함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 가연성 가스에서 산화제 대 재순환 가스의 비가 증가되어, 점화 직후 가연성 가스의 압력 및 온도를 증가시키며, 이에 의해 가연성 가스 및 공급원료 가스 사이의 적절한 반응을 유도할 수 있다.
본 개시는 특정 구현예와 관련하여 기술되었지만, 본 개시는 이들 구현예에 제한되지 않고, 이들 구현예의 변경, 수정 및 변형이 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않으면서 당업계의 통상의 기술자에 의해 수행될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 논의된 임의의 측면 또는 구현예의 임의의 부분은 본 명세서에서 논의된 임의의 다른 측면 또는 구현예의 임의의 부분과 함께 구현되거나 또는 조합될 수 있다는 것이 고려된다.

Claims (41)

  1. 하기 단계를 포함하는, 하나 이상의 생성물의 제조 방법:
    공급원료 가스를 혼합 챔버 내로 도입하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계;
    가연성 가스를 연소 챔버 내로 도입하는 단계로서, 상기 가연성 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및
    그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여, 상기 가연성 가스를 연소시키며 이에 의해 하나 이상의 연소 생성물 가스를 형성하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 공급원료 가스와 혼합되도록 하는 단계로서, 여기서 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스와 상기 공급원료 가스의 혼합의 결과로서, 에너지가 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 화학 반응이 하나 이상의 생성물을 제조하도록 하는, 단계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가연성 가스를 점화하기 전에, 상기 혼합 챔버 내 상기 공급원료 가스의 압력이 상기 연소 챔버 내 상기 가연성 가스의 압력과 동일하여, 상기 공급원료 가스가 상기 가연성 가스와 혼합되지 않도록 하는, 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하기 전에 상기 공급원료 가스를 예열하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하기 전에 상기 가연성 가스를 예열하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버의 부피 대 상기 연소 챔버의 부피의 비가 10:1 이하인 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버의 길이 대 상기 혼합 챔버의 직경의 비가 30:1 이하인 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급원료 가스가 천연 가스를 포함하는, 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 공급원료 가스가 천연 가스 및 재순환 가스의 혼합물을 포함하는, 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 재순환 가스가, 천연 가스, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소의 하나 이상의 성분 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가연성 가스가 산화제를 포함하는, 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 산화제가 산소 및 공기 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 가연성 가스가 CH4 및 상기 산화제의 혼합물을 포함하는, 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 가연성 가스가 재순환 가스 및 산화제의 혼합물을 포함하는, 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 재순환 가스가, 천연 가스, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소의 하나 이상의 성분 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 챔버 내로의 상기 공급원료 가스의 도입과 동시에 상기 가연성 가스가 상기 연소 챔버 내로 도입되는, 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급원료 가스가 상기 혼합 챔버 내로 도입되는 압력과 동일한 압력에서 상기 가연성 가스가 상기 연소 챔버 내로 도입되는, 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물이 수소 및 탄소 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물이 수소 및 일산화탄소 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물이 수소, 질소 및 탄소 중 하나 이상을 포함하는, 제조 방법.
  21. 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하는 단계가 상기 혼합 챔버 내의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는, 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 혼합 챔버 내의 상기 압력이 상기 혼합 챔버의 탄소 파울링(carbon fouling)을 억제하도록 1초 미만에 걸쳐 적어도 50%만큼 감소되는, 제조 방법.
  23. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가연성 가스의 연소에 의해 생성된 압력파(pressure wave)가 상기 혼합 챔버의 탄소 파울링을 억제하는, 제조 방법.
  24. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 혼합 챔버 내로 유동하여 상기 공급원료 가스와의 혼합의 결과로서 상기 공급원료 가스의 동적 압축을 통해 상기 에너지가 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되는, 제조 방법.
  25. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스와 상기 공급원료 가스의 혼합 후, 그리고 상기 하나 이상의 생성물이 제조되기 전에, 상기 공급원료 가스 및 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스의 혼합물의 적어도 일부가 제3 챔버로 전달되는, 제조 방법.
  26. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지가 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되어 이에 의해 상기 화학 반응이 일정 부피의 흡열 반응으로 상기 하나 이상의 생성물을 제조하도록 하는 제조 방법.
  27. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 다중 통로를 통해 상기 혼합 챔버에 연결되고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 연소 챔버와 상기 혼합 챔버 사이의 상기 다중 통로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하는 제조 방법.
  28. 공급원료 가스 반응기로서,
    혼합 챔버;
    연소 챔버;
    상기 혼합 챔버 및 상기 연소 챔버 내부 및 외부로의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브;
    점화기; 및
    하기 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 포함하는, 공급원료 가스 반응기:
    공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계;
    가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 가연성 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및
    그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여 상기 가연성 가스를 연소시키며 이에 의해 하나 이상의 연소 생성물 가스를 형성하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 공급원료 가스와 혼합되도록, 상기 점화기를 제어하는 단계로서, 여기서 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스와 상기 공급 원료 가스의 혼합의 결과로서, 에너지가 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 화학 반응이 하나 이상의 생성물을 제조하도록 하는, 단계.
  29. 제28항에 있어서, 상기 점화기를 제어하기 전에, 상기 공급원료 가스를 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계는 제1 압력에서 상기 공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 가연성 가스를 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 제1 압력과 동일하여 상기 공급원료 가스가 상기 가연성 가스와 혼합되지 않도록 하는 제2 압력에서 상기 가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 포함하는, 공급원료 가스 반응기.
  30. 제28항에 있어서, 상기 방법이 상기 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 공급원료 가스 반응기.
  31. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 상기 혼합 챔버 내에 위치하는, 공급원료 가스 반응기.
  32. 제31항에 있어서, 상기 연소 챔버가 상기 혼합 챔버의 종축으로부터 오프셋되는, 공급원료 가스 반응기.
  33. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 상기 혼합 챔버 외부에 위치하는, 공급원료 가스 반응기.
  34. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 내부에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는, 공급원료 가스 반응기.
  35. 제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 다중 통로를 통해 상기 혼합 챔버에 연결되는, 공급원료 가스 반응기.
  36. 시스템으로서, 상기 시스템은,
    다중 공급원료 반응기로서, 각각의 반응기는
    혼합 챔버;
    연소 챔버; 및
    점화기를 포함하는, 다중 공급원료 반응기;
    상기 혼합 챔버 및 상기 연소 챔버 내부 및 외부로의 가스 유동을 제어하기 위한 밸브; 및
    각각의 반응기에 대해 하기 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 구성된 하나 이상의 제어기를 포함하며:
    공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계;
    가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계로서, 상기 공급원료 가스는 하나 이상의 가스를 포함하는, 단계; 및
    그 후, 상기 가연성 가스를 점화하여 상기 가연성 가스를 연소시키며 이에 의해 하나 이상의 연소 생성물 가스를 형성하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 연소 챔버 및 상기 혼합 챔버 사이의 하나 이상의 유체 유동 경로를 통해 상기 혼합 챔버 내로 유동하도록 하고, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스가 상기 공급원료 가스와 혼합되도록, 상기 점화기를 제어하는 단계로서, 여기서 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스와 상기 공급원료 가스의 혼합의 결과로서, 에너지가 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스로부터 상기 공급원료 가스로 전달되며, 이에 의해 화학 반응이 하나 이상의 생성물을 제조하도록 하는 단계;
    여기서, 주어진 반응기에 대해, 상기 방법은 상기 다중 공급원료 반응기 중 적어도 하나의 다른 반응기와 역상으로(out of phase) 수행되는, 시스템.
  37. 제36항에 있어서, 각각의 반응기에 대해, 상기 점화기를 제어하기 전에, 상기 공급원료 가스를 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계는 제1 압력에서 상기 공급원료 가스를 상기 혼합 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 가연성 가스를 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계는, 상기 제1 압력과 동일하여 상기 공급원료 가스가 상기 가연성 가스와 혼합되지 않도록 하는 제2 압력에서 상기 가연성 가스를 상기 연소 챔버 내로 도입하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 포함하는, 시스템.
  38. 제36항에 있어서, 각각의 반응기에 대해, 상기 방법이 상기 하나 이상의 생성물의 추가 제조를 중지하도록 상기 밸브를 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 시스템.
  39. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다중 공급원료 반응기가 중심 축을 중심으로 방사상으로 배열되고, 상기 시스템은 회전기를 추가로 포함하며, 상기 회전기는 상기 밸브를 포함하는 밸브 조립체에 대해 상기 중심 축을 중심으로 상기 다중 공급원료 반응기를 회전시키거나 또는 상기 밸브를 포함하는 밸브 조립체를 상기 다중 공급원료 반응기에 대해 상기 중심 축을 중심으로 회전시키도록 구성된, 시스템.
  40. 제36항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 챔버가 다중 통로를 통해 상기 혼합 챔버에 연결되는, 시스템.
  41. 하기를 포함하는 시스템:
    제28항 내지 제30항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 공급원료 가스 반응기; 및
    상기 하나 이상의 공급원료 가스 반응기에 결합되며, 상기 하나 이상의 연소 생성물 가스와 상기 공급원료 가스의 혼합으로부터 제조된 탄소를 수용하도록 구성된 하나 이상의 연료 전지.
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