使用熱化學再生的碳回收和再投資的制作方法

專利名稱：使用熱化學再生的碳回收和再投資的制作方法
技術領域：
本申請涉及與二氧化碳向液體燃料的熱化學再生相關的設備、技術和材料。
背景技術：
工業革命已產生了基礎設施、機械設備、裝置和通訊系統，而刺激了文明的七十億人類每年燃燒超過一百萬年的煤、油、天然氣和頁巖積累。工業革命的全球規模的參與已產生了如下相關問題有限的資源消耗和經濟膨脹；由于由空氣、水和土壤污染所引發或惡化的疾病所導致的生產力的損失；采用長期業績所需的職業道德的信心的缺乏；以及通過釋放甲烷和其他溫室氣體(其來自以前的凍土、熔化的流冰群以及在洋底、江、湖和河邊區域上的沉積物中的厭氧過程)而威脅要引起更嚴重的氣候變化的全球變暖。

發明內容
本發明公開了用于將二氧化碳向液體燃料熱化學再利用、回收或再投資的技術、系統、裝置和材料。在一方面，一種回收碳以產生可再生燃料的方法包括收獲從工業過程排放的二氧化碳。生物質廢物在厭氧反應下離解而產生氫。經收獲的二氧化碳與生物質廢物產生的氫在壓力和熱量下反應以生成可再生燃料。實施可任選地包括如下特征的一個或多個。所述可再生燃料可包括醇和醚中的至少一種。所述醇可包括甲醇和乙醇中的至少一種。所述醚可包括二甲醚(DME)。DME可被轉化以產生耐用品的聚合物前體。可加入催化劑以提高可再生燃料的生產。所述催化劑可包括銅-鋅-氧化物、銅和銅-鋅氧化物的沉積燒結混合物中的至少一種。所述方法可包括收獲從發動機排出的廢熱以提供反應中所用的熱量。可產生來自可再生能源的熱量，所述可再生能源包括風能、太陽能、流水和地熱中的至少一種。所述方法可包括控制熱量和壓力以產生所選類型的可再生燃料。氫可由在外部場所的生物質廢物的離解產生并通過管線輸送。離解生物質廢物可包括在外部場所熱化學制備作為氫的可輸送前體的烴類；通過管線輸送烴類；以及將烴類分離成氫和一氧化碳。所述方法還可包括清潔所收獲的二氧化碳；以及使用經清潔的二氧化碳作為溫室農作物的營養物。所述方法可包括使用經清潔的二氧化碳作為植物(包括藻類)的光合作用中的浮升器(buoyant lifter)。在另一方面，一種回收碳以產生可再生燃料的方法可包括收獲從工業過程排放的二氧化碳。所述方法可包括在厭氧過程中離解生物質廢物以產生一氧化碳、一種或多種碳供體和氫。熱化學轉化的一氧化碳和另外的氫可通過使經收獲的二氧化碳與生物質廢物產生的一種或多種碳供體反應而產生；以及使生物質產生的一氧化碳和熱化學轉化的一氧化碳與生物質產生的氫和另外的氫在壓力和熱量下反應而產生可再生燃料。實施可任選地包括如下特征的一個或多個。所述一種或多種碳供體可包括烴類和醇中的至少一種。所述可再生燃料可包括醇和醚中的至少一種。所述醇可包括甲醇和乙醇中的至少一種。所述醚可包括二甲醚(DME)。所述方法可包括轉化DME以產生耐用品的聚合物前體。所述方法可包括加入催化劑以提高可再生燃料的生產。所述催化劑可包括過渡金屬碳化物、過渡金屬硼化物和過渡金屬氮化物中的至少一種。所述過渡金屬碳化物、過渡金屬硼化物和過渡金屬氮化物可包括Fe3C、Co3C, Co3Fe3C2、Mn3C、FeC3、CoC3> CoFeC6、MnFeC6、Mn5C2, MnFeC6, Fe3Cr3C2, Fe3Co2BNC2, Fe3VC2, Fe4NC2, Fe3MoC2 和 Fe5BNC 中的至少一種。所述方法可包括收獲從發動機排出的廢熱以提供反應中所用的熱量。所述方法可包括從可再生能源產生熱量，所述可再生能源包括風能源和太陽能源中的至少一種。所述方法可包括控制熱量和壓力以產生所選類型的可再生燃料。氫可由在外部場所的生物質廢物的離解產生并通過管線輸送。離解生物質廢物可包括在外部場所熱化學制備作為氫的可輸送前體的烴 類；通過管線輸送烴類；以及將烴類分離成氫和一氧化碳。所述方法還可包括清潔所收獲的二氧化碳；以及使用經清潔的二氧化碳作為溫室農作物的營養物。所述方法還可包括使用經清潔的二氧化碳作為植物(包括藻類)的光合作用中的浮升器。所述的技術和體系可能提供如下優點的一個或多個。例如，廣泛可得的烴類原料物質，包括諸如來自廢物的厭氧消化的甲烷的選擇，且天然氣離解成碳和氫。相比于水的電解，通過天然氣的熱離解，每BTU當量可產生超過四倍那樣多的氫(CH4+熱量一碳產物+2 )。共同產生的碳可用于制造利用太陽能資源、風能資源、流水資源和地熱資源的設備，以及比鋼強且比鋁輕的輸送組件。相比于一次性燃燒碳并引發環境污染和溫室氣體問題，制造利用可再生資源的設備的這種碳的應用提供了清潔許多倍的能量。相比于總發電廠，共同產生的氫在熱電聯產(CHP)發動機-發電機中的使用加倍了能量使用效率。而且，燃料噴射器或多燃料噴射器技術在使用氫的發動機中的應用可實際上清潔進入這種發動機的空氣。這種共同產生的氫的另一益處和應用是使其與二氧化碳(來自面包廠、啤酒廠和火電廠)反應以產生可儲存于罐(現在儲存汽油或柴油燃料)中的液體燃料(3H2+C02 — CH30H+H20)。這使得從甲烷提取的氫的廣泛利用成為可能，所述甲烷通過在調整時現有發動機的轉換從廢生物質或天然氣產生。另外，CO2可通過與來自生物質廢物離解的氫供體或碳供體反應而被再利用并回收以產生可再生能量，否則該CO2將被釋放至環境。因此，不是浪費精力努力去除碳，可能有害的碳可被再利用而產生可用的能源。


圖I為一個再投資、再利用或回收從由工業過程產生的廢物收獲的二氧化碳以與來自生物質廢物離解的氫反應的方法的流程圖。
圖2為通過離解H2-密集燃料混合物而產生氧化燃料和氫燃料的一個示例性方法的流程圖，所述H2-密集燃料混合物通過使來自工業廢物的再利用或回收的CO2與來自生物質廢物的氫反應而產生。圖3A為顯示了通過與生物質產生的氫反應而生成可再生燃料以再利用或回收作為廢物從工業過程收獲的CO2的一個示例性體系的框圖。圖3B為顯示了將生物質廢物離解成帶有氫和碳的中間體的一個示例性體系的框圖。圖3C為顯示了用于產生多用途H2-密集燃料以如上所述分離有害污染物和儲存能量的一個示例性體系的框圖。圖4顯示了通過使化石產生的二氧化碳與可再生碳供體反應，而使用經收獲的CO2(例如來自化石燃料燃燒廢物)作為熱化學轉化的CO的來源的一種方法的流程圖。圖5為由熱化學轉化的CO產生可再生燃料的一個示例性體系的框圖，所述熱化學轉化的CO與來自生物質廢物離解的氫反應。圖6為再利用或回收碳和氫的一個示例性體系的框圖。在各個附圖中，同樣地附圖標記和指示表示同樣的元件。
具體實施例方式描述了用于實施熱化學再生反應的技術、裝置和體系，其中二氧化碳(CO2)從工業過程收獲，并回收或再利用以產生可再生燃料，如甲醇燃料。不是通過從CO2取出碳而浪費碳，所述技術在與生物質廢物產生的氫的反應中再利用或回收CO2以產生可再生燃料。圖I為再投資、再利用或回收從由工業過程產生的廢物收獲的二氧化碳以與來自生物質廢物離解的氫反應的方法100的流程圖。體系(例如如下體系400)從工業過程(110)收獲碳供體。用于本文所述的熱化學再生的碳供體(如二氧化碳或一氧化碳)可從CO2的易得來源(例如從總發電廠、燃燒烴類的焦化和煅燒操作、啤酒廠和面包廠)收獲。所述體系從生物質廢物離解(120)獲得氫。經收獲的CO2可通過與生物質廢物產生的氫反應(130)以產生用于制備化學品和/或燃料的液體原料。例如，在所述CO2與H2的熱化學再生中產生的甲醇燃料可用于為適應于以非污染方式燃燒甲醇的汽油發動機和柴油發動機提供動力。美國專利No. 6，155，212和No. 6，756，140描述了使汽油發動機和柴油發動機適應于燃燒甲醇的裝置和技術，所述專利的全部內容以引用方式并入。如下反應式I和2示出了經由甲醇產生的氫和碳的再利用或回收，其中生物質產生的氫分別與工業過程產生的一氧化碳(CO)和CO2反應。C0+2H2 — CH3OH (ΔΗ = -21. 66Kcal/g_mol)反應式 IC02+3H2 — CH30H+H20(ΔΗ = -11. 83Kcal/g_mol)反應式 2回收或再利用氫、CO和CO2的所述熱化學再生反應通過使用現有的輸送發動機和儲存罐而使得熱化學再生反應(參見如下反應式5)能夠產生氫特性的燃料，以獲得更長的發動機壽命和更大的燃料效率，以及大大降低的二氧化碳、烴類、氮氧化物和顆粒的排放，從而提供了用于增加過去的設備投資上的財政收益的過渡性技術。反應式I和2中總結的甲醇合成過程可通過各種步驟實施，包括在95至100大氣壓和500° F(2600C )下的催化合成(140)。用于反應式I和2的過程的催化劑可包括在制得甲醇或者甲醇和水(如所示)的各種方法合成條件(包括約260°C (500° F)和1500psi)下的銅-鋅-氧化物以及銅和銅-鋅氧化物的沉積燒結混合物。或者，可取決于所選的壓力、溫度和催化劑而制得二甲醚(DME)或乙烯或丙烯。在上述熱化學再生(反應式1-2)中所用的氫可由根據如下反應式3和4中總結的過程的生物質離解而制得。生物質廢物轉化的細節描述于題為“Carbon-Based DurableGoods and Renewable Fuel from Biomass Dissociation”的共同待審的美國專利申請(代理人案號No. 69545-9002. US00)中，該專利申請的全部內容以引用方式并入。特別地，反應式3和4總結了在吸熱反應中離解烴類(如通過生物質離解所產生的甲烷)以產生氫和碳的過程。CxHy+ 熱量一xC+0. 5yH2反應式 3CH4+ 熱量一C+2H2 ( Δ H298k = 74. 9kJ/mol) 反應式 4 除了通過烴類(CxHy)化合物的離解共同產生之外，氫可通過使用任何清潔可選擇的能源電解分裂水而衍生。而且，氫可衍生自有機材料的非-CO2產生厭氧離解，和/或通過使用諸如風力發電廠、水力發電廠、生物質發電廠、太陽能發電廠，潮汐發電廠、地熱發電廠或非峰值核電站的能源而衍生。氫也可從通常腐爛或燃燒的幾乎任何生物質廢物產生。用于儲氫的碳中和液體化合物可由氫和二氧化碳合成。而且，氫可在輸送氫的管線處或在接近輸送氫的管線的地點產生，或從輸送氫的管線遞送。通過如上所述的熱化學再生反應(參見反應式I和2)制得的甲醇可為便宜的、可儲存的和可輸送的。在碳中和儲氫操作的一個實施中，甲醇從通常為排放CO2的來源的來源合成。這種CO2可從乙醇工廠、面包廠、啤酒廠、波特蘭水泥廠和化石燃燒發電廠捕集，和/或通過大氣“清洗”捕集，所述大氣“清洗”從一萬個空氣分子中提取至多約三個二氧化碳分子。類似于乙醇，甲醇可在常規發動機中以至多20%與汽油共混，并在混合燃料車輛中以至多85%與汽油共混，而不改變車輛或現有輸送燃料基礎設施。多年來，辛烷值為100的甲醇已用作高性能轎車和賽車的賽車燃料。醇(如甲醇)作為能量載體的主要用途為經濟和能量有利的。例如，I升環境溫度下的甲醇比I升液體氫含有更多的氫，所述液體氫必須被保持在-421° F下的儲存所中。圖2為通過離解H2-密集燃料混合物而產生氧化燃料和氫燃料的一個示例性方法200的流程圖，所述H2-密集燃料混合物通過使來自工業廢物的再利用或回收的CO2與來自生物質廢物的氫反應而產生。體系(例如如下體系300)從工業過程(210)收獲碳供體。用于本文所述的熱化學再生的碳供體(如二氧化碳或一氧化碳)可從CO2的易得來源(例如從總發電廠、燃燒烴類的焦化和煅燒操作、啤酒廠和面包廠)收獲。所述體系從生物質廢物離解(220)獲得氫。經收獲的CO2可通過與生物質廢物產生的氫反應(230)以產生用于制備化學品和/或燃料的液體原料。例如，在所述CO2與H2的熱化學再生中產生的甲醇燃料可用于為適應于以非污染方式燃燒甲醇的汽油發動機和柴油發動機提供動力。美國專利No. 6，155，212和No. 6，756，140描述了使汽油發動機和柴油發動機適應于燃燒甲醇的裝置和技術，所述專利的全部內容以引用方式并入。反應式I和2中總結的甲醇合成過程可通過各種步驟實施，包括在95至100大氣壓和500° F(2600C )下的催化合成(140)。如上所述，用于反應式I和2的過程的催化劑可包括在制得甲醇或者甲醇和水(如所示)的各種方法合成條件(包括約260°C (500° F)和1500psi)下的銅-鋅-氧化物以及銅和銅-鋅氧化物的沉積燒結混合物。如反應式5所示，甲醇可在與廢熱(例如自太陽能碟或發動機廢氣再投資或回收)和/或水的第二反應中被熱化學重整或離解以產生碳的氧化物和氫燃料(240)。CH30H+H20+ 熱量一C0+3H2 反應式 5由發動機、太陽能聚光器或其他通常浪費的來源或可再生來源提供的功率和熱量可提供用于產生可再生燃料(如H2-密集燃料)的吸熱操作和過程所需的能量或熱量(250)。通過引入從通常浪費的熱量回收的能量，通過熱化學再生而制得的新的燃料種類在燃燒時可釋放比最初醇原料多15至25%的能量。類似于反應式5，低成本燃料和水混合物，如烴類和水與乳化劑或醇，如甲醇和水(如反應式2所示)可被熱化學重整為新的燃料種類，如二氧化碳和氫，以用于分離或直接用作注入發動機的燃燒室中的混合物，如反應式6所示。 CH30H+H20 — C02+3H2反應式 6這生成了強得多的燃料-主要是氫。該燃料可在發動機中燃燒(以產生電力和/或用于運輸)并產生清潔水作為副產物，如反應式7所示。C0+3H2+202 — 3H20+C02 反應式 7CO2副產物可被收獲，并在與由生物質離解所產生的氫的反應中被再利用或回收以連續重復循環(260)。盡管在燃料電池技術中使用的氫應該是純的(并因此制備昂貴)，在內燃機中使用的氫可不純。所述熱化學再生的過程使用不純或臟的氫正如使用昂貴的純的氫一樣有效。例如，由廢水、有機廢物或污水制得的氫具有有機碳作為雜質。然而，正如防止CO2成為大氣污染物一樣，源自生物廢物的氫提供了另外的益處從所述便宜且可持續的資源降低污染。在每種情況中，能量可被收獲并再利用或回收以產生可再生燃料，否則能量將作為廢物損失。提高反應式6-7的過程的速率的催化劑可包括過渡金屬碳化物、過渡金屬硼化物和過渡金屬氮化物，包括非化學計量混合物和/或具有例如如下近似式的金屬間化合物Fe3C、Co3C、Co3Fe3C2 λ Mn3CΛ FeC3、CoC3λ CoFeC6、MnFeC6Λ Mn5C2 Λ MnFeC6Λ Fe3Cr3C2Λ Fe3Co2BNC2、Fe3VC2' Fe4NC2' Fe3MoC2 和 Fe5BNC0可能需要的是這種過程與電解循環操作，所述電解在電力便宜之時或當剩余電力可得自可再生能量生產的間歇量時進行。因此，可防止比原料密度更小的流體產物膨脹，直至獲得所需的壓力以用于儲存、通過流體管道傳送、通過燃燒或催化氧化產生熱量，或用于化學過程(如燃料電池或再生電解槽/燃料電池)或物理反應(包括通過增壓協助的反應)。例如，可使海洋應用(如大的貨船發動機)利用便宜的石油化學產品(如石蠟)，在旅程結束時所得推進過程產生儲存的清潔水和氫。通過利用用于輸送的動力，使用來自發動機的廢熱副產物來推動持續的熱化學再生，改進總效率并將廢物和污染產物轉化為能量載體和生產能。利用這種技術的船舶可被推進，同時制備氫或甲醇以用于為航空器、導彈、無人偵察探測和新型戰術武器供給燃料。在另一方面，本文所述的技術、裝置和體系易于接受水和包含氧化成分的燃料的溶液。利用水和燃料的溶液的能力提供了各種優點，包括1)節約了干燥氧化燃料成分或從氧化燃料成分去除水所需的能量；2)通過避免制備和儲存無水燃料所需的設備和能量費用而降低燃料制備成本；3)通過降低或消除活細胞內的水溶液和燃料-水溶液之間的濃度梯度而降低毒性；4)以及有利于更有力和快速燃燒氫特性的燃料的有利的熱化學再生制備(參見如下反應式8、9和/或10)。圖3A為顯示了通過與生物質產生的氫反應，而再利用或回收作為廢物從工業過程收獲的CO2以生成可再生燃料的一個示例性體系300的框圖。體系300包括接收生物質廢物302的生物質離解體系310，將使用熱化學再生過程而將所述生物質廢物302離解成碳、烴類、醇、氨和氫。用于離解生物質廢物302的熱量可包括來自發動機廢氣、發動機冷卻系統等的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境。而且，一種或多種可再生能源，如風能、太陽能等可用于產生熱量。低比能氫304 (例如來自烴類的離解)從生物質離解體系310捕集并運送至包括加熱機構324的H2-密集燃料發生反應器320。H2-密集燃料發生反應器320也接收碳供 體，如從工業過程(例如來自化石燃料燃燒或空氣的廢氣)收獲的C023 3 2。H2-密集燃料發生反應器320導致低比能H2與經收獲的碳供體(如C023 3 2)反應以產生H2-密集燃料350，如甲醇。碳供體332可獲自空氣或工業廢物330 (例如來自化石燃料燃燒的廢氣)。體系300可包括催化劑反應區域340以接收提高H2-密集燃料混合物的產生的一種或多種催化劑。催化劑的實例如上所述。所產生的H2-密集燃料混合物350為可儲存和可輸送的。由于H2-密集燃料混合物350攜帶可輸送形式的H2燃料，因此H2-密集燃料混合物用作將能量攜帶至所需目的地的載體。可通過使用可再生燃料產生體系360離解H2-密集燃料350混合物以獲得H2燃料和氧化燃料。圖3B為顯示了將生物質廢物離解成帶有氫和碳的中間體的一個示例性體系310的框圖。體系310包括生物質廢物攝取組件，如料斗311，其接收未加工形式的生物質廢物302，并將原材料分解(例如削片、砍碎、磨碎等)成細分原料，如各種纖維素材料和木質纖維素材料。料斗311可包括加熱機構，如熱交換器312，以預熱所述細分原料。所述熱交換器可再捕集并回收來自外部熱源(例如發動機廢氣和/或可再生熱量，如風能、太陽能等)或來自生物質離解反應器314本身的廢熱。細分(在一些實施中，經預熱的)原料313被傳送至生物質離解反應器314，以將生物質廢物原料離解成碳和氫的可用的可再生來源，如各種烴類、醇、氨和碳的氧化物。反應器可包括干燥機構315以從所述原料驅逐濕氣和空氣。干燥機構315可包括擠出裝置以從所述原料物理“擠出”濕氣和空氣。所述擠出裝置的實例包括螺旋螺桿輸送器和壓力機活塞輸送器。而且，干燥機構315可包括一個或多個加熱機構，如熱交換器，其捕集由反應器314產生的熱量，并回收經捕集的熱量以干燥所述原料。所述熱交換器也可再捕集并回收來自外部熱源(例如發動機廢氣和/或可再生熱量，如風能、太陽能等)的廢熱。反應器314也可包括加熱機構316，所述加熱機構316用于產生厭氧反應中所用的足夠熱量以將生物質廢物原料離解成碳和氫的可用的可再生來源317，如烴類、醇、氨和碳的氧化物。所產生的碳和氫的可用的可再生來源317可被傳送至儲存和/或輸送機構318，以被H2-密集燃料產生反應器320使用以及在產生可再生燃料和/或碳基耐用品319的另外的反應中使用，如在題為“Carbon-Based Durable Goods and Renewable Fuel fromBiomass Waste Dissociation”的共同待審的美國專利申請中所述,所述專利申請的全部內容以引用方式并入。此外，儲存和/或輸送機構318允許將碳和氫的可用的可再生來源317有效地輸送至外部場所而用于進一步加工。生物質離解反應器314可構造為增加生物質廢物轉化過程的熱效率，并同時降低或消除二氧化碳形成。例如，生物質離解反應器314可包括進行各種逆流干燥(例如回收熱量)，并在提取碳、烴類(如甲烷)和/或氫之前消除空氣、濕氣和其他氧供體的機構。圖3C為顯示了用于產生多用途H2-密集燃料以如上所述分離有害污染物和儲存能量的一個示例性體系360的框圖。體系360包括接收如上所述產生的H2-密集燃料350的可再生燃料產生反應器362。可再生燃料產生反應器362可包括加熱機構364，以施加所需的熱量以將H2-密集燃料混合物轉化為可再生燃料和營養物366，如碳的氧化物、氫和氮。反應中所用的熱量可獲自來自發動機廢氣或冷卻系統的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境。而且，可在反應中使用來自一種或多種可再生資源(如風能、太陽能、流水、地熱等)的 熱量。另外，所產生的可再生燃料可使用儲存和輸送機構368 (如壓力容器或管線)儲存和/或輸送至其他地點。圖4顯示了通過使化石產生的二氧化碳與可再生碳供體反應，而使用經收獲的CO2(例如來自化石燃料燃燒廢物)作為熱化學轉化的CO的來源的一種方法400的流程圖。體系(例如如下的體系500)可從工業過程收集CO2 (410)，所述工業過程包括面包廠、啤酒廠、煅燒廠，以及其他來源，如發電廠、燃料電池和使用碳質燃料的發動機。一氧化碳也可通過總結于反應式8中的過程提供，以用于甲醇制備過程，如由如上反應式I通常所示的那些。所述體系可獲得通過總結于如上反應式3和4中的烴類(由生物質廢物制得)離解過程而制得的碳供體(420)。來自烴類離解的碳供體可在足夠熱量的存在下與經收獲的CO2反應，以制得熱化學轉化的CO (430)，如如下反應式8所示。C02+C+ 能量一2C0 反應式 8也可通過利用可冷凝液體燃料成分(如甲醇)遞送和提供為此目的的碳供體，以與經收獲的CO2反應。可能有利的是利用可再生能源(例如來自生物質的甲烷)提供碳以用于將二氧化碳加工成一氧化碳，如反應式9所示。CH4+C02+ 能量一2C0+2H2 反應式 9在經收獲的CO2與生物質廢物產生的碳供體的反應中所用的熱量可包括來自發動機廢氣、發動機冷卻系統等的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境(440)。而且，一種或多種可再生能源，如風能、太陽能等可用于產生熱量。可使用更高壓力的氫以加壓反應式9的產物，如一氧化碳和氫。而且，更高壓力的氫可通過其他能量引發的離解制得，如反應式3、4、10和11通常所示，所述其他能量引發的離解包括電解厭氧培養的酸以及來自有機消化過程和來自水的液體。C2H402+2H20+ 能量一2C02+4H2 反應式 10H2O+能量一0 . 502+H2反應式 11可加入加壓氫或加壓且加熱的氫(如可通過反應式3、4、10和/或11所示的加壓過程制得)以將反應式9的產物加壓，從而形成所需的化合物，如反應式12所示的DME燃料或甲醇(450)。
C0+H2+H2 — CH3OH 反應式 12由反應式I和12中所總結的過程提供的液體燃料(如甲醇)可易于通過通常用于柴油、汽油和其他醇燃料的設備和系統進行儲存、輸送、計量和分配。反應式13顯示了離解一氧化碳以提供甲烷的部分氧化而產生甲醇和/或DME的過程步驟，所述一氧化碳例如來自反應式5中所總結的過程的一氧化碳，或來自其他來源的一氧化碳。CH4+C0+ 能量一CH30H+C 反應式 13反應式13所總結的過程可在活性碳上進行，或在活性炭的存在下進行，且當氧用于形成甲醇時所產生的碳可被沉淀以添加這種碳的物料量。所述反應的促進可由反應器提供，所述反應器利用活性碳來吸附在催化劑的協助下或無催化劑的協助下離解的一氧化碳，以釋放部分氧化甲烷以形成甲醇的氧。
在經收獲的CO2與生物質廢物產生的碳供體的反應中所用的熱量可包括來自發動機廢氣、發動機冷卻系統等的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境(440)。而且，一種或多種可再生能源，如風能、太陽能等可用于產生熱量。來自空氣燃燒過程的碳的氧化物(如二氧化碳或一氧化碳)的再利用或回收通常造成氮污染物的分離或容納的問題。從反應性離子物種的混合物的進行有價值的制備的另一過程變體由電弧、電暈、微波或輻射電離提供。使一氧化碳(包括由反應式5的過程制得)和氫(包括由反應式3或4的過程制得)以及這種氮的混合物反應，以制得CH3OH和NH3,如反應式14所示。C0+5H2+N2+ 能量一CH30H+2NH3反應式 14通過該反應或其他反應制得的氨(NH3)可被安全儲存和運送,該反應或其他反應利用由反應式3或4的典型過程所產生的氫。這提供了緊湊儲存，并可用作氫的前體。氨可以以各種方式儲存，包括作為加壓液體、鹽(如氯化銨)，或在活性介質(如碳)中，且加壓可通過供熱完成。當氨經過催化劑時，可利用其分解來加壓N2和H2產物，包括可由甲醇或濕甲醇共同制得的一氧化碳和氫的加壓。圖5為由熱化學轉化的CO產生可再生燃料的一個示例性體系500的框圖，所述熱化學轉化的CO與來自生物質廢物離解的氫反應。體系500包括接收生物質廢物302的生物質離解體系310，將使用熱化學再生過程而將所述生物質廢物302離解成碳、烴類、醇、氨和氫。用于離解生物質廢物302的熱量可包括來自發動機廢氣、發動機冷卻系統等的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境。而且，一種或多種可再生能源，如風能、太陽能等可用于產生熱量。碳供體314(例如來自烴類的離解)從生物質離解體系310捕集并運送至包括加熱機構514的CO產生反應器510。碳供體314與從工業過程(例如來自化石燃料燃燒的廢氣或空氣)收獲的CO2反應。CO產生反應器510可使碳供體與獲自空氣或工業過程(例如來自化石燃料燃燒的廢氣、聚合物廠的廢物流等)的經收獲的C023 3 2反應以產生CO 514。熱化學轉化的CO 514被傳送至包括加熱機構324的4_密集燃料產生反應器320。H2-密集燃料產生反應器320也接收從生物質廢物離解體系310收獲的氫供體524。H2-密集燃料產生反應器320可使氫供體524 (例如低比能H2)與轉化的CO 514反應以產生H2-密集燃料550，如甲醇。用于產生H2-密集燃料混合物550的熱量可包括來自發動機廢氣、發動機冷卻系統等的廢熱，否則所述廢熱將被釋放至環境。而且，一種或多種可再生能源，如風能、太陽能、流水、地熱等可用于產生熱量。體系500可包括催化劑反應區域540以接收提高H2-密集燃料混合物的產生的一種或多種催化劑。催化劑的實例如上所述。所產生的H2-密集燃料混合物550為可儲存和可輸送的。由于H2-密集燃料混合物550攜帶可輸送形式的H2燃料，因此H2-密集燃料混合物用作將能量攜帶至所需目的地的載體。可通過使用可再生燃料產生體系360離解H2-密集燃料550混合物以獲得H2jt料和氧化燃料。圖6為再利用或回收碳和氫的一個示例性體系600的框圖。如在反應式I中從烴類離解產生的氫可在發動機602 (如燃氣輪機或容積式發動機，如旋轉式內燃機或活塞發動機)中使用，且所述發動機的輸出可被應用至負載，如所示的泵或發電機612。來自發動機602的廢氣可用作之前公開的吸熱反應的供熱，和/或其可通過管道630遞送至熱交換器620，所述熱交換器620用于從合適的來源接收熱量，所述合適的來源例如可具有任何合 適的設計(包括槽、盤或菲涅耳透鏡)的太陽能聚光器626。氫可通過管線604供給，所述管線604包括用于從工業園區(所述工業園區由碳制備耐用品，如反應式I所示)地下遞送相對較純的氫的布置，或者氫可以可交換地在與其他燃料(如天然氣)的混合物中遞送。來自發動機602的廢氣可為用于各種其他目的(包括之前描述的吸熱過程)的熱源，且一部分廢氣可被太陽鏡聚光器626進一步加熱以提供用于在發動機(如渦輪機622)中膨脹的高溫氣體，這種功產生的輸出可應用于泵或發電機624。當電力從發電機612通過614遞送至606時，由發電機624產生的電力可通過電纜616遞送，以通過收集器電纜606進行分配。來自管道604的燃料可通過管線628遞送，并通過泵或閥門608控制以用于在發動機622中的燃燒，所述發動機622用于在可得到不足的太陽能以使體系滿足電力需求之時進行操作。取決于功率需求和可得的太陽能，可將另外的工作流體(如空氣或水)遞送至管道630，以通過使盤626和發動機622的輸出達到最大而提供峰值功率。實際目.可用的應用乙醇工業已發展了甲醇生產的優良的市場機遇。乙醇廠通過發酵過程每年排放數百萬噸的C02。該CO2可易于收集并與氫結合以制備甲醇。5千萬加侖/年的乙醇廠將從廢CO2排放制備另外3千萬加侖的甲醇。這將乙醇廠的生產力提高了 60%。以有競爭性的價格從該過程制備甲醇的關鍵因素之一是低成本電力。由于大多數乙醇廠具有有利的合同或生產低成本電力，因此這些工廠可得到低成本電力。而且，乙醇廠已在適當位置具有輸送和銷售基礎設施以處理增加體積的液體輸送燃料。在一些實施中，甲醇可用于使乙醇“變性”，從而代替昂貴的汽油。將所述技術應用于目前在建的新的乙醇廠，可能通過來自乙醇廠的發酵過程的廢CO2排放，而在每年提供另外33億加侖的環境友好的替代燃料。如果應用于現有乙醇廠，該數字可容易地加倍。在一些實施中，從如上所述的各種工業過程收獲的污染的或“臟”的二氧化碳可被清潔并用作溫室農作物的營養物(例如與水一起)。另外，經清潔的二氧化碳可用作植物(如藻類)的光合作用中的浮升器或泵。因此，經清潔的二氧化碳可被回收，并作為植物營養物或光合作用反應中的泵而被再利用。盡管本說明書含有許多特性，但這些不應被解釋為對任何發明或所要求保護的范圍的限制，而是作為對針對特定發明的特定實施例的特征的描述。在分開的實施例的情況下在本說明書中描述的某些特征也可在單個實施例中組合實施。相反，在單個實施例的情況下描述的各種特征也可在分開的多個實施例中實施或以任何合適的次組合實施。此外，盡管特征可如上描述為以某種組合起作用，且甚至最初聲稱如此，來自所要求保護的組合的一個或多個特征可在某些情況中從所述組合刪除，且所要求保護的組合可轉化為次組合或次組合的變體。類似地，盡管在附圖中以特定順序表示操作，但這不應被理解為要求這種操作以所示的特定順序或按順序進行或者要求進行所有示出的操作以獲得所需結果。在某些情況中，多重任務和并行處理可為有利的。此外，在上述實施例中各種體系組分的分離不應被理解為在所有實施例中要求這種分離。
僅描述了一些實施和實例，可基于在本申請中所描述和示出的內容進行其他實施、增加和變化。例如，可實施所描述的技術、體系和裝置以提供從任何含氫和碳的材料中進行碳提取。經提取的碳可用于制造利用太陽能資源、風能資源、流水資源和地熱資源的設備，以及比鋼強且比鋁輕的輸送組件。而且，相比于一次性燃燒碳并引發產生的環境污染和溫室氣體問題，應用這種經提取的碳來制造這些設備可提供清潔許多倍的能量。就未在之前以引用方式并入本文而言，本申請以全文引用的方式并入如下材料中的每一個的主題2010年8月16日提交的題為“SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENTTHROUGH INTEGRATED PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY, MATERIALS RESOURCES, ANDNUTRIENT REGMES”的美國專利申請No. 12/857，553 ；2010年8月16日提交的題為“SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATEDFULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY”的美國專利申請No. 12/857, 553 ；2010年 8 月 16 日提交的題為“SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENTTHROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIAL RESOURCESUSING SOLAR THERMAL”的美國專利申請No. 12/857，554 ;2010年8月16日提交的題為“ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT” 的美國專利申請 No. 12/857，502 ;2011 年 2 月14 日提交的題為“DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTION DEVICES ANDASSOCIATED METHODS OF OPERATION” 的代理人案號 No. 69545-8505. USOO ;2010 年 8 月 16日提交的題為 “COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSESFOR THE PRODUCTION OF ENERGY, MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGMES” 的美國專利申請 No. 61/401，699 ；2011 年 2 月 14 日提交的題為 “CHEMICAL PROCESSES ANDREACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURALMATERIALS,AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS” 的代理人案號 No. 69545-8601. USOO ;2011 年 2月 14 日提交的題為 “REACTOR VESSELS WITH TRANSMISSIVE SURFACES FOR PRODUCINGHYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS” 代理人案號 No. 69545-8602. USOO ;2011 年 2 月 14 日提交的題為 “CHEMICALREACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的代理人案號 No. 69545-8603. USOO ；2011 年 2 月 14 日提交的題為“THERMAL TRANSFER DEVICE ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS” 的代理人案號 No. 69545-8604. USOO ;2011 年 2 月 14日提交的題為 “CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY POSITIONED DELIVERY AND REMOVALDEVICES, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS” 的代理人案號 No. 69545-8605. USOO ;
2011年2 月 14 日提交的題為“REACTORS FOR CONDUCTING THERMOCHEMICAL PROCESSES WITHSOLAR HEAT INPUT, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的代理人案號No. 69545-8606.USOO ；2011 年2 月 14 日提交的題為 “INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS, ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS” 的代理人案號 No. 69545-8608. USOO ;2011 年 2 月14 日提交的題為 “COUPLED THERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES, AND ASSOCIATEDSYSTEMS AND METHODS”的代理人案號 No. 69545-8611. USOO ；2010 年 9 月 22 日提交的題為“REDUCING AND HARVESTING DRAG ENERGY ON MOBILE ENGINES USING THERMAL CHEMIC ALREGENERATION”的美國專利申請No. 61/385，508 ；2011年2月14日提交的題為“REACTORVESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASEDFUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS, AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS” 的代理人案號 No. 69545-8616. USOO ；2009 年8 月 27 日提交的題為 “CARBON SEQUESTRATION” 的美國專利申請No. 61/237,419 ;2011年2月14日提交的題為“SYSTEM FOR PROCESSINGBIOMASS INTO HYDROCARBONS, ALCOHOL VAPORS, HYDROGEN, CARBON, ETC. ” 的代理人案號No. 69545-9002. USOO ；2011年2月14日提交的題為“OXYGENATED FUEL”的代理人案號No. 69545-9006. USOO ;2009年8 月 27 日提交的題為 “OXYGENATED FUEL PRODUCT I ON”的美國專利申請 No. 61/237，425 ;2011 年 2 月 14 日提交的題為“MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUELFOR ISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY”的代理人案號 No. 69545-9102. USOO ;2010 年 12 月 8 日提交的題為 “LIQUID FUELS FROM HYDROGEN, OXIDES OF CARBON, AND/OR NITROGEN ；AND PRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLE GOODS”的美國專利申請 No. 61/421，189 ;以及 2011 年 2 月 14 日提交的題為 “ENGINEERED FUEL STORAGE,RESPECIATION AND TRANSPORT” 的代理人案號 No. 69545-9105. USOO。
權利要求
1.ー種回收碳以制備可再生燃料的方法，所述方法包括 收獲從エ業過程排放的ニ氧化碳； 在厭氧反應下離解生物質廢物以產生氫；以及 使經收獲的ニ氧化碳與生物質廢物產生的氫在壓力和熱量下反應以生成可再生燃料。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述可再生燃料包括醇和醚中的至少ー種。
3.根據權利要求2所述的方法，其中所述醇包括甲醇和こ醇中的至少ー種；且 所述醚包括ニ甲醚(DME)。
4.根據權利要求3所述的方法，其包括轉化DME以產生耐用品的聚合物前體。
5.根據權利要求I所述的方法，其包括加入催化劑以提高可再生燃料的生產。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述催化劑包括銅-鋅-氧化物、銅和銅-鋅氧化物的沉積燒結混合物中的至少ー種。
7.根據權利要求I所述的方法，其包括收獲從發動機排出的廢熱以提供反應中所用的熱量。
8.根據權利要求I所述的方法，其包括從可再生能源產生熱量，所述可再生能源包括風能、太陽能、流水和地熱中的至少ー種。
9.根據權利要求I所述的方法，其包括控制熱量和壓カ以產生所選類型的可再生燃料。
10.根據權利要求I所述的方法，其中所述氫由在外部場所的生物質廢物的離解產生并通過管線輸送。
11.根據權利要求I所述的方法，其中離解所述生物質廢物包括 在外部場所熱化學制備作為氫的可輸送前體的烴類； 通過管線輸送烴類；以及 將烴類分離成氫和ー氧化碳。
12.根據權利要求I所述的方法，其進ー步包括 清潔經收獲的ニ氧化碳；以及 使用經清潔的ニ氧化碳作為溫室農作物的營養物。
13.根據權利要求12所述的方法，其進ー步包括使用經清潔的ニ氧化碳作為植物的光合作用中的浮升器，所述植物包括藻類。
14.ー種回收碳以制備可再生燃料的方法，所述方法包括 收獲從エ業過程排放的ニ氧化碳； 在厭氧過程中離解生物質廢物以產生一氧化碳、一種或多種碳供體和氫；以及通過使經收獲的ニ氧化碳與生物質廢物產生的一種或多種碳供體反應，從而熱化學產生轉化的ー氧化碳和另外的氫；以及 使生物質產生的ー氧化碳和熱化學轉化的一氧化碳與生物質產生的氫和另外的氫在壓カ和熱量下反應而產生可再生燃料。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述ー種或多種碳供體包括烴類和醇中的至少ー種。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述可再生燃料包括醇和醚中的至少ー種。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述醇包括甲醇和こ醇中的至少ー種；且所述醚包括ニ甲醚(DME)。
18.根據權利要求17所述的方法，其包括轉化DME以產生耐用品的聚合物前體。
19.根據權利要求14所述的方法，其包括加入催化劑以提高可再生燃料的生產。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述催化劑包括過渡金屬碳化物、過渡金屬硼化物和過渡金屬氮化物中的至少ー種。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述過渡金屬碳化物、過渡金屬硼化物和過渡金屬氮化物包括 Fe3C、Co3C、Co3Fe3C2, Mn3C、FeC3、CoC3、CoFeC6、MnFeC6、Mn5C2, MnFeC6、Fe3Cr3C2, Fe3Co2BNC2, Fe3VC2, Fe4NC2, Fe3MoC2 和 Fe5BNC 中的至少ー種。
22.根據權利要求14所述的方法，其包括收獲從發動機排出的廢熱以提供反應中所用的熱量。
23.根據權利要求14所述的方法，其包括從可再生能源產生熱量，所述可再生能源包括風能源和太陽能源中的至少ー種。
24.根據權利要求14所述的方法，其包括控制熱量和壓カ以產生所選類型的可再生燃料。
25.根據權利要求14所述的方法，其中所述氫由在外部場所的生物質廢物的離解產生并通過管線輸送。
26.根據權利要求14所述的方法，其中離解所述生物質廢物包括 在外部場所熱化學制備作為氫的可輸送前體的烴類； 通過管線輸送烴類；以及 將烴類分離成氫和ー氧化碳。
27.根據權利要求14所述的方法，其進ー步包括 清潔經收獲的ニ氧化碳；以及 使用經清潔的ニ氧化碳作為溫室農作物的營養物。
28.根據權利要求27所述的方法，其進ー步包括使用經清潔的ニ氧化碳作為植物的光合作用中的浮升器，所述植物包括藻類。
全文摘要
本發明公開了用于二氧化碳向可再生液體燃料的再生或回收的技術、系統、裝置和材料。在一方面，一種回收碳以產生可再生燃料的方法可包括收獲從工業過程排放的二氧化碳。生物質廢物在厭氧反應下離解而產生氫。經收獲的二氧化碳與生物質廢物產生的氫在壓力和熱量下反應以生成可再生燃料。
文檔編號C10L1/02GK102844413SQ201180009283
公開日2012年12月26日 申請日期2011年2月14日 優先權日2010年2月13日
發明者羅伊·E·麥卡利斯特 申請人:麥卡利斯特技術有限責任公司