CN102844408B - 用于分离污染物和储存能量的多用途可再生燃料 - Google Patents

用于分离污染物和储存能量的多用途可再生燃料 Download PDF

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Abstract

公开了用于制备多用途H2密集的燃料的技术、系统、装置和材料，所述燃料用于分离污染物和储存能量。在一个方面，生产可再生的多用途生物材料(用于从环境中分离出有害污染物和储存能量)的方法包括：通过应用从外部热源回收的废热，使用热化学反应，离解生物质废物，以生产烃和醇中的至少一种。所述方法包括：离解所述烃和醇中的至少一种，以产生碳和氢。收获从工业过程生成的二氧化碳，并与氢反应，以产生氢密集的燃料。将有害污染物溶解在用作溶剂的氢密集的燃料中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物。所述有害污染物包括碳供体和氢供体中的至少一种。

Description

用于分离污染物和储存能量的多用途可再生燃料
优先权声明
本申请要求下述申请的优先权和权益：2010年2月13日提交的标题为FULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE的美国专利申请号61/304,403，和2010年12月8日提交的标题为LIQUIDFUELS FROM HYDROGEN，OXIDES OF CARBON，AND/OR NITROGEN；AND PRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLEGOODS的美国专利申请号61/421,189。这些申请中的每一篇通过引用整体并入本文。如果前述申请和/或通过引用并入本文中的任何其它材料与本文呈现的公开内容冲突，则以本文的公开内容为准。
背景技术
本申请涉及与生物燃料有关的装置、技术和材料。
工业革命已经产生了基础设施、机械化的设备、装置和通信系统，刺激文明的70亿人每年燃烧超过100万年的化石煤、石油、天然气和页岩积聚物。另外，工业革命的全球性参与，已经产生了下述相关问题：有限资源耗竭和通货膨胀；由空气、水和土壤污染开始或加剧的疾病造成的生产力损失；缺乏接受长期成就所要求的职业伦理的信心；和全球变暖，该威胁通过从以前的冻土、融化的冰群以及在海洋底板、河、湖和河岸区域上的沉积物中的厌氧过程释放出甲烷和其它温室气体，触发更严重的气候变化。
发明内容
公开了用于制备氢(H2)密集的中间体的可储存的和可运输的技术、结构、装置和材料。另外，所述H2密集的中间体可以用作用于分离和去除有害物质的溶剂。
在一个方面，生产用于从环境中分离有害污染物和储存能量的可再生的多用途生物材料的方法包括：通过应用从外部热源回收的废热，使用厌氧反应，离解生物质废物，以生产烃和醇中的至少一种。所述烃和醇中的至少一种被离解，以产生碳和氢。收获从工业过程发出的二氧化碳。使收获的二氧化碳与氢反应，以产生氢密集的中间体。将有害污染物溶解在用作溶剂的氢密集的中间体中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物，其中所述有害污染物包括碳供体、氮供体和氢供体中的至少一种。
实现可以任选地包括下述特征中的一个或多个。所述方法可以包括：将从外部热源或另一种外部热源回收的废热应用于液体混合物，以产生可再生的燃料混合物，所述燃料混合物的氢与碳之比高于从生物质废物离解产生的烃和醇。所述方法可以包括：在有从外部热源或另一种外部热源回收的废热存在下，离解氢密集的中间体，以生产高比能氢和一氧化碳。所述氢密集的中间体可以包括烃、醇和氨中的至少一种。所述烃可以包括甲烷，所述醇可以包括甲醇。所述方法可以包括：将所述氢密集的中间体运输至遥远位置，然后应用从外部热源或另一种外部热源回收的废热，以生产高比能氢和一氧化碳。所述方法可以包括：将所述液体混合物运输至遥远位置，然后应用从外部热源或另一种外部热源回收的废热，以生产高比能氢和一氧化碳。离解所述生物质废物可以包括：除了生产烃和醇以外，还生产氢。离解所述生物质废物可以包括：除了生产烃和醇以外，还生产一种或多种碳供体。所述方法可以包括：使一种或多种碳供体与从生物质废物产生的氢反应，以产生氢密集的醇。所述方法可以包括：使一种或多种碳供体与水反应，以产生额外的醇。所述有害污染物可以包括下述的至少一种：胶态碳、脂肪、碳水化合物、糖、来自聚合物工厂的淘汰的废料、来自工业过程的排气的二氧化碳、煤粉尘、谷类粉尘、来自聚合物加工的粉尘和来自乙醇工厂废物流的蒸馏固体。所述方法可以包括：从所述污染物中滤出卤素和致癌物中的至少一种。所述生物质废物离解可以生产湿醇(wet alcohol)，所述湿醇会减少乙醇的可用性。所述湿醇可以用作溶剂来溶解有害污染物，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物。所述有害污染物可以包括碳供体、氮供体和氢供体中的至少一种。
在另一个方面，通过包括下述步骤的方法，生产能量密集的液体混合物，所述液体混合物会降低以前的有害污染物的蒸气压或蒸气压可用性：通过应用从外部热源回收的废热，使用好氧反应，离解生物质废物，以生产烃和醇中的至少一种。所述烃和醇中的至少一种被离解，以产生碳和氢。收获从工业过程发出的二氧化碳。使收获的二氧化碳与氢反应，以产生氢密集的中间体或燃料。将一种有害污染物溶解在用作溶剂的氢密集的燃料中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物。所述有害污染物可以包括碳供体和氢供体中的至少一种。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述液体混合物：将从外部热源或另一种外部热源回收的废热应用于所述液体混合物，以产生可再生的燃料混合物，所述燃料混合物的氢与碳之比高于从生物质废物离解产生的烃和醇。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：在有从外部热源或另一种外部热源回收的废热存在下，离解氢密集的中间体，以生产高比能氢和一氧化碳。所述氢密集的中间体或燃料可以包括烃、醇和氨中的至少一种。所述烃可以包括甲烷，所述醇可以包括甲醇。通过另外包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：将所述氢密集的中间体运输至遥远位置，然后应用从外部热源或另一种外部热源回收的废热，以生产高比能氢和一氧化碳。通过另外包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：将所述液体混合物运输至遥远位置，然后应用从外部热源或另一种外部热源回收的废热，以生产高比能氢和一氧化碳。
通过下述方法，可以生产根据权利要求所述的能量密集的液体混合物，在所述过程中，离解所述生物质废物包括：除了生产烃和醇以外，还生产氢。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：离解生物质废物，这包括，除了生产烃和醇以外，还生产一种或多种碳供体。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：使一种或多种碳供体与从生物质废物产生的氢反应，以产生氢密集的醇。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：使一种或多种碳供体与水反应，以产生额外的醇。所述有害污染物可以包括下述的至少一种：胶态碳、脂肪、碳水化合物、糖、来自聚合物工厂的淘汰的废料、来自工业过程的排气的二氧化碳、煤粉尘、谷类粉尘、来自聚合物加工的粉尘和来自乙醇工厂废物流的蒸馏固体。通过包括下述步骤的方法，可以生产所述能量密集的液体混合物：从污染物中滤出卤素和致癌物中的至少一种。
在本说明书中描述的主题潜在地可以提供一个或多个下述优点。例如，离解生物质生产的烃、醇等剩下的低比能H2，可以连同来自工业污染物的碳供体(例如，二氧化碳和一氧化碳)一起重新利用，以建立具有高比能氢的氢密集的燃料。另外，所述氢密集的燃料可以用作溶剂，用于溶解有害的污染物，以产生液体混合物，所述液体混合物也是可再生燃料的前体。通过将污染物溶解在H2密集的燃料中，可以从环境中分离污染物的有害影响，同时，可以在吸热反应中离解液体混合物，以产生可再生燃料。
附图说明
图1的过程流程图显示了从生物质废物产生的H2和再循环的碳供体产生高比能H2密集的燃料的一个示例性过程。
图2是使用氢密集的燃料分离有害污染物的另一个过程的过程流程图。
图3显示了用于重新利用来自空气或废产物的氮来产生氢密集的可再生燃料的一个示例性过程的过程流程图，所述可再生燃料可以分离和去除有害污染物。
图4A的框图显示了用于通过重新利用或再循环碳供体和氢供体来产生氢密集的燃料的一个示例性系统，所述碳供体和氢供体收获自从生物质离解产生的具有低比能氢的工业废物。
图4B的框图显示了用于将生物质废物离解成含有氢和碳的中间体的一个示例性系统。
图5的框图显示了使用H2密集的燃料作为溶剂的一个示例性系统，所述溶剂用于溶解有害污染物，以得到液体混合物，所述液体混合物从环境中分离污染物的有害影响。
图6是用于产生多用途H2密集的燃料的一个示例性过程的过程流程图，所述燃料如上所述用于分离有害污染物和用于储存能量。
图7的框图显示了用于产生多用途H2密集的燃料的一个示例性系统，所述燃料如上所述用于分离有害污染物和用于储存能量。
在不同附图中的相同参照符号和命名表示相同的要素。
具体实施方式
公开了用于产生氢(H2)密集的中间体的技术、结构、装置和材料，所述中间体可作为可再生燃料进行储存、运输和消耗。另外，所述H2密集的中间体可以用作溶剂，用于分离和去除有害污染物。
增加用于分离和去除污染物的氢燃料的密度
在热化学反应下离解的木素、纤维素或其它生物质废物原料可以生产有用的可再生的材料(诸如烃、醇、氨、氢和碳的氧化物)的混合物。标题为“CARBON-BASED DURABLE GOODS AND RENEWABLE FUELFROM BIOMASS WASTE DISSOCIATION”的共同未决的美国专利申请描述了用于生物质废物离解的技术和系统，该申请的整个内容通过引用并入。简而言之，下面的方程式1显示了生物质废物离解的一个实例过程。
CxHyOz+热→CH4+H2+CO2+CO方程式1
使用在方程式1中描述的过程，可以将基本上任意的有机材料大部分转化成烃燃料，诸如甲烷(CH4)，用于在现有的天然气基础设施中分布和贮存。下面的方程式2解释了从典型的生物质废物(诸如葡萄糖、木素和纤维质原料)生产甲烷的总反应的一般总结。
C6H12O6+热→3CH4+3CO2    方程式2
在一些实现中，所述生物质离解反应可以生产醇，诸如甲醇，作为可容易地储存和运输的液体燃料和化学前体。通过部分燃烧来加热木质纤维素废物，或通过厌氧加热过程，可以提取甲醇或“木醇”。方程式3和4总结了甲醇的输出，这可以通过选择不同的厌氧操作温度、压力和催化剂来实现。
C6H12O6+热→6CO+6H2    方程式3
6CO+6H2→3CH3OH+3CO    方程式4
在反应器中的更高的补料速率和/或更低的热释放速率，炉料没有达到生产方程式1所示的气体的更高温度，因而所述离解过程生产醇，诸如甲醇。通过冷却甲醇蒸气以形成液体甲醇，可以使一氧化碳与甲醇分离，并利用分离的一氧化碳来给内燃机供应燃料，以通过燃烧器组件的燃烧释放热量，并通过与水的反应形成氢，如方程式5所示。通过方程式5所示的反应生产的氢可以用于生产甲醇，如方程式4所示，以改善发动机的运转、提高甲烷和/或乙烷在生物质转化中的产率和/或作为加热燃料。
CO+H2O→H2+CO2    方程式5
可以进一步离解从生物质废物离解生产的烃和醇，以产生碳和低比能H2。方程式6解释了离解烃燃料以得到氢和碳的一般过程。方程式7显示了将甲烷离解成碳和氢的具体反应。
CxHy+热4→XC+0.5YH2    方程式6
CH4+▲H298K→2H2+C  (▲H298K＝79.4kJ/mol)    方程式7
方程式8显示了通过厌氧分解来离解纤维素和含有氧的燃料醇的反应，以得到-碳、一氧化碳和氢。
C2H5OH+热→C+CO+3H2方    程式8
产生的碳可以用于生产基于碳的耐用品，诸如用于生产在风力发电机、太阳能动力发电机等中使用的不同设备的材料。
从离解醇(诸如甲醇)和烃(诸如甲烷)收集的低比能H2可以用于生产具有多种用途的氢密集的燃料或中间体。在一个方面，通过使低比能H2与碳供体反应，可以产生高比能H2燃料，所述碳供体诸如从工业过程(例如，污染物)收获的和重新规划或再循环的CO2或CO。
另外，通过任意其它能量诱导的离解，包括电解来自有机消化过程的缺氧形成的酸和醇(liquor)和电解水(如方程式9概括所示)，可以得到H2，。
H2O+能量→0.5O2+H2    方程式9
可以加入加压的氢或加压的且加热的氢(诸如可以通过方程式1、3、5和/或8所示的加压过程来生产)，以加压碳供体，形成希望的化合物，诸如DME燃料或甲醇。
图1的过程流程图显示了从生物质废物产生的H2和再循环的碳供体产生高比能H2密集的燃料的一个示例性过程100。系统(例如，下面的系统400)可以从生物质废物离解产物得到H2(110)。如上所述，低比能H2可以作为离解从生物质离解生产的烃和/或醇的结果而得到。另外，所述系统可以从工业过程收获碳供体，诸如CO2或CO(120)。收获的碳供体可以包括作为污染物从中央发电厂、燃烧烃类的炼焦操作和锻烧操作、酿酒厂和面包厂排出的CO2和CO。使来自生物质废物离解的低比能H2与收获的碳供体反应，以产生增加H2密度的燃料混合物(130)。
例如，可以使来自合适来源(包括方程式1-9所总结的生产)的氢与碳的氧化物反应，以生产不同的燃料，所述燃料可以是容易储存、运输和使用的类型，包括甲醇，如下面在方程式10和11中示例性地显示的。
CO+2H2→CH3OH    (ΔH＝-21.66Kcal/g-mol)     方程式10
CO2+3H2→CH3OH+H2O(ΔH＝-11.83Kcal/g-mol)    方程式11
在约250°F(120℃)，液相甲醇浆催化剂可以在有利的速率完成方程式11的过程，以生产廉价的甲醇。
在一些实现中，可以将催化剂加入方程式10和11的过程中，以增强氢的作用。方程式10和11的过程的催化剂包括：铜-氧化锌，和铜和铜-氧化锌在不同的过程合成条件(包括约260℃(500°F)和1500psi)下的沉积的烧结混合料，以生产显示的醇或甲醇和水。或者，根据选择的压力、温度和催化剂，可以生产二甲醚(DME)或乙烯或丙烯。
通过方程式10和11总结的过程生产的甲醇和水溶液可以充当可溶性有机物的溶剂，所述可溶性有机物是功能性的氢和碳供体。所述可溶性有机物可以包括：含有可溶性碳的各种有害污染物(例如，几乎所有食物加工废料，诸如脂肪、碳水化合物和糖)，胶态碳，来自工业过程的淘汰材料(例如，来自聚合物工厂的淘汰材料，其不被再循环进制备聚合物)，纸处理废物，细粒粉尘，糖蜜残余物，bagas，和化石燃料工业的各种残余物(包括煤尘、精炼焦炭和焦油废物等)，它们在方程式12所示的过程中被描述为“C”。
CH3OH+H2O+C+热→2CO+3H2    方程式12
如方程式12所示，氢密集的燃料被用作溶剂来溶解有害污染物，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物(140)。可溶性有机物的添加，通过增加在生产一氧化碳(CO)和氢(H2)时的吸热热量，可以增加利用废物的能力，如下面参考图6所述。所述液体混合物可以储存和/或运输至不同的位置，然后在吸热反应中反应，以产生高H2密集的燃料。
从污染物收获的可溶性有机物可以仅包括碳和水，它们可以在吸热过程中与氢密集的燃料反应，以得到CO和高比能H2。此外，可溶性有机物可以包括这样的氢和碳供体：它们升高在制备的燃料混合物中的氢与碳之比。氢与碳之比越高(氢密集的)，燃料的燃烧越快，生产的CO2越少。
因而，所述的技术允许分离否则会被释放到环境中的有害污染物，以去除它们的有害影响。
另外，可以滤出在污染物中存在的任何卤素或致癌物。例如，可以使所述卤素或致癌物与污染物中的其它化合物(诸如废气)反应，以制备盐，诸如将氯制成NaCl。通过例如用钙沉淀以产生硫酸钙，也可以滤出存在的任意硫氧化物。可以使硫与铁反应，以产生硫化铁，其可以用作营养物。
图2是使用氢密集的燃料分离有害污染物的另一个过程200的过程流程图。过程200与过程100类似，但是过程200包括从氢密集的燃料滤出卤素和致癌物的额外处理(参见过程250)。具体地，系统(例如，下面的系统500)可以从生物质废物离解的产物得到H2(210)。如上所述，低比能H2可以作为离解从生物质离解生产的烃和/或醇的结果而得到。另外，所述系统可以从工业过程收获碳供体，诸如CO2或CO(220)。收获的碳供体可以包括作为污染物从中央发电厂、燃烧烃类的炼焦操作和锻烧操作、酿酒厂和面包厂排出的CO2和CO。使来自生物质废物离解的低比能H2与收获的碳供体反应，以产生增加H2密度的燃料混合物(230)。如方程式12(CH3OH+H2O+C+热→2CO+3H2)所示，氢密集的燃料可以用作溶剂，用于溶解有害污染物，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物(240)。所述系统使用上述技术可以从氢密集的燃料中滤出卤素和致癌物(250)。
所述的技术、装置和系统可容易地接受水和燃料(包括氧合的成分)的溶液，其目的包括，通过避免生产和储存无水燃料所需的设备和能量支出，降低燃料生产成本。另外，通过降低或消除活细胞内的水溶液和燃料-水溶液之间的浓度梯度，所述的技术可以降低毒性。此外，所述的技术可以促进更有力的且更快燃烧的以氢为特征的燃料的有益的热化学再生生产，如方程式12所示。如上所述，使用可凝结的液体燃料成分(诸如甲醇)作为过程载体来安全地且有利地处理令人讨厌的物质或废物(诸如细粒粉尘、煤尘、聚合物烟尘、轮胎烟尘、柴油烟尘、涂料烟尘、润切液和烹饪烟尘)，也可以递送和供应用于该目的的碳。
除了碳供体(诸如从污染物收获的CO2)以外，其它有机物(诸如来自空气或来自污染物的氮)可以用于制备氨(NH3)，以增浓氢。图3显示了重新利用来自空气或废产物的氮以产生氢密集的可再生燃料的一个示例性过程300的过程流程图，所述可再生燃料可以分离和去除有害污染物。系统(例如，下述的系统400)可以从生物质废物离解产物得到H2(310)。如上所述，低比能H2可以作为离解从生物质离解生产的烃和/或醇的结果而得到。另外，所述系统可以从工业过程或空气收获氮(320)。收获的氮可以是从中央发电厂、燃烧烃类的炼焦操作和锻烧操作、酿酒厂和面包厂排出的污染物的一部分。使来自生物质废物离解的低比能H2与收获的氮反应，以产生增加H2密度的燃料混合物(330)。与方程式12类似，氨可以用作溶剂来溶解有害污染物，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物(340)。在一些实现中，所述系统使用上述技术可以从氢密集的燃料滤出卤素和致癌物(350)。
来自空气燃烧过程的碳氧化物(诸如二氧化碳或一氧化碳)的重新利用或再循环，通常会提出氮污染物的分离或适应的问题。电弧、电晕、微波或辐射电离会提供从反应性的离子物质的混合物产生价值物的另一个过程变化。可以使一氧化碳(包括通过二氧化碳和碳供体的反应生成)和氢(包括通过方程式6或7的过程生成)的混合物与这样的氮反应，以生产CH3OH和NH3，如方程式13所示。
CO+5H2+N2+能量→CH3OH+2NH3    方程式13
另外，从发动机的排气分离出的氮可以用作高压釜处理的覆盖气体，且可以使分离的氮与氢反应，以形成氨或多种化合物。另外，不同的“氮固定”过程包括：与从一氧化碳和增压氢合成甲醇(CH3OH)一起，从氮和增压氢合成氨。方程式14显示了氨形成的古老过程。
3H2+N2→2NH3    方程式14
氮的其它来源可以包括，在兰金循环和混合循环中使用空气来燃烧天然气(NG)的发电厂(例如，由蒸汽涡轮机供给热量的燃气涡轮机)，其在烟道排出物中具有约3-6％CO2。平衡是氮、水蒸气和更低浓度的各种其它温室气体，如方程式15所示。
CH4+空气(.8N2+.2O2)→N2+CO2+H2O    方程式15
除了氮以外，烧煤的兰金循环发电厂可能在烟道排出物中具有约10-12％CO2。方程式16总结了空气和煤燃烧生成氮和CO2的近似过程。
煤+空气(.8N2+.2O2)→N2+CO2    方程式16
另外，在提供有价值的化学试剂和肥料的过程中，可能使用取自气体混合物(例如，来自工业过程的排气)的H2S和其它硫化合物形式的硫。例如，使用任意合适的技术，包括众所周知的Saturator、Wilputte、PickleLiquor或间接过程，可以从这样的原料容易地生产硫酸铵。从递送的气体混合物中的硫价值物，也可以生产发烟硫酸和/或硫酸。类似地，可以容易地生产其它化合物(诸如氯化铵、溴化铵、碘化铵、硝酸铵、乙酸铵、磷酸铵和碳酸铵)，以满足对这些产物的市场需求。
由这些或其它反应(它们使用方程式6或7的典型过程生产的氢)生产的氨，可以安全地储存和运输。这会提供紧凑贮存，且可以充当氢的前体。可以以多种方式储存氨，包括作为加压的液体、盐(诸如氯化铵)或在活化介质(诸如碳)中，且可以通过加热来完成加压。当氨经过催化剂时发生的分解，可以用于加压N2和H2产物，包括可以从甲醇或含水甲醇共同生产的一氧化碳和氢的加压。
可以分配加压的氨用于多种用途，也可以使用氨作为发动机燃料，通过燃料喷射器或多燃料喷射器进行直接喷射，如在标题为“MultifuelStorage，Metering and Ignition System”的美国专利号7,628,137中所述，该专利的内容通过引用并入。
在通过生物质离解生产的含有CO和H2的气态产物中，也可能存在小量的NH3、H2S、N2和H2O。H2S可以与铁反应，以形成硫化铁，或随着氢的释放被收集在该过程所生产的碳中。固定的氮可以作为氨进行收集，固定的硫可以作为硫化铁进行收集，这些物质可以与收集的灰一起用作土壤营养物。
图4A的框图显示了用于通过重新利用或再循环碳供体和氢供体来产生氢密集的燃料的一个示例性系统400，所述碳供体和氢供体收获自从生物质离解产生的具有低比能氢的工业废物。所述系统400包括接收生物质废物402的生物质离解系统410，并使用热化学再生过程将所述生物质废物402离解成碳、烃、醇、氨和氢。用于离解生物质废物402的热可以包括来自发动机排气、发动机冷却系统等的废热404，所述废热404否则会被释放到环境中。另外，一种或多种可再生能源(诸如风能、太阳能等)可以用于产生热。
从生物质离解系统410，捕获低比能氢414(例如，来自烃的离解)，并运输至H2密集的燃料发电机420，后者包括加热机构424。所述H2密集的燃料发电机420也接收从工业过程(例如，来自化石燃料燃烧的排气或空气)收获的碳供体、氢供体或氮或三者的任意组合432。所述H2密集的燃料发电机420使低比能H2与收获的碳供体、氢供体或氮或三者的任意组合432反应，以产生H2密集的燃料450，诸如甲醇。收获的碳供体、氢供体或氮或三者的任意组合432可以从空气或工业废物(例如，来自化石燃料燃烧的排气)430得到。
系统400可以包括催化剂反应区440，以接收一种或多种催化剂，所述催化剂会增强H2密集的燃料的产生。上面描述了催化剂的实例。
产生的H2密集的燃料450是可储存的和可运输的。因为H2密集的燃料450携带可运输形式的H2燃料，所述H2密集的燃料可以用作载体，用于将能量携带至希望的目的地。使用可再生燃料产生系统600，可以离解所述H2密集的燃料450，以得到H2燃料和氧合的燃料。
另外，可以将所述H2密集的燃料450运输至污染物分离系统500，用于溶解和分离如上所述的包括碳供体、氢供体或二者的有害污染物。通过溶解所述有害污染物(诸如CO2)，可以防止或减少有害污染物向环境中的释放。当将有害污染物溶解在用作溶剂的H2密集的燃料450中时，得到的液体混合物是环境安全的。此外，可以离解所述液体混合物(其分离了和去除了有害污染物)(例如，通过可再生燃料产生系统600)，以得到氢密集的可再生的能量。
图4B的框图显示了用于将生物质废物离解成含有氢和碳的中间体的一个示例性系统410。系统410包括生物质废物引入组件，诸如料斗411，所述料斗411接收粗形式的生物质废物402，并将所述原料粉碎(例如，削、剁、磨等)成细分的原料，诸如不同的纤维质和木质纤维素材料。所述料斗411可以包括加热机构，诸如热交换器412，以预热所述细分的原料。所述热交换器可以重新捕获和再循环来自外部热源(例如，发动机排气和/或可再生的热，诸如风热、太阳热等)或来自生物质离解反应器414itself的废热。
所述细分的(且在有些实现中，预热过的)原料413被运输至生物质离解反应器414，以将所述生物质废物原料离解成碳和氢的有用的可再生来源，诸如各种烃、醇、氨和碳的氧化物。所述反应器可以包括干燥机构415，以从原料去除水分和空气。所述干燥机构415可以包括挤压装置，以从原料物理地′挤出′水分和空气。挤压装置的实例包括：螺旋输送机和撞击式活塞输送机。另外，所述干燥机构415可以包括一个或多个加热机构，诸如热交换器，其捕获由反应器414产生的热，并再循环捕获的热，以干燥所述原料。所述热交换器也可以重新捕获和再循环来自外部热源(例如，发动机排气和/或可再生的热，诸如风热、太阳热等)的废热。
所述反应器414还可以包括，用于产生足够的热量的加热机构416，所述热量用于在厌氧反应中将生物质废物原料离解成碳和氢的有用的可再生来源417，诸如烃、醇、氨和碳的氧化物。可以将所述产生的碳和氢的有用的可再生来源417运输至贮存和/或运输机构418，以备H2密集的燃料产生反应器420和其它反应使用，以产生可再生燃料和/或基于碳的耐用品419，如在标题为“CARBON-BASED DURABLE GOODS  ANDRENEWABLE FUEL FROM BIOMASS WASTE DISSOCIATION”的共同未决的美国专利申请中所述，该申请的整个内容通过引用并入。此外，所述贮存和/或运输机构418允许将碳和氢的有用的可再生来源417有效地运输至遥远位置，用于进一步加工。
所述生物质离解反应器414可以构造成，提高的生物质废物转化过程的热效率，同时减少或消除二氧化碳形成。例如，所述生物质离解反应器414可以包括这样的机构：所述机构执行不同的逆流干燥(例如，再循环热)，并消除空气、水分和其它氧供体，然后提取碳、烃(诸如甲烷)和/或氢。
图5的框图显示了使用H2密集的燃料作为溶剂的一个示例性系统500，所述溶剂用于溶解有害污染物，以得到无害的混合物，所述混合物从环境中分离污染物的有害影响。系统500接收与有害污染物一起的H2密集的燃料450，如上面关于方程式12所述。所述污染物可以包括碳供体、氢供体或二者，诸如胶态碳。系统500包括污染物分离系统520，所述污染物分离系统520将污染物溶解在H2密集的燃料450中，以产生液体混合物530，所述液体混合物530从环境中分离污染物的有害影响。
系统500可以包括过滤器510，所述过滤器510用于从污染物502去除任何卤素或致癌物，以向污染物分离系统520提供在污染物中的碳供体或碳和氢供体512。上面参考图2-3描述了用于过滤出卤素或致癌物(作为无害的盐等)的技术。可以将所述液体混合物运输(例如，管线运输)至贮存容器或可再生燃料产生系统(例如，系统700)，以产生可再生燃料，诸如高比能氢。
用于储存能量的氢密集的燃料
使用上面方程式10和11所述的过程生产的氢密集的燃料，会提供用于增加对过去的设备投资的财政返还的桥接技术，其中利用现有的运输机车和贮存罐来实现这种燃料的热化学再生(如方程式15所示)，以生产以氢为特征的燃料，所述燃料用于实现更长的机车寿命和更大的燃料效率以及极大地减少的二氧化碳、烃、氮氧化物和微粒的排放。
CH3OH+热→CO+2H2    方程式15
通过利用从热机排出的热将甲醇热化学地改造成一氧化碳和氢，可以得到在方程式15的过程中使用的热。另外，从可再生资源(诸如风能和太阳能发电机)，可以产生在方程式15的过程中使用的热。
类似地，使用下面再现的方程式12的反应过程，可以在吸热反应中离解无害的燃料混合物(通过将可溶性的有机污染物加入氢密集的燃料中产生)，以产生氢密集的燃料。
CH3OH+H2O+C+热→2CO+3H2    方程式12
与下面方程式16所示的燃烧甲烷作为燃料相比，在方程式12和15中所示的生产氢燃料的经济学更有利。
CH4+2O2→CO2+2H2O+热10     方程式16
例如，在方程式15的恒定压力下，甲烷的反应热是大约-344,940英国热量单位/摩尔。但是对于3摩尔的氢，它是3(-103,968英国热量单位/摩尔)＝-311,904英国热量单位；且对于方程式12中的燃烧2CO，是2(-121,666英国热量单位/摩尔)＝-243,332，共产生-555,236英国热量单位。这是更低的热值，不会对3摩尔水的冷凝热提供任何保证。与方程式15(产生-344,940)相比，它产生比直接燃烧最初的原料甲烷多-210,296英国热量单位的能量。因而，递送多约60％的燃烧能，用于由发动机生产功。热化学再生不需要在高温使用新的燃料物质，且所述新的物质可以再生地将热量传递给热化学过程，实现在本文所述的技术中的其它优点。
因而，取决于可溶性有机物在含水甲醇中的加载，可以将多25％至60％的热量递送至燃烧室，且可以被燃料喷射器更有效地利用，作为分层的燃烧物的多重堆叠，以更快速地燃烧，并消除微粒和氮氧化物，这通过最初燃料注射和点燃的自适应性控制的时机、每次随后的燃料注射和点燃的时机、以及每次燃料注射的燃料压力来实现。燃料喷射器或多燃料喷射器描述在标题为“Multifuel Storage，Metering and Ignition System”的美国专利号7,628,137中，其内容通过引用并入。
另外，氢和氢供体(诸如NH3)可以类似地储存在活性炭和其它宿主物质中，目的是，以后在控制允许的膨胀度的条件下释放，以产生希望的压力。例如，多燃料喷射器(描述在标题为“Multifuel Storage，Metering andIgnition System”的美国专利号7,628,137中，其内容通过引用并入)可以提供远远更大体积的“燃料”流，其可能包括大量非燃料成分，并实现方程式10所示的过程的低成本加压，所述低成本加压通过从吸附的或吸收的贮存释放来实现，和/或通过在示例性的方程式17、18和19中所示的氨离解来实现。
2NH3→3H2+N2                方程式17
CO+3H2+N2→CH3OH+H2+N2      方程式18
CO2+3H2+N2→CH3OH+H2O+N2    方程式19
图6是用于产生多用途H2密集的燃料的一个示例性过程600的过程流程图，所述燃料如上所述用于分离有害污染物和用于储存能量。系统(例如，下面的系统700)可以从生物质废物离解得到H2(610)。所述系统可以从工业过程收获N2、C供体、H2供体或它们的组合(620)。所述系统使生物质生产的H2与从工业过程收获的N2、C供体或H2供体或它们的组合反应，以产生增加H2密度的燃料混合物(630)。可以在吸热反应下离解H2密集的燃料混合物(例如，通过应用适当的热)，以产生可再生燃料，诸如甲醇(640)。
系统可以使用H2密集的燃料混合物作为溶剂，以溶解有害污染物，从而产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离有害污染物(650)。所述系统可以从污染物中滤出任何卤素或致癌物(660)。
图7的框图显示了用于产生多用途H2密集的燃料的一个示例性系统700，所述燃料如上所述用于分离有害污染物和用于储存能量。所述系统700包括可再生燃料产生反应器710，其接收如上所述产生的H2密集的燃料。所述反应器710也可以接收分离有害污染物的液体混合物。所述反应器710可以包括加热机构712，以施加将H2密集的燃料450和液体混合物530(其分离有害污染物)转化成可再生燃料所需的热量。例如，可以离解H2密集的燃料450，以产生N2、H2、CO或组合(716)。可以离解液体混合物530，以产生CO和H2(714)。在所述反应中使用的热可以从来自发动机排气或冷却系统的废热404得到，所述废热404否则会被释放到环境中。另外，来自一种或多种可再生资源(诸如风能、太阳能、流水能、地热能等)的热可以用于所述反应中。使用贮存和运输机构720(诸如加压的容器和/或管线)，可以储存和/或运输产生的燃料714和716。
用作氢和胶态碳的来源的建筑构造
为了增强用作溶剂(其用于溶解污染物或用于储存能量)的氢密集的燃料的制备，可以设计建筑构造以表现出有用的性质，诸如预加载不同形式的氢和胶态碳的能力。建筑构造可以包括不同的初级晶胞(包括晶体)的合成基质。晶体的基质可以包括不同的材料，诸如石墨烯、石墨、氮化硼或其它材料。另外，预加载氢(和/或胶态碳)的建筑构造可以制成实体块、象原子一样薄的层或其它排列和变化。
通过给要包装的建筑构造预加载氢(或氢密集的材料)和/或胶态碳，可以增强或加速上述的用于产生氢密集的燃料的过程，以增加氢密度。增强氢密集的燃料的制备，类似地会增强或提高氢密集的燃料作为用于离解有害污染物的溶剂的用途。另外，可以离解氢密集的燃料，以生产具有更高的氢与碳之比的氢燃料。
如本文所述，可以再循环和再利用来自生物质废物和污染物的碳和氢，以产生多用途H2密集的燃料，所述燃料可以用作溶剂来分离有害污染物和储存能量。所述有害污染物不仅从环境中分离，而且会增加得到的无害混合物中的氢密度。使用上述的技术和系统，会减少碳和其它有害污染物的释放，并同时产生可再生燃料。
尽管本说明书包括很多细节，但这些不应理解为对任何发明或可能要求保护的主题的范围的限制，而是对特定发明的特定实施方案可能特有的特征的描述。在单独实施方案的背景下在本说明书中描述的某些特征，也可以在单个实施方案中组合实现。反过来，在单个实施方案的背景下描述的不同特征，也可以在多个实施方案中分别地实现或以任何适当的子组合实现。此外，尽管在上文中可能将特征描述为以某些组合起作用，并且甚至最初如此要求保护，在某些情况下，要求保护的组合的一个或多个特征可以从所述组合中分离出，并且要求保护的组合可能涉及子组合或子组合的变型。
类似地，尽管在图中以特定的顺序描述操作，这不应理解为要求：以示出的特定顺序或以先后顺序执行这些操作，或者要执行所有示出的操作以实现所期望的结果。在某些情况下，多任务处理和平行处理可能是有利的。此外，上文描述的实施方案的不同系统组件的分离，不应理解为在所有实施方案中都需要这种分离。
仅描述了少数实现和实施例，基于在本申请中描述和解释的内容，可以做出其它实现、增强和变体。
就以前没有通过引用并入本文而言，本申请通过引用整体并入下述文献中的每一篇的主题：2011年2月14日提交的标题为CHEMICALPROCES SES AND REACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCINGHYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS 的代理人案卷号69545-8601.US00；2011年2月14日提交的标题为REACTOR VESSELSWITH TRANSMISSIVE SURFACES FOR PRODUCINGHYDROGEN-BASED FUELS AND  STRUCTURAL ELEMENTS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8602.US00；2011年2月14日提交的标题为CHEMICALREACTORS WITH RE-RADIATING SURFACES AND AS SOCIATEDSYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8603.US00；2011年2月14日提交的标题为THERMAL TRANSFER DEVICE ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8604.US00；2011年2月14日提交的标题为CHEMICALREACTORS WITH ANNULARLY POSITIONED DELIVERY ANDREMOVAL DEVICES，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8605.US00；2011年2月14日提交的标题为REACTORS FOR CONDUCTING THERMOCHEMICAL PROCESSESWITH SOLAR HEAT INPUT，AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS的代理人案卷号69545-8606.US00；2011年2月14日提交的标题为INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8608.US00；2011年2月14日提交的标题为COUPLEDTHERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES，AND ASSOCIATEDSYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8611.US00；2010年9月22日提交的标题为REDUCING AND HARVESTING DRAG ENERGYON MOBILE ENGINES USING THERMAL CHEMICAL REGENERATION的美国专利申请号61/385,508；2011年2月14日提交的标题为REACTORVESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FORPRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURALELEMENTS，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人案卷号69545-8616.US00；2009年8月27日提交的标题为CARBONSEQUESTRATION的美国专利申请号61/237,419；2011年2月14日提交的标题为SYSTEM FOR PROCESSING BIOMASS INTOHYDROCARBONS，ALCOHOL VAPORS，HYDROGEN，CARBON，ETC.的代理人案卷号69545-9002.US00；2011年2月14日提交的标题为CARBON RECYCLING AND REINVESTMENT USINGTHERMOCHEMICAL REGENERATION的代理人案卷号69545-9004.US00；2011年2月14日提交的标题为OXYGENATED FUEL的代理人案卷号69545-9006.US00；2009年8月27日提交的标题为OXYGENATED FUELPRODUCTION的美国专利申请号61/237,425；和2011年2月14日提交的标题为ENGINEERED FUEL STORAGE，RESPECIATION ANDTRANSPORT的代理人案卷号69545-9105.US00。

Claims (12)

1.一种生产可再生的多用途生物材料的方法，所述可再生的多用途生物材料用于从环境中分离有害污染物和储存能量，所述方法包括：
通过应用从外部热源回收的废热，使用厌氧反应离解生物质废物以生产烃；
离解所述烃以生产碳和氢；
收获来自工业过程的二氧化碳；
使收获的所述二氧化碳与所述氢反应以生产氢密集的燃料；
将有害污染物溶解在用作溶剂的所述氢密集的燃料中以生产液体混合物，所述液体混合物从所述环境中分离所述有害污染物，其中所述有害污染物包括碳供体、氮供体和氢供体中的至少一种；和
在吸热反应中离解所述液体混合物，以生产可再生燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将从所述外部热源或另一种外部热源回收的废热应用于所述液体混合物，以产生所述可再生燃料，其中，所述可再生燃料的氢与碳之比高于从所述生物质废物离解产生的所述烃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中离解所述烃包括在有从外部热源回收的废热存在下，离解所述烃，以生产高比能氢和一氧化碳。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢密集的燃料为醇。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述氢密集的燃料是氨。
6.根据权利要求1所述的方法，其中离解所述生物质废物包括：除了所述烃以外，还生产氢。
7.根据权利要求6所述的方法，其中离解所述生物质废物包括：除了所述烃以外，还生产一种或多种碳供体。
8.根据权利要求7所述的方法，其包括：使所述一种或多种碳供体与从所述生物质废物生产的所述氢反应，以产生所述氢密集的醇。
9.根据权利要求8所述的方法，其包括：使所述一种或多种碳供体与水反应，以产生额外的醇。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述有害污染物包括下述的至少一种：胶态碳、脂肪、碳水化合物、来自聚合物工厂的淘汰的废料、来自工业过程的排气的二氧化碳、煤粉尘、谷类粉尘、来自聚合物加工的粉尘和来自乙醇工厂废物流的蒸馏固体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述有害污染物包括下述的至少一种：胶态碳、脂肪、糖、来自聚合物工厂的淘汰的废料、来自工业过程的排气的二氧化碳、煤粉尘、谷类粉尘、来自聚合物加工的粉尘和来自乙醇工厂废物流的蒸馏固体。
12.根据权利要求1所述的方法，其另外包括：从所述有害污染物中滤出卤素和致癌物中的至少一种。
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