CN102844413B - 使用热化学再生的碳回收和再投资 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于二氧化碳向可再生液体燃料的再生或回收的技术、系统、装置和材料。在一方面，一种回收碳以产生可再生燃料的方法可包括收获从工业过程排放的二氧化碳。生物质废物在厌氧反应下离解而产生氢。经收获的二氧化碳与生物质废物产生的氢在压力和热量下反应以生成可再生燃料。

Description

使用热化学再生的碳回收和再投资
优先权要求
本申请要求2010年2月13日提交的题为“FULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE”的美国专利申请No.61/304,403的优先权和权益，所述专利申请以全文引用的方式并入本文。就前述申请和/或本文以引用方式并入的任何其他材料与本文呈现的公开冲突而言，本文的公开主导。
技术领域
本申请涉及与二氧化碳向液体燃料的热化学再生相关的设备、技术和材料。
背景技术
工业革命已产生了基础设施、机械设备、装置和通讯系统，而刺激了文明的七十亿人类每年燃烧超过一百万年的煤、油、天然气和页岩积累。
工业革命的全球规模的参与已产生了如下相关问题：有限的资源消耗和经济膨胀；由于由空气、水和土壤污染所引发或恶化的疾病所导致的生产力的损失；采用长期业绩所需的职业道德的信心的缺乏；以及通过释放甲烷和其他温室气体(其来自以前的冻土、熔化的流冰群以及在洋底、江、湖和河边区域上的沉积物中的厌氧过程)而威胁要引起更严重的气候变化的全球变暖。
发明内容
本发明公开了用于将二氧化碳向液体燃料热化学再利用、回收或再投资的技术、系统、装置和材料。
在一方面，一种回收碳以产生可再生燃料的方法包括收获从工业过程排放的二氧化碳。生物质废物在厌氧反应下离解而产生氢。经收获的二氧化碳与生物质废物产生的氢在压力和热量下反应以生成可再生燃料。
实施可任选地包括如下特征的一个或多个。所述可再生燃料可包括醇和醚中的至少一种。所述醇可包括甲醇和乙醇中的至少一种。所述醚可包括二甲醚(DME)。DME可被转化以产生耐用品的聚合物前体。可加入催化剂以提高可再生燃料的生产。所述催化剂可包括铜-锌-氧化物、铜和铜-锌氧化物的沉积烧结混合物中的至少一种。所述方法可包括收获从发动机排出的废热以提供反应中所用的热量。可产生来自可再生能源的热量，所述可再生能源包括风能、太阳能、流水和地热中的至少一种。所述方法可包括控制热量和压力以产生所选类型的可再生燃料。氢可由在外部场所的生物质废物的离解产生并通过管线输送。离解生物质废物可包括在外部场所热化学制备作为氢的可输送前体的烃类；通过管线输送烃类；以及将烃类分离成氢和一氧化碳。所述方法还可包括清洁所收获的二氧化碳；以及使用经清洁的二氧化碳作为温室农作物的营养物。所述方法可包括使用经清洁的二氧化碳作为植物(包括藻类)的光合作用中的浮升器(buoyant lifter)。
在另一方面，一种回收碳以产生可再生燃料的方法可包括收获从工业过程排放的二氧化碳。所述方法可包括在厌氧过程中离解生物质废物以产生一氧化碳、一种或多种碳供体和氢。热化学转化的一氧化碳和另外的氢可通过使经收获的二氧化碳与生物质废物产生的一种或多种碳供体反应而产生；以及使生物质产生的一氧化碳和热化学转化的一氧化碳与生物质产生的氢和另外的氢在压力和热量下反应而产生可再生燃料。
实施可任选地包括如下特征的一个或多个。所述一种或多种碳供体可包括烃类和醇中的至少一种。所述可再生燃料可包括醇和醚中的至少一种。所述醇可包括甲醇和乙醇中的至少一种。所述醚可包括二甲醚(DME)。所述方法可包括转化DME以产生耐用品的聚合物前体。所述方法可包括加入催化剂以提高可再生燃料的生产。所述催化剂可包括过渡金属碳化物、过渡金属硼化物和过渡金属氮化物中的至少一种。所述过渡金属碳化物、过渡金属硼化物和过渡金属氮化物可包括Fe3C、Co3C、Co3Fe3C2、Mn3C、FeC3、CoC3、CoFeC6、MnFeC6、Mn5C2、MnFeC6、Fe3Cr3C2、Fe3Co2BNC2、Fe3VC2、Fe4NC2、Fe3MoC2和Fe5BNC中的至少一种。所述方法可包括收获从发动机排出的废热以提供反应中所用的热量。所述方法可包括从可再生能源产生热量，所述可再生能源包括风能源和太阳能源中的至少一种。所述方法可包括控制热量和压力以产生所选类型的可再生燃料。氢可由在外部场所的生物质废物的离解产生并通过管线输送。离解生物质废物可包括在外部场所热化学制备作为氢的可输送前体的烃类；通过管线输送烃类；以及将烃类分离成氢和一氧化碳。所述方法还可包括清洁所收获的二氧化碳；以及使用经清洁的二氧化碳作为温室农作物的营养物。所述方法还可包括使用经清洁的二氧化碳作为植物(包括藻类)的光合作用中的浮升器。
所述的技术和体系可能提供如下优点的一个或多个。例如，广泛可得的烃类原料物质，包括诸如来自废物的厌氧消化的甲烷的选择，且天然气离解成碳和氢。相比于水的电解，通过天然气的热离解，每BTU当量可产生超过四倍那样多的氢(CH4+热量→碳产物+2H2)。
共同产生的碳可用于制造利用太阳能资源、风能资源、流水资源和地热资源的设备，以及比钢强且比铝轻的输送组件。相比于一次性燃烧碳并引发环境污染和温室气体问题，制造利用可再生资源的设备的这种碳的应用提供了清洁许多倍的能量。
相比于总发电厂，共同产生的氢在热电联产(CHP)发动机-发电机中的使用加倍了能量使用效率。而且，燃料喷射器或多燃料喷射器技术在使用氢的发动机中的应用可实际上清洁进入这种发动机的空气。
这种共同产生的氢的另一益处和应用是使其与二氧化碳(来自面包厂、啤酒厂和火电厂)反应以产生可储存于罐(现在储存汽油或柴油燃料)中的液体燃料(3H2+CO2→CH3OH+H2O)。这使得从甲烷提取的氢的广泛利用成为可能，所述甲烷通过在调整时现有发动机的转换从废生物质或天然气产生。
另外，CO2可通过与来自生物质废物离解的氢供体或碳供体反应而被再利用并回收以产生可再生能量，否则该CO2将被释放至环境。因此，不是浪费精力努力去除碳，可能有害的碳可被再利用而产生可用的能源。
附图说明
图1为一个再投资、再利用或回收从由工业过程产生的废物收获的二氧化碳以与来自生物质废物离解的氢反应的方法的流程图。
图2为通过离解H2-密集燃料混合物而产生氧化燃料和氢燃料的一个示例性方法的流程图，所述H2-密集燃料混合物通过使来自工业废物的再利用或回收的CO2与来自生物质废物的氢反应而产生。
图3A为显示了通过与生物质产生的氢反应而生成可再生燃料以再利用或回收作为废物从工业过程收获的CO2的一个示例性体系的框图。
图3B为显示了将生物质废物离解成带有氢和碳的中间体的一个示例性体系的框图。
图3C为显示了用于产生多用途H2-密集燃料以如上所述分离有害污染物和储存能量的一个示例性体系的框图。
图4显示了通过使化石产生的二氧化碳与可再生碳供体反应，而使用经收获的CO2(例如来自化石燃料燃烧废物)作为热化学转化的CO的来源的一种方法的流程图。
图5为由热化学转化的CO产生可再生燃料的一个示例性体系的框图，所述热化学转化的CO与来自生物质废物离解的氢反应。
图6为再利用或回收碳和氢的一个示例性体系的框图。
在各个附图中，同样地附图标记和指示表示同样的元件。
具体实施方式
描述了用于实施热化学再生反应的技术、装置和体系，其中二氧化碳(CO2)从工业过程收获，并回收或再利用以产生可再生燃料，如甲醇燃料。不是通过从CO2取出碳而浪费碳，所述技术在与生物质废物产生的氢的反应中再利用或回收CO2以产生可再生燃料。
图1为再投资、再利用或回收从由工业过程产生的废物收获的二氧化碳以与来自生物质废物离解的氢反应的方法100的流程图。体系(例如如下体系400)从工业过程(110)收获碳供体。用于本文所述的热化学再生的碳供体(如二氧化碳或一氧化碳)可从CO2的易得来源(例如从总发电厂、燃烧烃类的焦化和煅烧操作、啤酒厂和面包厂)收获。所述体系从生物质废物离解(120)获得氢。经收获的CO2可通过与生物质废物产生的氢反应(130)以产生用于制备化学品和/或燃料的液体原料。例如，在所述CO2与H2的热化学再生中产生的甲醇燃料可用于为适应于以非污染方式燃烧甲醇的汽油发动机和柴油发动机提供动力。美国专利No.6,155,212和No.6,756,140描述了使汽油发动机和柴油发动机适应于燃烧甲醇的装置和技术，所述专利的全部内容以引用方式并入。
如下反应式1和2示出了经由甲醇产生的氢和碳的再利用或回收，其中生物质产生的氢分别与工业过程产生的一氧化碳(CO)和CO2反应。
CO+2H2→CH3OH     (ΔH＝-21.66Kcal/g-mol)  反应式1
CO2+3H2→CH3OH+H2O(ΔH＝-11.83Kcal/g-mol)  反应式2
回收或再利用氢、CO和CO2的所述热化学再生反应通过使用现有的输送发动机和储存罐而使得热化学再生反应(参见如下反应式5)能够产生氢特性的燃料，以获得更长的发动机寿命和更大的燃料效率，以及大大降低的二氧化碳、烃类、氮氧化物和颗粒的排放，从而提供了用于增加过去的设备投资上的财政收益的过渡性技术。
反应式1和2中总结的甲醇合成过程可通过各种步骤实施，包括在95至100大气压和500°F(260℃)下的催化合成(140)。用于反应式1和2的过程的催化剂可包括在制得甲醇或者甲醇和水(如所示)的各种方法合成条件(包括约260℃(500°F)和1500psi)下的铜-锌-氧化物以及铜和铜-锌氧化物的沉积烧结混合物。或者，可取决于所选的压力、温度和催化剂而制得二甲醚(DME)或乙烯或丙烯。
在上述热化学再生(反应式1-2)中所用的氢可由根据如下反应式3和4中总结的过程的生物质离解而制得。生物质废物转化的细节描述于题为“Carbon-Based Durable Goods and Renewable Fuel from Biomass Dissociation”的共同待审的美国专利申请(代理人案号No.69545-9002.US00)中，该专利申请的全部内容以引用方式并入。特别地，反应式3和4总结了在吸热反应中离解烃类(如通过生物质离解所产生的甲烷)以产生氢和碳的过程。
CxHy+热量→xC+0.5yH2                    反应式3
CH4+热量→C+2H2(ΔH298K＝74.9kJ/mol)    反应式4
除了通过烃类(CxHy)化合物的离解共同产生之外，氢可通过使用任何清洁可选择的能源电解分裂水而衍生。而且，氢可衍生自有机材料的非-CO2产生厌氧离解，和/或通过使用诸如风力发电厂、水力发电厂、生物质发电厂、太阳能发电厂，潮汐发电厂、地热发电厂或非峰值核电站的能源而衍生。氢也可从通常腐烂或燃烧的几乎任何生物质废物产生。用于储氢的碳中和液体化合物可由氢和二氧化碳合成。而且，氢可在输送氢的管线处或在接近输送氢的管线的地点产生，或从输送氢的管线递送。
通过如上所述的热化学再生反应(参见反应式1和2)制得的甲醇可为便宜的、可储存的和可输送的。在碳中和储氢操作的一个实施中，甲醇从通常为排放CO2的来源的来源合成。这种CO2可从乙醇工厂、面包厂、啤酒厂、波特兰水泥厂和化石燃烧发电厂捕集，和/或通过大气“清洗”捕集，所述大气“清洗”从一万个空气分子中提取至多约三个二氧化碳分子。
类似于乙醇，甲醇可在常规发动机中以至多20％与汽油共混，并在混合燃料车辆中以至多85％与汽油共混，而不改变车辆或现有输送燃料基础设施。多年来，辛烷值为100的甲醇已用作高性能轿车和赛车的赛车燃料。
醇(如甲醇)作为能量载体的主要用途为经济和能量有利的。例如，1升环境温度下的甲醇比1升液体氢含有更多的氢，所述液体氢必须被保持在-421°F下的储存所中。
图2为通过离解H2-密集燃料混合物而产生氧化燃料和氢燃料的一个示例性方法200的流程图，所述H2-密集燃料混合物通过使来自工业废物的再利用或回收的CO2与来自生物质废物的氢反应而产生。体系(例如如下体系300)从工业过程(210)收获碳供体。用于本文所述的热化学再生的碳供体(如二氧化碳或一氧化碳)可从CO2的易得来源(例如从总发电厂、燃烧烃类的焦化和煅烧操作、啤酒厂和面包厂)收获。所述体系从生物质废物离解(220)获得氢。经收获的CO2可通过与生物质废物产生的氢反应(230)以产生用于制备化学品和/或燃料的液体原料。例如，在所述CO2与H2的热化学再生中产生的甲醇燃料可用于为适应于以非污染方式燃烧甲醇的汽油发动机和柴油发动机提供动力。美国专利No.6,155,212和No.6,756,140描述了使汽油发动机和柴油发动机适应于燃烧甲醇的装置和技术，所述专利的全部内容以引用方式并入。反应式1和2中总结的甲醇合成过程可通过各种步骤实施，包括在95至100大气压和500°F(260℃)下的催化合成(140)。如上所述，用于反应式1和2的过程的催化剂可包括在制得甲醇或者甲醇和水(如所示)的各种方法合成条件(包括约260℃(500°F)和1500psi)下的铜-锌-氧化物以及铜和铜-锌氧化物的沉积烧结混合物。
如反应式5所示，甲醇可在与废热(例如自太阳能碟或发动机废气再投资或回收)和/或水的第二反应中被热化学重整或离解以产生碳的氧化物和氢燃料(240)。
CH3OH+H2O+热量→CO+3H2     反应式5
由发动机、太阳能聚光器或其他通常浪费的来源或可再生来源提供的功率和热量可提供用于产生可再生燃料(如H2-密集燃料)的吸热操作和过程所需的能量或热量(250)。通过引入从通常浪费的热量回收的能量，通过热化学再生而制得的新的燃料种类在燃烧时可释放比最初醇原料多15至25％的能量。
类似于反应式5，低成本燃料和水混合物，如烃类和水与乳化剂或醇，如甲醇和水(如反应式2所示)可被热化学重整为新的燃料种类，如二氧化碳和氢，以用于分离或直接用作注入发动机的燃烧室中的混合物，如反应式6所示。
CH3OH+H2O→CO2+3H2       反应式6
这生成了强得多的燃料-主要是氢。该燃料可在发动机中燃烧(以产生电力和/或用于运输)并产生清洁水作为副产物，如反应式7所示。
CO+3H2+2O2→3H2O+CO2     反应式7
CO2副产物可被收获，并在与由生物质离解所产生的氢的反应中被再利用或回收以连续重复循环(260)。
尽管在燃料电池技术中使用的氢应该是纯的(并因此制备昂贵)，在内燃机中使用的氢可不纯。所述热化学再生的过程使用不纯或脏的氢正如使用昂贵的纯的氢一样有效。例如，由废水、有机废物或污水制得的氢具有有机碳作为杂质。然而，正如防止CO2成为大气污染物一样，源自生物废物的氢提供了另外的益处：从所述便宜且可持续的资源降低污染。在每种情况中，能量可被收获并再利用或回收以产生可再生燃料，否则能量将作为废物损失。
提高反应式6-7的过程的速率的催化剂可包括过渡金属碳化物、过渡金属硼化物和过渡金属氮化物，包括非化学计量混合物和/或具有例如如下近似式的金属间化合物：Fe3C、Co3C、Co3Fe3C2、Mn3C、FeC3、CoC3、CoFeC6、MnFeC6、Mn5C2、MnFeC6、Fe3Cr3C2、Fe3Co2BNC2、Fe3VC2、Fe4NC2、Fe3MoC2和Fe5BNC。
可能需要的是这种过程与电解循环操作，所述电解在电力便宜之时或当剩余电力可得自可再生能量生产的间歇量时进行。因此，可防止比原料密度更小的流体产物膨胀，直至获得所需的压力以用于储存、通过流体管道传送、通过燃烧或催化氧化产生热量，或用于化学过程(如燃料电池或再生电解槽/燃料电池)或物理反应(包括通过增压协助的反应)。
例如，可使海洋应用(如大的货船发动机)利用便宜的石油化学产品(如石蜡)，在旅程结束时所得推进过程产生储存的清洁水和氢。通过利用用于输送的动力，使用来自发动机的废热副产物来推动持续的热化学再生，改进总效率并将废物和污染产物转化为能量载体和生产能。利用这种技术的船舶可被推进，同时制备氢或甲醇以用于为航空器、导弹、无人侦察探测和新型战术武器供给燃料。
在另一方面，本文所述的技术、装置和体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种优点，包括：1)节约了干燥氧化燃料成分或从氧化燃料成分去除水所需的能量；2)通过避免制备和储存无水燃料所需的设备和能量费用而降低燃料制备成本；3)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而降低毒性；4)以及有利于更有力和快速燃烧氢特性的燃料的有利的热化学再生制备(参见如下反应式8、9和/或10)。
图3A为显示了通过与生物质产生的氢反应，而再利用或回收作为废物从工业过程收获的CO2以生成可再生燃料的一个示例性体系300的框图。体系300包括接收生物质废物302的生物质离解体系310，将使用热化学再生过程而将所述生物质废物302离解成碳、烃类、醇、氨和氢。用于离解生物质废物302的热量可包括来自发动机废气、发动机冷却系统等的废热，否则所述废热将被释放至环境。而且，一种或多种可再生能源，如风能、太阳能等可用于产生热量。
低比能氢304(例如来自烃类的离解)从生物质离解体系310捕集并运送至包括加热机构324的H2-密集燃料发生反应器320。H2-密集燃料发生反应器320也接收碳供体，如从工业过程(例如来自化石燃料燃烧或空气的废气)收获的CO2332。H2-密集燃料发生反应器320导致低比能H2与经收获的碳供体(如CO2332)反应以产生H2-密集燃料350，如甲醇。碳供体332可获自空气或工业废物330(例如来自化石燃料燃烧的废气)。
体系300可包括催化剂反应区域340以接收提高H2-密集燃料混合物的产生的一种或多种催化剂。催化剂的实例如上所述。
所产生的H2-密集燃料混合物350为可储存和可输送的。由于H2-密集燃料混合物350携带可输送形式的H2燃料，因此H2-密集燃料混合物用作将能量携带至所需目的地的载体。可通过使用可再生燃料产生体系360离解H2-密集燃料350混合物以获得H2燃料和氧化燃料。
图3B为显示了将生物质废物离解成带有氢和碳的中间体的一个示例性体系310的框图。体系310包括生物质废物摄取组件，如料斗311，其接收未加工形式的生物质废物302，并将原材料分解(例如削片、砍碎、磨碎等)成细分原料，如各种纤维素材料和木质纤维素材料。料斗311可包括加热机构，如热交换器312，以预热所述细分原料。所述热交换器可再捕集并回收来自外部热源(例如发动机废气和/或可再生热量，如风能、太阳能等)或来自生物质离解反应器314本身的废热。
细分(在一些实施中，经预热的)原料313被传送至生物质离解反应器314，以将生物质废物原料离解成碳和氢的可用的可再生来源，如各种烃类、醇、氨和碳的氧化物。反应器可包括干燥机构315以从所述原料驱逐湿气和空气。干燥机构315可包括挤出装置以从所述原料物理“挤出”湿气和空气。所述挤出装置的实例包括螺旋螺杆输送器和压力机活塞输送器。而且，干燥机构315可包括一个或多个加热机构，如热交换器，其捕集由反应器314产生的热量，并回收经捕集的热量以干燥所述原料。所述热交换器也可再捕集并回收来自外部热源(例如发动机废气和/或可再生热量，如风能、太阳能等)的废热。
反应器314也可包括加热机构316，所述加热机构316用于产生厌氧反应中所用的足够热量以将生物质废物原料离解成碳和氢的可用的可再生来源317，如烃类、醇、氨和碳的氧化物。所产生的碳和氢的可用的可再生来源317可被传送至储存和/或输送机构318，以被H2-密集燃料产生反应器320使用以及在产生可再生燃料和/或碳基耐用品319的另外的反应中使用，如在题为“Carbon-Based Durable Goods and Renewable Fuel from Biomass WasteDissociation”的共同待审的美国专利申请中所述，所述专利申请的全部内容以引用方式并入。此外，储存和/或输送机构318允许将碳和氢的可用的可再生来源317有效地输送至外部场所而用于进一步加工。
生物质离解反应器314可构造为增加生物质废物转化过程的热效率，并同时降低或消除二氧化碳形成。例如，生物质离解反应器314可包括进行各种逆流干燥(例如回收热量)，并在提取碳、烃类(如甲烷)和/或氢之前消除空气、湿气和其他氧供体的机构。
图3C为显示了用于产生多用途H2-密集燃料以如上所述分离有害污染物和储存能量的一个示例性体系360的框图。体系360包括接收如上所述产生的H2-密集燃料350的可再生燃料产生反应器362。可再生燃料产生反应器362可包括加热机构364，以施加所需的热量以将H2-密集燃料混合物转化为可再生燃料和营养物366，如碳的氧化物、氢和氮。反应中所用的热量可获自来自发动机废气或冷却系统的废热，否则所述废热将被释放至环境。而且，可在反应中使用来自一种或多种可再生资源(如风能、太阳能、流水、地热等)的热量。另外，所产生的可再生燃料可使用储存和输送机构368(如压力容器或管线)储存和/或输送至其他地点。
图4显示了通过使化石产生的二氧化碳与可再生碳供体反应，而使用经收获的CO2(例如来自化石燃料燃烧废物)作为热化学转化的CO的来源的一种方法400的流程图。体系(例如如下的体系500)可从工业过程收集CO2(410)，所述工业过程包括面包厂、啤酒厂、煅烧厂，以及其他来源，如发电厂、燃料电池和使用碳质燃料的发动机。一氧化碳也可通过总结于反应式8中的过程提供，以用于甲醇制备过程，如由如上反应式1通常所示的那些。所述体系可获得通过总结于如上反应式3和4中的烃类(由生物质废物制得)离解过程而制得的碳供体(420)。来自烃类离解的碳供体可在足够热量的存在下与经收获的CO2反应，以制得热化学转化的CO(430)，如如下反应式8所示。
CO2+C+能量→2CO    反应式8
也可通过利用可冷凝液体燃料成分(如甲醇)递送和提供为此目的的碳供体，以与经收获的CO2反应。可能有利的是利用可再生能源(例如来自生物质的甲烷)提供碳以用于将二氧化碳加工成一氧化碳，如反应式9所示。
CH4+CO2+能量→2CO+2H2    反应式9
在经收获的CO2与生物质废物产生的碳供体的反应中所用的热量可包括来自发动机废气、发动机冷却系统等的废热，否则所述废热将被释放至环境(440)。而且，一种或多种可再生能源，如风能、太阳能等可用于产生热量。
可使用更高压力的氢以加压反应式9的产物，如一氧化碳和氢。而且，更高压力的氢可通过其他能量引发的离解制得，如反应式3、4、10和11通常所示，所述其他能量引发的离解包括电解厌氧培养的酸以及来自有机消化过程和来自水的液体。
C2H4O2+2H2O+能量→2CO2+4H2   反应式10
H2O+能量→0.5O2+H2           反应式11
可加入加压氢或加压且加热的氢(如可通过反应式3、4、10和/或11所示的加压过程制得)以将反应式9的产物加压，从而形成所需的化合物，如反应式12所示的DME燃料或甲醇(450)。
CO+H2+H2→CH3OH    反应式12
由反应式1和12中所总结的过程提供的液体燃料(如甲醇)可易于通过通常用于柴油、汽油和其他醇燃料的设备和系统进行储存、输送、计量和分配。
反应式13显示了离解一氧化碳以提供甲烷的部分氧化而产生甲醇和/或DME的过程步骤，所述一氧化碳例如来自反应式5中所总结的过程的一氧化碳，或来自其他来源的一氧化碳。
CH4+CO+能量→CH3OH+C    反应式13
反应式13所总结的过程可在活性碳上进行，或在活性炭的存在下进行，且当氧用于形成甲醇时所产生的碳可被沉淀以添加这种碳的物料量。所述反应的促进可由反应器提供，所述反应器利用活性碳来吸附在催化剂的协助下或无催化剂的协助下离解的一氧化碳，以释放部分氧化甲烷以形成甲醇的氧。
在经收获的CO2与生物质废物产生的碳供体的反应中所用的热量可包括来自发动机废气、发动机冷却系统等的废热，否则所述废热将被释放至环境(440)。而且，一种或多种可再生能源，如风能、太阳能等可用于产生热量。
来自空气燃烧过程的碳的氧化物(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离或容纳的问题。从反应性离子物种的混合物的进行有价值的制备的另一过程变体由电弧、电晕、微波或辐射电离提供。使一氧化碳(包括由反应式5的过程制得)和氢(包括由反应式3或4的过程制得)以及这种氮的混合物反应，以制得CH3OH和NH3，如反应式14所示。
CO+5H2+N2+能量→CH3OH+2NH3       反应式14
通过该反应或其他反应制得的氨(NH3)可被安全储存和运送，该反应或其他反应利用由反应式3或4的典型过程所产生的氢。这提供了紧凑储存，并可用作氢的前体。氨可以以各种方式储存，包括作为加压液体、盐(如氯化铵)，或在活性介质(如碳)中，且加压可通过供热完成。当氨经过催化剂时，可利用其分解来加压N2和H2产物，包括可由甲醇或湿甲醇共同制得的一氧化碳和氢的加压。
图5为由热化学转化的CO产生可再生燃料的一个示例性体系500的框图，所述热化学转化的CO与来自生物质废物离解的氢反应。体系500包括接收生物质废物302的生物质离解体系310，将使用热化学再生过程而将所述生物质废物302离解成碳、烃类、醇、氨和氢。用于离解生物质废物302的热量可包括来自发动机废气、发动机冷却系统等的废热，否则所述废热将被释放至环境。而且，一种或多种可再生能源，如风能、太阳能等可用于产生热量。
碳供体314(例如来自烃类的离解)从生物质离解体系310捕集并运送至包括加热机构514的CO产生反应器510。碳供体314与从工业过程(例如来自化石燃料燃烧的废气或空气)收获的CO2反应。CO产生反应器510可使碳供体与获自空气或工业过程(例如来自化石燃料燃烧的废气、聚合物厂的废物流等)的经收获的CO2332反应以产生CO 514。
热化学转化的CO 514被传送至包括加热机构324的H2-密集燃料产生反应器320。H2-密集燃料产生反应器320也接收从生物质废物离解体系310收获的氢供体524。H2-密集燃料产生反应器320可使氢供体524(例如低比能H2)与转化的CO 514反应以产生H2-密集燃料550，如甲醇。用于产生H2-密集燃料混合物550的热量可包括来自发动机废气、发动机冷却系统等的废热，否则所述废热将被释放至环境。而且，一种或多种可再生能源，如风能、太阳能、流水、地热等可用于产生热量。
体系500可包括催化剂反应区域540以接收提高H2-密集燃料混合物的产生的一种或多种催化剂。催化剂的实例如上所述。
所产生的H2-密集燃料混合物550为可储存和可输送的。由于H2-密集燃料混合物550携带可输送形式的H2燃料，因此H2-密集燃料混合物用作将能量携带至所需目的地的载体。可通过使用可再生燃料产生体系360离解H2-密集燃料550混合物以获得H2燃料和氧化燃料。
图6为再利用或回收碳和氢的一个示例性体系600的框图。如在反应式1中从烃类离解产生的氢可在发动机602(如燃气轮机或容积式发动机，如旋转式内燃机或活塞发动机)中使用，且所述发动机的输出可被应用至负载，如所示的泵或发电机612。来自发动机602的废气可用作之前公开的吸热反应的供热，和/或其可通过管道630递送至热交换器620，所述热交换器620用于从合适的来源接收热量，所述合适的来源例如可具有任何合适的设计(包括槽、盘或菲涅耳透镜)的太阳能聚光器626。氢可通过管线604供给，所述管线604包括用于从工业园区(所述工业园区由碳制备耐用品，如反应式1所示)地下递送相对较纯的氢的布置，或者氢可以可交换地在与其他燃料(如天然气)的混合物中递送。
来自发动机602的废气可为用于各种其他目的(包括之前描述的吸热过程)的热源，且一部分废气可被太阳镜聚光器626进一步加热以提供用于在发动机(如涡轮机622)中膨胀的高温气体，这种功产生的输出可应用于泵或发电机624。当电力从发电机612通过614递送至606时，由发电机624产生的电力可通过电缆616递送，以通过收集器电缆606进行分配。来自管道604的燃料可通过管线628递送，并通过泵或阀门608控制以用于在发动机622中的燃烧，所述发动机622用于在可得到不足的太阳能以使体系满足电力需求之时进行操作。
取决于功率需求和可得的太阳能，可将另外的工作流体(如空气或水)递送至管道630，以通过使盘626和发动机622的输出达到最大而提供峰值功率。
实际且可用的应用
乙醇工业已发展了甲醇生产的优良的市场机遇。乙醇厂通过发酵过程每年排放数百万吨的CO2。该CO2可易于收集并与氢结合以制备甲醇。5千万加仑/年的乙醇厂将从废CO2排放制备另外3千万加仑的甲醇。这将乙醇厂的生产力提高了60％。
以有竞争性的价格从该过程制备甲醇的关键因素之一是低成本电力。由于大多数乙醇厂具有有利的合同或生产低成本电力，因此这些工厂可得到低成本电力。而且，乙醇厂已在适当位置具有输送和销售基础设施以处理增加体积的液体输送燃料。
在一些实施中，甲醇可用于使乙醇“变性”，从而代替昂贵的汽油。
将所述技术应用于目前在建的新的乙醇厂，可能通过来自乙醇厂的发酵过程的废CO2排放，而在每年提供另外33亿加仑的环境友好的替代燃料。如果应用于现有乙醇厂，该数字可容易地加倍。
在一些实施中，从如上所述的各种工业过程收获的污染的或“脏”的二氧化碳可被清洁并用作温室农作物的营养物(例如与水一起)。另外，经清洁的二氧化碳可用作植物(如藻类)的光合作用中的浮升器或泵。因此，经清洁的二氧化碳可被回收，并作为植物营养物或光合作用反应中的泵而被再利用。
尽管本说明书含有许多特性，但这些不应被解释为对任何发明或所要求保护的范围的限制，而是作为对针对特定发明的特定实施例的特征的描述。在分开的实施例的情况下在本说明书中描述的某些特征也可在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的情况下描述的各种特征也可在分开的多个实施例中实施或以任何合适的次组合实施。此外，尽管特征可如上描述为以某种组合起作用，且甚至最初声称如此，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在某些情况中从所述组合删除，且所要求保护的组合可转化为次组合或次组合的变体。
类似地，尽管在附图中以特定顺序表示操作，但这不应被理解为要求这种操作以所示的特定顺序或按顺序进行或者要求进行所有示出的操作以获得所需结果。在某些情况中，多重任务和并行处理可为有利的。此外，在上述实施例中各种体系组分的分离不应被理解为在所有实施例中要求这种分离。
仅描述了一些实施和实例，可基于在本申请中所描述和示出的内容进行其他实施、增加和变化。例如，可实施所描述的技术、体系和装置以提供从任何含氢和碳的材料中进行碳提取。经提取的碳可用于制造利用太阳能资源、风能资源、流水资源和地热资源的设备，以及比钢强且比铝轻的输送组件。而且，相比于一次性燃烧碳并引发产生的环境污染和温室气体问题，应用这种经提取的碳来制造这些设备可提供清洁许多倍的能量。
就未在之前以引用方式并入本文而言，本申请以全文引用的方式并入如下材料中的每一个的主题：2010年8月16日提交的题为“SUSTAINABLEECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTIONOF RENEWABLE ENERGY，MATERIALS RESOURCES，AND NUTRIENTREGIMES”的美国专利申请No.12/857,553；2010年8月16日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMICDEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUMPRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY”的美国专利申请No.12/857,553；2010年8月16日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FORSUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATEDFULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIALRESOURCES USING SOLAR THERMAL”的美国专利申请No.12/857,554；2010年8月16日提交的题为“ENERGY SYSTEM FOR DWELLINGSUPPORT”的美国专利申请No.12/857,502；2011年2月14日提交的题为“DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTIONDEVICES AND ASSOCIATED METHODS OF OPERATION”的代理人案号No.69545-8505.US00；2010年8月16日提交的题为“COMPREHENSIVECOST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FORTHE PRODUCTION OF ENERGY，MATERIAL RESOURCES ANDNUTRIENT REGIMES”的美国专利申请No.61/401,699；2011年2月14日提交的题为“CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOREFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURALMATERIALS，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的代理人案号No.69545-8601.US00；2011年2月14日提交的题为“REACTOR VESSELSWITH TRANSMISSIVE SURFACES FOR PRODUCINGHYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURAL ELEMENTS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”代理人案号No.69545-8602.US00；2011年2月14日提交的题为“CHEMICAL REACTORSWITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS”的代理人案号No.69545-8603.US00；2011年2月14日提交的题为“THERMAL TRANSFER DEVICE AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS”的代理人案号No.69545-8604.US00；2011年2月14日提交的题为“CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY POSITIONEDDELIVERY AND REMOVAL DEVICES，AND ASSOCIATED SYSTEMSAND METHODS”的代理人案号No.69545-8605.US00；2011年2月14日提交的题为“REACTORS FOR CONDUCTING THERMOCHEMICALPROCESSES WITH SOLAR HEAT INPUT，AND ASSOCIATED SYSTEMSAND METHODS”的代理人案号No.69545-8606.US00；2011年2月14日提交的题为“INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的代理人案号No.69545-8608.US00；2011年2月14日提交的题为“COUPLEDTHERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES，AND ASSOCIATEDSYSTEMS AND METHODS”的代理人案号No.69545-8611.US00；2010年9月22日提交的题为“REDUCING AND HARVESTING DRAG ENERGY ONMOBILE ENGINES USING THERMAL CHEMICAL REGENERATION”的美国专利申请No.61/385,508；2011年2月14日提交的题为“REACTORVESSELS WITH PRESSURE AND HEAT TRANSFER FEATURES FORPRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURALELEMENTS，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS”的代理人案号No.69545-8616.US00；2009年8月27日提交的题为“CARBONSEQUESTRATION”的美国专利申请No.61/237,419；2011年2月14日提交的题为“SYSTEM FOR PROCESSING BIOMASS INTO HYDROCARBONS，ALCOHOL VAPORS，HYDROGEN，CARBON，ETC.”的代理人案号No.69545-9002.US00；2011年2月14日提交的题为“OXYGENATED FUEL”的代理人案号No.69545-9006.US00；2009年8月27日提交的题为“OXYGENATED FUEL PRODUCTION”的美国专利申请No.61/237,425；2011年2月14日提交的题为“MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUEL FORISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY”的代理人案号No.69545-9102.US00；2010年12月8日提交的题为“LIQUID FUELS FROMHYDROGEN，OXIDES OF CARBON，AND/OR NITROGEN；ANDPRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLE GOODS”的美国专利申请No.61/421,189；以及2011年2月14日提交的题为“ENGINEERED FUEL STORAGE，RESPECIATION AND TRANSPORT”的代理人案号No.69545-9105.US00。

Claims (27)

1.一种回收碳以制备可再生燃料的方法，所述方法包括：
在第一场所收获从工业过程排放的二氧化碳；
在厌氧反应下离解生物质废物以产生氢，
其中所述离解生物质废物包括：
在外部场所热化学制备含有低比能氢的烃类作为制备氢的可输送前体，
通过管线将所述热化学制备的烃类从所述外部场所输送至所述第一场所，和
在所述第一场所将所述烃类分离成氢和一氧化碳；以及
在所述第一场所使经收获的二氧化碳与所述生物质废物产生的氢在压力和热量下反应以生成包含氢-密集燃料物质的可再生燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可再生燃料包括醇和醚中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种；且
所述醚包括二甲醚(DME)。
4.根据权利要求3所述的方法，其包括转化DME以产生耐用品的聚合物前体。
5.根据权利要求1所述的方法，其包括加入催化剂以提高可再生燃料的生产。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述催化剂包括铜-锌-氧化物、铜和铜-锌氧化物的沉积烧结混合物中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其包括收获从发动机排出的废热以提供反应中所用的热量。
8.根据权利要求1所述的方法，其包括从可再生能源产生热量，所述可再生能源包括风能、太阳能、流水和地热中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其包括控制热量和压力以产生所选类型的可再生燃料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢由在外部场所的生物质废物的离解产生并通过管线输送。
11.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
清洁经收获的二氧化碳；以及
使用经清洁的二氧化碳作为温室农作物的营养物。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括使用经清洁的二氧化碳作为植物的光合作用中的浮升器，所述植物包括藻类。
13.一种回收碳以制备可再生燃料的方法，所述方法包括：
收获从工业过程排放的二氧化碳；
在厌氧过程中离解生物质废物以产生一氧化碳、一种或多种碳供体和氢；以及
通过使经收获的二氧化碳与生物质废物产生的一种或多种碳供体反应，从而热化学产生转化的一氧化碳和另外的氢；以及
使生物质产生的一氧化碳和热化学转化的一氧化碳与生物质产生的氢和另外的氢在压力和热量下反应而产生可再生燃料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述一种或多种碳供体包括烃类和醇中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述可再生燃料包括醇和醚中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种；且
所述醚包括二甲醚(DME)。
17.根据权利要求16所述的方法，其包括转化DME以产生耐用品的聚合物前体。
18.根据权利要求13所述的方法，其包括加入催化剂以提高可再生燃料的生产。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述催化剂包括过渡金属碳化物、过渡金属硼化物和过渡金属氮化物中的至少一种。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述过渡金属碳化物、过渡金属硼化物和过渡金属氮化物包括Fe3C、Co3C、Co3Fe3C2、Mn3C、FeC3、CoC3、CoFeC6、MnFeC6、Mn5C2、MnFeC6、Fe3Cr3C2、Fe3Co2BNC2、Fe3VC2、Fe4NC2、Fe3MoC2和Fe5BNC中的至少一种。
21.根据权利要求13所述的方法，其包括收获从发动机排出的废热以提供反应中所用的热量。
22.根据权利要求13所述的方法，其包括从可再生能源产生热量，所述可再生能源包括风能源和太阳能源中的至少一种。
23.根据权利要求13所述的方法，其包括控制热量和压力以产生所选类型的可再生燃料。
24.根据权利要求13所述的方法，其中所述氢由在外部场所的生物质废物的离解产生并通过管线输送。
25.根据权利要求13所述的方法，其中离解所述生物质废物包括：
在外部场所热化学制备作为氢的可输送前体的烃类；
通过管线输送烃类；以及
将烃类分离成氢和一氧化碳。
26.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括：
清洁经收获的二氧化碳；以及
使用经清洁的二氧化碳作为温室农作物的营养物。
27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括使用经清洁的二氧化碳作为植物的光合作用中的浮升器，所述植物包括藻类。
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