CN102869754B - 含氧燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于生成含氧燃料的技术、系统、装置和材料。在一个方面，一种自生物质废物产生含氧燃料以用于燃烧系统中的方法包括离解生物质废物以产生一种或多种碳供体。使生物质废物产生的碳供体与氧供体反应以产生包含氧化碳的含氧燃料。使碳供体与氧供体反应包括向碳供体与氧供体的反应施加自外部热源回收的废热。在燃烧系统中燃烧所述含氧燃料。

Description

含氧燃料
优先权要求
本申请要求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的优先权和权益，该申请以全文引用方式并入本文。如果前述申请和/或通过引用并入本文的任何其他材料与本文中给出的公开内容相冲突，以本文中的公开内容为准。
背景技术
本申请涉及与生物燃料相关的装置、技术和材料。
通常，在现代发动机中，化石燃料提供不完全燃烧并产生不利的传热，特别是在汽车发动机应用中。在很大程度上，这是因为发动机的常规运行提供均质充量燃烧并允许正经历燃烧的燃料熄灭，结果热随同污染物排放损失到活塞、气缸壁和盖部件。燃烧熄灭后，部分燃烧的燃料组分离开燃烧室去往排气系统而导致进一步的效率损失和大气污染。在均质充量和柴油机运行二者中，液体燃料液滴必须蒸发并解聚或“裂化”以促进燃烧。这些过程需要来自空气的或来自其他燃料组分的燃烧的热并需要相当多的时间来完成这些事件以便完成燃烧过程。燃烧释放的热中约1/3通过发动机的冷却系统损失掉并通过散热器耗散到环境中。发动机设计为在当热的燃烧气体仍具有相当高的压力时即打开排气阀，因此大量的热和压力势能通过排气系统损失掉。燃烧释放的热中约1/3通过发动机的排气系统损失掉并耗散到环境中。
为了在最低限度上减轻大气污染，燃料供应商已通过加入添加物如甲基叔丁基醚或“MTBE”促进了化石燃料的更完全燃烧；甲基叔丁基醚或“MTBE”为具有式C5H12O的化合物。但由于MTBE所致的地下水水污染，故更新近的做法是加入乙醇；乙醇为具有式C2H5OH的化合物。这类含氧添加剂的浓度为总的燃料混合物的约5％至10％。实践中已发现，这样的以5∶1或2∶1的碳/氧比率的氧添加作为燃烧过程中存在的所有燃料分子的相当小一部分，有助于通过为其他燃料组分的氧化提供氧而促进更完全的燃烧。然而，为努力在最低限度上减轻来自使用添加了乙醇的烃燃料的发动机的空气污染，催化反应器将招致相当大的附加费用。这样的空气污染仍然令人讨厌，特别是在拥挤的城市中，并可能导致或加剧肺病、心脏和循环问题、结构材料的腐蚀及造成温室气体积聚问题。
发明内容
本发明公开了生成用于发动机中以提高燃料效率并防止因燃烧过程对发动机所致的损坏的含氧燃料的技术、结构、装置和材料。
在一个方面，一种自生物质废物产生含氧燃料以用于燃烧系统中的方法包括离解生物质废物以产生一种或多种碳供体。使生物质废物产生的碳供体与氧供体反应以产生包含氧化碳的含氧燃料。使碳供体与氧供体反应包括向碳供体与氧供体的反应施加自外部热源回收的废热；和在充量燃烧系统中燃烧所述含氧燃料。
实施可任选地包括一个或多个如下特征。所述一种或多种碳供体可包括碳，使所述一种或多种碳供体与氧供体反应可包括部分地氧化所述碳以产生一氧化碳和二氧化碳。所述一种或多种碳供体可包括烃和醇，所述氧供体可包括蒸汽。此外，使所述一种或多种碳供体与氧供体反应可包括使烃和醇与蒸汽反应以产生一氧化碳和氢。在燃烧系统中燃烧氧化碳可包括在燃烧系统的燃烧区中提供多层氧化剂和含氧燃料混合物。方法可包括使用自适应控制来控制燃料喷射的时间选择或持续时间。此外，方法可包括使用自适应控制来控制燃料递送压力。燃烧系统可包括分层充量燃烧系统。
在另一个方面，一种自生物质废物产生含氧燃料以用于燃烧系统中的方法包括在厌氧反应下离解生物质废物以产生包含氧化碳和氢的含氧燃料。所述厌氧反应下的离解包括向生物质废物施加自外部热源回收的废热和在燃烧系统中燃烧含氧燃料。
实施可任选地包括一个或多个如下特征。在热化学反应下离解生物质废物可包括除氧化碳之外还产生碳；并使所述碳与氧供体在废热的存在下反应以生成另外的氧化碳。在热化学反应下离解生物质废物可包括除氧化碳之外还产生烃和醇；并使所述烃和醇与氧供体在废热的存在下反应以生成另外的氧化碳。在充量燃烧系统中燃烧氧化碳可包括在燃烧系统的燃烧区中提供多层氧化剂和燃料混合物。方法可包括使用自适应控制来控制燃料喷射的时间选择或持续时间。此外，方法可包括控制充量燃烧系统中的燃料递送压力。燃烧系统可包括分层充量燃烧系统。
而在另一个方面，一种使碳再循环以产生包含氧化碳和氢的含氧燃料的方法可包括采集自工业过程发出的二氧化碳。在厌氧过程下离解生物质废物以为含氧燃料产生一氧化碳和氢并还一道产生一种或多种碳供体。通过使采集的二氧化碳与生物质废物产生的一种或多种碳供体反应以为含氧燃料生成热化学转变的一氧化碳和另外的氢。在燃烧系统中燃烧含氧燃料。
实施可任选地包括一个或多个如下特征。所述一种或多种碳供体可包括烃和醇中的至少一者。在厌氧过程下离解生物质废物可包括施加自外部热源回收的废热。生成热化学转变的一氧化碳可包括施加自外部热源回收的废热。
而在另一个方面，一种使碳再循环以产生可再生燃料的方法可包括采集自工业过程发出的二氧化碳。在厌氧反应下离解生物质废物以产生氢。使采集的二氧化碳与生物质废物产生的氢在压力和热下反应以生成可再生能源。使采集的二氧化碳与生物质废物产生的氢反应中使用的热可包括自外部热源回收的废热。燃烧系统可包括分层充量燃烧系统。
本说明书中描述的主题可潜在地提供一个或多个如下优势。通过在燃烧室前提供含氧燃料，所描述的技术可通过提供更完全的燃烧事件而提高燃料效率。此外，所描述的技术可起到防止通常不完全的燃烧过程所致的发动机损坏及防止与均质充量燃烧相关的传热降级的作用。
此外，所描述的技术和系统可减少或消除二氧化碳、烃、颗粒物和氮氧化物的产生，如下面所述：
A)减少燃料消耗：由于热和相应的燃料效率提高，可减少或消除二氧化碳和烃排放；
B)以燃料为源的碳向含氧燃料组分如一氧化碳的转化将消除烃颗粒物排放；和
C)根据相对于燃烧室几何形状、燃料穿透型式、活塞速度、BMEP需要和每个燃烧室温度的电子监测对燃料喷射和等离子体点火事件的相对时间选择的自适应算法，通过在过剩的空气中燃烧以氢为特征的燃料混合物，导致氮氧化物的形成的峰值燃烧温度可得以消除。
附图说明
图1为用于自生物质废物和工业废物生成含氧燃料的示例性方法的方法流程图。
图2为用于在多燃料环境中选择性地产生含氧燃料的示例性方法的方法流程图。
图3A为框图，示出了用于自生物质废物生成含氧燃料的示例性系统。
图3B为框图，示出了用于将生物质废物离解成氢和携碳中间体的示例性系统。
图4为方法流程图，示出了用于生成热化学转变的一氧化碳以用作含氧燃料的示例性方法。
图5为框图，为用于自热化学转变的CO与来自生物质废物离解的氢的反应生成可再生燃料的示例性系统。
在各个附图中，相似的附图标记和名称指示相似的元件。
具体实施方式
由大分子的混合物作为液体燃料组分制成的常规柴油燃料的点火延迟包括蒸发和裂化这些分子并然后穿透足够的另外的热空气以点火的时间。小的气态分子如氢(H2)和一氧化碳(CO)的延迟要短得多并消除了颗粒物的形成。完成任何燃料的燃烧的时间与蒸发和裂化燃料所需的热、氧化剂的可得性、燃烧所释放的热及热释放被保存的程度有关。为了均衡混合质分子群体中的动能，小分子比大分子具有高得多的速度。在相同的温度下，小分子如氢比较大的分子行进快、穿越更远的距离、更频繁地碰撞且更快地扩散。氢比大多数烃在宽得多的空气-燃料比率范围内燃烧。这加上氢氧化时较高的热释放，正是氢是烃燃料燃烧速度的7至10倍的原因。
本发明公开了生成用于发动机中的含氧燃料以通过在燃烧室前提供所述含氧燃料而提高燃料效率的技术、结构、装置和材料。此外，所述提供含氧燃料的方法可防止因不完全的燃烧过程对发动机所致的损坏。
碳供体的氧合
图1为用于自含氢和碳的物质如生物质废物和工业废物生成含氧燃料的示例性方法100的方法流程图。系统(例如下面的系统300)自生物质离解获得碳供体例如碳、烃或醇(110)。标题为“CARBON-BASEDDURABLE GOODS AND RENEWABLE FUEL FROM BIOMASS WASTEDISSOCIATION”(代理人案卷号：69545-9002.US00)的共同待决美国专利申请描述了用于生物质废物离解的技术和系统，其整个内容通过引用并入本文。简言之，下面的方程式1示出了用于生物质废物离解以产生碳如烃甲烷的示例性一般过程。
CxHyOz+热→CH4+H2+CO2+CO    方程式1
使用方程式1中所述的方法，事实上任何有机材料均可在很大程度上转化为烃燃料如甲烷(CH4)以分配和贮存在现有天然气基础设施中。下面的方程式2示意了自典型的生物质废物如葡萄糖、木质素和纤维素原料生产甲烷的实施例的总反应的一般性总结。
C6H12O6+热→3CH4+3CO2        方程式2
在一些实施中，生物质离解反应可产生醇，如甲醇，作为可易于贮存并输送的液体燃料和化学前体。甲醇或“木醇”可通过加热木质纤维素废物经部分燃烧提取或通过厌氧加热过程提取。方程式3和4总结了可通过选择不同的厌氧操作温度、压力和催化剂获得的甲醇输出。
C6H12O6+热→6CO+6H2        方程式3
6CO+6H2→3CH3OH+3CO        方程式4
所述系统还获得氧供体以氧化碳供体(120)。所述系统使得碳供体与氧供体反应以氧化碳供体而获得所需的含氧燃料(130)。该反应是吸热的，在该反应中在氧合反应中使用的热可采集自发动机排气或冷却系统的废热。所述反应中使用的热也可自可再生能源如风能和太阳能发电机获得。此外，用于风能和太阳能发电机的设备可用基于碳的材料制造，所述基于碳的材料自生物质离解所提取的碳产生。
含氧燃料可用在分层充量燃烧系统例如已改装为这种运行的柴油或汽油发动机中(140)。在一些实施中，燃烧系统可包括分层充量燃烧系统。含氧燃料可通过促进更完全的燃烧而提高燃料效率，此外还可防止通常不完全的燃烧过程所致的发动机损坏。
例如，工业操作或精炼操作可如方程式5-8中一般性地示出的那样通过碳供体的部分氧化或通过碳供体与蒸汽的反应产生加压的二氧化碳、一氧化碳和/或氢。
2C+1.5O2→CO+CO2        方程式5
CH4+H2O+热→CO+3H2              方程式6
CxHy+0.5xO2→xCO+0.5yH2         方程式7
CH4+.5O2→CO+2H2+热2            方程式8
方程式7总结了烃化合物的部分氧化，其可有利于连同氧化碳一道产生氢。方程式8总结了甲烷的部分氧化。方程式7或8的过程中用到的氧可由空气、空气过滤、空气分离过程或通过化合物如水的电解供给，所述电解将氧与另一物质如氢分离开。
在不同压力下对燃烧速率的广泛研究表明，一氧化碳的燃烧速率比氢慢得多。例如参见Hongyan Sun，S.I.Yang，G.Jomaas，和C.K.Law；High-pressure laminar flame speeds and kinetic modeling of carbonmonoxide/hydrogen combustion，Proceedings of the Combustion Institute 31(2007)439-446。但本发明所描述的技术和系统通过最大限度地减少或防止例如氮氧化物的形成而提供了一氧化碳或一氧化碳混合物快得多的燃烧，所述一氧化碳混合物包含其他相对较慢地燃烧的烃组分或具有快得多地燃烧的氢。
通过使用来自混合电源的“非高峰”可再生电或电网供电来电解水或通过在包括用于再生制动以产生电和/或热的装置的车辆上电解以离解化合物(如水)获得优势的先前方法已浪费了氧或向燃料电池或发动机加了氧。本发明通过碳的氧合以产生具有快得多的燃烧特性和结果的燃料或燃料混合物取得了大得多的好处。“氧合”原始燃料中的全部碳的一个重要好处在于，在由燃料喷射器或多燃料喷射器技术实现的燃烧过程(例如分层充量燃烧)中，所有的碳将被快速燃烧而无颗粒物生成。
对于下面方程式9的反应，废煤(coal waste)、锯屑、精炼厂废物、焦油、谷物加工粉尘、森林火灾残骸、来自利用碳化合物的制造过程的颗粒粉尘均是生产氧化碳的合适的来源。
C+H2O+热→CO+H2            方程式9
图2为用于在多燃料环境中选择性地产生含氧燃料的示例性方法200的方法流程图。系统(例如下面的系统300)可自生物质离解接收碳供体(210)。用于生物质离解以获得各种碳供体的方法在上面结合图1给予了描述。所述系统还接收呈氧、蒸汽、水等形式的氧供体(220)。
所述系统使得碳供体与氧供体在放热或吸热反应中反应(例如氧合)(230)。对于多燃料应用，取决于罐中贮存的燃料的化学性质，系统可包括一个或多个热交换器，所述一个或多个热交换器选择性地施加不同程度的热和压力以产生相应的各种以氢为特征的燃料从而改善发动机的运行(240)。例如，可通过添加热使湿甲醇气化并离解以产生氢和一氧化碳，如方程式10中所示。方程式11示出了廉价的湿乙醇或加入氧供体如水进行的吸热重整：
2CH3OH+H2O+热→5H2+CO+CO2    方程式10
C2H5OH+H2O+热→4H2+2CO       方程式11
当含氧的化合物如纤维素和燃料醇通过厌氧分解离解时，如用乙醇原料示意的一般过程在方程式12中示出。
C2H5OH+热→C+CO+3H2          方程式12
通过例如方程式5-12所概括的离解过程，将释放具有直接用在大多数世界现有发动机中所需的质量的氢和一氧化碳。按这样的反应产生的以氢为特征的燃料可用来给发动机加燃料或用作消费者的热力发动机(包括活塞和燃气轮机类型)的低成本燃料。在这样的应用中，可在使用这样的以氢为特征的燃料的同时，使用标题为“Energy Conversion System”的美国专利号6,756,140中描述的燃料喷射器或多燃料喷射器来改善动力产生、洁净空气和延长发动机寿命，所述专利的整个内容通过引用并入本文。
所述选择性地生成的含氧燃料可用在燃烧系统例如改装的汽油或柴油发动机中(250)。在一些实施中，燃烧系统可包括分层燃烧系统。
图3A为框图，示出了用于自生物质废物生成含氧燃料的示例性系统300。系统300包括生物质离解系统310，生物质离解系统310接收待使用热化学再生过程离解成碳供体322如碳、烃、醇、氨和氢的生物质废物302。用来离解生物质废物302的热可包括来自源例如燃料电池和/或发动机排气装置、发动机冷却系统等的否则将被释放到环境中的废热。此外，可使用一种或多种可再生能源如风、太阳等来生成所述热。
自生物质离解系统310接收的碳供体322被转运至含氧燃料发生反应器320，该含氧燃料发生反应器320包括用于加热或冷却机构324的传热系统。含氧燃料发生反应器320还可接收另外的或不同的碳供体，例如采集自工业过程(例如来自化石燃料燃烧的排气或空气)304的CO2326。此外，含氧燃料发生反应器320还自氧供体采集系统330接收氧供体332。
含氧燃料发生反应器320使得所接收的碳供体322和326与所采集的氧供体332反应以生成含氧燃料混合物，所述含氧燃料混合物可包含一氧化碳和氢。具有加热机构324的反应器320进行传热和操作以完成热化学再生从而实现高效反应。系统300还可包括自适应地调节泵(未示出)、阀(未示出)和加热操作的配合的控制器(未示出)，以优化特定的过程和全过程。甲烷可由压力调节泵(未示出)自生物质离解系统310递送至加热机构324，在加热机构324处，其通过与离开含氧燃料发生反应器320的氢和/或一氧化碳逆流热交换而被加热以接近分解温度。
来自发动机的热冷却剂和排气可相继地向一个或多个逆流热交换器(例如加热机构324的一部分)和反应器320供给废热，在反应器320中，可由合适的输送系统包括管线递送的前体如甲烷、石脑油、乙醇或甲醇和/或来自新鲜生物质或化石生物质的其他产物与氧供体332如水和/或氧按方程式6反应产生氢和一氧化碳。
所生成的含氧燃料或混合物328可被贮存在贮存和/或输送系统350处。此外，含氧燃料或混合物328可被送往燃烧系统360，例如改装的柴油发动机。在一些实施中，燃烧系统可包括分层充量燃烧系统。所生成的含氧燃料或混合物328可包含小的气态分子例如氢(H2)和一氧化碳(CO)，其延迟要短得多并消除了颗粒物的形成。如上所述，在相同的温度下，小分子如氢比较大的分子行进快、穿越更远的距离、更频繁地碰撞且更快地扩散。氢比大多数烃在宽得多的空气-燃料比率范围内燃烧。这加上氢氧化时较高的热释放，正是氢是烃燃料燃烧速度的7至10倍的原因。
上面的方程式6(将在下面重示)表明，烃例如甲烷的燃烧所产生的水的量为将甲烷重整成更需要的以氢为特征的燃料所需的水的两倍或三倍。此外，方程式6(从上面重示)和下面的13表明了以下优势：重整烃例如甲烷和燃烧方程式6的所得燃料物质(H2和CO)而在燃烧室的动力行程中产生更多膨胀气体并产生更多用于反应器(例如反应器320)中的重整反应的水。
CH4+H2O+热→CO+3H2                方程式6
3H2+CO+2O2→3H2O+CO2              方程式13
换句话说，用水重整甲烷来制备和燃烧发生炉煤气(氢和一氧化碳)将提供更多的燃烧能和是反应器(例如含氧燃料发生反应器320)中甲烷的吸热重整所需的水的约三倍的产物水。因此，随着水冷凝在反应器的加热机构(例如热交换器324)中，可通过本发明技术和系统的车辆或固定式应用收集充足的水以生成含氧燃料328。这对于使车重最小化来说是非常重要的优势，因为含氧燃料发生反应器320中使用的大部分重量的水通过来自空气的氧与氢或以氢为特征的燃料在发动机中的燃烧获得。因此，每克氢可与八克大气氧化合而提供九克可自发动机的排气收集的水。
在一些实施中，可由一个或多个利用热化学再生原理来提高热效率的热力发动机提供用于推进和制造操作的动力。例如，可使用热交换器采集和再循环发动机燃烧所释放的热。此外，含氧燃料的燃烧所生成的蒸汽可用在方程式6的反应中以氧化碳供体326和322。因此，燃烧含氧燃料328的发动机或反应器的废热和水副产物(例如蒸汽)二者均可被再循环以增强厌氧(例如热化学或水的电解)反应。
系统300还可包括过滤/沉淀系统340以过滤碳供体如甲烷或其他烃和燃料组分，从而移除含硫物质如有气味的物质、硫化物和金属有机物。当希望存在有气味的物质时，可在过滤后自浓缩源向碳供体中按所需的量计量加入适宜的有气味的物质。例如，流体泄漏的半导体检测器可在比常可通过闻有气味的物质检测的浓度远低得多的浓度下作业。
图3B为框图，示出了用于将生物质废物离解成氢和携碳中间体的示例性系统310。系统310包括生物质废物引入部件如料斗311，该生物质废物引入部件接收未加工形式的生物质废物302并将所述原料破碎(例如削、剁、碾等)成细分的原料如各种纤维素和木质纤维素材料。料斗311可包括加热机构，如热交换器312，以预热细分的原料。所述热交换器可再捕集和再循环来自外部热源(例如发动机排气和/或可再生热例如风、太阳等)或来自生物质离解反应器314自身的废热。
细分的(在一些实施中，经预热的)原料313被转运至生物质离解反应器314，以将所述生物质废物原料离解成有用的碳和氢的可再生源，例如各种烃、醇、氨和碳氧化物。所述反应器可包括干燥机构315以从原料驱除水分和空气。干燥机构315可包括挤压装置以从原料物理地“挤出”水分和空气。挤出装置的实例包括螺旋输送器和压力机活塞输送器。干燥机构315也可包括一个或多个加热机构，例如捕集反应器314所生成的热并再循环所捕集的热以干燥原料的热交换器。所述热交换器也可再捕集和再循环来自外部热源(例如发动机排气和/或可再生热如风、太阳等)的废热。
反应器314还可包括加热机构316以生成足够的热用于将生物质废物原料离解成有用的碳和氢的可再生源317如烃、醇、氨和碳氧化物的厌氧反应中。生成的有用的碳和氢的可再生源317可被转运至贮存和/或输送机构318以供含氧燃料发生反应器320使用及用在其他反应中以生成可再生燃料和/或基于碳的耐用品319，如标题为“Carbon-Based Durable Goods andRenewable Fuel from Biomass Waste Dissociation”(代理人案卷号：69545-9002.US00)的共同待决美国专利申请中所述，该申请的整个内容通过引用并入本文。此外，贮存和/或输送机构318可将有用的碳和氢的可再生源317高效输送至远处以便进一步加工。
生物质离解反应器314可构造为提高生物质废物转化过程的热效率，同时减少或消除二氧化碳的形成。例如，生物质离解反应器314可包括用以进行各种逆流干燥(例如再循环热)及在提取碳、烃(例如甲烷)和/或氢之前消除空气、水分和其他氧供体的机构。
所述技术和系统通过允许大量的水与如通过破坏蒸馏、一氧化碳与氢的合成和/或通过发酵和蒸馏所产生的醇保持混合，而允许利用来自成本低得多的生产方法的生物质醇。这可实现更有利的能源经济学，因为产生湿醇比产生干醇需要的能量和资本设备要少。此外，其便于利用来自发动机的废热来以吸热方式产生氢和一氧化碳燃料衍生物并比干醇原料多释放多至25％的燃烧能。氢所提供的更快、更洁净的燃烧特性还带来其他好处。通过利用燃料喷射器或多燃料喷射器来计量和点燃这样的以氢为特征的衍生物燃料作为未节流空气中的分层充量，将获得比干醇的均质充量燃烧超过40％的总体燃料效率提高。
热化学转变的一氧化碳
在另一方面，当可例如自化石燃料发电厂的烟道气得到大量的二氧化碳源时，可如美国专利号6,984,305中所公开的那样采集、分离和纯化这样的二氧化碳，所述专利的整个内容通过引用并入本文。图4为方法流程图，示出了用于生成热化学转变的一氧化碳以用作含氧燃料的示例性方法400。系统(例如系统500)自如上所述工业过程采集CO2(410)。所述系统还采集碳供体(例如自生物质离解)(420)。通过使化石产生的二氧化碳与可再生的碳供体(例如来自生物质离解)如方程式14中所示反应，自工业过程采集的CO2可以被改变用途(repurposed)并作为热化学转变的CO的源而再循环。
CO2+C→CO        方程式14
最后，这样的CO2和碳废物在厌氧环境中充分加热以释放所需的气体、碳和固体残余物如矿物氧化物和其他化合物(430)。生成热化学转变的一氧化碳的反应中使用的热可自发动机排气或冷却系统的废热获得(440)。也可使用来自可再生资源如风能或太阳能发电机的热或能量。如上面关于图1所述，甚至用于可再生能产生的设备也可用提取自生物质离解的碳制造。
热化学转变的CO可作为含氧燃料混合物用在发动机(例如燃烧系统)如分层充量发动机中(450)。
图5为框图，为用于自热化学转变的CO与来自生物质废物离解的氢的反应生成可再生燃料的示例性系统500。系统500包括生物质离解系统310，生物质离解系统310接收待使用热化学再生过程离解成碳、烃、醇、氨和氢的生物质废物302。用来离解生物质废物302的热可包括来自发动机排气装置、发动机冷却系统等的否则将被释放到环境中的废热。此外，可使用一种或多种可再生能源如风、太阳等来生成所述热。
自生物质离解系统310，碳供体322(例如来自烃的离解)被捕集并转运至一氧化碳(CO)发生反应器510，一氧化碳(CO)发生反应器510包括加热机构512。碳供体322与采集自工业过程(例如来自化石燃料燃烧的排气或空气)520的CO2522反应。CO发生反应器510可使得碳供体322与采集的CO2522反应以生成热化学转变的CO 514。
热化学转变的CO 514被转运至发动机520并用作含氧燃料。热化学转变的CO 514也可在贮存容器530处贮存和输送。
在一些实施中，可包括电解器来供给氧以便加压或加到热交换器中的加压组分中，以氧化一部分一定量的原料和/或提供这类燃料组分的部分氧化并补充可由自源如太阳、发动机夹套热和排气热的热交换得到的热。此外，来自含氧燃料发生反应器320或热化学转变的CO发生反应器510内的反应的热可被再循环作为上述吸热过程和/或放热反应所用的热的一部分。
CO和H2的分离及贮存
由方程式8-10的反应产生的氢可通过合适的分离系统与一氧化碳分离并贮存在蓄能器30中，如在分离器(未示出)中扩散通过膜或通过压力摇摆吸附或温度摇摆吸附，蓄能器30可以是美国专利6,446,597和6,503,584中所公开的类型，所述专利的整个内容通过引用并入本文。一氧化碳可被贮存在另一蓄能器中并可用作发动机520中的燃料或用作燃料喷射器和火花点火器的燃料源，从而为加速反应器320和510中的热化学再生提供补充的热。这样的操作将促进相对较纯的氢独立于CO的应用。
切实有用的应用：燃料喷射器或多燃料喷射器，以实现高效的发动机 运行
所述用于生成含氧燃料(例如CO或CO+H2)的技术可应用于实施燃料喷射器或多燃料喷射器的发动机，所述燃料喷射器或多燃料喷射器可能与美国专利3,830,204、4,066,046、5,343,699、6,155,212、6,446,597、6,756,140或7,628,137中所公开的一体式燃料喷射和火花点火装置相似，这些专利的整个内容通过引用并入本文。此外，可实施多燃料喷射器技术以提供呈现多燃料以供点火和燃烧的过程，所述多燃料可包括一氧化碳、一氧化碳与其他燃料组分的混合物或一氧化碳与非燃料物质的混合物，或者在替代方案中可包括其他燃料选择如柴油燃料、汽油、丙烷、燃料醇、湿燃料醇、添加了碳供体的湿燃料醇、或氢，以使燃烧过程比先前的方法所可能的快得多地完成。可在燃料燃烧系统的燃烧区中提供多层氧化剂和燃料。多个直接燃料喷射的强制点火以在不同的区中形成由空气或其他合适的氧化剂如氧所分离的扁平饼层，可使燃烧过程快得多地完成。多燃料喷射可用控制器加以控制，所述控制器为压电或电磁或液压或气动阀操作提供驱动信号以向发动机的燃烧室递送燃料。
随着燃料进入燃烧室、在燃料进入燃烧室的过程中或在燃料已进入燃烧室后，所述控制器可随后提供驱动信号以点燃一层或多层燃料。这样的点火可由火花或由超过一个火花的爆发或通过连续施加火花等离子体实现，并可在系统内经过或未经过催化燃料改造或在进入燃烧室的燃料入口位置处有或无催化点火的情况下应用。所述控制器可通过无线通讯或通过测量导线接收关于燃烧室中燃料引入和/或点火和/或燃烧事件所致的压力和/或温度的信息。所述控制器可控制通过导管向燃烧室递送燃料的压力，并还可通过无线通讯和/或通过导线或类似的通讯方法接收流量信息。
此外，可提供自适应控制以通过控制器控制每次燃料喷射的时间选择和持续时间、每次点火的时间选择和持续时间及燃料递送压力，以产生恒定的rpm、所需的加速或减速、最大的燃料经济性、或最少的氮氧化物、或使一个或多个发动机部件如活塞、阀、气缸壁或活塞环处于一定的工作温度。
因此，每卡路里或BTU(英热单位)可产生较高的扭矩以取得较高的燃料效率并防止氮氧化物的形成。通过在更靠近上死点(TDC)处、在上死点处或在上死点后选择时间点火实现更快的燃烧过程而提供每BTU较高的扭矩。因此，所得的较高的表面/体积比率使得燃烧燃料的饼层之间和周围的空气可比使用先前的技术所可能的快得多地加热。
通过局部点燃富燃料的混合物，其使燃烧传播到局部富空气的混合物中而限制这样的区的峰值燃烧温度于2200℃(4000°F)，由此，氮氧化物得以大大减少或防止。更快地完成多个分层充量燃烧还提供其他好处：通过减少形成氮氧化物的时间而防止氮氧化物的形成，并减少或消除可能形成的任何氮氧化物引起的熄灭。
另一重要好处在于，氢可通过再生制动或应用非高峰电与随后的碳氧合一道共同产生。氢是化石燃料如甲烷、辛烷、丙烷、乙烷和柴油燃料组分燃烧速度的7-10倍。在于相对较高频率例如3,000至15,000rpm(转/分)下运行的发动机上的应用中，可利用以完成燃烧的时间非常少，故可在需要快速燃烧过程时使用氢。多个分层锥形燃料充量或这样的多个分层锥形燃料充量之间的“燃料饼”与空气层或富空气层或氧层或富氧层的更扁平堆叠或燃料饼的更扁平堆叠将加快所有燃料选择的燃烧的完成，但使用氢的高速发动机的运行特别受益。在相对较低的活塞速度下，可通过导管递送较慢燃烧的燃料如甲烷、乙烷、丙烷、辛烷、汽油或燃料醇。在较高的活塞速度下，可加入较快燃烧的燃料以补充或替换这类较慢燃烧的燃料。示意性地，可通过导管递送氢或氢与一氧化碳的混合物以添加至或替换较慢燃烧的燃料选择。
发动机产生的功率(可以马力“HP”量度)等于制动平均有效压力“BMEP”或“P”、提供扭矩的活塞行程长度及频率或每单位时间的运行循环数“N”的乘积。
HP＝PLAN                方程式15
如方程式15中所概括的，因P增加，可产生更高的功率，且更快地完成燃烧将使得N也增加，以在需要时由齿轮减速提供额外的功率或更大的扭矩。此外，与原始燃料燃烧时将释放的热相比，较快燃烧的氧化碳和氢可向燃烧室递送更多的热。
计算机辅助控制件和部件提供的内燃机中传统和替代燃料的直接喷射和火花点火可为烃燃料的能量转化效率提供重要的改进并使得可以利用较低成本的可再生燃料(包括氢、甲烷和氧化碳)而不管辛烷值或十六烷值如何。使用需要远更高的燃料流量以提供与柴油燃料相同的热值的气态燃料如天然气、可再生甲烷或氢，燃料喷射或多燃料喷射可提供标称功率产生。自适应电子控制件监测曲轴加速度、气缸压力和活塞速度以最大限度地减少所有工作循环(包括起动、惰速调整、加速、瞬间操作、巡航、频数配合和全功率输出)中的燃料使用。每个燃料喷射和点火事件均被监测和调节以在选定的工作循环内产生最大的扭矩。变量为燃料喷射、火花点火的时间选择及喷射的燃料的量。
切实有用的应用：热化学再生
在热化学再生过程中可以利用或组合热化学再生和/或再生制动能，以自烃燃料和氧供体如甲醇和/或水产生更高的燃料值。自冷却和排气系统和/或再生制动回收的热自烃燃料或水产生氢并通过包括气化和形成气态燃料物质的吸热步骤转化烃和合适的氧供体，所述气态燃料物质在燃烧时比原始的烃前体燃料产生更高的能量。
切实有用的应用：减排的高效改进
如上所述，由大分子的混合物作为液体燃料组分制成的常规柴油燃料的点火延迟包括蒸发和裂化这些分子并然后穿透足够的另外的热空气以点火的时间。小的气态分子(例如H2和CO)的延迟要短得多并消除了颗粒物的形成。完成任何燃料的燃烧的时间与热释放、氧化剂的可得性和所释放的热被保存的程度有关。为了均衡混合质分子群体中的动能，小分子比大分子具有高得多的速度。在相同的温度下，小分子如氢比较大的分子行进快、穿越更远的距离、更频繁地碰撞且更快地扩散。氢比大多数烃在宽得多的空气-燃料比率范围内燃烧。这加上氢氧化时较高的热释放，正是氢是烃燃料燃烧速度的7至10倍的原因。
增大BMEP以改进额定比功率：增大BMEP的一种方法是制备更快地燃烧的燃料组分以允许动力行程过程中的压力增长，从而减少压缩行程过程中的后援工作(backwork)。可逆理论循环效率不受压力的影响，但实际的循环效率在很大程度上受压力的影响，因为压力越高，燃烧过程越快，非绝热正位移发动机中压缩过程的后援工作和热损失减少。
CxHy的反应速率通常比较小的H2和CO分子慢得多，其中，小分子的表面/体积比率大于较大的烃。使烃中的碳反应的第一步是吸热反应，在该吸热反应中需要热以自碳释放氢以便碳被氧化。随后，更大部分由烃源碳燃烧所释放的热来自一氧化碳被氧化形成二氧化碳的步骤，如方程式16-17所示：
C+0.5O2→CO    -47,517BTU/摩尔      方程式16
CO+0.5O2→CO2  -121，666BTU/摩尔    方程式17
所述技术可为吸热反应提供来自冷却流体和排气系统的传热以制备游离氢和充分氧化的碳如一氧化碳。这可提供改进的系统效率、减少维护并延长发动机寿命，因为较少的热自这些快燃燃料传至活塞、环、气缸壁和阀组件。
除再生制动产生的氢外，发动机冷却夹套温度足以为吸热的热化学再生过程步骤提供显著的热添加。排气温度基本上足以在较高的温度下添加热以完成烃原料(包括液体和较低成本的气态燃料，如填埋场甲烷)的吸热反应，如上面所述的方程式6、13(在下面重示)和方程式18所示：
CH4+H2O+热8→CO+3H2            方程式6
CO+3H2+2O2→CO2+3H2O+热9       方程式13
CH4+2O2→CO2+2H2O+热10         方程式18
方程式18在恒压下的反应热为-344,940BTU/摩尔。在方程式13所示的燃烧过程中，3摩尔氢的发热量为3(-103,968BTU/摩尔)＝-311,904BTU，燃烧CO的发热量为1(-121,666BTU/摩尔)＝-121,666BTU，总的发热量为-433,570BTU。此为较低热值，不包含3摩尔水的冷凝热。与方程式18相比，方程式13比直接燃烧甲烷多产生-88,630BTU能量。因此，将有多约25％的燃烧能被递送用于做功。热化学再生不要求在高温下使用新的燃料物质，而新的物质可再生地向热化学过程传热。将甲烷和水重整为氧化碳和氢所用的热8可包括自发动机的冷却系统传递的热、自发动机的排气系统传递的热，并可还包括由碳供体燃料的部分氧化所贡献的热。
切实有用的应用：用作分离污染物的溶剂的H2-密集燃料的离解
在一些实施中，自生物质离解产生的氢与自工业过程采集并改变用途的CO2的反应产生的甲醇水溶液也可用作为功能性氢供体和碳供体的可溶有机物的溶剂。例如，热化学再生可利用来自可再生能源、燃料电池或热力发动机的废热及廉价的“湿”液体混合物或者可含可溶的碳或各种有机物，其在方程式19中以“C”示出。
CH3OH+H2O+C+热→2CO+3H2            方程式19
方程式18的甲烷在恒压下的反应热为-344,940BTU/摩尔。但在方程式19中，三摩尔氢的发热量为3(-103,968BTU/摩尔)＝-311,904BTU，燃烧2CO的发热量为2(-121,666BTU/摩尔)＝-243,332BTU，总的发热量为-555,236BTU。此为较低热值，不包含3摩尔水的冷凝热。与方程式18(产生-344,940)相比，其比直接燃烧初始原料甲烷多产生-210,296BTU能量。因此，将有多约60％的燃烧能被递送用于通过发动机做功。热化学再生不要求在高温下使用新的燃料物质，而新的物质可再生地向热化学过程传热。
合适的可溶碳供体包括食品加工废物、纸加工废物、谷物粉尘、糖浆残余物、甘蔗渣和化石燃料工业的各种残余物(包括煤尘、石油焦和焦油废物)。
因此，取决于湿甲醇中可溶有机物的载量，将有多约25％至60％的热被递送至燃烧室并可通过燃料喷射器或多燃料喷射器以分层燃烧物的多个堆叠更快地燃烧并通过自适应地控制初始燃料喷射和点火的时间选择、每次后续燃料喷射和点火的时间选择及每次燃料喷射的燃料压力消除颗粒物和氮氧化物而得到更高效的利用。
虽然本说明书包含许多详细说明，但其不应理解为对任何发明范围或可要求保护的范围的限制，而是对特征的描述，这些特征对于特定发明的特定实施例来说可能是特有的。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合地实施。反过来，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可在多个实施例中分别地或以任何合适的子组合实施。此外，虽然特征可能在上面描述为以一定的组合产生效果，甚至最初主张的是这样，但来自所主张的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从所述组合删去，所主张的组合可涉及子组合或子组合的变型。
类似地，虽然操作在附图中以特定的顺序示出，但这不应理解为要求这类操作以所示的特定次序或以相继的次序执行，也不应理解为要求所有所示操作均被执行以获得期望的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能有利。此外，上述实施例中各种系统部件的分离不应理解为在所有实施例中均要求这样的分离。
本文中仅描述了少许实施和实例，可基于本申请中的描述和示意产生其他实施、增强和变型。
在先前未通过引用并入本文的意义上，本申请以全文引用方式并入每个如下资料的主题：2010年8月16日提交的标题为“SUSTAINABLEECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGR ATED PRODUCTIONOF RENEWABLE ENERGY，MATERIALS RESOURCES，AND NUTRIENTREGIMES”的美国专利申请号12/857,553；2010年8月16日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR SUSTAINABLE ECONOMICDEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED FULL SPECTRUMPRODUCTION OF RENEWABLE ENERGY”的美国专利申请号12/857,553；2010年8月16日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODSFOR SUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGHINTEGRATED FULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLEMATERIAL RESOURCES USING SOLAR THERMAL”的美国专利申请号12/857,554；2010年8月16日提交的标题为“ENERGY SYSTEM FORDWELLING SUPPORT”的美国专利申请号12/857,502；2011年2月14日提交的标题为“DELIVERY SYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVEEXTRACTION DEVICES AND ASSOCIATED METHODS OFOPERATION”的代理人案卷号69545-8505.US00；2010年8月16日提交的标题为“COMPREHENSIVE COST MODELING OF AUTOGENOUSSYSTEMS AND PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF ENERGY，MATERIAL RESOURCES AND NUTRIENT REGIMES”的美国专利申请号61/401,699；2011年2月14日提交的标题为“CHEMICAL PROCESSES ANDREACTORS FOR EFFICIENTLY PRODUCING HYDROGEN FUELS ANDSTRUCTURAL MATERIALS，AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS”的代理人案卷号69545-8601.US00；2011年2月14日提交的标题为“REACTOR VESSELS WITH TRANSMISSIVE SURFACES FORPRODUCING HYDROGEN-BASED FUELS AND STRUCTURALELEMENTS，AND ASSOCIATED 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 ASSOCIATEDSYSTEMS 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.US000；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 CHEMICALREGENERATION”的美国专利申请号61/385,508；2011年2月14日提交的标题为“REACTOR VESSELS WITH PRESSURE AND HEATTRANSFER FEATURES FOR PRODUCING HYDROGEN-BASED FUELSAND STRUCTURAL ELEMENTS，AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS”的代理人案卷号69545-8616.US00；2009年8月27日提交的标题为“CARBON SEQUESTRATION”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；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；2011年2月14日提交的标题为“MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUEL FOR ISOLATINGCONTAMINANTS AND STORING ENERGY”的代理人案卷号69545-9102.US00；2010年12月8日提交的标题为“LIQUID FUELS FROMHYDROGEN，OXIDES OF CARBON，AND/OR NITROGEN；ANDPRODUCTION OF CARBON FOR MANUFACTURING DURABLEGOODS”的美国专利申请号61/421,189；和2011年2月14日提交的标题为“ENGINEERED FUEL STORAGE，RESPECIATION AND TRANSPORT”的代理人案卷号69545-9105.US00。

Claims (17)

1.一种自生物质废物产生含氧燃料以用于燃烧系统中的方法，所述方法包括：
离解所述生物质废物以产生一种或多种碳供体；
使所述生物质废物产生的碳供体与氧供体反应以产生包含氧化碳的所述含氧燃料，其中所述反应包括：
向所述碳供体与氧供体的反应施加自外部能源回收的能量；和
在分层充量燃烧系统中燃烧所述含氧燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种碳供体包括碳；和
其中所述反应包括部分地氧化所述碳以产生一氧化碳和二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述一种或多种碳供体包括烃和醇，所述氧供体包括蒸汽；和
其中所述反应包括使所述烃和醇与所述蒸汽反应以产生一氧化碳和氢。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在所述分层充量燃烧系统中燃烧所述含氧燃料还包括：
在所述分层充量燃烧系统的燃烧区中提供氧化剂和所述含氧燃料。
5.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
使用自适应控制来控制燃料喷射的时间选择或持续时间。
6.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
使用自适应控制来控制燃料递送压力。
7.一种自生物质废物产生含氧燃料以用于燃烧系统中的方法，所述方法包括：
在厌氧反应下离解所述生物质废物以产生包含氧化碳和氢的所述含氧燃料，其中在所述厌氧反应下的所述离解包括向所述生物质废物施加自外部热源回收的废热；和
在所述分层充量燃烧系统中燃烧所述含氧燃料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中在厌氧反应下离解所述生物质废物包括除氧化碳之外还产生碳；和
还包括使所述碳与氧供体在废热的存在下热化学反应以生成另外的氧化碳。
9.根据权利要求7所述的方法，其中在厌氧反应下离解所述生物质废物包括除氧化碳之外还产生烃和醇；和
还包括使所述烃和醇与氧供体在废热的存在下热化学反应以生成另外的氧化碳。
10.根据权利要求7所述的方法，其中在所述分层充量燃烧系统中燃烧所述氧化碳还包括：
在所述分层充量燃烧系统的燃烧区中提供多层氧化剂和所述含氧燃料。
11.根据权利要求10所述的方法，其还包括：
使用自适应控制来控制燃料喷射的时间选择或持续时间。
12.根据权利要求10所述的方法，其还包括：
控制所述充量燃烧系统中的燃料递送压力。
13.一种使碳再循环以产生包含氧化碳和氢的含氧燃料的方法，所述方法包括：
采集自工业过程发出的二氧化碳；
在厌氧过程下离解生物质废物，以为所述含氧燃料产生一氧化碳和氢以及一种或多种碳供体；
通过使所述采集的二氧化碳与所述生物质废物产生的一种或多种碳供体反应，以为所述含氧燃料生成热化学转变的一氧化碳和另外的氢；以及
进行如下中的至少一者：
在燃料电池中利用所述燃料的至少一种组分，和
在燃烧系统中燃烧所述含氧燃料。
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和醇中的至少一者。
15.根据权利要求13所述的方法，其中在所述厌氧过程下离解所述生物质废物包括施加自外部热源回收的废热。
16.根据权利要求13所述的方法，其中生成所述热化学转变的一氧化碳包括施加自外部热源回收的废热。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述燃烧系统包括分层充量燃烧系统。
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