CN102906226A - 工程化的燃料贮存、再造和运输 - Google Patents

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Abstract

公开了将生物质热化学再生成可再生的工程化的燃料、贮存可再生的工程化的燃料、再造可再生的工程化的燃料和运输的技术、系统和材料。在一个方面，一种方法包括：在低海拔的第一位置处，从生物质离解产生低密度氢燃料。通过在不添加压力能量的情况下从第一位置移动至第二位置，所述低密度氢燃料在管线中自运输至第二位置，所述第二位置处于比所述第一位置更高的海拔处。通过使低密度氢燃料与收获自工业废物的碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种反应，在更高海拔的第二位置处产生高密度氢载体。在提供压力或动能的同时，将所述高密度氢载体递送至第三位置，所述第三位置具有比第二位置更低的海拔。

Description

工程化的燃料贮存、再造和运输
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。
工程化的燃料(诸如纯的氢和甲烷气体)难以储存和运输，且储存和运输的成本较高。例如，加压氢和/或甲烷和其它产物所需的压缩机可能涉及相当大的资金支出、电和伴随的温室气体产生的大量开支以及高昂的运行成本。此外，用于运输加压的氢和/或甲烷的管线经常蒙受昂贵的维护和修复成本。
除了压缩气体燃料形式以外，可以将氢转化成低温液体或稀浆进行贮存。通常在大气压下在-420°F(-252℃)储存液体氢，且经常通过无保护的递送管线进行运输，所述管线的一部分可能由于大气水蒸气凝结和冷冻而被损伤。低温甲烷的贮存和运输面临类似的成本。
此外，氢和甲烷的高昂的贮存和运输成本遇到低能量密度。例如，1加仑的在-256℃的低温液体甲烷会提供89,000英国热量单位/加仑的能量密度，这比1加仑的汽油少约28％。在-252℃的液体氢仅提供约29,700英国热量单位/加仑，或比汽油少76％。
发明内容
公开了用于将生物质热化学再生成可再生的工程化的燃料、贮存产生的可再生的工程化的燃料、再造(respeciation)可再生的工程化的燃料和运输的技术、结构、装置和材料。
在一个方面，运输可再生燃料的方法可以包括：在低海拔的第一位置处，从生物质离解产生低密度氢燃料。所述低密度氢燃料可以在管线中自运输至第二位置，所述第二位置处于比所述第一位置更高的海拔处。无需添加能量或压力，所述低密度氢燃料从第一位置移动至第二位置。通过使低密度氢燃料与碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种反应，在更高海拔的第二位置处产生高密度氢载体。在提供压力或动能的同时，将所述高密度氢载体递送至第三位置，所述第三位置具有比第二位置更低的海拔。
实现可以任选地包括下述特征中的一个或多个。产生低密度氢燃料可以包括：施加从外部能源回收的废热或从可再生的能源产生的热。所述高密度氢载体可以包括烃、醇和氨中的至少一种。所述烃可以包括甲烷和乙烷中的至少一种。所述醇可以包括甲醇和乙醇中的至少一种。所述碳供体可以包括二氧化碳，且所述氢供体可以包括水。所述方法可以包括：将有害污染物溶解在所述高密度氢载体中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离出有害污染物。所述液体混合物可以控制蒸气压或蒸气压的可用性。所述方法可以包括：将热量施加于所述液体混合物，以产生氧化的燃料混合物，所述燃料混合物的氢与碳之比高于高密度氢载体。所述方法可以包括：无需添加能量或压力，在管线中将从所述液体混合物产生的氢运输至第四位置，所述第四位置处于比第三位置更高的海拔。所述方法可以包括：将热量施加于所述高密度氢载体，以产生氧化的燃料，所述燃料的氢与碳之比高于所述高密度氢载体。所述方法可以包括：无需添加能量或压力，在管线中将从高密度氢载体产生的氢运输至第四位置，所述第四位置处于比第三位置更高的海拔。所述碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种可以收获自工业废物。
在另一个方面，运输可再生燃料的管线系统可以包括：在低海拔的第一位置处的生物质转化工厂，以从生物质离解产生低密度氢燃料。第一管线将所述生物质转化工厂连接至具有比第一位置更高海拔的第二位置。在没有增加的压力能量下，所述低密度氢燃料在管线内从第一位置移动至第二位置。热化学反应器连接至更高海拔的第二位置，以产生高密度氢载体。所述热化学反应器使所述低密度氢燃料与碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种反应。第二管线将所述热化学反应器连接至具有比第二位置更低海拔的第三位置。利用由高密度氢载体产生的压力或动能中的至少一种，将所述高密度氢载体递送至所述第三位置。
实现可以任选地包括下述特征中的一个或多个。所述热化学反应器可以包括逆流热交换器，以施加从外部能源回收的废热或从可再生的能源产生的热。所述高密度氢载体可以包括烃、醇和氨中的至少一种。所述烃可以包括甲烷和乙烷中的至少一种。所述醇可以包括甲醇和乙醇中的至少一种。所述碳供体可以包括二氧化碳，且所述氢供体可以包括水。所述管线系统可以包括连接至热化学反应器的污染物回收系统。所述污染物回收系统可以构造成收获有害污染物；并将收获的有害污染物溶解在高密度氢载体中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离出有害污染物。所述液体混合物可以控制蒸气压或蒸气压的可用性。使用由所述液体混合物产生的压力和动能中的至少一种，可以将所述液体混合物在第二管线中运输至第三位置。所述管线系统可以包括连接至所述第三位置的第二热化学反应器，以使用厌氧反应离解所述液体混合物，产生氧化的燃料混合物，所述燃料混合物的氢与碳之比高于高密度氢载体。所述管线系统可以包括连接至第二热化学反应器的第二逆流热交换器，以向所述液体混合物施加热量，产生氧化的燃料混合物。所述管线系统可以包括连接第二热化学反应器的第三管线，所述第二热化学反应器处于比所述第三位置更高海拔的第四位置，无需添加能量或压力。碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种可以收获自工业过程。
在本说明书中描述的主题潜在地可以提供下述优点中的一个或多个。例如，所述的技术和系统可以用于避免压缩或低温冷冻生物燃料(诸如氢和甲烷燃料)的高成本。另外，可以避免与维护用于运输气态和液化氢燃料的管线有关的成本。所述技术可以用于选择性地再造(respeciate)给定的可再生燃料，实现有效的贮存和运输。
附图说明
图1是在一个位置从生物质废物产生可再生燃料、并选择性地再造产生的可再生燃料用于贮存和/或运输至另一个位置的一个示例性过程的过程流程图。
图2是在更低海拔处从高密度氢载体燃料再造低密度氢燃料并将所述再造的燃料递送至更高海拔处的一个示例性过程的过程流程图。
图3是在高海拔位置处再造所述低密度氢燃料以得到高密度氢载体燃料并将所述再造的燃料递送至更低海拔位置处的一个示例性过程的过程流程图。
图4是从生物质废物产生可再生燃料、选择性地再造所述产生的燃料并将所述选择性地再造的燃料递送至靶位置的系统的框图。
图5显示了将含有碳、氢和氧的生物质废物快速转化成有用的可再生的碳和氢来源的一个过程的过程流程图，所述可再生来源可以用于生产基于碳的耐用品和可再生燃料。
图6显示了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7是产生高密度氢载体的一个过程的过程流程图，所述高密度氢载体通过再投资、重新利用或再循环从工业过程产生的废物收获的二氧化碳与来自生物质废物离解的低密度氢反应而产生。
图8的框图显示了通过与生物质产生的氢反应来重新利用或再循环从工业过程收获的CO2废物以制备可再生燃料的一个示例性系统。
图9是离解烃和醇以得到碳和氢的一个过程的过程流程图。
图10是再造高密度氢载体燃料以产生低密度氢燃料的系统的框图。
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
公开了用于将生物质废物热化学再生成可再生的工程化的燃料、贮存产生的可再生的工程化的燃料、再造可再生的工程化的燃料和运输所述工程化的燃料的技术、结构、装置和材料。由于氢的低密度性质，氢运输和贮存的经济障碍是高的。所述的技术和系统利用该低密度性质。如本文所述，在低海拔位置在生物质废物源处从生物质废物产生低密度氢，并自递送至更高海拔的第二位置。将氢再造成密集的氢载体(烃、醇)，将所述氢载体递送至更低海拔的第三位置，作为能量分散过程的一部分。向更低海拔的递送会提供在低海拔处的压力或动能。
图1是在一个位置从生物质废物产生可再生燃料、并选择性地再造产生的可再生燃料用于贮存和/或运输至另一个位置的一个示例性过程100的过程流程图。系统(例如，系统400)会在低海拔的第一位置处从生物质离解产生低密度氢燃料(例如，氢气)(110)。产生低密度氢的生物质离解过程，描述在标题为“Carbon-Based Durable Goods and Renewable Fuelfrom Biomass Dissociation”的共同未决的美国专利申请(代理人案卷号69545-9002.US00)中，该申请的整个内容通过引用并入。另外，参考图5和6，进一步描述了产生氢的生物质离解。
产生的氢从低海拔位置自运输至更高海拔的第二位置(120)。因为产生的氢的密度较低，无需任何添加的能量或压力，氢气体自由地升高至更高海拔的第二位置。在更高海拔的第二位置，将所述自由运输的氢燃料转化成更高密度的氢载体物质，诸如烃、醇等(130)。例如，在更高海拔的第二位置，可以使低密度氢与从工业废物收获的碳供体(例如，CO2)和氧供体(例如，H2O)中的至少一种反应，以产生烃、醇、氨等。
可以将产生的高密度氢燃料运输至更低海拔的第三位置(140)。例如，由于液体甲醇下降和获得动能，液体甲醇可以在管线中产生“头”，以递送至更低海拔的第三位置。通过旋转涡轮机(例如随着甲醇下降至所述第三位置)，递送的甲醇可以提供能量转化。
所述可再生燃料递送可以如下继续：在低海拔的第三位置再造高密度氢燃料成为低密度氢燃料，并使所述再造的氢燃料自运输至更高海拔的第四位置。图2是在更低海拔处从高密度氢载体燃料再造低密度氢燃料并将所述再造的燃料递送至更高海拔处的一个示例性过程200的过程流程图。系统(例如，系统400)接收来自更高海拔位置的更高密度氢载体(210)。系统再造接收的更高密度氢载体，以得到低密度氢燃料(220)。所述低密度氢燃料自运输至更高海拔位置(230)。可以再造所述自运输的氢燃料，并再递送至更低海拔位置，如下面的图3的过程300所示。
为了继续运输可再生燃料，再造在更高海拔位置处接收的所述低密度氢燃料，并递送至更低海拔位置。图3是在高海拔位置处再造所述低密度氢燃料以得到高密度氢载体燃料并将所述再造的燃料递送至更低海拔位置处的一个示例性过程300的过程流程图。系统(例如，系统400)接收来自更低海拔位置的低密度氢燃料(310)。系统再造接收的低密度氢燃料，以获得高密度氢载体燃料(320)。所述高密度氢载体燃料自运输至更高海拔位置(330)。
交替地进行在过程200和300中所示和所述的可再生燃料的选择性再造和递送，直到所述可再生燃料被递送至希望的位置。下面描述了用于再造和递送不同的可再生燃料物质的过程和系统。
图4是从生物质废物402产生可再生燃料、选择性地再造所述产生的燃料并将所述选择性地再造的燃料递送至靶位置的系统400的框图。系统400包括在生物质废物402的来源(诸如烧毁的森林)处的生物质离解工厂410。所述生物质废物离解工厂进行生物质离解，以产生不同的氢燃料物质，包括低密度氢412，如在标题为“Carbon-Based Durable Goods andRenewable Fuel from Biomass Dissociation”的共同未决的美国专利申请(代理人案卷号69545-9002.US00)中所述，该申请的整个内容通过引用并入。另外，下面参考图5和6，进一步描述了产生不同的氢物质的生物质离解。
所述低密度氢燃料(例如，气态氢)412自运输到在更高海拔位置处的由低至高密度氢燃料再造系统420。下面进一步描述了用于再造所述低密度氢燃料以获得高密度氢载体422的具体反应。
所述高密度氢载体燃料(例如，气态氢)422被递送至在更低海拔位置处的由高至低密度氢燃料再造系统430。下面进一步描述了用于再造所述高密度氢载体燃料以获得低密度氢燃料的具体反应。
系统可以根据需要包括额外数目的由低至高密度氢燃料再造系统和由高至低密度氢燃料再造系统，以将所述可再生燃料递送至希望的靶位置。例如，仅仅为了例证目的，显示在图4中的系统400包括第二由低至高密度氢燃料再造系统440和第二由高至低密度氢燃料再造系统450。
就图4所示的实施例而言，由高至低密度氢燃料再造系统430会再造所述高密度氢载体燃料，以获得低密度氢燃料432，后者自运输至在更高海拔处的第二由低至高密度氢燃料再造系统440。第二由低至高密度氢燃料再造系统440会再造所述低密度氢燃料，以获得高密度氢载体燃料442，后者被递送至第二由高至低密度氢燃料再造系统450。
系统400可以在存在几个山峰和山谷的沿海地区实现。另外，所述系统400可以在存在几个高建筑物的大城市位置实现。例如，可以在一个建筑物的底部处生产氢，并递送至该建筑物的顶部。可以在所述建筑物的顶部进行能量转化，以再造所述燃料产生水，并将产生的水递送至建筑物的底部。另外，在建筑物的顶部，可以将氢燃料转化成烃、醇或氨，并将其递送至另一个建筑物的底部，作为能量转化步骤。所述再造和运输过程可以在建筑物之间继续，或从山谷至山峰并从山峰至另一个山谷之间继续，直到所述燃料被递送至靶位置。
由于所述低密度氢燃料的可自运输性质和所述高密度氢载体燃料的自产生的压力和/或动能，所述运输过程的总能量可能是有利的。另外，可以从工业过程收获和再循环在再造过程中使用的碳和/或氢供体(例如，来自化石燃料排气的CO2)。
生物质废物离解
图5显示了将含有碳、氢和氧的生物质废物快速转化成有用的可再生的碳和氢来源的过程500的过程流程图，所述可再生来源可以用于生产基于碳的耐用品和可再生燃料。所述过程500与上面图1中的过程110类似。
系统(例如，下面的生物质离解系统600)可以将生物质废物细分成原料材料，诸如不同的纤维质材料和木质纤维素组织(510)。可以压缩所述细分的原料材料，以去除空气和水分(520)。可以加热所述压缩的生物质废物原料，以释放各种有用的可再生的碳和/或氢来源，包括烃、醇、铵和碳氧化物(530)。另外，基于希望的可再生的碳和/或氢来源，可以控制总反应环境的水分含量(540)。例如，为了控制水分含量，已经完全干燥并去除空气的压缩的生物质废物原料可以用作干燥剂。可再生的氢和碳来源可以用于产生可再生燃料和/或基于碳的耐用品(550)
例如，如方程式1所示，可以在厌氧环境中充分加热生物质废物，以释放出希望的气体、碳和固体残余物，诸如矿物氧化物和其它化合物。就任意特定类型、量或比例的木素、纤维素或其它生物质原料而言，在方程式1中总结的碳氧化物的厌氧过程和从生物质废物共生产氢和/或烃没有平衡。
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
图6显示了将生物质废物602离解成含有氢和碳的中间体的一个示例性系统600。系统600与上面图4中的系统410类似。系统600包括生物质废物引入组件，诸如料斗610，所述料斗610接收原料形式的生物质废物，并将所述原料粉碎(例如，削、剁、磨等)成细分的原料614，诸如不同的纤维质和木质纤维素材料。所述料斗610可以包括加热机构，诸如热交换器612，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)或来自反应器620的废热。
所述细分的(且在有些实现中，预热过的)原料被运输至反应器620，以将所述生物质废物原料离解成有用的可再生的碳和氢来源，诸如各种烃、醇、氨和碳氧化物。所述反应器可以包括干燥机构622，以从原料去除水分和空气。所述干燥机构622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622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620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620还可以包括，用于产生足够的热量的加热机构624，所述热量用于在厌氧反应中将生物质废物原料离解成有用的可再生的碳和氢来源616，诸如烃、醇、氨和碳氧化物。可以将所述产生的有用的可再生的碳和氢来源616运输至贮存和/或运输机构630，以备在其它反应中使用，在各个反应系统640和650中产生可再生燃料和/或基于碳的耐用品。此外，所述贮存和/或运输机构630允许将有用的可再生的碳和氢来源616有效地运输至遥远位置，用于进一步加工。
所述反应器620可以构造成，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形成。例如，所述反应器620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。
再造低密度氢燃料以产生高密度氢载体
可以再造所述低密度氢燃料，以产生高密度氢载体，诸如烃、醇和氨，如在标题为“CARBON RECYCLING AND REINVESTMENT USINGTHERMOCHEMICAL REGENERATION”的共同未决的美国专利申请(代理人案卷号69545-9004.US00)中所述，该申请的整个内容通过引用并入。例如，图7是产生高密度氢载体的过程700的过程流程图，所述高密度氢载体通过再投资、重新利用或再循环从工业过程产生的废物收获的二氧化碳与来自生物质废物离解的低密度氢反应而产生。系统(例如，下面的系统800)收获来自工业过程的碳供体(710)。在这里描述的热化学再生中使用的碳供体(诸如二氧化碳或一氧化碳)可以收获自可容易得到的CO2来源，诸如中央发电厂、燃烧烃类的炼焦操作和锻烧操作、酿酒厂和面包厂。所述系统从生物质废物离解获得氢(720)。收获的CO2可以用于生产液体原料，所述液体原料用于通过与生物质废物生产的低密度氢反应来生产化学试剂和/或燃料(730)。例如，在所述的CO2与氢的热化学再生中生产的甲醇燃料可以用于给汽油和柴油发动机提供动力，所述发动机被改造成以无污染方式燃烧甲醇。美国专利号6,155,212和6,756,140描述了改造燃烧甲醇的汽油和柴油发动机的装置和技术，该申请的整个内容通过引用并入。
下面的方程式6和7解释了通过甲醇生产进行氢和碳重新利用或再循环，其中使生物质产生的氢分别与工业过程生产的一氧化碳(CO)和CO2反应。
CO+2H2→CH3OH(ΔH＝-21.66Kcal/g-mol)    方程式6
CO2+3H2→CH3OH+H2O(ΔH＝-11.83Kcal/g-mol)    方程式7
所述的热化学再生反应(其再循环或重新利用氢、CO和CO2)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热化学再生反应，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。
在方程式6和7中总结的甲醇合成过程可以通过不同的步骤来实现，所述步骤包括在95-100大气压和500°F(260℃)的催化合成(740)。方程式6和7的过程的催化剂可以包括：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。
通过如上所述的热化学再生反应(参见方程式6和7)生产的甲醇可以是廉价的、可储存的和可运输的。在碳-中性氢贮存操作的一个实现中，从作为CO2的通常源排出的来源合成甲醇。这样的CO2可以捕获自乙醇工厂、面包厂、酿酒厂、硅酸盐水泥工程和燃烧化石的发电厂，和/或通过大气“洗涤”，以从1万空气分子中提取高至约3个二氧化碳分子。
与乙醇类似，甲醇可以与最多20％(在常规发动机中)和85％(在双燃料车辆中)的汽油混合，无需对车辆或现有的运输燃料基础设施进行修改。多年来，甲醇(具有100的辛烷值)已经被用作赛车燃料，用于高性能汽车和高速赛车。
醇(诸如甲醇)作为能量载体的主要用途在经济上和能量学上(energetically)是有利的。例如，1升在环境温度的甲醇含有比1升液体氢更多的氢，所述液体氢在贮存中必须维持在-421°F。
图8的框图显示了通过与生物质产生的氢反应来重新利用或再循环从工业过程收获的CO2废物以制备可再生燃料的一个示例性系统800。系统800接收来自生物质离解系统410或由高至低密度氢燃料再造系统430、450的低密度氢燃料412、432。用于离解生物质废物的热量可以包括来自发动机排气、发动机冷却系统等的废热，所述废热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)可以用于产生热量。
从氢密集的燃料制备反应器820捕获并运输所述接收的低比能或低密度氢(例如，来自烃的离解)，所述反应器820包括加热机构824。所述氢密集的燃料制备反应器820也接收碳供体，诸如从工业过程(例如，来自化石燃料燃烧的排气或空气)收获的CO2832。所述氢密集的燃料制备反应器820造成所述低比能氢与收获的碳供体(诸如CO2)832反应，以产生氢密集的燃料850，诸如甲醇。所述碳供体832可以从空气或工业废物830(包括烟囱烟、聚合物工厂的废蒸汽等)得到。
系统800可以包括催化剂反应区840，以接收一种或多种催化剂，所述催化剂会增强氢密集的燃料混合物的产生。上面描述了催化剂的实例。
产生的氢密集的燃料混合物850是可储存的和可运输的。因为氢密集的燃料混合物850携带可运输形式的氢燃料，所述氢密集的燃料混合物可以用作载体，用于将能量携带至希望的目的地。所述氢密集的燃料850混合物可以自运输至由高至低密度氢燃料再造系统(例如，430或450)。
在一些实现中，可以加入加压的氢或加压的且加热的氢，以加压氢和CO的反应产物，形成希望的化合物，诸如DME燃料或甲醇，如方程式8所示。
CO+H2+H2→CH3OH    方程式8
通过柴油、汽油和其它醇燃料常用的设备和系统，可以容易地储存、运输、计量和分配由方程式8所示的过程提供的液体燃料(诸如甲醇)。
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制备价值物的另一个过程变化。可以使一氧化碳和氢的混合物与这样的氮反应，以生产CH3OH和NH3，如方程式9所示。
CO+5H2+N2+能量→CH3OH+2NH3    方程式9
通过该反应或其它反应生成的氨(NH3)可以安全地储存和运输，所述反应利用由生物质离解系统410或由高至低密度氢燃料制备系统430和450生产的氢。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，包括加压可以从甲醇或含水甲醇共同生产的一氧化碳和氢。
再造高密度氢载体以产生低密度氢燃料
可以离解从由低至高密度氢载体再造系统420和440接收的高密度氢载体，诸如烃(例如，甲烷)和醇(例如，甲醇)，以生产低密度氢燃料和碳，用于许多“专门化的碳”用途，其范围从金刚石镀层和半导体至比钢更强且比铝更轻的复合材料结构。图9是离解烃和醇以得到碳和氢的过程900的过程流程图。反应器(例如，反应器1000)可以接收从生物质废物离解出的烃和醇(910)。所述反应器可以向所述烃和醇施加足够的热量和压力，以从氢离解碳(920)。方程式10解释了离解烃燃料以获得氢和碳的一般过程。方程式11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10
CH4+▲H298K→2H2+C(▲H298K＝79.4kJ/mol)  方程式11
方程式12显示了通过厌氧分解来离解纤维素和含有氧的燃料醇以得到碳、一氧化碳和氢的反应。
C2H5OH+热→C+CO+3H2    方程式12
一氧化碳可以在方程式13所示的厌氧离解中反应，以增加来自含有碳、氢和氧的原料的氢的产率：
CO+H2O→CO2+H2+热      方程式13
在所述吸热反应中生产的氢和一氧化碳的总能量值可以比用作一氧化碳和氢来源的甲烷大15-20％，如方程式13所示。另外，为了增加反应的热化学效率，可以从发动机排气(例如，废热)或可再生的能源(诸如太阳能或风能)收获和再循环用于离解烃的热量。
可以收集在所述过程中离解的碳，用于生产基于碳的耐用品(930)。例如，从生物质废物生产的烃和醇提取的碳可以用于制备碳产品，包括活性炭、纤维碳、金刚石-样涂层、石墨组分和碳黑。这些形式的碳产品可以用于生产耐用品，诸如更好的利用太阳资源、风资源、移动水资源和地热资源的设备以及比钢更强且比铝更轻的运输部件。再循环或重新利用碳来生产利用可再生资源的设备，会提供比一次性燃烧这种碳多许多倍的能量。另外，可以收集从烃和醇的离解与碳共同生产的氢，用于自运输至更高海拔位置(940)。
图10是再造高密度氢载体燃料以产生低密度氢燃料的系统1000的框图。另外，系统1000可以从与所述低密度氢燃料共同生产的碳制备基于碳的耐用品。系统1000包括反应器1010，所述反应器1010接收来自由低至高密度氢载体燃料再造系统420、440的高密度氢载体(诸如烃和醇)1016。所述反应器1010可以包括加热机构1012(诸如热交换器)，用于施加在方程式10-12的厌氧反应中使用的热。从高密度氢载体(诸如烃和醇)1016的离解产生的低密度氢燃料1019可以根据需要自运输至更高海拔位置(例如，由高至低密度H2燃料再造系统430、450)。另外，从所述烃和醇离解的碳1017可以用于生产耐用品1030。
所述反应器1010还可以包括干燥机构1014，所述干燥机构1014用于将所述醇脱水以产生DME 1018，所述DME 1018可以用于生产乙烯或丙烯1035。另外，所述加热机构1012可以用于将所述醇脱水。生产的乙烯或丙烯可以用于产生聚合物，所述聚合物用于生产各种塑料和其它基于碳的耐用品1030。
在一些实现中，可以使接收自更高海拔位置的烃与碳供体(诸如从工业过程收获的CO2)反应。可能有利的是，利用可再生的能量资源(例如，来自生物质的甲烷)来提供碳，所述碳用于将二氧化碳加工成一氧化碳，如方程式14所示。
CH4+CO2+能量→2CO+2H2方程式14
在收获的CO2与生物质废物产生的碳供体的反应中使用的热量可以包括来自发动机排气、发动机冷却系统等的废热，所述废热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)可以用于产生热量。
可以使用更高压力的氢来加压烃离解产物，诸如一氧化碳和氢。另外，所述更高压力的氢可以由其它能量诱导的离解来生产，所述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15和16概括所示。
C2H4O2+2H2O+能量→2CO2+4H2    方程式15
H2O+能量→0.5O2+H2            方程式16
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CHEMICALPROCESSES 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CHEMICAL REACTORSWITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS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 AND ASSOCIATED SYSTEMSAND METHODS的代理人案卷号69545-8604.US00；2011年2月14日提交的标题为CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY POSITIONEDDELIVERY AND REMOVAL DEVICES，AND ASSOCIATED SYSTEMSAND 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 THERMOCHEMICALPROCESSES WITH SOLAR HEAT INPUT，AND ASSOCIATED SYSTEMSAND METHODS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 FUEL PRODUCTION的美国专利申请号61/237,425；和2011年2月14日提交的标题为MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUELFOR ISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY的代理人案卷号69545-9102.US00。

Claims (24)

1.一种运输可再生燃料的方法，所述方法包括：
在低海拔的第一位置处，从生物质离解产生低密度氢燃料；
使所述低密度氢燃料在管线中自运输至第二位置，所述第二位置处于比所述第一位置更高的海拔处，其中无需添加能量或压力，所述低密度氢燃料从所述第一位置移动至所述第二位置；
通过使所述低密度氢燃料与碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种反应，在更高海拔的所述第二位置处产生高密度氢载体；和
在提供压力或动能的同时，将所述高密度氢载体递送至第三位置，所述第三位置具有比所述第二位置更低的海拔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中产生所述低密度氢燃料包括：施加从外部能源回收的废热或从可再生的能源产生的热。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述高密度氢载体包括烃、醇和氨中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述烃包括甲烷和乙烷中的至少一种；且
其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳供体包括二氧化碳，所述氢供体包括水。
6.根据权利要求1所述的方法，其另外包括：
将有害污染物溶解在所述高密度氢载体中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离出所述有害污染物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述液体混合物控制蒸气压或所述蒸气压的可用性。
8.根据权利要求6所述的方法，其另外包括：
将热施加于所述液体混合物，以产生氧化的燃料混合物，所述氧化的燃料混合物的氢与碳之比高于所述高密度氢载体。
9.根据权利要求8所述的方法，其另外包括：
无需添加能量或压力，在管线中使从所述液体混合物产生的所述氢运输至第四位置，所述第四位置处于比所述第三位置更高的海拔。
10.根据权利要求1所述的方法，其另外包括：
将热施加于所述高密度氢载体，以产生氧化的燃料，所述氧化的燃料的氢与碳之比高于所述高密度氢载体。
11.根据权利要求1所述的方法，其另外包括：
无需添加能量或压力，在管线中使从所述高密度氢载体产生的所述氢运输至第四位置，所述第四位置处于比所述第三位置更高的海拔。
12.根据权利要求1所述的方法，其中从工业废物收获所述碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种。
13.一种运输可再生燃料的管线系统，所述系统包括：
在低海拔的第一位置处的生物质转化工厂，以从生物质离解产生低密度氢燃料；
第一管线，所述第一管线将所述生物质转化工厂连接至具有比所述第一位置更高海拔的第二位置，其中在没有增加的压力能量下，所述低密度氢燃料在所述管线内从所述第一位置移动至所述第二位置；
热化学反应器，所述热化学反应器连接至所述更高海拔的第二位置，以产生高密度氢载体，其中所述热化学反应器使所述低密度氢燃料与碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种反应；和
第二管线，所述第二管线将所述热化学反应器连接至具有比所述第二位置更低海拔的第三位置，其中利用由所述高密度氢载体产生的压力或动能中的至少一种，将所述高密度氢载体递送至所述第三位置。
14.根据权利要求13所述的管线系统，其中所述热化学反应器包括逆流热交换器，以施加从外部能源回收的废热或从可再生的能源产生的热。
15.根据权利要求13所述的管线系统，其中所述高密度氢载体包括烃、醇和氨中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的管线系统，其中所述烃包括甲烷和乙烷中的至少一种；且
其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种。
17.根据权利要求13所述的管线系统，其中所述碳供体包括二氧化碳，所述氢供体包括水。
18.根据权利要求13所述的管线系统，其另外包括：
连接至所述热化学反应器的污染物回收系统，所述污染物回收系统构造成
收获有害污染物；并且
将收获的所述有害污染物溶解在所述高密度氢载体中，以产生液体混合物，所述液体混合物从环境中分离出所述有害污染物。
19.根据权利要求18所述的管线系统，其中所述液体混合物控制蒸气压或所述蒸气压的可用性。
20.根据权利要求18所述的管线系统，其中使用由所述液体混合物产生的压力和动能中的至少一种，将所述液体混合物在所述第二管线中运输至所述第三位置。
21.根据权利要求13所述的管线系统，其另外包括：
连接至所述第三位置的第二热化学反应器，以使用厌氧反应离解所述液体混合物，从而产生氧化的燃料混合物，所述氧化的燃料混合物的氢与碳之比高于所述高密度氢载体。
22.根据权利要求21所述的管线系统，其另外包括：
连接至所述第二热化学反应器的第二逆流热交换器，以向所述液体混合物施加热，从而产生所述氧化的燃料混合物。
23.根据权利要求21所述的管线系统，其另外包括：
连接所述第二热化学反应器的第三管线，所述第二热化学反应器处于比所述第三位置更高海拔的第四位置，无需添加能量或压力。
24.根据权利要求13所述的管线系统，其中所述碳供体、氮供体和氧供体中的至少一种收获自工业过程。
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