CN102906227A

CN102906227A - 来自生物质废物离解的碳基耐用物品和可再生燃料

Info

Publication number: CN102906227A
Application number: CN2011800092991A
Authority: CN
Inventors: 罗伊·E·麦卡利斯特
Original assignee: McAlister Technologies LLC
Current assignee: McAlister Technologies LLC
Priority date: 2010-02-13
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2013-01-30
Also published as: US20110212012A1; WO2011100695A2; EP2534224A2; US8318997B2; WO2011100695A3

Abstract

本发明公开了一种用于在封存碳的同时从生物质废物生成可再生能量的技术、系统、设备和材料。在一个方面，通过反应器进行的使天然生物质废物离解成可再生源能量或碳副产物或二者的方法包括接收在厌氧反应下离解的天然生物质废物，所述天然生物质废物包含碳、氢和氧。从外部热源回收废热以加热所接收的天然生物质废物。使经加热的天然生物质废物离解以产生可再生燃料、碳副产物或二者。所述离解包括压实经加热的天然生物质废物、自内部热源生成热，和将所产生的热在压力下应用到经压实的生物质废物中。

Description

来自生物质废物离解的碳基耐用物品和可再生燃料

优先权声明

本申请要求2010年2月13日提交的标题为FULL SPECTRUMENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE的美国专利申请61/304,403的优先权和权益，该美国专利申请通过全文引用的方式并入本文。倘若通过引用并入本文的前述申请和/或任何其他材料与本文给出的公开内容相冲突，则以本文公开内容为准。

背景技术

本申请涉及与来自生物质废物的碳封存(carbon sequestration)以及可再生能量生产有关的装置、技术和材料。

水生植物和植物性地被物，特别是农场和森林是重要的二氧化碳收集器、无数野生生物的天然栖息地，以及从纸产品到建筑材料应用的纤维来源。因为非本土害虫的引入和温室气体加重的气候变化，已经使得森林对于瘟疫、火灾、风、洪水和干旱灾害敏感，因而几乎所有大陆上都已经发生森林的破坏。

整个南美、中美和北美的森林火灾已经破坏了已被干旱和病害消弱或杀死的许多株树木。这表现出纸浆和建筑材料的巨大损失。火灾和腐烂还产生温室气体如二氧化碳和进一步危害全球大气的甲烷。最重要的是，在这些材料由于火灾、腐蚀、洪水和侵蚀而损失之前提供能够将植物性生物质快速转化成燃料、电和有价值材料的可再生供应的实用解决方案。必然的目标是促进健康森林、作物和其他地被物的快速重新发展以及促进自预定稀化和灌木丛移除来生产燃料和封存的碳值从而改善森林状况并且防止有害火灾的传播。

发明内容

披露了在封存碳的同时用于从生物质产生可再生能量如生物燃料的技术、结构、设备和材料。描述了用于有效加压的、精制的且方便递送的给料和产品如氢气、甲烷和碳以及来自生物质废物的土壤营养素的厌氧(例如热化学)生产的方法和系统，所述生物质废物包括极大量的农业和森林废物。

在一个方面，通过反应器所进行的使天然生物质废物离解成可再生的能源或碳副产物或二者的方法包括接收在厌氧反应下待离解的天然生物质废物，所述天然生物质废物包含碳、氢和氧。从外部热源回收废热以加热所接收的天然生物质废物。使经加热的天然生物质废物离解以产生可再生燃料、碳副产物或二者。所述离解包括压实经加热的天然生物质废物、自内部热源生成热，并且将所产生的热在压力下施加到经压实的生物质废物。

实施方式可以任选地包括一个或多个以下特征。回收废热可以包括回收自发动机排出的热和自可再生能量发生器生成热中的至少之一，所述可再生能量发生器包括风能发生器、太阳能发生器、来自流水的能量发生器和地热能发生器中的至少之一。所述方法可以包括朝着用于使经压实的生物质废物离解的离解区推进经压实的生物质废物；以及从推进中的经压实的生物质废物中移除水分和空气。移除水分和空气可以包括通过受限的空间挤出经压实的生物质废物从而将水分和空气以物理方式挤出来。所述方法可以包括迫使所产生的可再生燃料或碳副产物或二者与推进中的经压实的生物质废物在逆流方向上；并且自所产生的以逆流方向行进的可再生能量或碳副产物或二者传递热。可再生燃料可以包括烃、醇、氨和氢中的至少一种。碳副产物可以包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一种。所述方法可以包括使用自生物质废物产生的碳来生产耐用物品。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。所述方法可以包括将所述烃分离成氢和碳。而且，所述方法可以包括使用自生物质废物产生的碳来生产耐用物品。所述天然生物质废物可以包括响应于光合作用而获得的含有碳、氢和氧的有机材料。所述方法可以包括施加催化剂以促进包含烃的可再生能量的形成。所述催化剂可以包括铬、具有稀土成分的陶瓷、铂金属组、贵金属化(nobleized)的镍和过渡金属的金属间化合物中的至少一种。生物质废物可以包括葡萄糖、木质素和纤维质给料中的至少一种。

在另一方面，所述方法可以利用用于自生物质废料生产燃料混合物的系统来实施，所述系统包括料斗以接收待转化成含烃的燃料混合物的天然生物质废料。逆流热交换器耦接到料斗以回收来自热源的废热并且将所回收的热提供给料斗以加热天然生物质废料。经加压且加热的反应器耦接到料斗以接收经加热的天然生物质废料并且进行不同的操作。例如，反应器包括输送机从而对经加热的天然生物质废料施加挤出作用以获得经压实的生物质废料。而且，反应器包括燃烧器从而向经压实的生物质废料传递热以利用热化学反应产生含烃的燃料混合物。

实施方式可以任选地包括以下特征中的一个或多个。外部热源可以包括用于产生可再生能量的装置，所述装置包括风能发生器、太阳能发生器、来自流水的能量发生器和地热能发生器中的至少之一。输送机可以配置为朝着用于使经压实的生物质废物离解的离解区推进经压实的生物质废物；以及从推进中的经压实的生物质废物中移除水分和空气。所述输送机可以包括在输送机的外表面上的旋转管的螺旋刮板的递减斜度以促进水分和空气的移除。所述经加压且加热的反应器可以成形为降低反应器内的截面积，用于在促进水分和空气移除的同时推进经压实的生物质废料。所述系统可以包括耦接至反应器的逆流热交换器从而自所产生的可再生燃料或碳副产物或二者向经压实的生物质废物传递热，所述经压实的生物质废物与推进中的经压实的生物质废物以逆流方向行进。可再生燃料可以包括烃、醇、氨和氢中的至少一种。碳副产物可以包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一种。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。所述系统可以包括烃转化系统，所述烃转化系统包括耦接到反应器以接收烃以及另外耦接到热源以接收用来使烃分离成氢和碳的热的一个或多个热交换器。天然生物质废物可以包括响应于光合作用而获得的含有碳、氢和氧的有机材料。所述系统可以包括用于接收催化剂的催化反应区以促进含烃的可再生燃料的形成。所述催化剂可以包括铬、具有稀土成分的陶瓷、铂金属组、贵金属化(nobleized)的镍和过渡金属的金属间化合物中的至少一种。生物质废物可以包括葡萄糖、木质素和纤维质给料中的至少一种。

本说明书中所述的主题潜在地可以提供以下优点中的一个或多个。例如，所述技术、系统和材料可以将生物质转化成能量，同时再循环和再利用对环境有害的温室气体，例如二氧化碳。而且，所述技术、系统和材料可以用来以高的能量转化效率以及对资本设备和基础设施改善而言的中等成本将生物质转化成能量。所述技术还可以按比例放大以应付大的生物质来源例如森林转化，同时降低运转成本。此外，所述技术可以使二氧化碳的排放最小化或消除。

附图说明

图1示出用于将含碳、氢和氧的生物质废物快速转化成可用来生产碳基耐用物品和可再生燃料的碳和氢的有用可再生源的工艺的工艺流程图。

图2示出用于将生物质废物离解成载氢和碳的中间体的示例性系统。

图3示出用于将生物质废物快速转化成可再生燃料和碳产品的系统。

图4示出用于使烃和醇离解以获得碳和氢的工艺的工艺流程图。

图5示出用于自甲醇生产DME的示例性工艺。

图6为用于自生物质废物生产的烃和醇产生碳基耐用物品的系统的方块图。

图7示出通过变压或温度吸附将产品气体如二氧化碳和一氧化碳的混合物与甲烷和/或氢气分离的系统。

图8为用于分离甲醇和一氧化碳并且将所分离的甲醇通过递送泵运送到市场的系统。

图9图示了用于提供生物质废料输送和压实的另一系统。

图10为示出用于将来自垃圾填埋区、污水处理厂、废物处置操作以及其他甲烷源的甲烷转化成氢和碳的工艺的工艺流程图。

图11为示出利用碳再利用或再循环促进氢产生的另一高效系统的图。

图12为示出利用光合作用将生物质转化成可再生燃料并且封存碳的综合工艺的方块图。

图13为示出利用光合作用来引发由生物质产生有价值的燃料、溶剂、化学前体和各种各样的经封存的碳产品的另一工艺的方块图。

图14A和14B为示出利用太阳能向生物质转化过程提供热的太阳能集中器的图。

图15为示出用于运送自生物质废物产生的可再生能量的工艺的工艺流程图，所述生物质废物包括市政、农场和森林废物如森林砍掉的和病死的和/或死去的树。

相同附图标记和名称在不同附图中指代相同的元件。

具体实施方式

描述了用于再利用存在于生物质废物中的碳和氢来生产耐用物品和可再生燃料的技术、材料、设备和系统。所述技术、材料、设备和系统可以减少或消除有害的碳释放到环境中。例如，所述技术、设备、系统和材料可以用来生产碳基耐用物品、可再生燃料、电、有价值的化学品、土壤营养素和来自(尤其是包括能量作物和废物的)有机给料的材料。所述技术还可以用来恢复开发已被病害、火灾和其他有害事物破坏的森林和其他植物性地被物。

生物质废物离解

图1示出用于将含碳、氢和氧的生物质废物快速转化成可用来生产碳基耐用物品和可再生燃料的碳和氢的有用可再生源的工艺100的工艺流程图。

系统(例如，下文的生物质离解系统200)可以将生物质废物细化为给料如各种纤维质材料和木质纤维素组织(110)。经细化的给料可以被压实以移除空气和水分(120)。经压实的生物质废物给料可被加热以释放包括烃、醇、氨(铵)和碳的氧化物在内的碳和/或氢的各种有用的可再生源(130)。而且，整体反应环境的水分含量可以基于碳和/或氢的期望可再生源加以控制(140)。为了控制水分含量，已经完全干燥且脱气的经压实的生物质废物给料例如可以用作干燥剂。氢和碳的可再生源可以用来产生可再生燃料和/或碳基耐用物品(150)。

例如，如方程式1所示，生物质废物可以在厌氧环境中被充分地加热以释放期望的气体、碳和固体残余物如矿物氧化物和其他化合物。对于任何特定类型、量或比例的木质素、纤维素或其他生物质给料而言，方程式1中概述的自生物质废物的碳的氧化物以及氢气和/或烃的共产生的厌氧过程并未配平。

C_xH_yO_z+热量→CH₄+H₂+CO₂+CO 方程式1

利用方程式1中所述的过程，实际上任何有机材料均可以大部分地转化成在现有天然气基础设施中分配和储存的烃燃料如甲烷(CH₄)。以下方程式2说明用于自典型的生物质废物如葡萄糖、木质素和纤维质给料生产甲烷的总反应的一般概述。

C₆H₁₂O₆+热量→3CH₄+3CO₂ 方程式2

在一些实施方式中，生物质离解反应可以产生醇如甲醇作为可易于储存和可易于运输的液体燃料和化学前体。甲醇或“木精”可以通过加热木质纤维素废物经由部分燃烧或者通过厌氧加热过程来提取。方程式3和4概述了通过选择不同的厌氧操作温度、压力和催化剂可以实现的甲醇的输出。

C₆H₁₂O₆+热量→6CO+6H₂ 方程式3

6CO+6H₂→3CH₃OH+3CO 方程式4

在反应器中较高的进给速率和/或较低的释热速率下，载料不会达到产生方程式1中所示气体的较高温度，并且因而离解过程产生醇如甲醇。通过冷却甲醇蒸气可以将一氧化碳与甲醇进行分离从而形成液体甲醇并且利用所分离的一氧化碳来给可燃发动机加燃料、通过燃烧室组件经由燃烧来释放热，以及通过与水的反应形成氢气，如方程式5所概述。通过方程式5所概述的反应产生的氢气可以用来产生如方程式4中所示的甲醇、改进发动机的运转、改进甲烷和/或乙烷在生物质转化中和/或作为加热燃料的产率。

CO+H₂O→H₂+CO₂ 方程式5

图2示出用于将生物质废物202离解成载氢和碳的中间体的示例性系统200。所述系统200包括接收天然形式的生物质废物202的生物质废物202吸入组件如料斗210并且将天然材料粉碎(例如切碎、砍碎、磨碎等)成细化的给料如各种纤维素和木质纤维素材料。料斗210可以包括加热机构如热交换器212以预热经细化的给料。热交换器可以重新捕获并且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、流水、地热等)或来自反应器220的废热。

经细化的(并且在一些实施方式中，经预热的)给料214前进至反应器220从而使生物质废物给料214离解成碳和氢的有用可再生源，例如各种烃、醇、氨，和碳的氧化物。反应器可以包括干燥机构222以从给料中排出水分和空气。干燥机构222可以包括挤出装置从而以物理方式从给料中“挤出”水分和空气。挤出装置的实例包括螺旋状螺杆输送机和压头(ram)活塞式输送机。而且，干燥机构222可以包括一个或多个加热机构如热交换器，所述热交换器捕获由反应器220产生的热并且将所捕获的热再循环以干燥给料。热交换器还可以重新捕获和再循环来自外部热源(例如，发动机排气和/或可再生热，如风、太阳、流水、地热等)的废热。

反应器220还可以包括加热机构224用于产生厌氧反应中所用的足够的热以使生物质废物给料214离解成碳和氢的有用可再生源216，如烃、醇、氨，以及碳的氧化物。所产生的碳和氢的有用可再生源216可以前进至储存和/或运送机构230以用于另外的反应从而在如下述工艺(400和500)以及系统(600和700)中所述的各自反应中产生可再生燃料和/或碳基耐用物品。此外，储存和/或运送机构230允许将碳和氢的有用可再生源216高效地运送至遥远的位置用于进一步处理。

反应器220可以配置成提高生物质废物202转化过程的热效率，同时减少或消除二氧化碳的形成。例如，反应器220可以包括在提取碳、烃如甲烷，和/或氢气之前进行各种逆流式干燥(例如，再循环热)以及消除空气、水分和其他氧供体的机构。

图3示出生物质废物离解系统300，其采用螺旋式螺杆机构以从生物质废物给料中排出水分和空气。在操作中，来自发动机冷却系统和/或排气的废热可以通过螺旋状热交换器管道344和345的逆流旋转被传递到料斗350中的天然生物质材料，所述热交换器管道344和345在得到最大量的来自发动机302的热回收的各个区处连接至料斗350。经加热的天然生物质材料前行至经加压且加热的反应器311用于离解成包括烃、氢和碳产物的燃料混合物。经加热的反应器311包括在静态内含管(stationarycontainment tube)336内的生物质压实机314如旋转式管状螺旋输送机，所述静态内含管336将天然生物质废物压实为致密态并且使经压实的生物质废物朝着燃烧室组件320附近的离解或反应区前行。旋转式管状螺杆输送机可以包括在旋转式管状螺杆输送机314的外表面上的螺旋刮板(flight)管318以提供对经压实的生物质废物上的挤出作用。

旋转式管状螺杆输送机314可以经由发动机302通过合适的减速系统304和306来驱动。基于系统300的尺寸和期望的生产量，发动机302可以作为具有排出/吸入阀328的旋转式、活塞式或涡轮式发动机来实施。通过与发动机302连接的合适发生器如交流发动机380，系统300可以获得总体发电效率的改善。而且，发动机302可以通过如共同拥有的美国专利6,155,212中所披露的燃料调节、注射和点火系统来加燃料，该美国专利的全部内容以引用的方式并入本文中。

取决于实施以将生物质废物转化成可再生能量的转换器系统300的尺寸，减速部件如链轮和链或驱动齿轮306和轴承支座组件308和312可以通过转矩输送隔热器310与旋转式管状螺杆输送机314热隔离。旋转式管状螺杆输送机314通过如所示的隔热轴承和支座组件324和326在相反端类似地支撑和隔热。隔热包330提供隔热以防止通过轴承312和期望防热的其他区域获得辐射和传导热。

为了连续地压实夹带在静态管336中的天然固体生物质材料，所述系统300可以包括干燥机构以从生物质材料中移除水分和/或空气。干燥机构可以包括在旋转式管状螺杆输送机314的外部上的螺旋刮板管318的递减斜度和/或在旋转式管状螺杆输送机314和静态管336之间的减小的截面积。干燥机构可以提供夹带的空气和/或水分从生物质材料中排出，所述生物质材料通过迫使夹带的空气和水分与经由受热料斗350和由合适的牵引马达352或来自发动机302的合适驱动列车驱动的进料螺杆356获取的材料以逆流方向行进的工艺进行加热。降低旋转式管状螺杆输送机314的斜度或减小经压实的生物质废物经由其行进的截面可以进一步提供压紧封条从而减少或防止通过进一步加热有机材料(包括与添加的反应性气体反应)所产生的气体的泄漏。

在空气和水分相继排出之后，利用从燃烧装置320传递的热，经压实的生物质材料在离解或反应区离解成方程式1中所示的产物烃气体。燃烧装置320的热产物如水蒸汽、氮气、氧气和二氧化碳循环通过螺旋式热交换器管316从而向经压实的生物质材料传递热，所述经压实的生物质材料通过位于所示的旋转式管状螺杆输送机314的外表面上的螺旋状刮板管318的挤出作用而以逆流方向行进。

离解反应还产生体积低得多的固体残余物。固体残余物的量可以为有机废物的初始质量的约2～10％。这类残余物为痕量矿物的重要来源，所示矿物可用来活化土壤并确保兴旺的森林、花园、水产业和/或其他地被物的替代株(stand)的快速生长。这可以加快温室气体减少、碳和氢的封存，以及经济发展。而且，重新造林的区域可以充当用于持续产生可再生甲烷、氢气和封存的碳的木质纤维素的可持续来源。

如方程式1所概述而产生的相对较小部分的烃(例如甲烷)和/或氢气和/或一氧化碳被递送到发动机302并且经由如图3所示的控制阀322被递送到燃烧室组件320的燃烧器喷嘴。提供足量的空气以确保在所有应用中所存在的燃料值的完全燃烧，同时令人讨厌的排放物最少。

所述系统300可以作为较大的单元和高生产量变型来实施，其中来自燃烧室或燃烧组件320的燃烧气体可以在管状刮板(例如，螺旋状热交换管)316内循环，所述管状刮板316构建为经由在旋转式管状螺杆输送机314内的孔与螺旋状刮板管318连接以提供自燃烧室320向沿着内含管336内的螺旋状刮板管318的外部前进的给料的更快热传递。使得通过热离解过程从经加热的生物质给料释放的气体如甲烷、氢气和二氧化碳通入螺旋状散热片或螺旋状刮板管338和隔热管341之间的环形空间从而以逆流方向流向正通过旋转式管状螺杆输送机314加热中的给料流。这提供进一步的热量保存，因为热再生性地加入到内含管336内的给料，所述给料逐渐被压实并且通过热传递离解，从而提高如所示的压力产生。

通过行进穿过旋转式管状螺杆输送机314和/或管状散热片或螺旋状刮板管316和/或318的内部而到达料斗区350的燃烧气体如水蒸汽、氮气、氧气和二氧化碳进入螺旋状传热管道346从而向如所示前进穿过料斗350的给料提供进一步的逆流能量增加。通过孔330以及管336和管341之间的环形区和/或空心散热片338而达到料斗区350的所产生的诸如甲烷、氢气和二氧化碳和/或一氧化碳的气体经由管道348循环，所述管道348临近螺旋状管道346缠绕，用于向前进至如所示的旋转式管状螺杆输送机314的材料的有效逆流热传递。隔热管342和360防止向外界的热损失。

通过控制旋转式管状螺杆输送机314的旋转速度以及由此递送到热离解段的固体的压实，在期望的压力之上在适合的边缘处提供这种产物气体的混合物。这提供热能向压力能量的高效转化，因为期望的气体以比初始固体体积大得多的体积形成。在操作中，压力传感器370将压力数据送至工艺控制器372，用于维持进给输送机356、旋转式管状螺杆输送机314的速度和燃烧室组件320的热效率以实现期望的生产量、转化温度和所递送的产物气体的压力。压力调节器374可以提供对经由管道376从再生转换器递送的产物气体的最终调节。

通过在大约1,000PSI和1025°F(69个大气压，550℃)下操作系统300产生的气体混合物可以如表1中所示随着被转化的生物质废物的类型、停留时间和相关操作参数而变。新的配置提供压缩点火来代替柴油燃料并且包括在甲醇中的活性炭悬浮体内所吸附的氢气。

表1

气体产物	森林废物	市政固体废物	肥料
				氢气(H₂)	22(体积％)	33(体积％)	20(体积％)
甲烷(CH₄)	60	53	61
				乙烷(C₂H₆)	17	11	18
一氧化碳(CO₂)	1	2	1

这种气体混合物可以迅速地产生并且可以用较高能量成分如甲醇、在甲醇中的碳悬浮体，或丙烷等来补充，从而在组合燃料应用中实现所得的具有氢燃烧特征的燃烧混合物的事实上任何期望的能量含量。而且，由反应所产生的氢气和/或甲烷可以通过注射经由歧管339以足以产生期望比率的甲烷和乙烷的速率被重新导入反应区从而提供管道品质的气体或用于化学合成的给料。

采用大多数生物质废物，在不循环氢气的情况下初始的产量在较低的热值下可以为350至650BTU/scf。提高的热值可以通过分解过程中压力和温度的多种选择或者通过提高在歧管339处将氢气再循环至反应区的速率来实现。

所产生的化学物质的碳与氢的比率可以通过实施相对较长时间段的操作加以控制，其中有意产生碳的时间之间碳产生大大下降，从而在收集期望的化学物质之前出售所述区和/或在这种收集之后出售所述区。这使得碳作为通过管道递送以储存(包括耗尽的天然气储罐的重新施压)的流体的成分而被输送到工厂用于制造碳增加的耐用物品，以及用于其他目的。以下参照图15描述管道递送所产生的烃、氢气和/或碳产品的系统和方法。

以上的方程式1-5的反应以及系统200和300可以进一步通过使用均相和非均相催化剂以及应用适应的控制来进一步提高，从而改善或优化期望的结果。例如在歧管339和气体汽提器端口340之间的反应区中，可以加入催化剂以通过促进氢气的作用的反应提高烃(例如甲烷和乙烷)和醇(例如甲醇和乙醇)的形成，从而构建合成以形成这类化合物的反应性组分。催化剂的实例包括铬和具有稀土成分的其他陶瓷、铂金属组、贵金属化的镍和过渡金属的金属间化合物。与常规方法相比，催化剂的使用可以提供出乎意料和显著的设备成本和复杂性的下降。类似地，镧系元素-钌制剂、费-托催化剂、铜、铜的金属间化合物，和/或铜合金可以用来提高自一氧化碳和氢气的甲醇合成以及通过甲烷的部分氧化生产甲醇。

在另一方面，低成本的热可以被转化成潜在的能量作为储存能量并且这种压力的利用促进分离过程和能量再生。经增压的混合物被分离，同时保持选定气体的期望增压。这种精制品质气体的增压供应可以用来驱动发动机，所述发动机包括内燃机和具有外部热供应的发动机。

这种能量转化、精制和增压还用来通过管道或加压罐车或者通过液化和储存将经精制的气体递送到遥远的市场。而且，所述的能量转化、精制和增压可以实施为在某些区域与美国专利6,984,305的多个实施方案中的一个或多个结合操作，该美国专利的内容通过引用并入本文。

所述系统(例如，系统100、300)可以提供管状构造的自增强结构。加固可以通过在模块化结构中联合热交换、加固、强化、输送和耐热优势的螺旋状增强结构来提供，所述模块化结构可通过快速组装过程来构建。与常规方法相比，这大大加快了废物管理所需的补救方法的发展并且降低了所递送的系统成本。

来自烃和醇的离解的碳基耐用物品

如以上参照工艺100和系统200、300所示的由生物质废物产生的烃(例如，甲烷)和醇(例如，甲醇)，可以被离解来产生碳用于从金刚石电镀和半导体到比钢坚固且比铝轻的复合材料结构的大量“专用碳”应用。图4为用于使烃和醇离解来获得碳和氢的工艺400的工艺流程图。反应器(例如，反应器610)可以接收自生物质废物(410)离解的烃和醇。反应器可以向所述烃和醇施加充分的热和压力以使碳与氢分离(420)。方程式6图示了使烃燃料离解来获得氢和碳的一般过程。方程式7示出了使甲烷离解成碳和氢的具体反应。

C_xH_y+热量₄→XC+0.5YH₂ 方程式6

CH4+▲H_298K→2H₂+C(▲H_298K＝79.4kJ/mol) 方程式7

方程式8示出了用于使含氧的纤维素和燃料醇通过厌氧分解而离解以获得碳、一氧化碳和氢气的反应。

C₂H₅OH+热量→C+CO+3H₂ 方程式8

一氧化碳可以在方程式9中所示的厌氧离解中反应，从而提高来自含碳、氢和氧的给料的氢气的产率。

CO+H₂O→CO₂+H₂+热量方程式9

在吸热反应(例如，方程式1)中所产生的氢气和一氧化碳的总能量值可以比方程式9中所示的甲烷用作一氧化碳和氢气的来源的能量值高15～20％。

为了提高反应的热化学效率，用于使烃离解的热可以自发动机排气(例如，废热)或可再生的能量源如太阳能被采收和再循环或者是通过燃烧合适的燃料而释放的热，所述燃料包括通过方程式1-5的反应所产生的产物。

可以收集在所述工艺中离解的碳用于生产碳基耐用物品(430)。例如，自生物质废物生产的烃和醇所提取的碳可以用来产生碳产物，所述碳产物包括活性炭、纤维性碳、金刚石状涂层、石墨组分和炭黑。这些形式的碳产物可以用来制造耐用物品，如利用太阳、风、流水和地热资源的更好的设备以及比钢坚固且比铝轻的运送部件。再循环或再利用碳来产生利用可再生资源的设备从而提供比燃烧这类碳一次多许多倍的能量。

而且，可以收集与碳共同产生自烃和醇的离解的氢气用于产生可再生燃料(440)。

在一些实施方式中，厌氧反应可被改进来产生中间体化学品，如来自生物质废物产生的醇(如甲醇)的离解的二甲醚(DME)。图5示出用于从甲醇生产DME的示例性工艺500。反应器(例如，反应器610)可以接收来自生物质废物离解的醇(510)。所述反应器可以向所述醇施加充分的热和压力以产生DME和水(520)。方程式10示出用于自甲醇的DME生产的具体反应。

2CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂O 方程式10

所产生的DME可以通过脱水转化成聚合物前体如乙烯或丙烯，所述聚合物前体为塑料如聚乙烯、聚丙烯和其他聚合物的构造嵌段(530)。方程式11示出用于DME的脱水以获得乙烯或丙烯的过程。

CH₃OCH₃→C₂H₄+H₂O 方程式11

以上产生的乙烯或丙烯可以用来产生聚合物(540)。所述聚合物可以用来产生碳基耐用物品(550)。通过所述的工艺将甲醇转化成聚合物如聚乙烯和/或聚丙烯有效地封存CO₂，导致从大气中移除CO₂。

图6为用于自生物质废物生产的烃和醇产生碳基耐用物品的系统600的方块图。所述系统600包括反应器610，所述反应器610接收来自储存和运送机构230(来自图2)的生物质废物产生的烃和醇216。反应器610可以包括加热机构612，如用于施加用于方程式6-8的厌氧反应中的热的热交换器。自烃和醇离解的碳616用于耐用物品630的生产。

反应器610还可以包括干燥机构614用于使醇脱水以产生DME 618，其可以用来生产乙烯或丙烯635。而且，加热机构612可以用来使醇脱水。所产生的乙烯或丙烯可以用来产生聚合物，用于生产多种塑料和其他碳基耐用物品630。

此外，在反应器610中发生的厌氧反应除了自烃和醇的离解产生碳616之外，还产生氢气619。所离解的氢气619可以储存在储存和运送机构640，如容器和/或管道。而且，所产生的氢气可以利用可再生燃料生产系统(例如700)用来生产可再生燃料。

CO ₂ 和CO与烃和氢气的分离

返回去参照方程式1，生物质废物离解可以产生氢气、碳的氧化物和烃如甲烷。

C_xH_yO_z+热量→CH₄+H₂+CO₂+CO 方程式1

可以将碳的氧化物与烃和氢气分离用于单独的反应中。图7示出通过变压或温度吸附将产品气体如二氧化碳和一氧化碳的混合物与甲烷和/或氢气分离的示例性系统700。这提供了碳化合物如二氧化碳或一氧化碳与诸如甲烷和/或氢气的气体的有效分离。例如，产物气体的混合物经由如图7中所示的管704和施加端口706被递送以暴露于压力容器702中的水或其他吸附剂流体选项，用于二氧化碳和/或一氧化碳的选择性分离。

由于压力在压力容器702中得以维持，因而甲烷和/或氢气被递送到收集管708。在吸附二氧化碳和/或一氧化碳之后，经增压的吸附流体经由管子710被递送到用于递送至热交换器如714、716、718、720、722、724等的喷嘴歧管726。图3中来自发动机302的排气的热可以被递送到热交换器714、716、718、720、722、724等。另外的热可以被递送到热交换器714、716、718、720、722、724等，包括来自部分所产生的气体以及废气如经由出口758通过经增压流体的后续膨胀所释放的一氧化碳的燃烧由燃烧器744所释放的热。另外的热还可以利用风或波能(在这类资源丰富之处)由日光收集器742或通过电阻或电感应加热器来供应。然后经加热的流体穿越涡轮机730、732、734、736、738、740等膨胀，如所示用于能量的回收和/或转化以进一步提高整体效率。

此外，经加热的流体可以经由容器750再循环从而利用热交换器/冷却回路756从经加热的液体中除去热，所述热交换器/冷却回路756使水和其他物质经由入口和出口端口746和748循环以从经加热的流体中带走热。在一些实施方式中，自碳的氧化物分离的甲烷和/或氢气可以与经由热交换器/冷却回路756循环的氧供体反应来生成水。所产生的水和/或经冷却的流体可以穿过端口752并且利用泵754前行至经增压的容器702。

通过适合的发电机如交流发电机728，如图7中所示的系统700可以提供发电整体效率的另外的改善。氢气可以用来冷却这些发电机并且减少风阻损失。在进行这些功能之后，然后同一氢气可以用来对发动机302加燃料或者作为燃烧室(例如，燃烧器)744和/或320中的无碳燃料。

在一些实施方式中，通过给料的衍生物的电解来产生氧气，可以减少或消除二氧化碳的产生。尤其是具有氢气和多余碳存在的这类物质的氢气气化还可以加以控制从而在同时或后续过程中产生乙烷。当期望将受损森林迅速转化成通过管道输送到遥远市场的甲烷、乙烷和氢气的受压供应者时，可以实施该化学过程变化。之后，所述管道可以用来以作为森林稀化、预定收获和维护计划的期望速率函数的降低速率来继续递送这类气体。

通过该方法建立的管道容量变成满足日常和季节变化市场需求的重要储存体系。如图1和2中所示，在除去二氧化碳、微粒、灰分、二氧化硫和水之后，一般期望所得的管道气体提供约900BTU/scf.。

此外，如以上所示有机物质热离解以直接产生氢气和/或产生用于分配和生产专门的碳产品的甲烷可以比在通过有机材料的浪费燃烧产生CO₂之后对其的常规封存和储存有益得多并且可以减少或消除对现有基础设施的昂贵变化。所述技术、系统、设备和材料可以结合碳封存，并产生可再生能量。

除了通过烃(CxHy)化合物的离解而共同产生之外，氢气可以利用任何清洁、可替代的能源通过水的电解分裂而衍生。氢气可以衍生自有机材料的无-CO₂产生的厌氧离解和/或通过利用诸如风、水力、生物质、太阳、潮汐、地热或非峰值核电站的能源而衍生。还可以由事实上通常腐烂或燃烧的任何生物质废物来产生氢气。而且，用于储存氢的碳中性液体化合物可以由氢气和二氧化碳来合成。

甲醇与一氧化碳的分离

图8为用于使甲醇和一氧化碳分离并且通过递送泵830将经分离的甲醇运送至市场的系统800。在操作中，所述系统800进行较致密组分与较轻组分的涡流分离并且提供一氧化碳和甲醇的混合物以通过管804并经由端口810从再生泵/马达812进入分离器容器或腔802。如果递送压力不足以实现所需的递送速率，则所述泵/马达812对这种蒸气提供泵送作用，并且如果所需的递送压力小于来自图1的系统100或另一适合的转换器820的供应压力，则所述泵/马达812提供压力能量的回收。

可以包括热交换回路806以提供用于使甲醇冷凝的冷却。在图8中象征性地示出的热交换回路806可以利用地下水或冷却塔流体作为散热器。热交换回路806中的水可以通过泵840维持在比进入腔802的蒸汽更高的压力下，因而热交换回路的任何封闭失效均不会导致冷却水污染。自端口814离开分离器腔802的冷却水可以按照应用所需用作受热水供应或者返回地下水体系、冷却塔或蒸发池。在充分冷却气体混合物从而在靠近腔802的壁处产生较致密的蒸气和甲醇液滴之后，通过中心管808提取较不致密的一氧化碳。经冷凝的甲醇可以通过递送泵830被递送用于进一步处理，从而根据期望的纯度来移除水和/或所吸附的气体。

甲醇以及甲烷、乙烷和氢气的管道气体混合物可以通过同一或另外的管道互换地输送到市场。在使用同一管道的例子中，优选在用待递送的下一选项重新填充之前通过经过验证的技术如使用压力推动的分离段塞或通过清洁管道的泵从一种化学类型转换成另一类型。

利用其他机制向烃的生物质转化

其他材料输送和压实手段可以用来递送和处理生物质废物。例如，在一些实施方式中，可以使用单向压头(ram)递送和压实系统，而不是使用图1中所示的螺旋输送机。可以实施其他手段用于处理生物质废物以提供以下操作：1)压实生物质废物；2)添加热以消除空气和水分；3)产生源自给料的前行中材料的塞子密封；4)加热所述前行中材料以达到用于离解的期望的压力和温度条件，从而产生选自诸如碳、一种或多种蒸气状烃、燃料醇和气体如乙烷、甲烷、氢气和碳的氧化物的物质选项的期望的化学衍生物；以及5)在利用前进中材料的衍生物和/或残余物来密封的区域中提取期望的化学物质或有助于密封提供移除期望化学物质的区域。为了使所得系统中的热利用最大化，添加到经由这类前进阶段前行的材料的热可以获自来自期望化学物质的逆流热交换，因为其被恢复性或再生性地冷却。另外，添加到材料中的热可以通过来自选定燃料燃烧的逆流热交换而获得。

图9图示了与图1的系统100相类似的一个实施方案900，其包括用于诸如锯末、肥料和木屑的生物质的转化的压头活塞式压实机902。该系统900可以基本上如图1的100一样操作，区别在于生物质的压实是由往复式压头循环提供的。压头活塞902可以由液压缸906来压迫从而在静态汽缸918中往复运动来压实已通过料斗350中的逆流热交换而被干燥和预热的生物质废物。

当压头活塞902处于所示位置时，生物质废物通过输送机356被载入汽缸918中。发动机302驱动液压缸904以通过线910和911递送经增压的工作流体从而驱使液压缸906。在前进冲程中，随着其围绕加热器916的椎体912移动，压头活塞902迫使生物质废物进入进一步被压实的致密装料中，所述加热器916可以是静止的或旋转的以提高生产量并且维持通过转化过程而前进的生物质的压实。在典型的339位置中的多个管允许驱逐空气和水蒸汽，同时还用作材料止回阀以防止通过压头活塞902的作用而前进的材料的回流。来自燃烧气体的逆流热交换使生物质的温度升高足以导致响应于控制器372的协调和控制的方程式1、2、3和4中所概述的离解反应，所述燃烧气体来自燃烧器组件320，通过螺旋状热交换器散热片316和318行进。

因而，生物质材料可以被转化成流体如甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、乙醇、氢气、硫化氢、一氧化碳和二氧化碳。而且，如上所述的生物质转化可以产生能够替代矿物燃料的可再生能量，同时利用图7的再生系统700或者通过另一合适的选择性移除工艺如变压吸附、变温吸附、溶液吸附和膜分离移除令人讨厌水平的硫化氢、一氧化碳和二氧化碳。可再生燃料生产和碳再循环或再利用可以利用逆流热交换获得，所述逆流热交换来自来源如一种或多种来自这类流体的燃料成分的一部分的燃烧，在生产之前、之中和之后从较高温度至较低温度物质的热交换，以及通过与能量转化装置如内燃机、外燃机、可扩展马达和燃料电池的热交换。

图10为示出利用如针对图1、2、3、7、8和9所述的系统100、200、300、700、800和900将来自垃圾填埋区、污水处理厂、废物处置操作以及其他甲烷源的甲烷转化成如方程式6-7所概述的氢气和碳的工艺1000的另一工艺流程图。与烃如汽油、燃料醇、甲烷和柴油燃料相比，氢气燃烧快7-9倍。这使得改善的生物质转化中的热效率成为可能，外加通过涡轮机、旋转燃烧和往复式发动机操作的碳排放的减少或消除，其中氢气或具有氢气特征的燃料如氢气和甲烷的混合物、氢气和甲醇的混合物，或者氢气和一氧化碳的混合物被注入和点燃。

通过上述操作获得的热效率的改善对于间歇式燃机如旋转式燃机和往复式2-或4-冲程发动机如302特别重要，由此在靠近上死点处、上死点处或上死点之后提供直接注射和/或点燃以减少或防止压缩过程中的热损失和后援工作。这确保在发动机的动力冲程过程中燃料潜在能量转化成工作能量的高得多的效率。因而，与具有常规排布以利用丙烷、天然气或柴油燃料的发动机相比，通过在燃烧室的过剩空气内燃烧具有快燃氢气特征的燃料，可以获得相当大的操作效率。

利用图1、2、3、7、8和9的系统100、200、300、700、800和900所产生并且纯化至期望程度的烃如甲烷通过散料转运车(bulk carrier)或管道被运送到适合的目的地如工业停车场(工艺1010)。所运送的烃然后通过来自氢气和/或碳的逆流热交换自环境温度被预热至合适的温度如约1200℃(2200°F)，所述氢气和/或碳通过离解而产生(工艺1020)。如方程式2所概述，通过辐射和/或与经加热的物质如石墨、铁的氧化物、铝的氧化物、镁的氧化物、各种碳化物或其他陶瓷接触而加入足够的热从而使碳在这种经加热的物质选项之上或附近沉淀并且氢气被释放(工艺1030)。收集经加热的氢气用于与前进中的甲烷进行逆流热交换，如参照工艺1020(工艺1040)所述。作为沉积物或作为从用于工艺1030(工艺1050)中的经加热物质脱去或脱落的粉末或薄片材料收集通过甲烷的离解而形成的碳。

在一些实施方式中，提供在工艺1030中共产生的碳和/或氢气的一部分来燃烧以加热或有助于热添加从而产生用于甲烷离解的所需压力和温度(1060)。用于实现工艺1030中甲烷离解的热添加的替代来源包括：1)集中的太阳能，2)导电陶瓷如石墨或氧化锆的电感应加热，3)这类基底的电阻加热和自合适炽热源对这类基底的辐射加热，4)等离子体加热的各种变型，包括涉及氢气和/或甲烷的等离子体，5)和/或通过合适燃料的燃烧，所述燃料包括甲烷或甲烷离解的产物如氢气和/或碳。

在一些实施方式中，上述工艺1000可以利用各种类型的流化床、螺旋状螺杆或活塞诱导的流动反应器、具有碳收集规定和特征的等离子体腔、以及改良的炭黑生产炉来实施。

图11为示出用碳封存来促进氢气生产的方法的另一高效系统1100的示意图。与上述系统和方法相似，图11中所示的系统1100可以实施为自烃如甲烷生产氢气，利用比使水离解所需的低得多的能量添加。而且，有价值的碳形式与氢气共同产生。

在操作中，烃如甲烷通过管1102被递送到耐熔性管状桶1104。在耐熔的管状桶1104内，旋转耐熔性输送机螺杆1110以移动粒子和/或优选的几何形状和尺寸的基底材料1111从而接收根据方程式6-7所概述的过程当甲烷通过辐射、传导等被加热时自甲烷离解并沉积或沉淀的碳。共同产生的氢经管道输送穿过中空螺旋状螺杆输送机1110的孔1108至所示的内部钻孔。因而，经加热的朝着封口1126行进的氢气和碳与朝着封口1114行进的甲烷交换热。螺旋状螺杆输送机1110充当用于传导和辐射热的能量交换系统，还进行机械功以快速实现方程式6-7所概述的反应。

使用适合的热源1106从而向所述系统添加热以使经预热的甲烷离解。热还可以通过如所示的耐熔性螺杆组件1110的中空中心内氢气的燃烧来添加。氧气或另一氧化剂如空气可以经由旋转式活接头1118来递送以用于这种燃烧。用于氢气燃烧的氧气的潜在来源可以包括空气分离或电解。氢气可以通过导管1117被递送穿过如所示的旋转式活接头1119。

基于转换器系统1100的尺寸，减速部件如链轮和链或驱动齿轮1132和轴承支座组件1130可以通过转矩输送隔热器组件1128与旋转式螺杆组件1110隔热。提供在轴1121上的具有旋转式活接头1118的轴承和旋转式活接头1116组件的类似绝缘支座以使来自螺旋状螺杆组件1110的热传递最小化。隔热包1124提供热传递阻塞以防止辐射和传导热损失和其他需要防热的区域。

如方程式1和6-7概述所产生的相对较小部分的甲烷和/或氢气和/或一氧化碳被递送到与图3所示的302相类似的发动机驱动型发电机以提供用于支撑操作的热和电。图11中的发动机驱动型发电机可以包括电驱动马达1136、电解槽和/或空气分离器1144、泵或压缩机1146，和发电机1112，如所示。电动马达1136可以包括齿轮或驱动相应齿轮的链轮驱动734或者用于驱动压头活塞的链轮驱动1132。

所述系统1100可以包括螺旋状刮板的递减斜度以连续地压实夹带在其内的固体生物质材料。除了螺旋状刮板的递减斜度意外，螺旋状旋转螺杆1110和静态管式桶1104之间的截面面积在充当塞式封口的区域中可以减小。这迫使甲烷以逆流方向运行至朝着经由封口1126挤出而行进的碳和朝着如所示的螺旋状旋转螺杆1110内的旋转式活接头1119而行进的氢。

降低螺杆输送机的坡度或者减小靠近封口1126和1114或者在封口1126和1114处的截面积以压实碳粒子或形状从而进一步提供紧密密封以防止氢气或甲烷逸出。在更大的应用中，螺旋状旋转螺杆1110在靠近封口1114的区域中可以具有稍微反向的坡度从而导致碳的压实以产生有效密封，防止甲烷或氢气损失。

隔热系统1124促进朝着封口1114行进的烃如甲烷和朝着封口1126行进的碳和/或氢气之间的有效逆流热交换。齿轮或链轮驱动1132与驱动马达1136热隔离，并且设计轴承1116和1130用于隔热和/或高温服务。螺旋状螺杆输送机1110和桶1104可以由难熔金属或陶瓷材料选项如石墨、碳化物、氮化物、金属间化合物和金属氧化物制成。

由热源1106加入的热可以通过集中太阳能、催化剂或火焰燃烧，或者通过电加热如等离子体、电阻或感应原理，优选使用可再生的电。通过空气分离器和/或电解槽1144所产生的氧气可以储存在积聚器1122中并且经由压力调节器1120递送。所递送的氧气可以在需要时使用以提供氢气燃烧和用于离解过程的热产生，例如在太阳、风、流水和其他可再生资源不可得或不足的时间期间。

光合作用：用于向可再生能量转化的有机材料

图12为示出利用光合作用将生物质转化成可再生燃料并且封存碳的综合工艺1200的方块图。系统(例如，系统100、200、300、700、800、900和/或1100)可以利用光合作用来提供通常含有碳、氢和氧的有机材料用于转化成可再生能量(工艺1210)。所述系统利用厌氧消化或热解或部分氧化来产生燃料气体如甲烷和碳的氧化物(工艺1220)。所述系统使碳的氧化物如二氧化碳与所产生的燃料气体分离(工艺1230)。所述系统可以提供适当的过滤、变压吸附、变温吸附或选择性吸附1232以分离甲烷与碳的氧化物。

所述系统在如所示的用于离解的最终热添加之前通过与氢气和碳的逆流热交换来预热烃(例如甲烷)(工艺1240)。基于经纯化的燃料气体的压力和用于前述预热工艺1240的期望压力，所述系统可以包括加压器1234以进行以下的一个或多个操作：1)电解加压，2)机械泵或压缩机操作，或者3)来自吸附性和/或金属氰化物体系的加压释放。如所示，对于热添加的后续规定选择为专门由碳制得的产品，所述碳源自经预热的甲烷(工艺1250)。

图13为示出利用光合作用来引发由生物质产生有价值的燃料、溶剂、化学前体和各种各样的经封存的碳产品的另一工艺1300的方块图。利用光合作用，系统(例如，系统100、200、300、700、800、900和/或1100)产生有机给料或生物质，如肥料、垃圾和污物(工艺1310)。所述系统将所产生的生物质通过逆流再生性预热和厌氧热解转化成富碳残余物和流体如甲醇、氢气和一氧化碳(工艺1320)。以上针对系统和方法100、200、300、700、800、900和/或1100描述了生物质转化，所述系统和方法针对以上图1-3、7-9和11描述。

所述系统利用泵1322递送气体如氢气和一氧化碳，所述气体通过厌氧热解产生并且经分离来产生期望的纯化程度(工艺1330)。所述系统可以包括泵1332从而递送经由计量泵1342和1344适当地成比例的一氧化碳。所述系统可以将所递送的一氧化碳转化成各种各样的产物(工艺1340、1350和1360)。

例如，当一氧化碳离解成碳和二氧化碳，可以产生热(工艺1340)。而且，当一氧化碳与氢气结合产生甲醇(CH₃OH)时，可以释放热(工艺1350)。另外，蒸汽可以与一氧化碳以放热反应起反应来产生氢气(H₂)和二氧化碳(CO₂)(工艺1360)。可以利用由这些放热工艺所释放的热来生产用于工艺1360中的蒸汽，从而在于工艺1320中提供另外的热之前使生物质给料干燥，用于加热图11中的厌氧消化器1120以提高甲烷和/或氢气产生的速率，用于工艺1140中，以及用于许多其他可用目的。

太阳能集中器：用于生物质转化的热源

图14A和14B为示出利用太阳能向生物质转化过程提供热的太阳能集中器1400的图。太阳能集中器1400追踪太阳以持续聚焦经由反应器1414的接收区1430上的镜1412接收的经反射的太阳能，来产生高的工作温度。太阳能的充分集中易于通过抛物线型、球型或阵列型日光反射镜1412实现，从而产生如经由物理和化学性质促进的500℃至2500℃的典型工作温度，所述物理和化学性质通过反应器1414中的内含或接收管1422的材料和配置规格提供。除了静态接收管1422之外，反应器1414还包括具有一体式螺旋状螺杆刮板1426的旋转式螺杆输送机和挤出机管1424，所述螺旋状螺杆刮板1426迫使反应性成分如有机材料进入反应区1430。所述区1430中的有机材料被集中的太阳能快速加热至高温。

静态底座1404容纳驱动系统并且提供材料向反应器1414以及自反应器1414的传递。用于反应器1414的燃料和给料如垃圾填埋区甲烷通过连接的管道1418递送。流体给料如污物可以通过不同的管道1415被递送至反应器1414。所产生的或经递送的电通过电缆组1419来转移。通过反应器1414产生的氢气和/或其他流体可以被递送至管道1416用于储存和分配。可移动台1406围绕中心竖直轴旋转以提供反应器1414的太阳追踪，所述反应器1414装配有镜1412。提供如所示围绕支座1410中的水平轴1409的配合旋转来追踪太阳并且产生使自镜组件1412反射的太阳能聚焦的点。待加热的有机固体和半固体被载入料斗1408中，所述料斗1408将有机固体材料进料给螺杆输送机1424，其一部分示于图15中。

其他形式的可再生加热易于适应，例如利用来自发电机的电的感应或电阻加热，所述发电机由流水、风、波作用或者通过利用本文所述操作产生的燃料的发动机来驱动。类似地，由反应器1414产生的一部分燃料可以燃烧来充分地加热区1430用于实现方程式1、4和6的反应。该组向接收区1430的替代热输入图示了根据需要补充或取代太阳能的手段以确保在间歇性云遮蔽或在夜晚的情况下的持续操作。

通过所产生的氢气和/或一氧化碳的部分燃烧而对区1430的补足加热或太阳热的取代可以通过将氧气从电解槽1407递送穿过管1437至管1432的钻孔1431内来实现。通过热引擎1403对垃圾填埋区甲烷和/或氢气的用于驱动发电机1405的操作来提供协同益处。产生容量的多余的电用来在电解槽907中产生氧气和氢气。通过这种操作所产生的氢气可以容易地储存在用于运送的管道1416中，并且通过燃料的部分燃烧，氧气可以用来大大地提高热产生的工艺效率，所述燃料通过反应器1414和/或在燃料电池发电应用中产生。

当通过部分燃烧而用氧气来产生热时，通过从管1432中的气体混合物中冷凝或过滤水，氮气的消除大大降低了氢气提纯的成本。如所示，管1437递送氧气以燃烧所需量的燃料，同时热损失最少并且消除对氮气的加热要求，如果用空气作为氧化剂，则所述氮气将存在。

管1422因而实施在厌氧条件下包含有机给料并且将能量如太阳能传递到输入集中加热区1430的生物质的功能，从而促进如下所概述的反应：

C_nH_mO_x+热量₁→xCO+m/2H₂+(n-x)C 方程式12

C₆H₁₀O₅+热量₂→5CO+5H₂+C 方程式13

少量的NH₃、H₂S、N₂和H₂O还可以见于具有CO和H₂的气态产物中，所述气态产物被经压实的固体迫使进入所示的旋转式螺纹管1432的中心钻孔1431。所产生的H₂S可以与铁反应来形成铁的硫化物或者被收集在碳中，所述碳通过氢气被释放的工艺产生。除了所收集的矿物灰分之外，固定的氮可以作为氨收集并且硫作为铁的硫化物收集以用作土壤营养素。

通过螺纹管1432沿着所示的刮板1434的旋转运动将固体如碳和灰分1436从区1430中提取出来。高温隔热体1440可以用来覆盖如所示的接收器/反应器1414的端部，并且隔热区1442可以沿着富碳固体和生物质之间得到的热的逆流交换提供热量保存，所述富碳固体通过螺旋输送机1432提取并且所述生物质朝着接收器和反应器组件的加热区1430移动。在太阳能不可得的期间，隔热套筒1438用来覆盖所述区1430并且可以被支撑并通过伸缩式管导架被引导至所示的储存位置以及从所示的储存位置被引导，所述伸缩式管导架没有示出。

在压实和逆流预热的早期阶段移除的水和其他气体可以通过天窗或孔1444排出以允许通过收集管1443和1446提取。对于多种给料如肥料和污物而言，这种水一般含有固定氮和其他土壤营养素并且优选用来补给土壤耕作和生产力。

当优选纯净的碳和纯净的氢气时，可以预处理生物质以移除成灰材料如钙、镁、磷、铁和其他矿物。生物质的灰成分常常浪费地暂存在垃圾填埋区或者当流出物从污物和垃圾处置操作中被废弃时允许逸出至海洋。在所述主题中，灰分易于收集并且作为土壤营养素返回至有用的应用中。这可以通过机械分离和生物质在合适溶剂中离解以分离灰分组分的组合来实现。

另一个实施方案提供生物质如碳水化合物和纤维素根据以下一般反应的厌氧消化：

n(C₆H₁₀O₅)+nH₂O+热量₃→n(C₆H₁₂O₆) 方程式14

n(C₆H₁₂O₆)→3n(CH₄)+3nCO₂+热量₁₀ 方程式15

通过多种技术(包括添加灌溉水)在所示工艺之后的剩余含水液中捕获的土壤营养素被有效地传递至贫瘠土壤。二氧化碳易于通过冷却以产生相变分离或者通过吸附在适合溶剂如水中而从工艺产物中移除。二氧化碳在25个大气压和12℃(54°F)下以约21.6体积的气体/体积水的范围溶于水中。

增大压力和/或降低温度提高溶于每体积水中的二氧化碳的量。在将二氧化碳和甲烷分离之后，减小压力或升高温度释放所溶解的二氧化碳。

在有机给料的厌氧离解以产生给定量的经封存碳的过程中所需的热的量远小于从大气中收集二氧化碳并使之离解所需的能量。实施自有机给料的碳封存工艺所需的设备远不及从大气中提取二氧化碳并使之分裂成碳和氧所需的设备复杂，而是简易地多并且粗糙得多。

在将包括生物质固体和甲烷在内的烃转化成碳和氢的过程中，离解反应的产物倾向于比反应物占据更大的体积。用于实施这些吸热反应的组件1414的设备1420可以用经挤出机刮板1426压实的富碳材料沿着反应器1430的入口以及用富碳材料沿着区1430的出口的挤出机刮板1434容易地密封反应区1430，使得通过钻孔1431穿出的氢气和其他气体可被加压至所需的程度并且经由钻孔1431的出口上的旋转式活接头和压力调节装置得以维持。

冷甲烷可以在甲烷进入反应器1420之前，用合适的加压技术加压至来自反应器1420的氢气的期望递送压力，所述加压技术包括通过来自吸附性基底的释放、相变、机械压缩和杂化系统来加压。如果通过液化分离在厌氧消化中产生的气体，则这容易地通过使甲烷蒸发至所需的压力来实现。通过如图12中所示的各种泵和压缩机1234的加压也可以用于该目的。

所产生的碳的类型可以根据市场需求以及实现碳封存工艺的相应温度和压力而变化。例如，可以根据需要对甲烷进行处理以产生纤维、炭黑、在合适基底上的类金刚石镀覆、石墨晶体以及如美国专利6,015,065和6,503,584中所述的许多其他形式。

而且，为了提供用于某些应用的热量保存，螺旋输送机1432可以设计作为进料路径和预热器，其中经由钻孔1431递送的氢气和由区1430中的反应产生的碳通过适当设计的挤出机1424进行输送，与进来的给料进行逆流热交换。这种布置可以通过产物的平行流动提供来自内部和来自外部的进来给料在到达反应区1430之前的逆流加热，所述产物在给料的相反方向上穿行。

通过反应器1414形成的碳由与管1424逆流热交换的螺旋输送机1432携带以预热进入的甲烷，并因此提高太阳能完成工艺反应的整体效率和速率。所产生的氢气收集在管式输送机1432的钻孔1431中并且除去与反应物逆流热交换的热，所述反应物朝着反应区1430穿行。

所产生的可再生氢气可以用于燃料电池中或者热动机中，所述热动机清洁空气并且提供比周围大气更清洁的排气。

随着由所述工艺产生碳，其在管1422的内壁和输送机刮板1426之间持续地形成气密密封。通过减少期望最大压实的螺旋状挤出机螺纹刮板引线，可以确保该密封。在将正在经历向氢气转化的材料在穿过反应区1430的螺旋输送机中穿过出口上的反应区1430之后，可以提供最大的碳压实和密封效果。

除了所示的螺旋输送机之外，反应物在图14A和14B中所示的工艺中的反应物输送可以通过其他相似的装置来进行。例如，可以通过往复式活塞而不是螺旋输送机1424迫使生物质至反应区1430并且可以通过包括链驱动输送机而不是螺旋输送机1432的其他提取方法从热端提取碳。

当产生液体燃料或溶剂如一种或多种松节油的蒸气以及其他有价值产品时，可以将反应温度调节至下降的温度或者提高成分的生产速率。有用的化合物如氢气、碳、甲醇、生化柴油和松节油可以产生并且收集在管钻孔1431中，如方程式中所概述或者一部分具有平均化合物通式的典型生物质废物给料如下所示：

C₆H₁₀O₅+热量₆→CH₃OH+4CO+3H₂+C 方程式16

在甲醇中吸纳经吸附氢气的胶状碳的引入提供每体积更高的热值以及在可再生柴油燃料应用中提供压缩点火的能力。如果期望液体燃料和/或溶剂的更高产率，则在方程式16的典型过程中产生的一氧化碳和氢气可以在合适催化剂的存在下起反应以产生另外的甲醇和氢气。

4CO+3H₂→4CH₃OH+H₂+热量₁₂ 方程式17

通过螺旋式输送机1432将生物质递送至反应区1430的速率和提取固体残余物的速率可以由计算机进行控制。例如，计算机可以响应于气体、蒸气和固体残余物流中期望产物的种类和品质的压力、温度和其他指示的仪表而适应性地控制生物质转化过程。

一氧化碳可以通过方程式18中所概述的工艺经由所示的歧化反应而分解或转化成经封存的碳的期望形式：

2CO→C+CO₂+热量₁₃ 方程式18

如方程式18所概述的歧化反应是放热性的并且可以在温度和压力条件的不同组合下来提供，包括在500℃至800℃下在10-40大气压下操作。

对于用于燃料电池或者清洁空气的热动机的氢气产生，一氧化碳可以在放热反应中与蒸汽反应来产生如方程式19中所示的氢气：

CO+H₂O→CO₂+H₂+热量₁₄ 方程式19

通过以上概述的工艺所产生的一氧化碳可以被转化成多种产品以满足市场需求，所述工艺选自如图示的需要氢气和/或碳产生的工艺。由放热过程所释放的热可以用作所示吸热反应所需的热添加的一部分。

已经描述了以下的实用过程：利用光合作用自大气封存碳、收集光合成的生物质，以及加热生物质以产生选自碳、氢气、甲醇、松节油和灰分的产物。通常允许腐烂进入大气并且有助于二氧化碳和/或甲烷累积的生物质废物如今可以用来有效地产生氢气、碳产物和土壤营养素。

明确的、有用的应用

对大多数受损的森林设置中火灾、地震和泥石流危害的分析显示，通过建立地下管道来运送通过这类受损的森林和/或地被物的快速收获和转化所产生的甲烷来促进目前所揭示的解决方案是高度有利的。现今通过天然气或其他矿物燃料服务的这种可再生甲烷向市场的管道输送可以提供来自温室气体的环境影响的大幅下降并且便于从当前对矿物能的依赖发展成可再生能量保障。

而且，通过甲烷的可再生来源的建立可以激励工作进展和投资者信心，所述甲烷可以经由管道通过低成本运送来递送。进一步的改善可以通过“碳时代”的发展来提供，所述“碳时代”的发展由甲烷向碳产物的转化来促进，因为氢气用于清洁能量应用。

图15为示出运送自生物质废物产生的可再生能量的工艺1500的工艺流程图，所述生物质废物包括市政、农场和森林废物如森林砍掉和病死的和/或死去的树。生物质处理系统(例如，以上图2-3、6-9和11中所述的系统200、300、600、700、800、900和1100)接收生物质废物用于转化成可再生能量(工艺1502)。例如，来自病死的和/或死去的树的生物质废物可以被切割、拉拔或以另外的方式收获。生物质处理系统将所收获的生物质废物切碎或以另外的方式细化成用于被输送机如带、压头或螺旋输送机有效运送和压实的小块和小片(工艺1504)。利用再生性离解，生物质处理系统对经细化的生物质废物进行干燥和转化以产生可再生能量和副产物，包括烃、伴随甲烷的醇蒸气、氢气和伴随固体如碳和矿物的其他气体，所述固体通过或伴随着纤维素和/或木质纤维素给料引入(工艺1506)。生物质处理系统将蒸气和气体如甲烷和/或氢气与二氧化碳分离(工艺1508)。所产生的富甲烷气体可以通过管道或其他运送方法如被天然气工业所利用的那些被输送到遥远的位置(步骤1510)。可以在经由管道递送运输富甲烷气体之前或之后自富甲烷气体生产氢气和碳产物(1512)。所产生的氢气可以用作多种应用中的燃料(1514)。例如，氢气可以用于发动机和/或燃料电池以驱动机动车辆、提供热、用于轴功和发电、用于化学工艺应用，以及产生化肥。

虽然本说明书包含许多具体事项，但这些细节不应解释为对任何发明或可能要求保护的范围的限制，而是作为可能仅限于具体发明的具体实施方案的特征的说明。在本说明书中在分开的实施方案的上下文中描述的某些特征还可以在单一实施方案中组合实施。反过来说，在单个实施方案的上下文中描述的多个特征还可以在多个实施方案中分别或以任何适当的子组合来实施。此外，尽管特征可以在以上描述为在某些组合中起作用并且甚至原样在初始要求保护，来自所要求保护组合的一个或多个特征在一些情况下可以从所述组合中删除，并且所要求保护的组合可以被导向子组合或子组合的变型。

类似地，虽然操作以具体的顺序在附图中描绘，但这不应理解为需要这类操作以所示的具体顺序或以相继的顺序来进行，或者进行所有图示的操作来得到期望的结果。在某些情况下，多重任务和平行处理可能是有利的。此外，在上述实施方案中多个系统部件的分离不应理解为在所有实施方案中需要这种分离。

仅仅描述了一些实施方式和实例，但基于本申请中所描述和所图示的内容，可以进行其他实施方式、提高和变化。

倘若先前没有通过引用并入本文，则本申请通过全文引用并入以下资料的各自的主题：2010年8月16日提交的标题为SUSTAINABLEECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATED PRODUCTIONOF RENEWABLE ENERGY，MATERIALS RESOURCES，AND NUTRIENTREGIMES的美国专利申请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12/857,553；2010年8月16日提交的标题为SYSTEMS AND METHODS FORSUSTAINABLE ECONOMIC DEVELOPMENT THROUGH INTEGRATEDFULL SPECTRUM PRODUCTION OF RENEWABLE MATERIALRESOURCES USING SOLAR THERMAL的美国专利申请12/857,554；2010年8月16日提交的标题为ENERGY SYSTEM FOR DWELLING SUPPORT的美国专利申请12/857,502；2011年2月14日提交的标题为DELIVERYSYSTEMS WITH IN-LINE SELECTIVE EXTRACTION DEVICES ANDASSOCIATED METHODS OF OPERATION的代理人备案号69545-8505.US00；2010年8月16日提交的标题为COMPREHENSIVECOST MODELING OF AUTOGENOUS SYSTEMS AND PROCESSES FORTHE PRODUCTION OF ENERGY，MATERIAL RESOURCES ANDNUTRIENT REGIMES的美国专利申请61/401,699；2011年2月14日提交的标题为CHEMICAL PROCESSES AND REACTORS FOR EFFICIENTLYPRODUCING HYDROGEN FUELS AND STRUCTURAL MATERIALS，AND ASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人备案号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的代理人备案号69545-8602.US00；2011年2月14日提交的标题为CHEMICAL REACTORSWITH RE-RADIATING SURFACES AND ASSOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS的代理人备案号69545-8603.US00；2011年2月14日提交的标题为THERMAL TRANSFER DEVICE AND AS SOCIATED SYSTEMS ANDMETHODS的代理人备案号69545-8604.US00；2011年2月14日提交的标题为CHEMICAL REACTORS WITH ANNULARLY PO SITIONEDDELIVERY AND REMOVAL DEVICES，AND AS SOCIATED SYSTEMSAND METHODS的代理人备案号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的代理人备案号69545-8606.US00；2011年2月14日提交的标题为INDUCTION FOR THERMOCHEMICAL PROCESS，ANDASSOCIATED SYSTEMS AND METHODS的代理人备案号69545-8608.US00；2011年2月14日提交的标题为COUPLEDTHERMOCHEMICAL REACTORS AND ENGINES，AND ASSOCIATEDSYSTEMS AND METHODS的代理人备案号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的代理人备案号69545-8616.US00；2009年8月27日提交的标题为CARBONSEQUESTRATION的美国专利申请61/237,419；2011年2月14日提交的标题为CARBON RECYCLING AND REINVESTMENT USINGTHERMOCHEMICAL REGENERATION的代理人备案号69545-9004.US00；2011年2月14日提交的标题为OXYGENATED FUEL的代理人备案号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61/237,425；2011年2月14日提交的标题为MULTI-PURPOSE RENEWABLE FUEL FORISOLATING CONTAMINANTS AND STORING ENERGY的代理人备案号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61/421,189；以及2011年2月14日提交的标题为ENGINEERED FUEL STORAGE，RESPECIATION AND TRANSPORT的代理人备案号69545-9105.US00。

Claims

1.一种通过反应器进行的使天然生物质废物离解成可再生源能量或碳副产物或二者的方法，所述方法包括：

接收在厌氧反应下离解的天然生物质废物，所述天然生物质废物包含碳、氢和氧；

从外部热源回收废热以加热所接收的天然生物质废物；以及

使经加热的天然生物质废物离解以产生可再生燃料、碳副产物或二者，所述离解包括：

压实经加热的天然生物质废物，

自内部热源生成热，和

将所生成的热在压力下应用到经压实的生物质废物中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述回收废热包括以下中的至少之一：

回收自发动机排出的热，和

自可再生能量发生器生成热，所述能量发生器包括风能发生器、太阳能发生器、来自流水的能量发生器和地热能发生器中的至少之一。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

朝着用于使经压实的生物质废物离解的离解区推进所述经压实的生物质废物；以及

从推进中的经压实的生物质废物中移除水分和空气。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述移除水分和空气包括：

通过受限的空间挤出所述经压实的生物质废物从而将水分和空气以物理方式挤出。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

迫使所产生的可再生燃料或碳副产物或二者与推进中的经压实的生物质废物呈逆流方向；和

自所产生的以逆流方向行进的可再生能量或碳副产物或二者传递热。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述可再生燃料包括烃、醇、氨和氢中的至少一种，并且

其中所述碳副产物包括二氧化碳、一氧化碳和碳中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

利用由所述生物质废物产生的碳来生成耐用物品。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述烃包括甲烷和乙烷中的至少一种；并且

其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：

使所述烃分离成氢和碳。

10.根据权利要求6所述的方法，还包括：

利用从所述生物质废物产生的碳来生成耐用物品。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述天然生物质废物包括响应于光合作用获得的含有碳、氢和氧的有机材料。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括施加催化剂以促进含烃的可再生能量的形成。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述催化剂包括铬、具有稀土成分的陶瓷、铂金属组、贵金属化的镍和过渡金属的金属间化合物中的至少一种。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物质废物包括葡萄糖、木质素和纤维质给料中的至少一种。

15.一种用于使天然生物质废物离解成可再生燃料或碳副产物或二者的系统，所述系统包括：

接收在厌氧反应下离解的天然生物质废物的料斗，所述天然生物质废物包含碳、氢和氧；

废热交换器，其耦接到所述料斗以回收来自外部热源的废热并且将所回收的热传递给所述料斗以加热所述天然生物质废物；和

经加压且加热的反应器，其耦接到所述料斗以接收经加热的天然生物质废物，所述反应器包括：

输送机，其压实所述经加热的天然生物质废物，和

燃烧室，其生成用于在所述厌氧反应中使经压实的生物质废物离解而产生可再生燃料、碳副产物或二者的热。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述外部热源包括用于产生可再生能量的装置，所述装置包括风能发生器、太阳能发生器、来自流水的能量发生器和地热能发生器中的至少一种。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述输送机配置为：

朝着用于使经压实的生物质废物离解的离解区推进所述经压实的生物质废物；并且

从推进中的经压实的生物质废物中移除水分和空气。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述输送机包括：

在所述输送机的外表面上的旋转管的螺旋刮板的递减斜度以促进水分和空气的移除。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述经加压且加热的反应器成形为降低所述反应器内的截面积，用于在促进水分和空气移除的同时推进经压实的生物质废料。

20.根据权利要求15所述的系统，还包括：

逆流热交换器，其耦接到所述反应器以从所产生的与推进中的经压实的生物质废物呈逆流方向行进的可再生燃料或碳副产物或二者向所述经压实的生物质废物传递热。

21.根据权利要求15所述的系统，其中所述可再生燃料包括烃、醇、氨和氢中的至少一种，并且

22.根据权利要求21所述的系统，其中所述烃包括甲烷和乙烷中的至少一种；并且

其中所述醇包括甲醇和乙醇中的至少一种。

23.根据权利要求21所述的系统，还包括：

烃转化系统，其包括耦接到反应器以接收烃并且还耦接到所述热源以接收用来使烃分离成氢和碳的热的一个或多个热交换器。

24.根据权利要求15所述的系统，其中所述天然生物质废物包括响应于光合作用而获得的含有碳、氢和氧的有机材料。

25.根据权利要求15所述的系统，还包括用于接收催化剂以促进所述含烃的可再生燃料形成的催化反应区。

26.根据权利要求25所述的系统，其中所述催化剂包括铬、具有稀土成分的陶瓷、铂金属组、贵金属化的镍和过渡金属的金属间化合物中的至少一种。

27.根据权利要求15所述的系统，其中所述生物质废物包括葡萄糖、木质素和纤维质给料中的至少一种。