CN103842487A - 混合燃料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合燃料及其制备方法。制备混合燃料的工艺包括将生物燃料乳液共混物与液体燃料产物合并以形成混合燃料的步骤。任选地，所述混合燃料可与水在油包水工艺中合并，并包括含氧添加剂和添加剂包。混合燃料包括生物燃料乳液和液体燃料产物的共混物，所述液体燃料产物包括轻气体柴油。任选地，所述混合燃料可包含水、含氧添加剂和其他添加剂包。

Description

混合燃料及其制备方法

相关申请的交叉引用

本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2011年3月29日提交的名称为"Hybrid Fuel and Method of Making the Same"的美国临时专利申请号61/469,036的权益，该临时专利申请的内容整体以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及混合燃料的配方和生产，更具体地讲，涉及生产液体燃料（包括基于矿物、植物和动物的烃）的技术。

发明背景

可运输的液体是燃料和化学应用的重要商品。当前，液态烃大多由基于原油的原料通过多种工艺而生产。然而，随着原油原料全球供应量的减少，越来越需要寻找液体能源产品的替代来源。可能的替代来源包括生物质、煤和天然气。作为天然气、生物气体和煤的气化的主要成分的甲烷是一种与包括植物和动物油脂的乳液一起的来源。天然气的全球储备正不断地增加，目前，天然气的发现量比石油更多。

由于与大量天然气的运输相关的问题，与石油一起产生（尤其是在偏远地区）的天然气大部分都被燃烧并浪费掉。因此，将天然气直接转化成高级烃是提高天然气品位的尤其引人关注的方法，前提是可以解决伴随而来的技术难题。大部分将甲烷转化成液态烃的工艺涉及首先将甲烷转化成合成的气体（如本文所用的“合成气”），即氢气和一氧化碳的共混物。生产合成气是资本和能量密集型的；因此，不需要生成合成的气体的路线是优选的。例如，常规的氢化处理利用两个步骤，首先生成合成气，然后在高温高压下产生自由基以与待氢化处理的油反应。此类工艺的能量消耗非常大。人们已提出了多种将甲烷直接转化成高级烃的替代工艺。

将诸如甲烷和二氧化碳的轻气体以及生物燃料转化成液体燃料的现有提议存在限制了它们的商业潜力的多种问题。氧化偶合方法通常涉及大量放热以及潜在危险的甲烷燃烧反应，通常需要昂贵的氧气发生设施，并会产生大量对环境造成影响的碳氧化物。在另一方面，现有的还原偶合技术通常对芳族化合物的选择性较低并且可能需要昂贵的共同进料以提高转化率和/或芳族化合物选择性。另外，任何还原偶合工艺都会生成大量的氢气，并且对于经济可行性而言需要有效利用氢气副产物的途径。由于天然气田通常处于偏远的位置，因此有效利用氢气会面临严峻的挑战。

烃类液体中的另一个关键因素是存在多核芳族化合物以及总芳族化合物。在一些情况下，这些化合物已知为致癌物。监管机构已经开始将其注意力转向这些化合物在环境中的大量出现，并要求减少工业工艺（包括燃料加工）中的多核芳族化合物。另外，多核芳族化合物在其燃烧时具有产生细微粒子的趋势，从而产生进一步的环境问题。然而，由于减少多核芳族化合物所需的不同反应途径的多样性、技术难题和花费，通过现有精炼工艺减少多核芳族化合物比较困难。例如，在某些情形下，减少多核芳族化合物需要添加大量的氢气并会导致生成二氧化碳，二氧化碳就其本身而言需要除去和/或改良。

使用天然气作为液态烃来源的特定困难涉及以下事实：世界上的许多天然气田含有大量的有时超过50%的二氧化碳。二氧化碳是越来越严的政府监管目标，因为其可能促使全球气候变化。此外，任何需要从天然气中分离并处置大量二氧化碳的工艺都可能是经济上不可行的。事实上，一些天然气田具有高二氧化碳含量以至于当前被视为在经济上不适宜开采。

相似地，由脂肪和油生产生物燃料的现有工艺通常利用酯化反应来生产生物柴油，尤其是以其非共混形式（即B100）。这是一种昂贵的工艺，并且在现有设施中利用生物柴油（尤其是作为B100）时存在已知的技术问题。下文所述的本发明的实施方案解决了这些问题。

无法轻易使用的重油/沥青也存在大量的储备。经济地降低重油的粘度（即增大API重力）将增加它们对精炼商的价值并且还降低运输成本。

还需要改善燃料在运输和供热应用中的性能。这些改善包括将能量转化成有用功的效率升高以及包括CO₂、烃、SO_X、NO_X的温室气体(GHG)和粒子的排放减少。另外，需要减少烃类燃料和生物燃料中的芳族馏分，包括多环芳族化合物。

需要将轻气体（例如甲烷）转化成液态烃的改进工艺，尤其是当轻气体存在于含有大量二氧化碳的天然气气流中时。还需要产生混合燃料，以在可与现有烃类燃料相当的成本下生产的共混燃料中利用由天然气、生物脂肪和油、原油和重油/沥青产生的产物的独特特性。需要基于生命周期分析减少温室气体(GHG)和粒子总排放的工艺整合、系统和设备。此类工艺还需要利用二氧化碳以最大程度减少其排放的潜力。

发明概述

本发明提供混合燃料及其制备方法。

在一个方面，公开了通过包括以下步骤的工艺制备的混合燃料：将第一反应物引入反应器，其中第一反应物包含一种或多种轻气体；将第一反应物在足以重整第一反应物以形成合成气并生成自由基和高能电子的条件下暴露于非热等离子体；将第一液体进料燃料引入反应器；以及在反应器中使得自将第一反应物暴露于非热等离子体而产生的反应产物与第一液体进料燃料密切接触以产生改良的液体燃料。如本文所公开，根据本发明所公开的工艺制备的混合燃料可用作可随时作替代的燃料(drop-in fuel)。在某些实施方案中，通过根据本发明制备的混合燃料制备共混物或混合物。此类共混物包括但不限于生物柴油、生物燃料乳液、喷气燃料、柴油以及作为混合物其他组分的其他常规燃料产品。在一个实施方案中，第一反应物还包含第二液体燃料进料。

在提供混合燃料的一个方面，混合燃料包含第一燃料产物和第二燃料产物。第一燃料产物包括但不限于生物燃料乳液、生物柴油、喷气燃料、柴油、超低硫柴油或其他基于石油的燃料（例如图1的102或图2的222的结果）。第二燃料产物包括通过与液体燃料进料合并的一种或多种轻气体制备的燃料（例如图3B的328或图11的104的结果）。在一些实施方案中，混合燃料包含至少约20重量%的第一燃料产物。在一些实施方案中，混合燃料包含最多约20重量%的第一燃料产物。在另外的实施方案中，混合燃料包含约5重量%至约10重量%的第一燃料产物。在其他实施方案中，混合燃料包含水。在一些实施方案中，混合燃料包含约20重量%的第一燃料产物和约80重量%的第二燃料产物。在一些实施方案中，混合燃料还包含最多约20%、或约10%至约20%或约20%的水，而组合物的其余部分包含第二燃料产物。在一些实施方案中，混合燃料的倾点为约-30℃。在其他实施方案中，混合燃料的倾点低于约-15℃。在另外的实施方案中，混合燃料的倾点为约-10℃至约-50℃，或约-25℃至约-35℃。在其他实施方案中，混合燃料的浊点为约-44℃。在另外的实施方案中，混合燃料的浊点不高于约-10℃，或为约-15℃。在一些实施方案中，混合燃料的倾点为约-10℃至约-15℃，或比分离的第二燃料产物（即，不存在第一燃料产物的情况下，或在合并以产生混合燃料之前）的倾点低约15℃。在一些实施方案中，混合燃料包含不超过约1%的多核芳族化合物。在其他实施方案中，混合燃料包含不超过约20%的芳族化合物。在一些实施方案中，第二燃料产物是通过本文所述的工艺生产的混合燃料。在一些实施方案中，第一燃料产物还包含甘油醚。

在另一方面，公开了制备混合燃料的工艺。该工艺包括：将第一反应物引入反应器，其中第一反应物包含一种或多种轻气体；将第一反应物在足以生成合成气（即CO+H₂）和自由基的条件下暴露于非热等离子体；将第一液体进料燃料引入反应器；以及在反应器中使通过第一反应物生成的合成的气体和自由基与第一液体进料燃料密切接触以产生改良的液体燃料。在一些实施方案中，混合燃料为生物燃料。在一些实施方案中，该工艺为精炼油的工艺。在一些实施方案中，在生成自由基的工艺之前没有离解所述一种或多种轻气体的工艺（即，将得自第一反应物的反应产物与第一液体进料燃料直接混在一起）。在一些实施方案中，反应器为非热等离子体反应器。在一些实施方案中，非热等离子体反应器为滑动弧反应器、微等离子体发生器或匀化器。在一些实施方案中，自由基通过高剪切、超声、空化、高能混合装置或它们的组合生成。

在一些实施方案中，制备本文所公开的混合燃料的工艺还包括在反应器中添加催化剂。在一些实施方案中，催化剂为金属催化剂、有机金属催化剂、纳米球催化剂、载体催化剂、可溶催化剂或两种或更多种的混合物。在一些实施方案中，催化剂为有机钼化合物。

在一些实施方案中，制备本文所公开的混合燃料的工艺形成作为副产物的脂肪酸乙酯(FAEE)和甘油。在一些实施方案中，使甘油副产物进一步反应以形成一种或多种加到所述混合燃料中的甘油醚产物。

在又一个方面，提供了重整轻气体的工艺。该工艺包括在足以形成自由基的条件下在存在非热等离子体的情况下重整一种或多种轻气体。在某些实施方案中，重整步骤为干重整（即，使甲烷与二氧化碳在诸如等离子体反应器的反应器中反应）、蒸汽重整、部分氧化和形成甲基自由基的一种或多种。在一些实施方案中，重整一种或多种轻气体的步骤在低于约5个标准大气压的压力下进行。在其他实施方案中，该工艺在约200℃至约500℃的温度下进行。在一些实施方案中，重整步骤为干重整、蒸汽重整、部分氧化和形成甲基自由基的一种或多种。

在一些实施方案中，在制备本文所公开的混合燃料的工艺中，轻气体为甲烷、天然气或它们的混合物。

在一个方面，公开了制备混合燃料的设备。该设备包括：用于引入第一反应物的第一入口，其中第一反应物包含一种或多种轻气体；与入口流体连接的电极，其中电极能够在施加电压时产生电弧并且其中电极限定第一反应物的通过路径；用于向设备引入第一液体进料燃料的第二入口；退出区，在其中第一反应物和电极的反应产物与第一液体进料燃料发生接触，以及与退出区流体连接的出口。在一些实施方案中，退出区置于由电极限定的路径与第二入口之间并与所述路径和所述第二入口流体连通。在一些实施方案中，该设备还包括亥姆霍兹线圈。在一些实施方案中，亥姆霍兹位于反应器中或在反应器附近。在一些实施方案中，亥姆霍兹线圈位于退出区中或在退出区附近。

在一些实施方案中，该设备还包括催化剂。在一些实施方案中，催化剂位于退出区中或在退出区附近。

在一些实施方案中，该设备还包括加热线圈。在一些实施方案中，加热线圈能够加热设备的内容物达到规定的温度。

在一些实施方案中，该设备还包括低逸出功(low work force)阴极。在一些实施方案中，低逸出功阴极起到增加电子流动和/或电子密度的作用。在一些实施方案中，低逸出功阴极包括钍。

在一个方面，提供了用于将轻气体转化成液体的工艺。示例性工艺是将自由基的生成用于转化工艺的那些。在一些非限制性实施方案中，该工艺包括利用非热等离子体。将非热等离子体用于重整轻气体，即产生合成气（H₂和CO）、自由基、高能电子或这些组分中两种或更多种的混合物。在某些实施方案中，在等离子体中生成的反应性中间体直接转化产生烃类燃料的分子。此类实施方案可将现有气体快速转移到液体燃料进料（诸如柴油或其他合适的烃类液体）中。特定的实施方案利用短寿命的自由基的存在，并使它们与液体燃料进料（例如，在一些实施方案中，油或生物液体）反应以使存在于液体燃料进料中的化合物氢化，从而形成链更短的分子。在某些实施方案中，利用非热等离子体反应器具有使反应空间中的电子密度最大化的优势。

在某些实施方案中，本文所公开的工艺导致混合燃料中多核芳族化合物和总芳族化合物的含量降低。例如，在一些实施方案中，本文所公开的工艺导致多芳族化合物的浓度低于约5重量%、低于约3重量%、低于约2重量%或低于约1重量%、低于约0.1重量%。在一些实施方案中，本文所公开的工艺导致芳族化合物的浓度低于约35重量%、低于约30重量%、低于约25重量%或低于约20重量%。在一些实施方案中，本文所公开的工艺导致相对于常规工艺而言多芳族化合物减少至少两倍、三倍、五倍或十倍。另外，本文所公开的工艺导致相对于常规燃料工艺而言燃料产物的体积增大。因此，本文所公开的工艺改变组分的分子组成，从而产生燃烧相对清洁并具有较低的温室气体和小粒子烟雾排放的混合燃料。另外，本文所公开的工艺产生具有较低粘度和倾点的燃料。

在本文所公开的实施方案中，轻气体包括但不限于甲烷、乙烷、丁烷、CO₂、H₂O和H₂S。

在某些实施方案中，用于本文所公开的工艺的生物气体包含最多约40%的CO₂。在一些实施方案中，该工艺可用于处理重油（例如含硫原油）以降低粘度。本文所公开的工艺的终产物包括加热油、柴油、汽油、船用和喷气燃料。

在另一方面，公开了通过使用自由基重整甲烷和其他低级烃的工艺。在一些实施方案中，该重整工艺具有产生含相对低水平的芳族化合物和多核芳族化合物的反应产物的优势。在特定的实施方案中，本文所公开的工艺导致相对于常规工艺而言芳族化合物和多核芳族化合物的形成减少。在一些非限制性实施方案中，通过使用非热等离子体实现自由基的生成。

在本发明的一个方面，公开了制备混合燃料的工艺。方法包括将生物燃料乳液共混物与液体燃料产物合并以形成混合燃料的步骤。任选地，混合燃料可与水在油包水工艺中合并。另外并且任选地，混合燃料可与含氧添加剂和添加剂包合并。

在本发明的另一方面，制备生物燃料乳液的工艺包括合并油和醇以及任选的乳化剂。使混合物接受高压，然后转到使混合物匀化的膨胀室。然后使混合物至少部分地氧化以产生生物燃料乳液。

在本发明的又一个方面，制备液体燃料产物的工艺包括将轻气体和液体燃料进料以及任选的水、催化剂和乳化剂合并成混合物。使混合物在反应容器中反应以产生蒸汽形式的至少一种改良燃料产物。该方法可任选地包括使改良的燃料蒸汽产物在气相催化反应器中反应并将蒸汽产物冷凝成液体燃料产物。

在本发明的另一方面，公开了混合燃料。混合燃料的实施方案包括生物燃料乳液和液体燃料产物的共混物。混合燃料的具体实施还可以与水、含氧添加剂和其他添加剂包合并。

在一个方面，本文所述的工艺作为超临界匀化器反应的结果形成自由基，从而形成与通过常规生物柴油工艺形成的产物相似的脂肪酸乙酯(FAEE)和甘油。可移除甘油，并加工成甘油醚。然后可将甘油醚加到乳液中以降低倾点以及降低产物的粘度。

无意受特定理论的束缚，据推测，本文所述的用于制备混合燃料（包括生物燃料）的工艺是节能的。另外，测试结果已证实了混合燃料混合物的密度的总体降低，从而提供发生了芳族化合物向烃的总体有益氢化的确凿证据（即，该工艺成功地将原本不可取的芳族化合物转化成了有用的燃料原料）。

在一个方面，公开了生产原料的工艺。该工艺包括：向加氢甲烷化反应器加入含碳原料；以及使含碳原料在存在催化剂和气流的情况下反应以产生多种气体。在一些实施方案中，含碳原料为煤、生物质、石油焦或它们的混合物。在一些实施方案中，催化剂为碱金属。在一些实施方案中，反应步骤在高温、高压或两者兼有下进行。

附图简述

为了更全面地理解本发明的各种实施方案，现在参考结合附图的以下描述，其中：

图1示出根据本发明的一个实施方案生产混合燃料的整合工艺。

图2示出根据本发明的一个实施方案生产生物燃料乳液的工艺。

图3A示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的工艺。

图3B示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的工艺。

图4示出根据本发明的一个实施方案生产混合燃料的又一个工艺。

图5示出根据本发明的一个实施方案生产水和油共混物产物的工艺。

图6示出添加剂包混合工艺。

图7示出根据本发明的一个实施方案由重油生产混合燃料原料的工艺。

图8示出根据本发明的一个实施方案由含碳材料生产混合燃料原料的又一个工艺。

图9A示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的反应器构造。

图9B示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的反应器构造。

图9C示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的反应器构造。

图9D示出根据本发明的一个实施方案生产液体燃料产物的反应器构造。

具体实施方式

术语“生物气体”在本文用于包括可通过有机质的生物降解而产生的任何非惰性气体。生物气体的非限制性实例为氢气、甲烷和一氧化碳。如本文所用的生物气体还包括其他气态的基于石油的产物，诸如乙烷和乙烯，以及诸如木屑、谷物、草料、叶子等农业废料的分解产物。术语“生物气体”还在本文用于包括通过其他来源得到的相同气体。一个实例是与煤相关的甲烷，通常称为“煤层甲烷”、“煤矿甲烷”和“废弃矿井甲烷”。在一些实施方案中，这种甲烷通过细菌活性或通过加热而形成。

如本文所用的术语“天然气”旨在意指主要由甲烷形成的多种材料，但是其还可以包含乙烷、丙烷、丁烷和戊烷。天然气的组成可差异巨大（例如，从约70%至100%或约70%至约90%的甲烷、约5%至15%的乙烷以及最多约5%或最多约20%的丙烷或丁烷单独地或一起地变化），并且其可以包含二氧化碳、氧气、水、氮气、硫化氢、稀有气体（例如氩气、氦气、氖气和氙气）。

如本文所用的术语“轻气体”旨在意指包括二氧化碳和含有至少两个碳的烃（诸如甲烷、乙烷、丙烷、乙醇、甲醇以及它们两种或更多种的混合物）的气体。在一些实施方案中，水也包括在内。

如本文所用的术语“生物燃料”通常是指由动物、植物和/或生物材料制成的液体燃料。

在本发明的一个方面，公开了混合燃料及其制备方法。如本文所用的术语“混合燃料”通常是指许多可能的燃料配方或共混物的任一种，包括使用易得的轻气体（下文将更详细描述）、烃馏分、生物燃料、水和各种添加剂包的任何一种或多种的“可随时作替代的”燃料配方。在一些实施方案中，混合燃料包括通过轻气体和液体燃料进料（例如天然气和柴油）的组合得到的燃料产物。可随时作替代的燃料是能与其替换的常规燃料互换和相容的燃料。可随时作替代的燃料不需要改变其应用到的加热系统、燃烧器系统、引擎或喷气燃料系统或修改燃料分配网络。可随时作替代的燃料可以“按原样”使用，或可以与可随时作替代的燃料所替代的常规燃料共混。

如本文所用的“高能电子”是指具有高电子能量的电子，使得它们能够参与气体分子的分解（例如，通过离解或电离而分解甲烷或天然气）。高能电子是能够使得原本在热力学上不利的反应发生的本文所公开的工艺的一部分（包括但不限于使用非热等离子体）。在一些非限制性实施方案中，高能电子具有约1至10eV或高于约5eV或高于约6.5eV或甚至高于约10eV的电子能量。在一些实施方案中，足量的高能电子与称为电子雪崩的现象有关，在这种现象中生成二次电子。在某些情形下，由甲烷形成的自由基上的碎裂模式部分地取决于电子能量分布函数(EEDF)。

制备混合燃料的工艺的实施方案是灵活的、完全整合的，并可容易地经修改用于易于得到的原料以及经修改用于所需的混合燃料类型。例如，工艺的实施方案可经修改用于生产可随时作替代的燃料，以替换加热油、柴油、汽油、船用燃料和喷气燃料（例如Jet A、JP-8、JP-5等）的任何一种或多种。相似地，工艺的实施方案可经修改用于接受不同的原料，诸如植物油、动物源脂肪、醇、天然气、CO₂、重油、柴油、生物柴油以及通过生物质、煤、焦炭和其他材料的气化得到的产物。本文所公开的整合工艺提供灵活的操作，这些操作最大程度提高燃料利用经济价值并满足多种燃料用途的要求，包括加热、运输（例如车辆、船舶、喷气式飞机等）要求。本文所公开的工艺适用于大量的位置，包括天然气储量有限的偏远位置，并且适于通过卡车或驳船的移动设备。另外，该工艺具有相对低的公用工程消耗量（例如水）并涉及相对低的资本成本即可实施。

如上所述并将在下文更详细地描述，本发明的实施方案提供生产混合燃料的高度整合的工艺。高度整合的工厂对原料的价格和可用性不太敏感，因为用于各个工艺的许多原料都是“由内部供应的”。也就是说，一个子工艺的主要产物或副产物进入其他子工艺。因此，必然从工艺之外带入更少的原料，这将减少受原料供应波动的总体影响。

此外，总体工艺的性能通过高度的工艺整合而增强。高度整合工艺的灵活性使得能够改变子工艺的加工顺序以适应可用的原料和所需的混合燃料产物。相似地，该工艺可通过容许制造可供选择的混合燃料产物而适应变化的产物要求和产物经济。环境性能也得以增强，因为原本需要进行处置的某些子工艺的副产物可用作其他子工艺的原料。这还将降低操作成本（因为避免了处置成本）以及原料自身的成本。另外，在许多情况下，整个整合工厂的资本支出低于各个子工艺单独建造时将会产生的支出。同样，通过从一个子工艺装运到另一个而将产生的运输成本在整合工艺中也得以避免。

在一个方面，本文所公开的工艺包括通过轻气体形成自由基并在后续的工艺中利用自由基生产混合燃料。本文所公开的工艺显示出比需要以下两个不同步骤的常规工艺的优势：离解轻气体的第一步骤，以及也在高温高压下形成自由基以引发进一步的加工步骤的第二后续步骤。本文所公开的工艺无需这两个不同的步骤，从而为精炼商和用户提供显著的优势（诸如低能耗）。在本文所公开的示例性实施方案中，将初始步骤中生成的自由基直接用在工艺中以精炼油和其他燃料进料液体。另外，自由基可用于其他工艺。本文所公开的工艺包括在自由基的存在时间内与气相自由基和随后的液体燃料进料（例如液体或油液体相）密切（即，短期）接触。

在另一方面，在工艺中形成包含碳、氢、氧或碳、氢和氧的两种或更多种的混合物的自由基以重整轻气体。在一些实施方案中，重整工艺为干重整(CO₂+CH₄)、蒸汽重整、部分氧化或形成甲基自由基。在一些实施方案中，重整轻气体的工艺在存在非热（非平衡）等离子体的情况下进行。在一些实施方案中，使用非热等离子体重整轻气体的工艺在大气压进行。在其他实施方案中，使用非热等离子体重整轻气体的工艺在大气压以上进行。例如，在一些实施方案中，工艺在约0.1个标准大气压至约5个标准大气压范围内的压力下进行。在一些实施方案中，工艺在最高约5个标准大气压的压力下进行。在一些实施方案中，工艺在约100托的压力下进行。在其他实施方案中，重整工艺在通过超声激发、转盘、匀化、紫外光源、辐射或这些工艺中两种或更多种的组合导致的高剪切条件下进行。在一些实施方案中，辐射为电子辐射或粒子(γ)辐射或它们的组合。在一个实施方案中，辐射源为钍。

在常规高温高压工艺中，自由基在重整工艺期间形成。本发明认为自由基可使用非热（非平衡）等离子体形成。能量消耗较低。以相似的方式，在高温下发生的液体的后续氢加工导致形成自由基，从而引起链反应。本发明认为通过自由基将合成气带回中性然后重新形成自由基状态的能量效率较低。本工艺利用在等离子体操作期间形成的自由基导致持续的链反应。相似地，使用非热反应器的工艺同样使合成气或甲基自由基返回到正常状态。

在一些实施方案中，本文所公开的工艺包括使用催化剂。此类催化剂有利于气体变换反应以及烃的重排。示例性催化剂包括但不限于金属、纳米球、线材、载体催化剂和可溶催化剂。例如，如本文所用，“纳米球”或“纳米催化剂”是指其中催化剂的平均直径在1nm至1μm范围内的催化剂。在一些实施方案中，催化剂是油溶性催化剂（也称为纳米催化剂）。此类催化剂分散良好并且不会在油加工期间沉淀。在一些实施方案中，催化剂是双功能催化剂，例如包含无机碱的催化剂和包含诸如铁、铬、钼或钴的过渡金属的催化剂。在某些实施方案中，催化剂以约0.03重量%至约15重量%的含量存在于反应工艺中。在一些实施方案中，催化剂以约1%的含量存在。在一个非限制示例性实施方案中，引入反应混合物的可溶催化剂的浓度为液体油的约50ppm或约100ppm，或落在约50ppm至约100ppm的范围内。在一些实施方案中，催化剂以至少约50ppm的含量存在。在一些实施方案中，催化剂以约50ppm至约100ppm范围内的水平存在。在一些实施方案中，催化剂以浓度范围存在。

在一些实施方案中，催化剂为有机金属化合物。示例性有机金属化合物包括含过渡金属的化合物或其混合物。包含在催化剂化合物中的示例性过渡金属包括选自元素周期表中V、VI和VIII族元素的催化剂。在某些实施方案中，催化剂的过渡金属为钒、钼、铁、钴、镍、铝、铬、钨、锰的一种或多种。在一些实施方案中，催化剂为环烷酸金属盐、硫酸乙酯或多金属阴离子的铵盐。在一个实施方案中，催化剂是有机钼络合物，例如MOLYVAWM855（R.T.VanderbiltCompany,Inc.,Norwalk,Conn.，CAS注册号64742-52-5），这是一种含约7%至约15%的钼的有机酰胺的有机钼络合物。在另一个实施方案中，催化剂为HEX-CEM（Mooney Chemicals,Inc.,Cleveland,Ohio，含约15%的2-乙基己酸钼盐），或为含有约50-51%钴、20%铬、约15%钨、约10%镍、最多约3%铁和1.5%锰的H25/L605(Altemp Alloys,Orange CA)的双金属线、屑、粉末催化剂。

在另外的实施方案中，其他合适的催化剂包括高度溶于油同时具有相对高的钼含量的化合物。在一些实施方案中，催化剂向燃料赋予润滑性，这对超低硫柴油产品(ULSD)是必需的。在一些实施方案中，有机金属化合物向液体燃料产物增加润滑性以及作为催化剂，从而无需向最终的混合燃料产物添加另外的润滑添加剂。可用于本文所公开的工艺的其他有机金属化合物是在授予Khan等人的美国专利号7,790,018和授予Coupland等人的美国专利号4,248,720中所述的那些。

在一些实施方案中，过渡金属催化剂是作为金属盐、纯金属或金属合金的单一过渡金属或过渡金属的组合，并在一些实施方案中与非过渡金属的金属结合使用。用于本发明的优选催化剂是金属和金属合金。在一些实施方案中，采用具有23至79范围内的原子序数的过渡金属；在其他实施方案中，更采用具有24至74范围内的原子序数的那些金属。在一些实施方案中，将钴、镍、钨、铁以及它们的组合用作催化剂化合物的金属。可包含在内的另外金属的非限制性实例为铝。在一些实施方案中，与诸如铝的其他金属一起的过渡金属被承载在铁框架上。在一些实施方案中，金属框架为篮子或为床的形式。在一些实施方案中，将催化剂沉积在电极的表面上。多种形式的铁可用作框架材料。非限制性实例是生铁、灰口铁和延性铁。在某些实施方案中，将金属绕组承载在铁框架上，例如在一些实施方案中以开口网络的形式。灰口铸铁件包含例如2.75%至4.00%的总碳，0.75%至3.00%的硅，0.25%至1.50%的锰，0.02%至0.20%的硫和0.02%至0.75%的磷。另外,在一些实施方案中，以下合金元素的一种或多种以不同的量存在：钼、铜、镍、钒、钛、锡、锑和铬。在一些实施方案中，氮通常以约20至约92ppm的范围存在。

化学反应的速率和程度受限于动力学和热力学定律。反应速率取决于多种因素，包括时间、温度和压力。就催化的反应而言，对于反应物与催化剂的接触时间以及将反应产物从催化剂表面移除以使得催化剂能够催化另外反应物的时间，存在另外的限速因子。

在一些实施方案中，将轻气体与液体燃料进料合并的工艺在约100℃至约850℃的温度下操作。在一些实施方案中，该工艺在室温下进行。在一些实施方案中，该工艺在约200℃至约500℃或约500℃至约700℃或约700℃至850℃的温度下进行。在其他实施方案中，该工艺在约300℃至约500℃的温度下进行。在一些实施方案中，对气体和液体燃料进料加热。对温度进行控制以有助于反应过程。

在一些实施方案中，该工艺在高于1个标准大气压的压力下进行。在一些实施方案中，该工艺在大气压下进行。在某些实施方案中，该工艺在约0.1个标准大气压至约5个标准大气压范围内的正压下进行。在一些实施方案中，该工艺在不超过约5个标准大气压的压力下进行。在某些实施方案（例如微等离子体反应器）中，该工艺在最高约100托的压力下进行。在一些实施方案中，压力在约1200psi至约3000psi的范围内。

在一些实施方案中，由轻气体和液体燃料进料的组合生产生物燃料的工艺是液体/气体或蒸汽/气相工艺。

在一些实施方案中，重整天然气或生产生物燃料的设备是非热等离子体反应器。非热等离子体反应器的非限制性实例包括滑动弧、涡弧、分布式放电、微通道放电和介质阻挡。在一些实施方案中，设备或反应器包括辐射源。示例性辐射源包括但不限于钍。在一些实施方案中，设备或反应器包括低逸出功材料以增加电子流动。在一些实施方案中，设备或反应器包括磁场。

用于产生自由基的设备包括但不限于非热等离子体反应器、高剪切反应器、电子或粒子束反应器和混合系统。非热等离子体反应器包括在其中激活电子并在相对低温条件下形成自由基的那些反应器。在一些实施方案中，非热等离子体反应器利用外部电源形成电场。施加的电压在一些实施方案中为直流的，而在其他实施方案中，其为高频的。示例性非热等离子体反应器包括但不限于滑动弧反应器、微等离子体反应器、匀化器、高剪切反应器。在另外的非限制性实施方案中，非热等离子体反应器包括涡旋发生器、微等离子体发生器、离心转盘、高频、微波和声波活化。高剪切反应器的非限制性实例为匀化反应器、超声反应器气、空化反应器、高能混合装置和催化离心反应器。示例性电子或粒子束自由基发生器包括但不限于高能电子发生器和放射源。例如，在一个实施方案中，放射源是生成α粒子的材料，诸如钍。

在一些实施方案中，反应器为微等离子体反应器。微等离子体是亚毫米几何的等离子体反应器。它们具有高电子密度和相对高分率的高能(>20eV)电子，这些电子在理论上能够有效促进化学反应。本文所用的微等离子体反应器以非热等离子体运行并使用直流或脉冲直流电源(<80kHz)点火。在一个特定的实施方案中，该装置是具有细长沟槽的微空心阴极放电(MHCD)。

使用微等离子体技术从天然气的重整中形成自由基提供更高的电子和自由基密度，这在理论上应当提高总体效率。限于至少1mm或更小的尺寸的等离子体定义微等离子体。当与常规的、大规模等离子体-化学系统相比时，微等离子体具有高得多的功率密度（超过1kW/cm³）、更高的电子密度（超过10¹⁵cm^-3）和增加的表面-体积比。高表面-体积比赋予优异的有助于维持均匀、等温反应体积的热管理和混合特性。这些微等离子体特性为烃重整应用带来了加工优势。在接近大气压下进行操作最大程度降低设备要求并简化整个操作系统。

在常规的反应器中，反应物和催化剂的接触时间通常受到提供化学反应相关组分之间的接触的混合的控制。已存在多种涉及最大程度利用混合和混合装置来加速化学反应的创新。高剪切和高能混合装置已被建议用来提高化学反应速率。也存在其他被建议用来加速化学反应物的反应的装置。例如，水力空化已被建议作为加速化学反应的方法。水力空化涉及相变以及温度和压力的快速上升；液体流速的变化所致的压力变化导致加速的化学反应。

一般来讲，高剪切反应器也称为乳化混合器、分散混合器或声波单元。具体的反应器和工艺的实施将包括考虑原料的规模、成本、质量和量等因素。匀化反应器是可用于本文所公开的工艺的一种构造类型。

无意受限于特定的理论，据信，高剪切混合的水平或程度足以增加质量传递的速率，并可产生局部、非理想的条件，这些条件使得基于吉布斯自由能预测原本预计将不会发生的反应能够发生。据信，局部、非理想的条件在高剪切装置内发生，从而导致温度和压力升高，其中据信最明显的升高是局部压力的升高。高剪切装置内压力和温度的升高是瞬时和局部的并在离开高剪切装置后快速回到本体或平均系统状况。在一些情况下，高剪切混合装置引起足够强度的空化以将反应物的一种或多种离解成自由基，这些自由基可强化化学反应或允许反应在没有原本所需的严格的条件下发生。空化还可通过产生局部湍流和液体微循环（声流）而提高传输过程的速率。在化学/物理加工应用中应用空化现象的概述由Gogate等人在"Cavitation:Atechnology on the horizon,"Current Science91(No.1):35-46(2006)给出。本发明系统和方法的某些实施方案的高剪切混合装置在据信能有效离解反应物以优化反应的空化条件下运行。在某些情况下，这些条件能有效地以机械方式瓦解和/或提取烃。另外，这些条件可有效地以机械方式匀化烃链，以产生液态烃产物。

在某一实施方案中，叶尖速度并因此产生的剪切速率是实现细微乳液的重要因素。在一个特定的实施方案中，SUPER DISPAX反应器结合了极高的剪切速率与细微发生器几何，以产生高能分散体。由于高叶尖速度，两个阶段通常就足以实现所需的结果。在一些实施方案中，达到了超过10,000fpm的叶尖速度。

诸如高剪切混合器和高剪切磨的高剪切装置(HSD)通常基于它们混合流体的能力而分类。混合是减小流体内非均匀物质或粒子的大小的过程。混合的程度或完全性的一个度量是混合装置所生成以破坏流体的每单位体积的能量密度。类别基于递送的能量密度而加以区分。有三类具有足够的能量密度以一致地产生粒度或气泡大小在0至50flm范围内的混合物或乳液的工业混合器。

匀化阀门系统通常被分类为高能装置。待加工的流体在非常高的压力下通过窄隙阀泵送到低压环境中。通过阀门的压力梯度以及所产生的湍流和空化起到破碎流体中任何粒子的作用。在一些实施方案中，这些阀门系统产生约0.01flm至约1flm范围内的平均粒度。与之相反的是分类为低能装置的高剪切混合系统。这些系统通常具有桨叶或流体转子，它们在待加工的流体的贮存器中高速旋转，在许多更常见的应用中流体为食品。这些系统通常在所加工的流体中可以接受大于20微米的平均粒度、小珠或气泡大小时使用。

在非热等离子体反应器的一些实施方案中，将室内的重烃与含氢气体（例如合成气）的非均匀介质同时暴露于电子束和放电场，以便形成该介质的热非平衡状态以及空间非均匀状态。这种双重暴露允许分裂法在没有通常需要的高温高压下进行，并因而减少能量消耗和与所需输出产物一起生成的杂质。

在其他实施方案中，通过外部离子发生器产生具有极高强度的非自持放电，诸如电子束(EB)。叠加在继而暴露于EB的气体上的高强度电场成倍提高由于EB生成的电子数并产生放电，这将生成化学活性的粒子。这些放电在均匀介质中的许多应用是熟知的（例如，用于活化气体激光器）。例如，在均匀气体中通过EB支持的放电的化学活性在Y N Novoselov,V V Ryzhov,A I Suslov//Letters in Journal ofTheoretical Physics,1998.v.24.No.19;p.41中有所描述。

相似地，将伽马射线注入含有气体的非热等离子体区据信可改善等离子体的稳定性并有利于引发自由基的形成。4MEV伽马射线可通过含钍材料的辐射而生成。

图1显示了根据本发明的一个实施方案生产混合燃料120的整合工艺100的概览。工艺100包括多个子工艺，它们中的每一个将在下文更详细地描述。图1给出了子工艺可以发生的示例性顺序（由单实线显示）。然而，工艺100是灵活的，并且子工艺的顺序可根据所用的特定原料和所需的混合原料120而变化。事实上，在一些具体实施中，子工艺中的一个或多个可以省去。该方面以双虚线表示。图1还显示了将在下文更详细描述的生产加热油118的可随时作替代的燃料的工艺100的示例性具体实施（以双实线显示）。

工艺100包括生产生物燃料乳化产物（将在下文更详细地描述）的生物燃料乳化工艺102和生产液体燃料产物（将在下文更详细地描述）的液体燃料工艺104。工艺100还包括混合工艺106，其中将液体燃料产物与生物燃料乳液混合。工艺100还包括使用生物燃料乳液、液体燃料和/或两者的混合产物形成水和油基乳液的水/燃料混合工艺108。工艺100还包括向工艺100中产生的中间产物的任一者添加充氧剂的含氧添加剂混合工艺110。工艺100还包括根据所用的原料和/或所需的混合燃料120添加各种添加剂包的添加剂包混合工艺112。添加剂包将在下文更详细地描述。

如上所述，工艺100的示例性具体实施包括生产加热油产品118的工艺114。在一个实施方案中，将生物燃料乳化工艺102的产物直接用作加热油产品118。在另一个实施方案（未示出）中将约5-20%或在一些实施方案中将约10%的生物燃料乳液与基于石油的柴油共混以制备运输燃料。在再一个实施方案中，将生物燃料乳化产物进料到添加剂包混合工艺116以产生加热油产品118。添加剂包混合工艺116可与工艺112相同；此处单独显示是为了清楚说明。另外，得自工艺102的生物燃料乳化中间产物和得自工艺104的液体燃料中间产物可在混合工艺106中合并，然后在工艺108中与水合并，之后在工艺116中与添加剂包合并以生产加热油产物118。如上所述，工艺114仅仅是整合工艺100的灵活性的示例，而其他子工艺组合也在本发明的范围内。

图2是生物燃料乳化工艺200的概览。在整合工艺100的实施方案中，工艺200可用过生物燃料乳化工艺102。工艺200将油202、乳化剂204和醇206进料到离心压缩机208，其执行进料的一定程度上的混合，并增加混合物的压力以供应到反应器210。在一些具体实施中，反应器210是超临界反应器，其使混合物经受高压（例如，高达约8000psi）。得自反应器210的中间产物然后进料到膨胀容器212。膨胀容器在混合物撞到板上时降低混合物的压力以提供高度的混合和匀化，并导致混合物组分分解成小粒子（在一些实施方案中，约数百纳米），从而促进形成稳定的乳液。

在一些可供选择的实施方案中，脂肪酸乙酯(FAEE)和甘油224作为工艺200的副产物而生成。在某些实施方案中，将甘油进一步加工成甘油醚，而甘油醚可作为添加剂（例如218）回加到工艺200中。用作添加剂，甘油醚降低所得生物燃料乳液222的密度和倾点。据推理，反应器210中的超临界压力以及快速膨胀的作用产生高剪切环境，这种环境导致形成自由基，而自由基然后可参与FAEE和甘油的形成。因此，含有FAEE和甘油的燃料具有增加的热值。另外，将含水乙醇包含在本文所述的燃料中允许产物中存在稳定的水和另外的含水量。

乳化的中间产物通过氧化反应器214。在一些具体实施中，将含氧气体鼓入乳化的中间产物，这可任选地在高温下进行。这样，据信，乳化中间产物中的组分得以氧化（例如，乙醇）。通过氧化乳化中间产物的至少一部分，反应器214增大最终生物燃料乳液222的闪点。氧化的中间产物可保持在储存容器216中以通过添加剂混合器220用添加剂包218进行处理，从而产生生物燃料乳化产物222。添加剂包的添加是任选的并在一些具体实施中省去。在一些实施方案中，添加剂包包括氧化稳定剂以降低通过非矿物原油原料生产的生物燃料的酸败速率。如上所述，在一些实施方案中，添加剂包还包括甘油醚。

在一些实施方案中，用作工艺200的原料的油202包括植物油、动物脂肪和/或通过含水热解（例如，热解聚）产生的油。因此，来源的示例性实例包括亚麻荠属(Camelina)、棕榈、大豆、玉米、油菜籽、麻风树属(Jatropha)和动物脂肪以及得自各种畜牧业生产的废弃物。在某些实施方案中，醇206是一元醇、二元醇、三元醇、多元醇和/或C1至C4醇的任一种。同时，示例性乳化剂204包括但不限于各种类型的表面活性剂的任一种或多种，诸如非离子、离子或部分离子、阴离子、两性、阳离子和两性离子表面活性剂。例如，在2009年9月18日提交的名称为"Biofuel Composition and Method ofProducing a Biofuel"的美国专利公布号2010/0037513（整体以引用方式并入本文）中制表的表面活性剂的任一种均可用作乳化剂204。

在工艺100的一个示例性具体实施中，将2009年1月22日提交的名称为"Method for Making Diesel Fuel Additive"的美国专利公布号2009/0185963中所公开的技术用于工艺200。

在工艺100的另一个示例性具体实施中，将2007年8月31日提交的名称为"Method for Production of Emulsion Fuel and Apparatus forProduction of the Fuel"的美国专利公布号2010/0186288中所公开的技术用于工艺200。

在工艺100的又一个示例性具体实施中，将1982年9月24日提交的名称为"Microemulsions From Vegetable Oil And Aqueous AlcoholWith1-Butanol Surfactant As Alternative Fuel For Diesel Engines"的美国专利号4,526,586（整体以引用方式并入本文）中所公开的技术用于工艺200。

图3A显示了生产液体燃料产物328的工艺300的概览。在整合工艺100的实施方案中，工艺300可用过液体燃料工艺104。轻气体302和液体燃料进料304通过泵和/或压缩机306经喷射器308进料到反应容器310（如实线所示）。任选地，轻气体302和液体燃料进料304可与水308（其可经过处理以具有约-100eV至约-500eV范围内的负氧化/还原电位(ORP)）、催化剂311和/或乳化剂312一起通过匀化器313进料到泵/压缩机306（通过双线显示）。在一些实施方案中，还通过泵/压缩机306在工艺中加入空气。泵/压缩机306和/或匀化器313在混合物通过喷射器308前增加混合物的同质性。泵/压缩机306可包括有助于减少混合物各个组分的液滴大小的高剪切离心泵。另外，喷射器308有助于产生小气泡和/或液滴（取决于组分的相），它们通过增加组分之间的总体接触而提高混合物组分的反应性。

虽然未示出，但是可进料到匀化器313的所有组分均可直接进料到泵306，而液体燃料进料304则在进入泵306之前先通过匀化器313。在这样的具体实施中，匀化器将液体燃料进料304（其可以包括例如重油、沥青和/或其他高度粘稠的组分）分解成小液滴，从而增强液体燃料进料304的反应性（例如，通过增加表面积-质量比）。在供替代的选择中，液体燃料进料304可在如立即所述将液体燃料进料分解的前处理（未示出）中进行处理。分解高度粘稠的原料液滴的合适技术包括在以下专利中公开的那些：2009年10月26日提交的名称为"Flow-Through Cavitation-Assisted Rapid Modification of CrudeOil"的美国专利公布号2010/0101978，2000年3月22日提交的名称为"Method And Device For Resonance Excitation Of Fluids And MethodAnd Device For Fractionating Hydrocarbon Liquids"的加拿大专利公布号2400188，以及2010年6月28日提交的名称为"Deep ConversionCombining The Demetallization And The Conversion Of Crudes,Residues Or Heavy Oils Into Light Liquids With Pure Or ImpureOxygenated Compounds"的美国专利公布号2010/0260649（它们均整体以引用方式并入本文）。对于相对低粘度的液体燃料进料304材料而言，可将工业匀化器用于分解液体燃料进料304中的液体。

反应容器310可以是固定床、流化床、移动床、鼓泡或浆液催化反应器。催化剂可支承在沸石上并包括金属盐、纯金属和/或金属合金形式的单一过渡金属或过渡金属的组合。具有23至79范围内的原子序数的过渡金属是优选的，并且具有24至74范围内的原子序数的那些金属是更优选的。此外，其他非过渡金属可用于替代过渡金属催化剂或与过渡金属催化剂结合使用（例如，铝）。催化剂可以为小球、颗粒、线材、筛网、穿孔板、棒和/或条的形式。在一个示例性具体实施中，催化剂混合物包含铝线材、钴线材（含约50%钴、10%镍、20%铬、15%钨、1.5%锰和2.5%铁的合金）、镍线材、钨线材和铸铁颗粒。在另一个实施方案中，催化剂为金属合金线材的形式。此类金属合金线材包括但不限于上述过渡金属，包括但不限于有机钼催化剂。催化剂可以固定床或流化床布置方式与气体和液体分配歧管一起布置在容器310内。此外，线材筛网（由催化剂材料或其他材料构造）可用在反应容器310内以促进气态反应物与催化剂之间的接触。

在操作期间，将反应容器310及其内容物维持在高于环境温度并通常低于反应混合物液相的沸腾或分解温度的温度下。使用对反应容器加热的任何已知方法对容器310加热，例如内部或外部感应加热器、蒸汽夹套等。反应通常在比环境压力高两个大气压或以内操作。

在一些具体实施中，反应容器310包括活化能量源或使得能够形成活化能量源以断裂甲烷和/或其他天然气组分中的C-C和/或C-H键。活化能量源可包括来自微波、红外或其他源的辐射。在一个具体实施中，非热等离子体是根据2005年2月3日提交的名称为"MethodsFor Natural Gas And Heavy Hydrocarbon Co-Conversion"的美国专利号7,494,574（整体以引用方式并入本文）中所示的技术的活化能量源。

在其他具体实施中，将线材或其他点源介质设置在反应容器310（其可以包括催化剂材料）内，使得流过介质的气泡和/或液体在反应器的液相和气相中产生电场和电势。因此，线材、粒子和/或板的间距导致产生可活化紧邻催化剂的气泡中的甲烷和其他反应物的能量。利用通过在多相湍流中使气泡和/或液体流动而产生的静电电压从而提供可用于驱动反应的活化能。在一个实施方案中，在Two PhaseStreaming Potentials(S.S.Marsen,Pet.Eng.Dept.,Stanford University;M.W.Wheatall,ARCO International)（整体以引用方式并入本文）中所公开的技术可放大并应用于反应容器310，以实现反应物活化的所需静电电压。

在另外的具体实施中，声波能量可用作活化能量源。这可以包括声频频段中的亚声、超声和/或声波能量。

在某些实施方案中，将氧气和/或空气包含在轻气体302中或单独地进料到反应容器310中（未示出单独的进料）。在这些实施方案中，根据以下文献中所示的技术构造反应容器310并对反应条件进行控制以通过氧气和天然气组分产生有机充氧剂和/或合成的气体：Oxygen Pathways and Carbon Dioxide Utilization in Methane PartialOxidization in Ambient Temperature Electric Discharges(D.W.Larkin,T.A.Caldwell,L.L.Laban,and R.G.Mallinson;Energy&Fuels1998,12,740-744)和/或Partial Oxidation of Methane with Air for SynthesisGas Production in a Multistage Gliding Arc Discharge System（T.Sreethawong,P.Thakonpatthanakun,S.Chavadej；ChulalongkornUniversity；2006年9月12日可在线访问）（整体以引用方式并入本文）。

从反应容器310的顶部空间获取反应的气态产物，然后通过气相催化反应器314进料。在一些具体实施中，反应器314包含用于反应容器310中的相同类型的催化剂。反应器314有助于完成可能从容器314的顶部空间转入的任何未反应组分之间的反应。反应器314的输出通过包括冷却剂回路318的换热器316，以冷凝气态反应产物的至少一部分。换热器316和冷却剂回路318的大小被设计为冷凝并冷却反应中产生的蒸汽产物，因为一些形成的化合物可在气相中和/或在高温下恢复原状和/或快速分解。快速冷却优选用于猝灭产物。

冷凝的产物和剩余的蒸汽进入收集容器320。收集容器320顶部空间322中的蒸汽通过可与上文所述的相同或相似的泵/压缩机324和喷射器326循环回反应容器310。同时，收集容器320中的冷凝物包含液体燃料产物328。反应副产物330可从系统中移除并通过分离器332进一步分离。这些副产物可包括重馏分、烷烃和含硫化合物。分离器332可包括过滤器、膜、离心机、蒸馏室、柱和/或其他将液体与固体分离以及将不同的液体馏分彼此分离的已知设备。

在一个具体实施中，分离器332是将固体含硫化合物与液体组分（其可以包括烷烃）分离的离心机。固体含硫化合物作为废弃物334丢弃，而液体组分336的至少一部分与来自收集容器320的液体的一部分一起进入混合器338。混合器338可以是本领域已知的任何混合器，诸如飞溅混合器(splash mixer)。通过混合器338产生的共混物也可用作液体燃料328。

如上所述，轻气体302包括但不限于甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、氢气、二氧化碳、一氧化碳、乙烯、乙醇、甲醇或它们的组合。在一些实施方案中，将水加到轻气体中。在一些具体实施中，轻气体302通过将轻气体302暴露于红外辐射源而活化。在一些具体实施中，辐射为长波红外（即3-8μm范围内的光）和/或中波红外（即8-15μm范围内的光）。然而，使用红外范围内的任何波长均在本发明的范围内（例如，0.75–1,000μm）。据信，使轻气体活化将增大气体的能量，从而改善轻气体302的反应特性。因此，据认为，轻气体302更完全地和/或更快地与液体燃料进料304反应和/或实现与液体燃料进料304中更高分子量的和/或芳族的化合物发生反应。在某一具体实施中，2006年2月16日提交的名称为"Fuel Activation Apparatus forMethane Gas"的美国专利号7,721,719和/或2007年11月13日提交的名称为"Fuel Activator Using Multiple Infrared Wavelengths"的美国专利公布号2009/0120416中所示的工艺用于提供活化的轻气体302（两专利均整体以引用方式并入本文）。

液体燃料进料304可包括衍生自化石燃料或可再生资源的燃料。实例包括矿物油、汽油、柴油燃料、喷气燃料、火箭燃料、基于石油渣油的燃油（例如，船用燃料和剩余燃料）、直馏柴油燃料、油枪(feed-rack)柴油燃料、轻循环油的一种或共混物。液体燃料进料304还可以包含原油馏分的一种或共混物，原油馏分包括加氢裂化、催化裂化、热裂化、焦化和/或脱硫工艺的产物。液体燃料进料304还可以包括轻直馏石脑油、重直馏石脑油、轻蒸汽裂化石脑油、轻热裂化石脑油、轻催化裂化石脑油、重热裂化石脑油、重整石脑油、烷基化石脑油、煤油、加氢处理煤油、常压瓦斯油、轻真空瓦斯油、重真空瓦斯油、渣油、真空渣油、焦化轻汽油、焦化馏出油、FCC（流化催化裂化装置）循环油和FCC淤浆油。在一些具体实施中，液体燃料进料304通过将液体燃料进料304暴露于红外辐射源而活化，如上文针对轻气体304所述。使用红外辐射进行材料活化并不排除使用较短的波长实现活化，例如纳米范围内的波长。

在其中轻气体302和/或液体燃料进料304通过红外辐射源活化的实施方案中，红外辐射源可包括在反应容器310中。在其他具体实施中，红外辐射源在反应容器310的外部，但是在反应容器的上游。例如，辐射源可紧靠喷射器308的下游并紧靠反应容器310的上游。在另外的具体实施中，红外辐射源位于泵306的上游并且可以在通往泵306的任何进料中（例如，轻气体302进料、液体燃料304进料和/或来自匀化器313的进料）或在通往匀化器313的任何进料中。

在另一个实施方案中，活化的轻气体302和/或液体燃料进料304不在反应容器310中进行加工。相反，它们在活化之后或期间进行混合，而液体燃料产物由其产生。图3B显示了制备液体燃料产物328的替代工艺350的概览。与工艺300的要素共有相同参考编号的工艺350的要素与如上所述的那些相同。外部红外辐射源的可能替代性布置以辐射源352示出（这些布置对应于结合图3A所述的布置，但是为了便于说明在图3B上示出）。在一个具体实施中，轻气体302和/或液体燃料304如上所示进行活化（例如，泵306的上游或喷射器308的下游）、在泵306中混合然后喷射到沉降槽354。沉降槽352的液体底部是替代液体燃料产物328。在另一个具体实施中，红外辐射源在沉降槽354中。在另外的实施方案中，可单一或同时活化的轻气体302和液体燃料304可单纯地混合并作为替代液体燃料产物提供。

如上所述，据信，轻气体302和/或液体燃料进料304导致材料变得更具反应性，从而提高组分的反应速度。据假设，使材料活化将改变反应物的立体化学，这允许原本不会发生的反应发生。此外，据认为，使反应物活化将增强催化剂的效果。另外，据推测，活化的反应物可在无需乳化剂或表面活性剂的情况下乳化。PhotoassistedActivated of Methane Over Supported Catalysts With a Xenon ExcimerLamp(Loviat,F.,ETH Zürich,2009),Bond-and Mode-SpecificReactivity of Methane on Ni(100)(Maroni,P.,

PolytechniqueFédérale De Lausanne,2005),Infrared-Excitation for ImprovedHydrocarbon Fuel’s Combustion Efficiency(Wey,A.,Handy,R.G.,Zheng,Y.,and Kim,C.,SAE International,2007)（它们均整体以引用方式并入本文）中所示的技术和设备可用于得到活化的反应物。

在工艺300的一些具体实施中，2008年4月7日提交的名称为"Conversion of Biogas to Liquid Fuels"的美国专利公布号2009/0249682；2010年10月5日公布的名称为"Liquid HydrocarbonFuel from Methane Assisted by Spontaneously Generated Voltage"的美国专利号7,806,947和/或2008年9月18日提交的名称为"ContinuousProcess and Plant Design for Conversion of Biogas to Liquid Fuel"的美国专利号7,897,124（它们均整体以引用方式并入本文）中所公开的技术可用于提供液体燃料产物328。

据提出，在某些操作条件下，工艺300使得轻气体302能够直接转化成液体燃料，其中某些轻气体（例如甲烷）起到提升各种油和液体燃料原料品位的氢源的作用。相似地，一些人推理出，根据方程1，相对长链的烷烃(A)可与甲烷反应产生两种相对短链的烷烃(B,C)。

方程1

该“甲烷裂解”(methane-olysis)催化反应（方程1）（有时这样称谓）通过以下方式发生：使甲烷与至少一种具有n个碳原子的其他起始烷烃(A)接触（其中n等于至少2，优选至少3），使得催化反应通常导致形成至少一种最终烷烃(B)或至少两种最终烷烃(B,C)，它们的碳原子数在2至(n-I)的范围内或甚至大于(n-I)的值。这是因为直接由甲烷裂解反应得到的一种或多种烷烃自身可以参与其他烷烃的至少一个复分解反应。使用烷烃并不排除适用于其他馏分，例如芳族化合物、烯属烃等。

已知的是，甲烷可以是生成合成液体燃料的起始原料之一。例如，甲烷和蒸汽可重整形成氢气和一氧化碳。氢气和一氧化碳然后在费托工艺中反应形成液体燃料。然而，费托工厂所需的资本支出至少比本发明所公开的工艺所需的资本支出高一个数量级。另外，本发明的工艺比费托工艺的效率最多高出30%。

另外，通过将甲烷（和/或其他天然气组分）直接偶合到烃和/或生物源馏分和/或将甲烷在烷烃-烷烃反应中消耗，可以使用的（以及原本可能被烧掉的）天然气被转化成液体燃料。此外，工艺300降低最终燃料产物的芳族烃尤其是多环芳烃(PAH)含量。柴油和喷气燃料中的PAH具有许多不良性质，诸如非常差的点火特性和十六烷值、不利的冷流性质、倾向于形成烟黑以及非常低的氢含量。这导致引擎的高比二氧化碳排放。

柴油燃料中允许的最大PAH水平在许多国家/地区受到监管，并且一些国家/地区正提出降低它们的限度。因此，某些含有相对高水平的PAH的精炼流（诸如得自流化催化裂化的轻循环油或得自延迟焦化装置或流化焦化装置的中间馏分）只能以有限的量混入柴油燃料。燃料中的PAH含量问题将在以下情况中加重：将在将来加工明显更大部分的非常规、贫氢重油时，诸如得自油砂的沥青或Orinoco型超重油。将存在于中间馏出物中的PAH选择性氢化开环成高氢、高价值燃料组分（如单环环烷烃或优选烷烃）而不降解碳数一直是多相催化的主要挑战。因此，本文所示的工艺提供了使用原本使人苦恼的原料生产具有相对低PAH含量的燃料的方式。

另外，工艺300的实施方案提供相对于原始液体燃料进料而言具有改善的粘度和降低的浊点的燃料产物。工艺300还从原始液体燃料进料中除去硫。

图4显示了生物燃料乳液和液体燃料混合工艺400。在整合工艺100的实施方案中，工艺400可用作生物燃料乳液和液体燃料混合工艺106。工艺400包括混合反应器402，向其中进料生物燃料乳化产物404和液体燃料产物406以生产混合燃料产物408。生物燃料乳化产物404和液体燃料产物406可通过上述任何实施方案产生。混合反应器402可以是适于原料的任何类型的混合器（例如飞溅搅拌机）。在工艺400中，将生物燃料乳液404与液体燃料406以约0.5体积%至约20体积%共混。将生物燃料与液体燃料共混为混合燃料带来若干有益特性。添加生物燃料还改善燃料的润滑性，以及降低所得混合燃料的粘度并降低倾点。

图5显示生产水/燃料共混产物508（也称为油包水(W/O)产物）的工艺500。在整合工艺100的实施方案中，工艺500可用作水/燃料混合工艺108。工艺500包括共混反应器502，向其中进料水504、燃料产物506和任选的乳化剂508以产生油/燃料共混物510。燃料产物506可以是如上所述的生物燃料乳液404和/或液体燃料406。共混反应器502将水504分散到燃料506的连续相中。

在一些具体实施中，共混反应器502包括电解池、超声波发生器及换能器和/或搅拌装置。在这种情况下，将2007年6月15日提交的名称为"Emulsion Fuel,and Process And Apparatus for ProductionThereof"的美国专利公布号2010/0095580（整体以引用方式并入本文）中所公开的技术和设备用于共混水504、燃料产物506和乳化剂508。同时，其他具体实施使用2008年4月4日提交的名称为"Oil Emulsion"的美国专利公布号2010/0122488（整体以引用方式并入本文）中所示的技术和设备形成共混物510。如所述专利申请中所讨论，将某些离子交换树脂和矿物质（例如电气石和二氧化硅）用于预处理将用在工艺中的水。这些材料和技术也用于本发明的实施方案。

在另外的具体实施中，共混反应器502包括微粉化装置，例如，由Nanomizer,Inc.(Yokohama,Kanagawa,Japan)销售的商业纳米机(nanomizer)产品的任一种。此类设备的使用技术和进一步的详细信息在2007年8月31日提交的名称为"Method for Production of EmulsionFuel and Apparatus for Production of the Fuel"的美国专利公布号2010/0186288中有所公开。此外，将可从Nanomizer,Inc.商购获得的表面活性剂（例如Nanoemer GFA-001）用于乳化剂508的工艺500的某些具体实施中。任选的乳化剂508基于待乳化的燃料组合物而选择。甚至油起源的差异也会影响性能。

在另外的实施方案中，共混反应器502是被构造成将水504、燃料产物506和乳化剂508合并在一起的高剪切反应器。这可以是单台装置或者串联或并联的多台装置。一般来讲，高剪切反应器是能够在流过高剪切反应器的反应混合物中产生亚微米和微米级气泡和/或液体的机械装置。高剪切反应器通过破坏混合物的流体和/或气体粒子而混合反应物混合物组分。高剪切反应器可以是匀化阀门系统、胶体磨和/或高速混合器的任一者或多者。

在匀化阀门系统中，待加工的流体在非常高的压力下通过窄隙阀泵入低压环境（如上所述）。通过阀门的压力梯度以及所产生的湍流和空化起到破碎流体中任何粒子的作用。高速混合器通常具有桨叶、转子和/或叶片，它们在流体中高速旋转，从而产生大于20微米的平均粒度。

同时，典型的胶体磨构造包括通过密切控制的转子-定子间隙与互补、液冷式定子分开的锥形或盘形转子。转子通常由电动机通过直接传动或皮带机构驱动。随着转子高速旋转，其在转子的外表面与定子的内表面之间泵送流体，而在间隙中产生的剪切力则加工流体。通过适当调节的许多胶体磨在加工的流体中实现0.1-25微米的平均粒度。这些能力使得胶体磨适于许多应用，包括胶体和基于油/水的乳液加工。

如上所述，共混反应器502将水504分散到通常为连续相的燃料产物506中。合适的胶体磨例如由

Works,Inc.Wilmington,N.C.和APV North America,Inc.Wilmington,Mass.制造。在一些具体实施中，共混反应器502包括

Works,Inc.的Dispax

2008年6月17日提交的名称为"System and Process for Production of LiquidProduct from Light Gas"的美国专利公布号2009/0001316公开了使用高剪切装置的系统和技术。任何这些技术和/或系统均可用作高剪切反应器和/或本文所公开的任何其他高剪切混合装置。

共混物510的稳定性至少部分地取决于水504的粒度。水的粒度部分地由水的ORP决定。目标是在共混物508中形成1-5μm的水滴大小。在一些具体实施中，对水504进行处理以具有约-100eV至约-500eV范围内的负ORP。据信，含有负ORP水的水/燃料共混物（即乳液）表现出相对于单独的燃料优异的效率提高（超过30%的增加）。

本文所述类型的共混物已证实在引擎和加热应用中具有明显的优势，并且据信导致温室气体(GHG)、二氧化碳、烃和NO_X的排放减少

图6显示了在混合反应器606中合并液体燃料602和含氧添加剂604的工艺600。液体燃料602可以是本文所述的任何液体燃料，包括上述生物燃料乳液的任何具体实施。工艺600还包括用于共混添加剂包610以生产混合燃料612的混合反应器608。混合反应器606和608可以是本领域技术人员已知的任何混合器，并且可以包括任何种类的飞溅混合器。混合反应器606和608可以是单一混合器。如图6所示，工艺600可包括将含氧添加剂604与其他添加剂包610（如实线所示）共混，或者可以省去添加剂（以双虚线显示）。

在一些具体实施中，含氧添加剂604可包括市售含氧添加剂，诸如甲基叔丁基醚(MBTE)、甲基叔戊基醚(TAME)、乙醇等。在其他具体实施中，将生物燃料乳液222用作液体燃料602，其中共混的醇充当含氧添加剂，而不需要另外的充氧剂。在另外的具体实施中，在液体燃料产物328的制造期间将氧气和/或二氧化碳包含在轻气体302中，而不需要另外的充氧剂。在这样的实施方案中，可将2004年12月2日提交的名称为"Gas to Liquid Conversion Process"的美国专利公布号2005/0288541（整体以引用方式并入本文）中所公开的技术用于对液体燃料产物328充氧。

在一些具体实施中，添加剂包610可包含以下添加剂中的任何一种或多种：增加氧化稳定性的添加剂、调节粘度的添加剂、抑锈剂、调节润滑性的添加剂和/或增强燃料十六烷值的添加剂。在一些实施方案中，添加剂为甘油醚。在一些实施方案中，添加剂具有降低混合燃料612的倾点的作用。添加剂的具体实例包括以下：二甲醚(DME)、如美国专利号4,185,594中所公开的抗磨添加剂以及市售十六烷值增强剂。

参比图1，如上所述，工艺100是灵活的工艺，并且上述子工艺可以根据某些原料和/或所需产物的可用性而变化或省去。例如，在工艺100的一个实施方案中，得自工艺102的生物燃料乳液在工艺300中与天然气反应。这样，据信，存在于生物燃料乳液中的芳族烃裂化或以其他方式转化成非芳族化合物，这使得相对于单独的生物燃料乳液能得到更有效和更清洁燃烧的燃料。

图7显示了由重油生产混合燃料原料的工艺700。如上所述，本发明的一个方面在于总体工艺100是灵活的并且可以与用于油生产、油精炼、燃料生产和/或化学制造的多种工艺完全整合。工艺700提供工艺100与用于将作为固体或具有高沸腾温度、含有金属、硫、沉淀物的烃在水或含氧气体的帮助下转化成液体（汽油、瓦斯油、燃料）的工艺（总体示为工艺702）整合的一个可能具体实施的示例性实例。工艺702在美国专利公布号2010/0260649中有详细描述。如上所述，工艺702包括在加热器8中将进料5预热到反应器10的选定温度之下的温度。该进料通过注射器4注射进空的反应器10（即，不含催化剂）。进料通过气体喷射或来自过热器2的过热蒸汽进行处理以使得进料活化。气体喷射可以例如来自可以包括二氧化碳的气体704。让进料中的活化产物在选定的温度和选定的压力下在反应器中稳定，然后通过一系列提取器13以分离重烃和轻烃并去掉进料中的金属。以水/烃乳液的形式出现的有用产物通常在破乳器16中反乳化以形成含有不同杂质的水。将含有最终烃的轻相在加热器98中加热，并通过与13类似的提取器18根据精炼要求分离成常规产物的级分。

得自提取器18的重馏分708可作为粗进料5循环回工艺中。此外，重馏分708可用作工艺300中的液体燃料进料304。另外，其他重油710和/或液体燃料产物712（诸如上述任何液体燃料产物）均可作为粗进料5而提供。因此，以此方式，工艺100中的中间产物和/或最终产物可作为工艺702的进料而整合。

除了将工艺100产生的材料整合到工艺702中以外，本发明的实施方案还将工艺702产生的材料整合到工艺100中。例如，轻气体产物714可作为得自提取器13的产物而产生。轻气体产物714可用作本文所述的任何液体燃料工艺的轻气体原料（例如工艺300的轻气体302）。相似地，含氧燃料716可作为得自提取器13的产物而产生。在一些具体实施中，含氧燃料716可代替生物燃料乳液102整合到工艺100中。相似地，在一些具体实施中，液体柴油燃料718可用作工艺300中的液体燃料进料304。

图8显示由含碳材料生产用在本文所公开的混合物燃料工艺中的原料的工艺800。在工艺800中，向加氢甲烷化反应器808提供含碳原料802（诸如煤、生物质和/或石油焦）、催化剂804（诸如碱金属）和蒸汽806。反应器808通过使原料在存在催化剂和蒸汽的情况下在高温高压下反应而产生多种气体，包括甲烷。细小的未反应含碳材料通过例如旋风器810从原始气体产物中除去，将气体冷却并在多个工艺810、812中精制以除去不可取的污染物和其他副产物814（包括一氧化碳、氢气、二氧化碳和硫化氢）以产生包含甲烷的轻气体流816。示例性含碳原料材料包括但不限于纤维素原料（即，木屑）。

含碳材料加氢甲烷化成甲烷通常涉及四个单独的反应：

蒸汽碳：C+H₂O→CO+H₂

水气变换：CO+H₂O→H₂+CO₂

CO甲烷化：CO+3H₂→CH₄+H₂O

加氢气化：2H₂+C→CH₄

在加氢甲烷化反应中，结果是“直接的”富甲烷原始产物气流，随后可对其进行纯化并进一步富集甲烷以提供最终轻气体产物816。这不同于常规的气化工艺，诸如基于碳源的部分燃烧/氧化的那些工艺，在这些常规工艺中合成气（一氧化碳+氢气）是主要的产物（很少的或没有甲烷直接产生），然后可进行进一步的加工以产生甲烷（通过催化甲烷化，参见反应）或多种其他高级烃产物。当甲烷是所需的终产物时，加氢甲烷化反应提供与传统气化工艺相比效率升高并且甲烷成本更低的可能性。在一些具体实施中，将2010年5月12日提交的名称为"Processes for Hydromethanation of a CarbonaceousFeedstock"的美国专利公布号2010/0292350（整体以引用方式并入本文）中所公开的技术用作工艺800。

工艺800可与工艺300和700整合使得通过工艺800产生的轻气体816可以为轻气体302。相似地，副产物814中的二氧化碳可以是工艺700使用的气体704。同样，工艺700中的重馏分708可以是工艺800的含碳原料802。

图9A-9D示出了本文所述的非热等离子体反应器的不同实施方案。在这些实施方案中，通过非热等离子体技术生成合成气。在生产合成气中产生的自由基直接用于后续与油的反应。在某些实施方案中，非热等离子体为滑动弧等离子体。滑动弧等离子体使用动态放电形成等离子体，而电晕放电则通过静态放电生成等离子体。在某些实施方案中，滑动弧具有两个分支电极。电弧通过施加高压在气体进入处形成。气体沿着反应器的长度推动电弧。当气体达到反应器的末端时，电弧关闭。另一个电弧然后在气体进入处形成。

图9A显示生产液体燃料产物尤其是生产混合燃料的设备900。在所示的实施方案中，设备900是滑动弧反应器，其为非热等离子体反应器的具体实施方案。在图9A所示的实施方案中，液体和气体通过反应器共加工。等离子体同时作用于液体和气体。在整合工艺100的实施方案中，设备900可用于产生轻气体/液体燃料工艺104。相似地，在工艺300的实施方案中，设备900可用于反应容器310，反应容器在一些实施方案中包括泵/压缩机306和喷射器308。相似地，在工艺350中，设备900可用于活化源352。

设备900包括用于引入轻气体、液体燃料（例如醇或油）或它们的混合物的入口901。设备900还包括电极903和高压接头908。高压接头908连接到电源并向电极903提供电压。在一些实施方案中，高压接头提供最高约90kV的脉冲，这对应于约20KW/30kHz的直流。电极903与入口901流体连通（在一些实施方案中，沿着前室911限定的路径）。在某些实施方案中，电极903是低逸出功阴极（即，由低逸出功金属制成）。示例性低逸出功阴极包括但不限于钍。在通过高压接头908施加电压时，形成沿着电极的长度行进的放电或电弧904。设备900还包括退出区905，其与通过电极限定的路径流体连通。在一些实施方案中，退出区905任选地包括以下部分并与以下部分流体连通：亥姆霍兹线圈906、加热线圈912和催化剂支架913。加热油的出口910也与出口区905流体连通。提供了第二入口902，它与退出区905流体连通，使得退出区905置于电极903与第二入口902之间。设备900还包括出口907。在一些实施方案中，冷凝器909被构造成收集来自设备的流出燃油。

在通过第一入口901引入设备900时，液体燃料沿着电极903并任选前室903限定的路径行进。在暴露于电弧904时，形成自由基。电弧904沿着电极903限定的路径将液体燃料和自由基反应产物推向退出区905。在退出区905中，自由基与通过第二入口902引入设备900的液体密切接触，从而产生液体燃料产物。在一些实施方案中，通过第二入口902引入的液体是循环的液体，诸如循环油。在一些实施方案中，自由基和通过第二入口902引入的液体的混合物还与催化剂913接触。可用于包含在设备900中的催化剂包括本文所述的那些。在一些实施方案中，加热线圈912用于加热反应混合物，而在一些实施方案中，亥姆霍兹线圈906产生有利于促进形成液体燃料的过程的磁场。由设备900形成的混合燃料通过出口907从设备中移除。在退出设备900时，所得的混合燃料能够如整合工艺100中所限定进一步加工。

设备900的构造允许这样一种工艺，其中通过第二入口902引入的液体直接与通过将液体燃料暴露于电极而生成的自由基在自由基形成之时密切接触。由设备900的构造提供的密切接触用于立即组合两种反应物，而无需施加另外的能量，如在常规燃料工艺中。另外，据发现，由设备900产生的混合燃料展示出降低的粘度和增加的体积，以及更低分率的多芳族化合物。

图9B显示生产液体燃料产物尤其是生产混合燃料的设备920。在所示的实施方案中，设备920是滑动弧反应器的另一个实施方案，其为非热等离子体反应器的具体实施方案。在图9B所示的实施方案中，液体与合成气和自由基反应，而电子在含催化剂的室内与液体反应。与设备900一样，在整合工艺100的实施方案中，设备920可用于产生轻气体/液体燃料工艺104。相似地，在工艺300的实施方案中，设备920可用于反应容器310，反应容器在一些实施方案中包括泵/压缩机306和喷射器308。相似地，在工艺350中，设备920可用于活化源352。

设备920包括设备900的多个相同特征，包括电极903，其在通过高压接头908施加电压时产生电弧904。相似地，设备920包括任选地与催化剂913、亥姆霍兹线圈906和加热线圈912流体连通的退出区905。设备920还包括出口907和冷凝器909。

设备920包括入口921。设备920的入口921用于输入轻气体。相比之下，设备900的入口901（参见图9A）用于输入气体和液体的混合物，从而允许通过滑动弧反应器的电极共同加工液体和气体。在设备920中，将油或循环油形式的液体通过第二入口922a和922b引入。在某些实施方案中，将循环油通过输入口922a引入，而输入油通过输入口922b引入。在一些实施方案中，还将可溶性催化剂通过输入口922b引入。入口922a和922b与退出区905流体连通，使得它们可用于与滑动弧反应器的产物密切接触。例如，在某些实施方案中，液体与合成气和通过非热等离子体反应器形成的自由基反应，而电子与退出区905中的液体反应。在某些实施方案中，退出区905是含催化剂的室。与设备920一样，在将反应产物混合以形成液体燃料产物后，通过出口907移除混合燃料。

图9C显示生产液体燃料产物尤其是生产混合燃料的设备940。在所示的实施方案中，设备940是滑动弧反应器的另一个实施方案，其为非热等离子体反应器的具体实施方案。在图9C所示的实施方案中，合成气和自由基以及通过滑动弧产生的电子撞击到任选地包含催化剂床的流动液流中。与设备900和920一样，在整合工艺100的实施方案中，设备940可用于产生轻气体/液体燃料工艺104。相似地，在工艺300的实施方案中，设备940可用于反应容器310，反应容器在一些实施方案中包括泵/压缩机306和喷射器308。相似地，在工艺350中，设备940可用于活化源352。

设备940包括设备900和920的多个相同特征，包括电极903，其在通过高压接头908施加电压时产生电弧904。在设备940的该实施方案中，退出区905任选地与催化剂床913、亥姆霍兹线圈906和加热线圈912流体连通。

设备940包括入口941。设备940的入口941用于输入轻气体。在设备940中，将油或循环油形式的液体通过第二入口942引入。入口942与退出区905流体连通，使得来自滑动弧反应器的反应产物直接撞击通过入口942引入的流动液流，从而与滑动弧反应器的产物密切接触。在将反应产物混合以形成液体燃料产物后，通过分离器909由出口907移除混合燃料。在一些实施方案中，分离器909也是冷凝器。在设备940中，重油和轻油通过分离器909退出系统。

图9D显示生产液体燃料产物尤其是生产混合燃料的设备960。在所示的实施方案中，设备960是滑动弧反应器，其为非热等离子体反应器的具体实施方案。在图9D所示的实施方案中，非热等离子体反应器被构造成多个微等离子体反应器的“板”。设备960的板式反应器的输出撞击到液滴或薄膜上。在整合工艺100的实施方案中，设备960可用于产生轻气体/液体燃料工艺104。相似地，在工艺300的实施方案中，设备960可用于反应容器310，反应容器在一些实施方案中包括泵/压缩机306和喷射器308。相似地，在工艺350中，设备960可用于活化源352。

设备960包括用于将轻气体引入轻气体室961a的入口961。设备960还包括陶瓷板963，陶瓷板包括孔964，气体通过这些孔分散到退出区965。线材968沉积在陶瓷板963上并与施加电压（例如6-1000V脉冲）的电源966电连接。当气体跨过陶瓷板963时，施加的电压在各孔964中产生多个电弧，从而实现与轻气体的反应并导致形成自由基，而自由基则转入退出区965。

设备960还包括用于将液体输入液体室962a的第二入口962。在一些实施方案中，通过第二入口962引入的液体为油或油的混合物。在一些实施方案中，通过第二入口962引入的液体为循环的液体，诸如循环油。液体跨过扩散板969转入退出区965。在引向退出区965时，扩散的液体与已通过陶瓷板963转移的轻气体的反应产物密切接触，从而产生混合带电燃料产物。任选地，催化剂床973存在于退出区965中。另外，任选的加热器972对设备960加热。在混合反应产物后，它们通过出口967退出设备。在一些实施方案中，任选的真空泵位于退出区965与出口967之间。在退出设备960时，所得的混合燃料能够如整合工艺100中所限定进一步加工。

在图9A-9D中，各设备900、920、940和960的构造允许这样一种工艺，其中液体直接与通过将液体燃料暴露于电极而生成的自由基在自由基形成之时密切接触。由各设备的构造提供的密切接触用于立即组合两种反应物，而无需施加另外的能量，如在常规燃料工艺中。另外，据发现，由设备900、920、940和960产生的混合燃料展示出降低的粘度和增加的体积，以及更低分率的多芳族和芳族化合物。

通过工艺100的实施方案产生的混合燃料120相对于竞争燃料（例如，生物柴油燃料、“绿色柴油”燃料、纯植物油燃料、油/水乳液燃料和常规石油燃料）具有优异的性能特性。例如，混合燃料的一些实施方案可以为可随时作替代的燃料，而不必与常规燃料共混。某些混合燃料具有相对低的倾点和浊点，可经受多个冻融循环，并且具有相对长期的稳定性（例如，长于1年）。因此，本文所公开的某些混合燃料适用于寒冷天气。在一个示例性实例中，包含约20体积%的新一代柴油(Next Generation Diesel)（可从Global Energy Resources,LLC,Fort Wayne,IN商购获得）和约80体积%的GDIESEL^TM（可从Advanced Refining Concepts,Reno,NV商购获得）的混合燃料令人惊讶地表现出相对于各个燃料组分约25℉(14℃)的倾点降低。此相同的混合燃料还令人惊讶地表现出约5℉(3℃)的浊点降低。因此，根据某些实施方案，本文所公开的混合燃料共混物包含最多约20%的生物燃料乳液（例如，图1的工艺102或图2的222的结果）。在一些实施方案中，本文所公开的混合燃料共混物包含约5%至约10%的生物燃料乳液。另外，在一些实施方案中，最多约20%的水存在于混合燃料中。

混合燃料的另外提议实施方案包括使用上述工艺350将活化的天然气和/或氢气与新一代柴油合并。据认为，由于燃料的氢碳比增加，这样的混合燃料将表现出比单独的新一代柴油低的CO₂排放。

在本文所公开的混合燃料的某些实施方案中，液体燃料的润滑性和/或粘度通过添加生物燃料乳液而增加。因此，超低硫柴油(ULSD)可在某些配方中用作液体燃料，而不会存在ULSD的低润滑性和/或低粘度缺点。另外，对增加润滑性的添加剂的需要得以降低或避免，同时这样做的高成本和工艺复杂性也得以降低或避免。在一些实施方案中，包含ULSD的配方具有比常规加氢处理的ULSD或生物燃料乳液低的粘度和倾点。

另外的优势包括：本文所公开的某些混合燃料具有降低的温室气体排放、降低的粒子排放并具有包含通过消耗二氧化碳而产生的材料（例如植物油）的原料。排放的总体降低预计对于某些生产混合燃料的工艺可达大约50%。同时，预计最终用途中的二氧化碳和粒子排放降低30%。因此，使用此类混合燃料具有降低的环境影响。另外，混合燃料的某些实施方案避免存在于许多生物柴油产品中的酯交换步骤。因此，这些混合燃料将不含甘油、脂肪酸甲酯(FAME)或脂肪酸乙酯(FAEE)，这些成分通常以至少较低的量存在于典型的生物柴油产品中。由于监管方针禁止在某些燃料（诸如喷气燃料）中存在这些副产物，因此这些混合燃料适用于通过现有的管线基础设计运输，而不同于大多数常见的生物柴油产品。另外，通过避免酯交换过程，该工艺中涉及到的资本成本、操作成本、复杂性和时间得以避免。这将降低生产此类混合燃料的成本。

上述优势表明，本发明的实施方案能提供可随时作替代的燃料，该燃料基于油井到车轮考量和生命周期分析满足ASTM和全欧盟对生物燃料和温室气体排放的目标。混合燃料的实施方案被视为可随时作替代的是因为它们可用作完整的燃料而不仅仅是燃料添加剂。由于某些液体混合燃料通过使用天然气而形成，因此减少了对液体石油的需要。此外，形成液体燃料的工艺可经修改用于目前具有天然气供应但未加以使用的偏远地方。

通过本文所述的工艺的具体实施形成的混合燃料的实施方案表现出上述所需特性，同时保留存在于常规燃料中的特性。例如，本文所述的混合燃料可具有较高的每磅/加仑的能含量，并且能够经受多个冻融循环，稳定，具有有利的粘度和十六烷值（对于柴油型燃料替代品而言）、等同的磷含量、兼容的蒸馏曲线、有利的腐蚀特性和与现有密封材料的相容性。

应当认识到，本发明的范围不限于上述实施方案，而是将涵盖对所述实施方案的修改和改进。上述所有参考文献均整体以引用方式并入本文。

Claims (39)

1.一种由包括以下步骤的工艺制备的混合燃料：

将第一反应物引入反应器，其中所述第一反应物包含一种或多种轻气体；

将所述第一反应物在足以重整所述第一反应物以形成合成气并生成自由基和高能电子的条件下暴露于非热等离子体；

将第一液体进料燃料引入所述反应器；以及

在所述反应器中使得自将所述第一反应物暴露于非热等离子体而产生的反应产物与所述第一液体进料燃料密切接触以产生改良的液体燃料。

2.根据权利要求1所述的混合燃料，其中所述第一反应物还包含第二液体燃料进料。

3.一种混合燃料，包含：

第一燃料产物；和

第二燃料产物，其中

所述第一燃料产物包括生物燃料乳液；以及

所述第二燃料产物包括通过与液体燃料进料合并的一种或多种轻气体制备的燃料；并且其中

所述混合燃料包含至少约20重量%的所述第一燃料产物。

4.根据权利要求1至3任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料包含约20重量%的所述第一燃料产物和约80重量%的所述第二燃料产物。

5.根据权利要求1至3任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料包含最多约20%的水。

6.根据权利要求1至5任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料的倾点为约-25℃至约-35℃。

7.根据权利要求1至6任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料的倾点比分离的所述第二燃料产物的倾点低约15°F。

8.根据权利要求1至7任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料包含不超过约5%的多核芳族化合物。

9.根据权利要求1至8任一项所述的混合燃料，其中所述混合燃料包含不超过约20%的芳族化合物。

10.根据权利要求1至9任一项所述的混合燃料，其中所述第二燃料产物是通过权利要求12所述的工艺生产的混合燃料。

11.根据权利要求1至10任一项所述的混合燃料，其中所述第一燃料产物还包含甘油醚。

12.一种制备混合燃料的工艺，所述工艺包括：

将第一反应物引入反应器，其中所述第一反应物包含一种或多种轻气体；

将所述第一反应物在足以生成合成气和自由基的条件下暴露于非热等离子体；

将第一液体进料燃料引入所述反应器；以及

在所述反应器中使由所述第一反应物生成的所述合成气和所述自由基与所述第一液体进料燃料密切接触以产生改良的液体燃料。

13.根据权利要求12所述的工艺，其中所述混合燃料为生物燃料。

14.根据权利要求12或权利要求13任一项所述的工艺，其中所述工艺为精炼油的工艺。

15.根据权利要求12至14任一项所述的工艺，其中在生成自由基的工艺之前没有离解所述一种或多种轻气体的工艺。

16.根据权利要求12至15任一项所述的工艺，其中所述反应器为非热等离子体反应器。

17.根据权利要求12至14任一项所述的工艺，其中所述非热等离子体反应器为滑动弧反应器、微等离子体发生器或匀化器。

18.根据权利要求12至17任一项所述的工艺，其中所述自由基通过高剪切、超声、空化、高能混合装置或它们的组合生成。

19.根据权利要求12至18任一项所述的工艺，还包括在所述反应器中添加催化剂。

20.根据权利要求19所述的工艺，其中所述催化剂为金属催化剂、有机金属催化剂、纳米球催化剂、载体催化剂或可溶催化剂。

21.根据权利要求19或权利要求20所述的工艺，其中所述催化剂为有机钼化合物。

22.根据权利要求12至21任一项所述的工艺，其中所述工艺形成作为副产物的脂肪酸乙酯(FAEE)和甘油。

23.根据权利要求22所述的工艺，其中使所述甘油副产物进一步反应以形成一种或多种加到所述混合燃料中的甘油醚产物。

24.一种重整轻气体的工艺，所述工艺包括在足以形成自由基的条件下在存在非热等离子体的情况下重整一种或多种轻气体。

25.根据权利要求24所述的工艺，其中重整一种或多种轻气体的步骤在低于约5个标准大气压的压力下进行。

26.根据权利要求24或权利要求25所述的工艺，其中所述工艺在约200℃至约500℃的温度下进行。

27.根据权利要求24至26任一项所述的工艺，其中所述重整步骤为干重整、蒸汽重整、部分氧化和形成甲基自由基的一种或多种。

28.根据权利要求1至27任一项所述的工艺，其中所述轻气体为甲烷、天然气或它们的混合物。

29.一种制备混合燃料的设备，包括：

用于引入第一反应物的第一入口，其中所述第一反应物包含一种或多种轻气体；

与所述入口流体连接的电极，其中所述电极能够在施加电压时产生电弧并且其中所述电极限定所述第一反应物的通过路径；用于向所述设备引入第一液体进料燃料的第二入口；

退出区，在其中所述第一反应物和电极的反应产物与所述第一液体进料燃料发生接触，以及

与所述退出区流体连接的出口。

30.根据权利要求29所述的设备，其中所述退出区置于由所述电极限定的路径与所述第二入口之间并与所述路径和所述第二入口流体连通。

31.根据权利要求29或权利要求30所述的设备，还包括位于所述退出区中的亥姆霍兹线圈。

32.根据权利29至31任一项所述的设备，还包括位于所述退出区中的催化剂。

33.根据权利要求29至32任一项所述的设备，还包括能够加热所述设备的内容物达到规定温度的加热线圈。

34.根据权利要求29至33任一项所述的设备，还包括低逸出功阴极，从而增加电子流动和/或电子密度。

35.根据权利要求34所述的设备，其中所述低逸出功阴极包括钍。

36.一种生产原料的工艺，所述工艺包括：

向加氢甲烷化反应器提供含碳原料；

使所述含碳原料在存在催化剂和蒸汽的情况下反应以产生多种气体。

37.根据权利要求36所述的工艺，其中所述含碳原料为煤、生物质、石油焦或它们的混合物。

38.根据权利要求36或权利要求37所述的工艺，其中所述催化剂为碱金属。

39.根据权利要求36至38任一项所述的工艺，其中所述反应步骤在高温、高压或两者兼有下进行。

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