CN104445077A - 消耗二氧化碳产生热量以协助零排放发电 - Google Patents

Abstract

本文公开的主题涉及不以有害方式产生二氧化碳和/或除去和/或捕获另外可能排放到大气中的二氧化碳的发电系统和方法。

Description

消耗二氧化碳产生热量以协助零排放发电

本申请是于2012年4月16日提交的申请号为201210111722.5、发明名称为“由碳氢化合物沉积物发电同时捕获二氧化碳”的专利申请的分案申请。申请号为201210111722.5的专利申请是于2007年12月14日提交的PCT申请号为PCT/US2007/087683、中国国家阶段申请号为200780051408.X、发明名称为“除去二氧化碳和/或发电的方法和/或系统”的原申请的分案申请。

本申请要求以下专利申请的优先权：2006年12月16日提交的美国临时专利申请第60/875,121号；2007年3月19日提交的第60/918,787号；2007年5月4日提交的第60/927,597号；和2007年8月27日提交的第60/966,357号。

技术领域

本文公开的主题涉及发电和/或从大气中除去二氧化碳。

背景技术

已指出，二氧化碳(CO2)在地球上产生了一条加温的毛毯，抵消全球暗化气体，在我们的气候中形成全面的变暖趋势。众所周知，变暖趋势威胁着地球上的人类生命。碳氢化合物燃烧动力出现后，循环意识变得历史性的重要。无论二氧化碳是否被视作污染物，循环作为原则需要应用到在地球上我们所进行的所有活动中，从而实现可持续的实践活动。循环再利用与可持续性密切相关，也是自然运行之道；例如，一些生命体呼入氧气，排出二氧化碳，而作为相反的平衡，一些生命体则刚好相反。

在过去的150年内，世界上在机动车辆、固定式发电装置和移动式发电机内制造了超过了十亿台的产生二氧化碳的动力装置。自从卡诺于1820年代的成果问世以来，这些发动机的指导性原理仍停留在同样的认识领域内。传统的产生二氧化碳的动力装置通常向其周围环境中排出热量、噪音、CO₂，Nox、SOx，使燃料与排放不平衡地联系起来，因为化石燃料来自地面，然而尾气排入空气中。

产生能量和二氧化碳的基本化学反应如下：

C_nH_2n+2[来自大地]+59.5N₂[来自大气]+mO₂[来自大气]→

nCO₂+(n+1)H₂O+热量+59.5N₂[所有排至大气]

2007年年初，美国最高法院大法官Stevens曾说过：“温室气体非常符合《清洁空气法案(Clean Air Act)》中对空气污染物的宽泛定义。”美国联邦环保署(EPA)“不怀疑人造气体排放与全球变暖之间存在间或的联系”。Stevens说，马萨诸塞州，12个州起诉人其中之一，提出了以下诉讼：全球变暖导致马萨诸塞州沿海岸线的海平面升高，使马萨诸塞州面临“灾难性危害的风险”，如果政府采取马萨诸塞州所寻求的规定，这种风险“在某种程度上可能会减少”。

2007年，对于CO₂对全球变暖的影响的评估发生了改变；可预见，在美国和其它国家，机动车辆、发电装置以及其它发动机的CO₂排放在不久的将来将被管制。研究还表明，仅仅保持大气中温室气体(GHG)浓度的稳定不足以防止全球温度上升。这样的温度上升已在地球的两极开始。

附图说明

参照以下附图，对非限制性和未穷尽的特征予以说明，其中贯穿各幅附图，相同的附图标记表示相同的部分。

图1是根据实施方式将生物质转换为能量并收集二氧化碳的系统的示意图。

图2和图3是根据实施方式在发电的同时封存二氧化碳的系统的示意图。

图4和图5A是根据替代实施方式在发电的同时封存二氧化碳的系统的示意图。

图5B是根据实施方式的图解二氧化碳的行为的焓-压力图。

图6是根据实施方式的磁压辅助发电系统的示意图。

图7A、7B和7C是根据一个或多个实施方式的由碳氢化合物沉积物发电并同时捕获二氧化碳的系统的示意图。

图8是根据实施方式的在过程中消耗二氧化碳生成发电时燃烧所需氧气的系统的示意图。

图9是根据实施方式的燃料电池的示意图，该燃料电池包含含有超氧化物的阳极。

图10是根据替代实施方式的消耗二氧化碳产生热量以辅助发电的系统的示意图。

图11是能够以固态可运输形式储存所捕获的二氧化碳的可拆卸式燃料电池模块的示意图。

图12是根据实施方式的可捕获CO₂的热-电过程的示意图。

发明内容

整个本说明书中，提及“一个实施方式”、“一个实践”、“实施方式”、“实践”指的是连同该实施方式和/或实践所描述的具体特征、结构或者特性可以被包括在所要求保护的主题的至少一个实践和/或实施方式中。因此，本说明书中在各处出现“在一个实施方式中”、“实施方式”、“在一个实践中”或“特征”未必均指的是同一实施方式和/或实践。此外，可以将多个具体特征、结构或特性组合在一个或多个实践和/或实施方式中。

传统的由化石燃料发电的手段通常导致CO₂排入大气，从而造成之前所说的全球变暖问题。要在根源上解决全球变暖问题，本文举出的实施方式涉及使用不会造成CO₂排入大气和/或可将CO₂从大气中除去的方法来发电。

在一个具体实施方式中，比如，由包括大量CO₂的处理的过程可以生成可用动力。譬如，如将生物质转化为可用能量等的如工业发电等过程中，都可能产生如此大量的CO₂。在处理来自生物质加工发电的CO₂废气的具体情况中，包括生物质发电用植物物质的培育至通过处理所产生的CO₂废气来发电在内的连续过程可以被视为在发电的同时从大气中抽取CO₂的过程。

在另一个实施方式中，通过在一个耐压的容器内对气体进行磁辅助加压，可以产生可用的动力。根据具体实践，如下所示，这样的对气体磁辅助加压可将加压过程与温度分离。例如，这可以有助于以无需排放CO₂的方式通过使用处于较低温度的热源(例如，地热资源)进行热传递来发电。

在另外一个实施方式中，利用将所产生的CO₂捕获在碳氢化合物储层内的工艺，可以由地下碳氢化合物储层内的碳氢化合物沉积物生成可用动力。因此，这种技术可以使得能够开发碳氢化合物储量以生产可用能量并避免CO₂排放所造成的有害影响。

在另一个实施方式中，可以由热-电过程中燃料燃烧生成可用动力。作为燃烧的副产品而产生的二氧化碳可进一步进行放热反应，从而将额外的热量用于增加在热-电过程中生成的动力。在一个特定实践中，二氧化碳副产物可以以固态形式捕获后进行处理。在这个特定实践中，因此，可避免由燃烧生成的CO₂逸出到大气中。

一些实施方式涉及下述过程：封存CO₂，使得CO₂保持在可避免CO₂排入地球大气从而潜在地造成全球变暖的状态和/或形式。这样的封存状态可包括，例如，将CO₂作为液体和/或加压流体保持在容器中或地下，和/或将CO₂保持为如盐等化合物这样的固态。然而，这仅仅是CO₂可以被封存的状态的实例，要求保护的主题不限于这一方面。

在一个特定实施方式中，在CO₂被封存之前，可以在能够实现CO₂的封存的过程中捕获CO₂。在一个特定实施方式中，这样的CO₂捕获可包括：通过如光合作用等生命过程将CO₂从地球大气中除去；在加工燃料用生物质和加工碳类燃料燃烧副产物时除去CO₂，以避免CO₂气体排入大气。然而，这些实例仅仅是按照特定实施方式可以如何捕获CO₂的实例，要求保护的主题不限于这一方面。

通过在贫化碳氢化合物储层内处理二氧化碳来产生动力

根据实施方式，尽管要求保护的主题不限于这一方面，可以将基本上包含加压的CO₂(例如液体CO₂)注入与贫化碳氢化合物储层相连的井眼内。响应于钻井眼内的地热，该流体可膨胀为加压气体，这可反过来用于生成电流。然而，这仅仅是示例实施方式，要求保护的主题不限于这一方面。

在目前所述的实施方式中，包含基本上液态的CO₂的流体可由若干体相过程中的任一种提供，例如，处理生物质发电，由煤发电产生的工业废弃物CO₂的收集，这仅仅列出几个实例。这样的基本上液态的CO₂可在加压至大约73.0atm且温度低于304.2K的容器中例如以与少量成分H₂O，NO₂和/或SO_x的混合物形式存储和/或传输，CO₂液体混合物的温度可大于304.2K。

图1是根据实施方式将生物质转化为动力并收集二氧化碳的系统的示意图。此处，传输至生物质处理装置的生物质1可包含源于近期种植的植物的单糖和/或碳水化合物和/或木质素，这些植物以植物生命体的形式通过生命植物生长过程将大气中CO₂固定。如图所示，该过程产生的副产物可包括CO₂8、水、痕量的NO₂、SO₂和SO₃。在这里，使用生命过程物质，如植物生命体或动物排泄物，使得能够通过一个动力为正的过程将CO₂从大气中除去。在压缩和冷却过程之后，液态废弃物CO₂以及痕量的其它化合物可从加工装置4运输出去，进行处理。

在一个特定实施方式中，可以以如图2～图5B所示的也产生动力的方式捕获基本上液态的废弃物CO₂并予以处理。应当理解的是，不过此处所说明的在发电的同时处理CO₂的过程也可应用于其它过程产生的CO₂的处理，要求保护的主题不限于这一方面。

图2和图3中的系统100包含多个井眼102，井眼102可能已被钻开以提取碳水化合物沉积物，例如，原油和/或天然气。在各井眼102中形成和/或放置有热传递面，如井下热交换器(DHE)104，其能够使地热Q^GEO在CO₂流体被向下引导通过相连的管道103时对CO₂流体进行加热。随着CO₂流体被热量Q^GEO加热，压缩流体继续经过相连的管道106，从而驱动相连的燃气轮机108进行发电。

在加压罐101内以基本上液态形式开始，包含加压CO₂(例如，也包含痕量化合物)的流体，被排放到第一个井眼102中，压力为P⁺，环境温度为T^∞。随着流体在DHE 104处接受热量Q^GEO，并继续经过管道106，流体温度上升至T⁺。在经过位于地面109上方的涡轮108后，流体压力和温度分别降至P^δ-和T^δ-。在最后一个井眼处(未示出)，CO₂可被沉积在贫化且耐压的碳氢化合物储层内，从而保持在大气之外。随着CO₂填充贫化且耐压的储层，该碳氢化合物储层内压力可能上升。在封存过程中由于压力上升，可减少可用燃气轮机的数量。如图3所示，可使用旁通阀105，通过旁路107将连续的燃气轮机从工艺流程中除去。

在图4和图5A所示的替代实践中，一系列的燃气轮机212可以被置于地下，在一个井眼202内。加压CO₂由加压罐201导出，压力值为P⁺，穿过一系列DHE 208，接收地热Q^GEO，温度上升至T⁺。在各个燃气轮机212的入口处，现时温度为T⁺的流体流经燃气轮机212，从而发电，并冷却CO₂流体，使之温度降至T^δ-。因此，正如当前所述实施方式所示，每个燃气轮机212配备有连续DHE 208，从而在相继的气体膨胀前捕获地热。在最后的燃气轮机212之后，可以将CO₂通过无孔岩石210导入耐压的空腔206中，以永久存储。此处，耐压的空腔206可包括能够承受盛装加压流体的贫化的碳氢化合物储层(例如，原油和/或天然气沉积物贫化的)。如图5A所示，用于燃气轮机212生成的电流的电缆207可将电传输至井眼202的顶部。随着CO₂被加入到耐压的地下空腔206中，空腔206内的压力可以随着填充而上升。燃气轮机212可以使用相连的旁路管214而逐个被旁通，从而使最后一个燃气轮机(例如，最紧靠腔206的)的出口压力与空腔206的压力匹配。

如上所述，根据特定实施方式，加压CO₂在通过由地热源增加焓时，可作为地热燃气轮机的工作流体。由于CO₂在低于室温时可凝固，所以低温井就可以提供有效的地热源。例如，在低于室温的条件下，CO₂气体就可以膨胀而温度下降，但仍为气态，这可从室温源中吸收热量。熟井的井眼通常高于室温，常常大于140℃。

通过等温涡轮或配有间歇交替热交换器的涡轮所获得的理想动力可以通过一个无穷系列的燃气轮机热交换器组合来近似。在一个步骤内，在加压CO₂源部分膨胀后，在井的地热与膨胀的CO₂之间发生热交换。钻开的井眼的较长的长度可使有足够的区域进行地热交换。

使用接触材料可促进地热源和间歇热交换器之间的热交换，这类接触材料有例如液态金属、伍德合金、和/或含有铋、铅、锡及铟的组合的金属，或者其它能够将井眼地热传导至间歇热交换器的壁上的适当的热交换材料。

接近最大动力的多变涡轮和热交换器的n阶段的数量可以从总和为无穷的膨胀和热交换的无穷小阶段出发来导出。由在不同类型膨胀期间的压力和体积之间的幂定律关系开始，取得动力的阶数可以确定如下：

α＝1对于等温过程

dU＝dQ-dW

令系统作功为W+，对系统作功为W-。热量dQ未立即设定为0，由于这是一般情况，并且热量可进入或离开系统。以密度ρ装入时的压力和体积可按理想气体定律来关联。

$W=-\underset{p_{+}}{\overset{p_{-}}{\∫}}d\left(\frac{P}{\mathrm{\ρ}}\right)$

其中，p+为膨胀过程中的高压，p-为膨胀后的低压，p为一般化压力项。当从高压向低压积分时出现负号。其中ρ为与给定压力p相匹配的一般化密度，α为p对ρ的多次幂函数。

1≤α≤γ

等温≤多变≤绝热

$\frac{p}{{\mathrm{\ρ}}^{\mathrm{\α}}}=\frac{p_{+}}{{\mathrm{\ρ}}_{+}^{\mathrm{\α}}}$

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{+}}{{p_{+}}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}{p}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}={\mathrm{\ρ}}_{+}{\left(\frac{p}{p_{+}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}$

${\mathrm{\ρ}}_{+}=\frac{p_{+}}{{\mathrm{RT}}_{+}}$

将压力变量p归一化为压力比

$\mathrm{dp}=p_{+}d\frac{p}{p_{+}}$

$W=-\underset{p_{+}}{\overset{p_{-}}{\∫}}\frac{\mathrm{dP}}{{\mathrm{\ρ}}_{+}}=-\left(\frac{p_{+}}{\frac{p_{+}}{{\mathrm{RT}}_{+}}}\right)\underset{1}{\overset{\frac{p_{-}}{p_{+}}}{\∫}}\frac{d\frac{p}{p_{+}}}{{\left(\frac{p}{p_{+}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}=-{\mathrm{RT}}_{+}\underset{1}{\overset{\frac{p_{-}}{p_{+}}}{\∫}}\frac{d\frac{p}{p_{+}}}{{\left(\frac{p}{p_{+}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\α}}}}$

令离开系统的功为正，W(+)；从而得到多变功率公式。

$W=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{RT}}_{+}}{(\mathrm{\α}-1)}[1-{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}}]$

当α取值为1时，功公式似乎为无穷乘零，然而这可以显示，以上公式为等温，最大功率状况。

(等温,α→1)

$\underset{\mathrm{\α}\→1}{\lim }W=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{RT}}_{+}}{(\mathrm{\α}-1)}[1-{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}}]$

L'Hopital定律

$\frac{\mathrm{RTd}[1-{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}}]}{d\left(\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}\right)}=\frac{\mathrm{RTd}[1-{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^u]}{d\left(\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}\right)}$

$\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{du}}\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{d\α}}=\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{d\α}}$

$u=1-\frac{1}{\mathrm{\α}}$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{d\α}}={\mathrm{\α}}^{-2}$

$\underset{\mathrm{\δ\α}\→1}{\lim }\frac{{\mathrm{RT\α}}^{-2}{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{1-\frac{1}{\mathrm{\α}}}\ln \left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}{-{\mathrm{\α}}^{-2}}=-\mathrm{RT}\left(1\right)\ln \left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)$

对等温的逼近，通过一系列多变膨胀然后热交换，可在现实中实现。逼近最大可得功率(等温地热功率)所需的n阶段的数量可通过与上述类似的步骤估算出来，如下所述。

将P比率归一化，令膨胀器/热交换器为连续的n阶段。

${\left(\frac{p_{+}}{p_{-}}\right)}_{\mathrm{total}}=\frac{p_{{\mathrm{\δ}}_1+}}{p_{-}}\frac{p_{{\mathrm{\δ}}_2+}}{p_{{\mathrm{\δ}}_1+}}....\frac{p_{+}}{p_{{\mathrm{\δ}}_{n-1}+}}$

${{\left(\frac{p_{+}}{p_{-}}\right)}^{\frac{1}{n}}}_{\mathrm{total}}=\frac{p_{+}}{p_{{\mathrm{\δ}}_{n-1}+}}$

$W=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{RT}}_{+}n}{(\mathrm{\α}-1)}[{\left({\left(1\right)}^{\frac{1}{n}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\αn}}}-{\left({\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{1}{n}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}}]$

实际上，压力比越大，使所得功最大化所需的n阶就越大。

定律

$\frac{-\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{RT}}_{+}}{(\mathrm{\α}-1)}d[1-{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\αn}}}]}{d\frac{1}{n}}$

$\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dn}}=-\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}{n}^{-2}$

$u=\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\αn}}$

$\underset{\mathrm{\δn}\→\∞}{\lim }W=\frac{(-)-\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{RT}}_{+}}{(\mathrm{\α}-1)}\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\α}}{n}^{-2}{\left(\frac{p_{-}}{p_{+}}\right)}^{\frac{\mathrm{\α}-1}{\mathrm{\αn}}}\ln \frac{p_{-}}{p_{+}}}{-n^{-2}}$

p₊＝P_H>p_-＝P_L；W(+)

其中，为穿过涡轮流到井下的封存CO₂的摩尔流速，R为理想气体常数，T_well为井温，P_H为高压，P_L为出口低压。CO₂临界压力为72.9atm，但是，如果加入少量H₂O，混合物的临界凝结压力可能发生改变。使用70atm，和1.3的CO₂多变常量，可估算出n次涡轮/热交换阶段的数量如下：

$n[1-{\left(\frac{1}{70}\right)}^{\frac{0.3}{1.3n}}]=-\frac{0.3}{1.3}\ln \frac{1}{70}$

n→5阶10％误差

n→40阶1％误差

2006年，12,500英尺横向钻井费用，以美元计，已接近两百万；例如，按照图4和图5A所示实施方式，5到40阶将需要是与12,500英尺的底部热区相符合的长度。较长的井眼长度可以提供足够的热交换接触区域。随着向井内填充CO₂，低压出口可接近高压源，因此，所需阶段可能越来越少。在最大可获得功率的表达式中，出口低压P_L可以为变量，并可接近P_H。P_L与其他封存变量的函数关系可以如下所示：

$P_L=f\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{fill}}{F}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\·}}{V_{\mathrm{well}}}\right)$

P_L为CO₂流速、填充时间τ、地下空腔容积V_well的函数。随着P_L增加，该过程可采用阶段的旁路，直到最后所有的阶段被旁通，并从井眼中除去，将井眼密封使其维持压力。

油井钻孔顶部直径可由30英寸开始，在底部尺寸可窄至<11英寸。可以有空间，或可以产生空间，以便于埋入一系列的燃气轮机以及间歇热交换器。地热井直径常常大于油井直径。在一个实施方式中，热交换器或者燃气轮机均无需位于地下。如果热交换器位于地上，则另一流体，如热水，可以从地下井中抽出，并用于加热地上的CO₂。在另一个实施方式中，燃气轮机仍置于地上，而热交换器可以置于地下。

微涡轮，定义为尺寸为cm或mm量级，在涡轮内使气体以非常高的雷诺数([Proceedings of ASME Turbo Expo 2003Power for Land,Sea,and Air June 16-19,2003,Alan H.Epstein,et.al and Science 23May 1997:Vol.276.no.5316,p.1211)进行运动。高雷诺数流动提高了热传导性能，并使得能够在在涡轮与外部热源之间进行透壁热交换。

以上结果显示，CO₂的热力学特性引入了一种具有5次热交换的6次2x膨胀(2⁶<70atm)以发电的实用构造。

随着贫化的碳氢化合物空腔内的压力上升，膨胀器/热交换器配对将依次被旁通，直至腔内地下压力接近初始CO₂压力；出于耐压目的，此时可以密封钻孔。

此处所述的实施方式中，在CO₂被封存时，可以产生电力。由于植物从大气中获取CO₂，而CO₂可被置于地下，整个过程可以从大气中除去CO₂，从而阻碍全球变暖。图1至图5A所示的上述过程可以在除去CO₂的同时进行发电，因此称之为功率为正，CO₂为负。可以通过P_L的稳定上升来限制总功率。

无论井最初为硫酸性或是低硫性，这种工艺均可工作。如果在将CO₂封存到贫化的油气空腔内的同时使用涡轮进行发电，对付地下化石燃料的杂质则不成问题。CO₂的临界温度为31℃，但是如果加入少量H₂O，混合物的临界冷凝温度大于31℃。如果井温相对较低，CO₂水混合物可以以液体形式保持于地下。

在一个实施方式中，过程可以使用处于加压状态或碳氢化合物基本上贫化状态的井；因此，通过以封存过程获得CO₂动力可获得钻井投资的二次经济收益。如果将碳交易价值分配给封存的CO₂，则通过以封存进行CO₂地热发电所产生的电力的价格可以低于0。

图5B为描述根据图2至图5A所示的具体实施方式的CO₂流体的行为的压力-焓图。在一个实施方式中，点A处，最初可以使高压CO₂液体(例如，压力处在1200psia)由加压罐中流出。在与400K的地热源(例如，与上述的DHE)进行初次热交换之后；在点B处，在保持压力的同时，CO₂流体转变为新的焓值和温度。此处x轴表示焓，可以通过地热源而增大，而y轴表示压力，P。在CO₂的临界压力以下的区域G至相包络线的右侧为CO₂气相。区域L表示CO₂液相。沿着等熵线S可以发生绝热膨胀。在这一特定实施方式中，表中显示有6个压力下降的膨胀阶段，各由1～11的奇数表示。图中A与B之间、从1至11向下的箭头方向表示压力下降直至压力在点F处达到封存地下空腔的压力的过程的方向。此处有5次热交换，由1～11的偶数表示，为水平线，接收地热，处于恒定压力，增加焓值。

图2至图5B所示的过程涉及：将井眼内的CO₂流体管道输送至地下热交换器内，随后利用CO₂膨胀来驱动一个或多个涡轮，涡轮可置于地上，或位于井眼内。不过，在替代实施方式中，可以使用地热源来产生蒸汽或热水，从而在置于地上的热交换器内使热量作用于流体CO₂流体。然后通过位于地上的涡轮，可以利用CO₂流体膨胀进行发电。

代替用作固定式发电工艺的输电，生成的电可在地上通过就地电解转化为氢；从而生成可运输的燃料，如H₂。

原则上，体相CO₂可从FutureGen电厂(美国规划的带有碳捕获的燃煤发电)或称作ZeroGen的澳大利亚版本处购得。考虑到碳排放额度的交换，此CO₂可以为负价格。在通常的采煤过程中，煤中每100个碳原子放出一个等同甲烷的碳原子，最终成为CO₂。撇开这一点不谈，一般从FutureGen煤电厂处购得的CO₂，如果进行封存则为一种CO₂中性燃料。

在某些情况下，如果原油仍处于沉积有CO₂的地下储层中，则沉积的CO₂可以在重油中鼓泡并通过溶解性得以保留。捕获CO₂的生物质发电装置与地热CO₂涡轮封存发电可形成一整体过程，一个利用CO₂地热发电的MW电厂一年可除去多达一百万公吨的CO₂。如果使用现有已钻开的钻孔，且钻孔未拓宽，则一个井眼可接受的的涡轮尺寸及流速，可能小于典型的生物质发电装置的CO₂产量；因此，可以使用多于一个的CO₂地热发电用井眼。

尽管CO₂在封存之前可转化为甲烷、乙醇或甲醛，以减少封存物的挥发性，但这些潜在的CO₂形式每一种都会污染地下水，燃烧，重要的是，如同说明的那样，可能无法通过燃气轮机热交换交替序列进行发电。

在特定实施方式中，由于水在CO₂高得多的温度凝结，所以可以使CO₂地热发电比水/蒸汽地热更有效率。由于CO₂可以在低于室温时凝结，所以有着较低温度的井可被当作地热源使用，更多的浅井可被当作地热源使用，与水/蒸汽地热工艺相比，CO₂地热发电加给地质的热应力就更少。

使用直接地下发电CO₂封存，在150℃的井中，开始可生成约15kJ/CO₂，随着井不断被填充，此功率将接近0。从大气中除去的CO₂可以为未建立化石燃料发电装置所避免的CO₂，以及被封存在井下的源自固定于植物生命体内的大气CO₂的CO₂。

磁压辅助发电

一个实施方式中，气体被吸附到在磁场的作用下被诱导的易磁化吸附剂上。随着磁场被移除，吸附的气体可以释放进入一个耐压等温罐内，随后引导经过热源，之后被引导去驱动燃气涡轮发电机。如下所述，这样的磁吸附和脱附能够实现在发电过程中使温度与压力分离。在一个特定实施方式中，例如，采用这种工艺可实现在较低温度下由地热源发电。此处，将机械压缩机用于由低温地热源发电可能就足够了。

参见图6，压力罐303可以含有合适的磁性吸附材料，与磁场B B＝B+的施加相响应，从空气中吸附氧气。这在室温下就可实现，并可使富氮空气305逸出。

按照实施方式，用于在罐303中吸附氧气的磁性吸附材料可以包括任何适用于与磁场相响应而与氧气结合的固体材料，例如，如亚铁磁性、铁磁性或者反铁磁性过渡金属等易磁化吸附材料，包括：

Fe₃O₄-a,γ-Fe₃O₄,Gd₂O₃,Ni,Mn₃O₄,Dy₂O₃,Dy,Ho,Ho₂O₃...

然而这些只是磁性吸附材料的一些例子，要求保护的主题不限于这一方面。

在罐303内的氧气吸附之后，可以将罐303封死，与周围空气隔绝，将罐303置于与热交换器311和气体膨胀器313流通。在一个实施方式中，当进行脱附步骤时，罐303可以变为罐309。作为替代，也可将吸附剂/吸附质配对从罐303移至罐309。在去除磁场时，将磁感应强度设置为0，B＝O，所吸附的氧气可脱附到加压等温压力罐309，使其在室温重新平衡，随后引导经过热交换器311，再引导去驱动涡轮313从而产生电流。

吸附之后，从磁场(B＝O)中去除吸附材料。随后可以使氧气在压力罐309内从易磁化吸附剂上脱附。此处，与如果磁场被移除则促成脱附的这种脱附相比，脱附可以由吸附活化能的熵变造成。

如果氧气在绝热状态下脱附，当它脱离被吸附的状态并填充压力罐309时，气体可以冷却。这个过程类似于已知的在居里温度接近室温的铁磁性钆固体内经常发现的绝热退磁。如果氧气等温脱附，气体在脱离被吸附状态并填充压力罐309时可能有冷却的趋势。不过，这样可以产生从周围到压力罐309的热流(如Q^DE)。按照一个实施方式的工艺中可具有交替的基本上类似的吸附床。当303正在加载氧气时，基本上类似的床309正在卸载氧气。然后，这些床可以交替使用；新被加载的罐303随后在309位置处进行卸载。利用简单地将罐或吸附剂在磁场内移进移出以及打开和关闭阀门来实现和阻止流动，从而使吸附床和脱附床交替使用。由于通过改变磁场可以使罐309内压力上升，并诱导冷却，所以这种工艺可被称为“磁压”。

与空气接触的易磁化吸附剂(*)可吸收O₂。这种O₂吸附现象可以通过磁场在提高磁感应强度(B＝B+)的状况下增强。根据实施方式，例如，可以诱导热量Q^DE进入环境热量导致的脱附过程。在另外一种替代方式中，脱附过程中使用的热量可以来自吸附过程中产生的热量。而在另外一种替代方式中，脱附过程中使用的热量可以来源于环境，而在吸附过程中产生的热量可排放到周围环境中。还有另外一个例子，可使用地热来供给热量Q^DE。

在当前所述实施方式的磁辅助吸附，固态吸附材料经受变温；因此节省了吸附剂加热(应用于变温吸附(TSA)工艺)的能源成本，并允许使用较大范围的室温稳定过渡金属。在每个床加载和卸载后，用于吸附的罐303可与类似或相同的罐(指定的罐309)交换。使用磁性吸附/脱附无需对床进行冷却，而TSA正好需要。因此，冷却速率不会影响工艺。

根据实施方式，顺磁性吸附质和易磁化吸附剂的自旋拓扑和磁交换耦合程度可由偏摩尔磁钜进行量化。吸附/脱附的平衡以与施加机械压力可以使平衡移动同样的方式发生移动。Ozeki等[J.Phys.Chem.1991,95,7805-78097805,Magnetoadsorption andMagnetodesorptlon of NO on Iron Oxides:Role of Magnetism and Surface Structures ofSolids,Sumio Ozeki,Hiroyuki Ucbiyama,and Katsumi Kaneko]在亚铁磁性和反铁磁性铁氧化物上使用<1特斯拉的场得到了NO(g)(χ_m＝+1,461X10^-6cm³mol^-1)的清楚的脱附和吸附磁性增强。NO(g)在亚铁磁性和反铁磁性铁氧化物上的磁吸附/脱附随着磁场强度的增强有上升趋势。

在压力增强和低于室温的状态下，NO(g)和O₂两者具有接近一致的压缩系数，这一点对室温附近的理想气体膨胀工艺的操作可能十分有益。但对H₂O和NO₂并不起作用。

如上面所指出的，从压力罐309脱附出的气体可导入至热交换器311，从而驱动涡轮313。此处，作用于热交换器313的热量Q^cp，可由化石燃料蒸汽循环过程中的大型蒸汽冷凝器供给，温度接近100℃，或由地热源或者由任何热源供给，如放大的光子(也称作使用凹镜的集中太阳能，从而由太阳光产生高温)。这样的Q^cp的地热源可以实现发电而不向大气增加CO₂的工艺。

应用于涡轮313的热量Qⁱ可以包含等温膨胀器中透壁从周围环境中吸收的热量。地热透壁加入膨胀器这一过程中极大地增加了膨胀器在每O₂分子膨胀时的发电量。

Q^cp的地热源可以如此取向：系统300的部分可以置于地上。如果从地下抽取热水供给Q^cp，热交换器311和膨胀器313可以均位于地上。热交换器311可以位于地下(所谓的DHE)，而膨胀器313则位于地上。在另一个替代实施方式中，热交换器和膨胀器可以均位于钻孔内，直接接收地热。可就地从空气中获得氧气，也可就地向空气排放氧气，实现零空气污染过程。与太阳能相比，这样的过程有着更高的功率密度，在更小的空间内更快地发更多的电。由于甚至由低至373K的热源也能够发电，所以CO₂中性磁压地热发电工艺无需特殊选址，这一点与当前地热发电选址的限制相比，这一工艺更为普遍流行。

如果系统300的膨胀器313位于地上，Qⁱ不会将额外热量增加到电能。如果等温膨胀器和热交换单元311均靠近地热源，则热量可以在地热最高温度T⁺以Q^cp和Qⁱ增加到该工艺。在替代实施方式中，任何热源均可应用于热交换单元，如工业制造业废热。这样，在与热源无关的情况下，该工艺可以改善热-电过程的效率。

在特定实施方式中，源自磁矩滞后的磁性吸附材料的潜在低效率与材料有关。在特定实施方式中，可以使用超导磁体来辅助上述吸附工艺。作为替代，也可使用永久固态磁体。高温超导磁体可以进行降温，可能需要能量以对磁脱附或磁吸附过程做功。这一工艺需要相当大规模地返还电能以达到磁脱附目的。在特定实践中，实现磁脱附所消耗的电能可以由电源供给，如地热能生成的电流，或其它不排放CO₂的能源。此处，我们可以看到，磁脱附和磁吸附所消耗的电能与工艺的电能产量相比较小，在等温退磁脱附过程中，消耗的电能通过在罐309的热吸收而具体地返还到工艺中。

按照实施方式，由于通过磁场作用使得罐303内压力上升，并诱导冷却，所以系统300可被描述为“磁压”，内能为U，根据定义可知U不是如重力、辐射热和磁场等体力(B)的函数[G.Astaria.Thermodynamics,1989Plenum Press]。

内能微分定义为功微分和热微分之差：

dU＝dQ-dW(2)

脱离系统的功定义为正值，进入系统的功定义为负值。同样，功为体力的函数，表示为：

为了满足之前提到的三个特性(1)、(2)和(3)，如果对等温系统进行体力做功，则热量Q必定被诱导离开系统。由于必须能够向周围环境加入或减去热量，所以此处这样的过程必须为等温。之前所述可被总结简化为：

退磁的作用可取消之前在罐303处对系统做的功。功和热量的变化的定性检查可对研究以上所述偏微分具有指导性。

$\frac{\mathrm{\&Delta;W}}{\mathrm{\&Delta;B}}=\frac{\mathrm{\&Delta;Q}}{\mathrm{\&Delta;B}}$

$\frac{0-(-W)}{0-(+B)}=\frac{+Q}{0-(+B)}$

$\frac{+W}{-B}=\frac{+Q}{-B}$

+Q表示退磁(-B)时诱导进入系统内的热量。

体力热量和功的三个其它规律也可以适用。三个其他选择之一可包括如铁磁性钆等材料在居里温度附近的等温磁化。绝热磁化可以将铁磁性钆系统加热，而等温过程可诱导热量离开系统进入周围环境中。此时，磁化可表示为对系统所作的功(-dW)和诱导离开系统的热量(-dQ)，由于为正值。此处所描述的磁化作为特定实施方式的体力的一个例子，应当理解的是在替代实施方式中，也可使用其它的体力，而不偏离所要求保护的主题。例如，其他类型的体力可包括例如磁场变化、重力、伽马射线、微波能量、如来自阳光等的光子、辐射热，仅列举几个例子。

在分子热力学中，热量Q可以描述处于量子力学能态下的物种的数量[DonaldMcQuarrie,Statistical Mechanics,University Science Books,2000,page 44]。如果狭窄的数量分布被拓宽，热量Q则为正值。如果磁场B的磁感应从系统300中移除，例如，以场取向排列铁磁性吸附剂和顺磁性吸附质不再是趋势。因为能态的粒子数增加使热量Q为正值，所以那个能态附近的狭窄粒子数分布可被拓宽，而且诱导热流进入等温系统。

在系统300中，考虑2个冷却事件。首先，脱附可能需要热量来补偿气体和固体相互物理作用的损失。其次，在对渐缩/扩张喷嘴的类似分析中，当气体从吸附剂表面膨胀到自由体积时，冷却可以发生。冷却可由氧气从吸附剂表面附近的近二维空间膨胀到压力容器309的三维空间从而填充可用容积所引起。这里，通过考虑脱附氧分子的动能，可对冷却予以定量估算。

如果氧脱附处于等温状态，可从周围环境中获得热量Q^DE。使热量进入系统中的驱动力可能产生于与表面到自由体积膨胀冷却相比较暖的周围环境的温度梯度。当周围环境作为热源时，等温压力罐309的温度可以不大于周围环境的温度。罐303的吸收热量同样可作为热源，固态吸附剂可能会造成热容阻力。

在一些实施方式中，绝热脱附膨胀中热量Q^DE的抽取可应用于不同系统(未示出)的冷却。这里，在其它系统内的热量Q^DE抽取可对其它系统造成冷却效果。

在一个替代实施方式中，磁压效应与磁热效应有关，然而，至今为止在科学或专利文献中还未有磁压效应的说明。

按照实施方式，压力罐309和膨胀器313的空隙体积的特定设计可以决定在热交换器311内产生的氧气压力。存在的加压氧气，随后在热交换器311中由地热源(图6标识为Q^cp)加热至所希望的高温T+。

被加热的氧气随后在涡轮313内可以绝热、等温或多变膨胀，产生功W^τ。等温和多变膨胀可从地热源处(或任何热源)获得更多的热量；然而，绝热膨胀不能向系统中加入任何新的热量。

氧气最后可由涡轮313排回到大气中。取决于膨胀是绝热、等温还是多变以及与增加的地热相比的起始压力，阶段314处的出口温度可低于、高于或等于周围环境的温度。与蒸汽循环发电工艺相比，这一点极占优势，这必然使排气温度高于周围环境的温度，通常处于373K左右。因为蒸汽工艺在373K受限，与磁压发电工艺相比，高温T⁺对于蒸汽循环发电工艺而言可能较高。

在当前所述的实施方式中，氧气可包括独特的高顺磁性气体χ_m＝+3,449X10^-6cm³mol^-1；文献显示，如果O₂吸附在血红蛋白上(HbO₂)，则每个血红素在室温状态下的磁化率为2,460x 10^-6cm³mol^-1[Protein Sci.19932:1975-1986,M.A.LOPEZ and P.A.KOLLMAN]。在窄缝空间石墨纳米粒子中，一个独特的潜在场可在显示出反铁磁性O₂吸附质现象的范围内与O₂相互作用，[Inorg.Chem.，1999，38，5755-5768]。

对于包括Co，Mn，Fe，La，Pt，Rh，Cu和Ir的许多分子过渡金属络合物已知有可逆O₂结合；室温附近的O₂吸附也很普通(如血红蛋白)。在强磁场中，O₂有公知的沸点降低，由90K降至77.4K[A.J.Meachin and M.W.Biddulph,The Effect ofHigh Magnetic Fields on the Vapor Pressure of Nitrogen,Oxygen and Argon,Cryogenics,18,29-32(1978)]，该文献的目的在于说明，通过在易磁化吸附剂上的吸附可以可在室温条件下使用O₂。

典型的易磁化吸附材料有亚铁磁性、铁磁性或反铁磁性过渡金属，包括，例如：

Fe₃O₄-a,γ-Fe₃O₄,Gd₂O₃,Ni,Mn₃O₄,Dy₂O₃,Dy,Ho,Ho₂O₃...

易磁化吸附质可包括例如O₂、一氧化氮(NO)、NIT、氢化羰基铁、氢化羰基镍，仅举几个例子。在一个例子中，假设1.5摩尔的氧分子从一千克的比热为0.18kcal/kg的易磁化Fe₃O₄中脱附出来；假设Fe₃O₄氧结合能为5kcal/摩尔，则进入系统的热量可产生约41Kelvin的冷却。A.M.Tishin[Nature,Magnetocaloric effect:Current situationand future trends A.M.Tishin,12March 2007]描述了一级磁相变材料产生最强的冷却效应，然而这些材料有显著的滞后性，这造成磁热冷却的劣化。已对其磁热效应进行了检验的这种一级相变集中于固体点阵几何变换，如由磁场诱导的铁磁性立方奥氏体相转换为正方马氏体相。固体点阵中的原子的移动通常具有高滞后性。此处在至少一个实施方式中提及的磁压效应包括伪相变，气体脱附，这种气体脱附不一定需要固体点阵重取向，因此提供了降低滞后性的可能。

挥发性气体在室温条件下以较大摩尔数吸附在每体积吸附质上。二氧化碳就是一个很好的例子，因为许多吸附剂在室温条件下能够吸附相多达6摩尔CO₂/kg吸附剂[Energy&Fuels 2003]。

此处描述的磁压地热工艺为CO₂中性地热工艺；并不涉及CO₂，但在发电过程中不必排出CO₂。由于化石燃料工艺通常向大气中排放CO₂，而以磁压地热工艺取代化石燃料工艺避免了大气中CO₂水平的进一步增加。

与可能受到水的凝结温度的限制的注水蒸汽地热工艺不同，根据一个实施方式所述的特定磁压地热发电工艺使用氧气，而它在室温条件下，处于任何压力状态下都不会凝结。这样的CO₂中性磁地热涡轮发电可将压力和温度变量分离，因此能够实现将电从热中抽取出来而不用散热，和从所谓的“低级别”热(T<400K)获得电。其它低温地热工艺包括异戊烷循环，需要散热来凝结异戊烷。

由地热发电装置的经验可知，注水蒸汽地热工艺可对地热源进行过冷却，并可在蒸汽涡轮上产生压力锤；压力锤和对地热源的过冷却可以使用这个新的磁压地热工艺来避免。

地表下，在上地幔内温度梯度变化剧烈，在更深地幔处(400-670km和更低)更为缓和，在合理的(经济方面和技术方面)钻探深度处，第一个地表下16英里处，温度梯度随深度变化更为剧烈。

CO₂中性磁地热涡轮发电工艺可实现在较浅深度处获得地热，因此可节约通常与深度呈非线性的钻探费用。Augustin等人[7PROCEEDINGS,Thirty-First Workshop onGeothermal Reservoir Engineering Stanford University,Stanford,California,January30-February 1,2006SGP-TR-179,Chad Augustine,Jefferson W.Tester,Brian Anderson]描述了费用与深度的非线性主要为在更深处所需的增加的套管(和灌浆)以及钻头旋转的函数。由于该工艺可抽取低级的热量，所以磁压地热工艺可实现较浅的钻探和较少的套管。

与水/蒸汽地热工艺相比，在同样的地热温度下，CO₂中性磁地热涡轮发电工艺可获得更高的效率。

磁场消耗的功由氧和易磁化吸附剂之间的电子耦合相互作用决定。

吸附附近出现高超压，附近可遭遇再次吸附。例如，可以使用产生体积膨胀做功的限定超压。

氧甚至在较高压力且低于室温的状况下都具备接近一致的压缩系数。另外一种比较适合的顺磁性气体为一氧化氮。一氧化氮需要被存储于一个封闭的回路循环中，相比而言，氧气则应用于一个开放回路发电循环中。可从亚铁磁性、铁磁性、反铁磁性过渡金属吸附和脱附的任何顺磁性气体或磁性气体均适用。

由于氧气极易挥发，所以与脱附相比，通过磁场增强吸附是最佳选择。当磁场改变时，可实现吸附/脱附动力学的活化能的差异。

通过碳氢化合物储层发电同时捕获二氧化碳

如上所示，将碳氢化合物燃料用于获得能量会造成大量的CO₂排放，而据信CO₂是造成全球变暖的罪魁祸首。根据实施方式，可将碳氢化合物用于生产能量同时捕获在这个工艺中产生的部分或全部的CO₂。

根据实施方式，原油储量可分为三类：1P、2P或3P储量。已探明储量可指定为1P，定义为具有高百分比确定性的可由相对低风险和已知方法回收的那些。出于说明目的，可将1P的子类别指定为IP-R，定义为如本文所述的特定实施方式中的原油已被回收并可提供潜在的存储CO₂的空间的地下地质缺口。

在一些情况中长时间保持原油和天然气的地质构造可以提供CO₂的自然形成存储空间。IP-R的空腔可由多孔岩石层形成，上方为无孔岩石层，使得无孔岩石层形成从地质学角度上来说在之前截留住自然压力下的碳氢化合物沉积物的穹顶。这里，保存完整的穹顶可提供能够潜在地封存CO₂的耐压空腔。IP-R空腔也可包含不同数量的未回收的碳氢化合物沉积物，这可以使用本文所述的一个或多个实施方式来加以利用。

为了使地下所剩CO₂量最小化，提高驱油效率(EOR)的商品化实施装置通过操作其注入，从而使CO₂可应用于另外一口井。相反，至少在一个实施方式中，目的就是封存CO₂。据信，在成熟油气储层中，有超过八百二十四亿公吨的封存潜力[USD.O.E National Energy Technology Laboratory,NETL]。仅仅一年从大气中除去十亿公吨的CO₂，就已经可以显著地减缓以上所提到的全球变暖效应。因此，1P-R成熟油气地下空腔的潜力是巨大的。在替代实施方式中，可将不可开采的煤层用于CO₂的存储。这里，据[NETL]估算不可开采的煤层中存在超过一千八百亿公吨的CO₂封存潜力。不可开采的煤层中还可能包含有重要的潜在能源，如煤层气，这种物质现在难以被经济性地获取。

经探明储量加上极可能储量，称为2P类储量，是已知地质和工程技术可能回收但具有一些不可回收的风险的那些储量。经探明储量、极可能储量加上可能储量，称为3P类储量，是低确定度(10％确定度)的可回收的那些储量。这些储量有着相对较高的风险。特定实践可以实现将一些2P类和3P类储量用于生成有用的能源，而无再将碳氢化合物取出地面。

对一个地区的油田进行研究，表明2P类和3P类储量相当多。例如，Timano-Pechora地区油田有仅23％的经探明储量和33％的3P类储量。对碳氢燃料资源的需求使人们对深度更深和温度更高的井更感兴趣。温度较高的井通常钻探费用更高，而且伴有不断增长的安全性和经济方面的风险。如根据特定实施方式所述，可从更深和温度更高的井中回收碳氢化合物，而这是其他方式无法以合理的费用获取或回收的。

据估算，海底下埋藏有一万三千亿桶油。一些实施方式使得可以更容易利用这样的难以获取的碳氢化合物。在美国，来源于三种具体的非传统资源(含气页岩、煤层和致密砂岩)的天然气对国家气体供应的贡献在过去的20年间显著增长。美国能源信息局(EIA)等已将这些资源强调为在下一个二十年间的关键供应源。美国国家石油委员会(NPC2003)估算了由下述48个州的这三种资源技术上可回收的气体的体积为超过二百九十三万亿立方英尺(TCF)。

众所周知，世界各地，尤其是委内瑞拉、阿尔伯塔以及美国的山地地区，有着极为丰富的页岩油和焦油储量。此处说明的特定实践在某种程度上对于所有这些地质状况都具有价值。开采2P和3P类油储量、已被钻探的IP-R井、难度较大的热井、海底储量、含气页岩和煤层气的方法和工艺可极大程度增加世界范围内可获得的碳氢化合物储量，从而为世界经济带来巨大的收益。

开采地下碳氢化合物沉积物所用的常规技术包括：例如，地上抽取沉积物、运输抽取出的沉积物、将抽取出的沉积物精炼为有用燃料产品、将该燃料产品运抵客户以进行燃烧，而这种燃烧随后会产生CO₂。之前的解决全球变暖的根源的尝试集中于封存由燃烧产生的CO₂。如特定实施方式所述，可以开采地下碳氢化合物沉积物来在无需在地上对地下碳氢化合物沉积物进行抽取并同时在地下进行CO₂封存的情况下进行能量生产。这样，避免了费用昂贵的原油精炼，使得可以利用迄今为止太昂贵而未从地下抽取的碳氢化合物储量，并能够实现封存CO₂而无需为CO₂安装管路，或者保持地下天然空腔的结构完整性及耐压性。

在一个特定实践中，从地上将燃料电池插入天然地下碳氢化合物储层中，并可以将燃料电池的阳极置于与碳氢化合物储层内的碳氢化合物沉积物相接触。随后该阳极与碳氢化合物沉积物反应，从而产生电流、H₂O和CO₂。这里，在该反应中生成的部分或全部的CO₂可以留存捕获于碳氢化合物储层中。不过，这仅是示例实施方式，要求保护的主题不限于这一方面。

如特定实施方式所述，在钻探进入难以达到的化石燃料储层并使地下燃料与燃料电池(如固态氧化物燃料电池(SOFC))接触时，氧气可以通过SOFC的陶瓷膜与碳氢化合物沉积物相接触，产生电磁力(EMF)。替代实施方式也可采用不同类型的燃料电池，如熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。工艺中所产生的大部分CO₂可以残留在地下储存碳氢化合物沉积物的相同位置。在这里，可保持井内压力以及在所给碳氢化合物区域内的与其它井相连的井的压力。

在一个实施方式中，这种工艺所发的电可被传输到海面和/或地面之上，并到达为公用电网供电的位置。在一个替代实施方式中，这种工艺所发的电可应用于由水电解生产高压H₂。这样的氢气可用作可运输燃料，并且可以无需精炼而直接输送到终端用户(例如，使用移动式压力容器的船、列车或卡车)。而且，如以上所述，在电解过程中生成的氧气，以及空气中的氧气，可被输送至碳氢化合物储层内到达SOFC的阴极侧，从而对发电循环起辅助作用，使组成空气的氧气被送到井下以完成该循环，供SOFC的阴极使用。某些实施方式中，阴极处富集的氧气可提高SOFC性能。

图7A显示了在不将碳氢化合物沉积物从地下取出的情况下由碳氢化合物沉积物发电的系统320。此类碳氢化合物沉积物可包括：天然气、煤层甲烷和/或低硫原油。在具体说明的实施方式中，碳氢化合物储层328中的碳氢化合物沉积物可通过从地上334处钻探穿过无孔岩层323来获取。不过，在一个替代实施方式中，这样的储层可以位于海底下，需要钻探穿过海底来获取。在当前说明的实施方式中，燃料电池324的阳极可以与碳氢化合物沉积物C_nH_m相接触，从而按照下述反应(5)来发电，所发的电通过电缆331进行输送：

C_nH_m+(n+m)O₂→nCO₂+m/2H₂O(5)

此处，燃料电池324对这种反应起促进作用，燃料电池324从若干来源中任一个处供给氧气，如源于空气321的氧气，这可以通过鼓风机322向下抽送给燃料电池324。另外，如图所示，惰性氮气332可以从燃料电池中排出并释放。在使用SOFC的特定实施方式中，由于SOFC可以在跨越陶瓷膜产生压力，所以鼓风机322无需再产生压力。SOFC的这一特征能够实现使用来自空气中的大气压力氧气，来氧化自然加压状况下的地下碳氢化合物沉积物，而无压缩机的能量消耗。空气进料中的氧气可被引导至以与SOFC的阴极密切接触的方式高速流过，从而获得良好的物质传输。在替代实施方式中，正如以上讨论的一样，可以从加压容器(未示出)将纯氧输送至SOFC 324的阴极。钻孔内可以设置空气入口，用于将氧气送入SOFC，同时使富氮空气由SOFC处排出并流入大气。

无孔岩层323在碳氢化合物储层328中可以起到自然保持地下压力P+的盖子的作用。形成为长管阵列状的燃料电池324可被投入碳氢化合物沉积物中，逐渐将温度变为T+。此类碳氢化合物沉积物可为以下若干碳氢化合物沉积物中的任何一种，如天然气、低硫原油。在导入燃料电池324之前，可使用若干原位方式技术中的任何一种来对碳氢化合物储层328中的碳氢化合物沉积物进行脱硫处理，清除矿物质，并降低粘度。碳氢化合物沉积物325，符号表示为C_nH_m，可以通过温度为T⁺的燃料电池324附近处的热量而进一步降低其粘度。同样，通过原位降低碳氢化合物沉积物的平均分子量，也可达到降低粘度的目的。这里，原位降低粘度，还可通过对高分子量的碳氢化合物进行酶促、催化和/或细菌作用而转化为较低分子量碳氢化合物来实现。可以将氢气注入井内，增强这种降低分子重量的工艺。在另一个实施方式中，基于因其在极端环境下发挥功能的能力而命名为嗜极菌的菌株的生物催化剂可将重型碳氢化合物转化为较为清洁的原料。实验室规模试验显示，向原油中加入此类生物催化剂可减少多至40％的有机硫氮浓度，以及多至50％的金属[Eugene Premuzic and MowLin，1999]。通过挑战性生长过程而停止新陈代谢的新微生物制剂以生物化学方式在极端温度、压力、PH值、盐和有毒金属浓度的条件下进行固态含碳物质的转化[美国专利号：6,294,351]。SOFC的高温有可能破坏嗜极菌，或使其燃烧。这样，使用此类生物催化剂可分两步实施。首先，嗜极菌可以进行阳极淤积物质的原位收集。其次，在SOFC的高温运行期间，可将嗜极菌从SOFC处清除出去。作为替代，此类嗜极菌可被位于地下的另一介质吸附，而远离SOFC位置。此类嗜极菌的作用还可降低最初原油沉积物的粘度。[Brookhaven National Laboratory News Release Dec.11,2001]

如同所示，按照上述反应，碳氢化合物沉积物325可在燃料电池324阳极处反应，生成副产物CO₂和H₂O。此处，原油和水的密度差异可以自然地使两者分开。靠近燃料电池324的水可以以蒸汽的形式存在，并倾向于从燃料电池324处逸出，在形成碳氢化合物储层328的较冷的地质空腔处转化为液态水。这种逸出和凝结可降低水对燃料电池324阳极的氧化影响。

如果无孔岩层323下的压力变得实质上高于碳氢化合物储层328的天然安全且可维持的压力，降压339可释放一些CO₂和/或碳氢化合物沉积物。此处，地质学家和工程师可对无孔岩层323进行一些试验，以确定压力是否可以高于地质空腔的自然压力保持能力。由于这些地质空腔上百万年来都处于高压状态下，可认为其能耐受其自然产生的原始压力，只要井最低限度地开口即可。在这里所描述的工艺的实施方式中，使地质空腔最低限度地开口可以提供合适的用于CO₂的地下封存的位置。可放置基座和/或平台330，以辅助钻入碳氢化合物储层328。可使用电缆331将电能传输至公用电网。如以上指出的那样，作为替代，来自电缆331的电能也可用于通过电解就地生产氢气。

按照实施方式，碳氢化合物储层328内的碳氢化合物沉积物的反应生成的CO₂可被截留和/或封存于由无孔岩层323形成的穹顶底下，在该处储层328的自然压力P⁺得以保持。在一个实施方式中，这样的CO₂可以气态、液态或气液共存的形式存储于碳氢化合物储层328内。作为替代，这样的CO₂也可以以与水和/或未回收的碳氢化合物沉积物的液态混合物的形式存储于碳氢化合物储层328内。

图7A显示氧气可以由空气321传输至燃料电池324的阴极，在替代实施方式中，燃料电池可反之接收来自地上的加压储氧容器和/或来自管道的氧气。此处，使用这样的浓缩储存氧可对海下工艺起促进作用。再者，这种的海下工艺由于无需再对海下原油进行抽取和处理而可得到促进，因为可简便地产生电或氢气，从而代替这样的抽取和处理。另外，此处说明的工艺还可避免原油在海洋中的不幸泄漏。使用这一系统可实现向燃料电池阴极提供纯氧。而且，正如以上所述，由碳氢化合物沉积物与燃料电池324的反应产生的电可用于通过电解就地生产H₂。电解伴生的O₂随后供应给燃料电池阴极，用于生成额外的电能。在一个例子中，可以将这个反应生成的O₂与存储的O₂一并供给给燃料电池324的阴极。这种组成的氧气可降低生产加压氧的可能需求，从而提高经济可行性。

图7B是可作为图7A所示的实施方式中的燃料电池324实施的SOFC阵列的示意图。这里，这样的阵列可包含多个管状SOFC，这些管状SOFC可穿过钻孔置入碳氢化合物储层中，从而将阳极置于与碳氢化合物沉积物接触。如同所示，可以将几个较小尺寸的管捆扎为阵列置于适合井眼直径的套管350中。此处，钻井配管可沿着方向341向上延伸通向大气，并穿过地表，将空气引向或抽出SOFC系列，并将电流输入或输出SOFC系列。带有气流的开放SOFC管342可从地上接收空气并朝下送到单个SOFC管342。如上所述，根据替代实施方式，氧气可以从加压源而非空气传输至SOFC管342。在与SOFC阴极接触时，气流可能变为湍流。同样，空气，包括部分氧气耗尽的空气，可由SOFC管342顶部逸出。电流345包括来自阳极而朝向阴极的电子。随着电子由钻孔朝下移动至各个SOFC管342的阴极，至此EMF电路完成。

参见具体的单个SOFC管346，长圆柱形钻孔可以适合于长圆柱形SOFC管346。阴极侧的SOFC管346内的空气压力为大气压力P^-。在其中碳氢化合物储层未贫化的特定实施方式中，位置355处的碳氢化合物储层的压力可能更高，压力值为P⁺。在特定实例中，SOFC管342可在高温T+下工作。这里，SOFC管342所处的这样的高温可建立在位置349处向碳氢化合物储层层内延伸的径向温度梯度，dT/dR。此处，SOFC管348径向附近的碳氢化合物沉积物可由SOFC管348的高温造成其粘度降低，并在SOFC管348阳极处与渗过SOFC管348的陶瓷膜的O2^-离子反应。反应产生物为CO₂和H₂O。此处，与原油相比，这些生成物的密度均较低，并且在原油朝阳极流动时，这些生成物易于从SOFC管342流出。再一次，在使SOFC阳极和碳氢化合物接触前，可以使原油或天然气沉积物预先脱硫。正如以上所述，根据特定实施方式，预先脱硫可以原位进行。然而，在替代实施方式中，预先脱硫也可在上方或非原位进行。这里，非原位脱硫可实现在位置和井压下将天然气脱除，将含有硫杂质的天然气导向吸附材料，在井压下吸附硫杂质，随后将清洁过的天然气返回至压力下的原储层。为了维持这一工艺，可以使用鼓风机或低压差动压缩机，用于补偿在硫吸附过程中的压力损耗。SOFC管342可设置在套管350内，套管350为多孔套管，并可实现硫降低的和/或天然低硫的碳氢化合物沉积物在径向流动。

在特定实施方式中，SOFC管342可达高温(650℃至1000℃)并具有高氧化性(陶瓷膜的阳极侧上方可出现100％纯度的O₂ ^-离子)，在考虑到未精炼重油的芳香性时这是有益的。通过使用以下几项技术中的任一种将空气343引到SOFC管342的阴极侧，如将空气引去在井内燃烧原油从而使原油变热并降低粘度的技术，包括例如常规火驱法(CFF)及THAI^TM工艺[www.petrobank.com/hea-thai-image-1.html]。

如上所述，SOFC管342可被紧密捆扎在套管350中，以适合于钻头或未来的激光钻井所产生的长圆柱形。使用基于燃烧的发动机来地下发电是不切实际的，原因如下：(1)发动机太大；(2)发动机不能满足长圆柱形钻探的形状；(3)发动机不能以任何实用的方法燃烧未经精炼的油。相反，SOFC管342，体积小，功率大，并且能够以长圆柱形方式成形，(3)原则上可燃烧未经精炼的低硫原油，(4)发电无需运动组件，这一点对地下作业而言较好，(5)无需冷却，如果装入地下这一点也十分实用，(6)可以产生一些高温废热，这可帮助地下碳氢化合物向SOFC管342运动。

根据实施方式，SOFC管342可在地下使用，直接置于油储层内，通过将氧气通向地下至SOFC阴极侧进行发电。正如以上所提，SOFC的应用在开采深处近海储层方面特别有效。通过在海底铺设电缆，所发的电可方便地传输至附近电网。采用井下SOFC工艺可促进更深的海底钻探。这里，由于电是一种产品，而不是抽取出的碳氢化合物沉积物，所以钻探设备、电处理以及电力输送电缆可以均位于海底。由于不需要收集和输送碳氢化合物沉积物，所以这可以减少在海上搭建平台的需要。已开发出的水下钻探设备，如果进行地下SOFC发电，则可以更简便地使用该设备。同样，深海钻探，与在海洋顶部收集原油并通过油轮输送相反，如果地下SOFC电力作为产品，则深海钻探在环境上可以变得更安全。

在特定实施方式中，SOFC管342有高功率密度，每功率输出只需要较小的空间。任何如今运行着的SOFC系统的体积的大部分涉及热量联产和/或废热回收、燃料供给机构和储存以及电气调节。管状SOFC组装体本身就可以很小。许多模型显示，SOFC系统有着超常良好的性能持久性而不退化。西门子SOFC系统已经以超过46％的电效率运行两万个小时。

虽然孔直径越大，钻探费用就越高，但通过使用超长钻孔，可实现重要的阳极的SOFC表面区域与地下燃料的接触。钻孔直径和地下可用体积是可战胜的挑战。地热井通常使用103/4"或81/2"的钻头，以及95/8"或7″套管或一般有开缝或开孔的尾管完成，而未灌浆。[7PROCEEDINGS,Thirty-First Workshop on Geothermal ReservoirEngineering Stanford University,Stanford,California,January 30-February 1,2006,SGP-TR-179,Chad Augustine,Jefferson W.Tester,Brian Anderson]。SiemensWestinghouse展示过SOFC管尺寸<2.2cm，SOFC管长度>150cm[Fuel Cells bySupramanian Srinivasan,Springer,2006]。SOFC功率密度>1.8瓦特/cm²。井下SOFC通过增加的等径接触长度，可增加若干cm²的接触面积。

2006年，横向12,500英尺的钻探费用以美元计，将近两百万美元。如上所述，103/4"的钻孔可适合安装9管SOFC组装体，并可用来将SOFC管342浸入碳氢化合物沉积物中。地热钻孔可超过36cm(14.4英寸)[Brochure of Gordon Gene CulverGeo-Heat Center Klamath Falls,OR]。在一个例子中，根据引用SOFC功率密度的文献，为了在SOFC组装体内达到1.0MW，对于103/4"钻孔而言大概需要使用500根管长150cm的SOFC管，总长为2,430英尺的SOFC管道，构成钻探长度的20％。这里，这些管可以以从底部向钻孔的长度延伸的长序列排列成组。500根这样的管长为150cm且排列成组的SOFC管可以延伸钻探长度的约20％。作为替代，可将SOFC组装体献给井，可简单地将其完全从钻孔中拉出而插入化石燃料地质空腔内。

通过采用上文所述技术，地下碳氢化合物沉积物可拥有足够低的粘度，能不断接近SOFC阳极。生成的CO₂可离开阳极。对于包含天然气和/或煤层气的碳氢化合物沉积物，粘度可能不足为虑。而对于含有粘度大于2,000厘泊的原油的碳氢化合物沉积物而言，可通过采用如之前讨论时提及的THAI^TM工艺等技术对原油进行加热，以辅助碳氢化合物的运动。同时，SOFC的热燃烧也可降低地下碳氢化合物沉积物的局部粘度，使其可以向SOFC阳极移动而同时CO₂离开阳极。

迄今为止，Siemens—Westinghouse已建成高达1/4MW(250KW)的运行在天然气上的SOFC发电站，并进行了耐久性测试。研究表明，原始的未经精炼的碳氢化合物沉积物可含有多种杂质，如高水平的过渡金属、硫、HCl、氮和其它杂质。例如，硫杂质可吸附在常用于SOFC的镍阳极催化剂上。在特定实施方式中，可对SOFC阳极进行配置和/或改装来处理含有此类杂质的SOFC中的污垢。

耐硫阳极的开发非常成功。Gd₂Ti_1.4Mo_0.6O₇这种烧绿石类阳极材料表现出非凡的耐含硫燃料性能。在含有10％H₂S的燃料气体混合物中，阳极/电解质在950℃时的功率密度峰值为342mW cm^-2。该燃料电池可在此条件下持续工作6天而无任何可见降解，表明Gd₂Ti_1.4Mo_0.6O₇阳极不仅有出色的稳定性，还对硫化氢的氧化有良好的催化活性。此类耐硫阳极可与上述地下原位脱硫工艺联用。

如上文所讨论的，在原油从地下采出之前或之后，特殊细菌生物催化剂已显示出可除去原油中多达一半的杂质，如硫、氮和金属等。如果直接注入油井中，此类生物催化剂可有助于原油分解，使其更易提取，这便是一种由微生物增强的油回收形式。

在特定实施方式中，此处说明的工艺可用于许多种质量的原油，并可开采出还未经济性地开采和/或位于深海当中的新的石油储量。SOFC地下直接发电工艺可将CO₂、NO_x和SO_x留在地下油井中；从而实现零排放或接近零排放。有了这种工艺，便能够利用海洋之中的那些以其他方式被认为太重、太深、太难以获取的石油储量、重油、焦油、煤层气以及页岩油。所有已知的化石燃料储量中，这些类型所占的比例令人瞠目。

图7C为根据替代实施方式的采用熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)与碳氢化合物储层中的碳氢化合物沉积物进行化学反应的系统的示意图。MCFC十分有用，因为它们可将CO₂输送进贫化的油井中，在那里有一些碳氢化合物可与其进行反应，但那里还有一个压力衰竭却可保持压力的地下空腔。混有一些水分的CO₂液体需要约1000psi且<100F，以成为一种简单流体。此类CO₂可来自生物质发电的碳捕获。

此处，MCFC 373可以形成为适合于通过无孔岩石378的钻孔，形成储存碳氢化合物沉积物374的碳氢化合物储层。MCFC 373可包含强化的熔融膜，以承受阴极压力与储层压力的差异。

使用MCFC，可输送从植物类生物质中获得的CO₂并使其与氧气一同穿过薄膜。MCFC可以工作在700℃，这足以进行大量的碳氢化合物氧化反应。由于CO₂来自于从大气中捕获CO₂的植物并最终在地下封存，因此根据特定实施方式的工艺可包含CO₂大气去除工艺。例如，MCFC 373可用于发电并将来自生物发电站碳捕获工艺的输入流体371中的CO₂封存。这种情况下，碳氢化合物储层377可以压力衰竭，但含有难以回收的碳氢化合物。反应发生在阳极而难以回收碳氢化合物，且CO₂填充压力衰竭的空腔。

在特定实施方式中，MCFC 373可以使半摩尔氧与一摩尔CO₂反应，并将碳以碳酸根离子([CO₃]^2-)输送穿过薄膜。因为碳酸根在薄膜另一侧的氧化还原循环中发生反应，所以其可被驱动穿过薄膜。此处的反应去除掉了送回至构成EMF的阴极的电子。随着[CO₃]^2-中的氧与一些物质发生反应，CO₂可以在阳极侧得到解放。

原理上，流体371中的CO₂与1/2O₂可在压力梯度下运动，因为反应的驱动力可以比阳极的反压力大得多。在MCFC实践中，由于机械应力所致，要保持阴阳两极等压就更为方便。

使用ASU和蒸汽循环的生物质工艺可提供加压CO₂与大量H₂O和任意量O₂的混合物，这取决于具有碳捕获的生物质发电站工艺如何运行。例如，若向生物质工艺送入过量的ASU氧气，则可通过排气CO₂捕获一些氧气，并作为加压气体混合物，由管道输送至地下的部分贫化的碳水化合物储层。可通过简单的冷凝工艺控制管道输送的二氧化碳和氧气中的水量，该工艺采用河水或空气来冷却排气，从排气中冷凝出任意量或基本上全部的水分。必要时，来自含有硫和氮原子的固态生物质的燃烧过程中的SOx和NOx可在二氧化碳和氧气被送到地下MCFC阴极之前得到吸附。在1/2O₂:1CO₂时，这些成分很适合作为MCFC的原料流。在收集CO₂时，H₂O和O₂可能会将生物质发电工艺效率降低超过21％(calculations from H.Herzog,MIT EnergyLaboratory,1999show this for coal power)，尽管有碳捕获损失，此类生物质发电工艺仍可在向MCFC阴极准备成分的同时，产生出有用电力。生物质捕获的CO₂仍来自从大气中获得CO₂的植物，这就为CO₂大气去除系统提供了可能。

例如，在实施京都议定书核定减排量时，管道可直接将加压的CO₂与1/2O₂引导进基本上回收的石油储量中。由于已经开采了一些原油，所以井中的压力至少会部分衰竭，但油井自身会有能力承受与原油开采之前油井自然压力相类似的压力。根据实施方式，上述的井下MCFC电力系统可用作二级和三级碳氢化合物回收技术。如果碳氢化合物储层温度低于约100℉，就有可能将CO₂作为液体封存在远离热MCFC的位置处的贫化空腔中。

含有O₂的液化CO₂的压力可能高于井压。首先，当使液体/气体可以如上所示进行膨胀时，等温涡轮会从井中吸收一些热量，由此可以获得一些电力。作为替代，可将CO₂、H₂O和O₂引导至伸入重油中的MCFC 373的系列。在这里，O₂可拖动CO₂以[CO₃]^2-的形式穿过熔融碳酸盐薄膜，因为1/2O₂由于产生的CO₂分子的高稳定性所致而具有与反应中带出的碳氢化合物反应的化学势。尽管一些实施方式中MCFC可最佳地工作在600℃，但如果油井只有150℃，则O₂与重质原油之间的反应将产生足够提高局部温度并且产生熔融碳酸盐的热量。

在[CO₃]^2-按照一个方向运动时，相同数量的电子向相反的方向移动，产生EMF。如上所述，电流可送至地面，传输至一个当地的电网，或转化成H₂用于燃料。

在一个特定实施方式中，一个全过程可包含两个发电点，一个是ASU生物质碳捕获装置，另一个为碳氢化合物燃料电池地下发电过程。因此，这样就可产生出比其他方式更多的电量，CO₂被有效地从大气中除去，置于地下。

一般而言，由于存在许多芳香键，因此需要向重质原油中加入大量的氢气从而可用作燃料。在重质精炼过程中，氢气往往会不足，并且生产价格昂贵。使用MCFC则能提供一个用于从此类重质原油中提取能源的更加成本有效的技术。此技术中，来自生物质工艺的穿过薄膜的CO₂加上重质原油燃烧产生的新CO₂再加上更小的碳氢化合物碎片均可以保持截留在地下碳氢化合物储层377中。这样，便不再需要运送燃烧产生的CO₂、清除地面上的重质碳氢化合物、精炼提取的原油或者生产氢气。

在特定实施方式中，可在地下保留多少CO₂，这一问题可能会有地质限制，因为重质原油的存在有助于CO₂溶解，并可将其保留在地下。但是，如同天然气可保存在地下一样，一定压力下的CO₂同样也可保存于地下。这取决于储层的温度与压力以及储层的地质密封性。

消耗二氧化碳产生热量以协助发电

根据实施方式，在大气压力附近可以进行CO₂封存，这可以通过盛装固态形式的CO₂和/或通过将CO₂注入与其反应的地下盐水或盐沉积物中来实现。此处，在特定实施方式中，此类CO₂形式可以通过地面上发电获得。然后，可以将封存的CO₂作为大气压力气体或以如碳酸盐等固态形式处理掉。

根据实施方式，发动机采用两步消耗能量的开放式布雷顿动力循环：压缩包含氮气的空气，向环境中排出废热。此处，燃烧中使用的空气可以包含氮气。典型的内燃机可以压缩大量氮气，这造成能量损失，还会有使氮气产生不需要的氮氧化物(如N₂O、NO和NO₂)的可能性。

氮气还有可能限制内燃机内部的能量潜力。开放式布雷顿循环中的氮气膨胀的有利之处在于其产生动力，但是，通过燃料燃烧实现的升温会因氮气的存在而降低。此外，因为如果存在氮气，氮气便会在高温时与氧气反应生成NO_x，因此，发动机的设计通常都会限制最高发动机温度，以避免产生NO_x。在本文所示的特定实施方式中，避免将大气用作反应物，或大量减少其使用，将会改善可以用于如移动式运输发动机等发动机应用中任一种的燃烧过程和/或系统的运行。

根据一个实施方式，采用了一种燃烧燃料以产生燃烧热与二氧化碳的系统和/或方法，其中燃烧热用来发电。此燃烧中产生的二氧化碳可实现产生额外热量的反应。该额外热量然后可以用于相同的燃烧过程，从而在整个热-电转化过程中，协助提高发电量。

在另一实施方式中，采用了一种燃烧碳水化合物燃料以产生热量和二氧化碳的系统和方法。此燃烧中产生的二氧化碳可实现产生基本上纯的氧气的反应。此处碳水化合物燃料的燃烧包括：将碳水化合物燃料与基本上纯的氧气混合；所产生的基本上纯的氧气的量基本上等于燃烧中消耗的氧气。

在这里，“基本上纯的氧气”和/或“基本上纯的O₂”指含有的氧气和/或O₂浓度基本上可使诸如碳类燃料等燃料的燃烧达到最佳化的气体。此处，虽然此类基本上纯的氧气中可能有痕量的其它气体，如氮气和二氧化碳，但是如果这种基本上纯的氧气与燃料混合进行燃烧，这些痕量基本上不会对燃料燃烧造成阻碍。

例如，植物源燃料燃烧生成的二氧化碳输出在后续的封存过程中被捕获。此外，二氧化碳与氧气生成封存物质(如固态超氧化物(或过氧化物))反应同样会释放氧气，氧气则会重新循环至燃烧工段。如此循环的氧气对热量转换为电力的整个过程有许多有利的影响。

循环氧气可提高植物源燃料的燃烧达到的温度，从而增加内燃机内部可获得的压力。另外，还可防止氮气进入燃烧过程。使用产生氧气的碳捕获物质，在与二氧化碳的反应中，也可产生热量。根据特定实施方式，并如以下表达式(6)、(7)、(8)所示，可用固态超氧化物(或过氧化物)反应来产生第二热量来源，因为超氧化物(或过氧化物)与二氧化碳间的反应会放热。

$\mathrm{nK}{O}_{2\left(s\right)}+\frac{n}{2}{K}_2{O}_{2\left(s\right)}+C_n{H}_{2n}{O}_{n\left(\mathrm{aq}\right)}\&RightArrow;n{K}_2{\mathrm{CO}}_{3*}{H}_{2}O$

ΔH＝-681kJ/mole C；ΔH≈-4,086kJ/mole C₆H₁₂O₆   (6)

CH₃CH₂OH+3O₂→2CO₂+3H₂O+1,366.91kJ/mol

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+890.4kJ/mol

CO₂+2KO₂→K₂CO₃+1.5O₂+183.6kJ          (7)

CO₂+0.5H₂O+KO₂→HKCO₃+0.75O₂+177.4kJ/mol    (8)

图8为根据特定实施方式的消耗来自燃烧二氧化碳以用来产生用于燃烧的基本上纯的氧气的系统的示意图。甲烷燃料426通常可在罐中加油，以使无需使用压缩机就使其进入燃烧系统400。其中，质量流量控制器(未显示)可足以控制甲烷燃料流进入燃烧工段414。根据实施方式，甲烷燃料426可来源于生物废弃物，如城市垃圾或牛类动物消化残渣。尤其是，从城市垃圾中得到的甲烷已从大气中的二氧化碳固定获得了大量碳。例如，城市垃圾包括食物残渣、植物残渣、人类和动物排泄物等等。甲烷还可从农畜排泄物中获得，如鸡类垃圾和牛类动物产生的甲烷。以牛类动物产生的甲烷为例，该动物吃草，而草本身从大气中捕获二氧化碳以生长。然后，动物从食物当中产生出甲烷，而此类甲烷则可被捕获起来当燃料使用。同样地，人类排泄物也源自吃食物，如蔬菜或乳制品，它们都是通过消耗从大气中获得的二氧化碳生产出来的。尽管一部分人类食物最终会根据最佳的分解条件以固态人类排泄物的形式沉积，但仍可使用公知工艺，将甲烷提取出来，作为甲烷燃料。

在冷启动中，甲烷燃料426可在燃烧工段414与来自加压罐412的一定量的储存加压氧气反应。燃烧工段414可包含用于从燃料燃烧中生成热量的若干燃料发动机中的任一种，如旋转式发动机和/或往复式发动机(如四活塞曲柄轴发动机)等。然而，这些仅仅是根据特定实施方式的能够燃烧燃料的系统的实例，要求保护的主题不限于这个方面。例如，在图8的特定实施方式中，燃烧工段414的燃烧中产生的热量然后被引导至涡轮416，用以产生电流418。

如图8所示，对于每摩尔甲烷而言，燃烧工段414可产生一摩尔二氧化碳和两摩尔水蒸汽。也可能产生少量的一氧化碳。在燃烧工段414包含旋转式发动机的特定实施方式中，燃烧的速度高于转子能够旋转的速度，这样，燃烧时可达到高压，而该高压则由转子释放，变为体积膨胀，产生电力。在图8的实施方式中，剩余压力可在涡轮416中产生额外电力。作为替代，无需涡轮416，也可在燃烧工段414中生产出全部电力。还有另一种选择，燃烧工段414可以仅包含燃烧室，使得所有电力在涡轮416中产生。这种情况下，甲烷426与来自存储罐412的O₂的初始压力可协助燃烧工段414的燃烧。同时，在燃烧之前，可通过气体压缩来增加甲烷426和/或来自存储罐412的O₂的初始压力。

由于本质上来说，无氮气进入燃烧工段414，因此燃烧中的气体可达到非常高的温度，因为系统中没有氮气吸收任何热量。于是，可用多个涡轮416从燃烧工段414中充分地提取动力，如多个涡轮的序列，使得水蒸汽和二氧化碳的压力和温度达到水蒸汽相图上开始冷凝出少量的水的点(如在温度T₁和压力P₁)。作为替代，燃烧室414中产生的热量可用来驱动一个外部燃烧水/蒸汽循环发电过程。在这种实施方式中，燃烧的热量可以蒸发掉已经由水泵加压的水。可以将产生的蒸汽引导穿过蒸汽涡轮来进行发电。然后，生成的低压蒸汽或蒸汽-水液体混合物可以用河水或空气进行冷凝，从而完成该循环。

在当前所述的实施方式中，离开涡轮阶段416的蒸汽和二氧化碳均可在燃料电池422处被捕获为固体。在一个特定实施方式中，燃料电池422可包括碱性燃料电池。产生的压力(图8中的P₁)可以为低压(如，大气压力或真空)。

在燃料电池422包含碱性燃料电池(AFC)的特定实施方式中，进入此类AFC配置的蒸汽必须为气体，因为与NaClO₃反应产生的热量会使AFC薄膜406热得足以输送OH^-离子来产生EMF，从而在终端410发电。这个温度可低至50～250℃，这取决于薄膜本身。由于反应放热，可以在高至250℃的温度利用燃料电池422产生的热量。然而，捕获CO₂并同时产生氧气的物质，如超氧化物和过氧化物，可能会随着温度升高而变得不稳定。KO₂在温度低于420℃时均可保持稳定的固态。

然而，图8中的P₁和T₁可以非常低，使燃烧工段414之后的膨胀器(未显示)产生大量的动力，因为本实施方式的燃烧中的温度和压力可高于其它燃烧同一燃料的发动机，而数次膨胀后的温度和压力则可能较低。

二氧化碳和蒸汽可进入燃料电池422，与阴极404反应，通过固态超氧化物(如所示的NaO₂)分解在阳极408产生氧气，这可用于燃料与基本上纯的氧气的燃烧。在特定的实践中，如果所描述的过程产生出的氧气多于维持燃烧所需(如用于当前所述实施方式中的甲烷)，便可使一些蒸汽在冷凝器(未显示)中冷凝。同时，可通过安全阀424释放燃料426燃烧不需要的多余氧气。温度T₁通过根据能够容许并仍能够与阴极404进行反应的温度有多低来具体情况具体分析而确定。在一个特定实施方式中，阴极404可包含NaClO₃。然而，可使用不同的物质。一旦二氧化碳和蒸汽与NaClO₃阴极反应，除了一摩尔二氧化碳以外，还可以消耗气态水，从而接近真空。这个低压意味着涡轮阶段416可提供处于低压P₁的二氧化碳和蒸汽排气，从而产生额外电力。

根据实施方式，虽然要求保护的主题不限于这个方面，但燃料电池422可包括多个含有阳极/阴极对的电池的“堆叠”。在蒸汽与NaClO₃在阴极进行反应之后，剩余的低压二氧化碳可以被引导至含有碱金属氢氧化物的堆叠式电池。在当前所述的实施方式中，由于CO₂不能穿过薄膜406，所以泵420可抽取CO₂与NaOH反应形成HNaCO₃，从而以碳酸氢钠方式捕获CO₂。在一个特定实践中，燃料电池422可包含电池，以及监控电池压力和温度的计算机控制装置(未显示)。

根据实施方式，CO₂可被引入至并未同时使用的电池(如，并非当前与正在传输气态水的相连阴极相通的阳极)。由于阳极被置于与薄膜406中正以OH^-输送的蒸汽相反，所以随着NaO₂不断释放氧气，可能容易在阴极408上产生压力。采用从固态氧中释放氧气的工艺使阳极侧产生压力，这样便无需压缩机420将氧气压力提高至与压缩甲烷相同的压力。

可以防止剩余低压二氧化碳重新被引入至正在升压的电池，因为其压力很低，可能造成逆流。更确切的说，例如，当计算机系统(未显示)开启和关闭串联和并联的电池以调整电池温度和压力时，其可能将低压CO₂重新引导至一个关闭的电池，使得CO₂可能简单地与NaOH反应，如图8中特定实例与上文所示。然而，CO₂可类似地与若干过氧化物或超氧化物中任一种进行反应，要求保护的主题不限于这个方面。

根据实施方式，如下所示，CO₂可发生反应，变成固态并释放一些热量，但另外产生对CO₂的低压拉力，因此可单独把压缩机420实施为单向阀。因此，代替压缩机，将处于休眠状态的电池上方的作为大气的唯一成分的氧气简单释放。那样的话，便可避免使用压缩机。

OH-与超氧化物反应产生的氧气会积累压力，压力会保存在罐内，因为若采用辅助材料，如NaClO₃，产生出的氧气会超过所需。此外，一旦存储罐412被填充，会有更多蒸汽于T₁与P₁点在系统400中冷凝。可使存储罐412的压力达到在某些类型的内燃机中混合并燃烧甲烷燃料426的压力，以重复循环。薄膜406在机械性能上可加强，以承受膜406两侧的压差。

在当前所述实施方式中，从CO₂的固态捕获中产生的O₂可能不足以在系统400中燃烧甲烷。此处应当注意到，甲烷的氧气与二氧化碳比需要额外的来自空气中的燃烧用氧气，因为超氧化物物质从生成的CO₂中不能产生出足够的氧气。

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+890.4kJ/mol

O₂/CO₂＝2/1

超氧化物在燃料电池422中反应产生的热量一部分会分配给离开燃料电池422的氧气，还有一部分给予外部冷却402。根据实施方式，尽管要求保护的主题不限于这个方面，但来自燃料电池422的该热量可用于在进行燃烧工段414的燃烧之前，对氧气和/或甲烷进行预热。这样的预热可使新甲烷燃料426在一些燃料电池422冷却通道中流动，使得超氧化物或过氧化物反应产生的热量有许多会留在系统里。这样通过在燃烧时提高最高温度，可产生更多的总电力，从而在热-电转化过程中，提高发电量。

如下文表I所示，在特定实践中，通过电子在燃料电池422中的运动可获得大量电动势(EMF)电力。这些直流电力不受卡诺效率限制，会向混合式发动机提供大部分的电力。因此，对于机动车，其部分发动机功率可源自甲烷燃烧、来自超氧化物与二氧化碳的反应的热量和/或燃料电池422的DC电力。

表I

阳极反应	O2/CO2	e-/CO2	放热
				2NaO2+[CO3]2-→Na2[CO3]+2O2+2e-	2	2e-/CO2	-213
2KO2+[CO3]2-→K2[CO3]+2O2+2e-	2	2e-/CO2	-203
				6(NaO2+OH-→e-+NaOH+O2)	3	3e-/CO2	-

本文所描述的实施方式可具有以下的一种或多种优势：(1)最小气体压缩损耗；(2)最少程度地产生或不产生NO_x或SO_x；(3)几乎无热量损失到环境中(空气中冷却时有少量，但绝大部分用于在燃烧前预热甲烷和氧气)；和/或(4)从非常高的温度和压力至非常低的温度和压力的大范围膨胀。

如上文所示，甲烷和氧气从高压和高温开始，因为其均在压力下，并经过预热；然后，两者在不存在限制升温的氮气的条件下发生反应，由此达到非常高的温度。由于与燃烧相比活塞无法运动得足够快，所以发动机内部可达到非常高的压力(虽然在很小的安全体积)，然后这个压力被释放以在一个或多个等熵膨胀中产生电力，从发动机自身的内部燃烧部分开始。由于可在内部达到高温高压，所以燃烧工段414可使用能够承受高温高压的特殊材料，如哈氏合金钢、钛合金T1-6A1-4V、钼或钽、铬镍铁合金600或非脆性陶瓷发动机等等，仅举出几个实例。

阳极可包含以Na₂CO₃(如图8的特定实施方式所示)、NaOH、HNaCO₃的形式消耗的超氧化物或过氧化物。然而，也可使用其它能够捕获二氧化碳同时产生氧气的化合物，而不偏离所要求保护的主题。AFC可以这样的方式制作：单个电池能够拆卸，以便可装入能够封存的新电池。

NaCl、Na₂CO₃和NaOH的密度分别为2.163、2.533和2.130g/mL。相比之下，辛烷密度为0.703g/mL。与114的辛烷相比，NaCl的分子量仅为58.5，因此，与相等摩尔量的车辆中通常使用的燃料相比，封存电池可能需要的体积基本上更小。如上文所示，这种新型电力装置可在更高温度下运转，从而效率更高。该新装置将在燃料电池配置中利用EMF。

根据实施方式，燃料电池中的薄膜可为8～12M KOH，价格不是很贵。但是电池还可以如此设计：只有NaCl、HNaCO₃和NaOH从电池中排出，而新的NaClO₃与NaO₂(或Na₂O₂、KO₂、K₂O₂)重新涂覆在阴阳极。根据实施方式，如AFC等燃料电池的阳极可由Pt/C制成，其太过贵重而不能进行填埋，而且还会受到超氧化物或过氧化物的侵蚀。

众所周知，超氧化物可作为半导体使用。[Journal of Chemical Physics,Vol 63,No.6,15September,1975]。而且，超氧化物还可在与阳极的物理接触中使用。此类超氧化物可通过与导电性优于超氧化物但不会被超氧化物氧化的另一物质构成两相固态混合物而被强化为阳极。

图10中的特定实施方式包括乙醇燃烧系统600。此特定实例采用了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。然而，也可使用其它类型的燃料电池。此特定实践使用了NaClO₃，但氧气可辅助输送二氧化碳穿过薄膜608。因此，氧气可从大气中导入。于是，可能会有一些氮气被带进燃料电池622的阴极604中。不过，这些氮气可重新排放至大气，不会参与到燃烧过程中。这样氮气会有助于利用封存反应(例如2KO₂+CO₂→K₂[CO₃]+1.5O₂)中产生的热量，然后保存该热量用于如乙醇(例如来自农作物)等液体燃料的预热。

最终，导入的氮气会与一些水分一同被排放至大气，该水分为液态水和气态水混合物，这取决于环境温度，显示为汽化器和预热器628上方的排放蒸汽ET。在一个实施方式中，排出的氮气和水的温度越低，系统的总效率便越高。

图10为根据特定实施方式的燃烧乙醇的系统600的示意图。液态乙醇626可从农作物中获得，在此类农作物生长收获中，总的来说乙醇已将二氧化碳从大气中去除。然而，也可采用其它工艺产生出来的乙醇。乙醇626可以以各种压力泵送到汽化器和预热器628。至少在一个实施方式中，与系统600产生的电力相比，泵送乙醇626所需电力很少。

然后，一摩尔汽化乙醇可与三至四摩尔的基本上纯的氧气以多种方式燃烧。在一个实施方式中，乙醇氧气混合物可在以下若干形式的内燃机中燃烧，如普通内燃(IC)发动机工作时，由安装在曲柄轴系统中的2、4、6、8或更多个汽缸构成的活塞—汽缸阵列)，或在一个旋转式发动机中燃烧。作为替代，乙醇626可先燃烧，然后立即送入燃气轮机，如涡轮616。一个特定实施方式中，乙醇626可含有水分，因此使涡轮616为蒸汽涡轮。然而，这些仅仅是根据特定实施方式的能够用于将乙醇燃烧转化为电力的系统的实例，要求保护的主题不限于这个方面。

乙醇燃烧还可用作驱动水/蒸汽动力循环的一个外部燃烧源。这里，燃烧工段614产生的热量部分用于蒸发最初作为压力液体泵送的水分。然后，燃烧工段614的热量产生的加压加热蒸汽被导入燃气轮机616，进行发电。涡轮616之后，生成的低压蒸汽然后被冷凝，以重新开始动力循环。在燃烧工段614之后，排出的气体中仍会有有用能量，可进一步在涡轮616处的膨胀器或涡轮系列中膨胀，诸如涡旋式膨胀器以及任何类型的高效且能够承受水冷凝的膨胀器。

在一个特定实施方式中，膨胀器或涡轮616之后的压力P1可大约为14.7psi，而温度T₁可约在l00℃。然而，其它更低或更高的压力和温度也是可能的，并不偏离所要求保护的主题。冷凝器(未显示)可以以进入的大气和/或来自环境的过量空气在最开始预冷工艺气体，以便把蒸汽冷凝成水；之后，再最终在混合器630处，从大气中将与每两摩尔二氧化碳相当的一摩尔氧气与不可避免的约3.76摩尔的氮气一同加入工艺物料流。不过应该注意的是，一些蒸汽可能已经在混合器630之前和涡轮或膨胀器616之后被冷凝，以液态水的形式被除去。

生成的氧气/二氧化碳混合物(与其它成分)会进入燃料电池622的阴极604。在所述特定实施方式中，燃料电池622包含熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，而阴极与阳极反应如下：

$\frac{1}{2}{O}_2+{\mathrm{CO}}_2+{2e}^{-}\&RightArrow;{\mathrm{CO}}_3^{2-}$

$\frac{{\mathrm{CO}}_2^{2-}+{2\mathrm{KO}}_2\&RightArrow;K_2{\mathrm{CO}}_3+{2O}_2+{2e}^{-}}{{\mathrm{CO}}_2+{2\mathrm{KO}}_2\&RightArrow;K_2{\mathrm{CO}}_3+{1.5O}_2}$

然而，在替代实施方式中，如果与其紧密接触的阴极有足量的与CO₂反应形成[CO₃]^2-的NaClO₃，则燃料电池622可用碱性燃料电池系统替换。在此特定实施方式中，NaClO₃与CO₂的反应可表示如下：

${\mathrm{NaClO}}_3+{6e}^{-}+{3\mathrm{CO}}_2\&RightArrow;\mathrm{NaCl}+{3\mathrm{CO}}_3^{2-}$

$\frac{{3\mathrm{CO}}_3^{2-}+{6\mathrm{KO}}_2\&RightArrow;{3K}_2{\mathrm{CO}}_3+{6O}_2+{6e}^{-}}{{3\mathrm{CO}}_2+{\mathrm{NaClO}}_3+{6\mathrm{KO}}_2\&RightArrow;{3K}_2{\mathrm{CO}}_3+{6O}_2+\mathrm{NaCl}}$

若采用了NaClO₃，便无需在混合器630处引进空气。若无大气加入，可使温度T₁和压力P₁降至更低，使更多蒸汽可在燃料电池622之前冷凝。然而，在混合器630处接收大气的特定实施方式中，氧气和CO₂在阴极604反应生成[CO₃]^2-，其会再横穿薄膜608；在当前所述实施方式中，薄膜608可由Li/Na/K碳酸盐混合物组成。薄膜608可加热至400℃或更高以获得流动性，因此，整个MCFC的反应热量可用来使MCFC达到需要温度。为了启动，可使用某种别的物质，如启动电池，或将燃烧气体首先转移穿过级间加热器/冷却器(例如，图9中所示的冷却器504)中的MCFC。可在MCFC开始时进行此操作以使其达到需要温度。然后，可用大气的级间冷却降低MCFC温度。然而，进入阴极604的工艺物料流可以是冷的，并且随着热氧气离开阳极606，输送至存储罐612进行保存，热量可在T₂和P₂点由热气体带离燃料电池622。在碳酸盐离子穿过薄膜608时，产生的EMF可向终端610提供电力。

碳酸盐离子穿过MCFC薄膜后，它们会到达阳极侧，这里会有一些固态超氧化物或固态过氧化物或两者的混合物与其反应，产生足够的氧气，以完成下一部分乙醇燃烧的循环。如果只采用超氧化物，如一个特定实施方式所示的KO₂，则会产生过量的氧气。此过量氧气中一些会以一定压力存储在存储罐612中，用于冷启动。只要存储罐612中有过量氧气，便会有超过三摩尔的O₂进入燃烧工段614(因为很难实现每摩尔乙醇对精确摩尔量的氧气的精确燃烧)。由于乙醇含有一些氧气，如果向燃烧工段614加入额外一摩尔氧气，便可防止焦化。这些氧气可燃烧焦化物。正如刚才所述，由于可向燃烧工段614加入过量氧气，一些未燃烧的氧气会进入膨胀系统，再次到达混合器630，从而提高了工艺物料流中的氧气浓度，使其大于一摩尔O₂比两摩尔CO₂。最后(图10中未显示)，少量氧气会从汽化器和预热器628后的系统排出。这里排放出的氧气量可取决于选择在存储罐612中存储的氧气量，而非燃烧工段614消耗的氧气量。

在压力P₁和温度T₁点，如果一些蒸汽被例如壳中带有工艺物料流的管壳式冷凝器的管中的空气预冷所冷凝，壳内压力可下降至低于14.7psi，因为一些气体可转化成液体。然而在特定实施方式中，由于从膨胀涡轮616出口至排气ET的整个过程在排气口暴露于大气中，所以混合器630处混合的空气会将过程压力变回至近似大气压力。在大气压力低的地方，装置的整体性能可在效率方面得到提高，因为膨胀系统的Δ压力会增加。

根据实施方式，乙醇626可从农作物中获得。淀粉乙醇或纤维素乙醇是可用的燃料之一。使用以此种方式获得的乙醇，便可由植物生命体生长所消耗的用来制造乙醇的空气除去大量的二氧化碳。尽管一些农作物会带来农业设备排放的一些二氧化碳，但其它多年生作物，如柳枝稷等的生长需要很少甚至无需化石燃料燃烧。如果不用作燃料，许多纤维素乙醇将会被浪费掉，而且如果以可持续发展的方式进行适当的耕作，其它多年生能源作物会去除比加工设备排入空气中的更多的二氧化碳。源于植物的乙醇的燃烧可表示如下：

CH₃CH₂OH+3O₂→2CO₂+3H₂O+1,366.91kJ/mol

O₂/CO₂＝3/2

如上所示，根据特定实施方式，产生每个CO₂所需的氧气由O₂/CO₂表示。此过程不仅捕获二氧化碳，也会在二氧化碳捕获过程中产生氧气和电力。因此可以观察到，二氧化碳捕获产生的氧气的量可等于或多于将燃料燃烧成CO₂所需的氧气，而该CO₂转而又产生出氧气。

尽管图8和图10涉及将甲烷和乙醇用作燃烧燃料，还是应该了解：这些系统的各个特征和方面也适用于其它燃料，而不偏离所要求保护的主题。无需对这些系统进行大量修改，就可在将不同类型的燃烧燃料用于下述系统中，该系统产生燃烧热量和二氧化碳，燃烧热量用来发电，燃烧生成的二氧化碳可实现产生额外热量的反应，接着，该额外热量被用在热量转换为电力的整个过程中辅助提高发电量。

乙醇还可通过加入额外氧原子(糖类每个碳有一个氧，而乙醇每两个碳一个氧)，从糖类中获取。根据实施方式，可采用已知工艺，从植物材料中获得糖类，所述植物材料包括生物质、来自甘蔗、大麦、大豆、油菜籽、棉花籽、玉米油、牛脂、微藻的大量培养、柳枝稷、玉米秸秆、麦秆、稻壳和/或城市废木材的干植物材料等，仅举出几个实例。还可用已知工艺从如猪粪和/或鸡类垃圾等动物排泄物中制造糖类。

根据实施方式，糖类(如木糖、葡萄糖、纤维二糖)可用作燃烧燃料，因为其自身携带许多用于如以上图8和9所示的闭路燃烧过程中燃烧反应的氧。在此特定实践中，每燃烧一摩尔燃料，糖类消耗六摩尔O₂，生成六摩尔CO₂。相比之下，每燃烧一摩尔燃料，汽油会消耗12.5摩尔O₂，生成八摩尔CO₂。因此，燃烧汽油对输入氧气的需要和输出CO₂封存的需要均远远高于燃烧糖类的需要。如果用CO₂与上述的生成氧气捕获CO₂的物质进行反应，产生的CO₂量与消耗的O₂量相比对于汽油而言不平衡，而对于糖类则基本上平衡。在特定实施方式中，若就地产生氧气并就地捕获二氧化碳，则从技术上而言，糖类在如以上图8和10所示的闭路系统中是一种可使用的有效的燃料。然而，采用汽油做相同的使用葡萄糖作为燃料做的功，其通常会多需要33％的捕获材料。汽油还会额外消耗2.0833摩尔的氧气，这难以从就地来源生成。因此，基于由生成氧气并捕获CO₂的物质(包括固态超氧化物，如KO₂,)与所得排放CO₂产生的自然氧气量，糖类(如单糖)会是实施方式的闭路燃烧系统的有效的燃料选择。

因此，对于用于机动车辆中的闭路燃烧而言，与使用如汽油等其它类型的燃料相比，糖类拥有相当大的优势，因为其需要的氧气更少，产生的CO₂更少。此外，在特定实施方式中，糖类中的碳来源于新近从空气中捕获CO₂的植物，而汽油中的碳通常来源于史前从大气中封存的碳—导致全球变暖的来自地球过去千万年的CO₂。尽管汽油携带大量的焓，但通过使用碳捕获(CO₂与封存物质反应)的热量，其有可能拥有类似的kJ/碳。

如上文描述，根据如在特定实施方式的闭路燃烧系统中实施的与生成氧气的捕获物质的反应的特定实例，固态超氧化物、半过氧化物(如Na₂O_2.68)和过氧化物通过它们与“排气”CO₂反应或自身分解，产生可用于燃烧的氧气。如图8和图10中特定实例所示，闭路发电系统可用CO₂排气捕获物质生成氧气，再将氧气送回燃烧入口。进行此过程可无需使用下文图12所示的燃料电池系统。如果该物质同时还捕获CO₂，那么其便在一种物质中起到了两种作用。如果其同时还进行放热的二氧化碳捕获，那便在一种物质中起到了三种作用。若其不使用耗电的ASU装置便可产生纯氧，那则在一种物质中起到了四种作用。因此，特定实施方式涉及采用了放热、捕获CO₂并生成氧气以使燃烧过程封闭的物质的碳水化合物闭路燃烧用系统和方法。

根据实施方式，如木糖、葡萄糖和纤维二糖等糖类可在如淀粉和纤维素等碳水化合物的预处理中产生。乙醇工艺的第一步便是来自植物的淀粉物质的研磨和化学/酶促的预处理；乙醇工艺有Celunol Process的甘蔗渣工艺等。此处的预处理工艺效率为82％至96％，取决于该工艺，其中一些包含以下任一工艺：稀酸处理、SO₂水蒸汽爆破、AFEX、ARP及石灰处理，然后进行水解加工。

按照特定实施方式制作碳水化合物燃料，可在产生糖类的同时终止制备乙醇的工艺，因为继续该制作乙醇的工艺会浪费能量含量(如：从固态葡萄糖中制备液态乙醇会释放68.9kJ/mol葡萄糖)，并向大气中释放CO₂(见下文方程式，纤维素每产生一摩尔葡萄糖，便会向大气释放两摩尔CO₂)。

C₆H₁₂O₆→2C₂H₅OH_(流体)+2CO₂+释放的能量:68.9kJ mol^-1

可在非等温管状反应器中的超临界水中处理纤维素，在室温时进入，200℃～400℃时取出。生成物可包括寡糖、单糖和其它小分子等。随着压力升高，单糖产量增加。这里，在温度为280℃而反应器停留时间少于一分钟的情况下，在最高压力7500psig时的产率约为60％。[Taiying Zhang,poster,2006,AICHE meeting.]

正如上文提出的那样，在CO₂封存方面，燃烧中使用糖类等碳水化合物类燃料比采用汽油、柴油、燃油或煤作为燃烧燃料更为有效。碳水化合物源自于植物的光合作用。通过光合作用过程，无需(来自化石燃料或其它人类作用的)能量输入，便可从大气中捕获CO₂。从大气中捕获CO₂有两点问题：CO₂在大气气体中占很小比例，且要将CO₂合成转化成纤维素或木质素等碳水化合物在热力学上会很不利(如：需要热量输入)。使用来自植物生命体的碳水化合物，可实现既产能又CO₂为负的全球整体封存工艺。

甲醇为另一种可在闭路燃烧系统中燃烧的燃料，其生产方式也可从大气中除去二氧化碳。此处，在上述闭路燃烧系统中燃烧(例如，通过生物方式获得的)甲醇会需要额外的氧气输入，因为通过如下所示的与甲醇的CO₂排气反应，固态超氧化物材料不能产生出足够的氧气：

CH₃OH+1.5O₂→CO₂+2H₂O+726.55kJ/mol

O₂/CO₂＝3/2

使用由碳捕获技术得到的丁醇时也需要额外氧气，如下文所示：

CH₃CH₂CH₂CH₂OH+6O₂→4CO₂+5H₂O+热量

O₂/CO₂＝3/2

根据实施方式，通过合成制成的费-托法合成碳氢化合物同样是用于上述闭路燃烧系统的实施方式的燃烧的可行燃料，费-托法合成碳氢化合物制备方法是从空气中净去除二氧化碳的方法。生物炼油厂的费-托法热部分可对此有所帮助；例如，主要来自生物炼油厂生产乙醇的木质素的重质物可转变成合成气体(CO+H₂)，并经催化转换成汽油或柴油燃料。由于碳来源为耕种的植物，其从空气中除去的二氧化碳比放入空气中的多，因此其可作为运输用燃料使用。

如下所示，来自生物炼油厂的费-托法燃料的源头去除空气中的CO₂，而其消耗的氧气会多于固态超氧化物与如下燃烧产生的二氧化碳反应所产生的氧气：

CH₃(CH₂)₆CH₃+12.5O₂→8CO₂+9H₂O+热量

O₂/CO₂＝1.56

在此处所述的特定实施方式中，尽管要求保护的主题并不限于这个方面，超氧化物仍可提供一种捕获CO₂、生成氧气并产生多种形式的动力的方法。这些形式的动力可包括，如碳捕获过程反应放出的热量、电化电池电力(燃料电池)，如上文所述。在特定实施方式中，固态超氧化物，如KO₂、CsO₂、RbO₂、NaO₂和/或其它固态超氧化物，可提供一种捕获内燃机(旋转式或往复式)、外部蒸汽机或内涡轮过程中燃料燃烧产生的二氧化碳的手段，这里仅列出一些燃烧过程的例子。

在一个特定实施方式中，碳水化合物，如单糖，可和来自KO₂与CO₂反应的高浓度氧气进行燃烧。单糖燃烧热量和KO₂与CO₂反应的热量可用作外部燃烧热源，用于驱动水力/蒸汽动力循环。钾的价格不贵，并可从多种来源获得，如海水和钾盐、光卤石和无水钾镁矾沉积物等。此外，钠和钾在岩石圈中的含量也十分充足(2.6％和2.4％)。

根据实施方式，超氧化物和/或过氧化物可将空气中的氧气与氮气分离。因此，便无需使用耗电的空气分离单元(ASU)。如果用2KO₂/K₂O₂和C_nH_2nO_n代替煤和空气成为燃料，会有以下优势：降低或消除了空气压缩的需要、比煤产生出更多热量、收集和运送CO₂的方法更为便捷。

根据实施方式，碳酸盐再生为二氧化碳和氧化钾会消耗热量，但可通过高温和除去二氧化碳来完成，如下所示：

K₂CO₃+ΔH₁→K₂O+CO₂(进行封存)

ΔH₁＝+391.5kJ/Mole

$\frac{\left[K_{2}O\right]y_{{\mathrm{co}}_2}P}{\left[K_2{\mathrm{CO}}_3\right]}=\mathrm{Exp}(-\frac{\mathrm{\&Delta;G}}{\mathrm{RT}})$

(高温低压状态下实现较容易)

在一个实施方式中，氧化钾要重新转化为超氧化物和过氧化物，可在如下的吉布斯自由能有利的过程实现：

K₂O+O₂→KO₂+1/2K₂O₂+ΔH₂

(过程有多个步骤)

ΔH₂＝-134kJ/mol

ΔG₂＝-133.9kJ/mol

碳酸锂/氢氧化锂等类似物质可具有较为不利的正ΔG，如将Li₂O再转化成LiO₂/1/2Li₂O₂，如下所示：

Li₂O+O₂→LiO₂+1/2Li₂O₂

ΔG＝+48kJ/mol[参考]

将碳酸钾/氢氧化钾再转化成KO₂+Vi K₂O₂会消耗空气，但会避免形成NO_x(高温空气氧化问题)。在特定实施方式中，单糖基本上含有实现KO₂+1/2K₂O₂氧化所需的精确的氧气量。该反应有多种有效的变形，包括最初吸热气化至CO/H₂和碳酸氢盐的生成。下文所示的反应会提供每个碳和每个C₆H₁₂O₆反应的有利热量。

$\mathrm{nK}{O}_{2\left(s\right)}+\frac{n}{2}{K}_2{O}_{2\left(s\right)}+C_n{H}_{2n}{O}_{n\left(\mathrm{aq}\right)}\&RightArrow;n{K}_2{\mathrm{CO}}_{3*}{H}_{2}O$

ΔH＝-681kJ/mole C；ΔH≈-4,086kJ/mole C₆H₁₂O₆

根据实施方式，金属钠可通过熔融盐或低熔点共熔混合物(如CaCl₂+NaCl)的电解制成。由于电解电力原则上可从风、地热或核能等可持续能源中获得，因此原则上超氧化物的制备不会使大气中的CO₂净增。

可以将若干钠和钾氧化物中的任意一种用于在单糖外部燃烧过程中产生额外热量，驱动水/蒸汽动力循环，并封存单糖燃烧生成的CO₂。关于超氧化钾在燃料电池动力配置中的使用，KO₂有一定的收集电子性能[Journal of Chemical Physics,Vol 63,No.6,15September,1975]。众所周知，在高于250K时，KO₂可作为一种半导体，活化能为1.3eV。

在特定实施方式中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的阳极可采用超氧化物和/或过氧化物。下述下划线的反应为采用熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)后，其阳极的反应，以及可收集的氧气量。

1/2O₂+CO₂+2e-→[CO₃]^2-

2NaO ₂ +[CO ₃ ] ^2- →Na ₂ [CO ₃ ]+2O ₂ +2e-

2NaO₂+CO₂→Na₂[CO₃]+1.5O₂

焓：-1127.44–[-393.5–2(260.2)]＝-213放热的

熵：-1044.1–[394.4–2(218.4)]＝-212(有利的)

1/2O₂+CO₂+2e-→[CO₃]^2-

2KO ₂ +[CO ₃ ] ^2- →K ₂ [CO ₃ ]+2O ₂ +2e-

2KO₂+CO₂→K₂[CO₃]+1.5O₂

焓：-1167–[-393.5–2(284.9)]＝-203放热的

熵：＝(有利的)

NaClO₃+6e-+3H₂O→NaCl+6OH-

6(NaO ₂ +OH-→e-+NaOH+O ₂ )

6NaO₂+NaClO₃+3H₂O→6NaOH+6O₂+NaCl

AFC配置对于每个CO₂可产生出足够的氧气，以在以上图10所示的闭路中使用乙醇作为燃料。这里没有排气，乙醇燃烧产生的CO₂与燃料电池混合，以捕获能量。

根据实施方式，超氧化钠(NaO₂)可提供一种轻易可得的碳捕获物质，因为其可从以风力、核能或地热和/或类似物为动力的可持续能量的电解制得。

根据实施方式，超氧化钾同样是作为产生氧气并捕获CO₂的材料的不错选择，因为与超氧化钠相比，其热稳定性更高，并且有用于呼吸设备的历史。通过采用带有超氧化物和/或过氧化物的捕获CO₂并产生氧气性能的燃料电池，可实现下述碳类燃料的燃烧系统，其比传统的空气氧化燃烧工艺更为高效，在于与常规的开放式布雷顿热-电循环每排出一个CO₂中获得的电力相比，其每捕获一个CO₂中可生产更多电力。因此，在一些实践中，与开放式布雷顿循环中的如燃油、煤等化石燃料外部燃烧相比，所需捕获的CO₂量有所减少。

根据实施方式，KO₂可从原料钾盐(即sylvite)中获得，此类物质稳定，通常含有氯离子、硫酸根或硝酸根阴离子。这些阴离子本身便可封存于各类固态和岩石物质里。如需使整个过程不向空气中排放二氧化碳，制备超氧化物并封存阴离子的工艺可以以避免向空气中排放CO₂的方式实施。此外，此工艺还可避免引入高电负性的阴离子，如空气或水中的氯离子。

在一个特定实施方式中，超氧化物可以碳中性、环境友好的方式进行生产，如在一个固定式大型装置内。与如运输车辆等移动式动力系统的CO₂排放相比，在这里可更为轻松地控制CO₂排放。在一个实践中，过氧化钠可通过氯化钠电解获得，生成金属钠和氯气。可将Cl₂(或硫酸根或硝酸根阴离子或其他卤素)气体封存起来以备其它用途。目前世界上有大量的CO₂产生，所以没有出售CO₂的市场，然而有出售购买如Cl₂等其它物质的市场。以下有许多实例，但应注意：许多包含矽土和矾土的矿物质和如W、Ta、Zr、Ti、V、Cr、Mo等前过渡金属以及其金属氧化物能很轻易地将氯加入其结构。生成物包括无害的氮气、氧气、水，或仅有封存固体。

Cl₂+2NaN₃→2NaCl+3N₂

Cl₂+SiO→SiCl₂+1/2O₂

Cl₂+Si_(s)+O₂→Cl₃SiO(SiOCl₂)_nSiCl₃其中n＝1～4

Cl₂+Ba(OH)₂→BaCl₂+H₂O+1/2O₂

nCl₂+ZrO_x→ZrCl_2nO_(x-2n)+1/2n O₂

这说明了可用由可持续能量生产的超氧化物和过氧化物封存CO₂，氯气副产品可用于工业，或将其自身以固态形式封存，过程中放出无害气体或不释放气体。如果对发动机采用源于农作物的液体燃料，且用可持续能量生产超氧化物或过氧化物，则环境平衡将是可从地球大气中除去CO₂且又不增加有毒物质。

如果如前文所描述的那样，用2KO₂/K₂O₂混合物捕获来自燃烧的CO₂并生成高浓度氧气，生成的碳酸盐可再生为2KO₂/K₂O₂，而不生成任何Cl₂。如果这时将Cl₂在碳捕获中重复使用若干次然后再生，则制备2KO₂/K₂O₂的启动成本便会变得越来越可以忽略。

生成的碳酸盐可置于地下，在废弃的煤矿或其它矿的空闲部分中。作为替代，再生2KO₂/K₂O₂时，从碳酸盐中去除的CO₂可送至地下盐水或地下盐沉积物。无论是固态填埋，还是将大气压力的CO₂气体送至地下盐水，均无需地下耐压地质空腔；封存可在大气压力或接近大气压力的情况下进行。

除了固态超氧化物和过氧化物，其它类型的固态物质也可用于在机动车辆和发电装置捕获CO₂。关于这个方面，燃煤发电场的CO₂矿物封存目前正在研究当中。与KO₂相比，这些矿物质许多更易生产，或从地上获得，然后进行加工。但是它们在与CO₂的反应中，放热性通常不如KO₂，与之相比，每吸收一个单位的CO₂，天然的矿物质通常重量会更重，且不会产生氧气，而产生氧气恰恰是固态超氧化物极为有益的一个特性。以下显示的是蛇纹岩反应，其中原始材料基本上重于KO₂(MW＝71)，而Mg₂SiO₄MW＝140.6。在某些实践中，如果封存是用于移动式运输发动机中，重量将是一个十分重要的标准。如，镁橄榄石是KO₂的两倍重。

蛇纹岩反应：

镁橄榄石+水+二氧化碳→蛇纹石+菱镁矿+矽土

铁橄榄石+水+碳酸→蛇纹石+磁铁矿+菱镁矿+矽土

蛇纹石+二氧化碳→菱镁矿+矽土+水

特定实践中，超氧化物和/或过氧化物可组成燃料电池系统，因而通过在燃料(可为植物源燃料，如来源于农作物的乙醇或单糖)燃烧发电的过程中，加入燃料电池能量部分以及CO₂与KO₂反应的反应热量部分，大幅度提高发动机的每单位重量发电量。

根据实施方式，并如上文所示，MCFC配置可用于闭路电力系统中，可使用多种抗氧化阳极的任意一种。此处，KO₂可在425±2℃时在真空中分解。然而，如果超氧化物上方的大气基本上为氧气，其则可在更高温度下保持稳定。同时，还可使用添加剂以提高其稳定性。在最好的Li/Na/K碳酸盐薄膜中，碳酸根离子流动性在400℃的范围时会出现。这些物质可为下式：Li/Na/K 43.5％/31.5％/25％与[CO₃]^2-。随着接近超氧化钾的稳定性范围，可在KO₂上方采用高于大气压力的压力，以防KO₂在更为典型的MCFC温度——高于500℃时分解。反过来，高氧气压力会将阳极置于氧化性环境中。尽管阳极氧化会阻碍电子的输送，但一些阳极材料可解决这一影响。

下文讨论的是适合于如预期存在超氧化物、过氧化物和大气中的氧气等的氧化性环境的阳极材料。此处这类阳极材料可制成与超氧化物固体的两相混合物。该两相混合物构造可以以避免或尽可能降低超氧化物的反应/分解的方式加工。这样的两相混合物也可以为多孔的，以便释放的氧气能够离开系统。

在氧化条件下稳定的阳极材料的存在有多点原因：(1)阳极在燃料电池的开启关闭时暴露于一定温度下的空气中；(2)氯生成的电化学过程或其它电化学(铝电解)必须解决抗氧化阳极的问题；(3)阳极的碳氢化合物的重新形成涉及大量的蒸汽，有时还有氧气和硫。因此，研究人员一直在寻找抗氧化阳极。

由钛酸锶和二氧化铈氧化物组成的组合物已被证明具有出色的抗氧化性(甚至耐硫性)[Olga Marina博士]。这些物质已被开发用于SOFC燃料电池，在更高温度下，比在AFC中表现更为出色，但其性能很可能适合于MCFC。

取代有锶的亚铬酸镧La[l-x]Sr[x]CrO[3]、掺钆二氧化铈(Ce[0.9]Gd[0.1]O[2])、氧化镨、氧化钼[FOULETIER J.]、Ni/LiNiOx可提供不错的阳极材料。有了钛酸锶和二氧化铈，这些亚铬酸镧在MCFC中会比在AFC中工作得更好。

Pt/C与Pt-Pd/C；Pt-Au/C也可用作阳极，即使在AFC温度下。后过渡金属，如Pt，不会像前过渡金属一样容易被氧化，但如有超氧化物存在，Pt阳极就很可能发生氧化，碳载体也如此。氧化取决于温度，低温的AFC会抑制Pt阳极的氧化。超氧化物很容易发生反应，因此低温AFC足以使超氧化物反应，但由于它们的反应具有放热性，会产生热量，这便对Pt/C阳极的氧化稳定性构成了考验。冷却堆叠单元，将AFC保持在较低温度，将会抑制超氧化物与阳极反应。

金属碳化物、硼化物、氮化物、硅化物、钙钛矿结构氧化物[J.Electrochem.Soc.,Volume 153,Issue 7,pp.A1302-A1309(2006)]也可提供较好的阳极材料。最近，佐治亚理工学院的Meilin Liu为必须具有耐硫性的SOFC开发的阳极在MCFC中会比在AFC中工作得更好。

四苯基卟啉钴也是一种可用的阳极材料[Shrini]，可与超氧化物组合形成两相混合物。如果阳极确实发生一些降解，那么副产物不应为挥发性的毒物，这一点十分重要，因为这是一种两用装置，同时生产氧气和电力。

据说在SOFC系统中在300℃～600℃条件下工作的新的阳极材料前景看好，但仍然包含碳。很显然，存在碳氧化稳定性，因为SOFC中碳会接触热氧气和O₂ ^-离子。下文为对其工作的直接引用：“通过采用柠檬酸盐/硝酸盐燃烧技术，可合成一种新型阳极催化剂——C-MO-SDC(C＝活性炭/炭黑，M＝Cu、Ni、Co，SDC＝Ce0.9Sm0.1O1.95)。如活性炭和炭黑等碳物质首先被用于提高固态氧化物燃料电池(SOFC)阳极性能，尤其能改善其微结构，增强阳极导电性和对于直接将甲醇用作燃料的催化剂功能。直接在560℃下使用甲醇，用于SOFC装置的所得阳极催化剂C-MO-SDC材料可成功达到0.25W cm^-2的高功率密度”[Electrochem.Solid-State Lett.,Volume 9,Issue 2,pp.A80-A81(2006)]。

氯碱阳极同样也具有抗氧化性，如Ti基片的RuO₂+IrO₂+TiO₂涂层[Shrini，111页]。这些阳极能承受高浓度的Cl^-和Cl₂。[Fuel Cells,Supramaniam Srinivasan,Springer,2006]

金属陶瓷类阳极同样为与固态超氧化物材料的两相混合物的可选对象。

铜镍高温合金已被证明在600℃～900℃时为稳定的铝电解阳极[Nov.2003,JOM,Zhaowen Wang]。作为阳极材料，Cu-10Ni-10Al、Cu-25Ni-15Fe和Cu-25Ni-10Cr高温合金具有出色的抗氧化和抗腐蚀性。在铝电解中，氧气在合金阳极和电解质之间产生，会在阳极表面形成氧化膜。如果生成的氧化物被覆材料的导电性和结构良好，其仍可为不错的阳极材料。

以上所描述的合金与讨论的几种其它阳极均在高温制成，需要考虑在与固态超氧化物的两相混合物中如何对其进行构造。超氧化物可将金属K、Rb或Cs暴露于接近大气压力的氧气中而相对简单地形成。NaO₂通过Na₂O₂与O₂在300atm、500℃的反应获得。固态超氧化物十分敏感，使其充分混合的加工条件具有重大的意义。有两种使用它们的方法：“润湿”技术或固体升华。“润湿”法并不一定指用水，而是不会被超氧化物轻易氧化的适当的液体。此外，将待用的超氧化物和凝胶放置于预成型的阳极同样是一种不错的方法。

通常，MCFC中，阴极可由Ni/LiNiOx组成，由于图10设计未使用NaClO₃，因此阴极材料可被再次使用，仅需要对被消耗的超氧化物和/或过氧化物固体(转化为碳酸盐)进行分配，例如，填埋K₂CO₃。阳极会重新涂上新的KO₂。NaO₂可组成造价较低的系统，仅需要对Na₂[CO₃]进行填埋，这个过程所需花费不多。然而，需要采取额外措施，使NaO₂在MCFC温度下稳定。

根据实施方式，作为电池材料的若干不同的辅助材料可用于辅助阴极运转，见如下反应：

NiOOH+H₂O+e^-→Ni(OH)₂+OH^-

$\frac{{\mathrm{KO}}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\&RightArrow;e^{-}+\mathrm{KOH}+O_2}{\mathrm{NiOOH}+H_{2}O+{\mathrm{KO}}_2\&RightArrow;{\mathrm{Ni}\left(\mathrm{OH}\right)}_2+\mathrm{KOH}+O_2}$

MnO₂+H₂O+e^-→MnOOH+OH^-

$\frac{{\mathrm{KO}}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\&RightArrow;e^{-}+\mathrm{KOH}+O_2}{{\mathrm{MnO}}_2+{\mathrm{KO}}_2+H_{2}O\&RightArrow;\mathrm{KOH}+O_2+\mathrm{MnOOH}}$

NaClO₃+6e^-+3H₂O→NaCl+6OH-

$\frac{6({\mathrm{KO}}_2+{\mathrm{OH}}^{-}\&RightArrow;e^{-}+\mathrm{KOH}+O_2)}{{\mathrm{NaClO}}_3+6{\mathrm{KO}}_2+{3H}_{2}O\&RightArrow;6\mathrm{KOH}+O_2+\mathrm{NaCl}}$

由于Ni(OH)₂与CO₂反应生成碳酸镍，所以M_nO₂和NiOOΗ可用于与燃烧液态燃料所释放出的蒸汽和CO₂发生反应。

根据实施方式，阳极可基于，至少部分基于抗热冲击性和与电源的电连接性来选择。按照特定实施方式，如图11所示，MCFC CO₂捕获系统可具备以堆叠方式放置的可拆卸式电池。这里，插槽710和712可适用于安装可换模块，该可换模块包括薄膜706和阳极材料708，如KO₂。通过手柄702，工人可将这个模块手动插入或拔出。封盖704可在插槽710上形成气密性密封。当电池完成时，控制计算机(未显示)可在运行期间对电池堆的每一个电池实施压力和温度监测，从而对靠近电池的级间冷却槽加温或冷却，以优化其性能，并进行监控。电池可串联，也可并联，从而获得理想的电压和电流。

按照替代实施方式，尽管所要求保护的主题不限于这一方面，在热能转化为电能的工艺中，由碳水化合物燃烧发电。燃烧产生的二氧化碳与产生氧气的捕获材料的反应产生热量，这种热量应用于提高热能转化为电能工艺中的发电。在特定实践中，二氧化碳与产生氧气的封存材料的反应可生成的氧气量基本上等于燃烧消耗的氧气。

图12所示的系统800包括燃料罐826，该燃料罐内可装有包含来源于新近生长并收获的如纤维素等植物材料的单糖的混合物。泵828可以以例如2175psi的压力将该混合物计量加入燃烧工段814。压缩机820可为燃烧工段814供给基本上纯的氧气。这里，压缩机820不供给氮气，使得燃烧工段814中的燃烧可在基本上无氮气的情况下发生。尽管在某些条件下，糖类比汽油更难燃烧，而且糖类也不易点燃，但是当糖类与高浓度氧气接触时，就会迅速被点燃。在一个替代实施方式中，在高温、高浓度的氧气存在时，木质素也可被点燃。于是，燃料罐826也可装有含甲醇的木质素浆屑。再者，在即将被供给到燃烧工段814之前，罐826中的单糖可被分解为燃烧工段814压力下的CO和H₂。

燃烧可由下述动作启动，例如，使压缩机820将通常处于稳态过程的待通入燃烧工段814的氧气进行级间冷却。然而，如果这样的氧气仅仅是部分级间冷却，则该氧气将在较热的情况下进入燃烧室。热氧气可将糖和乙醇点燃，从而启动该过程。

启动后，燃烧工段814可热到足以避免对额外氧化能量的任何需求。另外一种启动燃烧的方法是，使甲烷气体启动投料与高浓度氧气反应，同时使糖/甲醇溶液和额外的水组成的投料注入到燃烧室，以维持适当的温度。

如上所述，因为并没有将空气作为氧化剂，所以O₂的燃烧和氧化作用比在空气中要强烈得多，可实现将碳氢化合物作为燃料。同样，因为由涡轮发电装置的涡轮816进行发电，所以，由于与内燃机相比燃料的蒸汽压对涡轮发电装置发电而言重要性不大，在一些特定的实施方式中可促进使用多种燃料。

如图12所示，氧气在通过压缩机820(可含一系列压缩机)从而增加氧气的压力后，到达燃烧工段814。可使用水或蒸汽进行级间冷却。可使用由水泵834泵送的工艺水经热交换器836对压缩机820进行冷却。一个实施方式中，压缩机820与热交换器836可构成压缩机和热交换器的交替序列，用于以连续阶段将流路838中的氧气压缩和冷却。这样，在串联的4或5个压缩机间可以有1、2、3或4个用于级间冷却的热交换器，从而在高温不增加的状况下形成压力。作为替代，可通过在单个压缩机上的水冷环套直接对压缩机820进行冷却。

由于压缩机820可对基本上纯的氧气，而不对稀释剂(如，其他发动机内的高浓度氮气)进行压缩，所以，与其它发动机相比，这样的压缩过程消耗的功率低。一个实施方式中，压缩机820的单个(或多个)压缩机和涡轮816的单个(或多个)涡轮可共轴(未显示)。因为等熵膨胀器在燃烧工段后，使燃烧产物和蒸汽的混合物膨胀，所以涡轮816(可包括多个燃气轮机)可由与流经压缩机820的气体相比多得多的摩尔数的气体产生动力。压缩过程可消耗动力使气体移动并加压。因此，与燃气轮机中较大摩尔数量的蒸汽相比，压缩机内的氧气摩尔数较少，这样可降低整个发电过程的寄生功率损耗。

在当前所述的实施方式中，二氧化碳与由产生氧气的封存材料(如超氧化钠或Na₂O_2.68(或锂或钾类似物，如KO₂或NaNO₃))的反应产生氧气。但是，可使用产生氧气的CO₂封存材料，而不偏离所要求保护的主题。

虽然NaO₂在温度高于120℃时不是十分稳定，但由于二氧化碳捕获反应器822会被从水箱832处涌出的100℃以下的新近冷凝的水所冷却，所以反应器822的温度可维持在100℃以下。NaO₂或Na₂O_2.68因两者均可通过零碳工艺制取而是可使用的好材料，因为它们均使用由廉价材料出发的工艺，产生自钠盐先电解生成金属钠而随后金属钠与氧气反应。

在二氧化碳捕获反应器822之前，可先使用部分冷凝器830，将液态水与二氧化碳和气态水分离。这里，部分冷凝器830可通过冷却剂842冷却，该冷却剂可包括例如空气或河水，仅举出两个例子。二氧化碳和气态水可穿过薄膜840，该薄膜840可允许一些气态水穿过该膜并作为水进入大气。为实现该过程，离开涡轮816并进入冷凝器830的气体的压力可稍高于大气压力，如25psig。可从涡轮816处的一个或多个涡轮产生功818，而功818可转化成电能。轴功可转化成电能。

根据实施方式，尽管权利要求并不仅仅限于这一方面，在燃烧工段814的燃烧中产生的二氧化碳以及某些气态水可进入二氧化碳捕获反应器822，且在该反应器中可能发生以下三种放热反应：

CO₂+2NaO₂→Na₂CO₃+1.5O₂

CO₂+0.5H₂O+NaO₂→HNaCO₃+0.75O₂

2HNaCO₃→Na₂CO₃+CO₂+H₂O

据悉，这些反应和它们的钾类似物的反应在温度接近室温时发生。反应器822可包含廉价形式的超氧化物或超氧化物/过氧化物混合物，如2KO₂/K₂O₂。例如，该形式可以为简单的小球团。可将这些小球团放在管壳式容器的壳内，并可将从834流出的加压水导入管壳式容器的管，以吸收以上列出各反应的放热。管壳式容器的壳内的球团可处于低压状态，而管中的热水由泵834进行加压。但是，这只是根据特定实施方式的二氧化碳捕获反应器可如何利用超氧化物捕获二氧化碳的一个例子，且所要求保护的主题并不限于这方面。

这里，从二氧化碳捕获反应器822中可逸出一些CO₂和H₂O，但可通过在薄膜中预先除去水，将逸出量降到最小的程度。此外，从二氧化碳捕获反应器822中逸出并进入燃烧工段814的CO₂和H₂O，可只在此过程中再循环，又产生痕量的气体，这样既可增加压缩机电力需求还能提高涡轮发电能力。

目前列举的实施方式中，图12显示：部分冷凝器830将液态水存入储罐832，然后由泵834泵压至燃烧工段814的压力。在此，这样泵压液体可比压缩代替水的气体(如压缩作为稀释剂的氮气的费用)耗电更少。此处，水可在冷却管中泵送经过二氧化碳捕获反应器822和压缩器820，然后由反应器822和压缩器820处的热交换所预热的水进入燃烧工段814，以降低燃烧工段814的温度，并增加等熵膨胀可用气体量。尽管图12显示的是NaO₂，但如KO₂或2KO₂/K₂O₂等其他材料也可在二氧化碳捕获反应器822中使用，所要求保护的主题并不限于这方面。

一个实施方式中，与具有类似功率的机动车辆散热器对冷却空气的需求相当，部分冷凝器830上的空气冷却需求在立方英尺/分钟(CFM)的范围内。此外，目前列举的实施方式的发电工艺并未将空气吸入作为氧化剂。

根据实施方式，涡轮816可包含一系列涡轮以适于使逸出燃烧工段814的气体一起膨胀来发电。随后将给出每摩尔所发电量的一个例子。这种等熵膨胀器可将燃烧气体冷却。与原材料的焓相比，从涡轮816逸出的气体中所含的焓，是热能过程中的主要损失。但是，结果表明，在至少一个特定实施方式中，假设膨胀器与理想行为的偏差不超过20％，压缩机与理想行为的偏差均不会超过20％，则能够取得高效率。而取得高效率的一个原因就是没有压缩损失，因为压缩的不是空气，且已通过碳水化合物以及超氧化物和/或其它产生氧气的CO₂捕获材料将氧气预先放入该系统。另外，因碳燃料(例如单糖)的热值而不同的发电效率会因CO₂与如固体超氧化物或超氧化物/过氧化物等产生氧气的CO₂捕获材料反应所提供的额外热量而大大增加。

燃烧工段814之后，进入第一个涡轮之前的初始温度可为涡轮叶片能承受的温度。对于作为例子的选择，1700K是离开燃烧工段814的可能的好温度。当然，降低温度，采用较传统的涡轮叶片材料是允许的，但是这样会降低系统800的效率。

燃烧工段814可在燃烧工段814的氧气进口处温度更高。随后，燃烧工段814的温度会因注入水(液体、气体或其混合物)来吸收一些燃烧热量而降低。进入第一个涡轮的温度越高，该过程中所产生的涡轮发电量就越大。但是，这可能需要更多冷却剂842来冷却部分冷凝器830。图12未显示的一个细节是燃烧工段814的分段化。在此，燃烧工段814可包含燃烧室，燃烧室可在开始时接受氧气进入，但之后可交替添加燃料和蒸汽。增加的燃料可燃烧，蒸汽的温度会升高。而且蒸汽能进一步抑制燃烧室产生积碳。加入燃料和蒸汽后，燃烧室内温度会升高。但是，这种温度上升基本上是可以控制的，且高温产物，如自由基的生成也能控制。然后，沿燃烧室轴向长度移动，可又添加新燃料，再添加新蒸汽。氧气沿着长度方向从进口横穿燃烧室再逸出的过程中，会交替遇到燃料和蒸汽，从而控制温度和自由基的生成。因此希望的是该燃烧室的形状可包含基本上为细长形。

为了启动燃烧过程，可将多种氧源用于最初的燃烧，如在二氧化碳捕获反应器822中的NaClO₃/Cr₂O₃(包括NaClO₃、KClO₃、NaC1O₃/Cr₂O₃)的热解或诸如超氧化钠的热解。也可用电池来加热二氧化碳捕获反应器822中的产生氧气的CO₂捕获材料，来启动压缩机820，并在某些情况下，使此过程中所需的水解冻。

启动时不使用空气的一个优点是，空气中的氮气会被压缩至燃烧室室压，它会包含热氮气，而这种热氮在未达到形成NOx的温度范围时，不能吸收反应的热量；或者，如果压缩机被级间冷却，空气会进入燃烧室，但无足够的氧化能力。

燃烧可被设计为按照下述的方式沿着燃烧工段814分阶段发生：使沿着轴向长度的氧气、燃料和蒸汽都按照沿着燃烧工段814阶段式增加的方式加入，以使燃烧工段814的温度始终低于形成大量自由基的温度。此例中，也可沿该反应器的长度逐步加入氧气，以控制整个燃烧过程的燃料与氧气比率。因此，在同一燃烧室中可数次重复氧气、然后燃料、再蒸汽的顺序导入，以便逐步加入燃料，防止燃烧工段温度达到产生过多自由基的程度，并使燃料、氧气和稀释剂比率基本上保持稳定。

热水和/或蒸汽可通过液态水的泵送，以燃烧工段814的压力注入。在此，液体泵送比通常压缩气体消耗的电量少得多。这样，就可向系统加入稀释剂，而不用以空气中的氮气作为稀释剂。如此，可按燃烧室压力加入稀释剂，而不会出现与氮气压缩相关的能量损耗和效率降低情况。

工艺气体从最后一个涡轮逸出可在接近水的露点时有效地完成，使得冷凝器830具有最小的热传递要求。而将此实现的一个方法就是利用气体膨胀时发生的冷却。为了吸收基本上1700K的量，可在燃烧工段814采用更高的压力。

注入的水可增加系统800所发的总电量，因为它可增加通过涡轮816的气体摩尔数。虽然超氧化钠可在较低温度(393K)分解，但是文献显示，具有下式Na₂O_2.68的混合物会在250℃(523K)左右分解成Na₂O₂。之后，温度在380℃(653K)以上时，在固态观察到Na₂O₂的轻微分解。Na₂O₂在510℃熔化。545℃(818K)时，残余液态过氧化物会出现剧烈分解，并形成固态Na₂O。在510℃到545℃之间，Na₂O₂熔化，且固态Na₂O正在形成。

Na₂O可与不锈钢反应，但不会与镍反应。因此，在用作反应器822的容器中可采用以镍衬砌的壁体。一个实践中，燃烧工段可运行在148个大气压(2175psig)和1700K下。但是，也可选择其它运转温度和压力来运行，而并不偏离所要求保护的主题。

在具有强如热纯氧的氧化剂的情况下，甚至诸如纤维素、半纤维素和木质素等燃料也可以无需预处理而用作燃料(如运输燃料)。这些固态燃料可以以固体形式、乙醇、甲醇和/或水的浆料形式和/或气化成CO和H₂的形式加入燃烧工段814。杂原子生物质中的氮和硫可收集在冷凝器830或二氧化碳捕获反应器822中。在此，二氧化碳捕捉反应器822可带附加吸附剂，以去除燃烧的杂原子生物质中的矿物质、携带氮和携带硫的分子。应观察到，通过提供零排放发电机，此处描述的特定实施方式可仅排放湿气。

如上所述，从糖类中可提取适宜的燃料，如C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁。其它燃料可能含有例如碳或乱层碳，这些是由从植物碳源去除氧的过程产生的，而这种碳源将其中的氧以H₂O而非CO₂的形式去除。因为C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁等燃料可通过糖化作用，对材料进行最低限度的低成本加工制成，所以其具有实用性。糖化作用可包括更为简单的过程，且由其制备的诸如C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁等燃料保留了其大部分CO₂。

因为植物从大气中吸收CO₂，与制备乙醇相比，制取C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁的CO₂释放量最小，成本较低，并且此处所述的发电装置工艺，能够使C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁燃烧产生的CO₂实现地下封存，这样，整体效果可降低大气中CO₂的含量。

可将燃烧工段814构造为容许使用超临界水，这在某些实践中可容许燃烧工段814的压强高达5000psig。在此压强下，可采用汽轮机[Perry’s Handbook of ChemicalEngineering 6th Addition,Page 24-18]；要求更薄壁体材料的更可行压强在148Atm(2175psi)左右，这也符合目前卡车内燃所采用的压强[Internal Combustion EngineFundamentals,John Heywood,1988]。更高压强的燃烧工段814会为进入涡轮816的燃烧气体和蒸汽的膨胀实现更多冷却能力，由此使最后一个涡轮的“排气”包含更少焓，且更接近作为约373K的液态水的其起始状态。

重要的是，要注意到从最后一个涡轮逸出的气态水的比热焓只是一小部分，占冷凝器830中气态水到液态水的冷凝潜热的10％到20％。因此，由于如果燃烧工段814的温度更高，那么燃烧工段814需要的水摩尔数更少，所以在燃烧工段814的温度更高时，与水冷凝相关的效率损失就会减少。从最后一个涡轮逸出的冷却蒸汽比热损失，比在燃烧工段814采用更少水和更高温度的情况下所产生的收益小的多。

高温燃烧区域所使用的一种材料是氮化硅(Si₃N₄)。系统800所占体积和重量不大。在一个特定实践中，尽管所要求保护的主题不限于这一方面，冷凝器830可包含系统800中体积最大的容器。在特定实践中，系统800的功率密度与相当功率的内燃机相同或比其低。与用于具有相同功率的机动车辆的典型SI机组的尺寸相比，系统800的单元操作可比例相同，或者较小。

根据下列方程式，在燃烧工段814注水还可提供抑制积碳形成的优点，并在温度高于900K时，变为有利反应[Page 390,Smith and Van Ness,McGraw-Hill,ChemicalEngineering Thermodynamics,1975]。

C+2H₂O→CO₂+2H₂         (13)

C+H₂O→CO+H₂

虽然痕量的氢气可从燃烧工段814逸出，进入涡轮816，但这并不成问题，因为只要有稍稍过量的氧气可用，氢气很容易与氧气发生反应。在具体描述的实施方式中，系统800的闭路式特性不会提供除水以外的大量排气。任何少量的“非常理”燃烧产物，如CO和H₂，以及自由基，或在固态生物质包含硫和氮情况下的痕量一氧化二氮，均会在闭路式系统中被吸收或进一步反应。CO、H₂和NO能与NaO₂反应并留在系统800中。此类产物永远都不会排入空气中。最终，他们会起反应，或出现NOx和SOx时，在二氧化碳捕获反应器822中被吸收。在此，二氧化碳捕获反应器822可在温度低于120℃时运行，而正常的卡车排气温度远高于此，使其很难吸收NOx和SOx。而且，系统800的闭路式特性能使NOx和SOx多次穿过二氧化碳捕获反应器822，使其有更多停留时间被吸收器吸收。

Na₂CO₃很稳定，温度达到1121K之前不会熔化。因此，其不会对消费者的健康造成威胁，而且C₆H₁₂O₆和C₁₂H₂₂O₁₁也不会危害健康。这与极易爆炸的汽油形成鲜明对比。因为糖类或木质素是无爆炸性且无毒的，所以也可进入家庭或超市，这样燃料的物流就不成问题。

在不考虑生成一氧化碳的反应时，下列反应会将焓引入到系统800中进行的过程中。因为燃烧工段814会注入大量水，所以CO会因在该过程中与蒸汽反应产生CO₂而消耗掉。但是，如果残存有痕量CO，不会引发特殊问题，因为其为闭路式燃烧，将无CO散入大气。

[C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O+2536.7kJ/Mol]＝-2536.7kJ/Mol

[C₁₂H₂₂O₁₁+12O₂→12CO₂+11H₂O+5,155.7kJ/Mol]＝-5,155.7kJ/Mol

C₂H₅OH_(液体)+3O₂→2CO₂+3H₂O+1234.8kJ/mol

[2NaO₂+CO₂→Na₂CO₃+3/2O₂+214kJ]2/3＝142kJ/mol O₂

CO₂+0.5H₂O+NaO₂→HNaCO₃+O₂+177kJ/mol O₂

CO₂+0.5H₂O+NaO₂→HNaCO₃*H₂O+O₂+289kJ/mol O₂

假定碳酸盐为主要类型。

在80％葡萄糖和20％蔗糖的情况下，对于每单位碳原子，该系统的热量输入只有

3060.5+2080＝-5,141.3kJ/7.2C＝-714kJ/C

汽油产生的热量为-5,250.3kJ/mol和-656kJ/C

而在64％葡萄糖、16％蔗糖和20％乙醇的情况下，为

2,695.4+1866.9＝4,562.3kJ/6.16C＝-740.6kJ/C

为使用乙醇，封存反应中应包含一些碳酸盐形成和一些碳酸氢盐形成；甲醇产生CO₂与O₂的比率与糖类相同，因此，其是有利的。水合碳酸氢盐的形成会为该过程提供最多的焓。因此，有价值的是，以需要的最少乙醇使燃料始终为流动液体，或将糖类作为固体引入燃烧反应器，或将甲醇和糖类作为燃料。

为增加从非碳源加入到该系统的焓，且能够更容易地吸收一氧化碳、氮氧化物和硫氧化物，二氧化碳捕获反应器822中的产生氧气的封存材料可含其它物质。此类物质可包括，如Li₂O(与CO₂反应，并产生能增加该过程做功的热量)和NaOH(与CO反应)，或如Na₂O、LiOH和KOH等类似物。

Na₂O与水和CO₂所起的反应有如下所示的两个步骤：

Na₂O+H₂O→2NaOH

2NaOH+2CO₂→2HNaCO₃

碳酸氢钠易分解变成：

2HNaCO₃→Na₂CO₃+CO₂+H₂O

HLiCO₃比HNaCO₃的热稳定性更高。HKCO₃易分解，且K₂O也易发生歧化反应。据报导，Li₂O的熔点为1570℃。其虽不可燃，但健康MSDS级别为4级。碳酸锂(Li₂CO₃)在723℃时熔化。氧化钠不可燃，且健康MSDS级别为3级。Li₂O会在原位生成氢氧化锂，并由此产生更多热量。以下两种反应的转化吉布斯自由能均是有利的，且为负。

Li₂O+H₂O+CO₂→2HLiCO₃ΔG＝-581.5kJ/Mol

Li₂O+CO₂→Li₂CO₃ΔG＝-163kJ/Mol

因其重量很轻，所以氧化锂可提供适当的产生氧气的CO₂捕获材料，供便携电源使用。碳酸锂是一种相对安全的物质，且在药品中也有使用。这些反应会向封存过程增加如下焓，转而提高该过程的效率。但是，由于Li₂O可与NaO₂反应，所以需要将这两种物质物理分离开来。

Li₂O+H₂O+CO₂→2HLiCO₃+700kJ/mol

一个实施方式中，与氧化钠相比，氧化锂会为系统800提供更多焓。若对该过程和放热封存做如下假设，就可得出与汽油SI发动机相比的增加到发电装置的每单位碳原子的焓。

[C₆Hi₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O+2536.7kJ/Mol]＝-2536.7kJ/Mol

[Ci₂H₂₂On+12O₂→12CO₂+11H₂O+5,155.7kJ/Mol]＝-5,155.7kJ/Mol

放热封存

[Li₂O+H₂O+CO₂→2HLiCO₃+700kJ/mol]7.2＝-5,040kJ/mol

吸热分解反应

[10kJ/Mol(熔化热)+96kJ/mol+2Na₂O_2.68→Na₂O+3/2O₂]7.2＝+763.2

在80％葡萄糖和20％蔗糖的情况下，每单位碳原子输入到该系统的热量只有

-3060.5-4277＝-7,337kJ/7.2C＝-1,019kJ/C

汽油产生的热量为-5,250.3kJ/mol和-656kJ/C

如前所示，按每单位碳原子计和以摩尔计，过程800的焓变均多于汽油。由于焓会受若干因素影响，包括HLiCO₃溶解热，HLiCO₃分解成碳酸盐的趋向，以及燃烧成一氧化碳的糖量，所以这些数字均为概数。

用于放热CO₂吸附的其它物质包括BeO、MgO、CaO、Mg(OH)₂、Al₂O₃和Al(OH)₃。但是，这里只列出了部分物质，其它此类物质列于先前各例中。

根据实施方式，二氧化碳捕获反应器822可由混合物，或包含一种同时具有产生氧气和CO₂封存两种功能的材料的两个区域组成。若使用含硫和氮原子的固态生物质，其还可包含NOx和SOx吸收器。

这里参照系统800所述的特定实施方式，可具有以下一个或多个优点：(1)不压缩空气中的氮气，所以节省能量，(2)排气最少(大多为液态水和气态水)，(3)通过二氧化碳捕获反应器822上CO₂的就地放热封存会将额外热量引入该系统，(4)高浓度氧气的高氧化能力使得可使用蒸汽压较小的固体作为燃料，(5)采用涡轮而不是SI发动机配置，使我们能够使用没有蒸汽压的燃料，(6)二氧化碳被捕获和方便地形成以供运输和封存，(7)因为该燃料是从那些从空气中封存CO₂的植物中提取的，所以通过运行这种装置，二氧化碳从空气中被除去，(8)可将糖类作为燃料，因为糖类含大量氧，在消耗O₂的同时产生等量CO₂，且优于形成时会向大气释放热量和CO₂的乙醇，(9)这些燃料不会与空气发生反应，(10)在机动车辆配置中无需消音器也可实现几乎无噪运行，(12)该动力装置使木质素作为燃料成为可能——木质素不仅便宜，而且目前常处于浪费状态。

尽管系统800中未显示电池，但可采用这种电池来启动系统，例如，在燃烧工段822启动点火，向压缩机820和泵828与834供电。

如果以封存装置中如Li₂O等单独材料封存CO₂，那么通过以下反应式，气相水也足以从水与超氧化物的反应中产生大量氧气。若与水反应，超氧化钠会向该过程加入焓。

0.35kJ/mol+KO₂+H₂O(液体)→2KOH+1.5O₂

2NaO₂+H₂O(液体)→2NaOH+1.5O₂+46.8kJ

系统800的某些实践可包括O₂压缩机，如压缩机820的使用。但是，由于只是对氧气而不是对空气进行压缩，所以压缩费用比使用空气时更低，因为空气中大部分是氮气。在所述特定实施方式中，系统800在同一个二氧化碳捕获反应器822中既封存CO₂又生成氧气，在特定实施方式中，该反应器压力可保持稍高于14.7psig。这样的接近大气压力的容器可被构造为具有与压力容器相比更轻的较薄壁体。捕获碳用低压罐更方便移除和以固态超氧化物替换碳酸盐。

一个实施方式中，二氧化碳捕获反应器822未被加压。由此，可以以可拆卸盒的形式保存碳捕获材料，如NaO₂。必要时，可由消费者或在服务站简单地更换这样的NaO₂物质盒。

某些反应的反应热显示在表II中。制取碳酸氢钾的反应产生177.4kJ/mol(见其中的反应2)。

KO₂更稳定，直到至少698K[E.I.Skovnin,1962,Inorganic Academy of Sciences,USSR]，且一些研究人员报导KO₂稳定性更高(在763到803K仅熔化[I.V.Aksenova,1965,Inorganic Academy of Sciences,USSR])，但是，HKCO₃处于140℃左右就不是很稳定了。因为系统800会转移CO₂进入二氧化碳捕获反应器522，并伴有一些气态水，所以可形成碳酸氢盐。但是，这种碳酸氢盐可以以与其自身分解成碳酸盐、水和CO₂相平衡的方式产生。将CO₂更彻底地保留在二氧化碳捕获反应器822中的一种方法是包含一些LiOH与KO₂在一起。另一种方法是不去担心某些CO₂会从封存装置逸出，因为这样的逸出该装置的气体会返回燃烧工段814，基本上与表II中反应1和2生成的氧气一同再循环。为适应一些从封存中逸出的CO₂，燃烧工段814之前的压缩机以处理可变流速的方式制定尺寸，所述可变流速包括从二氧化碳捕获处理器822到燃烧工段814的泄漏的CO₂和气态水的流速。

表II反应放热

反应#	反应	放热
			1	CO2+2KO2→K2CO3+1.5O2	183.6kJ
2	CO2+0.5H2O+KO2→HKCO3+0.75O2	177.4kJ/mol
			3	H2O(g)+2KO2→2KOH+1.5O2	41.4kJ
4	KOH+CO2→HKCO3	141.1
			5	LiOH+CO2→HLiCO3(aq)	85.66

系统800中采用的压缩机820可通过工艺水在级间冷却，以减少运行所需的电量。但是，也可以有利地限制氧气冷却以使热氧气进入燃烧工段814。

根据实施方式，系统800会将高浓度氧气引入燃烧工段814，且可将燃料库826彼此隔热。燃料可按燃烧工段814的压力加入燃烧工段814。纤维素二醣，建议的燃料之一，在498K时可自身分解。因此，将纤维素二醣作为固体引入可以以在投入燃烧工段814之前不分解的方式完成。

在投入燃烧工段814时将此类固体保持低于其分解温度的一个方法是，以工艺水冷却并将糖源与燃烧工段814隔离。若以溶液或浆体等形式引入燃料，那么流向该室的速度可比固体引入速度更快，且在投入过程中不易分解。某些构成中，可使单糖以受控方式分解，以便将一氧化碳和氢气的混合物引入燃烧工段814。

单糖，C_nΗ_2yO_n，在存在高温水或蒸汽时，易被转化成低温合成气体[J.A.Dumesic,Applied Catalysis B:Environmental 56,171–186,2005]。合成气体是一种有用燃料。单糖到合成气体的转化可使固态糖类转化为燃烧工段814的压力下的气体，以避免需要对CO和H₂进行压缩。

与糖类不同，作为燃料，碳或木质素或者更小程度上的半纤维素不会自身分解。从植物中提取且不含无机物的碳，也可作系统800的燃料。在利用糖类脱水的工艺中可产生碳。否则，制取燃料的这种工艺就会向空气中增加CO₂。

一个实例中，浓硫酸(H₂SO₄)可用来对如糖类进行脱水。蔗糖可经脱水生成碳和水。糖类生成的这种水能使硫酸发生水合。酸和水之间形成强氢键使该过程强烈放热。

如采用碳代替糖类，燃料中少量焓会损耗掉，因其会产生以下发热。无论其生成的气体摩尔量如何，每摩尔固体C生成一摩尔CO₂，而每摩尔固态蔗糖会生成约12摩尔CO₂和水。但是，通过向燃烧工段814注入水以产生驱动涡轮的气态水，仍可将碳燃烧的热量用于涡轮发电。

C+O₂→CO₂+393.5kJ或393.5kJ/C

这与葡萄糖的422.78kJ/C和蔗糖的429.6kJ/C形成鲜明对比

一个替代方式中，系统800中的燃料可含以水制成溶液并以液体泵送进燃烧工段814的碳粉。因为将水加入了燃烧工段814；或者以含乙醇的浆体形式从而可防止冻结，这显得特别有用。泵送液体是施用燃料的一个方法。尽管存在担心燃料如果在水溶液中其能否燃烧的问题，就上述发电工艺而言，基本上纯的氧气会被压缩至燃烧工段814，以较高的温度到达。水入口处的高温会使保持燃料的水溶液蒸发，然后使燃料燃烧。

也可配制单糖溶液，将燃料以液体形式注入。可容易地将蔗糖、葡萄糖和木糖加入溶液。葡萄糖很容易溶解在水中，并可作为液体溶液代替本专利中讨论的所有设计中的固体，泵送到燃烧工段814。若糖类预先与水混合，其易燃性会降低，但是有几种解决这种局限性的方案。首先，进入燃烧工段814的氧气会因压缩而变热，其次，可采用诸如加压甲烷等启动燃料，使燃烧工段814开始升至高温，这样如果水进入燃烧工段814，就可以立即使水蒸发。

系统800的热-电过程有两种热量输入：(1)燃料的燃烧，和(2)CO₂与超氧化物，或CO₂与超氧化物和过氧化物的混合物，或CO₂与超氧化物和其它不产生氧气的吸收剂的混合物反应产生的热量。这种双热源可提高含碳燃料的发电效率。

薄膜840可从提供给二氧化碳捕获反应器822的CO₂中分离出水。有几种透水性的薄膜可选。胺类薄膜可用于低温CO₂。而且，很多亲水薄膜，如醋酸纤维素，也可分离出水。

葡萄糖能使水的冰点温度降低约5摄氏度，但当温度接近冰点时，糖水混合物粘度会升高。甲醇本身或与糖类混合均不会冻结。此处，系统800也可采用直接注入固态糖类而不是水溶液，避免冻结问题。这种固态燃料可气动注入。这里，气动方式的优点是，可以更快速地添加固体，使之在注入过程中没有时间分解；氧气可作气动气体。

另一实施方式中，燃料可保持为植物中提取的乙醇和糖类的液体溶液。例如，所用乙醇量可为使燃料溶液保持在冬季温度条件下流动所需的最小乙醇量。

乙醇的每单位碳原子燃烧热量约为616.9kJ/mol，而葡萄糖的每摩尔燃烧热量约为每单位碳原子422.8kJ，因此，乙醇会通过每单位碳原子增加更多焓而有助于该过程的发电。与葡萄糖水混合物不同，葡萄糖乙醇混合物与高浓度热氧气接触时会燃烧。不过，乙醇需要的氧气比其生成的CO₂多，所以二氧化碳捕获反应器822中的产生氧气的封存材料对于每摩尔CO₂可产生多于一摩尔的O₂；封存成碳酸盐而不是碳酸氢盐，每摩尔CO₂产生的氧气为1.5摩尔。

尽管少量乙醇可帮助燃料防冻，但糖类对于特定实施方式的过程仍是极好的燃料，因为每种糖在燃烧中燃烧每摩尔燃料中的碳会消耗约1摩尔氧气，而对于每摩尔碳，乙醇需要1.5摩尔外来氧气，汽油需要1.56摩尔氧气。混合有甲醇的单糖也可用作燃料混合物，因为甲醇有助于单糖流动，且不会在通常的地面温度时冻结。原位产生氧气成了可行的选择，因为和糖类一样，此类燃料会向燃烧工段814引入更多氧气。可用来产生氧气并产生热量的反应见以下化学式所示。

CO₂+2KO₂→K₂CO₃+1.5O₂      O₂/M＝1.5/2O₂/CO₂＝1.5

CO₂+Na₂O₂→Na₂CO₃+1O₂        O₂/M＝1/2O₂/CO₂＝1

式(15)    CO₂+Na₂O_2.68→Na₂CO₃+1.68O₂   O₂/M＝1.68/2O₂/CO₂＝1.68

式(16) Na₂O_2.68→Na₂O+1.68O₂   O₂/M＝1.68/2O₂/CO₂＝∞&

吸热反应

2KO₂+2OH-→2e-+2KOH+2O₂  O₂/M＝2/2O₂/CO₂＝∞

CO₂+2NaO₂→Na₂CO₃+1.5O₂     O₂/M＝1.5/2O₂/CO₂＝1.5

CO₂+0.5H₂O+NaO₂→HNaCO₃+O₂    O₂/M＝1/1O₂/CO₂＝1

M＝K或Na(或Rb、Cs、Li)

对于原位产生氧气和封存，若采用以上反应来产生氧气，与系统800中生成的氧气相比，希望不会产生过多CO₂。纤维素二醣、葡萄糖、半纤维素、碳水化合物或碳的燃烧满足这一要求，这些燃料需要较少的氧气，而异辛烷和甲烷的燃烧则不然。

式17和18的反应消耗的氧气，多于通过上述式的反应将CO₂转化成氧气所产生的氧气量。在燃料:空气的有限范围内，式7的反应可与汽油并用。

C₁₂H₂₂O₁₁+12O₂→12CO₂+11H₂O       O₂/CO₂＝1

C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O          O₂/CO₂＝1

C+O₂→CO₂                       O₂/CO₂＝1

式(17)  C₈H₁₈+12.5O₂→8CO₂+9H₂O       O₂/CO₂＝1.56

式(18):   CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O         O₂/CO₂＝2

糖类，如木糖、葡萄糖和纤维素二醣是原位产生氧气的闭路式发电工艺的极好的燃料，因其与超氧化物、过氧化物和半过氧化物(Na₂O_2.68)混合时，对氧气的需求和氧气产生潜力是1:1。

从系统800捕获的CO₂可通过船运、铁路运输和/或其它方式运至永久封存地点。可填埋碳酸盐或将其加热，以释放CO₂并将CO₂置于某地质构造中。适当的地质构造包括在存在CO₂时会反应的地下盐水或地下盐类。若在二氧化碳捕获反应器822中使用两摩尔KO₂和一摩尔K₂O₂混合物，以碳酸盐的形式捕获CO₂，那么随后还可将碳酸盐转化回CO₂。

使碳酸钾/氢氧化钾恢复到KO₂+1/2K₂O₂可使用空气，但容易伴随形成NOx(高温空气氧化的问题)。

以681kJ/C的单糖开始并需要257kJ/C的热量来将碳酸盐再生为KO₂+1/_xK₂O₂的效率为55％的系统过程，可实现净功率为正并除去CO₂的过程。燃气轮机816入口温度越高，发电过程的总效率就越高，只要有足够的压力适应利用该温度所需要的涡轮膨胀即可。

伴随有两摩尔KO₂和一摩尔K₂O₂的再生以及CO₂的封存的系统800的全过程，可使净功率为正，并从大气中去除CO₂。从大气中去除CO₂能降低大气中CO₂的浓度。大气中CO₂浓度的降低能扭转全球变暖的趋势。

尽管已列举并说明了目前视为示例特征的内容，但本领域技术人员会明白，可作出各种其它修改，可进行等效替换，而并不偏离所要求保护的主题。此外，可作出多种修改来使具体状况适应于所要求保护的主题的教导，但不偏离本文所述的核心构思。因此，旨在说明所要求保护的主题不限于所揭示的特定实施方式，所要求保护的主题还包括落入所附权利要求及其等同方式的范围内的所有方面。

Claims (14)

1.一种方法，所述方法包括：

燃烧碳水化合物燃料，以生成热量和CO₂；和

利用所述CO₂来使得能够进行生成基本上纯的O₂的反应，

其中，所述燃烧包括将所述碳水化合物燃料与所述基本上纯的氧气混合，所述基本上纯的氧气的生成量基本上等于所述燃烧所述碳水化合物燃料消耗的氧气量。

2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括响应于所述热量来驱动涡轮发电。

3.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括从所述反应产生额外电流。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述碳水化合物包含单糖。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述生成氧气的反应包括将2KO₂+K₂O₂与所述CO₂混合。

6.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括利用来自所述反应的热量来产生额外的过程电能。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述利用来自所述反应的所述热量包括，利用所述热量来帮助在水/蒸汽涡轮能量循环中产生蒸汽。

8.如权利要求1所述的方法，其中，该过程仅有的排放物基本上为湿气。

9.如权利要求4所述的方法，所述方法还包括在所述燃烧之前，利用热蒸汽将固态单糖转化为CO和H₂。

10.如权利要求6所述的方法，其中，生成基本上纯的O₂的反应的热量和所述燃烧的热量基本上都传给了发电系统中所含的加压水。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述产生电流包括，在移动式发电装置产生所述电流。

12.如权利要求1所述的方法，其中，所述燃烧还包括在较高压力下燃烧所述碳水化合物燃料，以生成热量和加压的CO₂蒸汽。

13.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括以固态形式捕获所述CO₂。

14.一种发电系统，所述发电系统包含：

用于存储碳水化合物燃料的储罐；

适用于燃烧所述燃料以产生热量和CO₂的燃烧工段；和

响应于与所述CO₂的反应而生成基本上纯的氧气的反应器，

其中，所述燃烧工段适用于将所述碳水化合物燃料与所述基本上纯的氧气混合，响应于所述反应而生成的所述基本上纯的氧气的量基本上等于在所述燃烧工段燃烧所述碳水化合物燃料消耗的氧气量。