RU2393116C2 - Композиция на основе гуанидина и система для указанной композиции - Google Patents

Abstract

Предложены способ и устройство, предназначенные для генерирования энергии из композиции, содержащей гуанидин в количестве приблизительно от 10% до 100% от массы композиции, а также способ и устройство для получения указанной композиции. Способ выработки энергии при помощи композиции, содержащей гуанидин, включает: (а) реакцию композиции с водой с образованием аммиака и диоксида углерода; и (b) либо окисление аммиака, полученного в операции (а), с образованием воды и азота и выработкой энергии; либо превращение аммиака, полученного в операции (а), в азот и водород, и (с) окисление водорода, полученного в операции (b), с образованием воды и выработкой энергии. Способ получения композиции, содержащей гуанидин, используемой в способе выработки энергии, включает (а) использование источника энергии для извлечения водорода из воды; (b) реакцию водорода, полученного в операции (а), с азотом с образованием аммиака; (с) реакцию части аммиака, полученного в операции (b), с диоксидом углерода с образованием мочевины; (d) реакцию мочевины, полученной в операции (с), с частью аммиака, полученного в операции (b), с образованием композиции, содержащей гуанидин. Предложенные способ и устройство позволяют вырабатывать энергию из композиции, содержащей гуанидин, которая при смешивании с водой представляет собой альтернативу ископаемым топливам и имеет преимущества перед ископаемыми топливами с точки зрения безопасности и экологии. 4 н. и 43 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение относится к композиции на основе гуанидина. Настоящее изобретение также относится к способу получения энергии из композиции на основе гуанидина. Настоящее изобретение также относится к способу приготовления композиции на основе гуанидина.

Уровень техники

Ископаемые топлива составляют самый большой источник энергии в мире. Доступность в больших количествах, высокая плотность энергии и относительно низкая себестоимость делают ископаемые топлива предпочтительными видами топлива, используемого как многими отраслями промышленности, так и потребителями. Тем не менее требования безопасности, экологические требования, а также необходимость уменьшения зависимости промышленно развитых стран от нефти, импортируемой относительно небольшим количеством стран - производителей нефти, заставляют искать альтернативный источник энергии, способный заменить ископаемые топлива. Несмотря на перечисленные выше веские аргументы в пользу новых энергетических ресурсов, до сих пор еще не найдено экономически выгодное, безопасное и легкодоступное топливо, способное заменить ископаемые топлива, в особенности топлива, применяемые в автомобильной промышленности и используемые в переносных источниках питания, хотя и были проведены широкомасштабные исследования, нацеленные на разработку топлив, обладающих большинством положительных характеристик бензина, но не имеющих его недостатков.

Новое альтернативное топливо должно соответствовать некоторым требованиям. Стоимость такого топлива должна быть конкурентоспособной в сравнении со стоимостью имеющихся в настоящее время энергетических ресурсов. Такое топливо не должно иметь нежелательных выбросов. Для избежания частых дозаправок топливо должно иметь высокую энергетическую плотность, подобную энергетической плотности бензина. Топливо должно быть безопасно в обычном обслуживании. Предпочтительно, топливо должно быть невзрывоопасным и иметь низкую токсичность. Наконец, такое топливо должно быть доступно через сеть распространения (сбыта), которую можно легко расширять. Таким образом, в настоящей области техники имеется необходимость создания топлива, имеющего все вышеуказанные характеристики.

Предпринимаемые в настоящее время усилия, нацеленные на создание новых видов топлива, не привели получению топлива, способного конкурировать по стоимости с бензином. Кроме того, эффективность любого предложенного альтернативного источника энергии оказывалась проблематичной. Например, несмотря на то, что водород может быть получен как из ископаемых, так и из неископаемых источников, проблемы, связанные с его транспортировкой и хранением, делают водород малоприемлемым в качестве топлива для обычного потребителя. Другие виды топлива, такие как метанол, токсичны и легко воспламеняются, и, кроме того, для их экономически выгодного производства требуется определенное количество ископаемого топлива, получаемого либо в виде природного газа, либо в виде монооксида углерода. Для многократного использования таких источников водорода, как химические гидриды, несомненным преимуществом которых является легкость и эффективность их применения, необходимо регенерирующее оборудование, например, описанное в патентах США 5804329 и 6534033.

Компанией Amendola (патентная заявка США 20030219371) были предложены способы производства таких топлив, как аммиак и водород, из композиций, содержащих мочевину. Термин «мочевина» использовали в компании Amendola для обозначения любого из компонентов коммерчески доступной мочевины, включая мочевину NH₂CONH₂, карбамат аммония, карбонат аммония, бикарбонат аммония, формиат аммония, ацетат аммония или смесь двух или более из названных компонентов. Применение мочевины в качестве энергоносителя ограничено растворимостью и температурой плавления мочевины. Температура плавления мочевины (132-135°С) слишком высока для удобной работы с твердыми композициями, находящимися в расплавленном виде. Растворимость мочевины составляет приблизительно 1 кг мочевины на 1 кг воды. При превращении насыщенного водного раствора мочевины в аммиак на каждый объем получаемого аммиака высвобождается 1 объем водяного пара и 0,5 объема диоксида углерода, что делает продукт неприемлемым для непосредственного его использования в качестве топлива. Кроме того, водяной пар, диоксид углерода и аммиак самопроизвольно реагируют с образованием твердого карбоната аммония, который может осаждаться на внутренних поверхностях устройства, затрудняя его нормальное функционирование. Необходимость перевозки тройного объема воды по отношению к объему, требуемому для превращения мочевины в аммиак, значительно увеличивает массу транспортного средства, что отрицательно сказывается на экономической характеристике топлива.

Избежать проблем, связанных с использованием композиций, содержащих мочевину, можно при использовании других энергоносителей, реагирующих с водой с образованием аммиака. Например, гуанидин (СN₃Н₅) в виде свободного основания может быть разложен на аммиак и диоксид углерода в присутствии воды. Гуанидин неограниченно растворим в воде и имеет подходящую температуру плавления (50°С), что позволяет перевозить его в виде твердого вещества, но использовать внутри двигателя в виде жидкости. В виде сильно концентрированного водного раствора или в виде расплава гуанидин можно смешивать с точным количеством воды, необходимым для проведения реакции, что минимизирует количество паров воды в получающемся аммиаке. При проведении реакции образования аммиака на каждый объем аммиака образуется одна треть объема диоксида углерода, что позволяет непосредственно использовать продукт реакции в качестве топлива. Низкие концентрации воды, присутствующей в топливе, сводят к минимуму образование осадка карбоната аммония на стенках устройства. Удельная энергия гуанидина приблизительно в 1,5 раза выше, чем у сухой композиции, содержащей мочевину. Энергетическое содержание 2 тонн гуанидина приблизительно эквивалентно энергетическому содержанию 3 тонн мочевины, что снижает затраты на транспортировку и хранение сухих материалов, применяемых в топливе.

Гуанидин может быть получен из аммиака и мочевины (Shaver, патент США 3108999); каждое из этих веществ в настоящее время производится в больших количествах. В соответствии с патентом США 4157348, коммерчески производимая мочевина содержит менее 1 мас.% общего гуанидина (суммарное количество, включающее гуанидин в виде свободного основания, все соли гуанидина и производные гуанидина, такие как гуанилмочевина), который может быть извлечен из мочевины и может обеспечить еще один источник топлива. Учитывая высокую реакционную способность гуанидина в виде свободного основания по отношению к диоксиду углерода и воде, присутствующих во время производства мочевины, вероятно, что в технической мочевине гуанидин находится в виде солей, таких как карбонат гуанидина и гидроксид гуанидина. Соли гуанидина, извлекаемые при производстве гуанидина, могут быть частично превращены в гуанидин в виде свободного основания путем реакции с сильным основанием. Стабильное производство гуанидинового топлива может быть осуществлено при использовании способа Шейвера (Shaver), поскольку сырьем для него являются водород, азот и диоксид углерода. Азот может быть извлечен из воздуха достаточно дешевым способом. Водород может быть получен при электролизе воды с использованием электричества, производимого ветряными турбинами, расположенными в удаленных областях, таких как Алеутские острова или участки Северной Дакоты, Орегона и Вашингтона. Использование энергии ветра или других возобновляемых источников энергии позволит осуществить производство и доставку гуанидина по цене, конкурентоспособной с ценой бензина или дизельного топлива.

При комнатной температуре гуанидин - твердое вещество; его можно поставлять в одноразовых или многократно используемых контейнерах в розничные торговые точки, такие как бакалейные магазины. Гуанидин также представляет собой удобрение, содержащее приблизительно 71 мас.% азота; таким образом, вблизи источников ветряной энергии могут быть налажены сельскохозяйственные работы, полностью обеспечиваемые как искусственным удобрением, так и топливом, необходимым для работы энергоемкого оборудования, применяемого в современной агротехнике.

Сущность изобретения

Соответственно, задачей настоящего изобретения является способ выработки энергии при помощи воды и композиции, содержащей гуанидин. Первая форма реализации указанного способа включает: (а) реакцию композиции с водой с образованием аммиака; и (b) окисление аммиака, полученного в операции (а), с образованием воды и азота и выработкой энергии.

Вторая форма реализации указанного способа включает: (а) реакцию композиции с водой с образованием аммиака; (b) превращение аммиака, полученного в операции (а), в азот и водород; и (с) окисление водорода, полученного в операции (b), с образованием воды и выработкой энергии.

Задачей настоящего изобретения также является создание устройства, предназначенного для выработки энергии из композиции, содержащей гуанидин и воду. Первая форма реализации указанного устройства включает: (а) первый контейнер, предназначенный для композиции; (b) второй контейнер, предназначенный для воды; (с) третий контейнер, предназначенный для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи композиции из первого контейнера в третий контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи воды из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для хранения аммиака, причем четвертый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в четвертый контейнер; и (е) пятый контейнер, предназначенный для окисления аммиака с образованием воды и азота и выработкой энергии, причем пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи аммиака из четвертого контейнера в пятый контейнер.

Вторая форма реализации устройства включает: (а) первый контейнер, предназначенный для композиции; (b) второй контейнер, предназначенный для воды; (с) третий контейнер, предназначенный для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи композиции из первого контейнера в третий контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи воды из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для хранения аммиака, причем четвертый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в четвертый контейнер; (е) пятый контейнер, предназначенный для превращения аммиака в азот и водород, причем пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи аммиака из четвертого контейнера в пятый контейнер; (f) шестой контейнер, предназначенный для водорода, причем шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи водорода из пятого контейнера в шестой контейнер; и (g) седьмой контейнер, предназначенный для окисления водорода с образованием воды и выработкой энергии, причем седьмой контейнер соединен с шестым контейнером при помощи средств подачи водорода из шестого контейнера в седьмой контейнер.

Третья форма реализации устройства включает: (а) первый контейнер, предназначенный для композиции; (b) второй контейнер, предназначенный для воды; (с) третий контейнер, предназначенный для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи композиции из первого контейнера в третий контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи воды из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для хранения аммиака, причем четвертый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в четвертый контейнер; (е) пятый контейнер, предназначенный для превращения аммиака в азот и водород, причем пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи аммиака из четвертого контейнера в пятый контейнер; (f) шестой контейнер, предназначенный для хранения водорода, причем шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи водорода из пятого контейнера в шестой контейнер; и (g) средства подачи водорода из шестого контейнера в резервуар для хранения водорода, находящийся в транспортном средстве, в котором для выработки энергии в качестве топлива применяют водород.

Задачей настоящего изобретения также является способ получения композиции, содержащей гуанидин. Одна из форм реализации указанного способа включает: (а) использование источника энергии для извлечения водорода из воды; (b) реакцию водорода, полученного в операции (а), с азотом с образованием аммиака; (с) реакцию части аммиака, полученного в операции (b), с диоксидом углерода с образованием мочевины; (d) реакцию мочевины, полученной в операции (с), с частью аммиака, полученного в операции (b), с образованием композиции, содержащей гуанидин.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является устройство, предназначенное для получения композиции, содержащей гуанидин. Одна из форм реализации указанного устройства включает: (а) первый контейнер, предназначенный для извлечения водорода из воды при помощи энергии; (b) второй контейнер, предназначенный для азота; (с) третий контейнер, предназначенный для проведения реакции водорода с азотом с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи водорода из первого контейнера во второй контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи азота из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для диоксида углерода; (е) пятый контейнер, предназначенный для проведения реакции аммиака с диоксидом углерода с образованием мочевины, причем пятый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в пятый контейнер, и пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи диоксида углерода из четвертого контейнера в пятый контейнер; (f) шестой контейнер, предназначенный для реакции мочевины с аммиаком с образованием композиции, содержащей гуанидин, причем шестой контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в шестой контейнер, и шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи мочевины из пятого контейнера в шестой контейнер.

Как описано ниже, композиция, содержащая гуанидин, при смешивании ее с водой представляет собой подходящую альтернативу ископаемым топливам. Композиция обладает высокой удельной энергией и плотностью энергии, экологически безопасна и проста в обращении. Было показано, что гуанидин представляет собой удобрение, таким образом, мелкие частицы гуанидина не представляют собой большой экологической опасности.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показано схематическое изображение заключенной в герметизирующую капсулу гуанидиновой композиции.

На Фиг.2 показано схематическое изображение первой формы реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.3 показано схематическое изображение второй формы реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.4 показано схематическое изображение третьей формы реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.5 показано схематическое изображение четвертой формы реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.6 показано схематическое изображение формы реализации реакционной камеры, включающей полупроницаемую мембрану, селективно пропускающую Н₂.

На Фиг.7 показано схематическое изображение пятой формы реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.8 показано схематическое изображение формы реализации реакционной камеры, включающей заменяемый картридж, электрический нагреватель и систему нагревательных трубок.

На Фиг.9 показано схематическое изображение формы реализации устройства для получения композиции, содержащей гуанидин.

Цифровые обозначения на чертежах

1. Контейнер с гуанидиновой композицией.

2. Контейнер с водой.

3. Контейнер, предназначенный для реакции композиции с водой с образованием аммиака.

4. Контейнер для хранения аммиака.

5. Контейнер для окисления аммиака - в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или топливного элемента (ТЭ).

6. Контейнер для превращения аммиака в азот и водород.

7. Контейнер для хранения водорода.

8. Контейнер для окисления водорода с образованием воды и выработкой энергии.

9. Конденсатор для отработанной воды.

10. Контейнер для селективного каталитического восстановления (СКВ).

11. Свободный выброс оксида азота.

12. Выброс.

13. Гуанидиновая композиция.

14. Герметизирующий слой.

21. Контейнер для электролиза воды или солевого раствора.

22. Контейнер для хранения азота.

23. Контейнер для превращения азота и водорода в аммиак.

24. Контейнер для хранения диоксида углерода.

25. Контейнер для превращения аммиака и диоксида углерода в мочевину.

26. Контейнер для превращения мочевины и аммиака в гуанидиновую композицию.

27. Контейнер для хранения гуанидиновой композиции.

60. Средства подачи газообразных веществ.

63. Средства подачи жидких веществ.

68. Средства подачи гуанидиновой композиции в реактор 3.

Подробное описание изобретения

Гуанидин, производимый для использования в качестве топлива, не является гуанидином 100% чистоты. Соответственно, используемый в настоящем описании термин «гуанидин» предназначен для обозначения любой из составляющих гуанидина, получаемых при его промышленном производстве при помощи способов, подобных способу, описанному Kenneth J. Shaver в патенте США 3108999, которые представляют собой свободный гуанидин и гуанидиновые соли, и любой такой компонент способен взаимодействовать с водой с образованием аммиака согласно изобретению. Другие компоненты могут включать мочевину, карбамат аммония, карбонат аммония, бикарбонат аммония, формиат аммония, ацетат аммония, биурет, меламин, карбонат гуанидина, гидроксид гуанидина, гуанилмочевину или смесь двух или более из указанных компонентов. Реакция гуанидина с водой может быть представлена следующим стехиометрическим уравнением:

Эта реакция проходит в две стадии. На первой стадии молекула гуанидина реагирует с водой с образованием молекулы аммиака и молекулы мочевины. Молекула мочевины немедленно реагирует с водой с образованием двух молекул аммиака и одной молекулы диоксида углерода. Немедленная реакция мочевины, получающейся при разложении гуанидина, является значительным преимуществом, поскольку это позволяет получать в растворе эффективные концентрации мочевины, превосходящие равновесную растворимость мочевины в воде. Реакцию (1) предпочтительно проводят при температуре в диапазоне приблизительно от 50°С до 240°С и давлении в диапазоне примерно от 1 атмосферы окружающей среды (абсолютной) до примерно 50 стандартных атмосфер. Тепло, требуемое для проведения экзотермической реакции (1), может быть получено из отходящего тепла, генерируемого двигателем или топливным элементом, в котором окисляют или сжигают аммиак или водород. Этот источник энергии может быть дополнен добавочным источником энергии, в частности, для инициирования реакции (1). Предпочтительным дополнительным источником энергии является батарея, которая может представлять собой часть устройства, предлагаемого в настоящем изобретении, и служить источником электричества.

Масса гуанидина в композиции может находиться в диапазоне приблизительно от 10% до 90% от массы композиции. В одной из форм реализации композицию можно хранить в твердом состоянии и транспортировать в реакционную камеру, расплавляя ее при температуре приблизительно 50°С. Температура плавления чистого гуанидина составляет 50°С. Образование смеси с другими компонентами, такими как мочевина, снижает температуру плавления; в одной из форм реализации композиция содержит гуанидин и мочевину в виде эвтектической смеси, которая плавится при постоянстве состава при температуре ниже 50°С. Теплота, необходимая для плавления композиции, может быть получена из тепла, генерируемого двигателем или топливным элементом. Указанный источник тепла может быть снабжен нагревателем типа электрического сопротивления, в котором нагревательные элементы находятся внутри контейнера, в котором находится композиция, или окружают его. В форме реализации, изображенной на Фиг.1, гуанидиновая композиция 13 заключена в герметизирующую капсулу из слоя материала 14, более устойчивого, чем гуанидиновая композиция, и предотвращающего протекание реакции гуанидиновой композиции с влагой и диоксидом углерода, находящимися в воздухе. Кроме того, заключенная в герметизирующую капсулу гуанидиновая композиция может находиться в виде мелких гранул, которые можно легко засыпать в контейнеры для хранения в местах розничной торговли или в само устройство. Герметизирующий слой состоит из веществ, которые легко разлагаются на аммиак и другие газообразные продукты в рабочих условиях, используемых для осуществления реакции гуанидиновой композиции с водой с получением аммиака. В другой форме реализации гуанидин растворяют в растворителе, таком как вода или этанол, и транспортируют в реакционную камеру в виде раствора. Гуанидин неограниченно растворим в воде, метаноле или этаноле, что позволяет использовать композиции с высоким содержанием гуанидина, имеющие низкую температуру замерзания. Концентрацию воды можно выбрать в строгом соответствии со стехиометрическими соотношениями уравнения (1). При использовании этанола в качестве растворителя пары этанола выходят из реакционной камеры вместе с аммиаком и способствуют усилению горючести получающейся смеси. Явное преимущество использования твердого гуанидина состоит в простоте обращения с твердым топливом, а также в возможности точной дозировки подачи гуанидина и воды в реакционную камеру, что позволяет сводить к минимуму присутствие избытка воды. Избыточная вода снижает концентрацию аммиака, получаемого в реакции (1), и может препятствовать правильному зажиганию топлива. Использование воды, извлекаемой из выбросов двигателя или топливного элемента, снижает необходимость транспортировки воды и повышает удельную энергию топлива.

Композиция может содержать компонент, выбираемый из группы, состоящей из горючего топлива, усилителя горения и их сочетания. В первой и второй формах реализации способа, предлагаемого в настоящем изобретении, горючее топливо может присутствовать в количестве, достаточном для генерирования при его сжигании такого количества тепла, которое достаточно для инициирования реакции композиции с водой, приводящей к образованию аммиака. В альтернативном случае двигатель может начать работу на запасенном аммиаке, а топливный элемент может начать работу на запасенном водороде, и продолжать эту работу до тех пор, пока теплота, произведенная двигателем или топливным элементом, не станет достаточной для увеличения скорости реакции композиции с водой. Двигатель с воспламенением от сжатия (дизельный двигатель) может первоначально работать с использованием впрыска гуанидиновой композиции, если концентрация этанола или метанола в ней превышает приблизительно 30%. В третьей форме реализации способа, предлагаемого в настоящем изобретении, теплоту, необходимую для начала реакции, подводят за счет электричества, используя подсоединение к локальным линиям электропитания.

Окисление водорода с образованием воды может быть проведено путем сжигания водорода в двигателе. Аналогично, окисление аммиака с образованием азота и воды может быть проведено при сжигании аммиака в двигателе. В альтернативном случае аммиак и водород могут быть окислены в аммиачном топливном элементе и водородном топливном элементе, соответственно. Примеры топливных элементов включают высокотемпературные топливные элементы, такие как топливные элементы, работающие на твердых оксидах, и топливные элементы, работающие на расплавленных карбонатах, и относительно низкотемпературные топливные элементы, такие как щелочные топливные элементы, топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМ) и топливные элементы с использованием фосфорной кислоты.

Сжигание аммиака с образованием воды и азота также может приводить к образованию оксидов азота общей формулы N_xO_y, таких как, например, NO или NO₂. В зависимости от условий реакции могут быть получены повышенные концентрации оксидов азота. Оксиды азота являются загрязняющими веществами, и их выбросы следует регулировать. Преимуществом применения аммиака в качестве топлива, предлагаемого в настоящем изобретении, является возможность снижения или полного устранения загрязнения окружающей среды, вызываемого оксидами азота, при использовании реакции несгоревшего аммиака, выходящего из камеры сгорания, с оксидами азота в реакторе дожигания. Несгоревший аммиак действует как восстановитель, восстанавливающий оксиды азота до молекулярного азота.

Использование аммиака и способ восстановления оксидов азота были описаны в нескольких патентах в качестве способа восстановления N_xO_y как на движущихся, так и на неподвижных источниках, использующих сжигание. Примеры таких патентов включают патенты США 5399325, 6403046, 6354079, 6312650, 6182443,6146605, 5832720, 5746144, 5399326, 5281403 и 5240689.

Несмотря на то, что мочевина и аммиак использовались в качестве средств уничтожения загрязняющих веществ в стационарных источниках, эти соединения не использовали в движущихся источниках, вероятно, по той причине, что большинство потребителей не замечали каких-либо изменений в технических характеристиках транспортного средства в отсутствии средства уничтожения загрязняющих веществ, и следовательно, забывали пополнять резервуар, содержащий средство уничтожения загрязняющих веществ. Соответственно, изготовители изыскивают средство, которое не требует пополнения запаса в дополнение к пополнению запаса топлива. В настоящее время решение указанной проблемы включает использование трехкомпонентных нейтрализаторов, применяемых в качестве присадок к топливу, или впрыск небольших количеств бензина в реактор выпуска.

Применение композиций, содержащих гуанидин, дает простое и эффективное решение проблемы загрязнения среды, вызываемого оксидами азота. Поскольку из гуанидина получают аммиак, одновременно представляющий собой как топливо, так и восстановитель NO_x, устройство, в котором аммиак применяют в качестве топлива, также способно обеспечить снижение собственных выбросов. Пока имеется топливо для работы двигателя, в его выхлопе будет находиться некоторое количество несгоревшего аммиака, способного нейтрализовать NO_x, выделяемые при горении. Соотношение воздух/аммиак в топливной смеси может быть подобрано таким образом, чтобы обеспечить в выхлопе минимальное количество аммиака, необходимое для полного разложения оксидов азота. Соответственно, потребителям потребуется только одна заправка, поскольку для обеих указанных целей требуется одно и то же вещество.

Композиция также может включать усилитель горения. Предпочтительные усилители горения включают нитрат аммония, нитрат гуанидина, нитрогуанидин, аммиак, гидразин и некоторые водорастворимые соединения, которые могут быть получены из возобновляемых источников или отходов, такие как изопропанол, этанол или метанол. Кроме способствования горению, такие усилители горения также могут снижать температуру замерзания топлива, если его поставляют в жидком виде.

Для выработки энергии, получаемой при проведении реакции композиции, содержащей гуанидин, с водой в соответствии со способом согласно настоящему изобретению, может быть использовано несколько вариантов реализации. В соответствии с первым вариантом реализации, гуанидин реагирует с водой с образованием аммиака по уравнению (1). Затем аммиак, полученный в реакции гуанидина с водой, окисляют с образованием воды и азота и выделением энергии. Окисление аммиака может быть проведено сгоранием аммиака внутри двигателя. Двигатель может представлять собой двигатель со степенью сжатия, по меньшей мере подобной степени сжатия двигателей, обычно применяемых в данной области техники, например, равной 9:1, или со степенью сжатия, превышающей степени сжатия, обычно применяемые в данной области техники, например, равной 30:1 или более, или со степенью сжатия в диапазоне от 9:1 до 30:1. В альтернативном случае аммиак может быть нагрет в аммиачном топливном элементе. Первый вариант реализации способа, предлагаемого в настоящем изобретении, может дополнительно включать операцию проведения реакции достаточного количества несгоревшего аммиака, находящегося в выхлопе после сгорания, с оксидами азота, образующимися при сгорании аммиака, для восстановления указанных оксидов азота.

Во втором варианте реализации способа, предлагаемого согласно настоящему изобретению, гуанидин, находящийся в композиции, реагирует с водой с образованием аммиака по уравнению (1). Аммиак, получаемый в реакции гуанидина с водой, затем подвергают «реформингу», или превращают в азот и водород. Водород, получаемый при конверсии аммиака, затем окисляют с образованием воды и выделением энергии. Окисление водорода может быть выполнено путем сжигания водорода в двигателе. В альтернативном случае водород может быть окислен в водородном топливном элементе. Количество энергии, требуемое для доведения топливного элемента до рабочей температуры указанной реакции, может быть получено от электрического нагревателя или при помощи окисления небольшого количества водорода in situ.

В соответствии с третьим вариантом реализации способа, предлагаемого в настоящем изобретении, гуанидин, находящийся в композиции, реагирует с водой с образованием аммиака по уравнению (1). Аммиак, получаемый в реакции гуанидина с водой, затем подвергают «реформингу», или превращают в азот и водород. Водород затем хранят в контейнере до его подачи в топливный бак транспортного средства, в котором водород используют в качестве топлива. Безопасность использования твердой, относительно негорючей гуанидиновой композиции в качестве средства хранения водорода и получения водорода по требованию, при котором в каждый момент времени в устройстве присутствует лишь небольшое количество водорода, позволит устанавливать указанные устройства, являющиеся безопасными источниками водорода, в качестве заправочных станций для транспортных средств, работающих на водороде, на различных участках внутри города, а также на шоссе.

В соответствии со вторым и третьим вариантом реализации способа согласно настоящему изобретению водород, образующийся при «реформинге» аммиака, может содержать моноксид углерода, если диоксид углерода, получаемый по реакции (1), не удаляют до начала «реформинга». Даже если диоксид углерода удален, подвергаемая «реформингу» смесь будет содержать следы аммиака. Как моноксид углерода, так и аммиак оказывают негативное влияние на рабочие характеристики многих топливных элементов, работающих на водороде. Такие ухудшающие загрязнения могут быть удалены из водорода при прохождении газа, подвергаемого «реформингу», через полупроницаемую мембрану, пропускающую только водород, но не пропускающую других веществ. Такая полупроницаемая мембрана может представлять собой тонкую пленку металлического Pd, металлической Pt или плотную упаковку в случайном порядке твердых сферических частиц аморфного металла, состоящего из мишметалла (смесь продуктов восстановления редких земель) и по меньшей мере одного переходного металла, описанную Van Vechten в патентной заявке США "DRPHS-Type Amorphous Metal Proton Transfer Membrane For Fuel Cells", заявленной James A. Van Vechten 11 марта 2003 г., с приоритетом временной патентной заявки №60/363520 от 28 марта 2002 г.

Разложение гуанидина в соответствии с уравнением (1) может быть выполнено в присутствии катализатора, увеличивающего скорость разложения. Катализатор может представлять собой оксид металла в сочетании с гидроксидом бария. В одном из вариантов реализации катализатор представляет собой гидроксид бария в сочетании с оксидом железа, никеля, ванадия или цинка. Эффективность катализаторов может снижаться из-за наличия загрязнений или из-за структурных изменений, происходящих в процессе использования. Соответственно, катализатор может находиться в реакционной камере внутри сменного картриджа, который может быть извлечен из реакционной камеры и заменен картриджем, содержащим свежий катализатор. Извлеченный картридж может быть реактивирован или повторно использован.

Использование фермента (энзима) позволяет проводить реакцию гуанидина с водой (1) при более низкой температуре, чем в отсутствие ферментов. Температура катализируемой ферментом реакции может находиться в диапазоне от комнатной температуры до температуры, при которой период полураспада фермента составляет менее 1 минуты. Фермент может быть помещен в резервуар, снабженный фильтром, предотвращающим вынос фермента, но проницаемым для образующихся газов. В альтернативном случае фермент может быть иммобилизован на субстрате. Подходящие субстраты включают ионообменные смолы, керамику и полимерные материалы. Субстраты могут находиться в форме листа или гранул.

В одном из примеров реализации ферменты, способные катализировать реакцию гуанидина с водой с образованием аммиака, представляют собой аргиназу и уреазу. Аргиназа катализирует реакцию гуанидина с водой с образованием аммиака и мочевины. Уреаза катализирует реакцию мочевины с водой с образованием аммиака и диоксида углерода. Указанные ферменты катализируют реакцию при температуре, предпочтительно находящейся в диапазоне от 0°С до 60°С, более предпочтительно при температуре, приблизительно равной 60°С. Теплота, требуемая для поддержания системы при этой температуре, может быть получена от множества топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМ), которые могут быть легко встроены в устройство, предлагаемое в настоящем изобретении, обеспечивая сток низкотемпературной энергии.

Эффективность ферментов может снижаться ввиду наличия загрязнений, структурных изменений или денатурации ферментов, происходящей в процессе использования. Соответственно, фермент может находиться в реакционной камере внутри сменного картриджа, который может быть извлечен из реакционной камеры и заменен картриджем, содержащим свежий фермент. Извлеченный картридж может быть реактивирован или рециклизован.

Озабоченность воздействием, вызываемым увеличением концентрации диоксида углерода в атмосфере, приводит к предложениям ограничить количества диоксида углерода, выбрасываемые транспортными средствами и стационарными источниками энергии. Несмотря на то, что при реакции гуанидиновых композиций выделяется только то количество диоксида углерода, которое было использовано при получении гуанидиновой композиции, выгодным решением может стать хранение диоксида углерода, получаемого по уравнению (1), так что использование гуанидинового топлива наряду с хранением диоксида углерода в целом будет приводить к снижению количества диоксида углерода, выделяемого в атмосферу. Диоксид углерода можно хранить в контейнере под давлением, или его можно хранить под давлением в виде раствора в контейнере, содержащем воду. Газообразный диоксид углерода или его раствор затем может быть перевезен на заправочные станции и использован по другому назначению или захоронен в геологических формациях. Возможность хранения диоксида углерода, получаемого из гуанидиновых композиций, вполне реальна, поскольку отношение углерод/водород, равное для гуанидина 1:9, выше, чем для любого другого альтернативного неводородного топлива.

Новое альтернативное топливо может быть успешно применено лишь в том случае, если оно может быть произведено эффективным и экологически приемлемым способом без потребления дорогостоящих или редких дефицитных материалов. Соответственно, задачей настоящего изобретения также является способ приготовления композиции, содержащей гуанидин. Способ, предлагаемый в соответствии с одним из вариантов реализации, включает: (а) использование источника энергии для извлечения водорода из воды; (b) реакцию водорода, полученного в операции (а), с азотом с образованием аммиака; (с) реакцию части аммиака, полученного в операции (b), с диоксидом углерода с образованием мочевины; (d) реакцию мочевины, полученной в операции (с), с частью аммиака, полученного в операции (b), с образованием композиции, содержащей гуанидин. В одном из вариантов реализации источник энергии, используемый для выполнения операции (а), представляет собой возобновляемую энергию ветра. Потенциал энергии ветра чрезвычайно велик в некоторых удаленных регионах, например, на Алеутских островах или в Патагонии. Потенциал использования возобновляемых источников энергии в таких отдаленных регионах не был реализован ранее вследствие недостатка эффективных средств хранения и доставки этой энергии. Производство гуанидина при помощи способа, предлагаемого настоящим изобретением, обеспечивает средства использования и хранения электричества, получаемого из возобновляемых источников энергии, таких как электричество, генерируемое ветром, электричество, генерируемое океанскими волнами, электричество, генерируемое гидроэлектростанциями, электричество, генерируемое солнечной энергией, электричество, генерируемое сжиганием сельскохозяйственных отходов, электричество, генерируемое сжиганием лесопромышленных отходов, электричество, генерируемое сжиганием бытовых отходов, и электричество, генерируемое приливным потоком океанской воды. Композиции, содержащие гуанидин, также могут быть произведены с использованием электроэнергии, полученной не только от возобновляемых источников энергии, но и полученной традиционными способами, для которых в настоящее время уровень выработки электроэнергии превышает текущий спрос. Это одна из форм регулирования нагрузки, при которой электростанции могут работать при постоянной нагрузке, а избыток электроэнергии может быть использован для получения композиций, содержащих гуанидин.

Диоксид углерода, необходимый для получения композиций, содержащих гуанидин, может быть получен из нескольких источников, включая диоксид углерода, извлеченный из воздуха, диоксид углерода, извлеченный из продуктов сгорания ископаемых топлив, диоксид углерода, извлеченный из продуктов сгорания сельскохозяйственных отходов, диоксид углерода, извлеченный из продуктов сгорания лесопромышленных отходов, диоксид углерода, извлеченный из продуктов сгорания бытовых отходов, а также из сочетания названных источников. В одном из вариантов реализации диоксид углерода извлекают из выхлопных газов, полученных при горении. В результате сгорания воздух обеднен кислородом. После извлечения диоксида углерода в основном остается азот, который может быть использован в качестве источника азота для производства аммиака. Азот также может быть получен из традиционных источников при помощи фракционной перегонки сжиженного воздуха или адсорбции воздуха при переменном давлении.

В дополнение к получению электролизом водорода, необходимого для производства гуанидина, при использовании раствора поваренной соли или других солей можно получить натрий и хлорсодержащие соединения, пользующиеся широким спросом. Производство хлорсодержащих соединений может представлять собой дополнительный источник прибыли и способствовать развитию средств производства гуанидина.

Целью настоящего изобретения также является устройство, предназначенное для генерирования энергии из гуанидиновых композиций. В одном из примеров реализации изобретения, показанном на Фиг.2, это устройство включает контейнер, такой как резервуар 1 для композиции, и контейнер, такой как резервуар 2 для воды. Композицию направляют из резервуара 1 в контейнер, такой как реактор 3, в котором происходит реакция гуанидиновой композиции с водой, подаваемой из резервуара 2, с образованием аммиака. Реактор 3, предназначенный для проведения реакции гуанидиновой композиции с водой, может представлять собой контейнер, в котором находится катализатор, способный катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой, или ферменты, способные катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой. Устройство также может включать контейнер, такой как буферный резервуар 4, для хранения аммиака, получаемого в реакторе. Буферный резервуар 4 может представлять собой контейнер, содержащий некоторое количество аммиака, который может быть сожжен с получением некоторого количества тепла, достаточного для инициирования реакции гуанидина с водой, предпочтительно для мгновенного инициирования реакции гуанидиновой композиции с водой. Буферный резервуар 4 также нужен для компенсации разности между скоростью получения аммиака из гуанидиновой композиции и скоростью горения аммиака. Аммиак, полученный в реакции гуанидиновой композиции с водой, направляют из буферного резервуара 4 в контейнер, такой как камера 5, в которой производят окисление аммиака с образованием воды и азота и одновременной выработкой энергии.

В одном из примеров реализации камера 5 представляет собой аммиачный топливный элемент.

В другом примере реализации, показанном на Фиг.3, камера 5 представляет собой двигатель или аммиачный топливный элемент, в котором аммиак окисляют сжиганием его в двигателе или окислением в топливном элементе. В этом примере реализации устройство также может включать контейнер, такой как контейнер 9, соединенный с двигателем или топливным элементом и содержащий воду, конденсируемую из выхлопа, которую направляют в резервуар 2, отбирая порцию воды, необходимой для проведения реакции с гуанидиновой композицией.

В другом примере реализации, показанном на Фиг.4, камера 5 представляет собой двигатель, в котором аммиак окисляют сжиганием его в двигателе. В этом примере реализации устройство также может включать контейнер, такой как контейнер 10, соединенный с двигателем или топливным элементом, используемым в качестве реакционной камеры, в которой недожженный аммиак и выхлоп реагируют, снижая содержание МО_х.

В другом примере реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением, показанном на Фиг.5, устройство включает контейнер, такой как резервуар 1 для композиции, содержащей гуанидин, и контейнер, такой как резервуар 2 для воды. Композицию и воду направляют в контейнер, такой как первый реактор 3, в котором происходит реакция композиции с водой с образованием аммиака и диоксида углерода. Первый реактор 3, предназначенный для проведения реакции композиции с водой, может представлять собой контейнер, в котором находится катализатор, способный катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой, или ферменты, способные катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой. Устройство также может включать контейнер, такой как буферный резервуар 4, для хранения аммиака, который соединен с первым реактором 3. Буферный резервуар 4 может представлять собой контейнер, содержащий некоторое количество аммиака, который может быть сожжен с получением некоторого количества тепла, достаточного для инициирования реакции мочевины с водой, предпочтительно для мгновенного инициирования реакции мочевины с водой. Аммиак, полученный в реакции гуанидиновой композиции с водой, направляют из первого реактора 3 в контейнер, такой как буферный резервуар 4, а затем во второй реактор 6, предназначенный для превращения аммиака в азот и водород. Водород, образованный при конверсии аммиака, направляют из второго реактора 6 в контейнер, такой как камера 7, которая служит буферным резервуаром для хранения водорода. Буферный резервуар 7 также нужен для компенсации разности между скоростью получения водорода, образующегося при реформинге аммиака, и скоростью потребления водорода. При необходимости водород затем направляют из камеры 7 в камеру 5, в которой производят окисление водорода с образованием воды и одновременной выработкой энергии. В одном из примеров реализации камера 5 представляет собой водородный топливный элемент. В другом примере реализации камера 5 представляет собой двигатель, в котором водород окисляют сжиганием его в двигателе. Устройство также может включать контейнер 9, предназначенный для конденсации части воды из выхлопа, которую направляют в резервуар 2, отбирая порцию воды, необходимую для проведения реакции с гуанидиновой композицией. Как показано на Фиг.6, реактор 6 может включать полупроницаемую мембрану для отделения водорода от аммиака и других продуктов крекинга. На Фиг.6 показан пример реализации второго реактора 6, в котором водород отделяют от аммиака и других продуктов крекинга при помощи полупроницаемой мембраны, включающей Pd, Pt или плотную упаковку в случайном порядке твердых сферических частиц аморфного металла, состоящего из мишметалла и, по меньшей мере, одного переходного металла, осажденного на пористой сетке.

В другом примере реализации устройства, предлагаемого в соответствии с настоящим изобретением, показанном на Фиг.7, устройство включает контейнер, такой как резервуар 1 для композиции, содержащей гуанидин, и контейнер, такой как резервуар 2 для воды. Композицию и воду направляют в контейнер, такой как первый реактор 3, в котором происходит реакция композиции с водой с образованием аммиака и диоксида углерода. Первый реактор 3, предназначенный для проведения реакции композиции с водой, может представлять собой контейнер, в котором находится катализатор, способный катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой, или ферменты, способные катализировать реакцию гуанидиновой композиции с водой. Устройство также может включать контейнер, такой как буферный резервуар 4 для хранения аммиака, который соединен с первым реактором 3. Буферный резервуар 4 может представлять собой контейнер, содержащий достаточное количество аммиака, который может быть сожжен с получением некоторого количества тепла, достаточного для инициирования реакции мочевины с водой, предпочтительно для мгновенного инициирования реакции мочевины с водой. Аммиак, полученный в реакции композиции, содержащей гуанидин, с водой, направляют из первого реактора 3 в контейнер, такой как буферный резервуар 4, а затем - во второй реактор 6, предназначенный для превращения аммиака в азот и водород. Водород, образованный при конверсии аммиака, направляют из второго реактора 6 в контейнер, такой как камера 7, которая служит буферным резервуаром для хранения водорода. Буферный резервуар 7 также нужен для компенсации разности между скоростью получения водорода, образующегося при реформинге аммиака, и скоростью потребления водорода. Водород может быть направлен из камеры 7 в переносной резервуар 8 для хранения водорода, снабженный временным соединением с резервуаром 7, посредством которого транспортируют водород. Резервуар 7 может представлять собой резервуар для хранения топлива в транспортном средстве, работающем на водороде. Устройство, предлагаемое в соответствии с этим примером реализации, может представлять собой автономную заправочную станцию, работающую на водороде, в которой часть вырабатываемой мощности требуется для работы самой заправочной станции, приводимой в действие двигателем, работающем на водороде или топливным элементом 5. При необходимости водород затем направляют из камеры 7 в камеру 5, в которой производят окисление водорода с образованием воды и одновременной выработкой энергии. Устройство также может включать контейнер 9, предназначенный для конденсации части воды из выхлопа, которую направляют в резервуар 2, отбирая порцию воды, необходимую для проведения реакции с гуанидиновой композицией.

На Фиг.8 показан пример реализации реактора 3, показанного на Фиг.2-5 и Фиг.7, предназначенного для проведения реакции гуанидиновой композиции с водой. Заменяемый картридж, содержащий либо катализатор реакции гуанидиновой композиции с водой, либо ферменты, катализирующие реакцию гуанидиновой композиции с водой, может быть извлечен и заменен свежим катализатором или ферментами. Реактор окружен множеством тепловых трубок, передающих тепло от двигателя или топливного элемента к реактору. Для обеспечения тепла, необходимого для инициирования эндотермической реакции (1), имеется электрический нагреватель.

Примеры реализации, изображенные на Фиг.2-5, включают средства 60 для подачи газообразных веществ, включающих аммиак, водород и оксиды азота, а также средства для подачи расплавленной композиции, воды или растворов, таких как раствор, содержащий гуанидин и воду. Средства для подачи холодных растворов могут включать, например, транспортировочные средства, такие как пластиковые трубки и стеклянные распределители. Средства для подачи горячих растворов и расплавленных композиций могут включать такие транспортировочные средства, как, например, стальные трубки или трубки из нержавеющей стали. Средства 60 для подачи газообразных веществ могут включать такие транспортировочные средства, как, например, стальные трубки или трубки из нержавеющей стали, нагнетательные средства, такие как насосы, или их сочетание. Нагнетательные средства могут быть использованы для перекачки газообразных веществ, требующей преодоления разности давлений. Примеры реализации, изображенные на Фиг.2-5, включают средства 68 для подачи композиции, включающей гуанидин, в контейнер, в котором происходит реакция гуанидина, содержащегося в композиции.

Устройство, предлагаемое настоящим изобретением, также обладает достаточной гибкостью, для использования, как двигателей внутреннего сгорания, так и топливных элементов. Соответственно, для перехода к топливным элементам не существует инфраструктурного барьера.

Изобретение также направлено на устройство, предназначенное для получения гуанидиновых композиций с использованием энергии. В одном из предпочтительных примеров реализации изобретения, показанном на Фиг.9, электроэнергию от устойчивого (экологически безопасного) источника энергии (сила ветра, мощность прилива, энергия волн) направляют в контейнер, такой как контейнер 21, в котором проводят электролиз воды или рассола, получая водород. В реакторе 23 водород реагирует с азотом, подаваемым из контейнера 22, образуя аммиак в соответствии со способом Хабера. Аммиак подают в контейнер 25, предназначенный для синтеза мочевины, в котором аммиак реагирует с диоксидом углерода, подаваемым из контейнера 24, образуя мочевину. Мочевину транспортируют в реактор 26 синтеза гуанидина, в котором мочевина реагирует с дополнительным количеством аммиака, подаваемого из контейнера 23, с образованием гуанидиновой композиции. Гуанидиновую композицию затем хранят в контейнере 27.

Гуанидин получают по реакции аммиака с мочевиной, а мочевину получают по реакции аммиака с диоксидом углерода. Реакция гуанидина в присутствии воды дает аммиак и диоксид углерода. Аммиак представляет собой известное топливо, на котором могут работать двигатели внутреннего и внешнего сгорания. Аммиак также может разлагаться на составляющие элементы - азот и водород. Водород может быть использован в двигателе или водородном топливном элементе. В качестве источника водорода мочевина содержит 8,47 мас.% водорода. Однако при гидролизе под действием двух молекул воды одна молекула гуанидина дает три молекулы аммиака, плюс четыре атома водорода, получаемых из молекул воды. Соответственно, с учетом массы всей воды, участвующей в процессе, система гуанидин - вода теоретически дает до 9,47% водорода. Если вся необходимая вода конденсируется из выхлопа и не включена в массовый расчет, то теоретически гуанидин может давать до (9/59)=15,25% водорода по массе. Плотность гуанидина составляет приблизительно 1,3 кг/литр. При использовании воды, сконденсированной из выхлопа, один литр гуанидина может давать 198 г водорода. Такое значение - 198 г водорода на литр - чрезвычайно благоприятно, учитывая все положительные, с точки зрения безопасности, качества твердого топлива, изготовленного на основе гуанидина, по сравнению с жидким криогенным водородом, а также учитывая тот факт, что объем криогенного резервуара оказывает отрицательное влияние на значение энергетической плотности жидкого криогенного водорода. Плотность жидкого водорода составляет 79 г водорода на литр; таким образом, чистый гуанидин, полученный с использованием воды, уловленной из выхлопа, эффективно запасает в 2,5 раза больше водорода на 1 литр, чем жидкий водород, при этом не создавая сложностей с криогенным резервуаром, за счет которых снижается количество жидкого водорода, который может храниться в заданном объеме.

С точки зрения безопасности, настоящее изобретение также имеет значительные преимущества перед ископаемыми топливами и многими альтернативными топливами. В соответствии с настоящим изобретением, аммиак получают «по требованию», так что в любой заданный момент времени количество присутствующего аммиака очень невелико и не создает опасности. Гуанидиновая композиция имеет низкую токсичность и может храниться в пластиковых контейнерах.

Как уже говорилось выше, в одном из примеров реализации настоящего изобретения аммиак, полученный реакцией гуанидина с водой, окисляют или сжигают, генерируя энергию. Несмотря на то, что аммиак также был предложен в качестве топлива, применение чистого аммиака имеет определенные недостатки. При комнатной температуре аммиак представляет собой газ, и для его сжижения требуется высокое давление. Он является коррозионным веществом, в больших количествах вызывающим проблемы с дыханием и даже смерть. Несмотря на то, что аммиак можно растворять в воде, получая топливо, рН полученного топлива превышает 11, и оно имеет сильный аммиачный запах. Наконец, по сравнению с бензином и другими альтернативными топливами, аммиак имеет относительно низкую плотность энергии. Использование гуанидина в качестве источника аммиака в соответствии с настоящим изобретением допускает присутствие лишь небольшого количества аммиака в устройстве в каждый момент времени. Это устраняет большинство проблем, связанных с хранением больших количеств аммиака в устройстве.

Настоящее изобретение также выгодно с экологической точки зрения. Несмотря на то, что диоксид углерода является одним из продуктов реакции (1) гидролиза гуанидина, первоначально равное количество диоксида углерода удаляется из атмосферы для синтеза гуанидина. Соответственно, получение аммиака в соответствии с настоящим изобретением не вносит существенного вклада в создание парникового эффекта. Другим реагентом, необходимым для получения гуанидина, является аммиак, для синтеза которого, в свою очередь, нужен источник водорода. Большую часть водорода, необходимого для этой цели, получают при паровом реформинге природного газа, при котором в атмосферу выбрасывается диоксид углерода. Однако водород также может быть получен экологически безопасным способом, таким как электролиз воды, электроэнергию для которого поставляет ядерная, гидроэлектрическая, солнечная энергия, энергия прибойной волны или ветра, которые не вносят вклада в создание парникового эффекта. В этом случае, при необходимости, требуемое количество диоксида углерода может быть получено извлечением диоксида углерода из дымовых газов или из атмосферы, в которой содержится 370 частей на миллион СO₂. Соответственно, при помощи существующих способов можно синтезировать гуанидин более экономически эффективным и экологически безопасным способом по сравнению с ископаемыми топливами.

Claims (47)

1. Способ выработки энергии при помощи композиции, содержащей гуанидин в количестве приблизительно от 10 до 100% от массы композиции, причем указанный способ включает: (а) реакцию композиции с водой с образованием аммиака и диоксида углерода; и (b) либо окисление аммиака, полученного в операции (а), с образованием воды и азота и выработкой энергии; либо превращение аммиака, полученного в операции (а), в азот и водород, и (с) окисление водорода, полученного в операции (b), с образованием воды и выработкой энергии.

2. Способ по п.1, в котором масса гуанидина в композиции составляет приблизительно от 10 до 90% от массы композиции.

3. Способ по п.1, в котором часть воды, полученной в операции (b), вводят в реакцию с композицией в операции (а) с образованием аммиака.

4. Способ по п.1, в котором реакцию композиции с водой в операции (а) проводят при температуре в диапазоне приблизительно от 50 до 240°С и давлении в диапазоне приблизительно от 1 атмосферы окружающей среды до 50 стандартных атмосфер.

5. Способ по п.4, где указанный способ включает смешивание или приведение композиции в контакт с катализатором, способным катализировать реакцию композиции с водой в операции (а).

6. Способ по п.5, в котором катализатор представляет собой оксид металла, причем металл выбирают из группы, состоящей из железа, никеля, ванадия и цинка.

7. Способ по п.5, в котором катализатор представляет собой композицию гидроксида бария и оксида металла, причем металл выбирают из группы, состоящей из железа, никеля, ванадия и цинка.

8. Способ по п.1, в котором композиция дополнительно включает компонент, выбираемый из группы, состоящей из горючего топлива, усилителя горения, аммиака, бикарбоната аммония, карбоната аммония, гидроксида аммония, аминогуанидина, бикарбоната аминогуанидина, карбоната аминогуанидина, гидроксида аминогуанидина, диаминогуанидина, бикарбоната диаминогуанидина, карбоната диаминогуанидина, гидроксида диаминогуанидина, триаминогуанидина, бикарбоната триаминогуанидина, карбоната триаминогуанидина, гидроксида триаминогуанидина, гуанидина, бикарбоната гуанидина, карбоната гуанидина, гидроксида гуанидина, гуанилмочевины, мочевины, воды и их сочетания.

9. Способ по п.8, в котором компонент представляет собой горючее топливо, присутствующее в количестве, которое может быть сожжено с получением количества теплоты, достаточного для инициирования реакции гуанидина с водой.

10. Способ по п.1, в котором композиция заключена в герметизирующий слой, причем материал герметизирующего слоя выбирают из группы, состоящей из мочевины, гуанидина, карбоната гуанидина, бикарбоната гуанидина, гуанилмочевины, карбоната аммония, бикарбоната аммония и сочетания указанных веществ.

11. Способ по п.1, где указанный способ включает смешивание или приведение композиции в контакт с ферментом, способным катализировать реакцию композиции с водой.

12. Способ по п.11, в котором фермент способен катализировать реакцию композиции с водой при температуре в диапазоне от комнатной температуры до температуры, при которой период полураспада фермента составляет менее 1 мин.

13. Способ по п.11, в котором фермент выбирают из группы, состоящей из аргиназы, уреазы и их сочетания.

14. Способ по п.1, в котором операция (b) включает сжигание аммиака, полученного в операции (а).

15. Способ по п.14, в котором в операции (b) образуются оксиды азота, а способ дополнительно включает введение части несгоревшего аммиака, присутствующего в выхлопных газах операции (b) сжигания, в реакцию с оксидами азота для восстановления оксидов азота несгоревшим аммиаком.

16. Способ по п.14, в котором аммиак сжигают в двигателе внутреннего сгорания со степенью сжатия, выбираемой из группы, состоящей из степеней сжатия в диапазоне от 9:1 до 30:1 и степени сжатия, превышающей 30:1.

17. Способ по п.1, в котором по меньшей мере часть диоксида углерода хранят под давлением для выполнения одной или более из целей, выбираемых из следующих: предотвращение выброса в атмосферу, обеспечение реагента для химических реакций, обеспечение инертным газом для тушения огня, обеспечение сырья для сухого льда, сохранение пищевых продуктов, обеспечение сжатого газа для приведения в движение пневматического устройства, и сочетания указанных целей.

18. Способ по п.1, в котором часть воды, получаемой в операции (b), сохраняют для содействия удержанию диоксида углерода под давлением.

19. Способ по п.1, в котором часть воды, выпускаемой из топливного элемента или двигателя внутреннего или внешнего сгорания, вводят в реакцию с композицией с образованием аммиака в операции (а).

20. Способ по п.1, в котором водород отделяют пропусканием через полупроницаемую мембрану, пропускающую водород, но не пропускающую других веществ.

21. Способ по п.20, в котором полупроницаемая мембрана представляет собой тонкую пленку металлического Pd, металлической Pt или плотную упаковку в случайном порядке твердых сферических частиц аморфного металла, состоящего из мишметалла и по меньшей мере одного переходного металла.

22. Способ получения композиции, содержащей гуанидин, используемой в способе выработки энергии по п.1, включающий: (а) использование источника энергии для извлечения водорода из воды; (b) реакцию водорода, полученного в операции (а), с азотом с образованием аммиака; (с) реакцию части аммиака, полученного в операции (b), с диоксидом углерода с образованием мочевины; (d) реакцию мочевины, полученной в операции (с), с частью аммиака, полученного в операции (b), с образованием композиции, содержащей гуанидин.

23. Способ по п.22, в котором источник энергии для осуществления операции (а) выбирают из группы, состоящей из электричества, генерируемого ветром, электричества, генерируемого океанскими волнами, электричества, генерируемого гидроэлектростанциями, электричества, генерируемого солнечной энергией, электричества, генерируемого ядерной энергией, электричества из электроэнергетической системы, обеспечиваемого в качестве части процесса регулирования нагрузки, электричества, генерируемого сжиганием ископаемого топлива, электричества, генерируемого сжиганием сельскохозяйственных отходов, электричества, генерируемого сжиганием лесопромышленных отходов, электричества, генерируемого сжиганием бытовых отходов, электричества, генерируемого приливным потоком океанской воды, солнечной энергии, используемой в химическом процессе для расщепления воды на водород и кислород, и их сочетания.

24. Способ по п.22, в котором способ, применяемый для получения азота в операции (b), выбирают из группы, состоящей из фракционной перегонки сжиженного воздуха, процесса адсорбции при переменном давлении, сбора частично обедненного кислородом выхлопного газа процесса сжигания и их сочетания.

25. Способ по п.22, в котором источник диоксида углерода в операции (с) выбирают из группы, состоящей из диоксида углерода, извлеченного из воздуха, диоксида углерода, извлеченного из продуктов, полученных при сжигании ископаемых топлив, диоксида углерода, извлеченного из продуктов, полученных при сжигании сельскохозяйственных отходов, диоксида углерода, извлеченного из продуктов, полученных при сжигании лесопромышленных отходов, диоксида углерода, извлеченного из продуктов, полученных при сжигании бытовых отходов, а также их сочетания.

26. Способ по п.22, в котором масса гуанидина в композиции, получаемой в операции (d), находится в диапазоне приблизительно от 10 до 100% от массы композиции.

27. Способ по п.22, в котором композиция дополнительно включает компонент, выбираемый из группы, состоящей из аммиака, бикарбоната аммония, карбоната аммония, гидроксида аммония, аминогуанидина, бикарбоната аминогуанидина, карбоната аминогуанидина, гидроксида аминогуанидина, диаминогуанидина, бикарбоната диаминогуанидина, карбоната диаминогуанидина, гидроксида диаминогуанидина, триаминогуанидина, бикарбоната триаминогуанидина, карбоната триаминогуанидина, гидроксида триаминогуанидина, гуанидина, бикарбоната гуанидина, карбоната гуанидина, гидроксида гуанидина, гуанилмочевины, мочевины, воды и их сочетания.

28. Способ по п.22, в котором энергию используют для выделения водорода из раствора, содержащего хлорид натрия, получая при этом натрий и хлорсодержащие вещества.

29. Устройство, предназначенное для выработки энергии из композиции, содержащей гуанидин в количестве приблизительно от 10 до 100% от массы композиции, включающее: (а) первый контейнер для композиции; (b) второй контейнер для воды; (с) третий контейнер для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи композиции из первого контейнера в третий контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи воды из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для хранения аммиака, причем четвертый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в четвертый контейнер; и (е) пятый контейнер, предназначенный либо (i) для окисления аммиака с образованием воды и азота и выработкой энергии, либо (ii) для превращения аммиака в азот и водород, при этом водород используют для выработки энергии, причем пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи аммиака из четвертого контейнера в пятый контейнер.

30. Устройство по п.29, в котором пятый контейнер, предназначенный для окисления аммиака, представляет собой двигатель, предназначенный для сжигания аммиака.

31. Устройство по п.30, в котором при сжигании аммиака образуются оксиды азота, и устройство дополнительно включает (а) шестой контейнер, в котором находится катализатор, предназначенный для разложения несгоревшего аммиака и оксидов азота; и (b) средства подачи оксидов азота и несгоревшего аммиака из двигателя в шестой контейнер.

32. Устройство по п.29, в котором четвертый контейнер представляет собой контейнер, обеспечивающий такое количество аммиака, которое может быть сожжено с получением количества теплоты, достаточного для инициирования реакции композиции с водой с образованием аммиака.

33. Устройство по п.29, в котором третий контейнер, предназначенный для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, представляет собой контейнер, содержащий катализатор, способный катализировать реакцию композиции с водой.

34. Устройство по п.29, в котором третий контейнер, предназначенный для проведения реакции композиции с водой с образованием аммиака, представляет собой контейнер, содержащий фермент, способный катализировать реакцию композиции с водой.

35. Устройство по п.33, в котором третий контейнер снабжен сменным картриджем, содержащим катализатор.

36. Устройство по п.34, в котором третий контейнер снабжен сменным картриджем, содержащим фермент.

37. Устройство по п.29, в котором пятый контейнер, предназначенный для окисления аммиака, представляет собой аммиачный топливный элемент.

38. Устройство по п.29, в котором теплоту передают из пятого контейнера в третий контейнер для ускорения реакции композиции с водой.

39. Устройство по п.29, в котором первый контейнер выполнен с возможностью его извлечения из устройства с целью переноса композиции в устройство.

40. Устройство по п.29, которое, когда пятый контейнер предназначен для превращения аммиака в азот и водород, дополнительно содержит (f) шестой контейнер, предназначенный для хранения водорода, причем шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи водорода из пятого контейнера в шестой контейнер; и (g) седьмой контейнер, предназначенный для окисления водорода с образованием воды и выработкой энергии, причем седьмой контейнер соединен с шестым контейнером при помощи средств подачи водорода из шестого контейнера в седьмой контейнер.

41. Устройство по п.40, в котором седьмой контейнер, предназначенный для окисления водорода, представляет собой двигатель, предназначенный для сжигания водорода.

42. Устройство по п.40, в котором седьмой контейнер, предназначенный для окисления водорода, представляет собой водородный топливный элемент.

43. Устройство по п.40, в котором теплоту передают из седьмого контейнера в третий контейнер для ускорения реакции композиции с водой.

44. Устройство по п.29, которое, когда пятый контейнер предназначен для превращения аммиака в азот и водород, дополнительно содержит (f) шестой контейнер, предназначенный для хранения водорода, причем шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи водорода из пятого контейнера в шестой контейнер; и (g) средства подачи водорода из шестого контейнера в резервуар для хранения водорода, находящийся в транспортном средстве, в котором для выработки энергии в качестве топлива применяют водород.

45. Устройство по п.44, где указанное устройство является мобильным.

46. Устройство по п.45, в котором часть электроэнергии, требуемой для работы устройства, и часть теплоты, требуемой для осуществления эндотермического разложения гуанидиновой композиции, подают из топливного элемента.

47. Устройство, предназначенное для получения композиции, содержащей гуанидин, используемой в способе выработки энергии по п.1, включающее: (а) первый контейнер, предназначенный для извлечения водорода из воды при помощи энергии; (b) второй контейнер, предназначенный для азота; (с) третий контейнер, предназначенный для проведения реакции водорода с азотом с образованием аммиака, причем третий контейнер соединен с первым контейнером при помощи средств подачи водорода из первого контейнера во второй контейнер, и третий контейнер соединен со вторым контейнером при помощи средств подачи азота из второго контейнера в третий контейнер; (d) четвертый контейнер, предназначенный для диоксида углерода; (е) пятый контейнер, предназначенный для проведения реакции аммиака с диоксидом углерода с образованием мочевины, причем пятый контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в пятый контейнер, и пятый контейнер соединен с четвертым контейнером при помощи средств подачи диоксида углерода из четвертого контейнера в пятый контейнер; (f) шестой контейнер, предназначенный для реакции мочевины с аммиаком с образованием композиции, содержащей гуанидин, причем шестой контейнер соединен с третьим контейнером при помощи средств подачи аммиака из третьего контейнера в шестой контейнер, и шестой контейнер соединен с пятым контейнером при помощи средств подачи мочевины из пятого контейнера в шестой контейнер; (g) седьмой контейнер, предназначенный для хранения гуанидиновой композиции, причем седьмой контейнер соединен с шестым контейнером при помощи средств подачи гуанидиновой композиции из шестого контейнера в седьмой контейнер.

Images