第二章、车载外燃发电机的电动汽车：

2．1车载斯特林发电机组动力设计：

在串联式混合动力汽车中，车载发电系统一般是汽、柴油发电机，我们稍作改动：1、取下内燃发电机换上轻便高效外燃机发电机组（斯特林机等），可同时兼容汽柴油、工业棕榈油、豆油、蔗糖、精洗煤炭等燃料，及木柴、秸秆等高压制成生物质颗粒燃料。当然燃烧室必须使用最新高温低氧燃烧技术进行改造，其流程如下图所示意：

2、高温低氧燃烧技术，燃烧室分两个部分，高温燃烧室使用高温空气高温燃烧，甚至使用高温富氧空气助燃，提高燃烧温度，从而大幅提高斯特林机热端与冷端的相对温度，也就提高了发电效率；高温燃烧室尾气全部进入高温低氧燃烧室，由于高温乃至超高温燃烧，氮氧化物较多，因此先喷入适量燃料（高温燃气），在高温状态下会与尾气中的残余氧气继续燃烧，并在还原气氛中使氮氧化物还原成氮气、二氧化碳等气体，也就是组织再燃脱硝，同时尾气温度也会进一步提高；高温尾气再与经过预热的高温空气混合成为高温低氧混合气体，并组织高温低氧燃烧洁净排放；如果尾气比例过大而导致氧气浓度在2％或其他燃烧极限以下，则可以富氧空气调剂氧浓度（适当控制两个燃烧室的大小比例，一般情况下不需要）；至于高温空气的获取：尾气热能经预热器加热助燃空气（为防止生物质燃料中的碱金属结渣采用回转式换热器设计），再经空气过热器（置于燃烧炉中煅烧）进一步提升温度获得高温空气，若空气温度仍达不到1000度或预定要求，由于尾气再燃后温度远超1500度，两者混合后温度不会低于1000度，适当调整控制混合比例是不难满足要求的。

为减少燃烧室体积，加快换热升温速度，燃烧室（含脱硝室、低氧燃烧室在内）、预热器等体积较大部分均可置于耐压容器中，上述流程均可设计为在一定气压压力下进行，从而大幅度缩小气体体积，加快换热速度和效率。

若使用洁净燃料，也可直接采用蓄热式高温燃烧技术，如下图示意， 烟气交替与蓄热室的陶瓷蜂窝材料等交换热量，预热空气，使斯特林机的热端温度提高，提高热效率及发电效率；对于小型燃烧装置的不稳定，可在燃烧炉中设置有一定质量的热惰性较大的蓄热材料如耐热钢等，作为蓄热调蓄结构，与斯特林机热端相联，调蓄热量变化保证热能输出平稳。这样既能提高燃烧温度，提高发电效率，而尾气掺烧同时也回收尾气热量使热能利用达到极致，又可使氮氧化物排放几乎为零。

3、进一步严格尾气脱硫等净化环保设计，若使用生物质燃料，含硫量不多，尾气与碱金属含量丰富的灰烬充分混合即可脱硫；若为煤炭等燃料，则视情况采用成熟的钙基固硫等技术，包括燃烧前将粗燃气通入高温脱硫室，粗燃气中的硫化物被过流通道上的高温脱硫剂吸附，并设置高温脱硫剂再生工艺装置。

4、所发电力接入调蓄电池，可由超级电容加小容量动力电池组成混合电源，容量仅保证启动、加速、爬坡、发动机暖机等阶段供电，调蓄并维持电量平衡，停车或低速行进时发电机系统可给混合电源充电，取消重量大、造价昂贵的大容量动力电池。

2．2再燃脱硝技术改进而来的新脱硝工艺：

一般的再燃燃烧脱硝技术，其脱硝率仍然达不到日益严格的环保要求，因此本技术采用的是经过改进的再燃脱硝技术。对于再燃脱硝机理，目前并未完全弄清或形成统一共识，但目前如下意见基本没有争议，那就是燃烧过程中再燃燃料如甲烷等在约0．15秒极短燃烧时间内产生大量O、OH自由基及CH3、CHO等中间产物，它们与一氧化氮反应，随着反应条件不同而还原一氧化氮或重新生成；根据这一分析，控制极短的燃烧过程中的中间产物和自由基与一氧化氮的混合与反应是脱硝关键，由于燃烧时间短，中间产物甚至来不及与烟气中的一氧化氮充分混合与接触，因此必须延长燃烧时间，而高温低氧燃烧可使燃烧时间大幅度延长，火焰体积增大而使中间产物随火焰分布范围扩大，进而遍布整个空间，从而充分与一氧化氮混合接触，高温低氧燃烧稳定温度分布均匀在还原氛下有助于平衡向脱硝方向移动；而氮氧化物（主要是一氧化氮）相对数量并不多，每次燃烧用于脱硝所消耗的再燃燃料也是极少数，因此再燃燃烧组织高温低氧燃烧，并尽可能在还原氛下分为多次燃烧是增强脱硝效果的有效途径；因此使用如下脱硝工艺或方法：

1、将烟气导入单独分隔的脱硝区，分批次喷入过量再燃燃料，由于高温烟气中仍有一定氧气（含量高于2％以上），因此仍可组织高温低氧燃烧，先基本耗尽高温烟气中残余氧气，这样在还原氛中初步脱硝，并初步混合均匀；2、通过大幅度延长脱硝区停留时间、充分混合烟气与再燃燃料、控制脱硝区内所有烟气温度均匀分布、严格控制温度在最佳非催化剂脱硝温度范围来保证氮氧化物等杂质与再燃燃料有效成分充分反应，并防止氮氧化物等杂质再次生成，从而提高脱硝率；3、在再燃燃料耗尽后，再次喷入过量高温再燃燃料，在控制总的空气过量系数前提下，通过分批次喷入助燃低氧空气，组织还原氛中多次再燃燃烧过程，通过降低助燃空气氧气含量延长燃烧时间、提高助燃空气温度、控制烟气温度在最佳非催化脱硝范围、烟气与助燃气混合均匀等进一步提高脱硝率；这一过程也可组织一到多次从而进一步提高脱硝率；4、一个可选项是若燃料洁净或经过净化，设置催化剂使一氧化氮在过量一氧化碳中被还原而脱硝，与汽车尾气净化器类似，但催化剂大都使用贵金属，价格昂贵大幅增加造价，而且催化剂往往需满足一定使用条件，因此一般尽量避免使用。 5、最后喷入过量高温低氧助燃气组织高温低氧燃烧，并保证充分燃烧，及防止氮氧化物再次生成；6、脱硝后的烟气余热通过换热来预热助燃气体和燃料气，及组织再燃燃烧过程中的热能输出；7、大部分脱硝反应均为吸热反应，适当提高温度和大幅度增加反应压力有助于脱硝反应彻底进行，降低氮氧化物反应浓度最低极限，且中高压工艺有助于大幅缩小设备体积。

根据上述工艺要求可设置新型脱硝反应器，伴随大量氮氧化物的高温燃烧室烟气温度很高，通过高温烟气管道将其引入脱硝室，首先通过多个燃料喷嘴逐次喷入过量再燃燃料，先组织高温低氧燃烧，耗尽烟气中的残余氧气，在相对还原氛下烟气再燃初步脱硝，并与烟气混合均匀；脱硝室内设置温度调控装置，设有温度传感器，并有低温空气流通管道回路或其他冷却设计，根据温度信号通过阀门控制空气流量等实现冷却；同时设置与外热源相连的蓄热体及相应导热片等结构，在再燃燃烧反应短时间内结束后仍可通过蓄热体导入脱硝反应所需热量；可选项是导热片上也布满催化剂使氮氧化物被还原，这样就可根据温度传感信号通过控制蓄热体温度、调整烟气输入速度、再燃燃料数量及温度、助燃空气温度等参数从而控制烟气温度在最佳非催化脱硝温度范围，尤其防止过热反而重新生成氮氧化物；导热片遍布整个脱硝室空间从而无死角控制脱硝室内所有烟气温度，防止局部高温区重新生成氮氧化物，也防止局部低温区氮氧化物未达到还原条件；导热片布置以对烟气与燃料气导流并充分混合为原则，纵剖面如下图所示意，可按迷宫式布置，引导烟气延长运动路径，增加与催化剂接触面积和时间，同时整体上形成多层稳固防漏结构；导热片兼做引流片，在保证流场均匀稳定的前提下不断设置转弯，并间隔性缩小、扩大过流截面，使烟气速度、方向随之不断变化从而充分混合、接触，避免混合不均匀降低脱硝率；脱硝室体积设置以尽量延长烟气停留时间为原则，例如停留至少5秒以上，按所需达到的脱硝率确定停留时间，计算所需脱硝室容积，充分保证还原剂与氮氧化物反应时间；这样通过大幅度延长停留时间、严格控制烟气温度在非催化脱硝温度范围、充分混合烟气也就保证氮氧化物与还原剂充分接触等使脱硝率达到极致。

脱硝反应器构造剖面示意图

由于燃烧时间极短，不难分析出参与反应的氮氧化物较少，而实际上被用于脱硝的再燃燃料消耗也很少，燃烧过程迅速结束后中间产物也立刻消失，此时延长停留时间对脱硝并无实际意义；因此必需在还原氛围中组织多次燃烧过程。在重新注入过量高温再燃燃料及控制总的空气过量系数并保证氧气浓度在燃烧极限浓度以上的前提下，将再燃空气分多次注入，可通过沿着烟气运动路径布置助燃空气喷嘴来实现，喷嘴距离综合燃烧时间、混合时间、烟气运动速度来计算确定，例如燃烧时间按0．3秒考虑，燃烧结束后烟气混合停留时间按0．6秒考虑，烟气运动速度每秒0．5米，那么总时间就是0．9秒，运动距离0．45米，空气喷嘴距离按0．45米考虑；喷入空气的数量也经过计算确定在燃烧极限之上，并在总的空气过量系数之内，喷嘴上有多个喷口，均匀分布于整个截面上，喷口气体喷出速度、喷口位置与喷射角度、活动喷口的扫射范围等均以在燃烧过程结束前助燃气到达所属区段最远处空间来计算确定，保证助燃空气与烟气中的燃料气混合扩散均匀从而使中间产物遍布整个空间，及调动尽可能多的氮氧化物参与反应。

显然设法延长燃烧时间对提高脱硝率有利，因此从尾气处理室通过管道引来高温尾气与助燃空气混合成高温低氧气体，再燃燃烧成为高温低氧燃烧，使火焰变长，体积增大，并大大延长燃烧时间，也就延长了脱硝反应的时间与强度。

由于控制总的空气过量系数，因此这些燃烧大部分是在低氧还原氛围之下组织再燃脱硝，虽说总的燃烧过程是放热的，本来加热对脱硝反应有利，但提高温度也使氮气活化度提高与高温氧气接触从而增加氧化为氮氧化物的几率，中间有一个明显界限；因此脱硝器中可设置各类热能输出装置如空气预热器、过热器、换热器等，这些装置吸收并输出热能的同时也有助于分区段控制和调整烟气温度。

随着再燃燃烧次数增加，富余燃料耗尽甚至空气稍微过量，难以继续燃烧时，如果烟气中的氮氧化物含量仍然较高未能满足要求，可再次喷入过量再燃燃料，继续组织一到多次再燃燃烧；可通过在烟气后续运动路径上布置一到多个燃料喷嘴和助燃气喷嘴来实现，这两种喷嘴上有多个喷口，均匀分布于整个截面上，喷口气体喷出速度、喷口位置与喷射角度、活动喷口的扫射范围等均以烟气流出所属区段前燃料到达最远处空间、或在燃烧过程结束前助燃气到达所属区段最远处空间来计算确定，同样空气（助燃气）喷嘴距离综合燃烧时间、混合时间、烟气运动速度来计算确定。

这可以通过在脱硝反应器内设置与外热源连接的导热体、及与之相连遍布整个空间的导热片和温度调控装置，控制燃烧温度在最佳非催化脱硝范围内；同时在燃烧通道内分别按一定间距布置燃气喷嘴、再燃燃料喷嘴来实现还原氛下的多次高温低氧燃烧，而高温低氧助燃气可采取部分高温尾气与经过预热或换热的高温空气混合而取得，以混合后氧浓度5％为最佳。由于气化产物中含有一定量的甲烷等成分，可直接作为再燃燃料而不需另行添加，因此控制气化温度及后续高温裂解等工序温度在甲烷裂解温度（1000度）以下，保证甲烷成分比例。这样通过组织还原氛下多次高温低氧再燃燃烧过程从而使脱硝率达到极致。

为缩小体积，主张将整个燃烧系统作增压燃烧炉设计，实际应用中往往连同燃烧工艺系统其他部分一起作中高压燃烧设计，即连同包裹整个燃烧系统的外壳进行耐压设计，同时与隔热、隔声相结合，从而使整个工艺流程为中高压燃烧工艺，里面的各个部分不需做耐压设计，反而大幅降低成本；而燃烧室采用类似于微型增压锅炉的增压燃烧技术，大幅提高热能利用效率，这是很古老成熟的技术，并使成套设备体积缩小到可以车载。

这样的技术虽说简单，却非常可靠而价廉实用，甚至可采用市面上的成熟产品简单组装，如斯特林机选用荷兰菲利普公司产的4－215型等；燃烧系统采用市售成品自动生物质颗粒燃烧机及回转式（防止结渣）预热器组合，简单技术改造即可，利于大规模推广。斯特林机兼容各种燃料，包括廉价的煤炭，但本文着重强调生物质燃料，因为煤炭等化石燃料其性质与石油燃料无异，生物质燃料才是零碳排放的燃料，当然相应燃烧系统需做大量改进，生物质颗粒是联合国及各国重点推广的环境友好燃料，其燃烧技术研究有很多［2］，例如各种进料方式的燃烧器［3］，也包括针对生物质燃料碱金属较多易结渣特性进行专门设计的技术［4］，有这些技术为基础，车载燃烧器的研制就简单得多了；鉴于生物质直燃仍会因燃烧不充分而易产生污染，煤炭等其他燃料更不用说，这也是中国禁止直接烧秸秆乃至生物质颗粒燃料的原因，我们主张设计专门的燃烧器足以解决这些问题。