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生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命

2.5车载外燃发电机的电动汽车性能参数对照:

为便于对比,采用此类发电机设计或改装的车型在保证使用性能等各类参数基本不变的情况下,新设计或改装的车型外形基本不变,或暂只考虑做加长处理,而迎风截面基本保持不变,也就是风阻基本不变,风阻造成的能耗基本不变。

特斯拉Molde S之类的大、中型斯特林机电动车的改装参数对比如下:(特斯拉售价约65万,现有电动大巴售价约100万)

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

下表为小型斯特林机乘用车参数对比:(总价六万美元内)

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

斯特林机电动重卡与普通柴油重卡参数比较:(总价二十万美元左右)

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

2.5 车载斯特林发电机组的电动重卡推广

从节能减排角度看,重型商用车节能的意义比轿车更大。因为重型商用车消耗能量大,排放的污染物多。我们算过一笔账:1辆重卡1年消耗的燃油,相当于60辆轿车消耗的燃油,排放的污染物可想而知。而中国大陆乘用车1.2亿辆,商用卡车三百万辆,折算1.8亿辆的排放量远超出乘用车。

我们认为可以从电动重卡率先入手推广,现有电动重卡研发沿用动力电池、充电桩续航的技术路线,为增加续航里程动力电池加大,造成自重大、续航里程短、充电时间长,而一、两百公里的续航里程对长途运输毫无意义,商业化遥遥无期;采用本技术方案的电动重卡虽说整车造价一百三十万左右远高于售价二、三十万左右的柴油重卡,但燃料费用大幅降低,一辆重卡行程达30万公里的话,柴油消耗达100吨约七十万元,烧生物质颗粒燃料费用仅需二十万元,差价五十万,而一般重卡年行程都有十几、二十万公里,多的超过三十、四十万公里,当年或一、两年基本收回成本。以东风集团财务公司开展的融资租赁业务为例,按三十六期计月租三万元左右,月行程两万公里计每月节省的油费三万元以上,还不及当月节省的柴油费用。各类重卡经济分析如下表所示:

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

因此,我们认为,融资租赁、分期付款、卡车租赁业务应该能够打开电动重卡市场。

大家可能担心现阶段燃料供应体系尚未建立,难以推广;我们认为:生物质颗粒燃料产业已经初具规模,物流公司采购存储于基地仓库不成问题;重卡装载一吨生物质颗粒行程可达一千五百公里,两吨三千公里,足以往返公司基地,既使偶然遇到燃料携带量不足也可到现有加油站去加汽、柴油应急。草木灰是紧俏肥料,可联系农场、园艺场定期运售,这样可以克服燃料供应影响。

而且在这类重卡售出后,每隔三、五百公里(相当于每个省两、三个)建立生物质颗粒供应点不会有困难,实际上很多物流中心停车场均可腾出几个车位贮存供应颗粒燃料,或由生物质颗粒供应商派出移动贮料车开赴各停车场供料,这些都不难做到,可依此为基础逐步建立燃料供应体系。

或者推广开来后会有一段时期生物质颗粒燃料产量不够,部分可暂时用精洗煤炭代替,尤其精洗煤炭与生物质合成燃料性能更佳,对于石油这一能源瓶颈被马六甲海峡死死卡住的中国来说,能够以煤代油也是大好事。当然由于斯特林机价格昂贵,整车价格是现有燃油汽车的四倍左右,在中国大陆即使斯特林机国产化后价格大幅度下降,乘用车售价仍超出混动车十万左右,这对其市场推广尤其广大发展中国家市场是极为不利的因素,也给下文所要介绍的价格低廉的使用高温快速气化发电技术的各类电动汽车留下了巨大的发展空间。

实际上一百多年前曾广泛使用的煤炭、木柴气化为燃料的汽车动力技术,因热值低、污染大等缺陷而早已淘汰;但随着能源技术、清洁燃烧技术不断进步,也逐渐重新进入人们的视野,尤其整套系统价格低廉,经过改进后有独特优势。

至于船舶,一艘万吨级船舶污染相当于十万辆小汽车,因此这是不容忽视的,但实际上生物质锅炉发电技术很成熟,采用本文所述结合高温低氧燃烧的新型再燃脱硝技术后可直接搬上船,取代燃煤、燃油发电机组,甚至搬上火车、高铁,因技术很简单,不再专门论述。

第三章  高温快速气化发电技术及电动汽车:

气化技术瓶颈是1、热值低而导致发电机系统重量大,难以车载;空气气化的气体热值约为4~5MJ,二、三十千瓦的发电机组达到七百公斤,难以搬上车;2、气体中杂质尤其焦油含量大且很难去除,引起燃烧不充分、发动机磨损、焦油堵塞管道等。实际上这些可以通过提高气化温度来解决,高温气化或水蒸汽气化不但减少杂质,也将提高热值一倍以上[6],从而大幅减少设备重量;而小型气化装置运行不稳定,但同时因为小可以采取更多措施而不致于大幅增加成本;由于现阶段对于燃烧污染的担忧和紧张,气化产生的焦油等化合物成分很多,净化技术复杂,因此下文会着重介绍作为技术瓶颈的生物质气或初燃气的净化设计。我们主张的主要工艺流程如下图所示意:

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

通过外加燃烧炉提高气化温度使气化气热值大幅度提高从而减少发电机组重量;气化气与水换热回收热能并采用水蒸汽气化工艺;气化气间接冷却无废水;高温裂解室促进焦油裂解;通过稀碱水洗涤脱硫、脱碳;通过与焦油相溶的植物油洗涤去除残余焦油等;发电机尾气进入外加燃烧炉稀释高温空气氧浓度并组织高温低氧燃烧洁净排放。

3.1高温气化及裂解设计

前面所述生物质或煤炭气化技术,依靠氧气与物料氧化放热反应热量使反应持续进行,焦油杂质含量少,气化气热值高,但气化过程不好控制,主要是温度或热量平衡不好控制,现有反应釜也很少有能准确控制反应条件的,即使专业的热管裂解炉也难以得心应手的控制;实际上使用水蒸汽气化也有焦油等有害杂质少、气化产物热值高的优点,而水蒸汽气化是吸热反应,随着反应进行温度迅速下降而导致热量平衡更不好控制;而如果维持气化反应温度在800度至900度以上,哪怕使用空气为气化剂也有令人满意的效果;若温度达到1200度则焦油、多环芳烃等基本裂解,因此控制气化反应温度尤其出气温度成为关键。

一般来说化工流程都是依靠化合物自反应维持热量平衡从而使化学反应自动进行下去,热量传递和分配依靠物料的运动即对流实现,例如气化剂作为热能载体,气体携带热量通过对流传热;但气体质量轻比热小,携带热量少,温度变化急剧;如果依靠生物质自身氧化放热,则氧化反应放出热量与还原反应吸收热量难以准确控制平衡,尤其小型装置反应极不稳定,这也是气化发电技术的瓶颈之一。一般来说大型的化工工艺流程也很少依靠热辐射来传递热能。

现有气化炉技术中有一种参照化工工艺的热管气化炉(或热管裂解炉)技术,燃烧室热量通过热管导入气化炉内保证数百度乃至上千度高温,但热管价格昂贵,瞬时放热难以准确控制;而大型气流床虽说使出气温度达到1300度从而没有焦油,但车载气化系统都是小型的,难以保证稳定运行,不能照搬;而且这一温度下气化气中的甲烷等也彻底分解为小分子物质而导致热值减少,这是需要避免的情形。

对于简单的车载小型固定式气化炉我们采用如下方案通过导入外热源来保证高温快速气化或粗燃气的高温裂解:

如下图所示意,用导热材料制作的导热板连同气化炉外壁将气化炉分隔为很多个很小的相对独立的区间,也可理解为很多个小气化炉的组合;在工作温度只有几百度时导热板可用铁、铜等金属材料,随着温度升高必须采用耐热钢等,实际上碳化硅等导热性良好而又廉价、耐磨的耐火材料是比较理想的,并与外加的燃烧炉相连,从而将外加热源导入炉内,实际设计中往往将微型气化炉置于燃烧炉中煅烧;燃烧炉使用生物质燃料则火焰温度只有几百度,因此采用高温空气助燃的蓄热式高温燃烧技术,(如前文所述),通过与烟气换热来回收烟气热量预热空气,使燃烧温度大幅度提高,炉温达到所要求的温度,例如900度乃至1200度(车载系统则可能要求低于甲烷裂解温度1000度);这一温度通过导热板传给各个小的气化区间,而导热板、炉壁、燃烧炉等合起来有一定质量,虽说比热容不高,但加热到900到1000度左右高温其蓄热量也相当可观,足以调蓄热量变化保证运行稳定,而不必另设蓄热体;同时在气化炉内设置温度监控随时调整相应参数,采用一系列低氮燃烧技术减少氮氧化物生成,使气化温度维持在900度乃至1200度运行,从而保证气化反应的快速、稳定及高热值,关键是高温下焦油基本裂解甚至满足每标方500毫克乃至100毫克以下的要求。随后粗燃气导入一个类似储存柜的高温裂解室,同样保证高温裂解室温度在950度左右及粗燃气逗留时间,使残余焦油、多环芳烃等彻充分裂解。

生物质能电动汽车与能源转型及第四次工业革命(之一:汽车篇)

由于隔绝空气加热到高于1000度会导致粗燃气中约占总体积20%的甲烷分解为氢气和碳沫而导致热值大幅度下降(减少约30%以上),对于某些强调提高热值而降低发电机组重量的车载系统来说得不偿失,尤其相对较小的乘用车系统,因此另一可选方案是控制气化及高温裂解温度在900度到1000度之间,防止甲烷分解;同时高温裂解室内满布催化剂(白云石、三氧化二铁等),增加接触面积与停留时间以彻底裂解焦油等,而残余焦油强调通过其他方法去除(例如增加后续的植物油洗涤工序次数),这样可保证气化气中热值(热值每标方15MJ以上),基本满足车载要求。

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