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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

3.2高温燃烧炉设计

至于燃烧炉设计,同前述斯特林机燃烧室基本类似,如下图所示意:燃烧炉分为多个部分,让部分高温粗燃气回流进入高温燃烧室,与经过预热及过热器加热而得到的高温空气高温激烈燃烧,在这一过程中会产生大量氮氧化物等;全部尾气进入高温低氧燃烧室,先经新型脱硝反应器组织上文所述的经过改进的再燃脱硝燃烧过程,再与经过防结渣预热器及空气过热器加热而得到的高温空气混合为低氧气体,组织高温低氧燃烧,洁净排放。这一技术用于家用气化炉灶中,可直接使用空气气化,(大型集成灶也可使用水蒸汽气化),炉灶使用时(做饭、炒菜、烧热水等)的燃烧炉灶兼做提供气化热量的燃烧炉,并作封闭设计,如高温空气炸锅、热处理马弗炉、各类加热炉等,还可净化高温燃烧的尾气,一举多得;若使用洁净燃料,更可直接采用蓄热式高温燃烧技术,烟气与陶瓷蜂窝体材料交替换热,使热能利用达到极致。

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)

车载气化系统有所不同,因车载发电机组尾产生大量需要净化的尾气,因此以发电机组的高温尾气来稀释高温空气,而不再使用自身烟气进行循环等手段;而且由于燃气、尾气都经过净化,没有危害陶瓷蜂窝体材料的因素,故可直接采用蓄热式高温燃烧技术,如下图所示意,其燃烧炉流程设计如下:净化后的部分粗燃气与蓄热室换热后进入高温燃烧炉,同时发电机组高温尾气也全部进入高温燃烧炉,先喷入部分高温燃气作为再燃燃料组织上文所述的改进的再燃脱硝工艺,再与换热后的高温空气混合成为低氧气体,组织高温低氧燃烧并洁净排放,若尾气比例过高,则以富氧气体调节氧浓度保证继续燃烧;同时以高温粗燃气加热水生成水蒸汽回收粗燃气热量,并优先采用水蒸汽气化技术。

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)

大家也许会觉得另加一个外热源会额外消耗燃料,导致总发电效率下降;但我们计算具体消耗物料量时却发现,进行热量平衡计算时各反应方程式没有变,也就是说燃烧炉导入的热量增加,相应气化炉中用于氧化反应产生热量的燃料消耗就会减少,理论上说料气比不变,相反由于焦油裂解量大幅增加,发电效率不降反增。实际上可理解为外加热源只提供还原反应所需的热量,其产物不参与还原反应,而经过严格控制的燃料与水蒸汽投入比例保证还原反应顺利进行,不受其他干扰,从而温度等反应条件准确可控、快速而且焦油在900到1000度高温下热裂解充分(或900度左右充分催化裂解)。

以每小时发电十五度的发电系统为例,所产生粗燃气气体约十立方,温度由800度左右即使升至1200度约需消耗热量1.5KJ/NM2*(1200-800)*10=6000KJ,约1500千卡,额外不到一斤的燃料量,而且很大一部分热能转化为水蒸气回收;而且车载系统只需加热到950度到1000度左右,所消耗燃料更减少一半以上。

这样一来,气化速度成倍提高,而且气化剂选择余地很大,有时哪怕使用高温空气作气化剂也能实现车载。而且发电机尾气通入高温燃烧炉或脱硝室,不但净化了尾气,而且使尾气热量得到回收,只会使热效率大幅度提高。

再说回收的尾气热量用于加热水蒸汽,可仿照微型蒸汽机设计输出动力,与发电机连轴发电,及与制冷机组连轴,从而大幅提高发电效率。

3.3生物质气或气化气的净化

气化产生的化合物成分很多,净化技术复杂,其中粗燃气中的焦油和灰烬的去除关系到整个系统的成败,这也是目前生物质气化发电技术的瓶颈所在,不解决这一问题难以实现生物质发电机的车载。我们主张间接冷却后再采用湿法洗涤除焦,但根据工艺条件不同而以特殊方法处理洗焦用物质,使之没有需要另行复杂处理的废水废渣废液等,具体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)

微型气化炉、空气过热器、高温裂解室等均置于燃烧炉中煅烧, 车载系统为避免车载废水处理设备的问题,(哪怕采用水汽集成工艺也仍有少量废水需成套设备处理),因此车载小型设备不能采用粗燃气与水直接接触的水冷方式,而为了加快冷却速度、减少车载设备体积而加装余热制冷系统,保证冷却水、喷淋液或鼓泡液温度,由于粗燃气通过热交换装置间接冷却,因此冷却流程没有废水产生;微型气化炉保证950度高温水蒸汽气化。粗燃气冷却过程中的结碴问题也可采用上文所述的防结碴构造。

制冷系统功率较小,以每小时发电十五度的发电系统为例,燃气体积约十立方,温度由200度降至0度约需消耗制冷量1.5KJ/NM2*(200-0)*10=3000KJ,约700大卡,制冷系统所需功率不到半匹。而且制冷压缩机采用气压驱动的压缩机,利用涡轮增压器等设备回收蒸汽发生系统的气体压力能或其他气压能量驱动制冷压缩机。

若对净化效果仍不满意,进一步进行洗涤:燃气通过一到多级喷淋器,从下往上经过稀碱水(或与焦油相溶的植物油)鼓泡浴后,再经强制冷却至限定温度的稀碱水或植物油淋洗,就可洗去残余的焦油和灰烬、硫化物;稀碱水简单过滤,及静置分离即可除去灰尘,使用高温蒸汽即可使吸收硫化氢生成的产物被还原为碳酸钠,上部析出硫化氢气体可另行处理,从而实现再生;植物油也有很多净化技术再生;再生分离所得滤渣及上部浮油等送入气化炉分解。

可以根据不同工艺要求选用不同喷淋液,燃气从下往上冒,先从低温喷淋液中鼓泡冒出,降低燃气温度并脱除部分灰尘和焦油等杂质;冒出喷淋液后再进行喷淋,进一步降温并脱去灰烬和冷凝杂质;喷淋液由制冷系统强制冷却保证低于限定温度;喷淋液经简单处理即可再生进入循环,喷淋液再生处理所得废弃物送入燃气发生系统或特别的焙烧器进行焙烧,焙烧所得产物也送入燃气发生系统。更换后的喷淋液也可直接或间接转变成发电原料,不产生需要另行处理的废弃物;若使用的燃料含硫量高(例如煤炭),则燃气中含有大量硫化氢等,喷淋液中生成硫化钠等产物,可通入过热蒸汽再生,重新生成碳酸钠,而上部析出的硫化氢气体另行回收处理,喷淋液再生循环。

水蒸汽气化发电等有高温水蒸汽需求的工艺流程,喷淋液优先选择淡水,并掺入碳酸钠溶液成为稀碱水,燃气中的硫化氢即可去除,而稀碱水再生可使用高温蒸汽发生系统的过热蒸汽进行加热,使生成的硫化钠等产物被还原为碳酸钠循环使用;含焦油废水仅需每隔一定时间进行静置或简单离心分离,过滤其中固体杂质并撇去上层焦油其余的水溶液即可再生进入喷淋净化系统,所得有机废弃物送入焙烧器,焙烧气体产物送入燃气发生系统,余烬与原料一起送入发生炉;定期更换的废水软化处理后送入高温蒸汽发生系统补充消耗的水,(高温蒸汽发生系统参照微型锅炉技术设计但经过了相应改进),变成高温水蒸汽通入反应炉。

喷淋液也可优选挥发性低、与所需去除的焦油等有机杂质相容的溶剂,例如选择流动性较好的植物油,以花生油为例,可掺入破乳剂或乙醇改善其流动性,经过强制冷却的花生油洗去燃气中的灰尘、焦油等杂质,再生时使用简单的过滤装置即可滤去固体杂质,静置并加热到一定温度即可使溶解的焦油等慢慢挥发而分离,所得固体杂质及气体产物均送入燃气发生装置中气化或裂解;定期置换的植物油可直接作为本车载发电系统的发电燃料,例如送入发生炉(燃气发生系统)高温裂解气化为燃料,而不需另行处理废弃油脂。

前述工艺流程中脱除硫化氢等虽有较好效果,但脱硫率仍不能达到很高,因此再设置一道活性炭吸附,控制燃气输入温度及速度达到活性炭最佳吸附条件,活性炭吸附残余焦油等物质外,更可作为催化剂将残余硫化氢脱除变为单质硫,从而彻底净化;活性炭饱和后再生可使用高温蒸汽发生装置产生的过热蒸汽,将再生过程中饱含硫单质的蒸汽通入喷淋系统的喷淋液中冷却、硫单质沉淀,(冷却装置开启保证温度稳定),简单过滤分离即可取出硫单质回收。

(如果采用煤炭等含硫较多的燃料,尤其高硫煤炭,若其他能源消费如锅炉、小型发电厂、供气设备等都使用本工艺流程就可轻松回收大量单质硫,例如全球每年七十亿吨煤炭可回收近亿吨硫,甚至超过当年硫磺的总产量而取代硫磺生产。)

净化后的燃气还可通入储存装置,储存装置(储罐)中设置脱碳装置进一步脱除二氧化碳而提高热值,同时脱除水分,可使用廉价易得又可加热再生的生石灰、碱石灰等作为脱硫、脱水药剂,例如氢氧化钙变成碳酸钙后,可进行简单加热即可再生,产生二氧化碳气体直接排入大气中。

上述喷淋净化装置可根据不同工艺要求分别设置一到多个,并自由组合,直至达到燃气净化要求;其制冷装置也可合并为一到多个;最后也可再设置一到多道过滤吸附装置的过滤系统,再送入相应发电机组及高温燃烧炉;发电机组产生的高温尾气进入高温燃烧炉,若尾气温度过低也可先对尾气加热,然后进入脱硝室,先喷入过量燃料,在还原氛及预设温度中再燃脱硝;再与高温空气混合稀释氧浓度,组织高温低氧燃烧(无焰燃烧)。

这样燃气基本符合要求,哪怕使用的是煤炭等含硫分较多的燃料,稀碱水洗涤、活性炭吸附脱硫也是最彻底的;采用这样的燃气净化工艺,就没有废水需要处理,而各个设备都是结构紧凑、重量较轻,从而使生物质气化发电设备可以实现车载。

对于大型气化设备如集中供气站等,气化炉也可用多段式其中有自产生物质半焦的干馏区,初燃气先经过高温半焦,裂解一部分焦油并初步过滤去大部分灰烬;在初燃气经换热器初步降温达到两百度以下,这是很容易做到的;但生物质燃料碱金属含量较多,高温气化易引起结渣,必须做好防结渣的设计,(水蒸汽气化发电的工艺则热交换器中的水管改为与蒸汽发生系统连接,水管为高压管道,外设耐腐蚀的热交换片,置换的热能加热水蒸汽送入经过相应改进的蒸汽发生器)。

在中、小型集中供气站等场合应用时,初燃气经冷却、初步过滤(多级布袋除尘即可)后,可通过一个改进的离心分离设备快速冷却并离心分离凝结的焦油和灰尘颗粒;这一设备是应用高效流体减阻技术设计的,(详细或具体原理参见相关论文,论文目录本文后有附录),如下图所示意,它有一个浸泡在循环冷却水中的固定的圆筒型外壁,里面有高速旋转的空心圆筒,并有多个叶片插入空间内将其分割为多个独立部分,消除涡流阻力;两个圆筒之间有多层膜片,或者也是空心圆筒状膜片,例如有N层,它们互不接触,旋转速度也不相同,由里到外速度依次降低直至接近于零,也就是形成速度梯度,使流体摩擦阻力减少到原来的N2分之一。初燃气进入其中后被强制高速旋转,同时喷入雾化的水或与焦油相容性好而不挥发的植物油对燃气快速冷却,并洗去凝结的焦油混合颗粒,在离心力作用下甩向外壁高速脱除,燃气穿过挂在叶片上的滤膜,(滤膜上凝聚的颗粒在巨大离心力作用下被甩向四周,不存在堵塞),这样通过一个单一设备就可基本实现净化,而洗焦废水或油经过简单过滤、静置等分离并由冷却系统降温即可再生。

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这样的冷却系统简单、廉价,可采用天然冷源,如冬天的冷空气、或大量低温水源冷却,而不必设置制冷机械。

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