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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

3.4.高压净化与气化发电装置体积的缩小:

为满足安全需要,以上气化装置都是按常压(一个大气压)设计的,即常压微型锅炉、常压气化炉等系列成套设备,所以体积相对较大,尤其气体净化这一块,由于常压运转消除了对高压爆炸等危险可能性的担忧,因此两相权衡还是可以接受的;但对于功率较大的发电机组(如重卡)及要求体积缩小的高档乘用车的发电机组来说,还是有点勉为其难,因此将气化气置于一定压力下而缩小相应体积的技术是可以接受的,例如中温中压下(在用户眼中这些都属于危险的“高温高压”),高温裂解室采用5巴压力则体积缩小五倍,以15KW发电机组为例,每秒需要约4升燃气,1000度左右体积为10升,按停留20秒计算,高温裂解室体积为200升,若至于1M压力下则只需20升,(而且这一段时间内产出的粗燃气都充分混合在一起,消除了燃气热值忽高忽低不稳定的情形),对于现有高温工业管道技术来说提供1000度高温的低压加热容器只需做小的改进;同样气化气粗燃气与水交换热量的换热器、粗燃气冷却、洗涤等工序均可置于中、低压环境中从而大幅减少体积,甚至包括燃烧炉相应部分也可采用相应一定压力下燃烧、尾气与新空气在压力环境下换热等而进一步缩小体积;增加涡轮增压器等回收压力能的设备,包括使用气压驱动制冷压缩机利用回收压力能增加制冷剂功率加速粗燃气冷却,这些都是简单设计,所增造价也有限;实际上15KW左右发电机组全套设备体积可以控制在100升左右,而现有32.5M压力的煤气瓶(108升)重约40公斤,连同隔热材料增加造价在数千元量级,尤其电动重卡这类车型的粗燃气是很适合采用压力净化技术的。

由于设备主要体积增加在于高温裂解室,由于900度气化温度下每标方焦油含量已经在1000毫克以下,因此花费这么大代价裂解残余焦油所提升的热值极小,完全可以缩短气化气燃气停留时间减少体积,而增加植物油洗涤次数、时间、强度等来洗去焦油。当然这些要根据具体应用情形分析进行取舍。

我们知道气化炉随着供给气化剂不同而可执行不同的工艺操作,同一套发生炉稍作改进或设计即可分别执行纯氧气化、空气气化、水蒸汽气化甚至干馏、快速热解等工艺流程,只是气化剂供给系统需专门设计;上述车载发电机若装有微型蒸汽锅炉则可在需要的时候分别选择不同的发电工艺,我们要特别推荐的是一些低速度电动汽车采用水蒸汽气化发电技术(常压或低压)将非常经济,从而赢得广大的发展中国家一些中、低档电动汽车市场,例如生物质丰富而电力缺乏的南美、南亚、东南亚、非洲等地,下面我们介绍一下它们的一些参数:

3.5.高温快速气化发电的电动汽车(以高温水蒸汽气化为例)

低速电动汽车改装高温快速气化发电机组(总价8万,时速50公里)

(生物质气化发电机组尚在研发之中,市面上现有燃气发电机一般采用柴油机改装,随着热值高低而调整进气压力、空燃比等,当热值减少一半时最大出力或功率只有原来的70%至80%左右,例如燃用热值为8000大卡的500kw天然气发电机使用热值为4000大卡的焦炉煤气时机组最大出力只能有350到400千瓦;现改装10kw天然气发电机组重约150公斤,改用水蒸汽气化气(中热值生物质气,热值与焦炉煤气接近)发电功率约为6到8KW,连同气化设备、加压装置等约220公斤,中国市面上曾有5千瓦秸秆空气气化发电机组也基本符合这个重量参数)

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)

中速电动汽车(时速80~100公里;改装20kw天然气发电机,改用中热值生物质气发电功率约为12kw,连同气化设备、加压装置等约420公斤)

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)

这是参照低速车改装高温快速气化发电机组而设计的车型,总价10万左右,虽说最高时速限制在百公里以下,但与氢燃料电池汽车等相比低廉价格比较诱人。而且在发展中国家和地区对于个人家庭用等分布式能源发展来说,电力不足,使用石油能源价格较贵,使用专门的生物质发电机或煤炭发电机也不合算,而此类车载发电机既可以作为汽车动力,又可以同时作为洁净气化设备、供冷、供暖设备、发电设备,价格低廉,性价比非常合算,自然具备很强竞争力。

乘用车采用这类设备约需15KW发电机组,重量可能达到600公斤,体积增加1~2立方,对于要求结构紧凑的车型来说显然体积较大,若采用压力气化净化发电机组可能有些用户担心安全问题难以接受,这种情形也可采取另行加装汽柴油发电机、掺烧甲烷等措施来解决这个问题,例如掺烧一半甲烷,则混合气成分大致为甲烷60%,氢气15%,一氧化碳10%,二氧化碳10%~15%,这一比例很好的改善了燃烧性能(适量的氢增加了燃烧速度),而热值与沼气相当,也使单位时间内的发电总量达到乘用车要求;或加装一个五千瓦的汽柴油发电机(增程器),自由组合,既保留了作为低成本发电的分布式电源的功能,同时相对于普通天然气汽车或天然气/油气混动车它的尾气进入高温燃烧炉处理净化,彻底解决了尾气污染问题;再说在能源草产业大规模发展起来之前目前生物质燃料总量还难以一次性完全取代化石燃料,仍然必须使用一部分汽柴油或天然气甚至煤炭作为补充,日后这一部分也可向改用生物质甲烷、生物质汽油、二甲醚等方向发展逐步达到取代化石燃料的目的;也可采用10kw生物制气发电机和5kw汽柴油(天然气)两用发电机(或增程器)多种功率自由组合等;而且这类车价格实惠,接近用户使用习惯,利于打开市场:

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)

及采用高温快速气化发电技术的电动重卡:

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)

采用水蒸汽气化的电动汽车虽然驱动力受到一定限制,但也可通过超级电容满足瞬时放电要求,及发电机组中发动机与电驱系统并联、混联予以增加;而且这类汽车价格亲民,燃料费用节省,可能有较大的市场竞争力。

由于回收占总能量70%的尾气热量,热效率大幅度提高,若使用热机发电,例如蒸汽机、斯特林机等则发电效率大幅度乃至成倍提高,但蒸汽机重量大,又受水量来源的限制,车载自然不现实,但用于轮船或地面水源丰富地段的固定发电机组,则发电效率高而价格低廉,而且改装技术也很简单,在此不再赘述;至于斯特林机因价格较贵,但对于重卡等车辆若使用斯特林机与内燃机组合发电,则不但消除了尾气污染,而且发电效率成倍提高,价格也还算适中,也是一个极具竞争力的方案。

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