內(nèi)容簡介：本報告分為汽車篇、能源篇、工業(yè)革命篇、未來篇四篇。

汽車篇介紹了結(jié)合高溫燃燒及再燃脫硝凈化技術(shù)的新型潔凈燃燒發(fā)電技術(shù)，著重介紹突破氣化發(fā)電技術(shù)瓶頸的高溫快速高熱值氣化技術(shù)及生物質(zhì)氣凈化技術(shù)、新型脫硝技術(shù)從而實現(xiàn)車載；和使用此技術(shù)的輕便車載外燃發(fā)電機及廉價的使用高溫快速氣化發(fā)電技術(shù)的電動汽車的設想；詳細對比了兩類電動汽車技術(shù)在乘用車、重卡上應用后的性能參數(shù)及技術(shù)經(jīng)濟分析；主張從電動重卡入手推廣及可能遇到的問題。

能源篇提出大量車載發(fā)電機取代現(xiàn)有發(fā)電廠及電網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合退化耕地進行生態(tài)修復大規(guī)模種植能源草，并徹底取代化石燃料的能源轉(zhuǎn)型之路；及能源草產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的大水肥來源困境及解決方案；詳述依據(jù)高效流體減阻技術(shù)設計出高速太陽能飛艇解決生產(chǎn)運輸瓶頸、高速管道運輸系統(tǒng)及河道大規(guī)模乃至跨洋調(diào)配各大江河入海淡水，截斷磷元素流失路徑而緩解磷危機；并以能源草產(chǎn)業(yè)發(fā)展為契機，推動退化耕地修復并大規(guī)模改造各類旱地使糧食產(chǎn)量成十倍提高從而使地球人口承載力提高三倍至五百億人以上，使陸地大農(nóng)業(yè)得到空前鞏固和發(fā)展。

工業(yè)革命篇介紹了高效流體減阻技術(shù)在各大領(lǐng)域應用的場景，詳述高速管道列車、高速太陽能飛艇、高速艦船、高速管道運輸系統(tǒng)在陸地、海洋、冰川、天空中的應用和革命性效果，及空中城市生態(tài)系統(tǒng)、南北極冰川城市生態(tài)、海洋水下城市生態(tài)的建立，發(fā)展海洋牧場種植海藻等解決碳封存、氣候變化及糧食危機、磷危機的設想，高效流體減阻技術(shù)在各領(lǐng)域應用產(chǎn)生革命性影響并爆炸性增長從而推動第四次工業(yè)革命的場景。

未來篇從梳理生物納米技術(shù)進展入手分析短時期內(nèi)向永生社會進軍的可能性，論證科技進步是動物進化到人乃至人類文明構(gòu)建與發(fā)展的最終決定性因素，指出納米技術(shù)、工業(yè)4．0、大數(shù)據(jù)、云計算、生物基因技術(shù)、清潔能源、太空移民技術(shù)等都不具備工業(yè)革命的獨有特征而否定這些是工業(yè)革命的說法，推動人類歷史發(fā)展的終極因素是科技進步，永生社會才是人類社會發(fā)展的終極目標；及對當今人類社會尤其意識形態(tài)可能產(chǎn)生的沖擊；進而以此為基礎探討在新一輪工業(yè)革命及進向永生社會背景下消除意識形態(tài)紛爭，消滅國家、種族、民族、社會組織形態(tài)界限區(qū)別與隔閡，推動政治制度創(chuàng)新，及消除戰(zhàn)爭因素與撲滅犯罪因素和平走向全球一體化之路。 

第一章、能源轉(zhuǎn)型困境與汽車發(fā)展技術(shù)路線

能源是人類生存和文明發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，能源轉(zhuǎn)型與工業(yè)革命息息相關(guān)，每一次能源轉(zhuǎn)型都伴隨工業(yè)革命的進行，工業(yè)革命為能源轉(zhuǎn)型創(chuàng)造了條件， 能源轉(zhuǎn)型又推進了工業(yè)革命的發(fā)展。第一次工業(yè)革命大約發(fā)生在18世紀60年代至19世紀40年代，由英國領(lǐng)導，其標志是蒸汽機的發(fā)明，從工場手工業(yè)發(fā)展到機器大生產(chǎn)，煤炭替代薪柴成為主導能源，完成了第一次能源轉(zhuǎn)型。第二次工業(yè)革命始于19世紀70年代，延續(xù)20世紀中葉，由美國領(lǐng)導，其標志是內(nèi)燃機和電力的出現(xiàn)，石油取代煤炭成為主要能源，完成了第二次能源轉(zhuǎn)型。然而石油、煤炭等化石能源日益枯竭，并引起霧霾、氣候變化等巨大環(huán)境問題，當前人類社會正處于通向第三次能源轉(zhuǎn)型的過程中，許多專家學者認為第三次能源轉(zhuǎn)型將是從化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型。第三次能源轉(zhuǎn)型的核心是大力推動可再生能源發(fā)展，提高可再生能源在一次能源和電能中的比重，最終實現(xiàn)當前化石能源體系向綠色、可持續(xù)的可再生能源體系轉(zhuǎn)變。

驅(qū)動能源轉(zhuǎn)型的因素有很多，每次表現(xiàn)也不一樣，但是技術(shù)進步是推動能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素。據(jù)加拿大學者瓦茨拉夫˙斯米爾的能源轉(zhuǎn)型理論，判斷能源轉(zhuǎn)型的最重要標準是極大改善能源轉(zhuǎn)換效率的“原動機”(prime movers)出現(xiàn)。如第一次能源轉(zhuǎn)型，煤炭替代薪柴成為主導能源，是因為蒸汽機的發(fā)明和應用，為煤炭的大規(guī)模利用提供了條件。第二次能源轉(zhuǎn)型之所以發(fā)生，與內(nèi)燃機發(fā)明和應用密切相關(guān)，內(nèi)燃機的出現(xiàn)為石油的大規(guī)模利用創(chuàng)造了條件。如果第三次能源是從化石能源轉(zhuǎn)向可再生能源，那么適應可再生能源的大規(guī)模利用的“原動機”出現(xiàn)就是關(guān)鍵。

太陽能、風能等可再生能源目前的利用方式導致其能源供應不穩(wěn)定，能量密度較低，難以大規(guī)模廣泛利用，這樣利用方式也不符合能源由能量低密度向能量高密度的轉(zhuǎn)型規(guī)律。除非有利用技術(shù)的重大突破(如高效儲能技術(shù))來解決太陽能、風能等目前利用方式導致的問題，否則太陽能和風能的大規(guī)模利用就難以實現(xiàn)。目前化石能源尚無法完全替代，為消除分散的燃燒污染，集中發(fā)電是減少污染的有效途徑，反映到汽車發(fā)展路線上，經(jīng)過反復爭論后現(xiàn)在主流科學家大都認為電動汽車尤其純電動汽車是唯一可行的選擇，中國政府就將其規(guī)劃為未來汽車發(fā)展的主要技術(shù)路線，確定終極目標發(fā)展氫燃料電池汽車，作為過渡發(fā)展純電動汽車，這是目前汽車發(fā)展技術(shù)路線的由來。但純電動汽車動力電池重量大，價格昂貴，且充電時間長，續(xù)航里程有限，充電樁建設困難，電力增容投資巨大，電池安全性有待提高且報廢后回收處理污染大等，而且電動重卡采用這一研發(fā)思路似乎陷入了困境。主流科學家主張能源轉(zhuǎn)型終極目標是氫能源，一度有很多科學家主張轉(zhuǎn)型氫能源（燃料電池）等，但氫燃料電池價格更加昂貴，重量大，實際上尚處于研發(fā)階段；而氫獲取成本、儲運技術(shù)、鉑催化劑替代、氫氣站安全性等遠未解決，（據(jù)測算使用氫作燃料費用是汽油的數(shù)倍乃至八倍，加氫站造價為加油站的數(shù)十倍），尚難以商業(yè)化。

而各種石油替代燃料技術(shù)轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多，每多一個環(huán)節(jié)都會增加巨大的成本，各有各的缺陷，例如生物乙醇成本昂貴，生產(chǎn)量少，還存在與糧爭地等問題，而且糧食每年總產(chǎn)量約25億噸，而能源消耗一百五十億噸油當量，不是一個數(shù)量級；甲醇、二甲醚也存在同樣問題，有的還存在毒性；天然氣、石油液化氣等雖有滿意效果，但屬于化石燃料，對碳減排基本無效；在長期研究探索發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)能取代化石能源走入死胡同后，又發(fā)現(xiàn)燃燒污染尤其高溫燃燒（包括內(nèi)燃機等動力機械內(nèi)的燃燒過程）難以消除污染，

汽車未來的發(fā)展方向是電動汽車沒有大的爭議，但是否只有純電動汽車一條路？有沒有可能另辟蹊徑直接以可再生的燃料例如常見的生物質(zhì)燃料直接作為汽車動力、并像現(xiàn)有汽車一樣燃料來源廣泛、儲運補充方便沒有里程焦慮、并消除尾氣污染？此外隨著科技進步，生物質(zhì)能源真的還是死胡同嗎？ 有無可能在取得某些技術(shù)突破后大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)能源？

實際上已經(jīng)出現(xiàn)一種高效減少流體阻力的技術(shù)，采用這一技術(shù)將使輸水管道等速度成倍、成十倍提高從而大幅度降低調(diào)水成本，解決生物質(zhì)能源材料大規(guī)模種植的大水肥來源問題，使得可再生能源草能大量獲得，從而為能源轉(zhuǎn)型從化石能源重新轉(zhuǎn)向“柴薪”能源奠定了基礎，后文我們會專門討論。

研發(fā)人員確曾長時間把目光投向兼容各種燃料的外燃機在汽車上的應用，汽車名字中的“汽”字就來自最早的蒸汽機汽車；斯特林機發(fā)電效率不亞于內(nèi)燃機，但自重大、輸出扭矩小、暖機時間長等不適合用于直接輸出動力的汽車發(fā)動機，上世紀九十年代國際上就已有定論；此外約一百年前，尤其二戰(zhàn)期間，出現(xiàn)過大量以木柴、煤炭為燃料的汽車、坦克等，其主要原理是對木柴、煤炭等燃料高溫氣化產(chǎn)生（木）煤氣，經(jīng)凈化后通入專用內(nèi)燃機做功，直接輸出動力驅(qū)動汽車前進，然而由于氣化而得的煤氣或木煤氣燃值低、污染嚴重、啟動慢、動力輸出不穩(wěn)定等原因而逐漸淘汰。雖然一直不斷有人研究生物質(zhì)燃料用于汽車的可能性，例如中國大陸的東北林業(yè)大學研究生物質(zhì)能汽車的動力系統(tǒng)技術(shù)揭示了一種單缸四沖程的生物質(zhì)裂解氣汽車發(fā)動機，雖說利于用現(xiàn)有燃油汽車進行簡單改裝即可或僅需購買專用的裂解氣發(fā)動機進行改制，但由于市場上小汽車時速要求百公里以上，所需發(fā)動機功率動輒上百馬力，現(xiàn)有生物質(zhì)氣的低熱值導致發(fā)動機較重，且適合車載重量的發(fā)動機功率在三十到七十馬力以下，相應車速降低根本不能滿足要求;而且生物質(zhì)氣熱值不穩(wěn)定，變化太大而造成動力輸出不穩(wěn)，難以滿足汽車動力需要；其他類似研究也大都局限于此。

未被注意的是電動汽車出現(xiàn)后，電驅(qū)動力系統(tǒng)的高效是公認的，外燃機技術(shù)經(jīng)上百年發(fā)展也已今非昔比，那么外燃機發(fā)電系統(tǒng)單純只作為增程器式電源能否避開這些缺陷，若再輔以小容量蓄電池調(diào)蓄電量保證啟動、暖機等階段供電的方案是否可行？此外隨著各類發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，有無可能突破木柴、煤炭氣化發(fā)電技術(shù)的瓶頸？若能解決生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)瓶頸的焦油清除技術(shù)后再集成于車載系統(tǒng)，以解決氣化氣體燃值低、污染大的問題，因為電驅(qū)動系統(tǒng)的高效性使電動小汽車百公里耗電在十到十五度左右，前面提到的生物質(zhì)裂解氣發(fā)動機是完全可以達到發(fā)電量要求的，而且如果可行則這類電動汽車造價將極其低廉。

我們認為采用高溫氣化技術(shù)提高熱值、減少氣化氣雜質(zhì)，并利用成套設備凈化粗燃氣，及新型結(jié)合高溫低氧燃燒和再燃脫硝的技術(shù)回收尾氣熱量提高發(fā)電效率，并消除尾氣污染，這樣的技術(shù)方案足以滿足要求；那么它能否成為推動能源轉(zhuǎn)型、適應生物質(zhì)能源大規(guī)模利用的“原動機”？現(xiàn)謹懷拋磚引玉之心與大家共同探討。

至于船舶工程、火車或高鐵動力設備可直接使用生物質(zhì)鍋爐代替燃煤鍋爐或燃油發(fā)電機組,因技術(shù)很簡單,就不做重點介紹，我們認為此次能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵首先在于汽車能否直接利用“柴薪”類生物質(zhì)能源，所以重點介紹其在汽車上的應用。

第二章  新型高溫低氧潔凈氣化、燃燒及發(fā)電技術(shù)：

氣化技術(shù)瓶頸是1、熱值低而導致發(fā)電機系統(tǒng)重量大，難以車載；空氣氣化的氣體熱值約為4～5MJ，二、三十千瓦的發(fā)電機組達到七百公斤，難以搬上車；2、氣體中雜質(zhì)尤其焦油含量大且很難去除，引起燃燒不充分、發(fā)動機磨損、焦油堵塞管道等。實際上這些可以通過提高氣化溫度來解決，高溫氣化或水蒸汽氣化不但減少雜質(zhì)，也將提高熱值一倍以上，從而大幅減少設備重量；而小型氣化裝置運行不穩(wěn)定，但同時因為小可以采取更多措施而不致于大幅增加成本；由于現(xiàn)階段對于燃燒污染的擔憂和緊張，氣化產(chǎn)生的焦油等化合物成分很多，凈化技術(shù)復雜，因此下文會著重介紹作為技術(shù)瓶頸的生物質(zhì)氣或初燃氣的凈化設計。我們主張的主要工藝流程如下圖所示意：

通過外加燃燒爐提高氣化溫度使氣化氣熱值大幅度提高從而減少發(fā)電機組重量；氣化氣與水換熱回收熱能并采用水蒸汽氣化工藝；氣化氣間接冷卻無廢水；高溫裂解室促進焦油裂解；通過稀堿水洗滌脫硫、脫碳；通過與焦油相溶的植物油洗滌去除殘余焦油等；發(fā)電機尾氣進入外加燃燒爐稀釋高溫空氣氧濃度并組織高溫低氧燃燒潔凈排放。

2．1高溫氣化及裂解設計

前面所述生物質(zhì)或煤炭氣化技術(shù)，依靠氧氣與物料氧化放熱反應熱量使反應持續(xù)進行，焦油雜質(zhì)含量少，氣化氣熱值高，但氣化過程不好控制，主要是溫度或熱量平衡不好控制，現(xiàn)有反應釜也很少有能準確控制反應條件的,即使專業(yè)的熱管裂解爐也難以得心應手的控制；實際上使用水蒸汽氣化也有焦油等有害雜質(zhì)少、氣化產(chǎn)物熱值高的優(yōu)點，而水蒸汽氣化是吸熱反應，隨著反應進行溫度迅速下降而導致熱量平衡更不好控制；而如果維持氣化反應溫度在800度至900度以上，哪怕使用空氣為氣化劑也有令人滿意的效果；若溫度達到1200度則焦油、多環(huán)芳烴等基本裂解，因此控制氣化反應溫度尤其出氣溫度成為關(guān)鍵。

一般來說化工流程都是依靠化合物自反應維持熱量平衡從而使化學反應自動進行下去，熱量傳遞和分配依靠物料的運動即對流實現(xiàn)，例如氣化劑作為熱能載體，氣體攜帶熱量通過對流傳熱；但氣體質(zhì)量輕比熱小，攜帶熱量少，溫度變化急劇;如果依靠生物質(zhì)自身氧化放熱，則氧化反應放出熱量與還原反應吸收熱量難以準確控制平衡，尤其小型裝置反應極不穩(wěn)定，這也是氣化發(fā)電技術(shù)的瓶頸之一。一般來說大型的化工工藝流程也很少依靠熱輻射來傳遞熱能。

現(xiàn)有氣化爐技術(shù)中有一種參照化工工藝的熱管氣化爐（或熱管裂解爐）技術(shù)，燃燒室熱量通過熱管導入氣化爐內(nèi)保證數(shù)百度乃至上千度高溫，但熱管價格昂貴，瞬時放熱難以準確控制；而大型氣流床雖說使出氣溫度達到1300度從而沒有焦油，但車載氣化系統(tǒng)都是小型的，難以保證穩(wěn)定運行，不能照搬；而且這一溫度下氣化氣中的甲烷等也徹底分解為小分子物質(zhì)而導致熱值減少，這是需要避免的情形。

對于簡單的車載小型固定式氣化爐我們采用如下方案通過導入外熱源來保證高溫快速氣化或粗燃氣的高溫裂解：

如下圖所示意，用導熱材料制作的導熱板連同氣化爐外壁將氣化爐分隔為很多個很小的相對獨立的區(qū)間，也可理解為很多個小氣化爐的組合；在工作溫度只有幾百度時導熱板可用鐵、銅等金屬材料，隨著溫度升高必須采用耐熱鋼等，實際上碳化硅等導熱性良好而又廉價、耐磨的耐火材料是比較理想的，并與外加的燃燒爐相連，從而將外加熱源導入爐內(nèi)，實際設計中往往將微型氣化爐置于燃燒爐中煅燒；燃燒爐使用生物質(zhì)燃料則火焰溫度只有幾百度，因此采用高溫空氣助燃的蓄熱式高溫燃燒技術(shù)，（如前文所述），通過與煙氣換熱來回收煙氣熱量預熱空氣，使燃燒溫度大幅度提高，爐溫達到所要求的溫度，例如900度乃至1200度（車載系統(tǒng)則可能要求低于甲烷裂解溫度1000度）；這一溫度通過導熱板傳給各個小的氣化區(qū)間，而導熱板、爐壁、燃燒爐等合起來有一定質(zhì)量，雖說比熱容不高，但加熱到900到1000度左右高溫其蓄熱量也相當可觀，足以調(diào)蓄熱量變化保證運行穩(wěn)定，而不必另設蓄熱體；同時在氣化爐內(nèi)設置溫度監(jiān)控隨時調(diào)整相應參數(shù)，采用一系列低氮燃燒技術(shù)減少氮氧化物生成，使氣化溫度維持在900度乃至1200度運行，從而保證氣化反應的快速、穩(wěn)定及高熱值，關(guān)鍵是高溫下焦油基本裂解甚至滿足每標方500毫克乃至100毫克以下的要求。隨后粗燃氣導入一個類似儲存柜的高溫裂解室，同樣保證高溫裂解室溫度在950度左右及粗燃氣逗留時間，使殘余焦油、多環(huán)芳烴等徹充分裂解。

由于隔絕空氣加熱到高于1000度會導致粗燃氣中約占總體積20%的甲烷分解為氫氣和碳沫而導致熱值大幅度下降（減少約30%以上）,對于某些強調(diào)提高熱值而降低發(fā)電機組重量的車載系統(tǒng)來說得不償失,尤其相對較小的乘用車系統(tǒng),因此另一可選方案是控制氣化及高溫裂解溫度在900度到1000度之間,防止甲烷分解;同時高溫裂解室內(nèi)滿布催化劑（白云石、三氧化二鐵等）,增加接觸面積與停留時間以徹底裂解焦油等,而殘余焦油強調(diào)通過其他方法去除（例如增加后續(xù)的植物油洗滌工序次數(shù)）,這樣可保證氣化氣中熱值（熱值每標方15MJ以上）,基本滿足車載要求。

2．2高溫燃燒爐設計

至于燃燒爐設計，同前述斯特林機燃燒室基本類似，如下圖所示意：燃燒爐分為多個部分，讓部分高溫粗燃氣回流進入高溫燃燒室，與經(jīng)過預熱及過熱器加熱而得到的高溫空氣高溫激烈燃燒，在這一過程中會產(chǎn)生大量氮氧化物等；全部尾氣進入高溫低氧燃燒室，先經(jīng)新型脫硝反應器組織上文所述的經(jīng)過改進的再燃脫硝燃燒過程，再與經(jīng)過防結(jié)渣預熱器及空氣過熱器加熱而得到的高溫空氣混合為低氧氣體，組織高溫低氧燃燒，潔凈排放。這一技術(shù)用于家用氣化爐灶中，可直接使用空氣氣化，（大型集成灶也可使用水蒸汽氣化），爐灶使用時（做飯、炒菜、燒熱水等）的燃燒爐灶兼做提供氣化熱量的燃燒爐，并作封閉設計，如高溫空氣炸鍋、熱處理馬弗爐、各類加熱爐等，還可凈化高溫燃燒的尾氣，一舉多得；若使用潔凈燃料，更可直接采用蓄熱式高溫燃燒技術(shù)，煙氣與陶瓷蜂窩體材料交替換熱，使熱能利用達到極致。

車載氣化系統(tǒng)有所不同，因車載發(fā)電機組尾產(chǎn)生大量需要凈化的尾氣，因此以發(fā)電機組的高溫尾氣來稀釋高溫空氣，而不再使用自身煙氣進行循環(huán)等手段；而且由于燃氣、尾氣都經(jīng)過凈化，沒有危害陶瓷蜂窩體材料的因素，故可直接采用蓄熱式高溫燃燒技術(shù)，如下圖所示意，其燃燒爐流程設計如下：凈化后的部分粗燃氣與蓄熱室換熱后進入高溫燃燒爐，同時發(fā)電機組高溫尾氣也全部進入高溫燃燒爐，先噴入部分高溫燃氣作為再燃燃料組織上文所述的改進的再燃脫硝工藝，再與換熱后的高溫空氣混合成為低氧氣體，組織高溫低氧燃燒并潔凈排放，若尾氣比例過高，則以富氧氣體調(diào)節(jié)氧濃度保證繼續(xù)燃燒；同時以高溫粗燃氣加熱水生成水蒸汽回收粗燃氣熱量，并優(yōu)先采用水蒸汽氣化技術(shù)。

大家也許會覺得另加一個外熱源會額外消耗燃料，導致總發(fā)電效率下降；但我們計算具體消耗物料量時卻發(fā)現(xiàn)，進行熱量平衡計算時各反應方程式?jīng)]有變，也就是說燃燒爐導入的熱量增加，相應氣化爐中用于氧化反應產(chǎn)生熱量的燃料消耗就會減少，理論上說料氣比不變，相反由于焦油裂解量大幅增加，發(fā)電效率不降反增。實際上可理解為外加熱源只提供還原反應所需的熱量，其產(chǎn)物不參與還原反應，而經(jīng)過嚴格控制的燃料與水蒸汽投入比例保證還原反應順利進行，不受其他干擾，從而溫度等反應條件準確可控、快速而且焦油在900到1000度高溫下熱裂解充分（或900度左右充分催化裂解）。

以每小時發(fā)電十五度的發(fā)電系統(tǒng)為例，所產(chǎn)生粗燃氣氣體約十立方，溫度由800度左右即使升至1200度約需消耗熱量1.5KJ/NM²*（1200-800）*10=6000KJ，約1500千卡，額外不到一斤的燃料量，而且很大一部分熱能轉(zhuǎn)化為水蒸氣回收；而且車載系統(tǒng)只需加熱到950度到1000度左右，所消耗燃料更減少一半以上。

這樣一來，氣化速度成倍提高，而且氣化劑選擇余地很大，有時哪怕使用高溫空氣作氣化劑也能實現(xiàn)車載。而且發(fā)電機尾氣通入高溫燃燒爐或脫硝室，不但凈化了尾氣，而且使尾氣熱量得到回收，只會使熱效率大幅度提高。

再說回收的尾氣熱量用于加熱水蒸汽，可仿照微型蒸汽機設計輸出動力，與發(fā)電機連軸發(fā)電，及與制冷機組連軸，從而大幅提高發(fā)電效率。

2．3生物質(zhì)氣或氣化氣的凈化

氣化產(chǎn)生的化合物成分很多，凈化技術(shù)復雜，其中粗燃氣中的焦油和灰燼的去除關(guān)系到整個系統(tǒng)的成敗，這也是目前生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)的瓶頸所在，不解決這一問題難以實現(xiàn)生物質(zhì)發(fā)電機的車載。我們主張間接冷卻后再采用濕法洗滌除焦，但根據(jù)工藝條件不同而以特殊方法處理洗焦用物質(zhì)，使之沒有需要另行復雜處理的廢水廢渣廢液等，具體工藝流程如下圖所示意：

微型氣化爐、空氣過熱器、高溫裂解室等均置于燃燒爐中煅燒， 車載系統(tǒng)為避免車載廢水處理設備的問題，（哪怕采用水汽集成工藝也仍有少量廢水需成套設備處理），因此車載小型設備不能采用粗燃氣與水直接接觸的水冷方式，而為了加快冷卻速度、減少車載設備體積而加裝余熱制冷系統(tǒng)，保證冷卻水、噴淋液或鼓泡液溫度，由于粗燃氣通過熱交換裝置間接冷卻，因此冷卻流程沒有廢水產(chǎn)生;微型氣化爐保證950度高溫水蒸汽氣化。粗燃氣冷卻過程中的結(jié)碴問題也可采用上文所述的防結(jié)碴構(gòu)造。

制冷系統(tǒng)功率較小，以每小時發(fā)電十五度的發(fā)電系統(tǒng)為例，燃氣體積約十立方，溫度由200度降至0度約需消耗制冷量1.5KJ/NM²*（200-0）*10=3000KJ，約700大卡，制冷系統(tǒng)所需功率不到半匹。而且制冷壓縮機采用氣壓驅(qū)動的壓縮機，利用渦輪增壓器等設備回收蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的氣體壓力能或其他氣壓能量驅(qū)動制冷壓縮機。

若對凈化效果仍不滿意，進一步進行洗滌：燃氣通過一到多級噴淋器，從下往上經(jīng)過稀堿水（或與焦油相溶的植物油）鼓泡浴后，再經(jīng)強制冷卻至限定溫度的稀堿水或植物油淋洗，就可洗去殘余的焦油和灰燼、硫化物；稀堿水簡單過濾，及靜置分離即可除去灰塵，使用高溫蒸汽即可使吸收硫化氫生成的產(chǎn)物被還原為碳酸鈉，上部析出硫化氫氣體可另行處理，從而實現(xiàn)再生；植物油也有很多凈化技術(shù)再生；再生分離所得濾渣及上部浮油等送入氣化爐分解。

可以根據(jù)不同工藝要求選用不同噴淋液，燃氣從下往上冒，先從低溫噴淋液中鼓泡冒出，降低燃氣溫度并脫除部分灰塵和焦油等雜質(zhì)；冒出噴淋液后再進行噴淋，進一步降溫并脫去灰燼和冷凝雜質(zhì)；噴淋液由制冷系統(tǒng)強制冷卻保證低于限定溫度；噴淋液經(jīng)簡單處理即可再生進入循環(huán)，噴淋液再生處理所得廢棄物送入燃氣發(fā)生系統(tǒng)或特別的焙燒器進行焙燒，焙燒所得產(chǎn)物也送入燃氣發(fā)生系統(tǒng)。更換后的噴淋液也可直接或間接轉(zhuǎn)變成發(fā)電原料，不產(chǎn)生需要另行處理的廢棄物；若使用的燃料含硫量高（例如煤炭），則燃氣中含有大量硫化氫等，噴淋液中生成硫化鈉等產(chǎn)物，可通入過熱蒸汽再生，重新生成碳酸鈉，而上部析出的硫化氫氣體另行回收處理，噴淋液再生循環(huán)。

水蒸汽氣化發(fā)電等有高溫水蒸汽需求的工藝流程，噴淋液優(yōu)先選擇淡水，并摻入碳酸鈉溶液成為稀堿水，燃氣中的硫化氫即可去除，而稀堿水再生可使用高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的過熱蒸汽進行加熱，使生成的硫化鈉等產(chǎn)物被還原為碳酸鈉循環(huán)使用；含焦油廢水僅需每隔一定時間進行靜置或簡單離心分離，過濾其中固體雜質(zhì)并撇去上層焦油其余的水溶液即可再生進入噴淋凈化系統(tǒng)，所得有機廢棄物送入焙燒器，焙燒氣體產(chǎn)物送入燃氣發(fā)生系統(tǒng)，余燼與原料一起送入發(fā)生爐；定期更換的廢水軟化處理后送入高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)補充消耗的水，（高溫蒸汽發(fā)生系統(tǒng)參照微型鍋爐技術(shù)設計但經(jīng)過了相應改進），變成高溫水蒸汽通入反應爐。

噴淋液也可優(yōu)選揮發(fā)性低、與所需去除的焦油等有機雜質(zhì)相容的溶劑，例如選擇流動性較好的植物油，以花生油為例，可摻入破乳劑或乙醇改善其流動性，經(jīng)過強制冷卻的花生油洗去燃氣中的灰塵、焦油等雜質(zhì)，再生時使用簡單的過濾裝置即可濾去固體雜質(zhì)，靜置并加熱到一定溫度即可使溶解的焦油等慢慢揮發(fā)而分離，所得固體雜質(zhì)及氣體產(chǎn)物均送入燃氣發(fā)生裝置中氣化或裂解；定期置換的植物油可直接作為本車載發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電燃料，例如送入發(fā)生爐（燃氣發(fā)生系統(tǒng)）高溫裂解氣化為燃料，而不需另行處理廢棄油脂。

前述工藝流程中脫除硫化氫等雖有較好效果，但脫硫率仍不能達到很高，因此再設置一道活性炭吸附，控制燃氣輸入溫度及速度達到活性炭最佳吸附條件，活性炭吸附殘余焦油等物質(zhì)外，更可作為催化劑將殘余硫化氫脫除變?yōu)閱钨|(zhì)硫，從而徹底凈化；活性炭飽和后再生可使用高溫蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的過熱蒸汽，將再生過程中飽含硫單質(zhì)的蒸汽通入噴淋系統(tǒng)的噴淋液中冷卻、硫單質(zhì)沉淀，（冷卻裝置開啟保證溫度穩(wěn)定），簡單過濾分離即可取出硫單質(zhì)回收。

（如果采用煤炭等含硫較多的燃料，尤其高硫煤炭，若其他能源消費如鍋爐、小型發(fā)電廠、供氣設備等都使用本工藝流程就可輕松回收大量單質(zhì)硫，例如全球每年七十億噸煤炭可回收近億噸硫，甚至超過當年硫磺的總產(chǎn)量而取代硫磺生產(chǎn)。）

凈化后的燃氣還可通入儲存裝置，儲存裝置（儲罐）中設置脫碳裝置進一步脫除二氧化碳而提高熱值，同時脫除水分，可使用廉價易得又可加熱再生的生石灰、堿石灰等作為脫硫、脫水藥劑，例如氫氧化鈣變成碳酸鈣后，可進行簡單加熱即可再生，產(chǎn)生二氧化碳氣體直接排入大氣中。

上述噴淋凈化裝置可根據(jù)不同工藝要求分別設置一到多個，并自由組合，直至達到燃氣凈化要求；其制冷裝置也可合并為一到多個；最后也可再設置一到多道過濾吸附裝置的過濾系統(tǒng)，再送入相應發(fā)電機組及高溫燃燒爐；發(fā)電機組產(chǎn)生的高溫尾氣進入高溫燃燒爐，若尾氣溫度過低也可先對尾氣加熱，然后進入脫硝室，先噴入過量燃料，在還原氛及預設溫度中再燃脫硝；再與高溫空氣混合稀釋氧濃度，組織高溫低氧燃燒（無焰燃燒）。

這樣燃氣基本符合要求，哪怕使用的是煤炭等含硫分較多的燃料，稀堿水洗滌、活性炭吸附脫硫也是最徹底的；采用這樣的燃氣凈化工藝，就沒有廢水需要處理，而各個設備都是結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕，從而使生物質(zhì)氣化發(fā)電設備可以實現(xiàn)車載。

對于大型氣化設備如集中供氣站等，氣化爐也可用多段式其中有自產(chǎn)生物質(zhì)半焦的干餾區(qū)，初燃氣先經(jīng)過高溫半焦，裂解一部分焦油并初步過濾去大部分灰燼；在初燃氣經(jīng)換熱器初步降溫達到兩百度以下，這是很容易做到的;但生物質(zhì)燃料堿金屬含量較多,高溫氣化易引起結(jié)渣,必須做好防結(jié)渣的設計，（水蒸汽氣化發(fā)電的工藝則熱交換器中的水管改為與蒸汽發(fā)生系統(tǒng)連接，水管為高壓管道，外設耐腐蝕的熱交換片，置換的熱能加熱水蒸汽送入經(jīng)過相應改進的蒸汽發(fā)生器）。  

在中、小型集中供氣站等場合應用時,初燃氣經(jīng)冷卻、初步過濾（多級布袋除塵即可）后，可通過一個改進的離心分離設備快速冷卻并離心分離凝結(jié)的焦油和灰塵顆粒；這一設備是應用高效流體減阻技術(shù)設計的，（詳細或具體原理參見相關(guān)論文，論文目錄本文后有附錄），如下圖所示意，它有一個浸泡在循環(huán)冷卻水中的固定的圓筒型外壁，里面有高速旋轉(zhuǎn)的空心圓筒，并有多個葉片插入空間內(nèi)將其分割為多個獨立部分，消除渦流阻力；兩個圓筒之間有多層膜片，或者也是空心圓筒狀膜片，例如有N層，它們互不接觸，旋轉(zhuǎn)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，使流體摩擦阻力減少到原來的N²分之一。初燃氣進入其中后被強制高速旋轉(zhuǎn)，同時噴入霧化的水或與焦油相容性好而不揮發(fā)的植物油對燃氣快速冷卻，并洗去凝結(jié)的焦油混合顆粒，在離心力作用下甩向外壁高速脫除，燃氣穿過掛在葉片上的濾膜，（濾膜上凝聚的顆粒在巨大離心力作用下被甩向四周，不存在堵塞），這樣通過一個單一設備就可基本實現(xiàn)凈化，而洗焦廢水或油經(jīng)過簡單過濾、靜置等分離并由冷卻系統(tǒng)降溫即可再生。

這樣的冷卻系統(tǒng)簡單、廉價，可采用天然冷源，如冬天的冷空氣、或大量低溫水源冷卻，而不必設置制冷機械。

2.4.高壓凈化與氣化發(fā)電裝置體積的縮?。?/strong>

為滿足安全需要，以上氣化裝置都是按常壓（一個大氣壓）設計的，即常壓微型鍋爐、常壓氣化爐等系列成套設備，所以體積相對較大，尤其氣體凈化這一塊，由于常壓運轉(zhuǎn)消除了對高壓爆炸等危險可能性的擔憂，因此兩相權(quán)衡還是可以接受的；但對于功率較大的發(fā)電機組（如重卡）及要求體積縮小的高檔乘用車的發(fā)電機組來說，還是有點勉為其難，因此將氣化氣置于一定壓力下而縮小相應體積的技術(shù)是可以接受的，例如中溫中壓下（在用戶眼中這些都屬于危險的“高溫高壓”），高溫裂解室采用5巴壓力則體積縮小五倍，以15KW發(fā)電機組為例，每秒需要約4升燃氣，1000度左右體積為10升，按停留20秒計算，高溫裂解室體積為200升，若至于1M壓力下則只需20升，（而且這一段時間內(nèi)產(chǎn)出的粗燃氣都充分混合在一起，消除了燃氣熱值忽高忽低不穩(wěn)定的情形），對于現(xiàn)有高溫工業(yè)管道技術(shù)來說提供1000度高溫的低壓加熱容器只需做小的改進；同樣氣化氣粗燃氣與水交換熱量的換熱器、粗燃氣冷卻、洗滌等工序均可置于中、低壓環(huán)境中從而大幅減少體積，甚至包括燃燒爐相應部分也可采用相應一定壓力下燃燒、尾氣與新空氣在壓力環(huán)境下?lián)Q熱等而進一步縮小體積；增加渦輪增壓器等回收壓力能的設備，包括使用氣壓驅(qū)動制冷壓縮機利用回收壓力能增加制冷劑功率加速粗燃氣冷卻，這些都是簡單設計，所增造價也有限；實際上15KW左右發(fā)電機組全套設備體積可以控制在100升左右，而現(xiàn)有32.5M壓力的煤氣瓶（108升）重約40公斤，連同隔熱材料增加造價在數(shù)千元量級，尤其電動重卡這類車型的粗燃氣是很適合采用壓力凈化技術(shù)的。

由于設備主要體積增加在于高溫裂解室，由于900度氣化溫度下每標方焦油含量已經(jīng)在1000毫克以下，因此花費這么大代價裂解殘余焦油所提升的熱值極小，完全可以縮短氣化氣燃氣停留時間減少體積，而增加植物油洗滌次數(shù)、時間、強度等來洗去焦油。當然這些要根據(jù)具體應用情形分析進行取舍。

2.5：結(jié)碴問題處理方案：

生物質(zhì)粗燃氣在高溫氣化或燃燒時，由于生物質(zhì)燃料富含堿金屬，在高溫下迅速揮發(fā)，所以燃氣或煙氣中富含堿金屬，當其溫度下降到堿金屬熔點以下時，就會與灰渣一起沉積在與煙氣、燃氣接觸的溫度較低的表面，即所謂的結(jié)碴，尤其水冷壁、省煤器、換熱器內(nèi)表面等位置結(jié)碴很嚴重，甚至幾天不清理就導致不能使用；而其他燃料包括煤炭等常見燃料在內(nèi)都有類似現(xiàn)象，只是程度略輕。我們認為可在換熱器等與粗燃氣或煙氣接觸的表面設置防結(jié)碴構(gòu)造，例如設置清刮刮片設施，不間斷清刮，刮出廢物被送往除塵設備處一并處理；或設置刮片固定，換熱器等與粗燃氣接觸的表面設置采用導熱耐磨材料制作的覆蓋于表面的可活動保護板，如下圖所示意，保護板與換熱器本體表面結(jié)合緊密且導熱良好，通過推拉結(jié)構(gòu)推、拉保護板，固定刮片即可自動清刮保護板，保證推、拉距離大于刮片布置間距，就可保證將結(jié)碴清除干凈；設置可拆裝的密封軟膜保證簡單密封即可，打開密封軟膜可將保護板取出檢修；同樣刮片也可做類似設計，在縱、橫向刮片相對應位置留下與刮片嚴絲合縫的孔槽，分別進行推拉，使縱、橫向刮片可互相清刮；這樣就解決了非常頭痛的結(jié)碴問題。

2.6： 再燃脫硝結(jié)合高溫低氧燃燒技術(shù)的新脫硝工藝：

一般的再燃燃燒脫硝技術(shù)，其脫硝率仍然達不到日益嚴格的環(huán)保要求，因此本技術(shù)采用的是結(jié)合高溫低氧燃燒技術(shù)進行改進的再燃脫硝技術(shù)。

對于再燃脫硝機理，目前并未完全弄清或形成統(tǒng)一共識，但目前如下意見基本沒有爭議，那就是燃燒過程中再燃燃料如甲烷等在約0.15秒極短燃燒時間內(nèi)產(chǎn)生大量O、OH自由基及CH3、CHO等中間產(chǎn)物，它們與一氧化氮反應，隨著反應條件不同而還原一氧化氮或重新生成；根據(jù)這一分析，控制極短的燃燒過程中的中間產(chǎn)物和自由基與一氧化氮的混合與反應是脫硝關(guān)鍵，由于燃燒時間短，中間產(chǎn)物甚至來不及與煙氣中的一氧化氮充分混合與接觸，因此必須延長燃燒時間，而高溫低氧燃燒可使燃燒時間大幅度延長，火焰體積增大而使中間產(chǎn)物隨火焰分布范圍擴大，進而遍布整個空間，從而充分與一氧化氮混合接觸，高溫低氧燃燒穩(wěn)定溫度分布均勻在還原氛下有助于平衡向脫硝方向移動；而氮氧化物（主要是一氧化氮）相對數(shù)量并不多，每次燃燒用于脫硝所消耗的再燃燃料也是極少數(shù)，因此再燃燃燒組織高溫低氧燃燒，并盡可能在還原氛下分為多次燃燒是增強脫硝效果的有效途徑；因此使用如下脫硝工藝或方法：

1、將煙氣導入單獨分隔的脫硝區(qū)，分批次噴入過量再燃燃料，由于高溫煙氣中仍有一定氧氣（含量高于2%以上），因此仍可組織高溫低氧燃燒，先基本耗盡高溫煙氣中殘余氧氣，這樣在還原氛中初步脫硝，并初步混合均勻；2、通過大幅度延長脫硝區(qū)停留時間、充分混合煙氣與再燃燃料、控制脫硝區(qū)內(nèi)所有煙氣溫度均勻分布、嚴格控制溫度在最佳非催化劑脫硝溫度范圍來保證氮氧化物等雜質(zhì)與再燃燃料有效成分充分反應，并防止氮氧化物等雜質(zhì)再次生成，從而提高脫硝率；3、在再燃燃料耗盡后，再次噴入過量高溫再燃燃料，在控制總的空氣過量系數(shù)前提下，通過分批次噴入助燃低氧空氣，組織還原氛中多次再燃燃燒過程，通過降低助燃空氣氧氣含量延長燃燒時間、提高助燃空氣溫度、控制煙氣溫度在最佳非催化脫硝范圍、煙氣與助燃氣混合均勻等進一步提高脫硝率；這一過程也可組織一到多次從而進一步提高脫硝率；4、一個可選項是若燃料潔凈或經(jīng)過凈化，設置催化劑使一氧化氮在過量一氧化碳中被還原而脫硝，與汽車尾氣凈化器類似，但催化劑大都使用貴金屬，價格昂貴大幅增加造價，而且催化劑往往需滿足一定使用條件，因此一般盡量避免使用。 5、最后噴入過量高溫低氧助燃氣組織高溫低氧燃燒，并保證充分燃燒，及防止氮氧化物再次生成；6、脫硝后的煙氣余熱通過換熱來預熱助燃氣體和燃料氣，及組織再燃燃燒過程中的熱能輸出；7、大部分脫硝反應均為吸熱反應，適當提高溫度和大幅度增加反應壓力有助于脫硝反應徹底進行，降低氮氧化物反應濃度最低極限，且中高壓工藝有助于大幅縮小設備體積。

根據(jù)上述工藝要求可設置新型脫硝反應器，伴隨大量氮氧化物的高溫燃燒室煙氣溫度很高，通過高溫煙氣管道將其引入脫硝室，首先通過多個燃料噴嘴逐次噴入過量再燃燃料，先組織高溫低氧燃燒，耗盡煙氣中的殘余氧氣，在相對還原氛下煙氣再燃初步脫硝，并與煙氣混合均勻；脫硝室內(nèi)設置溫度調(diào)控裝置，設有溫度傳感器，并有低溫空氣流通管道回路或其他冷卻設計，根據(jù)溫度信號通過閥門控制空氣流量等實現(xiàn)冷卻；同時設置與外熱源相連的蓄熱體及相應導熱片等結(jié)構(gòu)，在再燃燃燒反應短時間內(nèi)結(jié)束后仍可通過蓄熱體導入脫硝反應所需熱量；可選項是導熱片上也布滿催化劑使氮氧化物被還原，這樣就可根據(jù)溫度傳感信號通過控制蓄熱體溫度、調(diào)整煙氣輸入速度、再燃燃料數(shù)量及溫度、助燃空氣溫度等參數(shù)從而控制煙氣溫度在最佳非催化脫硝溫度范圍，尤其防止過熱反而重新生成氮氧化物；導熱片遍布整個脫硝室空間從而無死角控制脫硝室內(nèi)所有煙氣溫度，防止局部高溫區(qū)重新生成氮氧化物，也防止局部低溫區(qū)氮氧化物未達到還原條件；導熱片布置以對煙氣與燃料氣導流并充分混合為原則，縱剖面如下圖所示意，可按迷宮式布置，引導煙氣延長運動路徑，增加與催化劑接觸面積和時間，同時整體上形成多層穩(wěn)固防漏結(jié)構(gòu)；導熱片兼做引流片，在保證流場均勻穩(wěn)定的前提下不斷設置轉(zhuǎn)彎，并間隔性縮小、擴大過流截面，使煙氣速度、方向隨之不斷變化從而充分混合、接觸，避免混合不均勻降低脫硝率；脫硝室體積設置以盡量延長煙氣停留時間為原則，例如停留至少5秒以上，按所需達到的脫硝率確定停留時間，計算所需脫硝室容積，充分保證還原劑與氮氧化物反應時間；這樣通過大幅度延長停留時間、嚴格控制煙氣溫度在非催化脫硝溫度范圍、充分混合煙氣也就保證氮氧化物與還原劑充分接觸等使脫硝率達到極致。

脫硝反應器構(gòu)造剖面示意圖

由于燃燒時間極短，不難分析出參與反應的氮氧化物較少，而實際上被用于脫硝的再燃燃料消耗也很少，燃燒過程迅速結(jié)束后中間產(chǎn)物也立刻消失，此時延長停留時間對脫硝并無實際意義；因此必需在還原氛圍中組織多次燃燒過程。在重新注入過量高溫再燃燃料及控制總的空氣過量系數(shù)并保證氧氣濃度在燃燒極限濃度以上的前提下，將再燃空氣分多次注入，可通過沿著煙氣運動路徑布置助燃空氣噴嘴來實現(xiàn)，噴嘴距離綜合燃燒時間、混合時間、煙氣運動速度來計算確定，例如燃燒時間按0.3秒考慮，燃燒結(jié)束后煙氣混合停留時間按0.6秒考慮，煙氣運動速度每秒0.5米，那么總時間就是0.9秒，運動距離0.45米，空氣噴嘴距離按0.45米考慮；噴入空氣的數(shù)量也經(jīng)過計算確定在燃燒極限之上，并在總的空氣過量系數(shù)之內(nèi)，噴嘴上有多個噴口，均勻分布于整個截面上，噴口氣體噴出速度、噴口位置與噴射角度、活動噴口的掃射范圍等均以在燃燒過程結(jié)束前助燃氣到達所屬區(qū)段最遠處空間來計算確定，保證助燃空氣與煙氣中的燃料氣混合擴散均勻從而使中間產(chǎn)物遍布整個空間，及調(diào)動盡可能多的氮氧化物參與反應。

顯然設法延長燃燒時間對提高脫硝率有利，因此從尾氣處理室通過管道引來高溫尾氣與助燃空氣混合成高溫低氧氣體，再燃燃燒成為高溫低氧燃燒，使火焰變長，體積增大，并大大延長燃燒時間，也就延長了脫硝反應的時間與強度。

由于控制總的空氣過量系數(shù)，因此這些燃燒大部分是在低氧還原氛圍之下組織再燃脫硝，雖說總的燃燒過程是放熱的，本來加熱對脫硝反應有利，但提高溫度也使氮氣活化度提高與高溫氧氣接觸從而增加氧化為氮氧化物的幾率，中間有一個明顯界限；因此脫硝器中可設置各類熱能輸出裝置如空氣預熱器、過熱器、換熱器等，這些裝置吸收并輸出熱能的同時也有助于分區(qū)段控制和調(diào)整煙氣溫度。

隨著再燃燃燒次數(shù)增加，富余燃料耗盡甚至空氣稍微過量，難以繼續(xù)燃燒時，如果煙氣中的氮氧化物含量仍然較高未能滿足要求，可再次噴入過量再燃燃料，繼續(xù)組織一到多次再燃燃燒；可通過在煙氣后續(xù)運動路徑上布置一到多個燃料噴嘴和助燃氣噴嘴來實現(xiàn)，這兩種噴嘴上有多個噴口，均勻分布于整個截面上，噴口氣體噴出速度、噴口位置與噴射角度、活動噴口的掃射范圍等均以煙氣流出所屬區(qū)段前燃料到達最遠處空間、或在燃燒過程結(jié)束前助燃氣到達所屬區(qū)段最遠處空間來計算確定，同樣空氣（助燃氣）噴嘴距離綜合燃燒時間、混合時間、煙氣運動速度來計算確定。

這可以通過在脫硝反應器內(nèi)設置與外熱源連接的導熱體、及與之相連遍布整個空間的導熱片和溫度調(diào)控裝置，控制燃燒溫度在最佳非催化脫硝范圍內(nèi)；同時在燃燒通道內(nèi)分別按一定間距布置燃氣噴嘴、再燃燃料噴嘴來實現(xiàn)還原氛下的多次高溫低氧燃燒，而高溫低氧助燃氣可采取部分高溫尾氣與經(jīng)過預熱或換熱的高溫空氣混合而取得，以混合后氧濃度5%為最佳。由于氣化產(chǎn)物中含有一定量的甲烷等成分，可直接作為再燃燃料而不需另行添加，因此控制氣化溫度及后續(xù)高溫裂解等工序溫度在甲烷裂解溫度（1000度）以下，保證甲烷成分比例。這樣通過組織還原氛下多次高溫低氧再燃燃燒過程從而使脫硝率達到極致。

為縮小體積，主張將整個燃燒系統(tǒng)作增壓燃燒爐設計，實際應用中往往連同燃燒工藝系統(tǒng)其他部分一起作中高壓燃燒設計，即連同包裹整個燃燒系統(tǒng)的外殼進行耐壓設計，同時與隔熱、隔聲相結(jié)合，從而使整個工藝流程為中高壓燃燒工藝，里面的各個部分不需做耐壓設計，反而大幅降低成本；而燃燒室采用類似于微型增壓鍋爐的增壓燃燒技術(shù)，大幅提高熱能利用效率，這是很古老成熟的技術(shù)，并使成套設備體積縮小到甚至可以車載。

第三章、在電動汽車上的應用：

3、1車載外燃發(fā)電機的電動汽車：

3.1.1車載斯特林發(fā)電機組動力設計：

在串聯(lián)式混合動力汽車中，車載發(fā)電系統(tǒng)一般是汽、柴油發(fā)電機，我們稍作改動：1、取下內(nèi)燃發(fā)電機換上輕便高效外燃機發(fā)電機組（斯特林機等），可同時兼容汽柴油、工業(yè)棕櫚油、豆油、蔗糖、精洗煤炭等燃料，及木柴、秸稈等高壓制成生物質(zhì)顆粒燃料。當然燃燒室必須使用最新高溫低氧燃燒技術(shù)進行改造，其流程如下圖所示意: 

2、高溫低氧燃燒技術(shù)，燃燒室分兩個部分,高溫燃燒室使用高溫空氣高溫燃燒，甚至使用高溫富氧空氣助燃，提高燃燒溫度，從而大幅提高斯特林機熱端與冷端的相對溫度，也就提高了發(fā)電效率；高溫燃燒室尾氣全部進入高溫低氧燃燒室,由于高溫乃至超高溫燃燒，氮氧化物較多，因此先噴入適量燃料（高溫燃氣），在高溫狀態(tài)下會與尾氣中的殘余氧氣繼續(xù)燃燒，并在還原氣氛中使氮氧化物還原成氮氣、二氧化碳等氣體,也就是組織再燃脫硝,同時尾氣溫度也會進一步提高；高溫尾氣再與經(jīng)過預熱的高溫空氣混合成為高溫低氧混合氣體,并分次噴入高溫燃料組織高溫低氧燃燒潔凈排放；如果尾氣比例過大而導致氧氣濃度在2%或其他燃燒極限以下，則可以富氧空氣調(diào)劑氧濃度（適當控制兩個燃燒室的大小比例，一般情況下不需要）；至于高溫空氣的獲?。何矚鉄崮芙?jīng)預熱器加熱助燃空氣(為防止生物質(zhì)燃料中的堿金屬結(jié)渣采用回轉(zhuǎn)式換熱器設計)，再經(jīng)空氣過熱器(置于燃燒爐中煅燒)進一步提升溫度獲得高溫空氣，若空氣溫度仍達不到1000度或預定要求，由于尾氣再燃后溫度遠超1500度，兩者混合后溫度不會低于1000度，適當調(diào)整控制混合比例是不難滿足要求的。

為減少燃燒室體積，加快換熱升溫速度，燃燒室（含脫硝室、低氧燃燒室在內(nèi)）、預熱器等體積較大部分均可置于耐壓容器中，上述流程均可設計為在一定氣壓壓力下進行，從而大幅度縮小氣體體積，加快換熱速度和效率。

若使用潔凈燃料，也可直接采用蓄熱式高溫燃燒技術(shù),如下圖示意， 煙氣交替與蓄熱室的陶瓷蜂窩材料等交換熱量，預熱空氣，使斯特林機的熱端溫度提高，提高熱效率及發(fā)電效率；對于小型燃燒裝置的不穩(wěn)定，可在燃燒爐中設置有一定質(zhì)量的熱惰性較大的蓄熱材料如耐熱鋼等，作為蓄熱調(diào)蓄結(jié)構(gòu)，與斯特林機熱端相聯(lián)，調(diào)蓄熱量變化保證熱能輸出平穩(wěn)。這樣既能提高燃燒溫度,提高發(fā)電效率,而尾氣摻燒同時也回收尾氣熱量使熱能利用達到極致,又可使氮氧化物排放幾乎為零。

3、進一步嚴格尾氣脫硫等凈化環(huán)保設計，若使用生物質(zhì)燃料，含硫量不多，尾氣與堿金屬含量豐富的灰燼充分混合即可脫硫；若為煤炭等燃料，則視情況采用成熟的鈣基固硫等技術(shù)，包括燃燒前將粗燃氣通入高溫脫硫室，粗燃氣中的硫化物被過流通道上的高溫脫硫劑吸附，并設置高溫脫硫劑再生工藝裝置。

4、所發(fā)電力接入調(diào)蓄電池，可由超級電容加小容量動力電池組成混合電源，容量僅保證啟動、加速、爬坡、發(fā)動機暖機等階段供電，調(diào)蓄并維持電量平衡，停車或低速行進時發(fā)電機系統(tǒng)可給混合電源充電，取消重量大、造價昂貴的大容量動力電池。

這樣的技術(shù)雖說簡單，卻非常可靠而價廉實用，甚至可采用市面上的成熟產(chǎn)品簡單組裝，如斯特林機選用荷蘭菲利普公司產(chǎn)的4-215型等；燃燒系統(tǒng)采用市售成品自動生物質(zhì)顆粒燃燒機及回轉(zhuǎn)式(防止結(jié)渣)預熱器組合，簡單技術(shù)改造即可，利于大規(guī)模推廣。斯特林機兼容各種燃料，包括廉價的煤炭，但本文著重強調(diào)生物質(zhì)燃料，因為煤炭等化石燃料其性質(zhì)與石油燃料無異，生物質(zhì)燃料才是零碳排放的燃料，當然相應燃燒系統(tǒng)需做大量改進，生物質(zhì)顆粒是聯(lián)合國及各國重點推廣的環(huán)境友好燃料，其燃燒技術(shù)研究有很多^[2]，例如各種進料方式的燃燒器^[3]，也包括針對生物質(zhì)燃料堿金屬較多易結(jié)渣特性進行專門設計的技術(shù)^[4]，有這些技術(shù)為基礎，車載燃燒器的研制就簡單得多了；鑒于生物質(zhì)直燃仍會因燃燒不充分而易產(chǎn)生污染，煤炭等其他燃料更不用說，這也是中國禁止直接燒秸稈乃至生物質(zhì)顆粒燃料的原因，我們主張設計專門的燃燒器足以解決這些問題。

3.1.2：幾個典型疑問的解答：

對此設想可能會遇到幾個的疑惑，我們的看法是：

3．1．2．1 燃料體積是否大幅增加問題：燃料并非未加工的低熱值、低容重的木柴、秸稈，市場現(xiàn)售的生物質(zhì)顆粒燃料熱值已與煤炭熱值相當（四、五千大卡，與電煤相當，優(yōu)質(zhì)動力煤為七千大卡，汽油、柴油為一萬大卡），每噸六、七百元；顆粒燃料高壓成型密度達到1.1千克/升，顆粒形狀間隙導致堆積密度只有0.5千克/升，主張制成細條、筷子狀，減少間隙而使堆積密度達到1.1千克/升，是汽油密度的1.5倍。再加上電機驅(qū)動系統(tǒng)的高能效使燃料量減少到內(nèi)燃機汽車的約一半，所需燃料的體積比燃油車更小。（工業(yè)棕櫚油、豆油等熱值與汽油、柴油相仿）。

3．1．2．2 燃燒穩(wěn)定性問題：現(xiàn)有生物質(zhì)顆粒燃燒系統(tǒng)的供料即使未能做到完全的均勻，只要不熄火，就不影響發(fā)電，所發(fā)電量充入蓄電池調(diào)蓄，大于用電量滿足電量平衡即可，不象內(nèi)燃機直接輸出動力，對燃燒穩(wěn)定性要求極高。而且使用蓄熱體調(diào)蓄熱量變化，足以保證熱能穩(wěn)定輸出。 

3．1．2．3 能量轉(zhuǎn)化效率：本設想其實只是一個用生物質(zhì)發(fā)電機取代串聯(lián)式混合動力汽車中的內(nèi)燃發(fā)電機（汽油、柴油發(fā)電機），能效分析分為兩部分：首先是作為生物質(zhì)發(fā)電機的發(fā)電效率，然后是蓄電池所蓄電量通過電驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為機械能的效率；混合動力汽車的電驅(qū)系統(tǒng)是公認的高能效，或者說采用電驅(qū)系統(tǒng)使油耗降低30%以上，這是不需要討論的?，F(xiàn)有斯特林機發(fā)電效率已經(jīng)高達28%到31%，再加上蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)提高熱端燃燒相對溫度，大幅減少了煙氣帶走的熱量，從而提高發(fā)電效率約5%；使外燃機總發(fā)電效率有望高達36%～40%以上，高于內(nèi)燃發(fā)電機效率（約35%）；更重要的是，由于回收了大量尾氣熱量，熱效率大幅度提高，而斯特林機是熱機，因此理論上說發(fā)電效率大幅度提高，甚至成倍提高！

3．1．2．4  燃燒凈化系統(tǒng)是否工藝復雜體積增加：

性能參數(shù)比較表中的參數(shù)計算是留有很大余地的：斯特林機的體積緊湊本來就比內(nèi)燃機小一半；燃燒室說白了就是一個十幾升的涂了陶瓷耐高溫材料的小柴火爐；至于環(huán)保凈化工藝，其實木柴等燃料本來就是清潔燃料，尾氣與富含堿金屬的灰燼攪拌充分就可消除其中微量的二氧化硫；草木灰不是霧霾中的PM2.5，一道或幾道布袋除塵足以去除；高溫燃燒也基本消除了產(chǎn)生多環(huán)芳烴、二噁英的條件等，而高溫低氧燃燒更凈化了尾氣，使其清潔燃燒排放，未增加其他設備；灰燼比例為5%以下，柔性灰燼箱體積可隱于空出的燃料箱中；總體積增加是很有限的；而且功率較大的發(fā)電機組若體積過大，可采取較高壓力氣化凈化工藝（例如10個大氣壓），使粗燃氣的氣體體積成倍、成十倍縮小從而使相應氣化裂解、換熱凈化設備乃至整套設備體積成倍縮小。

3．1．2．5 驅(qū)動動力大小問題：驅(qū)動電機的爆發(fā)力很強，超級電容能滿足瞬時大電流放電的需要，而以小容量動力電池組成的混合電源調(diào)蓄電量平衡，既能滿足瞬時大電流沖擊，又能保護動力電池，延長使用壽命；且斯特林發(fā)動機也可與混合動力汽車一樣，不限于串聯(lián)而發(fā)展混聯(lián)、并聯(lián)方式，進一步增強應急驅(qū)動力。

3．1．2．6 整備質(zhì)量是否大幅度增加問題：經(jīng)過多年發(fā)展，斯特林機的重量、體積緊湊有的甚至比內(nèi)燃機小一半，如某教科書所列出的表9-2所示意;高溫燃燒系統(tǒng)也不過是一個柴火爐大小而已，重量很輕，整車其余的設備與混動車大致相同，未做改動，因此整備質(zhì)量不但沒有增加，反而有所減少。

3．1．3車載外燃發(fā)電機的電動汽車性能參數(shù)對照：

為便于對比，采用此類發(fā)電機設計或改裝的車型在保證使用性能等各類參數(shù)基本不變的情況下，新設計或改裝的車型外形基本不變，或暫只考慮做加長處理，而迎風截面基本保持不變，也就是風阻基本不變，風阻造成的能耗基本不變。

特斯拉Molde S之類的大、中型斯特林機電動車的改裝參數(shù)對比如下：（特斯拉售價約65萬，現(xiàn)有電動大巴售價約100萬）

下表為小型斯特林機乘用車參數(shù)對比:(總價六萬美元內(nèi))

斯特林機電動重卡與普通柴油重卡參數(shù)比較：（總價二十萬美元左右）

3．1．4 車載斯特林發(fā)電機組的電動重卡推廣

從節(jié)能減排角度看，重型商用車節(jié)能的意義比轎車更大。因為重型商用車消耗能量大，排放的污染物多。我們算過一筆賬：1輛重卡1年消耗的燃油，相當于60輛轎車消耗的燃油，排放的污染物可想而知。而中國大陸乘用車1.2億輛，商用卡車三百萬輛，折算1.8億輛的排放量遠超出乘用車。

我們認為可以從電動重卡率先入手推廣，現(xiàn)有電動重卡研發(fā)沿用動力電池、充電樁續(xù)航的技術(shù)路線，為增加續(xù)航里程動力電池加大，造成自重大、續(xù)航里程短、充電時間長，而一、兩百公里的續(xù)航里程對長途運輸毫無意義，商業(yè)化遙遙無期；采用本技術(shù)方案的電動重卡雖說整車造價一百三十萬左右遠高于售價二、三十萬左右的柴油重卡，但燃料費用大幅降低，一輛重卡行程達30萬公里的話，柴油消耗達100噸約七十萬元，燒生物質(zhì)顆粒燃料費用僅需二十萬元，差價五十萬，而一般重卡年行程都有十幾、二十萬公里，多的超過三十、四十萬公里，當年或一、兩年基本收回成本。以東風集團財務公司開展的融資租賃業(yè)務為例，按三十六期計月租三萬元左右，月行程兩萬公里計每月節(jié)省的油費三萬元以上，還不及當月節(jié)省的柴油費用。各類重卡經(jīng)濟分析如下表所示：

因此，我們認為，融資租賃、分期付款、卡車租賃業(yè)務應該能夠打開電動重卡市場。

大家可能擔心現(xiàn)階段燃料供應體系尚未建立，難以推廣；我們認為：生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，物流公司采購存儲于基地倉庫不成問題；重卡裝載一噸生物質(zhì)顆粒行程可達一千五百公里，兩噸三千公里，足以往返公司基地，既使偶然遇到燃料攜帶量不足也可到現(xiàn)有加油站去加汽、柴油應急。草木灰是緊俏肥料，可聯(lián)系農(nóng)場、園藝場定期運售，這樣可以克服燃料供應影響。

而且在這類重卡售出后，每隔三、五百公里（相當于每個省兩、三個）建立生物質(zhì)顆粒供應點不會有困難，實際上很多物流中心停車場均可騰出幾個車位貯存供應顆粒燃料，或由生物質(zhì)顆粒供應商派出移動貯料車開赴各停車場供料，這些都不難做到，可依此為基礎逐步建立燃料供應體系。

或者推廣開來后會有一段時期生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)量不夠，部分可暫時用精洗煤炭代替，尤其精洗煤炭與生物質(zhì)合成燃料性能更佳，對于石油這一能源瓶頸被馬六甲海峽死死卡住的中國來說，能夠以煤代油也是大好事。當然由于斯特林機價格昂貴，整車價格是現(xiàn)有燃油汽車的四倍左右，在中國大陸即使斯特林機國產(chǎn)化后價格大幅度下降，乘用車售價仍超出混動車十萬左右，這對其市場推廣尤其廣大發(fā)展中國家市場是極為不利的因素，也給下文所要介紹的價格低廉的使用高溫快速氣化發(fā)電技術(shù)的各類電動汽車留下了巨大的發(fā)展空間。

實際上一百多年前曾廣泛使用的煤炭、木柴氣化為燃料的汽車動力技術(shù)，因熱值低、污染大等缺陷而早已淘汰；但隨著能源技術(shù)、清潔燃燒技術(shù)不斷進步，也逐漸重新進入人們的視野，尤其整套系統(tǒng)價格低廉，經(jīng)過改進后有獨特優(yōu)勢。

至于船舶，一艘萬噸級船舶污染相當于十萬輛小汽車，因此這是不容忽視的，但實際上生物質(zhì)鍋爐發(fā)電技術(shù)很成熟，采用本文所述結(jié)合高溫低氧燃燒的新型再燃脫硝技術(shù)后可直接搬上船，取代燃煤、燃油發(fā)電機組，甚至搬上火車、高鐵，因技術(shù)很簡單，不再專門論述。

3．2：高溫快速氣化發(fā)電的電動汽車（以高溫水蒸汽氣化為例）

低速電動汽車改裝高溫快速氣化發(fā)電機組（總價8萬，時速50公里）

（生物質(zhì)氣化發(fā)電機組尚在研發(fā)之中，市面上現(xiàn)有燃氣發(fā)電機一般采用柴油機改裝，隨著熱值高低而調(diào)整進氣壓力、空燃比等，當熱值減少一半時最大出力或功率只有原來的７０％至８０％左右，例如燃用熱值為8000大卡的５００ＫＷ天然氣發(fā)電機使用熱值為4000大卡的焦爐煤氣時機組最大出力只能有３５０到４００千瓦；現(xiàn)改裝１０ＫＷ天然氣發(fā)電機組重約１５０公斤，改用水蒸汽氣化氣（中熱值生物質(zhì)氣，熱值與焦爐煤氣接近）發(fā)電功率約為６到8ＫＷ，連同氣化設備、加壓裝置等約２２０公斤，中國市面上曾有5千瓦秸稈空氣氣化發(fā)電機組也基本符合這個重量參數(shù)）

中速電動汽車（時速80～100公里；改裝２０ＫＷ天然氣發(fā)電機，改用中熱值生物質(zhì)氣發(fā)電功率約為１２ＫＷ，連同氣化設備、加壓裝置等約４２０公斤）

這是參照低速車改裝高溫快速氣化發(fā)電機組而設計的車型，總價10萬左右，雖說最高時速限制在百公里以下，但與氫燃料電池汽車等相比低廉價格比較誘人。而且在發(fā)展中國家和地區(qū)對于個人家庭用等分布式能源發(fā)展來說，電力不足，使用石油能源價格較貴，使用專門的生物質(zhì)發(fā)電機或煤炭發(fā)電機也不合算，而此類車載發(fā)電機既可以作為汽車動力，又可以同時作為潔凈氣化設備、供冷、供暖設備、發(fā)電設備，價格低廉，性價比非常合算，自然具備很強競爭力。

乘用車采用這類設備約需15KW發(fā)電機組，重量可能達到600公斤，體積增加1～2立方，對于要求結(jié)構(gòu)緊湊的車型來說顯然體積較大,若采用壓力氣化凈化發(fā)電機組可能有些用戶擔心安全問題難以接受,這種情形也可采取另行加裝汽柴油發(fā)電機、摻燒甲烷等措施來解決這個問題,例如摻燒一半甲烷,則混合氣成分大致為甲烷60%,氫氣15%,一氧化碳10%,二氧化碳10%～15%,這一比例很好的改善了燃燒性能（適量的氫增加了燃燒速度）,而熱值與沼氣相當,也使單位時間內(nèi)的發(fā)電總量達到乘用車要求；或加裝一個五千瓦的汽柴油發(fā)電機（增程器）,自由組合,既保留了作為低成本發(fā)電的分布式電源的功能，同時相對于普通天然氣汽車或天然氣/油氣混動車它的尾氣進入高溫燃燒爐處理凈化，徹底解決了尾氣污染問題；再說在能源草產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展起來之前目前生物質(zhì)燃料總量還難以一次性完全取代化石燃料，仍然必須使用一部分汽柴油或天然氣甚至煤炭作為補充,日后這一部分也可向改用生物質(zhì)甲烷、生物質(zhì)汽油、二甲醚等方向發(fā)展逐步達到取代化石燃料的目的;也可采用１０ＫＷ生物制氣發(fā)電機和５ＫＷ汽柴油（天然氣）兩用發(fā)電機（或增程器）多種功率自由組合等；而且這類車價格實惠,接近用戶使用習慣，利于打開市場:

及采用高溫快速氣化發(fā)電技術(shù)的電動重卡：

采用水蒸汽氣化的電動汽車雖然驅(qū)動力受到一定限制，但也可通過超級電容滿足瞬時放電要求，及發(fā)電機組中發(fā)動機與電驅(qū)系統(tǒng)并聯(lián)、混聯(lián)予以增加；而且這類汽車價格親民，燃料費用節(jié)省，可能有較大的市場競爭力。

由于回收占總能量70%的尾氣熱量，熱效率大幅度提高，若使用熱機發(fā)電，例如蒸汽機、斯特林機等則發(fā)電效率大幅度乃至成倍提高，但蒸汽機重量大，又受水量來源的限制，車載自然不現(xiàn)實，但用于輪船或地面水源豐富地段的固定發(fā)電機組，則發(fā)電效率高而價格低廉，而且改裝技術(shù)也很簡單，在此不再贅述；至于斯特林機因價格較貴，但對于重卡等車輛若使用斯特林機與內(nèi)燃機組合發(fā)電，則不但消除了尾氣污染，而且發(fā)電效率成倍提高，價格也還算適中，也是一個極具競爭力的方案。