CN107191289A - 纯氧富氧燃烧原动机装置及使用该装置的交通工具和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用纯氧、富氧燃烧、气化技术直接利用生物质能源、固体能源等各种来源广泛的材料并将其直接转化为可直接利用的电、氢或其他可以直接利用的原动力的原动机系统装置，尤其轻质化、小型化可用于新能源汽车、新型高速飞艇等交通工具的动力源系统。

Description

纯氧富氧燃烧原动机装置及使用该装置的交通工具和系统

技术领域

本发明涉及采用纯氧、富氧燃烧技术直接利用生物质能源、固体能源等各种来源广泛的材料并将其转化为可直接利用的电、氢能源或原动力的原动机系统装置，尤其用于新能源汽车、高速飞艇等交通系统工具的动力源系统。

背景技术

低碳技术、可再生能源、生物质能源利用、氢能源发展都是当今的热点研究技术，生物质能转化利用技术主要分为生物质的转化可以分为物理方法，热化学转化方法，生物转化方法；物理方法只是改变生物质的形状、致密度，以便于应用和储藏；热化学转化法是通过热化学将生物质转化制备得到一氧化碳、氢气、小分子烃或生物质油等物质；而生物转化是通过微生物或酶把生物质进行生化反应的过程，这些技术的优缺点、技术发展瓶颈等在各类论著中有大量描述。

与本发明有一定相关性的值得注意的几个背景技术有：

一、斯特林发动机。外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，新型外燃机使用氢气作为工质(传递能量的媒介物质叫工质)，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，发电效率越高。比较典型的是美国STM公司提供的STM4-120型25kW级机组，它的发电效率为29.6％，热电联产总效率达到80％以上；但是斯特林发动机还有很多问题要解决，例如用于汽车发动机则显得扭矩小、功率输出较小等，木材等物质燃烧条件不好时易产生污染，仍有很多燃烧条件受限制尤其在空气中难以燃烧的生物质材料不能做燃料使用，及部分部件加工复杂，价格较贵，因此仍不能大规模应用。而潜艇AIP技术则主要是由潜艇携带氧气而使发动机燃烧不再依赖空气，也可能有纯氧燃烧的斯特林发动机技术，但那是与空气隔绝的情形下。已有斯特林机混合动力汽车的研究，例如1968年美国通用汽车曾推出斯特林机混合动力汽车进行销售，以斯特林机发电，所得电力接入驱动电机作为汽车开动的动力。

二、锅驼机(locomobile)：锅炉和蒸汽机连在一起的动力机器，有的装着轮子，可以移动。锅驼机可以带动水车、发电机或其他各种机械，用煤炭、木柴、重油等做燃料，适于农村使用。锅驼机与水泵、水车相配可进行灌溉排水；与发电机相配可发电，提供电力；并可直接驱动脱粒、碾米、榨油、锯木、食品加工和机械制造中的各种工作机械。将蒸汽机安放在锅炉上面或旁边，并与水泵、阀门等辅机组成的一个紧凑的整体动力机组。从锅炉来的蒸汽进入蒸汽机，在汽缸中膨胀作功，使主轴转动而输出机械功。锅驼机主要用于无电的农村。它与水泵、水车相配可进行灌溉排水；与发电机相配可发电，提供电力；并可直接驱动脱粒、碾米、榨油、锯木、食品加工和机械制造中的各种工作机械。另外，大型锅驼机的乏汽还可作为热源，供加热、蒸发、干燥和取暖等之用。锅驼机的功率一般为10～20马力(1马力＝735.5瓦)，很少超过100马力。它的类型较多，但基本型式不外乎立式和卧式，固定式和移动式。锅驼机的优点是：可燃用各种地方性的劣质燃料和可燃废料，操作、安装和维修简便，工作可靠，制造简单，成本较低。缺点是：升火准备工作时间较长，在暂时停车时必须保持锅炉在热备用状态，热效率较低，装置较笨重。随着小型柴油机的大量出现、电力网的普及和各种能源的综合利用，作为孤立动力源的锅驼机已基本上被淘汰。在石油供应紧张的情况下，燃烧各种杂料的锅驼机经过技术改造，有可能在局部范围内得到应用。

三、烧木材的发动机技术，在二战期间出现过大量的以木柴、煤炭、木炭为燃料的汽车、摩托车、坦克发动机，主要是将木材等生物质材料进行热解、裂解、气化，生成木煤气之类气体，再冷却、净化、压缩后送入特制发动机燃烧，此技术因功率输出不稳定、尾气污染大、启动时间长，在石油工业发展起来后逐步淘汰，而随着油价上涨及油气资源枯竭，现在又有部分发明家在研究改进这一技术。值得注意的是作为生物质气化技术有富氧气化技术，最佳使用约90％纯氧，可使所产生物质气的热值提高到与城市煤气相同的中热值水平，但需要加设昂贵的制氧设备，一般是变压吸附制氧，能耗高，设备重，难以搬上车，即小型化直至车载。也有煤炭的富氧连续气化技术，产物是半水煤气，但也需要加设价格昂贵、高能耗的制氧设备，现在以采用变压吸附制氧设备为多，也有采用深冷法空分制氧而以高压氧气瓶、杜瓦瓶储存供氧的技术。

四、车载氢氧发生器技术，使用车载电源电解水制取氧气助燃，但主要用于解决内燃机燃料燃烧不充分而尾气污染较多等问题，例如汽车发动机除积碳等；还有类似的各类车载制氧机技术，如小流量膜分离制氧机、变压吸附制氧机等，但主要用于车内人员吸氧；各类专著有较多描述。

五、目前新能源汽车研究较多，主要有三个技术路线：一是动力电池加充电桩的纯电动汽车技术，但动力电池价格昂贵、重量大、不安全，充电时间长，续航里程短，充电桩建设问题复杂；二是氢能源汽车，其中最引人注目的是燃料电池汽车技术，包括高效率的高温电解池；但目前所有氢能源技术都涉及氢气的制取、转化、储存、运输等多个环节，加氢站的建设等各个环节都存在诸多技术瓶颈；三是生物质替代燃料汽车，然而生物质材料转化环节多，产量少，且存在与口粮争地问题，不经济，有些生物质乙醇、柴油甚至比汽油贵；各类技术路径都存在许多问题，没有一个理想的解决方案，发展和推广受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是提出一种能以纯氧燃烧或富氧燃烧、纯氧富氧气化技术结合氢氧发生器等技术改变燃烧利用条件，从而可利用木柴、秸秆、动植物油及各类生物质材料或煤炭、重油等包括一些目前看来难以直接利用而来源极其广泛的燃料通过纯氧富氧燃烧直接转化为电力、氢能源或进一步转化为其它可直接利用能源的原动机(发动机)系统，尤其是小型化、轻质化从而可以在汽车、轮船、飞艇等交通工具使用的车载、机载生物质发动机或动力系统，使生物质能源成为一次能源而不再经过多重转化。

为达到上述目的，本发明主要采用这样的技术方案：最主要的改进措施是在经过选择和改进后的发动机系统(以斯特林发动机等外燃机比较典型)上加装轻便氧气供应装置，从而可采用纯氧富氧燃烧技术；例如利用斯特林发电机、温差发电机直燃发电，以所得电力驱动电动汽车。或加装氢氧发生装置，电解水制取氢气和纯氧，所得纯氧接入燃烧室助燃，(纯氧不够则设置辅助供氧系统，补充所需氧气)；所得氢气则另行与空气接入燃料电池发电或其他氢使用设备提供动力，如此循环往复，相当于木材等一次能源物质源源不断的直接转化为可直接利用的能源；发动机系统首选斯特林发动机即外燃机进行改进，当然也不局限于斯特林机，例如蒸汽机(汽轮机)、温差发电机(片)、压力发电材料gji乃至某些内燃机，均可将热能转换为电能，在改进后各自适用条件下各有优势。

本申请发明的系统装置根据使用场合不同而分别由包括燃料预处理装置、燃料输送装置、纯氧(富氧)燃烧系统、发动机系统、发电机系统、冷却系统、尾气输送管、尾气处理系统、输出电缆、氢氧发生器系统(包括前瞻技术的SOEC高温电解池在内)、制氧系统、氧气输送管、氢气输送管、氢能利用设备(氢燃料电池、氢发动机、氢气燃烧器等)、气化炉、蒸汽发生锅炉系统、蒸汽输送管道、汽轮机发电系统、氢气燃烧室、空气输入管、过热器等设备在内的系统组合而成。

本申请发明系统的工作原理或工作流程如附图3所示意，选择燃料电池汽车用的车载斯特林发动机(发电)系统作说明，使用其他发动机系统技术的也可以此类推。

如图1所示意，燃料首先经过燃料预处理装置1处理，主要将其切碎、粘合成易于燃烧的形状、掺入部分试剂例如采用钙基固硫技术就掺入生石灰或石灰水及去除氮氧化物的尿素，水分较多的加设预热干燥程序，热源气体可使用尾气余热；这一工艺也可以预先在专门工厂完成，如果是木材之类易腐败的生物质材料预先经过石灰水、尿素溶液浸泡不但利于防腐保存，也利于钙基固硫消除尾气中的硫化物，并预先挤压成型，以成品供应；燃料经过燃料预处理装置1后通过燃料输送装置2送入纯氧(富氧)燃烧系统3的纯氧燃烧室与纯氧或充足氧气混合并燃烧，产生高热，而燃烧室与斯特林发动机系统4的加热器(也称热腔)5相连接，驱动斯特林发动机运行，并带动直流发电机7发电，电能经输出电缆11接入氢氧发生器系统12，使其电解水产生氢气和纯氧，经过系统内的氢氧分离器分离后氢气经过氢气输送管14另行接入氢能利用设备15(氢燃料电池、氢发动机、氢气燃烧器等)；所得纯氧则通过纯氧输送管13接入纯氧燃烧系统的燃烧室助燃，形成循环；由于发电效率不可能达到100％，往往只有30％左右，也就意味着氢氧发生器最多只提供所需氧气的30％，其余的要靠辅助供氧系统来补充；纯氧燃烧室产生的废气、灰烬则通过尾气输送管9送入尾气处理系统10，为防止纯氧燃烧时产生的高温使原本生成的亚硫酸钙或硫酸钙再次分解产生硫氧化物，在尾气处理系统中控制尾气温度在亚硫酸钙及硫酸钙分解温度以下、合成温度以上并与灰烬尽量混合，从而清除二氧化硫或三氧化硫，并进一步采取其他尾气去硫技术及净化技术，同时也可进行尾气余热利用、除尘、灰烬收集乃至打包等设计，这些与现有技术相同；此外斯特林发动机的冷却器6(冷腔)与冷却系统8相连，可以是空气冷却，也可以是水循环冷却，从而供应热水，即实现热电联产，提高能源利用效率。

所得氢气可取一部分经过纯化后，通过预留高压泵进入以氢气为工质的斯特林发动机内，补充所渗漏的工质；以氮气为工质的斯特林机则通过变温吸附制氧所得氮气补充。

为适应燃料来源的广泛性和多样性，燃料输送装置作相应的适应性设计，既有可输送汽油、柴油的设计，也有输送棕榈油、豆油、动植物油的设计，也可输送蔗糖为燃料，也有输送煤炭、生物质颗粒的装置，而且相应有草木灰、粉煤灰等灰烬的处理装置设计结构修改；诸多适应各种燃料的输送设施可同时存在，也可做撬装式、菜单式组合。

上面所述当氧气不够时需要加设的辅助供氧系统，若直接加装制氧机自供氧气，现有制氧机耗电量大、体积庞大、重量大，不能直接利用；供氧系统可以用抽气设备抽取空气的来补充所缺氧气；也可加装高压氧气瓶、液氧杜瓦瓶来提供氧气；也可使用膜分离技术将空气变为富氧气体来补充，因为膜分离技术能耗少、造价低廉、重量轻、体积小，所得氧气浓度虽说较低(30％～50％)，但若燃料是经过优选加工成型的话足以满足富氧燃烧所需，这些都是已有技术通过简单的设计即可实现的，此处不再赘述。

本申请则特别主张结合尾气余热、冷却器余热与变温吸附技术设计系统组成以提供高浓度氧气，变温吸附制氧虽说较少见，但其研发技术进展也是较快的，例如中国专利CN201110021156.4揭示了一种变温吸附的氧氮联合分离的方法，除了常见的气体经压缩再由预处理系统除去油、尘埃等固体杂质后达到允许要求后进入分离系统等公知技术，采用碳分子筛(CMS)基于动力学分离机理的变压吸附可从空气中连续提取氮气，揭示了氧气吸附剂为一种改性稀土X型沸石，在≤100℃以下吸附氧气，并在≥300℃释放氧气；及吸附剂为钙钛矿陶瓷氧化物混合体，在300～600℃以上开始吸附氧气，并在400～600℃以上开始释放氧气；该技术利用发动机余热为热源，空气为冷却气体，交互加热及冷却吸附剂并结合变压吸附技术从而获得90％以上纯氧；实际上还有不少类似技术；鉴于车载发动机系统70％的能量以余热形式白白散发于尾气中，因此本申请围绕尾气、斯特林机的冷却器热量作为热源，根据不同温度选择吸附剂，分别进行氧气、氮气变温吸附流程设计，并采用电子制冷片、温差发电片等加快变温速度并回收利用部分能量：

原料空气经空气预处理系统干燥、除去油、尘埃等固体杂质达到允许要求后进入空气室；每个空气室配有一个到多个装有吸附材料组合结构的吸附室，及流体切换阀门与加热、冷却系统管线；加热系统热源是发动机尾气和冷却器，冷却系统一般由空气冷却，(也不排除其他冷却方式)；吸附材料围绕着与加热或冷却管道相连的热交换片(散热片)布置，热交换片由薄铜片、薄铝片等易于导热的材料制成，利于迅速吸热、冷却，吸附材料组合结构32如图4所示意；空气室29与吸附室31之间有活动的空气室阀板30分开，吸附室的另一端有可开闭的吸附室阀板33；工作流程大致是空气室阀板30打开时吸附室阀板33关闭，空气被搅动与吸附剂充分接触，同时加热系统或冷却系统阀门打开，某一组分被优先吸附；在达到饱和后空气室阀板30关闭，同时吸附室阀板33打开，相应的加热系统或冷却系统也开始工作，并吹扫吸附材料组合结构清除残余组分，再进入下一流程，因为热源较大，一般设置大量吸附室，且多个吸附室同时受热解吸(吸附)，然后依次吸附(解吸)以加快制氧速度，也可增加一定的压力形成变温变压吸附进一步加快制氧速度；如此循环往复，源源不断输送高浓度氧气。

由于吸附材料往往比热容较大，变温速度较慢，因此除热交换片采用易导热的材料制作，包括加热管道、冷却管道均采用易导热的材料如薄铜、薄铝制作，且管道外可加设加快热交换速度的散热片进一步扩大散热导热面积；同时在管道、散热片表面相应覆盖电子制冷片、温差发电片，最好是兼备制冷、发电两用的；在需要冷却作业时通以电流，使温度迅速下降；而在降温工序则转变为温差发电片功能，利用其与冷却气流间的温差发电，所得电流可充入蓄电池，可直接通过导线或金属制作的加热(冷却)管道接到另一部分进行制冷的发电片处作为电源；温差发电片、制冷片及加热、冷却管道间结构做相应功能性调整，例如设计好温差发电片与电子制冷片功能切换时各种线路的开关、断开连接等。

同样，斯特林机的冷却器一端也可作类似结构设计，以加快冷却速度，同时回收部分电能。

在斯特林机等主发动机不工作时也可做相应操作由这些遍布冷却管、加热管、斯特林机冷却端等处的电子制冷片、温差发电片转换为利用温差发电状态并承担发电功能。

也可根据情况采用膜法分离、变压吸附制氧，或多种技术组合，这些根据已有技术容易设计，再次不再赘述。也有新思路即变压吸附的压缩能难以回收，可结合空气能发动机技术，并利用尾气、冷却液热量增能发电回收部分能量，从而可采用变压吸附技术低能耗大流量供氧。

至于发动机采用其他的如蒸汽机、汽轮机技术一类的原动机系统组成，则如图2所示意，燃料经过燃料预处理装置1后通过输送装置2送入蒸汽发生锅炉系统16内的纯氧燃烧系统17与纯氧或充足氧气混合并燃烧，产生蒸汽经过热器23加热通过蒸汽输送管道18送入汽轮机发电系统19发电，产生电力经输送电缆11部分输出接入用电器22；另一部分电能则接入氢氧发生器12用于电解水，氢氧发生器12产生的氧气通过氧气输送管13接入纯氧燃烧室17，形成循环，氧气不足部分由辅助供氧系统24补充；所得氢气则另行接入锅炉系统16内的氢气燃烧室20，与经空气输入管21引进的空气混合燃烧，加热蒸汽发生锅炉系统16，构成完整的工艺循环，若实行热电联产的方案则与蒸汽机、汽轮机发电系统技术相似；此时的氢使用设备指的是氢气通过氢气燃烧室经过燃烧加热蒸汽发生锅炉的工艺设备；此处的纯氧燃烧系统17包括了尾气灰烬处理装置。其余种类发动机也可以此类推。

由于使用场合不同而设备组合方式及工作关系有所区别，有的甚至可以减少氢氧发生装置的容量乃至取消氢氧发生器、用氢设备这一环节，而直燃发电：

在纯电动汽车改进设计时，工作流程及组成设备的组合方式、工作关系是：纯氧富氧燃烧系统燃烧供热、斯特林发动机供电补充电池电量、发动机尾气及冷却器余热供变温吸附系统制取高浓度氧气补充氧气不足，其余与现有电动汽车结构基本一致，利用了现有电动汽车技术能效高、电机爆发力强等优点，从而形成新的以生物质材料为能源的电动汽车，但不再经过氢气循环这一环节。

又如利用生物质气化技术设计生物质燃料的汽车，或者说改进古老的将木材、煤炭气化做发动机燃料的技术，生物质燃料(或煤炭之类)送入气化炉，由于使用纯氧或高浓度氧气气化，气化炉体积重量大为减少；控制氧气浓度从而获得最佳产气效果，生物质材料纯氧气化生成热值较原来要高的生物质气，而辅助供氧系统中变温吸附制氧装置的热源就是从气化炉出来的高温生物质气，气体经过冷却、净化、压缩送入特别设计的生物质气发动机，并供给富氧空气助燃提高功率输出，其余与现有天然气汽车结构基本类似，从而改进背景技术中旧有的烧木炭的汽车技术，克服其动力输出不稳定、气化时间难以控制、尾气污染严重等弱点，成为新型清洁能源的燃气汽车。在这一工作流程中不再有氢氧发生器设备、用氢设备及发电设备，避免了能源多重转化。而这一结构尤其适用于一种最新的高速飞艇设计。

本申请及其装置相对于背景技术中的锅驼机它使用纯氧燃烧技术保证了燃烧条件，使燃料来源更加广泛，机器轻便，而且效率更高；它改进了斯特林发动机系统，使其可以燃烧一些空气助燃时温度较低而不能利用的燃料，使燃料来源更加广泛从而用途更广；相对于其他氢能源技术，它直接将煤炭、木材或其他生物质材料转化为氢再加以利用，而不再需要某他诸多环节，尤其系统实现了轻质化，使其可以装上汽车、轮船、飞艇等交通工具，又保证了燃烧条件，使可以利用的生物质材料更加广泛，为可再生能源以木、煤炭混烧逐步减少石油煤炭用量乃至彻底取代石油等化石能源提供了可能；相对于燃料电池汽车等电动汽车，它彻底解决了氢的来源、储存、运输等技术瓶颈，也不再需要加氢站、加气站建设；对于纯电动汽车或混合动力车来说解决了续航问题，不再需要充电桩之类的建设，不需长时间充电，也避免了氢气使用储存的安全问题及动力电池的安全问题；对于木煤气汽车来说克服了动力输出不稳定、尾气污染大、燃气热值低等缺陷；作为独立的小功率热电冷联供机组，纯氧助燃使燃料选择范围大幅扩大，哪怕刚砍下的树枝、新鲜杂草也可作燃料，与太阳能发电、风能电解水组合获取更多纯氧、氢气，从而利用来源丰富的完全属于可再生能源的农林产物取代化石燃料，符合偏远地区、分布式能源的用能需求，现阶段也可直接燃烧煤炭部分取代石油。而且本发明在大部分应用场合都是构造简单、造价低廉、制安方便，利于工业化推广，在各个新能源领域均有很广泛的应用前景。

附图说明

图1是使用斯特林发电机技术的本申请系统装置组成示意图；

图2是使用汽轮机发电技术的本申请系统装置组成示意图；

图3是系统原理及工作流程关系示意图；

图4是吸附材料组合结构示意图；

图5是吸附室与空气室结构组成示意图；

附图中：1、燃料预处理装置；2、燃料输送装置；3、纯氧(富氧)燃烧系统；4、斯特林发动机系统；5、斯特林发动机系统的加热器(热腔)；6、斯特林发动机系统的冷却器(冷腔)；7、斯特林发动机系统的直流发电机；8、冷却系统；9、尾气输送管；10、尾气处理系统；11、输出电缆；12、氢氧发生器系统；13、氧气输送管；14、氢气输送管；15、氢能利用设备(氢燃料电池、氢发动机、氢气燃烧器等)；16、蒸汽发生锅炉系统；17、蒸汽发生锅炉系统内的纯氧燃烧系统；18、蒸汽输送管道；19、汽轮机发电系统；20、氢气燃烧室；21、空气输入管；22、用电器；23、过热器；24、辅助供氧系统；25、吸附材料；26、散热片结构；27、加热系统管道；28、冷却系统管道；29、空气室；30、空气室阀板；31、吸附室；32、吸附材料组合结构；33、吸附室阀板；

现结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

具体实施方式

实施例1

以特斯拉MOLDE S进行改装为例，取消85KWH大容量电池改为较小容量10KWH的蓄电池调节功率输出并保证发动机暖机、爬坡、加速等时候的用电，换装25KW左右的斯特林发电系统重约300公斤，造价约十万元人民币，体积约400升，加装富氧膜制氧机提供30％浓度氧气，每小时供气六十立方重约二、三十公斤，体积约40升，造价约壹万多元人民币，而取代的大容量动力电池约二十万元人民币，重600公斤，体积500升，其余设备不变，整备质量下降300公斤造价下降数万元人民币，整车长度略增，而使用性能、参数不变甚至更优。燃料即可使用汽油、柴油，利用电驱动系统比内燃机驱动系统效率高20％以上优势成为节油型混合动力汽车，也可使用工业棕榈油、工业豆油，价格低廉，也与汽、柴油一样没有灰烬需要处理；但加油站需要加设工业棕榈油等油料供应业务。

实施例2

某偏远林区电力供应困难，但林木等生物质材料丰富，故采用图2所示意的系统装置，树木由于刚砍伐含水率较高，在空气中是不易燃烧的；树枝等材料送入燃料预处理装置粉碎，利用尾气喷吹干燥，并喷入定量石灰粉、尿素混合均匀，经输送装置送入蒸汽发生锅炉中的纯氧燃烧室，在纯氧中燃烧加热蒸汽发生锅炉，为利于快速产生蒸汽，锅炉分为多个小型炉并加设散热片；锅炉内的蒸汽经过热管加热接入发电功率为10到20千瓦的微型汽轮机发电机组发电，部分电能直接输出使用，另有部分电能经整流后接入大流量氢氧发生器，产生纯氧接入纯氧燃烧室辅助燃烧，氧气不足部分由一台膜法分离制氧机供氧，所产氧气浓度为30％；氢氧发生器所产生氢气另行与空气接入蒸汽发生锅炉系统的氢气燃烧室燃烧，形成工艺循环；至于锅炉内的部分热水供应与现有技术无异，同时氨气工质制供冷；从而形成热电冷联产，热能效率不低于80％。若燃料燃烧条件仍不足则可掺入经过精洗的煤粉混烧提高热值，或采用煤炭富氧混合燃烧技术。

实施例3

以比亚迪F1类电动汽车改装为例，原型号车整备质量1.4吨，时速100公里，百公里每小时耗电10到12度；改造后加装斯特林发电机300公斤，高压氧气瓶4瓶270公斤(含32公斤氧气约24立方)，或杜瓦瓶300公斤(含液氧200公斤)，整备质量增至2.3吨，百公里耗电由10～12度增加至17～22度，配25KW发动机每小时发电25度足以补充。斯特林机(美国STM4-120型)造价增加十万元。以25千瓦斯特林发动机每小时发电25度消耗木柴15公斤，高压氧气8公斤(合一瓶约六立方)计算，百公里费用二十几元；装载150公斤木材、一杜瓦瓶液氧就可运行10小时行程上千公里，加油站改为木柴、氧气添加站及草木灰肥料收集转运站就可。

以上设备市面上均有成熟产品，简单组装改造即可，技术可靠；但在加油站需另设氧气供应设备。

实施例4

以比亚迪F1类电动汽车改进设计为例，原型号车整备质量1.4吨，时速100公里，百公里每小时耗电10到12度；改进后加装25千瓦斯特林发动机400公斤、25千瓦发电机200公斤，增加的15立方变温变压吸附制氧系统预估约200公斤，整备质量增至2.2吨，百公里耗电由10～12度增加至15～22度，配25KW发动机每小时发电25度足以补充。斯特林机造价增加十万元。以25千瓦斯特林发动机每小时发电25度消耗木柴10公斤计算，百公里费用十几元；装载150公斤木材就可运行10小时行程上千公里，加油站改为木柴添加站及草木灰肥料收集转运站就可。

斯特林发电机约增加十万元，制氧系统约5万元，总造价增加约15万人民币。可自行供氧，停车时发电机系统可给蓄电池充电(保留约10～20kwh容量，一小时以内充满)，还可以作为家用、厂用的应急或备用发电机，及热、电、冷联供。

实施例5

某太阳能高速飞艇(高效流体减阻技术及高速飞艇技术见中国专利ZL200610106732.4)，长400米，高8米，宽40米，载重20吨，利用巨大表面积布置太阳能发电板，电解水产生氢气和纯氧，氢气进入安全防爆氢气囊(安全气囊为另一专利技术)产生浮力，兼作燃料储备；同时使用生物质燃料，所得纯氧接入气化炉，由于使用纯氧气化所以气化炉体积重量大为减少，气化速度大幅提高；生物质燃料送入气化炉，使用高纯度氧气气化，控制氧气浓度从而获得最佳产气效果，所得生物质气燃值控制在1200KJ以上；高温气体进入安全气囊(同时也产生辅助浮力)，由空气为冷却气经换热器冷却，并过滤、净化；因电解产生纯氧不够，辅助供氧系统采用变温吸附制氧装置，变温热源就是从气化炉出来的高温生物质气，并以高空的冷空气作为冷却气体，交替加热、冷却吸附剂，从而提供高浓度氧气；生物质气体经过冷却、净化、压缩送入特别设计的生物质气发动机燃烧做功，驱动飞艇动力设备运行。这样飞艇白天使用太阳能为动力，晚上使用生物质燃料为动力，彻底摆脱化石燃料。

实施例6

对比亚迪K9A型纯电动公交大巴进行改装，取下重2500公斤的324KWH动力电池，改装100千瓦斯特林发电机组(重1200公斤)，加装100立方变温吸附制氧机(重约400公斤)，使用生物质颗粒燃料每小时约70公斤，整备质量下降约500公斤，虽说造价增加约20万人民币，但续航里程无限，不需要长时间充电。

实施例7

将某轻型坦克车改装为电动坦克，采用图1所示意的系统，取下600匹坦克发动机，改装4台美国产STM4-120斯特林发电机，总输出功率为100KW，对其热腔适当改进，以便于纯氧燃烧及排除灰烬及处理尾气，冷腔采用空气冷却系统；燃料是预先挤压成型并经石灰水、尿素浸泡的成批供应的生物质颗粒材料，按每小时30公斤速度投料，所发电能接入50KWH蓄电池调节功率输出并保证发动机暖机、爬坡、加速等时候的用电；辅助供氧采用本申请所述变温吸附制氧设备，并大量覆盖电子制冷片、温差发电片加速制氧速度及回收部分余热；在丛林地区作战燃料随处可得，且斯特林机能做到静音发电、行进，隐蔽接敌。

Claims (10)

1.一种直接将生物质材料转化为一次能源的原动机系统装置，根据使用场合不同而分别由包括燃料预处理装置、燃料输送装置、纯氧(富氧)燃烧系统、发动机系统、发电机系统、冷却系统、尾气输送管、尾气处理系统、输出电缆、氢氧发生器系统(包括前瞻技术的SOEC高温电解池在内)、辅助供氧系统、氧气输送管、氢气输送管、氢能利用设备(氢燃料电池、氢发动机、氢气燃烧器等)、气化炉、蒸汽发生锅炉系统、蒸汽输送管道、汽轮机发电系统、氢气燃烧室、空气输入管、过热器等设备在内的系统组合而成。其特征是：燃料经过燃料预处理装置1处理，将其切碎、粘合成易于燃烧的形状、掺入部分试剂例如生石灰或石灰水及尿素，预设燃料预热干燥程序，热源气体为尾气；燃料输送装置2送入纯氧(富氧)燃烧系统3的纯氧燃烧室与纯氧或充足氧气混合并燃烧，产生高热，而燃烧室与斯特林发动机系统4的加热器(也称热腔)5相连接，驱动斯特林发动机运行，并带动直流发电机7发电，电能经输出电缆11接入氢氧发生器系统12，使其电解水产生氢气和纯氧，经过系统内的氢氧分离器分离后氢气经过氢气输送管14另行接入氢能利用设备15(氢燃料电池、氢发动机、氢气燃烧器等)；所得纯氧则通过纯氧输送管13接入纯氧燃烧系统的燃烧室助燃，形成循环。

2.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：所述斯特林发动机系统的冷却器6(冷腔)与冷却系统8相连，水循环冷却供应热水，实现热电联产。

3.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：工作流程及组成设备的组合方式、工作关系是由纯氧富氧燃烧系统燃烧供热、斯特林发动机供电补充电池电量、发动机尾气及冷却器余热供变温吸附系统制取高浓度氧气补充氧气不足，其余部分与现有电动汽车结构组合，从而形成新的以生物质材料为能源的电动汽车。

4.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：所述燃料输送装置2，诸多适应各种燃料的输送设施可同时存在，也可做撬装式、菜单式组合。

5.根据权利要求1所述的系统装置，其特征是：所述斯特林发动机系统4可通过氢氧发生器系统12所得氢气或变温吸附制氧所得氮气经过纯化后，经预留高压泵补充所渗漏的工质。

6.根据权利要求1所述的系统装置，其特征是：燃料经过燃料预处理装置1后通过输送装置2送入蒸汽发生锅炉系统16内的纯氧燃烧系统17与纯氧或充足氧气混合并燃烧，产生蒸汽经过热器23加热通过蒸汽输送管道18送入汽轮机发电系统19发电，产生电力经输送电缆11部分输出接入用电器22；另一部分电能则接入氢氧发生器12用于电解水，氢氧发生器12产生的氧气通过纯氧输送管13接入纯氧燃烧室17，不足部分由辅助供氧系统24补充，从而形成循环；所得氢气则另行接入锅炉系统16内的氢气燃烧室20，与经空气输入管21引进的空气混合燃烧，加热蒸汽发生锅炉系统16，构成完整的工艺循环。

7.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：在尾气处理系统中控制尾气温度在亚硫酸钙及硫酸钙分解温度以下、合成温度以上并与灰烬充分混合，并进一步采取尾气去硫技术及净化技术，同时进行尾气余热利用、除尘、灰烬收集乃至打包等设计。

8.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：所述辅助供氧系统为利用发动机余热的变温吸附制氧设备，每个空气室配有一个到多个装有吸附材料组合结构的吸附室，及流体切换阀门与加热、冷却系统管线；加热系统热源是发动机尾气和冷却器，冷却系统一般由空气冷却；吸附材料围绕着与加热或冷却管道相连的热交换片布置，利于迅速吸热、冷却；空气室29与吸附室31之间有活动的空气室阀板30分开，吸附室的另一端有可开闭的吸附室阀板33；工作流程是空气室阀板30打开时吸附室阀板33关闭，空气被搅动与吸附剂充分接触，同时加热系统或冷却系统阀门打开，某一组分被优先吸附；在达到饱和后空气室阀板30关闭，同时吸附室阀板33打开，相应的加热系统或冷却系统也开始工作，并吹扫吸附材料组合结构清除残余组分，再进入下一流程，如此循环往复，源源不断输送高浓度氧气。

9.根据权利要求8所述变温吸附制氧设备，其特征是：热交换片采用易导热的材料制作，包括加热管道、冷却管道均采用易导热的材料如薄铜、薄铝制作，管道外加设加快热交换速度的散热片进一步扩大散热导热面积；同时在管道、散热片表面相应覆盖电子制冷片、温差发电片，或兼备制冷、发电两用；在需要冷却作业时通以电流，使温度迅速下降；而在降温工序则转变为温差发电片功能，利用其与冷却气流间的温差发电，所得电流可充入蓄电池，可直接通过导线或金属制作的加热(冷却)管道接到另一部分进行制冷的发电片处作为电源；温差发电片、制冷片及加热、冷却管道间结构设计布置温差发电片与电子制冷片功能切换时各种线路的开关、断开连接等功能性调整。主发动机不工作时可做相应操作由这些遍布冷却管、加热管、斯特林机冷却端等处的电子制冷片、温差发电片转换为利用温差发电状态并承担发电功能。

10.根据权利要求1所述系统装置，其特征是：工作流程及组成设备的组合方式、工作关系是由生物质燃料送入气化炉，使用纯氧或高浓度氧气气化，控制氧气浓度从而获得最佳产气效果，生物质材料纯氧气化生成热值较原来要高的生物质气；辅助供氧系统中变温吸附制氧装置的热源是从气化炉出来的高温生物质气，气体经过冷却、净化、压缩送入特别设计的生物质气发动机，与现有燃气汽车结构组合，从而成为新型清洁能源的燃气汽车。