不同燃料ZEMPES的经济性分析与比较

尽管缺乏一些重要数据，但我们在这里尝试评估一些所描述系统的经济性。至少在目前还不知道ITM反应器的价格，因此一开始只能假设它的价格。该系统主要包括一些成熟的设备，比如普通的活塞式发动机、涡轮压缩机和热交换器。惟一比较新颖的设备就是离子传输膜反应器。经过工业公司所做大量的开发工作，它已经非常接近于商业化了（Armstrongetal．，2003；Sundkvistetal．，2004；Selimovich，2005）。在提出的经济性评价报告中，在得到精确的燃料价格时可以获得目前的成本。原理系统图如图7-1a所示；膜反应器（MR）的工艺流程如图7-1b所示。注意，在图7-1a中，用于产氧气的反应器叫做AMR（汽车膜反应器），如在前面章节中所述各个部件为：VM是活塞发动机；N_e是有效功率；R是散热器-换热器；WS是水分离器；AB是分离器；Mi是混合器；KU是离合器；N_mm是涡轮压缩机机械损失热流，图中数字代表节点。

在描述的流程中，没有增压器用来使压力提高，涡轮压缩机实际上是给ITMR提供压缩空气以提高氧通量。总系统有两个循环，一个是封闭的主循环1—2—4—5—6—7—1，另一个是辅助循环18—19—23—24。燃料进入混合器11，大气中的空气从18进入，从AMR中排出的热压缩空气中的氧气进入混合器28、29。在1的可燃混合物进入VM中的一个汽缸，由电火花引燃，产生机械功。辅助的涡轮压缩机向AMR提供压缩空气，并提供额外的功给离合器KU，总和为有效功率N_e。循环中溶解有污染物的二氧化碳从9排进加油站后封存。膜反应器AMR的一些细节在图7-10中给出，包括单体型反应器MR本身和类似的换热器结构（Sundkvistetal，2004；Selimovich，2005）。

在C1经过压缩后，在H1中空气被烟道烟气加热到800～1000℃进入到反应器MR，通过膜的氧气分压要保持在3以上，纯氧从28到29经过R4进入混合器Mi，然后易燃的混合物进入活塞发动机VM。排出的贫氧空气21在H2中被烟道烟气加热并在空气透平T1膨胀到环境压力。在ZEMPES中，汽缸的压比受压缩后的温度限制。用惰性气体二氧化碳替代氮气，通过对汽缸的一个小修改能使压比从8增至16～17，计算结果显示能将温度限制在600～700K。活塞发动机，选择的是大众汽车一排4缸发动机，冲程为86.4mm，孔径为79.5mm，体积比为8.3，频率为5000r/min，有效功率为48kW。结果见表7-9。表7-8给出了一个未经优化系统的总的热力学参数。

表7-8 汽油（B）、丙烷、甲烷作为燃料时HiOx—ZEMPES节点的参数

（续）

注：O_f＝氧浓度。

表7-9 功率、效率、燃料消耗量和发电成本

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即使选取适度的氧体积分数0.3，透平后的空气温度仍很高，超过1000K，因此需要通过系统优化，以防止能量损失。如果氧体积分数为0.5，温度将超过1500K，但是并不推荐采取这么高的氧体积分数，那样会出现很多工程上的问题，因为在汽缸中膨胀后，烟气将超过2100K，燃烧后的温度甚至高达3500K，这里需要注意，计算时并没有考虑烟气在如此高温下的分解，事实上也不可能达到这种温度。但是那样的高温区已超出实际发动机范围，燃烧过程非常迅速，也许假设的化学平衡都没达到，并且实际的燃气的组分是可变的。

图7-11 流动方向

在这里，汽油的成本价为1.24欧元/L，丙烷价格为0.639欧元/L，天然气（甲烷）为0.829欧元/kg，这是2006年1月德国的统计数字。显然用天然气的系统能实现最大程度的节约，因为天然气燃料目前已经应用在车辆上，对于一个是实现零排放的小型分布式电站很有吸引力。因此它可以应用于人多稠密的地方，毫无疑问也会有热电联产。即使是燃烧汽油，也有很可观的经济性，但这违背一个共识，那就是：由于要产生氧气与液化二氧化碳，零排放的效率应该低于传统效率。很多文献都指出低温深冷制氧与膜法制氧的能量惩罚分别为8％～10％和2％～4％。然而在我们的计算中，效率从在原型机的27％升高到在ZEMPES的40％，这主要是由于采用了合理的富氧驱动以及由贫氧空气透平中还产生额外功导致的。

我们必须强调给出非常高氧体积分数为0.5的计算结果是为了给出一个前景。在实际操作中，最大压力为178bar，温度为3500K是达不到的。为了进行比较实际的经济性评估，取氧气体积分数为0.3（1.5倍于空气中的含氧量），使用汽油燃料，设计时的具体消耗为300g/kWh，在ZEMPES中效率为0.368时消耗220g/kWh，燃料价格为1.77欧元/kg。对于汽车应用来说，膜反应器的尺寸非常重要，我们对普通燃料进行估算：汽油，以1-己烯C₆H₁₂按照理论化学计量计数，CH₂燃烧方程式如下：

CH₂＋1.5O₂⇒CO₂＋H₂O＋45kJ/gCH₂or13kJ/gO₂

假设氧通量为1g/m²×s，我们得到通过膜的能量流为13kW/m²。单块状或管状膜反应器，很容易达到比较适中的比表面积量100m²/m³（Sundkvistetal．，2004；Selimovich，2005）。效率为0.368、功率为100kW的ZEMPES需要的热能为272kW_th，由表面积为272/13＝21m²的膜提供。此时的活性体积为21/100＝0.21m³，或者是0.6×0.6×0.6m³。增加的换热器体积与结构有关，大概与一个反应器差不多大小。这意味着需要的总体积为0.6m³，对于车辆来说是合理的。对于需要稳定电力生产或公共汽车，更是没问题。ZEMPES的初期投资显然远远高于传统的活塞发动机，因为添加了膜反应器、热交换器和涡轮压缩机等新设备，需要调整到较高的温度与压力。然而由于燃料的节约，流动成本是低的。现在主要的经济问题是投资回报期：我们应该等待多少时间才能收回这笔额外的投资？

假设在相同的100kW功率下，ZEMPES比传统的多花费了10000（ZEMPES花费30000欧元，而传统的花费20000），满负荷使用时间是每年1000h，因此每年发100000kWh。传统的汽油消费量为30t/年，ZEMPES为22t/年，燃油节约量为8t/年。如果燃油价格为1.77/kg，每年可节省为1.77×8000＝14160。这意味着，投资回收期仅为8.5个月，不到1年。这个例子很能说明问题，只是因为膜的实际成本仍是未知数。计算结果表明为车辆或分散的用电企业生产一个零排放的活塞式发动机，燃料可以是汽油、丙烷或天然气，能使燃料消耗和成本大幅降低，这明显是可能的。对于一个含氧量为0.3（而不是空气中的0.209），可以实现最高温度和压力，100kW的效率达到0.368，用汽油燃料成本节约26％，天然气则可节约68％，这种HiOx-ZEMPES系统值得及时考虑实施。