采用氫、乙醇作燃料的建議

第358年10月云南化工ct.20085卷第5期Yunnan Chemical TechnologyVol 35. No 5采用氫、乙醇作燃料的建議楊運嘉(云南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,云南昆明650092)摘要:就清潔可再生能源—一氫、乙醇的制備和作燃料使用簡(jiǎn)略敘述。氫擬用(太陽(yáng))光伏法電解水制備,乙醇擬用便宜的原料如甘蔗渣秸桿等含纖維素的有機質(zhì)通過(guò)纖維素酶水解后發(fā)酵制備。二者作為汽車(chē)燃料使用,現有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機僅需作適當改動(dòng)。關(guān)鍵詞:氫燃料;乙醇燃料;太陽(yáng)電池;電解中圖分類(lèi)號:TKo1,TK01文獻標識碼:A文章編號:1004-275X(2008)05003704Suggestion on Hydrogen and Ethanol as Fuel(School of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan Normal UniversityAbstract: Preparation of hydrogen and ethanol as clean and renewable energyprepared by electrolysis of water by photovoltaic method, and ethanol could be prepared byof cheap celluloserich biomasses such as bagasse and straw with cellulase and then fermentation. Both could be used as automobile fuel andKey words: hydrogen fuel; ethanol fuel; solar cell; electrolysis當前,世界范圍氣候異常,氣溫普遍升高,皆子的烴類(lèi)的復雜混合物。就燃燒產(chǎn)生的CO2比由“溫室效應”引起。溫室效應是由溫室氣體產(chǎn)生較,乙醇燃燒產(chǎn)生的CO2約為汽油的四分之一,從的,CO2是主要的溫室氣體。人們在使用常規能這個(gè)意義上看,乙醇也算是一種清潔燃料。源——化石燃料(煤、石油及其產(chǎn)品)時(shí),其燃燒產(chǎn)表1是氫、乙醇、汽油的理化數據比較。物會(huì )產(chǎn)生大量的CO2,化石燃料或多或少還含氮和表1瓤、乙醇、汽油的某些理化數據硫,其燃燒產(chǎn)生的NO2和SO2也是大氣的污染源Table 1. Some physical and chemical property城市空氣污染有60%來(lái)自汽車(chē)尾氣排放。因此of hydrogen, ethanol and gasoline要防止和減弱溫室效應的影響,降低空氣污染,就項日乙醇汽油要采取有效措施來(lái)減少CO2和有毒氣體的排放。含碳原子數/個(gè)使用清潔能源作為化石燃料的替代能源是最有效沸點(diǎn)(程)/℃35-210措施之密度(g/cm3)0.7890.72-0.75在燃料中,氫最清潔,它的燃燒產(chǎn)物是H2O汽化潛熱/(kJ/kg)H2O可通過(guò)太陽(yáng)電池轉化為氫氣,這是自然界中比熱/(kJ/kg:℃最合理、最良性的循環(huán)。若在城市中使用氫氧燃凈熱值/(J/kg)121004.327110料電池電動(dòng)汽車(chē)則可實(shí)現真正意義的“零排放”?；旌蠚鉄嶂?(k/k8)氫的熱值高按重量計其熱值是汽油的三倍。在辛烷值106-110即牌號使用中,氫的連續性、可貯性、可輸性、可轉化性也壓縮比空燃比14.9是其它燃料不具備的。上限4.0燃燒極限/(q%)乙醇含兩個(gè)碳原子,汽油是含6~12個(gè)碳原限中國煤化工收稿日期:200808-14稿件修回日期:2008091CNMHG作者簡(jiǎn)介:楊運嘉(194-),男,副教授研究方向:清潔、可再生能源。云南化工2008年第5期新。同時(shí)液氫的沸點(diǎn)低(-25287℃),致使氣態(tài)1氫燃料氫很難液化液氫則很易揮發(fā),稍微振動(dòng)、受熱,體積就激烈膨脹。因此,盛氫容器必須耐壓、絕緣、11氫的制備保溫效果好,這就增加了使用的困難。二是氫的制氫的方法很多,目前國內已工業(yè)化的有:常密度低、粘度小、提升力大(比氦大8%)。氣態(tài)氫規電解水制氫(這是已成熟的工藝,但該法耗電量若加壓后在高壓鋼瓶中使用,與現有汽車(chē)燃料箱大成本高不宜普遍采用);水煤氣法制氫(提供提供的里程數比較,要跑相同里程,則需幾個(gè)鋼城市煤氣,其中H2占大約50%);氯堿工業(yè)副產(chǎn)瓶,容器笨重體積又大。氫分子體積小,高壓下氫;煉油廠(chǎng)用輕質(zhì)烴制氫等。易滲透到金屬材料內部產(chǎn)生氫脆現象,導致材料在科研方面國內外所用的制氫方法有:高溫強度下降。這些問(wèn)題都必須予以解決才能實(shí)現氫電解水制氫、熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫、生物質(zhì)細菌燃料汽車(chē)的使用。制氫等。使用貯氫合金是解決安全性的首選?，F在人作者擬釆用的方法是(太陽(yáng))光伏法電解水制們在鎂、鎂鎳、鑭-鎳、鈦-鐵、稀土等各系列作了大氫。用這種方法制氫,盡管首次投資成本高(昆明量研究(,一旦貯氫容量貯放速度得到提高達某公司太陽(yáng)電池出廠(chǎng)價(jià)35元/瓦),光電轉換效率到實(shí)用化和規?；?氫氣汽車(chē)就指日可待了。僅為15%~17%還有待提高,但太陽(yáng)電池壽命至由于液氫或固氫凍膏比氣態(tài)氫的密度高得少20年。作者所做實(shí)驗已在2000年第十三屆世多,用作發(fā)動(dòng)機(特別是火車(chē))燃料是可行的但盛界氫能大會(huì )論文集中以題目“ The production of hy--液氫的容器設計必須耐壓、絕緣保溫效果好?？蒬rogen by electrolysis of water with the aid of sun-考慮與燃料電池聯(lián)用,即有意識的讓燃料箱留孔ight”作過(guò)報道使氫氣向外泄,不斷外泄的氫可作為燃料電池當時(shí)采用兩根各150mL的有機玻璃管做水的燃料,所得到的電力不僅可作機車(chē)的雙動(dòng)力能電解器而經(jīng)過(guò)車(chē)工的有機玻璃管透光率差無(wú)法源,也叮供發(fā)動(dòng)機火花塞點(diǎn)火用。相應的液氫揮考察太陽(yáng)光對半導體電極、光催化劑、電子中繼發(fā)使體積膨脹的問(wèn)題也得以解決物、電子給體的影響。建議用透光率好的石英玻為了防止氫與金屬容器接觸,可在容器內壁璃或鋼化玻璃做水電解器考察上述內容以及電極涂一薄層環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)以解決氫脆的問(wèn)題。面積、太陽(yáng)電池功率、電解質(zhì)溶液、不同光源等的若使用氫燃料,現有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機還得適當改影響{2]動(dòng)壓縮比要從目前的大約9提高到大約16(通過(guò)1.2氫燃料汽車(chē)實(shí)驗確定),噴嘴要適于噴氫。近十多年來(lái)用氫作發(fā)動(dòng)機燃料在一些國家已另一項重大的改動(dòng)在于,現有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機汽有了成功的經(jīng)驗。日本馬自達公司試制的液氫汽缸中活塞與汽缸壁之間的縫隙有活塞環(huán)及潤滑油車(chē)一次充液氫可連續行駛300公里。190年德國封適于汽油車(chē),當使用氫氣時(shí),氫氣難免會(huì )通展出了一種用氫運轉的5升BMW7系列汽車(chē)。用過(guò)該縫隙漏入曲軸箱中,而運轉中的曲軸箱溫度氫作燃料能源的優(yōu)點(diǎn),在對重量十分敏感的航天甚高,可能會(huì )引發(fā)極限范圍內的氫空氣混合氣爆航空領(lǐng)域顯得格外突出,現在的航天火箭就用液炸,這十分危險建議采用如圖1的設計態(tài)氫作燃料。氫的能量密度高,每公斤氫為1.8此方案是在汽缸側部增設送氣管使空氣流萬(wàn)瓦。開(kāi)發(fā)氫-空氣燃料電池更可帶來(lái)巨大的收入。在吸入沖程結束時(shí),活塞下降到下死點(diǎn),汽缸益,它的熱力學(xué)效率比汽油機大3.5倍,比柴油機口打開(kāi)后,從送氣管向汽缸內送入空氣,以在活塞大2.8倍。頭上部產(chǎn)生強勁的渦流,將汽缸內的氫氣壓縮到氫的優(yōu)點(diǎn)這么多,但為什么作汽車(chē)、火車(chē)燃料中國煤化工分空氣通過(guò)縫隙使用遲遲得不到推廣呢?有這樣一些原因。一是泄瀾還會(huì )在活塞頭附安全性氫在空氣中的爆炸極限(按體積分數)是近形ICNMHO室形成過(guò)濃的混4%~巧5%,在此范圍內,遇明火即發(fā)生爆炸。合氣體,抑制氧化氮的生成。還會(huì )起到助排氣作1938年發(fā)生的興登堡號飛艇事故人們仍記憶猶用,對活塞頭有冷卻效果。2008年第5期楊運嘉:朱用氫、乙醇作燃料的建議排氣管吸氣管氣閥送氣管汽缸口汽缸送氣管送氣管送氣管圖1增設送氣管的汽缸Figure 1. Cylinder inereased with air transmission pipe1.3氫的民用含纖維素在65%~80%之間,余為木質(zhì)素和少量在邊遠地區、大草原,煤氣、電力等供應不及灰份。將纖維素和木質(zhì)素分離,纖維素即可用來(lái)而太陽(yáng)光又十分充裕的地方可設置(太陽(yáng))光伏生產(chǎn)乙醇6。電解水制氫裝置。由于氫易于貯存,不受天氣、晝纖維素是葡萄糖經(jīng)β-1,4葡萄糖背鍵縮聚成夜的影響,氫氣民用使用方便,值得推廣,但如下的多糖大分子,需水解為葡萄糖才能被酵母發(fā)酵。幾種設備要提前研制水解可用酸(鹽酸或硫酸)或纖維素酶在適當條氫氣爐:煤氣爐不可用作燃氫爐件下進(jìn)行。這種酶既要能水解纖維素又要能水解水封貯氫罐(緩沖用)和高壓鋼瓶半纖維素才能使原料得到充分利用,以降低成氫壓機:由電解水裝置剛制備出來(lái)的氫氣為本。所分離出來(lái)的木質(zhì)素也具有廣泛用途要常壓或略高于常壓,必須用氫壓機增壓。民用氫進(jìn)行綜合利用;或者由于木質(zhì)素的熱值較高(燃壓機不一定要壓縮至15MPa,壓縮至5MPa左右燒熱1.1×103kJ/kg),可作輔助燃料提供蒸餾或即可,這樣氫壓機的密封不過(guò)于苛刻,成本也降熱電聯(lián)產(chǎn)的熱量(圖2)。低,適于民間購買(mǎi)。氫傳感器(或報警器):遇氫泄漏時(shí)報警。單向閥:防止回火。料預處理電磁閥:與傳感器聯(lián)用可及時(shí)截斷氣流木質(zhì)章2乙醇燃料綜合利用2.1乙醇的生產(chǎn)纖維酶魔促水解目前,乙醇主要是從糖質(zhì)(甘蔗榨糖后的糖熱電聯(lián)產(chǎn)蜜)、淀粉質(zhì)(糧食作物)出發(fā),通過(guò)酵母發(fā)酵制糖發(fā)酵取。這種工藝已十分成熟,工廠(chǎng)通過(guò)精餾最高只能得到95%(共沸物)的乙醇,用作車(chē)用燃料還需物回收廢物回收用其它方法(如分子篩變壓吸附)進(jìn)一步提純,這樣,價(jià)格可能會(huì )超過(guò)汽油。為了開(kāi)發(fā)乙醇汽車(chē)就中國煤化工得擴大乙醇生產(chǎn)的原料來(lái)源,如可增加便宜的薯CNMHG類(lèi)(木薯等)、纖維素等?？捎脕?lái)生產(chǎn)乙醇的纖維圖2纖維素生產(chǎn)乙醇綜合利用Figure 2, Comprehensive utilization素有甘蔗渣、秸稈、椰子殼、廢木材、蘇棕類(lèi)植物廢of ethanol produced from cellulose料等。這些生物質(zhì)材料量大、便宜、可再生,一般云南化工2008年第5期2.2乙醇與汽油的比較因為乙醇是極性燃料,汽油是非極性燃料,二從表1數據可見(jiàn),乙醇的沸點(diǎn)(與汽油的初者的粘度、對橡膠、塑料的溶脹性也不同,因此燃餾點(diǎn)比較)、汽化潛熱、比熱都比汽油高,即乙醇料噴嘴、某些管線(xiàn)、墊圈、墊片要有所改動(dòng)或更換,比汽油不容易蒸發(fā),要使乙醇汽化,所需的熱量要使之適用于乙醇燃料。多,這就造成乙醇燃料汽車(chē)冷啟動(dòng)困難,要有相應為了解決乙醇冷啟動(dòng)困難,設想一種雙燃料措施來(lái)解決汽車(chē),即多增設一個(gè)小汽油箱,用汽油啟動(dòng),正常乙醇的凈熱值比汽油低,約為汽油的2/3,但行駛時(shí),通過(guò)轉換閥切換為乙醇。偶爾的停駛,因混合氣熱值與汽油相當,這就不會(huì )造成功率下降為是熱車(chē),不存在冷啟動(dòng)的問(wèn)題。這主要是乙醇為含氧燃料所致。參考文獻:辛烷值是衡量燃料在汽缸中燃燒時(shí)抗爆震性[1]劉治中液體燃料的性質(zhì)及應用[M].北京:中國石化出版能的一項指標,辛烷值越高越好,乙醇的辛烷值比社,200汽油高,這是乙醇的主要優(yōu)點(diǎn)。2]康錫惠、劉梅清光化學(xué)原理與應用[M].天津:天津大學(xué)出版社,19952.3乙醇燃料汽車(chē)[3]張祖光、辛湘杰鈦在能源與工業(yè)中的應用M]北京機被現在一些省區已在使用摻合15%~20%乙工業(yè)出版社,1989醇的所謂乙醇汽油,這種摻合量的乙醇汽油用于[4]莊耀民新能源開(kāi)發(fā)方案[M].北京:水利電力出版社現有汽車(chē),發(fā)動(dòng)機無(wú)需改動(dòng)。若要全部燒乙醇,現有汽車(chē)發(fā)動(dòng)機就要作如下適當改動(dòng)。[5]許冬生纖維素衍生物[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社2001[6]蔣挺大木質(zhì)素[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001從壓縮比看,乙醇燃料比汽油要高,分別為[7)郭杰炎蔡武城微生物酶M].北京:科學(xué)出版社,198613和9,即用乙醇作燃料,現有汽車(chē)汽缸蓋燃燒室8]岑沛霖蔡瑾工業(yè)微生物學(xué)[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,容積要減小,以便提高壓縮比。2000.為了便于乙醇在汽缸中蒸發(fā)燃燒,可將進(jìn)入[9]郭振楚糖類(lèi)化[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005汽缸前的燃料管線(xiàn)作成夾套預熱燃料(熱車(chē)時(shí)[10]段雷、黃永梅可持續能源的前景[M]北京:清華大學(xué)出版社,2002.汽缸夾套中冷卻水箱的水溫已在90℃C左右,超過(guò)[11]魯南新能源概論[M].北京:中國農業(yè)出版社,1997了乙醇的沸點(diǎn))?！ふ饔唵⑹職g迎訂閱2009年《聚氨酯工業(yè)》《聚氨酯工業(yè)》為雙月刊,全年訂價(jià)80元,本《聚氨酯工業(yè)》系中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì )會(huì )刊,刊發(fā)行部負責發(fā)行。并可免費索取樣刊。國內唯一公開(kāi)發(fā)行的聚氨酯行業(yè)專(zhuān)業(yè)性科技刊為慶?！毒郯滨スI(yè)》創(chuàng )刊二十周年,本刊隆物。創(chuàng )刊于1986年,由中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì )和江重推出《聚氨酯工業(yè)》二十周年(1986-2006)期蘇省化工研究所有限公司主辦,現為中國科技核刊合集(DVD光盤(pán)),歡迎來(lái)電垂詢(xún)。心期刊,多種文摘及數據庫用刊收錄期刊。國際歡迎訂閱!歡迎投稿!歡迎刊登廣告!標準連續出版物刊號:ISN005-1902;國內統一訂閱辦法:連續出版物刊號:CN32-1275/TQ1.銀行匯款《聚氨酯工業(yè)》主要報道聚氨酯制品及其原開(kāi)戶(hù)行:中國農業(yè)銀行南京市草場(chǎng)門(mén)分理處料等方面的科技成果與發(fā)展動(dòng)態(tài),以刊登行業(yè)技賬號:0334310020104000039術(shù)評述、學(xué)術(shù)及技術(shù)論文、生產(chǎn)應用和技術(shù)交流、戶(hù)名:江蘇省化工研究所有限公司分析測試方法以及生產(chǎn)設備技術(shù)進(jìn)展為主,同時(shí)2.郵局匯款還刊登國內外聚氨酯技術(shù)短訊及行業(yè)動(dòng)態(tài)(會(huì )展地址:南京市北京西路72號信息等)。適合涉及高分子合成材料特別是聚氨郵中國煤化工酯材料研制、應用及管理的科技人員閱讀,創(chuàng )刊以收CNMHG來(lái),受到國內外聚氨酯行業(yè)專(zhuān)家學(xué)者以及生產(chǎn)聯(lián)系力式:線(xiàn)生產(chǎn)技術(shù)人員及高等院校的高度重視和一致好電話(huà)25-8375519,8375519,856648(兼傳真)評,是從事聚氨酯行業(yè)人士的必備刊物。E- mail puinj@ jschemres com