2008年10月云南化工Oct.2008第35卷第5期 Yunnan Chemical Technology Vol.35, No.5采用氫、乙醇作燃料的建議楊運(yùn)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、可再生能源氫、乙醇的制備和作燃料使用簡(jiǎn)略敘述。氫擬用(太陽)光伏法電解水制、可再生備,乙醇擬用便宜的原料如甘蔗渣、秸桿等含纖維素的有機(jī)質(zhì)通過纖維素酶水解后發(fā)酵制備。二者作為汽車燃料使用,現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)僅需作適當(dāng)改動(dòng)。關(guān)鍵詞:氫燃料;乙醇燃料;太陽電池;電解中圖分類號(hào):TK91,TK01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-275X(2008)0500704 Suggestion on Hydrogen and Ethanol as Fuel Yang Yun-jia (School of Chemistry and Chemical Engineering, Yunnan Normal University, Kunming 650092) Abstract: Preparation of hydrogen and ethanol as clean and renewable energy was introduced. Hydrogen could be epared by electrolysis of water by photoltaic method, and ethanol could be prepared by hydrolysis of cheap celulose- rich biomasses such as bagasse and straw with cellulase and then fermentation. Both could be used as automobile fuel, and the engine was just needed to improve properly. Key words: hydrogen fuel; ethanol fuel: solar cell; electrolysis當(dāng)前,世界范圍氣候異常,氣溫普遍升高,皆子的烴類的復(fù)雜混合物。就燃燒產(chǎn)生的CO2比由“溫室效應(yīng)”引起。溫室效應(yīng)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?cè)谑褂贸Ｒ?guī)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(shù)據(jù)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、乙醇汽油的某些理化數(shù)據(jù)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%來自汽車尾氣排放。因此, of hydrogen, ethanol and gasoline要防止和減弱溫室效應(yīng)的影響,降低空氣污染,就項(xiàng)氫乙醇汽油要采取有效措施來減少CO2和有毒氣體的排放。含碳原子數(shù)/個(gè)26-12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)/℃-252.8778.335-210措施之一。密度(g/cm3)0.070.7890.72-0.75在燃料中,氫最清潔,它的燃燒產(chǎn)物是H2O,汽化潛熱/(k/kg)862290~315H2O可通過太陽電池轉(zhuǎn)化為氫氣,這是自然界中比熱/(kJ/kg·℃)2.722.43最合理、最良性的循環(huán)。若在城市中使用氫氧燃凈熱值k)1210032711043963料電池電動(dòng)汽車則可實(shí)現(xiàn)真正意義的“零排放”。混合氣熱值/(k/kg)29752937氫的熱值高,按重量計(jì)其熱值是汽油的三倍。在辛烷值106-110即牌號(hào)使用中,氫的連續(xù)性、可貯性、可輸性、可轉(zhuǎn)化性也壓縮比~1613-14-9空燃比914.9是其它燃料不具備的。燃燒極限%上限4.04.31.3乙醇含兩個(gè)碳原子,汽油是含6~12個(gè)碳原下限75197.2收稿日期:2008-08-14稿件修回日期:2008-09-11作者簡(jiǎn)介:楊運(yùn)嘉(1941-),男,副教授,研究方向:清潔、可再生能源。38云南化工2008年第5期新。同時(shí),液氫的沸點(diǎn)低(-252.87℃),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、1.1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(guó)內(nèi)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(guī)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(xiàn)有汽車燃料箱大,成本高,不宜普遍采用);水煤氣法制氫(提供提供的里程數(shù)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;煉油廠用輕質(zhì)烴制氫等。易滲透到金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象,導(dǎo)致材料在科研方面,國(guó)內(nèi)外所用的制氫方法有:高溫強(qiáng)度下。這些問題都必須予以解決才能實(shí)現(xiàn)氫電解水制氫、熱化學(xué)循環(huán)分解水制氫、生物質(zhì)細(xì)菌燃料汽車的使用。制氫等。使用貯氫合金是解決安全性的首選?，F(xiàn)在人作者擬采用的方法是(太陽)光伏法電解水制們?cè)阪V、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(dá)某公司太陽電池出廠價(jià)35元/瓦),光電轉(zhuǎn)換效率到實(shí)用化和規(guī)?；?氫氣汽車就指日可待了。僅為15%~17%還有待提高,但太陽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(yàn)已在2000年第十三屆世多,用作發(fā)動(dòng)機(jī)(特別是火車)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(shè)計(jì)必須耐壓、絕緣保溫效果好?？?drogen by electrolysis of water with the aid of sun考慮與燃料電池聯(lián)用,即有意識(shí)的讓燃料箱留孔 light作過報(bào)道。使氫氣向外泄,不斷外泄的氫可作為燃料電池當(dāng)時(shí)采用兩根各150mL的有機(jī)玻璃管做水的燃料,所得到的電力不僅可作機(jī)車的雙動(dòng)力能電解器,而經(jīng)過車工的有機(jī)玻璃管透光率差,無法源,也可供發(fā)動(dòng)機(jī)火花塞點(diǎn)火用。相應(yīng)的,液氫揮考察太陽光對(duì)半導(dǎo)體電極、光催化劑、電子中繼發(fā)使體積膨脹的問題也得以解決。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(nèi)壁璃或鋼化玻璃做水電解器考察上述內(nèi)容以及電極涂一薄層環(huán)氧樹脂類,以解決氫脆的問題。面積、太陽電池功率、電解質(zhì)溶液、不同光源等的若使用氫燃料,現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)還得適當(dāng)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1.2氫燃料汽車實(shí)驗(yàn)確定),噴嘴要適于噴氫。另一項(xiàng)重大的改動(dòng)在于,現(xiàn)有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽近十多年來用氫作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料在一些國(guó)家已缸中活塞與汽缸壁之間的縫隙有活塞環(huán)及潤(rùn)滑油有了成功的經(jīng)驗(yàn)。日本馬自達(dá)公司試制的液氫汽密封,適于汽油車,當(dāng)使用氫氣時(shí),氫氣難免會(huì)通車一次充液氫可連續(xù)行駛300公里。1990年德國(guó)過該縫隙漏入曲軸箱中,而運(yùn)轉(zhuǎn)中的曲軸箱溫度展出了一種用氫運(yùn)轉(zhuǎn)的5升BMW7系列汽車。用氫作燃料能源的優(yōu)點(diǎn),在對(duì)重量十分敏感的航天、甚高,可能會(huì)引發(fā)極限范圍內(nèi)的氫空氣混合氣爆炸,這十分危險(xiǎn),建議采用如圖1的設(shè)計(jì)41。航空領(lǐng)域顯得格外突出,現(xiàn)在的航天火箭就用液態(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(cè)部增設(shè)送氣管使空氣流萬瓦。開發(fā)氫空氣燃料電池更可帶來巨大的收入。在吸入沖程結(jié)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(jī)大3.5倍,比柴油機(jī)口打開后,從送氣管向汽缸內(nèi)送入空氣,以在活塞大2.8倍。頭上部產(chǎn)生強(qiáng)勁的渦流,將汽缸內(nèi)的氫氣壓縮到氫的優(yōu)點(diǎn)這么多,但為什么作汽車、火車燃料上部,這樣,只能使形成渦流的部分空氣通過縫隙泄漏,而氫氣不可能泄漏。同時(shí),還會(huì)在活塞頭附使用遲遲得不到推廣呢?有這樣一些原因。一是安全性,氫在空氣中的爆炸極限(按體積分?jǐn)?shù))是近形成稀薄的混合氣體,在燃燒室形成過濃的混合氣體,抑制氧化氮的生成。還會(huì)起到助排氣作4%~75%,在此范圍內(nèi),遇明火即發(fā)生爆炸用,對(duì)活塞頭有冷卻效果。1938年發(fā)生的興登堡號(hào)飛艇事故人們?nèi)杂洃洩q2008年第5期楊運(yùn)嘉:采用氫、乙醇作燃料的建議·39排氣管吸氣管排氣閥吸氣閥送氣管二汽缸汽缸口汽缸送氣管送氣管送氣管活塞圖1增設(shè)送氣管的汽缸 Figure 1. Cylinder increased 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(yuǎn)地區(qū)、大草原,煤氣、電力等供應(yīng)不及灰份。將纖維素和木質(zhì)素分離,纖維素即可用來而太陽光又十分充裕的地方,可設(shè)置(太陽)光伏生產(chǎn)乙醇5,。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)B-1,4葡萄糖苷鍵縮聚成夜的影響,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(shè)備要提前研制。水解可用酸(鹽酸或硫酸)或纖維素酶在適當(dāng)條氫氣爐:煤氣爐不可用作燃?xì)錉t。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(jī):由電解水裝置剛制備出來的氫氣為本所分離出來的木質(zhì)素也具有廣泛用途,要常壓或略高于常壓,必須用氫壓機(jī)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?jí)簷C(jī)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(jī)的密封不過于苛刻,成本也降熱電聯(lián)產(chǎn)的熱量(圖2)0低,適于民間購買。氫傳感器(或報(bào)警器):遇氫泄漏時(shí)報(bào)警。單向閥防止回火。原料預(yù)處理電磁閥:與傳感器聯(lián)用可及時(shí)截?cái)鄽饬?。木質(zhì)素2乙醇燃料紙纖維素綜合利用2.1乙醇的生產(chǎn)纖維素促水解目前,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),通過酵母發(fā)酵制母糖發(fā)酵取。這種工藝已十分成熟,工廠通過精餾最高只能得到95%(共沸物)的乙醇,用作車用燃料還需產(chǎn)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)超過汽油。為了開發(fā)乙醇汽車就得擴(kuò)大乙醇生產(chǎn)的原料來源,如可增加便宜的薯類(木薯等)、纖維素等?？捎脕砩a(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、蔴棕類植物廢 of ethanol produced from cellulose料等。這些生物質(zhì)材料量大便宜可再生,一般40云南化工2008年第5期2.2乙醇與汽油的比較因?yàn)橐掖际菢O性燃料,汽油是非極性燃料,二從表1數(shù)據(jù)可見,乙醇的沸點(diǎn)(與汽油的初者的粘度、對(duì)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、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?yán)鋯?dòng)困難,要有相應(yīng)為了解決乙醇冷啟動(dòng)困難,設(shè)想一種雙燃料措施來解決。汽車,即多增設(shè)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),通過轉(zhuǎn)換閥切換為乙醇。偶爾的停駛因混合氣熱值與汽油相當(dāng),這就不會(huì)造成功率下降,為是熱車,不存在冷啟動(dòng)的問題這主要是乙醇為含氧燃料所致。參考文獻(xiàn):辛烷值是衡量燃料在汽缸中燃燒時(shí)抗爆震性【]劉治中液體燃料的性質(zhì)及應(yīng)用[M]北京:中國(guó)石化出版能的一項(xiàng)指標(biāo),辛烷值越高越好,乙醇的辛烷值比社,2000.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(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社,19952.3乙醇燃料汽車[3]張祖光、辛湘杰鈦在能源與工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械現(xiàn)在一些省區(qū)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]莊耀民新能源開發(fā)方案[M].北京:水利電力出版社,現(xiàn)有汽車,發(fā)動(dòng)機(jī)無需改動(dòng)。若要全部燒乙醇,現(xiàn)1989.有汽車發(fā)動(dòng)機(jī)就要作如下適當(dāng)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(xiàn)有汽車汽缸蓋燃燒室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]郭振楚糖類化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005振汽缸前的燃料管線作成夾套預(yù)熱燃料(熱車時(shí),[10]段雷、黃永梅可持續(xù)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℃左右,超過11魯南新能源概論[M]北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1997了乙醇的沸點(diǎn))?！ふ饔唵⑹隆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(guó)聚氨酯工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)刊,刊發(fā)行部負(fù)責(zé)發(fā)行。并可免費(fèi)索取樣刊。國(guó)內(nèi)唯一公開發(fā)行的聚氨酯行業(yè)專業(yè)性科技刊為慶祝《聚氨酯工業(yè)》創(chuàng)刊二十周年,本刊隆物。創(chuàng)刊于1986年,由中國(guó)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(xiàn)為中國(guó)科技核刊合集(DVD光盤),歡迎來電垂詢。心期刊,多種文摘及數(shù)據(jù)庫用刊、收錄期刊。國(guó)際歡迎訂閱!歡迎投稿!歡迎刊登廣告!標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物刊號(hào):ISSN1005-1902;國(guó)內(nèi)統(tǒng)一訂閱辦法:連續(xù)出版物刊號(hào):CN32-1275/TQ。1.銀行匯款《聚氨酯工業(yè)》主要報(bào)道聚氨酯制品及其原開戶行:中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行南京市草場(chǎng)門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(hào):03343100201040000039術(shù)評(píng)述、學(xué)術(shù)及技術(shù)論文、生產(chǎn)應(yīng)用和技術(shù)交流、戶名:江蘇省化工研究所有限公司分析測(cè)試方法以及生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)進(jìn)展為主,同時(shí)2.郵局匯款還刊登國(guó)內(nèi)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(hào)信息等)。適合涉及高分子合成材料特別是聚氨郵編:210024酯材料研制、應(yīng)用及管理的科技人員閱讀,創(chuàng)刊以收款人:《聚氨酯工業(yè)》編輯部來,受到國(guó)內(nèi)外聚氨酯行業(yè)專家學(xué)者以及生產(chǎn)一聯(lián)系方式:線生產(chǎn)技術(shù)人員及高等院校的高度重視和一致好電話:025-83755190,8375519,86648(兼?zhèn)髡?評(píng),是從事聚氨酯行業(yè)人士的必備刊物。 E-mail puinj@ jschemres. com