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嘉(云南師范大學化學化工學院,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質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)動機僅需作適當改動。關鍵詞:氫燃料;乙醇燃料;太陽電池;電解中圖分類號:TK91,TK01文獻標識碼:A文章編號: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當前,世界范圍氣候異常,氣溫普遍升高,皆子的烴類的復雜混合物。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(guī)能這個意義上看,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,其燃燒產(chǎn)表1是氫、乙醇、汽油的理化數(shù)據(jù)比較。物會產(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的影響,降低空氣污染,就項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(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料電池電動汽車則可實現(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(xù)性、可貯性、可輸性、可轉化性也壓縮比~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乙醇含兩個碳原子,汽油是含6~12個碳原下限75197.2收稿日期:2008-08-14稿件修回日期:2008-09-11作者簡介:楊運嘉(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,液氫的沸點低(-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、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(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;煉油廠用輕質烴制氫等。易滲透到金屬材料內部產(chǎn)生氫脆現(xiàn)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。這些問題都必須予以解決才能實現(xiàn)氫電解水制氫、熱化學循環(huán)分解水制氫、生物質細菌燃料汽車的使用。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,達某公司太陽電池出廠價35元/瓦),光電轉換效率到實用化和規(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。作者所做實驗已在2000年第十三屆世多,用作發(fā)動機(特別是火車)燃料是可行的但盛界氫能大會論文集中以題目“The production of hy液氫的容器設計必須耐壓、絕緣保溫效果好?？?drogen 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 light作過報道。使氫氣向外泄,不斷外泄的氫可作為燃料電池當時采用兩根各150mL的有機玻璃管做水的燃料,所得到的電力不僅可作機車的雙動力能電解器,而經(jīng)過車工的有機玻璃管透光率差,無法源,也可供發(fā)動機火花塞點火用。相應的,液氫揮考察太陽光對半導體電極、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)氧樹脂類,以解決氫脆的問題。面積、太陽電池功率、電解質溶液、不同光源等的若使用氫燃料,現(xiàn)有汽車發(fā)動機還得適當改影響2。動,壓縮比要從目前的大約9提高到大約16(通過1.2氫燃料汽車實驗確定),噴嘴要適于噴氫。另一項重大的改動在于,現(xiàn)有汽車發(fā)動機汽近十多年來用氫作發(fā)動機燃料在一些國家已缸中活塞與汽缸壁之間的縫隙有活塞環(huán)及潤滑油有了成功的經(jīng)驗。日本馬自達公司試制的液氫汽密封,適于汽油車,當使用氫氣時,氫氣難免會通車一次充液氫可連續(xù)行駛300公里。1990年德國過該縫隙漏入曲軸箱中,而運轉中的曲軸箱溫度展出了一種用氫運轉的5升BMW7系列汽車。用氫作燃料能源的優(yōu)點,在對重量十分敏感的航天、甚高,可能會引發(fā)極限范圍內的氫空氣混合氣爆炸,這十分危險,建議采用如圖1的設計41。航空領域顯得格外突出,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此方案是在汽缸側部增設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。在吸入沖程結束時活塞下降到下死點汽缸益,它的熱力學效率比汽油機大3.5倍,比柴油機口打開后,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,還會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(按體積分數(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。還會起到助排氣作4%~75%,在此范圍內,遇明火即發(fā)生爆炸用,對活塞頭有冷卻效果。1938年發(fā)生的興登堡號飛艇事故人們仍記憶猶2008年第5期楊運嘉: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,余為木質素和少量在邊遠地區(qū)、大草原,煤氣、電力等供應不及灰份。將纖維素和木質素分離,纖維素即可用來而太陽光又十分充裕的地方,可設置(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的氫氣為本所分離出來的木質素也具有廣泛用途,要常壓或略高于常壓,必須用氫壓機增壓。民用氫進行綜合利用;或者由于木質素的熱值較高(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(或報警器):遇氫泄漏時報警。單向閥防止回火。原料預處理電磁閥:與傳感器聯(lián)用可及時截斷氣流。木質素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(甘蔗榨糖后的糖熱電聯(lián)產(chǎn)蜜)、淀粉質(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)進一步提純,這樣,價格可能會超過汽油。為了開發(fā)乙醇汽車就得擴大乙醇生產(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為乙醇是極性燃料,汽油是非極性燃料,二從表1數(shù)據(jù)可見,乙醇的沸點(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冷啟動困難,要有相應為了解決乙醇冷啟動困難,設想一種雙燃料措施來解決。汽車,即多增設一個小汽油箱,用汽油啟動,正常乙醇的凈熱值比汽油低,約為汽油的2/3,但行駛時,通過轉換閥切換為乙醇。偶爾的停駛因混合氣熱值與汽油相當,這就不會造成功率下降,為是熱車,不存在冷啟動的問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抗爆震性【]劉治中液體燃料的性質及應用[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,2000.汽油高,這是乙醇的主要優(yōu)點。2]康錫惠、劉梅清光化學原理與應用[M].天津:天津大學出版社,19952.3乙醇燃料汽車[3]張祖光、辛湘杰鈦在能源與工業(yè)中的應用[M].北京:機械現(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)動機無需改動。若要全部燒乙醇,現(xiàn)1989.有汽車發(fā)動機就要作如下適當改動。5]許冬生纖維素衍生物[M].北京:化學工業(yè)出版社2001.[6]蔣挺大木質素[M]北京:化學工業(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[M].北京:化學工業(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,可將進入[9]郭振楚糖類化[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005振汽缸前的燃料管線作成夾套預熱燃料(熱車時,[10]段雷、黃永梅可持續(xù)能源的前景[M].北京:清華大學出版社,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:中國農業(yè)出版社,1997了乙醇的沸點)?！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80元,本《聚氨酯工業(yè)》系中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會會刊,刊發(fā)行部負責發(fā)行。并可免費索取樣刊。國內唯一公開發(fā)行的聚氨酯行業(yè)專業(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。國際歡迎訂閱!歡迎投稿!歡迎刊登廣告!標準連續(xù)出版物刊號:ISSN1005-1902;國內統(tǒng)一訂閱辦法:連續(xù)出版物刊號:CN32-1275/TQ。1.銀行匯款《聚氨酯工業(yè)》主要報道聚氨酯制品及其原開戶行:中國農業(yè)銀行南京市草場門分理處料等方面的科技成果與發(fā)展動態(tài),以刊登行業(yè)技賬號:03343100201040000039術評述、學術及技術論文、生產(chǎn)應用和技術交流、戶名:江蘇省化工研究所有限公司分析測試方法以及生產(chǎn)設備技術進展為主,同時2.郵局匯款還刊登國內外聚氨酯技術短訊及行業(yè)動態(tài)(會展地址: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編:210024酯材料研制、應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,受到國內外聚氨酯行業(yè)專家學者以及生產(chǎn)一聯(lián)系方式:線生產(chǎn)技術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,是從事聚氨酯行業(yè)人士的必備刊物。 E-mail puinj@ jschemres. com