采用氢、乙醇作燃料的建议

2008年10月云南化工Oct.2008第35卷第5期 Yunnan Chemical Technology Vol.35, No.5采用氢、乙醇作燃料的建议杨运嘉(云南师范大学化学化工学院,云南昆明650092摘要:就清洁、可再生能源氢、乙醇的制备和作燃料使用简略叙述。氢拟用(太阳)光伏法电解水制、可再生备,乙醇拟用便宜的原料如甘蔗渣、秸杆等含纤维素的有机质通过纤维素酶水解后发酵制备。二者作为汽车燃料使用,现有汽车发动机仅需作适当改动。关键词:氢燃料;乙醇燃料;太阳电池;电解中图分类号:TK91,TK01文献标识码:A文章编号: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当前,世界范围气候异常,气温普遍升高,皆子的烃类的复杂混合物。就燃烧产生的CO2比由“温室效应”引起。温室效应是由温室气体产生较,乙醇燃烧产生的CO2约为汽油的四分之一,从的,CO2是主要的温室气体。人们在使用常规能这个意义上看,乙醇也算是一种清洁燃料源——化石燃料(煤、石油及其产品)时,其燃烧产表1是氢、乙醇、汽油的理化数据比较。物会产生大量的CO2,化石燃料或多或少还含氮和表1、乙醇汽油的某些理化数据硫,其燃烧产生的NO2和SO2也是大气的污染源。 Table 1. Some physical and chemical property城市空气污染有60%来自汽车尾气排放。因此, of hydrogen, ethanol and gasoline要防止和减弱温室效应的影响,降低空气污染,就项氢乙醇汽油要采取有效措施来减少CO2和有毒气体的排放。含碳原子数/个26-12使用清洁能源作为化石燃料的替代能源是最有效沸点(程)/℃-252.8778.335-210措施之一。密度(g/cm3)0.070.7890.72-0.75在燃料中,氢最清洁,它的燃烧产物是H2O,汽化潜热/(k/kg)862290~315H2O可通过太阳电池转化为氢气,这是自然界中比热/(kJ/kg·℃)2.722.43最合理、最良性的循环。若在城市中使用氢氧燃净热值k)1210032711043963料电池电动汽车则可实现真正意义的“零排放”。混合气热值/(k/kg)29752937氢的热值高,按重量计其热值是汽油的三倍。在辛烷值106-110即牌号使用中,氢的连续性、可贮性、可输性、可转化性也压缩比~1613-14-9空燃比914.9是其它燃料不具备的。燃烧极限%上限4.04.31.3乙醇含两个碳原子,汽油是含6~12个碳原下限75197.2收稿日期:2008-08-14稿件修回日期:2008-09-11作者简介:杨运嘉(1941-),男,副教授,研究方向:清洁、可再生能源。38云南化工2008年第5期新。同时,液氢的沸点低(-252.87℃),致使气态1氢燃料氢很难液化,液氢则很易挥发,稍微振动、受热,体积就激烈膨胀。因此,盛氢容器必须耐压、绝缘、1.1氢的制备保温效果好,这就增加了使用的困难。二是氢的制氢的方法很多,目前国内已工业化的有:常密度低、粘度小提升力大(比氦大8%)。气态氢规电解水制氢(这是已成熟的工艺,但该法耗电量若加压后在高压钢瓶中使用,与现有汽车燃料箱大,成本高,不宜普遍采用);水煤气法制氢(提供提供的里程数比较,要跑相同里程,则需几个钢城市煤气,其中H2占大约50%);氯碱工业副产瓶,容器笨重,体积又大。氢分子体积小,高压下氢;炼油厂用轻质烃制氢等。易渗透到金属材料内部产生氢脆现象,导致材料在科研方面,国内外所用的制氢方法有:高温强度下。这些问题都必须予以解决才能实现氢电解水制氢、热化学循环分解水制氢、生物质细菌燃料汽车的使用。制氢等。使用贮氢合金是解决安全性的首选。现在人作者拟采用的方法是(太阳)光伏法电解水制们在镁、镁镍、镧镍、钛铁、稀土等各系列作了大氢。用这种方法制氢,尽管首次投资成本高(昆明量研究,一旦贮氢容量、贮放速度得到提高,达某公司太阳电池出厂价35元/瓦),光电转换效率到实用化和规模化,氢气汽车就指日可待了。仅为15%~17%还有待提高,但太阳电池寿命至由于液氢或固氢冻膏比气态氢的密度高得少20年。作者所做实验已在2000年第十三届世多,用作发动机(特别是火车)燃料是可行的但盛界氢能大会论文集中以题目“The production of hy液氢的容器设计必须耐压、绝缘保温效果好。可 drogen by electrolysis of water with the aid of sun考虑与燃料电池联用,即有意识的让燃料箱留孔 light作过报道。使氢气向外泄,不断外泄的氢可作为燃料电池当时采用两根各150mL的有机玻璃管做水的燃料,所得到的电力不仅可作机车的双动力能电解器,而经过车工的有机玻璃管透光率差,无法源,也可供发动机火花塞点火用。相应的,液氢挥考察太阳光对半导体电极、光催化剂、电子中继发使体积膨胀的问题也得以解决。物、电子给体的影响。建议用透光率好的石英玻为了防止氢与金属容器接触,可在容器内壁璃或钢化玻璃做水电解器考察上述内容以及电极涂一薄层环氧树脂类,以解决氢脆的问题。面积、太阳电池功率、电解质溶液、不同光源等的若使用氢燃料,现有汽车发动机还得适当改影响2。动,压缩比要从目前的大约9提高到大约16(通过1.2氢燃料汽车实验确定),喷嘴要适于喷氢。另一项重大的改动在于,现有汽车发动机汽近十多年来用氢作发动机燃料在一些国家已缸中活塞与汽缸壁之间的缝隙有活塞环及润滑油有了成功的经验。日本马自达公司试制的液氢汽密封,适于汽油车,当使用氢气时,氢气难免会通车一次充液氢可连续行驶300公里。1990年德国过该缝隙漏入曲轴箱中,而运转中的曲轴箱温度展出了一种用氢运转的5升BMW7系列汽车。用氢作燃料能源的优点,在对重量十分敏感的航天、甚高,可能会引发极限范围内的氢空气混合气爆炸,这十分危险,建议采用如图1的设计41。航空领域显得格外突出,现在的航天火箭就用液态氢作燃料。氢的能量密度高,每公斤氢为1.8此方案是在汽缸侧部增设送气管使空气流万瓦。开发氢空气燃料电池更可带来巨大的收入。在吸入冲程结束时活塞下降到下死点汽缸益,它的热力学效率比汽油机大3.5倍,比柴油机口打开后,从送气管向汽缸内送入空气,以在活塞大2.8倍。头上部产生强劲的涡流,将汽缸内的氢气压缩到氢的优点这么多,但为什么作汽车、火车燃料上部,这样,只能使形成涡流的部分空气通过缝隙泄漏,而氢气不可能泄漏。同时,还会在活塞头附使用迟迟得不到推广呢?有这样一些原因。一是安全性,氢在空气中的爆炸极限(按体积分数)是近形成稀薄的混合气体,在燃烧室形成过浓的混合气体,抑制氧化氮的生成。还会起到助排气作4%~75%,在此范围内,遇明火即发生爆炸用,对活塞头有冷却效果。1938年发生的兴登堡号飞艇事故人们仍记忆犹2008年第5期杨运嘉:采用氢、乙醇作燃料的建议·39排气管吸气管排气阀吸气阀送气管二汽缸汽缸口汽缸送气管送气管送气管活塞图1增设送气管的汽缸 Figure 1. Cylinder increased with air transmission pipe1.3氢的民用含纤维素在65%~80%之间,余为木质素和少量在边远地区、大草原,煤气、电力等供应不及灰份。将纤维素和木质素分离,纤维素即可用来而太阳光又十分充裕的地方,可设置(太阳)光伏生产乙醇5,。电解水制氢装置。由于氢易于贮存,不受天气、昼纤维素是葡萄糖经B-1,4葡萄糖苷键缩聚成夜的影响,氢气民用使用方便,值得推广,但如下的多糖大分子,需水解为葡萄糖才能被酵母发酵。几种设备要提前研制。水解可用酸(盐酸或硫酸)或纤维素酶在适当条氢气炉:煤气炉不可用作燃氢炉。件下进行。这种酶既要能水解纤维素又要能水解水封贮氢罐(缓冲用)和高压钢瓶。半纤维素才能使原料得到充分利用,以降低成氢压机:由电解水装置刚制备出来的氢气为本所分离出来的木质素也具有广泛用途,要常压或略高于常压,必须用氢压机增压。民用氢进行综合利用;或者由于木质素的热值较高(燃压机不一定要压缩至15MPa,压缩至5MPa左右烧热1.1×103kJ/kg),可作辅助燃料提供蒸馏或即可,这样氢压机的密封不过于苛刻,成本也降热电联产的热量(图2)0低,适于民间购买。氢传感器(或报警器):遇氢泄漏时报警。单向阀防止回火。原料预处理电磁阀:与传感器联用可及时截断气流。木质素2乙醇燃料纸纤维素综合利用2.1乙醇的生产纤维素促水解目前,乙醇主要是从糖质(甘蔗榨糖后的糖热电联产蜜)、淀粉质(粮食作物)出发,通过酵母发酵制母糖发酵取。这种工艺已十分成熟,工厂通过精馏最高只能得到95%(共沸物)的乙醇,用作车用燃料还需产物回收废物回收用其它方法(如分子筛变压吸附)进一步提纯,这样,价格可能会超过汽油。为了开发乙醇汽车就得扩大乙醇生产的原料来源,如可增加便宜的薯类(木薯等)、纤维素等。可用来生产乙醇的纤维图2纤维素生产乙醇综合利用 Figure 2. Comprehensive utilization素有甘蔗渣、秸秆、椰子壳、废木材、蔴棕类植物废 of ethanol produced from cellulose料等。这些生物质材料量大便宜可再生,一般40云南化工2008年第5期2.2乙醇与汽油的比较因为乙醇是极性燃料,汽油是非极性燃料,二从表1数据可见,乙醇的沸点(与汽油的初者的粘度、对橡胶塑料的溶胀性也不同,因此燃馏点比较)、汽化潜热、比热都比汽油高,即乙醇料喷嘴、某些管线、垫圈、垫片要有所改动或更换,比汽油不容易蒸发,要使乙醇汽化,所需的热量要使之适用于乙醇燃料。多,这就造成乙醇燃料汽车冷启动困难,要有相应为了解决乙醇冷启动困难,设想一种双燃料措施来解决。汽车,即多增设一个小汽油箱,用汽油启动,正常乙醇的净热值比汽油低,约为汽油的2/3,但行驶时,通过转换阀切换为乙醇。偶尔的停驶因混合气热值与汽油相当,这就不会造成功率下降,为是热车,不存在冷启动的问题这主要是乙醇为含氧燃料所致。参考文献:辛烷值是衡量燃料在汽缸中燃烧时抗爆震性【]刘治中液体燃料的性质及应用[M]北京:中国石化出版能的一项指标,辛烷值越高越好,乙醇的辛烷值比社,2000.汽油高,这是乙醇的主要优点。2]康锡惠、刘梅清光化学原理与应用[M].天津:天津大学出版社,19952.3乙醇燃料汽车[3]张祖光、辛湘杰钛在能源与工业中的应用[M].北京:机械现在一些省区已在使用掺合15%~20%乙工业出版社,1989醇的所谓乙醇汽油,这种掺合量的乙醇汽油用于[4]庄耀民新能源开发方案[M].北京:水利电力出版社,现有汽车,发动机无需改动。若要全部烧乙醇,现1989.有汽车发动机就要作如下适当改动。5]许冬生纤维素衍生物[M].北京:化学工业出版社2001.[6]蒋挺大木质素[M]北京:化学工业出版社2001从压缩比看,乙醇燃料比汽油要高,分别为[7]郭杰炎、蔡武城微生物酶[M].北京:科学出版社,198613和9,即用乙醇作燃料,现有汽车汽缸盖燃烧室8】岑沛霖、蔡瑾.工业微生物学[M].北京:化学工业出版社,容积要减小,以便提高压缩比。2000.为了便于乙醇在汽缸中蒸发燃烧,可将进入[9]郭振楚糖类化[M].北京:化学工业出版社,2005振汽缸前的燃料管线作成夹套预热燃料(热车时,[10]段雷、黄永梅可持续能源的前景[M].北京:清华大学出版社,2002汽缸夹套中冷却水箱的水温已在90℃左右,超过11鲁南新能源概论[M]北京:中国农业出版社,1997了乙醇的沸点)。·征订启事·欢迎订阅2009年《聚氨酯工业》《聚氨酯工业》为双月刊,全年订价80元,本《聚氨酯工业》系中国聚氨酯工业协会会刊,刊发行部负责发行。并可免费索取样刊。国内唯一公开发行的聚氨酯行业专业性科技刊为庆祝《聚氨酯工业》创刊二十周年,本刊隆物。创刊于1986年,由中国聚氨酯工业协会和江重推出《聚氨酯工业》二十周年(1986-2006)期苏省化工研究所有限公司主办,现为中国科技核刊合集(DVD光盘),欢迎来电垂询。心期刊,多种文摘及数据库用刊、收录期刊。国际欢迎订阅!欢迎投稿!欢迎刊登广告!标准连续出版物刊号:ISSN1005-1902;国内统一订阅办法:连续出版物刊号:CN32-1275/TQ。1.银行汇款《聚氨酯工业》主要报道聚氨酯制品及其原开户行:中国农业银行南京市草场门分理处料等方面的科技成果与发展动态,以刊登行业技账号:03343100201040000039术评述、学术及技术论文、生产应用和技术交流、户名:江苏省化工研究所有限公司分析测试方法以及生产设备技术进展为主,同时2.邮局汇款还刊登国内外聚氨酯技术短讯及行业动态(会展地址:南京市北京西路72号信息等)。适合涉及高分子合成材料特别是聚氨邮编:210024酯材料研制、应用及管理的科技人员阅读,创刊以收款人:《聚氨酯工业》编辑部来,受到国内外聚氨酯行业专家学者以及生产一联系方式:线生产技术人员及高等院校的高度重视和一致好电话:025-83755190,8375519,86648(兼传真)评,是从事聚氨酯行业人士的必备刊物。 E-mail puinj@ jschemres. com