氢是一切可燃烧物质燃烧强度最高的能源
科学实践证明,燃烧的本质是一切可燃物质的氧化过程,包括热核反应,也是氢的同位素实现的。所谓氢能源是指氢在燃烧(氧化)过程中释放热量,并立即生成水的效应。水的分解又生成氢和氧,构成大自然的反复循环。燃烧的强弱用燃烧中产生的“热值”量来表示。
在交通运输领域中,几种常见的可燃物质的热值(单位:兆焦耳/公斤)对比如下:
对比中可以看到,可燃物质中,含氢越多,热值越高;各种混合物或化合物分子很复杂,尽管使用条件各个不同,所产生的平均热值都会降低。
几百年来,经过科学家反复推导和实验验证,宇宙最初大概是由极少数、极简单、极轻的物质组成的,经过一次大爆炸,在极高温、高速、高压下,产生反复震荡碰撞和物理化学交叉反应,才生成千百万亿年各种性质不同的原子、分子的新组合和新物质。因此可以说,一切物质都是氢元素叠加化合变异的结果,这是氢作为原始的最佳能源的主要原因。当然,随着人类对微观世界更深入的认识和挖掘,必然会产生其他能源结构,但可以肯定都是深入原子、质子内部的“粒子”等等的能量再释放。
因此,开发动力能源中的最大目标,是挖掘氢能源,抓住和集中了氢,就可获得更多的热效应,可以说抓住了根本,抓住了大方向。但是,地球上并无单独的氢分子存在,水是最富的氢矿,一个水分子含两个氢原子和—个氧原子,氢与水的关系形成大自然“水→(氢+氧)→水”无限反复的循环链。我们只能顺应这个规律,反对科学工作上的形式主义和教条主义,坚持实践是检验真理的唯一标准,在动力能源问题上,坚持发展水和氢能源的相互平衡,保持科技、自然和社会发展的远大方向,实现“天人合一”,谐和俱进。
开辟大量制氢的稳定途径
地球上含氢的化合物存在极广,一般工业用氢纯度不高,大多在99.5%以下:制造纯氢至少要达到99.95%以上。通过水的电解或千度以上高温分解水制取,要消耗其他能源,成本较高。我国淡水资源匮乏,只占世界平均水平80%,因此,单从教科书定义出发,采用这种方式大量制氢,一般都拒绝考虑这种方式,乃至“谈水色变”。
但结合我国的实际特点出发,却是另外一种情况。我国地处温带,山多雨多,水位落差大,全国2000多个行政市县中,1500个为山区、半山区、丘陵,比较贫困的地区又多在这里,却极适合建立水电站。
我国的水力水能资源特别丰富,占全世界12%,世界第一。电站发供电有个特点,即峰谷差,每天有7小时左右为低谷发供电,大约近1/4-1/3的水流基本流失成为“过境客水”。如果将这些客水也充分发电供电,这不仅不是“耗电制氢,损失效率,”而且可为电站增加动能和效益。
由于制氢,必须使水库常年充水,不仅有助于稳定发电,还可以延长电网及机电寿命,大致可增加电力15%-20%左右。这对保持水土山林,改善大气环境,增加防洪排涝能力均有巨大效益。
从制氢的效益及电站效益来说,每4.5—5度电可制1立方米氢,每公斤氢相当2.727公斤汽油,在实际应用上可相当8–10公斤汽油,可供5人座轿车平均行驶100公里。一辆汽车寿命周期大致为30万公里,年平均按3万公里计算,耗氢300公斤。据估算,一个1万千瓦为单位的水电站,每年按“客水”流量可制氢9万公斤;可供300辆汽车常年使用。而电站增益,在售电后扣除各项成本消耗,尚可净收益155-240万元(2007年售价)。为建设制氢站各项投入,大约500-700万元,三年左右可收回。
湖北省已建成小水电站354万千瓦,到2020年计划建成620万千瓦。以其总装机容量1%左右,建设蓄能式水电站和制氢站,是一个很大的数字,从全国来看,小水电己装机6000万千瓦,到2020年再装机将达到8000万千瓦,全国大中小型水电站装机己达2亿千瓦左右,数字更大。仅以长江干流说,三峡电站发电后,从三峡到武汉关一段,年产生低谷水流初估可达6000亿立方米左右,可发电500亿度,制氢9亿公斤,相当600万吨汽油。中央已经提出,在2020内,将大力推行农村市县级电气化建设,这是开发水电制氢的好机遇。氢的用途极广,工农业生产和生活均迫切的需要,解决“老少边山”穷困地区,结合我国特点抓好小水电制氢,很可能是最终解决全面建设小康社会的切入点和突破口。因此,当前大力从小水电入手,从小到大逐步试点.从单电站制氢到多电站联网输氢,乃至像管道运输天然气、石油一样,在将来产生相当一部分输送氢能源的管道,而这种新产业却是利用大自然的反复循环和能量守恒原理实现的,是人类社会和大自然互相作用、互相促进、不断增长的一次革命。湖北省大山区长阳县已在开展试点,其建成的制氢站已向宜昌市、武汉市供应纯氢,很受欢迎。
碳氢化合物制氢,受资源限制,可因时因地制宜发展,只能制取一般工业用氢。大量制取纯氢,主要依靠钢铁公司焦炉气提纯,焦炉气含氢的体积为 55%-60%,按年产100万吨焦炭计算,可生产焦炉气3.50万立方米,按10%的用量制氢,年可产1500万立方米或1300吨纯氢,可相当汽油3536吨。剩余的焦炉气主要成分是甲烷,仍可用于钢铁厂供热需要。全国每年焦炭产量2亿吨,其中重点钢铁企业2007年产焦炭9900万吨,若按10%制氢,可生产氢12.87万吨,折合汽油36万吨。焦炉气制氢时如钢铁厂煤气供应有缺口,可用天然气置换,也是很有利的。
氢是宝贵的燃料和化工原料,如与化工企业联合和协作,建立全国性大循环经济,则对节能减排更有利,不过目前由于条块分割尚难实现,这是我国工业体制尚存的薄弱环节。
氢的用途极广,不仅用于能源,还是化工、冶金、电子、轻纺及军工国防等必不可少的重要材料,有专家估计,将来完全可以成为建设氢经济、氢社会的重大物质基础。
应用含水酒精转化成富氢燃料
这可能是大量制氢用氢节能减排的重要方面。
“含水酒精富氢汽车”是利用内燃汽车排放的尾气余热(650-250℃),把75度左右的含水酒精随车进行蒸发、催化、重整为富氢燃料(氢占60%-70%,CO占30%左右),再返回汽缸进行高温稀薄燃烧的过程。其重整的化学反应式为: C2H5OH+H20→4H2+2CO
使用含水酒精重整燃料气的发动机,可比传统汽油内燃机降低能耗6%以上,而尾气中的NOx,CO2,THC等可减少50%-90%。因此,可以认为这种燃料是一种可再生的清洁能源,可普遍应用于交通工具。这个技术的突破,对于全世界常年保有上亿万辆内燃汽车的扩大应用,以及一般工业机械的创新将发挥举足轻重的作用,乃至可以根据这个原理,设计未来的产业,生产制造各种相应的机器和工具。
含水酒精经过催化重整为富氢燃料,开辟了农林等生物质能源更加广泛利用的途径。特别是通过微生物发酵预处理等核心技术,不仅能分解纤维素,并且有可能做到分解木质素,就能够加倍扩大生物质来源。做到不用粮食,不占耕地,不毁坏山林草原湿地,不减少土壤有机肥力,不污染环境等,真正落到实处,并可获得低成本的含水酒精,从根本上充分应用大自然条件下实现以工业为主导,城市与乡村,工业与农林牧副渔业及改良土壤紧密结合,互惠互补,创造全面协调可持续发展的新体制、新材料、新能源,为建立循环经济扩大领域。
目前国际上大多采用“乙醇汽车”即纯酒精,只是为了节约石油,无论从成本及效率说,都比不上含水酒精。从相关单位许多年的实验结果看,技术已基本成功,只是在催化剂选用上尚不够稳定,许多基础理论及复杂器件上尚需改进,相信只要认真扶植,是能够解决的。
富氢气体经过纯化后,也可以成为燃料电池的能源,其带动的产品及学科当更宽广,应引起注意。
综上所述,能源问题是人类社会物质生产力发展的基础,从利用燃料动力资源说,就是集中和发挥最高的燃烧效果。当前已经进入知识经济时代,经济开发更需要像党中央教导的,在以人为本的基础上,认真贯彻科学发展观,坚持全面协调可持续发展,坚持发展和建设循环经济。最大限度的认识物质的潜能和相互间的发展变化关系,牢牢掌握大的方向,争取对于人类社会和自然相互促进作出更大的贡献。