书城科普走向未来的现代工业(新编科技大博览·A卷)
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第13章 能源科技(4)

农作物作为一种能量来源可有以下几大优势:一是农作物不会像矿物燃烧那样使大气中二氧化碳的含量愈来愈高,因为它在燃烧中释放的二氧化碳和这些植物生长过程中吸收的二氧化碳的数量是相等的;二是农作物资源丰富,是人类赖以生存的食品来源;三是通过大面积种植树木和多年生草类,在获取能源的同时,防止了水土流失,改善了土壤环境,提高了沙性土壤的生产力;四是农业工业的兴起,可给农业区带来新的生机,推动商业和地方经济的发展,提供较多的就业机会等。

现在,发达国家已开始开发农作物能源。

瑞典和芬兰正在积极研究和制定计划以便增加使用生物燃料。这些国家已经从植物和垃圾中获取了他们主要能源中的16%,这是所有工业国中最高的。

在欧洲,从菜油中制得了无污染、可以降解的柴油,可用于如阿尔卑斯山脉等环境敏感地区。澳大利亚和意大利的新能源公司也正致力于在遭受严重污染的地区推广低释放物的燃料。

在美国,1990年发起了净化空气的运动。柴油将禁止在污染严重的城市的交通运输中使用。从大豆、葵花籽、海藻或油菜籽中提炼出了一种非常好的替代品——生物柴油。

农作物作为能源的几条主要途径:

(1)生物物质发电。1992年,木材和其他来自于植物的原料,在美国产生相当于6个核电站的发电量。明尼苏达州的研究人员研究出了新的工艺用燃烧木材的方法来发电。夏威夷建立的太平洋国际中心创立了小规模的工业气化器厂使甘蔗残渣变为气体,用作涡轮机发电的燃料。

(2)制取甲醇。甲醇可作为很好的燃料来使用。美国夏威夷的太平洋国际中心利用气化器技术生产甲醇和其他多种化工制品。

(3)制取乙醇。美国在1992年用玉米生产了一些乙醇。从富含纤维素的树木、草类、庄稼残渣和垃圾中制取乙醇的研究正在进行。

(4)制取生物原油。生物原油是一种粘稠和有着糖浆颜色的液体,可用它来生产高价化学制品,将来用此再精制出的石油会全面替代现有的有污染性的石油类燃料。位于加利福尼亚州和科罗拉多州的自然资源生态学研究中心正在研究一种新技术,将能源作物和富含纤维素的废弃物转化为生物原油。

因而,未来的农作物耕作不仅是为了获取粮食和饲料,而且是为了获取电力、可生物降解的柴油、酒精、充氧汽油、塑料、润滑油、胶粘剂和其他化学制品,促进全球能源使用形式的飞速变化,改善人类的生存环境和生存条件。

用水开汽车

1986年初,菲律宾的马尼拉,传出了一大新闻:一个叫丁格尔的工程师经过现场表演,高兴地宣布,他最新改装成功靠水作动力的汽车;行程147公里,只用了半升汽油和15升水。

水怎么成了汽车的燃料?这同水的成分有关。水本身是由氢和氧化合而成的。尽管水中的氢、氧原子十分“团结”,但只要通过特殊的办法,就可以把它们分离成为能燃烧的氢和可助燃的氧。试验证明,氢在空气中燃烧,可获得1000度以上的高温,而在氧气中燃烧,温度还要高两倍半。所以,只要将水分解,得到氢、氧两“兄弟”,便可获得“风助火势”的效果。

人们曾设想:要是在汽车上安装一个微型的分解装置,将燃料箱灌满水,随车制取氢气和氧气作燃料,就能驱动汽车了。

1985年9月,英国一位发明家,在水箱的水面下设置一个旋转的铝鼓,再用一条铝丝伸向铝鼓,只要在铝丝和鼓之间加上18万伏的高压,就可以放出氢和氧,通过发动机的气化器驱动汽车。他还用发动机驱动一个交流电机,作为产生分解水的电力。

然而,未等英国发明家试车,菲律宾工程师丁格尔却捷克先登了。他经过14年的努力,设计出一个“秘密装置”,设置在一块磁石上面,把水缸和气化器连接起来。这辆汽车只需几次滴汽油启动,然后切断燃料供应,便能用海水、啤酒、可口可乐,甚至尿作“燃料”驱动。

用水代汽油开汽车,现在还只是一种实验,科学家正在探索实用的途径。1990年,日本发明家川中松义郎已研制成用水作燃料的汽车发动机,它比汽油发动机发出高三倍的动力。可以预见,水将成为汽车的新能源。

“吃”垃圾的工厂

在意大利罗马城郊,有一个“吃”垃圾的工厂,承担着全市垃圾的处理工作。它用巨型磁铁吸出金属,加工成各种各样的金属原料,用风机扬出纸张和塑料,分别制成纸浆和再生塑料,用瓜果皮等有机物制取肥料和饲料;最后剩下来的垃圾,还可用作燃料。

据统计,垃圾里大约含有31%的可燃物,包括木块、木屑、下水道淤泥、废油等有机场,都可以重新利用。

垃圾在坑道里腐烂发酵,生成沼气等可燃性气体,都可以通过管道供生产和生活使用。还可以把可燃性垃圾经过发酵、粉碎、压块成型,制成固体燃料,它的发热量比木材要高一倍。加工2400万吨垃圾,制成1300万吨“垃圾燃料块”,可代替500万吨石油;也可用来发电。

垃圾发电是把生物垃圾、废木料等有机物送进特制的“垃圾锅炉”,用燃烧加热锅炉里的水,再通过锅炉产生的蒸气推动涡轮发电机发电。1993年,我国在深圳建成的首座垃圾电站,每年可发电305万千瓦小时。

我国已在无锡和沈阳等地建成了这样的“吃”垃圾工厂,使垃圾变成了有价值的能源和商品。

磁流体发电

磁流体发电是运用电磁感应原理的直接发电方法。把一根导线或一个线圈放在磁场中作切割磁力线的运动,导线或线圈里就会产生电流。

英国物理学家法拉第,1831年发现电磁感应现象后不久,就作过这样的设想:既然导体在磁极之间作切割磁力线运动时能产生电流,那么地球本身就是一个大磁体,一条条河流是天然的导电体,在磁场中滚滚流动的河流就应该有电流产生的。

法拉第的设想给人们以启示:由电磁线圈产生很强的磁场,让导电体以每秒2000米的超高速在流体通道上通过,再用电极把导电流体产生的电流引出来,就是最简单的磁流体发电装置。这中间导电流体是关键。

常用的导电流体是气体。气体一般不导电,必须经过电离才能变成导电体。那么,怎样使气体电离呢?有一个办法:把气体加热到几千度高温,此时,气体原子失去一部分电子,产生了自由电子,而本身又成了带正电荷的离子。但这样高的温度,无论在燃烧技术和材料上都较难办到。因此,科学家又想了个办法,用铯、钾等很容易电离的金属作“种子材料”,加到普通气体里,使普通气体的电离也变得方便多了。只要让这些高温导电气体高速通过磁场切割磁力线,正负带电粒子分开,分别被通道两侧的正负电极吸收,用导线把电极相连,导线里就会有电流产生。

磁流体发电的最大优点是,把火力发电厂的锅炉、汽轮机、发电机组合成一体,减少了损耗,发电效率比普通火力发电可提高20-25%。另外,磁流体发电后排出气体温度仍然高达千度以上,可以利用来驱动汽轮发电机发电或作其他用途,提高能源的利用率。

我国已经有几台不同类型的磁流体发电试验机组,一旦进入工业性应用,将会给电力工业带来深远的影响。

“氢海绵”——新型“氢气瓶”

氢很轻,又容易燃烧,是一种既不便携带,又不安全的气体。要有效地利用氢能,需要解决氢的贮藏和运输问题。

现在,科学家已经发现了不少贮氢材料。某些金属合金遇到氢就像海绵吸水一样,在一定浊度与压力下能吸收氢气形成氢化物,而当压力降到一定值后,氢化物又分解放出氢气。人们把这种金属氢化物称为“氢海绵”。

大型企业利用燃气—蒸汽轮机联合循环的动力,可有效节约能源现在,已有几百种金属和合金能形成“氢海绵”。它的制作方法并不复杂:先将合金用机械破碎成粉末,然后在高压下,使氢渗透到合金颗粒的表面,经过多次渗透处理,合金粉末就可反复地用来快速吸收和释放氢气。一些金属,重量只有高压氢气瓶的三分之一,吸收的氢气与氢气瓶的容量相等,而它的体积却不到氢气瓶体积的十分之一。

“氢海绵”贮存的氢可用来发动“氢汽车”。只要将目前使用的内燃机作少许改动,就能制成以氢为燃料的氢汽车。氢汽车清洁干净,不会污染环境。我国在1981年制成了第一辆氢汽车。

“氢海绵”还可以做成氢镍电池,在卫星上同太阳能电池交替使用。当卫星运行到背太阳面时,就用氢镍电池供电,运行到向阳面时,太阳能电池在向卫星供电的同时,也向氢镍电池充电。这充电、放电就有“氢海绵”的吸收作用。

节能新技术

节能是采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可接受的一切措施,来更有效地利用能源。我国在80年代中期就提出了能源开发与节能并重的方针。

节能新技术种类较多,这里只列举部分技术:

余热回收利用技术余热是指在某一热工过程中未被利用而排到周围环境中的热能。按载体形态可将余热分为固态载体余热、液态载体余热和气态载体余热。据统计,我国各行业余热占其燃料消耗总量的17%~67%,其中约有60%可以回收。余热回收利用技术主要包括热电联产技术、热泵技术、热管技术。

高效低污染工业锅炉技术我国90年代初使用的工业锅炉利用工业余热节能是大有前途的40余万台,产生蒸汽约为98万吨/时,平均热效率仅65%,耗煤3亿吨,造成严重的环境污染。因而发展高效工业锅炉技术意义重大。

电子电力技术电子电力技术在工业、交通运输、通信、家用电器等领域有广泛用途,可以省工、节能,并实现精巧、高精度、快响应。电子电力技术是节能的利器。例如,风机、水泵的阀门调节改为交流调速控制,可节电30%~40%;采用电子变频器和新型荧光粉的高效荧光灯,节电率可达80%。据有关部门估计,我国推广应用电子电力技术,每年可节电400亿千瓦时。

高效电动机技术它是采用新材料和改进设计,具有低损耗、高效率因素的电动机技术。电动机占我国总用电量的60%,推广应用这项技术效益巨大。

高效节能照明技术它是采用高频镇流器降低灯的耗电率,采用稀土荧光粉吸收紫外线并变为可见光,提高发光效率。例如,用节能灯代替白炽灯可提高效率50%~80%。

远红外线加热技术它是利用远红外辐射元件发出的远红外线,使被加热物体吸收,直接转变成热能的一种加热方式。例如,在远红外辐射电暖器内使用的乳白石英玻璃管,能够吸收电热丝发射的可见光和远红外光,使石英玻璃中的晶格振动,产生远红外辐射。由于人体和衣服对远红外光有较强的吸收特性,所以能立即转化为热能进行取暖。

电热膜加热技术它是将电子电热膜直接制作在被加热体的表面上,当通电加热时,热量会很快传给被加热体。电热膜加热效率达85%,而普通电热丝加热效率仅40%。

当今世界各国十分重视节能。国际能源界有人将节能称为第五能源,与煤、石油及天然气、水电、核电四大能源并列。节能新技术的发展前景十分诱人。