氢对农业能源开发的重要性

作者：徐挺单位：吉林工业大学

国内外大量研究表明,世界能源现状已向人们提出严重警告:必须及早为21世纪能源的发展做好思想上、物质上、技术上的准备。预计占世界所需能源70%的石油,到1995年为其发展峰值,随后会急剧下降。到2010一2020年前后,它将会下降占20%以下。煤虽是发展中国家占重要地位的能源资源,但由于储量有限且有一系列缺点,应用前景也并不乐观。专家们预测,21世纪占能源重要地位的将是核能、太阳能、海洋能和地热能等的开发利用。

随着21世纪核能、太阳能的大规模开发,作为其“二次能源”之一的氢能必将得到有效的开发应用。由于氢具有一系列优于石油、煤等的特点,现已受到国内外专家们的普遍重视。他们或称氢能为21世纪的能源;或预言未来取代石油资源的蒋是氢能源;或推测在2020年,氢能“很可能成为能源研究、发展与论证的主要方面”闻。更值得注意的是,目前国内外已经在氢能开发研究工作上,取得了十分可喜的进展。发展形势告诉我们,尽快把氢能用于农业,作为一项农村新能源进行研究和应用开发,已经提到议事日程上来了。

近十几年来,我国已取得了举世瞩目的开发利用生物质能—沼气的成功经验,引起了国际社会的关注。沼气的蓬勃、深人、普及发展,使我国农村能源面貌发生了带有根本性的变化。沼气用作内燃机燃料,已达到在保持原机性能条件下节油的明显效果¾。农用动力机械全烧沼气或沼气、柴油混烧取得成功的事实,给柴油机烧氢的可能性与可行性,以重要启迪与有力支持。柴油机烧沼气,与烧柴油一样,会造成对大气的污染。若改燃氢则可部分或全部避免对环境的不利影响。所以,我国未来的农业能源,沼气与氢能将是两大支柱。

一氢能特点与储存形式

（一）氮能特点

氢能与汽、柴油、沼气相比,有五大特点:

1.燃烧热值高,约达120MJ/kg,而汽油和甲烷分别为科和ZMJ/kg;

2.点火能量小(约0.02mj,而汽油棍合气为ZmJ),燃烧速度快(在常压空气中,比汽油快5~9倍),所以只要氧化剂充分,便可完全燃烧;

3.燃烧后只形成水蒸汽和极少量的氮化物Nox(主要是NO,数量仅为一般车辆的1/200)。即使这极少的NOx,也可通过调整燃烧条件减少或避免;

4.具有重要的工业价值。如,用于CH3OH、NH3、HCI等的有机合成;可对铁矿石中的金属进行直接还原,取代焦炭;城市煤气中含50%的氢,提高了热值和质量;氢化铝锉、二氢化铝、偏二甲脐等用作火箭燃料或添加剂;过氧化氢用作火箭燃料高能氧化剂;

5.比重小(仅为空气的1/7),扩散系数大,即使从容器逸出,也不致因沉积底层或形成密集气团而导致危险。

(二)氮的储存形式氢虽然可以气相或液相形式储存,但这两种形式均不可取。因为氢的密度小,仅0.099/L,即使采取较大储存压力,仍占很大空间。20℃下,用2000大气压将氢气压缩至钢瓶中,容积162L的氢气也只相当于IL汽油的热值。以液态氢储存,既需要一252.9℃的超低温,又需耗费很大制取能量,还要使用很昂贵的容器。即便如此液氢的容积仍不小,3.9L液氢的低热值也只相当于lL汽油的热值。液氢也很容易泄漏。所以液氢,非特殊需要是用不起的。尽管1982、1984年日本、西德曾试验过将液氢用于汽车样机,得到了热效率提高20%的效果,其价格却比用汽油高18倍以上。目前储存氢的最有效方式,是把氢以金属氢化物形式储于合金中,称为MH法。这种储氢技术出现不过十余年,但它一问世,就受到人们高度重视。因为它有许多突出优点:(l)它比高压气氢和液氢,有高度安全性;(2)含氢量大,储存密度相当于液氢的2倍、常态氢的1000倍;(3)氢在释放时,纯度高达99.9999%;(4)许多金属(如Ti、Mn、Mg、Al、co、Ce等)或合金(如高温型的MgZNi,低温型的FeTi、LaNis等)均可利用自身同氢的可逆反应在特定的温度、压力条件下充氢、放氢;(5)充放寿命长,可达2一3万次。初始成本虽高,长远使用成本却较低廉。目前我国南开大学无机化学系及北京有色金属研究总院等均在进行MH的研究,后者还可提供现货。MH的唯一缺点是重量较大。但若在车辆设计中,将其转化为附着重量,前途相当可观。

二内燃机燃氢的可能性与可行性

内燃机燃氢的设想,早在1920年前后即已产生,但真正把它加以认真地研究,是在1964年氢能开发取得较大成果之后。自美国把氢作为“土星五号”登月火箭发动机燃料发肘成功,氢能才成为公认的燃料领域新物质。

柴油机和汽油机是车辆内燃机的两个重要分支,它们在世界各国使用量很大。节能、然料代用、减轻环境污染始终是其重要的研究课题。选择氢能作其燃料,将是攻克该难题的有效途径之一。实现这一目标,不但要根据各国国情,采取可行的战略步骤,而且要有效解央一系列技术难题。

(一)汽油机然氢的问题

国外,特别是发达国家,由于汽车拥有量很多,对环境影响之大,已构成严重社会间题。所以,十分重视汽油机燃氢的研究,美国、西德、日本、加拿大等都在开展这方面工作,但多年来一直未获得突破性进展。汽油机燃氢,各国主要研究的是采取氢一油混烧,之所以进展不大,分析原因是:

1.若在压缩过程中向缸内直接喷氢,由于汽油机压缩比。比较小,则与汽油混合时间较短,会出现异常燃烧现象,从而导致发动机热效率下降;

2.若氢气在缸外与汽油混合,因体积过多膨大,严重排挤了理应进人气缸的空气量,从而使过量空气系数:双重降低,则导致发动机有效功率明显减小;

3.即使在直接向缸内喷氢情况下,通过减少汽油吸人量使:值适当提高,喷氢量仍然有限,故而升功率也难以提高,甚至会下降。

(二)柴油机燃氢的可能性与可行性

我国以及第三世界国家,汽车在各类车辆中占的比例较小,加之我国土地分散,广大农村用于耕作的拖拉机多为中、小马力,从而更促使柴油机数量增大,拥有量将会不断地增加。所以解决柴油机燃氢是我们的研究重点与需要。

从上述汽油机燃氢的种种间题分析,柴油机均可天然合理地解决。柴油机是压燃式点火,不存在点火系统,具有远高于汽油机的压缩比。和过量空气系数借助于高。值,氢的一系列优点可以得到充分发挥,所以很有可能加速研究进程,取得成功。当然,柴油机燃氢只能是采用柴油、氢混烧,不可能是纯粹燃氢,因为氢不易被压燃。氢与柴油机结合,之所以能更快取得成功性进展还因为:

1.氢气点火能量小、自燃温度高(530一580℃),决定它在柴油机中与柴油配合能取得良好的燃烧效果:即在下死点后使氢先于柴油进人气缸,实现均匀分布,然后一待柴油压燃,便可将氢点燃,共同完成作功过程。(此时柴油喷人量可少于或等于掺氢前的。后者目的在于提高发动机功率)。

2.热效率高

(l)氢的扩散系数(0.6Icm/s)高于其他(例如汽油为0.05cm2/s),因而易于做到混合气均匀一致,再加燃烧速度(即火焰传播速度)很快(如最大可达3.lm/s。而汽油仅为l.Zm/s),故可提高其热效率;

(2)氢的绝热指数(K)高于空气。空气的绝热指数K=1.40,它与燃油混合后,指数值降低;混合气越浓,指数值越低。但它与氢混合,情况则大变,此时因K值提高,热效率也提高。

3.氢在理论混合比下每单位容积的热值为3.16kJ/L,约为柴油的50%,故势必导致功率下降。与此同时,由于氢的绝热火焰温度高于其它,因此反过来又对所述功率下降作出部分的补偿。这一评价如再考虑到柴油机本身就有较大的过量空气系数:和较高的压缩比。,则功率不仅不致降低,还可在氢量增大情况下提高其功率(尽管按文献记载,为了充分发挥氢的环保优越性以最大限度地降低有害物质NO的生成量,过量空气系数应使之不小于1.5)。

4.氢、油混烧可节省柴油,从而使柴油燃烧产生的污染物HC、CO以及碳黑等减少。如果柴油机直接向缸内充氢,则既有可能提高其升功率,又可使每一单位功率所分担的污染物数量减少。

5.由氢参与燃烧所带来的热效率提高,加上柴油机转速低、过量空气系数大,说明此时柴油机的排气温度可不致因压缩比较大而提高,从而可避免气缸系统过大热应力和氢因高热废气点火造成早燃、回火,以及由此引起的发动机运转失常,或严重时出现的停车现象。

6.柴油机烧氢同于汽油机,不会引起结构的重大变动;同时,由于氢燃烧后产生的微粒量仅为同等热值下燃油燃烧所生成微粒量的千分之一,发动机的使用寿命可因磨损情况改善而相应提高。

7.汽油机燃氢的某些基本过程和经验可借鉴于柴油机燃氢;

(l)汽油机加氢后在一般负荷下热效率可提高10一15%,小负荷下则更为明显;

(2)发动机经济稀混合气区域加宽(见表1),且因氢的少量加人,可实现稀薄混合气的快速燃烧,.因而发动机经济性得以改善:平均比油耗降低20一30%。此外,在较稀限下,因气缸压力的循环波动减小,发动机工作变得柔和。根据苏联的经验,由于(1)、(2)所述原因,在混烧情况下可使汽油耗量降低25一40%。

(3)加氢可降低怠转转速,同时还可使发动机在部分负荷下燃用较稀薄的混合气,这些都有助于降低在总使用期内的燃油消耗。

(4)烧氢与烧汽油的成本比较(仅就燃料而言)哪一,显示出其巨大优越性(见表2)。实际上,氢作为燃料,不仅传统的柴油机和汽油机可考虑用它,由于它的重量密度大,发热量高,火焰传播速度快,点火能量小,所以还特别适合于工作状态经常改变的航空涡轮喷气式发动机的工作。同时,上述优点也使纯粹烧氢的“氢发动机”具有更大的功率和更好的扭矩、热效率指标以及燃料经济性。

为了在节油和环保前提下确实提高发动机的性能指标,搞出有别于国外同类研究的待色,建议我们的主攻方向可首先确定为向柴油机缸内掺氢。这样,需要解决好下面两个问题:

1.氢源要有足够的压力以将氢气压人缸内。这方面高压钢瓶具有有利条件。当以MH作为氢源时,需视情况同时采取增压措施;

2.找到氢气压人缸内的合理时刻和稀限范围。例如,可否认为掺氢时刻以压缩冲程前半期为宜?因为:

(l)氢气密度仅及空气的1/145,故在喷射中不易贯穿缸内空气全部,国此对于它同空气的均匀混合,需要有个过程;

(2)柴油喷人时与空气混合的时间极短,易于出现爆燃现象(特别对于直接喷射式柴油机),这时氢的提前喷人,可不致加剧爆燃过程;

(3)提早喷氢可降低对喷氢压力的要求,从而有利于氢源的准备。同时,还可以考虑以表1所列值的4%作为柴油混合气稀限范围的低限,然后在研究中逐次增大,以进行各项性能指标的对比。试验中,面对发动机众多的结构、性能参数,建议主要选择以下四种作为具体测值对象:压缩比,外载,油、氢混合比和燃料供给时刻。对它们进行正交试验,并以发动机功率和排放物作为试验指标,寻找最优搭配方案;也可按回归设计原理,组织试验,建立起具有较高预测精度的综合数学模型。温度、压力及发动机转速由于从属于以上四参数,可不作为独立参数提出。

向柴油机缸内掺氢以及压缩比可变,这会从技术上、结构上给研究工作带来一定的难度,但这样做却是十分必要的,因为这是向目前同类研究迈出的具有重要意义的新的一步,也是建立起柴油机掺氢效果完整概念必不可少的。

三结语

探索研究开发氢能作为新的农业动力能源,尽管有相当的难度,而且与实际应用还有一定的距离,但从科学技术的飞速发展来看,已为期不远了。我们只有尽早做好理论与技术上的研究,才有可能走在前面,才能有效改变我国农村能源的现状。

在内燃机燃氢问题上,我国一些高等院校,如北方交通大学。、浙江大学等,已经做了许多有益的研究工作,取得了不少的经验与成绩。实践表明,今后只要各级能源部门与科技界、高等院校通力合作,高度重视并安排好这项工作的开展,我国一定会象开发利用沼气一样,取得农业利用氢能的突破性进展。