本站小編為你精心準備了氫對農業能源開發的重要性參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

作者：徐挺單位：吉林工業大學

國內外大量研究表明,世界能源現狀已向人們提出嚴重警告:必須及早為21世紀能源的發展做好思想上、物質上、技術上的準備。預計占世界所需能源70%的石油,到1995年為其發展峰值,隨后會急劇下降。到2010一2020年前后,它將會下降占20%以下。煤雖是發展中國家占重要地位的能源資源,但由于儲量有限且有一系列缺點,應用前景也并不樂觀。專家們預測,21世紀占能源重要地位的將是核能、太陽能、海洋能和地熱能等的開發利用。

隨著21世紀核能、太陽能的大規模開發,作為其“二次能源”之一的氫能必將得到有效的開發應用。由于氫具有一系列優于石油、煤等的特點,現已受到國內外專家們的普遍重視。他們或稱氫能為21世紀的能源;或預言未來取代石油資源的蔣是氫能源;或推測在2020年,氫能“很可能成為能源研究、發展與論證的主要方面”聞。更值得注意的是,目前國內外已經在氫能開發研究工作上,取得了十分可喜的進展。發展形勢告訴我們,盡快把氫能用于農業,作為一項農村新能源進行研究和應用開發,已經提到議事日程上來了。

近十幾年來,我國已取得了舉世矚目的開發利用生物質能—沼氣的成功經驗,引起了國際社會的關注。沼氣的蓬勃、深人、普及發展,使我國農村能源面貌發生了帶有根本性的變化。沼氣用作內燃機燃料,已達到在保持原機性能條件下節油的明顯效果¾。農用動力機械全燒沼氣或沼氣、柴油混燒取得成功的事實,給柴油機燒氫的可能性與可行性,以重要啟迪與有力支持。柴油機燒沼氣,與燒柴油一樣,會造成對大氣的污染。若改燃氫則可部分或全部避免對環境的不利影響。所以,我國未來的農業能源,沼氣與氫能將是兩大支柱。

一氫能特點與儲存形式

（一）氮能特點

氫能與汽、柴油、沼氣相比,有五大特點:

1.燃燒熱值高,約達120MJ/kg,而汽油和甲烷分別為科和ZMJ/kg;

2.點火能量小(約0.02mj,而汽油棍合氣為ZmJ),燃燒速度快(在常壓空氣中,比汽油快5~9倍),所以只要氧化劑充分,便可完全燃燒;

3.燃燒后只形成水蒸汽和極少量的氮化物Nox(主要是NO,數量僅為一般車輛的1/200)。即使這極少的NOx,也可通過調整燃燒條件減少或避免;

4.具有重要的工業價值。如,用于CH3OH、NH3、HCI等的有機合成;可對鐵礦石中的金屬進行直接還原,取代焦炭;城市煤氣中含50%的氫,提高了熱值和質量;氫化鋁銼、二氫化鋁、偏二甲臍等用作火箭燃料或添加劑;過氧化氫用作火箭燃料高能氧化劑;

5.比重小(僅為空氣的1/7),擴散系數大,即使從容器逸出,也不致因沉積底層或形成密集氣團而導致危險。

(二)氮的儲存形式氫雖然可以氣相或液相形式儲存,但這兩種形式均不可取。因為氫的密度小,僅0.099/L,即使采取較大儲存壓力,仍占很大空間。20℃下,用2000大氣壓將氫氣壓縮至鋼瓶中,容積162L的氫氣也只相當于IL汽油的熱值。以液態氫儲存,既需要一252.9℃的超低溫,又需耗費很大制取能量,還要使用很昂貴的容器。即便如此液氫的容積仍不小,3.9L液氫的低熱值也只相當于lL汽油的熱值。液氫也很容易泄漏。所以液氫,非特殊需要是用不起的。盡管1982、1984年日本、西德曾試驗過將液氫用于汽車樣機,得到了熱效率提高20%的效果,其價格卻比用汽油高18倍以上。目前儲存氫的最有效方式,是把氫以金屬氫化物形式儲于合金中,稱為MH法。這種儲氫技術出現不過十余年,但它一問世,就受到人們高度重視。因為它有許多突出優點:(l)它比高壓氣氫和液氫,有高度安全性;(2)含氫量大,儲存密度相當于液氫的2倍、常態氫的1000倍;(3)氫在釋放時,純度高達99.9999%;(4)許多金屬(如Ti、Mn、Mg、Al、co、Ce等)或合金(如高溫型的MgZNi,低溫型的FeTi、LaNis等)均可利用自身同氫的可逆反應在特定的溫度、壓力條件下充氫、放氫;(5)充放壽命長,可達2一3萬次。初始成本雖高,長遠使用成本卻較低廉。目前我國南開大學無機化學系及北京有色金屬研究總院等均在進行MH的研究,后者還可提供現貨。MH的唯一缺點是重量較大。但若在車輛設計中,將其轉化為附著重量,前途相當可觀。

二內燃機燃氫的可能性與可行性

內燃機燃氫的設想,早在1920年前后即已產生,但真正把它加以認真地研究,是在1964年氫能開發取得較大成果之后。自美國把氫作為“土星五號”登月火箭發動機燃料發肘成功,氫能才成為公認的燃料領域新物質。

柴油機和汽油機是車輛內燃機的兩個重要分支,它們在世界各國使用量很大。節能、然料代用、減輕環境污染始終是其重要的研究課題。選擇氫能作其燃料,將是攻克該難題的有效途徑之一。實現這一目標,不但要根據各國國情,采取可行的戰略步驟,而且要有效解央一系列技術難題。

(一)汽油機然氫的問題

國外,特別是發達國家,由于汽車擁有量很多,對環境影響之大,已構成嚴重社會間題。所以,十分重視汽油機燃氫的研究,美國、西德、日本、加拿大等都在開展這方面工作,但多年來一直未獲得突破性進展。汽油機燃氫,各國主要研究的是采取氫一油混燒,之所以進展不大,分析原因是:

1.若在壓縮過程中向缸內直接噴氫,由于汽油機壓縮比。比較小,則與汽油混合時間較短,會出現異常燃燒現象,從而導致發動機熱效率下降;

2.若氫氣在缸外與汽油混合,因體積過多膨大,嚴重排擠了理應進人氣缸的空氣量,從而使過量空氣系數:雙重降低,則導致發動機有效功率明顯減小;

3.即使在直接向缸內噴氫情況下,通過減少汽油吸人量使:值適當提高,噴氫量仍然有限,故而升功率也難以提高,甚至會下降。

(二)柴油機燃氫的可能性與可行性

我國以及第三世界國家,汽車在各類車輛中占的比例較小,加之我國土地分散,廣大農村用于耕作的拖拉機多為中、小馬力,從而更促使柴油機數量增大,擁有量將會不斷地增加。所以解決柴油機燃氫是我們的研究重點與需要。

從上述汽油機燃氫的種種間題分析,柴油機均可天然合理地解決。柴油機是壓燃式點火,不存在點火系統,具有遠高于汽油機的壓縮比。和過量空氣系數借助于高。值,氫的一系列優點可以得到充分發揮,所以很有可能加速研究進程,取得成功。當然,柴油機燃氫只能是采用柴油、氫混燒,不可能是純粹燃氫,因為氫不易被壓燃。氫與柴油機結合,之所以能更快取得成功性進展還因為:

1.氫氣點火能量小、自燃溫度高(530一580℃),決定它在柴油機中與柴油配合能取得良好的燃燒效果:即在下死點后使氫先于柴油進人氣缸,實現均勻分布,然后一待柴油壓燃,便可將氫點燃,共同完成作功過程。(此時柴油噴人量可少于或等于摻氫前的。后者目的在于提高發動機功率)。

2.熱效率高

(l)氫的擴散系數(0.6Icm/s)高于其他(例如汽油為0.05cm2/s),因而易于做到混合氣均勻一致,再加燃燒速度(即火焰傳播速度)很快(如最大可達3.lm/s。而汽油僅為l.Zm/s),故可提高其熱效率;

(2)氫的絕熱指數(K)高于空氣。空氣的絕熱指數K=1.40,它與燃油混合后,指數值降低;混合氣越濃,指數值越低。但它與氫混合,情況則大變,此時因K值提高,熱效率也提高。

3.氫在理論混合比下每單位容積的熱值為3.16kJ/L,約為柴油的50%,故勢必導致功率下降。與此同時,由于氫的絕熱火焰溫度高于其它,因此反過來又對所述功率下降作出部分的補償。這一評價如再考慮到柴油機本身就有較大的過量空氣系數:和較高的壓縮比。,則功率不僅不致降低,還可在氫量增大情況下提高其功率(盡管按文獻記載,為了充分發揮氫的環保優越性以最大限度地降低有害物質NO的生成量,過量空氣系數應使之不小于1.5)。

4.氫、油混燒可節省柴油,從而使柴油燃燒產生的污染物HC、CO以及碳黑等減少。如果柴油機直接向缸內充氫,則既有可能提高其升功率,又可使每一單位功率所分擔的污染物數量減少。

5.由氫參與燃燒所帶來的熱效率提高,加上柴油機轉速低、過量空氣系數大,說明此時柴油機的排氣溫度可不致因壓縮比較大而提高,從而可避免氣缸系統過大熱應力和氫因高熱廢氣點火造成早燃、回火,以及由此引起的發動機運轉失常,或嚴重時出現的停車現象。

6.柴油機燒氫同于汽油機,不會引起結構的重大變動;同時,由于氫燃燒后產生的微粒量僅為同等熱值下燃油燃燒所生成微粒量的千分之一,發動機的使用壽命可因磨損情況改善而相應提高。

7.汽油機燃氫的某些基本過程和經驗可借鑒于柴油機燃氫;

(l)汽油機加氫后在一般負荷下熱效率可提高10一15%,小負荷下則更為明顯;

(2)發動機經濟稀混合氣區域加寬(見表1),且因氫的少量加人,可實現稀薄混合氣的快速燃燒,.因而發動機經濟性得以改善:平均比油耗降低20一30%。此外,在較稀限下,因氣缸壓力的循環波動減小,發動機工作變得柔和。根據蘇聯的經驗,由于(1)、(2)所述原因,在混燒情況下可使汽油耗量降低25一40%。

(3)加氫可降低怠轉轉速,同時還可使發動機在部分負荷下燃用較稀薄的混合氣,這些都有助于降低在總使用期內的燃油消耗。

(4)燒氫與燒汽油的成本比較(僅就燃料而言)哪一,顯示出其巨大優越性(見表2)。實際上,氫作為燃料,不僅傳統的柴油機和汽油機可考慮用它,由于它的重量密度大,發熱量高,火焰傳播速度快,點火能量小,所以還特別適合于工作狀態經常改變的航空渦輪噴氣式發動機的工作。同時,上述優點也使純粹燒氫的“氫發動機”具有更大的功率和更好的扭矩、熱效率指標以及燃料經濟性。

為了在節油和環保前提下確實提高發動機的性能指標,搞出有別于國外同類研究的待色,建議我們的主攻方向可首先確定為向柴油機缸內摻氫。這樣,需要解決好下面兩個問題:

1.氫源要有足夠的壓力以將氫氣壓人缸內。這方面高壓鋼瓶具有有利條件。當以MH作為氫源時,需視情況同時采取增壓措施;

2.找到氫氣壓人缸內的合理時刻和稀限范圍。例如,可否認為摻氫時刻以壓縮沖程前半期為宜?因為:

(l)氫氣密度僅及空氣的1/145,故在噴射中不易貫穿缸內空氣全部,國此對于它同空氣的均勻混合,需要有個過程;

(2)柴油噴人時與空氣混合的時間極短,易于出現爆燃現象(特別對于直接噴射式柴油機),這時氫的提前噴人,可不致加劇爆燃過程;

(3)提早噴氫可降低對噴氫壓力的要求,從而有利于氫源的準備。同時,還可以考慮以表1所列值的4%作為柴油混合氣稀限范圍的低限,然后在研究中逐次增大,以進行各項性能指標的對比。試驗中,面對發動機眾多的結構、性能參數,建議主要選擇以下四種作為具體測值對象:壓縮比,外載,油、氫混合比和燃料供給時刻。對它們進行正交試驗,并以發動機功率和排放物作為試驗指標,尋找最優搭配方案;也可按回歸設計原理,組織試驗,建立起具有較高預測精度的綜合數學模型。溫度、壓力及發動機轉速由于從屬于以上四參數,可不作為獨立參數提出。

向柴油機缸內摻氫以及壓縮比可變,這會從技術上、結構上給研究工作帶來一定的難度,但這樣做卻是十分必要的,因為這是向目前同類研究邁出的具有重要意義的新的一步,也是建立起柴油機摻氫效果完整概念必不可少的。

三結語

探索研究開發氫能作為新的農業動力能源,盡管有相當的難度,而且與實際應用還有一定的距離,但從科學技術的飛速發展來看,已為期不遠了。我們只有盡早做好理論與技術上的研究,才有可能走在前面,才能有效改變我國農村能源的現狀。

在內燃機燃氫問題上,我國一些高等院校,如北方交通大學。、浙江大學等,已經做了許多有益的研究工作,取得了不少的經驗與成績。實踐表明,今后只要各級能源部門與科技界、高等院校通力合作,高度重視并安排好這項工作的開展,我國一定會象開發利用沼氣一樣,取得農業利用氫能的突破性進展。