书城科普读物科学奥秘丛书-新材料与新能源
45617200000010

第10章 绿色能源(2)

最近有人又提出新的方案,那就是将煤气化所得的可燃气体或者天然气,先加入甲醇合成装置进行反应,制取甲醇,然后把没有参与反应的燃料余气,引进发电站燃烧发电。这样可以完全发挥出甲醇合成装置中消耗于余气循环的那音部分能是的作用,从而最有效地达到既制取甲醇、又发电的目的。

总的来说,运用甲醇合成技术的配合,可以使得用煤产生的燃料气或天然气发电的系统,做到没有污染、功效卓越。

汽车的新燃料

甲醇还是一种性能优越的汽车新燃料。它的主要优点是辛烷值高,无污染。目前许多国家都在积极开展把甲醇用作汽车燃料的研究,并且已经显示出用甲醇作汽车燃料的良好效果。

辛烷值是什么呢?辛烷值指的是评价燃料在汽车发动机里燃烧时抵抗震击性能的指标。辛烷值高,抗震性就好。甲醇的辛烷值很高,所以就是使用汽油,掺进甲醇去,也能够提高抗震性能。

通常情况下,汽油的辛烷值依赖四乙基铅来提高。但是,这样做的结果,是带来了汽车排气中铅毒对环境的污染。解决汽车排气中的铅毒,是当前世界上环境保护科学的一个重大问题。现在,这个问题可以用添加甲醇来解决了。

汽车发动机运转时,燃料辛烷值的提高,不但能够改善它的抗震性外,还可以提高发动机的气缸压缩比,从而提高发动机的热效率。把甲醇添加进汽油作为汽车燃料,试验的结果表明,不但汽车排气无铅,而且发动机的热能利用率提高了百分之八。

另外,在设计汽车发动机中,往往会遇到一个空燃比和运转性能之间的矛盾问题。空燃比,是指燃料在发动机汽缸里燃烧时所控制的空气和燃料的比例。从燃料燃烧完全,提高燃料利用率,以及减少一氧化碳等污染物来考虑,空燃比要尽可能高,也就是进行烯薄燃烧。但是,过高的空燃比,却又会影响到发动机的运转性能。所以,在一般使用汽油为燃料的条件下,汽缸里燃烧时的空燃比不能超过八。但是,如果在汽油里添加了甲醇,那么,空燃比可以提高到十一左右。这样就为改善发动机性能留下了更大的余地。同时,通过实践也证明了,使用掺甲醇的汽油,汽车排气中的一氧化碳和其他残留碳氢化合物含量,也大为减少。

汽油中添加甲醇的数量,以百分之十五到百分之二十为适宜,这也是节省汽油的一项有力的措施。

当然,甲醇完全能够独立作为汽车的燃料。除了甲醇的比重和汽油相同外,它燃烧时,火焰的温度是1900℃左右,只比汽油的火焰温度2100℃稍稍低些,而甲醇的发火点是470℃,也和汽油的430℃接近。这些都是两者相似的地方。另外,甲醇比汽油好的地方是抗震性高,燃烧干净,前面已经谈过。但是它也有不及汽油之处,那就是燃烧热值低,蒸发潜热大。由于燃烧同样数量的燃料,甲醇所放出的热量几乎只有汽油的一半,所以同样一油箱的燃料,甲醇行驶的路程便只有汽油的一半。甲醇的蒸发潜热每公斤是270千卡,几乎是汽油84千卡的三倍多,因而气候寒冷的时候,发动机的起动就很困难。但是这个问题已经有人提出解决办法了,那就是在甲醇里掺入适量的丙烷。

甲醇既能够和汽油混合使用,又能够单独作为汽车的燃料,这两点本身就具有重大的意义。在目前的能源消费中,交通运输上的燃料油消耗,占相当大的比重,以美国来说,大约要占百分之三十,这个百分之三十,基本上完全依靠石油。所以在石油供应紧张的今天,和石油生产走下坡路的明天,用甲醇来替代石油,是现实而且有效的。

甲醇的合成

尽管甲醇的历史已经有了320年了,但是用化学反应来制取甲醇,却还只有一百多年哩。1857年,化学家佩尔切罗通过了对一氯甲烷的水解反应,制得了甲醇。以后又有人提出了从甲酸还原,甲烷氧化等等方法,合成甲醇。但是,所有这些方法都由于费用昂贵,而不能大规模推广,当然更谈不上发展成为一项有价值的能源了。

目前所运用的合成甲醇的方法,是法国科学家萨巴第尔和逊特伦斯在1905年提出来的。他们认为一氧化碳和氢气,在适当的条件下,可以合成甲醇。但是这两位科学家只是说了,并未亲自去做。

真正把萨巴第尔和逊特伦斯的想法付诸实施,那是在事隔8年之后。因为那时候,人们已经成功地在300多个大气压压力下,应用催化剂,完成了氮气和氢气合成氨的反应。这一成功,带动了高压和气固相触化反应工艺技术的发展,而这个发展则为从一氧化碳和氢气合成甲醇,准备了条件。1913年,在德国著名的BASF合成氨实验室里,进行了第一次从一氧化碳和氢气合成甲醇的试验。这次试验是用一氧化碳和氢气为原料,以铬,钴、锰、钼等的氧化物为催化剂,并在120个大气压压力和300℃~420℃高温条件下进行的。结果虽然获得了一些甲醇,但仍带有大量的饱和或不饱和的其他醇类,醛类,酮类以及烃类化合物,所以还不能算是成功的。不过,从今天的认识来分析,这种生成大量副产物的结果,是完全可以预料到的,因为从一氧化碳和氢的反应中,确实可以生成几十种化合物。我们在《煤的旧貌新颜》中,谈到过费雪尔-特劳普斯法合成汽油的反应,就是以一氧化碳和氢气为原料而进行的。单在那一项反应中,生成的烃类化合物,就有十余种之多。

怎样能够让反应的结果生成甲醇呢?问题的关键在催化剂。

然而,第二次世界大战爆发了,合成甲醇的研究工作,全部中断。但战后不久,也就是到1923年,人们在甲醇的合成上又获得了突破。德国BASF公司建成了第一座用锌-铬作催化剂,在200个大气压和400℃高温下的,从一氧化碳和氢气合成甲醇的工业化反应装置。此后的几十年间,合成甲醇的技术,得到了飞速的发展,对于合成甲醇的反应理论,也作了相当详细的研究。甲醇的生产量,从全世界来说,30年代末是年产3万吨,50年代末是50万吨,到了70年代初,年产已经到达600万吨了,而且还以每年百分之十四的速率增长。

目前世界上合成甲醇的工艺,主要是采用以氧化锌-氧化铬为催化剂的高温高压法。反应温度约为摄氏350℃,压力300个大气压。

1966年以后,英国、日本、美国和西德,又发展了以氧化铜为基础的锌、铬三元催化剂。这种催化剂可以使合成甲醇的反应,在五十个大气压和二百多度的温度下进行,这种工艺也叫低压法。这样,从一氧化碳和氢气合成甲醇的条件更为缓和,成本也就更为降低了。

如果今后想要用甲醇来代替汽油作为能源,那么,它的生产能力还需要大幅度增加,它的成本,还需要进一步降低。目前年产五万吨甲醇的装置,采用高压法,生产成本每吨约合人民币二十五元;采用低压法,每吨约合人民币十四元。降低成本的方法除了进一步改进工艺外,扩大装置的规模,也是一个办法。比如年产一百万吨的装置,其生产成本,就要比年产十万吨的降低一半。如果把甲醇的价格减到目前价格的二十分之一,那么,毫无疑问,甲醇就可以当之无愧地成为现代能源的一大支柱了。

今天,美国、日本、西德、英国、苏联等国家,都把扩大甲醇生产当作一项十分重要的工作。从趋势来看,到一九八五年,全世界甲醇产量,将突破一亿吨大关。

从能源的定义来看,甲醇是二次能源。因为甲醇的生产得以煤、天然气这类一次能源为原料。但是它的不少性能,象没有污染、燃烧得好等等,都比煤和天然气强,在贮存和运输方面,也非常方便,更重要的一点是,甲醇已经明摆在眼前,只等待我们去发展和使用它。

甲醇,一定将在能源史上添上精彩的一笔!

前程无量的氢能

名称的由来

大家或许对“氢能”这个词并不太熟悉。所谓氢能指的是氧气所含有的能量。

在常温常压下,分子氢是一种气体,就是我们所说的氢气,它无色、无臭,无味。在-253℃时,氢从气体变成了液体;但是倘给氢气施加13个大气压的压力,那么它在冷到-240℃的时侯,也会变成液体的。氢气还能变成固体呢,不过那是在-262℃的时候。

人类最早发现的元素之一就有氢。早在16世纪初叶,瑞士的炼金术士帕拉西尔修斯就发现了气体氢。他把硫酸和铁放在一起,制得了一种气体,帕拉西尔修斯把它叫做“轻空气”。到了1783年,法国化学家拉瓦锡戈给这种气体取名为“Hydrogen”,意思是“水的原料”。日本人用汉字表示时,称为“水素”,大概是从拉瓦锡那里来的;我们中国人早年称之为“轻气”,后来叫它作“氢”,也许还是继承了帕拉西尔修斯的衣钵。

游离在地球上的氢气少之又少,它只偶尔混杂在火山喷气和天然气中。大气里氢气的含量连百万分之一还不到。

那么,为什么氢能会引起人们这么大的兴趣呢?

理想的燃料

氢最基本的化学性质就是可以跟氧发生燃烧反应,生成水,同时放出大量的热能。这个重要的反应是英国化学家卡文迪许在1781年发现的。至今有200年历史了。

H2(氢气)+122O2(氧气)H2O(水)

在这个反应过程中,每烧掉一克分子氢气,能放出六十八千卡的热量。

从这一点来看,氢气就好像人们常用的,像煤气和汽油之类的燃料。每摩尔氢的重量是两克,从燃烧一克分子氢气能放出六十八千卡热量来计算,燃烧一公斤氢气,将能放出三万四千千卡的热量。而我们知道,每一公斤一氧化碳气体燃烧时,只能放出二千四百千卡的热量,只有氢气的十四分之一;一公斤汽油的燃烧热为一万一千千卡,也不足氢气的三分之一。可见氢气是一种蕴藏着巨大热量的高能燃料。目前,液态氢在航天工业中用得比较多。比如美国探月的“阿波罗”飞船,就都是用氢气作燃料的。

氢气作为燃料能发出很大的力量,而且还有一个最大的优点,就是没有氧化氮、二氧化硫和二氧化碳之类沾污大气、影响环境的化学物质,更没有尘烟。烧剩下来的,只有清清的水,所以是一种最“干净”的燃料。

除了这些在燃烧上的优点之外,还有一个极为重要之处,那就是它的蕴藏量是无穷无尽的。水是氢和氧两种元素组成的,一个水分子中有着两个氢原子和一个氧原子,尽管地球上游离的氢气很少很少,可是地球表面有的是水,仅海洋就有130亿亿吨水,那里面又有多少氢啊!

而且,就算是不用一滴海水,氢和氧反应后生成了水,把这部分水分解又成了氢和氧,根据质量作用定律,有多少氢和氧燃烧后生成了多少水,便可以从这多少水中分解出多少氢和氧,一分不会多,也一分不会少。这样,只要一定数量的氢和氧,便可以循环使用,永无涸尽之虞了。

所以,人们认为氢能有不可限量的前程,不是没有理由的。

昂贵的代价

说到这里,有人也许过分乐观了,说早知道这样,为什么不早用氢能呢?

事情可没有这样简单。因为要从水中生出氢气来,本身就是一个消耗巨大能量的过程。从化学热力学的角度来看,把水分解成氢气和氧气所需要的能量,正好等于氢气、氧气燃烧变回到水时所放出的能量,一进一出,完全相等。所以当我们看到氢燃烧时产生那样巨大的热量,切不可忘掉这份热量不是“白来”的,它是人们在用水制氢时,预先付出了代价的。