精打细算话节能

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所属分类:科学故事
摘要

当今世界,人们一方面感到能源紧张,另一方面却又在“耗油如水”,浪费能源的现象比比皆是。近几十年来,人们虽然已经注意节能,但还远远不够。在节能方面,蛇倒是冠军。让我们先来看一些实验结果吧。把刚寻来的小蝮蛇关起来,不给食也不给水,它能饿107天;若只给水,它能坚持392天。在日本,一个实验室内关着两条眼镜蛇,在只给水的情况下,饿了3年零2个月还安然无恙。巴黎动物园的一条蟒蛇连续饿了4年零1个月,依然还活着。可见,蛇减少能量消耗的本领是多么高超呵!而且,这种本领与其体重成正比,

  当今世界,人们一方面感到能源紧张,另一方面却又在“耗油如水”,浪费能源的现象比比皆是。近几十年来,人们虽然已经注意节能,但还远远不够。在节能方面,蛇倒是冠军。

  让我们先来看一些实验结果吧。把刚寻来的小蝮蛇关起来,不给食也不给水,它能饿107天;若只给水,它能坚持392天。在日本,一个实验室内关着两条眼镜蛇,在只给水的情况下,饿了3年零2个月还安然无恙。巴黎动物园的一条蟒蛇连续饿了4年零1个月,依然还活着。可见,蛇减少能量消耗的本领是多么高超呵!而且,这种本领与其体重成正比,体重越大,减少能量消耗的本领越强。蛇为什么具有这种超常的节能本领呢?首先,它能充分利用能源。它从得到的能源中吸收能量的效率是非常高的。以蝮蛇为例,它吃进一只小动物,几天之后,体重就净增加了小动物体重的1/3左右。其次,它又能充分节能。为了节能,它实行冬眠制。比如安徽的红点锦蛇,历时5个多月的冬眠后,其体重只减少了2%。此外,它的体温是可变的,这就又省却了为调节体温而消耗的能量。为什么给水后它就能更好的节能呢?因为,水是运送能量,完成新陈代谢必不可少的“润滑剂”。若不给水,它就只能从“库存”的蛋白质等特质中“挤”出水来使用。我们能不能从仿生学的角度,在能源技术领域发挥聪明才智,研究出一些更科学更有效的节能之术呢?能或否,有的答案在现在的科学家的头脑里,有的却可能在你们——可爱的读者,21世纪的科学家手里。

  目前,人们普遍把节能看做是与石油、天然气、煤炭和核能并列的第五大能源。世界各国都已把节能作为重要国策,正在积极研究和开发节能新技术。

  提到节能,人们首先会想到在工业、农业、交通运输、商业和日常生活中节约用电和节约用油等。是的,这里面也确实大有文章可做。在1973年的能源危机中,许多国家这样做了,也的确取得了很大的成绩。然而,必须指出,节能并不是强迫忍耐、缩减需求,降低正常的生产和生活水平,而是依靠技术开发,减少能量损失,提高能源利用率。也就是说,节能技术的实质和核心是不断提高能源的利用效率。有人作过估算,“如果美国打算认真致力于节能,就有可能比现在少消耗30%~40%的能量,而且依然能享受同样的、甚至更高标准的生活内容。”

  事实也告诉我们,要想大量节能,实现真正有效的节能,也必须在提高能量转换效率上找出路。目前,燃料能源的浪费最大。目前能量的使用通常是将燃料的热能先转换成机械能,再变为电能。可是热机把热转换成机械能的效率非常低,虽然不断改进和提高,所获热能仍然只有25%~30%,大部分热能都因散失而白白浪费掉了。从热力学上分析,热机效率不可能提高到50%以上。所以,必须开发能量转换新技术。从迄今为止已研究出来的成果看,有希望取代热机的新技术是磁流体发电和燃料电池。磁流体发电的热电转换效率可达55%以上,燃料电池的化学能转换成电能的效率则高达75%以上。

  煤炭的气化和液化是通过革新燃烧技术提高能源利用效率的另一个有效途径。煤直接燃烧缺点很多。首先是燃烧不完全,热能利用率低;其次是体积大、笨重,运输、储存、加工和使用都很不方便,在我国,煤炭的运输量就占去了大约60%的运输力;此外,煤直接燃烧,还会造成大面积的环境污染,因为煤在燃烧过程中有大量的二氧化碳和二氧化硫等有害气体逸出。大气中的二氧化碳浓度增加会使地球温度升高;二氧化碳会形成酸雨降落到地面,使湖泊里的水生物死亡,甚至绝迹,以及使土质恶化,农作物显著减产。如果把煤炭变成气体或液体就能较好地解决这些问题。

  怎样才能把煤炭变成气体或液体呢?现在人们已经研究出了很多方法。其中,最常用的工艺是:先将煤块粉碎成极细的粉末,然后放入气化炉中,通入蒸汽和氧气,加热到1100℃,产生出氢和一氧化碳的混合物,叫做“合成气”。这样的合成气用起来跟天然气一样。合成气还可以进一步与催化剂一起放入反应器中进行化学反应,变成液态的碳氢化合物,如酒精、汽油、柴油和润滑油等。

  其实,早在第二次世界大战期间,纳粹德国迫于运油困难,就开发出了用煤炭合成汽油的技术,并建有9个煤制合成油工厂。战后,因无法与廉价的石油竞争,工厂遂全部关闭停产了。南非富产煤炭而无石油资源,在其特殊的政治和资源条件下,于50年代初就建成了一个小型合成油工厂。1981和1982年相继建成两个大型煤制合成油工厂,其规模相同,各产出发动机燃料150万吨。

  煤炭气化和液化的另一种方法是“氢化分解法”——应用空间时代的火箭技术,将碎成粉状的煤与高温氢气混合,在高压条件下产生高质量的无污染的气态或液态的碳氢化合物。

  有了这些气化和液化技术,别说燃烧值很低的油页岩,就连极不易燃的煤矸(gān)石也可变为优质燃料了。可是,上述煤的气化和液化方法都涉及化学加工过程,需要破坏和重新调整煤的分子结构。这种过程,工艺比较复杂,投资大,成本高,特别是液化,暂时还不具备大量建厂投产的条件。能不能不对煤开肠剖肚,重新组构,即不让它改变化学成分,不发生“脱胎换骨”的变化,而只进行改变其形态的物理加工,就做成液态燃料呢?能!瑞典的科学家首先回答了这个问题。1973年,他们研究出了一种比上述气化液化技术要方便得多、也经济得多的制煤浆技术。他们先把煤块研磨成直径90微米以下的极细微粒,然后通过浮选除去灰份和有害杂质,再把它们同水混合到一起,水与煤的比例可达25∶75。最后加进一种叫做表面活性剂的特殊添加剂,就制成了一种廉价而清洁的、胶体状的代油燃料——煤浆。它可以用作工业和铁路机车的锅炉燃料、水泥窑燃料、冶金加热炉燃料、合成氨造气原料,以及船用柴油机燃料等等。

  余热利用技术、综合发电、高效大容量输电技术,以及将微计算机引入能源管理系统等,也是能源技术中近期蓬勃发展起来的、很有效的节流之术,并且已经取得了相当可观的实效。

  能量守恒和转换定律告诉我们,在任何与周围隔绝的物质系统(称作孤立系统或封闭系统)中,不论发生什么变化,能量的形态可能发生转换,但能量的总和却永恒不变。非封闭系统能与外界发生能量交换,因而它的能量会有改变,但它增加(或减少)的能量值一定等于外界减少(或增加)的能量值。所以,从总体上来看,其能量之和仍然是恒定不变的。可见,能量既不能创生,也不能消灭,只能在各部分物质之间传递,或者由一种形态转换成另一种形态。因此,某一装置、过程或系统所用的全部能量在完成某种功能后,剩余的能量最终总表现为热能。可惜,这些热能绝大部分被当作废热给排放掉了,或者作为余热任其自然散失。譬如,刚刚炼出的赤热的焦炭,温度高达1000℃左右;工业用炉体的温度有700℃~900℃;高温废气大都在150℃以上,甚至有的高达七八百度;还有废热水,温度高的为60℃~90℃,低的也有30℃~60℃。这些都是宝贵的能源,应该、也能够加以利用。比如,综合发电就是利用高温废气和高温废水,提高能源利用效率的好办法。70年代以来,日本在节能上狠下功夫,取得了很大进展:1979年制订的规划中要求,节能率1985年为10%,1990年为14.8%,1995年为17.1%;实际上,到80年代后期,日本的总体能耗水平,按单位产值能耗计,几乎降低20%。1978年,日本政府制定的节能计划——“月光计划”,就以大型节能技术为重点,其中又以余热利用为首选项目。从日本人的节能实践活动效果看,其能耗的降低,很大一部分是由余热的利用带来的。由此可见余热利用在提高能源利用效率中的重要作用。

  随着现代科学技术的高度发展,新型电力电缆和新型输电方式将产生明显的经济效益和节能效果。电力电缆主要采用油浸电缆和聚乙烯电缆。现在已研制成功的油浸电缆可耐压500千伏,聚乙烯电缆可耐压275千伏。今后将采用管线充气输电电缆、极低温电阻电缆及超导电缆进行100万千伏以上的大容量输电。日本电子技术综合研究所正在研制浸渍液氦聚合物绝缘超导电缆。目前,直流输电技术也已试验成功。由于在直流电系统中,电流的大小和方向不像交流电那样随着时间作周期性变化,而是恒定不变的,不存在长距离交流输电时产生的不稳定性问题。所以,直流输电系统不仅输电线单价低、稳定性好,而且直流电缆系统不必充电,因而不需要充电电流补偿装置。但是,现有电力系统均采用交流发电机和交流电,要进行直流输电,就必需配置把交流电转换成直流电的电流变换装置。尽管变电装置成本较高,但在其他方面采用新技术可以降低总成本,所以,直流输电的经济效益仍很可观。现在,直流系统已能用于远距离输电。新型交流输电方式有6相输电(我们通常所用的电,大都是三相交流电,它是由三相交流发电机产生的。这种发电机有三个绕组,每一个绕组称为一“相”,发电时三个绕组的电动势变化频率相同,但相位各差120°),各相相位差为60°。依次类推,还有9相、12相等输电方式。美国能源部正在积极研究6相输电技术,已建成80千伏试验输电线。日本东京大学和关西电力公司也正在研究6相输电。6相输电的优点是,减少输电线体积和用地,节省输电费用。此外还有,用低于50赫频率的低频输电、用60赫以上频率的高频输电、交直流重迭输电、隧道充电绝缘输电、波导管输电、光电输电等方式。

  微计算机用于能源管理系统不但是自动化技术发展的必然趋势,也是提高能源利用效率、大量节能的有效途径。由传感器、接口、转换器、仪器和微计算机等互相配合组成的监控系统用于能源管理后,锅炉可节约能源5%~20%,电动机可节电10%~60%(例如,1~20马力变速电机节电17%~30%,成本降低50%),水泵可节能30%,内燃机节油10%~40%,而经济效益则由于产品质和量的上升而成倍增长。 

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