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防治雾霾学术论文

推行甲醇能源战略大有可为
当前,大气雾霾已然成为我国最大的环境问题,这不仅严重威胁人民生命健康,进而对经济、社会发展乃至国际观瞻造成了严重负面影响,朝野震动。李克强总理在2月12日召开的国务院常务会议上,郑重提出要着力消除人民群众的“心肺之患”。目前,对于雾霾成因的研究可谓林林总总、众说纷纭。其实,造成我国雾霾严重的主要原因是个能源结构问题;既煤炭占比50%以上(年消耗煤炭40多亿吨),以及燃料油品质及其燃烧设备(包括运输车辆发动机)技术水平低下造成的。因此,下大力气调整能源结构,才是解决雾霾(大气污染)问题的根本出路。
人们日常生产、生活使用的能源,主要包括电力、燃料两部分,我国目前使用的电力有3/4是由热力发电提供的,现代工业技术条件下,电力和燃料是可以根据需要便宜转换的。就终端消费而言,电力是最为方便清洁的能源;传统的燃料,天然气以降无论是煤炭,还是石油制品都因为其成分复杂,燃烧提供热力和动力后都难以避免地产生出诸如粉尘、硫氧化物、氮氧化物、烃类等构成雾霾的物质,而这些雾霾物质的清洁,不仅技术上难度大、经济上代价也很高。近年来,由于预测到石油等化石能源的枯竭为期不远,全世界都在积极寻求发展可再生的清洁能源,特别是风力发电、太阳能发电技术上已经取得了长足的进步。科学家们测算,地球上蕴藏的自然能源十分丰富,可谓取之不尽、用之不竭。但是,由于风能、太阳能等自然能源具有连续性、稳定性不良等特质,与人们生产、生活对电力稳定性的要求形成了难以调和的矛盾。解决这个矛盾的途径已经十分明确,就是研发大规模储能技术,先将不稳定的电力能源储备起来,然后通过工业装置稳定地释放上网或直接供给用电设备。人们对大规模储能技术的研发已经走过几十年的历程,但是,迄今还没有找到一种理想的工业技术。为此,笔者提出以一种化工产品---甲醇作为储能物质的新思路,建立新能源发电→电解水制氢气→H2+CO(CO2)= CH4O(合成甲醇)→发电、供热能、动力能源体系(CO主要来源于煤化工、CO2主要来源于烟道气回收),可望一举解决这个问题。
一、 甲醇是新能源(风能、光伏等)发电近乎完美的储能产品
1、 甲醇作为基础能源,实质上是由业已研讨了几十年的氢能源(氢经济)的发展而来的,美国诺贝尔化学奖得主乔治A奥拉教授20xx年发表的《跨越油气时代---甲醇经济》著作也持这个观点。电解水制氢气(H2), H2+CO(CO2)=CH3OH 合成甲醇。这两个化工单元技术成熟、可靠;电解水制氢气,负荷宽幅可调,开停方便,与新能源(风能、光伏等)发电,适配性良好。在工业实践方面,世界上每年有250万吨以上的氢气是电解法生产的,我国在役大型发电机组发电机內冷却所用氢气,大多数也是电解水制备的;目前,全世界已形成合成甲醇的生产能力近一亿吨,我国为头号生产大国,现有生产能力5400万吨/年。
2、 甲醇在常态下理化性能、环境毒害程度与汽油相当,现有燃料油储运设施完全可以通用。因此,甲醇作为基础能源,在技术上、经济上乃至安全性等方面远胜于氢气和天然气。
3、 甲醇又名木醇,最初是在干馏木材时得到的化学品,是由碳、氢、氧三个化学元素组成,暗合大自然植物——动物能量循环法则。因此,甲醇是天然的化学品,具有绿色本质。
4、 现代化工生产的甲醇产品纯度高、性能稳定,不仅是化学工业的良好原料,作为燃料能量密度较高(相当于汽油的一半)、本身含50%(质量比)氧、与空气配合燃烧效率高于石油制品、温度相对较低,基本无污染产物。这对解决我国目前的大气污染问题大有裨益。
5、 甲醇用于涡扇发动机,由于其汽化潜热较高(是汽油的3.7倍,相当于水的一半)可以研发发动机自体热回收系统,代替现有燃气——蒸汽联合循环系统中的蒸汽余热回收体系,这样就不存在朗肯循环的冷端损失问题,可望大幅度提高热能利用效率,同时,简化了系统、降低了建设、运营成本,还节约了宝贵的水资源;另外,由于甲醇的燃烧温度(900-1000℃)比天然气和石油制品的燃烧温度(目前在1400℃以上)低许多,大大有利于涡扇发动机对材料的选择。按照目前能源产品价格计算,甲醇代替天然气(含石油产品)燃气轮机发电还具有成本低廉(进口价:液化天然气是甲醇的6倍以上)优势。
二、 需要解决的具体技术问题
1、电解水制氢气,我国在役的电解设备隔膜仍以石棉绒为主,一般电解效率(电能转化率)在54%左右,据报导,国外已经开发出多种有机和无机质子膜,其电解效率可达到80-90%、90%以上的报道已不鲜见;其次是电解槽单体规模太小,目前国内报道的电解槽最大装机为3000KVA,而美国的最大装机已达110000 KVA;众所周知,工业生产中,规模与效率是密切相关的。
2、高