熱電氣體發電及化工合成裝置原理探索

曾令倫

(阿壩縣人民武裝部 四川 阿壩 624600)

能源是社會生產力發展的基本驅動力，是人類賴以生存的基礎；能源發展，是當今世界共同關心的話題.隨著經濟社會發展，世界各國能源需求不斷增加，但當前世界能源消費仍以化石燃料等常規能源為主，人類面臨的能源危機日趨嚴重[1].加大可再生能源的研發利用和發展新能源，是緩解能源危機的一項長遠戰略.模擬人工光合作用，實現糧食工業化生成，擺脫對地球環境和天氣的依賴，是人類千百年來夢寐以求的理想.本文就是圍繞實現這個夢想，研制一種熱電氣體發電及化工合成裝置，集發電、產氫、產氧、產純凈水等功能于一體，并模擬人工光合作用，生產出葡萄糖.

1 現有研究成果

傳統的電氣體發電和磁流體發電[2]，都只是利用等離子氣體中的一種帶電粒子(正離子或電子)作為載流子，太陽能電池也只利用了太陽光能，普遍存在著功率和效率不夠高、生產成本偏高等問題.氫氣和氧氣是重要的能源材料、功能材料，目前制取方法多但還不夠先進，普遍需要消耗燃料、電能和原材料，生產成本也偏高[1,3].

2 微觀分析電離水蒸氣可行性

水分子H2O有2個極性共價鍵O-H，斷開第1個共價鍵需耗能502 kJ/mol，斷開第2個共價鍵需耗能426 kJ/mol，1個O-H鍵的平均鍵能為465 kJ/mol[4].當氣溫升至3 000 K左右時，水分子開始離解成不帶電的自由基H,OH,O，并生成部分H2,O2；但要使這些自由基電離，需升至上萬K高溫[4].所以，單純的常規加熱手段很難使水蒸氣電離.但如果預借電能(類似“貸款”)建立超強電場，對高溫水蒸氣實施電暈放電(如施加3×104V電壓[5])，斷裂其極性共價鍵，先離解成自由基H,OH,O，因H的還原性較強，易失電子，而OH,O的氧化性較強，易得電子，繼續電暈放電將產生電子e,H+,OH-,O2-，噴入發電通道，遇到垂直磁場，受到洛倫茲力作用，正負帶電粒子偏轉分離，e,OH-,O2-集結到一個極板上，形成負極板；H+集結到另一個極板上，形成正極板.正負極板通過電路對外輸出電能，并償還預借電能(類似“還款并付利息”).液態水吸收太陽能變為高溫高壓水蒸氣后內能增加，分子活動加劇，被電離就越容易；逆向看，水溫越低，其內能越小，越難電離，尤其是變為固態冰后，幾乎不能電離.因此，電離高溫高壓水蒸氣，從微觀上看是可行的，從能量消費角度看是有贏利的.

3 研制熱電氣體發電機

采取開環循環方式，以過濾凈化后的普通水為工質，充分吸收太陽能后變為高溫高壓水蒸氣，噴入電離室實施電暈放電，生成等離子氣體，噴入發電通道發電.發電機輸電過程中，負極板上電子e轉移到正極板上，OH-,O2-放電后生成O2,H2O，其釋放的電子也轉移到正極板上；正極板上H+吸收電子后生成H2.本發電機包括吸能裝置、電離室、發電通道、永磁體、基本電路等.

3.1 研制吸能裝置設計

如圖1所示，用石英玻璃制作2個球形太陽能吸收器，上半球及中央部位透明；下小半球不透明，外覆保溫材料，下接底座；球殼用球形網包繞，球內安放1個四瓣形吸熱板，入球管口設有單向閥門，球體下端設有排垢管道.2個吸收器通過單向高壓噴氣閥連接(圖2).

圖1 球形太陽能吸收器示意圖

圖2 單向高壓噴氣閥示意圖

如圖2所示，啟用吸收器時，回收壓縮機活塞，暢通噴口，調節螺栓，保持適當壓力；給1號吸收器加注部分水，吸收太陽能后變為水蒸氣，滲透過濾層，經噴口、壓縮管道噴入2號吸收器；當2號吸收器中水蒸氣與1號吸收器氣壓平衡時，啟動1號壓縮機，將1號吸收器中水蒸氣強行壓入2號吸收器，繼續吸熱升溫，生成高溫高壓水蒸氣，經自動控制閥門噴入電離室.

自動控制閥門由氣壓敏感裝置(圖3)和開關閥門裝置(圖4)組成，安裝在輸氣管道上.氣壓敏感裝置利用活塞、彈簧感受氣壓變化，上下滑動，使得上下兩對導電接頭交替連通、斷開.開關閥門裝置設有開管線圈、關管線圈，它們交替通電、交替吸引條形永磁體，牽引管中圓門隨之轉動.

因吸收太陽能加熱水升溫較慢，僅靠1套吸能裝置難以持續供應高溫高壓水蒸氣.所以設置x套(如9套)吸能裝置，配備x組(如9組)自動控制閥門.采用自動控制閥門電路，輪流啟用各套吸能裝置水蒸氣.

圖3 氣壓敏感開關示意圖 圖4 自動控制閥門橫截面圖

3.2 電離室設計

圖5 電離室立體圖

如圖5所示，電離室為一個長方體雙層絕緣隔熱陶瓷柜，外圍套裝一層磁屏蔽管，柜內壁安裝一層耐高溫抗氧化導電板.在室內進氣方向上，先設置一組電氣石網，再平行間隔設置三組放電棒網，將電離室橫向分割；第1,2組放電棒網由2n對放電柱(圖中只例舉2對)并成一面組成，形成兩道嚴密的放電棒網，將放電室橫截分割；第3組放電棒網由一對放電柱并成一面組成，靠近電離室出口端；每條放電柱套裝一層耐高溫絕緣陶瓷，柱上設有左右兩排針狀形放電棒，它們并成一面穿過陶瓷伸出針尖；相鄰兩條放電柱極性相反，其柱上放電棒針鋒相對；三組放電棒網前后正對的放電柱極性相反，在進氣方向上第1,2,3組最右邊的放電柱分別接高壓正極、負極、正極，其最左邊的放電柱分別接高壓負極、正極、負極.當放電柱接上高壓直流電(如3×104V)后，各組放電棒網內產生超強電場.高溫高壓水蒸氣噴入該電場后，發生電暈放電[5]，水分子先后被離解成自由基、電離成等離子體，從電離室噴出時受到第3組放電棒網作用，正、負帶電粒子分別向左、右偏轉，呈曲線噴入發電通道，為下步偏轉分離作些鋪墊.

3.3 發電通道設計

圖6 發電通道橫截面圖

如圖6所示，發電通道為一個正四棱錐體截體形陶瓷柜，與電離室緊密相連，上下兩壁為耐高溫絕緣陶瓷，左右兩側壁為耐高溫抗氧化導電板，作為正負極板，與上下絕緣壁相連接，兩極板上間隔設置三組脊峰形收集擋板，用相同導電材料制成，極板及收集擋板上開設若干個小孔氣隙，兩極板的第1,2,3號收集擋板相對設置，在進氣方向上三組收集擋板的脊峰由短變長，前兩組相對擋板的脊峰長度彼此相同，第3組擋板左邊短、右邊長，相互連接，其脊峰段用耐高溫絕緣陶瓷制成，并與上下絕緣通道壁相連，將通道底部封閉起來.正負帶電粒子噴入發電通道時，遇到由上至下的垂直磁場，在洛倫茲力作用下向左右偏轉.電子e質量小、體積小，遇到微粒發生碰撞，再偏轉、再碰撞，最后偏轉到通道進口附近右側極板上.OH-,O2-受到洛倫茲力作用向右偏轉過程中，遇到微粒也會發生碰撞，因其質量大、橫截面大，連碰幾下不再偏轉了，但軌跡方向是偏向右側極板的，它們隨氣流“大部隊”向前運動過程中，被右側極板上三組脊峰形收集擋板攔阻，順勢沿著極板及擋板上小孔氣隙滑出，并被右側極板及擋板收集，集中到其中部、后方區域.H+受到洛倫茲力作用向左偏轉過程中，遇到微粒也會發生碰撞，也因質量和橫截面較大，連碰幾下不再偏轉了，但軌跡方向是偏向左側極板的，被左側極板上三組脊峰形收集擋板攔阻，隨氣流沿小孔氣隙滑出時被左側極板及擋板收集，集中到其中部、后方區域.因OH-,O2-相對H+而言，質量、橫截面更大，更易被氣流裹攜帶走，偏轉效應更低，所以,第3組收集擋板左邊短、右邊長.右側極板及擋板收集了大量e,OH-,O2-而成為發電機負極，左側極板及擋板收集了大量H+而成為發電機正極.這樣，所有正負帶電粒子都成了載流子.

兩張正負極板分別向側外延伸，連接上、下、外三張導電板，各自圍制成1個梯形長方體放電室.第3組收集擋板也向通道后方延伸，對外連接上、下、外三張導電板，圍制成1個長方體放電室.各極板的側方放電室、后方放電室連為一體,各內極板及其收集擋板、放電室外壁，均開設若干個小孔氣隙.兩個放電室外圍用耐高溫絕緣隔熱材料包圍，相互間留有空隙，作為側方收氣室,通道后方放電室與外圍耐高溫絕緣隔熱材料間也留有空隙，作為后方收氣室.每個放電室的側方收氣室、后方收氣室連為一體.正負帶電粒子隨氣流偏轉到正負極板及擋板上，經小孔氣隙進入放電室，各自在室壁上放電產生H2和O2,H2O，通過外室壁小孔氣隙進入收氣室、排氣管，再由排氣泵輸出.

3.4 磁場設計

采用永磁材料制成一個半封閉矩形磁性瓷體，其臂長大于缺口間距，缺口作為工作空間.考慮缺口邊緣效應，缺口空間稍大于工作空間.采取掛接強直流線圈方法保留較強磁性，而后卸掉線圈.

3.5 基本電路設計

如圖7所示，將熱電氣體發電機與蓄電池組、濾波電容、穩壓二極管、逆變器、自動控制閥門供電電路并聯，逆變器連接外電路.發電機啟動時，閉合開關S4，由蓄電池組輸電，其直流電經逆變后變為常壓交流電，經變壓器升壓、橋堆整流后變為高壓直流電，接入電離室內3對放電導線.發電機啟動后，隨著兩極板上帶電粒子越聚越多，電量逐步增大，通過導線對外輸電，蓄電池組被充電.當水蒸氣供應中斷時，發電機停止發電，由蓄電池組繼續對外供電.為保持輸出電壓穩定和保護蓄電池組，分別設計一個穩壓電路1,穩壓電路2.

圖7 基本電路

3.6 發電公式推導

設液態水分子間氫鍵鍵能為E氫鍵，氫氧原子間共價鍵鍵能為E共價鍵,電離自由基H,OH,O,需耗能E自由基.正負離子在水中移動時克服粘滯阻力和微粒間碰撞，需耗能E粘碰.正負離子到達電源兩極吸收電能變為中性原子，需耗電E吸電.設電解液態水共需借電E水借.液態水吸能變為高溫、高壓水蒸氣增加的熱力學能為ΔU水增，電暈放電需借電E氣借.對于一定數量的水，常溫下使其電解，需借電能為

E水借=E氫鍵+E共價鍵+E自由基+

E粘碰+E吸電

(1)

而使同樣數量的水變為高溫蒸氣后實施電暈放電，需借電能為

E氣借=E共價鍵+E自由基-ΔU水增

(2)

所以

E水借-E氣借=E氫鍵+E粘碰+

E吸電+ΔU水增

(3)

可見，電解常溫水要比電離高溫高壓水蒸氣多借一些電能.水吸熱越多，溫度升得越高，增加的熱力學能越大，需借用的電能就越少，這減少的部分，就來自太陽能.所以，吸收的太陽能對電離水蒸氣作出了貢獻.

因為太陽1 s內垂直照射在地球表面1 m2上的能量約為1 350 J[5].設每個吸收器橫截面積為S，2個串聯的吸收器為1套，設有x套.用來加熱工質氣體的熱量與吸收器吸熱量之比，稱為吸收效率，用η吸表示.則在t吸時間內，水增加的熱力學能為

ΔU水增=∑Q吸η吸

代入數據得

ΔU水增=2.7×103Sxt吸η吸J

(4)

假設有nmol水蒸氣大部分被電離成等離子體，其電離率為η電離.測出發電機正負極間電壓U，可得發電量

W發=UQ=U(n正粒子+n負粒子)NAe

(5)

代入數據得

W發=1.926×105nη電離UJ

式中NA為阿伏加德羅常數，e為基本電量.設發電機內部耗電為E內耗，對外凈輸出電能為

E凈=W發-E氣借-E內耗

代入數據得

E凈= 1.926×105nη電離U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

E共價鍵-E自由基-E內耗

(6)

設離解水分子第1個、第2個共價鍵的比率為η離解1,η離解2.第1次離解nmol水生成自由基H,OH均為nη離解1mol，第2次離解自由基OH生成自由基H,O均為nη離解1η離解2mol，保留自由基OH為(nη離解1-nη離解1η離解2)mol.兩次離解，共生成自由基H為n(η離解1+η離解1η離解2)mol,生成O為nη離解1η離解2mol.根據水分子第1,2個共價鍵鍵能[4]，離解nmol水需耗能

E共價鍵= 502×103nη離解1+426×103nη離解1η離解2=

(502 +426η離解2)×103nη離解1J

(7)

將自由基H,OH,O電離成電子e,H+,OH-,O2-，又需耗能；但電子被OH,O自動吸附，變為OH-,O2-，無需耗能.已知H的第一電離能為1 312.0 kJ/mol[5].對nmol水蒸氣產生的自由基H電離，需耗能

E自由基= 1 312.0×103n(η離解1+η離解1η離解2)=

1 312×103nη離解1(1+η離解2)

(8)

所以

E凈=1.926×105nη電離U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

(502 +426η離解2)×103nη離解1-1 312×103nη離解1

(1+η離解2)-E內耗

(9)

(10)

4 設計化工合成裝置

結合現代二氧化碳分離捕集、固定利用技術[6]和人工光合作用研究成果[7]，將發電機產生的氫氣，與捕集的二氧化碳壓入密閉裝置，在不同催化劑、溶劑和陽光作用下，分別生成甲醇CH3OH或甲醛HCHO作為化工原料；將生成的甲醛再次壓入高壓裝置，加入多種酶和純凈水，根據需要吸收陽光，發生化學合成反應，生成葡萄糖C6H12O6水溶液.本裝置包括氧氣水蒸氣分離裝置、氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置，或氫氣加二氧化碳合成甲醛裝置、甲醛合成葡萄糖裝置.

如圖8所示，負極放電室產生的熱氧氣、水蒸氣，輸至水箱后密閉冷卻輸出，氧氣自然逸出，水蒸氣降溫變為純凈水輸出，用于生活及其他用途,普通水預熱后，輸入1號吸收器作為工質.

圖8 氧氣水蒸氣分離裝置

如圖9所示，氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置與球形太陽能吸收器相似，區別在于用小半球吸熱內殼取代四瓣形吸熱板，球體變小.將正極放電室產生的H2與CO2壓入該裝置，在催化劑Cu/ZnO/Al2O3

作用下合成甲醇[6]，作為工業原料.產物混合體中的H2，CO2被回收重復參加反應,普通水預熱后，輸入1號吸收器作為工質.

氫氣加二氧化碳合成甲醛裝置與氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置相似，區別在于用雙環戊二烯鎳作催化劑，以丁醇水混合液為溶劑,氫氣與二氧化碳在其作用下，生成甲醛[7].產物混合體中的H2，CO2被回收重復參加反應,普通水預熱后，輸入1號吸收器作為工質.

甲醛合成葡萄糖裝置與氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置相似，區別在于注入甲醛HCHO后，需添加11種酶[7]和純凈水，根據需要吸收陽光，生成葡萄糖C6H12O6，溶于水中輸出，作為一種生活原料.產物混合體中的甲醛，被回收重復參加反應,普通水預熱后，輸入1號吸收器作為工質.

圖9 氫氣加二氧化碳合成甲醇裝置

5 初步結論

本裝置利用陽光、過濾凈化后的普通水(甚至海水、被污染的水)、二氧化碳和催化劑、多種酶，實現既發電，又產氫、產氧、產純凈水，并利用氫氣與二氧化碳合成甲醇或甲醛，再用甲醛生成葡萄糖，初步探索了一條人工光合作用途徑，為人類下步遨游太空和外星球提供基礎保障設施.

參考文獻

1 李為民,王龍耀,許娟.現代能源化工技術.北京：化學工業出版社，2011.4

2 童建忠.“八六三”計劃能源技術領域研究工作進展(第四篇，1986～2000).燃煤磁流體發電技術，2001.1

3 張輝，王和平.制氧技術.北京：化學工業出版社，2011.7

4 網上《共價鍵的鍵能》、《想請問下水蒸氣等離子體里面包含哪些粒子》

5 網上《空氣擊穿電壓》、《太陽輻射-太陽常數》、《元素電離能表》

6 王獻紅，王佛松.二氧化碳的固定和利用.北京：化學工業出版社，2011.6

7 黃衛東.氫能或電能驅動的人工光合作用固定CO2合成糖.中國科學技術大學學報，2011,41(5)