| 能源问题为何是社会发展的瓶颈 |
| 发布者： 发布时间：2022/11/22 15:09:19 点击：1398 |
近日，恒和环保董事长杨延相教授投稿《科普时报》，就目前能源相关的热点问题及对社会发展的影响进行了分析探讨。文章先被人民网、中华网、中国教育网、中国科技日报、今日头条、腾讯网、搜狐网、新浪网等多家主流媒体网络转发。
文章内容
现代科学揭示了宇宙中能量质量守恒的自然规律,也就是说宇宙中能量一直是存在的并且不会灭亡。人类在学会利用各种不同形式的能量以满足自身的存在发展需求后,才有了能源的概念——能源,就是可提供人类需求能量的物质。
人类需求的能量的形式主要有热能、机械能、电能和光能,这几种能量在使用时,都是要转变为其他形式的能量而消耗的。因为热力学第二定律的限制,它们最终必然消耗为环境温度状态下的热能,所以需要从多种长期稳定存在的能源物质中,将能源制造出来。
最早被人类利用的能源就是能够燃烧的木材和帮助人干体力活的家畜了。木材燃烧,将其化学能转变为热能,使人可以取暖御寒、煮饭炒菜,所以劳动者挣的工资叫作“薪水”。牲畜要吃植物,利用植物的化学能成长身体、产生力量。
 随着人类社会的不断发展,人们发现了更多的利用能源的方式。流动的河水可以用来驱动机械和发电机,不时刮起的大风可以用来驱动帆船行驶,地下挖出的煤炭石油和天然气可以产生比木材更多的热量,稳定的电力可以提供人们无穷无尽的新发明。于是人类社会以国家为单位开始逐步实现现代化了,现代化的标志之一就是耗费大量能源的现代农业和现代工业的全面建成。
生产力的现代化是建立在大量能源需求的基础之上的,这些能源主要依靠的是煤炭、石油、天然气这些化石燃料。水能、地热能、核裂变能等,目前还没有能够成为一次能源的主力。非常幸运的是,地球上这些化石燃料似乎还能够供养人类很长时间。
这些50多年前就已经大量有效使用的一次能源,包括化石燃料、水能、核裂变反应堆等,现在被称为传统能源了。而近几十年才开始或有望大量有效使用的一次能源,如光伏发电场、大型风力电场、生物质燃料、光能制氢气、核聚变反应堆等就被称为新能源。
新能源有时也指某个特殊领域中传统上不大使用的某些能源形式,例如汽车领域的新能源就包括电能。但实际上电动汽车比燃油汽车诞生的更早,只是因为那时的电动汽车商品性能远不如后来诞生的内燃机汽车,而被市场搁置了近一百年。
各种能量形式中,电能是人类使用最方便的能量形式,化学能和核能是自然界存储运输最方便的能量形式,而热能是利用化学能和核能的最方便的中间能量形式。这里,热力发动机是人类的一个关键创造,任何燃料和核反应堆的能量,都可以通过热力发动机实现其能量向电能或者机械能的高效转换。热力学为我们指明了用热力发动机高效方便地从化学能和核能生产电力和动力的方向,也明确了燃烧将燃料化学能转变为热能,再把热能转变为机械能或者电能的热转换效率天花板,即循环工作的热力发动机,其最高热效率取决于高温热源与低温热源的绝对温度差,即卡诺循环的热效率。
热力学使我们认识到热能与其他能量本质上的不同。只有来自于高温热源的热能才能够部分地转换为机械能,其余部分必然进入低温热源而再不能被热力发动机所利用。正因如此,能够直接把燃料的化学能转换为电能的燃料电池就成为更加理想的原动机。但遗憾的是,对燃料纯度的苛刻要求、质子膜和电极活性等技术难点,使高效的燃料电池的实用化仍然遥遥无期。
目前,所有热力发动机中,内燃机是能够实现最高热效率并且功率密度最高、功率范围最广、启动最方便快捷、负荷调节最方便的发动机。因此,内燃机才成为了汽车、摩托车、轮船、飞机、发电机组、工程机械、农林机械、军事装备等众多领域的主要动力。内燃机可以采用多种多样的燃料,只是为了更加适应用户的需求和出于环境保护目的的排放法规,现在市场上主要存在的仅有汽油机和柴油机了。实际上天然气内燃机、氢气内燃机等都是可以批量市场推广的。
近年来,由于环境污染和全球变暖问题被不断热炒,内燃机似乎成为了环境污染和气候变暖问题的罪魁祸首之一,但实际上,这完全是一种误解。
内燃机燃烧过程,确实会产生有害的污染环境的废气。但,经过科学家和技术人员的不断努力,当前内燃机的燃烧可以说是所有燃烧现象中最为干净的燃烧。其有害污染物的排放浓度远低于锅炉燃烧、炊具燃烧和取暖炉的燃烧,更不用说山火、垃圾堆等的非受控燃烧。符合国六标准的汽车排气,其有害物质已经降到了20年前中国汽车排放的百分之几。除启动后短时间的冷车阶段以外,汽车尾气的干净程度已经接近正常干净的空气。这样的低排放汽车,主要的技术手段就是尾气后处理技术,即在发动机排气管上安装的尾气后处理系统。它使用各种有效的催化及铺集技术,将排气中的有害物质如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物和排烟颗粒物,高效率去除,去除效率一般在90%以上。
 由于排气成分的不同,汽油机和柴油机的尾气后处理装置有一些差异。汽油机排气经过燃烧系统的精密控制,其燃烧空燃比(气缸内空气质量与燃油质量之比)被精确地控制在理论当量比,因此排气中多余的氧气很少。因此,汽油机尾气后处理采用了以贵金属为主要催化剂的三元催化器,可以同时高效处理一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物三类有害物质。而柴油机燃烧是在总体空燃比远大于理论当量比的条件下进行的,因此排气中的氧气浓度依然很高,贵金属催化剂就只能起到氧化催化器的作用,也就是只能高效处理一氧化碳、碳氢化合物,而对氮氧化物没有作用。因此柴油机就要再采用一个催化器——选择性还原催化器SCR,用以专门高效处理氮氧化物。SCR系统需要精确当量的专门的还原剂氨气,因此需要一个还原剂计量供给系统,如车用尿素液计量系统,将尿素水溶液精确计量、雾化喷入排气管,利用高温排气的热量热解尿素,生成还原剂氨气,再经过SCR催化器,将氮氧化物高效还原成无害的氮气和水蒸气。
几乎任何燃料的燃烧过程都可能形成烟雾,原因在于很难避免局部的燃料过浓燃烧。氧气不足、燃料过浓时的燃烧会生成一些高气化点的物质,它们在排气中就以固态及液态颗粒物的形式排到大气中,或粘附到所接触到的固体表面。颗粒物成分复杂,同样属于非常有害的排放物质。依靠一种非常细密的过滤装置,就能够过滤掉90%以上发动机的颗粒物排放,使发动机排烟彻底无法用肉眼看到了。
这就是国六汽车后处理系统中的GPF和DPF装置。用于汽油机的,英文简称为GPF,即汽油机颗粒物过滤器;用于柴油机的,英文简称为叫DPF,即柴油机颗粒物过滤器。两者本质上是一样的,都是用能够耐高温的蜂窝陶瓷材料制成。其中有大量的细密微孔过滤通道,排气通过陶瓷壁时,颗粒物被过滤掉,因此叫壁流式陶瓷过滤器。被过滤的颗粒物会在蜂窝陶瓷内部聚集,必须被高温氧气氧化成气体,才能够保持过滤器的通透性,这就是过滤器的再生。
再生分为被动式再生和主动式再生。被动式再生,要取决于排气平均状态是否能够维持再生燃烧颗粒物的速度大于颗粒物的累积速度,对于工况基本处于高温排气状态的汽油机和某些应用场景的柴油机,被动再生是完全能够达成平衡的。但对于大多数柴油机来说,常用工况无法维持颗粒物过滤器被动再生平衡,因此就必须有主动再生系统,一般是车载的一种自动或可外部强制启动的短时间高温排气生成系统;例如喷射不做功的燃油形成高浓度碳氢燃气,再经过氧化催化器DOC燃烧,使进入DPF的排气温度达到550°C以上,从而引燃累积的颗粒物使其燃烧掉。
发动机尾气后处理技术,近年来国内外同步快速发展。因为中国汽车国六排放法规是目前世界涉及面最广、最严格的汽车排放法规,在它的强力推动下,中外同行共同努力,已经让国产汽车及发动机水平赶上了世界先进水平。无锡恒和环保作为国内后处理产品主要供应商之一,依靠完全自主开发的世界独有的尿素计量喷射技术,以及先进的后处理系统集成技术,在国内柴油机后处理市场占有率达到10%以上,助力恒和客户的国五国六以及非道路国四柴油机产品技术处于行业领先地位。有了尾气后处理技术的不断发展,现在的发动机排放问题可以说已经不是问题,发动机排放已经不会对我们的生活及环境带来明显的危害,中国的天空也将会和发达国家的一样蔚蓝清爽!
近年来,作为温室气体之一的二氧化碳排放问题成为热点,很多人又把矛头对准了汽车及内燃机。其实以汽车为主的我国交通行业的碳排放,只占全国所有行业总碳排放的7%～10%。即使把内燃机从汽车中完全放弃,碳排放的问题解决也不到10%。作为人类自古以来赖以生存的能源,使用中几乎没有不排放二氧化碳的,当然排放当量是有差异的。如果以单位燃烧热量计算碳排放,那么,木材∶煤炭∶燃油∶天然气=2.0∶2.1∶1.5∶1.0。故就碳排放而言,燃油处于燃气和燃煤的平均水平,减少碳排放的核心是用其他能源替代燃煤。用天然气替代燃煤,就可以减少碳排放一半以上,用燃油(如果足够的话)替代燃煤,也可以减少碳排放30%。部分发达国家多年前实现了碳达峰,其原因就是采用了天然气替代燃煤的战略,而不是什么新能源战略。
目前人类社会发展遇到的******瓶颈是能源问题,而不是什么智能化、电动化问题,也不是二次能源新能源化(例如交通工具电动化等)的问题。而所谓的新能源技术,还看不到短期内解决问题的希望。温室气体是一个问题,但不是人类能够完全控制的问题。完全无碳排放是不必要的也是不可能的,因为人和动物的呼吸就会排出不少二氧化碳,还有温室气体甲烷的排放大多数与人类活动无关。
 如果我们完全放弃碳氢能源,那么只能寄希望于绿色发电和核电的全面普及。但不幸的是,绿氢一次能源地球上并不存在;风能绿电明显不够人类使用,单位成本也难以继续降低;光伏绿电理论上有可能满足人类社会现代化需求,但对土地和环境资源的影响风险未知,投资发展过程也需要很长时间。风电、光电还有一个致命缺陷,就是靠天发电,稳定性无法保证,因此才有了储能+绿电的解决方案,也是氢能源作为一种二次能源被部分人看好的根本原因。
确实,还有核电也不产生碳排放,但是现在的核裂变核能电站,排放及安全风险太大。而核聚变核电技术虽然研发了半个世纪以上,但依然看不见产业化的希望。因此,世界上很多国家激进的能源政策,是没有科学原理和可行技术支持的乌托邦政策。在新能源技术和资源还无法确保现代化人类继续发展的当今,就推出强制限制或者淘汰化石能源使用的政策法规,是要给人类社会带来灾难的。
其实,以光伏和聚变核能绿电为核心的新能源的发展过程,需要传统碳氢能源的配合逐渐过渡,过渡时间应该是百年级别的长期过程,只有这样,能源这个瓶颈问题才不会限制人类社会的现代化。绿电面临的******问题——电力供应稳定性问题,理论上其实并不致命。如果用传统化石能源,特别是低碳的天然气来作为应急调整能源,未来的能源使用就能够做到很少的碳排放,现代化的进一步发展就不会导致温室气体的过度排放。基于这样的未来社会愿景是:电动化将是所有动力的主流;以传统燃料和绿氢燃料内燃机为辅助或备用电站动力,应该是绿色电网******组合方案;氢燃料电池/高效内燃机与电池构成的节能低排混合动力系统,与绿色电动协同发展。这可能是突破人类社会发展的能源瓶颈的最可行之路。
（作者杨延相是无锡恒和环保董事长 天津大学内燃机研究所教授）
发布网站
人民网
http://www.peoplazzs.com/news/2022/1114/2963.html
中华网
https://hubei.china.com/chuangtou/2022/1109/299969126.shtml
中国教育网
http://www.cneduniws.com/edu/jyxw/3390.html
中国科技日报
http://www.zgkejizx.com/info/2022/news_4297.html
今日头条
https://www.toutiao.com/article/7164309508527899168/
腾讯
https://new.qq.com/omn/20200318/20221110A06BGM00?.html
搜狐
https://www.sohu.com/a/604472225_121493855
新浪
https://k.sina.com.cn/article_5783533029_158b9b5e500101czml.html |
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