热电气体发电及化工合成装置原理探索

曾令伦

(阿坝县人民武装部 四川 阿坝 624600)

能源是社会生产力发展的基本驱动力，是人类赖以生存的基础；能源发展，是当今世界共同关心的话题.随着经济社会发展，世界各国能源需求不断增加，但当前世界能源消费仍以化石燃料等常规能源为主，人类面临的能源危机日趋严重[1].加大可再生能源的研发利用和发展新能源，是缓解能源危机的一项长远战略.模拟人工光合作用，实现粮食工业化生成，摆脱对地球环境和天气的依赖，是人类千百年来梦寐以求的理想.本文就是围绕实现这个梦想，研制一种热电气体发电及化工合成装置，集发电、产氢、产氧、产纯净水等功能于一体，并模拟人工光合作用，生产出葡萄糖.

1 现有研究成果

传统的电气体发电和磁流体发电[2]，都只是利用等离子气体中的一种带电粒子(正离子或电子)作为载流子，太阳能电池也只利用了太阳光能，普遍存在着功率和效率不够高、生产成本偏高等问题.氢气和氧气是重要的能源材料、功能材料，目前制取方法多但还不够先进，普遍需要消耗燃料、电能和原材料，生产成本也偏高[1,3].

2 微观分析电离水蒸气可行性

水分子H2O有2个极性共价键O-H，断开第1个共价键需耗能502 kJ/mol，断开第2个共价键需耗能426 kJ/mol，1个O-H键的平均键能为465 kJ/mol[4].当气温升至3 000 K左右时，水分子开始离解成不带电的自由基H,OH,O，并生成部分H2,O2；但要使这些自由基电离，需升至上万K高温[4].所以，单纯的常规加热手段很难使水蒸气电离.但如果预借电能(类似“贷款”)建立超强电场，对高温水蒸气实施电晕放电(如施加3×104V电压[5])，断裂其极性共价键，先离解成自由基H,OH,O，因H的还原性较强，易失电子，而OH,O的氧化性较强，易得电子，继续电晕放电将产生电子e,H+,OH-,O2-，喷入发电通道，遇到垂直磁场，受到洛伦兹力作用，正负带电粒子偏转分离，e,OH-,O2-集结到一个极板上，形成负极板；H+集结到另一个极板上，形成正极板.正负极板通过电路对外输出电能，并偿还预借电能(类似“还款并付利息”).液态水吸收太阳能变为高温高压水蒸气后内能增加，分子活动加剧，被电离就越容易；逆向看，水温越低，其内能越小，越难电离，尤其是变为固态冰后，几乎不能电离.因此，电离高温高压水蒸气，从微观上看是可行的，从能量消费角度看是有赢利的.

3 研制热电气体发电机

采取开环循环方式，以过滤净化后的普通水为工质，充分吸收太阳能后变为高温高压水蒸气，喷入电离室实施电晕放电，生成等离子气体，喷入发电通道发电.发电机输电过程中，负极板上电子e转移到正极板上，OH-,O2-放电后生成O2,H2O，其释放的电子也转移到正极板上；正极板上H+吸收电子后生成H2.本发电机包括吸能装置、电离室、发电通道、永磁体、基本电路等.

3.1 研制吸能装置设计

如图1所示，用石英玻璃制作2个球形太阳能吸收器，上半球及中央部位透明；下小半球不透明，外覆保温材料，下接底座；球壳用球形网包绕，球内安放1个四瓣形吸热板，入球管口设有单向阀门，球体下端设有排垢管道.2个吸收器通过单向高压喷气阀连接(图2).

图1 球形太阳能吸收器示意图

图2 单向高压喷气阀示意图

如图2所示，启用吸收器时，回收压缩机活塞，畅通喷口，调节螺栓，保持适当压力；给1号吸收器加注部分水，吸收太阳能后变为水蒸气，渗透过滤层，经喷口、压缩管道喷入2号吸收器；当2号吸收器中水蒸气与1号吸收器气压平衡时，启动1号压缩机，将1号吸收器中水蒸气强行压入2号吸收器，继续吸热升温，生成高温高压水蒸气，经自动控制阀门喷入电离室.

自动控制阀门由气压敏感装置(图3)和开关阀门装置(图4)组成，安装在输气管道上.气压敏感装置利用活塞、弹簧感受气压变化，上下滑动，使得上下两对导电接头交替连通、断开.开关阀门装置设有开管线圈、关管线圈，它们交替通电、交替吸引条形永磁体，牵引管中圆门随之转动.

因吸收太阳能加热水升温较慢，仅靠1套吸能装置难以持续供应高温高压水蒸气.所以设置x套(如9套)吸能装置，配备x组(如9组)自动控制阀门.采用自动控制阀门电路，轮流启用各套吸能装置水蒸气.

图3 气压敏感开关示意图 图4 自动控制阀门横截面图

3.2 电离室设计

图5 电离室立体图

如图5所示，电离室为一个长方体双层绝缘隔热陶瓷柜，外围套装一层磁屏蔽管，柜内壁安装一层耐高温抗氧化导电板.在室内进气方向上，先设置一组电气石网，再平行间隔设置三组放电棒网，将电离室横向分割；第1,2组放电棒网由2n对放电柱(图中只例举2对)并成一面组成，形成两道严密的放电棒网，将放电室横截分割；第3组放电棒网由一对放电柱并成一面组成，靠近电离室出口端；每条放电柱套装一层耐高温绝缘陶瓷，柱上设有左右两排针状形放电棒，它们并成一面穿过陶瓷伸出针尖；相邻两条放电柱极性相反，其柱上放电棒针锋相对；三组放电棒网前后正对的放电柱极性相反，在进气方向上第1,2,3组最右边的放电柱分别接高压正极、负极、正极，其最左边的放电柱分别接高压负极、正极、负极.当放电柱接上高压直流电(如3×104V)后，各组放电棒网内产生超强电场.高温高压水蒸气喷入该电场后，发生电晕放电[5]，水分子先后被离解成自由基、电离成等离子体，从电离室喷出时受到第3组放电棒网作用，正、负带电粒子分别向左、右偏转，呈曲线喷入发电通道，为下步偏转分离作些铺垫.

3.3 发电通道设计

图6 发电通道横截面图

如图6所示，发电通道为一个正四棱锥体截体形陶瓷柜，与电离室紧密相连，上下两壁为耐高温绝缘陶瓷，左右两侧壁为耐高温抗氧化导电板，作为正负极板，与上下绝缘壁相连接，两极板上间隔设置三组脊峰形收集挡板，用相同导电材料制成，极板及收集挡板上开设若干个小孔气隙，两极板的第1,2,3号收集挡板相对设置，在进气方向上三组收集挡板的脊峰由短变长，前两组相对挡板的脊峰长度彼此相同，第3组挡板左边短、右边长，相互连接，其脊峰段用耐高温绝缘陶瓷制成，并与上下绝缘通道壁相连，将通道底部封闭起来.正负带电粒子喷入发电通道时，遇到由上至下的垂直磁场，在洛伦兹力作用下向左右偏转.电子e质量小、体积小，遇到微粒发生碰撞，再偏转、再碰撞，最后偏转到通道进口附近右侧极板上.OH-,O2-受到洛伦兹力作用向右偏转过程中，遇到微粒也会发生碰撞，因其质量大、横截面大，连碰几下不再偏转了，但轨迹方向是偏向右侧极板的，它们随气流“大部队”向前运动过程中，被右侧极板上三组脊峰形收集挡板拦阻，顺势沿着极板及挡板上小孔气隙滑出，并被右侧极板及挡板收集，集中到其中部、后方区域.H+受到洛伦兹力作用向左偏转过程中，遇到微粒也会发生碰撞，也因质量和横截面较大，连碰几下不再偏转了，但轨迹方向是偏向左侧极板的，被左侧极板上三组脊峰形收集挡板拦阻，随气流沿小孔气隙滑出时被左侧极板及挡板收集，集中到其中部、后方区域.因OH-,O2-相对H+而言，质量、横截面更大，更易被气流裹携带走，偏转效应更低，所以,第3组收集挡板左边短、右边长.右侧极板及挡板收集了大量e,OH-,O2-而成为发电机负极，左侧极板及挡板收集了大量H+而成为发电机正极.这样，所有正负带电粒子都成了载流子.

两张正负极板分别向侧外延伸，连接上、下、外三张导电板，各自围制成1个梯形长方体放电室.第3组收集挡板也向通道后方延伸，对外连接上、下、外三张导电板，围制成1个长方体放电室.各极板的侧方放电室、后方放电室连为一体,各内极板及其收集挡板、放电室外壁，均开设若干个小孔气隙.两个放电室外围用耐高温绝缘隔热材料包围，相互间留有空隙，作为侧方收气室,通道后方放电室与外围耐高温绝缘隔热材料间也留有空隙，作为后方收气室.每个放电室的侧方收气室、后方收气室连为一体.正负带电粒子随气流偏转到正负极板及挡板上，经小孔气隙进入放电室，各自在室壁上放电产生H2和O2,H2O，通过外室壁小孔气隙进入收气室、排气管，再由排气泵输出.

3.4 磁场设计

采用永磁材料制成一个半封闭矩形磁性瓷体，其臂长大于缺口间距，缺口作为工作空间.考虑缺口边缘效应，缺口空间稍大于工作空间.采取挂接强直流线圈方法保留较强磁性，而后卸掉线圈.

3.5 基本电路设计

如图7所示，将热电气体发电机与蓄电池组、滤波电容、稳压二极管、逆变器、自动控制阀门供电电路并联，逆变器连接外电路.发电机启动时，闭合开关S4，由蓄电池组输电，其直流电经逆变后变为常压交流电，经变压器升压、桥堆整流后变为高压直流电，接入电离室内3对放电导线.发电机启动后，随着两极板上带电粒子越聚越多，电量逐步增大，通过导线对外输电，蓄电池组被充电.当水蒸气供应中断时，发电机停止发电，由蓄电池组继续对外供电.为保持输出电压稳定和保护蓄电池组，分别设计一个稳压电路1,稳压电路2.

图7 基本电路

3.6 发电公式推导

设液态水分子间氢键键能为E氢键，氢氧原子间共价键键能为E共价键,电离自由基H,OH,O,需耗能E自由基.正负离子在水中移动时克服粘滞阻力和微粒间碰撞，需耗能E粘碰.正负离子到达电源两极吸收电能变为中性原子，需耗电E吸电.设电解液态水共需借电E水借.液态水吸能变为高温、高压水蒸气增加的热力学能为ΔU水增，电晕放电需借电E气借.对于一定数量的水，常温下使其电解，需借电能为

E水借=E氢键+E共价键+E自由基+

E粘碰+E吸电

(1)

而使同样数量的水变为高温蒸气后实施电晕放电，需借电能为

E气借=E共价键+E自由基-ΔU水增

(2)

所以

E水借-E气借=E氢键+E粘碰+

E吸电+ΔU水增

(3)

可见，电解常温水要比电离高温高压水蒸气多借一些电能.水吸热越多，温度升得越高，增加的热力学能越大，需借用的电能就越少，这减少的部分，就来自太阳能.所以，吸收的太阳能对电离水蒸气作出了贡献.

因为太阳1 s内垂直照射在地球表面1 m2上的能量约为1 350 J[5].设每个吸收器横截面积为S，2个串联的吸收器为1套，设有x套.用来加热工质气体的热量与吸收器吸热量之比，称为吸收效率，用η吸表示.则在t吸时间内，水增加的热力学能为

ΔU水增=∑Q吸η吸

代入数据得

ΔU水增=2.7×103Sxt吸η吸J

(4)

假设有nmol水蒸气大部分被电离成等离子体，其电离率为η电离.测出发电机正负极间电压U，可得发电量

W发=UQ=U(n正粒子+n负粒子)NAe

(5)

代入数据得

W发=1.926×105nη电离UJ

式中NA为阿伏加德罗常数，e为基本电量.设发电机内部耗电为E内耗，对外净输出电能为

E净=W发-E气借-E内耗

代入数据得

E净= 1.926×105nη电离U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

E共价键-E自由基-E内耗

(6)

设离解水分子第1个、第2个共价键的比率为η离解1,η离解2.第1次离解nmol水生成自由基H,OH均为nη离解1mol，第2次离解自由基OH生成自由基H,O均为nη离解1η离解2mol，保留自由基OH为(nη离解1-nη离解1η离解2)mol.两次离解，共生成自由基H为n(η离解1+η离解1η离解2)mol,生成O为nη离解1η离解2mol.根据水分子第1,2个共价键键能[4]，离解nmol水需耗能

E共价键= 502×103nη离解1+426×103nη离解1η离解2=

(502 +426η离解2)×103nη离解1J

(7)

将自由基H,OH,O电离成电子e,H+,OH-,O2-，又需耗能；但电子被OH,O自动吸附，变为OH-,O2-，无需耗能.已知H的第一电离能为1 312.0 kJ/mol[5].对nmol水蒸气产生的自由基H电离，需耗能

E自由基= 1 312.0×103n(η离解1+η离解1η离解2)=

1 312×103nη离解1(1+η离解2)

(8)

所以

E净=1.926×105nη电离U+ 2.7×103Sxt吸η吸-

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

(1+η离解2)-E内耗

(9)

(10)

4 设计化工合成装置

结合现代二氧化碳分离捕集、固定利用技术[6]和人工光合作用研究成果[7]，将发电机产生的氢气，与捕集的二氧化碳压入密闭装置，在不同催化剂、溶剂和阳光作用下，分别生成甲醇CH3OH或甲醛HCHO作为化工原料；将生成的甲醛再次压入高压装置，加入多种酶和纯净水，根据需要吸收阳光，发生化学合成反应，生成葡萄糖C6H12O6水溶液.本装置包括氧气水蒸气分离装置、氢气加二氧化碳合成甲醇装置，或氢气加二氧化碳合成甲醛装置、甲醛合成葡萄糖装置.

如图8所示，负极放电室产生的热氧气、水蒸气，输至水箱后密闭冷却输出，氧气自然逸出，水蒸气降温变为纯净水输出，用于生活及其他用途,普通水预热后，输入1号吸收器作为工质.

图8 氧气水蒸气分离装置

如图9所示，氢气加二氧化碳合成甲醇装置与球形太阳能吸收器相似，区别在于用小半球吸热内壳取代四瓣形吸热板，球体变小.将正极放电室产生的H2与CO2压入该装置，在催化剂Cu/ZnO/Al2O3

作用下合成甲醇[6]，作为工业原料.产物混合体中的H2，CO2被回收重复参加反应,普通水预热后，输入1号吸收器作为工质.

氢气加二氧化碳合成甲醛装置与氢气加二氧化碳合成甲醇装置相似，区别在于用双环戊二烯镍作催化剂，以丁醇水混合液为溶剂,氢气与二氧化碳在其作用下，生成甲醛[7].产物混合体中的H2，CO2被回收重复参加反应,普通水预热后，输入1号吸收器作为工质.

甲醛合成葡萄糖装置与氢气加二氧化碳合成甲醇装置相似，区别在于注入甲醛HCHO后，需添加11种酶[7]和纯净水，根据需要吸收阳光，生成葡萄糖C6H12O6，溶于水中输出，作为一种生活原料.产物混合体中的甲醛，被回收重复参加反应,普通水预热后，输入1号吸收器作为工质.

图9 氢气加二氧化碳合成甲醇装置

5 初步结论

本装置利用阳光、过滤净化后的普通水(甚至海水、被污染的水)、二氧化碳和催化剂、多种酶，实现既发电，又产氢、产氧、产纯净水，并利用氢气与二氧化碳合成甲醇或甲醛，再用甲醛生成葡萄糖，初步探索了一条人工光合作用途径，为人类下步遨游太空和外星球提供基础保障设施.

参考文献

1 李为民,王龙耀,许娟.现代能源化工技术.北京：化学工业出版社，2011.4

2 童建忠.“八六三”计划能源技术领域研究工作进展(第四篇，1986～2000).燃煤磁流体发电技术，2001.1

3 张辉，王和平.制氧技术.北京：化学工业出版社，2011.7

4 网上《共价键的键能》、《想请问下水蒸气等离子体里面包含哪些粒子》

5 网上《空气击穿电压》、《太阳辐射-太阳常数》、《元素电离能表》

6 王献红，王佛松.二氧化碳的固定和利用.北京：化学工业出版社，2011.6

7 黄卫东.氢能或电能驱动的人工光合作用固定CO2合成糖.中国科学技术大学学报，2011,41(5)