书城科普读物新编科技大博览(A卷)——日益重要的环境科学
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第22章 绿色革命(2)

其次,减少排气污染。主要指从汽车发动机排气管排出的废气。根据汽车发动机的种类不同,其污染物的成分也不同。汽车排气污染是汽车的主要污染源,也是汽车环保的一个最主要方面。

再次,控制蒸发污染。这主要是针对汽油车的汽油蒸发。汽油是一种挥发性极强的物质,在挥发物中含有大量对人体有害的成分,所以在对汽车的环保控制中,增加了对燃油蒸发物的控制项目。

最后,避免曲轴箱污染。这是指在发动机的曲轴箱内,从发动机活塞环切口泄漏出来的未完全燃烧的可燃性气体,它含有一氧化碳等对人体有害的成分,因此决不允许发动机曲轴箱内有废气排入大气中。

“绿色汽车”成员多

目前世界主要汽车生产厂家相继开发出了电动车、混合动力车、天然气车、甲醇燃料车等多种低污染甚至零污染新车型。美国通用汽车公司的“Hydrogen3”以压缩液氢为燃料,在不需要辅助电源的情况下就可以发动行驶;丰田公司开发的“FCHV4”型汽车,把燃料电池安装在混合动力车上,利用燃料电池提供动力;戴姆勒-克莱斯勒公司的“Necar5”使用甲醇作燃料电池的燃料,在日本的试车距离已经超过了1300千米;德国宝马公司的“745hl”使用汽油和氢气作燃料,同时还安装了燃料电池,最高功率可达135千瓦,最高时速为215千米。美国一家公司开发出控制发动机排放物的新技术,在减少废气排放物的同时,继续保持了发动机原有的工作性能和可靠性,具有环保、高效的效果。发动机用户只要花费少量的开支,略微改装一下零部件,就可以使新技术很好地与发动机内部的电子部件核燃料系统相互协调运作。改装后的发动机安装更为简便,噪音可以减少50%。

在科学家的努力下,“绿色”汽车可以说是家族大,成员多,下面就让我们深入它们的家族内部看个仔细。

无烟燃料

给城市带来巨大污染的燃油总有耗尽的一日。如何获得一种富有使用前景和清洁的新能源,是人们一直在尝试的方法。目前已初步被人们用于21世纪汽车能源的主要方面有甲醇、氢气、乙醇、电能等无烟燃料。

路面上行驶的大型电车和小型电气自动车将来代替石油而应用于汽车上的燃料很有可能是甲醇、压缩天然气等。压缩天然气在室温下是气体,不适用于不出产天然气的国家。而甲醇不受地区限制。如果把柴油汽车的燃料箱及油泵镀上一层锌,并在燃烧方法上稍加改良,那么现在的柴油汽车就可直接作甲醇汽车使用,加速性能也不错。用甲醇或是用汽油均可行驶的FFV车已由日本日产汽车公司开发成功。该车在燃料箱上装备可检测甲醇浓度的传感器,并配有能自动调节与汽油、甲醇混合比相适应的点火时间及燃料喷射量的装置。日产汽车公司认为这种甲醇-汽油并用车有很好的市场前景,但却排出有害的乙醛,目前尚无法解决。

天然气汽车一次充气在普通公路上可行驶200千米,同甲醇汽车的性能差不多。而排出的二氧化碳量是汽油汽车的70%~80%,氮氧化物的排出量是柴油汽车的一半。到1993年10月,共有176辆登记注册。但设置充气站会使整个成本升高,有待进一步研究。

从对环境的影响程度来说,氢是一种理想的燃料。但因为氢气是在石油、煤、天然气等基础上制成的二次能源,而且在室温下也是气体,所以使用起来既不方便,也不经济。除非将来能够通过水的电解等方法制造出大量物美价廉的氢,否则氢气汽车就无法实现大批量应用。

能够从许多植物中提取的乙醇,是未来汽车可以选择的另一种燃料,巴西已经从80年代初期开始应用了。具有广阔的使用前景。

以氢为燃料的汽车

1991年7月,第一辆以氢为燃料的动力车在美国堪萨斯州试车。结果表明,新车可将氢能的60%~80%转变成驱动能,普通发动机汽车的汽油能的转化率仅为25%~30%。燃料电池是车体的关键部件,是由美国堪萨斯州科学院的罗杰·比林斯博士经过5年研究发明的。电池呈圆柱形,重量为45千克,寿命为25万千米。起着从普通水中提取氢和将氢转变为电能的双重作用。

日本东北电力株式会社研制的以氢燃料电池为动力的小型汽车其结构中央是氟化塑料薄膜,薄膜处在两个电极之间,电极又夹在两个气室之间,电池的工作方式与普通电池相同。从水中提取氢的过程,是将电充入电池中,从而将水分解为氢和氧。氢贮存在与气室相连的贮气罐中,罐内充满了颗粒状的铁和钛氧化物,这样氢气不会点燃或爆炸。燃料电池可连续8个小时从普通水中提取氢。每次可处理两加仑水,提取的氢可供新车行驶500千米。目前,难以但因制取氢气的成本较高,这种新型车实现商品化。英国煤气公司开发了一种便宜的提取氢气的方法。它的燃料氢气将在车体内由甲基环乙烷发生反应获得,所获氢气为传统的发动机提供动力。氢气在车行走过程中产生并被应用,无需贮存。英国贸工部已宣布支持一个为期5年,投资1100万英镑的项目以开发这种车。

混合动力汽车

为了减少汽车对空气的污染,人们采用了各种方法。比如每周确定特别的日子禁止汽车上街,或是根据汽车牌号是奇数还是偶数来隔日行驶。事实上,从1970以来,汽车尾气的排放已经降低了95%。结合电动汽车和汽油发动机优点的混合动力汽车,可以使汽车尾气的日本产的TUI-X型汽车,使用汽油和甲醇的混合燃料。它可提高冷却效果和降低燃料费排放降低更多。与同级别的普通汽车相比,它的能耗减少了90%以上,大大提高了燃料效率,专家对混合动力汽车的前景非常看好。

丰田汽车公司最新推出的Prius混合动力汽车,其混合动力系统由一台汽油发动机和一台电动机并联组成,并与一组蓄电池组相连。该车不需要外部充电,电能完全靠自身供应,只需向油箱加注汽油即可。这种车由发动机和电动机共同驱动。当全速行驶时,电动机全力辅助发动机的驱动工作。除了一边行车一边发电外,减速时动力回收再生制动器可将机械能转变为电能储存在蓄电池中。最为神奇的是,不管是启动、行车还是加速,系统可以自动判断并控制如何最有效地利用汽油和电能。比如启动时,靠电动机驱动,因为汽油机启动时排放量大;遇上红灯时,发动机会自动停止,避免以往的空转现象和无效排放。与同类的单纯汽油车相比,Prius的油耗仅为3.6升,降低了一半,二氧化碳的排放量也相应地减少了一半,其他有害气体排放降低了90%,目前该车已经投放市场。

日本本田公司也于最近推出了J-VX复合概念车,该车在新型1.0升直喷3缸高效发动机上装有一个超薄电动机作为辅助动力源。这种复合式集成电动助力动力系统,为跑车提供了充足的动力,也使其油耗和废气排放都降到了极低。

绿色电冰箱

电冰箱是一种普及型家用电器。随着容量的加大和功能的增加,电冰箱的耗电量越来越大。据统计,美国电冰箱的用电量约占家用电器用电总量的16%,在欧洲约占25%。电冰箱的氟利昂发泡剂和制冷剂是破坏臭氧层的有害气体。

为了节省用电,也为了减轻大气污染,研制绿色冰箱正成为世界各国关注的问题。绿色冰箱主要着眼于解决以下问题:采用各种低氟无氟工艺取代现有氟利昂工艺;研制新型制冷系统;改进冰箱的内部结构,提高制冷效果。

绿色电冰箱的隔热材料

隔热材料是指冰箱外箱(钢板)和内箱(ABS树脂)之间箱体夹层的一种保温材料。最常见的是采用隔热性能好的发泡剂制作的泡沫材料。

氟利昂11易于发泡,热传导率小,隔热效果好,作为冰箱隔热材料的发泡剂一直被广泛应用。每台冰箱平均需1千克发泡剂氟利昂11。

1974年,科学家们提出了氟利昂中的氯破坏臭氧层的理论,并于1985年首次在南极上空观测到臭氧层空洞。大气中的臭氧层受到破坏以后,过量的紫外线到达地面,使人类和动植物受到严重威胁。降低人的免疫力,使传染病的发病率增加,损伤眼睛,引起白内障,使皮肤癌发病率提高,还会毁灭作为海底食物链基础的浮游动植物。大量使用氟利昂物质,破坏大气臭氧层是对全球环境最严重的威胁之一。

基于这种原因,全世界发起了对氟利昂的禁用。相继形成了《保护臭氧层公约》(维也纳,1985年),《蒙特利尔议定书》(1987年),《蒙特利尔修定议定书》(伦敦,1990年:哥本哈根,1992年;维也纳,1995年)。

发达国家已从1996年1月1日起停止使用了氟利昂11,发展中国家也在2000年左右停止了使用这种物质。

目前对于氟利昂11的替代主要有两种方案,即HCFC-141b方案和环戊烷方案。HCFC-141b同氟利昂11相比,HCFC-141b的臭氧破坏潜能值小,全球升温潜能值也小。但是,HCFC-141b中仍含有氯原子,不能够成为氟利昂11的最终替代物。将于2020年在全球停止使用。

此外,同氟利昂11相比,HCFC-141b的气体热传导率大10%。对树脂的溶解性也大,对冰箱内胆ABS板材有腐蚀,需采用双层拱挤板或改性ABS板,这样会增加费用。另外,在泡沫的物理性能方面,HCFC-141b泡沫的强度低,需要改进原有工艺。

为此,在欧洲,德国首先采用了环戊烷方案,随后意大利、荷兰、英国和北欧的瑞典、丹麦、挪威等国部分采用了环戊烷方案。采用与环戊烷类似的正、异戊烷作为发泡剂的方案也已经开始实施。正、异戊烷的发泡强度和流动性都比较好,资源丰富、成本低。

环戊烷和正、异戊烷虽然不属于氟利昂,对臭氧层没有破坏,但导热系数比HCFC-141b高,隔热性能略差。美国在这个问题上认为:环戊烷等物质是一种效率比HCFC低得多的隔热物质,使用这种物质将使冰箱能耗增加10%~20%,对全球变暖产生促进作用。而欧洲作为环戊烷类物质的支持者则认为:这种冰箱抗老化性能较好,就整个生命周期而言,隔热效果与HCFC大致相同,能耗仅多2%~4%。

欧洲经过几年实践,对于环戊烷替代氟利昂11,在冰箱的能耗、成本、生产使用安全、维修、生产自动化水平等方面积累了丰富的经验。如德国博士——西门子公司的制冷器具厂年产冰箱200万台,原CFC-11年消耗6500吨,后改用环戊烷生产中采取了严格的通风、隔离、防爆、防静电、报警等措施,已经顺利生产了500万台环戊烷发泡的电冰箱。

对于其他隔热方式的研究正在继续。欧洲的一些冰箱厂开始采用真空隔热技术,真空隔热的原理同保温瓶一样,在塑料或钢板之间抽成真空,通过加入填料可以提高真空板的隔热性能。填料有玻璃纤维、硅藻土、硅石等。采用箱中套箱的方法能够更进一步地提高隔热效果。

绿色电冰箱的制冷剂

制冷剂在冰箱的制冷回路中循环,通过抽空、充注、蒸发、压缩等工艺,完成吸热和放热,实现冰箱制冷。

氟利昂12作为一种安全高效的制冷剂用于电冰箱已有60多年历史,是经过多年筛选的最优制冷剂。每台冰箱平均需要制冷剂约0.2千克。由于氟利昂12属于臭氧消耗物质和温室效应气体,同氟利昂11一样受到禁用。目前的主要替代物是CFC-134a,欧洲从1992年开始采用CFC-134a。但是,除了不破坏臭氧层、不可燃、原料生产已具规模的优点外,CFC-134a也有许多问题。采用CFC-134a后冰箱能耗会增加,由于它对矿物油的不溶性,需要改用酯类油作润滑剂,又由于它的吸水性容易在系统中造成冰堵现象,所以生产过程要求严格控制水分和零部件矿物油含量,造成生产麻烦,费用增加。

此外,还需要专用的压缩机,采用与CFC-134a不溶的辅助材料,使维修成本上升,同氟利昂12相比,冰箱制冷性能下降5%~10%,而且CFC-134a也是一种温室效应气体,全球升温潜能值为二氧化碳的1200倍。

欧洲一些企业认识到CFC-134a方案带来的麻烦,在绿色和平组织的支持下,纷纷转向R600替代方案。R600即异丁烷,作为制冷剂有许多优点:臭氧破坏潜能值和全球升温潜能值均为零;无毒无污染;制冷效率较高,每台冰箱仅需罐注两个打火机的量即可;运行压力低,噪声小,能耗降低5%~10%;与水不发生化学反应;不腐蚀金属;与氟利昂12的润滑油完全兼容。异丁烷的主要缺点是它的易燃易爆性,燃点低,爆炸极限为空气中体积含量百分比1.8%~8.4%。

德国首先成功地将异丁烷作为制冷剂用于直冷式电冰箱中,其他欧洲国家也已广泛采用。欧洲已经生产和销售了数百万台用R600作制冷剂的电冰箱。

总之,到目前为止,还没有一种替代方案可以被认为是最终的替代方案。无论在欧洲,还是在美国、日本,都在进一步研究和开发。各种替代方案同原来相比,在冰箱的生产和使用方面都还存在这样或那样的问题。