北京東方化工廠“6-27”事故原因計(jì)算機(jī)模擬分析報(bào)告和電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用

北京東方化工廠“6·27”事故原因計(jì)算機(jī)模擬分析報(bào)告北京理工大學(xué)爆炸與安全科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室編者按：北京理工大學(xué)爆炸與安全科學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，根據(jù)爆炸現(xiàn)場情況，對乙烯、石腦油云團(tuán)的形成和云團(tuán)爆炸過程數(shù)值模擬，把計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果同現(xiàn)場情況進(jìn)行比較，認(rèn)為“6·27”事故是石腦油A罐溢出的石腦油首先爆炸引起的。這個(gè)分析報(bào)告同北京東方化工廠“6·27”事故調(diào)查專家組的事故技術(shù)原因分析報(bào)告是一致的。1前言1997年6月27日北京東方化工廠油品罐區(qū)發(fā)生特大爆炸事故，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。受國家經(jīng)貿(mào)委安全生產(chǎn)局的委托，北京理工大學(xué)爆炸與安全科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室根據(jù)有關(guān)單位提供的爆炸現(xiàn)場情況，對此次爆炸事故進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬分析，目的是為全面正確地分析爆炸事故的發(fā)生原因提供技術(shù)依據(jù)。2爆炸情況基本分析圖1是北京東方化工廠發(fā)生爆炸的油品罐區(qū)布置平面示意圖（見本網(wǎng)《北京東方化工廠“6·27”事故的技術(shù)原因分析報(bào)告》圖1）。在工廠油品罐區(qū)內(nèi)，分布有25個(gè)球形罐和小柱形罐，6個(gè)大浮頂柱形罐，部分建筑和圍墻等。根據(jù)爆炸現(xiàn)場情況觀察，當(dāng)時(shí)在工廠油品罐區(qū)，發(fā)生了兩處爆炸。一處是圖1中TK9561區(qū)（乙烯區(qū)）中，乙烯B罐（球形罐）發(fā)生了爆炸。另一處是V0102區(qū)（石腦油區(qū)）中，石腦油A罐（柱形罐）周圍空間發(fā)生爆炸和幾乎同時(shí)發(fā)生的油泵房內(nèi)部爆炸。根據(jù)爆炸現(xiàn)場附近地震臺站當(dāng)時(shí)的記錄結(jié)果，第一次爆炸為21時(shí)26分38秒，第二次為21時(shí)40分57秒，兩次爆炸間隔大約為14分21秒。由于存在兩處爆炸現(xiàn)象，因此，正確判斷兩處爆炸發(fā)生的先后順序是找到爆炸發(fā)生原因的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2.1乙烯B罐爆炸現(xiàn)場主要特征乙烯B罐爆炸殘骸分析結(jié)論表明：乙烯B罐全部爆飛，其爆炸能量很大。B罐在爆炸前已被火燒灼。B罐被火燒灼后內(nèi)壓增高，局部區(qū)域罐壁材料強(qiáng)度下降，產(chǎn)生罐體裂紋，隨后引起爆沸。2.2石腦油A罐爆炸現(xiàn)場主要特征石腦油A、B罐外面有被下部火焰燒烤的明顯跡象，且該罐附近地面大范圍的碎石被燒變色。表明該罐附近地面上曾經(jīng)積有油品，并有較長時(shí)間的燃燒和較猛烈的火焰。該罐體圍堤是由混泥土澆注而成，有一處明顯傾斜。表明圍堤內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生可燃混合氣體的爆燃。另外，通向石腦油A罐兩道氣動閥門呈開啟狀態(tài)。2.3其它部分爆炸現(xiàn)場情況油品罐區(qū)內(nèi)的油泵房被完全破壞，墻體內(nèi)外倒塌，表明油泵房發(fā)生了內(nèi)爆現(xiàn)象。2.4人員傷亡情況當(dāng)時(shí)有爆炸現(xiàn)場共有41人，其中有9人死亡（死在現(xiàn)場4人及送到醫(yī)院后死5人）。死亡者被發(fā)現(xiàn)的位置在圖1中由三角符標(biāo)出，并附有死者姓名和編號。2.5爆炸事故發(fā)前主要罐區(qū)的工況各罐的液位、溫度、壓力等每2小時(shí)記錄一次，詳見當(dāng)日生產(chǎn)操作記錄，此處只列出乙烯B罐和石腦油A罐的工況。1）乙烯B罐工況18時(shí)：液位8.23m，液體體積占罐內(nèi)總?cè)莘e的73%，罐內(nèi)溫度30℃，罐內(nèi)氣體壓力2.0MPa。20時(shí)：液位7.30m，液體體積占罐內(nèi)總?cè)莘e的65%，罐內(nèi)溫度30℃時(shí)，罐內(nèi)氣體壓力2.0Mpa。該廠中心控制室計(jì)算機(jī)自動記錄的乙烯罐壓力變化圖顯示：21點(diǎn)26分前壓力平穩(wěn)，26分左右壓力突然降至零（與地震臺記錄的第一次爆炸時(shí)間吻合）。2）石腦油A罐的工況（12時(shí)至20時(shí)記錄相同）液位13.725m，液體體積占罐內(nèi)總?cè)莘e的99.64%（上限報(bào)警13.775m）油溫19℃，發(fā)生事故時(shí)正在往該罐里裝油（兩道閥門都開啟）。3）當(dāng)班操作記錄顯示20時(shí)30分開始從鐵路槽車卸油，21時(shí)左右現(xiàn)場人員聞到氣味。聞到氣味時(shí)間距第一次爆炸大約為20-25分鐘。2.6事故關(guān)鍵過程分析對現(xiàn)場情況的初步分析表明，存在乙烯B罐周圍首先發(fā)生爆炸或石腦油A罐周圍首先發(fā)生爆炸的兩種可能。如果是乙烯B罐周圍首先發(fā)生爆炸，其原因可能是乙烯B罐附近的乙烯管道發(fā)生了泄露，匯露后的乙烯在空氣中擴(kuò)散，與空氣混合形成乙烯云團(tuán)。乙烯云團(tuán)在某種刺激的作用下發(fā)生爆炸。如果是石腦油A罐周圍首先發(fā)生爆炸，其原因可能是由于工作人員在輸油時(shí)，進(jìn)行了誤操作，把應(yīng)該輸入其它油罐的油料錯(cuò)誤地輸入了石腦油A罐。由于石腦油A罐是浮頂罐，當(dāng)時(shí)在石腦油A罐中，液位為13.725m、石腦油體積占罐內(nèi)總?cè)莘e的99.64%，已基本裝滿了油料，繼續(xù)錯(cuò)誤地輸入油料，將使石腦油從石腦油A罐頂部溢出，并沿著罐的側(cè)壁流下，流到圍堤內(nèi)。在這個(gè)過程中，石腦油會向空氣中揮發(fā)，在一定時(shí)間后，會形成石腦油和空氣的混合云團(tuán)，混合云團(tuán)在某種刺激作用下發(fā)生爆炸。油泵房內(nèi)部發(fā)生爆炸，可能是乙烯或石腦油云團(tuán)的氣體擴(kuò)散到油泵房內(nèi)，在乙烯云團(tuán)或石腦油云團(tuán)爆炸后，隨即油泵房內(nèi)的乙烯或石腦油與空氣的混合氣體發(fā)生了爆炸。有證據(jù)顯示，在爆炸事故發(fā)生前27分鐘，現(xiàn)場有一個(gè)危險(xiǎn)氣體探測器發(fā)生過報(bào)警。另外，21時(shí)左右現(xiàn)場人員聞到異常氣體氣味。距第一次爆炸大約為20—25分鐘。因此，可以認(rèn)為無論是乙烯泄漏到爆炸，還是石腦油溢出爆炸，其間的時(shí)間，大約為27分鐘。3爆炸過程的計(jì)算機(jī)模擬分析本報(bào)告主要是利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對乙烯、石腦油云團(tuán)的形成和云團(tuán)爆炸過程進(jìn)行數(shù)值模擬。把計(jì)算結(jié)果同現(xiàn)場情況進(jìn)行比較，從而判斷出那一種過程符合實(shí)際發(fā)生的情況。根據(jù)事故發(fā)生關(guān)鍵過程的初步分析結(jié)果，主要針對乙烯-空氣云團(tuán)形成、乙烯-空氣云團(tuán)爆炸、石腦油-空氣云團(tuán)形成、石腦油-空氣云團(tuán)爆炸等主要過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析。3.1乙烯-空氣云團(tuán)和石腦油-空氣云團(tuán)形成過程模擬3.1.1油庫罐區(qū)流場模型利用流體力學(xué)理論建立油庫罐區(qū)三維流場模型，應(yīng)用美國FLUENT公司的流體力學(xué)分析軟件Fluent5.3進(jìn)行流場模擬分析。流場模型范圍東起V0102區(qū)的東面圍墻，西至綜合樓的西面圍墻。北起V0110區(qū)的北面圍墻（編者注：原文可能有誤。實(shí)際大概是V0101區(qū)北面靠近東門的北面圍墻），南至油庫東門位置，包括了油庫罐區(qū)的大部分范圍（見圖1），流場的高度為60m。模型中考慮了油庫罐區(qū)內(nèi)的綜合樓、油泵房、所有的油罐和主要的圍墻。其中綜合樓、油泵房被簡化為與實(shí)際尺寸等效的長方體，球形和柱形油罐被取為實(shí)際形狀和尺寸。圖2是流場模型的初始網(wǎng)絡(luò)圖（編者注：本文中圖2——107所版面巨大，本文編輯時(shí)只列出圖號，圖略去，下同）。流場的計(jì)算采用了求解三維、不可壓Navier-stokes方程的方法，湍流模型采用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型方程，同時(shí)，采用了組分?jǐn)U散方程。（1）控制方程（2）計(jì)算方法采用了單步的segregatedsolver算法。該方法首先求解動量方程，然后在用壓力修正的方法求解質(zhì)量守恒方程，再求解湍流方程和組分方程等。計(jì)算中，周圍大氣條件設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣，過程時(shí)間設(shè)為27分鐘。根據(jù)北京市通縣氣象臺提供的當(dāng)時(shí)通縣地區(qū)的氣象資料，21時(shí)至21時(shí)30分，平均風(fēng)速為1m/s左右，是東南風(fēng)。實(shí)際上在油庫罐區(qū)內(nèi)，風(fēng)速和風(fēng)向會處于一定的不定場狀態(tài)，現(xiàn)場實(shí)際的風(fēng)場情況已難以準(zhǔn)確的確定。由于風(fēng)場對空氣云團(tuán)的位置和范圍有一定的影響，因此，在流場模型中，選取了兩種風(fēng)場條件，一種是風(fēng)速為1m/s的東南風(fēng)，另一種是風(fēng)速為1m/s的偏南10度風(fēng)。圖3是第一種風(fēng)場條件下的風(fēng)壓分布圖。3.1.2乙烯-空氣云團(tuán)形成過程模擬已有的分析結(jié)果表明，乙烯B罐的罐體本身并沒有發(fā)生泄漏現(xiàn)象。如果乙烯發(fā)生泄漏，很可能是乙烯B罐附近的乙烯管道出現(xiàn)裂縫泄漏出乙烯。由于沒有可靠的依據(jù)確定裂縫的尺寸，因此，對兩種管道裂縫情況進(jìn)行了計(jì)算，一種是假設(shè)裂縫面積為乙烯管道（直徑101.6mm）截面積的十分之一，另一種假設(shè)乙烯管道全部斷裂的情況。（1）裂縫面積為乙烯管道截面積的十分之一圖4（a-d）是數(shù)值模擬在風(fēng)速為1m/s的東南風(fēng)下，乙烯—空氣混合云團(tuán)不同邊緣濃度下的形狀和大小。在邊緣濃度為2.7%（乙烯爆炸極限濃度下限）時(shí)，乙浠—空氣云團(tuán)形狀為橢球型。同乙烯罐的尺寸相比，乙烯—空氣云團(tuán)在不大（可等效為長8m，寬6m，高6m的立方體），并在乙烯A罐的附近。泄漏的乙烯平均流量為1.3052kg/s。由于乙烯—空氣云團(tuán)范圍有限，并在乙烯A罐的附近，風(fēng)場的風(fēng)向?qū)σ蚁諝庠茍F(tuán)沒有實(shí)質(zhì)性的影響。因此，本報(bào)告沒有進(jìn)行其它風(fēng)向下的乙烯-空氣云團(tuán)形成過程模擬。（2）乙烯管道全部斷裂圖4（e）是在1m/s的東南風(fēng)下，乙烯管道全部斷裂時(shí)，乙烯-空氣混合云團(tuán)在邊緣濃度為2.7%時(shí)的形狀和大小。云團(tuán)為扁長的橢球形，其范圍已覆蓋了油泵房的一部分。泄漏的乙烯平均流量為13.054kg/s。3.1.3石腦油—空氣云團(tuán)形成過程的模擬石腦油從柱形浮頂罐溢出后，在空氣中揮發(fā)，擴(kuò)散，形成石腦油—空氣混合云團(tuán)。因此，主要對石腦油揮發(fā)和擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬。在模擬計(jì)算時(shí)，需要石腦油在當(dāng)時(shí)溫度條件下的揮發(fā)速率。由于沒有現(xiàn)有的石腦油揮發(fā)速率數(shù)據(jù)，因此，采用了實(shí)驗(yàn)方法確定的石腦油的揮發(fā)速率，其值大約為每分鐘2.64mg/cm2。圖5(a-d)是在1m/s風(fēng)速的東南風(fēng)下，在不同邊緣濃度下，數(shù)值模擬的石腦油—空氣混合云團(tuán)的形狀和大小。在邊緣濃度為1.2%（石腦油爆炸極限濃度的下限）時(shí)，如圖（d）所示，石腦油—空氣云團(tuán)高大約20m，其形狀近似梯形體，其長約280m，最寬處約150m，高約20m。云團(tuán)范圍已到達(dá)東南方向的油庫東門位置和接近油泵房的邊緣。圖6（a-d）是數(shù)值模擬的在1m/s風(fēng)速偏南10度風(fēng)下，乙烯-空氣混合云團(tuán)不同邊緣逍度下和形狀的大小。在邊緣濃度為1.2%時(shí)，如圖6（d）所示，石腦油—空氣混合云團(tuán)高大約20m，其形狀近似為長約280m，寬約200m，高約20m的長方體，同在東南風(fēng)下相比，其范圍到達(dá)東南方向的油腔庫東門位置，并覆蓋了油泵房的一部分。3.2乙烯—空氣云團(tuán)和石腦油—空氣云團(tuán)的爆轟參數(shù)兩種爆炸去團(tuán)的爆轟參數(shù)包括：不同濃度下云團(tuán)混合氣體爆炸的爆轟壓力、爆轟速度、爆轟溫度、體積膨脹比、絕熱指數(shù)、混合氣體的初始密度等。這些參數(shù)是云團(tuán)爆炸模擬中需要的基本參數(shù)。本報(bào)告采用中國工程物理研究院開發(fā)的fortranVLW程序，計(jì)算乙烯—空氣云團(tuán)的基本爆轟參數(shù)。由于實(shí)際中的氣云團(tuán)內(nèi)濃度分布不均勻，呈現(xiàn)一定的濃度梯度分布，而目前氣相爆轟模擬計(jì)算中，只能計(jì)算均勻濃度下云團(tuán)爆轟過程。根據(jù)乙烯—空氣云團(tuán)和石腦油—空氣云團(tuán)形成過程的模擬分析結(jié)果，本報(bào)告主要模擬計(jì)算了3.5%和5%濃度下，云團(tuán)爆轟過程。表1是乙烯一空氣云團(tuán)和石腦油—空氣云團(tuán)在3.5%和5%濃度下的主要爆轟參數(shù)。表1乙烯-空氣云團(tuán)和石腦油-空氣云團(tuán)的爆轟參數(shù)3.3云團(tuán)爆炸模型，測點(diǎn)分布及-傷亡判據(jù)本報(bào)告采用AutoreaGas軟件模擬乙烯—空氣云團(tuán)和石腦油—空氣云團(tuán)爆炸過程。AutoReaGas軟件由美國GenturyDy-namics公司和荷蘭TNO公司于1997年聯(lián)合開發(fā)完成，用于分析氣體爆轟現(xiàn)象的數(shù)值模擬軟件。AutoReaGas可以用來模擬計(jì)算可燃性氣體混合物燃燒、爆炸與沖擊效應(yīng)等，適用于爆炸危險(xiǎn)性辨識與安全評估，安全防護(hù)距離的測定，工房的了優(yōu)規(guī)劃設(shè)計(jì)，沖擊墻與安全庇護(hù)設(shè)計(jì)，物體沖擊波加載的測定和沖擊破壞等方面。3.3.1爆炸場模型建立根據(jù)油庫罐區(qū)的分布情況，建立爆炸場模型。其范圍與流場模型基本一致。包括綜合樓、油泵房、所有的油罐和主要的圍墻。其中綜合樓、油泵房被簡化為實(shí)際尺寸相同的長方體，球形油罐被設(shè)為等效尺寸的圓柱形狀。如圖7所示的是爆炸場模型的幾何平面圖。對于爆轟波可以用質(zhì)量、動量、能量守恒方程和反應(yīng)速率方程來描述，其中對上述數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行離散化處理，利用AutoReaGas軟件可以計(jì)算爆炸場中各點(diǎn)和各時(shí)刻的爆轟參數(shù)系數(shù)。3.3.2測點(diǎn)布置在模擬計(jì)算中，主要在現(xiàn)場人員傷亡位置和部分毀傷點(diǎn)上設(shè)置測點(diǎn)，記錄氣云團(tuán)爆炸中，測點(diǎn)位置超壓和溫度隨時(shí)間的變化過程，從而為判斷人員的傷亡情況和設(shè)備毀壞情況提供依據(jù)。圖8是計(jì)算機(jī)的測點(diǎn)布置圖。1—9號測上為分別為9位死亡人員被發(fā)現(xiàn)位置，15號測點(diǎn)為乙烯B罐附近位置，16號測點(diǎn)綜合樓東面位置。3.3.3人員傷亡判據(jù)表2是爆炸波超壓對人體傷害準(zhǔn)則。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可以判斷爆炸波超壓對人體的傷害程度。表2爆炸波超壓對人體傷害準(zhǔn)則3.4裂縫面積為乙烯管道截面積十分之一時(shí)，乙烯—空氣云團(tuán)爆炸模擬乙烯—空氣云團(tuán)形成過程模擬結(jié)果表明，乙烯—空氣云團(tuán)形狀為橢球形。同乙烯罐的尺寸相比，乙烯—空氣云團(tuán)并不大，并在乙烯B罐的附近。由于計(jì)算中，乙烯管道裂縫開口朝東南方向，在東南風(fēng)的作用下，乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯罐東南面。在爆炸模擬計(jì)算中，把橢球形云團(tuán)近似簡化為長8m，寬6m的立方體。模擬乙烯—空氣云團(tuán)在3.5%和5%的平均濃度下的爆炸過程。另外，由于乙烯管道裂縫開口朝向可能不一定朝向東南方向，為了能比較全面的分析問題，本報(bào)告對比乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯B罐西北面時(shí)的爆炸過程進(jìn)行了模擬。氣云團(tuán)爆炸數(shù)值模擬結(jié)果主要有不同時(shí)刻爆炸場空間的壓力分布，各個(gè)測點(diǎn)的壓力和溫度隨時(shí)間的變化情況等。考慮到篇幅有限，本報(bào)告中只列舉了部分與原因分析有關(guān)的結(jié)果。3.4.13.5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸模擬（1）3.5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯B罐東南面爆炸模擬結(jié)果圖9（a-d）是乙烯B罐東南面的3.5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。從圖中可以看到，乙烯—空氣云團(tuán)爆炸后，超壓區(qū)的影響范圍不大。隨著時(shí)間的推移，超壓區(qū)向東南方向擴(kuò)展。圖10（a）、（b）-圖18（a）、（b）分別是1—9測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。從曲線圖中，可以看到，在乙烯—空氣云團(tuán)爆炸過程中，1，2，3，6號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為400—600pa，最高溫度大約為288k，屬正常環(huán)境溫度，4—9號測點(diǎn)的最大超壓和最高溫見表3。表33.5%乙烯-空氣云團(tuán)爆炸超壓和溫度上述測點(diǎn)的最大超壓遠(yuǎn)小于表2對人能造成輕微挫傷的19620pa超壓下限，因此，在這種爆炸情況下，對在這些測點(diǎn)位置的人員不會有任何的傷害。圖19（a）、(b)是16號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。最大超壓大約為60Pa，溫度為288K。在這一位置基本上不會受到爆炸的影響。以上測點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明，如果乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯罐東南面首先發(fā)生爆炸，在現(xiàn)場死亡的9人中，都不會受到任何傷害，在發(fā)生第二次大爆炸前，他們都可有逃生的可能。而事實(shí)上，他們都未幸免遇難。因此，本報(bào)告認(rèn)為，3.5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯罐東南面首先發(fā)現(xiàn)爆炸的情況沒有發(fā)生。（2）3.5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。從圖中可以看出。乙烯—空氣云團(tuán)爆炸后，超壓區(qū)的影響范圍不大。隨著時(shí)間的推移，超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖21（a）、（b）-圖29（a）、(b)分別是1—9號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。所有測點(diǎn)的最大超壓都小于300Pa，遠(yuǎn)小于表2中對人能造成輕微挫傷的19620Pa超壓下限，爆炸對在這些測點(diǎn)位置的人員不會有任何的傷害。圖30(a)、(b)是16號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。最大超壓大約為200Pa，溫度為288K，這一位置基本上也不會受到爆炸的影響。因此，3.5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯A罐西北面首先發(fā)生爆炸的情況也不可能發(fā)生。3.4.25%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸模擬（1）5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯罐東南面爆炸模擬結(jié)果圖31（a-d）是乙烯罐東南面的5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。同3.5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸結(jié)果相似，5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸后，超壓區(qū)的影響范圍不大。隨著時(shí)間的推移，超壓區(qū)向東南方向擴(kuò)展。圖32（a）、（b）-圖41（a）、（b）分別是1—9號測點(diǎn)和16號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲張和溫度時(shí)間曲線。7和8號測點(diǎn)的超壓相對較高，最大超壓大約為4000—6000Pa，最高溫度大約為290K，其它測點(diǎn)的最大超壓都低于1000Pa，最高溫度大約為288K。所有測點(diǎn)的最大超壓都遠(yuǎn)低于微挫傷的19620Pa超壓下限，因此，這種爆炸情況也不可能發(fā)生。（2）5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯罐西北面爆炸模擬結(jié)果圖42（a—d）是乙烯罐西北面的5%乙烯一空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。超壓區(qū)的影響范圍不大，隨著時(shí)間的推移，超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖43（a）、（b）—圖52（a）、（b）分別是1—9號測點(diǎn)和16號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。所有測點(diǎn)的最大超壓都小于320pa，最高溫度大約為288K，因此，5%乙烯—空氣云團(tuán)在乙烯B罐西北首先發(fā)生爆炸的情況也不可能發(fā)生。3.5乙烯管全部斷裂時(shí)，5%乙烯—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果圖53（a—d）乙烯管全部斷裂時(shí)，5%乙烯一空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。爆炸時(shí)，在乙烯B罐東南面的超壓區(qū)，隨著時(shí)間的推移，繼續(xù)向東南方向移動。圖54—圖63分別是1—9號測點(diǎn)和16號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線。1，2，3，4，5，7，8，9號測點(diǎn)的超壓分別大約為81kpa，400kpa，520kpa、1300kpa，140kpa、1200kpa，1000kpa、160kpa。這些測點(diǎn)的超壓已大大超過了表2中可能性能造成大部分死亡的98.1kpa的超壓強(qiáng)度，在這些測點(diǎn)位置上的人員都會死亡。在以上這些測點(diǎn)上，基本符合現(xiàn)場情況。但6號測點(diǎn)的超壓大約為25kpa，在此處的人員只能受到輕微挫傷，而實(shí)際情況是人員已傷亡。16號測點(diǎn)的大約壓力為170kpa，在此測點(diǎn)位置上的人員也會死亡，而實(shí)際情況是人員沒有受到任何傷害。因此，乙烯管全部斷裂時(shí)，乙烯—空氣云團(tuán)首先爆炸的情況不可能發(fā)生。3.6石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬石腦油—空氣云團(tuán)形成過程模擬結(jié)果表明，在爆炸極限濃度下，石腦油—空氣云團(tuán)擴(kuò)散到了很大的范圍。在東南風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)形狀近似梯形體，在偏南10℃風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)形狀近似長方體。在爆炸模擬計(jì)算，石腦油—空氣云團(tuán)被簡化為等效長方體。在東南風(fēng)下，等效長方體尺寸取為長280m，寬150m，高20m。在偏南10℃風(fēng)下，等效長方體尺寸取為長280m，寬200m，高20m。3.6.13.5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬（1）在東南風(fēng)下3.5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果圖64(a-b)是在東南風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。從圖中可以看出，石腦油—空氣云團(tuán)爆炸后，在云團(tuán)內(nèi)迅速形成壓力幅值較高的超壓區(qū)，由于石腦油—空氣云團(tuán)本身的范圍很大，超壓區(qū)的范圍也很大。由于爆炸沖擊波的傳播作用，沖擊波在油庫區(qū)西南的兩排球形罐上反射后，在每個(gè)球形罐的附近形成了新的超壓區(qū)，隨著時(shí)間的推移，新的超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖56（a）、（b）-圖73（a）、（b）分別是1—9號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。在石腦油—空氣云團(tuán)爆炸中，各號測點(diǎn)位置的最大超壓和最高溫度見表4。表43.5石腦油-空氣云團(tuán)爆炸超壓和溫度上述測點(diǎn)的超壓已大大超過了表2中可能造成大部死亡的98.1kpa的超壓強(qiáng)度，在這些測點(diǎn)位置上的人員都會死亡。6號測點(diǎn)的最大超壓大約48kpa，最高溫度大約為350K。其超壓值屬于中等損傷（聽覺器官損傷，內(nèi)臟輕度出血，骨折）的范圍，但已接近嚴(yán)重傷害（內(nèi)臟嚴(yán)重挫傷，可引起死亡）的下限值49.05kpa?？紤]計(jì)算和實(shí)際情況存在一定的誤差，6號測點(diǎn)位置人可能是重傷，也有死亡的可能。15號測點(diǎn)位置在乙烯B罐的表面附近，圖74（a）、(b)是它的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。乙烯B罐表面附近的最大超壓大約為1400kpa，最高溫度大約為2300K。在這樣動態(tài)高壓力作用下，有可能造成乙烯B罐附近的管道破壞，引起乙烯泄漏，造成進(jìn)一步的爆炸。以上結(jié)果表明，如果石腦油—空氣云團(tuán)首先發(fā)生爆炸，在現(xiàn)場死亡的9人中，只有6號測點(diǎn)位置人可能會是重傷，其它人都沒有逃身的可能。乙烯B罐表面附近的最大超壓，有可能造成乙烯B罐附近管道破壞，引起進(jìn)一步的爆炸。因此，在東南風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)首先發(fā)生爆炸的情況，與實(shí)際現(xiàn)場情況基本符合。（2）偏南100風(fēng)下3.5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果圖75（a-b）是在偏南100風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。在偏南10度風(fēng)下，石腦油—空氣云團(tuán)爆炸過程與東南風(fēng)下的爆炸過程基本相似。在南10度風(fēng)向下石腦油—空氣云團(tuán)覆蓋范圍更大，已覆蓋油泵房一部分。云團(tuán)爆炸后后，在云團(tuán)內(nèi)迅速形成壓力幅值較高的超壓區(qū)，沖擊波在油庫區(qū)西面的兩排球形罐上反射后，在每個(gè)球形罐的附近形成了新的超壓區(qū)，隨著時(shí)間的推移，新的超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖76（a）、(b)-圖84（a）、(b)分別是1—9號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。1，2，3，4，9號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為1400kpa，最高溫度大約為2500；5號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為1800kpa，最高溫度大約為2700K；7號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為800kpa，最高溫度大約為2400K；8號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為1200kpa，最高溫度大約為2400K。這些測點(diǎn)的超壓已大大超過了表2中可能造成大部分死亡的98.1kpa的超壓強(qiáng)度，在這些測點(diǎn)位置上的人員都會死亡。6號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為52kpa，最高溫度大約為370K。其超壓值已超過了表2中能造成嚴(yán)重的49.05kpa的超壓強(qiáng)度，在此位置的人應(yīng)該受重傷或可能死亡。圖85（a）、(b)是15號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。乙烯B罐表面附近的最大超壓大約為1300kpa，最高溫度大約為2400k。在這種高壓力作用下，已能造成乙烯B罐體附近的管道嚴(yán)重破壞，進(jìn)一步引起乙烯爆炸。偏南100風(fēng)向下3.5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果，與在東南風(fēng)下的結(jié)果基本相似，在人員傷亡方面與實(shí)際現(xiàn)場情況基本符合，同時(shí)，還能符合油泵房發(fā)生內(nèi)爆的情況。3.6.15%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬（1）在東南風(fēng)下5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果圖86（a-b）是在東南風(fēng)下5%石腦油-空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。同3.5%石腦油-空氣云團(tuán)爆炸相似，5%石腦油-空氣云團(tuán)爆炸后，在云團(tuán)內(nèi)迅速形成壓力幅值較高，范圍很大的超壓區(qū)，沖擊波在油庫區(qū)西面的兩排球形罐上反射后，在每個(gè)球形罐的附近形成了新的超壓區(qū)，隨著時(shí)間的推移，新的超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖87（a）、(b)-圖95（a）、(b)分別是1——9號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。表5是各號測點(diǎn)位置的最大超壓最高溫度。表55%石腦油-空氣云團(tuán)爆炸超壓和溫度由表5可見，在這些測點(diǎn)位置上的人員都會死亡。6號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為60kpa，最高溫度大約為380K。其超壓值已超過了表2中能造成嚴(yán)重傷瞎的49.05kpa的超壓強(qiáng)度，在此位置的人應(yīng)該受重傷，也有死亡的可能。圖96（a）、(b)是它的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線，乙烯B罐表面附近的最大超壓大約為1700kpa，最高溫度大約為2800K。在此壓力作用下，能夠造成乙烯B近管道破壞，引起進(jìn)一步的爆炸。因引，此種情況與實(shí)際現(xiàn)場情況也基本符合。（2）偏南100風(fēng)向下3.5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果。圖97（a-b）是在偏南100風(fēng)向下石腦油—空氣云團(tuán)爆炸時(shí)，不同時(shí)刻下爆炸場的壓力分布圖。同東南風(fēng)下石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果相比，在偏南100風(fēng)向下石腦油—空氣云團(tuán)爆炸過程與東南風(fēng)下的爆炸過程基本相似。在偏南100向下石腦油—空氣云團(tuán)覆蓋范圍更大，已覆蓋了油泵房一部分。云團(tuán)爆炸后，在云團(tuán)內(nèi)迅速形成壓力幅值較高的超壓區(qū)，沖擊波在油庫區(qū)西面的兩排球形罐上反射后，在每個(gè)球形罐的附近形成了新的超壓區(qū)，隨著時(shí)間的推移，新的超壓區(qū)向南擴(kuò)展。圖98（a）\（b）-圖106（a）—（b）分別是1—9號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。1，2，3，4，9號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為1800kpa，最高溫度大約為2800K；5，7，8號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為2400kpa,1000kpa,1600kpa，最高溫度大約為3000k,2700k,2700k。這些測點(diǎn)的超壓已大大超過了表2中可能造成大部分死亡的98.1kPa的超壓強(qiáng)度，在這些測點(diǎn)位置上的人員都會死亡。6號測點(diǎn)位置的最大超壓大約為62kPa，最高溫度大約為400K。其超壓值已超過了表2中能造成嚴(yán)重傷害的49.05kpa的超壓強(qiáng)度，在此位置的人應(yīng)該受重傷。圖107（a）、（b）是15號測點(diǎn)的壓力時(shí)間曲線和溫度時(shí)間曲線。乙烯B罐表面附近的最大超壓大約為1700kpa，最高溫度大約為2700K。在這種高壓作用下，已能造成乙烯B罐附近管道嚴(yán)重破壞，進(jìn)一步引起乙烯爆炸。偏南100風(fēng)向下5%石腦油—空氣云團(tuán)爆炸模擬結(jié)果，與在東南風(fēng)下的結(jié)果基本相似，與實(shí)際現(xiàn)場情況基本符合。4總結(jié)爆炸模擬結(jié)果表明，如果是乙烯管道裂縫面積為乙烯管道截面積十分之一時(shí)，如果是乙烯-空氣云團(tuán)首先爆炸，氣云爆炸影響范圍很有限，不能夠?qū)λ劳龅?人造成什么樣的傷害，9人都在逃生的可能，這與實(shí)際現(xiàn)場情況明顯不符合。當(dāng)乙烯管道全部斷裂時(shí)，只有部分結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場情況相符合。如果是石腦油—空氣云團(tuán)首先爆炸，在現(xiàn)場死亡的9人中，只有6號測點(diǎn)位置人可能會是重傷，其它人都沒有逃身的可能。乙烯球B罐表面附近的最大超壓，有可能造成乙烯B罐附近管道破壞，引起進(jìn)一步爆炸。另外，在偏南100風(fēng)時(shí)，石腦油—空氣云團(tuán)會覆蓋油泵房的一部分，石腦油—空氣混合氣體擴(kuò)散到油泵房內(nèi)部后，會被外部的爆炸引爆，使油泵房發(fā)生內(nèi)爆，這些都與實(shí)際現(xiàn)場情況基本符合。因此，本報(bào)告認(rèn)為，北京東方化工廠“6·27”爆炸事故是石腦油A罐溢出的石腦油首先爆炸引起的。

電化學(xué)技術(shù)在新能源中的利用一.能源的概況1.能源的重要性1.能源的重要性自古以來,人類就為改善生存條件和促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而不停地進(jìn)行奮斗.在這一過程中,能源一直扮演著重要的角色.從世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀來看,能源問題已成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的問題,能源的消耗水平已成為衡量一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的重要標(biāo)志,能源問題對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著決定性的作用.2.能源的種類2.能源的種類大自然賦予人類的能源是多種多樣的,一般可分為常規(guī)能源和新能源兩大類.常規(guī)能源包括煤炭,石油,天然氣和水能,而新能源有生物質(zhì)能,核能,風(fēng)能,地?zé)崮?海洋能,太陽能和氫能等.其中煤炭,石油,天然氣被成為化石能源,水能,生物質(zhì)能,風(fēng)能,太陽能和氫能等是可再生能源.3.化石能源的問題(1)化石能源的短缺化石能源的短缺能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,但目前主要使用的化石能源的儲量不多.據(jù)2002年世界探明的化石能源的儲量和使用量統(tǒng)計(jì),世界上煤,石油和天然氣的儲采比分別為204,40和60年,中國的情況更為嚴(yán)峻,據(jù)2002年統(tǒng)計(jì),中國煤,石油和天然氣的儲采比只有82,15和46年.這表明在人類歷史的長河中,只有很短的一段時(shí)間能使用化石能源.隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長,對能源的需求也持續(xù)攀升.我國一次能源消費(fèi)總量從1978年的5.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,上升到2002年的14.3億噸.據(jù)估計(jì),我國在2004,2020和2050年的石油消費(fèi)量達(dá)3,4.5和6億噸,其中進(jìn)口量分別為1,2.7和4億噸.4億噸的進(jìn)口量相當(dāng)于目前美國的石油進(jìn)口量,這不但會制約我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,而且對國家的安全也十分不利.(2)化石燃料造成嚴(yán)重環(huán)境污染和氣候異?；剂显斐蓢?yán)重環(huán)境污染和氣候異常化石燃料的使用引起的環(huán)境污染,排放的CO2會造成溫室效應(yīng),使全球氣候變暖.有關(guān)機(jī)構(gòu)已向聯(lián)合國發(fā)出警告,如再不對CO2的排放采取嚴(yán)厲措施,在10年內(nèi),世界的氣候?qū)a(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化.我國的環(huán)境污染問題更是日趨嚴(yán)重,目前,我國CO2排放量占世界總排放量的14%,在美國之后位居第二,估計(jì)到2025年,將位居第一.在本世紀(jì)初聯(lián)合國關(guān)于環(huán)境污染的調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)在世界上十個(gè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的城市中,七個(gè)在中國.它們是太原,北京,烏魯木齊,蘭州,重慶,濟(jì)南和石家莊.4.21世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢世紀(jì)世界能源發(fā)展趨勢(1)節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能技術(shù)將備受重視節(jié)能就是提高能源利用率,減少能源的浪費(fèi).目前節(jié)能技術(shù)水平已是一個(gè)國家能源利用情況的綜合性指標(biāo),也是一個(gè)國家總體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志.許多研究報(bào)告指出,依靠節(jié)能可以將能源需求量降低2530%.我國在能源利用方面的效率很低,我國的能耗很高,是世界平均水平的2倍,發(fā)達(dá)國家的5-10倍,因此更應(yīng)重視節(jié)能技術(shù),我國應(yīng)該充分重視化石能源的高效利用.(2)世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革世界能源系統(tǒng)將發(fā)生重大變革據(jù)預(yù)測,20世紀(jì)形成的以化石燃料為主的世界能源系統(tǒng)將在21世紀(jì)轉(zhuǎn)換成以可再生能源為主的新的世界能源系統(tǒng).在20世紀(jì)末,化石燃料的使用量占了世界一次能源用量的89.5%.據(jù)世界能源委員會(WEC)和國際應(yīng)用分析系統(tǒng)研究所的研究報(bào)告認(rèn)為,在20世紀(jì)上半葉,化石燃料仍將是世界一次能源的主體,但到21世紀(jì)下半葉,太陽能,生物質(zhì)能,風(fēng)能等新能源將占世界能源的50%左右.(3)煤炭將作為過渡能源而受到重視煤炭將作為過渡能源而受到重視由于石油和天然氣的儲量較少,而煤炭儲量相對較多,因此煤炭將作為一種過渡能源而在21世紀(jì)上半葉受到重視.主要發(fā)展的技術(shù)是潔凈煤技術(shù),煤液化和汽化技術(shù).(4)新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化新化石能源的開發(fā)將得到強(qiáng)化近年來發(fā)現(xiàn),在海洋300米深處有甲烷水合物存在.目前,甲烷水合物的開發(fā)已經(jīng)受到特別的關(guān)注.據(jù)估計(jì),世界甲烷水合物的儲量可能超過石油,天然氣和煤炭儲量的總和.因此,甲烷水合物作為儲量巨大的未開發(fā)能源開始受到世界各國的高度重視.(5)核能的利用將進(jìn)一步得到重視核能的利用將進(jìn)一步得到重視據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),在20世紀(jì)末,全世界運(yùn)行的核電站有436座,總發(fā)電量為3.5億千瓦.這些電站主要分布在美,法,日,英,俄等31個(gè)國家,近年來,由于擔(dān)心核電站運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性,核廢料對環(huán)境的影響和核技術(shù)擴(kuò)散對世界安全性的影響,核能的發(fā)展在發(fā)達(dá)國家已有下降趨勢,但在亞洲地區(qū)仍有強(qiáng)勁的增加趨勢,我國準(zhǔn)備在今后幾年內(nèi)建造4座核電站.受控核聚變是一直受人們關(guān)心的技術(shù),因?yàn)樵诤Ｋ写蠹s有23.4億萬噸氘,如受控核聚變技術(shù)在21世紀(jì)能得到應(yīng)用,在21世紀(jì)末,核能可望占世界一次能源的30%左右.(6)可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視可再生能源的開發(fā)將越來越受到重視鑒于化石燃料的短缺及化石燃料的使用引起嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候異常,人們對新能源的開發(fā)越來越重視.其中水力能,地?zé)崮?海洋能和風(fēng)能的可利用資源有限,因此,太陽能,生物質(zhì)能和氫能的利用將倍受關(guān)注.二.生物質(zhì)能的利用1.生物質(zhì)能的優(yōu)點(diǎn).(1)生物質(zhì)來源豐富地球上每年生長的生物質(zhì)總量約14001800億噸,相當(dāng)于目前世界總能耗的10倍,我國的生物質(zhì)能也極為豐富,可作為能源開發(fā)的生物質(zhì)能總量可達(dá)4.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤.加上生物質(zhì)能可再生.因此,生物質(zhì)能的高效,規(guī)?；每捎行Ь徑馐澜缒茉垂┬杳?(2)生物質(zhì)能可多途徑利用(a)直接燃燒.其熱能和蒸汽可發(fā)電,技術(shù)成熟,但效率低.(b)生物轉(zhuǎn)化.包括制沼氣和水解發(fā)酵制取醇類.生物質(zhì)制甲醇和乙醇技術(shù)基本成熟,但生產(chǎn)成本較高.生物質(zhì)制沼氣技術(shù)相當(dāng)成熟.2002年全國已建1300多萬個(gè)沼氣池.(c)光熱轉(zhuǎn)化.通過氣化,裂解,光催化等技術(shù),獲得氣,液體燃料來發(fā)電.(d)生物柴油.從油料植物提取植物油,經(jīng)甲酯化得生物柴油.它有含氧高,含硫低,分解性能好,燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn).(3)生物質(zhì)能利用的環(huán)境污染少由于生物質(zhì)利用過程中釋放的CO2是其生長過程通過光合作用從環(huán)境吸收的,所以生物質(zhì)能的利用過程不排放額外的CO2,而對環(huán)境污染少.生物質(zhì)能的利用還能降低污染.如可利用生物質(zhì)熱解汽化技術(shù)處理生活垃圾等,可得到以甲烷為主的燃?xì)?實(shí)現(xiàn)垃圾的減量化,無害化,資源化.2.生物質(zhì)能利用的問題2.生物質(zhì)能利用的問題生物質(zhì)能利用的缺點(diǎn)主要是生物質(zhì)分布廣,大面積收集成本高,經(jīng)濟(jì)的收集半徑在50公里以內(nèi),只適合建立小型,分散的生物質(zhì)能利用系統(tǒng).而小型轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率低,不提高生物質(zhì)能的利用效率就不能獲得好的經(jīng)濟(jì)效益,這是生物質(zhì)能至今未能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵問題之一.因此,如何在小型,分散體系實(shí)現(xiàn)能量的高效,清潔及規(guī)?；檬瞧惹行枰鉀Q的問題.三.太陽能的利用1.太陽能的優(yōu)點(diǎn)太陽能的優(yōu)點(diǎn)(1)太陽能來源豐富太陽能來源豐富太陽能來源豐富是眾所周知的,這似乎是一種用之不絕,取之不盡的能源.太陽內(nèi)部不停地進(jìn)行熱核反應(yīng),釋放出巨大的能量,輻射到地球上的能量只占起輻射總能量的極小部分,約1/22億,但地球每年接收的太陽能至少有6×1017千瓦小時(shí),相當(dāng)于74萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量.其中被植物吸收的僅占0.015%.可見,開發(fā)太陽能利用的潛力很大.(2)太陽能的使用沒有污染問題太陽能的使用沒有污染問題這也是眾所周知的,太陽能的使用基本上沒有污染問題.(3)太陽能可多途徑利用太陽能可多途徑利用(a)太陽能的熱利用.如太陽能熱水器,太陽灶,太陽能蓄熱池發(fā)電等.(b)太陽能發(fā)電.如太陽能電池和光電池.(c)光催化和光電催化制氫.主要用這兩種技術(shù)從水或生物質(zhì)中制得氫氣.2.太陽能利用的概況太陽能利用的概況近年來,太陽能的利用發(fā)展很快,據(jù)1997年的數(shù)據(jù),全球太陽能發(fā)電量已達(dá)800兆瓦.到2000年,日本已有7萬個(gè)住宅用上太陽能電池,美國和歐盟計(jì)劃在2010年前安裝100萬套太陽能電池.特別是把太陽能電池與屋頂瓦結(jié)合成光電發(fā)電系統(tǒng),目前歐洲已有300套,年發(fā)電量為1億千瓦.這種系統(tǒng)不但可供應(yīng)清潔能源,而且美觀耐用,壽命可達(dá)25年.太陽能的熱利用發(fā)展更快.特別在我國,太陽能熱水器的年產(chǎn)值已達(dá)60多億元,居世界首位.3.太陽能利用的問題太陽能利用的問題開發(fā)太陽能利用的主要問題是如何提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率,其次是降低成本,這對我國特別重要,目前我國生產(chǎn)太陽能電池的能力已達(dá)幾百兆瓦,但由于價(jià)格高,基本上都銷往國外.第三,一些技術(shù),如光催化和光電催化制氫技術(shù)還沒成熟,沒有達(dá)到實(shí)用化的階段,應(yīng)該抓緊這方面的研究和發(fā)展.四.氫能的利用1.氫能的優(yōu)點(diǎn)氫能的優(yōu)點(diǎn)(1)氫是自然界儲量最豐富的元素.(2)氫是除核燃料外發(fā)熱量最大的燃料.(3)氫燃燒生成水,是世界上最清潔的燃料.(4)燃燒性能好,可燃范圍大,燃燒速度快.(5)氫可用多種方法大規(guī)模生產(chǎn).(6)氫的利用形式多,可通過燃燒發(fā)電,通過燃料電池發(fā)電等.2.對氫能利用的重視2002年加拿大舉辦了以"氫行星"為主題的第14屆世界氫能源大會.2003年在華盛頓召開15個(gè)國家和地區(qū)參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會議.冰島計(jì)劃用40年時(shí)間將冰島建成"氫社會".布什將投資120億美元來促進(jìn)氫能源的發(fā)展.過去5年,工業(yè)化國家在氫能開發(fā)領(lǐng)域的投入年均遞增20.5%.氫將取代天然氣,油和煤而成為未來世界的主要能源,進(jìn)入氫能時(shí)代已成為近年來的熱門話題,21世紀(jì)將是氫能世紀(jì).布什舉著使用氫燃料的照相機(jī)我國對發(fā)展氫能經(jīng)濟(jì)也開始重視,參加了2003年在華盛頓召開的有15國家參加的"國際氫能經(jīng)濟(jì)合作伙伴"會議.2004和2005舉辦了兩次關(guān)于氫能經(jīng)濟(jì)的中美雙邊會議.今年一月,中國科學(xué)院院士局召開了關(guān)于"石油替代能源"的研討會,主要討論石油資源可持續(xù)性分析,石油的替代能源,氫能燃料和我國的石油替代能源.并要組織人員進(jìn)行軟課題研究.3.氫能的問題3.氫能的問題(1)氫的價(jià)格氫的制備,儲存和運(yùn)輸中的價(jià)格問題,是影響走進(jìn)氫能時(shí)代的很關(guān)鍵的問題.要降低其價(jià)格,必須形成氫的制備,儲存和運(yùn)輸?shù)木W(wǎng)絡(luò).(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題(2)廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)問題目前制氫效率很低,氫的制取要消耗大量的能量,因此尋求大規(guī)模的廉價(jià)清潔的制氫技術(shù)是各國科學(xué)家共同關(guān)心的問題.(a)化石燃料制氫:目前,96%氫從化石燃料制備,技術(shù)成熟,但要造成環(huán)境污染.(b)電解水制氫:技術(shù)成熟,但耗能多,價(jià)格高.一般每生產(chǎn)1立方米的氫氣,需要消耗4.2-6度的電能,其能量轉(zhuǎn)化率不到32%.(c)生物質(zhì)制氫:有可再生,產(chǎn)量大,可儲存,碳循環(huán)等優(yōu)點(diǎn),從中長期看是最有前途的制氫方式.目前生物質(zhì)制氫效率低.(d)生物制氫:國內(nèi)外在選育高效產(chǎn)氫菌株工作進(jìn)展不快,制氫效率低.(e)風(fēng)能制氫:用風(fēng)能發(fā)電來電解水產(chǎn)生氫,技術(shù)上沒有問題,降低成本和風(fēng)能發(fā)電量少是主要的問題.(f)太陽能制氫:該法還處在基礎(chǔ)研究階段,離商業(yè)化還有較遠(yuǎn)的距離.(3)氫的儲運(yùn)問題(3)氫的儲運(yùn)問題氫的儲運(yùn)技術(shù)主要解決儲運(yùn)的安全性和成本,現(xiàn)在由于儲運(yùn)技術(shù)不過關(guān),因此浪費(fèi)了許多氫.許多工業(yè)過程,如煉油,煉焦,氯堿,合成氨,合成甲醇及煤氣制造等多有大量的副產(chǎn)品氫氣,只是由于儲運(yùn)技術(shù)的問題而不能被利用.我國每年放空和燒掉的氫氣至少在1010標(biāo)立方米以上.因此解決氫的儲運(yùn)問題也是走進(jìn)氫能時(shí)代的一個(gè)很關(guān)鍵的問題.目前氫的儲運(yùn)還有很大問題.(a)高壓儲氫:儲氫量少,只有1%左右,還有不安全的問題.(b)液氫儲氫:很不方便,儲氫設(shè)備大,蒸發(fā)損失大.(c)吸附儲氫:這是目前的研究熱點(diǎn),但儲氫容量還較低,一般不超過2%.鎂合金儲氫在3%,但儲放不可逆.熱門一時(shí)的納米碳管儲氫也已沒有了希望,最終的儲氫量也只有1%左右.(e)化合物儲氫:放氫不容易.(4)燃料電池還沒有商品化用氫作燃料的燃料電池的出現(xiàn)是促進(jìn)氫能利用的重要原因.近年來,由于化石燃料資源短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,各國對燃料電池的研究十分重視.美國《時(shí)代周刊》把燃料電池列為21世紀(jì)十大高新科技之首,燃料電池已被認(rèn)為是21世紀(jì)極具應(yīng)用前景的一種新型能源系統(tǒng).雖然燃料電池有很誘人的優(yōu)點(diǎn),而且燃料電池的發(fā)展已有100多年的歷史,但至今還沒有一種燃料電池已經(jīng)真正商品化,因此,燃料電池何時(shí)才能商品化是一個(gè)與氫能利用密切相關(guān)的問題.4.反對氫能的意見4.反對氫能的意見(a)氫以化合物形式存在,制氫要消耗能源.它不是一種能源,而是能源的流通手段.(b)氫的泄漏會改變氣候.氫不可避免泄漏,泄漏量可達(dá)15%.泄漏的氫會在大氣形成水霧,它會象二氧化碳一樣,使天氣變暖.(c)現(xiàn)在一般用高壓氫作燃料電池燃料,氫的泄漏會產(chǎn)生很大的不安全性,手機(jī)等的火花就會使泄漏的氫發(fā)生爆炸.(d)冰島能做的,其他國家不一定能做,冰島的氫都是電解水制得的,因該國70%的電是由地?zé)岷退娬井a(chǎn)生的.(5)氫的清潔生產(chǎn)要用風(fēng)能和太陽能.據(jù)估計(jì),如用風(fēng)能發(fā)電制氫,當(dāng)風(fēng)能發(fā)電量達(dá)到美國6%的用電量,風(fēng)能發(fā)電機(jī)要占的面積要有半個(gè)加州那么大.(6)布什承諾投資120億美元用于氫能的研究是一個(gè)微不足道的投資.美國去年用于核能和礦物質(zhì)燃料方面的研究經(jīng)費(fèi)大于氫燃料的研究經(jīng)費(fèi).美國推行"健康婚姻"的預(yù)算就有150億美元.美國用于伊拉克戰(zhàn)爭的經(jīng)費(fèi)每月390億美元.(7)氫燃料電池價(jià)格昂貴.目前內(nèi)燃機(jī)成本為每千瓦50美元,而氫燃料電池為800美元.估計(jì)大量使用后,也要300美元.另外所有的加油站改成加氫站也要花費(fèi)大量的資金.五.燃料電池加速氫能利用1.燃料電池的優(yōu)點(diǎn).(1)燃料電池是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),可降低環(huán)境污染和氣候異常.(2)燃料電池能高效利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氣,液物質(zhì)和氫作燃料,因此,能促進(jìn)氫能的利用.(3)燃料電池的發(fā)電效率不受體系規(guī)模限制,小型燃料電池同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高效發(fā)電,適合于生物質(zhì)分散性的特點(diǎn).2.燃料電池定義燃料電池是一種不經(jīng)燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)的方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置,只要連續(xù)供應(yīng)燃料,燃料電池就能連續(xù)發(fā)電.3.原理陽極反應(yīng):H2=2H++2e陰極反應(yīng):1/2O2+2H++2e=H2O總的反應(yīng):H2+1/2O2=H2O4.燃料電池分類堿性燃料電池(AFC)(1)堿性燃料電池(AFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Ag,氧化劑:氧電解液:30%KOH隔膜:石棉膜工作溫度:60-80oC用途:航天器和潛艇的動力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高缺點(diǎn):對CO2敏感,不宜地面使用(2)磷酸燃料電池(PAFC)磷酸燃料電池(PAFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:98%磷酸工作溫度:200oC用途:家庭住宅能源和汽車動力源優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性好,已有商品生產(chǎn)缺點(diǎn):用貴金屬作催化劑,價(jià)格高.(3)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)陽極:催化劑:Pt,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含水的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:汽車和潛艇等的動力源優(yōu)點(diǎn):比能量和比功率高,壽命長,應(yīng)用范圍廣缺點(diǎn):對CO敏感,價(jià)格高,800美元/千瓦,而內(nèi)燃機(jī)50美元/千瓦.氫源問題.(4)直接甲醇燃料電池(DMFC)直接甲醇燃料電池(DMFC)陽極:催化劑:Pt合金,燃料:氫陰極:催化劑:Pt,氧化劑:氧電解液:含硫酸的質(zhì)子交換膜工作溫度:60-80oC用途:可移動的小型電子儀器設(shè)備動力源優(yōu)點(diǎn):比能量高,體積小問題:Pt對甲醇氧化電催化效率低,易被甲醇氧化中間產(chǎn)物毒化,甲醇會透過質(zhì)子交換膜.(5)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)陽極:催化劑:Ni,燃料:氫陰極:催化劑:NiO,氧化劑:氧電解液:熔融碳酸鹽(NaCO3-LiCO3)工作溫度:600oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):反應(yīng)溫度高,不需貴金屬催化劑.可用含CO的燃料氣.壽命長.能量轉(zhuǎn)換率高,可達(dá)80%.問題:高溫下,電解液會腐蝕電極材料.壽命2萬小時(shí),商業(yè)上要4萬小時(shí).(6)固體氧化物燃料電池(SOFC)固體氧化物燃料電池(SOFC)陽極:催化劑:NiZrO2,燃料:甲烷,氫陰極:催化劑:NaCrO4等,氧化劑:氧電解液:ZrO2,CeO2等工作溫度:900oC用途:發(fā)電站優(yōu)點(diǎn):不需貴金屬催化劑.壽命長.可用各種燃料氣.抗中毒能力強(qiáng).能量轉(zhuǎn)換率最高,可達(dá)80%以