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世界科技全景百卷书: 新型高效能源的发现
90年代初，出现了一种过去鲜为人知的新型高效能源，即一种化学分子式为NaO·3SiO的硅酸盐。 2 2 硅酸盐是硅、氧和金属 （主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）结合而成的无机化合物的总称，在地壳中分布极广，是构成多数岩石（如花岗石）和土壤的主要成分，经过配料和高温处理等，可以将它加工制成陶瓷、耐火材料、水泥、玻璃和搪瓷等工业用品，也用来制造高温材料，从来没有人想到过这种硅酸盐竟蕴藏着丰富的能源，1千克这种硅酸盐能释放850万千卡的热量，等于燃烧1000吨重油释放的热量。说起这种高效能源的发现，还有一段有趣的故事。 约20年前，前苏联一位叫A·库利科夫的工程师在一个工厂推广一种先进技术时，发生了一起意外的爆炸事故，因而受到指责和处分。当时，他发明的一项高速切削钢的热处理技术正在该厂推广。按计划，他需要使用一个大型加热炉，但当时这台仅有的炉子老是有生产任务，他只能在别人中午休息时插空做试验。一天中午，库利科夫趁工人都去食堂吃饭的工夫，把一种硅酸盐装入炉子中试验，谁知不一会儿的时间，就听轰的一声巨响，炉子被突然炸毁。 事故的责任者当然就是库利科夫了，但他感到委屈，他不知道自己到底做错了什么事，也不清楚炉子为何爆炸，因为硅酸盐本身就是可以用来制造耐高温材料的工业原料。为了洗清自己的“不白之冤”，他决心进一步研究，搞清楚这个问题。 库利科夫想，爆炸是需要能量的，这么大的炉子被炸毁，里面的能量是哪儿来的呢？于是，他用那次爆炸中用过的硅酸盐连续作了5年的试验，结果发现，只要在炉中装进那种硅酸盐，每次肯定发生类似的爆炸，这说明，硅酸盐是引起爆炸的根源，能量就来自这种硅酸盐NaO·3SiO。他还发现， 2 2这种硅酸盐并不是一加热就爆炸，而是每当加热到一定温度时，硅酸盐才突然释放能量发生爆炸，而其能量之大令人吃惊，竟是重油的100万倍。 当然，硅酸盐的这种巨大能量，如果仅仅停留在能够引起巨大的爆炸上，那是无法加以利用的，它必须成为可以控制的。为此，库利科夫设计了一种硅酸盐释放能量反应器，反应器能够控制释放出的热能，而不再发生突然爆炸。1991年，库利科夫宣布，他可以用这种反应器把水管中的水加热到600℃的温度，使水蒸汽达到300个大气压的压力。他宣布，已准备用这种高温高压蒸汽驱动汽轮机进行发电。 现在，库利科夫已成为一名技术科学博士，并领导一些研究人员建造了一个用这种新能源作燃料的硅酸盐热电站。硅酸盐的热效率是汽油的 1000倍。比如，一架大型的图-154飞机要装39吨航空汽油，如果用这种高效硅酸盐燃料，只要39千克就足够了。 库利科夫发现的这种高效能源硅酸盐，在地球上的储量极其丰富，而且能再生，此外也没有像核燃料一样存在放射性污染的问题。因此，这种新型能源完全有可能成为石油煤炭等矿物燃料和核燃料的替代能源。 但库利科夫指出，就像不是所有的元素都能产生自发的原子裂变能量而只有结构复杂的重元素 （如铀等）才能自发裂变一样，硅盐酸也只有在结构相当复杂时才会发生高效能量释放过程。因此，只有高模数的复杂硅酸盐才能成为高效能源。而这种高模数硅酸盐在地壳中所以不会发生爆炸，是因为温度条件和临界质量这两个条件不具备。这有点类似于原子弹爆炸时需要核燃料的重量超过临界质量，氢弹爆炸也需要用原子弹爆炸产生的高温引爆一样。 所以，库利科夫建立的高效硅酸盐释放能量反应器中，也需要在硅酸盐中添加一种反应剂。例如无氧硅化合物等。 沼气 在前苏联作家弗·梅津米夫著的《世界奇迹之谜》中，记述了19世纪一位护林员亲眼目睹的一件“怪事”。有一年夏天，从一个沼泽的深处突然冒出来一根高达20～30米的大水柱。当它开始下降时，周围50米的地方内下了几秒钟的“暴雨”。 经过调查后来弄清楚了，原来这是沼泽底部的沼气从淤泥中冲击出来造成的景象。沼气是植物在沉积层腐烂过程中产生的气体。在一般情况下，这种气体不会突然“发怒”而冲出，只是时不时地从死水坑底向水面上冒出一个个气泡，然后就无声无息地消失。但是，当沼气在死水坑底积得很多，而又无处可排泄时，就会像爆炸似的突然喷出来。 沼气自古就出现在沼泽、河底、湖底、池塘、污水池等厌氧环境中，是植物等有机质在微生物的作用下腐烂、分解出来的一种可燃气体，由于通常出现在沼泽地带，就俗称沼气。 古人不知道沼气形成的原理，就以为是水底闹鬼。例如，那位护林员看到的那个喷沼气的沼泽，当地人把它叫做“撒伊旦湖”，撒伊旦在伊斯兰的神话传说中是恶魔的意思。而“撒旦”则是专门指鬼而言。 在有文字的历史记载中，说1896年在爱尔兰出现过一次强大的沼泽喷气现象，即那里有一个大纽特莫沼泽，曾喷出强大的污流，飞溅到好几公里以外，淹没了所到之处的一切东西，并把附近的一座房屋淹埋在污泥中，使住在房里的人被活活闷死。 也是19世纪，在俄国的奥涅湖附近，也出现过一次沼泽大喷射现象。在一处污流遍地的沼泽草地上，一连几天都能看到一个高达4米的喷泉，但喷泉中都是污水、淤泥和沙子。 这些奇迹都是沼气创造出来的，只是那时人们还没有搞清它形成的原因，因此感到神秘。 后来，科学家用一种底部是喇叭形状，顶部有一细管的玻璃仪器，罩在冒泡的水面上，使冒出的气泡沿着顶部细管，通到橡皮管中，收集起来，然后对收集到的气体加以分析，才知道沼气是一种可燃的甲烷气，并分析了沼气的生成原因。然后用人工方法制造出沼气，证实了沼气是植物在微生物作用下腐烂时产生出的可燃气体的正确结论。 我国生产利用沼气的历史，可以从1929年在广东省汕头的“国瑞瓦斯沼气公司”成立算起。但是因时局动荡等多种原因，解放前沼气的发展时续时断，进展缓慢。 1936年，我国著名科学家周培源曾在江苏宜兴县建造了一个水压式活动盖埋入地下的沼气池，用制造出来的沼气烧饭和点灯。浙江省诸暨县安华镇也在1936年建造了沼气池，将沼气引到各家供居民作照明用。1937年，河北武安县在室内建了一个沼气池。据传，直到解放后，这个沼气池一直产生着沼气。 到70年代，沼气在我国农村得到大力发展，它不仅大大缓解了农村缺少燃料的困难，而且对净化农村的脏乱环境起到了积极作用，对农村生产的促进作用也特别明显。截止到1985年，我国农村就建立了700多万个沼气池，居世界第一。而且以后年年在增加。 沼气为什么会在农村如此迅速的推广呢？原来，农民只要把人畜的粪便、农作物的秸秆和各种有机质放进沼气池，让它们腐烂发酵，就能产生可燃烧的甲烷气体。农民不仅可以用沼气点灯做饭，还可以用它作燃料代替柴油、煤油开动拖拉机、抽水机、碾米磨面机、饲料粉碎机；还可以用来烘干农产品，是一种很方便的能源。 北京市大兴县的留民营村，善于利用沼气，1984年被联合国环境规划署命名为“中国生态农业第一村”。留民营村的领头人张占林，1987年又被联合国环境规划署授予全球环境保护先进人物。 原来，留民营村每家每户都把有碍环境卫生的人畜粪便、农作物垃圾及有机质全部放进沼气池生产沼气，而沼气池中的发酵液和残渣经过沤制，又都成为很好的有机质肥料。因此留民营村1200亩粮食作物及200多亩大棚蔬菜，从来不用化肥和农药。既提供了能源，又净化了环境，还得到了优质的有机肥料，提高了农产品的质量。国外许多人曾多次来留民营村化验他们种植的蔬菜和稻米，其中不含任何有害人体的化肥和农药残留物，被称为最干净的稻米和蔬菜，无愧为“中国生态农业第一村”。留民营村应用沼气和生态农业的经验在国内外的广大农村中迅速得到了推广。 石油是工业的血液 石油是由一种生油母质经过长期的地质作用和生物化学作用而转化形成的矿物能源。石油是以液态碳氢化合物为主的复杂混合物。其中碳占80％～90％，氢占10％～14％，其他元素有氧、硫、氮等，总计占1％，有时可达2％～3％，个别油田含量可达5％～7％。 石油多分布于低地和盆地，如山间盆地、滨海及近海大陆架等地区。世界石油资源主要集中在中东、非洲、原苏联、美国、南美、西欧和印度尼西亚沿海地区。世界石油消费量增长很快，1960年只有10．5亿吨，1986年就增加到38．7亿吨。 石油在工业生产中是一种重要的燃料动力资源，它的许多优点是其他燃料所无法比拟的。如在物理性质上，石油是可以流动的液体，比重小于水，比其他燃料容易开采；占有的容积小，容易运输。同时，与一般燃料比较，它的可燃性好，发热量高，1千克石油燃烧起来可以产生1万多大卡的热量，比煤炭的发热量高1倍，比木柴的发热量高4～5倍。此外，石油又有易燃烧、燃烧充分和燃后不留灰烬的特点，正合于内燃机的要求。所以，在陆地、海上和空中交通方面，以及在各种工厂的生产过程中，石油都是重要的动力燃料。在现代国防方面，新型武器、超音速飞机、导弹和火箭所用的燃料都是从石油中提炼出来的。 石油除用作工业燃料外，还是重要的化工原料。现代有机化学工业就建立在石油、煤炭、天然气等资源的综合利用之上。从石油中可提取几百种有用物质，其经济价值远远超过作为燃料燃烧的经济意义。石油化工可生产出成百上千种化工产品，如塑料、合成纤维，合成橡胶、合成洗涤剂、染料、医药、农药、炸药和化肥等等。石油产品不仅在民用中占有重要地位，现代化的工业、农业、国防都需要石油及石油产品，尤其对工业意义重大。 由于石油具有优越的物理、化学性质，作为能源，有很高的发热量；作为原料，不仅产量大，而且广泛用于国民经济和各个部门。石油化工产品几乎能用于所有的工业部门中，是促进国民经济和工业现代化的重要物质基础，现代化的工业离不开石油，就像人体离不开血液一样。因此，石油被称为“工业的血液”。 煤是工业的粮食 煤炭是一种可以用作燃料或工业原料的矿物。它是古代植物经过生物化学作用和地质作用而改变其物理、化学性质，由碳、氢、氧、氮等元素组成的黑色固体矿物。 煤作为一种燃料，早在800年前就已经开始。煤被广泛用作工业生产的燃料，是从18世纪末的产业革命开始的。随着蒸汽机的发明和使用，煤被广泛地用作工业生产的燃料，给社会带来了前所未有的巨大生产力，推动了工业的向前发展，随之发展起煤炭、钢铁、化工、采矿、冶金等工业。煤炭热量高，标准煤的发热量为 7000大卡／千克。而且煤炭在地球上的储量丰富，分布广泛，一般也比较容易开采，因而被广泛用作各种工业生产中的燃料。 煤炭除了作为燃料以取得热量和动能以外，更为重要的是从中制取冶金用的焦炭和制取人造石油，即煤的低温干馏的液体产品——煤焦油。经过化学加工，从煤炭中能制造出成千上万种化学产品，所以它又是一种非常重要的化工原料，如我国相当多的中、小氮肥厂都以煤炭作原料生产化肥。我国的煤炭广泛用来作为多种工业的原料。大型煤炭工业基地的建设，对我国综合工业基地和经济区域的形成和发展起着很大的作用。 此外，煤炭中还往往含有许多放射性和稀有元素如铀、锗、镓等，这些放射性和稀有元素是半导体和原子能工业的重要原料。 煤炭对于现代化工业来说，无论是重工业，还是轻工业；无论是能源工业、冶金工业、化学工业、机械工业，还是轻纺工业、食品工业、交通运输业，都发挥着重要的作用，各种工业部门都在一定程度上要消耗一定量的煤炭，因此有人称煤炭是工业的“真正的粮食”。 我国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，不仅储量大，分布广，而且种类齐全，煤质优良，为我国工业现代化提供了极为有利的条件。 大力开发水电 人类最早利用的能量资源是水力，但水力作为现代的重要能源，大规模地被利用来发电，还是20世纪中期以来的事。水力发电有许多优点，因而发展迅速。目前，水电是仅次于煤炭、石油、天然气等化石燃料的主要能源之一，约是核电的25倍，约占全世界发电总量的23％。 与其他能源相比，水能发电具有许多优点： 一是水能是再生性能源。与煤炭、石油、天然气相比，只有水力是可以反复使用的再生性能源。它一经开发，便可川流不息地为人类提供能量。而煤炭、石油、天然气等矿物能源，它的形成需要很长很长的时间，用一点就少一点，而且煤炭、石油、天然气资源用途广泛，是使用价值很高的工业原料。如果大力开发水电资源，就可以节约更多的矿物能源，为工业生产提供充足的原料。 二是水能是最干净的能源。煤炭、石油等矿物能源用来发电，在其燃烧过程中要排放出大量的有害物质污染大气和环境，如一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、煤尘、重金属微粒等等，同时还要排放大量的灰渣，这些物质不但污染环境，而且危害人体健康，已成为一个严重的社会问题。利用水力发电，不会排放任何有一丝危害环境和人体健康的物质。因此，开发水能，对改善环境、美化自然界都有重要作用，水能是一种最理想的能源。 三是水能是一种最廉价的能源。建一座同样规模的水电站与火电站，投资相差不大，但水电站投资回收快，水电站每运行三四年所得的收入，就可再建一座同样规模的水电站。 四是开发利用水力资源可获得综合效益。建造一座水坝，既可用来发电，又可以发展水利事业，还能满足防洪、灌溉、航运、养殖、工业供水，以及生活用水等需要。 由于开发水电具有上述许多优点，大力开发水电资源已成为大势所趋。一些先进的工业国家如美国、日本、英国、法国、意大利等都非常注意开发水力资源，已利用的水力资源达到开发量的40％～95％。 大力开发水电，对我国的经济建设具有重要意义。我国的主要能源是煤炭，大部分分布在华北、西北地区。工业发达的东部沿海地带和南部地区非常缺乏，石油分布也是北多南少，大力开发西南（占水力开发总量的61．4％）和中南（占水力可开发总量的17．8％）地区丰富的水力资源对改善我国南北地区的能源平衡，减轻铁路运输的负担极为有利。我国是一个水力资源得天独厚的国家，水力蕴藏量6．8亿千瓦，居世界第一位，但到目前为止，水力发电只占全国发电量的17％，少于世界平均水平（23％），水力发电仅占可开发利用水力资源的5％，远远低于世界上许多国家。大力开发水电已成为我国能源政策的一项重要方针。 |
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