开发“第五能源”——节能

开源节流

中国有句最常用的成语：开源节流。这句极富深刻辩证哲理的名言用到解决能源问题上，可说是再贴切不过得了。

1973年发生的第一次世界性的能源危机，极大地震憾了全球，人们第一次感受到能源短缺对于各国经济发展的巨大威胁，厉行节约，尽力减少能源消耗已迫在眉睫。人们经过研究，惊奇地发现现有的耗能设备和耗能方式，竟使世界能源总量的50%～70%被白白浪费掉了！这种形势迫使人们认识到：节能，是与开发煤炭、油气、水力和核能并举以解决能源危机的根本途径。人们自觉不自觉地把节能誉为“第五能源”——它可能比通常任何一种能源会更有效地“增加”能源。

当前，世界又面临新一轮能源危机，新型能源的开发利用尚未成熟。在世纪交替之际，一面抓紧开发新能源，一面厉行节约，尽可能合理使用珍贵的能源，就成了世界性的重大课题。

节能，就是指提高能源效率，即提高有效利用能量与能源总体内含的能量之比。当今世界，这已成为衡量一个国家能源利用好坏的一项综合性指标，也是一个国家科学技术实用水平高低的重要标志，同时又是解决一个国家能源问题的可靠途径。节能的主要目标是提高设备的能量利用率，极力减少余热排放量。

据国际能源机构统计和预测，全球能源消费量1960年至1985年期间增长了125%；今后虽然由于多种因素，将会使能源消费量增长速度有所降低，但在1985年至2020年期间的世界能源消费量仍将增长50%～75%。而同时世界能源生产速度却远不可能同步增长，比如，在1983年时曾估计到2020年时，新能源资源将占6%，但到1990年时预测值减为1.5%～3%。常规能源的增长速度也不会超过20%。如此大的缺口，如何弥补？

因此，积极有效地开展节能工作，普遍采取开发与节约并重的方针，必将取得重大突破。据专家估计，能源需求量依靠节能可减少25%～30%。世界瞭望学会的一位专家认为，美国在不使公众生活水平下降的情况下，可以节省目前所消耗能源的50%。日本学者认为，到2000年时，日本可以节省能源24.5%。我国专家也指出，如果从1980年至2000年，我国能使节能量达到9.5～10亿吨标准煤，单位国民生产总值由每亿元消耗能源10.34吨标准煤，下降到6.11吨标准煤，就能在能源上保证到2000年实现国民经济翻两番的发展目标，或者说，实现经济发展战略目标的真正出路在很大程度上要依靠节能。

随着世界产业结构的调整，高新技术装备的不断涌现，工艺流程的不断改进，“高能耗型”产业结构必须逐步全面向“节能型”、“智能型”和“高增殖型”产业结构转变，耗能少的高技术产业应成为骨干产业，使能源消费模式更趋向科学合理，这已成为全球生产和生活在能源方面的大趋势，经过近些年的努力，世界各国专家们已寻求开发了多种节能技术，其中包括：使用新型高技术装备改进能源消耗方式；降低生产过程的能耗，回收生产过程各阶段所释放的热能；开发多种高效实用的新型能源转变形式，以适应高新技术发展的需求；采用能效高的新生产程序，尽可能使用耗能低的材料和产品；等等。令人欣慰的是这些节能技术已获得了进步，发挥了重要社会经济效益。

不烧汽油的电动汽车能风驰于世

近百年来，人们所见所用差不多都是用汽油或柴油作燃料的汽车、坦克、拖拉机、摩托车，真正能见到用蓄电池驱动的汽车，也就是工厂内、车站上运送货物的“电瓶车”，可为了开辟节能新途径，电动汽车却又要悄然复出，重新崛起。

用电力代替汽油燃料，最重要的是要有高能蓄电池，这项技术一直是电动汽车发展进程中的关键问题。国外对于大功率电池组的发展越来越重视，用这种能源替代化石燃料生成电能，具有重大意义，既可摆脱依赖石油作能源的困惑，又可减少环境污染，因而被视为重要出路之一。近些年来，许多国家都在抓紧研究开发这一高技术产品。最近，德国终于开发出了高人一筹的“钠—硫高能蓄电池”。这种电池是利用钠（作负极）和硫（作正极）的电化学系统，加上β—氧化铝的特殊材料构成，并采用能传导钠离子的固体陶瓷作电解质，大大提高了能量密度，最佳能量—重量比为120瓦小时/公斤，每克钠可产生1.17安培的电流。这种电池充8小时电后，使用2小时再测量时，蓄电容量仍有90%。也可用90分钟甚至60分钟快速充电，总寿命为1000次充放电，可保证行驶15万公里。其体积比铅电池减少一半，重量减少75%。经70辆轿车运行试验表明，最高时速可达120公里，从静态到时速50公里，只需7秒钟，每百公里耗电量平均为25千瓦时，电费5马克，而烧油汽车则需12马克。这种电池唯一不同于传统铅电池的特殊使用要求是：要在300℃～400℃下才能进行化学反应，但德国科学家已利用电子温度控制技术使温度问题得到解决。

德国RWE电力公司1991年还与英国一家公司在曼彻斯特市联合修建了一座生产钠—硫蓄电池工厂，并决定动员把“大众—高尔夫”牌75辆小轿车，改装成电动汽车，进行试验。

日本在研究高效蓄电技术方面发展也很快，和德国的进展速度不相上下。1992年1月东京电力公司宣布，他们从1991年10月开始对100千瓦级钠—硫电池进行系统化试验结果表明，这种电池充放电效率达到90%～91%的世界最高水平。这个高效大容量蓄电装置安装在川崎市变电所内，有6750个电池组成，每充电4小时，达到440千瓦时，放电可达400千瓦时。这项试验产品小型化后，就可为电动汽车提供高效动力系统。

日本国际超导产业技术研究中心1991年也开始研制小型超导蓄电装置。这种装置是利用在超低温条件下电阻为零的线圈进行蓄电。这种线圈是由多根铌钛合金线材集匝成束，并用铜材包裹。线圈直径3米，采用复曲面方式将其多重缠绕成直径约8米的圆形。专家们认为，这种超导线圈蓄电技术一旦成功，用作小型化的蓄电技术供电动汽车使用，无疑也是大有希望的途径之一。

目前，除德国、日本外，美国、加拿大、英国、瑞典等许多工业先进国家都在积极研制高能蓄电池。除钠—硫蓄电池外，还有锂、镍—镉、锌—溴、镍—铁、锌—氧等多种类型蓄电池，以抢占世界电动汽车市场。有的国家还开始使用燃料电池作为电动汽车的能源，目前也在试验中。

蓄电高技术的进展，大大促进了电动汽车的崛起。这项高技术对解决化石燃料危机和保护生态环境以及对整个工业生产、国防建设都将起到重大促进作用。因此，可以指望到90年代中期，将有大批不烧汽油的汽车奔驶于公路、市区。美国福特汽车公司计划1993年组建一支由80辆“生态之星”的电动面包车构成的车队，奔驰在美国和欧洲的公路上。

水煤溶合的液体燃料应运而生

烧油和烧煤的两个耗能大户是火力发电站锅炉和工业锅炉。要节能，就要从这两个大户开始。能源专家们又开发出一种新兴的液体燃料——水煤浆燃料。

第二次世界大战结束以后，随着经济发展，耗能量剧增，许多国家开始研究节省石油消费的途径。很快开发出来一种“煤—油混合燃料”（英文编写为“COM”），这是一种用重油和煤粉混合而成的液体，烧油锅炉不必动大手术改造就可以使用它，它可以代油30%～40%。美国首先起步，将一座电厂的12万千瓦级发电机组改烧“COM”。随后有几十个国家都相随开展过这项新技术的研究工作；日本还专门成立了“COM”燃料公司；我国一些大学、发电厂也在电站锅炉上进行过工业性实验，虽然都取得了一定成效，但从根本上说，这种“COM”技术仍没有脱离对石油的依赖，代油量不大，效益不高，发展推广受到很大限制。

到70年代末，能源专家们在“煤油混合”原理的启发下，开始研究“水—煤混合技术”，很快就制成了高浓度的代油燃料—水煤浆，即“CWM”。“O”、“W”，一字之差，就宣判了“煤—油燃料”的死刑，同时，也宣告了“煤—水混合燃料”的诞生。

所谓“水煤浆”，就是用70%～75%的煤粉和25%～30%的水，再加入0.2%～5%微量的添加剂混合而成的一种液体燃料。它是彻底不用石油的煤炭液化燃料，它将水掺入煤粉中参与燃烧。由于水中含有氢，虽起到一定的助燃作用，但也会使锅炉效率降低。可是从总体上计算，水煤浆在获取同样热量的情况下，要大大节省煤炭，热值提高很多。例如，煤炭直接燃料的利用率仅为28%左右；而近年德国研究的新一代煤炭高压加氢液化工艺，每天处理煤200吨，产轻油30吨，中油70吨，液化气20吨，煤炭转化率竟高达94%。另外，它的温室效应物质，特别是煤灰尘排放量大量减少，又可像石油一样运输和贮存，因而很受欢迎，国外有人把它誉为“6号重油”。这种新兴燃料的使用不失为一条可取的节能之路。

据考证，煤的液化技术早在20世纪20～30年代就开始发展了。在第二次世界大战期间，德国人就曾使用液化煤代替石油用作军车燃料。战后和平时期，石油市场占了上风。但南非国家依然发展液化煤，1959年建成了第一家商业化液化煤工厂，且产量一直稳步上升，到80年代后期，其全国汽车燃料消耗量的一半，是液化煤。不过，这些都是旧技术，液化效率很低。

近10多年来，一些工业先进国家发展了水煤浆加压气化技术，把水—煤混合燃料提高到一个新水平。美国、日本和德国发展最快，从1975年到1987年间先后建立了3套中试装置、3套工业示范装置和5套商业化装置，其中美、日各一套商业化装置已稳定运行6年以上。这些装置一般每天可处理200～600吨煤，取得很好的效果。法国、奥地利、澳大利亚、英国等国也在积极开发中。

我国自1981年开始也进行了水煤浆的开发研究工作，在添加剂筛选上已获得可喜成果，使水煤浆的浓度已达75%，稳定性也很好，保证一个半月静置中不沉淀，经1500公里长途运输后仍可直接燃烧。1986年1月，作为我国“六五”科技攻关项目通过了国家鉴定，表明水煤浆制备和燃烧技术已达到先进水平。北京造纸一厂作为第一个试用工业应用单位，经两年5次试验证明，经济效益明显。据调查，1986年时，该厂所用燃料油每吨为280元，而水煤浆每吨只需120元，1.8吨水煤浆就可顶替1吨杂油。一年要耗杂油2.2万吨，如改烧水煤浆，每年可节约燃料费103万元。

从煤炭质量来看，我国本来适于作水煤浆的高硫烟煤和褐煤很多，这些煤液化后，含硫高，往往起到对液化的反应催化作用，成为液化的良好原料。近几年又发现了陕西神木、黄陵、铜川一带的“黑金带”和“黑金三角”地区蕴藏着大量优质煤，更可为发展水煤浆提供重要原料。我国现有设计烧油的发电机组约7000万千瓦，年烧油量约1100万吨，约占我国年产油量的10%左右。如果全国能将80%的烧油锅炉用水煤浆把油顶替出来，每年可为国家换取外汇15亿美元，其经济效益是十分可观的。

从世界看，从我国看，水煤浆技术的开发，虽仍处于中试阶段，但只要抓紧技术攻关，水煤浆在世界能源结构中必将获得一席之地。

现代热电联产技术悄然兴起

早在100年前，美国纽约市建立了世界上第一个热电联产企业，这家企业一直经营到今天。当时的“联产企业”仅限于热能和电能的联合生产。但近15年来，随着高科技的进步，能源消费剧增，已把“热电联产”的概念发展为泛指任何两种或两种以上能源物质同时生产的“现代联产技术”了——包括同时生产热水、蒸汽、冷气、电能、机械能、空调能源等等。现代联产技术的发展，对节约能源，保证和改善生态环境有着重要的意义，是节能的重要途径之一。

节约能源从根本上说，就是减少能源消耗和提高能源利用效率两个方面。常为人们忽视的是在能源利用过程中，对所谓“废热”或称“余热”的利用问题。

现代联产技术，就是将发电机、配电站、热交换器紧密结合在一起，以充分利用回收的热水循环使用，就可使能源利用率提高15%～30%。这种联产技术效率高、能耗低，可大量节约燃料。因而受到人们的青睐。目前，现代联产技术几乎已在全世界所有工业发达国家不同程度地推广起来，收到了很好的效果。

美国在发展联产技术上也是走在前面的。在世界能源危机爆发之后，美国公众深感节能的紧迫性，促使美国国会于1978年11月通过了《公用事业调控政策法案》，极力支持和推动热电联产和生产替代能源技术的发展，使联产技术在美国引起了一场电力工业革命，出现了使传统的公用事业中心发电与非公用事业发电并存的局面。简单地说，就是大型电站与非专门生产电能的民用、机关、商业、服务、工业企业、交通运输等部门进行热电联产同时存在，大、中、小相结合，“官办”与“民办”并存，并实行联网通用，这样就可以把各用电部门所产生的余热充分利用起来，加上补充一些煤、电、油、气等能源自行供热发电。这样就更加充分合理地利用了所有能量而不浪费。

美国近年来发展的一种“预装式联产机组”很受欢迎，其特点是功率小、适于快速安装，能为小型分散的用户服务，适用于需要多种能源形式的单位和部门，且初投资低、总体效率高。据1989年美国《联产技术》杂志载文估计，今后数年医院、餐馆、超级市场、民用住宅、宾馆、教育单位等将需要15900台“预装式联产机组”，以生产出热、电、冷、机械能等适合自己需要的多种能源形式。

正由于这种节能、高效、灵活、便利的现代联产技术所具有的诸多优点，引起了各国关注，除美国之外，许多欧洲国家、日本、“亚洲四小龙”等国家和地区，近10年来已有了蓬勃发展，其联产技术也是各具特色，各有千秋。

在我国，需用大量蒸汽热量的工业部门，用蒸汽余热发电、排汽供热，则可节煤35%～60%。1978年一些专家在沪、宁、杭一带调查结果表明，采用联产技术，经济效果和社会效益十分明显。例如，常州东风印染厂用两台750千瓦的汽轮发电机组一年的发电经济效益达51万元。上海金山石化总厂的“三伦厂”使用联产技术，一年的发电收益高竟达445万元。可见装备联产发电机组，对蒸汽余热充分利用、增加发电、节约燃煤、降低成本，具有重大的经济意义和社会效益。

各具特色的节能技术不能涌现

随着世人节能意识的增强，各国都在采取多种措施，积极研究开发节能技术，殚精竭虑寻求节能途径。大至工业生产，小至家用能源，多层次、多形式、多渠道地精打细算，厉行节约，各国、各个领域采取的节能技术，不胜枚举。现仅撷摘点滴，虽挂一漏万，也可略见一斑。

非晶形铁芯空压器即将全面推广

采用这种铁芯，比传统变压器所用硅钢片做铁芯的无功损耗要小得多，只有原来的25%左右。

这种技术最早是由美国加州大学波尔·杜维茨教授为首的科研小组于1967年开始研究的非晶形金属。这种金属的突出优点就是无功损耗特别小。80年代开始，美国一家钢铁公司率先批量生产这种金属片，美国电力公司即将数万台新型铁芯变压器投入各地试用，证明效果良好。因此，日本决定大力推广使用这种新技术产品。

据日本专家说，目前日本各地使用的变压器都是硅钢片铁芯，每年产生的电力损耗多达58亿度，其中无功损耗占36亿度。如果将它们换成非晶形铁芯变压器，就可使无功损耗减少到10亿度，由此节省26亿度电，足可满足100万户家庭用电。预计这项新技术将于90年代全面推向国际市场。

大容量煤粉燃烧器研制成功

为了减少烧油发电，而能多使用煤炭火力发电，日本电力研究所经5年努力，于1991年研制出火力发电厂“大容量煤粉燃烧器”，成功地解决了燃煤锅炉在低功率运行时不能稳定燃烧的难题，从而扩大了燃煤发电厂或煤—油并用发电厂变负荷的调整能力，并可大幅度地节省石油。

传统的燃煤发电在低负荷时必须用石油助燃，才能进行稳定燃烧。所谓“低负荷”是指燃煤火力发电厂锅炉设备的最低功率为满功率的30%～50%左右。而新型大容量煤粉燃烧器是利用吹进燃烧锅炉的煤粉浓度高时容易燃烧的特点，将浓度稀薄的煤粉流利用输送空气的旋转角度进行浓缩，从而达到在低负荷下不用石油助燃也保证稳定燃烧的目的。

这套新装置已在功率低于20%时进行试验，结果证明在不影响整个燃料发电系统正常工作的条件下，约在16%的极低功率下也可达到稳定燃烧。这套新型节油装置技术将于1992年达到实用化。

就我国而言，近年来，也不断在节能技术中取得新进展。

下水道淤泥也能提取燃料

下水道淤泥也能燃烧吗？加拿大专家们回答了这个问题。加拿大人现在能把下水道淤泥变成类似柴油的燃料，可供低速发动机、锅炉甚至发电厂发电使用。他们首先把干燥了的淤泥，在无氧条件下加热到450℃，使50%的淤泥变成气体；然后，再把这种气体与炭残留物相混合。由于炭残留物能把淤泥中的有机物转变成饱和碳氢化合物，而碳氢化合物是所有液体燃料的主要成分，当然就可以燃烧了。

加拿大决定将于1992年修建第一座淤泥提取燃料的工厂。据说，利用这种工艺每处理一吨干淤泥只需耗资32英镑，比用单纯燃烧掉的处理法节省费用一半。真是变废为宝的好办法。

高效节能传热介质获得发明金奖

长期以来，我国在取暖上以水作为传热介质，传导速度慢，导热效率低，消耗能源大。1991年由哈尔滨科技大学明绍福副教授研制成功一种可节能50%的EGM高效节能新技术。这种新技术就是从近万种化学药品中找到一种启动温度低、传导速度快的化学物质，经过多次配制对比，获得了添加适量添加剂的最佳配方，即可使用的新型传热介质。只要把它放在受热器中，加热到55℃就可驱动传热，其传导速度接近光速，传导效率高达95%，且化学性能稳定，使用寿命可达10年，成本低廉，制配工艺简单，使用安全可靠。

这一成果问世后，已推广到工业烘干、农业地温升高、温室采暖、锅炉改造、火车、汽车和民用采暖、航天工业、原子反应堆以及国防建设等方面，其节能效果显著。这是一项重大科研成果，专家们认为它在国内外节能领域居于领先地位，将产生巨大的社会经济效益。该技术现已通过国家鉴定，获得国家专利和中国发明展览会金奖，并被列入国家级重点推广项目。

汽机通流综合改造成效显著

我国淮北发电厂近10年来，大力开展改进发电设备节能技术600多项，重点抓住电力节能，先后对5万和12.5万千瓦发电机组进行汽机通流改造，对单通道长喉射水抽气器的设计安装、锅炉除尘器改造、水冷改风冷系统、炉制粉系统改造等工程技术改造项目，均达到国内先进水平，使全厂6台机组提高了热效率，满足了系统调峰要求，节约了大量燃油和煤炭。仅1991年就节约煤、油、水、电折合标准煤4378吨，获经济效益66万多元。

这个厂还与中科院力学所联合研制成“偏置射流新型预燃室”，在12.5万千瓦级发电机组上应用效果显著，仅此一项，每年就可节省燃油1000吨左右。

“水煤混合燃烧炉”走向千家万户

我国河南省华新应用研究所研制的“水煤混合燃烧炉”，将水氢氧分离与煤混合燃烧，炉温可达1100℃，可同时炒莱、做饭并带两组暖气片，使30万平方米室温达20℃左右。它所使用的烧燃煤可不择煤种、不用市电，全靠自身完成。用作淋浴烧水10分钟可使15公斤凉水升温50℃，比普通煤炉节煤40%。

这在节能家用煤炉上是一项重大突破，获得国家专利。

“土坯煤”燃料技术节煤过半

为了节省优煤，提高燃煤利用率，我国科技人员研制出一种“土坯煤”燃料。所谓“土坯煤”就是在普通泥土中掺入添加剂，并添加部分可燃物质（如沫煤、煤矸石、煤泥、工业炉渣、稻壳等）制成的以土为主的新型燃料，可代替民用型煤和工业型煤使用。

这种燃料生产简便，性能独特：一是发热量相当于普通蜂窝煤，生产成本可降低40%，节煤50%以上；二是燃烧过程中二氧化硫的排放量比普通型煤降低50%以上；三是可采用全国各地不同泥土，用不同配方制成；四是可利用这项技术对含热量为800千卡以上的煤矸石、次煤等进行处理，以代替普通煤使用。

这项新技术可大量节省生活用煤，获首届中国科技之光成果奖。

此外，国内外还在研制陶瓷发动机，使用这种发动机，取代传统的金属发动机，仅由于重量减轻了，就可节省油耗8.5%；还有正在研制的燃汽蒸汽轮发电机，使用这种发电机可使燃料有效利用率达到90%～95%以及利用余热发电等技术，都可大量节能。至于节能型家用电气，例如微波炉、远红外炉、热泵、感应加热等高效能产品和电脑控制技术产品，则同样可以大量节能。