利用水做燃料的實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告

牛垠懿

(貴陽(yáng)市實(shí)驗(yàn)三中學(xué)校,貴州貴陽(yáng) 550001)

利用水做燃料的實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告

牛垠懿

(貴陽(yáng)市實(shí)驗(yàn)三中學(xué)校,貴州貴陽(yáng) 550001)

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),是人類賴以生存的基本條件。由于人類對(duì)能源的需求越來(lái)越大,致使環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重,能源緊張和環(huán)境污染成為目前人類面臨的兩大問(wèn)題,采取開源節(jié)流戰(zhàn)略:一方面節(jié)約能源和提高能源效率,另一方面開發(fā)新能源和可再生能源成為人們的普遍共識(shí),尋找新能源成為人們努力的方向。若能利用水做燃料,則這兩大問(wèn)題就會(huì)迎刃而解。本項(xiàng)目旨在通過(guò)對(duì)水是可以作為燃料進(jìn)行了探究實(shí)驗(yàn),證明利用水做燃料是可行的。

水做燃料 爐灶實(shí)驗(yàn) 探索研究 環(huán)境保護(hù)

1 選題的確定

從生活中觀察到燒開水時(shí)，水加得過(guò)滿溢到灶上，會(huì)形成水珠跳躍，發(fā)出爆炸聲，當(dāng)水溢到爐膛內(nèi)時(shí)，火焰會(huì)瞬間竄高，平時(shí)我們只知水火不相容，水可以滅火的道理，并不知其中的特殊性和奧妙，后來(lái)從初中開設(shè)的化學(xué)課本里找到答案，水由氫和氧兩種元素組成，高溫下會(huì)分解成氫氣和氧氣，氫氣是很好的燃料，氧氣可以助燃，據(jù)此我決定對(duì)利用水能否做燃料作一次研究。

2 項(xiàng)目研究的背景

當(dāng)前，我國(guó)大氣污染狀況嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為煤煙型污染。城市大氣環(huán)境中總懸浮顆粒物濃度普遍超標(biāo)；二氧化硫污染一直在較高水平；機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放總量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趨勢(shì)。一是大氣污染物排放總量現(xiàn)狀：(1)二氧化硫。煤炭消耗量不斷增加，帶來(lái)二氧化硫排放總量急劇上升。在各類排放源中，電廠和工業(yè)鍋爐排放量占到70%。由二氧化硫排放引起的酸雨污染范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已經(jīng)擴(kuò)展到長(zhǎng)江以南，青藏高原以東的大部分地區(qū)，遍及廣東、貴州等十多個(gè)省、市、自治區(qū)。目前平均降水PH值低于5.6酸雨臨界值的地區(qū)已占全國(guó)面積的30%左右。(2)煙塵、粉塵。煙塵的主要排放源也是火電廠和工業(yè)鍋爐，由于地方電廠使用的大多為低效除塵器，所以煙塵排放量一般是國(guó)家大型電廠的5-10倍。(3)機(jī)動(dòng)車排氣污染，受經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的推動(dòng)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量近年來(lái)數(shù)量增長(zhǎng)迅速，尤其是一些大城市增長(zhǎng)速度更是遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平。汽車排放的氮氧化物、一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧趴偭恐鹉晟仙瑱C(jī)動(dòng)車排氣污染在城市大氣污染中所占比例也不斷上升。

3 項(xiàng)目研究的目的和基本思路

項(xiàng)目研究的目的是開發(fā)利用新型環(huán)保能源。

基本思路是在傳統(tǒng)火爐上附加一水箱，利用火爐將水加熱成蒸汽，利用限壓閥增加蒸汽和保證水箱的安全，高壓水蒸汽從噴嘴噴向爐心火焰層，水蒸汽在高溫的爐心中分解成氧氣和氫氣，氫氣在充足的氧氣環(huán)境中燃燒放出熱量。(如圖1)

4 項(xiàng)目研究的意義

利用水做燃料(1)可以控制和改善空氣質(zhì)量。(2)為人民生活和生產(chǎn)創(chuàng)造清潔、環(huán)保適宜的環(huán)境。(3)減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。(4)保護(hù)人民健康。(5)促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。(6)節(jié)約能源的同時(shí)獲取更多熱量，使其成為最好、最便宜、最清潔的燃料。

5 項(xiàng)目研究過(guò)程

資料查詢：

(1)水燃料(Water Fuel)最早來(lái)源于科幻作家儒勒·凡爾納在1874年出版的《神秘島》小說(shuō)中最早提到，未來(lái)當(dāng)化石燃料從地球消失，我們的燃料只有一望無(wú)際的水。

(2)1990年，利用水做燃料的水焊機(jī)在首飾行業(yè)應(yīng)用， 并于2000年全面普及。

(3)1996年，利用水做燃料的氫氧機(jī)在煉鋼廠碳鋼切割中取得成功，并于2000年開始在各煉鋼廠普及。

(4)1998年，氫氧機(jī)在制藥廠水針劑拉絲封口中成功應(yīng)用，并于2000年開始普及。

(5)目前常見的水燃料設(shè)備可分為兩類：一類是水電解高純氫氣發(fā)生器，一類是水電解氫氧發(fā)生器。

(6)可用于加熱、焊接、切割、催化。

(7)據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道：日本一家公司發(fā)明了用水驅(qū)動(dòng)的環(huán)保汽車，雨水河水或海水，任何水均可使用；美國(guó)專家找到從海水中提取二氧化碳和氫氣的方法，意味今后軍艦在海上可以自行制造燃料，不依靠油輪補(bǔ)給；瑞典研發(fā)出世界首臺(tái)利用普通水工作的便攜式燃料電池充電器。

使用蜂窩煤三眼爐灶，與技術(shù)人員研究方案(如圖2)，分別以人工的方式分別用噴霧法(如圖3)、手捧法(如圖4)、注水法(如圖5)將水注入燃燒的火爐，檢驗(yàn)水是否在高溫下分解成氫氣和氧氣，氫氣燃燒放出熱量的實(shí)驗(yàn)。噴霧法觀察到紅光均勻升起；手捧法觀察到藍(lán)色火焰瞬間增大；注水法效果更為明顯，火焰竄高至30厘米且紅、藍(lán)色火焰相伴。實(shí)踐證明，利用水做燃料的假設(shè)是正確的。

三眼爐灶實(shí)驗(yàn)中，噴霧法、手捧法、注水法使用的均為冷水，在初步取得實(shí)驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，本人又設(shè)想如果使用水蒸汽，情況又會(huì)怎樣？于是，用銅管制作一個(gè)噴射導(dǎo)管，安裝在高壓鍋的安全閥門處，將水燒開，向爐膛內(nèi)噴氣，觀察到爐中火焰瞬間竄高，且熱力增加(如圖6)。

在老師的指導(dǎo)下，利用周末休息時(shí)間多次與老師和工程技術(shù)人員一起對(duì)圖紙進(jìn)行了多次探討，對(duì)改裝部分進(jìn)行多次修改，對(duì)容器的設(shè)計(jì)制作苦思冥想，幾易其稿。并對(duì)制作時(shí)需要的配件進(jìn)行了市場(chǎng)的調(diào)查，最終確定方案，委托制作機(jī)構(gòu)按圖紙進(jìn)行加工，在加工的過(guò)程中不斷的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)。

表1 生火實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 采用紅外線溫感儀測(cè)試,當(dāng)壓力表達(dá)到0.5MP,火力相同時(shí)

表3 燒水實(shí)驗(yàn)（一）

表4 燒水實(shí)驗(yàn)(二)

(1)用一個(gè)直徑為32cm的無(wú)縫鋼管焊接成爐筒，用13cm的不銹鋼管將兩頭封閉焊接成一個(gè)密閉容器，將不銹鋼管直接焊接到無(wú)縫鋼管內(nèi)，并用耐高溫不銹鋼細(xì)管作導(dǎo)管制作成噴嘴，從密閉容器的頂部引到爐筒沿口下方6cm處作為噴灑裝置，同時(shí)，在密封容器上方加裝壓力表、安全閥、手動(dòng)閘閥，又用黃沙、水泥、紅磚、黃泥、蜂窩煤灰、鹽、碎發(fā)作原料，自制爐膛保溫層(作爐芯使用)，制作成一代水燃料爐(如圖7)，實(shí)踐結(jié)果：噴射水蒸氣使火焰瞬間竄高，火力加大，效果明顯。(如圖8)

(2)在傳統(tǒng)火爐內(nèi)制作一個(gè)環(huán)形壓力容器熱水包(如圖9)，利用限壓閥調(diào)節(jié)蒸汽量和保證水箱的安全，在爐口設(shè)置環(huán)狀噴嘴，高壓水蒸氣向火焰層噴射，讓可燃性氣體充分燃燒。水蒸氣在高溫的爐心中分解成氫氣和氧氣，氫氣在充足的氧氣環(huán)境中燃燒放出熱量(如圖10)。

6 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1至表4)

7 項(xiàng)目應(yīng)用的科學(xué)方法和科學(xué)原理

設(shè)計(jì)的水燃料爐灶主要采用了實(shí)驗(yàn)法。

其科學(xué)原理是：水在高溫下分解成氫氣和氧氣，氫氣能燃燒，氧氣能助燃。

8 項(xiàng)目的主要貢獻(xiàn)

(1)驗(yàn)證了水在高溫下分解成氫氣和氧氣，氫氣燃燒放出熱量。(2)設(shè)計(jì)制作水燃料爐，實(shí)現(xiàn)了水做燃料的實(shí)際應(yīng)用。

9 他人同類研究情況調(diào)查

研究水做燃料的很多，但真正做出實(shí)物實(shí)際應(yīng)用的沒(méi)有。

10 項(xiàng)目運(yùn)用設(shè)想

(1)用于火力發(fā)電、大型鍋爐設(shè)備的改良運(yùn)用。

(2)可以生產(chǎn)大量的水蒸氣、熱水、熱風(fēng)。成本低，熱值高，便于煤炭資源豐富且不發(fā)達(dá)地區(qū)人民群眾的生活需求。

(3)可利用雨水、海水、河水、污水進(jìn)行凈化循環(huán)使用。

(4)可利用于運(yùn)載工具的能量供應(yīng)。

11 項(xiàng)目完善的設(shè)想

對(duì)燃燒爐容器中的最佳壓力、噴氣的最佳速度等進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究(如圖11、12、13)，使他不斷完善，早日投入使用。

12 課題研究的體會(huì)和感謝

在科技創(chuàng)新的過(guò)程中，我充分體會(huì)到了進(jìn)行科學(xué)研究所需要的執(zhí)著與堅(jiān)持，對(duì)問(wèn)題的理解和處理能得到較大的提高，對(duì)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的難題必須認(rèn)真思考，追根究底。凡事多冷靜思考，多提幾個(gè)為什么，有困難就迎難而上，通過(guò)思考就會(huì)有收獲，通過(guò)這次科技創(chuàng)新實(shí)踐，我擁有如下收獲：

(1)擁有了觀察事物，提出問(wèn)題，思考問(wèn)題，綜合分析和付諸實(shí)踐的思維和能力。

(2)在構(gòu)思的過(guò)程中，在實(shí)踐中，遇到難題學(xué)會(huì)了如何想方設(shè)法、更好的挖掘身邊的資源，積極、及時(shí)地請(qǐng)教別人，更好的進(jìn)行人際交往和思想交流。

(3)學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考，認(rèn)真分析，綜合判斷。將“靜思”與“勤動(dòng)”相結(jié)合，最大的改變了過(guò)去“思多動(dòng)少”、“只想不做”的惰性，提高了自己的實(shí)踐能力，并在實(shí)踐中找到樂(lè)趣(如圖14)。

(4)培養(yǎng)了自己科研的興趣，為以后的人生旅程拓寬了道路、豐富了知識(shí)、奠定了基礎(chǔ)。

這次科技創(chuàng)新活動(dòng)首先要感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和所有指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)和啟發(fā)，給我這個(gè)自主創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，對(duì)我許多不足提出許多合理化建議，在我有為難情緒時(shí)及時(shí)鼓勵(lì)、疏導(dǎo)并給我行之有效的解決辦法，耐心細(xì)致地為我指明方向。同時(shí)還要感謝為我這次科技創(chuàng)新的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)提供了很大幫助的長(zhǎng)輩和親友，為我的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)提出了許多寶貴的建議和鼎力相助(圖15)。使我掌握了一些書本上沒(méi)有的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。讓我少走彎路，充滿信心。最后，感謝評(píng)委老師的辛勤工作，再次感謝使我真正理解科技創(chuàng)新的真諦和意義的所有人。