牛垠懿

(貴陽市實驗三中學校,貴州貴陽 550001)

利用水做燃料的實驗探究報告

牛垠懿

(貴陽市實驗三中學校,貴州貴陽 550001)

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎,是人類賴以生存的基本條件。由于人類對能源的需求越來越大,致使環(huán)境污染越來越嚴重,能源緊張和環(huán)境污染成為目前人類面臨的兩大問題,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,尋找新能源成為人們努力的方向。若能利用水做燃料,則這兩大問題就會迎刃而解。本項目旨在通過對水是可以作為燃料進行了探究實驗,證明利用水做燃料是可行的。

水做燃料 爐灶實驗 探索研究 環(huán)境保護

1 選題的確定

從生活中觀察到燒開水時，水加得過滿溢到灶上，會形成水珠跳躍，發(fā)出爆炸聲，當水溢到爐膛內(nèi)時，火焰會瞬間竄高，平時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，后來從初中開設的化學課本里找到答案，水由氫和氧兩種元素組成，高溫下會分解成氫氣和氧氣，氫氣是很好的燃料，氧氣可以助燃，據(jù)此我決定對利用水能否做燃料作一次研究。

2 項目研究的背景

當前，我國大氣污染狀況嚴重，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；二氧化硫污染一直在較高水平；機動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。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大，現(xiàn)已經(jīng)擴展到長江以南，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家大型電廠的5-10倍。(3)機動車排氣污染，受經(jīng)濟增長的推動，我國機動車數(shù)量近年來數(shù)量增長迅速，尤其是一些大城市增長速度更是遠高于全國平均水平。汽車排放的氮氧化物、一氧化碳和碳氫化合物排放總量逐年上升，機動車排氣污染在城市大氣污染中所占比例也不斷上升。

3 項目研究的目的和基本思路

項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)減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。(4)保護人民健康。(5)促進社會進步和經(jīng)濟發(fā)展。(6)節(jié)約能源的同時獲取更多熱量，使其成為最好、最便宜、最清潔的燃料。

5 項目研究過程

資料查詢：

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

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

(3)1996年，利用水做燃料的氫氧機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，氫氧機在制藥廠水針劑拉絲封口中成功應用，并于2000年開始普及。

(5)目前常見的水燃料設備可分為兩類：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)國外媒體報道：日本一家公司發(fā)明了用水驅(qū)動的環(huán)保汽車，雨水河水或海水，任何水均可使用；美國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，不依靠油輪補給；瑞典研發(fā)出世界首臺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驗。噴霧法觀察到紅光均勻升起；手捧法觀察到藍色火焰瞬間增大；注水法效果更為明顯，火焰竄高至30厘米且紅、藍色火焰相伴。實踐證明，利用水做燃料的假設是正確的。

三眼爐灶實驗中，噴霧法、手捧法、注水法使用的均為冷水，在初步取得實驗效果的基礎上，本人又設想如果使用水蒸汽，情況又會怎樣？于是，用銅管制作一個噴射導管，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)。

在老師的指導下，利用周末休息時間多次與老師和工程技術人員一起對圖紙進行了多次探討，對改裝部分進行多次修改，對容器的設計制作苦思冥想，幾易其稿。并對制作時需要的配件進行了市場的調(diào)查，最終確定方案，委托制作機構按圖紙進行加工，在加工的過程中不斷的進行實驗和改進。

表1 生火實驗結果

表2 采用紅外線溫感儀測試,當壓力表達到0.5MP,火力相同時

表3 燒水實驗（一）

表4 燒水實驗(二)

(1)用一個直徑為32cm的無縫鋼管焊接成爐筒，用13cm的不銹鋼管將兩頭封閉焊接成一個密閉容器，將不銹鋼管直接焊接到無縫鋼管內(nèi)，并用耐高溫不銹鋼細管作導管制作成噴嘴，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，在密封容器上方加裝壓力表、安全閥、手動閘閥，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)，實踐結果：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 項目實驗結果(表1至表4)

7 項目應用的科學方法和科學原理

設計的水燃料爐灶主要采用了實驗法。

其科學原理是：水在高溫下分解成氫氣和氧氣，氫氣能燃燒，氧氣能助燃。

8 項目的主要貢獻

(1)驗證了水在高溫下分解成氫氣和氧氣，氫氣燃燒放出熱量。(2)設計制作水燃料爐，實現(xiàn)了水做燃料的實際應用。

9 他人同類研究情況調(diào)查

研究水做燃料的很多，但真正做出實物實際應用的沒有。

10 項目運用設想

(1)用于火力發(fā)電、大型鍋爐設備的改良運用。

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

(3)可利用雨水、海水、河水、污水進行凈化循環(huán)使用。

(4)可利用于運載工具的能量供應。

11 項目完善的設想

對燃燒爐容器中的最佳壓力、噴氣的最佳速度等進一步的實驗研究(如圖11、12、13)，使他不斷完善，早日投入使用。

12 課題研究的體會和感謝

在科技創(chuàng)新的過程中，我充分體會到了進行科學研究所需要的執(zhí)著與堅持，對問題的理解和處理能得到較大的提高，對設計與實驗中出現(xiàn)的難題必須認真思考，追根究底。凡事多冷靜思考，多提幾個為什么，有困難就迎難而上，通過思考就會有收獲，通過這次科技創(chuàng)新實踐，我擁有如下收獲：

(1)擁有了觀察事物，提出問題，思考問題，綜合分析和付諸實踐的思維和能力。

(2)在構思的過程中，在實踐中，遇到難題學會了如何想方設法、更好的挖掘身邊的資源，積極、及時地請教別人，更好的進行人際交往和思想交流。

(3)學會了獨立思考，認真分析，綜合判斷。將“靜思”與“勤動”相結合，最大的改變了過去“思多動少”、“只想不做”的惰性，提高了自己的實踐能力，并在實踐中找到樂趣(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、奠定了基礎。

這次科技創(chuàng)新活動首先要感謝學校領導和所有指導老師的帶領和啟發(fā)，給我這個自主創(chuàng)新的機會，對我許多不足提出許多合理化建議，在我有為難情緒時及時鼓勵、疏導并給我行之有效的解決辦法，耐心細致地為我指明方向。同時還要感謝為我這次科技創(chuàng)新的設計與實驗提供了很大幫助的長輩和親友，為我的設計與實驗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有的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗。讓我少走彎路，充滿信心。最后，感謝評委老師的辛勤工作，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。