利用水做燃料的实验探究报告

牛垠懿

(贵阳市实验三中学校,贵州贵阳 550001)

利用水做燃料的实验探究报告

牛垠懿

(贵阳市实验三中学校,贵州贵阳 550001)

能源是国民经济发展的重要物质基础,是人类赖以生存的基本条件。由于人类对能源的需求越来越大,致使环境污染越来越严重,能源紧张和环境污染成为目前人类面临的两大问题,采取开源节流战略:一方面节约能源和提高能源效率,另一方面开发新能源和可再生能源成为人们的普遍共识,寻找新能源成为人们努力的方向。若能利用水做燃料,则这两大问题就会迎刃而解。本项目旨在通过对水是可以作为燃料进行了探究实验,证明利用水做燃料是可行的。

水做燃料 炉灶实验 探索研究 环境保护

1 选题的确定

从生活中观察到烧开水时，水加得过满溢到灶上，会形成水珠跳跃，发出爆炸声，当水溢到炉膛内时，火焰会瞬间窜高，平时我们只知水火不相容，水可以灭火的道理，并不知其中的特殊性和奥妙，后来从初中开设的化学课本里找到答案，水由氢和氧两种元素组成，高温下会分解成氢气和氧气，氢气是很好的燃料，氧气可以助燃，据此我决定对利用水能否做燃料作一次研究。

2 项目研究的背景

当前，我国大气污染状况严重，主要表现为煤烟型污染。城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标；二氧化硫污染一直在较高水平；机动车尾气污染物排放总量迅速增加；氮氧化物污染呈加重趋势。一是大气污染物排放总量现状：(1)二氧化硫。煤炭消耗量不断增加，带来二氧化硫排放总量急剧上升。在各类排放源中，电厂和工业锅炉排放量占到70%。由二氧化硫排放引起的酸雨污染范围不断扩大，现已经扩展到长江以南，青藏高原以东的大部分地区，遍及广东、贵州等十多个省、市、自治区。目前平均降水PH值低于5.6酸雨临界值的地区已占全国面积的30%左右。(2)烟尘、粉尘。烟尘的主要排放源也是火电厂和工业锅炉，由于地方电厂使用的大多为低效除尘器，所以烟尘排放量一般是国家大型电厂的5-10倍。(3)机动车排气污染，受经济增长的推动，我国机动车数量近年来数量增长迅速，尤其是一些大城市增长速度更是远高于全国平均水平。汽车排放的氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物排放总量逐年上升，机动车排气污染在城市大气污染中所占比例也不断上升。

3 项目研究的目的和基本思路

项目研究的目的是开发利用新型环保能源。

基本思路是在传统火炉上附加一水箱，利用火炉将水加热成蒸汽，利用限压阀增加蒸汽和保证水箱的安全，高压水蒸汽从喷嘴喷向炉心火焰层，水蒸汽在高温的炉心中分解成氧气和氢气，氢气在充足的氧气环境中燃烧放出热量。(如图1)

4 项目研究的意义

利用水做燃料(1)可以控制和改善空气质量。(2)为人民生活和生产创造清洁、环保适宜的环境。(3)减少对生态环境的破坏。(4)保护人民健康。(5)促进社会进步和经济发展。(6)节约能源的同时获取更多热量，使其成为最好、最便宜、最清洁的燃料。

5 项目研究过程

资料查询：

(1)水燃料(Water Fuel)最早来源于科幻作家儒勒·凡尔纳在1874年出版的《神秘岛》小说中最早提到，未来当化石燃料从地球消失，我们的燃料只有一望无际的水。

(2)1990年，利用水做燃料的水焊机在首饰行业应用， 并于2000年全面普及。

(3)1996年，利用水做燃料的氢氧机在炼钢厂碳钢切割中取得成功，并于2000年开始在各炼钢厂普及。

(4)1998年，氢氧机在制药厂水针剂拉丝封口中成功应用，并于2000年开始普及。

(5)目前常见的水燃料设备可分为两类：一类是水电解高纯氢气发生器，一类是水电解氢氧发生器。

(6)可用于加热、焊接、切割、催化。

(7)据国外媒体报道：日本一家公司发明了用水驱动的环保汽车，雨水河水或海水，任何水均可使用；美国专家找到从海水中提取二氧化碳和氢气的方法，意味今后军舰在海上可以自行制造燃料，不依靠油轮补给；瑞典研发出世界首台利用普通水工作的便携式燃料电池充电器。

使用蜂窝煤三眼炉灶，与技术人员研究方案(如图2)，分别以人工的方式分别用喷雾法(如图3)、手捧法(如图4)、注水法(如图5)将水注入燃烧的火炉，检验水是否在高温下分解成氢气和氧气，氢气燃烧放出热量的实验。喷雾法观察到红光均匀升起；手捧法观察到蓝色火焰瞬间增大；注水法效果更为明显，火焰窜高至30厘米且红、蓝色火焰相伴。实践证明，利用水做燃料的假设是正确的。

三眼炉灶实验中，喷雾法、手捧法、注水法使用的均为冷水，在初步取得实验效果的基础上，本人又设想如果使用水蒸汽，情况又会怎样？于是，用铜管制作一个喷射导管，安装在高压锅的安全阀门处，将水烧开，向炉膛内喷气，观察到炉中火焰瞬间窜高，且热力增加(如图6)。

在老师的指导下，利用周末休息时间多次与老师和工程技术人员一起对图纸进行了多次探讨，对改装部分进行多次修改，对容器的设计制作苦思冥想，几易其稿。并对制作时需要的配件进行了市场的调查，最终确定方案，委托制作机构按图纸进行加工，在加工的过程中不断的进行实验和改进。

表1 生火实验结果

表2 采用红外线温感仪测试,当压力表达到0.5MP,火力相同时

表3 烧水实验（一）

表4 烧水实验(二)

(1)用一个直径为32cm的无缝钢管焊接成炉筒，用13cm的不锈钢管将两头封闭焊接成一个密闭容器，将不锈钢管直接焊接到无缝钢管内，并用耐高温不锈钢细管作导管制作成喷嘴，从密闭容器的顶部引到炉筒沿口下方6cm处作为喷洒装置，同时，在密封容器上方加装压力表、安全阀、手动闸阀，又用黄沙、水泥、红砖、黄泥、蜂窝煤灰、盐、碎发作原料，自制炉膛保温层(作炉芯使用)，制作成一代水燃料炉(如图7)，实践结果：喷射水蒸气使火焰瞬间窜高，火力加大，效果明显。(如图8)

(2)在传统火炉内制作一个环形压力容器热水包(如图9)，利用限压阀调节蒸汽量和保证水箱的安全，在炉口设置环状喷嘴，高压水蒸气向火焰层喷射，让可燃性气体充分燃烧。水蒸气在高温的炉心中分解成氢气和氧气，氢气在充足的氧气环境中燃烧放出热量(如图10)。

6 项目实验结果(表1至表4)

7 项目应用的科学方法和科学原理

设计的水燃料炉灶主要采用了实验法。

其科学原理是：水在高温下分解成氢气和氧气，氢气能燃烧，氧气能助燃。

8 项目的主要贡献

(1)验证了水在高温下分解成氢气和氧气，氢气燃烧放出热量。(2)设计制作水燃料炉，实现了水做燃料的实际应用。

9 他人同类研究情况调查

研究水做燃料的很多，但真正做出实物实际应用的没有。

10 项目运用设想

(1)用于火力发电、大型锅炉设备的改良运用。

(2)可以生产大量的水蒸气、热水、热风。成本低，热值高，便于煤炭资源丰富且不发达地区人民群众的生活需求。

(3)可利用雨水、海水、河水、污水进行净化循环使用。

(4)可利用于运载工具的能量供应。

11 项目完善的设想

对燃烧炉容器中的最佳压力、喷气的最佳速度等进一步的实验研究(如图11、12、13)，使他不断完善，早日投入使用。

12 课题研究的体会和感谢

在科技创新的过程中，我充分体会到了进行科学研究所需要的执着与坚持，对问题的理解和处理能得到较大的提高，对设计与实验中出现的难题必须认真思考，追根究底。凡事多冷静思考，多提几个为什么，有困难就迎难而上，通过思考就会有收获，通过这次科技创新实践，我拥有如下收获：

(1)拥有了观察事物，提出问题，思考问题，综合分析和付诸实践的思维和能力。

(2)在构思的过程中，在实践中，遇到难题学会了如何想方设法、更好的挖掘身边的资源，积极、及时地请教别人，更好的进行人际交往和思想交流。

(3)学会了独立思考，认真分析，综合判断。将“静思”与“勤动”相结合，最大的改变了过去“思多动少”、“只想不做”的惰性，提高了自己的实践能力，并在实践中找到乐趣(如图14)。

(4)培养了自己科研的兴趣，为以后的人生旅程拓宽了道路、丰富了知识、奠定了基础。

这次科技创新活动首先要感谢学校领导和所有指导老师的带领和启发，给我这个自主创新的机会，对我许多不足提出许多合理化建议，在我有为难情绪时及时鼓励、疏导并给我行之有效的解决办法，耐心细致地为我指明方向。同时还要感谢为我这次科技创新的设计与实验提供了很大帮助的长辈和亲友，为我的设计与实验提出了许多宝贵的建议和鼎力相助(图15)。使我掌握了一些书本上没有的专业知识和实践经验。让我少走弯路，充满信心。最后，感谢评委老师的辛勤工作，再次感谢使我真正理解科技创新的真谛和意义的所有人。