生物燃料分析范文
时间：2023-12-06 17:52:07
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篇1
一、引言
我国能源生产结构中煤炭比例始终在67%及以上,煤炭是我国能源的主体。目前,我国已探明煤炭可采储量约1145亿吨,年消耗燃煤12亿～15亿吨,其中大多数直接作为燃料被消耗掉,以煤炭为主的中国能源结构可开采煤炭储量约能使用150年。另外,以煤为主的能源结构直接导致能源活动对环境质量和公众健康造成了极大危害。
二、生物质固体成型燃料简介
生物质固体成型燃料(简称生物质燃料,俗称秸秆煤)是利用新技术及专用设备将农作物秸秆、木屑、锯末、花生壳、玉米芯、稻草、稻壳、麦秸麦糠、树枝叶、干草等压缩碳化成型的现代化清洁燃料(目前国内外常用的生物质成型工艺流程如图1),无任何添加剂和粘结剂。既可以解决农村的基本生活能源,也可以直接用于城市传统的燃煤锅炉设备上,可代替传统的煤碳。其直径一般为6cm～8cm,长度为其直径的4～5倍,破碎率小于2.0%,干基含水量小于15%,灰分含量小于1.5%,硫和氯含量一般均小于0.07%,氮含量小于0.5%。在河南省,生物质燃料是政府重点扶持的新农村建设项目之一。
三、生物质燃料燃烧技术
根据试验研究及测试资料,生物质燃料燃烧特性为:生物质挥发物的燃烧效率比炭化物质快。燃烧着火前为吸热反应;到着火温度以后,生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉火焰,为放热反应。具体的燃烧性能见表1。
生物质燃料专用锅炉燃烧原理如下:
①生物质燃料从上料机均匀进入高温裂解燃烧室,着火后,燃料中的挥发份快速析出,火焰向内燃烧,在气(固)相燃烧室内迅速形成高温区,为连续稳定着火创造了条件;
②高温裂解燃烧室内的燃料在高温缺氧的条件下不断地快速分解为可燃气体,并送往气相燃烧室内进行气相燃烧;
③在气相燃烧的同时,90%以上挥发份被裂解为炙热燃料,由输送系统输送到固相燃烧室内进行固相燃烧,完全燃烧后的灰渣排往渣池或灰坑;
④在输送过程中,小颗粒燃料和未燃尽的微粒在风动的作用下于气(固)相燃烧室内燃烧;
⑤从多个配氧处可按比例自动调配、补充所需量的氧气,为炉膛出口的燃烧助燃,完全燃烧后的高温烟气通往锅炉受热面被吸收后,再经除尘后排往大气。
生物质燃料燃烧的特点为:
①可迅速形成高温区,稳定地维持层燃、气化燃烧及悬浮燃烧状态,烟气在高温炉膛内停留时间长,经多次配氧,燃烧充分,燃料利用率高,可从根本上解决冒黑烟的难题。
②与之配套的锅炉,烟尘排放原始浓度低,可不用烟囱。
③燃料燃烧连续,工况稳定,不受添加燃料和捅火的影响,可保证出力。
④自动化程度高,劳动强度低,操作简单、方便,无需繁杂的操作程序。
⑤燃料适用性广,不结渣,完全解决了生物质燃料的易结渣问题。
⑥由于采用了气固相分相燃烧技术,还具有如下优点:
a从高温裂解燃烧室送入了气相燃烧室的挥发份大多是碳氢化合物,适合低过氧或欠氧燃烧,可达无黑烟燃烧及完全燃烧,可有效地抑制“热力――NO”的产生。
b在高温裂解过程中,处于缺氧状态,此过程可有效地制止燃料中氮转化为有毒的氮氧化物。
四、环境影响分析
生物质燃料燃烧污染物排放主要为少量的大气污染物及可综合利用的固体废弃物。
(1)大气污染物
生物质燃料纤维素含量高,为70%左右;硫含量大大低于煤;燃料密度大,便于贮存和运输;产品形状规格多,利用范围广;热值与中质煤相当,燃烧速度比煤快11%以上,燃烧充分、黑烟少、灰分低、环保卫生;另在采取配套的脱硫除尘装置后,大气污染物排放种类少、浓度低。根据河南德润锅炉有限公司对生物质固体成型燃料专用锅炉的研究:生物质燃料燃烧后可实现CO2零排放,NOx微量排放,SO2排放量低于33.6mg/m3,烟尘排放量低于46mg/m3。新建使用生物质燃料锅炉大气污染物排放控制指标执行《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)中燃气锅炉的排放标准。查阅该标准可知,燃气锅炉排放标准为:SO2≤100mg/m3、烟尘≤100mg/m3。生物质燃料锅炉燃烧后大气污染物排放浓度远低于国家标准。
(2)固体废弃物
生物质燃料锅炉燃烧固体废弃物主要为燃烧后的灰分,可以回收做钾肥,资源综合利用。
五、环境效益分析
生物质燃料的环境效益主要体现在以下几方面:
(1)生物质燃料代替煤等常规能源,能减少大气污染物的排放量,有效改善城乡空气环境质量。生物质燃料中硫的含量不到煤炭的1/10,其替代煤燃烧能有效地减少大气中二氧化硫的排放量;由于生物质在燃烧过程中排出的CO2与其生长过程中光合作用中所吸收的一样多,所以从循环利用的角度看,生物质燃烧对空气的CO2的净排放为零。煤炭与生物质固体燃料的污染物燃烧排放比较见表2。
(2)燃烧后的固体废物可综合利用
灰分可以回收做钾肥,实现“秸秆――燃料――肥料”的有效循环。
(3)合理处理废弃的农作物,降低对环境的影响
仅秸秆而言,我国每年农作物秸秆产重约为7.06亿千吨,河南省每年达7000万千吨,占全国的1/10。若秸秆等废弃的农作物自然腐烂,将产生大量的甲烷,通常认为甲烷气体的温室效应是二氧化碳的21倍。将废弃的农作物做成燃料,既变废为宝,节约资源,又可减排温室气体,保护环境。
六、结论
生物质燃料利用废弃的农作物作为原料,可实现就地取材、就地生产,降低了农业废弃物运输成本与运输过程中的污染,其产品具有节能、环保、保护不可再生资源等特点。生物质燃料生产的工艺、方法符合我国目前建设节约型社会要求和可持续发展的国策,具有突出的社会效益、经济效益和环境效益,有很好的实用性和推广价值,对缓解我国能源紧张和环境污染具有重大意义,有着广泛的市场前景和应用空间。
参考文献:
[1]洪成梅 徐士洪 魏良国 利用农作物秸秆生产生物质“颗粒”燃料 污染防治技术,2007
[2]江淑琴 生物质燃料的燃烧与热解特性[J] 太阳能学报,1995
篇2
关键词 粮食安全 能源安全 土地潜力 统筹 路径
许多国家基于包括环境安全、能源安全和农村发展的多重目标，十分支持生物燃料发展。但是，生物燃料在应对气候变化、保障能源安全和促进农村发展的有效性和效率上遭到质疑，最尖锐的批评集中于对粮食安全的负面效应上。FAO估计全球大约8.5亿人口营养不良，其中营养问题最严重是撒哈拉以南的非洲，在那里大约有1／3的人口缺少足够的粮食。尤其是2007年，全球粮价上涨在37个国家引起粮食危机，并使全球一亿多人深陷贫困之中，粮食作物向生物燃料的转化以及由此导致的粮食价格的上升再次引起一些学者对粮食安全的关注。例如夏天(2008)对美国芝加哥商品交易所(CBOT)、大连商品交易所(DCE)的农产品期货市场与美国纽约商业交易所(NYMEX)原油期货市场之间的联系和相互影响机制进行了实证分析，研究发现：以玉米和豆油期货为代表的CBOT农产品期货市场由于燃料乙醇和生物柴油等生物能源项目的兴起而与国际原油期货市场构成了协整关系，即三者具备了关联性和相互影响的作用机制。根据胡明远、孙英辉(2009)的研究，美国生物能源战略导致了全球粮食危机，2002年至2008年2月，国际粮食价格上涨了140％，促成这一涨幅的因素中，化肥和农药价格的上涨仅占粮价上涨幅度的15％，而生物燃料则占粮价涨幅的75％。他们认为，如果不增加生物能源比例，全球玉米和小麦的库存量将不会明显下降，其他因素只能温和地推动粮价上涨。
已有的研究主要集中于生物燃料发展对粮食价格的影响及对穷人消费者所产生的负面效应。实际上，生物燃料发展和粮食安全矛盾的根源在于土地资源的有限性和不可再生性，具体表现为能源作物和粮食作物的土地之争。农民作为理性人追求土地收益最大化，生物燃料产业的发展影响了农民的种植决策，改变土地资源在各种农产品间的使用分配，即，增加能源作物的种植面积同时减少粮食作物的种植面积。由于能源作物与粮食作物之间直接的土地竞争关系，有限的土地资源在生物燃料发展和粮食安全保障上往往“顾此失彼”。面对日益突出的能源供需矛盾，生物燃料发展是否一定以牺牲粮食安全为代价?现有的土地资源是否具备兼容生物燃料发展和粮食安全保障的生产潜力?不同土地资源禀赋的国家应如何选择生物燃料发展与粮食安全兼容的路径?回答这些问题对制定正确的能源多元化发展战略与生物质能源发展路径，寻求经济与社会可持续发展具有重要的现实意义。
生物燃料发展与粮食安全保障的土地之争
在土地市场上，生物燃料的发展会改变土地资源的配置从而影响粮食安全。由于土地资源的有限性和不可再生性，能源作物与粮食作物存在着直接的土地竞争关系。2001年以来，全球生物燃料发展规模急剧增长。2009年全球生物燃料的产量达到109088百万升，其中乙醇为91909百万升，生物柴油17179百万升，乙醇产量占生物燃料产量的比重达到84％。在乙醇生产中，美国和巴西的产量分别占世界总产量的48.2％和27.2％。因此，本文以美国和巴西为例，分析生物乙醇原料作物与粮食作物的土地竞争关系。
美国生物乙醇生产始于1981年，2001年以来受原油价格显著上升的影响，美国生物乙醇开始出现快速发展，从2001年前平均年增长8千万加仑变为平均年增长67千万加仑。美国发展生物乙醇的原料99％来自传统的优势农产品玉米，由于生物燃料需求的增加，美国2001年以来玉米种植面积呈稳步增加的态势。如图1所示，2001年美国玉米种植面积为27830千公顷，2010年则增加为32960千公顷。与此同时，小麦的种植面积则呈逐步下降的趋势，2001年小麦的种植面积为23846千公顷，2010年则下降为19278千公顷。伴随着生物燃料需求的增加，能源作物对粮食作物表现出较强的土地替代效应。长远来看，美国新能源法案提出到2020年美国生物乙醇产量将达到360亿加仑，这大约要耗费1442.9万吨玉米，这意味着美国玉米种植面积要增加1521.7千公顷。由于耕地资源的有限性和用途的竞争性，美国粮食的种植面积必然会受到冲击。当然粮食的短缺引起的粮价上涨在一定程度上会缓解玉米对粮食作物的替代，例如2007年粮食危机引发世界粮价飙升，2008年美国玉米种植面积明显减少，而小麦种植面积则明显增加。但从长远来看，伴随着石化燃料资源的日益枯竭及燃料价格步步高升，玉米价格必然会进一步抬高，如果玉米价格上涨的幅度远远超过粮食上涨的幅度，必然会引起玉米对粮食作物的替代从而影响世界粮食的充足性。
巴西也是较早研究和推广生物能源的国家，为避免对石油进口的过度依赖，巴西政府1975年颁布“乙醇计划”新能源政策，因地制宜推动以甘蔗为主要原料的乙醇燃料的发展。30年来，巴西政府已经投人数十亿美元来开发和推广使用生物质能源。巴西政府和私营部门共同投资扩大甘蔗种植面积，兴建大批以甘蔗为原料的乙醇加工厂。由于巴西政府的大力支持和推广，巴西甘蔗种植面积呈现出明显的扩张趋势。如图2所示，2001年巴西甘蔗种植面积为5022.2千公顷，2010年扩大为9830千公顷，甘蔗种植面积增长近一倍；与些同时，一些粮食品种的播种面积则呈现出逐年下降的趋势。以水稻为例，2001年，巴西水稻种植面积为3149千公顷，2010年则减少为2750千公顷。近十年来巴西甘蔗和水稻种植面积的剪刀差越来越大，甘蔗对水稻具有明显的土地替代效应。由此可见，生物燃料乙醇的大规模发展已经对巴西粮食种植产生较大的影响，但未来的影响会更大。据巴西农业部长宣称，未来将近一步增加用于生产生物乙醇燃料的甘蔗种植面积，由目前的3000千公顷逐步增加到2017年的9000千公顷。
总之，美国和巴西是生物乙醇燃料生产的两大国家，生物乙醇燃料生产约占世界的3／4，同时两国也是世界粮食的生产大国和出口大国，显然生物乙醇燃料的发展使得能源作物大量挤占了粮食用地，已经对世界粮食安全产生了较大的
负面影响。因此，分析当前世界土地资源扩张农作物的潜力，从土地的角度探讨生物燃料发展和粮食安全兼容的机制就显得非常必要。
世界土地统筹生物燃料发展与粮食安全的潜力
发展生物燃料的同时又要保障粮食安全，这就要求在现有的土地资源具有扩张农作物生产的潜力，能够生产出足够多的农产品。当前IIASA和FAO通过GAEZ(Global Agricultural Ecological Zone)分析法对不同地区扩张农作物的潜力做一粗略的估计。当前不同地区扩张农作物生产的方式有：粗放型和集约型。粗放型扩张农作物是通过增加土地面积的方式实现农产品的增加，集约型扩张农作物是通过灌溉、复种和增产的技术，实现单位土地面积下农作物产量的增加。
1、粗放型扩张农作物
表2显示了世界土地可获得性与潜力。全球表面面积(除大洋)为134亿公顷，其中大部分为不适合种植的土地，种植的土地面积只有36.5亿公顷种植，仅占全球表面面积的27.2％。尽管如此，世界仍存在5.37亿公顷闲置的且适合于谷物种植的土地，约占种植土地面积的14.7％。尤其是中亚，其种植土地面积为16.3百万公顷，适合种植且闲置的土地面积则为26.7百万公顷，是种植土地面积的1.63倍；南非适合种植且闲置的土地占种植土地面积的比率也很高，约占种植土地面积的38.4％。世界36.5亿公顷种植的土地面积中有26亿公顷土地处于高投入状态，有8.41亿公顷处于中投入状态，2.05亿公顷处于低投入状态。在不同的投入水平下根据土地的肥沃程度可分为非常适合种植、适合种植和中等适合种植三个级别，投入水平越高则非常适合种植的土地面积则越大。如果不考虑增量土地的机会成本的话，全球仍存在一定的土地潜力扩大种植面积。至于潜在的土地面积估计则存在一个范围波动，该范围波动的大小依赖于相关作物的假定、技术投入使用情况及可接受的产量水平。这些估计反映了农业生态潜力而不是经济潜力，它没有考虑增量土地的机会成本。
2、集约型扩张农作物
集约型农作物扩张可以通过灌溉、复种和采纳新技术而超越其生产潜力。在水资源充足的地方，如果灌溉可以得到充分的开发和利用，则全球谷物面积会增加8.4％，潜在的产量会增加40％。在人口稀少的地区，灌溉对增加潜在农作物面积和产量的效果明显。如表3所示，在西亚通过灌溉可使潜在的农作物面积增加78.6％，产量则会增加375％。在中亚通过灌溉可使农作物面积增加218.4％，产量则会增加695.3％。在人口密集的地区通过灌溉扩大农作物面积的范围是有限的，但产量仍然可以较大幅度地增加。例如在西欧，通过灌溉潜在的农作物面积仅增加2.4％，但是产量却可以增加10.2％；在中非通过灌溉潜在的农作物面积仅增加1.6％，但是产量却可以增加21.1％。由此可见，无论人口稀少的地区还是人口密集的地区，都可以通过灌溉的投入，有效提高农产品的产量，实现集约型的扩张。
复种是另一种集约化生产的方式，通过复种也可以有效地扩大土地种植面积。IIASA和FAO估计全世界60％的种植土地是适合复种的。在一些地区该份额会更高，在南亚90％的种植土地适合复种，东南亚几乎100％的种植土地适合复种。即使在非洲，部分地区50％的种植土地也是可以复种的。集约型农作物扩张也可以通过采纳现代的栽培技术、合理的虫害和营养管理及其他的技术来实现产量的增加。研究表明这些农业技术革新促进了农村发展，减少了农村贫困，但各个地区在现代高产量技术采纳率上是不同的。具体表现为在采纳整体的营养和虫害管理技术、灌溉技术和转化发酵技术上均存在差异。例如，1998年南亚、东亚和东南亚小麦现代物种的采纳率超过80％，其他谷物现代物种的采纳率为60％，而在撒哈拉以南的非洲只有小麦现代物种的采纳率超过40％。不同的技术投入和管理方式往往导致产量的差距，IIASA／FAO分析了不同投入水平之间在短期产量和长期可持续产量上存在巨大的差距。如表4所示，在短期产量上，低投入水平下全球小麦、水稻和玉米的平均短期产量是998公斤／公顷，中投入水平下全球小麦、水稻和玉米的平均短期产量是3658公斤／公顷，高投入水平下全球小麦、水稻和玉米的平均短期产量是5983公斤／公顷。长期可持续产量是根据休耕期所要求的要素条件如气候、土壤类型、作物类型和管理及投入水平计算所得，它在不同投入水平下的差距更大，在低投入水平下全球小麦、水稻和玉米的平均长期可持续产量是448公斤／公顷，而在高投入水平下全球小麦、水稻和玉米的平均长期可持续产量是5409公斤／公顷，是低投入水平产量的十倍之多。因此，无论是短期还是长期，在低投入水平主导的地方均存在大量的未开发的产量潜力。
综上所述，当前世界仍存在着一定比例闲置且适合种植的土地，可在一定程度上通过增加种植土地面积实现农作物粗放型扩张；世界土地资源在集约型农作物扩张上仍存在较大的潜力空间，通过技术进步、灌溉和增加投入可大幅提高单位土地面积的农作物产量。因此，从农业生态角度上看，生物燃料发展与粮食安全保障是可以统筹兼顾的。但是上述分析仅仅反映了农业生态潜力而不是经济潜力，它没有考虑增量土地的机会成本。因此，一个国家发展生物燃料是否具备经济上的可行性，如何选择生物燃料发展与粮食安全保障兼容的路径?这需要根据各个国家的土地资源禀赋并结合收入状况做进一步的分析。
不同土地资源禀赋下生物燃料发展与粮食安全保障兼容的路径
该部分探讨四种类型的国家在生物燃料发展与粮食安全保障兼容上的路径选择，包括粗放型和集约型。粗放型农作物扩张要求一国具有大量的尚未开发的边际土地，可通过平均边际土地的可获得性来衡量一国粗放型农作物扩张的潜力。集约型农作物扩张的潜力可通过农业在GDP中的份额来衡量，该份额会对一系列决定农业生产能力的因素作出反应。农业生产能力包括生产力获取能力和农业市场化能力，它与一国的经济发展水平和收入状况密切相关。随着一国的经济水平的发展，农业在GDP中的份额呈下降的趋势。因此，一国应该如何选择统筹生物燃料发展与粮食安全的路径，这不仅与一国的土地资源禀赋有关，还与一国经济发展水平和收入状况等有关，基于此本文将不同的国家划分为以下四种类型：
第一，土地稀缺、收入低下的国家，如孟加拉国。孟加拉国土地资源非常稀缺，几乎没有为扩张生物质而扩大种植土地面积的能力，平均每千人所拥有的边际土地仅为2.1公顷，粗放型增加生物质几乎不可能。同时它在GDP上存在对农业较强的依赖性，2010年农业在GDP中的份额为19％，所以孟加拉国任何产量的增加都必须来自集约化经营。但是孟加拉国收入低下，基础设施落后，天然气网仅覆盖4％的家庭，电网也仅覆盖30％的家庭，全国仅有26.3％的人口可获得电，这对集约化投资是一个强有力的约束。而且，孟加拉国仍有大量的人口处于极度贫困状态，粮食安全尚未得以保证，任何生产资源的竞争性加强都可
能对穷人有较大的负面影响。所以通过生物燃料来解决能源问题对孟加拉国来说不是一种帕累托改进。2008年，世界人均能源使用量为1834千克石油当量，而孟加拉国人均能源使用量仅为168千克石油当量，孟加拉国面临严重的能源短缺，它传统的解决能源的方式如燃烧木材、粪便和庄稼残余会引起包括室内空气污染等环境问题，而且收集这些生物质也会花费妇女大量的时间，因此，孟加拉国改善能源供给的出路在于从太阳能和风能等入手，而不应从与粮食作物存在土地之争的能源作物入手。
第二，土地充裕、收入上中等的国家，如巴西。巴西具有良好的资源禀赋和成熟的市场条件去利用生物燃料发展所带来的机会。首先，巴西国土面积851万平方公里，现有牧场2亿多公顷，农田6200多万公顷。除了山地和荒漠，大约还有1亿多公顷的土地未开发利用，平均每千人所拥有的边际土地为318公顷，完全有条件在保证粮食生产的情况下，通过开发新的农田来扩大能源作物的种植。其次，巴西经济较为发达，2010年巴西GDP为2023528百万美元，世界排名第八。巴西具备良好的交通基础设施和较为发达的资本市场，这为巴西的生物燃料发展提供了良好的硬市场环境和软市场环境。2010年巴西农业在GDP中的份额仅占6％，这说明巴西在农作物的扩张上具有较强的生产力获取能力和农业市场化能力，已经具备集约型扩张农作物的能力。因此，巴西可在不影响粮食安全的前提下，通过集约和扩张型两种方法来实现生物燃料的发展。事实上，巴西已经充分利用自身在能源农业上的优势，巴西的生物燃料发展一直走在世界的前列，2009年巴西甘蔗乙醇的产量占全球总产量的1／3。由于规模经济，巴西是世界上能源农业成本最低的国家，只要石油价格超过每桶30美元，巴西生物燃料的生产就有竞争力。当前巴西发展生物燃料的约束不是来自国内土地资源或经济上的限制，而是来自贸易伙伴政策的限制，以及由于单一作物种植所带来的气候和环境的约束。
篇3
【关键词】化学原料；污染物；排放趋势
1.概况
化工原料及化学制品制造业无论在工业废水还是在废水中污染物排放量方面均属江苏省排放量较大的行业。“十一五”以来，针对“两高一资”行业，国家相继出台相关调控政策，提高行业准入门槛、取消优惠政策，加快了该行业的产业结构调整步伐，一定程度上降低了资源消耗和环境负担，但由于其产能不断扩大以及技术水平的相对落后造成该行业已经成为并将在未来一段很长时间内是污染排放的“大户”，随着我国节能减排工作的深入开展，化工原料及化学制品制造业面的形势将更加严峻。
2.行业现状
2010年，该行业工业总产值为2934.37亿元，占全省比重9.7%；工业用水总量为72亿吨，占全省比重19.2%；2者的投入产出比为40.76元/吨，低于全省平均水平。
2010年，化工原料及化学制品制造业排放废水5.26亿吨，占全省工业废水排放总量的19.95%；排放化学需氧量和氨氮分别为4.86万吨和5100吨，分别占全省工业化学需氧量和氨氮排放总量的19.92%和30.36%，是江苏省工业废水排放量和化学需氧量第二大行业，氨氮则为全省排放量第一大行业，且总量远远高于其他行业。
3.变化趋势
2001～2010年，该行业工业总产值呈波动上升态势，该行业工业用水总量一直处于高位增长态势，且趋势显著（线性回归，R=0.975），占全省比重却呈缓慢下降形势，比例由25.8%降至19.2%；与此同时，该行业工业用水总量和工业总产值之间的投入产出比在比例和增速方面均低于全省平均水平，是典型的“高投入、低产出”行业。
2001～2010年，化工原料及化学制品制造业工业废水排放量由8.57亿吨降至5.26亿吨，呈显著下降趋势（线性回归，R=-0.944），其单位工业产值废水排放强度则呈显著线性下降趋势。与废水排放量趋势相似，主要污染物化需氧量和氨氮排放量也有所下降，但趋势并不明显，10年间分别由7.98万吨、8139吨降至4.86万吨和5100万吨，而单位工业产值化学需氧量和氨氮排放强度则呈现显著的下降趋势，其中化学需氧量表现的更为明显（R=-0.925）。以上趋势和表现说明国家一系列政策调整的作用初步显现，化工原料及化学制品制造业在控制污染方面已取得一定的成效。
图1 2001～2010年化工原料及化学制品制造业工业废水排放量
及单位工业产值排放强度变化情况
图2 2001～2010年化工原料及化学制品制造业工业
化学需氧量排放量及单位工业产值化学需氧量排放强度变化情况
图3 2001～2010年化工原料及化学制品制造业工业氨氮排放量及
单位工业产值氨氮排放强度变化情况
篇4
关键词：生物质燃料 小型火力发电机组 改造技术 可行性研究
中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0117-01
随着社会经济的发展，能源需求不断增加，同时能源使用生态化理念也应运而生，节能减耗清洁生产已经成为企业生产与政府研究的重要课题。在国家生态经济战略推进落实过程中，众多的小型燃煤火电因耗能与污染生产而关停，电力企业也在不断开展能源研发与资源利用技术创新工作，以求实现资源利用最大化。这种情况下，众多火电企业将目光投向了生物质改造利用，因此小型燃煤火电机组转换生物质燃料技术的可行性研究提上日程。笔者在本文中着重分析了小火电生物质改造转化技术的必要性与系统性，并就其应用风险进行了阐述。
1 小火电机组进行生物质改造的意义分析
近年来，一些小型火电电力生产运营过程中存在着污染严重、耗能过多等弊端，这与当今生态和谐社会建设要求严重不符，因此小型燃煤火电发电机组进行生物质燃料改造具有必要性。此外，生物质改造能够降低生产成本，还能提升企业生产生态效益，具有明显的推广优势。
1.1 小火电进行生物质改造的紧迫性
与大型发电机组生产运营情况相比，小火电具有高耗煤、低产量、高污染、低经济效益的“两高两低”特征，因而被冠以“能源消耗与环境污染大户”的专称。随着近年来国家经济结构调整措施的落实，小型火电已经成为经济结构调整的重点整顿对象，并对一批严重耗能与污染的小火电实施了关停政策，迫于形势压力，小火电必须进行生产结构调整，并着重进行能源改造，加大新能源创新与应用研发。
生物质燃料具体表现为柴薪等有形物质，区别于太阳能与风能等清洁可再生能源，生物质燃料的情节性主要取决于燃料改造技术，但是生物质具有一项明显的能源优势便是可再生并且可运输，这就为生物质开发应用提供了便利，也为小型火电进行生物质气燃料改造提供了条件。
1.2 小火电生物质改造技术及其应用意义
现阶段，国家不断提倡进行能源改造与清洁能源研发，这为生物质能源转化应用提供了政策支持，国家还对生物质能源转化应用进行经济政策规定，为生物质能源转化应用提供了良好的外部环境。小型火电进行生物质能源转化主要是进行就地取材，既节省了煤耗，还降低了污染，而且企业发展还享有国家基金与经济倾斜，能为企业经济效益的实现提供保证。
2 小型燃煤火电发电机组生物质改造的可行性与风险性分析
2.1 小火电生物质改造技术可行性分析
小型燃煤发电机组进行生物质燃料转换具有明显的可能性。进行生物质能源改造需要资金少，而且还可以进行生物质燃料混燃，其中的各种改造方案都具有明显的可能性。小型燃煤发电机组改造活动集合理化设计、整合技术、试验验证等各环节于一体，因而生物质能源改造具有系统性。生物质能源改造技术的可能性与系统性决定了该技术具有可行性。
2.1.1 生物质能源改造的可能性
现阶段，我国小型火电发电机组进行生物质能源改造主要有三类设计，每种方案设计都具有可能性。
小型火电生物质燃烧利用主要分为生物质纯燃与生物质混燃两种，这两种应用技术都具有可能性。所谓生物质纯燃即指生物质直燃，该种技术应用不存在难点，但是具有一定的应用弊端。生物质直燃技术的应用首先要进行燃料机改进，以使燃料设备能应用于生物质燃烧，还要在生物质燃烧过程中进行纯燃弊端克服。生物质混燃技术在现阶段应用比较广泛，主要是将生物质与煤等碳化燃料进行混合燃烧应用，该技术能够有效降低氮氧化物的排放，而且在混燃过程中还能有效降低生物质的活性指数，有效降低温室气体的排放，具有良好的生态效益。
小型燃煤发电机组生物质燃料改造还包含流化床燃烧技术设计与层燃炉燃烧技术设计，这两方面技术主要是根据生物质燃烧进行的技术设计。其中流化床燃烧技术主要是进行生物质的流态化燃烧，该技术能够保证生物质的充分燃烧，而且能满足生物质多元燃料混合燃烧需求，燃料普适性较高。流化床燃烧技术因为这些优势具有广泛的应用前景。而生物质层燃炉燃烧技术主要是应用层燃炉排进行生物质燃烧，该种燃烧技术应用时间较长，流化床燃烧技术便是基于该种燃烧技术进行的燃烧技术创新，相比于层燃技术，流化床技术能够有效降低火电运行成本，且操作设备简单，易于推广。
小型火电生物质改造主要是针对生物质燃烧进行设备改造，基于此小型电厂进行了燃烧设备与系统改造处理，还进行了发电机组锅炉低成本设计改良。此间的设计与改造主要根据企业经济条件、设备运行情况实际情况进行的改良，具有明显的可行性。
2.1.2 小火电生物质改造系统性分析
小型火电生物质改造作为一项系统化的技术，其技术要点从设计环节到技术可行性预测再到技术方案的确定都经过科学论证，有效提升了改造技术的可行性。
在生物质改造技术中着重进行了燃料供应量设计与工艺系统改良，并基于小型火电设备运行与需求情况进行了锅炉参数设计。小型火电生物质改造转化中还进行了燃料可供性与入炉形式预测分析。生物质供应是影响企业生产运营成本的重要因素，确定合理化的生物质供应也能影响项目成败；而生物质入炉形式是影响生物质能否全面燃烧的关键因素，还能影响到燃烧设备的使用性能，不科学的入炉形式会缩短设备的使用寿命，还能影响企业生产运营的安全可靠性。
2.2 小火电生物质改造转换技术风险性分析
小型火电生物质转换改造技术在应用中尚存在一定风险，主要表现为技术风险、市场风险、实施与投资风险等，这些风险的存在主要影响技术管理水平，需要进行有效的技术管理措施加强。小型火电生物质技术的技术风险主要表现为锅炉改造与生物质燃烧技术。我国的生物质改造技术尚未发展成熟，也并未形成与国际技术的接轨，因此技术设计与应用中管理措施的不到位引发风险不由必然性。此外，生物质改良转换技术还具有一定的市场风险与投资风险。该种风险主要是由于生物质的供应与生产回报具有众多的不确定因素，以致风险指数较高。
3 结语
小型火电生物质燃料改造与转换技术具有十分明显的可行性，但是也具有一定的风险性，虽然风险的存在并不会影响技术的实施与应用，但是我们仍应该加大技术的风险管理，以全面提升转换技术的科学化与可行性水平。
参考文献
篇5
论文关键词：生物质气化气，行驶试验，排放特性，过量空气系数
0 引言
随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧，清洁可再生的代用燃料成为发展的必然趋势。目前，我国应用于机动车的代用燃料主要有压缩天然气和液化石油气，但实质上它们都是化石燃料的衍生品，其发展严重受化石燃料的制约。
理论上，生物质气化气有合适的热值和能量密度，能够满足作为内燃机燃料的要求，而且可以实现CO2净“零排放”。早在第一、二次世界大战期间，生物质气化气就已经作为机动车燃料应用于欧美等国家（1）；目前，我国生物质气化气作为内燃机燃料的试验工作相继展开。任永志等（2）试验研究了内燃式燃气发电机的运行特性；孟凡生等（3-4）分析了我国低热值燃气内燃机的发展及应用现状,并对生物质气化气作为内燃机燃料的燃烧特性做了简单分析；孟凡彬等（4）试验研究了生物质气化气作为车用燃料初步规律。本文以不同组分生物质气化气作为原料，进一步研究了生物质气化气作为车用燃料的适应性和排放特性。
1 试验内容
1.1 试验原料：
试验原料为生物质气化气，其中1#-6#为生物质空气气化气，7#-12#为生物质富氧气化气，具体见表1。
表1 生物质气化气组分及热值
Table 1 the components of producer gas andlow heat value
NO.
CO2/%
C2H4/%
C2H6/%
H2/%
O2/%
N2/%
CH4/%
CO/%
Qv/kJ/m3
1#
9.00
0.00
0.00
15.77
0.99
50.62
0.75
22.88
4853.98
2#
9.68
0.00
0.00
16.73
1.07
49.88
0.97
21.68
4884.89
3#
15.87
0.30
0.00
16.46
0.28
45.06
1.89
20.14
5195.70
4#
15.61
0.31
0.00
15.62
0.22
45.77
2.13
20.32
5222.56
5#
11.42
1.55
0.00
12.92
0.67
49.52
2.28
21.64
5969.60
6#
11.00
1.75
0.00
13.61
0.63
49.30
2.14
21.57
6121.69
7#
24.41
0.71
0.00
32.33
0.00
1.33
3.72
37.50
10022.68
8#
23.55
1.39
0.23
28.73
0.54
4.58
4.89
36.10
10480.57
9#
18.34
0.91
0.20
25.76
0.89
7.55
6.07
40.28
10778.35
10#
13.06
0.53
0.00
28.34
0.36
9.77
2.69
45.25
10078.75
11#
13.36
0.55
0.00
27.92
0.55
11.06
2.70
43.87
9877.44
12#
19.80
1.28
0.00
25.26
1.00
14.01
4.69
篇6
分析和评估气体燃料成分的差异对生物质燃料发动机必要运行条件的影响。
解决方案
采用NI LabVIEW软件和PXI硬件测量发动机和模拟生物质气体燃料生成器的每个输入输出信号。
有机物质通过发酵和热解产生生物质气体，其中的可燃气体(例如甲烷和氢气以及一氧化碳)与非可燃气体(例如二氧化碳和氮气)相互混合。所用原材料的生物质资源种类或者气化方法的不同，以及燃料生成器内温度波动而引起的改变，都会使气体混合比产生变化。此外，生物质气体含有的热值较低的气体(氢气和一氧化碳)和不可燃气体(二氧化碳和氮气)，因此其热值低于市场上销售的气体燃料，这可能会在发动机运行时引起很多问题。
为了开发生物质气体燃料发动机，我们必须清楚燃料热值和气体成分的差异如何影响发动机的运行条件。我们对一台实验发动机完成了模拟生物质气体燃料的燃烧分析，作为生物质气体燃料发动机开发的第一步，使用的模拟生物质气体燃料是由多种气体成分以任意比例混合而成的。
在发动机运行实验中，模拟生物质气体燃料生成器为发动机提供模拟生物质气体燃料，数据采集设备采集实验数据。
使用这些装置进行发动机运行实验，同步测量信号和提高机械运行效率是实验的两个主要的难题。
测量
为了分析和评估燃料气体成分的差异对发动机运行必要条件的影响，我们测量了大量数据，如发动机运行时燃料和空气流量以及发动机各点的温度和压力。此时必须保证测量与发动机曲轴的运动同步以方便后续分析。采样率需要具有灵活性：压力信号变化剧烈，我们每一度曲轴转角采样一次(标定转速1500rpm的发动机需要9000H z的采样率)；温度变化相对较慢，曲轴每转一圈采样一次。此外，输出电压信号因传感器放大器不同而有所差异；因此，我们对每一通道进行设置以获得精确的测量。
发动机运行控制
启动发动机时，我们必须连接离合器，转动自启动电机，当燃料供给建立时断开离合器。进一步，发动机运转过程中，我们必须利用执行机构(例如气门、质量流量控制器和火花塞)调整空气和燃料流量和点火定时以实现提前设定的实验条件。在实验中同时操作多台设备并监测发动机运行状况是实验人员的一大麻烦，提高效率十分必要。
生成模拟生物质气体
7个生物质流量控制器独立监测和控制6类气体(CH4，C2H4，H2，CO，CO2和N2)以及一罐市售13A气体的流量。因此，我们必须同时控制7个控制器以生成任意混合比的模拟生物质气体，这是一个复杂的过程。
系统结构
为同时操控七个控制器，我们在发动机测量设备和模拟生物质气体燃料生成器的各个输入／输出接口统一使用NI公司的产品，并搭建发动机测量控制系统和模拟生物质气体燃料生成系统。两套系统我们都采用LabVIEW来进行软件开发。
发动机测量控制系统使用了一个NI PXI-8176控制器、PXI-6071E模拟输入多功能数据采集(DAQ)模块、一个PCI-6733高速模拟输出模块以及PX1-6602定时和数字I／O模块。测量方面，采用PxI-607IE以旋转编码器的信号为基准在每一个曲轴转角对传感器的输出进行采样。运行控制方面，我们采用Pxl-6733模块操作各执行器，例如离合器、自启动电机、节气门和质量流量控制器；采用PXI-6602生成点火信号。NI硬件统一了运行发动机时需要操作的各个设备I／O的信号。我们采用PC搭建的系统能够运行发动机并进行各种测量。
为了开发模拟生物质气体燃料生成系统，我们采用了商用桌面PC和PXI机箱，一套PXI-603lE模拟输入多功能DAQ模块，以及一套PXI-6733模块。从PXI-6733输入的电压控制各气体成分的流量，PXI-603lE测量实际流量。PC同步控制7个质量流量控制器，使得系统可以控制其中气体成分以产生任意的混合比。
结果
在测量方面，我们成功实现了对发动机曲轴运动的同步采样。另外，利用软件可以轻松的设置每通道的采样率和测量范围。只需使用PC就完成了测试，这简化了测试操作。
我们还采用LabVIEw来分析数据。从实验到分析整个过程中的所有工作都可以通过LabVIEW来完成。由于不需要进行多种语言混合编程，因而进一步节省了时间。
图2(a)是发动机测量控制程序，它具有自动处理发动机启动程序、手动控制和调节执行器至实验条件以及测量实验数据的功能。
图2(b)是设置模拟生物质气体燃料混合比程序的前面板，可以分别设置和监测7种气体的流量。我们利用这些数据对发动机性能进行分析，包括输出功率、热效率、输出功率变动系数以及燃烧特性(如燃烧起始时刻和燃烧持续期)，所用的分析程序如图3所示。
篇7
【关键词】 生物质燃料 估算低位热值 收购燃料 合理定价 燃料有效利用
随着世界能源结构多元化、高效化、清洁化的开发和利用，生物质以其低碳、可再生的特点受到人们的重视，以生物质能源为燃料的锅炉也应运而生。
燃料的发热量是燃料的一个很重要的特性，它是单位质量的燃料完全燃烧时所能释放出的最大发热量，发热量的高低取决于其化学组成以及可燃成分的多少，并与燃烧条件有关，发热量是衡定燃料质量的重要指标。
生物质是由纤维素、粗纤维素、木质素的碳水化合物、粗蛋白、蛋白酶、以及与微量元素等共同组成多种复杂 高分子有机化合物的复合体。自然环境下生物质燃料都含有一定量的水分，因种类的不同而变化。生物质中的水分以不同的形态存在， 即化合结晶水、内在水分和外在水分。化合结晶水用于生物质的合成。内在水分以物理化学结合力被吸附在 生物质内部的毛细管中，其含量比较稳定，一般5%左右；由于内在水分所处的位置结构其水分的蒸汽压力小于同温度下纯水的蒸汽压力，所以在常温下很难除去，必须在105℃至110℃下用加热干燥设备才能除去，是一个较为恒定值。生物质的外在水分以机械吸附携带方式存在于生物质的表面、结构间隙以及较大毛细孔中，与其运输和储存紧密相关。外在水分可用自然干燥法除去，在自然环境条件下，生物质燃料的外在水分不断蒸发，直到外在水分的蒸汽压力与空气的水蒸汽压力相同时，达到气液两相平衡，此时失去的水分是外在 水分，但失去水分的多少决定于相伴空气的 温度和空气的相对湿度，随自然环境的变化是一个相对的变量，所以外在水分是一个相对值而不是一个绝对值。一般来讲，水分是生物质燃料中的杂质，它即增加了运输和设备运行与检修中的费用、又降低生物质燃料的热值等。
燃料热值的高低取决于燃料中含有可燃成分的多少，但是，燃料的发热量（热值）并不等于可燃组成的C、H、S发热量的代数和。因为它们是在生长过程中通过光合作用等有机合成的产物，并于生物质的种属，植物的部位、生长地域、环境条件等有关。对于生物质燃料高位热值的测定通过常用的元素分析法不仅十分繁琐而且设备复杂，必须有专业的化学实验室来完成。在实际操作中，对于工厂技术人员，用门捷列夫经验公式估算和氧弹量热器来测定燃料热值并不实用，又没有较为成熟的经验公式。
燃料的热值分为高位热值HHVdaf由专业化实验室测得和低位热值（净热值）LHV。HHVdaf是燃料实际最大可能发热量，它是挥发份和固定碳的燃烧反应热之和。燃料燃烧后烟气中的水蒸汽包含了燃料中元素H在燃烧时与氧气反应生成的水蒸汽、燃烧过程中燃料的内在水分和外在水分形成气相的水蒸汽、冷空气中的过热水蒸汽。实际应用中燃料在燃烧设备燃烧后产生的高温烟气，通过尾部换热面时的温度仍相当高，一般都在100℃以上，，而且水蒸汽在烟气中的分压力又比大气压力低，所以此时燃烧反应产物中的水和燃料中携带的全水份仍然都是气相的饱和蒸汽或过热蒸汽，不能凝结成液相的水。为了有效地防止低温腐蚀，这部分汽化潜热就无法利用，而被排入大气，燃料的实际可利用热值就减小，所以从燃料高位热值HHVdaf中扣除掉这部分水蒸汽的汽化潜热，再减去灰渣热焓（无冷渣系统）后，就得到所能利用的净热值LHV。
由于生物质各种属燃料的有机物物质成分变化范围较小，工业分析中只要查出专业实验室对各种生物质燃料的高位热值HHVdaf（见表）的测定值，再测定出生物质燃料的全水分、全灰分、知道灰分的比热容，就可较准确地估算出单位质量的生物质燃料可利用的低位热值LHV，生物质的低位热值可以用以下公式进行估算：
LHV=HHVdaf（100%-Mar-Aar）-25M`ar-Am×C×Δt
式中：HHVdaf―生物质燃料的高位热值 kJ/kg
Mar―水分收到基质量分数%、
Aar―灰分收到基质量分数%
Am―每公斤生物质燃料含灰分质量 Kg
C ―灰分的比热容 kJ/kg℃
Δt―灰渣温度与环境温度的温差 ℃
M`ar―水分收到基百分数 %
25M'ar-1大气压下水分收到基转化蒸汽热焓KJ/Kg燃料
几种主要生物质燃料的高位热值 单位KJ/Kg（如表1）
灰分的比热容 C
干泥土 0.879 kJ/kg℃ 砂石0.921kJ/kg℃
影响生物质的燃烧特性因素.有挥发份V固定碳C水分M
灰分A等；燃料的（燃烧热）热值来源于挥发份、固定碳的燃烧反应热；其燃烧机理基本与煤相同，不同之处生物质固定碳燃烧多为剥落性燃烧。灰分视为生物质中不能燃烧的矿物杂质，它可分为两种即生物质自身结构的矿物质和在采取、运输、储存过程中的生物质所携带的外部杂质。灰渣是在生物质燃烧或在空气中经过一系列的分解，化合等复杂反应后所剩余的残渣。在生物质的燃烧过程中，少量的飞灰对燃烧有催化作用（石英砂除外），有助于加强有焰燃烧与相间的能量传输；但随着灰分含量的增大，使单位质量的可燃物质的含量相对减少很多，相应燃料的热值减少就越多，并降低燃烧温度，阻碍燃烧过程中的辐射传热，降低燃烧速度，包裹焦炭颗粒，阻碍氧气向焦炭内部扩散，增大机械不完全燃烧热损失；并在燃烧过程中的热泳、惯性碰撞、以及烟道、尾部换热面的凝结，化学反应过程中，增加受热面与换热面的积灰、磨损和腐蚀，使排烟飞灰热焓增大等。所以一般视灰分为生物质燃料中的渣质，增加运行费用。
在生物质燃烧的热解过程中分为水分析出阶段、分子断链热分解阶段和缩聚阶段（焦炭降解阶段）三个阶段。由于高分子有机化合物的失水，化学键断裂，自由基的形成以及重组反应，形成挥发分而完成相变过程，后期缩聚阶段形成残碳。在整个燃烧过程中伴随着同相燃烧和异相燃烧，在挥发分开始燃烧时，按照链式反应的机理，H和水蒸气对CO的燃烧反应具有触媒作用，少量2%（空气干燥后的燃料中所含内在水分的质量百分数远远超过此临界值）的水蒸气可以减小生物质燃烧的活化能、降低可燃质燃烧着火点、便于低温燃烧，改善生物质燃烧后期焦碳燃烧的温度场，加快燃烧速度，并影响烟气中NOx的排放量。但随着内外在水分的增加，在层燃锅炉中，质地较软的生物质燃料会在加热过程中出现软化黏结以及布风不均现象，这种现象产生了一定的后果，例如：造成燃料的料层与通风间隙不均和单位质量可燃质的燃烧面积缩减，降低炉膛内燃料反应温度与化学反应速度，延长固态可燃质在推动或转动机械式燃烧设备上的停留时间，增加物理不完全燃烧热损失，削弱炉膛火焰充满度，减少炉膛的容积热强度、壁面热强度、截面热强度，加大烟气过剩空气系数，降低锅炉出力。在燃料燃烧的过程中因水分蒸发汽化以及过热要消耗大量的热量，（无论是层燃或流化燃烧，水蒸气导致可燃物质与氧气的浓度场减弱、炉膛燃烧温度场的温度降低，影响化学反应速度），烟气体积增大，随之烟气带走的热量损失增多，伴随引风机电耗加大，厂用电率增高等，经济效率下降。化学燃烧反应虽然是放热反应，然而水分子蒸发与过热却要吸收热量，因此大多数生物质燃烧自维持燃烧时，要求其水分不大于65%，超过此数值则需加入辅助燃料来助燃。
为了确保证生物质燃料的经济价值、发挥其潜力，在生物质的采获、晾晒、运输、储存的过程中应避免外在水分和机械携带水分的混入。根据盖斯定律可知，防止微生物发酵、腐烂是保证生物质燃烧热值不致降低的有效措施。因此对生物质燃料的低位热值进行估算，控制水分、灰分，为收购燃料、合理定价以及生物质燃料的有效利用，使之发挥较好的经济效益而提供参考。
参考文献：
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Reference data：
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篇8
1材料与方法
1.1试验材料与仪器试验材料棉秆和竹材，均取自安徽格义清洁能源技术有限公司，粉碎并过筛制成40～60目的棉秆和竹材颗粒。试验仪器棉秆、竹材颗粒成型装置，自制(图1)。包括(1)电热圈尺寸直径60mm，高度50mm，功率100w;(2)温控仪温度量程0～400℃，功率2000w;(3)成型模具尺寸直径25mm，高度55mm;(4)试验用热压机，马弗炉，微机量热仪，型号为ZWH-8A。
1.2试验方案设计本项试验以棉秆和竹材为原料，以成型温度、热压压力和时间为影响因素，开展3因素3水平L9(33)正交试验，试验设计方案见表1。
1.3颗粒燃料的制备(1)含水率的调整张静等［8］通过对生物质颗粒燃料含水率对成型效果影响的研究发现，谷物类原料在加工时，最适宜的含水率应在11%～12%之间，而林木类原料的最佳含水率为8%左右。本项研究借鉴相关研究结果，将棉秆和竹材颗粒放入恒温恒湿箱中，调整其含水率至10%～12%。(2)成型前准备首先打开热压机，对压机进行预热;然后称取一定量的上述调整含水率后的棉秆和竹材颗粒，放入成型模具中，打开温控仪，设定其温度为100℃，对其进行预热，最后用成型模具中的T型压头将颗粒压实。(3)热压成型将成型模具置于垫板上，放入已预热的压机中，根据成型温度、压力和时间对原料颗粒进行热压密实成型。(4)待压制完成，取出颗粒燃料，进行后续相关性能的检测。
1.4原料化学分析及颗粒燃料燃烧特性的测定方法(1)原料化学成分分析按照生物质材料碳水化合物和木素测定方法NREL/TP-510-42618进行测定。(2)灰分样品在(550±10)℃加热后，剩余物的质量占样品总质量的百分比(生物质固体成型燃料试验方法NY/T1881.5-2010)。(3)挥发分样品在(900±10)℃隔绝空气的环境中加热7min，样品质量损失占样品质量的百分数(生物质固体成型燃料试验方法NY/T1881.4-2010)。(4)固定碳扣除灰分和挥发分后的质量。(5)热值利用微机量热器进行测定。
2结果与分析
2.1棉秆和竹材原料化学成分分析竹材的化学成分和木材相似，主要由纤维素、半纤维素和木素构成。木素具有一般无定型高聚物的玻璃化转变特性，当木素被加热达到玻璃化转变温度(Tg)时，木素会迅速软化形成胶体物质，发生自粘结作用，在颗粒燃料成型过程中起到粘接剂作用，可粘附和聚合生物质颗粒，提高生物质颗粒燃料的结合强度和耐久性［9～10］。棉秆的纤维素含量稍高于竹材，原料中纤维素含量决定了成型的难易程度，纤维素含量越高，成型越容易［11］。竹材木素是典型的草本木素，由三种苯基丙烷单元(对羟基苯丙烷、愈创木基苯丙烷和紫丁香基苯丙烷)按一定比例组成，竹类木素定性而非定量的类似于阔叶树木素。棉秆木素主要由愈创木基和紫丁香基苯丙烷结构单元组成，只含有极少的对羟基苯丙烷结构单元，这是棉秆木素区别于禾本科植物(竹材)木素的一个重要特点，棉秆的木素含量接近针叶材远远高于白桦(Betulaplatyphylla)和杨木(Populusspp.)［12］。木素含量的多少是决定颗粒燃料最终成型效果的主要内部因素，由表2可知，竹材与棉秆的木素含量相当，由于棉秆皮的存在，棉秆的灰分含量高于竹材，经文献报道［13］，禾草灰分主要是二氧化硅，一般含量在2%以上，竹子在1%左右。
2.2成型工艺的设定及分析生物质颗粒燃料的密度是衡量其燃烧特性和堆积密度的重要指标，其密度越大，燃烧持续时间越长，国际标准SS187120规定生物质颗粒燃料密度的参考值应不小于1.12g/cm3［14］。本试验采用电热圈对成型模具进行加热，适当增加成型时间可促进颗粒之间的热量传递，确保颗粒之间温度均匀，更有助于木素软化，软化的木素通过和生物质颗粒中固有的纤维素的联合作用，促使生物质颗粒逐渐成形。
2.2.1棉秆成型工艺正交试验结果分析棉秆成型工艺正交试验结果分析见表3～4。由表3、表4可知，棉秆颗粒经热压致密成型后，其密度均大于国际标准颗粒燃料密度的参考值1.12g/cm3。棉秆颗粒成型的影响因素中，成型温度和时间是主要影响因素，对棉秆颗粒成型的影响由大到小依次是时间＞温度＞压力。棉秆颗粒的最佳成型工艺为成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间3min。
2.2.2竹材成型工艺正交试验结果分析竹材成型工艺正交试验结果分析见表5～6。由表5～6可知，竹材颗粒经致密成型后，其密度除处理1、2、3、4及5组外，均大于国际标准颗粒燃料密度的参考值1.12g/cm3。竹材颗粒成型的影响因素中，成型温度是主要影响因素，对竹材颗粒成型影响由大到小依次是温度＞时间＞压力。竹材颗粒的最佳成型工艺为成型温度250℃，热压压力32MPa，成型时间3min。成型温度和时间对两种原料颗粒的成型工艺影响最显著，而时间作为棉秆成型工艺最主要的影响因素，可能因为棉秆的密度(0.15～0.21g/cm3)相比竹材(0.61～0.66g/cm3)小，导热系数〔0.055～0.06w/(m•k)〕小。因此，若使棉秆料坯中心达到成型工艺所需的温度，则所需的传热时间相对竹材而言更长。但成型时间过长或加热温度超过190℃，会使原料颗粒过于干燥，难以压缩;且棉秆和竹材在高温下发生热分解而使挥发分增多，部分原料颗粒表面发生炭化，对致密成型不利。成型温度的升高无形中也增加了制造成本，对制粒机中环磨装置也提出了更高的要求。
2.3成型燃料燃烧性能的测定与分析为了使得成型工艺更加经济、合理，在上述正交试验基础上，对时间进行进一步优化，选用成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间分别设定为30s，90s和150s进行颗粒燃料的制备见图2。对燃烧特性进行分析测定(表7)，以便确定最佳的成型工艺。对比棉秆和竹材颗粒燃料的密度不难发现，当成型时间大于90s后，在上述成型工艺下所制备的颗粒燃料的密度均可达到国际标准规定的参考值，而且棉秆颗粒燃料的密度均大于竹材颗粒燃料。棉秆木质部是棉秆的主体部分，由木纤维细胞导管木射线和轴向薄壁组织组成，占棉秆总重量的70%左右，其中导管细胞的细胞腔大，细胞之间的纹孔数量多，棉秆木质部就其植物形态和结构而言接近于阔叶木。而竹材颗粒原料的密度较大，相比棉秆较难压缩。在相同的成型压力下，棉秆颗粒更易于破裂，变成更加细小的粒子，使得粒子变形或塑性流动增大，粒子之间的空隙减少，粒子间更加紧密接触而互相啮合。竹材和棉秆颗粒燃料的灰分、挥发分、固定碳含量、热值随其密度增加变化不大，竹材颗粒燃料的灰分较棉秆低，挥发分含量较棉秆高，而且竹材颗粒燃料的热值远高于棉秆颗粒燃料。罗娟等［15］对北京地区8种典型的生物质颗粒燃料进行燃烧性能测试，得出挥发分含量越高含水率越低，生物质颗粒燃料所需的点火时间越短。挥发分的含量将影响热分解和燃烧特性，在燃烧过程中挥发分将有利于生物质燃料主要部分的蒸发，因此燃烧过程中易点火，且竹材颗粒燃料的灰分含量较棉秆低，故其热值较高。综合棉秆和竹材的热压致密成型工艺和生产设备的实际情况，结合棉秆和竹材颗粒燃料的燃烧性能分析，优选成型工艺参数为成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间90s。
3结论
篇9
为了应对全球能源、气候危机，帮助汽车摆脱对石油的依赖，通用汽车部署了全球新能源战略，致力于提高现有能源的燃油经济性以及开发使用替代能源和新型动力推进系统。可持续生物燃料，特别是基于非粮食原料的下一代纤维素乙醇燃料的研发和商业化，在通用汽车既定并正在实施中的新能源战略中是一个重要而优先的组成部分。
10月20日，通用汽车举办了“聚焦中国、分享全球经验”――通用汽车可持续生物燃料研发媒体沟通会，旨在与中国分享通用汽车在可持续生物燃料领域全球领先的技术和理念，进一步落实基于全球能源安全及能源多样化的新能源战略，支持中国可持续发展车用能源及交通体系。
通用汽车全球能源系统总监Andreas Lippert在分析中国生物燃料行业现状时表示：通用汽车认为，在寻求降低对石油依赖的所有替代能源技术途径中，可持续生物燃料是近期最可行的解决方案。
通用汽车在可持续生物燃料研发及商业化领域均居于世界领导地位，已经生产超过500万辆混合使用生物燃料及石油的生物燃料驱动轿车及卡车。在美国，通用汽车预计其生物燃料汽车产量将在2012年前占其全球汽车产量的50%。
目前，中国是位于美国和巴西之后的世界第三大乙醇燃料生产国，年产约10亿加仑。根据通用汽车在北京清华大学成立的中国车用能源研究中心的研究进程，通用汽车已经开始成功地评定可持续生物燃料在中国车用能源领域的发展潜力。
通用汽车中国公司副总裁陈实表示，中国可以在非粮食耕作土地上，利用林作物的废弃物、包括柳枝稷的能源作物、甚至垃圾生产纤维素乙醇燃料。因此，可持续生物燃料的发展对中国车用能源来说，将起到极大的推进作用。“我们相信由Coskata、Mascoma这样的公司所致力研发的下一代纤维素乙醇燃料解决方案在中国市场将有令人振奋的潜力。”陈实说。
通用汽车认为，中国是率先应用可替代能源动力推进系统的最佳市场。通用汽车会落实对中国的承诺，利用先进的解决方案帮助加速中国汽车行业新能源汽车的发展，也将为中国的汽车消费者提供更节能、更清洁、更环保的产品。
陈实表示，通用汽车将持续推进其“立足中国、携手中国、用心中国”的在华战略，帮助中国车用能源多样化的解决方案的探索及其商业化。
今年1月和5月，通用汽车分别宣布与美国Coskata及Mascoma公司在新一代乙醇燃料技术领域内建立战略联盟，以加速其商业化进程。两个合作伙伴分别研究不同的生产工艺及其商业化途径。Coskata公司专注纤维素乙醇燃料，原料来自任何农业及城市生活含碳废弃物；Mascoma公司的研发方向在第二、三代可持续生物燃料，原料来自任何林作物的废弃物。
篇10
关键词：催化剂；生物燃料电池；能源短缺
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.243
随着人口的不断增加，能源短缺的问题也日益暴露，寻找新的绿色能源已经迫在眉睫。生物燃料电池则是应用微生物或者酶作为催化剂，把燃料中的化学能转化成电能，这种生物燃料电池原料易得，拥有非常高的能量转化率，对环境产生的危害更小，可以广泛的应用在很多行业之中。
1 生物燃料电池优势
生物燃料电池和其他电池有着很大的不同，它主要是通过生物原料经过催化剂的催化从而生成氢离子，生成的氢离子又与空气中的氧气或者其他氧气中的氧相结合从而生成电流[1]。以葡萄糖分子为例，完全氧化葡萄糖分子的过程中能够让24个电子生成电流，通过光合作用产生的葡萄糖在氧化过程中碳元素不会发生变化，更有利于对环境的保护。而且生物燃料电池的原料非常易得，可以是有机物、无机物还可以利用污水。相对于其他类型的电池，生物燃料电池在操作的时候只需要在一般的温度和压力的环境下操作就可以，因为生物电池的催化剂一般采用的是酶或微生物，所以不需要创造额外的环境和条件。此外，生物燃料电池还能够通过和人体内的葡萄糖、氧气相结合，帮助被移植在人体中的人造的器官产生电能。
2 工作原理与分类
2.1 微生物电池
微生物电池是将燃料放置在阳极室内，微生物不断的发生代谢和氧化反应，在外电路的连接下电子达到阴极，而质子则是利用交换膜到达阴极，已经发生了氧化的物质受到催化剂的影响在阴极室发生氧化还原反应[2]。在最理想的操作状态之下，每包含 0. 4 g 湿微生物细胞（相当于 0.1g干细胞） 的电池能够输出电压0. 4 V输出电流0. 6 mA。因为电子转移形式的不同微生物燃料电池又被分为两种，其中燃料在电极上直接发生氧化反应的是直接微生物电池，燃料在其他地方发生氧化反应并通过一些特定的途径将电子传递在电极上的为间接微生物电池。
2.2 酶生物电池
微生物电池虽然在工作期间比较稳定，催化燃料的程度比较彻底，但是将化学能转化为电能的转化率可能会因为在传输过程中受到生物膜的影响而大大降低。但是酶生物电池就能够克服这一问题。因为酶催化剂拥有非常高的浓度，在电能传输的过程中能够不收到生物壁垒的影响，所以能够输出更多的电流和电压。它的工作原理为，葡萄糖被氧化辅酶进行催化从而变化为葡萄糖酸，利用介质将产生的电子进行转移，并由氢离子利用隔膜进行扩散。在阴极中获得电子的过氧化氢经过催化剂催化和与氢离子进行反应，从而产成水。
3 研究现状与应用
现在对生物燃料电池的研究还处于不断探索的阶段，生物燃料电池还存在着电能转化和输出效率低，使用的时间较短等问题[3]。有研究表明，科学家利用从菠菜叶叶绿体中分解出来的多种蛋白质放入特殊导电装置进行电池的制作，但是这样的电池使用寿命仅有21天，将光能转化成电能的转化率仅仅只有12%，但是电能的转化了率可能会随着科技的不断发展，提高为 20% ，到那时这种生物燃料电池的能量转换率就将超过太阳能硅电池，所以这项研究也吸引了很多的关注，相关的研究人员也在一直积极的探索者这种电池对环境变化的适应情况。可以预见生物燃料电池在很多领域都能得到应用。
3.1 交通运输供能方式更换
现阶段的交通运输采用的能源主要是利用一些化石燃料燃烧所产生的能量，最主要的就是应用石油。但是化石燃料的燃烧会对环境产生极大的危害而且不便于携带储存量较小。但是应用生物燃料电池，就能够应用其他材料作为能源，有效的缓解化石燃料燃烧造成的不好影响，减轻相关的环境问题研究证实1L 浓缩的碳水化合物溶液可以驱动一辆车行驶 25～30km。
3.2 可植入的能量来源
生物燃料电池能够在生物的身体内进行工作，而且产生电能所需要的氧和燃料能够直接从生物体内获得，应用在医学中，能够为移植在人体内的医学装置提供能量。比如说，葡萄糖生物传感器就可以应用生物燃料电池，其中葡萄糖氧化酶为阳极，一个细胞色素 C 的最为阴极，为装置提供电能。
3.3 污水处理
废水也可以作为生物燃料电池原料的来源，产生电能。这样一来不仅能够获得能源，同时也能将废水中的有机化合物提出出去，对污水起到净化的作用。有研究表明150000 人口的城镇的废水如果效率为100%的话甚至能够产生2.3Mwof 的能量。
4 前景展望
生物燃料电池原料来源广泛，操作方便的同时对环境的危害也很小，是一N新型的优质可再生的绿色能源。虽然现阶段生物燃料电池还存在着不够稳定，电能转化率低等问题，但是随着科技的不断进步，生物燃料电池将被不断的发展和完善，在今后的智能电网发电体系中发挥出重要的作用。同时还需要加强对材料稳定性、增加生物催化效率以及电子转移等相关知识的研究，配合生物燃料电池的探究和开发。
5 结束语
生物燃料电池是一种新的能源，虽然对生物燃料电池的研究还处于初级阶段，但是可以预见生物燃料电池未来会在污水处理、智能电网建设、交通、医疗等方面发挥出巨大的作用，对我们的生活和环境产生巨大的影响。
参考文献：
[1]葛小萍，刘财钢，石琰Z.微生物燃料电池在污水处理方面的应用研究进展[J].科学技术与工程，2010，10（14）：3419-3424.
