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[關鍵詞] 生物質 顆粒燃料 清潔燃燒

正文

1、概述

生物質顆粒燃料是在一定溫度和壓力作用下，利用木質素充當粘合劑，將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀、 塊狀或顆粒狀等成型燃料。中質煙煤相當；基本實現 CO2零排放，NOx和 SO2的排放量遠小于煤，顆粒物排放量降低；燃燒特性明顯得到改善，利用效率顯著提高。 因此，生物質固體成型燃料技術是實現生物質高效、 清潔利用的有效途徑之一。 生物質固體成型燃料主要分為顆粒、塊狀和棒狀 3 種形式，其中顆粒燃料具有流動性強、燃燒效率高等優點，因此得到人們的廣泛關注。

隨著我國的再生能源快速發展，生物質成型燃料技術及其清潔燃燒設備的研究開發提高了秸稈運輸和貯存能力，燃燒特性明顯得到了改善，可為農村居民提供炊事、取暖用能，具有原料來源廣泛、價格低、操作簡單等特點，是生物質能開發利用技術的主要發展方向之一。

自2006年1月1日我國頒布實施了再生能源法。使我國生物質能源發展走上了快速規范化的道路。生物質能在我國主要是以農作物秸稈為主體的資源。秸稈長期被作為農村傳統的用能，隨著我國農村經濟的發展，農民，特別是新一代的農民難以接受傳統的、直燒秸稈生活用能的落后方式。但又苦于缺乏先進廉價的使用。也只能花高價用液化氣、電、型煤等現代能源。由于現代能源的緊張和價格的日趨上漲，長期花高價用現代能源，農民又難以承受。特別是城鎮及城市接壤區域居民采暖，800-900元每噸的煤，一個冬天要用上1-2噸滿足采暖需要，農民甘愿受凍也不愿花如此大的費用，而城鎮及城市接壤區域居民采暖受到環境要求的嚴格限制。目前，居民冬季用煤采暖的已越來越少。從這一點看，在現代社會有相當多的農民沒有得到，也很難得到良好的能源服務，他們的現代生活水平還較低。國家早就重視如此重要的民生問題，從20世紀90年代初中國農業部和科技部就開始投資進行農作物秸稈資源化利用的研究、開發、試點示范和技術推廣工作。近幾年，中國農作物秸稈的清潔、方便能源利用的技術研究和開發工作已取得了一些成果，有些技術已趨于成熟，并得到一定程度的推廣。現在，中國主要的農作物秸稈能源利用技術有秸稈氣化集中供氣技術、秸稈壓塊成型及炭化技術、利用秸稈制取沼氣技術和秸稈直接燃燒技術。由于中國農村經濟的發展，農民及城鎮居民生活水平的提高，居民對清潔能源的需求，加上這些秸稈能源利用技術的不斷發展和逐步完善，秸稈能源利用將逐漸由傳統的、低效不衛生的直接燃燒方式向優質化和高效化方向發展。

國外關于生物質成型燃料與燃燒技術設備的應用以趨于成熟化和普遍化，我國生物質成型燃料的發展還剛開始，與之相適應的燃燒技術設備處于一種滯后狀態。目前一些成型燃料的應用，主要是在現有燃燒設備的基礎上，直接應用或改造應用，既使河南省科學院研制具有較高水平的家用顆粒燃料爐灶，也存在著技術不到位的情況，難以產業化發展，沒有做到商品化應用。

有些單位在取得了生物質顆粒燃料炊暖爐灶的基礎上，立足于建立一個秸稈成型顆粒燃料與高效清潔燃燒設備系統技術產品的有機統一，協調發展的機制。在進行“生物質冷成型燃料加工設備系統”和生物質顆粒燃料炊暖爐灶的研制過程中，重點解決了目前百姓采暖困難問題，創造了“生物質顆粒燃料供熱鍋爐”的成果。采用了生物質顆粒燃料炊暖爐灶的核心技術，實現了生物質高效、清潔燃燒、節能排放的目標。應用廣泛，可滿足城鎮及城市接壤區域居民采暖需求。

2、物質顆粒燃料成型和清潔燃燒技術及設備

2.1傳統成型方法。

它與現有的飼料制粒方式相同，即原料從環模內部加入，經由壓輥碾壓擠出環模而成粒狀。

包括原料烘干、壓制、冷卻、包裝等。該工藝流程需要消耗大量能量，首先在顆粒壓制成型過程中，壓強達到50～100MPa，原料在高壓下發生變形、升溫，溫度可達100℃～120℃，電動機的驅動需要消耗大量的電能；其次，原料的濕度要求在12%左右，濕度太高和太低都不能很好成粒，為了達到這個濕度，很多原料要烘干以后才能用于制粒；第三，壓制出來的熱顆粒（顆粒溫度可達95℃～110℃）要冷卻才能進行包裝。后2項工藝消耗的能量在制粒全過程中占25%～35%，加之成型過程中對機器的磨損比較大，所以傳統顆粒成型機的產品制造成本較高。

2.2冷成型技術。

新型冷成型技術通過顆粒成型機直接壓制，把秸稈、木料殘渣等轉化成大小一致的生物顆粒，其燃燒效率超過80%以上（超過普通煤燃燒約60%的效率）；燃燒效率高，產生的二氧化硫、氨氮化合物和灰塵少等優點。

2.3清潔燃燒設備

目前燃燒設備的理論研究和應用研究還較少，國內也引進一些以生物質顆粒為燃料的燃燒器， 但這些燃燒器的燃料適應范圍很窄，只適用于木質顆粒，改燃秸稈類顆粒時易出現結渣、堿金屬及氯腐蝕、設備內飛灰嚴重等問題，而且這些燃燒器結構復雜、能耗高、價格昂貴，不適合我國國情，因此沒有得到大面積推廣。

哈爾濱工業大學較早地進行了生物質燃料的流化床燃燒技術研究，并先后與無錫鍋

爐廠、杭州鍋爐廠合作開發了不同規模、不同爐型的生物質燃燒鍋爐。 此外，河南農業大學研制出雙層爐排生物質成型燃料鍋爐，浙江大學研制出燃用生物質秸稈顆粒燃料的雙膽反燒鍋爐等。

3、發展前景分析

我國生物質能資源非常豐富，農作物秸稈資源量超過7.2億噸，其中6.04億噸可作能源使用。國家通過引進、消化、吸收國外先進技術，嫁接商品化、集約化、規模化的管理經驗，結合中國國情，在農村推廣實施秸稈綜合利用技術，在節省不可再生資源、緩解電力供應緊張等方面都具有特別重要的意義。秸稈綜合利用不但減少了秸稈焚燒對環境造成的危害、減少了溫室氣體和有害氣體排放，而且對帶動新農村建設無疑將起到重要的促進作用。從秸稈資源總量看，廣大農村、鄉鎮的各種秸稈產量大、范圍廣。生物質固體燃料是繼煤炭、石油、天然氣之后的第四大能源，是可取代礦產能源的可再生資源，是未來一個重點發展方向。

參考文獻

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【關鍵詞】生物質顆粒；燃燒特性；排放

0.前言

人類利用生物質能源已有幾十萬年之久，其應用之早，是最直接的一種燃料能源。然而卻因為生物質自身存在的諸多問題，而不能得到廣泛的利用。例如：生物質的熱值比較低、缺少專用的燃燒設備、運輸及存儲不便等。在我國，經濟社會的發展是以能源的消耗作為重要前提的，經濟發展的越快，能源減少的越多。這樣我們所面臨的兩個顯著問題是：環境污染趨于嚴重化；另一個是能源燃料的緊缺。因此，研究燃用生物質顆粒燃料鍋爐的機理，探究其燃燒及排放特性，妥善處理能源燃料緊缺問題，對提升環境質量，改善人民生活環境具有重要的指導意義。

1.燃用生物質顆粒燃料鍋爐簡介

生物質顆粒燃料鍋爐主要采用三室的燃燒結構：即氣相燃燒室、固相燃燒室和燃燼除塵室。固相燃燒室的主要作用是為生物質顆粒燃料供應大量熱解的氣化熱量，從而產生大量的生物質燃氣。這部分生物質燃氣通過底部的吸式結構過濾凈化，并最終被導入氣相燃燒室中從而實現均相的動力燃燒。氣相燃燒室的尾部主要采用旋流結構制造，這樣可以讓燃氣的火焰進行充分的擾流，進而促進燃氣的完全燃燒。而燃燼除塵室一般采用降塵、燃燼、凝渣以及輻射傳熱等組合結構，從而可以實現潔凈燃燒和輻射換熱等多重效果。下面我們給出了一個生物質顆粒燃料鍋爐的簡化圖。

圖1　生物質顆粒燃料鍋爐簡化圖

2.生物質燃料鍋爐的燃燒及排放特性

2.1生物質顆粒燃料鍋爐的燃燒特性

生物質顆粒燃料一般都是經過超高壓壓縮形成的微粒狀燃料，密度較原生物質要大的多，這樣的結構和組織特征使其可以很大程度上降低其的逸出速度和傳熱速度。該種燃料的點火溫度也比較高，但是點火性能存在一定程度的下降，不過仍然要好于煤的點火性能。

生物質顆粒燃料鍋爐在燃燒開始階段會慢慢進行分解，此時的燃燒主要處于動力區，但是隨著燃燒進入過渡區和擴散區，燃燒的速度降低，就可以將大部分的熱量揮發傳遞到受熱面，從而使排煙的熱損失大大降低。同時，揮發燃燒需要的氧氣和外界擴散的氧氣比例適中，從而實現充分的燃燒，并進一步減少了氣體不完全燃燒造成的損失和排煙造成的熱損失。

燃燒充分完成以后，留下的焦炭骨架的結構非常緊密，流動的氣流無法分解骨架，從而使得骨架炭仍然能夠保持完好的層狀燃燒，并形成層狀的燃燒核心。此時炭的燃燒比較穩定，爐溫也相對較高，可以很大程度上減少固體和排煙的熱損失。

2.2生物質顆粒燃料鍋爐的排放特性

2.2.1清灰裝置設置

生物質顆粒燃料鍋爐排放過程中的清灰裝置主要采用機械刮除式以及機械振動式兩種主要方式。并且，在有些燃燒鍋爐中配備相應的灰分壓縮機，這樣就可以滿足進行長時間自動運行的要求。如果設計工藝良好，那么該鍋爐的維護保養都會很有限，不需要進行特殊的清理。

2.2.2相關污染物排放

生物質顆粒燃料鍋爐排放的煙氣中包含有多種不同的物質。其中，主要的污染物有沒有完全燃燒的顆粒CxHy和有害的氣體CO，這些都是由于燃料的未充分燃燒而形成的，同時，也可能和生物質顆粒燃料的組成成分有關系。不過，鍋爐的污染物氣排放量相當低，并且由于生物質燃料中N、S等元素較少，所以最終排放的有毒氣體，如NOx、SOx較燃煤排放的要低的多。

3.生物質顆粒燃燒鍋爐的環境影響分析

生物質顆粒燃燒鍋爐排放的污染物很少，只包括少量的大氣污染物以及固體廢棄物。

3.1大氣污染物

生物質顆粒燃料的纖維素含量比較高，而硫的含量則比較低，因此，燃燒所長盛的大氣污染物較燃煤而言要少得多。另外，生物質顆粒燃料的密度比較大，非常便于運輸和儲存，而熱值也基本和燃煤相當，燃燒鍋爐的燃燒速度要比煤快，燃燒充分且黑煙較少、形成的灰分也比較低，尤其是在采取相配套的脫硫除塵設備之后，大氣的污染物排放就會大幅度減少。根據大量的數據分析可以認為，使用生物質燃料鍋爐進行燃燒后所釋放的大氣污染物濃度要遠遠低于相應的國家標準。

3.2固體廢棄物

生物質燃料鍋爐燃燒后形成的固體廢棄物主要是燃燒完后形成的灰分，這部分廢棄物可以被充分的回收利用。最主要的應用就是將灰分進行回收用作農田鉀肥，這樣可以達到資源充分進行綜合利用的目的。

生物質顆粒燃燒鍋爐排放的污染物很少，對環境的污染影響極低。不僅如此，該種工藝在很多方面還有及其顯著的生態環境效益，例如代替煤炭資源，不經可以減少環境的污染，還解決了日益嚴峻的能源問題。另外，就是將燃燒后形成的固體廢物回收用做鉀肥，實現經濟效益和環境效益的有效循環，實現我國環境事業的可持續發展。做到了變廢為寶，節約資源又保護環境的目的。

4.結論

生物質顆粒燃燒鍋爐主要利用廢棄的農作物資源作為燃料，因此燃料資源豐富，經濟環保，不僅降低了我國農業廢棄物的運輸成本問題和運輸過程中的污染問題，還具有節約資源、保護環境、防止環境污染的作用。生物質顆粒燃燒鍋爐的推廣和使用符合我國建設節約型社會的基本要求和實現可持續發展戰略的基本國策，具有十分突出的經濟效益、社會效益和環境效益，為緩解我國以及世界范圍內的能源緊張問題和環境污染問題提供了解決的思路和方法，對于環境的保護和資源的有效利用具有重要的意義。

【參考文獻】

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關鍵詞：微生物燃料電池 產電 新能源

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0003-02

微生物燃料電池（Microbial fuel cells， MFCs）是一種新興的高效的生物質能利用方式，它利用細菌分解生物質產生生物電能，具有無污染、能量轉化效率高、適用范圍廣泛等優點。因此MFCs逐漸成為現今社會的研究熱點之一。

1 微生物燃料電池的工作原理

圖1是典型的雙室結構MFCs工作原理示意圖，系統主要由陽極、陰極和將陰陽極分開的質子交換膜構成。陽極室中的產電菌催化氧化有機物，使其直接生成質子、電子和代謝產物，氧化過程中產生的電子通過載體傳送到電極表面。根據微生物的性質，電子傳送的載體可以為外源、與呼吸鏈有關的NADH和色素分子以及微生物代謝的還原性物質。陽極產生的H+透過質子交換膜擴散到陰極，而陽極產生的電子流經外電路循環到達電池的陰極，電子在流過外電阻時輸出電能。電子在陰極催化劑作用下，與陰極室中的電子接受體結合，并發生還原反應[1]。

下面以典型的葡萄糖為底物的反應為例說明MFCs的工作原理，反應中氧氣為電子受體，反應完成后葡萄糖完全被氧化[2]。

2 微生物燃料電池的分類

目前為止，MFCs的分類方法沒有統一標準，通常有以下幾種分類方法。

（1）基于產電原理進行分類，包括氫MFCs、光能自養MFCs和化能異養MFCs。氫MFCs的原理是利用微生物制氫，同時利用涂有化學催化劑的電極氧化氫氣發電；光能自養MFCs是利用藻青菌或其他感光微生物的光合作用直接將光能轉化為電能；而化能異養MFCs則是在厭氧或兼性微生物的作用下，從有機底物中提取電子并轉移到電極上，實現電力輸出[3]。

（2）基于電池構型進行分類，包括單極室微生物燃料電池、雙極室微生物燃料電池和多級串聯MFCs。圖1中的微生物燃料電池即為雙極室結構，電池通過質子交換膜分為陽極室和陰極室兩個極室。單極室MFCs則以空氣陰極MFCs為主，將陰極與質子交換膜合為一體，甚至是去除質子交換膜。為了提高產電量，將多個獨立的燃料電池串聯，就形成了多級串聯MFCs[4]。

（3）基于電子轉移方式分類，包括直接微生物燃料電池和間接微生物燃料電池兩類。直接微生物燃料電池是指底物直接在電極上被氧化，電子直接由底物分子轉移到電極，生物催化劑的作用是催化在電極表面上的反應。間接微生物燃料電池的底物不在電極上氧化，而是在電解液中或其它地方發生氧化后，產生的電子由電子介體運載到電極上去[5]。

（4）基于電子從細菌到電極轉移方式進行分類，可分為有介體MFCs和無介體MFCs兩類。電子需要借助外加的電子中介體才能從呼吸鏈及內部代謝物中轉移到陽極，這類為有介體MFCs。某些微生物可在無電子傳遞中間體存在的條件下，吸附并生長在電極的表面，并將電子直接傳遞給電極，這稱為無介體MFCs。

3 電池性能的制約因素[6～7]

迄今為止，MFCs的性能遠低于理想狀態。制約MFC性能的因素包括動力學因素、內阻因素和傳遞因素等。

動力學制約的主要表現為活化電勢較高，致使在陽極或者陰極上的表面反應速率較低，難以獲得較高的輸出功率[8]。內電阻具有提高電池的輸出功率的作用，主要取決于電極間電解液的阻力和質子交換膜的阻力。縮短電極間距、增加離子濃度均可降低內阻。不用質子交換膜也可以大大降低MFC的內阻，這時得到的最大功率密度為有質子交換膜的5倍，但必須注意氧氣擴散的問題[9]。另一個重要制約因素為電子傳遞過程中的反應物到微生物活性位間的傳質阻力和陰極區電子最終受體的擴散速率。最終電子受體采用鐵氰酸鹽或陰極介體使用鐵氰化物均可以獲得更大的輸出功率和電流。

另外，微生物對底物的親和力、微生物的最大生長率、生物量負荷、反應器攪拌情況、操作溫度和酸堿度均對微生物燃料電池內的物質傳遞有影響[10]。

4 微生物燃料電池的應用

（1）廢水處理與環境污染治理。

微生物燃料電池可以同步廢水處理和產電，是一種廢水資源化技術。把MFC用于廢水處理是其最有前景的一個應用方向，也是當前微生物燃料電池的研究熱點之一。同時，在生物脫氮、脫硫、重金屬污染的生物治理等方面MFCs也具有不可忽視的作用。

（2）海水淡化。

普通的海水淡化處理技術條件苛刻，需要高壓、高效能的轉化膜，有的還要消耗大量的電能，故不能大規模的處理，并且成本較高，難以有效地解決海水淡化問題。如果找到一種高效的產電微生物和特殊的PEM交換膜，那么MFC，就可以達到海水淡化的目的，而且具有能耗低，環保和可持續的優點。利用MFC淡化海水也將成為具有發展潛力的研究方向[11]。

（3）便攜式電源。

微生物燃料電池能夠利用環境中自然產生的燃料和氧化劑變為電能，用于替代常規能源。可以為水下無人駕駛運輸工具、環境監測設備的長期自主操作提供電源。

（4）植物MFCs。

通過光合作用，植根在陽極室的綠色植物將二氧化碳轉換為碳水化合物，在根部形成根瘤沉積物；植物根系中的根瘤沉積物被具有電化學活性的微生物轉化為二氧化碳，同時產生電子。這種植物MFCs能夠原位將太陽能直接轉換為電能[12]。

（5）人造器官的動力源[13]。

微生物燃料電池可以利用人體內的葡萄糖和氧氣產生能量。作為人造器官的動力源，需要長期穩定的能量供給，而人體內源源不斷的葡萄糖攝入恰好可以滿足MFC作為這種動力源的燃料需要。

5 微生物燃料電池技術研究展望

MFCs技術正在不斷成長并且已經在許多方面取得了重大突破。但是，由于其功率偏低，該技術還沒有實現真正的大規模實際應用。基于其產電性能的制約因素，今后的研究方向主要可歸納為以下幾點。

（1）深入研究并完善MFCs的產電理論。MFCs產電理論研究處于起步階段，電池輸出功率較低，嚴重制約了MFCs的實際應用。MFCs中產電微生物的生長代謝過程，產電呼吸代謝過程以及利用陽極作為電子受體的本質是今后的研究重點[14]。

（2）篩選與培育高活性微生物。目前大多數微生物燃料電池所用微生物品種單一。要達到實際應用的目的，需要尋找自身可產生氧化還原介體的高活性微生物和具有膜結合電子傳遞化合物質的微生物。今后的研究應致力于發現和選擇這種高活性微生。

（3）優化反應器的結構。研究與開發單室結構和多級串聯微生物燃料電池。利用微生物固定化技術、貴金屬修飾技術等改善電極的結構和性能。選擇吸附性能好、導電性好的材料作為陽極，選擇吸氧電位高且易于撲捉質子的材料作為陰極[15]。

（4）改進或替代質子交換膜。質子交換膜的質量與性質直接關系到微生物燃料電池的工作效率及產電能力。另外，目前所用的質子交換膜成本過高，不利于實現工業化。今后應設法提高質子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池[16]。

6 結語

MFCs作為一種可再生的清潔能源技術正在迅速興起，并已逐步顯現出它獨有的社會價值和市場潛力。隨著研究的不斷深入以及生物電化學的不斷進步，MFCs必將得到不斷地推廣和應用[17]。

參考文獻

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中圖分類號： TK223文獻標識碼： A

一、生物質能的特點與發展生物質能意義 

（一）生物質能的特點

1、可再生性 

生物質屬可再生資源,生物質能由于通過植物的光合作用可以再生,與風能、太陽能等同屬可再生能源,資源豐富,可保證能源的永續利用； 

2、低污染性 

生物質的硫含量、氮含量低、燃燒過程中生成的硫化物、氮氧化物較少；生物質作為燃料時，由于它在生長時需要的二氧化碳相當于它排放的二氧化碳的量，因而對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減輕溫室效應；

3、廣泛分布性 

缺乏煤炭的地域，可充分利用生物質能。 

4、生物質燃料總量十分豐富 

根據生物學家估算,地球陸地每年生產1000～1250億噸生物質;海洋每年生產500億噸生物質。生物質能源的年生產量遠遠超過全世界總能源需求量,相當于目前世界總能耗的10倍。

（二）發展生物質能意義

生物質能源的開發利用早已引起世界各國政府和科學家的關注。國外生物質能研究開發工作主要集中于氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等方面。許多國家都制定了相應的開發研究計劃，如日本的陽光計劃、印度的綠色能源工程、美國的能源農場和巴西的酒精能源計劃等發展計劃。其它諸如加拿大、丹麥、荷蘭、德國、法國、芬蘭等國，多年來一直在進行各自的研究與開發，并形成了各具特色的生物質能源研究與開發體系，擁有各自的技術優勢。 

我國生物質能研究開發工作，起步較晚。隨著經濟的發展，開始重視生物質能利用研究工作，從八十年代起，將生物質能研究開發列入國家攻關計劃，并投入大量的財力和人力。已經建立起一支專業研究開發隊伍，并取得了一批高水平的研究成果，初步形成了我國的生物質能產業。生物質能是一個重要的能源，預計到下世紀，世界能源消費的40%來自生物質能，我國農村能源的70%是生物質，我國有豐富的生物質能資源，僅農村秸桿每年總量達6億多噸。隨著經濟的發展，人們生活水平的提高，環境保護意識的加強，對生物質能的合理、高效開發利用，必然愈來愈受到人們的重視。因此，科學地利用生物質能，加強其應用技術的研究，具有十分重要的意義。 

二、生物質能發電工藝 

生物質鍋爐是將生物質直接作為燃料燃燒,將燃燒產生的能量用于發電。當今用于發電的生物質鍋爐主要包括流化床生物質鍋爐和層燃鍋爐。

（一）流化床燃燒技術

流化床燃燒與普通燃燒最大的區別在于燃料顆粒燃燒時的狀態,流化床顆粒是處于流態化的燃燒反應和熱交換過程。生物質燃料水分比較高,采用流化床技術,有利于生物質的完全燃燒,提高鍋爐熱效率。生物質流化床可以采用砂子、燃煤爐渣等作為流化介質,形成蓄熱量大、溫度高的密相床層,為高水分、低熱值的生物質提供優越的著火條件,依靠床層內劇烈的傳熱傳質過程和燃料在床內較長的停留時間,使難以燃盡的生物質充分燃盡。另外,流化床鍋爐能夠維持在 850℃穩定燃燒，可以有效遏制生物質燃料燃燒中的沾污與腐蝕等問題，且該溫度范圍燃燒NOx排放較低,具有顯著的經濟效益和環保效益。但是,流化床對入爐燃料顆粒尺寸要求嚴格,因此需對生物質進行篩選、干燥、粉碎等一系列預處理,使其尺寸、狀況均一化,以保證生物質燃料的正常流化。對于類似稻殼、木屑等比重較小、結構松散、蓄熱能力比較差的生物質,就必須不斷地添加石英砂等以維持正常燃燒所需的蓄熱床料,燃燒后產生的生物質飛灰較硬,容易磨損鍋爐受熱面。此外,在燃用生物質的流化床鍋爐中發現嚴重的結塊現象，其形成的主要原因是生物質本身含有的鉀、鈉等堿金屬元素與床料(通常是石英砂)發生反應，形成K20·4Si02和Na20·2Si02的低溫共熔混合物，其熔點分別為870℃和760℃，這種粘性的共晶體附著在砂子表面相互粘結，形成結塊現象。為了維持一定的流化床床溫,鍋爐的耗電量較大,運行費用相對較高。

（二）層燃燃燒技術

層燃燃燒是常見的燃燒方式,通常在燃燒過程中,沿著爐排上床層的高度分成不同的燃燒階段。層燃鍋爐的爐排主要有往復爐排、水冷振動爐排及鏈條爐排等。采用層燃技術開發生物質能,鍋爐結構簡單、操作方便、投資與運行費用都相對較低。由于鍋爐的爐排面積較大,爐排速度可以調整,并且爐膛容積有足夠的懸浮空間,能延長生物質在爐內燃燒的停留時間,有利于生物質燃料的充分完全燃燒。但層燃鍋爐的爐內溫度很高,可以達到1000℃以上,灰熔點較低的生物質燃料很容易結渣。同時,在燃燒過程中需要補充大量的空氣,對鍋爐配風的要求比較高,難以保證生物質燃料的充分燃燒,從而影響鍋爐的燃燒效率。

三、國內外生物質鍋爐的開發及應用

生物質發電在發達國家己受到廣泛重視，在奧地利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典等歐洲國家和北美，生物質能在總能源消耗中所占的比例增加相當迅速。

（一）國外生物質鍋爐的開發及應用

生物質鍋爐的技術研究工作最早在北歐一些國家得到重視，隨焉在美國也開展了大量研究開發，近幾年由于環境保護要求日益嚴格和能源短缺，我國生物質燃燒鍋爐的研制工作也取得了進展。生物質

燃料鍋爐國內外發展現狀示于表1。

美國在20世紀30年代就開始研究壓縮成型燃料技術及燃燒技術，并研制了螺旋壓縮機及相應的燃燒設備；日本在20世紀30年代開始研究機械活塞式成型技術處理木材廢棄物，1954年研制成棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備；70年代后期，西歐許多國家如芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等國家也開始重視壓縮成型技術及燃燒技術的研究，各國先后有了各類成型機及配套的燃燒設備。

丹麥BWE公司秸桿直接燃燒技術的鍋爐采用振動水冷爐排，自然循環的汽包鍋爐，過熱器分兩級布置在煙道中，煙道尾部布置省煤器和空氣預熱器。位于加拿大威廉斯湖的生物質電廠以當地的廢木料為燃料，鍋爐采用設有BW“燃燒控制區”的雙拱形設計和底特律爐排廠生產的DSH水冷振動爐排，使燃料燃燒完全，也有效地降低了煙氣的顆粒物排放量。同時，還在爐膛頂部引入熱空氣，從而在燃燒物向上運動后被再次誘入渾濁狀態，使固體顆粒充分燃燒，提高熱效率，減少附帶物及煙氣排放量。流化床技術以德國KARLBAY公司的低倍率差速床循環流化床生物質燃燒鍋爐為代表。該鍋爐的特點主要體現在燃燒技術上。高低差速燃燒技術的要點是改變現有常規流化床單一流化床，而采用不同流化風速的多層床“差速流化床結構”。瑞典也有以樹枝、樹葉等作為大型流化床鍋爐的燃料加以利用的實例。國內無錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠、濟南鍋爐廠等都有燃用生物質的流化床鍋爐。

（二）我國生物質鍋爐的開發及應用

我國生物質成型燃料技術在20世紀80年代中期開始，目前生物質成型燃料的生產已達到了一定的工業化規模。成型燃料目前主要用于各種類型的家庭取暖爐(包括壁爐)、小型熱水鍋爐、熱風爐，燃燒方式主要為固定爐排層燃爐。河南農業大學副研制出雙層爐排生物質成型燃料鍋爐，該燃燒設備采用雙層爐排結構，雙層爐排的上爐門常開，作為燃料與空氣進口；中爐門于調整下爐排上燃料的燃燒和清除灰渣，僅在點火及清渣時打開；下爐門用于排灰及供給少量空氣。上爐排以上的空間相當于風室，上下爐排之間的空間為爐膛，其后墻上設有煙氣出口。這種燃燒方式，實現了生物質成型燃料的分步燃燒，緩解生物質燃燒速度，達到燃燒需氧與供氧的匹配，使生物質成型燃料穩定、持續、完全燃燒，起到了消煙除塵作用。20世紀80年代末，我國哈爾濱工業大學與長沙鍋爐廠等鍋爐制造企業合作，研制了多臺生物質流化床鍋爐，可燃燒甘蔗渣、稻殼、碎木屑等多種生物質燃料，鍋爐出力充分，低負荷運行穩定，熱效率高達80％以上。浙江大學等也開展了相關研究工作。下面介紹兩種國產的代表性鍋爐。

1、無錫華光鍋爐股份有限公司

鍋爐為單鍋筒、集中下降管、自然循環、四回程布置燃秸稈爐。爐膛采用膜式水冷壁,爐底布置為水冷振動爐排。在冷卻室和過熱器室分別布置了高溫過熱器、中溫過熱器和低溫過熱器。尾部采用光管式省煤器及管式空氣預熱器。爐膛、冷卻室和過熱器室四周全為膜式水冷壁,為懸吊結構。鍋筒中心線標高為32100m。鍋爐按半露天。布置進行設計。

2、濟南鍋爐集團有限公司

濟南鍋爐集團有限公司在采用丹麥BWE技術生產生物質鍋爐的同時,也開發出循環流化床生物質鍋爐,其燃料主要為生物質顆粒。其燃料主要通過機械壓縮成型,一般不需添加劑,其顆粒密度可達到1～017t/m3,這樣就解決了生物質散料因密度低造成的燃料運輸量大的問題。但顆粒燃料的生產電耗高,一般每生產1t顆粒燃料需耗電30～

55kW,因而成本較高,大約在300元/t。循環流化床鍋爐爐內一般需添加粘土、石英沙等作為底料已輔助燃燒。由于燃料呈顆粒狀,因而上料系統同輸煤系統一致,很適于中小型燃煤熱電廠的生物質改造工程,在國家關停中小型燃煤(油)火力熱電政策和鼓勵生物質能開發政策下有廣闊的市場前景。

四、我國生物質直燃發電政策

我國具有豐富的新能源和可再生能源資源，近幾年在生物質能開發利用方面取得了一些成績。2005年2月28日通過了《可再生能源法》，其中明確指出“國家鼓勵和支持可再生能源并網發電”，它的頒布和實施為我國可再生能源的發展提供了法律保證和發展根基。隨后，與之配套的一系列法律、法規、政策等陸續出臺，如《可再生能源發電有關管理規定》(發改能源[2006]13號)、《可再生能源發電價

格和費用分攤管理試行辦法》(發改價格[2006]7號)、《可再生能源電價附加收入調配暫行辦法》(發改價格[2007]44號)、《關于2006年度可再生能源電價補貼和配額交易方案的通知》(發改價格[2007]

2446號)、《關于2007年1—9月可再生能源電價附加補貼和配額交易方案的通知》(發改價格[2008]640號)等的。與此同時，國務院有關部門也相繼了涉及生物質能的中長期發展規劃，生物質能的政策框架和目標體系基本形成。2012年科技部日前就《生物質能源科技發展"十二五 "重點專項規劃》、《生物基材料產業科技發展"十二五"專項規劃》、《生物種業科技發展"十二五"重點專項規劃》、《農業生物藥物產業科技發展"十二五"重點專項規劃》等公開征求意見。表示將建立政府引導和大型生物質能源企業集團參與科技投入機制，推進后補助支持方式向生物質能源科技創新傾斜，形成政府引導下的多渠道投融資機制。這些政策的出臺為生物質發電技術在我國的推廣利用提供了有力的保障。

四、高效潔凈生物質鍋爐的開發應用建議

（一）重點開發適用于秸稈捆燒的燃燒設備

目前對生物質直接燃燒的研究，比較多地集中在生物質燃燒特性、燃燒方法和燃燒技術等方面，而對各種燃燒技術的經濟性研究較少，更缺乏對不同燃燒方法、燃燒技術經濟性的比較分析。實際上，由于生物質(尤其是農作物秸稈)原料來源地分散，收集、運輸、貯存都需要一定的成本，有些燃燒技術需先對生物質燃料進行干燥、破碎等前期加工處理，真正適用的、值得推廣的是能源化利用總成本最低、從收集到燃燒前期加工處理過程耗能最少、對環境影響最小的技術。例如，對于秸稈類生物質，捆燒將會是最有市場競爭力的燃燒方法，所以，應針對我國農村耕種集約化程度較低的現狀，開發各種秸稈的小型打捆機械，并重點開發適用于秸稈捆燒的燃燒設備。農林加工剩余物(如甘蔗渣、稻殼、廢木料等)則宜就地或就近燃燒利用，如剩余物數量較大且能常年保證供應，則可作為熱能中心或熱電聯產鍋爐燃料，熱電聯產的鍋爐型式應優先采用循環流化床鍋爐，數量較少或不能保證常年供應的，則可采用能與煤混燒的燃燒設備。

（二）加大科技支撐力度,加強產學研結合,突破關鍵技術和核心裝備的制約

加大科技支撐力度,盡快將生物質能源的研究開發納入重大專項,開發低成本非糧原料生產燃料乙醇和高效酶水解及高效發酵工藝,研究可適用不同原料、節能環保的具有自主知識產權的生物柴油綠色合成工藝,開發適宜中國不同區域特點的高效收集秸稈資源、發展成型燃料的關鍵生產技術與裝備。

（三）做好技術方面控制

生物質鍋爐的開發過程中應當克服以下技術問題：

1、粉塵控制與防火防爆 

目前生物質電廠的燃料儲運是在常壓下進行的，由于生物質燃料自身的特點，在其粉碎過程中或者在運輸過程中出現落差的情況下，會產生大量的粉塵，導致了上料系統合鍋爐給料系統的粉塵含量高，粉塵濃度甚至進入爆炸極限范圍，存在極大的安全隱患。 

針對這種情況，需要我們根據國內燃料供應情況，在燃料粉碎、運輸及上料環節上對生產工藝做相應修改，如采用封閉式負壓儲運；在落差較大的位置設置除塵裝置；增設粉塵濃度傳感器對粉塵進行實時監測；保持料倉的通風性良好，監測并控制料倉的溫度、濕度。 

2、燃料輸送系統的簡化 

目前燃料輸送系統和鍋爐給料系統環節較多，工藝復雜，螺旋和斗式提升機經常堵塞的現象。燃料輸送系統故障會導致爐前料倉斷料，不能滿足鍋爐負荷下的燃料供應。 

為了避免這種現象發生，可以考慮改進現有的給料工藝，減少給料環節，不采用斗式提升機，改用棧橋、皮帶，直接將料倉的料輸送到爐前料倉。同時嚴格控制燃料濕度和粒度，防止燃料結團、纏繞，并改進自動化控制手段，保證輸料系統連續穩定運行。 

3、結焦和腐蝕 

生物質燃料的成分和煤粉存在極大差異，尤其灰分中含有大量堿金屬鹽，這些成分導致其灰熔點較煤粉的灰熔點低，容易產生沾污結焦和腐蝕。因而生物質鍋爐產生結焦、腐蝕的工況參數與普通燃煤爐不同，應該根據燃料性質及燃燒特性的不同，對鍋爐及其輔助設備的工藝設計提出不同要求，并改進相關自動化控制使工藝運行環境符合現有設備要求。

隨著國家大氣污染排放標準的提高，因重視對廢氣排放的控制，爐內脫硫技術是控制空氣污染的有效方法。循環流化床是我國燃煤發電重要的清潔煤技術。歷經二十余年的發展，我國掌握了300MW亞臨界循環流化床鍋爐設計制造運行的系統技術，發展超臨界參數循環流化床鍋爐已經勢在必行。國家發改委自主研發超臨界600MWCFB鍋爐是當前技術的典范。

參考文獻

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篇5

農村生物質能資源種類多、分布范圍廣，開發利用農村生物質能源替代常規能源，具有十分廣闊的發展前景。

1.1　發展農村生物質能源，有利于緩解能源供應壓力，減少對化石能源的依賴。我國既是化石能源非常短缺的國家，還是能源消費大國，我國年能源消費總量已達到20億噸標準煤，居世界第二位。今后，隨著經濟持續快速發展，能源需求還將不斷增加，據初步預測，到2020年，全國能源需求總量將達到30～36億噸標煤，能源安全形勢將更加嚴峻。

1.2　發展農村生物質能，有利于減輕環境污染。由于我國能源消費結構以煤為主，煤炭使用過程中產生的污染成為我國主要的環境問題之一，目前，我國廢氣排放中約90％的二氧化硫、85％的二氧化碳和80％的煙塵都是由燃煤造成的。生物質能源替代化石能源可以減少污染物排放。保護環境。同時農村生物質能主要原料是農村秸稈、畜禽糞便等農業廢棄物質，對農業廢棄物的充分利用可以變廢為寶、變害為利，減輕農業生產自身造成的農業面源污染，有利于保障農業生產安全和人民身體健康。目前，農村能源消費總量從4.15億噸標準煤發展到4.91億噸標準煤。增加了18.3％，年均增長2.4％。而同期農村使用液化石油氣和電炊的農戶由1578萬戶發展到4937萬戶，增加了2倍多，年增長達17.7％，增長率是總量增長率的6倍多。可見隨著農村經濟發展和農民生活水平的提高，農村對于優質燃料的需求日益迫切。傳統能源利用方式已經難以滿足農村現代化需求，生物質能優質化轉換利用勢在必行。一種能夠“廢物利用、變廢為寶”的爐具就是農村生物質能的一種。它很廉價，但能夠帶來可觀的社會效益：它構造簡單，但卻能夠有效解決農村資源浪費和環境污染這樣復雜的問題；它不受氣候影響，符合農村生活的實際，深受農民群眾歡迎。它就是高效低排生物質爐。

2、我市農作物秸稈現狀

晉中市地處山西中部，西北部緊鄰太原，東部與壽陽接壤，南部與太谷交界，屬典型的溫帶大陸性氣候，2009年全市耕地面積545.8413萬畝，以糧食、蔬菜、果樹等農作物為主，全市種植玉米305.78萬畝，梨29萬畝，蘋果49萬畝，全市農作物秸稈總產量為305.78萬噸，秸稈資源豐富。果樹枝盛果期果樹每年每畝約修剪300～500公斤果樹枝計算，蘋果、梨種植78萬畝果樹產果樹枝23.400～3g萬噸，目前我市秸稈利用率低，技術手段落后，造成了資源的嚴重浪費。因此，推廣高效低排放生物質爐非常必要。

3、推廣高效低排放生物質爐的示范效果顯著

我市榆次區西祁村是使用高效低排放生物質爐的示范村。西祁村共有耕地面積1832畝，戶均4畝果樹。在新農村建設中，省農村可再生能源辦公室從沼氣建設入手，采取整村推進的形式，為全村建成戶用沼氣池108戶，占到全村總戶數的90％。但是沼氣未能徹底解決農戶冬季取暖的問題，因此，2008年我們試點安裝了100多個高效低排放戶用生物質炊暖兩用爐，并結合本村果園多的實際配套3臺樹枝切割機，很好地解決了村民們的冬季做飯、取暖、洗澡等生活用能。當我們走進村民王成平家，院子里的3個黑黝黝的大鐵爐吸引了記者的目光，戶主王成平笑著說：“以前我們在冬天就是靠這三個爐子取暖的，現在裝上生物質爐就用不著了。”據王成平介紹，以前每到冬天，3住人的屋子必須裝上這樣的3個大鐵爐才能保證取暖，按每個爐子一冬燒1000塊蜂窩煤計算，一年全家僅取暖就要花掉1500多元錢。“現在好了，用上生物質爐，又省錢、又干凈，也不怕煤氣中毒，安全實用兩全其美。以前當地村民大多都把果樹枝扔在田間就地焚燒，不僅浪費資源，還污染環境，影響村民們的生活質量和身體健康。現在用上生物質爐具，不僅使大量的農田廢棄物、果樹枝變廢為寶，而且還有效地杜絕了村里村外、田間地頭果樹枝的亂丟亂棄現象，整潔了村容村貌，凈化了生活環境，深受農民們的歡迎。村民王二保家正在準備午飯，“院內潔凈堂內明，不見炊煙聞飯香”的情景，一下子顛覆了記憶中農村燒火做飯煙熏火燎的印象。王二保說：“自打用上生物質爐，家里就再也沒冒過黑煙，做飯還快，趕上農忙，回來加一把柴禾，20分鐘飯就全好了。”截至目前為止，晉中市示范高效低排放生物質能爐試點推廣3600戶，按每個農戶減少或節約1500元買煤買炭的錢，那么3600農戶，增收節支540萬元，高效低排放生物質爐不但經濟效益顯著，生態效益與社會效益也非常可觀。

4、高效低排放生物質爐具有三個優點

4.1　變廢為寶清潔環保。高效低排放生物質爐是指以秸稈、薪柴等生物質為燃料，在爐內既有明火燃燒又有氣化成分，沒有焦油，不冒黑煙，燃燒充分，熱效率高，煙氣排放低的爐具。這種爐具可用于炊事、取暖、淋浴等，構造簡單，便于安置，非常適合農村家庭使用。

4.2　生物質爐之所以能夠實現清潔、節能、高效的特點，是因為它具有獨特的燃燒原理：燃料經過干餾氧化還原等過程，可以轉化成高溫可燃燒氣體，氣體經過劇烈旋轉和混合，燃燒更加徹底。

篇6

河南省擁有發展生物質成型燃料產業的基礎條件，且已初具規模，經濟效益整體顯著，市場投資熱情高漲，但也存在原料收集困難、生產能力過剩、市場營銷意識不強以及政府重視不夠等問題。為此，企業層面應注意經營戰略模式、原料供應模式和市場營銷策略等，政府層面的政策取向應注意激勵和規范并重。

關鍵詞：

生物質成型燃料；河南新能源產業

研究表明，生物質成型燃料在鍋爐中燃燒時，黑煙少，火力持久，燃燒充分，排放的飛灰少，碳化物、氮化物和硫化物都遠比煤低，而且其生產以農林剩余物為原料，可謂“取之不盡、用之不竭”，逐漸受到世界各國的重視。作為農業大省和新興工業大省，河南具有發展生物質成型燃料產業的基礎條件。探討其發展，對于緩解環境壓力和建設美麗河南意義重大。

一、河南省的基礎條件

作為產業鏈的兩端，資源與市場是產業發展的基礎。對于生物質成型燃料產業發展的資源條件，既要了解農林業生產情況，也要進行資源總量估算及潛力分析。對于其發展的市場條件，著重要了解市場容量的大小。因為該燃料是對秸稈、薪柴和煤炭等傳統能源的替代，替代水平無法直接估計，只能通過傳統能源現實消費量和發展趨勢來間接反映市場容量。

（一）資源條件河南是農業大省，根據全國土地面積普查，河南耕地面積為819.2萬公頃，僅次于黑龍江和四川。近8年來，該省農業種植面積一直維持在678.4萬公頃之上，2014年為474.67萬公頃。農業基礎設施的不斷完善和農業科技專項的順利實施，使占種植面積80%以上的糧食和油料產量呈逐年遞增的趨勢，2014年分別達到了5772.3萬噸和584.3萬噸。這些都為生物質成型燃料產業的發展提供了良好的資源基礎和重要保證。河南人均森林面積僅為全國平均水平的1/5，人均森林蓄積僅為其1/7，但分布集中、以商品林為主。這為林業“三剩物”的采集提供了一定便利條件。根據2014年河南省農作物產量、果樹樹枝產量以及林業生產情況，參考有關學者提出的谷草比和折算系數（見表1和表2）測算，2014年河南農林剩余物資源總量約為11933.77萬噸。一般情況下，生產1噸生物質成型燃料約需農林剩余物1.1噸。按此計算，資源總量可供生產10848.88萬噸生物質成型燃料。從發展趨勢看，1995年～2014年，河南農林剩余物資源總量穩步增長，年均增長率約3.16%，特別是在實施農業稅免除政策的2006年，資源總量從2005年的8189.62多萬噸陡增至9241.92多萬噸。不難看出，盡管工業化、城鎮化和現代化的步伐在加快，但河南農林剩余物資源潛力巨大。

（二）市場條件就生活用能而言，經粗略估計，2014年河南農村居民秸稈和薪柴的消費量折合標準煤約為550.31萬噸，煤炭消費量折合標準煤約為307.77萬噸，上述3種能源消費量合計可達858.08萬噸標準煤。對于生物質成型燃料產業而言，這個數字意味著巨大的市場空間。2014年，河南農村能源商品化率和優質化率分別為50.08%和21.87%，較1995年均有大幅提高，特別是在2004年之后二者就呈現出快速增長的局面（見圖1）。可見，隨著社會經濟的發展，河南農戶能源消費更加追求便捷和清潔。在農村生活能源消費結構發生深刻變化的過程中，生物質成型燃料產業應該有所作為。2014年，河南生產用能中煤炭消費量為23645.04萬噸，大部分被用于加工轉換。基于1995年～2014年的數據，預計到2020年，河南該部分煤炭消費量將達到55476.07萬噸，相當于2014年的2倍還要多。面對龐大的現實消費量以及迅猛的增長，環境壓力可想而知。隨著生態環境建設進入政府績效考核體系，河南加快了工業鍋爐的拆改步伐，2014年更是在全省范圍內實施“藍天計劃”工程。在工業鍋爐改拆過程中，天然氣價格昂貴且往往壓力不夠，生物質成型燃料必將占有一席之地。

二、現狀與問題

（一）現狀1.產業規模初步形成。目前，河南已有十余家規模較大的生物質成型燃料生產企業，年生產能力超過150萬噸，銷售量在100萬噸左右。其中，注冊資金1000萬元以上的有5家，年生產能力均超過10萬噸。這些企業重點分布在南陽、商丘和鄭州。南陽和商丘的企業多屬于資源導向型；鄭州的企業多屬于市場導向型。2.經濟效益整體顯著。實地調研發現，河南大多數企業經營良善，產品除了滿足本省場外，在湖北、河北、安徽和陜西等周邊省份也有一定的市場。受訪企業一般都有10%以上的成本利潤水平，部分企業甚至會達到25%左右的回報。3.市場投資熱情高漲。隨著各地治污力度的加大以及燃煤鍋爐的改造，市場對于生物質成型燃料前景普遍看好，投資熱情日益高漲。

（二）存在的問題1.原料收集困難。農村青壯年勞動力紛紛出外打工，留守在家的老年人根本不愿或者無力對秸稈進行收集，使雇工成本不斷上漲，生產企業難以承受。另外，小地塊的土地家庭經營模式不利于機械化收獲和大包捆扎，嚴重影響了原料收集的效率。2.生產能力過剩。大多數的加工基地生產能力在1萬噸以上，但實際上生產銷售量都在0.7萬噸左右，存在著生產能力過剩的現象，這與企業低水平重復建設有關。一些企業缺乏項目論證，片面追求效率，顛倒了效率與效益的關系。市場需求飽滿的情況下，效率與效益是一致的，高效率會帶來高效益；在市場需求不足的情況下，效率與效益是對立的，高效率不一定會帶來高效益。3.市場營銷意識不強。首先，出于規模效益考慮，企業缺乏到農村中推廣的熱情，這一龐大的市場被忽略。而在瑞典、芬蘭、德國等歐洲國家，超過半數的生物質成型燃料為居民生活使用，主要用于供暖系統。其次，企業營銷手段單一，缺乏積極的宣傳和營銷。4.政府重視程度不夠。突出表現在各種能源規劃還是熱衷于規模大、經濟效益明顯的火電項目和核電項目，而對于生態環境效益更加明顯的生物質能源項目著力較少，特別是對屬于第二代生物質能源的成型燃料更是缺乏熱情。從一定意義上說，過于重視大型能源項目，會吸引人們的注意力和大量的投資資金，從而對生物質成型燃料產業的發展造成干擾。

三、對策建議

（一）企業層面1.科學選擇經營戰略模式。單一化經營的企業，可借鑒分布式能源的理念，采用“公司+基地+農戶”的模式。這種模式在基地層面采用小規模經營，每個基地年生產能力不超過1萬噸為宜。基地是成本中心，因此，應盡量靠近原料地或目標市場；公司層面是利潤中心，集中負責人事、投資、財務、技術和銷售等工作，在這些方面發揮規模效應。多元化經營企業可采用市場相關型、原料相關型、技術相關型和產品再加工型4種模式。市場相關型是指企業立足當前市場，盡可能提供相關的產品和服務，從當前市場賺取盡可能多的利益。這要求企業具備相當的技術實力，一般以提供附加服務為主，如維修、檢測等。其中，合同能源管理（EMC）是能源生產企業提供的最為常見的服務項目。原料相關型是指企業充分利用生產加工過程中的邊角料生產成型燃料。這種模式既能減少原料收集的成本，保證原料的供應而不至于出現中斷現象，又會使得邊角料不至于被低價出售或浪費掉。靠近農業主產區從事糧油加工的企業或靠近林區的木材加工廠或林場可考慮此模式。技術相關型是指企業利用技術研發優勢，延長產業鏈，從事成型燃料的生產。生產生物質成型設備或者燃燒鍋爐的大型企業通過成型燃料的生產，有利于將自身技術優勢發揮到最大，減少生產過程中的不穩定因素，并能及時發現技術短板。產品再加工型是指將生物質成型燃料再進一步加工，以熱能的形式供應市場。該模式的優點在于最終產品形式為老百姓喜聞樂見，缺點是本來成型燃料價格就高，使用成本更高。該模式以完整產業鏈的聯產形式較好，以便充分降低中間成本，使得最終產品價格不至于太高。2.合理規劃原料供應。小型企業可采用直接收購模式或代加工模式。直接收購模式是指生產企業到農村上門收購原料或者由農戶直接把原料運到企業賣掉，該模式都只能是小批量、多頻次的采購，規模效應小，供應也會因為突發事件而變得不夠穩定，其收集半徑在10～20公里之間。代加工模式是指農戶將農林剩余物運到企業加工后，再自行拉回使用，并支付企業加工費。大中型企業可采用代購點模式或原料基地模式。代購點模式是指在方圓20公里之外設置收購點，代購點負責附近區域的原料收集、保管和運輸工作。代購點既可以是企業自己設置，也可以采用形式。原料基地模式比代購點模式又進了一步，是指將收購點建設成原料初加工基地，將收集來的原料在當地晾曬、挑揀和粉碎后，再運往企業集中加工。該模式可實現原料供應的規模化甚至產業化，是發展方向。3.定位高端市場營銷策略。生物質成型燃料生產企業是不可能靠低價競爭的，一方面，由于原料收集困難使其生產成本居高不下；另一方面，該產品屬于小眾產品，市場需求量較小；熱效值與生物質成型燃料相當的中檔煤炭價格的持續走低，也使其沒有價格優勢可言。基于清潔安全能源產品的定位，在產品策略方面，企業應加大研發力度，不斷提高質量，重點放在對清潔性和安全性的追求上，而不是致密性和熱效值的追求上。在價格策略方面，不能完全根據熱效值確定其與煤炭的比價關系，要考慮產品特性及用戶需求。在渠道策略方面，應注意通過試點、代銷等方式開拓農村特別是基地周邊村莊。在促銷策略方面，形象設計應著重圍繞尊享健康快樂的生活展開，宣傳的理性訴求點應突出清潔、安全和健康等方面，感性訴求點應放在對留守老人的關愛上以及對操持家務的妻子的呵護上或者對社會責任的承擔上。

（二）政府層面1.完善激勵政策。對于可再生能源行業，激勵應是全過程的。對生物質成型燃料產業激勵的范圍應包括原料收集、技術研發、生產經營、用戶消費等方面。考慮到財政力量有限，可將其中的原料收集和用戶消費作為激勵的重點。對于原料收集和用戶消費的激勵，都可采用直補方式給予農戶；對于技術研發和生產經營活動的激勵，可采用專項基金、稅收優惠、銀行貼息貸款和政府擔保貸款等方式。關于資金來源，可考慮將每個縣市設立的每年數以百萬元而又使用效果不佳的禁燒基金拿出來，將焚燒秸稈的罰款也歸入禁燒基金；各級政府也可將支持化石能源以及發展較為成熟的可再生能源的資金拿出一部分，用于支持成型燃料。2.規范政策。一是加強項目審批，既防止一些地方政府追求生態政績，一窩蜂建廠，導致爭原料、爭市場等不良現象；也要防止一些私營企業盲目拍腦袋上馬項目，造成魚目混珠和產能過剩。二是強化補助管理，既防止將煤摻在生物質成型燃料中套取資金，也要防止多元化生產的企業通過虛假會計，將其他產品收入計入生物質成型燃料，虛增銷售收入。三是強制用戶購買，除“藍天計劃”要求污染企業限期拆改外，加強政府采購也是有益的支持措施。

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篇7

關鍵詞生物柴油;優點;制備;發展現狀;措施;油葵;能源植物

AbstractThe merit of biodiesel，the preparation method，as well as research and development status at home and abrod were introduced. Then the advantage of oil sunflower as biodiesel energy meterial and the existing problems and measures in developing oil sunflower biodiesel industry were proposed to provide references for the research and application of biodiesel.

Key wordsbiodiesel;merit;preparation;development status;measures;oil sunflower;energy plant

能源是人類社會發展的支柱，隨著世界經濟的快速發展，對能源的需求量也飛速增加。據BP公司的預測，按照目前的開采量計算，全世界石油儲量只能開采40年，天然氣為65年，煤炭為165年[1]。能源短缺已經成為制約世界經濟發展的重要因素。為此，尋求可再生能源倍受世界各國關注。生物質能源作為可再生能源，是目前世界能源消耗總量僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在整個能源系統中占有重要的地位。作為生物質能源最重要的可再生液體燃料之一，生物柴油具有能量密度高、性能好、儲運安全、抗爆性好、燃燒充分等優良使用性能，還具有可再生性、環境友好性及良好的替代性等優點，是最具發展潛力的大宗生物基液體燃料[2]，合理開發利用生物柴油對于促進國民經濟的可持續發展、保護環境都將產生深遠意義。

1生物柴油的特性

生物柴油是植物油、動物脂肪以及食用廢棄油等油脂物經過酯基轉移作用得到的脂肪酸酯類物質，包括脂肪酸甲酯和脂肪酸乙酯[3-5]，具有石化柴油所不可比擬的優點。

(1)良好的燃燒性能。生物柴油燃燒指標十六烷值高，大于49(石化柴油為45)，含氧量高，有利于壓燃機的正常燃燒，在燃燒過程中所需的氧氣量也較石化柴油少，燃燒、點火性能優于石化柴油。

(2)優良的環保性能和再生性能。生物柴油環保性能主要表現在:含硫量低，使二氧化硫和硫化物的排放低，可減少酸雨的發生[6];因其含氧量高，使其燃燒時一氧化碳排放量減少;基本不含芳香族烴類成分，產生的廢氣對人體損害低于柴油。生物柴油是以動植物的生物質為原料，因而又具有良好的可再生性能。

(3)較好的低溫發動機啟動性能和性能。與石化柴油相比，生物柴油無添加劑時冷凝點達-20 ℃，具有較好的發動機低溫啟動性能;具有較高的運動粘度，在不影響燃油霧化的情況下，生物柴油更容易在汽缸內壁形成一層油膜，從而提高運動機件的性能，降低噴油泵、發動機缸和連桿的磨損率，延長其使用壽命。

(4)較高的安全性能。生物柴油閃點高，不屬于危險品，有利于安全運輸、儲存。

(5)原料易得。生物柴油的原料是植物油脂、動物油脂、植物油精練后的下腳料、酸化油、潲水油或各種油炸食品后的廢棄油。其中植物類主要包括油菜、油用向日葵、大豆、棉花、芝麻、花生、蓖麻、亞麻、文冠果、烏桕樹、棕櫚樹、椰子樹、油桐樹、野蘇樹、桉樹、油茶、麻瘋樹、光皮樹等含油質植物所榨取的油料。

總之，生物柴油作為一種可再生液體燃料，具有安全、環保、可再生等優點，發展生物柴油產業已成為世界各國保障能源安全的戰略舉措。

2生物柴油的制備方法

生物柴油的生產方法可以分為兩大類:物理法與化學法。物理法包括直接混合法與微乳液法;化學法包括裂解法、酯交換法。物理法操作簡單;但產品的物理性能(如粘度)和燃燒性能都不能滿足柴油的燃料標準。化學法中的裂解法能使產品粘度降低3倍，但仍不能符合要求。酯交換法是利用低碳醇在催化劑作用下與植物油或動物油中的脂肪酸甘油酯進行反應的一種適用于生產生物柴油的方法[7]。酯交換法的催化劑包括酸堿催化、酶催化、超臨界催化和超臨界介質中的酶催化等[8]。超臨界酯交換法制備生物柴油是最近幾年發展起來的一種有效方法。由于能很好地解決反應產物與催化劑難分離問題，因此超臨界酯交換法受到了廣大研究者的關注[9]。它的最大特點是不用催化劑，在較短的反應時間內取得較高的反應轉化率，極大地簡化了產物分離精制過程。超臨界的甲醇溶解性相當高，油脂與甲醇能很好地互溶。超臨界甲醇法中，超臨界甲醇既是反應介質又是反應物，起到催化劑的作用。采用超臨界甲醇法，酸和水的存在對最終轉化率沒有影響[10]。與現行化學法相比，在反應速度、對原料的要求和產物的回收方面都有優越性，因而日益受到人們重視[11]。生物酶法合成生物柴油具有條件溫和、不需要昂貴設備、醇用量少、產品易于收集、無污染物排放等優點，是一種很有前途的生物柴油合成方法，但也存在酶成本高、產物難分離、副產物抑制作用等問題。

3生物柴油在國內外的發展現狀

3.1國外生物柴油發展現狀

生物柴油的研究最早始于1970年[12]，近15年內發展較快。盡管其發展的歷史不是很長，但是由于其良好的性能得到了世界各國的重視，大約有28個國家致力于生物柴油的研究和生產[13]。為大力推進生物柴油產業的發展，歐美國家的政府制定了一系列的財政補貼、優惠稅收等政策支持，德國、法國、意大利、美國、加拿大等國已建立了數家生物柴油生產廠并開始大規模利用生物柴油[14-15]。在生物柴油原料上，歐盟國家以油菜籽為主要原料，美國、巴西以大豆為主要原料，東南亞國家則利用優越的自然條件種植油棕以獲取油脂資源。據2009—2012年中國生物柴油產業調研及投資前景預測報告顯示，2009年世界生物柴油年產量已達到1 590萬t。其中，以法國和德國為主的歐盟國家生物柴油產量約為870萬t，美國生物柴油的產量約為150萬t，巴西120萬t，阿根廷110萬t。預計2010年世界生物柴油產量可達1 900萬t以上。

3.2國內生物柴油發展現狀

我國生物柴油的研究與開發雖起步較晚，但發展速度很快，部分科研成果已達到國際先進水平。研究內容涉及到油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良及其加工工藝和設備。20世紀80年代，由上海內燃機研究所和貴州山地農機所聯合承擔課題，對生物柴油的研發做了大量基礎性的試驗探索[16]。許多科研院所和高校在植物油理化特性、酯化工藝、柴油添加劑和柴油機燃燒性能等方面開展了試驗研究，同時中國林業科學院根據天然油脂化學結構的特點，研究了生物柴油和高附加值的化工產品綜合制備技術，使生物柴油的加工利用不僅技術可行，而且經濟上可以實現產業化[17]。但是與國外相比，我國在發展生物柴油方面還有一定的差距，產業化規模還較小[6]。雖然我國生物柴油的發展僅處于初級階段，但是我國政府對發展石油替代燃料非常重視，制定了多項促進其大力發展的政策，“十五”規劃綱要將發展生物液體燃料確定為國家產業發展的方向。2004年，科技部啟動“十五”國家科技攻關計劃“生物燃料油技術開發”項目，國家發展和改革委員會也明確將“工業規模生物柴油生產及過程控制關鍵技術””列入“節約和替代石油關鍵技術”中。“十一五”國家科技攻關計劃中也將生物柴油等生物質能源的研發列在首位[18]。目前我國生物柴油的研究開發也取得了一些重大成果。海南正和、四川古杉和福建卓越等公司都已開發出擁有自主知識產權的技術，相繼建成了規模超過萬噸的生產廠，特別是四川古杉以植物油下腳料為原料生產生物柴油，產品的使用性能與0號柴油相當，燃燒后廢物排放指標達到德國DIN5 1606標準[19]。這標志著生物柴油這一高新技術產業已在中國大地誕生。生物酶法制取生物柴油也取得了很大進步，2007年河北秦皇島領先科技投資建設國內首家年產10萬t生物酶法合成生物柴油產業，該技術居國內領先水平。總體來看，我國生物柴油的發展狀況良好，生物柴油已經受到越來越多的關注。

4油葵作為生物柴油原料的優點

生物柴油的原料必須滿足一定的條件，如區域可行性、原料價格和燃油價格等。選擇油葵作為生物柴油的原料，是由于油葵具有如下一些特殊的性能。

(1)油葵適應性廣、抗逆性強，不占用優質土地資源。首先，油葵對氣候溫度要求不高，世界各地區的各類土壤或各種地貌均可種植[20]。其次，油葵抗逆性強:抗旱、抗病、耐鹽堿，作業簡單，生育期短。再者，與一般作物相比，種植雜交油葵省工、省肥、省水、省農藥，易管理、成本低、效益好。在無霜期較短地區可以生產1季，在無霜期較長地區還可以栽培2季，這樣便提高了復種指數，增加農民收入。第四，雜交油葵是鹽堿地先鋒作物[21]，對鹽堿地具有很好的改良效果。在全鹽量0.77%的土壤條件下(屬重度鹽漬化)，雜交油葵產量高達4 395 kg/hm2。有鑒于此，可在我國沿海鹽堿地、內蒙古、新疆等地區大規模發展能源油葵產業。

(2)油葵的豐產性和高含油率是農牧民增收的物質基礎。油葵皮薄飽滿出仁率高，一般出仁率達到75%，而且籽實含油量高，一般達到45%~50%。因此，種植雜交油葵可以較大幅度的增加農牧民的經濟收入，特別是在我國較貧困的西部地區，廣大農牧民經濟條件的改善對實現可持續發展具有重要意義。

(3)油葵綜合利用潛力大，可以促進我國農村經濟發展。油葵的花、花盤、莖桿、皮殼的綜合利用價值也很高。葵花是很好的蜜源，可以發展養蜂業。花盤是畜牧業的精飼料，最適合飼喂豬、雞，可以做青貯飼養牛羊。花盤含粗蛋白7%~9%，含粗脂肪6.5%~10.5%，幾乎與大麥、燕麥相當;無氮浸出物(主要是淀粉)48.9%，高于苜蓿，與燕麥接近;果膠2.4%~3.0%，可以增加飼料的適口性;其灰分含量比大麥、燕麥多2倍。榨油后的餅粕可為發展畜牧業提供一部分高質量的飼料來源。秸稈還可作染料和造紙的原料等。

(4)利用向日葵生產柴油，可以為農村社會發展提供機會。據預測，2020年全球可再生生物柴油年需求量，將從當前的1 000萬t大幅增加至3 500萬t。這為向日葵制造生物柴油提供了廣闊的發展空間。利用向日葵生產生物柴油，可以走出一條農業產品向工業品轉化的富農強農之路，有利于調整農業結構，增加農民收入。如果在我國西部地區大力發展生物柴油產業，必然會給地方發展提供新的機遇，促進第二產業的發展。

5我國發展油葵生物柴油存在的問題及解決措施

雖然我國發展油葵生物柴油已經具備了相應的理論依據，油葵種植也形成了一定的規模，國家也出臺了一系列的優惠政策，但油葵生物柴油產業的可持續發展仍需解決好以下一些問題。

(1)提高油葵抗逆性。油葵用作能源植物種植，必須堅持不與糧爭地。應種植在較為干旱、貧瘠、鹽堿的土地上，因此雖然現有的油葵具有抗旱、抗鹽等優良特性，但仍需要提高其抗逆性，以便擴大油葵的種植面積，穩定原料供應。

(2)培育能源油葵新品種。從品種角度分析，油葵含油率和脂肪酸結構成為影響生物柴油轉化的關鍵因素，因此，培育生物柴油的專用品種具有重要的意義。

(3)重視油葵生物柴油產業鏈的綜合加工利用。生物柴油不是油葵生物柴油產業鏈的唯一產品，它還有秸稈、油餅、甘油及VE 等不同生產階段的副產品，這些副產品的綜合利用，對于提高向日葵生物柴油產業鏈價值具有重要的意義。

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篇8

電池在我們的生活中發揮著非常重要的作用，但在使用過程中卻帶來了嚴重的環境問題。一節一號電池腐爛在地里，能使一平方米土壤永久失去利用價值；一粒紐扣電池可使600噸水受到污染，相當于一個人一生的飲水量。嚴峻的現實迫使我們尋找電池發展的新出路，生物燃料電池的問世讓我們看到了曙光。本文初步介紹了生物燃料電池的基本情況，以期能開闊視野，對中學化學教學有所裨益。

1穿越歷史，生物燃料電池向我們走來

早在19世紀初，英國化學家戴維就提出了燃料電池的設想，1839年英國人格拉夫發明了最早的氫燃料電池[1]。可以說發展到今天，氫燃料電池已成為了最成熟的燃料電池，但在氫氣的制備、輸送、電池的能量轉化率、使用安全性等方面存在許多問題，陷入了尷尬的發展處境[2]。生物燃料電池的出現又讓我們充滿了新的期待。

生物燃料電池的發展可追溯到20世紀初，1910年英國杜漢姆大學植物學教授Michael Cresse Potter用酵母和大腸桿菌進行試驗時，發現了微生物也可以產生電流,從而拉開了生物燃料電池研究的序幕。六十年代，為了將長途太空飛行中的有機廢物轉化成電能，美國航空航天管理局投入了大量的人力和物力進行研究，真正掀起了生物燃料電池研究的。后來盡管由于技術原因，生物燃料電池曾一度陷入停滯狀態，但七、八十年代出現的石油危機又讓電池家族的新成員成為人們矚目的中心，自此之后迎來了更加廣闊的發展前景[3]。

簡言之，生物燃料電池就是以微生物、酶為催化劑，將有機物（如糖類等）中的化學能直接轉化成電能的一種電化學裝置。根據電池中使用的催化劑種類，可將生物燃料電池分為微生物燃料電池和酶燃料電池兩種類型。

2兩種典型的生物燃料電池

2.1 微生物燃料電池

典型的微生物燃料電池如上圖所示，它由陽極室和陰極室組成，質子交換膜將兩室分隔開。它的基本工作原理可分為四步來描述:(1)在微生物的作用下，燃料發生氧化反應，同時釋放出電子;(2)介體捕獲電子并將其運送至陽極;(3)電子經外電路抵達陰極，質子通過質子交換膜由陽極室進入陰極室;(4)氧氣在陰極接收電子，發生還原反應。我們以葡萄糖為例來具體地說明這個過程[1]：

陽極半反應：

C6H12O6+6H2O6CO2+24H++24e-E0=0.014V

氧化態介體 + e-還原態介體

陰極半反應:

6O2+24H++24e-12H2O E0=1.23V

2.2 酶燃料電池

如下圖，葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和輔酶的作用下失去電子被氧化成葡萄糖酸，電子由介體運送至陽極，再經外電路到陰極。雙氧水得到電子，并在微過氧化酶的作用下還原成水。

陽極半反應：葡萄糖葡萄糖酸＋2H++2e

陰極半反應：H2O2+2H++2e2H2O[3]

2.3生物燃料電池中的介體及其作用

2.3.1介體的作用

在生物電池的設計中一個最大的技術瓶頸就是如何有效地將電子從底物運送至電池的陽極。科學家設想在陽極室加入一種或幾種化學物質，作為運輸電子的介體。介體的作用如圖3所示。

2.3.2 介體需滿足的條件[1][3]

經過研究發現充當介體的分子必須具備嚴格的條件：①介體的氧化還原電極電勢應與代謝物的電勢相一致；②介體的氧化態和還原態都應易溶于電解質溶液；③在溶液中有足夠的穩定性且不能吸附在細菌細胞或電極的表面；④介體的電極反應快；⑤微生物燃料電池中的介體應易于穿透細胞膜且對微生物無毒害作用；⑥微生物燃料電池中的介體在得到電子后應易于從細胞膜中出來；⑦介體的任一種氧化態都不會對微生物的代謝過程造成干擾。

生物燃料電池中常用的介體有硫堇、EDTA-Fe(Ⅲ)、亞甲基藍、中性紅等。

3 生物燃料電池的優點

與傳統的化學電池技術相比，生物燃料電池具有操作上和功能上的優勢（表1）。首先它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。其次，不同于現有的生物能處理，生物燃料電池能在常溫、常壓甚至是低溫的環境條件下都能夠有效運作，電池維護成本低、安全性強。第三，生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，不會產生污染環境的副產物。第四，生物燃料電池具有生物相容性，利用人體內的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體。第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，生物燃料電池具有廣泛應用的潛力。

表1化學燃料電池與生物燃料電池比較[3]

4生物燃料電池的用途[1][5]

4.1改善汽車的燃料結構

使用生物燃料電池，1L糖類物質的濃溶液氧化產生的電能可供一輛中型汽車行駛25-30 Km,如果汽車的油箱為50L的話，裝滿糖后可連續行駛1000Km而不需要再補充能源。使用生物燃料電池，一方面可控制因化石燃料燃燒導致的空氣污染問題，另一方面還可避免因發生交通事故而引發的汽油起火燃燒甚至是爆炸。

4.2污水處理

2005年，由美國賓夕法尼亞州立大學的科學家洛根率領的一個研發小組宣布，他們研制出一種新型的微生物燃料電池，可以把未經處理的污水轉變成干凈用水和電能。

4.3為可植入人體內的設備提供能量支持

2005年日本東北大學教授西澤松彥領導的研究小組新開發出了一種利用血液中的糖分發電的燃料電池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置提供充足電量、為心臟起搏器提供能量。

4.4 在機器人設計中的作用

2001年英國西英格蘭大學的科學家們研制出了一種名為“Slugbot”的機器人（如圖5），專門用于搜捕危害種植業的鼻涕蟲。“Slugbot”將抓獲的鼻涕蟲放在一容器里，在酶的作用下將其轉化成電能。

2000年美國南佛羅里達大學科學家斯圖亞特.威爾金森（Stuart Wilkinson）宣稱，他們已經研制出了一種需要吃肉以給體內補充電能的機器人Chew Chew。 這種機器人體內裝有一塊微生物燃料電池，為機器人運動和工作提供動力。這種微生物燃料電池可以通過細菌產生酶，消化肉類食物，然后把獲取的能量再轉化為電能，供給機器人使用。

4.5在航空航天上的使用

為處理密閉的宇宙飛船里宇航員排出的尿液，美國宇航局設計了一種巧妙的方案：用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，產生氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質，這樣既處理了尿液，又得到了電能。一般在宇航條件下，每人每天排出22克尿，能得到47瓦電力。

5 生物燃料電池發展展望

在化石燃料日趨緊張、環境污染越來越嚴重的今天，生物燃料電池以其良好的性能向我們展示了一個美好的發展前景。但不可否認的是，由于技術條件的制約，目前生物燃料電池的研究和使用還處于不成熟階段：電池的輸出功率小、使用壽命短。例如美國得克薩斯大學亞當?海勒博士研制的葡萄生物電池能提供的功率僅為2.4微瓦，這說明要點燃一個小燈泡需要100萬株葡萄，并且產電能每天都在衰減。由此導致生物燃料電池的使用范圍非常狹小，遠沒有達到全面推廣的時期。研究人員正在積極研究，努力克服這一瓶頸。

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5.1開發無介體生物燃料電池[5]

有一類鐵還原性微生物，由于其細胞膜上有豐富的細胞色素，表現出較強的電化學活性，在生物電池中能直接將電子轉移至陽極而不需要借助任何介體。研究表明Rhodoferax ferrireduler和Geobacteraceae種群的微生物都具有這種功能，它們在電池內發生的反應可表示為：

C6H12O6+6H2O+24Fe(Ⅲ) 6CO2+24Fe(Ⅱ)+24H+

+24e-。

無介體生物燃料電池的優點主要表現為有充足的空間，有利于提高電子轉移的效率和速率。

5.2加強對電極的修飾[4]

學者Derek R. Lovley等用石墨氈和石墨泡沫代替碳棒作為電池的陽極，研究發現電池的電能輸出大大增加，約為原來的三倍。說明增大電極的表面積可以增大吸附在電極表面的微生物和酶的密度，從而增加電量的輸出。

Zhen He等在微生物燃料電池中用微生物來修飾陰極，加快了氧氣的還原反應速率，極大地提高了電池輸出的電流密度。

5.3 選擇合適的質子交換膜[4][6]

質子交換膜能有效地維持電池兩極室內酸堿度的平衡，保證電池反應的正常進行。Liu和Logan在電池的設計中取消了質子交換膜，結果發現電池的庫侖輸出效率由55%降到了12%；Min et al.研究發現如果氧氣由陰極室進入陽極室，電池的庫侖輸出效率會從55%降至19%。這說明質子交換膜的質量好壞關系到生物燃料電池的性能，選擇合適的質子交換膜，增強質子的穿透性而降低氧氣的擴散成為了生物燃料電池開發中的一個重要環節。

5.4 開發光化學生物燃料電池[5]

利用光合細菌或藻類吸收太陽光，并將其轉化成電能的裝置稱為光化學生物燃料電池。科學家曾設計出這樣的一種電池：用石墨作陽極，陽極室內有項圈藻和可溶性奎寧介體；陰極也為石墨電極，電解質溶液為鐵氰化鉀。把這種電池先放在陽光下光照10小時，然后在黑暗的環境中放置10小時，發現可產生1mA的電流（外電路電阻為500歐），只不過光子轉化成電子的效率只有0.2%。后來人們又用Synechococcus細菌來代替項圈藻，發現轉化率可提高到3.3%。

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致謝：本文在寫作過程中，得到化學系樂翠娣老師的指導和幫助，謹致以誠摯的謝意!

篇9

    在生產混凝土超塑化劑聚磺化萘甲醛的過程中,水污染嚴重,而且在半固體的濾餅中含有大量的最終產品,為了降低污染,減少浪費,生產企業采取了一系列措施,包括:過濾過程中滯留水的回用,反應器洗滌水的循環利用,高壓泵采用閉環冷卻系統,控制原料、產品和水的跑冒滴漏,充分利用固體廢物中的最終產品等。經過工藝路線改進,實現了清潔生產,提高了經濟效益[29]。清潔的反應體系反應體系對反應十分重要,以超臨界CO2、近臨界水、高溫液態水和離子液體等作為清潔生產的反應體系,可以獲得良好的反應效果。徐明仙等[30]在超臨界CO2中進行水楊酸合成,CO2既作為溶劑,又作為反應物,成為合成水楊酸的綠色原料。朱憲等[31]利用臨界水作為反應介質,提取黃姜中的薯蕷皂苷,發現其可以克服傳統水解法需要加堿中和、水消耗大和環境污染嚴重等缺點。張輝等[32]利用超臨界水氧化法與非色散紅外法相結合測水質中有機碳含量,發現其反應快,氧化徹底,檢測結果準確。Lv等[33]利用高溫液態水的特性水解生物質資源生產化工原料,如木糖水解等,具有較好的效果。離子液體作為一類新型綠色反應介質,不僅可替代傳統有機溶劑或酸堿用作化工反應和分離的新介質,而且具有作為新型磁性材料、納微結構功能材料、材料、航空航天推進劑等的潛力[34]。磁性功能化離子液體具有液程寬、蒸氣壓低、溶解能力強等特性[35],在有機合成中可作為溶劑兼催化劑和模板劑,具有產物易分離、可回收重復使用等優點。超常規反應技術由于人們對物質狀態和反應過程的認識有限,對物質的利用主要基于其正常狀態下的物性。隨著人們對各種物質處于不同極限狀態的特性的研究,化學反應過程在極限狀態下的特性受到化工界的廣泛關注,于是各種超常規狀態的技術不斷涌現,如超臨界流體技術、超重力技術等。超臨界流體技術超臨界流體指的是處于臨界點以上溫度和壓力區域下的流體,在臨界點附近會出現物性急劇變化的現象。利用流體超臨界狀態特性的技術稱為超臨界流體技術,如超臨界法制備微粒技術和超臨界流體萃取技術等。利用超臨界法制備微粒技術有超臨界溶液快速膨脹法、超臨界輔助霧化法和超臨界反溶劑法等。采用超臨界法制備微粒,與常規的機械加工法、重結晶法、冷凍干燥法和噴霧干燥法相比,制備的微粒粒徑較小,粒徑分布均勻,而且解決了有機溶劑殘留等問題,具有綠色環保的特點[36]。超臨界技術是未來大規模制生物燃料的理想方法,特別是用于廢油和脂肪制取生物柴油。

    與傳統的生物燃料生產方法相比,超臨界流體技術具有反應快、生產率高、易于連續操作、而且不需要催化劑等優勢,但操作壓力和溫度高,材料成本高,難以推廣應用[37]。超臨界流體萃取技術是利用處于臨界壓力和臨界溫度以上的流體所具有的超常規的溶解能力而發展起來的化工分離技術。與其它分離技術相比,超臨界流體萃取技術具有適用性廣、效率高、所得產品無毒無殘留等優點,是一種典型的綠色化工分離技術。超臨界流體萃取技術在處理常規法難以處理的廢水中的有機物和高分子材料等方面具有顯著的優越性,在污染治理方面可以發揮重要作用[38]。超重力技術在超重力環境下的物理和化學變化過程的應用技術叫超重力技術。與傳統塔器相比,在超重力環境下,微觀混合和傳質過程得到高度強化,因此超重力技術的研究和應用得到了廣泛的關注[39]。超重力技術在分離方面的工業應用比較廣泛,如超重力脫氧技術、超重力脫硫技術和超重力脫揮技術等[40]。超重力技術在反應中的應用也比較多,如納米材料的制備以及在精餾分離和快速反應過程中的應用等[41]。浙江工業大學研發的折流式超重力場旋轉床已實現工業應用,與傳統的塔器設備相比,該設備高度降低1~2個數量級,可節省場地和材料[42]。其它超常狀態技術除超臨界流體技術和超重力技術外,還有其它極限技術,如超高溫技術、超高壓技術、超真空技術、超低溫技術等。隨著高科技的迅速發展,這超些常規技術在化工領域的研究和應用將越來越多[43]。催化技術催化技術是化學工業實現清潔生產的主要方法。在有機化工中,為了得到盡可能多的目標產品,減少副產品和廢物,除了采用合適的工藝設備和工藝線路外,非常重要的是采用高效環保的催化劑,如利用酶催化劑、手性催化劑和仿生催化劑等。酶是一種高效催化劑,催化選擇性極高,無副反應,便于過程控制和產品分離。科學家們研究發現2-羥基異丁酰-CoA的酶可以將直鏈C4化合物轉化成支鏈,作為甲基丙烯酸甲酯前體,這意味著在常規的化學路線基礎上有可能會延伸出一條新型的生化法工藝路線[44]。人們在利用酶催化劑時,也在探索研究模擬酶催化劑,如將分子印跡法應用于聚合物模擬酶催化劑的設計合成中,制備的模擬酶催化劑具有抗惡劣環境、高穩定、長壽命等特點[45]。在天然酶催化劑和人造催化劑之間有許多相似的地方,如果能將固體催化劑堅固耐用、容易與產品分離、耐高溫等特點與酶催化劑活性高、變構效應好、選擇性控制精度高的特點結合,合成兼具固體催化劑和酶催化劑兩者優點于一體的催化劑,則化學反應中的清潔生產又將有進一步的突破[46]。在化學工業中,特別是精細化工中,除了催化劑化學選擇性外,催化劑區位選擇性、立體選擇性和對映體選擇性具有非常重要的作用[47],如不對稱加氫反應催化劑。目前,不對稱加氫多相手性催化劑主要有固定化的均相手性催化劑、手性小分子修飾的多相催化劑和以天然高分子為手性源制備的多相催化劑等[48]。生物界有許多高效催化反應,人們可以根據生物界的反應特點研制仿生催化劑,提高催化效率。葉長英等[49]根據生物表面具有多層次微米和納米復合結構,以便最大限度地捕獲光子進行光合作用的特點,采用模板-超聲-水熱法制備仿生界面結構的二氧化鈦催化劑微球,應用于苯酚光催化降解,發現其具有良好的催化能力,而且在實際工程應用中易沉降分離,有利于光催化技術在實際工業廢水處理中的應用。

    化工設備技術隨著化工工藝的進步和發展以及環保要求的不斷提高,化工設備技術也不斷發展和完善。目前,化工設備逐漸專業化、系列化,并朝著大型化、微型化和智能化方向發展。化工設備向大型化、精密化、一體化、成套化和采用先進控制技術方向發展[50]。其中換熱器趨向大型化,并向低溫差和低壓力損失的方向發展,壓縮機向超高壓方向發展,化工流程泵向超低溫方向發展等。與設備大型化發展相反,化工設備的另一個發展方向是朝著小型化和微型化方向發展。微反應器技術是把化學反應控制在盡量微小的空間內,化學反應空間的數量級一般為微米甚至納米,化學反應速率快,轉化率和收率高,并能解決強腐蝕、易爆、高能耗、高溶劑消耗和高污染排放等問題,具有清潔生產工藝的特點,在化學合成、化學動力學研究和工藝開發等領域具有廣闊的應用前景[51]。目前已有微反應器用于工業化生產,產量可達幾十噸到幾千噸[52]。隨著信息化與工業化不斷融合,化工生產系統逐漸智能化。化工設備的智能化包括兩個方面:一是設備控制的智能化;二是設備設計的智能化[53]。設備智能化是提高產品質量、產量,提高能源利用率以及滿足環境要求的重要方向。清潔能源現在化學工業的供能主要來自石油和煤炭,這兩種能源在消耗過程中都會產生大量的污染,而且石油和煤炭在開采過程中也會對環境造成破壞。面對國際國內節能減排的重壓,使用清潔能源是發展的必然趨勢。為了降低對環境造成的污染,人們努力開發清潔的能源技術,包括利用太陽能、風能、地熱等。但開發和利用這些清潔能源技術并不一定清潔[54],因為盡管清潔能源利用時對環境無污染或少污染,但從整個生命周期來看,清潔能源的開發和使用實際上需要從其它環節獲取資源或者將污染轉移到其環節。生物燃料是一種比較清潔的燃料,是柴油發動機等的理想替代燃料。目前先進的生物質燃料生產技術有超臨界流體技術,包括采用酯交換反應利用植物油生產生物柴油、通過生物質氣化和生物質液化制取生物油。但目前生物燃料生產的成本比較高,難以推廣應用[37]。目前,國內外有關清潔能源的研究熱點除了核能、太陽能、水能、風能和生物質能外,還有常規天然氣和非常規天然氣。天然氣是一種清潔能源,但隨著常規天然氣資源的逐漸減少,開發難度不斷加大,以頁巖氣、煤層氣為主的非常規天然氣將成為研究和開發的熱點[55]。我國第一部《頁巖氣發展規劃(2011—2015)》提出,到2015年,頁巖氣將初步實現規模化生產,產量將達到65億立方米/年,到2020年,產量最高達到1000億立方米。雖然頁巖氣等非常規天然氣開發已是大勢所趨,但伴隨著開發的熱潮,開采技術制約、開采過程中的環境污染和破壞、初期投入大、開發成本高、回報周期長等方面仍面臨爭議。但毋庸置疑,隨著技術進步和能源安全問題的日益凸顯,非常規天然氣在未來化工領域中的應用還是非常有前景的。盡管關于清潔能源的開發與利用的研究很多,但在化工領域中利用清潔能源取代化石能源的還極其有限,有關取代技術需要進一步研究。為推進燃煤工業鍋爐清潔燃料替代,加強工業鍋爐的節能減排,上海市為天然氣優化替代燃煤提出菜單式的技術指導以及余熱深度利用技術,開發生物質氣化氣部分替代燃煤的混燒技術,為清潔能源替代專項工作提供支撐[56]。劉超等[57]嘗試利用清潔的可再生能源代替化石能源為冶金生產提供能量支持,提出“風光互補非碳冶金”,以減少碳排放。通過研究,解決清潔能源利用技術與鋼鐵冶金技術相融問題,最終確立的系統單元之間,基本滿足了能量的協調匹配,能夠獲得1600℃以上的冶煉高溫。這種鋼鐵冶煉中的“風光互補”思路為化工企業中利用清潔能源代替化石能源提供了借鑒作用。

    研究熱點

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【關鍵詞】生物質能源；發展問題；農村；政策建議

能源是社會發展和經濟增長的最基本驅動力，是人類賴以生存的物質基礎。隨著我國經濟的快速發展，對能源的需求和消耗也在與日俱增，而傳統化石能源的過度開采和使用引發了一系列嚴峻的社會和環境問題，嚴重制約了我國經濟的可持續發展。

化石能源的過度使用產生了大量的溫室氣體，是導致全球氣候變暖的主要因素。2002-2007年間，我國二氧化碳排放量翻了一番，2008年二氧化碳排放量超過美國，成為全球最大的二氧化碳排放國，這使我國面臨巨大的國際壓力和生態壓力，如何減少碳排放量成為我國發展經濟發展過程中急需解決的問題。同時，我國的傳統能源正在逐漸枯竭，譬如煤炭人均擁有量只相當于世界平均水平的50%，石油、天然氣人均資源量僅為世界平均水平的1/15左右，均屬于世界較低水平。這造成了我國對能源進口的依存度較高，能源安全問題逐漸突顯。

對能源結構進行科學調整，開發利用新型能源是我國解決這些問題的最有效途徑。然而，原本作為我國重點開發的新型能源之一的核能，由于日本的核泄漏事件，其安全問題再一次引起了爭議。太陽能、水能、地熱能等新型能源由于其不穩定性和地域局限性，在發展上也受到了限制。因此，選擇符合我國客觀條件、適應發展需要的新型能源，成為了我國能源戰略中的關鍵步驟，也是我國未來能源戰略的發展方向。

在國家制定的戰略性新興產業發展規劃中，把新能源產業列為了現階段的七大戰略性新興產業之一，而生物質能源更是被作為其中的重點來進行發展。生物質能源因其具備其它新型能源所不具備的分布廣泛性、易獲得性和使用安全性等優點，而成為了最佳替代能源。積極推進生物質能源產業的發展，將有效緩解我國的能源短缺的局面，對保障國家能源安全，改善生態環境，優化農業結構，加速經濟發展具有重要意義。

一、我國生物質能源發展的現狀

我國是農業大國，生物質資源極為豐富，品種多樣，分布廣泛。據農業部測算，全國每年產生的農作物秸稈約有7億多噸，農產品加工業廢棄物（包括稻殼、玉米芯、花生殼、甘蔗渣等）超過1億噸，畜禽糞便以及農產品加工業有機廢水超過30億噸，用于生產燃料乙醇的糧食超過了500萬噸。另外，我國目前有759.6萬hm2的土地可用于能源農業，有6753萬hm2土地可用于能源林業，有333.33萬hm2可利用的海岸灘涂和大量的內陸水域，可用來培植油藻來制取生物柴油。由此可見，我國具有發展生物質能源產業的良好資源優勢，而隨著國家對生物質能源開發的重視，我國生物質能源產業得到了迅速發展，進展十分顯著。

（一）沼氣產業初具規模

我國政府十分重視沼氣產業的發展，對沼氣產業的投入力度正在不斷加大，截止到2010年，僅中央對農村沼氣建設的投入資金已經高達242億元。據農業部統計，全國已建設大中型沼氣工程2.26萬處、養殖小區和聯戶沼氣工程1.99萬處、秸稈沼氣示范工程47處，沼氣產業已初具規模。目前，國家有關部門已安排專項資金用于沼氣的產業化發展，努力推進“戶用沼氣”向“產業沼氣”的發展，重點扶持特大型沼氣工程或者大中型沼氣工程的建設，并選用先進技術進行應用試驗，對沼氣產業化發展中的關鍵技術進行進一步開發。

（二）生物乙醇產業發展較快

我國在2000年啟動了燃料乙醇項目，并作為“十五”期間的重點發展項目進行規劃。中央總共投入4.8億元人民幣在河南、安徽、吉林、黑龍江先后建立了四家糧食轉燃料乙醇生產企業，到2007年四家企業總計產量超過了145萬噸。2007年底，在廣西北海合浦投資建立的以木薯為原料的燃料乙醇生產企業正式投入生產，年產燃料乙醇20萬噸。這是我國正式投產的第一家以非糧作物為原料的乙醇生產企業，標志著我國正式步入了燃料乙醇生產的“非糧化”。至2008年，我國已經在全國十個省份推廣使用了乙醇汽油，極大地促進了我國燃料乙醇產業的發展。2010年，我國燃料乙醇產量已經超過了200萬噸，繼美國、巴西之后，位居世界第三。到2020年，預計將超過1000萬噸，這將使我國的石油進口量降低10%。

（三）生物柴油發展亟待加強

我國早在十多年前就開始了生物柴油的研究和推廣，以應對日益嚴重的柴油緊缺問題，但是由于生物柴油的生產成本較高，對技術的要求也比較苛刻，而且我國用于生產生物柴油的原材料供應嚴重不足，這些外部條件成為了制約發展的重要因素。而且沒有國家的財政補貼，也在很大程度上影響了企業的生產積極性，目前國內每年150萬噸生物柴油的產能，實際上只有30-40萬噸的產量，大部分處于閑置狀態。生物柴油作為我國能源替代戰略的重要組成部分，直接關系到未來的社會經濟發展，就目前的狀況而言，亟待政府的大力扶持。

二、國外生物質能源發展戰略

為了更好地推動生物質能源產業的發展，許多國家出臺了相應的發展戰略和發展規劃，設立專門的科研機構和管理部門，并制定了相關的法律法規、財稅政策和扶持辦法，取得了較好的成果，這些經驗是十分值得我們學習和借鑒的。

（一）制定國家發展戰略

2002年，美國能源部和農業部聯合提出了《生物質技術路線圖》，對生物質能源和生物質產品做出了長遠規劃，計劃到2020年使生物質能源和生物質產品較2000年增加10倍，達到能源總消耗量的25%。上世紀九十年代初，歐盟委員會通過決議決定發展生物質能源，并鼓勵生產和使用燃料乙醇，計劃到2020年運輸燃料的20%將用燃料乙醇等生物燃料進行替代。巴西政府在1975年制定了全國性的生物質能源發展戰略，提出要重點發展以甘蔗為原材料的燃料乙醇產業和乙醇汽油的推廣。政府先后投入數十億美元的資金用于該產業的發展，并制定了相關的法律法規和優惠政策，目前巴西已經成為世界最大的燃料乙醇生產國。（二）設立專門的科研機構和管理機構

德國政府為更好地發展生物質能源產業，在1993年專門成立了生物質原材料和生物質能源研究中心，該研究中心專門負責全國生物質能源作物的研究和開發，以及新技術、新工藝的推廣等。2002年，美國政府組建了“生物質項目辦公室”，成立了專門的生物質技術咨詢委員會，主要為生物質能源產業制定發展規劃和技術路線。

（三）政策扶持

歐美國家采用政府行為來為生物質能源的發展提供支持，通過增加研發投入，提出補貼，實施政府采購，制定優惠稅收政策和對生物質能源的流通環節給予補貼等手段來扶持生物質能源產業的發展，特別是通過產業化支持來加速生物質能源的技術革新和規模擴大，這些措施都有效促進了本國的生物質能源產業的快速、高效發展。

三、促進我國生物質能源發展的政策意見

我國生物質能源發展已被列為國家發展戰略，是未來社會進步和經濟發展的重要保障。生物質能源產業的發展離不開政府的大力扶持，行政手段不但可以為產業發展注入動力，也可以為產業發展創造有利的外部環境。

（一）整體發展，進行產業鏈整合

生物質能源的生產過程是由許多環節組成的，包括前期的技術研發，原料生產，中期的能源轉換，后期的銷售、使用，所有這些環節形成了一條完整的產業鏈。通過對整條產業鏈上各參與單位的組合、協調和整體化布局，既可以提高整條產業鏈的生產效率，也可以使整個產業的效益達到最大化。各地方政府應該根據本地資源優勢，結合實際情況，對生物質能源產業進行橫向和縱向整合。橫向整合是指通過提高生物質能源產業鏈上同類型企業的集中度，采用打造生物質能源產業園區和生物質原料生產基地的方式，來擴大產業規模。通過集群優勢來降低成本，獲得價格優勢，從而擴大市場占有率，達到產業效益的最大化。縱向整合是指對生物質能源產業鏈上下游的所有參與單位進行縱向約束，使它們產生互相聯動，從產品研發、原料生產、能源轉換到銷售都根據所制訂的標準進行一體化生產，通過對生產技術、產品質量、生產規模和產品定價的控制，實現產業縱向利潤最大化。通過產業鏈整合不僅可以壯大產業規模，還可以培植本地龍頭企業和名優產品，增加企業利潤，加快生物質能源產業的健康、快速發展，促進本地區經濟水平的提高。

（二）創造有利條件，鼓勵民營企業參與

在我國的民營企業中有很大一部分具有鄉鎮企業背景，它們對農村的社會環境和經濟環境有比較深入的了解，有一定的群眾基礎和信息優勢。同時，民營企業具有靈活的經營體制和快速的市場反映能力，在新興產業中具有更強的適應性。在生物質能源產業的開發過程中，民營企業具有無可比擬的優勢，所以應該借助廣大民營企業的力量來開發這一產業。但是民營企業多為中小型企業，資金投入和風險控制的能力不強，這極大限制了民營企業參與生物質能源開發的熱情。這就需要政府加大扶持力度，創造有利條件，鼓勵民營企業參與到開發、生產生物質能源的產業中來。主要可以通過制定優惠的財稅政策，如財政資助、稅收減免、加速折舊和提供獎勵等措施對參與開發的民營企業進行財稅上的扶持。同時，通過建立有利的投融資機制，采用投資補貼、提供無息或貼息貸款、排污權交易與市場配額等手段，幫助民營企業獲得資金支持。我國還應盡快建立起扶持生物質能源產業開發的公益基金，通過政府性資金的投資杠桿作用，給予民營企業以資金支持，降低投資風險。

（三）加大財政投入，支持技術研發

政府設立專項資金，用于投資支持公共研發部門對關鍵技術的研發，盡量降低企業在技術研發上的風險。通過財政撥款加大對生物質能源技術開發的資金投入，同時也可采用經濟和政策手段鼓勵企業進行技術創新。統籌協調科研機構和生產企業之間的聯動關系，加強公共研究機構和企業間的合作，鼓勵“技術和利益共享”，加速關鍵技術的成果轉換和產業化進程。對具有較強創新能力的企業，進行重點扶持，樹立行業“標桿”，從而達到“以點帶面”的發展效果。同時，還需建立人才資源庫和合理的人才培養體系，對高校開設的生物質能源有關專業進行財政扶持，為生物質能源產業提供所需人才。

（四）完善服務體系，深化市場功能

生物質能源作為一個新興產業，其市場體制還不夠完善。我國目前只對個別生物質產品制定了行業標準，這導致了原料和產品的質量參差不齊，出現了市場混亂，甚至有很多生物質能源產品不能入市交易，這極大地限制了我國生物質能源產業的發展。有關部門應制定相應的法律、法規來規范生物質能源市場，特別是要對生物質能源產品制定詳細的行業標準，嚴格控制產品質量。同時要充分發揮政府的監督職能，設立特別部門，專門對市場中存在的違規現象進行監管和懲處。政府還要充分發揮自身的服務職能，為市場參與者提供咨詢、調解和法律支持，以及提供信息服務，避免由市場信息不對稱而造成的不公平競爭。通過建立規范、公平的市場環境來充分發揮其高效的資源配置、優勝劣汰和信息反饋功能，更好地為消費者和生產企業提供幫助，從而進一步促進生物質能源產業的健康發展，最終達到“企業—市場”互相促進，共同發展的良性循環。

參考文獻

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