生物燃料的應用范文
時間：2023-10-25 17:34:37
導語：如何才能寫好一篇生物燃料的應用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。
篇1
微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能的裝置。其基本工作原理是：在陽極室厭氧環境下，有機物在微生物作用下分解并釋放出電子和質子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質子通過質子交換膜傳遞到陰極，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質子結合成水。
一、作用原理
參與傳遞電子的介體與微生物和陽極之間的作用形式有三種：（1） 微生物將氧化還原反應產生的電子直接傳遞給溶解在溶液中的介體，介體再將電子傳遞給電極；（2）介體能進入到微生物體內，參加反應被還原，從微生物體內出來后再將電子傳遞給電極；（3） 微生物吸附在電極表面，它將反應產生的電子傳遞給在細胞表面的介體，再通過介體傳遞給電極。
二、研究目的和意義
目前，我國工業化進程發展迅速。在工業化快速推進過程中，對能源的需求和依賴日益增長。然而，目前支撐著工業和經濟發展的化石燃料已經難以為繼。因此，發展新能源和可再生能源，減少對國際石油市場的依賴，已經成為我國重要的戰略性布局。微生物電池不僅用于產生清潔能源，還能凈化污水。污水處理費時費錢還消耗大量能量，基本是個只投入不產出的行業，也是讓各國政府頭疼的一大難題。因此，又能凈化水質，又能發電的微生物燃料電池一旦出現，將有望把污水處理變成一個有利可圖的產業。微生物燃料電池（Microbial fuel cell， MFC）是一種以產電微生物為陽極催化劑將有機物中的化學能直接轉化為電能的裝置，在廢水處理和新能源開發領域具有廣闊的應用前景。雖然目前已發現很多產電微生物，如希瓦氏菌、地桿菌、克雷伯氏桿菌等，但這些菌種均只能在中性條件下產電。理論上，堿性條件可以抑制甲烷的產生從而有利于電能輸出，而且堿性廢水是工業廢水的重要組成部分。產電微生物如何將有機物代謝產生的電子傳遞到電極上一直以來是MFC研究的一個重要方向，因此，研究堿性條件下的微生物產電機制對MFC的電能輸出與堿性廢水的生物處理均有重要意義。中國科學院成都生物研究所應用與環境微生物中心李大平研究員課題組在微生物燃料電池的產電機制研究方面取得突破性進展。他們從污染環境中分離出一株嗜堿性假單胞菌（Pseudomonas alcaliphila），該菌株在堿性條件下能夠分解有機物的同時產生電能，最佳pH為9.5。通過研究發現，該菌株在MFC體系中代謝有機物的同時產生吩嗪-1-羧酸介體（phenazine-1-carboxylic acid，PCA），該介體起電子穿梭的作用從而實現電子從有機物到電極的傳遞過程。
三、研究內容與方法：
1、微生物燃料電池的菌種群落的培養
產電細菌是微生物燃料電池的核心構件。產電細菌的電化學活性直接決定了微生物燃料電池的能量密度。而對于微生物燃料電池中的微生物， 不論是自身具有電化學活性，還是進行種間電子傳遞，對于它們構成的生物群落的研究剛剛開始。本項目將依托舟山地區得天獨厚的自然地理環境和豐富的微生物群落，通過對海底沉積物的選取和以及細菌培養，以期能夠發現新型產電細菌，提高海底微生物燃料電池的功率密度， 并研究其產電機理。
2、海洋沉積物微生物燃料電池系統的設計和優化
微生物燃料電池系統主要包括三個要素：陽極，陰極和膜。 由于海洋沉積物燃料電池工作于海水環境中，海水中含有高濃度的鹽分，工作環境惡劣，這將對海洋沉積物燃料電池的構件提出了更高的要求。另外，微生物燃料電池的造價也會直接影響微生物燃料電池的實用化進程。在微生物燃料電池的使用中，一般使用氧氣做電子受體，碳擔載的貴金屬納米粒子（Pt）作為氧還原催化劑并用交換膜將微生物燃料電池的陽極和陰極隔開。貴金屬催化劑的使用，提高了微生物燃料電池的成本，并且，海水中的氯離子會對Pt催化劑產生毒化作用，這將會造成微生物燃料電池的效率損失。因此，本項目將設計一種新型的微生物燃料電池系統，采用雙極膜作為微生物燃料電池陰極與海水的分隔物，利用水離解產生的氫氧根和氫離子作為傳輸介質，隔絕海水中氯離子對陰極催化劑的毒化作用這是本項目的技術關鍵。
四、研究目標與結果
第一部分為對原有燃料電池的改造：本實驗室原有燃料電池反應器多個，但是由于微生物燃料電池中微生物為厭氧性細菌，需要將燃料電池原有氣室改造為適合微生物生長的密閉培養室。
第二部分為培育和優化產電菌種群落：本項目將分別從小黃蟒島等具有代表性的島嶼處選出海底沉積物，在燃料電池細菌培養室內培養，啟動并測試微生物燃料電池的功率密度，以期能夠得到高功率，非硫還原的產電菌種。
篇2
【關鍵詞】氣管插管；新生兒；胎糞吸入綜合征
胎糞吸入綜合征(meconium aspiration syndrome,MAS)是胎兒在宮內或產時吸入胎糞污染的羊水而引起的以通氣功能障礙為主的臨床癥候群。MAS大多數有Ⅲ度羊水污染史，并且與是否吸入胎糞樣羊水及吸入的量有關。我院于2002年6月開始，對于出生時羊水Ⅲ度的新生兒，均采用氣管插管后連接吸引器直接清吸，防止新生兒胎糞吸入綜合征(MAS)的發生，取得較好的臨床效果。
1 資料與方法
1．1 一般資料 將我院于2002年6月至2006年6月出生的62例羊水Ⅲ度污染的新生兒作為治療組，與我院1998年5月至2002年5月出生的64例羊水Ⅲ度污染的新生兒進行對照(此兩組中均不包含早產兒及出生窒息新生兒)。
治療組男33例，女29例，足月兒52例，過期產兒10例，順產22例，剖宮產40例，對照組男36例，女28例，足月兒56例，過期產兒8例，順產26例，剖宮產38例。兩組患兒性別，孕周，分娩方式經統計學處理差異無統計學意義(P>0．05),具有可比性。
1．2 方法 對照組出生后均在第1次呼吸前給與氣管插管，先用氣管內吸痰管進行氣管內吸引，再用一次性注射器經氣管插管注入無菌生理鹽水0．5 ml后，接上復蘇囊輕輕正壓給氧通氣數次，然后導入氣管內吸痰管吸出氣管內液體，反復沖洗數次，直到最后吸出液體清亮無色為止。治療組在生后第1次呼吸前給與氣管插管并立即接上負壓吸引器邊退氣管導管邊吸引，若胎糞黏稠吸引不暢或吸出困難，可再次氣管插管重復吸引清吸(氣管導管要換新管)，兩次插管間隙予以復蘇囊面罩加壓給氧次數。
MAS的診斷標準:MAS的診斷依據有以下4項:①羊水被胎糞污染；②氣管內吸出胎糞污染的羊水；③出現呼吸窘迫癥狀；④放射學檢查有MAS的證據。
治療原則:兩組患者除清理呼吸道的方式不同外，均采用相同的治療原則，保持呼吸道通暢，維持有效循環，密切監護生命體征，維持內環境穩定，均用第3代頭孢類抗生素防治感染。
1．3 統計學處理 計量資料結果以均值±標準差(x±s)表示，兩組均數之間的比較采用t檢驗，率的比較采用χ2檢驗。
2 結果
兩組新生兒發生MAS情況的比較 對照組例發生MAS20例，發生率為31．25%；治療組例發生MAS8例，發生率為12．90%。兩組MAS發生率差異有統計學意義(P
3 討論
胎糞吸入綜合征(MAS)是由于胎兒發生宮內窘迫或產時窒息排出胎糞污染的羊水，吸入后所產生的肺部疾病。活產兒中羊水胎糞污染的發生率約占9%~16%，但發生MAS 只有1．2%~1．6%，病死率7%~15．8%。國外報道的發生率為1%~9．2%，病死率為4．2%~28%。MAS以足月兒和過期產兒多見，早產兒亦可發生。①胎兒在子宮內可有很淺的呼吸運動，僅有1 ml液體在支氣管樹內移動，其方向為從肺臟向羊水，即使偶有嘆息樣呼吸也不會使羊水進入肺臟。胎糞排入到羊水常在一定程度的胎兒窘迫中見到，胎兒慢性缺氧可使括約肌松弛排出胎糞。胎糞被吸入下呼吸道只是在離開母體后最初幾次呼吸動作時，胸腔內產生較大負壓，咽喉部和氣管內的胎糞向下移動至下呼吸道。一項多中心的研究證明，復蘇時口咽部的胎糞清理并不能減少胎糞吸入綜合癥的發生；②因此對于已經吸入到氣管的胎糞怎樣進行快速有效地清吸顯得尤其重要。
MAS患兒常有嚴重宮內窘迫，當羊水已混有胎糞或嬰兒生后上呼吸道可見胎糞，此時應防止胎糞進入下呼吸道，從而可預防產生肺部病變。此項工作應由產科醫生與兒科醫生共同協作。產科醫生應在胎兒娩出時就吸凈口咽分泌物，此項動作必須在呼吸開始前就完成。胎兒娩出后應迅速吸凈口鼻分泌物，并立即作氣管內插管，經氣管插管將胎糞吸出。用氣管導管直接吸引較用鹽水沖洗氣管節省了時間，提高了效率，改善了缺氧，另外氣管沖洗導致胎糞稀釋后，反而容易散布至下呼吸道，而且反復沖洗可能會導致肺表面活性物質減少，造成減低肺功能的危險。
美國第4版(2000年版)及第5版(2006年版)新生兒復蘇教程均提出羊水胎糞污染新生兒“無活力”時需進行氣管插管后用氣管導管連接胎糞吸引管吸引胎糞。目前國內已生產胎糞吸引管，但基層醫院尚無胎糞吸引管時建議可用氣管導管連接一玻璃接頭接上負壓吸引管可達到同樣效果。
參考文獻
篇3
事實上，多年來，生物燃料作為一種新型能源一直被多國廣為探索。不久前，中國商用飛機有限責任公司也攜手波音公司進軍航空生物燃料研發高地，雙方成立節能減排技術中心，尋求提煉航空燃料的妙方。
而在這方面，英國算得上是佼佼者之一。早在2008年，英國的維珍大西洋航空公司就進行了首次使用生物燃料的航空飛行。這次飛行的機型是波音747，航程從倫敦到阿姆斯特丹，在一個飛機引擎中添加了20%的生物燃料，其原作物是椰子和巴西棕櫚樹。
生物燃料是當前全球應對氣候變化討論中的一個熱點話題。如今，英國作為積極應對氣候變化的國家，非常重視推動生物燃料的發展，在政策、商業、科研等方面都做了大量工作。雖然全球整個生物燃料市場的前景還面臨一些爭論，但英國的生物燃料產業仍在穩步發展。
1、用廢棄食用油換乘車打折卡
據統計，在2009/2010財年英國車輛所使用的生物燃料中，約71%是生物柴油，約29%是生物乙醇，還有很小一部分的生物甲烷。
目前，一些英國公司正在通過國際合作發展生物燃料。例如英國石油公司與美國Martek生物科學公司簽署了合作協議，共同開發把糖分轉變為生物柴油的技術。英國“太陽生物燃料”公司前幾年曾在非洲大量投資，購買土地種植麻風樹，以便從麻風樹果實中提煉生物燃料。
在英國國內，一些公司通過回收廢棄食用油來生產生物燃料。例如英國最大的公交和長途公共汽車運營商STAGECOACH就有這樣一個項目，該公司向居民發放免費容器盛裝廢棄食用油，居民以此換取乘車打折卡，所收集的廢油被送到一家能源公司制成生物柴油，供STAGECOACH公司的部分車輛作為燃料使用。
雖然生物燃料現在還主要應用于車輛，但英國一些航空公司已率先進行了航空業使用生物燃料的探索。例如“維珍大西洋”公司在2008年進行了全球首次使用生物燃料的試飛，在一架波音747客機的一個引擎中加入了20%的生物燃料，從倫敦飛到了阿姆斯特丹。
2、科學界熱衷生物燃料
據介紹，英國科學界非常熱衷于研究生物燃料，相關研究走在世界前列。有些研究關注如何降低生物燃料的成本，如帝國理工學院等機構研究人員在《綠色化學》上報告說，用木材制造生物燃料時常需要將木材粉碎成很小的顆粒，這個過程需要消耗不少傳統能源，估計每粉碎一噸木材需消耗約8英鎊的能源。但如果在粉碎過程中加入某種離子液體作為劑，可以把這個環節所消耗的能源量降低80%，把粉碎每噸木材消耗的能源成本降低到約1，6英鎊。據估算，最后得到的生物乙醇的價格有望因此降低1 O%。
除成本研究外，還有些研究在探索使用不同的原材料來生產生物燃料。使用甘蔗、玉米等農作物來制造生物燃料常被指責與民爭糧、與糧爭地，但如果使用通常廢棄的秸稈等部位來制造生物燃料就可以避免這個問題。秸稈的主要成分是纖維素，如何分解纖維素一直是個難題。
英國約克大學等機構的研究人員在美國《國家科學院學報》雜志上說，他們從真菌中發現了一種名為G H61的酶，它能夠在銅元素的幫助下以較高的效率分解纖維素，使其降解為乙醇，然后用以制造生物燃料。
此外，樹木枝干和許多植物的莖稈中還含有許多通常難以分解的木質素，英國沃里克大學等機構研究人員在《生物化學》雜志上說，一種紅球菌能分泌一種具有分解木質素能力的酶。這種紅球菌可以大量培養，因此也可以用于分解植物莖稈制造生物燃料。
3、民眾自制生物燃料
盡管生物燃料在英國獲得商界及科學界人士的“全方位”支持，但對于大部分英國民眾來說，是否在開車時使用生物燃料仍取決于它的價格，單純出于環保目的而使用生物燃料的人群畢竟還是少數。
對于使用柴油發動機的汽車來說，許多車輛不需要改裝就可以燒生物柴油，而現在英國一些加油站出售的柴油價格在每升1.4英鎊左右，有公司出售的生物柴油售價在1.25英鎊左右，但每升生物柴油能驅動車輛行駛的距離通常低于傳統柴油，因此消費者往往會隨著油價的波動和性價比的變化，選擇是否使用生物燃料。
有意思的是，有些具備相應知識的英國民眾還自制生物燃料，這樣會比買油便宜得多。
根據英國《每日電訊報》報道，薩默賽特郡的詹姆斯。莫菲就是這樣一個例子。他從兩家餐廳購入廢棄食用油，每升只需1 O便士；在篩去渣滓后，向其中加入甲醇和氫氧化鈉等化學物質，經過加熱和沉淀等過程，就能得到自制的生物柴油。
他說，自己開車每月消耗150升生物柴油，制造這些生物柴油的成本是每升約18便士，這比市場價格要便宜得多。根據英國稅務海關總署的規定，民眾每年自制生物柴油2500升以下無需交納任何費用。因此，像莫菲這樣自制生物柴油的民眾可以給自己省下一大筆錢。
4、政府穩步推進
在英國能源與氣候變化部201 1年的《英國可再生能源路線圖》中，有關機構專門列出了有關生物燃料的目標。其中提到，在2009/201 0財政年度，英國道路上行駛的車輛使用生物燃料的比例占道路交通所用總燃料的3，33%，這個比例在近幾年一直處于增長之中，英國計劃到2014年將其提高到5%。
由于生物燃料主要用于供給車輛，英國交通部也參與了相關管理工作，負責《可再生交通燃料規范》的實施。根據這項法規，英國每年銷售量在45萬升以上的燃料供應商必須使生物燃料等可再生能源在其銷售量中達到一定比例，如果自身銷售的生物燃料達不到相應比例，則需要花錢從其他超額完成任務的燃料供應商那里購買相應份額。
這個比例是逐年上升變化的，目前的指向是前面提到的在2014年5%的目標。客觀地說，這是一個穩健的目標，每年的上升幅度不大，顯示出英國政府穩步推進生物燃料發展的態度。
此外，英國政府還對生物燃料的標準進行了規定，即與傳統化石燃料相比至少能減排溫室氣體35%以上，并且原料產地的生物多樣性不能因為生產生物燃料而受到影響。這是為了讓生物燃料能夠切實起到保護環境的效果。
5、前景還不明朗
需要說明的是，英國的生物燃料雖穩步發展，但仍稱不上達到“快跑”的程度。
一方面，英國商界雖然在發展生物燃料方面做出了諸多探索，但并沒有出現特別明顯的增長，一些項目還遇到了問題。比如有報道稱太陽生物燃料公司在非洲某些國家的項目已經終止，維珍大西洋公司雖然率先探索在飛機上應用生物燃料，但現在全球已有多家航空公司實現了使用生物燃料的商業化飛行，而維珍大西洋公司卻沒有太多進一步的消息。這可能與聯合國氣候變化談判結果波動和全球生物燃料市場本身的前景也還面臨一些爭論有關。
篇4
隨著全球石油、煤炭的大量開采，能源日益枯竭庫，存量不斷減少，能源短缺和隨之而來的環境污染日漸引起人們的關注，并已成為制約我國經濟社會又快又好發展的瓶頸。改善能源結構，利用現代科技開發生物質能源來緩解能源動力，減少污染物排放等問題刻不容緩。我國政府及有關部門對生物質能源利用也極為重視，已將“大力發展生物質能”列入國家“十二五”規劃。
2、我國生物質能產業發展現狀及前景
現階段我國的生物質能應用主要集中在沼氣利用，生物質直燃發電，工業替代燃料和交通運輸燃料這四方面。
2.1 沼氣利用
近年來沼氣利用在中國發展迅速，在中央投資的帶動下，各地也加大投入，形成了戶用沼氣、小型沼氣、大中型沼氣共同發展的新格局。沼氣開發利用現在不僅能解決農民的燒柴問題，更重要的是我國的沼氣發展正從分散式農戶經營向產業化方向轉變。2008年山東民和牧業建成了一個利用雞糞為原料的3MW熱電聯產沼氣工程；2009年安陽貞元集團通過與丹麥技術資金伙伴合作，以養殖場，公共污糞和秸稈為原料在安陽建立了一個年產400萬m3的車用氣的沼氣項目。從目前情況看，通過生物發酵產沼氣的技術相當成熟，但是現階段還存在沼氣工程總體規模較小效益不高，產氣不是很穩定，特別是在北方冬季產氣明顯不足，和沼氣副產品市場需求不足等因素約束。
2.2 生物質直燃發電
生物質直燃發電是最早采用的一種生物質開發利用方式，也是消耗量最大、最直接、最容易規模化和工業化的能源利用方式。早在2004年，山東單縣、河北晉州和江蘇如東這三個地方就開始了生物質直燃發電的試點示范，而2006年《可再生能源法》的施行更極大促進了生物質直燃發電行業的發展，年投資額增長率都在30％以上，到2010年我國生物質直燃發電量已達到550萬千瓦。其中，我國生物質最大的企業國能生物發電集團有限公司在2010年投入運營和在建生物質發電項目近40個，總裝機容量100萬千瓦。到2013年，該公司規劃生物質發電裝機數量達到100臺，裝機容量達到300萬千瓦。屆時每年可為社會提供綠色清潔電力210億千瓦時，年消耗農林剩余物可達3000萬噸，每年可為農民增收約80億元，每年可減排二氧化碳1500萬噸以上。
生物質直燃發電技術比較成熟，而且它是增加農民收入、促進農民增收的直接載體，是實現工業反哺農業、加快農村經濟發展的重要途徑。需要注意的是生物質直燃發電還存在項目投資和運營成本較高，原料供應季節性強，需要政府補貼，受國家政策影響風險大等問題。
2.3 工業替代燃料
生物質作為工業替代燃料主要包括生物質成型燃料、生物質可燃氣和生物質裂解油。
生物質成型燃料一般以木塊、木粉、木屑和秸稈等農業生物質廢棄物為原料，用作工業鍋爐的燃料。生物質成型燃料的技術研究開發始于20世紀80年代，早期主要集中在螺旋擠壓成型機上，但存在成型筒及螺旋軸磨損嚴重，壽命較短，電耗大等缺點，導致綜合成本較高，發展停滯不前。進入2000年以來，生物質成型技術得到明顯的進展，成型設備的生產與應用已初步形成了一定規模。國家發改委規劃到2010年，生物質成型燃料生產量可達100萬t。生物質成型燃料多用在一些中小型的工業蒸汽鍋爐、有機熱載體鍋爐和商業蒸汽鍋爐方面。其中，珠海紅塔仁恒紙業有限公司的“生物質固體成型燃料替代重油節能減排項目”項目是目前全國最大的生物質成型燃料節能減排項目，該項目2011年投入運行，以兩臺40t／h生物質成型燃料專用低壓蒸汽鍋爐，代替現有的六臺燃油鍋爐。
生物質可燃氣較早使用在氣化發電方面，一般是生物質氣化凈化后的燃氣送給燃氣輪機燃燒發電或者將凈化后的燃氣送入內燃機直接發電。生物質氣化發電廠的規模一般為幾十千瓦到十幾兆瓦，與生物質直燃發電相比，它的規模較小，但它發電效率較高，投資成本較少，對原料的來源限制也較少。除了氣化發電，生物質可燃氣也越來越多地應用在工業替代燃料方面。深圳華美鋼鐵廠就是國內首家使用生物質能源的鋼鐵企業，它將原燃燒重油的兩段式連續推鋼加熱爐改燒生物燃氣，該項目在2009年初立項，并2010年5月正式投產至今運行正常，這是目前世界范圍內建成運行的最大的工業生物燃氣項目。
生物質裂解油是指將秸稈、木屑、甘蔗渣等農業廢棄物通過高溫快速加熱分解為揮發性氣體，再經冷卻后提煉出的一種液體。生物質裂解油的熱值一般為16～18MJ／kg，產油率可達70％，它可直接用作鍋爐和窯爐的燃料，也可進一步加工轉換成化工產品。我國在生物質裂解油這方面的研究起步較晚，但近年來發展較快。浙江大學，中國科技大學，山東理工大學等高校在生物質熱解液化裝置優化和油品的應用、分析和提純方面都做了大量的研究工作，也取得了不錯的成績。在生物質裂解油的工業化應用過程中，2007年廣州迪森公司在廣州蘿崗開發區成功建設了一套年產3000噸的生物油工業實驗裝置并一直連續運行。易能生物公司則使生物油邁入了工業應用的新階段，從2007年在安徽合肥建立起第一套年產萬噸的生物油裝置以來，其2009年在山東濱洲和2011年在陜西銅川宜君科技工業園分別投產了第兩套和第三套的年產萬噸的生物油裝置，這也標志著生物質裂解油的產業化進入了實質性階段。生物質裂解油與生物柴油、燃料乙醇相比生產成本較低，但是它熱值較低，又具有一定的酸性，需要對燃燒設備進行少量改造。生物質裂解油除能直接用于中低端燃料市場外，還可以進一步通過精煉工藝生產多種化學品，開發利用的市場潛力巨大，具有十分廣闊的發展前景。
2.4 交通運輸燃料
生物能源作為交通運輸燃料主要包括生物燃料乙醇和生物柴油。上世紀末，利用糧食相對過剩的條件，我國開始發展生物燃料乙醇。從目前的情況看，玉米、小麥等糧食類作物和甘蔗、木薯等經濟類作物加工燃料乙醇的技術比較成熟，但基于對國家糧食安全的擔心，和發展經濟類作物會發生品種單一，種性退化較嚴重等問題，國家一直有意保持國內燃料乙醇的產量在一定的限制水平。
玉米和木薯加工燃料乙醇目前已處在比較尷尬的境地情況下，我國的企業和科研院校正加大力度地投入研發纖維素等新的燃料乙醇的生產。據了解，中國擁有發展纖維素乙醇的原料優勢。纖維素廣泛分布于農作物秸稈、皮殼當中，資源豐富且價格低廉。2008年吉林燃料乙醇有限公司和2009年安徽豐原生化公司都以玉米秸稈為原料分別建立了一套年產3000t和一套年產5000t燃料乙醇工業化示范裝置。中糧集團與中石化、丹麥諾維信公司聯手建造的中國規模最大的年產萬噸的纖維素TU將于2011年正式投建。纖維素乙醇的生產代表了中國未來燃料乙醇的主流方向，目前需要做的是加快研發力度，突破技術瓶徑，降低生產成本，加快商業化生產的速度。
生物柴油主要應用于運輸業和海運業，是一種重要的交通運輸燃料。生物柴油在國內的發展狀況與燃料乙醇相似，用油類植物生產生物柴油的技術比較成熟，但是它受原料的制約嚴重。要發展大力生物柴油產業，必須要有穩定的原料來源。據了解，歐美國家主要以菜籽油、大豆油為原料生產生物柴油，但我國人多地少的國情決定了我國生物柴油產業不宜以食用油為原料，只能大力發展丘陵鹽堿等非糧用地發展麻風樹、黃連木等喬灌木油料作物。2010年底中海油在海南中海油東方化工城內的6萬t生物柴油項目正式投產運行，其采用的是高壓酯交換(SRCA)生物柴油生產工藝的裝置，產品已在海南島內的柴油零售批發網點推廣使用，這是我國首個麻風樹生物柴油產業化的示范項目。
近年來，利用微藻制備生物柴油受到了國內外的廣泛關注，因為微藻繁衍能力高，生長周期短，可大量培養而不占用耕地，能有效解決原料來源不穩定的問題。美國在2007年推出“微型曼哈頓計劃”，其宗旨就是向藻類要能源，目標是到2010年每天產出百萬桶生物燃油，實現藻類產油的工業化。2008年10月英國碳基金公司也啟動了目前世界上最大的藻類生物燃料項目，投入的2600~-英鎊將用于發展相關技術和基礎設施，該項目預計到2020年實現商業化。我國的科研人員也在政府和企業的大力支持下加緊研發這項新技術，希望能早日實現產業化。雖然現在較高的生產成本制約著微藻生物柴油產業的發展，但通過今后技術的不斷改進，相信微藻生物柴油產業的前景是十分廣闊的。
篇5
研討會上，中方項目負責人、中國農業大學謝光輝教授和瑞方項目負責人、瑞典農業大學熊韶峻副教授分別介紹了生物質燃料的歷史和現狀以及該項目的實施進展情況。科技部和農業部官員也參加了討論。發言者都十分看好中國發展生物質能源產業的巨大潛力，希望中瑞雙方的合作將有利于加快中國生物質燃料研究，實現生物質能源產業化。
據了解，瑞典政府十分重視發展生物質能源產業，多年來一直采取有效政策和措施推動實現“綠色增長”。正因為如此，瑞典也是世界上最早開展生物質能源研究和應用的國家之一，擁有豐富的經驗和成熟的技術設備。
自2006年以來，中國農業大學和瑞典農業大學在生物質燃料研究領域開展合作。6年來，由熊韶峻帶領的中瑞專家團隊在西南華北地區分別成功種植了木薯桿和柳枝稷，瑞典農業大學利用其先進的技術和設備，成功將來自中國的原料加工出合格的固體成型燃料，為將來進一步開展生物質燃料應用試驗打下了良好的基礎。
熊韶峻告訴記者：“中國擁有大片荒漠地帶或不宜耕種地區，種植生物質原料植物不僅有利于發展綠色能源產業，減少排放和環境污染，也利于解決土地荒漠化、防沙固沙，幫助貧困地區發展經濟。”
記者在會上了解到，目前國內已有一些國有企業和民營企業進入生物質能源產業。據國能生物發電集團有限公司科技部總經理莊會永介紹，這家國家電網旗下的生物質發電專業企業已在全國建立了40多家生物質發電廠。莊會永認為，中國生物質原料豐富，生物質發電符合國家節能減排政策和世界潮流，在中國具有廣闊的前景。
篇6
關鍵詞:工業爐 節能減排
中圖分類號:TB4 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0086-01
隨著能源形勢和環境污染狀況日趨嚴峻,節能減排越來越成為當前我國工業所面臨的重要問題。目前,我國工業爐存在技術水平低、裝備落后、能耗高、污染嚴重等主要問題,本文就針對性地在替代燃料、燃燒系統改造和余熱余壓利用等方面提出一些節能減排的措施。
1 替代燃料
中國工業爐一直以煤炭為主要能源,其污染環境嚴重,所以尋找理想替代燃料是我國工業爐節能環保發展的戰略性方向。利用柴油和天然氣替代煤,可以減少對環境的污染,但其經濟成本較高,屬于不可再生能源,故沒有大規模利用。生物質作為一種能同時提供固體、液體和氣體燃料的可再生新能源,能夠減緩溫室效應的產生,環境友好,故利用生物質代替煤是我國工業爐節能發展的理想途徑。
以生物質為原料的工業替代燃料利用技術主要包括生物質成型燃料技術、生物質氣化技術和生物質裂解油技術。
生物質成型燃料技術是指在一定溫度和壓力作用下,將各類分散的、沒有一定形狀的生物質壓制成一定形狀的、密度較大的各種成型燃料的技術。生物質成型燃料多用在一些中小型的工業蒸汽鍋爐、有機熱載體鍋爐和商業蒸汽鍋爐上。
生物質氣化技術是指在高溫缺氧的條件下,生物質原料經過簡單的破碎處理后送入氣化爐中進行裂解,得到可燃氣的一種熱化學反應技術。生物質氣化得到的可燃氣可以直接通過管道輸送應用在軋鋼加熱爐、煉銅反射爐、坩鍋爐、工業鍋爐及水泥回轉爐和耐火材料隧道窯等燃料品質要求較低的工業窯爐上,而經過除塵除焦等凈化工序后,其應用范圍可推廣到陶瓷窯爐、玻璃窯爐、熱風爐和電廠等燃料品質要求較高的工業窯爐上。
生物質裂解油技術是指將秸稈、木屑、甘蔗渣等農業廢棄物通過高溫快速加熱分解為揮發性氣體,再經冷卻后提煉出的一種液體。生物質裂解油的熱值一般為16～18MJ/kg,產油率可達70%,它可直接用作鍋爐和窯爐的燃料,也可進一步加工轉換成化工產品。
2 燃燒系統
在工業爐的系統里,燃燒是燃料的化學能釋放的過程,在這個過程里既要考慮降低氣體和固體的不完全燃燒損失,又要考慮過量空氣造成的排煙損失,還要兼顧降低二氧化硫和氮氧化物等污染物的濃度的問題,因此尋找一種合適的燃燒技術是實現工業爐節能減排的重要措施。現階段應用較為廣泛的節能燃燒技術包括高溫空氣燃燒技術、脈沖燃燒技術、富氧燃燒技術和分級燃燒技術。
高溫空氣燃燒技術也叫蓄熱式燃燒技術,它不僅是一項高效的廢熱回收節能技術,而且能提高產品的品質。蓄熱燃燒技術是指交替切換空氣或氣體燃料與煙氣,使之流經蓄熱體,能夠在最大程度上回收高溫煙氣的顯熱,排煙溫度可降到180℃以下,可將助燃介質或氣體燃料預熱到1000℃以上,形成與傳統火焰不同的新型火焰類型,并換向燃燒使爐內溫度分布更趨均勻。目前,我國已在軋鋼加熱爐、玻璃窯爐、熔鋁爐、鍛造爐和鋼包烘烤器等工業窯爐上成功應用蓄熱式燃燒技術。
脈沖燃燒技術是一種間斷燃燒的方式,使用脈寬調制技術,通過調節燃燒時間的通斷比實現窯爐的溫度控制[1]。這種技術對加熱爐的爐溫控制較為容易,所以爐內的溫度場均勻且溫度波動極小,而且還能節約燃料。近年來,該技術在冶金、陶瓷等工業窯爐燃燒系統控制方面得到逐步推廣應用,效果良好。
富氧燃燒技術是以助燃空氣中氧含量超過常規值得一種高效強化燃燒技術。富氧燃燒技術能夠降低燃料的燃點,加快燃燒反應速度,促進燃燒完全,降低過量空氣系數,減少燃燒后的煙氣量,從而提高熱量的利用效率。富氧燃燒技術比較適合應用在高溫工業爐,如金屬加熱爐和玻璃溶化爐等等,有資料表明鍛造加熱爐若采用23%～25%的富氧空氣助燃,可節省1/4的燃料。
分級燃燒技術是指通過改變送風方式將不足量的空氣送入主燃燒區,形成缺氧的燃料過剩燃燒,然后剩余的空氣在第二級燃燒區加入,形成燃料稀薄燃燒區,完成整個燃燒過程。分級燃燒可減少氮氧化物的排放,據項目運行結果表明,采用分級送風燃燒技術后,尾氣中的氮氧化物排放量降低35%左右。
3 余熱余壓利用
工業爐余熱主要是指排出的燃燒產物的顯熱與加熱制品帶走的顯熱。這些顯熱所帶走的熱量數量較大,如果能很好地加以利用,其經濟效益和社會效益都是顯著的。目前我國工業爐的余熱資源回收率僅為34.9%,回收潛力巨大[2],下面就介紹幾種常用的余熱余壓利用技術。
中高溫煙氣余熱主要利用方式包括:利用余熱鍋爐產蒸汽或者加熱導熱油直接利用,利用換熱器預熱助燃空氣,還有通過余熱鍋爐產蒸汽并利用蒸汽汽輪機發電。以軋鋼加熱爐為例,軋鋼加熱爐的出爐煙溫1000℃左右,在煙道內設置高效空氣和煤氣預熱器對助燃空氣和煤氣進行預熱,可將空氣預熱到600℃,煤氣預熱到300℃,噸鋼燃耗可降低0.3GJ。
低溫煙氣余熱一般是指溫度低于400℃的煙氣的余熱,這種余熱雖然品位低,但余熱數量很大,現在一般采用純低溫余熱發電技術來進行節能降耗并產生經濟效益。例如,水泥廠將400℃以下低溫廢氣余熱轉換成電能并用于生產,可使水泥熟料生產綜合電耗降低約60%或水泥生產綜合電耗降低約33%。
干熄焦技術是一項成熟而先進的技術,它利用冷的惰性氣體逆流冷卻熄滅紅焦,然后被加熱的氣體經過除塵后進入蒸汽鍋爐將能量回收利用或供熱發電,同時消除濕法熄焦的嚴重污染,以一臺140t/h的焦爐改造為例,其年產電量可達4000萬度。
余壓回收發電技術是指利用工業窯爐產生的廢氣余壓直接用來發電。例如,鋼鐵廠高爐爐頂煤氣余壓透平發電裝置(TRT),是利用高爐爐頂煤氣具有的壓力能,經透平膨脹做功,驅動發電機進行發電的裝置。
4 結語
當前,應對能源危機、氣候變化和資源環境約束已成為全球的共同行動,我國“十二五”節能規劃也提出要繼續貫徹實施20%左右的能源強度下降目標和18%的碳強度下降的目標,加快節能減排技術開發和推廣應用。由于我國工業爐類型繁多,應用領域廣泛,因此我們在實際應用中,要根據各種爐型的特點和具體工藝要求,采用合理的節能技術方案,才能取得良好的節能效果。
參考文獻
篇7
世界燃料乙醇產業正進入快速發展的新時期，但全球糧食價格的持續上漲引發燃料乙醇和糧食安全問題的廣泛爭議，燃料乙醇的環保性也受到質疑。中國燃料乙醇發展還處于起步階段，關注和重視世界燃料乙醇產業新的發展動態，研究各國發展燃料乙醇的政策及其影響和作用，有利于我們積極應對世界燃料乙醇發展的影響，制定符合我國實際的燃料乙醇長期發展戰略和政策措施。
一、高油價時期，各國政府推動燃料乙醇快速發展
近年來，高油價促使美國、歐盟和亞洲等國的生物燃料政策發生重大變化，大幅提高生物燃料的發展目標，同時加大政策支持力度，推動燃料乙醇產能不斷擴大，產量迅速增長。2006年世界燃料乙醇產量達到380億升，相當于全球汽油消費量的2.5%。與2000年194億升的產量相比，2006年增長了95.9%。預計2007年世界燃料乙醇產量可達440億升，同比增長15.8%，世界燃料乙醇的產量主要集中在美國和巴西，2006年兩國產量分別達到183.8億升和160億升，占世界總產量的90.5%。
（一）美國超越巴西成為世界最大燃料乙醇生產國，未來十年消費量將增加五倍多
對美國這個全球最大的能源消費國來說，確保能源安全至關重要。2005年8月，美國頒布《能源政策法案》，在全國范圍內實施可再生燃料標準（RFS），該標準規定燃料生產商混合生物燃料的年生產量2006年為40億加侖（151億升），2012年要達到75億加侖（284億升）。2007年初，美國總統布什在《國情咨文》中再次呼吁擴大乙醇和生物柴油的消費量，要求到2017年，替代燃料和可再生燃料的使用量增加到每年350加侖（1325億升），將汽油使用量降低20%。2007年12月，美國總統布什簽署了新能源法案，該法案規定到2020年汽車制造商必須將燃料效能提高40%，達到行業平均水平35英里/加侖，也就是每100公里6.7升。到2022年乙醇年使用量將增至360億加侖（1363億升）。
美國政府自1978年起就對生物乙醇生產實施各種補貼，各個州政府還另有補貼。2005年《能源政策法案》頒布后，美國政府加大了在財政方面的支持力度，對燃料乙醇銷售實行每加侖補貼51美分。另外，美國聯邦政府為發展可再生能源提供了16億美元的發展基金，21億美元的纖維素乙醇發展專項擔保貸款，5億美元生物能源和生物產品研究補貼，5億美元發展可再生能源體系和提高能源效率的補助資金。
美國燃料乙醇的產量因此迅速增加，2004年至2006年，美國燃料乙醇產量年均增長20.2%，2007年預計產量為246億升，同比增長33.8%。目前，美國正在運行的乙醇廠有124個，新建76個，擴建7個，產能達到245.4億升。但是，美國燃料乙醇的消費增長快于產量的增長，2004至2006年，美國燃料乙醇消費量年均增長24.7%，2006年的消費量達到206.3億升，同比增長34.3%。供需缺口由進口補充，主要從巴西和中美洲國家進口，2006年美國從巴西進口17.6億升，占其進口總額的77.9%。目前，美國年消費汽油1400億加侖（5300億升），其中約1/3混合乙醇，大部分為E10（乙醇汽油中乙醇含量為10%），少部分為E85（乙醇汽油中乙醇含量為85%）。早在1997年，美國福特汽車公司就推出使用E85燃料乙醇的靈活燃料車（FFV），目前有超過500萬輛靈活燃料汽車(FFV)在美國銷售。
（二）巴西燃料乙醇最具競爭優勢，為世界最大的燃料乙醇出口國
20世紀70年代的兩次石油危機給正在快速發展的巴西經濟造成了沉重打擊，為實現能源自給，巴西政府于1975年開始強力實行“國家燃料乙醇計劃”，此后不斷擴大燃料乙醇生產目標，并相繼出臺全國推廣使用燃料乙醇的強制性法規和鼓勵生產和使用的優惠政策。
早在1931年，巴西首次制定推動燃料乙醇使用的法規，規定在所有出售的汽油中混合至少5%的乙醇。1975年實施國家燃料乙醇計劃后，巴西政府對汽油中混合乙醇的比例進行了多次調整，從1979年的15%提高到1998年的24%，自2002年以來，規定在20―25%的范圍內浮動。目前，巴西汽油中混合乙醇的比例在世界上是最高的。為鼓勵農業綜合企業生產燃料乙醇，巴西政府提供專項低息貸款；為鼓勵發展乙醇汽車，對購買乙醇汽車和使用可再生燃料實行稅收優惠政策；實施燃料乙醇發展計劃初期，為鼓勵使用乙醇汽油，巴西政府對乙醇的零售價進行嚴格的限定，加油站出售的燃料乙醇價格比汽油價格低41%。隨著乙醇生產效率的提高，成本大幅下降，市場競爭力提高，巴西政府于1999年放開了對燃料乙醇零售價的限制，讓市場自由調節。2007年初，巴西國家石油管理部門公布，巴西26個州有11個州的乙醇汽油銷售量超過汽油的銷售量。巴西“國家燃料乙醇計劃”已實施三十多年，隨著燃料乙醇產業化的不斷推進，所采取的上述政策和措施大多已被取消。但巴西政府保留了一個重要的政策規定，即在銷售的汽油中必須混合至少20-25%的乙醇。正因為有這個強制性的規定，加上2003年以來大量靈活燃料車的市場銷售，有力地拉動了燃料乙醇的需求。到2006年底，靈活燃料車已占巴西新車銷售的90%。巴西燃料乙醇成功替代了40%的汽油需求，在2006年首次實現了車用燃料的供需平衡。燃料乙醇產業成為巴西經濟重要的支柱產業。
（三）歐盟建立生物燃料發展目標，減免稅政策推動燃料乙醇產量大幅增長
1992年原歐共體通過法律，對以可再生資源為原料生產燃料的試驗性項目，成員國可采取免稅政策，包括燃料乙醇都可實行稅收優惠。由于稅收優惠政策的推動，歐盟成員國中的法國、西班牙和瑞典開始生產和使用燃料乙醇，此后德國、荷蘭等國也相繼開始發展燃料乙醇工業。
對進口石油的依賴使歐盟經濟極易受國際石油市場波動的影響，同時交通運輸業大量使用汽油導致歐盟未能完成《京都議定書》規定的二氧化碳減排任務。為改變這一狀況，2003年5月，歐盟通過《生物燃油指令》，規定到2005年生物燃料（生物柴油和燃料乙醇）的使用應達到燃料市場的2%，2010年達到5.75％。近兩年油價的高位運行促使歐盟國家加大力度促進包括燃料乙醇的生物燃料發展。法國計劃到2008 年實現生物燃料占總燃料的5.75%(比歐盟的目標早兩年)，到2010 年達到7%，到2015 年達到10%。德國首次強制使用生物燃料，要求從2007 年起，生物柴油使用量占總燃料的4.4%，燃料乙醇占2%。2010 年生物燃料使用量達到5.75%。英國確定到2010年生物燃料占運輸燃料的5%。2007年3月，歐盟出臺了新的共同能源政策，計劃到2020年實現生物燃料乙醇使用量占車用燃料的10%。
為促進生物燃料目標的實現，歐盟國家先后頒布了生物燃料稅收減免的政策，目前已在至少九個歐盟國家開始實施，包括法國、德國、希臘、匈牙利、波蘭、意大利、西班牙、瑞典、和英國，大多數稅收減免政策是在2005-2006 年頒布。2006年11月，歐盟提出加大對生物燃料作物種植的扶持力度，把對生物燃料作物45歐元／公頃的補貼從17個成員國擴大到所有的25個成員國，獲得直接補貼的生物燃料作物種植面積從150萬公頃擴大到200萬公頃。歐盟允許各成員國為多年成材的生物燃料作物提供50％的種植成本補貼，并針對新加盟的八個成員國的補貼制度期限從2008年延長至2010年。
2004-2006年，歐盟燃料乙醇的產量大幅增長，年均增長率達到44.5%。歐盟燃料乙醇的產量主要集中在德國、西班牙和法國，2006年三國的產量分別為4.31億升、3.96億升、2.93億升，占歐盟總產量的70.4%。產量增長最快的是意大利和波蘭，2006年分別增長987.5%和151.6%。盡管產量大幅增長，歐盟生物乙醇燃料消費量依然高于產量，歐盟2006年燃料乙醇的消費量達到17億升，供需缺口由進口來補充，主要從巴西進口，進口量為2.3億升，瑞典、英國和芬蘭為主要進口國。
截至2007年9月，歐盟生物乙醇產能達到32.76億升，其中法國、德國和西班牙的產能分別為11.2億升、7.06億升和5.21億升，三國乙醇產能占歐盟燃料乙醇總產能的71.6%。歐盟在建產能40.16億升，主要集中在德國、法國、荷蘭和英國，分別為5.6億升、5.5億升、4.8億升和4億升，四國在建產能占總在建產能的49.6%。
（四）亞洲國家推廣應用燃料乙醇的國家增多，中國和印度的生產初具規模
近年來，高油價也使長期依賴石油進口的一些亞洲國家啟動燃料乙醇推廣應用計劃。2003年6月，日本資源能源廳決定在汽油中添加不超過3%的乙醇。2006年日本環境省制定新的環保計劃，在2008-2012年日本國內50%的汽車改用E3燃料乙醇。從2020年開始供應E10燃料(酒精含量為10%)，2030年所有車用燃料都將使用E10燃料乙醇。印度于2003年啟動燃料乙醇計劃。按照政府規定，第一階段北部9個邦和4個聯邦區在汽油中加入5%的乙醇，由于甘蔗減產，導致計劃沒有完全實行。2006年11月進入第二階段燃料乙醇計劃，在20個邦和8個聯邦區實行5%乙醇汽油。計劃在2008年末把汽油中乙醇的比例提高到10%。印尼和菲律賓也推出了E10燃料乙醇發展目標。
中國從2001年開始發展燃料乙醇，目前中國推廣E10乙醇汽油的省份從原來試點的四個擴大到九個。2005年燃料乙醇產量102萬噸（13.6億升），2006年達到144萬噸（19.2億升），成為僅次于美國、巴西的世界第三大燃料乙醇生產國。預計2007年燃料乙醇產量將達到144萬噸（19.2億升）。2007年8月，中國政府公布《可再生能源中長期發展規劃》，提出發展以非糧食物質為原料的燃料，到2010年，增加非糧燃料乙醇年利用量200萬噸，到2020年，生物燃料乙醇年利用量達到1000萬噸。
在亞洲，只有中國和印度燃料乙醇生產初具規模。2006年，印度燃料乙醇產量達到2.5億升，同比增長150%。印度具有大規模生產燃料乙醇的潛力，但須提高生產效率、降低成本。日本沒有大規模生產燃料乙醇的資源條件，2007年3月，日本計劃投資80億美元購買巴西40個乙醇生產廠的部分股份。據巴西國家石油公司估計，日本每年的需求量為18億升。
二、燃料乙醇國際貿易擴大，但缺少全球性貿易規范，并受美歐貿易壁壘的阻礙
目前，關于燃料乙醇國際貿易很難有精確的統計，因為乙醇國際貿易中，包含了燃料、工業、醫藥、飲料等多種用途。2005年，世界乙醇貿易從2000年的30億升增至60億升，約占世界乙醇產量450億升的13%。1999-2002年，世界乙醇貿易增長35.7%，2002―2005年世界乙醇貿易增長加快，增長率達到57.9%。隨著各國能源消費需求的增長和石油價格的上升，燃料乙醇作為替代能源的推廣應用力度在加大。然而，除巴西以外，各國燃料乙醇生產難以滿足不斷增長的消費需求，美國、歐盟等國家和地區對進口燃料乙醇的需求不斷擴大，巴西作為最大的出口供應國，也在加大出口力度。因此，近年世界乙醇貿易的增長很大程度在于燃料乙醇貿易的擴大。根據國際知名農產品分析機構德國的F.O.Lcht估算，2005年60億升世界乙醇貿易中有78.3%（即47億升）為燃料乙醇貿易。
與世界燃料乙醇產量和消費量相比，燃料乙醇的國際貿易量還很小。缺乏單一的被世界各國廣泛接受的統一質量標準是限制燃料乙醇國家貿易的一個重要因素，此外，美國和歐盟為保護國內燃料乙醇工業都在設置進口關稅同時給與國內生產企業大量補貼。這些重要的貿易壁壘阻礙了燃料乙醇國際貿易的發展。目前，美國在最惠國體制下對進口乙醇征收每加侖0.54美元（每升0.14美元）的關稅和2.5%的從價稅，而對國內乙醇和汽油混合供應商提供每加侖減稅0.51美元（每升0.13美元），美國每年用于燃料乙醇的補貼費用達到70億美元。歐盟是在最惠國體制下對進口變性乙醇和非變性乙醇（兩者都可用作燃料）分別征收每立方米192歐元、每立方米102歐元。巴西是唯一作為最惠國有能力大量出口的國家。
WTO貿易談判的議程中沒有明確生物燃料的貿易壁壘問題，但由于生物燃料來自農業原料，涉及農產品貿易自由化而同樣受到關注。在2006年7月的多哈談判中，對農產品立法保護成為主要討論問題，焦點是發展中國家要求發達國家（主要是美國、歐盟）削減農業補貼，發達國家則要求發展中國家相應開放其他領域，降低進口其產品和服務的貿易壁壘。農產品談判失敗，生物燃料的貿易壁壘問題也就沒有得到解決。但多哈回合中的另一個問題是環境產品和貿易自由化，多數的討論是如何定義環境產品和確定識別標準，一些國家同意將可再生能源產品（燃料乙醇和生物柴油）及相關產品定義為環境產品，但也有不少反對意見。
由于巴西在燃料乙醇生產上的優勢，美歐日等國都在尋求與其合作，其中美國與巴西建立的燃料乙醇戰略聯盟備受關注。2007年3月，美國總統布什訪問巴西期間，巴美雙方簽署了兩國乙醇燃料合作備忘錄，決定建立戰略聯盟，通過雙邊、第三國和全球途徑合作發展生物燃料（主要指乙醇）；進行新一代生物燃料技術的研究和開發；通過建立國際生物燃料論壇和設立乙醇統一標準和規則，共同擴大全球生物燃料市場。美國和巴西希望能夠為燃料乙醇的生產和銷售制定標準，努力推動燃料乙醇在國際市場上的推廣和使用，使燃料乙醇在未來也能夠像石油一樣在國際市場上銷售，同時向其他有意生產燃料乙醇的國家轉讓生產技術。拉美地區，特別是中美洲、加勒比地區也有條件大規模生產燃料乙醇，美國和巴西融合雙方的資金和技術優勢在這些地區合作生產，巴西可以在今后三十年內繼續保持其作為全球最大乙醇出口國的地位，而美國則可以獲得穩定的燃料乙醇供應。
盡管燃料乙醇國際貿易面臨質量標準、認證、進口關稅等貿易壁壘限制，但燃料乙醇消費需求增長旺盛，經濟上的高回報推動著美巴擴大產能的步伐，未來大規模燃料乙醇國際貿易仍是可以期待的。
三、燃料乙醇發展面臨糧食安全和保護生態環境的挑戰
目前，世界各國燃料乙醇生產主要以糧食和經濟作物為原料，美國是以玉米為原料，巴西以甘蔗為原料，歐盟國家則以小麥和甜菜為主要原料。燃料乙醇產能的迅速擴大，勢必大幅增加對上述糧食與經濟作物的需求。2000年，美國用于燃料乙醇生產的玉米數量僅占其總產量的5%，2005年升至11%，2007年達到20%，預計2008年將大幅升至30%。近兩年全球糧價持續大幅上漲引起國際社會普遍關注，對糧食安全和生態環境影響的質疑在2007年達到。
（一）世界燃料乙醇產能擴張對全球糧食安全產生重要影響
2007年11月，聯合國糧農組織《糧食展望》，認為石油價格飆升增加了農業生產的成本，也擴大了對用于生物燃料的原料作物的需求，從而推高了農產品價格。在未來數年內，高油價和對環境問題的重視可能會繼續擴大對玉米、小麥等生物燃料原料的需求。12月，聯合國糧農組織發表《2007年糧食及農業狀況》報告，指出如果世界農業成為生物燃料產業的主要來源，對糧食安全和環境將帶來無法預知的影響。生物能源是新領域，需要給予更多的關注和深入研究，以便了解這一發展對糧食安全和扶貧所帶來的影響。
2007年12月，在北京召開的國際農業研究磋商組織年會上，國際食物政策研究所(IFPRI)所長、著名農業經濟學家Joachim von Braun博士發表了關于《世界糧食形勢：新動力，新行動》的報告。他指出，包括收入增長、氣候變化和生物燃料生產在內的新驅動力正重新定義世界糧食形勢。為應對油價上漲，生物燃料作為一種能源替代產品，對世界糧食形勢的變化也產生了深刻影響。強調生物燃料產量的擴大造成了糧食價格上漲。對此國際食物政策研究所根據生物燃料可能對價格造成的影響，通過計算機建模，規劃出了到2020年可能出現的兩個場景：場景一是假定有關國家按實際生物燃料生產計劃擴大產量，那么玉米價格會提高26%；場景二是假定生物燃料的產量迅速擴大，是實際計劃產量的兩倍，那么玉米價格會提高72%。糧價每增長一個百分點，發展中國家食品消費支出就下降0.75個百分點。糧價上漲已威脅到糧食安全，并可能導致貧困人口的增加。隨著越來越多的農田和資金投入到生物燃料的生產中，糧食和燃料之間的矛盾將不斷升級。
在石油價格居高不下的大背景下，生物燃料產業的經濟性已日益顯現，這也是燃料乙醇在一些國家不斷擴張的動力。目前，美國以玉米為原料生產燃料乙醇的成本約為0.56美元/升；歐盟以小麥為原料生產燃料乙醇的成本約為0.75-1.27美元/升，以甜菜為原料的生產成本為0.83-1.22美元/升；巴西以甘蔗為原料生產乙醇，成本僅為0.46美元/升。而美國2007年11月汽油的零售價格已經達到3美元/加侖左右（即0.8美元/升）。因此，與目前高昂的油價相比，燃料乙醇的價格越來越具有競爭力。但如果考慮發展生物燃料對于糧價的抬升作用，燃料乙醇的經濟性就需要打折扣了。而且，原料價格的持續上漲也影響燃料乙醇的利潤空間，因為原料占燃料乙醇成本的50-70%。只有依靠技術進步，提高生產效率，降低生產成本，才能在高油價時期保持經濟競爭力。
（二）世界燃料乙醇產能擴張也使生態環境受到威脅
目前，清潔發展機制(CDM)項目咨詢機構普遍測算，每噸生物燃料乙醇能夠產生兩噸二氧化碳減排量。因此，許多國家將發展生物燃料乙醇列為實現溫室氣體減排的重要途徑。2007年9月，經濟合作與發展組織（OECD）的報告卻認為生物燃料產業的增長很可能對環境和生物的多樣性產生負面影響，為了追求經濟利益種植專門的生物能源作物會破壞對自然生態系統的保護。如果考慮到酸化、化肥應用、生物轉化損失以及農業殺蟲劑的毒性，乙醇和生物柴油對整個環境造成的影響很容易超過汽油和礦物油造成的影響。該報告的結論是：通過現有技術生產的生物燃料乙醇對于節能減排的貢獻極為有限。2008年1月，英國議會環境審計委員會提出一份報告稱，如果考慮到肥料、運輸等因素，最終生物燃料比汽油或柴油導致更多的溫室氣體排放，加劇氣候變化。為此，報告建議歐盟放棄為生物燃料制定的目標。報告認為，英國政府和歐盟支持生物燃料的舉措過快，沒有引入有效的規則和監管，以確保可持續性。1月在曼谷舉行的地區生物能源論壇上，有專家對亞洲一些國家沒衡量潛在風險便強制推行生物燃料的做法提出了批評。1月23日歐盟出臺的一攬子能源環保方案強調，在歐盟銷售的生物燃料不得來自“被認為生物多樣性價值高的土地”，包括森林、濕地、自然保護區和有大量野生動物生存的草原，提出要對進口生物燃料產品實行環境認證。聯合國《生物多樣性公約》秘書處Ahmed Djoghlaf 博士1月在新加坡舉辦的環境講座上談到，生物燃料是否是綠色燃料仍具爭議性，他深信這一問題有待進一步探討，目前沒有一刀切的解決方案，各個國家必須根據自身的情況來衡量生產生物燃料的利與弊。
（三）國際社會普遍認同的發展原則和方向
盡管面臨諸多質疑甚至批評，但許多國家現行的生物燃料發展戰略有其自身根源，反映了不同國家在社會經濟、能源和資源環境等基礎條件方面的差異。總的來說，目前國際社會認為，世界燃料乙醇產業在替代化石能源和促進社會經濟和自然可持續發展方面有很大潛力，但其發展前景及影響取決于各國的發展目標和實行的政策是否符合其客觀實際。
目前，國際社會普遍認同燃料乙醇產業的發展應采取以下基本原則和方向：糧食安全問題應予以高度重視和優先考慮，應加快發展纖維素乙醇等第二代生物燃料；應鼓勵可持續利用生物質能源，保護草原和森林等自然生態，建立國際認證計劃，其中包括溫室氣態的核查，以確保生物燃料符合環保標準。
四、纖維素乙醇技術創新是未來燃料乙醇發展的關鍵
目前工業化生產的燃料乙醇是以糧食和經濟作物為原料的，從長遠來看具有規模限制和不可持續性。利用秸稈、禾草和森林工業廢棄物等非食用纖維素生產乙醇，不存在與人爭糧的問題，并且作為一種清潔燃料，它符合我們在能源上一貫堅持的可持續發展思路。因此，以纖維素為原料的第二代生物燃料乙醇是決定未來大規模替代石油的關鍵。
美歐日等國研究開發纖維素乙醇已有十多年，美國近年來更是加大了對纖維素乙醇發展的支持力度。2005年的美國《能源政策法案》規定，在2012年以前使市場上的纖維素乙醇的占有量達到2.5億加侖（9.5億升）。為實現這一目標，美國政府對率先建設纖維素乙醇生產廠將提供優惠的貸款保證，且每加侖纖維素乙醇將享受2.5倍的（51美分）免稅待遇。美國聯邦政府在對生物燃料生產實行優惠稅收政策過程中每年減免稅收約20億美元。美國企業同時也加大了對生物能源的研發力度。2007年6月，英國BP公司宣布將在十年內投入5億美元，與加州伯克利大學、伊利諾斯大學合作，建設世界上第一個能源生物科學研究院，重點研究纖維素燃料乙醇。經過各方的努力，美國的纖維素乙醇產業化已經進入起步階段。目前，美國農業部和能源部共同投資8000萬美元支持了三個纖維素乙醇產業化示范項目。
由于技術上的限制，目前還沒有一家纖維素乙醇制造廠的產量達到商業規模，最大的技術障礙是預處理環節(將纖維素轉化為通過發酵能夠分解的成分)的費用過于昂貴。美國和歐洲的一些企業已加快了這方面的技術研究步伐。依目前的技術發展來看，纖維素燃料乙醇在原料預處理技術和降低酶成本方面的重大突破仍然具有很大的不確定性。美國能源部預計纖維素燃料乙醇可能在2012年左右即可取得重要突破，而歐洲的一些研究機構則認為大約在2015－2020年，此外還有一些研究機構認為有可能在2025年之后纖維素燃料乙醇才能進入規模生產和市場應用階段。
目前美國企業生產纖維素乙醇的成本在3-4美元/加侖（即0.8-1美元/升）之間。在纖維素燃料乙醇實現商業化生產之后，預計其生產成本在0.53美元/升左右，稍低于目前的玉米乙醇價格。如果玉米等糧食作物的價格繼續上漲，纖維素乙醇實現量產之后的價格極具競爭力。但生產纖維素乙醇的前期投資較大，根據美國一些研究機構的測算，生產規模相同的條件下，纖維素燃料乙醇需要的投資是玉米燃料乙醇的7-8倍。
綜合對生物燃料乙醇的經濟性、環保性和技術可行性等方面的分析，可以看到世界燃料乙醇產業正在經歷一個工業路線再選擇的過程。面對國際油價日趨高漲的趨勢，燃料乙醇作為石油替代能源之一，實現行業整體繁榮發展是可以期待的。但考慮到糧食安全，第一代燃料乙醇的發展將不可避免地面臨瓶頸，而技術創新是突破此瓶頸的關鍵。
五、對中國的啟示
在替代化石能源、提高環境質量和促進經濟發展等目標的驅動下，世界燃料乙醇產業呈現規模持續擴大、影響日益深遠、國際化程度不斷提高的發展趨勢。我國燃料乙醇產業尚處于起步階段，原料結構單一，生產和使用技術落后，國家政策支持體系不完善，缺乏科學合理的產業布局和長遠發展戰略規劃。世界燃料乙醇產業的新發展給與了我們許多有益的啟示。
（一）立足國情，因地制宜解決好原料多元化問題
我國地少人多，生產燃料乙醇所需糧食和經濟作物原料有很大的局限性。目前我國燃料乙醇生產以玉米為原料，占總原料的70%，原料結構單一，而且2007年我國出臺的《生物燃料乙醇暨車用乙醇汽油中長期發展規劃》明確提出發展生物燃料產業必須堅持非糧原料路線。因此，需要加大原料多元化的探索和實踐，積極穩步推進目前以木薯和甜高粱為原料的非糧乙醇試點。
（二）加強國際合作，縮短與國外的技術差距，致力于纖維素乙醇技術創新
目前世界燃料乙醇生產技術分為三類：以玉米等為原料的淀粉類技術，以甘蔗、甜菜等為原料的糖蜜類技術，以農、林廢棄物等為原料的纖維素類技術。對于前兩種，國外技術已十分成熟，巴西的甘蔗乙醇生產效率最高，成本最具競爭優勢，美國的玉米乙醇生產成本也遠低于中國。中國的玉米乙醇雖以進入規模化生產，但成本偏高，木薯淀粉乙醇和甜高粱乙醇還處于試驗示范階段。中國不僅在燃料乙醇生產技術上與國外有較大差距，在燃料乙醇使用技術上如靈活燃料車的研發，燃料乙醇副產品的綜合利用技術上，也落后于國外。我國應在自主創新的同時，加強國際合作，注重引進國外先進技術，提高生產和使用效率。
代表著未來燃料乙醇發展方向的纖維素乙醇，中國嘗試起步較早，近年研究力度加強，有所突破，開始工業化試驗。但與美歐等國相比，在纖維素乙醇開發技術上也同樣存在差距。需要有足夠的科技投入才能取得較快進展。因此，國家財稅應重點支持纖維素乙醇技術開發，努力搶占未來生物燃料乙醇工業的技術制高點。
（三）適當進口燃料乙醇，減輕原油進口壓力，關注有關國際標準或貿易規則的進展
在通過技術進步提高玉米乙醇經濟性、擴大非糧乙醇產能的時期內，可以考慮從巴西適量進口乙醇。原因有兩點：第一，進口巴西乙醇在經濟性上優于國內的玉米乙醇。根據巴西農業部的統計資料，2007年上半年，巴西出口乙醇的平均價格為0.45美元/升（折合人民幣4258.8元/噸），巴西到中國的船運費為30-50美元/噸，到岸價預計為4487.7―4640.3美元/噸，相當于原油價格在51-53美元時的汽油價，低于國內玉米乙醇5471.2元/噸的銷售價格。
第二，利用進口乙醇培育市場，理順后端銷售機制，有利于今后我國自己生產的燃料乙醇進入市場，也將使國內外乙醇價格逐漸接近，等我國乙醇產品大量上市時有望與國外的乙醇產品競爭。此外，我國經濟發展帶來的能源消費的增長，預示著我國對燃料乙醇的需求將是長期的。美國和巴西這兩個生產大國在燃料乙醇全球標準上聯手應引起我國關注，在相關國際機構，如國際生物燃料論壇等為我國爭取空間，以避免將來被動適應與我國利益相悖的國際標準或貿易規則。
（四）開發和利用靈活燃料車，拓展燃料乙醇產業的發展空間
巴西的實踐證明，發展靈活燃料汽車可以有效擴大需求，促進燃料乙醇產業快速發展，為此，我國也應鼓勵開發和利用靈活燃料汽車，加快靈活燃料汽車的研發和推廣使用，并率先在乙醇汽油封閉運行的地區或城市使用靈活燃料汽車。巴西的測算表明，E25以下的乙醇汽油對現有上路的機動車發動機和油路沒有任何不良影響。因此，我國也可在乙醇汽油封閉運行的地區或城市開展E25乙醇汽油試點。
（五）加強戰略研究，合理規劃燃料乙醇產業布局，制定和完善產業政策
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須考慮代用燃料的發展問題.汽車使用醇類燃料作為石油的替代燃料,也許是一個解決能源消耗和尾氣排放的手段之一.其中,丁醇是一種極具潛力的新型生物燃料,被稱為第二代生物燃料,可以用來完全或者部分替代化石燃料,從而緩解石油危機.
1 丁醇性能的優缺點
丁醇可作為汽油的代用燃料.丁醇與其它普通醇類燃料如乙醇和甲醇相比,具有很多優點.丁醇的熱值大約是汽油的83%,乙醇和甲醇的熱值分別只有汽油的65%和48%,丁醇的熱值比乙醇要高30％左右,因此相同質量的丁醇可比乙醇多輸出約1／3的動力;丁醇的揮發性遠低于乙醇,只有乙醇的1／6左右,丁醇的吸濕性遠小于甲醇、乙醇和丙醇;這些低碳醇能與水完全互溶,而丁醇則具有適度的水溶性,丁醇的這一特性使它在純化階段降低了能源消耗;丁醇比乙醇的腐蝕性低,能夠利用現有管道運輸,同時由于比其它低碳醇具有相對較高的沸點和閃點,其安全性更高;此外,丁醇與汽油、柴油的互溶性較好,因此可以不必對現有的發動機結構作大的改動,而且可以使用體積分數幾乎為100％的丁醇燃料.
盡管作為發動機燃料丁醇比其它低碳醇具有更多的優勢,但將丁醇直接應用到發動機中仍然存在一些潛在的問題,例如:① 與發動機性能的匹配性.盡管丁醇與甲醇、乙醇相比具有更高的能量,但它的熱值仍然比傳統的汽油或柴油燃料低,因此,汽油或柴油發動機利用丁醇作為替代燃料需要增加燃油供給量.② 盡管甲醇、乙醇的密度比丁醇低,但它們較高的辛烷值允許發動機有更高的壓縮比和燃燒效率,較高的燃燒效率減少了溫室氣體的排放量.③ 丁醇比乙醇、甲醇的黏度高,這使得丁醇應用在柴油發動機中不會產生燃油泵內不足和潛在的磨損問題.然而將丁醇應用于火花點火式發動機(簡稱SI發動機)時,較高的黏度將產生潛在的沉積或腐蝕等問題.
2 丁醇生產的發展過程
2.1 丁醇生產的歷史
Wirtz在1852年發現正丁醇可以作為一種常規的燃料組成部分.十年之后,Pasteur于1862年通過試驗得出結論,丁醇是厭氧轉化乳酸和乳酸鈣的直接產物.1876—1910年,許多學者研究了丙酮-丁醇的生產方法和有關的溶劑［1］.
通過ABE(丙酮、丁醇、乙醇)發酵法工業生產丁醇和丙酮始于1912—1916年,這是已知最早的工業發酵法之一,在生產規模上排名第二,僅次于通過酵母發酵法生產乙醇的規模,而且它是已知的最大型的生物技術工藝流程［2-3］.在發酵過程中主要有三類典型的產物:① 溶劑(丙酮、丁醇、乙醇);② 有機酸(乙酸、乳酸、丁酸);③ 氣體(二氧化碳、氫).生物合成的丙酮、丁醇、乙醇共享相同的代謝途徑,即從葡萄糖到乙酰輔酶A(acetylCoA),但隨后的分支進入不同的途徑.通過發酵法生產的丁醇皆是生物丁醇,自從19世紀60年代通過ABE發酵法生產丁醇的產量持續下降,幾乎所有的丁醇都是通過石油化工方法生產的.發酵法生產丁醇的產量下降,主要是因為石油化工原料的價格比淀粉糖基如谷物、糖蜜的價格低,因此用石油燃料生產丁醇越來越受到歡迎,在這個階段ABE發酵法被使用得越來越少.
19世紀80年代,石油危機促進了生物燃料的發展.那時人們最關注的代用燃料是乙醇,人們雖然熟悉乙醇的生產,但并沒有認識到為了將乙醇與汽油混合,進行脫水這一非常消耗能源的步驟是必要的,同時也沒有認識到運輸乙醇-汽油燃料的困難性,因為乙醇-汽油燃料不能利用現有的管道運輸,任何濃度的乙醇-汽油燃料都會對橡膠密封產生腐蝕和損害.盡管乙醇是一種能量等級較低的醇類物質,而且具有腐蝕性、難于提純、易揮發、有爆炸危險性等缺點,但它較高的產量使得乙醇成為主要應用的生物燃料.過去的30年中,能源密集型的乙醇生產仍然不能滿足人們對燃料、能源、清潔空氣的需求.近年來,為了應對石油化工產品和污染治理成本的上升,且生產乙醇的技術、設備稍作調整就可以直接用于生產丁醇,因此,許多國家開始重新關注丁醇.
2.2 利用非糧食生物質提高丁醇生產能力
生物丁醇可通過發酵法利用淀粉或糖類制取,然而,由于成本高、產量相對較低、發酵時間長等原因,使得用ABE發酵法生產丁醇無法在工業規模上與采用合成法生產丁醇進行競爭.隨著人們對丁醇這一代用燃料越來越關注,許多公司紛紛研究新方法代替傳統ABE發酵法,從而使生物丁醇的生產可達到工業規模.基于生物化學轉換非糧食木質纖維素的第二代生物丁醇生產相比現有的能源密集型生物丁醇生產具有一些潛在優勢.
有研究表明,改良菌株具有更高的利用淀粉的能力,同時能在發酵培養液中積累較高濃度的丁醇(17～21 g•L-1)［2］.除了使用玉米,丙酮-丁醇生產還使用了液化玉米粉和玉米漿,60 g•L-1的液化玉米粉和玉米漿產生約26 g•L-1的溶劑.由于發酵酶作用物的成本對丁醇價格影響最大,利用其它可再生能源和經濟上可行的基材例如淀粉基包裝材料、玉米纖維水解物、大豆蜜糖、水果加工工業廢料等進行丁醇發酵,從這些替代性可再生資源中生產的溶劑總量為14.8~30.1 g•L-1［3］.在關于多糖的研究中,其焦點是纖維素和半纖維素,它們是地球上最豐富的可再生利用資源.大量糖類已用于生產丁醇,使用改良菌株進行分批發酵,可以提高丁醇的產量.
小麥麩是小麥制粉工業的副產品,主要包括半纖維素、淀粉和蛋白質.經稀硫酸水解的小麥麩皮水解產物中含有53.1 g•L-1的總還原糖、21.3 g•L-1的葡萄糖、17.4 g•L-1木糖和10.6 g•L-1的阿拉伯糖［4］.一種工業酶作用物液化玉米淀粉(LCS)已經被成功用于ABE生產,分批發酵LCS(60 g•L-1)過程中產生18.4 g•L-1的ABE產品,與葡萄糖相當.如果向分批發酵反應器放入糖化的液化玉米淀粉(SLCS),通過氣體剝離重新獲得ABE,此法可以得到81.3 g•L-1的ABE［5］.
同時,隨著丁醇制備技術的不斷成熟,丁醇的生產成本也逐漸下降.美國ButylFuel公司的成果表明,使 用微生物發酵法可以由1 L玉米制備0.27 L丁醇,其成本僅為0.317美元•L-1,遠低于利用石油化工方法制備丁醇的成本1.350美元•L-1.而如果使用飼料等廢棄物代替玉米,此生產成本可進一步下降［6］.
3 丁醇作為生物燃料應用的進展
如前所述,丁醇和其它低碳醇相比具有許多優勢,并且大量新技術的使用也可提高丁醇的產量.另外許多因素都促進了生物燃料的發展,例如不確定的石油價格、溫室氣體排放、提高能源安全和能源多樣性的需要等.目前很多研究團隊已將丁醇作為一種替代生物燃料進行研究,將丁醇與汽油或柴油混合應用在發動機上，或應用在一些基本的燃燒反應器中.
3.1 丁醇的基礎燃燒試驗
在丁醇的基礎燃燒試驗中,研究人員測量了層流層的燃燒速度,同時還研究了在預混和燃燒或擴散燃燒中形成的中間物質.利用這些試驗數據開發了丁醇的化學反應動力學模型.這些預測模型可以提供對丁醇燃燒特性更好的理解,并可以解釋通過石油衍生原料和其它生物原料獲取的丁醇在燃燒特性方面的差異.Sarathy等［7］的試驗結果表明,丁醇的層流燃燒速度在當量比介于0.8和1.1之間時增加,相對應的最大燃燒速度為47.7 cm•s-1,隨后在達到較高的當量比時燃燒速度下降.
一個早期的關于靜態反應器的研究指出,丁醇的熱解是通過C3H7－CH2OH鍵的裂變開始的,產生了正丙基自由基和羥甲基自由基.羥甲基自由基進一步分解為甲醛和氫自由基,而正丙基自由基分解為乙烯和甲基自由基［8］.有學者研究了丁醇的燃燒速度,因為燃燒速度是決定傳播和穩定預混火焰的關鍵參數之一.Roberts使用火焰錐的陰影圖像測量了丁醇的燃燒速度,結果表明,丁醇的最大燃燒速度和正丙醇、異戊醇是類似的,約為46 cm•s-1［9］.
3.2 在可變操作參數單缸發動機（CFR發動機）中使用丁醇作為混合燃料的研究
Yacoub等［10］多次進行了關于應用直鏈醇C1－C5(甲醇-正戊醇)與汽油混合使用在CFR發動機上的研究,試驗條件為:空氣和燃料按化學計量比混合,轉速為1 000 r•min-1.對發動機的工作條件進行了優化,使混合燃料中氧的質量分數分別為2.5%和5.0%,相應丁醇的體積分數分別為11%和22%.研究結果表明:丁醇比無鉛汽油容易產生燃燒爆震,所有醇-汽油混合燃料的試驗均顯示CO排放減少,總的HC排放也減少.盡管如此,所有混合燃料與汽油相比未燃燒醇排放較高,醇含量越高未燃燒醇的含量也越高;所有混合燃料的醛排放較高,甲醛是主要成分;NOx排放可能增加也可能降低,取決于不同的操作條件.
Gautam等［11-12］在900 r•min-1、空氣和燃料為化學計量比的試驗條件下,使用6種醇-汽油混合燃料在 CFR發動機上進行試驗,每種混合燃料由體積比為9∶1的汽油和醇組成,混合用的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇.試驗結果表明,混合燃料中氧含量越高,抗爆震性能越高,火焰速度越快.在最大功率工況條件下,排放試驗結果表明,醇-汽油混合燃料比純汽油的排放明顯降低,CO排放降低16%~20%,CO2排放降低18%~23%,NOx排放降低5%~11%,總的HC排放降低17%~23%.這是因為混合燃料有更好的抗爆震性能,允許更高的壓縮比,從而提高發動機的輸出能量.醇-汽油混合燃料與純汽油相比,循環燃料消耗量高3%~5%,但比油耗低15%~19% .
Szwaja等［13］在一臺單缸CFR發動機上通過改變點火提前角研究了丁醇的燃燒特性,丁醇的體積分數為0%~100%,壓縮比為8~10,轉速為900 r•min-1,空氣和燃料為化學計量比.試驗結果表明,最高峰值壓力隨丁醇體積分數的增加而提高.因此,混合燃料最佳點火正時應延遲.通過試驗,研究人員從燃燒、能量密度以及理化性能等角度證明了丁醇可代替汽油作為純燃料或燃料混合物.
3.3 在SI發動機中使用丁醇作為混合燃料的研究
目前關于SI發動機中使用丁醇的研究非常廣泛,但關于丁醇-汽油混合燃料燃燒和丁醇燃料發動機的研究還很少.幾乎所有關于丁醇-汽油混合燃料的研究都集中在不同運行工況下對發動機的性能評價、燃料消耗量和排放物方面.研究表明,與純汽油相比,在保證發動機性能不變的條件下,向汽油中添加體積為20%~40%的丁醇能使發動機在更稀的混合氣狀態下工作.丁醇體積分數為20%~40%的丁醇-汽油混合燃料未燃HC排放與無鉛汽油類似,但隨著丁醇體積分數的增加,未燃HC排放也會增加.丁醇體積分數為20%的丁醇-汽油混合燃料與純汽油相比,NOx排放物降低到較低的水平.隨著丁醇體積分數的提高,燃油消耗率輕微增加,這與混合燃料的熱值下降有關.例如,丁醇體積分數為40%的丁醇-汽油混合燃料比汽油的熱值低10%,燃油消耗率增加10%［14］.
研究人員研究了基于不同混合比的丁醇-汽油混合燃料的汽油發動機的性能,結果顯示:丁醇是一種非常有前景的代用燃料,在節能方面具有很大的潛力;丁醇可降低14%的制動燃油消耗率并減少排放［15］.
Dernotte等［15］研究了丁醇-汽油混合燃料的燃燒和排放特性,結果表明,BU40(丁醇體積分數為40%)的HC排放達到最低值,除了BU80(丁醇體積分數為80%),NOx排放沒有明顯變化.通過指示平均有效壓力(IMEP)的變化發現加入正丁醇提高了燃燒的穩定性,同時減少了點火延遲.
Wallner等［16］用一臺四缸直噴SI發動機研究了純汽油、E10(乙醇體積分數為10%的乙醇汽油)和BU10(丁醇體積分數為10%)的燃燒和排放性能,發動機轉速從1 000~4 000 r•min-1,負載從0 Nm升至150 Nm.結果顯示,BU10燃燒速度比E10和純汽油的高,三種燃料的燃燒穩定性沒有明顯不同,在發動機整個工作范圍內IMEP小于3%.相比于E10,BU10和純汽油在高負載時更容易爆震.相比于純汽油,BU10的油耗大約增加3.4%,E10的油耗大約增加4.2%,而三種燃料的制動熱效率非常類似.在純汽油和兩種混合燃料之間,CO和HC排放沒有顯著的差異,NOx排放BU10最低.由于丁醇的辛烷值低,在高負載的條件下需要推遲點火時間.根據試驗結果,BU10代替E10能夠改善燃油經濟性并且保證排放性和燃燒穩定性不下降.
目前國外關于丁醇的研究熱點之一是丁醇的低溫燃燒特性.Oliver等［17］給出了丁醇兩種同分異構體在低溫(550~700 K)條件下的燃燒氧化反 應路徑.Subram［18］通過試驗和仿真給出了正丁醇在750~850 K下詳細化學反應動力學機理,幾乎100%的燃料消耗是通過脫氫反應完成的,其中62%的原始燃料轉化成乙醛等物質,其它38%轉化成C3H7CHO等物質.
4 結 論
丁醇、丁醇-汽油混合燃料的燃燒持續期與汽油相當,混合燃料與汽油相比減少了點火延遲.當使用正丁醇-汽油混合燃料時,由于燃燒加快,為了獲得最大輸出轉矩,需要延遲火花點火正時.通過測算IMEP,正丁醇、正丁醇-汽油混合燃料的燃燒穩定性并沒有明顯變化.
截至目前,研究使用的發動機有CFR發動機、光學引擎發動機、單缸或多缸發動機.其中一些發動機使用了渦輪增壓、可變氣門、直噴等先進技術.從現有的研究中可以總結如下:
(1) 丁醇在混合燃料中體積分數小于20%時,不需要調整發動機就可以獲得和汽油燃料相同的發動機功率;當丁醇體積分數達到30%時,發動機最大功率開始下降;隨著丁醇體積分數的增加,燃料消耗量增加。這是由于和汽油相比,混合燃料的能量密度降低.丁醇-汽油混合燃料和乙醇-汽油混合燃料相比熱值高,試驗中燃料消耗量低.
(2) CO、HC、NOx排放的減少或增加取決于具體的發動機(如點噴或直噴)、操作條件、丁醇-汽油的混合比等.混合燃料與純汽油相比,未燃燒醇的排放增加,而且丁醇的占比越高,未燃燒醇的排放越高.混合燃料的排放物中醛類物質較高,其中甲醛是主要成份.和乙醇、醇汽油相比,隨著丁醇體積分數的增加,苯類物質排放增加,因此直噴點燃式發動機燃燒丁醇-汽油混合燃料會排放較多的碳煙.
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關鍵詞：燃燒；能源；航空燃料；生物質燃料；真空紫外光電離；激光診斷；化學動力學；模型
Annual report of combustion chemical kinetics research 2013
Abstract：Combustion provides over 80% energy supply for modern society， and plays irreplaceable roles in core fields such as industry， transportation and national defense. At present， combustion studies are moving from macroscale phenomenology to microscale turbulent simulation and combustion chemical kinetics， focusing on understanding the relationships of fuel compositions， molecule structures and combustion conditions with combustion efficiencies and pollutant emissions. In particular， the studies of combustion chemical kinetics of jet fuels and biofuels are very significant for national security and energy sustainability. In this year， our research focuses on the applications of vacuum ultraviolet （VUV） photoionization method in combustion research， combustion chemical kinetics of important components in jet fuels， combustion chemical kinetics of biofuels， and so on. For the first topic， we applied the VUV photoionization method in various combustion research fields， such as atmospheric pressure premixed flame studies， coal pyrolysis， biomass pyrolysis， and so on. We also published an invited paper on Proceedings of the Combustion Institute which is the most prestigious combustion journal， introducing our pioneering development of the synchrotron-based combustion diagnostic tool and applications of it in various fields of combustion research. In studies of combustion chemical kinetics of important components of jet fuels， we also performed an experimental and kinetic modeling investigation on the pyrolysis and oxidation of methylcyclohexane. In studies of combustion chemical kinetics of hot biofuels， we investigated the pyrolysis and oxidation of sec-butanol， the coflow diffusion n-butanol/methane flames and the low-pressure pyrolysis of methyl propionate. In 2013， we published over 37 papers on famous SCI journals in related fields， such as Proceedings of the Combustion Institute， Combustion and Flame， Journal of the American Chemical Society， Physical Review Letters， Review of Scientific Instruments， Energy & Fuels， Journal of Chemical Physics， Journal of Physical Chemistry C， Journal of Physical Chemistry C and Optical Letters， and finished the planned research targets.
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作者簡介：
