生物質能的特性范文
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篇1
[關鍵詞] 黃連；卡波姆；小檗堿
[中圖分類號] R282.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-0616（2013）22-14-04
Evaluation of preparation， in vitro release characteristics and gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer
LIU Taoshi ZHAO Xinhui DI Liuqing CAI Baochang
Nanjing University of Chinese Medicine，Nanjing 210023，China
[Abstract] Objective To explore the release characteristics and gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer. Methods Making the yield and drug loading of compound as indexes， the varieties of carbomer and concentration of carbomer and total alkaloids of coptis which were effect on the acid precipitation reaction were respectively investigated by using the single factor method.The release kinetics of compound of total alkaloids of coptis and carbomer in the medium with pH 1.2，pH 5.0，pH 6.8，pH 7.0 or pH 7.4 were respectively investigated by using the determination of in vitro release rate. The vitro gastric bioadhesive properties of compound of total alkaloids of coptis and carbomer were preliminarily investigated by using the determination of rat gastric retained amount. Results （1）The compound of total alkaloids of coptis and carbomer eliminated the bitterness of coptis，the optimal varieties of carbomer was 934P，the optimal concentration of carbomer and total alkaloids of coptis were 0.25%，1% respectively.（2）The compound of total alkaloids of coptis and carbomer had better release characteristics in artificial gastric juice.But the drug release were very slowly in four kinds of medium with water， pH 5.0，pH 6.8 and pH 7.4.（3）The residence time in the stomach of compound of total alkaloids of coptis and carbomer was significantly longer than that of total alkaloids of coptis. Conclusion The compound of total alkaloids of coptis and carbomer has good release characteristics and gastric bioadhesive properties.
[Key words] Coptis；Carbomer；Berberine
當前生物粘附制劑的制備方法主要是將藥物與生物粘附材料混合后裝膠囊或壓片，或制成微球，或用生物粘附材料包衣，由于藥物與粘附材料松散結合，存在藥物突釋和黏膜藥物傳遞效率差等問題（生物粘附材料與黏膜粘附并不意味著藥物也與黏膜粘附）。將藥物與粘附材料通過化學反應制成既具有生物粘附性又能緩釋藥物的聚合物前藥[1-2]，是生物粘附給藥系統研究的一種嶄新思路，可望降低藥物的突釋以及提高藥物的黏膜傳遞效率。卡波姆（Carbopol、
Carbomer）屬于聚丙烯酸衍生物，具有優良的流變學性質和生物粘附性能，是目前中藥生物粘附制劑和外用凝膠劑的一種重要的常用高分子藥用輔料[3]。黃連是一種重要的清熱解毒中藥，主含生物堿，包括小檗堿、甲基黃連堿，巴馬亭和藥根堿等，具有抗菌、抗病毒、止瀉、抗潰瘍、抗炎、抗心律失常、降血糖、降血脂、預防動脈硬化和抗癌等作用。由于卡波姆分子含有大量活性羧酸基團，可與黃連生物堿發生酸堿反應生成鹽類復合物。本研究對黃連總堿-卡波姆復合物的制備方法、體外釋藥性能和胃滯留性能進行初步研究，探討中藥聚合物前藥型生物粘附給藥系統的可行性。
1 材料與方法
1.1 儀器
Waters高效液相色譜儀（Waters 515泵，Waters 2487紫外-可見檢測器，Rheodyne進樣器，中科院大連化學物理所WDL-95色譜工作站）；RC610型智能藥物溶出儀（天津醫療器械研究所）、MJ-500電子天平（精度1mg，日本Chyo公司）、Libror AEL電子天平（精度0.01mg，瑞典Shimadzu公司）。
1.2 試藥
乙腈（高效液相色譜純，美國默克公司生產）；甲醇（高效液相色譜純，江蘇淮安市恒天工貿有限公司）；磷酸（AR）、磷酸二氫鉀（AR）、水為重蒸餾水。其余試劑均為分析純。化學對照品：鹽酸小檗堿（批號10713-200208，含量測定用）；鹽酸巴馬汀（批號732-9002，含量測定用）；以上對照品均購自中國藥品生物制品檢定所。
1.3 方法
1.3.1 黃連總堿的提取 稱取黃連藥材，加水煎煮2次，水提液減壓濃縮至0.2g藥材/mL，高速離心，取上清液備用。取預處理后的藥用規格的HPD-100大孔樹脂300g，濕法裝柱，將上述黃連水提濃縮液上柱，吸附流速為1BV/h；蒸餾水洗脫雜質，洗脫流速2BV/h，用碘化鉍鉀試液判定水洗終點；然后用60%乙醇洗脫黃連生物堿，洗脫流速1BV/h，碘化鉍鉀試液判定醇洗終點；合并含生物堿醇洗液，減壓回收乙醇，真空干燥，即得黃連總生物堿。
1.3.2 黃連總堿-卡波姆復合物的制備及其影響因素考察 將卡波姆和黃連總堿分別配成一定濃度的水溶液，混合，靜置12h，過濾收集沉淀，低溫真空干燥或冷凍干燥，即得黃連總堿-卡波姆復合物。以復合物收率和載藥量為指標，采用單因素法分別探討卡波姆品種、卡波姆濃度、黃連總堿濃度等因素對酸堿沉淀反應的影響。
1.3.3 黃連總堿-卡波姆復合物體外釋放度測定法 采用中國藥典二部附錄XD釋放度測定第二法“漿法”。攪拌槳轉速50r/min，溫度（37.0±0.5）℃，溶出介質是分別是脫氣的純水、0.1mol/L鹽酸溶液、pH 5.0磷酸鹽緩沖液、pH6.8磷酸鹽緩沖液、pH 7.4磷酸鹽緩沖液各900mL。取黃連總堿-卡波姆復合物約0.3g，精密稱定，投入溶出杯中，自樣品接觸溶出介質起立即計時，至規定時間（0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，12.0h），直接取樣5mL（每次取樣后補充介質5mL），用0.8μm孔徑的微孔濾膜濾過，照分光光度法，以溶出介質為空白，在345nm波長處測定吸光度，并計算累計釋放百分率。
1.3.4 黃連總堿-卡波姆復合物的體外生物粘附性評價
1.3.4.1 體外胃黏膜組織的粘附留存量測定 采用自制的測定裝置，見圖1（左），取禁食24h的大鼠，用戊巴比妥鈉溶液（40mg/kg）經腹腔注射麻醉，解剖取出胃，沿胃大彎剪開，用0.1mol/L鹽酸將胃內壁沖洗干凈，固定在支撐物玻片上，將卡波姆-生物堿復合物約40mg均勻灑在胃黏膜組織上，在相對濕度為92.5%（飽和氯化鈉溶液）的密閉容器中放置20min，充分水化后，將玻片傾斜45°放置，以輸液器控制流速，用0.1mol/L鹽酸溶液100mL沖洗，淋洗液收集于一已知重量的燒杯中，在70℃烘干，稱重，計算胃組織粘附百分率。
1.3.4.2 體外胃黏膜粘附分離力的測定 采用自制的測定裝置，見圖1（右）。用塑料袋中水的重量來測定藥膜與生物膜之間的剝離力。取禁食24h的大鼠，用戊巴比妥鈉溶液（40mg/kg）經腹腔注射麻醉，解剖取出胃，沿胃大彎剪開，用0.1mol/L鹽酸將胃內壁清洗干凈，剪成約1cm2的小塊，固定于玻片2上。取卡波姆-生物堿復合物，以蒸餾水配制成10%混懸液，涂布于玻片1上，50℃烤干，臨用前，以0.1mol/L鹽酸溶液潤濕10min后，覆蓋于玻片2上，使藥膜與生物膜緊密接觸，并施予100g壓力，15min后撤去外力，將1和2懸掛于鐵架臺，在2的下方系一塑料袋，向塑料袋中滴加水，直至因拉力過大而分離，稱取塑料袋中水的重量，即為粘附力大小。
組織留存量的測定裝置 分離力的測定裝置
圖1 體外生物粘附性評價測定裝置示意圖
1.4 體內生物粘附性初步評價
1.4.1 體內生物粘附性初步評價 將黃連總堿-卡波姆復合物和黃連總堿分別給大鼠（2組，每組8只）灌胃，一定時間（1，2，4，6h）后處死大鼠，解剖胃，取大鼠胃采用1%鹽酸甲醇提取，HPLC法測定小檗堿含量，計算經一定時間后大鼠胃內藥物的保留率。
1.4.2 黃連總堿的含量測定方法 小檗堿是黃連生物堿中主要成分，占50%以上，且巴馬汀、藥根堿、黃連堿和甲基黃連堿等季銨鹽類生物堿與小檗堿結構、分子量和紫外吸收圖譜均相似。故采用紫外分光光度法測定黃連總生物堿含量（方法學考察另文發表），結果表明該方法可靠、靈敏、快速。
1.4.3 黃連總堿中小檗堿和巴馬汀的定量方法（方法學考察另文發表） （1）色譜條件：色譜柱為Kromasil反相C18柱（5μm，4.6mm×250mm），柱溫30℃，檢測器靈敏度0.5AUFS，測定波長350nm，流動相為乙腈-0.05mol/L磷酸二氫鉀水溶液-磷酸（40∶60∶0.2），流速1.0mL/min，進樣5μL。（2）對照品溶液制備法：稱取鹽酸小檗堿2.71mg、鹽酸巴馬汀2.53mg和鹽酸藥根堿2.66mg，用鹽酸-甲醇（1∶100）定容至100mL，搖勻，即得。
2 結果
2.1 黃連總堿-卡波姆復合物的理化特征
黃連總堿和卡波姆在水溶液通過酸堿沉淀反應生成的復合物為無味的黃褐色沉淀，該復合物不溶于水、乙醇和氯仿，可溶于酸水。差示掃描量熱分析和紅外分光光度法結果表明黃連總堿和卡波姆形成了新的化合物。掃描電子顯微鏡結果（圖2）表明黃連總堿和卡波姆在水溶液中生成片狀或顆粒狀的沉淀。
表1 不同品種的卡波姆與黃連總堿在水溶液中的酸堿沉淀反應
卡波姆品種 卡波姆濃度（%） 黃連總堿濃度（%） 用量比（體積比） 沉淀收率（%） 沉淀載藥量（%）
934P 0.25 1 2∶1 75.14 31.86
971P 0.25 1 2∶1 67.52 30.55
974P 0.25 1 2∶1 65.37 29.78
注：；
表2 不同濃度的卡波姆934P與黃連總堿在水溶液中的酸堿沉淀反應
卡波姆934P濃度（%） 黃連總堿濃度（%） 用量比（體積比） 沉淀收率（%） 沉淀載藥量（%）
0.15 1 2∶1 65.09 33.17
0.25 1 2∶1 75.14 31.86
0.50 1 2∶1 76.95 26.32
圖2 黃連總堿-卡波姆復合物的電子顯微鏡照片（放大倍數上圖10000，下圖20000）
2.2 黃連總堿-卡波姆復合物的制備及其影響因素考察
黃連總堿-卡波姆復合物的收得率與載藥量與卡波姆種類、卡波姆水溶液濃度和黃連總堿水溶液濃度等因素有關。表1結果表明卡波姆934P與黃連總堿的復合物收得率和載藥量均高于卡波姆971P和974P，故卡波姆品種選擇為934P。表2結果表明，隨著卡波姆水溶液濃度的提高，黃連總堿-卡波姆復合物的收得率增加，但載藥量降低。表3結果表明，隨著黃連總堿水溶液濃度的提高，復合物的載藥量降低，但其收得率隨著黃連總堿大于1%時反而有所降低。
表3 卡波姆934P與不同濃度黃連總堿在水溶液中的酸堿沉淀反應
卡波姆934P濃度
（%） 黃連總堿濃度
（%） 用量比
（體積比） 沉淀收率
（%） 沉淀載藥量
（%）
0.25 0.5 2∶1 63.71 34.39
0.25 1.0 2∶1 75.14 31.86
0.25 1.5 2∶1 72.28 30.17
0.25 2.0 2∶1 67.05 26.41
2.3 黃連總堿-卡波姆復合物的體外釋藥動力學研究結果
表4結果表明，黃連總堿-卡波姆復合物在人工胃液中分解并釋放黃連總堿，具有較佳的緩釋性能。但在純水、pH 5.0、pH 6.8、pH 7.4四種介質中的釋藥非常緩慢，12h累計釋放依次是7.28%、32.59%、25.13%、39.06%。提示黃連總堿與卡波姆生成鹽類復合物后可能影響其在胃腸道轉運與吸收，宜制成胃滯留制劑。見圖3。
表4 黃連總堿-卡波姆復合物在不同介質中的釋藥動力學
時間
（h） 人工胃液
（pH 1.2） pH 5.0
緩沖鹽溶液 pH 6.8
緩沖液 pH 7.4
緩沖液 蒸餾水
0.5 15.75 4.16 2.83 4.61 1.05
1 22.34 6.49 4.32 8.93 1.76
2 35.29 9.77 6.81 14.05 2.37
4 52.66 15.26 11.58 20.90 3.45
6 68.04 21.37 16.71 26.45 4.71
8 80.43 26.86 21.84 32.12 5.36
12 93.57 32.59 25.13 39.06 7.28
圖3 黃連總堿-卡波姆復合物在不同介質中的釋藥動力學
2.4 黃連總堿-卡波姆復合物的體內生物粘附性初步評價
表5結果表明，黃連總堿-卡波姆復合物在胃內的滯留時間遠遠大于黃連總堿。其原因在于卡波姆是一種常用的生物粘附材料，卡波姆僅部分羧基與黃連生物堿反應，剩余羧基保證了黃連總堿-卡波姆復合物仍具有較強的胃腸生物粘附性能。
表5 黃連總堿-卡波姆復合物在大鼠胃內的留存量測定
項目 時間
1h 2h 4h 6h
黃連總堿-卡波姆復合物留存率（%） 86.14 73.52 61.49 47.05
黃連總堿留存率（%） 47.51 22.96 9.43 0.97
3 討論
卡波姆分子含有大量活性羧酸基團，目前學術界對卡波姆與堿性藥物能否配伍使用存在爭議。李捷瑋等[4]主編的《常用藥物輔料手冊》認為卡波姆與堿性藥物（如麻黃堿、小檗堿、阿托品和普魯卡因等）屬于配伍禁忌，不宜混合使用。而鄭俊民[5]主編的《藥用高分子材料學》和蕭三貫[6]主編《最新國家藥用輔料手冊》認為卡波姆能與堿性藥物生成可溶性的內鹽，具有緩釋作用，能配伍使用。英美藥用輔料手冊[7]（英文第5版，2006）卡波姆項下未明確說明卡波姆與堿性藥物能否配伍。檢索中國知識資源總庫（CNKI）和PubMed等英文數據庫，未發現專門研究中藥生物堿與卡波姆相互作用的文獻。
作者在前期工作中對卡波姆與中藥生物堿的相互作用進行了初步探討：（1）采用10種單味中藥水提液與卡波姆進行了配伍反應，發現卡波姆與含生物堿的黃連、苦參、吳茱萸、延胡索和粉防己水提液均反應生成沉淀，但與不含生物堿的黃芩、甘草、人參、生地和金銀花的水提液均不發生沉淀反應。（2）卡波姆與小檗堿、氧化苦參堿、粉防己堿和黃連總堿等在水溶液中均能生成沉淀（由于卡波姆分子僅部分羧基與生物堿反應，且不同分子結合數量不同，因此其產物是鹽類復合物而不是單體）。
本研究結果初步表明黃連總堿-卡波姆復合物既去除了黃連的強烈苦味，又具有很好的緩釋性能，更重要的是該復合物還保留了卡波姆的生物粘附性能，因此黃連總堿-卡波姆復合物是一種很有發展前途的聚合物前藥。但黃連總堿-卡波姆復合物不屬于傳統的前藥概念而屬于廣義前藥范疇。聚合物前藥是近年來前體藥物研究的熱門領域，在改善藥物不良味道、降低藥物的刺激性和毒副作用、調節藥物釋放和提高藥物靶向性等方面具有重要意義[8]，如鞣酸小檗堿[9]、聚谷氨酸-喜樹堿和HPMA共聚物-喜樹堿[10]等。此外本論文還有許多后續工作要做，如黃連總堿-卡波姆復合物的藥效學和毒理學研究、體內生物利用度研究以及體內外相關性研究等。
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[4] 李捷瑋，劉吉祥.常用藥物輔料手冊[M].上海：第二軍醫大學出版社，2000：210.
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篇2
[關鍵詞]生物質能；產業化發展；可再生
[DOI]1013939/jcnkizgsc201716074
1前言
以化石燃料為主的能源結構不僅具有不可持續性，且對生態環境造成極大的壓力，因此尋求能源多元化和發展可再生清潔能源已成為大勢所趨。20世紀末以來，歐美等國紛紛采取財政補貼、稅收優惠、農戶補助等激勵政策，引導生物質能產業化發展。已取得了一定的成效。（車長波、袁際華，2011）2000―2005年全球生物乙醇產量翻了一倍多，生物柴油翻了幾乎兩番，而同期全球石油生產只增加了7%。（Worldwatch Institute，2006）。經濟合作與發展組織和聯合國糧食與農業組織共同的《2013―2022年農業展望》曾預測：到2022年生物柴油的比例將占歐盟能源的45%，而燃料乙醇的比例也將占據美國能源的48%。
囿于技術等各方面的原因，中國生物質產業發展相對滯后。在第一代生物質能生產中，國際上成功案例主要以玉米、小麥、糖料和各種油籽等能源作物的規模種植作為生物質能產業化的基礎，此種模式與中國“人多地少”的現狀形成沖突，較難在中國復制。第二代生物質能技術，利用木質廢料、作物秸稈及農產品廢棄物等纖維素為原料生產乙醇，弱化了食品和燃料之間的競爭。這使中國在生物質能產業化進程中不再望“原料”興嘆，而是獲得了變廢為寶的機會。中國在“十二五”規劃中都將生物質能產業作為戰略新興產業來培育和發展。生物質能產業化發展需要將國外的成功經驗與中國的國情相結合，走一條因地制宜的新路。本文試圖對生物質能產業發展的社會經濟影響，制約生物質能產業發展的影響因素以及政策規制等方面進行綜述。
2國外相關研究現狀
21關于生物質能產業的利弊
Von Braun（2006）認為生物質能產業可能帶來四個方面的影響：一是環境效應，比如二氧化碳排放量減少，防止破壞生物多樣性、減少因化肥與農藥的過度使用造成的土壤退化、減少大氣污染等；二是生物質能產品逆向傳導生物質原材料的供求，而對食品、飼料供求和糧食安全造成影響；三是生物質能作為傳統能源的替代，δ茉詞諧〉撓跋歟凰氖巧物質能產業化發展對不同區域及不同收入人群將造成直接或間接的影響。總之生物質能的發展有利有弊。
Danniel GDe La Torre Ugart、Burton English等（2006）認為生物能源可起到緩解能源壓力和減少貧困人口，促進經濟發展等作用。在發展中國家，農業多為勞動密集性產業，生物能源的發展將促進農產品供需，推動農村人口就業，增加收入。Danniel通過實證分析，當生物質能產業化發展，生物乙醇產量達到60億加侖/年和生物柴油16億加侖/年時，可以不用休耕地。預測2007―2030年生物能源產業化生產將累積創造收入210億美元，創造240萬個工作崗位。
另一些學者則認為生物質能的發展將對發展中國家的食物安全造成極大威脅。生物質能的發展使大量的糧食轉化為燃料、將生產糧食的農地用于能源作物的生產，將大量減少糧食供給，從而推動糧食及飼料的價格上漲（Brown 1980）。能源與農業間的關系隨著生物燃料發展而變得更為緊密（von braun 2008）。
De La Torre Ugarte利用POLYSYS系統，研究了在兩種假設的價格方案下能源作物的生產對美國農業部門（包括農地的利用、傳統作物的價格及農場主的收入）的影響。Babcock（2007）認為發展生物燃油，必須先考慮其對環境以及農業的影響，特別是對于農作物和畜產品的影響。
以上結論表明，發展生物質能產業須進行模式選擇，充分考慮新興產業發展對各方面的影響，包括環境、農業及農民收入、糧食價格等。
22生物質能產業發展影響因素研究
RJHooper和JLiEGKoukios（2003）站在投資者立場進行分析，認為決定生物質能產業投資的主要因素來自于市場和政策。生物質能的價格、技術是否能與現存能源供給結構相兼容是企業首先要考慮的。制約生物質能產業發展的因素包括：生產成本高但售價低、生物質能產品市場風險難以測算、企業應對市場風險及政策風險的能力不足、生物質能對環境的影響不確定。
Tomas Kaberger和Kes McCormick（2007）對歐盟的相關能源政策進行對比分析，肯定了政策是促進生物質能產業發展的關鍵因素。
Hillring（2002）提出對生物質能產業發展方向的調控，應從新能源產品提供、能源消費結構調整及相關產業配套等方面著手。其總結瑞典生物質能利用經驗并提出：小生態公司將具有發展優勢，公司實現一體化經營。
23生物質能產業政策研究
政策在生物質能產業發展中占據重要位置，國外學者多用模型模擬政策沖擊，分析不同的生物質能激勵政策對相關產業、產品以及對環境或社會福利的影響。
Kanes等（2007）利用CGE模型評價了波蘭不同生物質能激勵政策的成效：相較于直接對生物能源補貼，提高化石能源稅顯得更有效率；生物質能部門受益更多的是間接稅的減免。
Ray（2000）通過運用POLYSYS模型模擬了相關農業政策對生物質能產業發展的可能影響。該模型測度了潛在的生物質能源和生物柴油供給量，并指出要充分將農業部門與環境、區域經濟和相關產業聯系起來，以促進生物質能產業的發展。
Johansson（2007）的研究表明，沒有政策限制，農民將優先使用農用地種植能源作物，這樣會進一步加劇糧食作物與能源作物在土地利用上的競爭。其運用LUCEA模型模擬了嚴格的二氧化碳減排政策對糧食、土地價格和溫室氣體減排的影響。結果表明：隨著碳稅提高，生物能源的供給量將會隨之提高，且生物質能原料主要來源于林木剩余物，糧食價格比基準價格上漲兩倍，二氧化碳排放量至2100年接近零。
Ignaciuk等（2006）在模型中選擇六部門進行局部均衡分析：其中包括糧食作物馬鈴薯、谷物；能源作物大麻、柳樹；傳統電力部門及生物電力部門。探討不同的能源稅收和補貼政策對碳排放、相關農產品產量和價格、生物能源產量及價格的影響。結果表明：對傳統電力征收10%的稅，對生物電力實行25%的補貼，將使生物電力的份額增加到75%，生物質和農產品產量增加。增收的碳稅補償環境，此外碳稅還將導致農產品產量降低1%～4%。
Gohin利用開放的CGE模型評估歐洲生物能源政策對農業部門影響。結果表明：在歐盟的能源政策下，可通過進口滿足生物柴油的需求，在巨額的進口關稅下，生物乙醇產量大增，能滿足國內需求。同時生物能源的大規模生產將導致國內畜禽類產品價格下降，產量增加。政府需補貼105億歐元，其中國外生產者獲益48億歐元，國內食品工業獲益25億歐元，農民收入增加32億歐元，并可提供四萬個農業就業機會。
3國內相關研究
31中國生物質能產業發展的制約因素
石元春（2011）提出降低生產成本是我國發展生物質能最需要解決的問題，其次是技術標準問題，對于生物質成型燃料，需要有相應的技術標準和規范，使之發展成為一種通用燃料。
王應寬（2007）分析了產業化發展空間，并總結了中國生物質能的產業化途徑。從生物質資源潛力、產品成本、環保效應等方面分析了我國生物質能產業的發展前景。其認為生物質能產業化開發的核心動力還是技術創新。生物質能產業化發展需要克服生物質原料極其分散，運輸成本、生產成本、采集成本高等制約因素。
通過研究生物質能商業化途徑，提出了生物質能產業的四大支撐體系，即政策扶持體系、資金投入體系、市場保障支撐、技術支撐保障體系，對生物質能源產業的發展提出了相應的對策措施（王雅鵬等，2007）。
吳創之等（2007）提出生物質能循環系統研究平臺的建設是生物質能產業發展的必要條件。
孫振鈞（2004）綜述了國內外生物質能產業發展的4個取向：生物質發電、生物質液體燃料、生物質有機高分子材料和能源農林業。認為生物質能產業發展方向應該與振興農村經濟和改善農民生活相結合，向小型、分散、統分結合的模式發展。能源農業應該與新興能源工業有機結合，使之形成生物質能產業鏈。
趙振宇等（2012）提出生物質發電行業的主要威脅在于上下游相關配套產業不協調、缺乏配額制、發展風險難評估等因素。
32生物質能產業政策影響及規制
劉飛翔（2011）在其博士論文中構建了四個層次的生物質能源政策永續發展評價指標體系。包括1個一級指標（生物質能源政策永m性發展）、4個二級指標（生物質能決策系統科學性、生物質能供給系統穩定性、生物質能消費系統持續性、生物質能科技研發與教育）、8個三級指標、22個四級指標構成的評價體系。通過專家問卷法確定各指標權重值，選用綜合評分法評價生物質能產業發展中政府規制與激勵價福建生物質能政策整體績效。此外從市場機制中生物質產業組織方式、市場準入制度、價格激勵性管制、社會性管制四個領域展開政府規制與激勵的主要工具選擇研究，提出生物質產業激勵的方向、手段和領域。
胡應得等（2011）利用CGE模型模擬征收能源稅對生物質能產業及宏觀經濟的影響。結果表明，對能源產品征收150元/噸標煤的能源稅，從量稅轉換為從價稅后，煤炭、石油、天然氣的稅率分別為25%、85%和9%，生物質能占比上升了0082%，而GDP、投資和出口等指標都有不同幅度的下降。
吳永民通過構建CGE模型分析了財政政策對于燃料乙醇產業發展的影響。結果表明：在非糧種植業階段和生產階段給予財政補貼都會促進燃料乙醇產量和乙醇汽油產量增長，在生產階段進行補貼會引起農村和城鎮居民收入的小幅減少，而非糧種植業階段的補貼能夠提高農民的收入。
綜上所述，生物質能產業作為新興產業，政府的扶持和引導意義重大。但政策選擇需依托于國情，完全照搬國外條條框框很可能出現“水土不服”。建立中國特色生物質能產業良性發展的政策激勵和規制才是長久之策。
參考文獻：
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[3]石元春決勝生物質[M].北京：中國農業大學出版社，2011：65-68.
篇3
關鍵詞生物質能源；樹種；發展趨勢；開發利用；前景
中圖分類號 S727.4文獻標識碼A文章編號 1007-5739（2011）11-0227-01
我國現已查明的木本能源油料樹種有400余種，其中含油量在15%~60%的有200多種，集中分布在亞熱帶至熱帶區域，在山區往往與常綠闊葉林或落葉林相伴生，而且以野生為主（占總數的75.4%），多以成片式集中分布，因此可以建作原料基地；同時約有10種生物質燃料油植物能利用荒山、沙地等宜林地進行造林，并建立起規模化供應基地，如黃連木、文冠果、麻風樹、光皮樹等。因此，發展挖掘生態經濟價值較高的重要能源替代樹種，已經成為非木質森林資源開發的重要方向和研究熱點[1]。
1生物質能源樹種發展趨勢
1.1我國林業生物能源發電已進入產業化階段
國家林業局能源辦負責人錢能志在接受記者采訪時說，我國林業已較快發展，目前林業生物能源資源的培育和產業化開發，已進入實質性實施和推進階段。國家林業局科技司負責人說，近幾年內要大力發展生物質能源發電產業，加快生物質能源樹種培育和推廣工作。
1.2生物質能源開發是我國能源供給的重要補充
隨著我國經濟迅速發展和人民生活水平的不斷提高，油脂的需要量也在不斷增加。據預測，到2030年我國木本食用油的市場需求量為3 000萬t（按食油消費量接近世界平均水平計），缺口為2 300萬t，供需矛盾突出。當前，能源供應安全正越來越引起世界各國的重視，生物質作為一種可再生和環境友好型資源，已經成為各國開發新能源的重要方向，木本油料樹種可以制備生物質柴油，將成為生物質柴油生產的最主要原料。因此，要從根本上保障國家的糧油安全和能源安全，開發木本油料是解決供需矛盾的重要環節。
1.3生物質能源開發是我國糧油安全的重要保障
我國在人口、食物、能源、環境和資源等方面的問題日益嚴峻，向森林和樹木要食物，目前被一些國際組織和國家所重視，“從自然多樣性收取碩果”就特別強調了森林是糧食、能源和環境安全的保證[2]。因此，我國增加生物質能源的重要途徑就是因地制宜，充分利用邊際性土地種植油料植物，以期為我國發展人工燃油植物林提供豐富的物質基礎。我國在生物質能源方面提供充足的可再生原料，對于加強我國在能源方面的獨立性、減少對國際石油市場的依賴性、保證生態工程的可持續發展、保障能源供應、穩定經濟發展具有重要意義，是中國特色的生物柴油發展的必由之路[3]。從長遠來看是利在當代，功在千秋的好事。
1.4生物質能源樹種適應性強、栽培成本低、效益高
生物質能源樹種一般為多年生，只需一次種植，便可實現多年受益。如省沽油、油茶等，栽種至結果時間為3~5年，而受益期可以超過40年，實行科學管理，合理經營，其產量穩定，將會長期有收獲。同時生物質能源樹種生長的自然環境大部分是空氣清新、光照充足的山林、荒野、路渠旁等地，環境潔凈，不受或很少受“三廢”的污染，而且其適應性強，栽培成本低，效益高，市場競爭力強[4]。
2景德鎮市生物質能源樹種發展現狀
為了進一步摸清生物質能源樹種資源現狀，特對景德鎮市生物質能源樹種資源進行調查，為編制全市能源林培育規劃提供基礎數據，為出臺相應政策措施提供依據，以切實加快景德鎮市林業生物質能源建設步伐。調查的范圍涉及全市18個重點林區鄉（鎮）。調查內容包括油料能源樹種（光皮樹、省沽油、三年桐、千年桐、烏桕、山蒼子）和木質能源樹種（檫樹、木荷、小葉櫟、麻櫟、白櫟、苦楮、濕地松、晚松、馬尾松等）兩大類。重點調查樹種資源分布區域、現有面積或株數、現有林木或林分生長情況以及可用于培育能源林的荒山荒地面積。景德鎮市鄉土樹種熱值量見表1。
對景德鎮市生物質能源資源樹種的調查結果表明，該市的森林生物多樣性豐富，大量木本油料樹種仍處于野生狀態。生物質能源樹種如省沽油、光皮樹等，具有生長快、繁殖力強、耐干旱、耐貧瘠、抗逆性強等特點，由于其根系發達，大量種植具有生產植物油脂、綠化荒山、提高森林覆蓋率、保持水土、調節氣候等作用，生態效益和社會效益顯著。加之該市氣候、土壤等立地條件較好，對生物質能源生長、發育比較有利，而且土地資源和農村剩余勞動力資源充足，適合發展生物質能源生產和綜合加工，表明景德鎮市已具有綜合開發利用生物質能源的基礎條件。另外，景德鎮市領（下轉第229頁）
（上接第227頁）
導對生物質能源生產及綜合開發比較重視，而且該市科技力量比較雄厚，為該市生物質能源生產和綜合開發利用提供了領導基礎和技術儲備力量[5]。通過調查，為群眾充分地利用山場提供了指導，而且提高了當地群眾發展生物質能源的積極性，為擴大全市生物質能源基地建設，更好地營建生物質能源基地和生物質能源的綜合開發與利用等提供服務。
3開發利用前景
景德鎮市林業生物質能源資源豐富，發展的潛力和空間巨大。以利用林木所含油脂為主，將其轉化為生物柴油或其他化工替代產品的能源林稱為油料能源林；以利用林木木質為主，將其轉化為固體、液體、氣體燃料或直接發電的能源林稱為木質能源林，故生物質能源綜合開發利用前景看好。該市種植生物質能源樹種不僅具有區位優勢和品種優勢，而且具有技術優勢，其在栽培管理方面技術配套成熟先進，并在生物質能源基地建設方面已具有一定的規模。生物質能源樹種綜合開發利用對于促進山區資源優勢經濟轉化、以林扶貧、繁榮鄉村經濟、加快山區人民脫貧致富等都具有重要意義。
4參考文獻
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篇4
生物質能源是太陽能以化學能儲存在生物中的一種能量形式，它以生物質為載體，具有資源豐富、可再生、環保等優點。通過對生物質材料的開發和加工獲得燃氣、燃料、電能等各種形式的能源，與風能、太陽能、核能成為新的能源替代路徑。隨著基礎能源的日漸枯竭和環境的日益惡化，開發可再生的生物質新能源成為世界各國的重要戰略選擇。中國作為一個生物資源豐富的國家，發展生物質新能源的戰略意義尤為突出，生物質能源的發展受到國家的高度重視，并已列入國民經濟發展的的重要日程中。《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》中明確提出大力發展可再生能源，擴大生物質液體、燃料生產能力，將生物質液體燃料作為“十一五”國家能源戰略的重要組成部分。但是，在看到生物質新能源將給人類帶來的新機遇的時候，也要清醒的意識到，生物質能源的開發和利用因其本身的特點也會帶來一系列的負面效應，如果不能很好的面對這些挑戰，長期來看，生物質能源不能處在一個健康和可持續的發展軌道上。所以，認真思考生物質新能源領域中的產生的新的倫理問題也是亟待關注的一個方面。
1生物質新能源開發利用中的倫理關涉問題
1.1生物能源發展與糧食安全問題
生物質能源的主要載體為生物，主要是能源植物。生物質新能源的開發直接或間接的影響到糧食的安全問題。
1.1.1生物新能源所需糧食性原料對糧食安全的威脅
目前各國使用的目前各國發展的第一代生物質能源使用的原料主要是玉米、甘蔗、油料作物。其中美國主要是玉米和大豆油；歐盟則是玉米、小麥、大麥、菜籽油、甜菜和大豆油；巴西為甘蔗和大豆油；加拿大為玉米和小麥；中國和印度為玉米；馬來西亞、印度尼西亞為棕櫚。而第二代、第三代生物質能源的開發需要對非糧食性生物質能的深度加工利用，這將提高研發的技術難度和開發成本，所以目前的趨勢為生物質能源主要以第一代也就是糧食性作物作為生物質能源的來源。這直接對人類的糧食性需要產生影響，特別是對糧食供給的影響。以巴西為例，在水資源豐富和土地資源豐富的地方，還不能凸顯這種矛盾，但是一旦這些資源受到很大限制時，人的口糧與新能源的激烈大戰就會打響。這里涉及到一個人權的問題，人類的自身生存都不能保證，還談何能源的利用呢？這個問題在我國的情況可能比較突出，玉米被作為燃料乙醇的最主要來源，需求量持續大幅度增加，加劇了供需缺口。例如2003年我國燃料乙醇年產僅有7萬t，近幾年一路飆升，至2006年已達到年產100萬t。市場上玉米價格猛漲，燃料乙醇生產遇到了與民爭食的問題。為了解決13億人口的吃飯問題，國內可耕土地已經筋疲力盡，玉米被作為燃料乙醇的最主要來源，需求量持續大幅度增加，加劇了供需缺口，如果考慮單純的玉米的來源，那么我們就只能餓著肚皮開車了。
1.1.2能源種植所需要的土地對糧食安全的威脅
非糧食性能源作物的需要也直接擠壓著糧食性作物的耕地使用，非糧食作物的高收益率和能源開發的迫切需要的雙重擠壓導致了非糧食作物的種植對有限的糧食耕地的使用，這將直接導致糧食供給的短缺。
1.1.3生物新能源開發對糧食安全的間接威脅
生物質能源的開發利用也間接的影響到糧食安全，生物質能源的開發利用將會誘導使用在原有糧食生產領域的資源到新能源的開發過程中來從而對傳統的農業功能發生重大轉變，使農業的發展不在以傳統意義的農產品為主，那么新的農業的發展應該如何適應這種轉變？農業之當展的倫理定位何在？與農產品糧食相關聯的市場也將會受到生物能源開發的影響，生物質能源開發利用對傳統農產品的資源、以及與之關聯的農產品的價格的上漲也嚴重威脅著人類對食用糧食產品的利用。
1.2生物安全性
1.2.1能源作物的生物改良的安全風險
在生物能源的發展過程中，生物質能源的來源除了天然的生物外，還會需要對一些生物種質進行基因改良，以便提高生物能源的利用率，滿足規模化生產的需要。現代生物技術在生物質能源的發展中扮演了非常關鍵的一環，這種生物技術的應用必然影響著生物的遺傳特性，從而也會影響其所處的特定生物環境。所以生物能源作物的培育種植對環境的安全也是一個非常值得重視的方面。生物能源的生產來源主要是一些能源作物，而天然的能源作物又存在著產能低、占地廣、生長條件苛刻的一些原因，所以要想找到一種天然的品質優良的作物是很困難的，有必要將天然的能源作物使用現代生物技術改良，而這些轉基因改良后的作物的安全性評估又是一個值的考慮的因素。這也是所有轉基因生物對環境安全都要面臨的一個風險。所以考慮發展生物能源過程中對環境的影響都是需要權衡利弊的一個重要方面。
1.2.2生物質能源的開發利用對生態環境的破壞
在種植生物質能源作物過程殊的肥料、農藥、除草劑可能會產生對周圍生態的間接影響。比如對水質的影響，在美國的密西西比河岸有一個巨大的玉米能源種植區，這些地區是美國最理想的能源作物種植環境，但同時在種植過程中大量的化學肥料、農藥的使用導致水源的質量逐年不斷下降，同業也嚴重影響了當地漁惡民的漁業生產，所以在總體上因其帶來的損失也抵消它的經濟效益和環境可持續的代價。
1.2.3生物質能源開發對生物多樣性的損害
生物能源開發過程中必然涉及對生態系統生物多樣性的影響，生物質能源的開發的能源作物的種植長期來看必然導致新的生態環境生物多樣性的干擾，數據報告顯示截至到2020年為止，美國的谷物和大豆的生物種類將會下降到60%，相比于沒有覆蓋能源作物的地區，亞洲油棕櫚能源作物也將下降到85%，Fletcher等人的研究也發現，對脊椎動物來說，替代能源作物區域的生物多樣性和豐富性要遠遠低于同樣條件下的未種植地區的種類。所以在考慮生物質新能源的能源作物種植時，與當地的生態安全和生物種類的影響是需要考慮的倫理問題。
1.3環境可持續性
生物質能源雖然相比其他的新能源有著清潔、低污染的優勢，但是受生物新能源發展本身的多因素影響，使得生物質能源的發展并不是沿著一個低耗能的環境可持續性的發展方向前進。
1.3.1能源需要的緊迫性導致對環境可持續的忽視
生物質能源受形式所迫，即能源危機的迫切需要，導致在環境和生活需要之間的失衡。能源危機問題日益嚴重，同時環境危機的解決也亟不可待，在面臨能源危機和環境危機的雙重壓力下，短期內很難得到兩全其美的解決，人們往往注重短期的生活需要，而忽視長期的環境可持續的需要，甚至以非必須的生活需要滿足為由開發生物新能源以換取環境可持續的要求。
1.3.2生物質能源的生產過程復雜性導致中間環節對環境影響的忽視
生物質能源可能在其結果終產物看來是非常理想的低污染能源，但是由于其生產過程的復雜性，導致附屬產品和生產環節對環境可持續的破壞容易受到忽視，而且有時候從總體看來，相對于環境的可持續的價值，生物能源的開發可能具有非常大的負價值。大面積種植單一作物將會改變生物多樣性環境，水土流失嚴重，以東南亞的婆羅洲島為例，該島先前是一個環境非常好的熱帶雨林，隨著可再生能源-生物柴油的開發熱潮，為了生產更多的棕櫚油，這里的人們開荒辟地，擴種棕櫚樹。導致這里的生物種類急劇單一，而且也造成了當地氣候的急劇變化。產能低、占地廣和需要傳統化肥的作物對后續環境的不可利用性。因為較低的產能，所以需要的種植面積是非常大的，同時對水源的需求也急劇上升,而水資源問題在未來也將是一個非常嚴峻的問題。
1.3.3生物質新能源生產過程中的能源消耗中環境可持續的忽視
生物質新能源的生產需要對生物質初材料進行加工和處理才能獲得可以直接使用新的能源。在將生物能源物料加工成生物柴油終產品的過程中，這個過程還要需要多個過程農用設備及乙醇轉化裝置還需要大量的傳統能源維持生產，以及其加工過程的副產物的環境污染，這也將影響到新能源的環境可持續方面。這個過程中需要直接和間接的使用到基礎能源，那么就不能不評估生物質能源的產出和投入之間的比較。傳統的樂觀派只是看到生物能源能解決當下的能源危機難題，或者其對經濟發展帶來的拉動作用。但是忽視了對生物能源的產出和所投入能源的之間的凈收益比較。如果不考慮對基礎能源的投入，那么發展和開發利用生物質新能源就不是緩解傳統的能源壓力，而是加重了能源危機，因而是一種不道德的能源戰略。美國康奈爾大學DavidPimentel跟蹤了多種農作物生產乙醇和生物柴油的成本，包括種植、生長、收獲過程中所需的能源，肥料、殺蟲劑的使用以及運輸所需能源，種植需要和生產過程中的需要的能源損耗比其產出的能源還要多。這樣看來生物質能源的開發的過程也可能產生投入大于產出的可能，所以這種開發可能對于環境的可持續性來說具有消極的影響。
1.4生物新能源與新殖民主義
生物能源對于原料產地的要求和本身的可能產生的負效應，使得生物能源的發展在國與國家之間的利益也成為新的倫理焦點。越來的越多的發達國家將生物能源的生產放在較為不發達的國家中來，將生物能源的負效應轉嫁到不發達國家身上，SeifMadoffe認為這將導致“氣候殖民主義”，“大規模搶占非洲土地”，歐洲企業，其中一些有外國援助資金支持，正快速地在熱帶國家建立廣大的碳栽培牧場（CarbonMonocultureFields）。關于坦桑尼亞的Saadani國家公園，Madoffe質疑富裕的發達國家在這些地區種植“可再生”碳是否道德，因為這些對當地貧民有嚴重的負面影響，而且要砍伐熱帶雨林來給“碳牧場”栽培騰地方。是否真的有大面積不使用的土地？不，這是不可能的。源地釋放的碳能夠被另一個地方的植物固定吸收嗎，或者說碳可以從一個國家“出口”到另一個國家嗎？這就會引發諸如不平等權力關系和不公平商業交易等方面的問題。富裕國家在這些地區種植“可再生”碳，但卻會給當地貧民帶來嚴重的負面影響，而且要砍伐熱帶雨林來給“碳牧場”栽培騰地方，這樣合理嗎？此外，為了緩解氣候變化，在貧窮國家占用大規模耕地，消耗大量的水資源，污染土地、河流和海岸生態系統，這樣做對嗎？看看那些歐洲和美國公司擁有的大型種植項目，這些項目還受到“發展援助”的資助。所以在生物能源發展的過程中相同于其他能源的發展，生物能源的發展的在新的利益驅使下，有可能打著發展貧窮國家的經濟的幌子來轉嫁生物能源風險的目的。
1.5利益相關者的分配
在生物能源的發展過程中涉及到多方的利益問題，主要涉及到能源使用者、能源開發者、能源間接的利益相關者的利害關系問題，能源使用者、能源開發者的常常由于直接的與新能源的利益相關，所以往往側重于它們之間的利益，而間接的能源相關者也因為與新能源之間的聯系的潛在性和隱蔽性而常常受到忽視。①富人和窮人間因新能源產生的經濟不公平，由于生物新能源的開發往往附帶著巨大的投入，所以這種新能源的使用代價也相比傳統的能源使用成本要高，而這也將導致新的使用階層和不能使用階層之間隱性不公；②如前所述，新能源的開發可能會給直接的能源需求者帶來豐厚的經濟利益，為能源使用者帶來實際的能源便利，但是這對于那些對基本生活的糧食需要者，處在饑餓狀態的窮人來說，將會加劇這種利益之間的沖突。除了糧食的危機，因能源開發所導致的農業資源緊缺、農產品價格上揚、環境損失、都以不同的形式與潛在的利益相關者相連，在這其中經濟利益和實用效果可能往往會受到極大的關注，而潛在利益相關者的利益可能會受到忽視，比如，在生物能源的開發的過程中可能面臨著產業升級換代的過程，新的生物能源研究開發面臨著一個轉換的過程中舊的能源領域的從業人員可能會被要求掌握新的技術，而且新的生物能源生產所需要的新的倫理規范來規范和引導生物新能源生產，所以對舊能源領域轉型人員以及生物新能源開發利用所涉及到的相關從業人員的“善”待以及對他們的倫理規導都是需要關注的倫理問題。綜上所述，生物質新能源的發展在為當代的人類生活帶來極大的便利時也產生了一些單靠技術所不能解決的倫理問題，這些問題是因為生物能源發展本身所受的多方面因素所導致的。包括經濟利益的驅使、能源危機的解決迫切需要、生物質因素的特點決定、環境可持續的需要、貿易公平的需要、利益相關者的分配等幾種倫理關涉，在生物能源的發展的過程中必須考慮到這幾方面所帶來的倫理問題的思考，因此，筆者在這里提出幾條潛在的生物新能源發展的倫理原則以使的生物能源的開發利用處在一個健康和可持續的發展軌道上，使得生物能源能真正的為人類的生活帶來便利。
2生物質新能源開發利用中的倫理原則
2.1保證生物質新能源開發利用對人類不傷害性
生物能源的發展必須以滿足能源的需要為界限，不能危及到人們必須的、基本的生命需要。依照康德義務論倫理，人是發展的目的，所以必須正視生物能源所涉及到的人的其他利益需求，生命的需要是擺在首要位置的。不能用犧牲食用糧食的代價，特別是貧困人口的饑餓甚至死亡換取部分人的非必須的能源需要。其次要注意生物能源開發過程中的不傷害性，要采用對人無害的生物質能源利用技術、工藝。考慮生產諸環節可能存在的潛在危險。最后要注意到生物質能源利用對人類其他必要的生活領域的潛在影響，尤其要注意使用者和生物能源開發相關利益者的聯系，保證生物能源的開發不會威脅到這類人群的基本的生命權利。
2.2生物能源的開發利用要注重效率
目前來看，大部分的生物質新能源開發利用的回報率不高。整個新能源開發利用過程中必須從整體上對投入和產出之間的能源做總體分析，使得產出的能源利用率大于投入能源消耗率。更不能將新能源的直接經濟利益作為開發利用生物能源的充分理由，必須考慮對基礎能源的使用成本。在投入資源到生物新能源的開發研究時，必須強調能源效率的凈收益。首先，這種效率除了要考慮能源本身的投入和產出效率外，必須要考慮整個能源開發過程中的綜合效率的提高，生物能源開發利用過程中要涉及到對經濟、環境、人類生活、氣候、以及其他各種潛在的影響，這種新的生物質能源的開發利用的成本是不是太大？這些成本不僅包括經濟成本，還要包括對環境、人、以及其他相關利益損失的機會成本，必須保證開發的凈利益要大于所有成本的總和。再次，注重對開發生物質新能源的開發利用在目前存在條件下不確定性的風險評估，生物能源的開發所使用技術是技術創新的結果，不可避免的會產生一些不確定的風險，包括對生命、社會的影響，所以在考慮總體的收益的時候要考慮這些不確定因素的風險，同時采取適當的解決措施盡可能減少這些風險。
2.3生物能源的開發要注意環境的可持續性原則
生物質能源開發對環境的依賴性也要求生物質新能源的開發利用也需要考慮環境的可持續性。首先，必須保證最低限度的對環境的污染，生物質能源的開發利用過程中必然產生對環境的負面影響，所以生物新能源的開發利用必須確保它比化石類能源的對環境的可持續性方面要效果更好，需要制定必要的環境可持續性標準。再次，生物能源的開發利用要適度，不能超過環境的可再生限度，杜絕粗放的使用生物質能源的開發方式，同時要兼顧代級之間對環境的需要。當下的生物質能源的開發不能影響到后代的生態系統的安全。要求在開發生物質新能源的過程中考慮到持續性的對土地、水源和其他自然資源的利用的綜合因素，也不會破壞生態平衡和生存的氣候環境。最后，生物質能源的開發必須保證生物質來源的安全性，考慮到生物技術改良的生物資源對環境安全和可持續性的影響。保證不危及環境的可持續利用。
2.4生物新能源開發利用要保證經濟公平
生物能源的開發過程中必定會產生潛在的風險，這些風險往往被能源投資者以扶貧和經濟利益的形式誘使貧窮國家接收這種風險，這在短期可能會改變貧窮者的經濟狀況，但是長期來看生態資源的過度開發，以及潛在的利益損失會拉大貧窮和富人之間的差距。同時在新能源相關的市場中，也可能加大這種差距，可能會把新能源開發的風險分攤到未使用者的身上。所以生物能源的開發必須考慮周全它所涉及到的相關利益者的利益，保證窮人的利益至少不會受到傷害，最大程度的協調好各利益相關者的利益。對涉及到的新能源更新換代的產業升級過程中保持對所涉及到的弱勢群體的關注，給予“善”的關懷。
篇5
關鍵詞：生物質發電；生物質燃料；燃料輸送系統；適應性
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.160
1 概述
生物質發電技術是上世紀七十年代以來，為了應對國際石油危機逐步發展起來的，能夠將大自然廣泛存在的可再生生物質能源轉化為電能的一種新型技術，主要采用農作物秸稈和林業廢棄物作為發電燃料。到了21世紀，隨著化石燃料的進一步緊張，生物質能源利用也越發的重要起來，利用生物質能源能夠有效地節約煤、石油、天然氣等一次不可再生能源，是目前國際國內研究的前沿課題。
目前，世界各國尤其是發達國家，都在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術，以達到保護礦產資源、保障國家能源安全、實現CO2減排、保持國家經濟可持續發展的目的。但是由于國內生物質直燃發電起步晚，沒有成熟的經驗，設備制造水平低，而且我國的農作物品種繁多，種植方式多樣，導致電廠燃料組成復雜，項目當地既有玉米、小麥秸稈等堆積比重較低的燃料，又有樹皮枝椏、木材下腳料、棉花秸稈等堆積比重較高的燃料，不同的燃料熱值、規格不一致，這就導致常規的燃料輸送系統難以適應國內多種類生物質燃料的輸送要求，為了將不同種類的燃料安全可靠的輸運至爐前料倉，迫切需要開發適合于中國國情的燃料輸送系統。
2 輸送方式簡介
生物質燃料的物理特性與煤炭不同，因此燃料的輸送方案也有很大區別。通常情況下，從生物質燃料性質上來劃分有“黃色燃料”和“灰色燃料”兩種。“黃色燃料”主要是指玉米、小麥、水稻等輕質秸稈燃料；“灰色燃料”又稱硬質燃料，主要是指棉花秸稈、樹皮枝椏、荊條等木質燃料。由于“黃色秸稈”與“灰色秸稈”的物理特性、燃燒特性不同，因此兩種燃料的輸送系統也有非常大的區別。
2.1 黃色燃料輸送系統
黃色燃料普遍密度較小，為了使收集和運輸經濟合理，所以在收集輸送中一般采用打包壓縮增加單位體積重量的方式，以減少運輸成本。所以在國內黃色燃料輸送系統設計時一般考慮燃料采用打包形式進行輸送。近年來黃色燃料輸送系統主要采用了秸稈捆抓斗起重機加鏈式輸送機和解包機上料的方案，但是在什么地方進行解包，現在常用的有兩種方案，一是將大包在上料系統中解包然后以散狀物料型式輸送至爐前，二是以包料型式輸送至爐前，在爐前解包方案。方案一的核心技術是大包在上料系統中解包，即設置新型大包解包機。方案二在爐前解包，需要在鍋爐爐前配有立式螺旋解包機，依靠不等徑螺旋葉片旋轉實現對料包的破碎。
經過對運行的電廠調研發現，單一的黃色燃料輸送系統存在一些問題：首先，由于解包機對料包加工尺寸及工藝要求都比較嚴格，但是在技術、成本等因素影響下，國內燃料的包型尺寸或者密度上，大都不太合乎要求，所以經常造成秸稈燃料在輸送中頻繁堵料或者掉包，導致電廠不得不在廠內再利用打包機進行二次打包，提高了電廠的運行成本。其次大包上料系統在運行時經常會發生秸稈捆抓斗起重機抓取包料時，會發生掉包現象，了解后發現可能是因為打包不規格或者司機操作不熟練所致，在輸送大包時，鏈條輸送機上會發生卡包的現象，需要運行人員進行人工調整。
綜上所述，單一的黃色燃料輸送系統不僅存在以上難以解決的問題，而且由于這種輸送系統只能夠輸送大包黃色秸稈燃料，一旦黃色燃料收購出現困難，難以利用其它燃料進行代替，適應性較差。
2.2 灰色燃料輸送系統
由于灰色燃料粉碎后其物理特性與煤炭有些類似，可以部分參考燃煤電廠的輸送方案，但是又有所區別，生物質電廠灰色燃料由于種類比較復雜，既有堆積比重較輕的樹皮等纖維燃料，也有板材下腳料、樹根等堆積比重較大的木質燃料，既有有木片、樹皮及枝丫柴以切碎后的成品燃料進廠，也有樹根、板材下腳料等大塊的燃料進廠。灰色燃料的輸送常采用兩種布置方案：裝載機或者其他上料設備和地下料斗配合上料方案，橋式抓斗起重機和地下料斗上料方案。
經過對電廠的調研發現，單一的灰色燃料輸送系統同樣會存在一些問題：在輸送燃料的過程中容易出現篷料、灑料問題，而且由于輸送系統只能輸送散狀物料，如果在灰色燃料短缺時候使用黃色燃料，就需要對黃色大包秸稈燃料進行人工或者利用其它設備解包，造成了運行的不方便，對各種燃料的輸送適應性一般。
2.3 黃色和灰色燃料輸送系統
我國國土面積遼闊，生物質資源種類繁多，當一個地區同時有黃色燃料和灰色燃料時，考慮到單一的一套黃色或者灰色燃料輸送系統無法滿足電廠燃料的輸送要求，這就極大的制約了電廠的燃料收購，造成了電廠只能收購有限的幾種燃料，提高了發電成本，也是對其它生物質資源的一種浪費。為了解決上料線功能單一的問題和適應多樣的生物質來源，需要將黃色包狀燃料輸送和灰色散狀燃料輸送結合起來，不能簡單設為兩套系統的疊加。根據現有電廠運行經驗和兩種燃料的混合地點來看，現在大致有兩種布置方案：系統在爐前料倉處進行混合，也可以在系統中部進行混合。
兩種方案均能實現散狀灰色燃料和包狀黃色燃料的輸送，其中方案一為單獨設置的兩套輸送系統，由于爐前料倉位置較高，受皮帶機傾角的限制，散料輸送系統帶式輸送機的長度較長，初始投資較高。方案二散料輸送系統通過轉運站與包狀燃料輸送系統融合，散料輸送系統帶式輸送機長度短，初始投資相對較省。
方案二燃料輸送系統由大包線、散料線組成，大包線、散料線任意一條單獨運行時均能能夠滿足機組滿負荷的需要。散料線皮帶輸送機尾部設置有一臺雙螺旋給料機（小解包機）和輔料螺旋料斗，與大包系統配合，使整套上料系統既能滿足上大包的需要，而且能夠上小包和散狀燃料，對燃料供應形式的適應性強。
3 總結
生物質發電工程與燃煤、油、氣發電工程從原理上講所使用的技術是基本相同的，最大的不同點是燃料不一樣，生物質發電工程的燃料是生物質，其燃料流動性差、比重輕、體積大、顆粒不規則、熱值低、熱值波動大、化學成分變化大、自熱霉變快，降解快、易燃，在生物質電廠中，從而導致燃料輸送系統設計較為復雜，然而燃料輸送系統在生物質電廠中又是一個極其重要的環節，針對各種
燃料的輸送適應性，系統設計及設備選型均沒有成熟經驗可以借鑒，黃色、灰色兩種燃料共同輸送成功突破了國內單一物料輸送的局限性，無論大小包、整散料、灰色還是黃色燃料，都能實現順利輸送，為生物質電廠不受農作物種類、大小等因素的限制，在全國大范圍的推廣奠定了基礎，解決了黃色包狀燃料和灰色散狀燃料的混和輸送問題，增加了可供鍋爐燃燒的燃料種類，確保了電廠燃料來源的可靠性和穩定性。
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篇6
關鍵詞：生物質熱解；研究進展；發展現狀；展望
0 引 言
通過生物質能轉換技術可高效地利用生物質能源， 生產各種清潔能源和化工產品，從而減少人類對于化石能源的依賴，減輕化石能源消費給環境造成的污染。 目前，世界各國尤其是發達國家，都在致力于開發高效、無污染的生物質能利用技術，以保護本國的礦物能源資源，為實現國家經濟的可持續發展提供根本保障。
生物質熱解是指生物質在沒有氧化劑（空氣、氧氣、水蒸氣等）存在或只提供有限氧的條件下，加熱到逾500℃，通過熱化學反應將生物質大分子物質（木質素、纖維素和半纖維素）分解成較小分子的燃料物質（固態炭、可燃氣、生物油）的熱化學轉化技術方法。生物質熱解的燃料能源轉化率可達95.5%，最大限度的將生物質能量轉化為能源產品，物盡其用，而熱解也是燃燒和氣化必不可少的初始階段[1]。
1 熱解技術原理
1.1 熱解原理
從化學反應的角度對其進行分析， 生物質在熱解過程中發生了復雜的熱化學反應，包括分子鍵斷裂、異構化和小分子聚合等反應。木材、林業廢棄物和農作物廢棄物等的主要成分是纖維素、半纖維素和木質素。熱重分析結果表明，纖維素在52℃時開始熱解，隨著溫度的升高，熱解反應速度加快，到350～370℃時，分解為低分子產物，其熱解過程為：
(C6H10O5)nnC6H10O5
C6H10O5H2O+2CH3-CO-CHO
CH3-CO-CHO+H2CH3-CO-CH2OH
CH3-CO-CH2OH+H2CH3-CHOH-CH2+H2O
半纖維素結構上帶有支鏈，是木材中最不穩定的組分，在225～325℃分解，比纖維素更易熱分解，其熱解機理與纖維素相似[2]。
從物質遷移、能量傳遞的角度對其進行分析，在生物質熱解過程中，熱量首先傳遞到顆粒表面，再由表面傳到顆粒內部。熱解過程由外至內逐層進行，生物質顆粒被加熱的成分迅速裂解成木炭和揮發分。其中，揮發分由可冷凝氣體和不可冷凝氣體組成，可冷凝氣體經過快速冷凝可以得到生物油。一次裂解反應生成生物質炭、一次生物油和不可冷凝氣體。在多孔隙生物質顆粒內部的揮發分將進一步裂解，形成不可冷凝氣體和熱穩定的二次生物油。同時，當揮發分氣體離開生物顆粒時，還將穿越周圍的氣相組分，在這里進一步裂化分解，稱為二次裂解反應。生物質熱解過程最終形成生物油、不可冷凝氣體和生物質[3，4]。
1.2 熱解反應基本過程
根據熱解過程的溫度變化和生成產物的情況等， 可以分為干燥階段、預熱解階段、固體分解階段和煅燒階段。
1.2.1 干燥階段（溫度為120～150℃），生物質中的水分進行蒸發，物料的化學組成幾乎不變。
1.2.2 預熱解階段（溫度為150～275℃），物料的熱反應比較明顯，化學組成開始變化，生物質中的不穩定成分如半纖維素分解成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質。上述兩個階段均為吸熱反應階段。
1.2.3 固體分解階段（溫度為275～475℃），熱解的主要階段，物料發生了各種復雜的物理、化學反應，產生大量的分解產物。生成的液體產物中含有醋酸、木焦油和甲醇（冷卻時析出來）；氣體產物中有CO2、CO、CH4、H2等，可燃成分含量增加。這個階段要放出大量的熱。
1.2.4 煅燒階段（溫度為450～500℃），生物質依靠外部供給的熱量進行木炭的燃燒，使木炭中的揮發物質減少，固定碳含量增加，為放熱階段。實際上，上述四個階段的界限難以明確劃分，各階段的反應過程會相互交叉進[5，6]。
2 熱解工藝及影響因素
2.1 熱解工藝類型
從對生物質的加熱速率和完成反應所用時間的角度來看，生物質熱解工藝基本上可以分為兩種類型：一種是慢速熱解，一種是快速熱解。在快速熱解中，當完成反應時間甚短（＜0.5s）時，又稱為閃速熱解。根據工藝操作條件，生物質熱解工藝又可分為慢速、快速和反應性熱解三種。在慢速熱解工藝中又可以分為炭化和常規熱解[5]。
慢速熱解（又稱干餾工藝、傳統熱解）工藝具有幾千年的歷史，是一種以生成木炭為目的的炭化過程，低溫干餾的加熱溫度為500～580℃，中溫干餾溫度為660～750℃， 高溫干餾的溫度為900～1100℃。將木材放在窯內，在隔絕空氣的情況下加熱，可以得到占原料質量30%～35%的木炭產量。
快速熱解是將磨細的生物質原料放在快速熱解裝置中，嚴格控制加熱速率（一般大致為10～200℃/s）和反應溫度（控制在500℃左右）， 生物質原料在缺氧的情況下，被快速加熱到較高溫度，從而引發大分子的分解，產生了小分子氣體和可凝性揮發分以及少量焦炭產物。可凝性揮發分被快速冷卻成可流動的液體，成為生物油或焦油，其比例一般可達原料質量的40%～60%。
與慢速熱解相比，快速熱解的傳熱反應過程發生在極短的時間內，強烈的熱效應直接產生熱解產物，再迅速淬冷，通常在0.5s內急冷至350℃以下，最大限度地增加了液態產物（油）。
常規熱解是將生物質原料放在常規的熱解裝置中，在低于600℃的中等溫度及中等反應速率（0.1～1℃/s）條件下，經過幾個小時的熱解，得到占原料質量的20%～25%的生物質炭及10%～20%的生物油[7～9]。
2.2 熱解影響因素
總的來講，影響熱解的主要因素包括化學和物理兩大方面。化學因素包括一系列復雜的一次反應和二次反應；物理因素主要是反應過程中的傳熱、傳質以及原料的物理特性等。具體的操作條件表現為：溫度、物料特性、催化劑、滯留時間、壓力和升溫速率[10]。
2.2.1 溫度
在生物質熱解過程中，溫度是一個很重要的影響因素， 它對熱解產物分布、組分、產率和熱解氣熱值都有很大的影響。生物質熱解最終產物中氣、油、炭各占比例的多少，隨反應溫度的高低和加熱速度的快慢有很大差異。一般地說，低溫、長期滯留的慢速熱解主要用于最大限度地增加炭的產量，其質量產率和能量產率分別達到30%和50%（質量分數）[11～13]。
溫度小于600℃的常規熱解時，采用中等反應速率，生物油、不可凝氣體和炭的產率基本相等；閃速熱解溫度在500～650℃范圍內，主要用來增加生物油的產量，生物油產率可達80%（質量分數）；同樣的閃速熱解，若溫度高于700℃，在非常高的反應速率和極短的氣相滯留期下，主要用于生產氣體產物，其產率可達80%（質量分數）。當升溫速率極快時，半纖維素和纖維素幾乎不生成炭[5]。
2.2.2 生物質材料的影響
生物質種類、分子結構、粒徑及形狀等特性對生物質熱解行為和產物組成等有著重要的影響[3]。這種影響相當復雜，與熱解溫度、壓力、升溫速率等外部特性共同作用，在不同水平和程度上影響著熱解過程。 由于木質素較纖維素和半纖維素難分解，因而通常含木質素多者焦炭產量較大；而半纖維素多者，焦炭產量較小。在生物質構成中，以木質素熱解所得到的液態產物熱值為最大；氣體產物中以木聚糖熱解所得到的氣體熱值最大[5]。
生物質粒徑的大小是影響熱解速率的決定性因素。粒徑在1mm以下時，熱解過程受反應動力學速率控制，而當粒徑大于1mm時，熱解過程中還同時受到傳熱和傳質現象的控制。大顆粒物料比小顆粒傳熱能力差，顆粒內部升溫要遲緩，即大顆粒物料在低溫區的停留時間要長，從而對熱解產物的分布造成了影響。 隨著顆粒的粒徑的增大，熱解產物中固相炭的產量增大。從獲得更多生物油角度看，生物質顆粒的尺寸以小為宜，但這無疑會導致破碎和篩選有難度，實際上只要選用小于1mm的生物質顆粒就可以了。
2.2.3 催化劑的影響
有關研究人員用不同的催化劑摻入生物質熱解試驗中，不同的催化劑起到不同的效果。如：堿金屬碳酸鹽能提高氣體、碳的產量，降低生物油的產量，而且能促進原料中氫釋放，使空氣產物中的H2/CO增大；K+能促進CO、CO2的生成，但幾乎不影響H2O的生成；NaCl能促進纖維素反應中H2O、CO、CO2的生成；加氫裂化能增加生物油的產量，并使油的分子量變小。
另外，原料反應得到的產物在反應器內停留時間、反應產出氣體的冷卻速度、原料顆粒尺寸等，對產出的炭、可燃性氣體、生物油（降溫由氣體析出）的產量比例也有一定影響[5]。
2.2.4 滯留時間
滯留時間在生物質熱解反應中有固相滯留時間和氣相滯留時間之分。固相滯留時間越短，熱解的固態產物所占的比例就越小，總的產物量越大，熱解越完全。在給定的溫度和升溫速率的條件下，固相滯留時間越短，反應的轉化產物中的固相產物就越少，氣相產物的量就越大。氣相滯留期時間一般并不影響生物質的一次裂解反應過程，而只影響到液態產物中的生物油發生的二次裂解反應的進程。當生物質熱解產物中的一次產物進入圍繞生物質顆粒的氣相中，生物油就會發生進一步的裂化反應，在熾熱的反應器中，氣相滯留時間越長，生物油的二次裂解發生的就越嚴重，二次裂解反應增多，放出H2、CH4、CO等，導致液態產物迅速減少，氣體產物增加。所以，為獲得最大生物油產量，應縮短氣相滯留期，使揮發產物迅速離開反應器，減少焦油二次裂解的時間[3～5]。
2.2.5 壓力
壓力的大小將影響氣相滯留期，從而影響二次裂解，最終影響熱解產物產量的分布。隨著壓力的提高，生物質的活化能減小，且減小的趨勢漸緩。在較高的壓力下，生物質的熱解速率有明顯的提高，反應也更激烈，而且揮發產物的滯留期增加，二次裂解較大；而在低的壓力下，揮發物可以迅速從顆粒表面離開，從而限制了二次裂解的發生，增加了生物油產量[14，15]。
2.2.6 升溫速率
升溫速率對熱解的影響很大。一般對熱解有正反兩方面的影響。升溫速率增加，物料顆粒達到熱解所需溫度的相應時間變短，有利于熱解；但同時顆粒內外的溫差變大，由于傳熱滯后效應會影響內部熱解的進行。隨著升溫速率的增大，溫度滯后就越嚴重，熱重曲線和差熱曲線的分辨力就會越低，物料失重和失重速率曲線均向高溫區移動。熱解速率和熱解特征溫度（熱解起始溫度、熱解速率最快的溫度、熱解終止溫度）均隨升溫速率的提高呈線形增長。在一定熱解時間內，慢加熱速率會延長熱解物料在低溫區的停留時間，促進纖維素和木質素的脫水和炭化反應，導致炭產率增加。氣體和生物油的產率在很大程度上取決于揮發物生成的一次反應和生物油的二次裂解反應的競爭結果，較快的加熱方式使得揮發分在高溫環境下的滯留時間增加，促進了二次裂解的進行，使得生物油產率下降、燃氣產率提高[16～18]。
3 熱解技術研究現狀
3.1 國內研究現狀
與歐美一些國家相比，亞洲及我國對生物質熱解的研究起步較晚。近十幾年來，廣州能源研究所生物質能研究中心、浙江大學、東北林業大學等單位做了一些這方面的工作。
廣州能源研究所生物質能研究中心，目前研究方向重點為生物質熱化學轉化過程的機理及熱化學利用技術。其研究內容為：（1）高能環境下的熱解機理研究：等離子體熱解氣化、超臨界熱解等；（2）氣化新工藝研究：高溫氣化、富氧氣化、水蒸汽氣化等；（3）氣化技術系統集成及應用：新型氣化裝置、氣化發電系統等；（4）生物質氣化燃燒與直接燃燒：氣化燃燒技術、熱解燃燒技術、直接燃燒等。
浙江大學著眼于流化床技術在生物質清潔能源規模化利用上顯示出的巨大潛在優勢，在上世紀末成功開發了以流化床技術為基礎的生物質熱裂解液化反應器，并在先期成功試驗的基礎上，針對已有的生物質熱裂解液化工藝中能源利用率不高以及液體產物不分級等缺點，采用獨特的設計方案研發了生物質整合式熱裂解分級制取液體燃料裝置，得出了各運行參數對生物質熱解產物的得率及組成的影響程度，適合規模化制取代用液體燃料。目前正在開展深層技術和擴展應用的研究。
東北林業大學生物質能研究中心研究方向： 轉錐式生物質閃速熱解液化裝置。經過一系列的調試、實驗和改進后，現已經探索出了一些基本的設計規則和經驗。現階段設備制造已完成，即將進入實驗階段，為今后設備改進及技術推廣打好堅實的基礎。
另外在快速熱裂解研究上，沈陽農業大學在聯合國糧農組織（FTO）的協助下，從荷蘭的BTG集團引入一套50 kg/h旋轉錐閃速熱解裝置并進行了相關實驗研究；上海理工大學、華東理工大學、浙江大學、中國科學院廣州能源研究所、清華大學、哈爾濱工業大學和山東理工大學等單位也開展了相關實驗研究，目前正在開展深層技術和擴展應用的研究。在現在技術的支持下，用于商業運行的只有輸運床和循環流化床系統[19，20]。
河南農業大學農業部可再生能源重點開放實驗室也長期進行了生物質熱解方面的研究。“YNO4型生物質燃氣脫焦機”的誕生解決了現有生物質熱解氣化機組凈化裝置復雜、脫焦效率低且焦油難收集等問題，結構簡單，操作方便，避免了二次污染，系統運行可靠，維護費用低，經濟效益顯著，適用于各類生物質熱解氣化機組的配套及其商業化應用，已于2001年11月通過省科技廳技術鑒定，并已在許昌機電廠投入批量生產。
同時，該實驗室與河南商丘三利新能源有限公司對生物質熱解產物進行了綜合利用的研究，并形成了配套設備。根據農作物秸稈資源存在著季節性、分散性的特點和運輸、儲存難的矛盾，采取了分散和集中的模式，即在農作物秸稈易收集的范圍內建造小型生物質熱解裝置，就地使用生物質燃氣， 然后將便于運輸的生物質炭、焦油、木醋液收集，建設若干集中加工廠，生產多種產品以供各種用途，較適合我國的國情。
3.2 國外研究現狀
生物質熱解技術最初的研究主要集中在歐洲和北美。20世紀90年開始蓬勃發展，隨著試驗規模大小的反應裝置逐步完善，示范性和商業化運行的熱解裝置也被不斷地開發和建造。歐洲一些著名的實驗室和研究所開發出了許多重要的熱解技術，20世紀90年代歐共體JOULE計劃中生物質生產能源項目內很多課題的啟動就顯示了歐盟對于生物質熱解技術的重視程度。
但較有影響力的成果多在北美涌現，如加拿大的Castle Capital有限公司將BBC公司開發的10Kg/h～25Kg/h的橡膠熱燒蝕反應器放大后，建造了1500Kg/h～2000 kg/h規模的固體廢物熱燒蝕裂解反應器，之后，英國Aston大學、美國可再生能源實驗室、法國的Nancy大學及荷蘭的Twente大學也相繼開發了這種裝置。
荷蘭Twente大學反應器工程組及生物質技術（BTG）集團研制開發了旋轉錐熱裂解反應器，由于工藝先進、設備體積小、結構緊湊，得到了廣泛的研究和應用；Hamberg木材化學研究所對混合式反應器鼓泡床技術進行了改進和發展，成功地采用靜電撲捉和冷凝器聯用的方式，非常有效地分離了氣體中的可凝性煙霧。ENSYN基于循環流化床的原理在意大利開發和建造了閃速熱解裝置（RTP），還有一些小型的實驗裝置也相繼在各研究所安裝調試。
傳統的熱解技術不適合濕生物質的熱轉化。針對這個問題，歐洲很多國家己開始研究新的熱解技術，這就是Hydro Thermal Upgrading（HTU）。將濕木片或生物質溶于水中，在一個高壓容器中，經過15min（200℃，300bar）軟化，成為糊狀，然后進入另一反應器（330℃，200bar）液化5～15min。經脫羧作用，移去氧，產生30%CO2、50%生物油，僅含10%～15%的氧。荷蘭Shell公司證明：通過催化，可獲得高質量的汽油和粗汽油。這項技術可產生優質油（氧含量比裂解油低），且生物質不需干燥，直接使用[21，22]。
4 前景與展望
面對化石能源的枯竭和環境污染的加劇，尋找一種潔凈的新能源成了迫在眉睫的問題。現在全世界都把目光凝聚在生物質能的開發和利用上。生物質能利用前景十分廣闊，但真正實際應用還取決于生物質的各種轉化利用技術能否有所突破。
隨著技術的不斷完善，研究的方向和重點也在拓寬，以前側重熱解反應器類型及反應參數，以尋求產物最大化，而現在整體利用生物質資源的聯合工藝以及優化系統整體效率被認為是最大化熱解經濟效益、具有相當大潛力的發展方向；除此之外，提高產物品質，開發新的應用領域，也是當前研究的迫切要求。
我國生物質熱解技術方面的研究進展緩慢，主要是因為研究以單項技術為主，缺乏系統性，與歐美等國相比還有較大差距。 特別是在高效反應器研發、工藝參數優化、液化產物精制以及生物燃油對發動機性能的影響等方面存在明顯差距。同時，熱解技術還存在如下一些問題：生物油成本通常比礦物油高，生物油同傳統液體燃料不相容，需要專用的燃料處理設備；生物油是高含氧量碳氫化合物，在物理、化學性質上存在不穩定因素，長時間貯存會發生相分離、沉淀等現象，并具有腐蝕性；由于物理、化學性質的不穩定，生物油不能直接用于現有的動力設備，必須經過改性和精制后才可使用；不同生物油品質相差很大，生物油的使用和銷售缺少統一標準，影響其廣泛應用。以上問題也是阻礙生物質高效、規模化利用的瓶頸所在[6]。
針對以上存在的差距和問題，今后的研究應主要集中在如何提高液化產物收率，尋求高效精制技術，提高生物油品質，降低運行成本，實現產物的綜合利用和工業化生產等方面。同時加強生物質液化反應機理的研究，特別是原料種類及原料中各種成分對熱化學反應過程及產物的影響。在理論研究的基礎上，將現有設備放大，降低生物油生產成本，逐漸向大規模生產過渡，完善生物油成分和物理特性的測定方法，制定統一的規范和標準，開發生物油精制與品位提升新工藝，開發出用于熱化學催化反應過程中的低污染高效催化劑，使其能夠參與化石燃料市場的競爭[23]。?
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篇7
關鍵詞：熱重分析；生物質；熱解；升溫速率；粒徑
化石染料的廣泛使用對環境的危害已廣為人知：一是二氧化碳造成的溫室效應；二是二氧化硫所引起的酸雨污染；三是氮氧化物，這些都帶來了嚴重的環境污染和氣候變化問題。據資料顯示[1]，2012至2013年我國的進口原油接近2.7億噸，對外的依存度超過了55%，煤炭進口3.2億噸，供需矛盾的出現勢必會嚴重影響國家的石油安全。化石能源的枯竭和環境的惡化嚴重制約著當今社會的發展，而生物質能以其獨特的特點（可再生性，低二氧化碳排放，幾乎不排放二氧化硫）躍然紙上。因此，科學高效地利用生物質能源必將成為解決我國能源環境的有力措施之一。在剛出臺的十三五規劃中也承諾在2030年實現減排65%，非化石能源占一次能源消費比重達到20%左右，其中也提到了加快發展生物質能的要求。現階段最常見的生物質能源利用方式是生物質氣化、燃燒將其轉化為高效潔凈能源產品或燃料物質。
煙草業是貴州省的支柱產業。常年種植烤煙20萬公頃左右，產量40萬噸左右，約占全國烤煙總量的20%，是全國烤煙生產的第二大省。這就導致每年勢必會有大量的煙草廢棄物出現，而它們得不到高效利用就會造成資源浪費。近年來，大多數煙草廢棄物的研究都著重于提取煙堿、植物蛋白和茄尼醇，制備活性炭、堆肥和生物質類燃料等[3]，而很少有關于煙草廢棄物熱解特性的研究。所以可以通過研究煙草廢棄物熱解特性，了解揮發分熱解析出規律，使煙草廢棄物能夠得到廣泛高效的利用，實現企業節能減排，達到廢物資源化利用的目的，為特定行業的廢棄物處理提供新的路徑。
文章以煙梗為主要研究對象，同時與煙桿、典型生物質玉米秸稈進行對比，采用熱重分析方法研究不同粒徑、不同溫升速率下煙梗、煙桿及玉米秸稈的熱失重曲線，分析其熱解特性。
1 實驗部分
1.1 采樣
實驗所用生物質樣品是煙梗、煙桿和玉米秸稈，均采自清鎮市。將采集來的樣品在105℃的鼓風干燥箱中干燥2小時，然后磨制成5個實驗樣品，分別是：80目煙梗、150目煙梗、200目煙梗、80目煙桿、80目玉米秸稈。
1.2 實驗儀器及方法
本實驗采用的是德國耐弛同步熱分析系統STA409PC。
實驗方法：取12.5±0.5mg的實驗樣品放入熱天平坩堝中，在純氮條件下以不同的升溫速率進行實驗，從室溫升溫到900℃。升溫速率分別設定為5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min；保持載氣流量為40ml/min；保護氣為氮氣，保持其流量在15ml/min。
記錄不同條件下TG-DTG-DSC曲線，通過曲線分析其熱解過程。
2 實驗結果分析
2.1 熱重特性分析
以80目煙梗在氮氣40升溫速率5℃/min的條件下的TG-DTG曲線（圖1）進行分析，由TG-DTG曲線可看出煙梗主要經歷了五個熱失重階段。初始失重階段是從20℃-118.8℃，該階段DTG存在一個失重峰，主要發生水分的析出[4]；第II個失重階段是從118.8℃-178.9℃，由于溫度低于200℃，所以該階段主要歸因于煙梗中低沸點化合物的析出[4]；第III個失重階段是從178.9℃-339℃。此過程存在兩個失重峰，主要是煙草中的大分子聚合物的熱解，析出大量揮發分[4]，失重最多的階段，其質量損失百分比達到了34.29%。第一個失重峰是在178.9℃-260.6℃期間，主要是半纖維素的熱解析出少量揮發分，第二個失重鋒是在260.6℃-339℃期間，這是由于纖維素的熱解析出大量揮發分[5]，最大失重峰峰值溫度為289.6℃；第IV個失重階段是從339℃-510℃，主要是因為高溫使木質素熱解，導致質量損失；第V個失重階段是從510℃-899.5℃，生物炭緩慢形成，產生炭的殘留物[6]。
2.2 不同生物質熱重特性比較分析
a 不同生物質TG曲線
b 不同生物質DTG曲線
圖2
以80目煙梗在氮氣40升溫速率15℃/min的條件下的TG-DTG曲線（圖2）進行分析比較，由幾種不同生物質的TG-DTG曲線可知，煙桿熱解與煙梗熱解過程表現的TG-DTG曲線走勢形狀大致相同，煙桿的TG曲線向低溫區移動，煙桿沒有明顯的半纖維素熱解析出峰，但是在最大失重速率點左邊有一個側肩，這是由于半纖維素和纖維素熱解溫度區間出現重疊，導致半纖維熱解峰的消失[5]；失重過程中的最大失重速率較大，后期失重峰的失重速率較小，但是相差都不是很大。煙桿殘留質量百分比為26.87%，煙梗殘留質量百分比為30.91%；而玉米秸稈的熱解與煙梗熱解曲線相比，失重過程只經歷了三個熱失重階段，分別是水分的析出，半纖維素、纖維素熱解析出揮發分和木質素高溫熱解階段，殘留質量百分比為24.76%。玉米秸稈在水分析出階段的失重速率較慢；在半纖維素、纖維素析出揮發分時期，質量急劇失去；在最后的木質素高溫熱解階段失重較緩慢。
煙梗、煙桿和玉米秸稈的DTG曲線峰值點對應的溫度不同且揮發分析出的起始點和終止點也不同，這是由于不同生物質中半纖維素、纖維素和木質素的含量和礦物質含量不同。整個熱失重過程DSC曲線存在一個大的放熱峰。煙梗殘留質量百分比最多，其次是煙桿，玉米秸稈是殘留質量百分比最少的。這是由于煙梗含有較多的木質素，熱解析出的揮發分較少；而玉米秸稈是高纖維素，低木質素生物質，在纖維素熱解階段質量急劇變化，大量析出揮發分導致最后殘留質量百分比最少。
2.3 不同升溫速率下煙梗的熱重特性比較分析
a 不同升溫速率下煙梗TG曲線
b 不同升溫速率下煙梗DTG曲線
圖3
由80目煙梗在氮氣流量40ml/min不同升溫速率下的TG-DTG曲線（圖3）比較可知，隨著升溫速率的升高：DTG曲線向高溫區移動且失重速率均增大。即隨著升溫速率的增大，最大失重速率點的溫度向高溫區移動，揮發分的析出產生了延遲現象，這是由于升溫速率的提高增大了樣品顆粒內外的溫度差，而生物質的導熱率較小，導致傳熱不良，顆粒內部溫度較低，外部溫度較高，這便導致了內外反應速率不同。也就是文獻[7]中提到的熱滯后現象。失重速率的增加是由于升溫速率的提高，析出的揮發分在顆粒表面的停留時間縮短，促進了揮發分的析出。煙桿和玉米秸稈的TG-DTG曲線隨著升溫速率的提高也表現出相似的變化規律。
2.4 不同粒徑煙梗熱重特性比較分析
由煙梗在氮氣流量40ml/min升溫速率5℃/min條件下不同粒徑TG-DTG曲線（圖4）可知，隨著粒徑的減小，炭的殘留百分比分別為32.78%，29.97%，27.02%，呈逐漸減小趨勢[6]，峰值溫度隨粒徑的減小向低溫區移動[7]，在低溫區的熱解持續時間較短。這是由于粒徑較大，生物質顆粒傳熱能力較差，內部升溫較緩慢，熱解能力變差，析出揮發分減少。
3 結束語
文章采用熱重分析方法進行了以煙梗為主、煙桿和玉米秸稈為輔的熱解實驗，比較分析其熱解特性，同時研究了不同升溫速率及不同粒徑對生物質熱解的影響。根據實驗分析，可以得到以下結論：（1）煙梗和煙桿的熱解主要經歷了五個熱失重階段：水分析出，低沸點化合物的析出，纖維素和半纖維素熱解析出揮發分，木質素高溫熱解，生物炭的形成。玉米秸稈則明顯分為三個熱失重階段。由于不同生物質中半纖維素、纖維素和木質素的含量和礦物質含量不同導致它們峰值溫度和揮發分析出的起始點和終止點不同。煙梗熱解析出的揮發分較少，殘留率多，熱穩定性最好；而玉米秸稈大量析出揮發分，殘留質量百分比最少。（2）隨著升溫速率的提高，三種生物質的峰值溫度均向高溫區移動且最大失重速率增大，產生熱滯后現象。即升溫速率的提高會導致：揮發分析出困難，峰值向高溫區移動，析出量增大。（3）隨著煙梗粒徑的減小，炭的殘留百分比呈逐漸減小趨勢，峰值溫度隨粒徑的減小向低溫區移動，低溫區熱解持續時間較短。
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篇8
關鍵詞：能源作物芒草分類分布生物學特性轉化利用
1 引言
由18世紀末蒸汽機等發明催生的工業革命，徹底改變了人類歷史的發展歷程一保持了幾千年自給自足的傳統農業社會開始步入工業社會。工業社會從根本上改變了人類對能源的依存方式，從幾乎完全依賴植物生物質變成了主要依賴石油、煤炭和天然氣等化石燃料。眾所周知，這些化石燃料是由地球若干億年積累下來的生物殘骸轉化形成的，具有不可再生性。如果人類不改變能源依賴方式，地球上的化石燃料就將在幾十年內枯竭。爆發多次的能源危機和不斷上升的能源價格也在警告我們：人類現行的能源依存方式是不可持續的，甚至是非常危險的。
大量開采利用化石燃料的另一問題是，將地層中長期蘊藏的碳以CO，的形式釋放到大氣中，從而不可避免地造成溫室效應，引起全球氣候變暖。而且，化石燃料特別是燃燒煤炭造成的各種污染也極大地危害著人類健康，破壞了森林、耕地和建筑。因此，控制化石燃料的消耗，減少CO，排放已成為世界共識。人類社會要走向可持續性發展，必須尋求可再生清潔能源，這已成為科學家們積極探索的熱點。
可再生清潔能源包括風能、太陽能、地熱、潮汐、水電和生物質能等。其中，生物質能是綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能而蘊藏在生物體內的能量，是可再生的綠色能源。與其它可再生清潔能源相比，生物質能是唯一能固碳、可再生并轉化成氣態、液態和固態燃料或其它化工原料和產品的碳資源。生物質能具有良好的穩定性、儲能性、原料多樣性和產品多樣性等優點，缺點是季節性強、原料分散、能量密度低。
根據能源載體物質的化學成分，可將生物質原料分為三大類：①糖和淀粉類，富含糖或淀粉，可用于生產燃料乙醇；②油脂類，富含油脂，能通過脂化過程形成脂肪酸甲脂類物質，即生物柴油；⑧纖維素類，富含纖維素、半纖維素和木質素，可通過轉化獲得熱能、電能、乙醇和生物氣體等。目前，已規模化利用生物質能源的國家有美國和巴西，其主要原料分別是玉米和甘蔗。眾所周知，玉米、甘蔗、油菜等第一代能源作物是人類的重要食物來源，將它們作為生物質能源將影響到世界食物安全，也很難在食物緊缺的國家推廣。近年來，科研人員的目光已集中到產量大、來源廣的纖維素類——第二代能源作物上，其中多年生草本植物芒草被認為是生物質產量高、資源利用效率高、生產成本低、生態適應性廣、開發潛力巨大的理想能源作物。2011年10月28日，《經濟參考報》刊登了“第二代生物質能源呼之欲出芒草成能源作物新星”的報道。
2 芒草的分類與分布
芒草是各種芒屬(Miscanthus And ress，)植物的統稱，屬于禾本科(Poaceae)黍亞科(Panicoideae)蜀黍族(And ropogoneae)。芒草的種間、種內多樣性復雜，據《中國植物志》記載，全世界芒屬植物可分13個種，我國有8個種，但有關種的數目、劃分及其親緣和演化關系，學術界尚存爭議。
1855年，Andressons首次從甘蔗屬(Saccha rum)和蔗茅屬(Erianthus)中將芒屬分列出來，其命名的Miscanthus包括5個種；1881年，Benth等將荻(Triar rhena sachariflo ra(Maxln，)Nakai)歸入芒屬。1930年，Honda將芒屬分為兩組，一組為Triarrhena，另一組為Eumi scanIhus。1959年，耿以禮在研究中國芒屬植物時，將上述兩組合并為三藥芒組(Triarrhena)，該組植物有3枚雄蕊，而將分布于我國西南地區的芒屬種類另立為雙藥芒組(Diandra)，該組植物有2枚雄蕊。1962年，Adatj等認為芒屬植物有17個種，可分為四個組，分別命名為Section Triar rhena(荻組)、Seciion Eumiscanthus(真芒組)、SectionKa riyasua(青茅組)和Section Dlandra(雙藥芒組)。1989年，劉亮在修訂禾本科甘蔗亞屬的分類時，將荻從芒屬中獨立出來，恢復了Nakai于1950年所建立的荻屬，包括荻和南荻(T.1ularlorlpana)2個種，并認為南荻是我國的特有種。2006年，Chen等糾又將荻、南荻、紅山茅以及雙藥芒屬歸并到芒屬，認為全世界芒屬植物共有14個種，中國有7個種，分別是紅山茅(M.paniculatus)、南荻(M.1utarioripa rlus)、荻(M.sacchariflorus)、五節芒(M.floridulus)、芒(M.slnensls)、尼泊爾芒(M.nepalensis)和雙藥芒(M.nudipes)，并認為M.condensatus(八丈芒)、M.purpurascens(紫芒)、M.transmorrJsonensis(高山芒)和M.jinxianensis(金縣芒)都為M.slnensls的變異類型(變種)。
另外，1988年出版的《四川植物志》中，還列出了短毛芒(M.revipilus)和川芒(M.szechuanensis)在歐洲，三倍體芒草——奇崗(M.×giganteus)已被大量研究報道，它原產于日本、被認為是荻(四倍體)和芒(二倍體)的天然雜交種。在非洲南部，有M.junceus、M.sorghum、M.violensis和M.ecklonii的自然群落發生，但究竟是否屬于芒草尚不清楚。在芒屬植物的各個種內，芒的變種最多，僅二倍體變種就有17個。
芒草原產于東亞，廣泛分布于從東南亞到太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶和溫帶地區，現已擴展至西非、美洲和歐洲地區。周昌弘等。依據外部形態和地理分布的關系，將芒草劃分為三大類群，第一大群為中國芒類群，是由芒及其變種形成的分類群，主要分布在中國大陸東部、朝鮮(半島)、日本、琉球群島、臺灣島、菲律賓群島等；第二大群為五節芒類群，是由五節芒形成的分類群，主要分布在中國南部沿海、東亞和南亞地區；第三大群是尼泊爾芒類群，是以尼泊爾芒為主形成的區系，分布范圍以環繞喜馬拉雅山的區域為主，涵蓋中國云南、四川，印度、巴基斯坦、緬甸、尼泊爾等地。關于我國芒草的分布，Chen等認為：紅山茅生長在海拔2500～3100m的干旱山坡，分布于四川、貴州、云南；南荻生長在海拔低于100m的
湖邊和河堤，分布在湖南、湖北；荻生長在山坡和河岸，分布于河南、河北、陜西、甘肅以及日本、朝鮮、俄羅斯；五節芒生長在坡地、河谷和草地，分布于海南、臺灣、廣東、廣西、福建、浙江、江蘇、安徽、湖北、河南、四川、貴州、云南以及東南亞國家；芒生長在低于海拔2000m的山坡、海岸，分布于海南、臺灣、廣東、廣西、福建、江西、浙江、江蘇、安徽、湖北、山東、河北、吉林、陜西、四川、云南、貴州以及日本、朝鮮(半島)；尼泊爾芒生長在海拔1900-2800m的山坡，分布于四川、云南、以及不丹、印度、緬甸、尼泊爾；雙藥芒生長在海拔1000-3600m的山坡，分布干四川、云南、貴州、以及不丹、印度、尼泊爾。在芒屬植物的各個種內，芒的分布范圍最廣，且不同變種通常有顯著不同的分布區域，如臺灣的八丈芒、白背芒(M，gIabe r)、臺灣芒(M，fo rmosanus)和高山芒均為芒的變種，它們的分布區域分別為海邊、低海拔、中海拔和高海拔區域。
3 芒草的生物學特性
芒草為多年生草本植物，一般壽命18-20年，最長可達25年以上；植株高大，莖稈粗壯、中空、高度通常為1N3m，在熱帶、亞熱帶可達5m以上；葉片扁平、窄長，長度10～80cm不等、長寬比30-50；根系發達、入土深度1m以上，具有發達的地下根莖、橫走于地表下10cm左右，可構成縱橫交織的根莖一根系網絡系統；分蘗能力強，單株分蘗數可達100個以上，并形成單株群落；頂生大型圓錐花序，由多數總狀花序沿一延伸的主軸排列而成，小穗成對、孿生于延續的總狀花序軸上，每小穗含一兩性花，雄蕊2N3枚，雌蕊2枚；異花授粉，自交不親和，易形成變種問、種間、甚至屬于雜種；種子小而輕，千粒重0.3-0.59，適合風播，但三倍體、五倍體的芒草不育。
芒草的染色體很小，基數為19，是禾本科中染色體基數最大的植物之一；除二倍體外，常出現多倍體和非整倍體的情況。Watson等將芒草的染色體數目分為：2n=2x=35～43，2n=3x=57，2n=4x=76，2n=5x=95和2n=6x=114；Deuter對發表于2000年前的研究報告進行了統計，發現各種芒草的染色體數目如下：荻組中荻為2n=2×=38、2n=3×=57、2n=4x=76、2n=5x=95，奇崗為2n=3x=57-58；真芒組中芒為2n=2x=36～42，八丈芒為2n=2x=36～38、2n=3x=57，五節芒為2n=2x=38、2n=3x=57，紫芒為2n=2x=40；青茅組中M，o Jjgostachyus為2n=2×=38，中介芒(M，i nte rmedi u s)為2n=4x=76、2n=6x=1 14，青茅(M，tincto rius)為2n=2x=38、2n=4x=76—78、2n=6x=1 03～109；雙藥芒組中尼泊爾芒為2n=2x=40、雙藥芒為2n=2x=40、蔗茅(M，rufipilus)為2n=2x=40；其它如高山芒為2n=2x=38、M，pycnocephaIus為2n=2x--38。另據杜風研究，陜西鳳縣居群的芒為2n=3x=57，南荻為2n=2x=38；據陳少鳳研究，南荻的變種細荻(M，1utario riparius var.humilior)為2n=4x=76。
芒草是喜溫、喜光的長日照作物，一般春季播種或移栽，初夏拔節、分蘗，秋季開花結實，深秋停止生長，翌年春季返青；芒草是高光效C。作物，光能利用率高，光合速率與玉米、甘蔗等相當，可達50mg／(dmh)；芒草生長速度快，在生長季約每周出葉1片，最高葉面積指數可達6.5N10.0，分蘗期株高增長0.5N1.0cm／d，拔節期達到3cmid；芒草繁殖能力強，既能有性生殖、也能無性繁殖，一般從5月下旬開始，株叢中約20N30％的枝條形成生殖枝并逐步進入生殖生長，種子成熟后依靠風力傳播，無性繁殖則依靠根莖和蘗芽。
芒草具有極寬的生態適應性，在我國從低海拔的沿海灘涂、河流岸邊、道路沿線、干熱河谷地到海拔2000m以上的山地草叢，芒草都生長良好；芒草侵襲能力、競爭能力強，能適應多種土壤類型，常常是山地、丘陵、灘涂、林緣等草本群落的優勢組分；芒草具有較強的耐旱、耐熱、耐寒等特點另外，芒草對Cu、Cd、Pb、Zn、As、Mn等重金屬具有較強的耐受性，可作為修復污染土壤或礦區等廢棄地的優先物種。
芒草有很高的生物質產量潛力。根據Lewandowski等的統計，三倍體芒草——奇崗在歐洲定植3-5年后可達最大干物質產量，南歐在灌溉條件下可達30t／hm。以上，中北歐在無灌溉條件下也可達10~25t／hm。Heaton等[28]在美國伊利諾斯州的試驗表明，在投入極少的條件下，奇崗的光能利用率平均為1.0％、最高達到2.0％，平均生物質產量為30t／hm。最高達到61t／hm。我國各地的試驗表明，在黑龍江可達37.5t／hm。在山東微山可達43.76t／hm。在北京種植當年可達4.33～14.77t／hm。第二年可達18.49N20.36t／hm。第三年可達39.05t／hm。
4 芒草的能源作物特性及其開發利用途徑
Heaton等總結了理想能源作物的特征，包括：C光合途徑，冠層持續時間長，多年生(無需每年耕種)，無明顯病蟲害，春季生長速度快、勝過雜草，不育(防止“逃逸”)，在土壤中貯碳(土壤修復和減碳的工具)，秋季將營養分配回土壤(降低養分需求)，低養分含量如含氮、含磷量
利用能源作物替代化石燃料時，需要將生物質能進行轉化，轉化方式可分物理、化學和生物三個方面，涉及到固化、直接燃燒、氣化、液化、熱解、發酵、消化等技術。芒草屬于木質纖維素類能源作物，主要組分是纖維素、半纖維素和木質素等碳水化合物，可通過壓縮成型、直接燃燒或與煤混燃、纖維素乙醇轉化、沼氣發酵等多種途徑加以開發利用。
壓縮成型就是將松散的生物質原料，經高溫高壓壓縮成棒狀、粒狀、塊狀等具有一定緊實度的成型物，以減少運輸費用、提高轉化設備的單位容積燃燒強度和熱效率。由于壓縮成型需要消耗能源，因此歐美國家在收獲芒草時大都采用機械打包方式，干物質密度通常在130～150kg／m。有些專用打包機則可達300kg／m。以上。
直接燃燒發電，是目前歐美國家利用芒草的主要方式。據LewandOWSki等報道：奇崗在早春收獲時，生物質中C、O和H的含量均較高，分
別為47.8-49.7％、41.2-42.9％和5.5-5.9％，因此適合用于燃燒，燃燒時的反應性和穩定性好，所產熱值高、達到17.1～19.2％；同時，由于芒草中N和S的含量低，分別為1.92％和0.22％，因此燃燒過程中產生的NO。SO。等化合物少，對環境的污染壓力小。芒草燃燒后的灰分量占生物質量的1.6-4.0％，與當地木本能源植物相比，灰分中重金屬含量低，營養物含量高，其中SiO占25~40％、K20占20-25％，P205、CaO和MgO各占5％左右。芒草直接燃燒的主要問題是灰分中Si、K含量高，導致灰分熔點降低、易形成污垢而使燃爐堵塞。因此，歐美國家大多采用與煤混燃的利用方法。10多年前，歐洲就開始了芒草與煤混燃的生產性試驗，并取得了成功。根據LewandOWSki等的測算：如果芒草的干物質產量為20t／(hma)，其能值就相當于12t硬煤，用1hm2芒草替代12t硬煤，能減少31t的CO，排放(減少90％)；在發電廠周圍50 km半徑內種植芒草1.95萬hm。(相當于總面積的215％)，就能生產芒草干物質39萬t，燃燒這些干物質能使一個263MW的熱電廠每年輸電7000h，從而節省硬煤23.4~-t，減少C02排放60.4萬t。
據估計，全球每年的纖維素類生物質量轉化為生物燃料相當于340-1600億桶原油，遠超目前每年30億桶原油的能源消耗。因此，將纖維素轉化為燃料乙醇被視為解決能源危機的根本出路，倍受各國政府、大企業和科學家的重視。芒草含有80％以上可降解的纖維素和半纖維素，是理想的纖維素乙醇原料。據Heaton等測算，種植1200萬hm(相當于美國作物面積的9.3％)芒草可轉化纖維素乙醇133×109L，替代美國20％的汽油消耗，而相同面積的玉米籽粒只能生產49×109L的燃料乙醇，而且需要投入大量的肥料、機械等資源。纖維素乙醇的生產方法可分為生物化學法和熱化學法。生物化學法有3個關鍵步驟，即生物質預處理、纖維素水解和單糖發酵。纖維素酶的成本是長期影響纖維素乙醇產業發展的瓶頸，20世紀90年代，每加侖纖維素乙醇的酶成本約為5美元，但目前已能降至50美分以下，從而將纖維素乙醇的生產成本降至2美元／加侖。熱化學法是將生物質通過熱轉化過程生成合成氣，再通過化學合成或微生物發酵生成燃料乙醇的技術，包括生物質熱裂解技術和生物質氣化技術。但目前生物質熱解、氣化技術還不成熟，尚未解決氣化效率低、合成氣轉化過程選擇性低和催化劑易失活等問題。
芒草沼氣發酵是另一具有商業開發潛力的途徑。余一等比較了生物質能的三種發酵利用模式，認為能量回收率沼氣發酵最高、乙醇發酵其次、產氫發酵最低，單位生產成本則沼氣發酵最低、乙醇發酵其次、產氫發酵最高等用馬鈴薯試驗，制成乙醇的能量轉換效率是2.6kW·h／kg，而制成沼氣(甲烷)的能量轉換效率是4.3kW·h／kg，后者比前者高出70％。曾憲錄等認為，從目前的技術水平分析，沼氣發酵是芒草利用的最好方式，其優勢包括：減少收集與運輸費用，將分散的芒草發酵成沼氣進行“濃縮”，并可發電向外輸送，沼氣發電機組容量可靈活選擇(10-500kW)，非常適合分布式發電；沼氣發酵是在常溫(或中溫)常壓下的自然過程，相對成本低、凈能產出率高，按稻草常溫發酵的研究結果計算，1kg芒草(稻草)可產沼氣0.457m。50hm。芒草(1500t)則可產氣約68萬m。發電100萬kW·h；芒草中的營養元素能促進沼氣發酵，因此可從早秋開始收獲利用，從而延長收獲期、減少火災風險和儲備成本；通過沼渣還田，可減少農作物包括芒草的施肥量、降低生產成本，并減少化肥對環境的污染。目前，沼氣產業在西歐國家已初具規模，如2007年瑞典已有1.5萬輛用提純沼氣驅動的汽車和100多個加氣站，車用提純沼氣的量已超過天然氣；到2009年底，德國已有4780家大型沼氣發電廠，發電產能達1600MW(為1999年的6倍)，約占全德國總發電量的29％。
5 我國能源作物芒草的發展戰略
自20世紀80年代中期，歐美國家已開始多年生草本能源作物的研究和開發利用。1984年，美國能源部資助了“草本能源作物研究計劃(HECP)”，通過對35種草本植物(其中18種為多年生，但沒有包含芒草的評價，認為柳枝稷(Panicum virgatum L)潛力最大；1990年，HECP發展為“生物能源原料發展計劃(BFDP)”，次年又決定在DFDP內將柳枝稷作為“模式”作物進行系統研究，以求達到快速應用和示范的目的。近年來，美國伊利諾斯大學等的科研人員對芒草進行了研究，認為芒草的生物質產量和凈能產出都要優于柳枝稷，是更適合的能源作物。
歐洲對草本能源作物的研究和開發利用集中于三倍體芒草——奇崗，20世紀60年代就在丹麥開始試驗，并在1983年建立了首個試驗基地；在此基礎上，1989年啟動了由歐洲JOULE計劃資助的研究項目，在丹麥、德國、愛爾蘭和英國開始田間試驗，研究奇崗在北歐的生物質潛力；1993年，在歐洲AlR計劃資助下，田間試驗拓展到了南歐的希臘、意大利和西班牙；與此同時，丹麥、荷蘭、德國、奧地利和瑞士等國則資助了有關芒草生育繁育、管理實踐和收獲運輸等的研究；1997年，在歐洲FAlR計劃資助下，啟動了旨在全歐洲培育新芒草雜交種、發展芒草育種技術和篩選不同芒草基因型的項目。目前，歐洲有關芒草的研究已進入產業化開發應用階段。
我國是芒屬植物的分布中心，但與歐美等國相比，我國對能源作物芒草的研究才剛剛開始，目前尚無國家級別的研究開發計劃。鑒于芒草在能源作物中的地位，亟需從國家層面勾畫、制定芒草發展戰略，動員政府部門、科研機構、能源企業和社會各界力量，將大規模培育、推廣種植和開發利用芒草作為我國能源發展戰略的重要組成部分。現階段，應重視以下四方面的全國性協作攻關。
第一、加快芒草種質資源的收集與保護。芒屬植物在我國的分布范圍極廣，大致為18。N-50。N，98。E～135。E組織力量在全國開展芒草資源調查和收集，對我國芒草資源的保存和開發利用具有十分重要的意義。目前，湖南農業大學已建有一個能保存1000份以上芒屬野生種質的資源圃，但我國究竟有多少芒屬植物資源尚不清楚。2007年，廣西柳州市農科所科研人員在該市沙塘鎮農戶地里發現了幾株人工栽培的高大芒屬植物，因其莖像甘蔗，葉、鞘像芒草，穗像狗尾草而命名為“三像草”；經初步觀測，“三像草”極具開發利用價值。值得指出的是，芒屬與蔗茅屬(Erianthus)、河八王屬(Narenga)、甘蔗屬(Saccharum)和硬穗屬(Sclerostachya)同屬甘蔗屬復合體(Saccharum Complex)，各屬問能天
然雜交并能產生可育的F1代，因此整個甘蔗屬復合體都有可能成為芒草育種的寶貴資源。至于“三像草”是否與甘蔗屬復合體有關，尚待研究。
第二，強化芒草種質創新和新品種培育。我國對芒屬植物的研究剛起步，與芒草種質創新和新品種培育相關的遺傳學研究不僅少、而且很零散。因此，亟需在全國范圍內加強組織協調，利用我國豐富的芒草資源，根據其分布特點和開發利用途徑，統一部署芒草的種質創新和新品種培育。在我國7個芒草種中，芒、五節芒、荻和南荻的生物產量高、開發潛力大，以及在歐洲已廣泛研究利用的奇崗，可作為核心種質資源用于作物馴化和品種改良。據報道，湖南農業大學利用細胞工程技術選育出了同源四倍體新品種——“芙蓉南荻”，利用轉基因技術培育出了轉外源Bt基因的抗蟲南荻新種質，利用種問雜交技術培育出了芒與南荻的雜交新品系湘雜交芒1號、2號和3號。目前，基因工程技術等已廣泛應用于能源作物種質創新，如提高生物質產量和品質、降低或改變木質素含量和成分、增加纖維素降解酶表達量等，加之芒草兼備有性生殖和無性繁殖的優點，這些都有利于優質、高產芒草品種的快速培育和迅速推廣。
第三、因地制宜發展芒草高產高效技術。我國人口多、糧食需求壓力大、土地資源緊張，發展能源作物只能依賴于邊際性土地資源。我國地域遼闊、生態環境多樣，邊際性土地種類較多，如荒草地、鹽堿地、灘涂、沙地、瘠薄地、旱地、漬澇地、冷濕地、污染地等，因此芒草的品種類型和生產技術必須適合當地的生態環境和邊際性土地特點。根據歐洲對奇崗的研究，芒草在大面積種植時，擴繁成本高、定植當年越冬時抗寒性差是影響芒草產量的重要因素。目前，在我國芒草作為能源作物剛受重視，有關芒草種植技術如擴繁建植、生產管理、收獲貯存等的研究還很少，更沒有能適合于芒草產業化發展所需的標準化、集成化生產技術體系。作為能源作物，芒草的生物產量、經濟效益和生態效益是決定能否產業化的關鍵，因此發展芒草高產高效生產技術非常重要。
第四、開發芒草轉化利用技術與產業化模式。從世界范圍來看，在芒草等木質纖維素能源作物的轉化利用方面，壓縮成型、直接燃燒或與煤混燃發電以及沼氣發酵等技術已基本成熟，并具備產業化條件；而纖維素乙醇轉化、高溫裂解氣化等技術近年來雖有所進展，但尚處于研發和示范階段。
目前，我國芒草的轉化利用技術與歐美國家還有較大差距，更沒有建立芒草品種培育、規模化推廣種植和商業化轉化利用的產業化模式。因此，在引進國外先進技術和相關設備、提升我國芒草轉化利用技術水平的同時，應積極組織高等院校、科研機構和能源企業等多方面力量，根據各地芒草種質資源狀況、邊際土地類型和數量以及芒草轉化利用技術水平等條件，在全國范圍內設計、部署芒草產業化模式的試驗和示范，從而推動我國能源作物芒草產業的快速發展。
參考文獻：
篇9
關鍵詞：新能源發電太陽能，風能，發展前景
0引言
自第三次工業革命以來，人類社會在經濟和科技方面取得了空前的發展，伴隨而來的是常規化石能源的大量消耗及其引起的環境污染和資源短缺等一系列問題，迫使人類不得不開始尋找清潔的可再生能源，也即新能源。相對于傳統的煤、石油、天然氣等化石能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當今世界日益嚴重的環境污染和資源匱乏等問題具有十分重要的意義[1]。資源與環境的壓力也給電力系統帶來了新的挑戰，利用新能源逐步取代傳統能源進行發電將是今后電力工業發展的趨勢，可見新能源發電具有良好的發展前景和實用價值。
1 新能源發電的類型及其原理特點
新能源發電主要包括太陽能發電、風力發電、生物質能發電、地熱發電、潮汐發電等方面。
1.1太陽能發電
太陽能是指太陽內部連續不斷的核聚變反應過程所產生的能量，它是一個巨大的能源，據估計，我國陸地面積每年接收到的太陽能輻射能相當于億噸煤[2]。太陽能發電又叫光伏發電，它的基本原理是利用光伏效應，通過光照產生電動勢，進而輸出電能，實現光電轉換。簡單地說，太陽能發電就是通過太陽能電池直接將太陽光轉換成電能，太陽能電池是由各種具有不同電子特性的半導體材料薄膜制成的平展晶體，可以產生強大的內部電場[2]，主要包括單晶硅電池、多晶硅電池和非晶硅電池三種類型。免費論文參考網。
常見的太陽能發電系統由太陽能電池、控制器和逆變器三部分構成，按其運行方式可分為獨立太陽能發電系統和并網太陽能發電系統，其中后者是目前的主流發展趨勢，即太陽能電池發出的直流電，通過逆變裝置轉換成交流，進而并入電網使用。太陽能發電安全可靠，具有許多優點，如能源充足，太陽能無處不在，不受地域限制；建設周期短，運行成本低；不需要消耗燃料，無環境污染；結構簡單，維護方便，適合無人值守。但是，太陽能發電受氣候條件影響，具有間歇性，且價格昂貴。
1.2 風力發電
風力發電是將風能轉換成機械能，再轉換為電能，其基本原理是利用風吹動風輪，通過風輪的機械轉動驅動發電機轉子旋轉，進而產生電能。風能是清潔的可再生能源，風力發電與常規發電相比，具有能源充足、不消耗燃料、無環境污染、占地面積小、工程建設周期短、發電技術成熟等優點。在當今世界的新能源開發技術中，風力發電是最成熟、最有商業利用價值的發電方式，其裝機容量正在不斷擴大，全球風電發電量占總發電量的比例也在逐步增加。
1.3生物質能發電
生物質能是綠色植物通過光合作用，將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的一種能量形式，是一種資源豐富、無污染的能源。生物質能發電包括農林廢棄物燃燒發電、生物質燃氣發電、城市垃圾焚燒發電、沼氣發電等方面。生物質能發電具有電能質量好、可靠性高等優點，具有較高的經濟價值。
1.4 地熱發電
地球內部蘊藏著巨大的熱能，地熱能就是地球內部的熱釋放到地表的能量，地熱發電就是將地熱能轉變為機械能，再將機械能轉變為電能，它是利用地下熱水和蒸汽為動力源的一種新型發電技術，其原理與火力發電基本一樣，即將蒸汽的熱能通過汽輪機轉變為機械能，然后帶動發電機發電[2]。
1.5潮汐發電
潮汐能，顧名思義，就是潮汐所蘊含的能量，同樣是一種取之不盡、用之不竭的新能源。潮汐發電，就是利用海水漲落及其引起的水位差來推動水輪機，由水輪機帶動發電機進行發電，其原理與一般的水力發電差別不大。即在海灣或有潮汐的河口修建大壩，構成水庫，利用壩內外漲潮、落潮時的水位差進行發電。潮汐發電受潮汐周期變化的影響，具有間歇性。
2 中國新能源發電的前景展望
改革開放以來，我國經濟高速發展，經濟規模躍居世界前列，與此同時，能源消費結構的不合理引起的資源環境問題日益突出，大力發展新能源發電技術，是調整能源結構、促進節能減排、實現可持續發展的要求。我國可再生能源資源豐富，通過近年來的發展，新能源發電已經取得了一定進展，已經形成了一定規模、體系相對完善的新能源產業。中國新能源發電雖然剛剛起步，但是卻有著廣闊的發展前景。免費論文參考網。
（1）風力發電和太陽能發電發展迅速。中國風能資源豐富且風力發電技術較為成熟，目前正在以“建設大基地，融入大電網”的方式進行規劃和布局。太陽能發電同樣也具有較好的發展前景，我國的太陽能電池制造水平較高，應該大規模推廣太陽能發電。免費論文參考網。根據國家能源局制定的《新能源產業振興發展規劃》，到2011年，新能源在能源結構中的比重達到2%（含水電為10%），新能源發電占電力總裝機容量的比重達到5%（含水電為25%）。而風電裝機容量將達到3500萬千瓦（陸地風電3000萬千瓦，海上風電500萬千瓦），太陽能發電裝機容量將達到200萬千瓦[1]。除此之外，《2008年中國風電發展報告》預言，到2020年末，全國風電開發建設規模有望達到1億kW。
（2）生物質能發電優勢明顯，前景較好。相對于風力發電和太陽能發電的間歇性特點，生物質能發電具有突出的優點，經濟價值較高。2002年，我國可再生能源發電裝機容量3234.6萬kW，其中生物質能發電裝機容量80萬kW，在眾多新能源和可再生能源發電中僅次于小水電。預計到2020年，可再生能源發電將達0.9~1億kW，其中生物質能發電為1000萬kW；另一種估計結果是2020年可再生能源發電裝機容量將達到1.21億kW，其中生物質能為2000萬kW。
（3）在有條件的區域發展地熱發電和潮汐發電。受地理條件的限制，地熱發電和潮汐發電均具有地域性。目前，中國高溫地熱電站主要集中在西藏地區，總裝機容量為27.18MW，其中羊八井地熱電站裝機容量25.18MW，其發電量已經占到拉薩電網的40%以上，對緩和拉薩地區電力緊缺的情況起到了重要的作用。今后，可繼續在西藏地區大力發展地熱發電。我國潮汐能蘊藏量中可開發利用部分的92%集中在經濟發達、能源需求迫切的華東沿海地區[3]，發展潮汐發電可緩解這些地區的電力不足。但是，潮汐發電由于開發成本較高和技術上的原因，目前發展并不是很快，我國江廈潮汐電站裝機容量為3200kW，年發電量1070萬kWh[4]，今后可視情況適當發展潮汐發電。
3 結語
能源短缺和環境惡化已經成為威脅人類生存的全球化問題，發展新能源是實現人類可持續發展的必經之路，中國應該加快開發利用新能源的步伐，大力發展新能源發電，逐步實現從常規能源向清潔能源轉變。目前，我國的新能源發電已經取得了一定的進展，但同時還存在著一些亟待解決的問題，主要表現在技術基礎薄弱、相關體制尚不規范等方面。為此，提出一些建議：（1）制定發展目標，科學規劃布局。新能源發電必須進行合理規劃和布局，有必要將其納入國家經濟社會發展總體規劃。（2）加快體系建設，規范行業發展。對于新能源發電的設備要求和并網技術標準，應該盡快制定相關準則。（3）加大投資力度，鼓勵自主創新。目前，我國新能源研究力量分散，缺乏跨學科的交流，有必要對各類科研機構進行整合。除此之外，新能源發電是智能電網的一個重要組成部分，必須構建全國統一的新能源電網，以促進我國智能電網的建設。
參考文獻
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篇10
關鍵詞：生物質燃料 發展現狀 致密成型
中圖分類號：TS64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（c）-0253-02
中國擁有豐富的生物制能源.據估計每年產生的可供開發的各種生物制資源達6.56億噸標準煤。[8]居世界能源消費總量第四位的生物質能源具有可再生性，存量豐富，可代替化石燃料，易長期儲存，含硫量低，灰分小，二氧化碳排放接近于零的特點。其供應安全可靠。
生物質致密成型技術是用機械加壓方法，將原來分散沒有一定形狀、密度低的生物質原料壓制成具有一定形狀密度較高的各種固體成型燃料的過程。研究說明，生物質成型燃料加工設備的性能好否，直接與生物質原料的壓縮特性如壓縮力、壓縮密度、壓縮量，一次粉碎的粒度，成型燃料的密度、生產率、能耗等因素有關。
1 成型原理
生物質原料由纖維構成，被粉碎后的生物質原料質地松散，受一定外部壓力后，顆粒經歷位置重新排列、顆粒機械變形和塑性流變等階段。開始時壓力較小，一部分粒子進入粒子間的空隙內，粒子間的相互位置不斷改變，當粒子間所有較大空隙都被能進入的粒子占據后，再增加壓力，只能靠粒子本身變形去充填其周圍的空隙。這時粒子在垂直于最大主應力平面上被延展，當粒子被延展到與相鄰的兩個粒子相互接觸時，再增加壓力，粒子就會相互結合。原來分散粒子被壓縮成型，其體積大幅度減小，密度顯著增大。因非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相互纏繞和咬合，外部壓力解除后不恢復原來的結構形狀。
2 含水量研究
林維紀等的實驗研究表明，木質素含量因原料不同有所差異，但生物質致密成型的適宜含水量則近似相同。
樊峰鳴[9]以玉米秸稈、大豆秸稈為原料，采用改進型生物質秸稈成型機，就大粒徑秸稈粒度、含水率等對成型密度、抗水性影響因素進行了研究.結果發現，原料含水率在8%～15%時均很容易壓縮成型，在12%左右成型效果最好。[1]
回彩娟[2]以鋸末和小刨花為原料，認為鋸末和小刨花含水率在15%左右得到的壓塊密度最大，成型效果最好，常溫高壓致密成型允許原料最大含水率為22%左右，原料經室內自然風干后達到的含水率可達成型加工要求且成型效果較好。
李美華[10]以鋸末和小刨花為原料，在主缸壓力不同的情況下，對多個含水率原料進行致密成型試驗，認為在生物質致成型時，使含水率最好控制在5%～15%左右，最高不超過20%，此種狀態下成型率，壓塊密度，成型效率，表面光潔度等指標均較為理想。
郭康權，趙東[11]等曾做過相應模型，解釋含水量對成型的影響，當含水率過低時，粒子沒有充分延展，與四周粒子結合不緊密，不達到成型條件，當含水率過高時，粒子在垂直于最大的主應力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合但由于原料中水分過多，被擠出后分布于粒子層之間，使層間不能緊密貼合，也不成型。
張百良[9]等認為，熱壓成型中含水量過高會影響熱量傳遞，并增大物料與模子的摩擦力，在高溫時由于蒸汽量大，會發生氣堵或放炮現象；含水量過低會影響木質素的軟化點，原料內摩擦和抗壓強度增加，造成壓縮能消耗。
P.D.Grover，S.K.Mishra，J.S.Clancy[13]等認為活塞擠壓的物質含水率在10%～15%左右，螺栓擠壓的物質含水率在8%～9%左右為宜。Arun.K.Tripathi；P.V.R.Iyer；TaraChandraKandpal[14]等認為物質含水率在10%～15%經濟效益較好，因為過小的水分磨壓困難，能量消耗大。
Wamukonya等研究表明，當壓力不變且含水量在要求范圍時，隨著含水量升高，壓縮密度可達到最大值。松弛密度一定時，隨含水量升高所需壓力變大，最大壓力值正好對應著含水量上限。在建立的恒定壓力下松弛密度與含水量的指數關系式中，認為壓塊的松弛密度隨含水量升高以指數級下降。
目前國內外文獻來看，研究生物質壓縮含水量范圍還存在較大的差別，這是因壓縮方式、成型模具、成型手段、生物質原料處理方式有較大差異，如活塞沖壓比螺旋擠壓對含水量要求范圍寬，原料顆粒度的大小也是影響壓縮成型的重要因素。
3 成型壓力研究
成型壓力是植物材料壓縮成型最基本的成型條件。只有施加足夠的壓力，原材料才能被壓縮。試驗說明：當壓力較小時，密度隨壓力增大而增大的幅度較大，當壓力增加到一定值以后，成型物密度的增加就變得緩慢。
刺槐枝粉碎后，主油缸壓力在10～60 MPa之間。在壓力較低時（10～20 MPa）壓塊密度隨成型壓力的增大以較大的幅度增大，壓力大于20 MPa條件下，壓塊密度隨成型壓力增大變化趨于穩定，壓縮前后體積比分布在5.16～5.97之間。四倍體刺槐枝韌性好，纖維量高，在較小壓力下壓致成型塊也很堅實。[8]
