摘要：生物質(zhì)合成航空生物燃料接近于航空煤化石燃料，可以直接替代航空煤化石燃料，而無需開發(fā)新的燃料運(yùn)輸系統(tǒng)。這是降低航空工業(yè)碳排放和燃料成本的重要措施之一。因此，生物質(zhì)氣化合成技術(shù)將是今后發(fā)展的主要方向，也適應(yīng)我國發(fā)展的主方向

關(guān)鍵詞：新型航空；生物燃料；研究；前景

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，航空業(yè)的發(fā)展步伐也非常迅速，因此航空業(yè)對(duì)航空燃料的需求量也在不斷加大。石油作為航空的主要燃料，航空業(yè)對(duì)石油的需求正在增加。石油是一種不可再生資源，長期開采，導(dǎo)致航空能源短缺。如何減少航空工業(yè)的二氧化碳排放，對(duì)新型物質(zhì)燃料的研究是一個(gè)重要課題。

1航空生物燃料的原料來源

航空生物燃料具有廣泛的原材料，包括藻類，麻風(fēng)樹，油籽作物，廢油和農(nóng)業(yè)廢物。目前，民用航空測試中使用的航空生物燃料的典型材料是海藻，亞麻籽和麻風(fēng)樹種子。藻類是世界上最原始的生物之一。海藻光合作用固定的二氧化碳占世界固定二氧化碳總量的40％以上，海藻本身富含60％以上的油，光合效率高，單位面積產(chǎn)量高。而且生長周期短。此外，藻類的自養(yǎng)過程會(huì)消耗不適合在廢水中降解的氮和磷，這不僅降低了水體的富營養(yǎng)化程度，而且降低了藻類的養(yǎng)殖成本。盡管具有上述優(yōu)點(diǎn)，但有必要降低建設(shè)和生產(chǎn)的成本，并優(yōu)化藻類育種的培養(yǎng)，以便在航空燃料的生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用藻類。亞麻板栗是一種季節(jié)性快速生長的油料作物，種子油含量為35％~38％（w）。它通常在3月份種植，7月份收獲。它可以與小麥和其他谷物交替種植。它主要生長在溫和的氣候條件下，每平方公里可以在水量很少的地區(qū)生產(chǎn)120噸種子。目前，亞麻作為航空燃料的油料種子發(fā)展的瓶頸在于輪作的種植方法將限制種植規(guī)模。麻瘋樹（Jatrophacurcas）是一種生長在半干旱地區(qū)的果實(shí)灌木，具有耐旱，抗蟲和抗病能力。生產(chǎn)周期僅1-2年，種子含油量約為30％-35％（w），平均每平方公里產(chǎn)量約為500噸。然而，麻瘋樹種子對(duì)人類和動(dòng)物都有毒，必須人工收集，限制其使用。

2新型航空生物燃料的開發(fā)

為什么要發(fā)展生物質(zhì)液體燃料？

石油安全驅(qū)動(dòng)了生物液體燃料產(chǎn)業(yè)

世界不少國家已經(jīng)開始發(fā)展生物燃油產(chǎn)業(yè)（包括生物燃油加工業(yè)以及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，如能源農(nóng)業(yè)和能源林業(yè)），其中共同的目的在于保障石油安全。巴西生物燃油產(chǎn)業(yè)利用蔗糖發(fā)酵制取生物乙醇，2002年消費(fèi)量達(dá)到了104億公升，替代率接近40％。

2004年中國石油凈進(jìn)口量為1.2億噸，消費(fèi)量為3.1億噸，進(jìn)口依存度達(dá)到了38.7％；國際能源署（IEA）預(yù)測中國到2010年、2020年石油進(jìn)口依存度將達(dá)到61.0％和76.9％。石油進(jìn)口量和進(jìn)口依存度的迅速攀升給中國石油安全帶來了日益嚴(yán)重的影響；中國的石油安全問題也引起了一些國家的顧慮。

國產(chǎn)的石油和石油替代燃料能否“養(yǎng)活中國”呢？與資源有限的煤炭液化和國內(nèi)油氣資源開發(fā)等手段相比，資源可再生而且潛力巨大的生物燃油技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注。

生物燃油產(chǎn)業(yè)將帶來顯著的環(huán)境效益

微生物燃料電池（MFCs）提供了從可生物降解的、還原的化合物中維持能量產(chǎn)生的新機(jī)會(huì)。MFCs可以利用不同的碳水化合物，同時(shí)也可以利用廢水中含有的各種復(fù)雜物質(zhì)。關(guān)于它所涉及的能量代謝過程，以及細(xì)菌利用陽極作為電子受體的本質(zhì)，目前都只有極其有限的信息；還沒有建立關(guān)于其中電子傳遞機(jī)制的清晰理論。倘若要優(yōu)化并完整的發(fā)展MFCs的產(chǎn)能理論，這些知識(shí)都是必須的。依據(jù)MFC工作的參數(shù)，細(xì)菌使用著不同的代謝通路。這也決定了如何選擇特定的微生物及其對(duì)應(yīng)的不同的性能。在此，我們將討論細(xì)菌是如何使用陽極作為電子傳遞的受體，以及它們產(chǎn)能輸出的能力。對(duì)MFC技術(shù)的評(píng)價(jià)是在與目前其它的產(chǎn)能途徑比較下作出的。

微生物燃料電池并不是新興的東西，利用微生物作為電池中的催化劑這一概念從上個(gè)世紀(jì)70年代就已存在，并且使用微生物燃料電池處理家庭污水的設(shè)想也于1991年實(shí)現(xiàn)。但是，經(jīng)過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實(shí)際應(yīng)用提供了可能的機(jī)會(huì)。

MFCs將可以被生物降解的物質(zhì)中可利用的能量直接轉(zhuǎn)化成為電能。要達(dá)到這一目的，只需要使細(xì)菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉(zhuǎn)化為利用不溶性的受體，比如MFC的陽極。這一轉(zhuǎn)換可以通過使用膜聯(lián)組分或者可溶性電子穿梭體來實(shí)現(xiàn)。然后電子經(jīng)由一個(gè)電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消化作用相比，MFC能產(chǎn)生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。

與現(xiàn)有的其它利用有機(jī)物產(chǎn)能的技術(shù)相比，MFCs具有操作上和功能上的優(yōu)勢。首先它將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，保證了具有高的能量轉(zhuǎn)化效率。其次，不同于現(xiàn)有的所有生物能處理，MFCs在常溫，甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運(yùn)作。第三，MFC不需要進(jìn)行廢氣處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量輸入，因?yàn)閮H需通風(fēng)就可以被動(dòng)的補(bǔ)充陰極氣體。第五，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，MFCs具有廣泛應(yīng)用的潛力，同時(shí)也擴(kuò)大了用來滿足我們對(duì)能源需求的燃料的多樣性。

微生物燃料電池中的代謝

為了衡量細(xì)菌的發(fā)電能力，控制微生物電子和質(zhì)子流的代謝途徑必須要確定下來。除去底物的影響之外，電池陽極的勢能也將決定細(xì)菌的代謝。增加MFC的電流會(huì)降低陽極電勢，導(dǎo)致細(xì)菌將電子傳遞給更具還原性的復(fù)合物。因此陽極電勢將決定細(xì)菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時(shí)也決定了代謝的類型。根據(jù)陽極勢能的不同能夠區(qū)分一些不同的代謝途徑：高氧化還原氧化代謝，中氧化還原到低氧化還原的代謝，以及發(fā)酵。因此，目前報(bào)道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴(yán)格厭氧型的都有分布。

摘要:對(duì)比研究生物陰極微生物燃料電池與一般微生物燃料電池的廢水處理與同步發(fā)電能力。以學(xué)校食堂餐飲廢水為微生物燃料電池的底物，首先通過實(shí)驗(yàn)為微生物燃料電池選擇合適的電子受體；其次，在采用較適宜電子受體的同等條件下，對(duì)生物陰極微生物燃料電池與一般微生物燃料電池處理餐飲廢水的COD去除率及產(chǎn)電電流密度進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物陰極微生物燃料電池處理餐飲廢水的廢水處理效果和發(fā)電能力均優(yōu)于一般微生物燃料電池。

關(guān)鍵詞:生物陰極;微生物燃料電池;餐飲廢水;發(fā)電;廢水處理

0引言

微生物燃料電池（MicrobialFuelCell，MFC）是1種利用微生物代謝活動(dòng)將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的生物反應(yīng)裝置。微生物燃料電池利用廢棄物進(jìn)行發(fā)電，在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能，而且發(fā)電過程不會(huì)產(chǎn)生任何污染環(huán)境的有害氣體，被視作1種高效益、低能耗、清潔環(huán)保的新型廢水處理及綠色發(fā)電工藝［1-4］。微生物燃料電池屬于復(fù)雜的生物電化學(xué)系統(tǒng)，諸多因素影響其運(yùn)行性能。目前，由于其發(fā)電性能與廢水處理效果較差，利用微生物燃料電池處理各類廢水的研究工作大多數(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段［5-10］。在大量投入實(shí)際應(yīng)用前，需要進(jìn)一步提高其發(fā)電效率及廢水處理性能。陰極是制約微生物燃料電池產(chǎn)電性能的主要原因之一［11］。為了提高產(chǎn)電性能，一般需要在陰極添加催化劑。根據(jù)陰極催化劑的類型，可以把微生物燃料電池的陰極分為生物陰極和非生物陰極。一般微生物燃料電池采用非生物型陰極，其常用催化劑一般為鉑等貴金屬，極大地增加了微生物燃料電池的成本，且容易造成催化劑污染，不適于微生物燃料電池的規(guī)?；瘧?yīng)用。生物陰極MFC以微生物作為催化劑，這些微生物能夠簡單地從好氧污泥中獲得，造價(jià)低廉，極大地提高了MFC在實(shí)際中的可應(yīng)用性和可持續(xù)性［12］。根據(jù)陰極電子受體的不同，可將MFC的生物陰極可分為好氧型生物陰極和厭氧型生物陰極。好氧型生物陰極微生物燃料電池直接或間接以氧氣作為電子受體。厭氧型生物陰極微生物燃料電池則以過渡金屬修飾生物陰極或者添加化合物作為電子受體以代替氧氣作為電子受體，目前研究比較廣泛的主要有硝酸鹽、硫酸鹽等。本實(shí)驗(yàn)首先對(duì)一般常用的電子受體進(jìn)行比較，以選取性能較好的電子受體，然后從電流密度和污水COD去除率方面，對(duì)比生物陰極型微生物燃料電池與一般微生物燃料電池處理餐飲廢水的整體性能。

1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

本文作者：齊泮侖何皓胡徐騰付興國孫洪磊李頂杰工作單位：中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院

航空噴氣燃料應(yīng)具有的性能

航空噴氣燃料的主要功能是推進(jìn)飛機(jī)前進(jìn)，所以能量含量和燃燒性質(zhì)是最核心的燃料性能。其它相關(guān)性能指標(biāo)還有穩(wěn)定性、潤滑性、流動(dòng)性、汽化特性、抗腐蝕性、潔凈性、材料相容性及安全特性等，飛機(jī)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求燃料在使用前足夠清潔、無水和不含任何污染物。除了提供能量，燃料還作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的壓力液和特定燃料系統(tǒng)部件的冷卻劑。航空噴氣燃料性能能否達(dá)到使用要求，通過質(zhì)量指標(biāo)來控制與體現(xiàn)。表1列出了航空噴氣燃料性能及與之相關(guān)的分析測試項(xiàng)目[4]。（1）熱安定（穩(wěn)定）性在飛機(jī)飛行中，航空噴氣燃料還作為發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體的熱交換介質(zhì)。工作環(huán)境溫度較地面環(huán)境溫度高，因此油品的熱安定性是噴氣燃料最重要的性質(zhì)之一。在機(jī)體內(nèi)，噴氣燃料用來給發(fā)動(dòng)機(jī)油、壓力液和空調(diào)設(shè)備換熱，燃料吸收的熱量加速了生成膠質(zhì)和顆粒物的化學(xué)反應(yīng)。商用噴氣燃料應(yīng)在燃料溫度高達(dá)163℃時(shí)保持熱穩(wěn)定，認(rèn)為這樣的燃料具備良好的儲(chǔ)存安定性。（2）燃燒性通過把液體燃料注入快速流動(dòng)的熱空氣流中，燃料在燃燒室中連續(xù)燃燒。在初始區(qū)域中，燃料在接近理想配比條件下汽化并燃燒，所產(chǎn)生的熱氣持續(xù)被過?？諝庀♂?，以便把溫度降低到適合發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行的溫度。通過目前規(guī)格中的試驗(yàn)方法測試與生煙相關(guān)的燃料的燃燒性質(zhì)。通常，烷烴提供了最為理想的噴氣燃料燃燒潔凈性，環(huán)烷烴是次理想烴類，芳烴是飛機(jī)渦輪燃料燃燒性的最不理想烴類。在飛機(jī)渦輪中芳烴易于呈有煙的火焰燃燒，且比其它烴類釋放出更大比例的不理想熱輻射的化學(xué)能。萘或雙環(huán)芳烴比單環(huán)芳烴產(chǎn)生更多的煙灰、煙塵和熱輻射，是飛機(jī)噴氣燃料使用的最不理想烴類。煙點(diǎn)提供了一個(gè)噴氣燃料相對(duì)生煙性的指示，且與該燃料的烴類組成有關(guān)，無煙火焰的高度值大，表明芳烴含量低，燃燒的清潔性好。（3）燃料的計(jì)量和飛機(jī)航程當(dāng)密度與諸如苯胺點(diǎn)或蒸餾等其它參數(shù)結(jié)合使用時(shí)，密度低預(yù)示單位體積熱值低，預(yù)示給定體積燃料的航程降低。飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是建立在把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的基礎(chǔ)上。燃燒凈熱值提供了從給定燃料中獲得的進(jìn)行有效工作的能量數(shù)量，熱值減少到該最小限值以下將伴隨著燃料消耗增加和相應(yīng)的航程減少。（4）燃料的霧化通過蒸餾測定在不同溫度下燃料的揮發(fā)性和是否易于蒸發(fā)，規(guī)定10%蒸餾溫度是為了確保易于啟動(dòng)，規(guī)定終餾點(diǎn)是為了排除難以蒸發(fā)的重餾分。燃料的黏度與其在整個(gè)溫度范圍的泵送能力和噴嘴霧化狀態(tài)的一致性密切相關(guān)，燃料對(duì)泵的潤滑能力與黏度也有關(guān)系。（5）低溫流動(dòng)性冰點(diǎn)是燃料非常重要的性能，而且應(yīng)足夠低，以排除在高海拔處的普遍溫度下燃料通過濾網(wǎng)向發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)時(shí)受到的干擾。飛機(jī)油箱中燃料的溫度隨著外界溫度的降低而降低。飛行過程中燃料所經(jīng)歷的最低溫度主要取決于外界空氣溫度、飛行時(shí)間和飛機(jī)速度。例如，長時(shí)間飛行要求燃料的冰點(diǎn)比短時(shí)間飛行的低。（6）與燃料系統(tǒng)和渦輪中的橡膠和金屬的相容性已知硫醇硫可以與某些橡膠反應(yīng)，規(guī)定硫醇含量限值以避免這類反應(yīng)并減少令人不快的硫醇?xì)馕?。?duì)于噴氣燃料控制硫含量很重要，因?yàn)樵谌紵^程形成的硫氧化物會(huì)腐蝕渦輪的金屬部件。噴氣燃料銅片腐蝕試驗(yàn)合格的要求，確保了燃料中不含任何會(huì)腐蝕燃料系統(tǒng)各部分的銅或銅合金的物質(zhì)。某些石油產(chǎn)品使用了礦物酸或苛性堿或兩者進(jìn)行處理，不希望有任何殘留的礦物酸或苛性堿，也不希望含有雜質(zhì)。當(dāng)檢驗(yàn)新生產(chǎn)的或未使用過的燃料時(shí)，測定酸值可以對(duì)此進(jìn)行確認(rèn)。（7）燃料的儲(chǔ)存安定性實(shí)際膠質(zhì)是燃料蒸發(fā)后所留下來的非揮發(fā)性殘余物。如果存在大量的膠質(zhì)，則表明燃料受到高沸點(diǎn)油品或顆粒物質(zhì)的污染。（8）燃料的潤滑性飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)的組件和燃料控制部件依靠燃料潤滑其滑動(dòng)的部分。噴氣燃料在此類設(shè)備中作為潤滑劑的作用稱為燃料的潤滑性。噴氣燃料潤滑性不好，可導(dǎo)致泵的流量下降或出現(xiàn)機(jī)械故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。

航空生物燃料的特性與調(diào)合要求

從中長期全球航空工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度分析，傳統(tǒng)化石航空噴氣燃料仍將占據(jù)航空燃料主導(dǎo)地位，這就要求替代燃料的性質(zhì)必須與現(xiàn)有的傳統(tǒng)燃料性質(zhì)相近，可與其完全互溶、可以任何比例進(jìn)行混合和共同運(yùn)輸。煤液化噴氣燃料（CTL）、天然氣合成噴氣燃料（GTL）和航空生物燃料（Bio-SPK）這三種產(chǎn)品在能量密度、流動(dòng)性等方面的性質(zhì)與現(xiàn)有傳統(tǒng)燃料基本相近，所以目前國際上航空替代燃料主要是這三種。與化石航空噴氣燃料相比，航空生物燃料具有優(yōu)異的熱安定性、燃燒性和良好的材料相容性，除產(chǎn)品密度偏低外，其它性能指標(biāo)均與化石航空噴氣燃料要求一致。表2列出了航空生物燃料與化石航空噴氣燃料性能指標(biāo)的對(duì)比情況。由于航空生物燃料不含芳烴，實(shí)測的航空生物燃料凈熱值為44.14MJ/kg，煙點(diǎn)大于40mm；而化石航空噴氣燃料的實(shí)測凈熱值為43.44MJ/kg，煙點(diǎn)實(shí)測為23mm（萘系烴含量為0.4%）。所以，航空生物燃料具有優(yōu)異的燃燒性能和較高的熱穩(wěn)定性。但是，為確保避免長時(shí)間使用后飛機(jī)燃料系統(tǒng)橡膠密封圈收縮和相應(yīng)的燃料泄漏，調(diào)合后的航空渦輪生物燃料規(guī)定了芳烴含量（體積）的下限不小于8%，上限不大于25%，而化石航空噴氣燃料只規(guī)定了芳烴含量上限，因此其最低芳烴含量根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)來確定，實(shí)際指標(biāo)目前仍在進(jìn)一步研究之中。在燃料霧化（揮發(fā)性）方面，為保證渦輪燃料霧化性能和燃燒穩(wěn)定性，航空渦輪生物燃料增加了蒸餾斜率T50-T10不小于15℃和T90-T10不小于40℃的要求。為滿足航空渦輪生物燃料的蒸餾斜率要求，作為調(diào)合組分的航空生物燃料T90-T10要求不小于22℃。蒸餾斜率限制是根據(jù)目前對(duì)認(rèn)可的合成燃料的經(jīng)驗(yàn)確定的，目前正在進(jìn)行蒸餾斜率實(shí)際需求的研究。另外，目前作為調(diào)合組分的航空生物燃料密度相對(duì)較低，15℃密度為730～770kg/m3，調(diào)合航空渦輪生物燃料選擇時(shí)，需注意化石航空噴氣燃料的實(shí)際密度值?；娇諊姎馊剂系姆紵N含量一般在10%～20%，密度（15℃）一般為780～820kg/m3。為了同時(shí)滿足航空噴氣燃料規(guī)格對(duì)芳烴最低含量8%和密度不低于775kg/m3（15℃）的要求，應(yīng)選擇芳烴含量大于16%、密度不低于805kg/m3（15℃）的化石航空噴氣燃料調(diào)合航空渦輪生物燃料，航空生物燃料的含量不超過50%。

航空生物燃料標(biāo)準(zhǔn)

[摘要]目前，中國的生物質(zhì)能源生產(chǎn)已經(jīng)形成一定規(guī)模，國家也通過制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生物質(zhì)能源生產(chǎn)，出臺(tái)法律法規(guī)為其提供保障，并運(yùn)用財(cái)稅政策推進(jìn)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展。但是，中國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展還面臨原料資源短缺、生物質(zhì)能源工業(yè)體系不完備、研究開發(fā)能力不足、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)薄弱以及產(chǎn)品市場競爭力不高等問題。展望未來，中國生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間廣闊，技術(shù)將不斷完善，它將改變中國現(xiàn)有的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，凈化環(huán)境，并推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

一、中國生物質(zhì)能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，國際上第一次石油危機(jī)使發(fā)達(dá)國家和貧油國家重視石油替代，開始大規(guī)模發(fā)展生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源是以農(nóng)林等有機(jī)廢棄物以及利用邊際土地種植的能源植物為主要原料進(jìn)行能源生產(chǎn)的一種新興能源。生物質(zhì)能源按照生物質(zhì)的特點(diǎn)及轉(zhuǎn)化方式可分為固體生物質(zhì)燃料、液體生物質(zhì)燃料、氣體生物質(zhì)燃料。中國生物質(zhì)能源的發(fā)展一直是在“改善農(nóng)村能源”的觀念和框架下運(yùn)作，較早地起步于農(nóng)村戶用沼氣，以后在秸稈氣化上部署了試點(diǎn)。近兩年，生物質(zhì)能源在中國受到越來越多的關(guān)注，生物質(zhì)能源利用取得了很大的成績。沼氣工程建設(shè)初見成效。截至2005年底，全國共建成3764座大中型沼氣池，形成了每年約3.4l億立方米沼氣的生產(chǎn)能力，年處理有機(jī)廢棄物和污水1.2億噸，沼氣利用量達(dá)到80億立方米。到2006年底，建設(shè)農(nóng)村戶用沼氣池的農(nóng)戶達(dá)2260萬戶，占總農(nóng)戶的9.2%，占適宜農(nóng)戶的15.3%，年產(chǎn)沼氣87.0億立方米，使7500多萬農(nóng)民受益，直接為農(nóng)民增收約180億元。生物質(zhì)能源發(fā)電邁出了重要步伐，發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到200萬千瓦。液體生物質(zhì)燃料生產(chǎn)取得明顯進(jìn)展，全國燃料乙醇生產(chǎn)能力達(dá)到：102萬噸，已在河南等9個(gè)省的車用燃料中推廣使用乙醇汽油。

（一）固體生物質(zhì)燃料

固體生物質(zhì)燃料分生物質(zhì)直接燃燒或壓縮成型燃料及生物質(zhì)與煤混合燃燒為原料的燃料。生物質(zhì)燃燒技術(shù)是傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化形式，截止到2004年底，中國農(nóng)村地區(qū)已累計(jì)推廣省柴節(jié)煤爐灶1.89億戶，普及率達(dá)到70%以上。省柴節(jié)煤爐灶比普通爐灶的熱效率提高一倍以上，極大緩解了農(nóng)村能源短缺的局面。生物質(zhì)成型燃料是把生物質(zhì)固化成型后采用略加改進(jìn)后的傳統(tǒng)設(shè)備燃用，這種燃料可提高能源密度，但由于壓縮技術(shù)環(huán)節(jié)的問題，成型燃料的壓縮成本較高。目前，中國（清華大學(xué)、河南省能源研究所、北京美農(nóng)達(dá)科技有限公司）和意大利（比薩大學(xué)）兩國分別開發(fā)出生物質(zhì)直接成型技術(shù)，降低了生物質(zhì)成型燃料的成本，為生物質(zhì)成型燃料的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，中國生物質(zhì)燃料發(fā)電也具有了一定的規(guī)模，主要集中在南方地區(qū)的許多糖廠利用甘蔗渣發(fā)電。廣東和廣西兩?。▍^(qū)）共有小型發(fā)電機(jī)組300余臺(tái)，總裝機(jī)容量800兆瓦，云南也有一些甘蔗渣電廠。中國第一批農(nóng)作物秸稈燃燒發(fā)電廠將在河北石家莊晉州市和山東菏澤市單縣建設(shè)，裝機(jī)容量分別為2×12兆瓦和25兆瓦，發(fā)電量分別為1.2億千瓦時(shí)和1.56億千瓦時(shí)，年消耗秸稈20萬噸。

（二）氣體生物質(zhì)燃料

摘要：為了加快生物燃料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度，提高生物燃料的產(chǎn)量和質(zhì)量，微流體技術(shù)被引入到了生物燃料領(lǐng)域。文章聚焦于微流體技術(shù)在生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了微流體技術(shù)及裝置在生物柴油和生物乙醇生產(chǎn)中的應(yīng)用，討論了影響生物燃料微流體反應(yīng)器性能的相關(guān)因素，最后，提出了微流體技術(shù)在生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用過程中所面臨的問題并展望了其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：微流體技術(shù)；生物燃料；生物柴油；生物乙醇；微流體反應(yīng)器

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長，傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭，溫室效應(yīng)逐漸加劇，生物燃料的重要性日益凸顯。作為液體生物燃料，生物柴油和生物乙醇具有原料來源廣泛、清潔可再生、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大等特點(diǎn)，在一定程度上能夠滿足目前緊迫的能源需求[1]。然而，兩者生產(chǎn)過程中的一些消極因素限制了它們的進(jìn)一步發(fā)展，如土地面積需求過大、生產(chǎn)成本過高、產(chǎn)品產(chǎn)率過低以及產(chǎn)品質(zhì)量欠佳等[2]。這些消極因素的存在阻礙了生物燃料的規(guī)模化進(jìn)程，為了盡早實(shí)現(xiàn)生物燃料的規(guī)?；蜕虡I(yè)化，納米技術(shù)、基因工程技術(shù)和微流體技術(shù)等不斷被引入到生物燃料的研究和生產(chǎn)之中。其中，微流體技術(shù)在改善生物柴油和生物乙醇的產(chǎn)量和質(zhì)量方面效果顯著。微流體技術(shù)是基于微流控芯片在微觀尺度下控制、操作和檢測復(fù)雜流體的技術(shù)，它能在較小的試劑體積和較短的反應(yīng)時(shí)間等條件下進(jìn)行工作。微流控芯片的尺寸僅為十幾平方厘米甚至幾平方厘米，且其上通常會(huì)內(nèi)置有檢測、分析及樣品制備等諸如生物或化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的各種功能，因此，其又被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室。作為一門新興技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、醫(yī)藥、生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，由于其小型化、高精度、短周期和低能耗等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，其在生物燃料領(lǐng)域也表現(xiàn)出了巨大的潛力。微流體技術(shù)不僅能快速進(jìn)行微藻等產(chǎn)油微生物的高通量篩選和培養(yǎng)條件的優(yōu)化，還能通過增大生物柴油酯交換過程兩相界面的接觸面積而改善其轉(zhuǎn)化率，另外，在生物燃料的生產(chǎn)過程中，將這種技術(shù)與相應(yīng)的功能原件集成后，除了能夠在線分析和監(jiān)測產(chǎn)品質(zhì)量，還能完成生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)控制從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1微流體的特性

要想深入了解微流體技術(shù)在生物燃料領(lǐng)域的應(yīng)用，首先需要了解微觀尺度下的流體特性。微流體是一種借助亞毫米至亞微米微通道產(chǎn)生的流體，這種微尺度下的流體學(xué)行為與宏觀尺度下的流體學(xué)行為差異很大。在流體力學(xué)中，流體流動(dòng)特性通常采用雷諾數(shù)（ReynoldsNumber，Re）進(jìn)行表征。一般情況下，當(dāng)Re<2000時(shí)，流體表現(xiàn)為層流狀態(tài)；當(dāng)Re>4000時(shí)，流體則表現(xiàn)為湍流狀態(tài)。層流流動(dòng)時(shí)，不同流體系統(tǒng)的流體粒子彼此平行地分層流動(dòng)，互不干擾與混雜；而湍流流動(dòng)時(shí)，各流體系統(tǒng)的流體粒子間強(qiáng)烈的混合與摻雜，不僅有沿著主流方向的運(yùn)動(dòng)，還有垂直于主流方向的運(yùn)動(dòng)，兩者的流動(dòng)特征如圖1所示。另外，佩克萊數(shù)（PecletNumber，Pe）也是反映流體流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)，其可以表征對(duì)流和擴(kuò)散的相對(duì)大小，反映了流體返混的程度，Pe越大，表示返混程度越小，Pe越小，則表示返混程度越大。由于微流體通道的空間有限（直徑為5~250μm），流速較低（1~1000μL/min），導(dǎo)致微流體的Re非常?。?~100），而Pe比較大（>103），微流體表現(xiàn)為層流特征而非湍流，其中的流體粒子彼此平行地分層流動(dòng)，互不干擾可再生能源RenewableEnergyResources與混雜，兩個(gè)或多個(gè)流體系統(tǒng)中的粒子除了擴(kuò)散之外不能混合，這意味著其中粒子的速度和位置是可以預(yù)測到的[3]。在微觀水平上，表面張力和毛細(xì)管力在流體中的作用非常突出，這對(duì)生物柴油合成過程中脂質(zhì)提取和酯交換非常有利。同時(shí)，由于尺度的減小，微流體的比表面積變得很大，當(dāng)兩種不混溶的液體（油和甲醇)同軸混合時(shí)，兩相界面之間的物料傳遞增強(qiáng)，這不僅有利于正向反應(yīng)（脂肪酸甲酯的形成），還能提高底物轉(zhuǎn)化率[4]。此外，由于微流體比表面積的增大，脂質(zhì)提取時(shí)的收率也明顯提高[5]。

2微流體技術(shù)在生物柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家對(duì)節(jié)能減排以及可持續(xù)發(fā)展的重視性逐漸上升，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，生物質(zhì)鍋爐的應(yīng)用帶動(dòng)了工業(yè)綠色新能源改革，生物質(zhì)鍋爐相比傳統(tǒng)鍋爐，其優(yōu)勢就是綠色、節(jié)能、環(huán)保。本文就生物質(zhì)鍋爐節(jié)能減排方面進(jìn)行簡要概述，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)鍋爐；節(jié)能減排；探究

1概述生物質(zhì)與生物質(zhì)鍋爐的特性

1.1生物質(zhì)的定義。研究生物質(zhì)鍋爐首先要清楚生物質(zhì)的定義，生物質(zhì)的定義較為廣泛，通過光合作用形成的各種有機(jī)物都被稱為生物質(zhì)，不僅包括動(dòng)植物，還包括微生物。作為綠色新能源的生物質(zhì)能，則是指將生物質(zhì)體內(nèi)蘊(yùn)藏的能量（將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能）轉(zhuǎn)化為實(shí)際意義上的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料。作為目前新能源領(lǐng)域唯一一種可再生的碳源能量，研究其節(jié)能減排性質(zhì)十分關(guān)鍵。目前，作為主要的生物質(zhì)來源的有農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、工業(yè)生產(chǎn)廢棄物等，例如，農(nóng)作物中的秸稈、淀粉類作物、油料作物、工業(yè)廢氣有機(jī)物、煙梗、動(dòng)物排泄物等。1.2生物質(zhì)鍋爐的特性。作為使用生物質(zhì)為能量來源的鍋爐，生物質(zhì)的性質(zhì)直接決定了生物質(zhì)鍋爐的綠色、環(huán)保，具有強(qiáng)大的生命力。分析現(xiàn)階段的生物質(zhì)鍋爐，一般由五個(gè)部分組成：給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、自控系統(tǒng)。主要種類分為生物質(zhì)熱能鍋爐與生物質(zhì)電能鍋爐，其工作原理相同，只是第一種類型鍋爐是直接獲取熱能，第二種是將熱能轉(zhuǎn)化為電能。現(xiàn)階段生物質(zhì)熱能鍋爐使用較為廣泛。生物質(zhì)鍋爐在實(shí)際使用中，原料成本低、整體價(jià)格低、運(yùn)行流程簡單，在我國正在大規(guī)模的推廣使用中。其原料使用的是清潔能源，且燃燒時(shí)間長，效益較高，對(duì)環(huán)境基本屬于零污染。相比傳統(tǒng)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐在實(shí)際使用中，因生物質(zhì)原料的含硫量大都小于0.2%，所以在工藝生產(chǎn)中不需要安裝氣體脫硫裝置，成本較低。分析生物質(zhì)鍋爐的原料來源，以秸稈、煙梗為例，若處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，但如果充當(dāng)燃料，既可以做到資源的優(yōu)質(zhì)應(yīng)用，還可以降低成本，提高生產(chǎn)效益。生物質(zhì)鍋爐因?yàn)槿剂系脑?，燃料中含氮量高，所以在燃燒過程中產(chǎn)生的一氧化氮多，導(dǎo)致氮氧化物排放濃度高。1.3解決氮氧化物排放濃度高的方案。采用SNCR技術(shù)，即選擇性非催化還原技術(shù)，它是目前主要的煙氣脫硝技術(shù)之一。在選擇性非催化還原（SNCR）的氮氧化物去除的過程中，還原劑是以液態(tài)（氨水、尿素溶液）或氣態(tài)的形式（氨氣）噴射到850～1050℃的高溫?zé)煔獯翱谥?，通過還原反應(yīng)后最終形成氮?dú)?、水和二氧化碳，從而降低煙氣中的氮氧化物?/p>

2生物質(zhì)鍋爐對(duì)節(jié)能減排的應(yīng)用意義

2.1減少溫室氣體排放，遏制溫室效應(yīng)。分析傳統(tǒng)燃料燃燒現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，其中有害物質(zhì)在其排放物中占比較高，雖然進(jìn)行脫硫、脫氮環(huán)保工藝的應(yīng)用，但其硫化物與氮化物的比例仍較高，對(duì)環(huán)境造成污染的同時(shí)，加重了地球的溫室效應(yīng)，不利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。而利用生物質(zhì)新能源，其燃燒二氧化碳等溫室氣體的排放，與生物質(zhì)原料生長進(jìn)行的二氧化碳的吸收，整體構(gòu)成了自然碳循環(huán)，在理論上實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放，可以有效降低溫室氣體對(duì)環(huán)境的污染，且利用生物質(zhì)燃料與煤炭等傳統(tǒng)燃料結(jié)合的使用方法，可以有效降低二氧化硫等有害氣體的排放，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著重要作用。2.2利于改善生態(tài)環(huán)境，保護(hù)人們生活健康。在數(shù)年前的農(nóng)村，處理秸稈等廢棄農(nóng)作物的方式大都是囤積燃燒，不僅造成了資源浪費(fèi)，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，而利用生物質(zhì)鍋爐可以將農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)廢棄物進(jìn)行二次利用，既保護(hù)了環(huán)境，還有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。再者對(duì)比生物質(zhì)新能源與傳統(tǒng)能源，生物質(zhì)能源的排放污染較小，對(duì)環(huán)境基本為零污染，全面推廣生物質(zhì)鍋爐有利于改善生態(tài)環(huán)境，保護(hù)人們的生活健康，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展理念的貫徹。2.3符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。生物質(zhì)鍋爐自問世以來，得到了國家的大力推廣，因其符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，響應(yīng)了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的號(hào)召。農(nóng)作物中的秸稈、淀粉類作物、油料作物、工業(yè)廢氣有機(jī)物、煙梗、動(dòng)物排泄物等都可以作為生物鍋爐的燃料。工農(nóng)業(yè)中的生產(chǎn)廢棄物的再利用是國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)的核心，發(fā)展生物質(zhì)能源，推廣生物質(zhì)鍋爐的使用就是對(duì)工農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行再生產(chǎn)利用，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心要求。2.4促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)約資源。分析生物質(zhì)鍋爐的能量來源，上文中提高，只要是經(jīng)過光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物都可以代入生產(chǎn)使用。利用生物質(zhì)鍋爐可以有效促進(jìn)國家能源結(jié)構(gòu)使用調(diào)整，節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，分析生物質(zhì)鍋爐的熄滅設(shè)備，可以快速、有效地進(jìn)行大規(guī)模的資源化應(yīng)用，且成本較低，熄滅產(chǎn)生二氧化碳等溫室氣體的排放，與生物質(zhì)原料生長進(jìn)行的二氧化碳的吸收，整體構(gòu)成了自然碳循環(huán)，在理論上實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放，可以有效降低溫室氣體對(duì)環(huán)境的污染。

1、能源農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的國際比較

（一）美國的“能源農(nóng)場”策略

為了控制中東地區(qū)的石油資源，美國在軍備支出方面付出巨大代價(jià)，美國政府逐漸認(rèn)識(shí)到把資金投給動(dòng)蕩不安的中東還不如投給國內(nèi)的農(nóng)場主。美國的能源農(nóng)業(yè)是以燃料酒精為突破口發(fā)展起來的。在上世紀(jì)70年代初，美國開始利用玉米為原料生產(chǎn)燃料酒精，80年代后期，由于石油價(jià)格走低，燃料酒精產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一度處于停頓狀態(tài)。近年來，受石油價(jià)格大幅上漲的影響，燃料酒精再次得到重視，生產(chǎn)規(guī)模迅速增大。美國人少地多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，玉米等農(nóng)產(chǎn)品過剩，以糧食為原料生產(chǎn)燃料酒精具有良好的產(chǎn)業(yè)化條件和基礎(chǔ)。目前，美國玉米酒精年產(chǎn)量已達(dá)1000萬噸，其中，912萬噸被添加到汽油中，替代了運(yùn)輸用能源的3%，在中西部12個(gè)州這一比例甚至達(dá)到了5%～10%。

為了推動(dòng)能源農(nóng)業(yè)的發(fā)展，美國在總體部署、市場供應(yīng)、稅收優(yōu)惠、資金支持、技術(shù)開發(fā)等方面做出了系統(tǒng)的安排。

1.總體部署。1990年以來，美國出臺(tái)了一系列的法令法規(guī)推動(dòng)生物質(zhì)能源的使用。例如，1994年，美國環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（EPA）規(guī)定，以燃料酒精為主的可再生清潔燃料在大城市必須全年供應(yīng)：1998年，國會(huì)通過《汽車替代燃料法》，鼓勵(lì)使用燃料酒精作為替代能源。1999年，美國總統(tǒng)簽署的一項(xiàng)國家戰(zhàn)略計(jì)劃提出，到2020年，生物質(zhì)燃油將取代石化類燃油消費(fèi)量的10%。2005年實(shí)施的《國家能源政策法》規(guī)定，銷售的汽油中必須包含一定比例（將逐年遞增）的生物質(zhì)能源燃料，在未來的5年內(nèi)，燃料酒精的產(chǎn)量將增加一倍，到2012年，汽油中添加酒精的數(shù)量要達(dá)到80億加侖（2430萬噸），2013年，可再生能源要占全部能源的7.5%以上。2005年，美國農(nóng)業(yè)部（USDA）宣布實(shí)施綜合能源戰(zhàn)略，支持燃料酒精、生物柴油等可再生能源的開發(fā)、生產(chǎn)和使用，成立能源理事會(huì)，協(xié)調(diào)與美國能源部、環(huán)保局等部門的合作，監(jiān)督綜合能源戰(zhàn)略的實(shí)施。

美國通過以上法令法規(guī)，從總體上對(duì)生物質(zhì)能源的開發(fā)利用進(jìn)行了規(guī)劃，以法律手段為能源農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了保障。

1、能源農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的國際比較

（一）美國的“能源農(nóng)場”策略

為了控制中東地區(qū)的石油資源，美國在軍備支出方面付出巨大代價(jià)，美國政府逐漸認(rèn)識(shí)到把資金投給動(dòng)蕩不安的中東還不如投給國內(nèi)的農(nóng)場主。美國的能源農(nóng)業(yè)是以燃料酒精為突破口發(fā)展起來的。在上世紀(jì)70年代初，美國開始利用玉米為原料生產(chǎn)燃料酒精，80年代后期，由于石油價(jià)格走低，燃料酒精產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一度處于停頓狀態(tài)。近年來，受石油價(jià)格大幅上漲的影響，燃料酒精再次得到重視，生產(chǎn)規(guī)模迅速增大。美國人少地多，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，玉米等農(nóng)產(chǎn)品過剩，以糧食為原料生產(chǎn)燃料酒精具有良好的產(chǎn)業(yè)化條件和基礎(chǔ)。目前，美國玉米酒精年產(chǎn)量已達(dá)1000萬噸，其中，912萬噸被添加到汽油中，替代了運(yùn)輸用能源的3%，在中西部12個(gè)州這一比例甚至達(dá)到了5%～10%。

為了推動(dòng)能源農(nóng)業(yè)的發(fā)展，美國在總體部署、市場供應(yīng)、稅收優(yōu)惠、資金支持、技術(shù)開發(fā)等方面做出了系統(tǒng)的安排。

1.總體部署。1990年以來，美國出臺(tái)了一系列的法令法規(guī)推動(dòng)生物質(zhì)能源的使用。例如，1994年，美國環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（EPA）規(guī)定，以燃料酒精為主的可再生清潔燃料在大城市必須全年供應(yīng)：1998年，國會(huì)通過《汽車替代燃料法》，鼓勵(lì)使用燃料酒精作為替代能源。1999年，美國總統(tǒng)簽署的一項(xiàng)國家戰(zhàn)略計(jì)劃提出，到2020年，生物質(zhì)燃油將取代石化類燃油消費(fèi)量的10%。2005年實(shí)施的《國家能源政策法》規(guī)定，銷售的汽油中必須包含一定比例（將逐年遞增）的生物質(zhì)能源燃料，在未來的5年內(nèi)，燃料酒精的產(chǎn)量將增加一倍，到2012年，汽油中添加酒精的數(shù)量要達(dá)到80億加侖（2430萬噸），2013年，可再生能源要占全部能源的7.5%以上。2005年，美國農(nóng)業(yè)部（USDA）宣布實(shí)施綜合能源戰(zhàn)略，支持燃料酒精、生物柴油等可再生能源的開發(fā)、生產(chǎn)和使用，成立能源理事會(huì)，協(xié)調(diào)與美國能源部、環(huán)保局等部門的合作，監(jiān)督綜合能源戰(zhàn)略的實(shí)施。

美國通過以上法令法規(guī)，從總體上對(duì)生物質(zhì)能源的開發(fā)利用進(jìn)行了規(guī)劃，以法律手段為能源農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了保障。