生物燃料研究精選(五篇)
發布時間：2023-12-06 10:16:19
序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨特的藝術，我們為您準備了不同風格的5篇生物燃料研究，期待它們能激發您的靈感。
篇1
（一）國內生物燃料產業發展現狀
1、燃料乙醇開始規模化應用
“十五”期間，我國在黑龍江、吉林、河南、安徽4省，分別依托吉林燃料乙醇有限責任公司、河南天冠集團、安徽豐原生化股份有限公司和黑龍江華潤酒精有限公司四家企業建成了四個燃料乙醇生產試點項目進行定點生產，初步形成了現有國內燃料乙醇市場格局。到2007年，我國燃料乙醇產能達160萬噸，四家定點企業產能達144萬噸。值得注意的是，為不影響糧食安全并改善能源環境效益，我國已確定不擴大現有陳化糧玉米乙醇生產能力的政策，轉向以木薯和甜高粱等非糧作物為原料生產燃料乙醇，并開始商業化生產。目前，廣西木薯乙醇項目的生產能力超過20萬噸，2008年全國燃料乙醇總產量達172萬噸。此外，生物液體燃料也已開始在道路交通部門中初步得到規模化應用，我國燃料乙醇的消費量已占汽油消費量的20%左右，在黑龍江、吉林、遼寧、河南、安徽5省及湖北、河北、山東、江蘇部分地區已基本實現車用乙醇汽油替代普通無鉛汽油。
2、生物柴油步入快速發展軌道
自2002年經國務院批示，國家發改委開始推進生物柴油產業發展以來，生物柴油年產量由最初的1萬噸發展到現在的近20萬噸，總設計產能約200萬噸/年，生物柴油被納入《中華人民共和國可再生能源法》的管理范疇。2008年，為鼓勵和規范生物柴油產業發展，防止重復建設和投資浪費，根據生物燃料產業發展總體思路和基本原則，結合國家有關政策要求及產業化工作部署與安排，國家發改委批準了中石油南充煉油化工總廠6萬噸/年、中石化貴州分公司5萬噸/年和中海油海南6萬噸/年3個小油桐生物柴油產業化示范項目。截止目前，我國生物柴油產業已初步形成以海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源發展公司等民營公司、外資公司以及中糧集團、航天科工集團和三大石油集團共同參與的格局。
（二）生物燃料產業發展需突破的主要制約因素
目前，我國生物燃料產業的快速發展還面臨許到原料資源供應、產業發展的技術瓶頸、商業化應用市場和政策、市場環境不完善等制約因素。
1、原料資源供應嚴重不足
無論是燃料乙醇還是生物柴油都面臨著“無米下鍋”。
從燃料乙醇看，如果完全用玉米來生產，按照1∶3.3 比例計算，2020 年將達4950 萬噸，加上其他工業消費對玉米需求的增長，未來我國玉米生產將難以滿足燃料乙醇生產的工業化需求，而且隨著陳化糧食逐步消耗殆盡和玉米價格的不斷上漲，玉米燃料乙醇的發展可能威脅到我國糧食安全，因此完全使用玉米生產燃料乙醇在我國并不現實。
從生物柴油看，國內僅有的幾個項目都是以地溝油、植物油腳等廢棄油脂做原料，而全國一年的廢棄油脂也只有600―700萬噸，其中相當比例還要用于化工生產，每年可供生物柴油企業利用的廢棄油脂不足50 萬噸。按照1.2 噸廢棄油脂生產1 噸生物柴油計算，40 多萬噸廢棄油脂能滿足的產能只有30 多萬噸。目前，我國很多企業處于部分停產或完全停產狀態，行業發展陷入了困境。
2、產業發展中的技術、標準瓶頸制約
目前，我國生物質能產業發展尚處于起步階段，產業發展中的生產技術、產品標準、生產設備等問題已成為阻礙生物燃料產業快速健康發展的重要問題之一。
從燃料乙醇的發展看，一方面，我國的自主研發能力還比較弱，缺乏具有自主知識產權的核心技術。目前國內以玉米、木薯等淀粉類為原料的生產技術已經進入商業化初期階段，以甜高粱、甘蔗等糖質類為原料基礎的燃料乙醇生產技術大多處于試驗示范階段，還需在優良品種選育、適應性種植、發酵菌種培育、關鍵工藝和配套設備優化、廢渣廢水回收利用等方面作進一步研究。而國外以淀粉、糖質類為原料的燃料乙醇生產技術已經十分成熟，并進入大規模商業化生產階段。此外，我國的纖維素乙醇還處在試驗階段，技術還有待完善，尤其是如何降低纖維預處理和纖維酶的成本，高效率的發酵技術等方面，總體而言與國外發達國家相比差距較大。另一方面，國內還缺乏以不同生物質為原料的燃料乙醇相關產品和技術標準。盡管我國于2001年頒布了變性生物燃料乙醇（GB18350－2001）和車用乙醇汽油（GB18351－2001）兩項強制性國家標準，在技術內容上等效采用了美國試驗與材料協會標準（ASTM）；但上述標準主要是基于淀粉類原料而制定的，而制備燃料乙醇的原料種類較多且生產工藝也大不相同，在某些技術指標上也會有所差異，單一基于淀粉類原料制定的標準在一定程度上制約了我國燃料乙醇產業的快速發展。
從生物柴油的發展看，我國主要采用化學酯化法生產生物柴油，已形成較完備的技術體系和方法，但由于酯化過程要進行水洗、除渣、酯化、分離、蒸餾、洗滌、干燥、脫色等一系列過程，因此，轉化率低，成本較高，而且產品質量難以保障。此外，雖然我國在2007年頒布了《柴油機燃料調和用生物柴油（BD100）國家標準》（GB/T20828－2007），但由于生物柴油的酸度、灰分、殘炭均高于石油類柴油，常會以B5或B20等BX類生物柴油與石化柴油混用。而我國至今沒有B5或B20標準，更沒有對生物柴油企業的生產設計和運行進行技術規范，生物柴油質量難以保證，導致難以進入中石油、中石化的銷售終端，大量生物柴油賣給企業用作燒鍋爐等用途，極大地制約了我國生物柴油產業的快速健康發展。
3、生產成本過高，商業化應用缺乏市場前景
從燃料乙醇看，目前，除巴西以甘蔗為原料生產的燃料乙醇成本可以與汽油相競爭外，其他國家燃料乙醇的成本都比較高，而我國燃料乙醇由于受原料成本高、耗能大、轉化率低等因素影響，燃料乙醇的生產成本更高；從生物柴油看，在原料價格高峰時，生物柴油的生產成本是每噸接近7000元，而售價是6000元左右。因此，不依靠政府補貼，大規模的商業化應用缺乏市場前景。
4、政策法規和市場環境尚需改進
雖然我國在2005年2月28日通過了《可再生能源法》，并于2007年8月出臺了《可再生能源中長期發展規劃》，但主要是以利用再生能源發電作為目標和重點的，缺乏對包括燃料乙醇、生物柴油等生物燃料開發利用的明確性規定。另外，在生物燃料產業發展方面缺乏利用稅收減免、投資補貼、價格補貼、政府收購等市場經濟杠桿和行政手段促進發展的政策性法規；而且，部分出臺的優惠政策行業內企業很難享受。此外，我國生物燃料產業的市場化競爭和運作環境也有待進一步完善。
二、我國生物燃料產業發展的路線圖
（一）發展目標
按照因地制宜、綜合利用、清潔高效的原則，合理開發生物質資源，以產業發展帶動技術創新，通過加強生物質的資源評價和規劃，健全生物燃料產業的服務體系，包括完善科技支撐體系，加強標準化和人才培養體系建設，完善信息管理體系等途徑促進生物燃料產業的發展，實現生物燃料產業發展從追趕型到領先型的轉變。到2020年，燃料乙醇年利用量達1000萬噸，生物柴油年利用量達200萬噸，年替代化石燃料1億噸標準煤。
（二）發展路線
近期（2011―2015年）：在燃料乙醇方面，應維持玉米乙醇、小麥乙醇的現有發展規模，繼續提高玉米乙醇、小麥乙醇項目的生產效率；重點發展木薯乙醇、馬鈴薯乙醇等非糧淀粉類燃料乙醇；努力完善木薯乙醇、馬鈴薯乙醇等非糧燃料乙醇的生產工藝，提高生產經濟性；進行甜高粱乙醇、甘蔗乙醇等糖類原料的直接發酵技術的示范；同時，加大纖維素遺傳技術研發力度，爭取在纖維素酶水解技術上有所突破；開展抗逆性能源植物的種植示范。在生物柴油方面，仍將維持以廢棄油脂為主，以林木油果等為輔的原料供給結構；開展高產木本油料種植技術研究；開展先進酯化技術示范；制定生物柴油技術規范和B5或B20等BX類生物柴油與石化柴油混用的產品標準，并建立國家級的質量監測系統。
中期（2016―2020年）：在燃料乙醇方面，加大以甜高粱等糖類作物為原料的燃料乙醇的產業化利用，應用耐高溫、高乙醇濃度、高滲透性微生物發酵技術，采用非相變分離乙醇技術；戊糖、己糖共發酵生產乙醇技術實現突破，纖維素乙醇進入生產領域；耐貧瘠能源作物在鹽堿地、沙荒地大面積種植，提高淀粉作物中淀粉含量、糖作物中的糖含量技術成功，燃料乙醇在運輸燃料中起到重要作用。在生物柴油方面，大力開發以黃連木、麻風樹等木本油料植物果實作為生物柴油主要原料的生物柴油，高產、耐風沙、干旱的灌木與草類規模化種植技術取得突破；高壓醇解、酶催化、固體催化等生物柴油技術廣泛應用。
遠期（2020年以后）：在燃料乙醇方面，燃料乙醇逐步替代汽油并探索利用更高熱值產品（如丁醇等）；植物代謝技術取得突破，減少木質素含量提高纖維素含量，大規模生產木質纖維類生物質燃料乙醇的工業技術開發成功并實現產業化。在生物柴油方面，以黃連木、麻風樹等木本油料植物果實作為生物柴油主要原料的生物柴油的生產工藝不斷成熟且生產經濟性不斷提高，規模不斷擴張；工程微藻法技術逐步完善并走向成熟且實現產業化。
三、促進我國生物燃料產業發展的保障措施
（一）統一思想，合理規劃，有序推進
向全社會廣泛宣傳發展生物燃料產業的重要意義，切實提高對發展生物燃料產業重要性的認識，把生物燃料產業的發展提高到國家經濟和社會發展的戰略高度予以考慮。同時，要借鑒先發國家在生物燃料產業發展過程中的經驗和教訓，仔細分析生物燃料產業發展過程中可能會出現的問題。此外，各地區也要按照因地制宜、統籌兼顧、突出重點的原則，做好生物燃料產業發展的規劃工作，根據生物質資源狀況、技術特點、市場需求等條件，研究制定本地區生物燃料產業發展規劃，提出切實可行的發展目標和要求，充分發揮好資源優勢，實現生物質能的合理有序開發，走出一條具有中國特色的生物燃料產業發展路徑。
（二）開展資源評價，發展能源作物
必須通過生物質資源的調查和評價工作，搞清各種生物質資源總量、用途及其分布，為發展生物燃料產業奠定良好基礎。一是開展調查研究，做好資源評價。二是在生物質資源普查與科學評價基礎上，制定切實可行的能源作物發展規劃，以確定在什么地方具有大規模種植何類能源作物的條件。在不毀壞林地、植被和濕地，不與糧爭地，不與民爭糧的原則下，調整種植業比例，優化種植結構，根據主要能源作物品種的性能、適宜的邊際性土地等資源數量、區域分布現狀，科學制訂能源作物的種植規劃。在種植基礎好、資源潛力大的地區，規劃建設一批能源作物種植基地，為生物燃料示范建設和規模化發展提供可靠的原料供應基礎。
（三）加大生物燃料產業前沿技術研究和產業化示范工作
必須要堅持點面結合、整體推進的原則，將近、中遠期目標相結合，并結合我國生物質資源特點，加大對生物燃料產業前沿技術和技術產業化研究的支持力度。一是制定生物燃料產業發展的技術路線圖，通過政府、企業和研究機構的共同工作，提出中長期需要的技術發展戰略，有利于幫助企業或研發機構識別、選擇和開發正確的技術，并幫助引導投資和配置資源。二是加強生物燃料產業技術的試點和產業化示范工作，設立生物燃料產業研究發展專項資金，增加研究開發投入，加大生物燃料產業技術的研發力度，加快推進生物燃料產業技術的科技進步與產業化發展。三是重視生物燃料產業技術和產品的標準體系建設，制定生物燃料產業技術和產品標準，發揮標準的技術基礎、技術準則、技術指南和技術保障作用，并建立國家級的質量監測系統加強市場監督工作，促進生物燃料產業的健康發展。
（四）加強財政、稅收和金融政策的引導和扶持
一是可以給予適當的財政投資或補貼，包括建立風險基金制度實施彈性虧損補貼、對原料基地給予補助、具有重大意義的技術產業化示范補助和加大面對生產生物燃料產品企業的政府采購等措施，以保證投資主體合理的經濟利益，使投資主體具有發展生物燃料項目的動力。二是加大對投資生物燃料項目的稅收優惠，包括對投資生物燃料項目的企業實行投資抵免和再投資退稅政策，對生產生物燃料產品的企業固定資產允許加速折舊，對科研單位和企業研制開發出的生物燃料新技術、新成果及新產品的轉讓銷售在一定時期可以給予減免營業稅和所得稅等措施，以鼓勵和引導更多的企業重視、參與生物燃料產業發展。三是積極引導金融資本投向生物燃料產業，包括對生物燃料龍頭企業實施貸款貼息，支持有條件的生物燃料企業發行企業債券和可轉換債券，支持符合條件的生物燃料企業以現有資產做抵押到境外融資以獲得國際商業貸款和銀團貸款，鼓勵和引導創業投資增加對生物燃料企業的投資等措施，鼓勵以社會資本為主體按市場化運作方式建立面向生物燃料產業的融資擔保機構，以降低生物燃料企業的融資成本，擴充和疏通生物燃料企業的融資渠道。
（五）加強部門間合作，建立產業服務配套體系，完善市場體系建設
一是建設和完善服務保障體系。整合資源，建立和完善產業服務配套體系，針對生物質資源分布廣、收集運輸難等問題，建立生物質資源收集配送等產業服務體系；積極引導農民發展能源作物種植、農作物秸稈收集與預處理等專業合作組織，建立生物質原料生產與物流體系；盡快建立完善生物燃料產業技術的推廣服務體系、行業質量標準和產品檢測中心等配套服務體系，加強生物燃料產業技術、管理人才隊伍的建設。二是必須盡快開發具有自主知識產權的生物燃料產業的國產設備，重點開發有利于生物燃料產業發展的裝備設計與制造技術，包括大型專用成套設備和成熟的生產工藝路線。三是完善市場體系建設。要通過市場帶動，積極發展上下游企業和相關配套產業，整合資源，優化結構，建立完善的市場體系。
篇2
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.
參考文獻:
［1］ VOLESKY B,SZCZESNY T.Bacterial conversion of pentose sugars to acetone and butanol［J］.Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology,1983,27:101-108.
［2］ 陳麗杰,辛程勛,鄧攀,等.丙酮丁醇梭菌發酵菊芋汁生產丁醇［J］.生物工程學報,2010,26(7):991-996.
［3］ EZEJI T C,QURESHI N,BLASCHEK H P.Butanol fermentation research:upstream and downstream manipulations［J］.The Chemical Record,2004,4(5):305-314.
［4］ LIU Z Y,YING Y,LI F L,et al.Butanol production by Clostridium beijerinckii ATCC 55025 from wheat bran［J］.Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology,2010,37(5):495-501.
［5］ EZEJI T C,QYRESSHI N,BLASCHEK H P.Production of acetone butanol (AB) from liquefied corn starch,a commercial substrate,using Clostridium beijerinckii coupled with product recovery by gas stripping［J］.Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology,2007,34(12):771-777.
［6］ 曾現軍,鄧建,孔華,等.丁醇作為車用替代燃料的研究進展［J］.小型內燃機與摩托車,2012,41(1):76-80.
［7］ SARATHY S M,THOMSON M J,TOGBE C,et al.An experimental and kinetic modeling study of nbutanol combustion［J］.Combustion and Flame,2009,156(4):852-864.
篇3
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世紀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想也于1991年實現。但是，經過提升能量輸出的微生物燃料電池則是新生的，為這一事物的實際應用提供了可能的機會。
MFCs將可以被生物降解的物質中可利用的能量直接轉化成為電能。要達到這一目的，只需要使細菌從利用它的天然電子傳遞受體，例如氧或者氮，轉化為利用不溶性的受體，比如MFC的陽極。這一轉換可以通過使用膜聯組分或者可溶性電子穿梭體來實現。然后電子經由一個電阻器流向陰極，在那里電子受體被還原。與厭氧性消化作用相比，MFC能產生電流，并且生成了以二氧化碳為主的廢氣。
與現有的其它利用有機物產能的技術相比，MFCs具有操作上和功能上的優勢。首先它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。其次，不同于現有的所有生物能處理，MFCs在常溫，甚至是低溫的環境條件下都能夠有效運作。第三，MFC不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳，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，因為僅需通風就可以被動的補充陰極氣體。第五，在缺乏電力基礎設施的局部地區，MFCs具有廣泛應用的潛力，同時也擴大了用來滿足我們對能源需求的燃料的多樣性。
微生物燃料電池中的代謝
為了衡量細菌的發電能力，控制微生物電子和質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菌的代謝。增加MFC的電流會降低陽極電勢，導致細菌將電子傳遞給更具還原性的復合物。因此陽極電勢將決定細菌最終電子穿梭的氧化還原電勢，同時也決定了代謝的類型。根據陽極勢能的不同能夠區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，以及發酵。因此，目前報道過的MFCs中的生物從好氧型、兼性厭氧型到嚴格厭氧型的都有分布。
在高陽極電勢的情況下，細菌在氧化代謝時能夠使用呼吸鏈。電子及其相伴隨的質子傳遞需要通過NADH脫氫酶、泛醌、輔酶Q或細胞色素。Kim等研究了這條通路的利用情況。他們觀察到MFC中電流的產生能夠被多種電子呼吸鏈的抑制劑所阻斷。在他們所使用的MFC中，電子傳遞系統利用NADH脫氫酶，Fe/S（鐵/硫）蛋白以及醌作為電子載體，而不使用電子傳遞鏈的2號位點或者末端氧化酶。通常觀察到，在MFCs的傳遞過程中需要利用氧化磷酸化作用，導致其能量轉化效率高達65%。常見的實例包括假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微腸球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。
如果存在其它可替代的電子受體，如硫酸鹽，會導致陽極電勢降低，電子則易于沉積在這些組分上。當使用厭氧淤泥作為接種體時，可以重復性的觀察到沼氣的產生，提示在這種情況下細菌并未使用陽極。如果沒有硫酸鹽、硝酸鹽或者其它電子受體的存在，如果陽極持續維持低電勢則發酵就成為此時的主要代謝過程。例如，在葡萄糖的發酵過程中，涉及到的可能的反應是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，從理論上說，六碳底物中最多有三分之一的電子能夠用來產生電流，而其它三分之二的電子則保存在產生的發酵產物中，如乙酸和丁酸鹽。總電子量的三分之一用來發電的原因在于氫化酶的性質，它通常使用這些電子產生氫氣，氫化酶一般位于膜的表面以便于與膜外的可活動的電子穿梭體相接觸，或者直接接觸在電極上。同重復觀察到的現象一致，這一代謝類型也預示著高的乙酸和丁酸鹽的產生。一些已知的制造發酵產物的微生物分屬于以下幾類：梭菌屬（Clostridium），產堿菌（Alcaligenes），腸球菌（Enterococcus），都已經從MFCs中分離出來。此外，在獨立發酵實驗中，觀察到在無氧條件下MFC富集培養時，有豐富的氫氣產生，這一現象也進一步的支持和驗證這一通路。
發酵的產物，如乙酸，在低陽極電勢的情況下也能夠被諸如泥菌屬等厭氧菌氧化，它們能夠在MFC的環境中奪取乙酸中的電子。
代謝途徑的差異與已觀測到的氧化還原電勢的數據一起，為我們一窺微生物電動力學提供了一個深入的窗口。一個在外部電阻很低的情況下運轉的MFC，在剛開始在生物量積累時期只產生很低的電流，因此具有高的陽極電勢（即低的MFC電池電勢）。這是對于兼性好氧菌和厭氧菌的選擇的結果。經過培養生長，它的代謝轉換率，體現為電流水平，將升高。所產生的這種適中的陽極電勢水平將有利于那些適應低氧化的兼性厭氧微生物生長。然而此時，專性厭氧型微生物仍然會受到陽極倉內存在的氧化電勢，同時也可能受到跨膜滲透過來的氧氣影響，而處于生長受抑的狀態。如果外部使用高電阻時，陽極電勢將會變低，甚至只維持微弱的電流水平。在那種情況下，將只能選擇適應低氧化的兼性厭氧微生物以及專性厭氧微生物，使對細菌種類的選擇的可能性被局限了。
MFC中的陽極電子傳遞機制
電子向電極的傳遞需要一個物理性的傳遞系統以完成電池外部的電子轉移。這一目的既可以通過使用可溶性的電子穿梭體，也可以通過膜結合的電子穿梭復合體。
氧化性的、膜結合的電子傳遞被認為是通過組成呼吸鏈的復合體完成的。已知細菌利用這一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水氣單胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。決定一個組分是否能發揮類似電子門控通道的主要要求在于，它的原子空間結構相位的易接近性（即物理上能與電子供體和受體發生相互作用）。門控的勢能與陽極的高低關系則將決定實際上是否能夠使用這一門控（電子不能傳遞給一個更還原的電極）。
MFCs中鑒定出的許多發酵性的微生物都具有某一種氫化酶，例如布氏梭菌和微腸球菌。氫化酶可能直接參加了電子向電極的轉移過程。最近，這一關于電子傳遞方法的設想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必須結合可移動的氧化穿梭體。它們展示了氫化酶在還原細菌表面的中性紅的過程中扮演了某一角色。
細菌可以使用可溶性的組分將電子從一個細胞（內）的化合物轉移到電極的表面，同時伴隨著這一化合物的氧化。在很多研究中，都向反應器中添加氧化型中間體比如中性紅，勞氏紫（thionin）和甲基紫蘿堿（viologen）。經驗表明這些中間體的添加通常都是很關鍵的。但是，細菌也能夠自己制造這些氧化中間體，通過兩種途徑：通過制造有機的、可以被可逆的還原化合物（次級代謝物），和通過制造可以被氧化的代謝中間物（初級代謝物）。
第一種途徑體現在很多種類的細菌中，例如腐敗謝瓦納拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及銅綠假單胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明這些微生物的代謝中間物影響著MFCs的性能，甚至普遍干擾了胞外電子的傳遞過程。失活銅綠假單胞菌的MFC中的這些與代謝中間體產生相關的基因，可以將產生的電流單獨降低到原來的二十分之一。由一種細菌制造的氧化型代謝中間體也能夠被其他種類的細菌在向電極傳遞電子的過程中所利用。
通過第二種途徑細菌能夠制造還原型的代謝中間體——但還是需要利用初級代謝中間物——使用代謝中間物如Ha或者HgS作為媒介。Schroder等利用E.coliK12產生氫氣，并將浸泡在生物反應器中的由聚苯胺保護的鉑催化電極處進行再氧化。通過這種方法他們獲得了高達1.5mA/cm2（A，安培）的電流密度，這在之前是做不到。相似的，Straub和Schink發表了利用Sulfurospirillumdeleyianum將硫還原至硫化物，然后再由鐵重氧化為氧化程度更高的中間物。
評價MFCs性能的參數
使用微生物燃料電池產生的功率大小依賴于生物和電化學這兩方面的過程。
底物轉化的速率
受到如下因素的影響，包括細菌細胞的總量，反應器中混合和質量傳遞的現象，細菌的動力學（p-max——細菌的種屬特異性最大生長速率，Ks——細菌對于底物的親和常數），生物量的有機負荷速率（每天每克生物量中的底物克數），質子轉運中的質子跨膜效率，以及MFC的總電勢。
陽極的超極化
一般而言，測量MFCs的開放電路電勢（OCP）的值從750mV~798mV。影響超極化的參數包括電極表面，電極的電化學性質，電極電勢，電極動力學以及MFC中電子傳遞和電流的機制。
陰極的超極化
與在陽極觀測到的現象相似，陰極也具有顯著的電勢損失。為了糾正這一點，一些研究者們使用了赤血鹽（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血鹽并不是被空氣中的氧氣完全重氧化的，所以應該認為它是一個電子受體更甚于作為媒介。如果要達到可持續狀態，MFC陰極最好是開放性的陰極。
質子跨膜轉運的性能
目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—質子轉換膜（PEMs）。然而，Nafion—膜對于（生物）污染是很敏感的，例如銨。而目前最好的結果來自于使用Ultrex陽離子交換膜。Liu等不用使用膜，而轉用碳紙作為隔離物。雖然這樣做顯著降低了MFC的內在電阻，但是，在有陽極電解液組分存在的情況下，這一類型的隔離物會刺激陰極電極的生長，并且對于陰極的催化劑具有毒性。而且目前尚沒有可信的，關于這些碳紙-陰極系統在一段時期而不是短短幾天內的穩定性方面的數據。
MFC的內在電阻
這一參數既依賴于電極之間的電解液的電阻值，也決定于膜電阻的阻值（Nafion—具有最低的電阻）。對于最優化的運轉條件，陽極和陰極需要盡可能的相互接近。雖然質子的遷移會顯著的影響與電阻相關的損失，但是充分的混合將使這些損失最小化。
性能的相關數據
在平均陽極表面的功率和平均MFC反應器容積單位的功率之間，存在著明顯的差異。表2提供了目前為止報道過的與MFCs相關的最重要的的結果。大部分的研究結果都以電極表面的mA/m以及mW/m2兩種形式表示功率輸出的值，是根據傳統的催化燃料電池的描述格式衍生而來的。其中后一種格式對于描述化學燃料電池而言可能已經是充分的，但是MFCs與化學燃料電池具有本質上的差異，因為它所使用的催化劑（細菌）具有特殊的條件要求，并且占據了反應器定的體積，因此減少了其中的自由空間和孔隙的大小。每一個研究都參照了以下參數的特定的組合：包括反應器容積、質子交換膜、電解液、有機負荷速率以及陽極表面。但僅從這一點出發要對這些數據作出橫向比較很困難。從技術的角度來看，以陽極倉內容積（液體）所產生的瓦特/立方米（Watts/m3）為單位的形式，作為反應器的性能比較的一個基準還是有幫助的。這一單位使我們能夠橫向比較所有測試過的反應器，而且不僅僅局限于已有的研究，還可以拓展到其它已知的生物轉化技術。
此外，在反應器的庫侖效率和能量效率之間也存在著顯著的差異。庫侖效率是基于底物實際傳遞的電子的總量與理論上底物應該傳遞的電子的總量之間的比值來計算。能量效率也是電子傳遞的能量的提示，并結合考慮了電壓和電流。如表2中所見，MFC中的電流和功率之間的關系并非總是明確的。需要強調的是在特定電勢的條件下電子的傳遞速率，以及操作參數，譬如電阻的調整。如果綜合考慮這些參數的問題的話，必須要確定是最大庫侖效率（如對于廢水處理）還是最大能量效率（如對于小型電池）才是最終目標。目前觀測到的電極表面功率輸出從mW/m2~w/m2都有分布。
優化
生物優化提示我們應該選擇合適的細菌組合，以及促使細菌適應反應器內優化過的環境條件。雖然對細菌種子的選擇將很大程度上決定細菌增殖的速率，但是它并不決定這一過程產生的最終結構。使用混合的厭氧-好氧型淤泥接種，并以葡萄糖作為營養源，可以觀察到經過三個月的微生物適應和選擇之后，細菌在將底物轉換為電流的速率上有7倍的增長。如果提供更大的陽極表面供細菌生長的話，增長會更快。
批處理系統使能夠制造可溶性的氧化型中間體的微生物的積累成為了可能。持續的系統性選擇能形成生物被膜的種類，它們或者能夠直接的生長在電極上，或者能夠通過生物被膜的基質使用可移動的穿梭分子來傳遞電子。
通過向批次處理的陽極中加入可溶性的氧化中間體也能達到技術上的優化：MFCs中加入氧化型代謝中間體能夠持續的改善電子傳遞。對這些代謝中間體的選擇到目前為止還僅僅是出于經驗性的，而且通常只有低的中間體電勢，在數值約為300mV或者還原性更高的時候，才認為是值得考慮的。應該選擇那些具有足夠高的電勢的氧化中間體，才能夠使細菌對于電極而言具有足夠高的流通速率，同時還需參考是以高庫侖效率還是以高能量效率為主要目標。
一些研究工作者們已經開發了改進型的陽極材料，是通過將化學催化劑滲透進原始材料制成的。Park和Zeikus使用錳修飾過的高嶺土電極，產生了高達788mW/m2的輸出功率。而增加陽極的特殊表面將導致產生更低的電流密度（因此反過來降低了活化超極化）和更多的生物薄膜表面。然而，這種方法存在一個明顯的局限，微小的孔洞很容易被被細菌迅速堵塞。被切斷食物供應的細菌會死亡，因此在它溶解前反而降低了電極的活化表面。總之，降低活化超極化和內源性電阻值將是影響功率輸出的最主要因素。
IVIFC：支柱性核心技術
污物驅動的應用在于能夠顯著的移除廢棄的底物。目前，使用傳統的好氧處理時，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的處理每立方米需要消耗0.5kWh的能量，折算后在這一項上每人每年需要消耗的能源約為30kWh。為了解決這一問題，需要開發一些技術，特別是針對高強度的廢水。在這一領域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反應器，它產生沼氣，特別是在處理濃縮的工業廢水時。UASB反應器通常以每立方米反應器每天10~20kg化學需氧量的負荷速率處理高度可降解性的廢水，并且具有（帶有一個燃燒引擎作為轉換器）35%的總電力效率，意味著反應器功率輸出為0.5~1kW/m3。它的效率主要決定于燃燒沼氣時損失的能量。未來如果發展了比現有的能更有效的氧化沼氣的化學染料電池的話，很可能能夠獲得更高的效率。
能夠轉化具有積極市場價值的某種定性底物的電池，譬如葡萄糖，將以具有高能量效率作為首要目標。雖然MFCs的功率密度與諸如甲醇驅動的FCs相比是相當低的，但是對于這項技術而言，以底物安全性為代表的多功能性是它的一個重要優勢。
篇4
關鍵字：生物質熱解乳化燃料，馬爾文粒度分析儀，平均直徑，粘度
中圖分類號：G633 文獻標識碼： A 文章編號：
1 前言
生物質熱解乳化燃油具有很多特點，如酸性強、粘度高、制備靈活等等，它還具有柴油的一些特性，制備資源豐富，作為替代燃料，將其應用到動力裝置中卻存在一定的難度。目前，眾多國內外內燃機界學者一直通過各種途徑對其研制并進行發動機特性實驗，已經取得了一定的成果。Valentin Soloiu[1]等人對制備出的生物質碳漿-柴油乳化燃料的噴霧特性和燃燒特性進行了實驗研究，發現該乳化燃料屬于非牛頓流體，霧化后的索特平均直徑在40 μm左右，是柴油（25 μm）的1.6倍；乳化燃料產生的NOx排放比柴油的高，但煙度較柴油的低。Jay[2]在一臺共軌柴油機上進行了物質熱解燃油實驗，發現發動機仍能穩定運轉。加拿大CANMET能源中心的Ikura[3]等人利用乳化技術制備出的乳化燃料在腐蝕性、著火性能和粘度等指標上都符合使用要求，穩定時間可達42天以上。國內很多高校和學者也在開展生物質熱解燃料的實驗研究。黃亞繼[4]等人使用司班-80（Span-80）/吐溫-80（Tween-80）復合乳化劑制備出由生物質熱解燃油/柴油混合而成的乳化燃料，并研究了HLB值、摻和量對乳化燃料穩定性的影響，結果表明乳化劑HLB值在7.0~8.0之間，生物質熱解油不超過15%時的乳化燃料穩定性較好，NOx、CO排放也優于純柴油。孫書生[5]等人使用中國科技大學安徽省生物質潔凈能源重點實驗室自制的生物質熱解燃油和柴油進行乳化燃料的配制，并在一臺R180型單缸柴油機上燃用，結果則顯示乳化油的燃油效率比柴油高，熱效率比柴油低，并且在燃用B20燃料時，柴油機HC、CO的排放增大，NOx排放減低。在燃用乳化燃料時，還存在著起動性能變差等問題。當前，眾學者的對生物質熱解燃料的研究偏重于它的穩定性及排放特性，很少人對它的霧化性進行實驗研究，然而，乳化燃料霧化的好壞程度直接影響著它的燃燒特性以及排放特性。因此，在保證生物質熱解乳化燃料各項物化指標符合要求的前提下，對其霧化特性進行深入研究是必不可少的。
1 實驗設備
本文利用孔徑為0.26 mm、0.315 mm、0.366 mm的三個噴嘴、馬爾文粒度分析儀及附屬軟件測得BPO0、BPO5、BPO10、BPO100三種生物質熱解乳化燃料分別在16 MPa、20 MPa、24 MPa三個啟噴壓力下的液滴霧化平均直徑。由于生物質熱解燃油的英文名稱為Biomass Pyrolysis Oil, 為方便起見，用BPO-XX表示生物質熱解油在乳化燃料中所占的質量比例。馬爾文粒度分析儀對噴霧場的測量技術基于大量運動粒子對單色平行光的多源弗瑯荷費衍射，其原理如圖1所示。
圖1馬爾文粒度分析儀光學系統原理圖2 馬爾文粒度分析儀實物圖
由激光發生器產生的單色激光經過相關處理使之形成平行光，再將其垂直照射噴霧場。由于粒子大小的同，光束發生弗瑯荷費衍射，呈現出多散射性，從而在檢測器面板上出現眾多弗瑯荷費衍射的同心條紋光環，每個光環的條紋間距對應某一直徑下的一組粒子。檢測器上安裝有光敏環，可測得不同粒徑下干涉條紋的能量譜分布。系統經光電信號轉換后統計出粒子的尺寸分布和平均粒徑，圖2為馬爾文粒度分析儀實物圖。
2 乳化燃料霧化的平均直徑
由于噴霧液滴霧場中的粒子大小不均，測量時需要取平均值才能比較出霧化的好壞。霧場中液滴平均直徑有很多種，如長度平均直徑D10、表面平均直徑D20、體積平均直徑D30等，每個平均直徑的含義是不同的，則其應用領域也就不同，表1給出了平均直徑所代表的不同含義及其應用領域。
表1平均直徑及其應用
噴霧液滴平均直徑的概念是由Mugele和Evans提出的，他們也曾推出液滴平均直徑的表達通式，如（2.1）
（2.1）
式中，p + q稱為平均直徑的階數，p、q根據研究的需要可以為任何值。
燃油噴霧常用索特平均直徑D32評價霧化質量[6]，它是霧化特性的重要指標。D32反映的是霧場中的容面比，可表征出真實液滴的蒸發條件。對柴油機而言，索特平均直徑D32可反映出每循環噴入缸內的全部油滴體積所占全部表面積數。在不考慮燃油熱膨脹情況下，當每循環噴入缸內的全部油滴體積不變（即循環供油量不變）時，D32越小，意味著霧場中全部油滴的表面積越大，缸內液滴霧化質量越好，燃油蒸況越好；反之，則霧化質量越差，燃油蒸況越差。D32的表達通式為：
（2.2）
式中，Ni指的是液滴直徑為Di的數目，通常D min=0。
圖30.26 mm孔徑下D32變化情況圖416 MPa啟噴壓力下D32變化情況
圖3和圖4是三種乳化燃料在不同啟噴壓力和不同孔徑下的索特平均直徑曲線圖。相同孔徑下乳化燃料的索特平均直徑D32隨啟噴壓力的增加而減小；同一啟噴壓力下乳化燃料的索特平均直徑D32隨孔徑的增大而增大；相同噴嘴孔徑和啟噴壓力下三種乳化燃料的索特平均直徑D32隨著乳化比例的增加而增大。
由于霧場中大顆粒油滴所占比重隨著乳化比例的增加而增加，從而使霧化質量變差；此外，霧化了的油滴由于多次碰撞、粘合，形成更大的油滴。索特平均直徑D32也與燃料粘度有關。對于BPO0、BPO5和BPO10，其粘度隨著乳化比例的增加而增大，這使得乳化燃料在霧化的過程中不易碎裂成為細小油滴。因此，粘度的增大造成了乳化燃料霧化后索特平均直徑D32的增大。對于BPO100，理論上講，其粘度在相同溫度下應為BPO0的一半左右，霧化后的D32應該偏小，而圖中所示其值反而更大。這種反差可能由于燃料的粘度較低使得油泵內的泄漏損失和噴油器內部損失過大，最終導致噴射壓力降低。總之，燃料的粘度必須控制在一個合理的范圍：一方面若粘度過大，液體不易碎裂，霧化質量會變差，而且高粘性的大顆粒油滴還可能改變噴霧形態；另一方面若粘度過小，燃油噴射泵內的泄漏損失會導致其運行性能降低。由于乳化劑的用量和乳化燃料的粘度幾何呈線性關系，因此，在確定乳化油的乳化比例及乳化劑的用量時，乳化燃料的粘度可以作為一個重要的考察指標。
3 結論
利用生物質熱解制備成的乳化燃料是目前眾多學者研究和探索新型替代燃料的熱點。本文通過實驗發現, 相同孔徑下乳化燃料的索特平均直徑D32隨啟噴壓力的增加而減小；同一啟噴壓力下乳化燃料的索特平均直徑D32隨孔徑的增大而增大；相同噴嘴孔徑和啟噴壓力下三種乳化燃料的索特平均直徑D32隨著乳化比例的增加而增大。索特平均直徑D32除受大顆粒油滴比例的影響外，還受燃料粘度的影響，所以燃料粘度應該控制在一個合理范圍，粘度過大，液體不易碎裂，霧化質量會變差，并且高粘性的大顆粒油滴還可能改變噴霧形態；粘度過小，燃油噴射泵內的泄漏損失會導致其啟噴壓力太小，霧化質量下降。
作者簡介：
篇5
[關鍵詞] 生物質燃料 綜合應用技術 新進展
[中圖分類號] TK6 [文獻標識碼] A [文章編號] 1003-1650（2016）10-0206-01
引言
黨的十報告中提出了關于提高能源使用效率的問題，即要支持新能源的開發，提高可再生能源的利用率。至此，河南駐馬店市農業大區對生物質燃料的綜合應用技術得到了高度重視。生物質能作為碳源具有可再生性，可以轉化為固態燃料、液態燃料、氣態燃料。
1 固體生物質燃料的綜合應用技術
制備固體生物質燃料所采用的技術是固化成型技術，即將品位相對較低的生物質轉化為品位相對較高的生物質燃料，而且由于燃料已經固化成型的，所以方便與存儲和運輸，在燃料的利用上也非常便利。固體生物質燃料的資料來源于農業和林業生產中所產生的玉米芯、秸稈等等各種廢棄物。
1.1 固體生物質燃料的成型技術
首先，要收集生物原材料，將這些材料經過篩選之后，確保材料干燥，灰分符合要求，污染性低而且熱值高、容易燃燒。對于這些材料進行干燥處理后，進行成型處理以方便運輸[1]。其次，將所有篩選出來的材料粉碎處理，并將黏結劑和助燃劑加入其中進行壓縮，使固體生物質燃料不僅方便存儲，而且容易燃燒。
1.2 固體生物質燃料的生產技術
根據不同的生產條件，固體生物質燃料所采用的生產技術也會有所不同。其一，常溫濕壓成型技術，具體而言，是將纖維素原料進行水解處理而使得原料的纖維經過濕潤時候軟化，使其皺裂，之后進行壓縮處理。這種技術的操作簡單，但是會提高部件的磨損度，而且所生產的燃料的燃燒值比較低。所以，成本相對較高。其二、炭化成型技術，即對生物質原料進行炭化處理后成為粉末狀，將粘結劑加入其中，壓縮成木炭。比如，河南駐馬店市農業大區，秸稈多綜合利用，利用炭化技術工藝生產出來的秸稈炭粉可制成炭球、活性炭等炭產品。在秸稈炭化的過程中所排放的煙霧收集起來提取可燃氣體、木焦油、木醋酸。但目前綜合利用率還比較低，所以，還國家對秸稈綜合利用予以補貼和政策上的傾斜。
2 液態生物質燃料的綜合應用技術
2.1 燃料乙醇
燃料乙醇成本低而且具有可再生性。生產技術上，是對非糧食原料乙醇回收后，經過凈化并發酵處理。其中，對脫水處理技術具有很高的要求，主要采用了萃取精餾法、吸附分離法以及共沸精餾法等等[2]。所生產的燃料乙醇中所含有的乙醇可以達到99.7%，比無水乙醇中的乙醇含量要高。
2.2 生物柴油
動植物油脂經過加工處理后，可以生產出與柴油的化學性質比較接近的長鏈脂肪酸單烷基酯，即為“生物柴油”。這種材料具有良好的性，沒有毒，而且生物降解，是用于替代柴油的最好的材料。生產技術上，物理方式進行技術處理即為直接混合法、酯交換法和酶催化法；化學方式進行技術處理即為采用了微乳化法高溫熱裂解法。由于所使用的材料不同，生產出來的生物柴油存在著有點和不足。目前廣泛使用的生物柴油制備方法為酯交換法。這種方法的原料來源廣泛，加工工藝簡單，所生產出來的生物柴油性能穩定，但是在生產的過程中會有堿性廢水產生，而且生產設備會遭到嚴重的腐蝕。
3 氣態生物質燃料的綜合應用技術
生物質發酵技術，就是將生物質采用厭氧微生物分解技術，經過代謝處理之后生成了氣體，這種氣體的主要成分是甲烷，其中還包括二氧化碳、氫氣以及硫化氫等等，即為“沼氣” [3]。沼氣的發酵劃分為水解液化、酸化、產甲烷三個階段。生物技術的快速發展，挖掘高效厭氧微生物并使用的效率也會有所提高，對沼氣的利用起到了促進作用。
按照生物質氣化原理，生物質氣化制氫技術需要將生物質進行氣化處理后，可燃性的氣體與水蒸汽不斷地重整，從中可以提取氫氣。研究的介質是催化劑、氣化爐，使用白云石制作二氧化碳，吸收蒸汽，經過氣化后產生二氧化碳氣體。經過試驗表明，氣體中的氫氣產量是非常高的，可以達到66.9%；二氧化碳氣體為3.3%；一氧化碳氣體為0.3%。
總結
綜上所述，中國在近年來環境污染日趨嚴重。要保護好生態環境，就要加大清潔能源的使用力度，同時還要提高能源的重復使用效率。特別是發展新能源，能夠對不可再生能源的利用以緩解，一方面可以對能源使用的安全予以維護，而且還可以推進新農村建設。
參考文獻
[1]王永征，姜磊，岳茂振，等.生物質混煤燃燒過程中受熱面金屬氯腐蝕特性試驗研究[J].中國電機工程學報，2013，33（20）：88―95.
