生物燃料研究篇1

关键词：阻燃材料;阻燃剂;发展现状;未来趋势

收稿日期：2011-10-19

作者简介：鞠洪波（1985―），男,山东安丘人,助理工程师,主要从事建筑防火设计和防火材料的研究工作。

中图分类号：TQ323.16

文献标识码：A

文章编号：1674-9944(2011)11-0136-03

1引言

阻燃材料分为有机阻燃材料和无机阻燃材料,目前阻燃材料主要利用添加阻燃剂来实现阻燃效果,阻燃剂现在种类繁多,主要有无机和有机阻燃剂,有机阻燃剂目前使用较为普遍,具有阻燃效果好、添加量少、对材料的其他性能影响小等特点,但它在燃烧过程中发烟量较大,会释放出有毒性、腐蚀性的卤化氢气体。无机阻燃剂具有无卤、无毒、低烟,热稳定性好、不挥发、不析出、不产生腐蚀性和有毒性气体且价格便宜,可利用的资源丰富等优点,但却存在添加量大且与基材亲和力差,阻燃效果差，对材料的加工和机械性能影响大等缺点。

现在社会对环境的要求越来越高,意大利都灵理工学院的GiovanniCamino教授指出,对很多材料的强制性要求是与减少火险,即着火的可能性紧密相连的。该方面的未来挑战不仅包括开发着火危险低、危害小的阻燃材料,重要的是还需符合可持续发展理念。说明在未来的发展中,阻燃材料不仅要满足环保的性能,还要满足可持续发展的要求。

阻燃剂是合成高分子材料的重要助剂之一,添加阻燃剂对高分子材料进行阻燃处理,可以阻止材料燃烧或者延缓火势的蔓延,使合成材料具有难燃性、自熄性和消烟性。随着合成材料被广泛应用到与生产和生活密切相关的诸多行业中,如建筑业、塑料制品业、纺织业、运输业、电子电器业、航天业,阻燃剂的重要性愈加不容忽视。现代科技的进步以及世界范围内对安全和环境保护的重视,使人们对材料的阻燃要求也愈来愈高,促使阻燃剂的研制、生产及推广应用得以迅速发展,阻燃剂的品种日趋增多、产量急剧上升。目前,全球阻燃剂的65%~70%用于阻燃塑料,20%用于橡胶,5%用于纺织品,3%用于涂料,2%用于纸张及木材［1］。

2阻燃剂的发展现状

近年来,随着防火安全标准的日益提高和塑料产量的快速增长,全球阻燃剂的用量不断增长［2］。按照化学组成,阻燃剂可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂,有机阻燃剂主要以卤素添加剂为主,无机阻燃剂在合成材料中,除了有阻燃效果外,还有抑制发烟和氯化氢生成的作用,而且赋予材料无毒性、无腐蚀性和价格低廉等优点。国外工业发达国家无机阻燃剂消费量远远高于有机阻燃剂,如美国、西欧和日本等工业发达国家地区无机阻燃剂的消费占总消费量约60%,而我国不到10%,因此我国发展无机阻燃剂非常紧迫,而且潜力巨大［3］。目前我国阻燃系主要品种有卤系、铝镁系、磷系、卤-磷系、硅系、硼酸盐系等。

2.1卤系阻燃

卤系(溴系)阻燃剂是目前产量最大且应用最多的阻燃剂之一。其阻燃机理主要是在添加了阻燃剂的材料燃烧时阻燃剂分解释放出卤化氢,卤化氢捕获自由基,阻止传递燃烧链,生成活性较低的卤自由基从而减缓或中止燃烧,卤化氢和燃烧时生成的卤素自由基具有非挥发性和低迁移性,容易在燃烧的表面对氧气产生稀释作用从而也有利于阻止燃烧,市场常用品种目前有近百种。包括十溴二苯醚,四溴双酚A,八溴醚,溴化环氧树脂,十溴二苯乙烷,四溴醚,溴代聚苯乙烯,六溴环十二烷及氯化石蜡,得克隆,CPE等。

卤系阻燃剂主要应用在热塑性塑料和热固性树脂中,热塑性塑料中阻燃剂的应用以溴系的十溴二苯醚,十溴二苯乙烷,八溴醚,溴代聚苯乙烯等为主,卤系阻燃剂具有阻燃效率高,价格适中,对阻燃制品性能影响小,与塑料等相溶性好,使用方便,加工性能好等诸多优点。因此受到市场的青睐。在电子电器,汽车,建筑,包装,纺丝等行业的塑料制品阻燃中由于对材料的机械性能要求苛刻,卤系阻燃剂几乎是一枝独秀。卤系的十溴二苯醚,十溴二苯乙烷,四溴双酚A等在阻燃热固性树脂方面也有非凡表现,但有被价格低廉的无机阻燃剂和磷系取代的趋势。

2.2铝系阻燃

氢氧化铝是问世最早的无机阻燃剂之一,也是国际上阻燃剂中用量最大的一种。目前氢氧化铝占全球无机阻燃剂消费量的80%以上,广泛应用于各种塑料、涂料、聚氨酯、弹性体和橡胶制品中［4］,具有阻燃、消烟、填充3大功能,不产生二次污染,能与多种物质产生协同作用、不挥发、无毒、无腐蚀性、价格低廉。氢氧化铝的阻燃机理是向聚合物中添加氢氧化铝,降低可燃聚合物浓度;在250℃左右开始脱水,吸热,抑制聚合物升温;分解生成的水蒸气稀释了可燃气体和氧气浓度,可阻止燃烧进行;在可燃物表面生成Al2O3,可阻止燃烧［5］。

氢氧化铝也存在许多不足之处包括氢氧化铝的阻燃效果随着添加量的增加而增强,但是填充量过大会降低物质的强度;氢氧化铝单位质量吸热量较大,分解温度低,在245~320℃的温度范围内完成脱水反应,因此只能适用于加工温度较低的聚合物。在现在和未来很长一段时间里,氢氧化铝添加型阻燃材料将继续作为主要的阻燃材料添加剂。

2.3镁系阻燃

氢氧化镁属于添加型无机阻燃剂,与同类无机阻燃剂相比,氢氧化镁无论在原料来源、制备过程、废物处理等方面都是一种环保型绿色阻燃剂,具有更好的抑烟效果,由于火灾中有80%由烟窒息而死亡,因此当代阻燃剂技术中“抑烟”比“阻燃”更为重要;氢氧化镁的分解能高(1137kJ/g),且热容也高,比目前常用的无机阻燃剂氢氧化铝的热分解温度高出140℃,可以使添加氢氧化镁的合成材料承受更高的加工温度,有利于加快挤塑速度,缩短模塑时间,同时亦有助于提高阻燃效率,同时氢氧化镁与其他阻燃剂有良好复合能力［7］,复配使用可广泛用于聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、高抗冲聚苯乙烯和ABS等塑料、橡胶行业。氢氧化镁是一种环保绿色阻燃剂,未来前景不错,作为阻燃材料添加剂,在未来的阻燃材料添加剂中,将会得到重视,但是价格较高。

2.4磷系阻燃

无机磷系阻燃剂主要包括红磷、磷酸盐和聚磷酸铵,其中研究和应用较多的为红磷。红磷是一种性能优良的阻燃剂,具有高效、抑烟、低毒的阻燃效果,但是在实际应用中易吸潮、氧化、并放出剧毒气体,粉尘易爆炸,而且呈深红色,在与树脂混炼、模塑等加工操作过程中存在着火危险,且与树脂相容性差,不易分散均匀,导致基材物理性能下降［8］,因此使用受到很大限制。

经改性和表面处理的红磷,如在红磷中加入金属粉末(铝、锌等)或金属氢氧化物(氢氧化铝、氢氧化锌等)可抑制其氧化速度;使用硝酸银、氯化汞、活性炭、氧化铜等可以捕捉磷化氢,从而解决了红磷阻燃热塑性塑料的毒性问题;把石蜡油、氯化石蜡、有机硅酮等添加到红磷里,可以减少粉尘。红磷的微胶囊化技术是表面处理最有效的手法,微胶囊技术是近20年来发展起来的新技术,其制备方法就是将液体、固体或气体囊心物质(芯材)分细,然后以这些微滴(粒)为核心,使聚合物成膜材料(壁材)在其上沉积涂层,形成一层薄膜,将囊心微滴(粒)包覆［9］。经包覆处理的红磷具有低烟、低毒、无卤、相容性好、物化性能优良等特点［10］。

2.5硅系阻燃

含硅阻燃剂的聚合物少烟无毒、燃烧热值低、火焰传播速度慢,而受到重视,其发展潜力和应用前景十分巨大。通过改进分子结构、调节摩尔质量等改善成炭性以及与基体树脂的相容性,提高阻燃效果;通过聚合、接枝和交联技术开发含硅共聚物,既可以作为高阻燃性材料也可作为阻燃剂使用,通过开发高效的聚硅氧烷协效阻燃体系,进一步提高含硅化合物阻燃剂的阻燃效率和提升阻燃材料的综合性能指［11］。陈伟红认为［12］,含硅材料的阻燃仍属凝固相机理,即它主要通过在表面形成有效隔热层,通过阻碍热量和可燃性气体的扩散而延缓燃烧速度和热释放速度。因此,含硅材料阻燃性能的优劣与隔热层的形成条件密切相关。今后的工作应集中在隔热层的形成机理和影响因素研究上。

2.6硼酸盐系

硼酸盐系列产品也是一种常用的无机阻燃剂,有偏硼酸铵、五硼酸铵、偏硼酸钠、氟硼酸铵、偏硼酸钡、硼酸锌。目前主要使用硼酸锌产品。根据组成不同,硼酸锌阻燃剂有十几个品种,而低水硼酸锌(ZB-2335)是一种性能优良的固体无机阻燃剂,化学式为2ZnO•3B2O3•3•5H2O,白色结晶状粉末,熔点为900℃,硼酸锌有很好的阻燃和抑烟作用,在300℃开始释放出结晶水,在卤素化合物存在下,生成卤化硼、卤化锌,抑制和捕获游离的羟基,阻止燃烧连锁反应;同时形成固相覆盖层,隔绝燃烧物的表面空气,阻止火焰继续燃烧并能发挥消烟灭弧作用。硼酸锌阻燃剂可以单独使用,也可与有机卤化物、三氧化二锑协同使用,协同使用效果更好［13］。由于硼酸盐类阻燃剂价格相对较高,限制了其应用,主要应用于高层建筑的橡胶制品配件、电梯、电缆、电线、塑料护套、临时建筑、军用制品、电视机外壳和零部件、船舶涂料及合成纤维制品等,而且在一些领域具有无法替代的优越性,因此发展前景看好。

3阻燃剂的发展趋势

3.1无卤化趋势

卤素阻燃剂因其用量少、阻燃效率高且适应性广,已发展成为阻燃剂市场的主流产品。但卤素阻燃剂的严重缺点是燃烧时生成大量的烟和有毒且具腐蚀性的气体,可导致单纯由火所不能引起的电路系统开关和其它金属物件的腐蚀及对环境的污染;对人体呼吸道和其它器官的危害甚至因窒息而威胁生命安全。近几年,美国、英国、挪威、澳大利亚已制定或颁布法令,对某些制品进行燃烧毒性试验或对某些制品的使用所释放的酸性气体进行规定,开发无卤阻燃剂取代卤素阻燃剂已成为世界阻燃领域的趋势。

无机阻燃剂(Al(OH)3、Mg(OH)2等)来源丰富、价格低廉,但其阻燃效果较差,添加量大,对制品的性能影响较大,因而国内外努力向超细化、微胶囊化、表面处理、协同增效复合化方面进行技术开发。美国Alcoa公司、Alcan化学公司、Lonza公司和Solem公司不断推出新品种,如Zerogen、Halfree、Hydrax、Magnifin系列等,国内的山东铝厂、江苏海水研究所、北京化工大学、大连理工大学等对此进行了研究开发,研究出阻燃性能好、粒径小、补强效果明显的无机阻燃剂。北京化工大学已实现了超细Mg(OH)2类水滑石的产业化。

红磷阻燃效率高、用量少、适用面较广,微胶囊化红磷克服了红磷吸潮、易着色、易爆炸等缺点。磷的稳定化处理-微胶囊化技术在阻燃领域深受重视,英国、日本开发研制的产品已商品化,主要产品有英国Albright&Wilsom公司的AMGARDCPC、AMGARDCRP系列,日本的RINKA系列。我国的北京理工大学、湘潭大学、天津合成工业研究所对此也进行了研究开发,已有中试产品供应。

膨胀型阻燃剂由于具有在燃烧过程中发烟量少、无有毒气体产生,被认为是实现无卤化很有希望的途径之一。美国、意大利等国已商品化,如美国HoechstCelanese公司销售的ExolitIFR系列,Monsanto公司销售的PHOSCHEKP/40,大湖公司的CN329、CN1197,意大利Montedison公司销售的SpinflamMF82等。国内的北京理工大学、中山大学、中国科技大学、上海消防科研所、安徽化工研究院对此进行了研究,但国内膨胀型阻燃剂并未商品化,其开发产品主要处于研究阶段。

3.2抑烟化、减少有害气体趋势

据统计,火灾中发生的死亡事故80%是由于燃烧所释放的烟和有毒气体的窒息造成的。研究开发新型阻燃剂,降低材料燃烧时的烟量及有毒气体量,成为近年来阻燃领域中的重点研究课题之一。目前采用的抑烟剂主要以金属氧化物、过渡金属氧化物为主,主要有硼酸锌、钼化合物(三氧化钼、钼酸铵)及其复配物、镁-锌复合物、二茂铁、氧化锡、氧化铜等,主要产品有美国Broax公司Firebrake硼酸锌系列、XP系列,Climax公司的MolyFR钼酸盐系列,Alcan公司提供的两种含锡及其它元素的Flamtardh和Flamtards等。此外,某些无机填料(Al(OH)3、Mg(OH)2等)同时具有阻燃抑烟的功效,膨胀型阻燃剂的多孔炭层也具有阻燃和抑烟的双重作用。

2011年11月绿色科技第11期

4结语

阻燃剂已经随着高分子材料的广泛应用而得到了很大发展,并且随着人们环保意识的增强,新型阻燃剂品种不断出现,一些新兴技术也被不断地应用于阻燃剂的研究和生产。目前我国使用的阻燃剂主要以有机卤系阻燃剂为主,它具有与有机高聚物相容性好、阻燃效果好、添加量少、对材料的其他性能影响小等特点,然而它在燃烧过程中发烟量较大,释放出有毒性、腐蚀性的卤化氢气体。与有机阻燃剂不同,无机阻燃剂具有无卤、无毒、低烟,热稳定性好、不挥发、不析出、不产生腐蚀性和有毒性气体且价格便宜,可利用的资源丰富等优点,但却存在添加量大且与基材亲和力差,阻燃效果差、对材料的加工和机械性能影响很大等缺点。

综合阻燃剂的优劣,人们越来越倾向于选择使用无机阻燃剂。目前工业发达国家的无机阻燃剂消费量远远高于有机阻燃剂。国外对阻燃剂的研究已进入相对完善的发展阶段,而在国内,阻燃剂还是一个新生的工业,有关研究起步较晚,虽已取得了长足的发展,但是与先进国家相比,在产量和品种结构上都还有一定的差距。

纵观近年来的阻燃剂研究开发与发展状况,可以看出其正逐步向环保化、低毒化、高效化、多功能化等方向发展,超细化技术、微胶囊化技术、复配协同技术、交联技术以及大分子技术等阻燃剂研究开发新技术将不断得到发展。

参考文献：

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生物燃料研究篇2

[关键词]废弃食用油；生物燃料；回收模式

[中图分类号]F124.5[文献标识码]A[文章编号]1673-0461（2014）02-0051-05

一、引言

废弃食用油生物燃料化已成为现实中极为关注而理论上亟待解决的问题。当前学术界着力从目标规划、法规管制等视角研究这一问题，主要涉及回收体系重构以及餐厨废弃物管理，而较少关注废弃食用油回收模式的选择，实质上，不同的回收模式意味着生物燃料企业、回收商与餐馆的资源承诺及风险水平是迥异的，进一步影响了各利益相关者的收益及运营决策，因而研究废弃食用油生物燃料化的回收模式具有一定的理论与现实意义。

为推进餐厨废弃物资源化利用，国家发展改革委、财政部、住房城乡建设部联合印发了《关于同意北京市朝阳区等33个城市（区）餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点实施方案并确定为试点城市（区）的通知》（以下简称《通知》），批复了北京市朝阳区等33个城市（区）的实施方案并确定为试点城市（区）；随后中央政府印发了《关于印发循环经济发展专项资金支持餐厨废弃物资源化利用和无害化处理试点城市建设实施方案的通知》（发改办环资〔2011〕1111号），给予6.3亿元循环经济专项资金支持，并提出支持餐厨试点工作的具体支持内容、支持方式和实施程序等。在33个废弃食用油资源化试点城市中，大体形成苏州、宁波、兰州三种，另有其它类型的回收模式，尤以南京市为代表，本文将其称之为南京模式。通过比较典型的回收模式将有助于政府调整餐厨废弃物管理的政策，推进废弃食用油生物燃料化。

二、文献述评

涉及废弃物回收模式的研究多以家电或电子产品为分析对象，侧重于：

第一，逆向物流回收模式选择及评价。相关研究一般将回收模式分为第三方负责回收、零售商负责回收、生产商负责回收三种，建立模型比较不同模式下回收主体利润、回收率等指标。例如姚卫新（2004）通过博弈模型及仿真研究，指出较之于其他两种模式，第三方回收模式中制造商和零售商的利润均为最小；Savaskan等（2004，2006）研究了制造商和零售商在再制造闭环供应链中如何决策以及制造商如何选择回收渠道的问题，通过比较各个回收模式的批发价、零售价、回收率和整个渠道的利润评价每个渠道的优劣。刘晓峰（2007）将网络分析法应用于物流回收模式选择评价，从经济、社会及技术三个主要方面提出了基于网络分析法（ANP）的评价选择模型。同样是分析三种模式，徐兵，吴明（2012）构建了一主两从博弈结构的两层规划模型，并通过模型分析最优直销价、零售价和回收再制造率决策，研究表明，生产商负责回收时的回收再制造率最高。

区别于以上学者的研究，吴容，江玮璠（2010）将回收模式分为私人简单回收模式、生产商负责回收模式、生产商联合体负责回收模式、第三方负责回收模式四类，建立了一套评价指标体系，采用数据包络分析方法对四种回收模式进行选择，数值仿真验证了该方法的有效性与可行性。针对报废汽车的回收，贺政纲（2013）将模式分为消费者自行送至回收拆解中心、制造商回收、销售商回收、第三方回收等几种，结论同姚卫新、徐兵等人的研究相反，即应当采用基于第三方回收企业为主体，其他回收主体相结合的回收模式。

另有少数学者如王莉，刘应宗（2009）分析了我国餐厨垃圾回收模式存在的问题，研究认为建立完善的餐厨垃圾回收体系是实现餐厨垃圾资源化利用的前提。

第二，特定条件约束下的回收模式选择研究。在生产商延伸责任（EPR）的约束下，产品的回收模式较传统的回收模式有了根本性的改变，为此魏洁与李军（2005）研究了生产商延伸责任约束下生产商负责回收（MT），生产商联合体负责回收（PT）和第三方负责回收（TPT）三种回收模式，通过建立数学模型和实例验证对不同回收模式下的最优零售价和生产商利润进行比较研究；由于生产商利润在一定程度上依赖于需求函数或者需求是否具有确定性，因而考虑需求的影响可能有助于推进回收模式的选择研究。基于此，刘羽欣与陈伟达（2008）对需求函数为非线性的不同回收模式下的产品最优价格和生产商最大利润进行了比较分析；而郭军华等（2012）以新产品及再制造产品的需求均为不确定为前提，分别建立了制造商回收、零售商回收及第三方回收三种不同回收模式下的再制造闭环供应链模型，并给出求解的优化条件，结果表明：制造商主导的再制造闭环供应链中，第三方回收模式下制造商利润最高；制造商回收模式下新产品及再制造产品的零售价均最低。部分学者分析了市场结构或市场力量约束下逆向供应链回收模式选择问题，如Choi（1996）与Seong（2003）考虑了制造商领导的Stackelberg博弈、零售商领导的Stackelberg博弈、制造商和零售商Nash均衡博弈三种市场结构；而易余胤（2009）则考虑制造商领导、零售商领导以及市场无领导者三种力量结构下具竞争零售商的再制造闭环供应链博弈模型，结果表明，从环保的角度看，制造商领导的市场结构更优，但消费者和整个行业偏好零售商领导的市场结构。

政府的监控及补贴对于不同回收模式下各博弈方收益的影响也引起学者的极大关注。例如，周永圣，汪寿阳（2010）考虑了政府监控下的三种回收模式，研究表明：当零售商负责回收处理退役产品时，生产商将会设定退役产品的单位回收激励价格等于政府给他的单位惩罚价格；当生产商委托第三方物流回收处理退役产品时，生产商为使其利润达到最大，将设定退役产品的单位回收激励价格等于单位惩罚价格与单位回收成本之和的一半。王文宾，达庆利（2008，2010）以电子类产品的回收作为研究对象，将政府的奖惩机制作为约束条件，博弈模型及数值仿真结果表明，奖惩机制下逆向供应链的回收率提高；奖惩机制下回收商的利润大于无奖惩机制情形的利润，回收商的积极性提高；适中的目标回收率水平和较大的奖惩力度搭配能够增加制造商的利润，提高制造商的积极性；奖惩机制下废旧产品的回购价提高，新产品的销售价降低。

综上可见，相关文献针对废弃物再制造或资源化回收模式问题进行了大量、有益的探索，但仍存在以下缺憾：①从研究对象来看，大量的研究集中于废旧家电的再制造问题，对于餐厨废弃物的回收模式选择研究极为匮乏；②现有的餐厨废弃物的回收尚未能考虑回收模式在不同试点城市的差异性。实质上，不同的模式如苏州模式、宁波模式、兰州模式以及多数城市采取的回收模式，制造商与回收商的资源承诺、市场力量、决策先后顺序可能存在差异，进一步影响各利益相关者的收益，因而研究主要试点城市的废弃食用油回收模式，在一定程度上弥补了以上研究的缺憾。

三、废弃食用油生物燃料化的回收模式比较

废弃食用油生物燃料化过程中，原料回收主要包括苏州模式、宁波模式、兰州模式及南京模式，其中苏州模式运营良好，但仍有待改进之处；南京模式在一定程度上代表了国内多数城市的废弃食用油回收，从企业运营的实践来看，相当一部分生物燃料企业因高成本或者原料供应中断而亏损。具体回收模式分析如下：

（一）苏州模式

苏州模式的特点在于收储运一体化，即并不存在独立的回收商，而由生物燃料企业（或资源化处理企业）将市场上的回收小贩纳为企业员工，上门回收（见图1）：

总体来看，苏州模式具有以下特征：①以行政管制减小非法生产厂商获得原料供应的可能性。在原料供应阶段，苏州政府采取没收黑车与截获废弃食用油并举的方式打击非法生产厂商，减少餐饮业的废弃食用油流向源头，在一定程度上致使餐馆主动与生物燃料企业或资源化企业联系。②以技术管制稳定原料供应与提高企业生产水平。目前生物燃料企业一般给予收购废弃食用油的小槽罐车或卡车配置GPS定位系统，如车辆偏离设定路线，公司将展开调查；而如果员工私自出售泔脚、地沟油，将被开除。公司的生产过程由视频摄像头监控，直接连通苏州市环境卫生管理处监控中心。技术管制还体现为回收车车载称重系统的装置，能够有效地记录进入回收车废弃食用油的数据，当餐馆的废油异常减少时，相关部门将着手调查。此外，生物燃料企业生产过程中的技术标准设定也是技术管制的一种体现，比如对于废水、废渣的要求。③以成本最小化来激励生物燃料企业。苏州模式下，生物燃料企业将收运队伍内部化，即采用招聘等方式吸纳收运人员为企业内部员工，这可以减少企业与餐馆的交易成本；同时考虑到收运成本高昂，苏州政府给予生物燃料企业补贴，补贴价位每吨118.8元。④以奖励与零收费制度规范餐馆。按照中央政府的相关政策，餐饮业将餐厨垃圾交给政府，应上缴垃圾处理费。倘若私下卖给非法生产厂商，则餐馆可以获取赢利。苏州则制定政策强制餐馆免费将废弃食用油交予资源化企业，为弥补餐馆的收益，则给予其相应的奖励。

尽管苏州模式有效地推进了废弃食用油生物燃料化，但是仍然存在如下不足：①缺乏严厉惩罚机制导致仍有部分废弃食用油去向不明，生物燃料企业的原料供应仍然不足。严厉的惩罚机制包括数额巨大的罚款，酒店评级与废弃食用油回收挂钩等。②缺少更为实效的餐馆反哺机制。当前针对餐馆的激励限于数额不多的奖励，苏州政府正酝酿更为实效的天然气反哺机制，及按照废弃食用油的供应量返还餐馆相应比例的天然气。③缺少产业链末端的生物燃料销售激励机制。由于销售终端激励机制缺乏，导致生物燃料产成品销售不畅。这些激励机制具体包括强制销售、给予消费者以税收优惠等。

（二）南京模式

南京模式为回收商与生物燃料企业分离的模式。该模式下回收商多受生物燃料企业的委托，建立回收网络，配置回收人员；而生物燃料企业并不直接参与废弃食用油的回收。南京的模式优点在于第三方回收商可以利用自身的技术与网络优势，提供专业化的服务；并能够降低生物燃料企业的回收搜寻成本。然而，较之于苏州模式，南京模式存在以下缺陷：①生物燃料企业及回收商之间的信息不对称导致前者收购成本可能上升。由于生物燃料企业与餐馆并不是直接接触，回收商可能隐匿回收真实原料供应价格信息。②回收商可能隐瞒生物燃料企业将废弃食用油售予非法生产厂商。由于信息的不对称，且可能存在的监管不力，导致回收商将废弃食用油私下售予非法生产厂商而获利，进一步加剧了生物燃料企业的原料供应短缺。③部分地区回收与资源化处理量均与补贴挂钩导致回收产品的质量下降。政府适度补贴对于降低生物燃料企业的成本，稳定原料供应极为必要。但是具体实施过程中部分地方政府对回收商与资源化处理企业均给予补贴，且前者的补贴程度依据回收的餐厨废弃物量；而后者则依据处理的餐厨废弃物量，其后果是回收商为提高餐厨废弃物重量而增加补贴，严重影响了原料供应的质量（见图2）。

（三）宁波模式

宁波模式与苏州模式有相似之处，即生物燃料企业上门回收，不存在第三方物流回收。其主要特点为“政府引导、法制管理、集中收运、专业处置、社会参与、市场化运作”，具体体现为：①运用市场化机制遴选有资质生物燃料企业。宁波市通过公开招标遴选三家废弃油脂处理企业，提高了中标企业的技术门槛。②政府提供回收运输工具，即政府出资购买餐厨垃圾回收专用车，租给回收企业使用。③负责管理收运工作的职能部门职责清晰。宁波模式运营过程中，收运工作由各区环卫部门负责组织。④餐馆缴纳适当的运费。为争取餐馆的配合与支持，政府规定免收餐厨垃圾处理费、免费提供专用垃圾桶，以远低于成本的价格收取运费（见图3）。

显然，由于遴选的企业具有一定的技术水平，且不存在第三方回收商，宁波模式减少了回收的成本，专业化处理餐厨垃圾能力较强；而生物燃料企业的寡头垄断地位也决定了其在市场决策中的话语权。但是较之于苏州模式，宁波模式的缺陷也较为明显，即缺乏技术管制及对餐馆的激励机制。苏州模式中，每个餐厨回收车均安装有GPS定位系统、车载称重系统，可以有效监控废弃食用油流向，这一点是宁波模式不具备的。与此同时，苏州模式中，餐馆不需缴纳餐厨垃圾处理费与运费，甚至在未来可能获得天然气作为激励。而宁波模式中，餐馆仍需缴纳一定的运费，进而降低了生物燃料企业获取原料的可能性。

（四）兰州模式

兰州模式区别于其他几种模式之处主要在于政府将餐厨废弃物资源化处理视为特许经营项目，以BOT方式授予甘肃驰奈能源有限公司特许经营权，由该公司负责投资建设餐厨废弃物资源化处理项目（见图4）。其特点主要包括：①产业链上游政府实施严格行政管制与技术管制政策。政府严厉打击非法回收商及非法收运餐厨废弃物，并以企业通过年审作为与生物燃料企业签约的必要条件。针对技术管制，兰州模式同样在餐厨垃圾收运车里安装GPS定位系统与通信系统，与工厂调度中心联网。②通过与研究机构合作、中外合作推进企业的技术创新能力与创新产出。为提升企业生产技术水平，甘肃省科学院、甘肃驰奈生物能源系统有限公司联合组建了兰州市生物质能工程技术中心，建立微生物领域研究平台；重点开展了城市餐厨废弃物资源化利用、无害化处理的工艺设计和系统集成及关键设备的研发工作。与此同时，与欧洲生物质能研究机构签订了技术研发合作协议，围绕生物质能关键技术研发、工艺开展联合。目前公司在餐厨废弃物处理设备方面已取得23项国家实用新型专利证书，为餐厨废弃物处理环保设备制造和应用推广奠定了技术基础。③BOT的市场化运作模式理论上有效激励了生物燃料企业。BOT模式下，生物燃料企业在特许期内负责项目设计、融资、建设和运营，并收回成本、偿还债务、赚取利润，特许期结束后将项目的所有权交予政府。由于政府承诺给予餐厨废弃物处理以补贴，理论上这种模式可以减少生物燃料运营成本，激励生产。

与理论上相对应的是，该模式实际运营举步维艰，政府补贴未能有效落实导致生物燃料企业收购成本增加；政府着力于对非法回收商管制及运输阶段的技术管制，而忽视建立针对产业链源头餐馆的严格惩罚机制。在政府要求餐馆上缴垃圾处理费的情境下，缺乏激励机制的餐馆必然将部分餐厨废弃物私下售予非法生产厂商以获利，进而导致生物燃料原料供应严重匮乏，回收率低下。

进一步地，从回收成本、回收效率、专业化程度、技术支持与管制、对餐馆的反哺机制几个维度比较四种回收模式，显然较有竞争力的为苏州模式与南京模式，但由于南京模式不具备技术支持与管制，对餐馆也缺乏反哺机制，因而是次优模式的选择（见表1）。

生物燃料研究篇3

关键词：油-气联合燃烧器管式加热炉燃料油喷射入口角度数值模拟

1概述

近年来受国际原油价格的上涨，渣油价格也随之提升，许多企业考虑到经济因素在原有燃油锅炉的基础上进行改造，把燃油燃烧器改成油-气联合燃烧器，Marek

■arlej[1]、王斌[2]等人根据实际现场情况针对燃油锅炉改成油气混烧锅炉后燃烧器的布置位置对于锅炉内的温度场、流场等参数的影响进行了研究。

根据实际调查，很多石油炼化工厂中实际烧的渣油和燃料气由于产量不稳定，也经常会把油-气联合燃烧器的气相喷孔或液相喷孔关闭一个单独使用气喷孔或油喷孔进行工作，关于这方面国内外学者[3-5]也做了大量的研究工作，这些研究主要是针对实际现场应用的某一台油-气联合燃烧器在应用中单独烧气的情况为研究对象，设计出新的喷嘴结构，优化了火焰的形状，减少了NOx的排放。

如何提高加热炉燃烧效率是多年来一直热门的课题。提高燃烧效率即改进燃烧效果，最直接有效的方法便是强化初始阶段燃料与助燃空气的混合效果。Sushenko[6]针对燃油的雾化进行了研究，对喷嘴结构进行了优化设计。SeongCheonKim和YoungNamChun[7]对燃油燃烧器进行了研究，通过调整助燃空气流速、对反应物施加一定频率和振幅的外部振荡，从而增进了燃料与空气的混合，缩短了燃料在高温燃烧区的停留时间，最终达到降低NOx排放的目的。周桂娟[8]主要研究燃油燃烧器出口液雾燃烧的气液两相湍流流动、液雾扩散和蒸发、气相燃烧和传热、气体和液雾以及燃烧装置之间辐射传热等过程。任君[9]对宝钢集团热力分厂在用的旋流燃烧器进行了数值模拟研究。张财红[10]结合柱状燃烧室内液雾的实验研究，进行了不同旋流强度下液雾燃烧过程的数值模拟。

综上所述，目前国内外油-气联合燃烧器的研究都是针对单独烧油或气的情况，以及对配风方式和燃烧器布置的研究，对油-气联合燃烧器燃料油入口喷射角度研究的报道鲜见。本文结合生产实际，选用一台在役的油-气联合燃烧器，通过对其液态燃料入口喷射角度改进后的运行状况进行数值模拟，对燃烧单元内速度、温度场、火焰形状等信息的分析，验证了结构改进的合理性，对于工程实践具有一定的指导意义。

2计算模型和边界条件确定

2.1计算模型计算模型的建立及网格划分在FLUENT前置软件gambit中进行。根据现场数据，建立如图1（a）所示燃烧单元整体模型，模型总高度17m，燃烧单元部分直径4m，顶部设置成圆台形出口，直径2m。燃烧器底部中心突出的部分顶端均匀分布着直径为4mm的燃料油入口，突出部分根部周围分布着如图1（b）所示的24个方形燃料气入孔，助燃空气分别从燃烧道底部和侧面两次供入。

本文通过模拟改进液体燃料喷射入口角度与原工况下的运行结果进行比较，在入口截面积大小不变的情况下，分别把燃料油入射口与竖直方向的夹角α设置成20°、25°、30°、35°、40°，其中25°出口是在用燃烧器的参数。如图2燃烧器部分采用Tet/Hybird网格，燃烧单元选择Hex/Wedge网格进行划分，整个模型划分约200万网格，网格数量能满足精度要求。

2.2边界条件燃料和助燃空气入口为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件，加热炉整体在负压下运行，炉膛、火道壁面设为定温壁面，温度800K，其他壁面简化为绝热壁面。

3数学模型和计算条件

3.1数学模型的设定基于物理模型的复杂性，为燃烧器选择标准k-ε两方程湍流模型。考虑到湍流流动和化学反应之间的耦合，采用混合分数-概率密度函数模型（PDF模型）。辐射模型采用能够符合要求并且计算量较小的P-1辐射模型。采用污染物模型监测NOx的排放量。将燃料气视为连续相，液滴颗粒作为离散相，采用DPM喷射模型。在计算过程中考虑连续相与离散相的相互影响，跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量的得到与损失，这些量在计算连续相的时候将被作为原项。交替求解离散相与连续相的控制方程，直到二者均收敛为止，这样就实现了双向耦合计算。

3.2计算条件气体燃料成分为：C3H8占49.6%，C4H10占50.4%，液体燃料以柴油代替渣油，柴油是一种混合物，含有多种成分，主要以烷烃为主，其中正庚烷的含量约为12%，尽管正庚烷的物理性质与柴油有一定的区别，但它们的燃烧特性十分相似。过程空气系数取1.2。

4模拟结果及讨论

4.1流场及速度曲线如图3所示为燃烧单元内部的流场。燃料在与氧气发生反应后产生的高温烟气经过燃烧道出口进入炉膛，通过辐射与周围布置的管道进行换热，在接近7米左右会产生负压，拉动高温烟气在炉膛内部产生回流，回流的面积和对称性会随着液体燃料喷射入口角度的变化产生一些差异，这主要是由于随着角度的变化炉膛入口的高温烟气速度会发生变化，速度慢的烟气抗干扰的能力较差导致烟气回流稳定性下降。回流面积的大小会直接影响燃烧单元内的温度分布状况。显而易见，当液体燃料入口角度为30°时的回流面积最大，这对于燃烧单元内的换热有利。

■

图3燃烧单元流场

4.2CO质量分布CO作为烃类燃料燃烧过程中的中间产物，我们可以用CO的质量分数分布来表征炉膛内的火焰形状。对于燃油燃烧器而言，要求火焰长度较短。一方面火焰长度过长容易造成燃油碰壁，产生严重的冒烟和燃烧不完全现象；另一方面，短火焰具有高温区域窄、火力集中、火焰温度高的优势、其燃烧效率高。

如图4所示为燃烧单元中心截面上CO的质量分数分布。在各种结构下燃料都能顺利的燃尽，但CO的分布面积有一定的差异，改进前CO要延续到7.5m左右才能燃尽，当减小燃料油入口喷射角度时，火焰的高度比改进前高，燃烧效果恶化，相反增加液体燃料喷射入口角度时，燃烧效果得到了优化，在角度为30°时，火焰的高度在7m左右，继续增大喷射入口角度时，火焰高度又开始提高，说明30°为燃料的最佳入射角度。在这一角度时，液体燃料、气体燃料、空气的混合最充分，这些都对燃料的燃烧起到了积极的作用，使燃烧过程变短，利于增加火焰的刚度和使炉膛内的温度场的分布更合理，防止偏烧。

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图4燃烧单元内火焰形状

4.3温度场分布锅炉燃用渣油时，炉内的辐射成分除了CO2、H2O等三原子外，还有大量的液滴油雾和碳黑粒子存在，而这些粒子具有很强的辐射能力。这些油雾和粒子碳黑粒子也会对炉膛内部的温度分布有很大的影响。

燃烧器结构改进的最终目的是使炉膛的温度分布更加合理，如图5所示为燃烧器结构改进前后的温度场分布情况。在原始25°的结构下，炉膛内部10m位上下存在较大的局部高温区，这种情况一方面容易导致加热炉内炉管受热不均匀产生结焦现象，另一方面还助长了氮氧化物的生成，会对环境造成严重破坏。当减小喷射入口角度为20°时，局部高温区的面积扩大，燃烧单元内整体燃烧效果恶化。当增大燃料入口喷射入口角度以后都能达到改进优化炉膛温度分布的效果，喷射入口角度30°时，炉膛入口混合烟气的流速最高，燃料油，燃料气和空气的混合程度最优，火焰刚度强于其他结构，燃烧效果最理想。

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图5燃烧单元内温度场分布

4.4氮氧化物分布大多数NOx形成于火焰温度达到峰值1538℃～1760℃的几秒内，也就是说，如果能够减小燃烧单元内的高温面积就能够有效的控制氮氧化物的生成，与前面的燃烧单元内温度分布相对应，从图6中可以看出，由于喷射入口角度为30°时炉膛内的高温区域面积比较小，所以在燃烧单元出口处的氧化物排放质量分数最小为0.0278%，而在火焰中心区域，虽然局部温度比较高，但是这个位置氧气浓度偏低，所以生成的氮氧化物会较少。

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图6燃烧单元NOx排放质量分数ω

5结论

综上所述，通过改进油-气联合燃烧器燃料油的喷射入口角度能够优化燃料与空气的混合，炉膛入口混合气的速度有了比较明显的提高，增加了火焰的刚度，大大降低了炉膛内部的局部高温区，减少氮氧化物的排放量，在提出的四种改进方案中，燃料油入口30°时对提高燃烧器燃烧效果的改进最为明显。

参考文献：

[1]张财红.漩流强度对液雾燃烧影响的数值模拟[D].天津：河北工业大学，2007.

[2]王斌.燃油锅炉改油气混烧炉内燃烧过程及NOx生成的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.

[3]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.

[4]GColson，Fpeters，JDeRuyck.Experimentalin-flamestudyofa15MWdualfuelgas/oilburner.Fuel，1999，78（11）：1253-1261.

[5]刘亚琴，李素芬，张莉.燃油锅炉改装瓦斯气颅内流动和燃烧过程的数值模拟[J].热能动力工程，2006，21（3）：295-298.

[6]Sushenko，leshchenko.Gas-oilburnerforopen-hearthfurnace.IntermetInzhiniring，2005，12：26-28.

[7]SeongCheonKim，YoungNamChun.ImprovementofcombustionefficiencyandreductionofNOxemissionbyexternaloscillationofreactantsinanoilburner.KoreanJournalofChemicalEngineering，2008，25：73-77.

[8]周桂娟，毛羽，王娟，逄晓明.燃油燃烧器出口液雾燃烧及NOx生成的数值模拟研究[J].石油炼制与化工，2007，38（2）：6-10.

生物燃料研究篇4

藻类在人们的印象中是一种黏糊糊的绿色植物，可以制成一种叫做螺旋藻的营养品。没错，就是这种人们知之甚少的植物，正在成为未来能源领域的新热点。美国很多公司正在利用藻类作为生物燃料的原料，他们相信藻类具有解决能源危机的潜力。据公开资料显示，某些种类的藻类自身富含60%以上的油，而根据来自Valcent公司的数据，玉米每英亩每年只会生产出18加仑（68升）的生物柴油，棕榈达到700-800加仑（2600-3000升），但是如果是藻类再加上使用开放式的池塘每年每英亩可以生产出2万加仑（7.5万升）的生物柴油。

藻类能源最近在能源行业里备受追捧，因为与生物燃料不同，藻类即使是在贫瘠的地区，诸如在地下水咸涩的沙漠地区也能生长，即使是利用已污染或含盐分的水也可以生长，这样就避免了占用良好的土地资源和清洁的水资源。同时，这种单细胞有机体只需要阳光、水和二氧化碳就能生长。在仅仅一天时间里它的数量就能够翻两番。经过处理的藻类可以榨出藻油，藻油除了可做食用油，也能在改良的柴油机上直接使用；藻油还能替代石油精炼出汽油、柴油、航空燃料和民用燃料油，并能精炼出塑料和溶剂等化合物。榨过油的藻泥，其淀粉能被分离出来可发酵为乙醇、甲醇和其他以酒精为基础的燃料。藻类还可以产氢，藻类蛋白质可以变成动物饲料，加工残渣还可以用做建筑材料。美国新罕布什尔州立大学在2004年的报告中就指出，3000万英亩沙漠中生长的藻类转换为藻类燃料可满足美国所有的运输用燃料需求，而这块面积仅占全美种植农作物和养殖牲畜土地面积的3%。

因为藻类生长迅速的特性，很多藻类农场都期望能够比其他生物燃料每英亩产生更多的能源。GreenFuel公司的创始人及首席科学顾问埃塞克.伯金（IsaacBerzin）表示，如果藻类能够被证明是一种降低碳排放的节省成本的方式，那么能源行业将会大力发展藻类能源向前发展。现在的生物燃料主要由玉米和大豆等农作物做原料，而近来农产品的价格节节攀升，以大豆为例，大豆的价格在过去两年中大约翻了两番。原料价格的上涨导致以农作物为原料的生物燃料成本一直比常规的化石燃料要高，这种现状导致了人们开始寻找新的非农作物为原料的生物燃料。

其实使用藻类来做替代能源并不新奇。在上世纪的70年代，美国国家可再生能源实验室（NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL）的科学家们就花费了17年时间进行藻类替代能源的可行性研究。当年，科学家曾在开放池塘中试验培育藻类，发现在浅水池塘中建藻类农场生产藻类燃料可提供足以替代化石燃料的生物柴油，用于交通和家庭取暖。但是在1996年他们中止了这个项目，因为经过计算，他们认为通过藻类生产生物柴油的成本过高。

到此时似乎藻类燃料已经成为了一个注定要失败的努力，直到当时还是麻省理工大学博士后的埃塞克.伯金偶然获得了NREL的项目报告。他发现当时负责细胞培育系统的专家，并未坚持给生长藻类的生物反应器进行修整。埃塞克完全沉浸在其中，在原油价格最高涨到每加仑1.66美元的2001年，他创建了GreenFuel公司。

GreenFuel公司在2004年获得了210万美元的种子投资，埃塞克马不停蹄地开始着手工作，他在麻省理工大学屋顶上安装的生物反应器引发了人们的好奇。后来的数据显示，此系统吸收了麻省理工大学一个天然气电厂产生的废气中82%的二氧化碳。在2006年，公司又获得了1780万美元的风险投资，2007年初，公司安装了一个比最早试验模型大100倍的生物反应器，系统开始时运转得非常好，藻类比预期生长得更快，但没过多久，藻类生长的速度超过了GreenFuel团队收取它们的速度，此时公司不得不暂时停止了生物反应器的运转。

目前GreenFuel公司在煤场附近安置GreenFuel系统，以吸收煤场产生的二氧化碳。因为藻类可以自然吸收二氧化碳，所以将煤场纳入到GreenFuel公司系统中就不再需要专门去捕捉和存储二氧化碳。正是利用此重复利用的方式，GreenFuel公司才可以节省大量存储二氧化碳的花费。虽然GreenFuel公司解决了二氧化碳的问题，但同时也还面临其他的挑战。想要获得所有煤场排出的二氧化碳需要放置大批的生物反应器，而这就需要占用上百英亩甚至上千英亩的土地。对人口密集的地区来说，这是及其不现实的。而大规模使用生物反应器的技术可行性也还未被证实。

也有专家对GreenFuel公司在生产藻类的过程中使用生物反应器产生了异议。虽然新的封闭循环的生物反应器系统现在可以实现更高的效率，但NREL藻类燃料项目的生物燃料顾问约翰.伯纳曼（JohnBenemann）认为，GreenFuel公司使用的放在地面上的生物反应器价格非常昂贵。NREL的研究人员更加认可在开放的池塘中培育藻类，就像其他大部分生产可食用藻类的公司所做的那样。

从藻类中获取燃料的研究成果目前也引起了大企业的兴趣，去年秋天，雪佛龙公司与美国联邦研究人员组成了伙伴关系，共同进行藻类燃料的研究。11月，荷兰皇家壳牌公司宣布将与位于美国夏威夷的从事海藻生物燃料业务的HR生物石油公司（HRBioPetroleum）合资建立一家名为Cellana的公司，这家公司将通过使用海洋浅塘和日光在10万公顷的地方培育水藻。包括霍尼韦尔、波音和Raytheon公司在内的世界500强公司都在着手研发藻类燃料。在2007年11月，美国国防部高级计划研究署（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）了一个重要的研究项目，研究如何以非农作物（如藻类）为原料生产出具有成本竞争优势的、可用于美国空军战斗机的航空燃料。此研究项目的主任道格拉斯.柯克帕特里克（DouglasKirkpatrick）认为在未来的三至五年内，有关藻类燃料的主要技术性问题将全部解决。

藻类能源的研究正在不断发展，时刻都有新的想法产生，并正在获得风险投资机构的关注。

生物燃料研究篇5

2006年5月份，一列特殊的火车在瑞典开始正式运营。该火车共有10节车厢，最高速度可达每小时130公里――这是世界上第一列使用生物燃料的火车，使用的燃料是由屠宰场里扔掉的牛油、内脏等经过高温发酵而产生的沼气。据报道，瑞典打算用10年的时间，对所有办公用车、公共汽车、旅游车和校车进行改造，最终使它们能够使用生物燃料。

生物燃料是指从植物，特别是农作物中提取适用于汽油或柴油发动机的燃料，包括燃料乙醇、生物柴油、生物气体、生物甲醇、生物二甲醚等，目前以燃料乙醇和生物柴油最为常见。国际市场原油价格持续处于高位，由于生物燃料能有效替代汽油和柴油，并且更具环保优势，所以近年来，生物燃料成为世界范围内可再生能源研究的热点。

在生物燃料的规模化生产方面，巴西、美国、德国和中国处于世界领先位置。2005年全世界燃料乙醇的总产量约为3000万吨，其中巴西和美国的产量都为1200万吨。我国每年生产燃料乙醇102万吨，可以混配超过1020万吨生物乙醇汽油，乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20％，成为世界上第三大生物燃料乙醇生产国。

在生物柴油方面，2005年世界生物柴油总产量约220万吨，其中德国约为150万吨。据《南德意志报》报道，2006年，德国生物柴油销售量已经超过300万吨，占德国汽车柴油总消费量的10％。

短命的第一代生物燃料

美国的乙醇燃料已占运输用燃料的3％。2006年美国国会通过的《能源政策法》规定，到2010年，汽油中必须掺入的生物燃料应是目前的3倍。欧盟在2006年春天公布的《欧盟生物燃料实施计划》称，到2030年欧洲将有27%至48%的汽车使用生物燃油，这将大大减轻欧盟各成员国对于石油能源的依赖。日本的一项环保计划透露，日本要在4年内让国内40%的汽车改用生物燃料。

中国也在积极推广生物燃料，特别是燃料乙醇。除2004年2月已批准的黑龙江、吉林、辽宁、河南、安徽5省以外，湖北、山东、河北、江苏等也将进行乙醇汽油使用试点。东北三省已经实现了全境全面封闭推广使用车用乙醇汽油。国家发改委报告称，2005年我国生物乙醇汽油的消费量已占全国汽油消费量的20％。同时，国家有关部门正在研究制定推进生物柴油产业发展的规划以及相应的激励政策，提出了“到2022生物柴油生产能力达到200万吨”的产业发展目标。

国内生产燃料乙醇，主要原料是陈化粮。中国发展生物燃料的初衷，除了能源替代之外，还有消化陈化粮、提升粮食价格、提高农民收入方面的考虑。目前全球各地生产生物燃料，也是大多以粮食作物为原料，如玉米、大豆、油菜子、甘蔗等。

使用粮食作物作为生产原料的生物燃料被称为第一代生物燃料。尽管第一代生物燃料到现在为止也只不过经历了区区几年的发展，并且只是在很少的几个国家实现了规模化生产，但是它的局限性很快就显示出来。目前世界各国都在着力研发第二代生物燃料。

第一代生物燃料的最大缺点是占用耕地太多以及威胁粮食供应。纽约理工大学教授詹姆斯・乔丹和詹姆斯・鲍威尔前不久在《华盛顿邮报》上撰文指出：生物燃料不是满足我们对交通燃料需求的一个长期而实用的解决方案、即便目前美国三亿公顷耕地都用来生产乙醇，也只能供应2025年需求量的一半。可是这对土地和农业的影响将是毁灭性的。

美国明尼苏达大学一个研究小组2006年7月10日在美国《国家科学院学报》上指出，未来的生物燃料应该在产出效率上有明显提高，其生产用地也不能和主要农作物用地冲突。文章指出，能在低产农田和较恶劣环境种植的作物如柳枝稷、莎草和木本植物等，可能更有前途。

2006年10月份在北京举行的“2006中国油气投资论坛”上，国家能源办副主任徐锭明指出，发展生物能源不可一哄而上，要以战略眼光，结合各地的资源情况，从实际出发。此前，国家发改委、农业部的官员，也分别对地方政府在发展生物能源方面的冲动提出忠告，要求一定不能与人争地、争粮、争水。

第二代生物燃料渐成气候

鉴于此，生物燃料业加快了新技术的开发，并将目光投向非粮作物。国际能源机构大力支持推进第二代技术的研发，二代生物燃料不仅有更加丰富的原料来源，而且使用成本很低，草、麦秸、木屑及生长期短的木材都能成为原料。加拿大已建成使用麦秸生产乙醇的工厂，德国开发了使用木材和麦秸等生产生物柴油的技术，哥伦比亚已成功地从棕榈油中提炼出乙醇。乌拉圭畜牧业非常发达，开始以牛羊脂肪为原料提炼生物柴油。日本已经在大阪建成一座年产1400吨实验性生物燃料的工厂，可以利用住宅建筑工程中废弃的木材等原料生产能添加到汽油中的生物燃料。

中国在第二代生物燃料技术方面的研发也不落后于其他国家。中国科学院一个实验室研制出一项最新科技成果，可以将木屑、稻壳、玉米秆和棉花秆等多种原料进行热解液化和再加工，将它们转化为生物燃料。据统计，中国目前能够规模化利用的生物燃料油木本植物有10种，这10种植物都蕴藏着盛大潜力。丰富的植物资源，使中国生物燃油的前景非常光明。

中国除了进行以木本植物为原料的实验外，还扩大了粮食原料的实验范围，探索以低产农田和较恶劣环境种植的作物为原料，并在一些技术上取得了突破。2006年8月，河南天冠燃料乙醇有限公司投产的年产3000吨纤维乙醇项目，成为国内首个利用秸秆类纤维质原料生产乙醇的项目。2006年10月19日，中粮集团在广西开工建设的40万吨燃料乙醇项目，所用原料为木薯，也属于非粮作物。加工1吨燃料乙醇，用木薯的成本比用玉米和甘蔗分别低500元和300元左右。而且由于木薯适于在土层浅、雨水不宜保持的喀斯特地区种植，更有助于帮助农民增加收入。

种种迹象表明，生物燃料的发展方向正在悄然转变，生产生物燃料的原料将由“以粮为主”向“非粮替代”转变。

生物燃料研究篇6

关键词:燃料电池工作原理应用

Abstract:Fuelcellisakindofhighefficientandenvironmentallyfriendlypowergenerationdevice,itcantransformtheoutsidechemicalenergyofthefuelandoxidizerdirectlyintoelectricalenergy.Thispaperintroducestheoriginalbatteryworkingprinciple,characteristicandclassification,andexpoundstheresearchprogressandapplicationofthebattery.

Keywords:fuelcellsworkprincipleisapplied

随着全世界对能源的需求日益增加以及人类对环境质量的关注,采用清洁、高效的能源利用方式、积极开发新能源已经是势在必行。燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,因而能量转化效率高,且无噪音,无污染,正在成为理想的能源利用方式。

1.燃料电池的工作原理

燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应,其工作原理如图1所示。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极（负极）和阴极（正极）通入。燃料气在阳极（负极）上放出电子,电子经外电路传导到阴极（正极）并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气与氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

图1燃料电池工作原理示意图

2燃料电池的分类

目前各国开发的燃料电池种类多,应用范围广泛,分类方法也多种多样。燃料电池有不同的分类方法，本文主要介绍按电解质种类分类中的两种燃料电池。（氢燃料电池和直接甲醇燃料电池)

3燃料电池的优点

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,被誉为“绿色”发电站。燃料电池的优点:

(1)发电效率高。理论上,它的发电效率可达到85%～90%,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40%～60%。(2)环境污染小。(3)比能量高。(4)噪音低。(5)燃料范围广。(6)负荷调节灵活,可靠性高。当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应。由于燃料电池的运行高度可靠,可作为各种应急电源和不间断电源使用。(7)易于建设。燃料电池具有组装式结构,安装维修方便,不需要很多辅助设施。燃料电池电站的设计和制造相当方便。

4燃料电池的应用和研究进展

4.1氢燃料电池(RFC)

氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮氧化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。60年代,氢燃料电池就已经成功应用于航天领域。“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。70年代至今,随着制氢技术的发展,氢燃料电池在发电、电动车和微型电池方面的应用开发取得了许多成果。目前,氢燃料电池的发电热效率可达65%～85%,重量能量密度500～700Wh/kg,体积能量密度1000～1200Wh/L,发电效率高于固体氧化物燃料电池。将氢燃料电池用于电动车,与燃油汽车比较,除成本外,各方面性能均优于现有的汽车。只要进一步降低成本,预计不久就会有实用的电动车问世。基于以上情况,各国都在加紧对氢气作燃料的燃料电池开发。德国已陆续推出了各种燃氢汽车。我国在广东汕头南澳岛建立了电动汽车试验区,有近20辆电动车和混合动力汽车投入试验。从总体水平上看,我国的氢能和氢燃料电池的研究开发工作与国外一些发达国家相比,还有一定差距。

目前主要的大规模产氢方式是以煤、石油、天然气为原料加热制氢,需要800℃以上的高温,转化炉等设备需要特殊材料,且适合小规模制氢。近来发展了甲醇蒸汽转化制氢,这种制氢方式反应温度低(260～280℃),工艺条件缓和,能耗约为前者的50%。甲醇还具有宜于携带运输,可以像汽油一样加注等优点。因此,甲醇转化氢气已经成为该领域的研究热点。另外,金属氢化物储氢、吸附储氢技术的研究也对车载储氢和制氢提供了途径。

4.2直接甲醇燃料电池(DMFC)

直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。膜电极主要由甲醇阳极、氧气阴极和质子交换膜(PEM)构成。阳极和阴极分别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流收集板、石墨、气体扩散层和多孔结构的催化层组成。其中,气体扩散层起支撑催化层、收集电流及传导反应物的作用,由具有导电功能的碳纸或碳布组成;催化层是电化学反应的场所,常用的阳极和阴极电极催化剂分别为PtRu/C和Pt/C。直接甲醇燃料电池无须中间转化装置,因而系统结构简单,体积能量密度高,还具有起动时间短、负载响应特性佳、运行可靠性高,在较大的温度范围内都能正常工作,燃料补充方便等优点。应用领域非常广泛,主要分为

(1)野外作业或军事领域的便携式移动电源;

(2)50～1000kW的固定式发电设备;

(3)未来电动汽车动力源;

(4)移动通讯设备电源。

5结束语

今天,能源、环保、交通问题已成为全世界关注的焦点，而燃料电池的研究、开发和应用将会为这些问题的解决贡献很大的力量。目前，其研究开发的重点集中在燃料转化用催化剂膜、制氢和储氢技术、降低燃料成本以及安全设施等方面。相信在未来几年里，燃料电池会在发展中得到更好完善，一定能为人类可持续发展,提高燃料利用效率,改善人类生存环境做出显著的贡献.

参考文献

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