生物燃料研究范例

摘要:在全球工业化进程的发展下，燃料能源的需求出现了建筑的增加，可再生生物燃料的重要性被愈发的凸显出来。煤炭、石油和天然气为主要原料的化石能源依旧是各国的主要能源，但是这些能源的使用不仅会导致一系列的环境问题，供需的差距也在越来越大，生物燃料领域的内容具有更大的优势需要进行挖掘。

关键词:基因工程技术;生物燃料;应用

基因工程技术的出现让各个国家都开始对该领域进行重视，因此该技术不仅是生物科学中的前沿技术，也对社会的各个领域发展具有重要的推动作用。基因工程技术的出现的时间虽然是比较晚的，但是它已经在很多领域都创造出了很大的奇迹，向人们展示出了巨大的科学价值，将其应用在生物燃料领域也必定具有很大的发展，对全球可持续发展的能源战略目标实现具有非常重要的意义。

一、基因工程技术的概述

基因工程技术指的就是将人工分离和经过修饰的基因导入到生物体基因组当中，然后的引起生物体性状的可遗传修饰。对于基因工程技术来说，它与传统生物技术是一脉相承的，但是两者在基因转移的范围和效率上又具有明显的不同。首先，传统的生物技术一般只能在生物种内的个体间进行基因重组，但是基因工程技术的基因转移是不会受到种间亲缘关系限制的;其次，传统的杂交和选择技术一般只能在生物个体水平中进行，不能准确的选择某个基因，但是基因工程技术转移基因的功能是比较明确的，并且后代的表现形式是可以进行准确预期的。就此来看，基因工程技术可以说是传统生物技术的一个发展和补充。

二、生物燃料技术的现状

(一)生物柴油

摘要:为了有效控制二氧化碳等温室的吸收和排放，人们将目光从传统的化石能源转向了林木生物质能源。通过分析当前林木生物质能源的资源与技术水平现状，并结合森林固碳和林木资源的替代减排作用，从生命周期分析角度，阐明了林木生物质对二氧化碳等温室气体减排方面的重大作用，林木生物质能源可有效减少温室气体的排放。

关键词:林木生物质能源、温室气体减排、作用机制

随着化石能源的枯竭，发达国家对高效率能源利用的要求也逐步提高。根据能源部和政府间气候变化专门委员会(IPCC)的数据，当前世界所使用的可再生能源77%来自生物质能源，而林木生物质能源占生物质能源的87%[1]。所以伴随着世界经济新一轮产业革命的到来，以低碳环保为目标的林木生物质能源产业一定会在能源发展的经济格局中占据重要位置。同时，发展能够替代高污染化石能源的林木生物质能源可以提高资源利用率，加强森林生态系统的抗氧化和碳汇作用，实现二氧化碳等温室气体的减排。

1林木生物质的发展现状

1.1资源现状

与全国第七次森林资源普查相比，第八次的全国森林面积净增长了122.3亿㎡，覆盖率提高了1.27%，覆盖率提高了1.27个百分点,其中人工林面积增加了76.4亿㎡,居全球首位。目前，全球主要使用林木资源中的木质资源、木本油料和淀粉植物，而我国主要使用木质资源和木本油料。木质资源在我国含量分布广泛，加工技术较为纯熟，利用率是化石燃料的10倍，广泛应用于发电和气化。木本油料是较好的物柴油原料，虽然在我国分布面积较广但加工技术相对落后，因此在“十一五”“十二五”之后，该原料的开发利用被特别确定为未来能源发展的重点之一[2]。截至2016年底，以木本油料为原料的生物柴油能源示范基地已经超过8.4亿㎡，果实产量已经超过1000万t。

1.2技术水平现状

一、汽油及柴油的无硫化

汽油及柴油中的硫可导致汽车尾气净化装置中催化剂性能的降低，所以一直要求燃料的低硫化。从2005年1月开始，日本开始使用硫质量分数小于10μg/g的无硫汽油及无硫柴油（硫质量分数小于10μg/g的汽油、柴油被称为超低硫燃料或无硫燃料）。

1.柴油

随着物流的迅猛发展，柴油机车排放的NOx及PM引起的大都市的大气污染越来越严重。1989年12月，为了降低柴油机车及公共汽车排放的NOx及PM，中央公害对策审议会的报告“未来降低汽车尾气排放对策”提出要强化尾气排放标准。柴油机车需要使用尾气净化系统，为了使尾气净化系统充分发挥其性能，石油业界分4个阶段降低了柴油中的硫质量分数。第一阶段：将尾气的一部分送回到发动机中，使用降低燃烧温度的尾气再循环（EGR：ExhaustGasRecirculation）装置时，为了防止发动机被腐蚀，于1992年10月开始将硫质量分数由0.5%降到了0.2%。第二阶段：为了使以降低PM排放量为目的而设置的尾气后处理装置充分发挥其作用，从1997年10月开始将硫质量分数由0.20%降至0.05%。第三阶段：为了使氧化催化剂、微粒除去装置及NOx还元催化剂等更有效地发挥其作用，2000年石油审议会石油产品质量专门委员会及中央环境审议会第4次报告决定，到2004年末将硫质量分数降至50μg/g，但是石油业界从2003年4月开始就供给了硫质量分数低于50μg/g的柴油。第四阶段：从2005年1月开始实施的柴油的无硫化（硫质量分数小于10μg/g），不仅使以同时脱除NOx及PM为目的的尾气后处理装置最大限度地发挥了其作用，而且改善了有助于应对地球变暖问题的柴油的质量。

2.汽油

为了降低人体对有害物质的摄入量，从1975年开始禁止往普通汽油中添加四烷基铅，从1986年开始禁止往优质汽油中添加四烷基铅；1996年将汽油中的苯体积分数降至5%，2000年1月再降至1%。规定汽油中不添加四烷基铅等含铅物质，将汽油中的苯体积分数降至1%，是日本为了确保汽油等燃料的质量而制订的强制性标准。作为应对光化学烟雾所采取的措施，2001年将汽油的蒸汽压标准的上限从78kPa降至72kPa，2005年再降至65kPa，以减少烃的蒸发量。从1996年4月开始实施的标准中，将硫质量分数规定为100μg/g，当时炼油厂出厂的汽油的硫质量分数均小于100μg/g。2005年，将硫质量分数降至50μg/g。接受综合资源能源调查会石油分科会石油部会提出的应从2008年开始实施无硫汽油（硫质量分数小于10μg/g）的强制性标准的报告，石油业界从2005年1月开始主动将汽油中的硫质量分数降至小于10μg/g。

二、地球环境保护自主行动计划及实施情况

随着各类制氢技术日趋完善，氢能源行业规模逐渐壮大，越来越被人们关注。本文对高中化学课制氢实验展开深入探究，从生物制氢方面进行实验设计，力求客观全面地分析问题和解决问题，提高高中化学课的教学质量。生物制氢的原理及优点生物制氢是生物质通过气化和微生物催化脱氢方法，在生理代谢过程中产生分子氢的过程。

1.生物制氢的原理

原理1：生物质制氢，包括生物质气化制氢和生物油重整制氢。生物质气化主要是采用木屑、秸秆末等为原料；生物油高温重整制氢，其原料来源于生物质高温裂解。原理2：主要是利用微生物自身的代谢作用将有机质或水转化为氢气，实现能源产出来获得氢气，同时获得一些有价值的副产物。由图可知，生物质制氢主要有三个方向：（1）生物质直接生物转化，微生物进行光解和发酵；（2）生物质直接燃烧制取氢气（农作物秸秆、柴）；（3）生物质热化工转化制氢，主要有两个方向：裂解、气化。2.生物制氢的优点（1）生物制氢消耗能量低、效率高。（2）生物制氢节能，氢气为可再生能源。（3）生物制氢原理成本低、制氢不污染环境。（4）一些生物制氢过程具有较好的环境效益。高中化学生物制氢实验的设计1.光水解制氢实验分析光解水制氢机理：光合生物体在厌氧条件下，通过光合作用分解水，生成有机物，同时释放出氢气。其作用机理和绿色植物光合作用机理相似，在某些藻类和真核生物（蓝细菌）体内拥有PSⅠ、PSⅡ等两个光合中心。PSⅠ产生还原剂用来固定CO2，PSⅡ接收太阳光能分解水产生H+、电子和O2；PSⅡ产生的电子，由铁氧化还原蛋白携带，经由PSⅡ和PSⅠ到达氢酶，H+在氢酶的催化作用下形成H2。（1）直接生物光解制氢系统：利用藻类光解水产氢的系统。（2）间接生物光解制氢系统：利用蓝细菌进行产氢的系统。（3）藻类产氢的主要优势：藻类的产氢反应受氢酶催化，可以利用水作为电子和质子的原始供体。

2.生物质热化学制氢实验分析

在实验过程中将组成生物质的碳氧化合物转化成含特定比例的CO和H等可燃气体，并且将伴生的焦油经过催化裂化进一步转化为小分子气体，同时将CO通过蒸汽重整（水煤气反应）转换为氢气等。生物质热化学制氢的基本方法为将生物质原料（薪柴、锯末、麦秸、稻草等）压制成型，在气化炉（或裂解炉）中进行气化或热裂解反应，获得富氢燃料气，再将富氢燃料气中的氢与其他气体通过变压吸附或变温吸附分离，获得高品质氢。研究重点在于获得理想组分与产率的富氢燃料气上。

3.生物质热化学制氢实验分析

（1）一级气化法制氢。生物质在某一反应器内被气化介质直接气化后，获得富氢气体的过程。该气化反应器优点为结构较为简单，反应过程容易实现，操作比较方便。当以空气为气化介质时，氢气约10％，热值约为5MJ／Nm3。（2）二级气化发制氢。生物质在第一级反应器内被直接气化后，进入第二级反成器发生裂化或蒸汽重整反应的过程。劣势为气化反应生成的燃料气中氢气含量较低，焦油、烷烃等K链烃含量高，就此分离除去，易造成能源浪费和环境污染。改善措施为增加第二级气化反应器对初级燃料气进行（催化）裂化分解和蒸汽重整反应，以提高氢气浓度，可得25％～45％的富氢燃料气。（3）一级快速热解法制氢。生物质在某一反器内被直接快速热解（>5s）后，获得富氢气体的过程。反应原理相当于气化一步法，但热解过程在隔绝氧气条件下进行，温度较低、物分布不同。（4）二级快速热解法制氢。生物质在第一级反应器内被直接快速热解后，再进入第二级反应器发生焦油裂化和蒸汽重整反应生成富氢气体的过程。与一级制氢相比，二级焦油裂解和蒸汽重整可保证焦油、大分子烷烃等长链烃的分解，增加产品氢气的体积份额。获得的富氢气体，氢气比重高达55%。（5）超临界水制氢技术。超临界水是压力和温度均高于其临界点时的水。临界压力为220bar，临界温度为374℃。作为化学反应介质，它具有良好的传递性和溶解特性。在此条件下，水的物理性质会产生许多显著变化。超临界水制氢过程可以在热力学平衡条件下实现。水-有机化合物混合体系在没有界面传递限制的情况下可以进行高效率的化学反应，因此，转化率非常高（大于90％），而且在气体组分中氢气的含量也相当高（达到50％）。化学实验课开展过程中教师同时要向学生阐述其优点：临界水是匀相介质，使得在异构化反应中因传递而产生的阻力冲击有所减小；高固体转化率，有机化合物和固体残留均很少；氢气在热力学平衡下获得。从而强化学生的认知，开拓学生的视野，明确化学原理的同时，提高课堂氛围。

一、中国发展航空运输新能源的背景

新能源是太阳能、风能、海洋能、地热能、生物质能和燃料电磁在国际上的一种通称。由于这些能源具有再生性，被称为可再生能源。它是人类利用能源向新的形态过渡的能源资源。从20世纪70年代石油危机以来，新能源日益受到重视。随着全球气候变暖，减缓人类活动对大气的碳排放使得新能源再次受到高度关注。航空运输新能源，是指为航空器的飞行提供动力所需的有别于常规石化能源的新能源。生物能源成为航空新能源发展方向之一。生物能源之一即生物柴油是清洁的可再生能源，以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。生物柴油具有多方面的优点。其中显著的优点之一是环保效益显著。生物渣燃烧时不排放二氧化硫，排出的有害气体比石油柴油减少70%左右，且可获得充分降解，有利于生态环境保护。由于常规能源对环境所造成的大气污染非常严重。而新能源作为一种对常规能源的替代能源，具有低排放低污染的特点。因此，大力发展中国航空运输新能源已是大势所趋。

（一）基于全球航空减排的现实需求

据研究统计显示，航空排放在全球二氧化碳排放中的份额目前约为2％，国际航空的份额估计约占其中一半强，为1％左右。由于全球航空运输业整体上还处于发展阶段，这一比例还会在攀升。为此，国际航空运输协会（InternationalAirTransportAssociation，IATA，简称“国际航协”）代表整个航空业向国际民航组织提出了“从2009—2020年，平均每年燃油效率提高1.5%；2020年实现碳排放零增长；2050年碳排放量比2005年减少50%”的三大承诺目标。改革开放30多年来，随着社会经济不断发展，社会公众对航空运输的需求不断增长。中国航空运输的年均增长率在10%以上，航空运输总周转量从2005年起已经跃升到世界第二位。由此带来航空运输碳排放量持续增加。使得中国航空运输业正面临巨大的减排压力。

（二）传统石化能源的不可再生属性

目前，煤炭、石油、天然气等化石能源仍然是当今世界能源消费的主流能源。2008年，世界一次能源需求总量中，煤炭所占比重为27.01%，石油所占比重为33.07%，天然气所占比重为21.15%，三者合计所占比重为81.23%。据统计，世界石油储采比为45.7年，天然气储采比为62.8年，煤炭储采比为119年。目前，航空运输所使用的主要能源是石油炼化而成的航空煤油、航空汽油。石油作为常规性的能源，具有污染重、不可再生的基本特性。航空运输业由于对石化能源的高度依赖性，每当国际原油价格上涨，都会对航空运输业造成重大打击。就中国目前的能源结构而言，国内能源主要为煤和石油。由于中国正处于工业化发展阶段，对石化能源需求巨大。据统计，中国所需石油对外依存度达到50%左右。这种对国际能源的高度依赖潜藏着巨大的风险，一旦国际局势紧张，世界各主要供油国加强对石油出口的控制，将严重地影响到中国航空运输业的能源供应。

（三）航空运输业可持续发展的客观需要

【摘要】生物质电厂与常规火电厂相比，安全管理基础相对比较薄弱，可借鉴的成熟安全管理经验少。其中安全风险存在于卸货、破碎、车辆、检修等引起的人身安全事故和燃料、粉尘引起的火灾爆炸事故。本文以某生物质发电企业为例，就生物质电厂目前在安全方面普遍存在的问题和采取的针对性技术和管理措施作主要阐述。

【关键词】生物质电厂;安全;新技术及创新管理

1前言

安全生产是关系到国家和人民群众生命财产的安全和人民群众的切身利益的大事。安全生产是企业生存与发展的基础，也是对企业的最根本要求。安全管理是每个管理人员必须遵守的行为准则，也是日常工作的一项重要内容。安全工作是一项常抓不懈的主题，是生产的保证，也是员工效益的最大体现。生物质电厂作为新生行业，由于起步较晚，各项管理工作与常规火力发电项目相比，还处于追赶期，特别是安全等各类管理制度和体系还需要不断完善。

2现状分析

2004年国家发改委开始核准了国内首批生物质直燃发电项目，实际投运发电在2007年左右，至今也就10年左右，整个行业发展历程较短。生物质发电项目与常规火力发电相比，由于燃料收购半径的问题，一般建设规模都不大，多为1．5～3万千瓦的装机容量。同时其燃料品种错综复杂，有稻麦秸秆、农林废弃物、稻壳、工业加工的边角木料以及蔗渣等生物质，体积庞大，且单批次运输量少，加工和周转工作量大。另外，当前对生物质电厂的特性认识不足。一方面，生产管理人员都一般来自常规火电厂，缺乏对生物质电厂安全管理经验;另一方面，生物质电厂燃料处理环节多，量大，且作业人员普遍文化水平不高，工作随意性较大，给生物质电厂安全环保带来很大的隐患。当前普遍存在如下几个问题:(1)生物质电厂普遍基于经营成本考虑，一些辅助工序(如燃料的倒运、破碎等)均采取外包模式。一方面，对外包单位安全管理往往采取降低安全标准或忽视了对外包公司的管理，形成“以包代管”;另一方面合作外包方的安全管理水平参差不齐，作业人员文化水平不高，安全意识差，易因自身原因造成安全事件的发生，进而影响到企业的发展。(2)生物质电厂主要安全风险存在于卸货、破碎、车辆、检修等人身安全事故和燃料、粉尘引起的火灾、爆炸事故;同时，生物质电厂现场作业过程中经常因治理不到位而出现不注重现场作业人员的职业健康问题。如何利用安全环保新技术、优化人机配置等方法，来减少上述问题的发生，是生物质电厂管理层迫切需要思考和解决的问题。(3)生物质电厂的安全环保培训、安全环保创建等工作仍在不断探索中，安全环保管理“软环境”还不够扎实。需要通过创造良好的安全环保管理“软环境”来进一步构建多重防护保障，夯实生物质电厂安全环保管理工作。(4)生物质电厂的安全风险意识还需要进一步加强，安全责任保险还需进一下完善。

3建章立制，完善外包管理

摘要：本文首先对循环经济视角下工程科学内涵进行分析，然后探讨生态化学工程技术对循环经济发展的支撑作用，最后对我国生态化学工程技术发展进行展望，希望能够给相关人员提供参考。

关键词：循环经济；生态化学；工程技术

所谓的循环经济，就是指“资源——产品——消费——废物再生”的资源闭环利用经济模式，这种经济模式下，能够在保证经济持续增长同时，集合资源再生利用、资源综合利用、绿色生产、可持续发展等内容。可以说，利用循环经济模式，不仅能够不断提升人们的生活水平，还能降低生态破坏的程度。对于生态化学工程来说，必须强化技术创新，肩负起支撑循环经济发展的重担。基于此，加强对循环经济下生态化学工程技术支撑的研究具有十分现实的意义。

1工程科学下循环经济模式分类

根据物质流循环层次，以工程科学角度出发，能够将循环经济分为初级资源循环、简单分解循环、产业链循环以及物理-化学-生物耦合循环等几个类型[1]。第一，初级资源循环。这种模式主要指的是保持分子水平不便，通过物理形态变化实现对资源的循环利用，主要指的是对可再生资源的回收利用，包括废玻璃、废钢铁、塑料瓶等资源回收。利用这一循环经济模式，刺激了20世纪初期很多产业发展。第二，简单分解循环。该模式主要指的是将废气的复杂产品进行拆分，对拆分后的原材料进行再次利用，包括废旧汽车、废旧家电、废旧电器等，拆除后的热塑性塑料能够造粒复用，还可以作为填料使用；而拆除中得到的金属也可以浸出。这种循环模式尽管与初级资源循环一样，分子水平并没有发生太大变化，但也向着更加高级的循环经济迈进。第三，产业链循环。主要是分子水平在产业链之间发生变化，体现更加深层次的物质循环。从二十世纪中期开始，这种产业链循环经济模式在我国逐渐开始发展，直到现在这种循环模式为我国经济发展依然发挥了重要的作用。例如，对于硫元素循环利用，实施“硫酸厂——磷肥厂——水泥厂”生态产业链结构，实现了环环相扣的硫元素循环利用，还有效解决了材料污染问题。在工业园区、开发区建设规划中，产业链循环已经成为了循环经济重要的考量指标内容。第四，物理-化学-生物耦合循环。这种循环经济模式主要是在物理、化学以及生物之间进行多重转化的物资循环利用模式[2]。低碳经济是目前全球经济发展的重要趋势，也是解决“碳中和”的重要渠道。人们逐渐对环保、绿色开始重视，“零碳家庭”、“零碳企业”的概念逐渐出现，并成为人们追求的低碳经济（循环经济）类型。例如，通过生物转基因技术，利用工业生产中排放的二氧化碳培育转基因素材、含油藻类等，而这些植物生长过程中，又能够将空气中的二氧化碳固定合成生物物质，作为生产生物柴油的重要原材料，这对于解决二氧化碳排放问题是一种十分经济的模式。就目前我国经济发展现状而言，仍然需要将产业链循环作为主要的循环经济类型，同时加速对物理-化学-生物耦合循环模式的研究，将其作为重要的研究方向，坚持因地制宜、低碳环保的原则，最以上四种循环模式进行妥善利用。

2生态化学工程对循环经济的支撑作用

生态化学工程与循环经济之间存在密切的关系，后者为前者指明了发展的方向，而前者为后者提供了重要的发展支撑。

作者：杨剑锋 周芳芳 单位：郑州大学商学院

我国拥有丰富的生物质资源，理论资源量为50亿吨左右．目前，我国每年可利用的农林废弃物源总量约为5亿吨标准煤．农业废弃物可以通过一定的技术转换成电力，即将农业废弃物原料进行干燥、粉碎，然后经冷态压缩形成农业废弃物颗粒，以这些颗粒为燃料进行发电［1］．随着国家电力体制对清洁能源发展改革的大力支持以及煤炭价格的不断攀升，清洁能源的发展已成为未来的总趋势．因此，在国家激励清洁能源发展的背景下，农业废弃物颗粒气化发电技术极为符合国家能源结构调整的方向，所以有必要对清洁能源进行进一步的规划和综合利用．系统动力学是美国麻省理工学院的Forrester［2］教授于20世纪60年代创立的．20世纪70年代初，他与来自各国的专家在罗马俱乐部构建了一个能够预测未来发展的世界模型，他们在该模型中重点研究了人口、农业、资源、工业与污染等决定增长的五大因素的变化趋势，并由模拟运算的结果编写了著名的《增长的极限》［3］一书．世界模型的提出，为其后全球可持续发展战略的提出奠定了基础，也为这类复杂大系统的模拟实验提供了一种工具．时至今日，系统动力学已经被广泛地用于各种微观和宏观系统［4－5］，小的如产品开发、企业管理、经济效益分析等，中等的如行业、城市规划等，大的则有国家模型和全球模型．系统动力学之所以发展得如此迅速，另一个原因是它在开始发展之初就拥有自己的计算机软件工具，如初期的DYNAMO、DYS-MAPZ等［6－7］．近年来，麻省理工学院又开发了在WINDOWS环境下运行的直观方便的图形化VENSIM软件工具［8］，这些软件都有助于加强研究者和决策者之间的联系．本研究应用系统动力学知识和VENSIM软件来分析农村生物质能源的综合利用对区域生态经济系统的影响，为当地政府的能源规划提供了依据．

1系统动力学在农村能源中的应用

1．1因素分析

农业废弃物颗粒燃料在工作情况下基本能够燃尽，而煤不能燃尽，所以前者的热效率更高．颗粒燃料的着火性比煤好，易于点火，大大缩短了火力启动的时间．颗粒燃料运送到发电厂后可直接应用，几乎不再需要加工，而煤炭运到发电厂后需要用球磨机对煤进行研磨以后才可以使用，这增加了使用过程中的电耗，所以利用农业废弃物颗粒燃料气化发电、直燃发电或者与煤混烧发电都有很好的发展前景．颗粒燃料与煤的对比见表1．本研究在能源规划上引入了颗粒发电这一变量，通过对颗粒和电煤之间关系的研究来规划能源结构．以平顶山市农村能源生态工程的建设为基础，结合该地区社会、经济和环境的发展，利用系统动力学的仿真模型来研究该地区能源的综合利用和规划，2010年该地区能源结构的初始状态见表2．

1．2平顶山市能源建设的系统动力学模型

1．2．1系统因果关系图以河南省平顶山市的农村清洁能源为研究对象，确立了清洁能源开发利用的研究方法．首先，将清洁能源开发模拟与分析系统简化为沼气、太阳能、电力、秸秆利用量这些状态变量，找出影响这些变量的主要因素，利用系统动力学原理，描绘出这些变量之间相互依存、相互作用的因果关系图，见图1．平顶山市农村的生活用能主要由太阳能、沼气、电力、液化气、家用煤、薪柴等构成．沼气、太阳能、电力和液化气作为清洁的能源，每年以某种速率增长，而薪柴和家用煤则因为清洁能源的增长而被逐渐替代．随着煤炭资源的减少、价格的增高以及煤炭带来的环境污染，作为电力主要原料的煤炭逐渐被清洁的颗粒能源所替代．虽然煤炭的用量每年都在增加，但是由于颗粒供应的价格优势，煤炭逐渐被替代，见图2．