生物燃料制备技术范文
时间：2023-10-25 17:35:00
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篇1
关键词：海藻；生物燃油；能源；减排；
1引言
随着全球经济的发展，能源将日趋紧张。传统能源的迅速减少以及严重的污染问题，已经严重危害到全球的经济和环境。我们必须减少对化石资源的依赖，加大可再生能源的开发和利用。目前，生物质能生产主要以农作物为原料，对粮食、耕地、水等资源需求巨大，因为资源供给的限制，难以满足市场需求。海洋生物质能的开发为解决这一问题提供了出路。
2利用海藻发展生物燃料研究的背景和现状
生物质能是以生物质为载体，将太阳能以化学能形式贮存其中，能源主要依靠植物的光合作用产生。生物能可以转化为固态、液态和气态燃料形式，替代传统的化石燃料，具有环保和可再生双重属性。工程海藻的研究和开发，为生物质能产业提供充足和廉价的原料供给成为可能。
美国从1976年起就启动了微藻能源研究。目前，美国的科学家已经培育出富油的工程小环藻，这种藻类比自然状态下微藻的脂质含量提高3至12倍。2006年11月，美国亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相连接的商业化系统，成功地利用烟道气的二氧化碳，大规模光合成培养微藻，并将微藻转化为生物“原油”。2007年，美国启动“微型曼哈顿计划”，计划实现微藻制备生物柴油的工业化。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下，将微藻产油的成本于2015年降至2至3美元/加仑。
2007年，日本启动了大型海藻的能源计划项目，利用马尾藻生产汽车用乙醇。预计到2020年，栽培面积将达1万平方公里，每年可收获6500吨干藻，可以生产约200万升燃料乙醇，相当于现有日本汽车油耗量的三分之一。
今年，我国微藻能源方向首个国家重点基础研究发展计划（“973计划”）项目“微藻能源规模化制备的科学基础”，已经正式启动。该项目将以推动微藻能源规模化制备中核心技术的重大突破为目标，提高微藻能源规模化制备系统中各单元的效率为主线，研究从藻种选育到微藻能源规模化制备系统构建过程中亟待解决的生物学及工程学方面的关键科学问题。[1]
3 、海藻作为生物燃油原料的优点
海藻主要包括微藻和大型海藻，海藻的种植可以利用海洋、盐碱地等不适合粮食作物生产的空间进行生产，这样避免了传统生物质能对农业资源的需求。各国研究机构都在运用现代生物技术开发海洋工程微藻，因为海洋微藻本身具备以下特征。一是光合效率高，生长速度快。生长周期短、繁殖快。二是微藻个体小、木素含量低，易粉碎干燥，生产液体燃料所需处理工艺相对简单，生产成本较低。三是微藻内大量积累脂质，因而可以大量生产生物燃料。四是微藻在生长过程中又可以消耗大量的二氧化碳，能缓解温室气体的排放。五是综合利用价值较高。微藻在制备生物燃油的同时可以开发虾青素、活性蛋白、不饱和脂肪酸、天然色素、生物肥料等高值产品，以降低微藻产油的成本。[2]
4、我国海藻养殖优势和存在问题分析
目前，我国拥有世界上最大规模的海藻生产基地，不论是产业规模，还是出口贸易，在世界上都占有举足轻重的地位。我国海藻养殖业发展较早，并成功的掌握了紫菜、海带等海藻大规模培养的关键技术。在螺旋藻和小球藻等微藻的藻种选育、规模培养和产业化方面取得了大量技术成果，某些技术已经达到国际先进水平。
与国际上其他国家相比，我国在推动藻类能源规模化制备技术上有一定优势，主要表现为以下几点：一是我国拥有一定的高水平技术人员和技术储备，并在人力成本方面具有明显优势。二是海藻分类区系、藻种选育和基因工程等领域具备较强的科研力量。三是我国海洋环境富营养化和赤潮比较严重,可以通过大规模海藻栽培实现对海洋的生态修复。四是我国在海洋资源方面拥有明显的区位及环境优势。[3]
我国在海藻能源开发方面有很多不足之处，概括起来主要表现在以下几个方面：一是海藻的燃料转化技术研究投入不足，发展相对滞后。二是实现封闭式光生物反应器的规模化生产方面技术落后。三是我国海藻的栽培局限于近海小规模的试验场，试验项目的投入在技术和资金方面与发达国家相比明显不足。
5、海洋生物质能源发展趋势的必然性
5、1 发展海洋生物质燃料可以满足国家战略需求
我国1993年开始成为石油净进口国，能源安全已成为国家安全战略中最重要的一环，能源发展方向不但决定着能源安全，甚至影响到国家安全。同时，新能源工业必然要成为未来能源工业的制高点，谁有更大的竞争优势，谁就有更多的话语权。
目前，随着全球气候恶化，国际上很多领域对碳排放指标提出越来越明确的要求。在航空领域，欧盟去年公布自2012年起对所有抵达或离开欧盟国家的商业航班实施碳排放权配额制度。作为应对策略，德国开始试飞生物燃油的客机，在6个月试验期间，这架空客A321型客机预计减排二氧化碳1500吨。如果仍然使用传统燃料，我国民航业为购买碳排放权仅2012年一年需向欧盟支付8亿元人民币。[4]
另外，根据专门机构的数据和预言，按照目前的发展速度，不久的将来碳交易将发展成为全球规模最大的商品交易市场。种种迹象证明，无论是出于环境效益，还是经济效益，海洋生物质燃料的发展都已经刻不容缓。
5.2 利用海藻发展生物燃料在技术上可行
2006年全球研发海藻生物燃料的企业大约有4家，到2008年已超过50家，我国目前从事海藻生物柴油研发的企业已有5家。2009年6月，《美国生物燃料月刊》预测分析认为，到2014年，海藻生物柴油将达到6.13亿升的生产能力，每升的批发价格约为0.34美元。《生物燃料文摘》评论认为，从理论上看，海藻生物柴油的成本会像过去预计电脑的市场成本一样，很快会降下来。
6关于发展海洋藻类生物质能的几点建议
结合实际情况，就我国发展海洋藻类生物质能研究领域的资源配置及研究重点提出以下几点建议。一是从国家层面上设计和制定系统的科技发展路线图。二是明确关键科技问题，开展有针对性的技术攻关。三是开展海洋藻类基础生物学的研究。四是加快开展具有共性的关键技术研究的步伐，突破海洋生物质能产业化的技术瓶颈。五是建立健全海藻环境保护和海藻资源合理有序开发的有关法律法规，制定海藻能源产品的技术标准及相关产业扶持政策，保证海洋生物质能产业得到健康持续的发展。[5]
篇2
高效利用能源主要是针对传统能源系统而言立足于新技术、新工艺，或者新理念构架的新型的能源利用技术，高效利用能源技术可大大提高了能源的综合利用效率，有效减少污染的排放。高效利用能源技术主要是指的热电联产技术和燃料电池技术。
热电联产是既产电又产热的先进能源利用形式，具有降低能源消耗、提高空气质量、补充电源、节约城市用地、提高供热质量、便于综合利用、改善城市形象、减少安全事故等许多优点，所以世界各国都在大力发展。世界热电联产发展呈现许多趋势，其中，丹麦在热电联产综合利用效率方面超过70％以上。
工业化国家在发展热电联产的同时，由于燃料结构向气体化和非化石矿物化转化，热电联产的规模也越来越小型化，多功能化。这种小型、微型的热电联产被国际上称之为――分布式能源。
分布式能源技术对能源的利用方式与传统的能源利用存在很大的区别，它不再追求规模效益，而是更加注重资源的合理配置，追求能源利用效率最大化和效能的最优化，充分利用各种资源，就近供电供热，将中间输送损耗降至最低。由于小型化和微型化，使能源需求者可以根据自己对于多种能源的不同需求，设置自己的能源系统，调动了终端能源用户参与提高能源利用效率的努力。分布式能源可以和终端能源用户的能源需求系统进行协同优化，通过信息技术将供需系统有效衔接，进行多元化的优化整合，在燃气管网、低压电网、热力管网和冷源管网上，以及信息互联网络上实现联机协作，互相支持、互相平衡，构成一个多元化的能源网络，使能源供应与能源的实际需求更加匹配。对于传统能源形式，分布式能源毫无疑问是一种新型的能源生产利用形式，是信息时代能源技术的核心。它不仅是一些传统能源技术的集合，也是全新的能源综合利用系统。
目前，高效利用能源技术发展的一个重点是“燃料电池”技术。燃料电池的能源利用效率更高，污染更小，理论上燃料电池使用的是氢能，属于可再生能源。但自然界中可以直接利用的氢根本不存在，制氢需要其他外部能量实现。我国制氢的技术方向是如何利用天然气、煤气化、甲醇、乙醇等能源，特别有前途的是利用废弃在地下煤炭资源进行地下可控气化再制氢技术。燃料电池不仅可以解决人类发展的电力难题，同时也可以解决对于石油的替代难题。虽然，就燃料电池技术本身应该属于新能源，但是大多数燃料电池将不会依赖于可再生能源。
热电联产和燃料电泄技术等能源高效利用技术都是立足于新技术、新工艺，或者新理念构架的新型的能源利用技术，虽然不是可再生能源，但针对传统的大规模分离生产的能源系统而言，大大提高了能源的综合利用效率，有效减少了污染的排放。据专家测算，能源利用效率提高1个百分点，可节省能源费用130多亿元。促进能源的合理和高效利用，对我国经济可持续发展具有深远的战略意义。
三低缸三排汽凝汽式汽轮机组热电联产装置
项目简介：一种三低缸三排汽凝汽式汽轮机组热电联产装置，包括高压缸、与中压缸联体低压缸、对称分流式低压缸、低压导汽管、程控装置；在低压导汽管上并联接出抽汽供热支管，在该抽汽供热支管上设置流量调节装置，该支管的另一端与热网相连接；在连通中压缸与对称分流式低压缸的低压导汽管上设置流量调节装置；中压缸出口压力传感器其输出接至程控装置；安装有流量分配软件的程控装置其输出接至主蒸汽输入管路流量调节装置、抽汽供热支管流量调节装置和对称分流式低压缸供汽管道流量调节装置。
意义：本实用新型在不需要供热时仍保持原有之发电功率、热耗率等技术经济指标；而在需要供热时能立即转入热电联产方式运行，供热能力相当于一台135MW超高压热电联产机组或260t/h规模的锅炉房。
生物质等离子体气化
项目简介：该项目研究中提出充分利用热等离子体提供的高温、高能量的反应环境，结合生物质自身特点，使气化过程无焦油形成，同时获得高品位的化学合成气。生物质等离子体气化工艺中，通过调整等离子体气氛以获得不同的目的产物。
意义：生物质与废轮胎、废塑料等共热解气化除得到合适比率的化学合成气外，还可获得碳黑为主的副产物，消除了环境污染，提高了资源利用率，也为固体废弃物的高效洁净处理提供了新的途径，具有较好的经济效益和社会效益。
应用热力学定律分析技术降低制药生产能耗
项目简介：不断应用热力学定律分析制药生产过程中耗能状况，深入开展了许多技术节能工作。以技术创新为切入点，以新思维优先考虑重点用能单位及设备的技术改造。主要手段如下：按质用能，节约蒸汽20%；一次将能源用好，尽量减少回收；减少重复加热、重复冷却过程；依靠仪器仪表测试并应用热力学的计算分析对产品用能进行系统分析，继续深入发现节能潜力；梯级利用能源，实现能源的综合利用。如：多效蒸发器，多效蒸馏水机运用等；不断开发和利用节能新技术，如：采用锅炉分层燃烧技术，膜分离设备，气升式发酵罐、短程（分子）蒸馏器等。
意义：该项目将热力学与制药工艺相结合，通过热平衡和分析，实施按质用能和递阶使用，取得了较大的节能、环保和经济效益。
超低焦油秸秆高效制气技术
项目简介：该技术是以秸秆为主要原料，采用先进的低倍率低速循环流化床气化技术和双层催化裂化炉，通过特定的流场组织和多级进料、组合进气方式，在气化介质和特殊催化剂（钙镁复合催化剂）作用下，在特殊的工艺流程内进行催化气化反应制取超低焦油燃气，其净化过程具有用水量极少，并从生活垃圾中获得的高活性焦炭基材料作为过滤干燥介质等特点。意义：该项目在国内处于领先水平，提高了传统气化炉产气效率和燃气品质，大大降低了燃气中焦油含量，减少了废水的排放和焦油对环境的污染，充分利用农村农林废弃物，避免了其露天放置对环境的污染。
锥形流化床生物质气化技术
项目简介：该项目针对目前国内生物质气化发电、供热、供气存在的原料适应范围窄、燃气焦油含量高、自动化程度低、适用松散型物料的气化发电设备和系统等问题，开发锥形流化床生物质气化发电供热、供气机技术产业化为目标，研制生物质气化装置与气体发电机组成的系列生物质气化发电系统。
意义：降低燃气中的焦油含量；生物质气化系统的操作弹性试验；提高生物质气燃气热值。
燃氢蒸汽锅炉科研开发
项目简介：本实用新型设计了一种燃氢蒸汽锅炉，包括壳体、设有耐火衬里的燃烧室、对流室、花隔板、换热火管、水分布器、下降水管和氢气燃烧构件。壳体为竖式的塔体，对流室设置在塔体上部，燃烧室设置在塔体下部，花隔板设置在对流室的顶端和底端，换热水管设置在燃烧室中，换热火管设置在对流室中，氢气燃烧构件设置在壳体底部的燃烧室中，氢气燃烧构件包括扩散式外混烧嘴，本实用新型的燃氢蒸汽锅炉，采用竖式，炉膛内无死角，对流部分采用单程换热，烟气流动通畅，流动阻力小，可避免未燃烧的氢气积聚，产生爆炸。
意义：采用扩散式外混烧嘴，可有效防止回火，并在对流室上部和燃烧室下部设有防爆门，防爆面积大，安全可靠。
热电联产系统
项目简介：本项目热电联产系统包括将由引擎回收的废热供应至压缩机的吸入单元侧的废热供应热交换器。因而，本项目具有能够最大化废热的利用率的优点。此外，所述热电联产系统使用压缩比为1.5~2.5的低压缩变频式压缩机，其压缩比低于现有技术。
意义：本项目能够更大程度地利用由废热供应热交换器供应的废热，从而其具有能够最大化热电联产系统的效率的优点。由于压缩机的吸入单元与排出单元之间的压差变小，因此本项目还具有能够防止损坏压缩机以及能够节约能耗的优点。
生物质高效转化与利用
项目简介：该项目从分子结构和聚集态结构不同层次出发，通过多学科交叉和多种高新技术集成，创立经济合理的生物质燃料氢气和柴油的新工艺流程，为生物质资源高效利用探索出切实可行的新途径。通过应用化学工程与生物工程技术相结合，建立“生物质能源（氢气）”新途径；筛选和优化到高效产氢气菌；提出了生物质制备柴油三个关键技术问题。
意义：强化基础研究与工程研究的密切配合，大幅度降低综合生产成本；开发出生物质高效制备氢气的新途径，降低生产成本；高效综合利用发酵剩余物质，使之资源化。开展本项目研究的现实意义和长远意义均十分重大。
SLQ-300型空气鼓风常压流化床生物质气化成套设备
项目简介：技术原理为：鼓入气化器的适量空气经布风系统均匀分布后，将床料流化，合适粒度的生物质原料送入气化器并与高温庆料迅速混合，在布风器以上的一定空间内激烈翻滚，在常压条件下迅速完成干燥、热解、燃烧及气化反应过程，从而生产出低热值燃气。排出气化器的热燃气再依次通过由干式旋负除尘器、冲击式水除尘器、旋风水膜净化器、多级水喷淋净化器、焦油分离器和过滤器等组成的净化系统，被冷却净化为符合使用要求的干净冷燃气以供不同用户使用。
意义：该项目研制开发的新型生物质气化系统，即空气鼓风常压流化床生物质气化系统，可生产低热值生物质燃气，用于乡镇居民炊事与生活、工副业生产及发电。
超低焦油秸秆高效制气技术
项目简介：该技术是以秸秆为主要原料，采用先进的低倍率低速循环流化床气化技术和双层催化裂化炉，通过特定的流场组织和多级进料、组合进气方式，在气化介质和特殊催化剂（钙镁复合催化剂）作用下，在特殊的工艺流程内进行催化气化反应制取超低焦油燃气，其净化过程具有用水量极少，并从生活垃圾中获得的高活性焦炭基材料作为过滤干燥介质等特点。该技术在国内处于领先水平，提高了传统气化炉产气效率和燃气品质，大大降低了燃气中焦油含量，减少了废水的排放和焦油对环境的污染。
意义：充分利用农村农林废弃物，避免了其露天放置对环境的污染，解决了部分劳动力就业。
分布式高纯度氢气生产装置
项目简介：适应氢经济及燃料电池行业的迅猛发展，研发生产分布式高纯度氢气生产装置。反应器采用流化床天然气水蒸气重整反应器，氢气提纯采用钯膜。该装置与氢气压缩机相配套，形成现场生产式汽车加氢站的主要设备；与PEM燃料电池相配套，形成分布式天然气发电装置作为可靠的备用电源。
意义：该项目还可在食用油加工，电子，金属炼制，浮法玻璃生产，金属的一次，二次加工中广泛应用。
分布式可编程能源系统及其利用方法
项目简介：一种分布式可编程能源系统及其利用方法，它包含分布在n个电能源使用地的能源发生地、分布在各能源发生地的能源转化及贮存装置和可编程逆变器组成的用户终端设备、连接 m个用户终端设备的局域电力网、对用户终端设备进行组态、编程控制和管理的L个编程控制中心、连接用户终端设备和编程控制中心的远程数据传输网络。该系统可以综合利用各种能源，通过可远程下载控制程序的用户终端设备将分布式的能源就地转化成各种电源。不需要投资巨大、损耗巨大的远程输配电系统，需要传输的只是数据。
意义：本项目将大大提高可利用能源的利用率，并大大降低能源使用成本，促进用电设备的标准化，使电力的转化和控制更精确、更专业化，亦解决了电能即用即发的问题。
高效节能回风式取暖炉
项目简介：高效节能回风式取暖炉以煤炭为燃料，比普通回风式取暖炉热效率高，热利用效率提高近一倍。具有购置费低，安装简单，使用方便，经济实用，取暖时可以同时烧开水，煮饭，炒菜，“吃火锅”等，我国南方的贵州、四川、重庆、云南、湖南、湖北、广西等省市无集中供暖的城乡家庭，及城镇小餐饮店、小酒楼、小商铺等可作室内取暖及餐饮炉具。 高效节能回风式取暖炉主要由金属外套、内套、吸热翅片及内筒等部件构成的高效节能换热体炉身，炉胆、及炉面板、灰箱、烟道等组成。生炉后,由炉胆内煤炭燃烧产出的热能除小量经炉面板、烟道向外辐射外，大量的热能经高效换热体内筒、吸热翅片、内套壁吸收和传导后，经外壁迅速向外辐射，以达到加热周围空气，满足室温需求。
意义：由于炉胆和炉身的蓄能保温作用，热能在炉体内的存留时间相对延长，煤炭在炉内燃烧更充分，促进炉膛内温度进一步升高，炉口火力加强，出烟口不再有黑烟排出，下落灰渣也明显减少，灰渣内碳含量明显少，降低了有害气体和烟尘向大气中的排放量。煤炭在炉膛内燃烧时间延长，充分，炉膛内温度高。
再生氢氧燃料电池研制
项目简介：该项目进行了RFC催化剂制备技术研究，对催化剂的活性、催化剂的组成及粒径分布进行了分析，建立了催化剂的制备方法；研究了质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体电解质（SPE）水电解的膜电极三合一组件的制备方法及制作过程，建立了膜电极的制备工艺，分析了电极结构、组分、含量及制作工艺对PEMFC和SPE水电解性能的影响；进行了可逆式质子交换膜燃料电池双效膜电极结构的探索研究；成功设计了综合式百瓦级RFC电池组及运行系统。
意义：该系统为我国第一台再生燃料电池系统，为千瓦级的再行燃料电池系统打下基础。
直接醇类燃料电池研究
项目简介：本项目研究与开发直接甲醇燃料电池(DMFC)所用的电催化剂、廉价的聚合物电解质膜等关键材料和多孔电极、膜电极集合体(MEA)、电池、电池组的制备集成等核心技术。在铂系电催化剂基础上深入研究材料的结构与性能关系，提高电催化剂的催化活性、减少电极中贵金属的含量，增强催化剂抗CO毒化能力，降低燃料甲醇从阳极向阴极的渗透率，改善电子、质子电导率，增强催化层与电解质膜的结合力，提高电池性能、稳定性和使用寿命。
意义：直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能转化为电能的一种电化学反应装置。在国防通讯、家用电器、传感器件诸多领域具有广阔的应用前景，现已成为国际上燃料电池的研究热点之一。
质子交换膜燃料电池
项目简介：燃料电池是一种效率高、节能、环境友好的绿色动力源，被誉为21世纪上叶的全球经济原动力，中科院大连化学物理研究所研制、开发的5kW～10kW质子交换膜燃料电池组，其结构、部件和放大工艺已形成了具有自主和成套的知识产权，申请了25件国家发明专利，并拥有多项专有技术。该质子交换膜燃料电池组，具有体积小、功率大、运行稳定时间长等特点，单节电池连续稳定运行已达到1000小时以上，性能指标已达到国外同类产品水平，该电池组件无污染，无噪声，是国际上最理想的环保卫士之一。广阔应用于固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。
意义：所研制开发成功的薄金属双极板额定功率为5kW～10kW电池组属世界首创，电池组性能已达到国际先进水平，部分技术已达到国际领先水平。
燃料电池混合动力系统试验台
项目简介：本项目主要研究燃料电池汽车动力系统的研发方法，从而建成一个试验研究平台，该试验台能进行燃料电池混合动力系统及其零部件性能测试，能评价动力系统对整车运行环境和道路阻力的适应性。创新点包括用动态测功机为燃料电池混合动力系统提供整车道路阻力特性相似的负载，构建与整车基本相同的电磁环境，分层同步测试从零部件到动力系统以及整车的性能，测试参数准确齐全，实现了在强电和强电磁环境中安全使用大量高压氢气，研发出燃料电池模拟装置，节省了研发成本。
意义：研究推出了我国第一台燃料电池城市客车用燃料电池混合动力系统，在燃料电池混合动力系统测试方法、电磁兼容性、强电磁干扰环境中的动力系统数据采集和控制等前沿领域的创新和经验对学科发展起到了促进作用。
直接醇类燃料电池研究
项目简介：直接甲醇燃料电池(DMFC)是直接将燃料(甲醇)和氧化剂(氧气或空气)的化学能转化为电能的一种电化学反应装置。在国防通讯、家用电器、传感器件诸多领域具有广阔的应用前景，现已成为国际上燃料电池的研究热点之一。本项目研究与开发直接甲醇燃料电池(DMFC)所用的电催化剂、廉价的聚合物电解质膜等关键材料和多孔电极、膜电极集合体(MEA)、电池、电池组的制备集成等核心技术。
意义：在铂系电催化剂基础上深入研究材料的结构与性能关系，提高电催化剂的催化活性、减少电极中贵金属的含量，增强催化剂抗CO毒化能力，降低燃料甲醇从阳极向阴极的渗透率，改善电子、质子电导率，增强催化层与电解质膜的结合力，提高电池性能、稳定性和使用寿命。
直接醇类燃料电池微电源系统
项目简介：“直接醇类燃料电池微电源系统研究”通过中科院高技术研究与发展局组织的验收。专家组一致认为：该项目在电催化剂、阻醇电解质膜等关键材料制备、新型多层复合电极和有序化膜电极（MEA）等核心技术、笔记本电脑用直接醇类燃料电池（DAFC）微电源系统集成三方面取得了重要进展，电池性能达到国内领先、国际先进水平。
意义：申请了8项我国和5项国外发明专利，取得了具有创新性和自主知识产权的成果，达到并部分超过合同规定的技术指标。
大型生物质气化发电系统
项目简介：开发了适合于我国国情的生物质中小型气化发电系统,采用循环流化床气化炉和多级气体净化装置,配置多台200-400KW的单气体燃料内燃发电机组,用谷壳,木屑,稻草等多种生物质作原料,可以在不同的负荷下运行。气化发电系统燃气值在5.02～6.27MJ/m 之间,系统发电效率达16%～25%,发电参数正常稳定。由于系统简单,单位投资约3500～5000元/KW,运行成本约0.25元/KW.h,经济性好；采用多种废水处理方法,废水可以循环使用,不造成二次污染,能满足工厂企业用电要求或上网,取得显著的经济效益和社会效益。该生物质气化发电技术应用范围广,灵活性好,根据用户不同需要,发电规模可选择在200-5000KW之间。用于处理,碾米厂的谷壳,家具厂,人造板厂垢木屑,边角料,树皮,为工厂提供电力,也适用于处理林场及农场的枝桠材,农村秸杆,棉花杆,稻草,稻壳等,为缺电农村地区和企业供电。
意义：由于该项目属于环保技术,对消除污染,减少C02的排放有重要的意义,有条件销售国家政府的相关优惠政策,有很好的市场前景和巨大的推广潜力。
氢能材料及其应用研究
项目简介：在非晶合金的制备方面，研究了制备工艺参数对合金的形成、组织结构等方面的影响规律，首次观察到了机械研磨过程中MgZNi相的fcC转变，计算了二元及三元镁基非晶合金的形成范围；开发具有自主知识产权和优良性能价格比的系列合金，开发的AB2型贮氢合金其电化学容量达350mAh/g,AB5型合金其容量为310mAh/g；进行了表面微型包覆处理提高合金电极循环寿命、改善材料活化性能的研究工作。
意义：本项目研究的技术内容适用于民用二次电池、船用二次电池以及为燃料电池提供氢源的贮氢罐等方面的研究开发。
百瓦级质子交换膜燃料电池堆的研制
项目简介：采用阴极面贯通式结构双极板，以常压空气作为氧化剂，依靠风机为电池提供氧源，同时利用空气的流动排走了电池所产生的废热和阴极所生成的水。对阳极进行了自增湿处理，以自增湿膜电极取代外增湿系统，以减小除去增湿系统给电堆带来的不足。氢气的流道采用密闭系统，并通过控制系统控制电磁阀定时排放废气，氢气的利用率得到极大的提高。采用电流和电压传感器来检测电池堆运行时的电流、电压以及各单电池的电压，采用温度传感器检测电堆的温度，通过这些来监控并确保电堆的正常稳定运行。
意义：所研制开发的百瓦级氢空PEMFC除可用做电动自行车、电动轮椅车或电动滑板车的动力源之外，电池堆的输出功率适当放大即可用作电动摩托车、电动割草机等的动力电源和家庭小型发电站等分散能源系统，而电池堆的输出功率适当缩小则可作为手提电脑、摄放相机、电动工具等的动力电源。
便携式质子交换膜燃料电池
项目简介：质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用固体聚合物(质子交换膜)为电解质，通过电化学反应把储存在氢气和氧气（空气）内的化学能直接转化为电能，并产生水和热。具有发电效率高、能量密度和功率密度大，噪音低，不产生环境污染物等优点。项目研制的便携式质子交换膜燃料电池可以广泛应用于电动自行车，残疾人电动助力车，电动摩托车，备用电源，移动通讯电源，以及军队的单兵电源，通讯报务电源和车载电源等。
意义：代替目前蓄电池和汽油发电机，提高工作时间，增大隐蔽性等。
发酵沼气燃料电池废水深度处理研究
项目简介：该研究采用臭氧氧化法和生物活性炭法处理发酵沼气燃料电池废水。臭氧对脱色、杀菌、去除难降解有机物、氨氮都有显著效果；生物活性炭法对难降解有机物和氨氮有良好的去除作用，可获得高质量的出水。我们通过对臭氧氧化法和生物活性炭法处理性能、投资成本及运行费用的实验论证和分析类比，确定了一种适合发酵沼气燃料电池废水的最佳处理方法。研究成果可以彻底实现猪场废物的资源化、无害化和减量化。
意义：该成果不仅在畜牧行业将得以成功的应用，且能推广到食品、纺织等行业的高浓度有机废水的处理，具有广泛的应用价值。
百瓦级质子交换膜燃料电池堆的研制
项目简介：采用阴极面贯通式结构双极板，以常压空气作为氧化剂，依靠风机为电池提供氧源，同时利用空气的流动排走了电池所产生的废热和阴极所生成的水。对阳极进行了自增湿处理，以自增湿膜电极取代外增湿系统，以减小除去增湿系统给电堆带来的不足。氢气的流道采用密闭系统，并通过控制系统控制电磁阀定时排放废气，氢气的利用率得到极大的提高。采用电流和电压传感器来检测电池堆运行时的电流、电压以及各单电池的电压，采用温度传感器检测电堆的温度，通过这些来监控并确保电堆的正常稳定运行。
意义：所研制开发的百瓦级氢空PEMFC除可用做电动自行车、电动轮椅车或电动滑板车的动力源之外，电池堆的输出功率适当放大即可用作电动摩托车、电动割草机等的动力电源和家庭小型发电站等分散能源系统，而电池堆的输出功率适当缩小则可作为手提电脑、摄放相机、电动工具等的动力电源。
固体氧化物燃料电池关键材料
项目简介：固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效洁净的发电技术，它的应用属于能源科技领域。SOFC以材料科学技术为基础，其关键技术属于材料科学技术领域。其中，氧化锆固体电解质材料、Fe-Cr合金连接体材料和玻璃陶瓷封接材料及其相对应的材料制备技术是核心。
意义：以这些材料为基础制备的SOFC具有高功率和高能源转换效率(热电联供效率为60－80%)，环境友好（极少排放温室气体）等特性。
直接甲烷中温固体氧化物燃料电池阳极材料和电池组的研制
篇3
在生产混凝土超塑化剂聚磺化萘甲醛的过程中,水污染严重,而且在半固体的滤饼中含有大量的最终产品,为了降低污染,减少浪费,生产企业采取了一系列措施,包括:过滤过程中滞留水的回用,反应器洗涤水的循环利用,高压泵采用闭环冷却系统,控制原料、产品和水的跑冒滴漏,充分利用固体废物中的最终产品等。经过工艺路线改进,实现了清洁生产,提高了经济效益[29]。清洁的反应体系反应体系对反应十分重要,以超临界CO2、近临界水、高温液态水和离子液体等作为清洁生产的反应体系,可以获得良好的反应效果。徐明仙等[30]在超临界CO2中进行水杨酸合成,CO2既作为溶剂,又作为反应物,成为合成水杨酸的绿色原料。朱宪等[31]利用临界水作为反应介质,提取黄姜中的薯蓣皂苷,发现其可以克服传统水解法需要加碱中和、水消耗大和环境污染严重等缺点。张辉等[32]利用超临界水氧化法与非色散红外法相结合测水质中有机碳含量,发现其反应快,氧化彻底,检测结果准确。Lv等[33]利用高温液态水的特性水解生物质资源生产化工原料,如木糖水解等,具有较好的效果。离子液体作为一类新型绿色反应介质,不仅可替代传统有机溶剂或酸碱用作化工反应和分离的新介质,而且具有作为新型磁性材料、纳微结构功能材料、材料、航空航天推进剂等的潜力[34]。磁性功能化离子液体具有液程宽、蒸气压低、溶解能力强等特性[35],在有机合成中可作为溶剂兼催化剂和模板剂,具有产物易分离、可回收重复使用等优点。超常规反应技术由于人们对物质状态和反应过程的认识有限,对物质的利用主要基于其正常状态下的物性。随着人们对各种物质处于不同极限状态的特性的研究,化学反应过程在极限状态下的特性受到化工界的广泛关注,于是各种超常规状态的技术不断涌现,如超临界流体技术、超重力技术等。超临界流体技术超临界流体指的是处于临界点以上温度和压力区域下的流体,在临界点附近会出现物性急剧变化的现象。利用流体超临界状态特性的技术称为超临界流体技术,如超临界法制备微粒技术和超临界流体萃取技术等。利用超临界法制备微粒技术有超临界溶液快速膨胀法、超临界辅助雾化法和超临界反溶剂法等。采用超临界法制备微粒,与常规的机械加工法、重结晶法、冷冻干燥法和喷雾干燥法相比,制备的微粒粒径较小,粒径分布均匀,而且解决了有机溶剂残留等问题,具有绿色环保的特点[36]。超临界技术是未来大规模制生物燃料的理想方法,特别是用于废油和脂肪制取生物柴油。
与传统的生物燃料生产方法相比,超临界流体技术具有反应快、生产率高、易于连续操作、而且不需要催化剂等优势,但操作压力和温度高,材料成本高,难以推广应用[37]。超临界流体萃取技术是利用处于临界压力和临界温度以上的流体所具有的超常规的溶解能力而发展起来的化工分离技术。与其它分离技术相比,超临界流体萃取技术具有适用性广、效率高、所得产品无毒无残留等优点,是一种典型的绿色化工分离技术。超临界流体萃取技术在处理常规法难以处理的废水中的有机物和高分子材料等方面具有显着的优越性,在污染治理方面可以发挥重要作用[38]。超重力技术在超重力环境下的物理和化学变化过程的应用技术叫超重力技术。与传统塔器相比,在超重力环境下,微观混合和传质过程得到高度强化,因此超重力技术的研究和应用得到了广泛的关注[39]。超重力技术在分离方面的工业应用比较广泛,如超重力脱氧技术、超重力脱硫技术和超重力脱挥技术等[40]。超重力技术在反应中的应用也比较多,如纳米材料的制备以及在精馏分离和快速反应过程中的应用等[41]。浙江工业大学研发的折流式超重力场旋转床已实现工业应用,与传统的塔器设备相比,该设备高度降低1~2个数量级,可节省场地和材料[42]。其它超常状态技术除超临界流体技术和超重力技术外,还有其它极限技术,如超高温技术、超高压技术、超真空技术、超低温技术等。随着高科技的迅速发展,这超些常规技术在化工领域的研究和应用将越来越多[43]。催化技术催化技术是化学工业实现清洁生产的主要方法。在有机化工中,为了得到尽可能多的目标产品,减少副产品和废物,除了采用合适的工艺设备和工艺线路外,非常重要的是采用高效环保的催化剂,如利用酶催化剂、手性催化剂和仿生催化剂等。酶是一种高效催化剂,催化选择性极高,无副反应,便于过程控制和产品分离。科学家们研究发现2-羟基异丁酰-CoA的酶可以将直链C4化合物转化成支链,作为甲基丙烯酸甲酯前体,这意味着在常规的化学路线基础上有可能会延伸出一条新型的生化法工艺路线[44]。人们在利用酶催化剂时,也在探索研究模拟酶催化剂,如将分子印迹法应用于聚合物模拟酶催化剂的设计合成中,制备的模拟酶催化剂具有抗恶劣环境、高稳定、长寿命等特点[45]。在天然酶催化剂和人造催化剂之间有许多相似的地方,如果能将固体催化剂坚固耐用、容易与产品分离、耐高温等特点与酶催化剂活性高、变构效应好、选择性控制精度高的特点结合,合成兼具固体催化剂和酶催化剂两者优点于一体的催化剂,则化学反应中的清洁生产又将有进一步的突破[46]。在化学工业中,特别是精细化工中,除了催化剂化学选择性外,催化剂区位选择性、立体选择性和对映体选择性具有非常重要的作用[47],如不对称加氢反应催化剂。目前,不对称加氢多相手性催化剂主要有固定化的均相手性催化剂、手性小分子修饰的多相催化剂和以天然高分子为手性源制备的多相催化剂等[48]。生物界有许多高效催化反应,人们可以根据生物界的反应特点研制仿生催化剂,提高催化效率。叶长英等[49]根据生物表面具有多层次微米和纳米复合结构,以便最大限度地捕获光子进行光合作用的特点,采用模板-超声-水热法制备仿生界面结构的二氧化钛催化剂微球,应用于苯酚光催化降解,发现其具有良好的催化能力,而且在实际工程应用中易沉降分离,有利于光催化技术在实际工业废水处理中的应用。
化工设备技术随着化工工艺的进步和发展以及环保要求的不断提高,化工设备技术也不断发展和完善。目前,化工设备逐渐专业化、系列化,并朝着大型化、微型化和智能化方向发展。化工设备向大型化、精密化、一体化、成套化和采用先进控制技术方向发展[50]。其中换热器趋向大型化,并向低温差和低压力损失的方向发展,压缩机向超高压方向发展,化工流程泵向超低温方向发展等。与设备大型化发展相反,化工设备的另一个发展方向是朝着小型化和微型化方向发展。微反应器技术是把化学反应控制在尽量微小的空间内,化学反应空间的数量级一般为微米甚至纳米,化学反应速率快,转化率和收率高,并能解决强腐蚀、易爆、高能耗、高溶剂消耗和高污染排放等问题,具有清洁生产工艺的特点,在化学合成、化学动力学研究和工艺开发等领域具有广阔的应用前景[51]。目前已有微反应器用于工业化生产,产量可达几十吨到几千吨[52]。随着信息化与工业化不断融合,化工生产系统逐渐智能化。化工设备的智能化包括两个方面:一是设备控制的智能化;二是设备设计的智能化[53]。设备智能化是提高产品质量、产量,提高能源利用率以及满足环境要求的重要方向。清洁能源现在化学工业的供能主要来自石油和煤炭,这两种能源在消耗过程中都会产生大量的污染,而且石油和煤炭在开采过程中也会对环境造成破坏。面对国际国内节能减排的重压,使用清洁能源是发展的必然趋势。为了降低对环境造成的污染,人们努力开发清洁的能源技术,包括利用太阳能、风能、地热等。但开发和利用这些清洁能源技术并不一定清洁[54],因为尽管清洁能源利用时对环境无污染或少污染,但从整个生命周期来看,清洁能源的开发和使用实际上需要从其它环节获取资源或者将污染转移到其环节。生物燃料是一种比较清洁的燃料,是柴油发动机等的理想替代燃料。目前先进的生物质燃料生产技术有超临界流体技术,包括采用酯交换反应利用植物油生产生物柴油、通过生物质气化和生物质液化制取生物油。但目前生物燃料生产的成本比较高,难以推广应用[37]。目前,国内外有关清洁能源的研究热点除了核能、太阳能、水能、风能和生物质能外,还有常规天然气和非常规天然气。天然气是一种清洁能源,但随着常规天然气资源的逐渐减少,开发难度不断加大,以页岩气、煤层气为主的非常规天然气将成为研究和开发的热点[55]。我国第一部《页岩气发展规划(2011—2015)》提出,到2015年,页岩气将初步实现规模化生产,产量将达到65亿立方米/年,到2020年,产量最高达到1000亿立方米。虽然页岩气等非常规天然气开发已是大势所趋,但伴随着开发的热潮,开采技术制约、开采过程中的环境污染和破坏、初期投入大、开发成本高、回报周期长等方面仍面临争议。但毋庸置疑,随着技术进步和能源安全问题的日益凸显,非常规天然气在未来化工领域中的应用还是非常有前景的。尽管关于清洁能源的开发与利用的研究很多,但在化工领域中利用清洁能源取代化石能源的还极其有限,有关取代技术需要进一步研究。为推进燃煤工业锅炉清洁燃料替代,加强工业锅炉的节能减排,上海市为天然气优化替代燃煤提出菜单式的技术指导以及余热深度利用技术,开发生物质气化气部分替代燃煤的混烧技术,为清洁能源替代专项工作提供支撑[56]。刘超等[57]尝试利用清洁的可再生能源代替化石能源为冶金生产提供能量支持,提出“风光互补非碳冶金”,以减少碳排放。通过研究,解决清洁能源利用技术与钢铁冶金技术相融问题,最终确立的系统单元之间,基本满足了能量的协调匹配,能够获得1600℃以上的冶炼高温。这种钢铁冶炼中的“风光互补”思路为化工企业中利用清洁能源代替化石能源提供了借鉴作用。
研究热点
篇4
SOFC技术成果显著
由于SOFC的运行温度使得燃料的内部重整成为可能，其不仅可以使用纯氢燃料，还可直接使用氢气、烃类(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用贵金属作催化剂；避免了中、低温燃料电池的酸碱电解质或熔盐电解质的腐蚀及封接问题；能提供高质余热，实现热电联产，燃料利用率高，能量利用率高达80％左右，是一种清洁高效的能源系统；其采用陶瓷材料作电解质、阴极和阳极，具有全固态结构，加快了电池的反应进行，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备。利用煤气发电的SOFC未来实现大型化系统后，可望显著地提高火力发电效率，节能减排；利用天然气重整发电的分布式或家庭用热电联供系统可望在智能电网中发挥重要的作用，确保电力供应的安全与稳定；利用生物质气发电的SOFC可望绕过生物质利用中的收集瓶颈，为广大农村提供优质的能源。
据王绍荣研究员介绍，长期以来，困扰SOFC技术研发的主要问题是高温密封、冷热循环、部件材料的成本、电池堆的寿命、以及系统集成技术等问题。问题的解决既需要科研人员的努力、也需要国家和社会给以广泛支持和投入。截至目前为止，我国对SOFC技术的投入主要来自于政府部门，特别是国家科技部和中国科学院白“九五”以来持续支持了SOFC的关键材料、关键技术研究，有力地推动了该技术的发展并取得了 批令人鼓舞的成果。但是、也应该看到我国对SOFC技术的投入比起西方发达国家的投入还远远不够；即便是国内横向比较，对SOFC技术的投入比起对其它相关能源技术的投八也差距甚大。这样的不平衡直接导致了SOFC技术的研发进展相对缓慢，与其重要性很不相称
SOFC研究新进展
中国科学院上海硅酸盐研究所长期以来研究具有自主知识产权的多层流延共烧结法制备SOFC单电池的技术，其主要特点是烧结次数少、成本低、成品率高。王绍荣介绍说，自2004年在国内率先实现了面积大于10×10cm2的阳极支撑型电解质复合膜以来，经过十几代更新与改良，目前，已经实现了面积大于20×20cm2的阳极支撑型电池的小批量制备。该核心产品具有强度高、完全平整、功率密度稳定可靠、衰减率低的优点。
在密封材料方面，上海硅酸盐研究所探索了一系列不同膨胀系数的玻璃和玻璃陶瓷材料，解决了电池组件热膨胀系数匹配问题，和密封的成功率问题，成功实现了电池堆7次以上的冷热循环(室温～750℃)。更加可喜的是，2010年下半年的努力使得他们的电池堆已经克服了冷热循环后的功率衰减问题；长期稳定运行的电池堆在春节“休息”以后重新出发，而性能不变。
在双极连接板方面，上海硅酸盐研究所不仅对气道和密封结构进行了成功的设计，而且攻克了等离子喷涂法制备合金抗高温氧化涂层的技术关键。这对保障电堆的寿命起到了十分关键的作用。同时，针对电池堆内部流场优化的难题，该团队开发了一种方法，布置测温点阵，可以直接测得电池两极的温度分布，改变了长期以来国际国内对此问题只能采用计算机模拟计算的格局。
上海硅酸盐研究所是国内首家成功运行数百瓦级高、中温平板型固体氧化物燃料电池堆的单位，在电池堆设计、控制、运行等方面积累了丰富的经验。利用自主制备的大面积电池搭建的电池堆在750℃下最大功率达到了1.5kW。考察过的最长运行时间超过1500小时。衰减率小于3％／1000h。
篇5
陶瓷膜也称CT膜，是固态膜的一种，最早由日本的大日本印刷公司和东洋油墨公司在1996年开发引入市场。陶瓷膜主要是A12O3，Zr02，Ti02和Si02等无机材料制备的多孔膜，其孔径为2－50mm。具有化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂:机械强度大，可反向冲洗:抗微生物能力强:耐高温:孔径分布窄，分离效率高等特点，在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、治金工业等领域得到了广泛的应用，其市场销售额以35%的年增长率发展着。陶瓷膜与同类的塑料制品相比，造价昂贵，但又具有许多优点，它坚硬、承受力强、耐用、不易阻寨，对具有化学侵害性液体和高温清洁液有更强的抵抗能力，其主要缺点就是价格昂贵目_制造过程复杂。
2004年7月，北美陶瓷技术公司顺利完成了其价值超过500万美元的新型双磨盘研磨机的组装，该设备在制备超薄陶瓷膜的生产技术上首屈一指，这同时也使得公司在制备超平、超完整陶瓷膜上的技术大大提升。我国南京工业大学完成了低温烧结多通道多孔陶瓷膜，该项目的研究对于提高我国陶瓷膜的质量、降低成本具有重要意义。多孔陶瓷膜由于具有优异的耐高温、耐溶剂、耐酸碱性能和机械强度高、容易再生等优点:在食品、生物、化工、能源和环保领域应用广泛。但目前在其应用中存在两大难题:一是多孔陶瓷膜的高成本，尤其是支撑体材料的成本高:二是有限的陶瓷品种与纷繁复杂的现状存在着矛后。目前商品化的陶瓷膜只有有限的几种规格，这就对特定孔结构的陶瓷膜制备提出了更高的要求。该课题组主要对以氧化铝和特种烧结促进剂为起始原料，在1400℃的烧成温度下制备出的支撑体进行了系统和深入的研究，得到渗透性能、机械性能及耐腐性能统一的支撑体。他们还以原料性质预测支撑体的孔结构为目标，以支撑体的制备过程和微观结构为基础，建立了原料性质与支撑体孔隙率、孔径分布之间的计算方法，为特定孔结构支撑体的定量制备提供了理论依据。
目前，己商品化的多孔陶瓷膜的构形主要有平板、管式和多通道3种。平板膜主要用于小规模的工业生产和实验室研究。管式膜组合起米形成类似于列管换热器的形式，可增大膜装填而积，但由于其强度问题，己逐步退出工业应用。规模应用的陶瓷膜，通常采用多通道构形，即在一圆截面上分布着多个通道，一般通道数为7，19和37。无机陶瓷膜的主要制备技术有:采用固态粒子烧结法制备载体及微滤膜，采用溶胶－凝胶法制各超滤膜:采用分相法制备玻璃膜:采用专门技术(如化学气相沉积、无电镀等)制备微孔膜或致密膜。其基本理论涉及材料学科的胶体与表面化学、材料化学、固态离子学、材料加工等。
从发展趋势米看，陶瓷膜制备技术的发展主要在以下2方面:一是在多孔膜研究方而，进一步完善己商品化的无机超滤和微滤膜，发展具有分子筛分功能的纳滤膜、气体分离膜和渗透汽化膜:二是在致密膜研究中，超薄金属及其合金膜及具有离子混合传导能力的固体电解质膜是研究的热点。己经商品化的多孔膜主要是超滤和微滤膜，其制备方法以粒子烧结法和溶胶－凝胶法为主。前者主要用于制各微孔滤膜，应用广泛的商品化A1203膜即是由粒子烧结法制备的。
2 陶瓷膜的广泛应用
2.1提纯用陶瓷过滤膜
2004年8月，由北京迈胜普技术有限公司与山东鲁抗医药有限公司研制的陶瓷膜过滤系统用于某种抗生素的分离提纯获得成功，这不仅优化了此种抗生素的生产工艺，而目使抗生素收率提高15%，这是我国首次将陶瓷膜技术运用于抗生素生产。抗生素的分离提纯，必须经过对发酵液的过滤和对滤出的药液进行树脂交换。目前，许多抗生素生产企业对氨基糖苷类抗生素发酵液的分离提纯均采用真空转鼓过滤器，这种工艺需先将发酵液酸化调至一定的pH值，然后用敷设助滤剂层的真空转鼓过滤器进行预过滤，再用板框进行复滤及树脂交换。采用这种工艺不仅过程繁琐，而目有效成分收率低，仅过滤和树脂交换过程的收率损失达30%。而运用“迈胜普”与“鲁抗”共同研制的陶瓷膜过滤系统分离提纯某种抗生素，却能使有效成分在过滤过程的收失损提高近5％，在树脂交换过程中的收率提高10%以上。
当前，西方发达国家在食品工业、石化工业、环境保护、生化制药等许多领域对膜技术的应用越来越广泛，而用无机材料制成的过滤膜(陶瓷膜就是一种无机过滤膜)的发展前景有可能比有机过滤膜更好。对于面临抗生素政策性降价和抗菌药限售双重压力的国内众多抗生素生产企业而言，通过创新工艺提高产品收率和质量不失为降低成本的明智选择，而以陶瓷膜技术改进现行抗生素分离提纯工艺有可能成为降成本、提高效益的突破口。
2.2 镀陶瓷包装膜
在食品包装领域，近年越来越引人注目的是具有高功能性和良好环保适应性的透明镀陶瓷膜。这种膜尽管目前价格较高，物理性能还有待进一步改进，但可预期在不远的将来它将在食品包装材料中占据重要的地位。陶瓷膜的加工镀膜方法与通常的镀金属方法相似，基本上按我们己知的加工法进行。镀陶瓷膜由PET(12μm)陶瓷(Si0x)组成。氧化硅能分成4类，即Si0，Si304，Si203，Si02。然而，在自然界它们通常以Si02形式存在，因此根据镀金属条件，它们的变化很大。对这种膜的主要要求是具有良好的透明度、极佳的阻隔性、优良的耐蒸煮性、较好的可透过微波性与良好的环境保护性以及良好的机械性能。 转贴于
镀陶瓷膜基本上可以用制作镀铝膜一样的条件制取，在制取过程中，仔细处理表面层，不使镀层受到损伤是极其重要的。由于这种膜是由氧化硅处理的，表面具有极好的润湿性，因此，它在油墨或粘合剂的选择范围上比较广，几乎与任何油墨或粘合剂都能亲和。聚氨酯类粘合剂是最可取的粘合剂，而油墨可以按用途任意选择，不用进行表面处理。然而，镀陶瓷膜你像镀铝膜那样容易向聚乙烯复合，因为PET膜作为基材料，当其氧化硅表而直接熔融聚乙烯高温涂布或复合时，易趋向于伸长，从而破坏氧化硅表面层，导致阻隔性下降。同时，在目前条件下，由于技术工艺上的问题，PET膜在镀陶瓷过程中有时会发生卷曲，从而影响膜的质量。当然，这类问题正得到解决。
镀陶瓷膜首先用作细条实心面的调味品包装材料。其优良的包装性能引起了人们的注意。由于这种膜保味性极佳，因此，尤其适合于包装易升华产品，如茶(樟脑)之类的易挥发材质。由于其极好的阻隔性，除了作为高阻隔性包装材料和作食品包装材料用外、预计还可用在微波容器上作为盖材，在调味品、精密机械零配件、电子零件、药物和医药仪器等方而作为包装材料。随着加工技术的进一步发展，如果这种膜在成本上大幅下降，那么它将得到迅速推广和应用。
2.3 燃料电池陶瓷膜
我国" 863”计划固体氧化物燃料电池(SOFC)项目经过对新型中温固体氧化物陶瓷膜燃料电池的长期研制，把陶瓷膜制备技术开拓应用于SOFC的制作，把通常SOFC的高温(1000－900℃ )拓延到中温阶段(700－500℃ )。目前中国科技大学无机膜研究所己经研制成功的新型中温陶瓷膜燃料电池，是一种以陶瓷膜作为电解质的燃料电池。电池部件薄膜化以后，降低了电池的内阻，提高了有用功率的输出，不需要高温的条件下实现了中温化，操作温度降到700－500℃。这种新型燃料电池继承了高温SOFC的优点，同时降低了成本。此类陶瓷膜燃料电池具有广阔的应用前景。
2.4琥珀陶瓷隔热膜
2004年8月，基于金属膜对无线电信号的干扰和容易氧化等缺点，我国韶华科技公司携手德国某著名工业研究机构共同开发融入纳米蜂窝陶瓷技术，并将韶华科技独有的真空溅射技术用于陶瓷隔热膜的生产上，创造了独一无二的琥珀陶瓷隔热膜，解决了金属膜无法逾越的技术问题:对无线电信号无任何干扰，特别是卫星的短波信号，绝不氧化，因为陶瓷超乎寻常的稳定性，从而保证隔热性能始终如一:永不褪色，陶瓷隔热膜采用陶瓷固有的颜色，不添加任何颜料，囚此，陶瓷隔热膜绝不会像染色金属会发生褪色现象:超级耐用，陶瓷隔热膜保质期为10年，金属膜一般为5年:经典美感，象琉泊一样的晶莹剔透的美感，色泽柔和，拥有最舒适的视觉效果。琥珀纳米陶瓷隔热膜最先应用于美国的航天飞机和国际空间站，而后广泛应用于汽车、建筑、海事等各个领域。由于技术敏感，直到2003年该产品才在中国销售。
3 陶瓷膜产业发展概况
陶瓷膜的研究始于20世纪40年代，其发展可分为3个阶段:用于铀的同位素分离的核工业时期，于20世纪80年代建成了膜面积达400万平方米的陶瓷膜的富集256UF6工厂，以无机微滤膜和超滤膜为主的液体分离时期和以膜催化反应为核心的全面发展的时期。
篇6
淮北中润历时近7年、投入近2亿元研发成功的纤维素生物质同步水解技术，可同步将植物中所有的有机组分全部转化为小分子有机物。该技术不仅在全球率先实现了木质素的彻底水解，同时，反应具备很高的选择性。同步水解产物只有两种有机物：小分子芳烃和小分子有机酸。
小分子芳烃用途广、用量大，例如甲苯、对二甲苯、间三甲苯、均四甲苯等，当前基本来自石油。
同步水解得到的小分子有机酸产物，以乳酸为主，乙醇酸和甲酸为辅，还有少量其他有机酸。乳酸和乙醇酸是制备生物降解塑料的主要单体，甲酸是氢气的载体。“863”验收成果显示，1吨植物水解可以得到1吨的有机物，其中小分子芳烃的产量超过20%，最高可超过30%，乳酸的产率约为35%，乙醇酸约10%，甲酸约10%。
以植物为原料生产甲苯类产物，对比石化精炼工艺的生产流程，淮北中润同步水解精炼技术生产流程步骤更少。即当两者都达到优化状态时，植物原料的甲苯类产物生产成本有望低于石化路线。
当前全球的植物精炼技术处于第一代技术的产业化和第二代技术的研发中试阶段。第一代技术使用可食用的糖、淀粉和动植物油脂为原料，制备化学品或液体燃料，其最大弊端是与人争粮；第二代技术以植物为原料，其主要缺点在于产品单一，有机物产率很低。一代和二代技术从本质上看，都不具备市场竞争能力，需要各国政府的补贴扶持。
2006年，国际科学家推测几十年后将出现第三代技术，即植物所有组分全部转化为产品，不需要组分分离，类似石油化工精炼生产工艺，植物中的聚合物以最低成本全部解聚为小分子有机物，且目标产品的选择性很高，可以同时制备液体运输燃料和化工产品，并且新工艺可以整合到现有的石化精炼生产工艺中。如今，这一推测被淮北中润生物能源技术开发有限公司提前实现。
篇7
须考虑代用燃料的发展问题.汽车使用醇类燃料作为石油的替代燃料,也许是一个解决能源消耗和尾气排放的手段之一.其中,丁醇是一种极具潜力的新型生物燃料,被称为第二代生物燃料,可以用来完全或者部分替代化石燃料,从而缓解石油危机.
1 丁醇性能的优缺点
丁醇可作为汽油的代用燃料.丁醇与其它普通醇类燃料如乙醇和甲醇相比,具有很多优点.丁醇的热值大约是汽油的83%,乙醇和甲醇的热值分别只有汽油的65%和48%,丁醇的热值比乙醇要高30％左右,因此相同质量的丁醇可比乙醇多输出约1／3的动力;丁醇的挥发性远低于乙醇,只有乙醇的1／6左右,丁醇的吸湿性远小于甲醇、乙醇和丙醇;这些低碳醇能与水完全互溶,而丁醇则具有适度的水溶性,丁醇的这一特性使它在纯化阶段降低了能源消耗;丁醇比乙醇的腐蚀性低,能够利用现有管道运输,同时由于比其它低碳醇具有相对较高的沸点和闪点,其安全性更高;此外,丁醇与汽油、柴油的互溶性较好,因此可以不必对现有的发动机结构作大的改动,而且可以使用体积分数几乎为100％的丁醇燃料.
尽管作为发动机燃料丁醇比其它低碳醇具有更多的优势,但将丁醇直接应用到发动机中仍然存在一些潜在的问题,例如:① 与发动机性能的匹配性.尽管丁醇与甲醇、乙醇相比具有更高的能量,但它的热值仍然比传统的汽油或柴油燃料低,因此,汽油或柴油发动机利用丁醇作为替代燃料需要增加燃油供给量.② 尽管甲醇、乙醇的密度比丁醇低,但它们较高的辛烷值允许发动机有更高的压缩比和燃烧效率,较高的燃烧效率减少了温室气体的排放量.③ 丁醇比乙醇、甲醇的黏度高,这使得丁醇应用在柴油发动机中不会产生燃油泵内不足和潜在的磨损问题.然而将丁醇应用于火花点火式发动机(简称SI发动机)时,较高的黏度将产生潜在的沉积或腐蚀等问题.
2 丁醇生产的发展过程
2.1 丁醇生产的历史
Wirtz在1852年发现正丁醇可以作为一种常规的燃料组成部分.十年之后,Pasteur于1862年通过试验得出结论,丁醇是厌氧转化乳酸和乳酸钙的直接产物.1876—1910年,许多学者研究了丙酮-丁醇的生产方法和有关的溶剂［1］.
通过ABE(丙酮、丁醇、乙醇)发酵法工业生产丁醇和丙酮始于1912—1916年,这是已知最早的工业发酵法之一,在生产规模上排名第二,仅次于通过酵母发酵法生产乙醇的规模,而且它是已知的最大型的生物技术工艺流程［2-3］.在发酵过程中主要有三类典型的产物:① 溶剂(丙酮、丁醇、乙醇);② 有机酸(乙酸、乳酸、丁酸);③ 气体(二氧化碳、氢).生物合成的丙酮、丁醇、乙醇共享相同的代谢途径,即从葡萄糖到乙酰辅酶A(acetylCoA),但随后的分支进入不同的途径.通过发酵法生产的丁醇皆是生物丁醇,自从19世纪60年代通过ABE发酵法生产丁醇的产量持续下降,几乎所有的丁醇都是通过石油化工方法生产的.发酵法生产丁醇的产量下降,主要是因为石油化工原料的价格比淀粉糖基如谷物、糖蜜的价格低,因此用石油燃料生产丁醇越来越受到欢迎,在这个阶段ABE发酵法被使用得越来越少.
19世纪80年代,石油危机促进了生物燃料的发展.那时人们最关注的代用燃料是乙醇,人们虽然熟悉乙醇的生产,但并没有认识到为了将乙醇与汽油混合,进行脱水这一非常消耗能源的步骤是必要的,同时也没有认识到运输乙醇-汽油燃料的困难性,因为乙醇-汽油燃料不能利用现有的管道运输,任何浓度的乙醇-汽油燃料都会对橡胶密封产生腐蚀和损害.尽管乙醇是一种能量等级较低的醇类物质,而且具有腐蚀性、难于提纯、易挥发、有爆炸危险性等缺点,但它较高的产量使得乙醇成为主要应用的生物燃料.过去的30年中,能源密集型的乙醇生产仍然不能满足人们对燃料、能源、清洁空气的需求.近年来,为了应对石油化工产品和污染治理成本的上升,且生产乙醇的技术、设备稍作调整就可以直接用于生产丁醇,因此,许多国家开始重新关注丁醇.
2.2 利用非粮食生物质提高丁醇生产能力
生物丁醇可通过发酵法利用淀粉或糖类制取,然而,由于成本高、产量相对较低、发酵时间长等原因,使得用ABE发酵法生产丁醇无法在工业规模上与采用合成法生产丁醇进行竞争.随着人们对丁醇这一代用燃料越来越关注,许多公司纷纷研究新方法代替传统ABE发酵法,从而使生物丁醇的生产可达到工业规模.基于生物化学转换非粮食木质纤维素的第二代生物丁醇生产相比现有的能源密集型生物丁醇生产具有一些潜在优势.
有研究表明,改良菌株具有更高的利用淀粉的能力,同时能在发酵培养液中积累较高浓度的丁醇(17～21 g•L-1)［2］.除了使用玉米,丙酮-丁醇生产还使用了液化玉米粉和玉米浆,60 g•L-1的液化玉米粉和玉米浆产生约26 g•L-1的溶剂.由于发酵酶作用物的成本对丁醇价格影响最大,利用其它可再生能源和经济上可行的基材例如淀粉基包装材料、玉米纤维水解物、大豆蜜糖、水果加工工业废料等进行丁醇发酵,从这些替代性可再生资源中生产的溶剂总量为14.8~30.1 g•L-1［3］.在关于多糖的研究中,其焦点是纤维素和半纤维素,它们是地球上最丰富的可再生利用资源.大量糖类已用于生产丁醇,使用改良菌株进行分批发酵,可以提高丁醇的产量.
小麦麸是小麦制粉工业的副产品,主要包括半纤维素、淀粉和蛋白质.经稀硫酸水解的小麦麸皮水解产物中含有53.1 g•L-1的总还原糖、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］.一种工业酶作用物液化玉米淀粉(LCS)已经被成功用于ABE生产,分批发酵LCS(60 g•L-1)过程中产生18.4 g•L-1的ABE产品,与葡萄糖相当.如果向分批发酵反应器放入糖化的液化玉米淀粉(SLCS),通过气体剥离重新获得ABE,此法可以得到81.3 g•L-1的ABE［5］.
同时,随着丁醇制备技术的不断成熟,丁醇的生产成本也逐渐下降.美国ButylFuel公司的成果表明,使 用微生物发酵法可以由1 L玉米制备0.27 L丁醇,其成本仅为0.317美元•L-1,远低于利用石油化工方法制备丁醇的成本1.350美元•L-1.而如果使用饲料等废弃物代替玉米,此生产成本可进一步下降［6］.
3 丁醇作为生物燃料应用的进展
如前所述,丁醇和其它低碳醇相比具有许多优势,并且大量新技术的使用也可提高丁醇的产量.另外许多因素都促进了生物燃料的发展,例如不确定的石油价格、温室气体排放、提高能源安全和能源多样性的需要等.目前很多研究团队已将丁醇作为一种替代生物燃料进行研究,将丁醇与汽油或柴油混合应用在发动机上，或应用在一些基本的燃烧反应器中.
3.1 丁醇的基础燃烧试验
在丁醇的基础燃烧试验中,研究人员测量了层流层的燃烧速度,同时还研究了在预混和燃烧或扩散燃烧中形成的中间物质.利用这些试验数据开发了丁醇的化学反应动力学模型.这些预测模型可以提供对丁醇燃烧特性更好的理解,并可以解释通过石油衍生原料和其它生物原料获取的丁醇在燃烧特性方面的差异.Sarathy等［7］的试验结果表明,丁醇的层流燃烧速度在当量比介于0.8和1.1之间时增加,相对应的最大燃烧速度为47.7 cm•s-1,随后在达到较高的当量比时燃烧速度下降.
一个早期的关于静态反应器的研究指出,丁醇的热解是通过C3H7－CH2OH键的裂变开始的,产生了正丙基自由基和羟甲基自由基.羟甲基自由基进一步分解为甲醛和氢自由基,而正丙基自由基分解为乙烯和甲基自由基［8］.有学者研究了丁醇的燃烧速度,因为燃烧速度是决定传播和稳定预混火焰的关键参数之一.Roberts使用火焰锥的阴影图像测量了丁醇的燃烧速度,结果表明,丁醇的最大燃烧速度和正丙醇、异戊醇是类似的,约为46 cm•s-1［9］.
3.2 在可变操作参数单缸发动机（CFR发动机）中使用丁醇作为混合燃料的研究
Yacoub等［10］多次进行了关于应用直链醇C1－C5(甲醇-正戊醇)与汽油混合使用在CFR发动机上的研究,试验条件为:空气和燃料按化学计量比混合,转速为1 000 r•min-1.对发动机的工作条件进行了优化,使混合燃料中氧的质量分数分别为2.5%和5.0%,相应丁醇的体积分数分别为11%和22%.研究结果表明:丁醇比无铅汽油容易产生燃烧爆震,所有醇-汽油混合燃料的试验均显示CO排放减少,总的HC排放也减少.尽管如此,所有混合燃料与汽油相比未燃烧醇排放较高,醇含量越高未燃烧醇的含量也越高;所有混合燃料的醛排放较高,甲醛是主要成分;NOx排放可能增加也可能降低,取决于不同的操作条件.
Gautam等［11-12］在900 r•min-1、空气和燃料为化学计量比的试验条件下,使用6种醇-汽油混合燃料在 CFR发动机上进行试验,每种混合燃料由体积比为9∶1的汽油和醇组成,混合用的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇.试验结果表明,混合燃料中氧含量越高,抗爆震性能越高,火焰速度越快.在最大功率工况条件下,排放试验结果表明,醇-汽油混合燃料比纯汽油的排放明显降低,CO排放降低16%~20%,CO2排放降低18%~23%,NOx排放降低5%~11%,总的HC排放降低17%~23%.这是因为混合燃料有更好的抗爆震性能,允许更高的压缩比,从而提高发动机的输出能量.醇-汽油混合燃料与纯汽油相比,循环燃料消耗量高3%~5%,但比油耗低15%~19% .
Szwaja等［13］在一台单缸CFR发动机上通过改变点火提前角研究了丁醇的燃烧特性,丁醇的体积分数为0%~100%,压缩比为8~10,转速为900 r•min-1,空气和燃料为化学计量比.试验结果表明,最高峰值压力随丁醇体积分数的增加而提高.因此,混合燃料最佳点火正时应延迟.通过试验,研究人员从燃烧、能量密度以及理化性能等角度证明了丁醇可代替汽油作为纯燃料或燃料混合物.
3.3 在SI发动机中使用丁醇作为混合燃料的研究
目前关于SI发动机中使用丁醇的研究非常广泛,但关于丁醇-汽油混合燃料燃烧和丁醇燃料发动机的研究还很少.几乎所有关于丁醇-汽油混合燃料的研究都集中在不同运行工况下对发动机的性能评价、燃料消耗量和排放物方面.研究表明,与纯汽油相比,在保证发动机性能不变的条件下,向汽油中添加体积为20%~40%的丁醇能使发动机在更稀的混合气状态下工作.丁醇体积分数为20%~40%的丁醇-汽油混合燃料未燃HC排放与无铅汽油类似,但随着丁醇体积分数的增加,未燃HC排放也会增加.丁醇体积分数为20%的丁醇-汽油混合燃料与纯汽油相比,NOx排放物降低到较低的水平.随着丁醇体积分数的提高,燃油消耗率轻微增加,这与混合燃料的热值下降有关.例如,丁醇体积分数为40%的丁醇-汽油混合燃料比汽油的热值低10%,燃油消耗率增加10%［14］.
研究人员研究了基于不同混合比的丁醇-汽油混合燃料的汽油发动机的性能,结果显示:丁醇是一种非常有前景的代用燃料,在节能方面具有很大的潜力;丁醇可降低14%的制动燃油消耗率并减少排放［15］.
Dernotte等［15］研究了丁醇-汽油混合燃料的燃烧和排放特性,结果表明,BU40(丁醇体积分数为40%)的HC排放达到最低值,除了BU80(丁醇体积分数为80%),NOx排放没有明显变化.通过指示平均有效压力(IMEP)的变化发现加入正丁醇提高了燃烧的稳定性,同时减少了点火延迟.
Wallner等［16］用一台四缸直喷SI发动机研究了纯汽油、E10(乙醇体积分数为10%的乙醇汽油)和BU10(丁醇体积分数为10%)的燃烧和排放性能,发动机转速从1 000~4 000 r•min-1,负载从0 Nm升至150 Nm.结果显示,BU10燃烧速度比E10和纯汽油的高,三种燃料的燃烧稳定性没有明显不同,在发动机整个工作范围内IMEP小于3%.相比于E10,BU10和纯汽油在高负载时更容易爆震.相比于纯汽油,BU10的油耗大约增加3.4%,E10的油耗大约增加4.2%,而三种燃料的制动热效率非常类似.在纯汽油和两种混合燃料之间,CO和HC排放没有显著的差异,NOx排放BU10最低.由于丁醇的辛烷值低,在高负载的条件下需要推迟点火时间.根据试验结果,BU10代替E10能够改善燃油经济性并且保证排放性和燃烧稳定性不下降.
目前国外关于丁醇的研究热点之一是丁醇的低温燃烧特性.Oliver等［17］给出了丁醇两种同分异构体在低温(550~700 K)条件下的燃烧氧化反 应路径.Subram［18］通过试验和仿真给出了正丁醇在750~850 K下详细化学反应动力学机理,几乎100%的燃料消耗是通过脱氢反应完成的,其中62%的原始燃料转化成乙醛等物质,其它38%转化成C3H7CHO等物质.
4 结 论
丁醇、丁醇-汽油混合燃料的燃烧持续期与汽油相当,混合燃料与汽油相比减少了点火延迟.当使用正丁醇-汽油混合燃料时,由于燃烧加快,为了获得最大输出转矩,需要延迟火花点火正时.通过测算IMEP,正丁醇、正丁醇-汽油混合燃料的燃烧稳定性并没有明显变化.
截至目前,研究使用的发动机有CFR发动机、光学引擎发动机、单缸或多缸发动机.其中一些发动机使用了涡轮增压、可变气门、直喷等先进技术.从现有的研究中可以总结如下:
(1) 丁醇在混合燃料中体积分数小于20%时,不需要调整发动机就可以获得和汽油燃料相同的发动机功率;当丁醇体积分数达到30%时,发动机最大功率开始下降;随着丁醇体积分数的增加,燃料消耗量增加。这是由于和汽油相比,混合燃料的能量密度降低.丁醇-汽油混合燃料和乙醇-汽油混合燃料相比热值高,试验中燃料消耗量低.
(2) CO、HC、NOx排放的减少或增加取决于具体的发动机(如点喷或直喷)、操作条件、丁醇-汽油的混合比等.混合燃料与纯汽油相比,未燃烧醇的排放增加,而且丁醇的占比越高,未燃烧醇的排放越高.混合燃料的排放物中醛类物质较高,其中甲醛是主要成份.和乙醇、醇汽油相比,随着丁醇体积分数的增加,苯类物质排放增加,因此直喷点燃式发动机燃烧丁醇-汽油混合燃料会排放较多的碳烟.
参考文献:
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篇8
【关键词】氢能;新能源 必然性 氢能源的优劣势
一、氢能源
（一）氢能源简介
氢能是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采、几乎完全依靠化石燃料。随着石化燃料耗量的日益增加，其储量日益减少，终有一天这些资源将要枯竭，这就迫切需要寻找一种不依赖化石燃料的储量丰富的新的含能体能源。氢正是这样一种在常规能源危机的出现和开发新的二次能源的同时，人们期待的新的二次能源。氢位于元素周期表之首，原子序数为1，常温常压下为气态，超低温高压下为液态。作为一种理想的新的合能体能源，它具有以下特点：
l、重量最轻的元素。标准状态下，密度为 0.8999g/l，-252.7℃时可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢可变为金属氢。
2、导热性最好的气体，比大多数气体的导热系数高出10倍。
3、自然界存在最普遍的元素。据估计它构成了宇宙质量的 75%，除空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大9000倍。
4、除核燃料外氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为142，351kJ/kg，是汽油发热值的3倍。
5、燃烧性能好，点燃快，与空气混合时有广泛的可燃范围，而且燃点高，燃烧速度快。
6、无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁滁生成水和少量氮化氢外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，且燃烧生成的水还可继续制氢，反复循环使用。产物水无腐蚀性，对设备无损。
7、利用形式多。既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。
8、可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。
9、氢可以减轻燃料自重，可以增加运载工具有效载荷，这样可以降低运输成本从全程效益考虑社会总效益优于其他能源。
由以上特点可以看出氢是一种理想的新的能源。目前液氢已广泛用作航天动力的燃料，但是在实际的应用中氢的存储与运输，以及利用太阳能分解水制取氢，一直是制约氢能发展的问题。
二、我国发展氢能源的优劣势分析
中国对氢能的研究与发展可以追溯到60年代初，中国科学家为发展本国的航天事业，对作为火箭燃料的液氢的生产，H2/O2。燃料电池的研制与开发进行了大量而有效的工作。将氢作为能源载体和新的能源系统进行开发，是70年代的事。多年来，我国氢能领域的专家和科学工作者在国家经费支持不多的困难条件下，在制氢、储氢和氢能利用等方面取得了不少进展和成绩。氢作为能源利用应包括以下三个方面：利用氢和氧化剂发生反应放出的热能，利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能及利用氢的热核反应释放出的核能。 我国早已试验成功的氢弹就是利用了氢的热核反应释放出的核能，是氢能的一种特殊应用。我国航天领域使用的以液氢为燃料的液体火箭，是氢作为燃料能源的典型例子。
目前，获得大量单质氢的唯一途径是依靠人工从天然气、石油、煤炭、生物质能及其它富氢有机物等中制取。氢的最大来源是水，特别是海水，根据计算9吨水可以生产出1吨氢（及8吨氧），氢气燃烧热是28900千卡/公斤，而且氢与氧的燃烧产物就是水，因而，水可以再生。由此可见，以水为原料制氢，可使氢的制取和利用实现良性循环，取之不尽，用之不竭。据估计，我国水能源理论稳定蕴藏量为7亿KW，而开发量为4亿KW，开发成功后，每年可节约大量煤炭，减排大量二氧化硫。工业副产氢也是向燃料电池提供燃料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标14'108m;在氯碱工业中有87'106 m的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂及丁醇溶剂厂等生产过程中都有大量氢可回收。上述各类工业副产氢的可回收总量，估计可达15亿立方米以上。
可见，我国氢的来源极为丰富，技术水平也有了一定的基础，水电解制氢、生物质气化制氢等制氢方法，现已形成规模。其中低价电电解水制氢方法在今后仍将是氢能规模制备的主要方法。另外，用氢代替煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即可使用，这可以降低氢能应用成本。由此，我国发展氢能源优势可见一斑。任何事物的发展都具有两面性。在看到优势的同时，我们也要看到它所面临的困难。大量廉价氢的生产是实现氢能利用的根本。目前，廉价的制氢技术和安全可靠的贮氢和输氢方法是两大核心问题。获取氢需要消耗大量的电能将氢和氧进行分离（制备1升液氢约需消耗电能3kwh）;而直接从天然气中获取氢，需耗汽油，每公里要排放约16克二氧化碳（普通汽油车每公里排放260克二氧化碳），能耗过高。就环境保护和市场需求而言，洁净和成本是二个关键参数，光有洁净而成本过高就没有市场，很难推广。因此，要实施这一战略，就必须有目的地降低成本。每百公里所加注氢的价格与汽油价格要尽可能接近，否则该技术只能永远停留在实验室或样车阶段。当然，氢能的使用还有其他方面的问题，如作为基础设施的氢加注站。
结语：目前，世界各国正在研究如何能大量而廉价的生产氢。利用太阳能来分解水是一个主要研究方向，在光的作用下将水分解成氢气和氧气，关键在于找到一种合适的催化剂。近日，世界首列氢能源有轨电车在南车青岛四方机车车辆股份有限公司竣工下线，正式投用于山东首条有轨电车示范线――城阳有轨电车示范线上。据悉，该车的下线面市，填补了氢能源在全球有轨电车领域应用的空白，也使我国成为世界上第一个掌握氢能源有轨电车技术的国家。发展氢能源，将为建立一个美好、无污染的新世界迈出重要一步。
参考文献
[1]氢能源研究现状――《化学时刊》22卷10期（2008、10）。
2、王艳辉、吴迪镛、迟键：氢能及制氢的应用技术现状及发展趋势。
篇9
关键词：微藻 污水净化 生物柴油
引言
在化石燃料日益枯竭、环境污染逐渐威胁人类生存的今天，清洁的可再生能源开发成为各国研究的重点。生物质能是绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量，它是世界各国都在重点研究开发的可再生能源之一。生物柴油作为较成功的替代型燃油，目前在世界各国得到了大力发展，已成为国际上发展最快、应用最广的环保型可再生能源。然而，制约生物柴油产业化生产的主要问题是成本高，据统计生物质柴油制备成本中75％是原料成本。因此，寻求充足而廉价的原料供应及提高转化率从而降低生产成本是生物质柴油能否实用化的关键。微藻作为最低等的、自养的放氧植物，种类繁多、分布广泛。研究发现，部分微藻中含有相当可观的油脂类物质，可以直接提取微藻油，可用来生产生物柴油。与其他油料作物相比，利用微藻培养生产生物柴油占地面积最小，还可利用滩涂地、荒废地等非耕地，不会对粮食作物的生产造成威胁。因此，利用污水培养能源微藻，在净化水质的同时实现清洁能源生产，缓解人类面临的水资源短缺和环境污染问题具有重要的现实意义。
1
微藻生物柴油研究现状
1.1 国外微藻生物柴油研究现状
世界上以发展生物柴油产业为目的进行大规模利用微藻制取生物柴油的研究始于20世纪70年代末。1978年，美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)启动了利用微藻生产生物柴油的水生生物种计划项目(Aquatic Spices Program，简称ASP项目)，进行从微藻筛选、微藻生化机理分析、工程微藻制备到中试研究。该项目持续到1996年，研究人员经过多年的研究，从美国西部地区和夏威夷采集、分离到了3000株微藻，并从中筛选出300余株具备潜力的产油藻种，对其中生长速度快、油含量高的微藻，进行了中试放大，获得工程微藻，含油量达到40％～60％。从1990年～2000年，日本国际贸易和工业部启动了“地球研究更新技术计划”的项目，利用微藻进行二氧化碳生物固定，并着力开发密闭光合生物反应器技术，通过微藻吸收火力发电厂烟气中的二氧化碳来生产生物质能源，筛选出多株耐受高二氧化碳浓度、生长速度快、能形成高细胞密度的藻种，建立了光合生物反应器的技术平台以及微藻生物质能源开发的技术方案，提出了利用绿藻将二氧化碳转化为石油的设想。
进入21世纪，石油价格的大幅上扬极大的刺激了微藻生物柴油技术的研究。2006年，美国绿色能源科技公司在亚利桑那州建立了可与1040兆瓦电厂烟道气相联接的商业化系统，成功地利用烟道气的二氧化碳，大规模利用光合成培养微藻，并将微藻转化为生物柴油，其产率达到5000～10000加仑／年・英亩。2007年，由美国能源部圣地亚国家实验室联合美国国内多家实验室宣布了由国家能源局支持的“微型曼哈顿计划”，计划在2010年实现微藻制备生物柴油的工业化。同年，Shell公司与美国从事生物燃料业务的HRBiopetroleum公司组建Cellena合资公司，投资70亿美元开展微藻生物柴油技术的研究。美国第二大石油公司Chevron与美国能源部可再生能源实验室协作研究微藻生物柴油技术。美国PetroSunDrilling公司不断完善其开放池系统，计划到2010年达到年产生物柴油500万吨。美国能源局计划在各项技术全面进展的前提下，将微藻产油的成本于2015年降至2～3美元／加仑。2007年，荷兰AlgaeLink公司成功开发出了新型微藻光生物反应器系统。
1.2 国内微藻生物柴油研究现状
随着生物柴油开发的兴起，我国一些科研机构及企业也开始关注产油微藻的研究和开发，在利用微藻制备生物燃料的研究上也取得了很大进展。2004年，清华大学生物技术研究所缪晓玲教授利用异养生长(利用外加的葡萄糖生长)的产油小球藻进行了密闭培养、提油和生物柴油加工研究，在技术上证明是可行的。通过异养转化细胞工程技术获得了高脂含量的异养小球藻细胞，其脂含量高达细胞干重的55％(质量分数)，是自养藻细胞的4倍，并利用酸催化醋交换技术一步得到符合ASTM的相关标准的生物柴油。清华大学还开发了微藻异养发酵生产生物柴油技术。通过细胞控制技术获得异养小球藻，其细胞中油脂类化合物大量增加，蛋白质含量下降。实验室研究结果表明与常规制备技术相比，成本下降5～8倍，油脂质量分数达99％以上。
中国科学院所属相关单位承担过多项国家及省部级微藻育种和生产的研究，培养了一支经验丰富的微藻生物技术研发队伍。在产油微藻的研究方面，目前已有水生生物所、武汉植物园、过程工程研究所、南海海洋所、青岛海洋所等单位开展了选种、育种、大量培养、收集和提油等研究，并积极开展与我国大型石油化工企业的合作，试图开辟适合我国国情的微藻生物柴油产业化道路。目前微藻生物柴油生产正由实验室转向小规模工厂化生产。中国水产科学研究院、中科院海洋研究所等单位于2005年以来，经过2年来的努力，建立了化学法和脂肪酶法生产生物柴油关键技术与工艺路线，生物柴油的纯度达到98％以上，并对海藻油脂的制备进行了研究。此外，山东海洋工程研究院、抚顺石化研究院均已开展微藻利用的探索，在微藻筛选和培育方面进行了深入研究，目前都已取得一定的成果。闵恩泽院士近年来进人绿色化学领域，积极倡导开展微藻生物质燃料的研究，2009年，中石化与中科院的合作项目“微藻生物柴油成套技术”正式启动。阂恩泽院士指出：从微藻转化为生物柴油的过程中，微藻是基础，光反应器是转化关键，要自始至终加强战略研究。中国科学院与中国石化合作开发的微藻生物柴油技术，近期内将要完成小试研究，预计到2015年前后将要实现户外中试装置研发，远期计划将要建设万吨级工业示范装置。
2 利用污水大规模培养微藻生产生物柴油关键技术和方法
2.1 关键技术环节及流程
利用污水大规模培养微藻生产生物柴油技术是一个复杂的系统工程，主要包括能源微藻的筛选与培养技术、藻细胞富集分离与采收技术、藻细胞破碎与油脂提取技术和微藻油脂生物柴油转化技术等四个关键技术环节。
其技术流程如下图所示：
2.2藻株分离与纯化
培养微藻，首先要从天然水体中分离出所需要的“单种”或“克隆”，研究人员根据各自的经验和习惯，创造了各式各样的藻种分离、筛选的方法，最常用的方法有微吸管分离法、水滴分离法、微细吸管法、固体培养基分离法、样品系列稀释法等。
2.2.1微细吸管法
原理：在无菌操作条件下，用极细的微吸管，在显微镜下把目标藻样从一个玻片移到另一个玻片，采用同样的方法反复操作，直到镜检水滴中只有目标单种为止。微吸管分离法容易找到特定的藻种，设备比较简单，但操作技术难度较大，适于分离个体较大或丝状的藻类，如螺旋藻、骨条藻等。
操作过程：在微吸管的顶端套一条长约8cm的医用乳胶管，分离操作时，用手指压紧乳胶管以控制吸取动作。将分离的水样置于载玻片上，在显微镜下把微吸管口对准要分离的藻细胞，放松手指，藻细胞被吸入微吸管；接着把吸出的水滴放在另一载玻片上，显微镜检查水滴中是否只吸到藻细胞，经过如此再反复操作，直至达到单种分离的目的。然后把分离出的藻细胞冲入预先装有培养液的试管内，放在适宜的光照下培养，试管有藻色后镜检，培养为单种的试管，其他不合格的弃掉。
2.2.2水滴分离法
原理：在无菌操作的条件下，把要分离的藻样用微吸管在玻片上滴成大小合适的小水滴，镜检水滴中只有一个要分离的单种，即可冲入试管培养。该分离法的关键是藻样稀释要适宜(稀释至每个水滴约有1―2藻细胞)，水滴大小适宜，以在低倍镜下能看到水滴全部或大部分为宜，并且观察要准确、迅速。
操作过程：用小烧杯装稀释的藻样，将微吸管插入藻样中，提取微吸管，让多余的藻液滴出，然后把管口与消毒过的载玻片接触，即有一个小水滴留在载玻片上。一个载玻片滴3―4滴，间隔一定距离，然后在显微镜下观察。若一个水滴中只有一个需要分离的藻细胞(无其他生物混杂)，即用移液管吸取培养液把该水滴冲入试管中，试管口塞上棉塞，放在适宜的条件下培养。
2.2.3平板分离法
平板分离法也就是固体培养基分离法，作为微藻分离用的固体培养基，是在常规的液体培养基中加入一定量的琼脂(1.0％-2.0％)，并且使其溶解和高温高压灭菌后，通过适当的方法，把要分离的藻样接种在培养基上，通过一定时间的培养，在培养基上长出单个的藻落而达到分离的目的。用琼脂做的固体培养基的分离方法并不适合所有的微藻，大多数的绿藻都可以在这种培养基上生长，从而达到单种分离的目的，但有的微藻在琼脂培养基上生长较差，甚至不能生长。固体培养基分离法工作较繁琐，工作量大，但分离单种成功的几率较高。
根据接种方法的不同又可分成划线法、喷雾法。划线法是把接种环在酒精灯上灭菌后，蘸取藻样轻轻在培养基平面上做第一次划线3-4条，把培养皿转动约70°角，并把接种环在酒精灯上灭菌，通过第一次划线区做第二次划线。用同样的方法做第三、第四次划线。由于第一次划线接种环上的藻细胞比较多，在第一划区藻细胞可能密集不能分离开，但通过后面的划线可能分离出单独的藻类群落。喷雾法是首先用把要分离的藻样进行适当的稀释，然后装入消毒过的医用喉头喷雾器中，打开培养皿盖，把藻样喷射到培养基平面上，使藻样在培养基表面上形成分散均匀的一层薄水珠。培养基上接种好之后，放在适宜的光照、温度下进行培养，经过一段时间的培养，在培养基上长出藻类群落，通过显微镜检查后，用纤细的解剖针把单个的目标藻落连同一小块培养基取出，移入装有培养液的试管中培养，待试管中有藻色后镜检，如无其他生物混杂，达到了单种分离的目的。
2.2微藻的规模化培养
2.2.1影响因素
微藻能源利用是以大量的微藻原料的获得为前提的。高密度、高效率、低成本、易放大的培养系统是微藻能源领域的研究重点之一。微藻生长受到非生物因素(包括营养、O2浓度、CO2浓度、光照、温度、pH、盐分、培养液中的有毒成分等)、生物因素(包括真菌、细菌、病毒、及其他生物等的污染)以及操作因素(包括搅拌产生的剪切力、收获方式等)的影响。因此，微藻培养系统的设计，需要充分考虑微藻的生长条件、气候条件(光照、温度、湿度等)、资源情况(土地、水等)、投资成本、运行成本等各种因素。
2.2.2培养方式
目前藻类培养主要包括自养和异养两种方式。微藻的自养培养系统大致可分为两种：即利用开放式户外池塘或封闭式光生物反应器。这两种培养方式的比较如表1所示。开放式户外池塘可以分为跑道式、圆池式和斜坡式等。封闭式光生物反应器包括柱式、管式、板式及一些其它特殊类型。循环跑道式户外池塘是当前微藻商业化养殖最主要的培养系统。
微藻异养培养，可采用传统的发酵装置进行培养，不需要光照，生长速度快，可缩短培养周期。但异养培养微藻不仅不能固定CO2，反而会排放出CO2，还需要外加有机碳源，培养成本高，失去了自养培养的优点，难以在实际生产中获得竞争优势。
2.3微藻的分离采收
微藻采收是微藻规模化培养和工业化应用的重要环节，然而，由于微藻及其培养液的特殊性，传统的固液分离技术都无法直接用于微藻采收。因此，国内外针对微藻的采收一般都先对藻液进行预处理，而后再进行富集分离。
2.3.1藻液预处理
篇10
关键词：生物柴油；发展现状；经济效益；环境危机；前景
柴油是国家战略物质，广泛用于工程机械、锅炉、船舶、军舰、交通等设备的柴油机燃料。2012年我国成品油表观消费量2.75亿吨，柴油消费量16947万吨。为此，国家每年要花大量的资金进口柴油和原油以满足日益增长的需求。生物能源是我国第三大能源，仅次于煤和石油，在全部能源消耗中约占15%，既可作为燃料用于发电，又能转化为“柴油”。生物能源转化为生物柴油，其主要原料来自植物油脂、动物油脂、酸化油、地沟油及各种油炸食品后的废弃动植物油脂。近年来，实验室研究的生物柴油生产技术非常多，而且针对各种不同的原料进行的工艺试验很多。从反应来讲，涉及物理法、化学催化、生物催化、超临界无催化剂的酯化/酯交换反应。
一 我国现阶段能源状况
能源危机是人类本世纪中叶即将面临的巨大挑战。石油是应用最为广泛的能源。国际上最新估算，地球上石油稳定供给不会超过20年，枯竭期仅为51年。中国是石油资源相对贫乏的国家，人均储量仅为世界的12%。随着国民经济的高速增长，我国的石油资源日趋紧缺，自1993年我国成为石油净进口国以来，原油进口数量逐年增加。 中国油气供需日益矛盾，2006年据国土资源部预计，中国石油开采年限为15年，远远低于世界51年的平均水平。2005年，中国的石油对外依存度达到43%，有关部门预计，到2020年中国石油需求量将高达4.5亿吨，其中2亿吨自产，2.5亿吨来自进口。尤其是近年国际油价大幅飙升，对中国经济的影响越来越大。 我国原油资源不足，加上国际油价一路飙升的问题严重制约我国的石化工业的发展，为此，我国积极采取措施，加大替代能源基础研究的技术开发的投入，实现能源多元化战略，减少对石油资源的过分依赖。近年来，生物燃料被认为是很有潜力的替代能源，其中生物柴油在技术先进性，技术成熟度，经济性，配套设施建设等方面具有极强的竞争力，是一种很有发展潜力的新能源。
二 前景分析
生物柴油于1988年诞生，由德国聂尔公司发明，它是以菜籽油为原料，经提炼而成的洁净燃油。其突出的环保性和可再生性，引起了世界发达国家，尤其是石油资源贫乏国家的高度重视。
1.国外生物柴油发展现状。美国是最早研究生物柴油的国家，自20世纪90年代初就开始将生物柴油投入商业性应用，美国1999年还专门签署了开发生物质能源的法令，生物柴油B20被列为重点发展的清洁能源之一。 美国2011年生物基产品占总产品量的比重约12%。
欧盟国家主要以油菜为原料，发展油菜作为生物柴油的原料已成规模。2004年，欧盟国家以低芥酸菜油为原料生产的生物柴油约160万吨，占欧盟国家同期生物柴油生产总量的80%，有效地缓解了柴油的紧缺局面。欧盟非常注重生物交通燃料，特别是生物柴油的发展。目前产量以年均33 %的幅度增长，生物柴油使用量在生物燃料中占75% 。2020年生物柴油的市场占有率能达到12% 。为刺激生柴油的发展。欧盟了一系列促进市场营销的指令，要求成员国降低生物柴油税率，德国、法国、意大利等都制定了对生物柴油减免税的优惠政策。欧盟同时对利用休耕地种植生物柴油料进行补贴，并制定、完善了相关质量标准。目前欧盟生物柴油总产达到2 000万t/a左右，保持着世界领先地位。
日本1995年开始研究生物柴油，尽管日本生物质资源匮乏，但在生物质利用技术研究方面所取得的专利已占世界的52% ，其中生物能源领域的专利占了81% 。
2.国内生物柴油发展前景。我国政府为解决能源节约、替代和绿色环保问题制定了一系列政策和措施。起步较晚，但发展速度很快，相关技术水平及标准体系已取得长足发展。柴油机燃料调合用生物柴油（BDlO0）生产标准正式颁布。国家政策鼓励生物质新型燃料的发展，2012年5月科技部出台了《生物质能源科技发展“十二五”重点专项规划》。
虽国内外经济不温不火，欧债危机间歇性发作打击全球投资者信心，进而影响实体经济复苏。2013年，我国乘用车市场仍将处于起飞期，潜在增速仍然高于GDP增速，预计为13%～14%，全年乘用车销量达到1480万辆。货车方面，2013年我国GDP增速将比2012年提高约0.2个百分点。预计2013年，我国成品油需求量为2.93亿吨，比上一年增长6%，其中汽油需求9350万吨，煤油2060万吨，柴油17830万吨。
我国生物柴油产业发展潜力巨大。到2020年，世界将有5O%的有机化学品和材料来自生物质原料。
三 有利于缓解我国环境危机
石油在人类社会现代化发展中发挥巨大作用的同时，也带来了严重的生态环境污染问题。资料显示，大气中70%的二氧化碳、80%的硫化物和70%的氮氧化物来自于化石燃料燃烧后的产物。2012年我国出现大面积长时间雾霾天气，严重影响着居民的出行以及身心健康。出于国家经济利益、战略安全和可持续发展的迫切需要，新型、清洁能源的开发与利用，一直是我国政府和世界各国都极为关注的重大战略问题。生物柴油与石化柴油相比有以下优点：十六烷值较高，含氧量高于石化柴油，可达11%，在燃烧过程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧、点火性能优于石化柴油；不含芳香族烃类成分而不具致癌性， 并不含硫、铅、卤素等有害物质；生物柴油的闪点较石化柴油高， 有利于安全运输、储存；不含石蜡，低温流动性好，适用区域广泛。 生物柴油是典型的“绿色能源”，生产生物柴油的能耗仅为石油柴油的25 % ，可显著减少燃烧污染排放；生物柴油无毒，生物降解率高达98 % ，降解速率是石油柴油的2倍；生产生物柴油适用的植物可以改善土壤，保护生态，减少水土流失；利用餐饮废油脂生产生物柴油，可以减少废油直接进人环境或重新进
入食用油系统，有较大的环境价值和社会价值。
四 生物柴油的经济效益
生物燃料行业在欧盟和美国发展较快，预计年生产量将增长到2020年占液体燃料约1O% 。同时，美国已设定增加生物燃料生产的目标，2012年约8O亿加仑/年，到2022年将达到约400亿加仑/年。包括乙醇和生物柴油在内的全球生物燃料市场到2015年将增长12.9 %，将达到价值615亿美元。
我国城市每年产生餐厨垃圾约2000万吨，可回收废油100多万吨，醇解转化率按80%计算，可生产生物柴油80万吨 。2012年增长到6000万吨每年，餐厨垃圾的热值大概是2100kj/kg，生物柴油的热值是38Mj/kg，生物柴油的总成本为5825元/吨。目前，生物柴油市场价格按6000元/吨计算 ，餐厨垃圾到生物柴油的转化率为4%，年产生物柴油经济效益为4200亿，折合标准煤的热值为3115800吨。
按国家再生能源中长期规划，产能是2O万吨/年。因需求与产量的反差，将会是形成产品供不应求的局面。到2020年我国实现生物能源占交通能源需要的15% ，也即7 200万t。
参考文献
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[2] 许家胜；阴翔宇；张杰.生物柴油制备新工艺的研究进展[ J] .可再生能源， 2010 ，（ 3）
[3] 金茜；姚春莹.新型能源替代品--生物柴油[J].高新技术.2007.16.15
[4] 张万权.生物柴油的制备和应用研究进展[J].新疆大学学报.2006.23.4.432～436
