生物燃料技术范文

生物燃料技术篇1

我国生物质资源(农作物秸秆)丰富，但利用率不高。为了高效利用生物质资源，本文就生物质成型燃料的加工技术与装备进行初步研究，以探讨综合利用生物质资源的技术途径。

一、影响生物质成型燃料加工装备性能的因素分析

1、生物质原料的来源与特点

我国是农业大国，农林废弃物资源十分丰富。我国每年总量约有7亿吨的农作物秸秆，另外，我国每年还有大量的林业采伐和林木制品加工厂产生的废弃物。如枝桠、小径木、板片、木屑等，总量也近1亿吨。生物质成型燃料。是以枝条、树皮、秸秆等农林剩余物为原料。这些原料具有来源广泛、分散、种类多、质地不统一等特点。决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须做到满足原料来源的广泛性、多样性和方便灵活性。

2、生物质成型燃料的特点要求与使用对象

生物质成型燃料是将生物质原料经过粉碎、调质等处理，在高压条件下，压缩成颗粒状且质地坚实的成型物，除应具有比重大、便于贮存和运输、着火易、燃烧性能好、热效率高(是直接燃烧的5倍以上)的优点外。还应具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO2、不会造成环境污染等优点。可作为工业锅炉、住宅区供热、农业暖房及户用炊事、取暖的燃料。成型燃料的这些特点。决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须在充分考虑生物质原料特点的基础上，保证生物质原料的粉碎细度达到成型的要求，燃料成型的密度、成型设备的有关模板、模孔、压辊等成型关键部件，在尽可能满足吨料加工能耗较少，加工关键设备使用寿命较长，加工的成型燃料性能具有较好的燃烧性能的要求下，应具有实用性、适应性和经济性。

3、生物质成型燃料加工技术与设备的国内外现状

成型燃料有颗粒状和棒状两大类。根据成型主要工艺特征的差别，国内外生产生物质压缩燃料的工艺大致可划分为湿压(冷压)成型、热压成型、碳化成型等3种。按成型加压的方法不同来区分，技术较为成熟、应用较多的成型燃料加工机有辊模挤压式(包括环模式和平模式)、活塞冲压式(包括机械式、液压式)、螺旋挤压式等三种机型，其中辊模挤压式成型机采用的是湿压(冷压)成型工艺，活塞冲压式、螺旋挤压式成型机都采用的是热压成型工艺。

国外开发工作始于20世纪40年代。1948年日本申报了利用木屑为原料采用螺旋挤压方法生产棒状成型燃料的第1个专利，60年代成立了成型燃料行业协会。70年代初，美国研究开发了环模挤压式颗粒成型机，并在国内形成大量生产。瑞士、瑞典、西欧等发达国家都先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成型机。其中已有120多年历史的世界著名饲料机械生产企业――德国卡尔公司(Kahl)生产的动辊式平模制粒机，不仅能生产中低密度的颗粒饲料，而且还能生产较优高密度的颗粒燃料，成品产量大、能耗低而且质量好，在欧洲和东南亚国家使用较为广泛。在最早开发螺旋挤压成型燃料生产技术的日本也有采用环模颗粒成型机加工木屑成型燃料的大型生产企业。如今，固化成型燃烧在日本、欧、美等地已经商品化，在丹麦的一座叫阿文多的发电厂，还利用木屑压缩颗粒来发电。1985年日本平均每户家庭消耗成型燃料达750kg。1985年美国生产成型燃料达200万t以上。

我国从20世纪80年代中期起开始了成型燃料的开发研究，一方面组织科技攻关，另一方面，引进国外先进机型。经消化、吸收，研制出各种类型的适合我国国情的生物质压缩成型机。用以生产棒状、块状或颗粒生物质成型燃料。全国现有生物质压缩成型厂35个。生物质成型燃料的种类按其密度分为中密度(800―1100Kg/m3)和高密度(1100―1400kg／m3)二种，前者适宜于家庭炉灶或小型锅炉用，也可满足自动炉排机械加料的大型锅炉用，后者更适于进一步加工成为炭化产品。

国内主要的几种成型燃料生产技术的现状分述如下：

1)螺旋挤压技术

螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常采用的技术，尤其是以机制炭为最终产品的用户，大都选用螺旋挤压成型机。

1990年中国林科院林产化学工业研究所与江苏省东海粮食机械厂合作，完成了国家“七五”攻关项目――木质棒状(螺旋挤压)成型机的开发研究工作，并建立了1000t／年棒状成型燃料生产线；1 993年前后，中国大陆的一部分企业和省农村能源办公室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺旋挤压式，以锯木屑为原料，生产“炭化”燃料。棒状成型燃料的形状为直径50*10-3m2左右、长度450*10-3m2左右，横截面为圆形或六角形，每根重约1Kg，用于蒸发量≤1000kg／h工业锅炉或民用炉灶。

国内现已有包括陕西武功县轻工机械厂、河南省巩义合英实业公司等在内的近十家厂家生产此种类型的设备。

螺旋挤压成型机的优点是：

①成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压成型机加工的成型棒料的密度都在1100～1400Kg／m3。

②成品质量好、热值高，更适合再加工成为炭化燃料。

螺旋挤压成型机的缺点是：

①产量低，目前国产设备的最高台时产量不到150Kg／h，距离规模化生产的产量要求相差较大。

②能耗高，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的吨料电耗就在90Kwh／t以上。

③易损件寿命短，国产设备主要工作部件――螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有不小的差距。

④原料要求苛刻。螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在220～280℃之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8～12％之间，所以对有的物料要进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点，对于移动式的成型燃料加工系统来说也许是一个致命伤，因为与旋挤压成型工艺相衔接还需有配套的烘干机。

2)活塞冲压技术

这种设备的优点是成型密度较大，允许物料水分高达20％左右，但因为是油缸往复运动，间歇成型，生产 率不高，产品质量不太稳定，不适宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨损，一般100h要修一次，有的含SO2少的生物质材料可维持300h。

另据报道，2003年，河南农业大学承担完成了科技部研究项目“秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究”，开发了HPB―m2型液压驱动式秸秆成型机，采用活塞套筒双向挤压间歇成型。生产率：400kg／h；吨料成型电耗：60Kwh／t左右。

另外北京三升集团研发了机械传动、活塞挤压成型技术，在工业化生产中密度饲料块的同时，还生产高密度(>900Kg／m3)的燃料块。

3)辊模挤压技术

生物质颗粒燃料的辊模挤压成型技术是在颗粒粒饲料生产技术基础上发展起来的。二者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和成型密度的高低。用辊模挤压式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压成型时所产生的摩擦热，即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽。一般在10％～40％之间均能成型。其最佳水份成型条件为18％左右，相比于螺旋挤压和活塞；中压而言，辊模挤压成型法对物料的适应性最好。因此。国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料，以提高设备的利用率。

以国内知名饲料机械生产企业――江苏正昌集团为代表的我国饲料机械业界，目前在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面，已积累了丰富的经验，某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒成型燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索，并取得了可喜的成绩。

4)环模挤压成型技术

1994～1998年，江苏正昌集团公司联合中国林科院林产化学工业研究所承担了国家林业局下达的项目“林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究”。该项目以江苏正昌集团公司生产的KYW32型环模式饲料颗粒成型机为基本结构，研究成功了以木屑和刨花粉为主要原料的颗粒燃料成型机，台时产量在250Kg／h左右，产品规格：直径6*10-3m2，长度为8-15*10-3m2，颗粒密度>1000Kg／m3，其热值为4800kcal／Kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒成型燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因，主要易损件环模在面对粗纤维物料时，暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高，成为环模式制粒机难以在生物质成型燃料领域大面积推广的重要原因。但是，该项目的开展，为我国今后在辊模挤压成型燃料技术的发展打下了良好的基础。

5)平模挤压成型技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因，以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入，国内能生产的最大平模直径只有400*10-3m2。2000年，我所承担了农业部引进国际先进农业科学技术项目(简称“948”项目)――秸秆颗粒饲料加工技术与设备的引进，在引进国际上著名的德国卡尔公司(Kahl)的38-780型大型平模式制粒机的基础上，结合我国实际，又进行了多处技术改进和创新。2003年12月，该项目通过了农业部“948”项目办公室的验收。

与其他生物质成型颗粒(块)加工技术相比。大型平模式制粒机的优点在于：

①原料适应性广。平模式制粒机压制室空间较大，可采用大直径压辊，因而能将诸如秸秆、干甜菜根、稻壳、木屑等体积粗大、纤维较长的原料强行压碎后压制成粒，对原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒机在压缩纤维性物料时，原料水分在15～25％(最佳18％左右)都能被压缩成型。大多数情况下，不需要对原料进行干煤。

②产量大。经江苏省农机鉴定站检测，SZLP-780型平模制粒机在以100％苜蓿草粉为原料时，产量可达2100kg／h。在此后进行的以木屑为原料的制粒试验时，当成型颗粒密度在1100Kg／m3时，产量达到1500Kg／h，是国内现有成型颗粒燃料加工设备所达到的最大产量。

③吨料耗电低。一方面，平模式制粒机由于压制室空间大、压辊直径大的原因，能将粒度相当大的原料制成颗粒，因而能克服环模挤压制粒机和螺旋式挤压机在这方面的局限，这就减少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，与环模制粒机相比，平模模孔带面积比值高，出料孔多。而且出料颗粒密度和大小比较一致。

④辊模寿命长。由于工作原理的差异，平模式制粒机压辊的线速度比环模式的低，因而辊、模的磨损比较慢。而且，平模在一侧面工作面磨损后可翻过来使用另一侧面，可以提高使用寿命。

⑤成型密度可调。压辊和压模之间的工作间隙和压力可通过液压式中央螺母调节装置使压辊同步升降，操作简单省时。既可生产中低密度的颗粒饲料，也可生产较高密度的颗粒燃料，一机多用。

但总体来看，目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足，距国际先进水平还有不小的差距。这一问题以成型机最为突出，表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。

4、生物质成型燃料加工技术与设备的发展趋势

进入二十一世纪以来，人们愈加感觉到石化能源渐趋枯竭，在对可持续发展、保护环境和循环经济的追求中，世界开始将目光聚焦到了可再生能源与材料， “生物质经济”已经浮出水面。以生物能源和化工产品生产为主的生物质产业正在兴起，引起了世界各国政府和科学家的关注。许多国家都制定了相应的计划，如日本的“阳光计划”，美国的“能源农场”，印度的“国家战略行动”等。2005年“可再生能源法”在我国正式颁布实施，所有这些。预示着各国在包括生物质成型燃料开发在内的生物质技术领域的竞争进入一个白热化时代。

虽说生物质产业是世界发展之大势和新兴的朝阳产业，但其当前成本与价格尚难与石油基产品竞争，这一点对于成型燃料来说，表现得尤其明显。因此，以降低储运成本和压缩成型成本为目的，寻求技术上的创新、突破，成为生物质成型燃料领域最大的命题。降低颗粒燃料的吨料能耗、降低设备的使用成本。也成为本“863”项目所追求的最大目标。

在生物质固化成型技术装备研究、开发方面，国内外的发展趋势是装备生产专业化、产品生产批量扩大化、生产装备系列化和标准化。尤其在国内应在设备实用性、系列化上下功夫。不断降低成本并提高技术水平，为21世纪大规模开发利用生物质能提供必要的技术储备。

5、生物质成型燃料加工技术与设备的先进性与性价比

生物质成型燃料加工技术与设备先进程度的高低必须与其性价比有机的结合起来综合考虑。单一讲究技术 和设备的先进性，不考虑技术的投入成本和市场的接受程度，不考虑技术和设备的性能与市场接受的价格合理之比，再先进的技术在市场上如得不到应用，也得不到用户的认可，这种技术起码可以说是不完全适用的技术。生物质成型燃料加工技术与装备的先进性主要体现在以下几方面：一是理想的吨料加工耗能量；二是适度的关键部件的使用寿命；三是良好的产品结构组成；四是合理的加工工艺路线等等。因此，在研究和设计生物质成型燃料加工技术和加工设备时，要在尽可能低的吨料耗能的前提下，使得产品的结构优化与合理，在产品得到较高的使用寿命的基础上，保证产品的价格尽可能适应市场的接受程度。使生物质成型燃料加工技术与装备的先进性与产品的性价比有机结合与统一，以利于推广应用。

二、生物质成型燃料加工装备技术方案技术特征

1、技术路线和技术方案

考虑到上述一些因素，我们在研究设计时充分借鉴利用现有技术成果，并在利用国产制粒机进行成型燃料加工试验的基础上，优化创新设计，采用新结构、新材料、新工艺，研发关键部件；其系统技术方案如下所述。

(1)技术方案分析

我们研究设计的技术方案及机组总体配置示意见以下附图：

本技术方案以秸秆等农林废弃物为原料，既可将多物料联合粉碎机、粉料输送组合装置、制粒机等有机集成组装在一台拖车上，形成一个可移动的颗粒燃料加工设备系统，又可将多物料联合粉碎机、粉料输送组合装置、制粒机等有机集成组装在一个固定场所进行加工。系统各部分的设计方案说明如下：

1)多物料一次粉碎机

适应的原料包括经自然风干的玉米秆、棉秆以及麦秆、稻草等，充分考虑到了移动式成型燃料加工系统对原料应具有广泛适应性的要求特点。采用搓揉装置和锤片粉碎、筛分装置的有机组合技术，对原料进行切段粉碎复合作业。粉碎后的粉料过筛后经风管直接输送到粉料暂贮箱中输送至制粒机中；人工只要把待粉碎的原料放到加料斗里即可，大大减轻了劳动强度，并改善了劳动条件。

2)粉料输送组合装置

秸秆类生物质经粉碎后，堆密度很低，输送过程中容易结拱，使送料受阻。本装置的作用是接受由粉碎机经风管输送来的粉料，通过简易脉冲装备向制粒机内连续不断地输送粉料。

该装置将采用料仓防结拱技术，有效地避免因纤维性物料流动性差，而导致喂料不均匀情况的发生。

3)颗粒燃料制粒机

这是本技术装备的核心和关键。根据移动式作业特点考虑上述的多种因素。采用平模制粒技术方案。实施时通过试验，进一步优化设计平模制粒成型模孔，调整颗粒燃料制粒工艺，减小功率，降低主轴转速，增加辊模压力，保证得到较高密度、质量稳定的成型燃料的。

在主要工作部件(同时也是主要易损件)压辊和模具的加工方面。充分利用国内辊模制造领域技术工艺和设备方面的优势，采用新材料和新工艺，进一步提高辊模耐磨性。

4)系统集成技术

上述3部分集成装在1台拖车上，可以灵活方便地在村镇间转移。成为一个流动的加工车间，适应了农村秸秆原料既分散、季节性又强的实际作业条件。同时，可以根据不同的用户要求，也可将上述3部分集成在固定的工作场所进行作业。

本技术方案在粉碎机喂料、粉料输送、成型颗粒筛分等环节充分考虑到了自动化的有机衔接，因此，整个系统的操作工人只要有3―5名即可。

如上所述，本方案全面考虑了农村的实际条件，从有效发挥机组加工效能、减轻人工劳动强度等方面着眼，优化了系统的设计。整个加工系统总功率80KW左右，处理能力500―1000Kg／h。是可以满足课题确定的指标要求。

(2)设备投资分析

本技术方案以枝条、秸秆等农林废弃物为原料，有机集成从原料筛分、粉碎到制粒成型的工艺，形成为一个整体可移动的加工设备系统，其中从粉碎到压缩成型所需的设备投资合计约为20万元。综合分析国内外现有成型燃料加工设备的生产率和设备投资情况，本项目制的成型燃料加工设备系统有较大竞争优势。

2、生物质成型燃料加工技术与装备技术特征

(1)技术特征

1)多物料一次粉碎技术。该技术针对不同来源、不同生物质原料，采用组合粉碎转子等结构，实现多种生物质原料一次粉碎，并达到制粒成型所需的细度要求。

2)物料流量自动调节技术。该技术就是主要是根据成型机加工成型燃料的产量要求，采用简易脉冲、负压输送等机构自动调节来自于粉碎机粉碎后的生物质原料的流量，在保证成型机不发生堵塞的情况下，使输送到成型机的物料流量达到最大。

3)颗粒燃料成型技术。该技术就是将由粉碎机输送来的生物质原料。通过平面辊压和平模将原料压制成颗粒成型燃料。动力通过减速传动机构带动主轴运转，不同直径模孔的平模可以根据需要进行更换，成型燃料加工过程可以通过检查视窗口直接观察并可通过打开视窗进行维护和修理，模辊间隙和压制压力实现自动调节，确保颗粒成型燃料的密度符合规定的要求。

4)既可移动又可固定场所连续生产机组集成技术。该技术就是根据用户需要将多物料一次粉碎机和颗粒燃料成型加工机有机的集成为连续生产机组。这种机组既可安装在固定场所，也可集成在平板机车上，所需加工动力既可适用于电力。也可适用于柴油机动力机等。

(2)主要技术指标

1)成型燃料加工机组

总功率：80KW左右；生产能力：500―1000Kg／h；

可方便地整体转移作业；

2)成型燃料加工成本

农林剩余物固化成型燃料成本低于煤的价格，吨料能耗≤70KWh／t；

3)成型燃料产品性能

密度≥1g／cm3；

水分≤12％。

进料流量可调。

三、生物质成型燃料加工装备的设计与研究

1、多物料一次粉碎机的设计

多物料一次粉碎机采用同轴搓揉旋切装置和锤片式粉碎、下置式筛分装置有机组合技术。电机动力通过皮带盘驱动转子高速旋转，使秸秆通过搓揉旋切装置，搓揉旋切成3～5厘米长，再进入锤片粉碎室，经受锤片撞击剪切而粉碎。另一方面，物料与物料之间、物料与锤片之间相互摩擦进一步破碎。小于筛孔的粉体被排出粉碎室。大于筛孔的原料则继续被锤片打击、粉碎、直至通过筛孔，从而达到粉碎的目的。其结构示意如下图所示。

本粉碎机主要由：转子、机座、上下壳体、操作料斗、传动装置等五大部分组成。考虑到使用与维护的需要，设计了方便安装更换筛片和锤片的简易拆卸机构。可以方便用户使用。

多物料一次粉碎机的主要设计技术参数为：转子直径：720m2m2，主轴转速：2700rpm2一3500rpm2，锤片数量：128片，配用功率：22kw，轴承型号：NSK SN520， 吸风量：3300m3/h，产量：500～1 000Kg／h，整机重量：1200Kg，外形尺寸(m2m2)：2975×1730×1140。筛片面积(m2m2)：1120×540。

2、颗粒燃料成型机的设计

根据技术方案，成型机采用平面辊压和平模的组合结构，而这种结构按执行部件的运动状态分，有动辊式、动模式、模辊双动式三种。由于后两种仅适用于小型平模燃料成型制粒机，较大机型一般用动辊式。因此本机即采用动辊式结构。按磨辊的形状分，又可以分为锥辊式和直辊式两种。考虑到加工的工艺性本机设计为直辊式。其工作原理如下图所示。

由图可以看出，电动机通过减速箱驱动主轴，主轴带动磨辊。磨辊绕主轴公转的同时也绕磨辊轴自转。加工颗粒时，生物质原料被送入平模机的喂料室。在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上，主轴带动的压辊连续不断地滚过料层。将物料挤压进入模孔，物料在模孔中经历成型、保型等过程。具体过程为：供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上，当压辊向前滚动，物料进入变形压紧区。这时因受到挤压，原料粒子不断进入粒子间的空隙内，间隙中的空气被排出，粒子间的相互位置不断更新，粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。随着压辊继续滚动，被压实的原料进入挤压成型区，模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区，该区内，压力继续增加。粒子本身发生变形和塑性流动，在垂直于最大主应力的方向被延展。并继续充填周围较小的空隙，由于压辊和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量。导致原料中含有的木质素软化。粘合力增加，软化的木质素和生物质中固有的纤维素联合作用。使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部，粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段，在该段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成颗粒。由扫料板将颗粒送出。

本燃料成型机主要由：电动机、传动箱、主轴、喂科室、压辊、平模、切刀、扫料板、出料口等九大部分组成。考虑到加工密度的调节和辊模间间隙的调整，设计有液压调节机构，一是保证加工过程中的加工压力的稳定。二是保证辊模问间隙的自动调节。同时考虑到安装与维修的方便性。在制粒室周围设计有观察与调节窗口。

颗粒燃料成型机设计的主要技术参数为：平模直径：520m2m2。压辊转速：56rpm2，压辊压强：100m2pa，配用功率：45Kw，整机重量：1 500Kg，外形尺寸(m2m2)：1530×840×2047，产量：500―1000Kg／h。颗粒直径：10m2m2一20m2m2，颗粒长度：30m2m2，颗粒产品密度：≥1g／m3。

3、生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计

生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计，就是将多物料一次粉碎机和颗粒燃料成型机，通过负压简易脉冲风网系统有机的连接起来，一方面要求加工系统在加工过程中确保生物质原料的输送均匀，防止堵塞与结拱，另一方面要保证加工系统在加工过程中不会对环境造成严重污染，同时尽可能少用人工作业，减少作业劳动强度和用工量。因此。系统的集成设计成两种方案，一是直接将集成系统安装在固定场所。二是将系统集成安装在可移动的平板车上。

4、生物质成型燃料加工装备有关重要技术参数的研究结论

(1)生物质原料压缩特性

粉碎后的生物质原料(秸秆)在压缩过程中。是在一定压力下，通过秸秆的塑性变形和其本身的木质素软化固化成型的。在压缩过程中可分为3个阶段：松软阶段、过渡阶段和压紧阶段。在压力较小时，成型密度随压力的增大显著增大，但达到压紧阶段后，变化缓慢，趋于常数。一般情况下，在压力为85m2Pa时，制粒的成型效果就较好，将压力控制在85―100m2Pa范围内就可以达到较理想的成型要求。同时通过试验，探索了生物质压缩力和压缩密度的关系。确定了压缩力、压缩密度、压缩量的关系。

(2)生物质原料的特性对成型的影响

生物质原料具有流动性差、相互牵连力较大的特性，是成型喂入和压缩的瓶颈。对于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，压缩特性有很大的差异，并对成型过程和产品质量有很大的影响。当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣。但含水率太低。成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用。成型原料的含水率一般在16％左右。植物秸秆易压缩，在压力作用下变形较大，压缩比在9～12之间，木屑废料较难压缩，压缩比在5～9之间。粒度小的原料轻易成型，粒度大的较难压缩。试验与研究的结果表明，生物质的特性对于解释和说明物质的机械变化过程很有价值。

(3)成型能耗

生物燃料技术篇2

生物质混燃发电技术是环境友好、高效经济的规模化利用技术，应用前景广阔.总结了现有生物质混燃技术和国内外应用现状，介绍了一种生物质能高效利用的新方式，即在煤粉炉中使用独立喷燃技术燃用生物质成型燃料的方案，该方案将成为未来发展方向.分析了生物质在大容量煤粉炉中混燃发电技术的可行性，讨论了该混燃技术的关键设备选型配置情况和系统要求，指出了该混燃技术要实现规模化推广存在的主要矛盾，并提出了相应的建议.

关键词：

生物质发电； 混燃； 技术； 设备

中图分类号： TK 6文献标志码： A

Analysis of the biomass co firing technology and key equipment

for pulverized coal power boilers

LU Wang lin， LIU Bing chi

（1. Shanghai Power Equipment Research Institute， Shanghai 200240， China；

2. Shanghai Electric Power Generation Group， Shanghai 201199， China）

Abstract：

The biomass co firing power generation is an environment friendly and cost effective technology for large scale biomass utilization. In this paper， types and application situations of the biomass co firing technology are summarized. A new， promising co firing plan for high efficiency utilization of biomass is recommended， by which pulverized biomass fuel is combusted with separate burners on the same pulverized coal furnace. The feasibility of biomass co firing for power generation on large capacity pulverized coal boilers is analyzed. Key equipment selections and system requirements for the technology are discussed. In addition， the major problem for large scale application of the plan is discussed and relevant suggestions are provided.

Key words：

biomass power generation； co firing； technology； equipment

我国目前的生物质燃烧发电以直燃技术为主，装机容量在30 MW以下，基本采用振动炉排炉或流化床技术[1].受燃料供应不稳定，供电效率低及基建投资高等因素影响，这些生物质发电厂虽然享受电价补贴，但经营状况仍然不佳.而生物质混燃技术是指将生物质与煤在传统的燃煤锅炉中混合燃烧技术.它能充分利用现有燃煤发电厂的投资和基础设施，是一种低成本、低风险且灵活的可再生能源利用方式.它既可减缓常规电站对传统化石燃料的依赖，又可减少传统污染物（SO2，NOx，PM等）和温室气体（CO2，CH4等）的排放，具有积极的社会效益和环境效益.

1生物质混燃技术分类和国内外应用现状

从混燃技术上可分为：（1）直接混合燃烧：经预处理的生物质直接输入锅炉系统燃烧；（2）间接混合燃烧：将生物质气化后的燃气输入锅炉系统燃烧；（3）并联燃烧：生物质在与传统锅炉并联的独立锅炉中燃烧，将所产蒸汽供给发电机组.根据混合点位置不同，直接混合燃烧又可分为共磨方案（在磨煤机前混合）、共管方案（在磨煤机后煤粉管道内混合）和独立喷燃方案（在锅炉燃烧室混合）.独立喷燃方案将成为未来发展方向[2].从生物质形态上可分为直接破碎混燃和成型颗粒混燃.

欧洲及北美等发达国家从上世纪90年代开始进行了多种混燃技术的示范工程，取得了一系列重要的成果[2]：如丹麦的Studstrupvrket 1#机组150 MW煤粉炉混燃了热量比20%的秸秆类生物质，约合输出电力30 MW；荷兰的Gelderland电厂635 MW机组的EPON计划中混燃了木材粉末（约占3%的锅炉输入热），合输出电力20 MW；英国的Drax电厂6×660 MW机组混燃了热量比2%左右的生物质燃料，合输出电力80 MW；比利时的Ruien发电厂540 MW机组及奥地利的Zeltweg 137 MW机组尝试了间接气化混燃技术；丹麦的Avedore 2# 的430 MW机组尝试了并联燃烧方式.目前在英国10余家燃煤电站（总装机超过20 000 MW），实现了生物质混燃技术的商业化运行.近年来，国际能源署IEA的生物质能协定任务32（Task 32）对该技术进行了较为深入的总结及调查研究.2007年，世界范围内有152个生物质混燃项目成功投入商业运行，到2009年已增长至228个，机组容量覆盖50～700 MW，其中100多个项目分布在欧洲，超过40家分布在北美，还有部分项目分布在澳洲[3].国内生物质混燃技术起步较晚，应用较少.最为典型的为山东十里泉电厂140 MW机组混燃秸秆示范项目.它是我国成功商业运行的生物质在煤粉炉中混燃的唯一项目[4].截至目前，国内未见在煤粉炉中使用独立喷燃方案燃用生物质成型燃料的实际工程实例报道.

2生物质混燃技术的关键设备和系统分析

受散状生物质收集半径所限，常规秸秆类生物质无法远距离运输，在一定程度上限制了生物质混燃电站的生物质供应链，而蓬勃发展的生物质成型燃料产业将会使生物质混燃技术进入全新的发展阶段.先进的生物质颗粒成型燃料的加工能耗约为70 kWh·t-1 [5]，约仅占其热值的2%左右.由于成型后燃料密度大（800～1 400 kg·m-3），且水分低（

2.1生物质成型燃料的储存运输处理系统配置要求

入厂原料采用生物质成型颗粒燃料的混燃技术，一般要求颗粒粒径在10 mm左右.此模式能克服传统生物质易堵塞特性.欧洲实践经验表明，生物质颗粒可存放于封闭式料场，通过刮板机上料；也可在电厂内存放于大型筒仓之中，通过皮带输运.为了释放长期存储可能产生的热量，筒仓通常需要设置螺旋给料、斗提等自循环系统，并配有可燃气体浓度监测装置及爆破门，以进一步提高安全性.由于生物质成型燃料的加工过程已经完成了纤维破碎，因此可经仓储、输送过程后直接进入后续的制粉工艺.

2.2粉碎设备

生物质混燃共磨方案使用电站原有的磨煤机制粉系统磨制生物质燃料有一定的局限性，运行期间需要关注磨煤机电流、石子煤量、出口风温等特性指标，需严格控制较低的混燃比例，以免造成生物质燃料阻塞磨煤机，引起磨煤机故障.另外，需要严格关注送粉管道挥发分浓度，避免出现爆燃事故.该系统设备简单，但可靠性稍差.

共管及独立喷燃方案需要单独配置生物质粉碎设备.经国内外调研，粉碎终点粒度控制在3 mm以下较佳[1]，可在约1 000℃的炉膛内充分燃烬.目前主要有两种类型设备可实现规模化应用.

（1） 锤片粉碎机（Hammer Mill）

如图1所示，此类设备非常适合粉碎处理秸秆、木材等生物质类物料，技术成熟可靠[6].通常为卧式结构，锤片在机内高速飞转，将物料锤碎至需要的过筛尺寸.国内主要应用于饲料及食品行业，国产设备单机最大生产能力约5～10 t·h-1.近期，随着生物质成型燃料加工行业的兴起，也有个别厂家能够设计生产能力20 t·h-1以上的产品，但目前尚无实际运行业绩支撑.国外设备经验较丰富，如瑞典BRUKS公司的最大型号单机额定功率500 kW，配有470块锤片，转子直径1 600 mm，锤片末端线速度达78 m·s-1，滤网面积可达8 m2，设备价格高达300万元.

图1锤片粉碎机

Fig.1

Hammer mill

（2） 雷蒙磨粉机（Raymond Mill）

如图2所示，此类设备历史悠久，在国内外矿产品粉体加工领域应用广泛[7] .该设备为立式结构，工作原理为：旋转磨辊在离心力作用下紧滚压在磨环上，将物料碾压破碎成粉；内置旋转铲刀防止物料堆积；磨内通风把成粉的物料吹起，达不到粒度要求的物料被分析机阻挡后重回到磨腔继续研磨；达到粒度要求的物料则可通过旋转分析机后进旋风分离器分离收集.国内一些制造厂对传统技术进行升级，成品粒度更小，比功耗更低，但在生物质领域的适应性尚不明确.国内设备供应商维科重工曾配合笔者单位进行了生物质成型颗粒燃料的试磨试验，可以预期185 kW最大型号设备单机生产能力达20～40 t·h-1，成品粒度在0.5 mm以下.

图2雷蒙磨粉机

Fig.2

Raymond mill

2.3燃烧器要求及气力输送配置

生物质燃料收到基含有约70%的挥发分，极易点燃及燃烬.国外一些公司开发了先进复杂的生物质专用燃烧器，但在笔者调研时发现十里泉电厂混燃示范项目实践中丹麦进口燃烧器的故障率较高，电厂已将其改造为简单的钢管燃烧器，且运行效果佳.燃烧系统的关键是将一次风量与燃料量相匹配，经初步计算四角切圆煤粉炉中独立喷燃方案，配10 t·h-1的生物质燃烧器推荐配一次风量为4 000 Nm3·h-1.合理地选择一次风速，并将其作为输送介质将生物质粉末吹送入燃烧器时宜选择稀相压送式装置，这在气力输送行业有丰富的经验，在此不再赘述[8].

2.4混燃对锅炉受热面的影响

碱金属氯化物（KCl等）的低温沉积腐蚀问题一直是困扰生物质直燃领域的一个技术难点，直接燃烧产生KCl等物质在含Cr合金钢受热面上发生沉积而导致严重的氯腐蚀问题.碱金属氯化物的高温腐蚀，直接限制了热力工质参数的进一步提高，导致目前生物质直燃电站的热电转换效率偏低.但在混燃技术领域，实验室及现场测试均表明，燃煤中含量较高的S元素及Al，Si，Fe类灰成分，将会使K等碱金属形成高熔点化合物，Cl元素则以超低浓度气相HCl的形式随烟气排放，因此混燃时的腐蚀速率比直燃技术低很多数量级[9].控制混燃热量比在15%以下（质量比

2.5环境影响分析

生物质低灰低硫高挥发分的特性，宜与燃煤形成互补效应.大量研究表明，在传统电站中混燃少量的生物质后，单位供电量下的SO2，NOx，粉尘等污染物排放强度均可降低，且不会对原配置的环保设备造成负面影响，特别适宜在一些受污染物排放总量减排政策制约的电站中推广使用.值得关注的是，对于某些秸秆类生物质内的高碱金属，燃烧烟气可能有促使钒基SCR催化剂中毒的风险[10]，尚需进一步研究其机理后，对不同生物质的混燃比进行限制.

由于生物质内C元素在自然界中是循环利用的，同直燃技术一样，混燃技术中由生物质燃烧产生的CO2可不视为温室气体排放.年消耗约15万t生物质（收到基碳含量按40%计）的混燃技术项目，可因少用煤炭而折算的CO2减排50万t以上.如果未来实施全球碳排放交易，由此产生的收益将达到1亿元人民币数量级（参考欧洲目前碳排放交易经验，每吨CO2的减排补贴为25欧元）[11].

2.6混燃比计量与检测设备

混燃比是衡量混燃电厂供电中的可再生能源份额的重要指标.混燃比计量可分为两种方式：

（1） 燃料侧计量：实际应用中，绿色电力份额可转化成生物质混燃热量比考虑，可由入厂原料汽车衡装置，或者皮带及给料机上设置的重力式传感器计量混燃的生物质重量，之后再综合入炉煤重量及生物质与煤的热值实验室分析数据转换取得.但对多种生物质燃料的取样分析过程繁琐，数据精度不高，且过程中存在大量的人为因素，有以虚假信息换取巨额绿电补贴的可能性.

（2） 烟气侧计量：其原理同考古领域常见的14C断代法基本相同，已经拓展至环境监测领域[12-13].C元素中放射性同位素14C的半衰期为5 730 a，其化学性质与常见的12C相同，且大气环境及生物质燃料中的14C/12C比例基本稳定在10-12数量级.由于化石燃料形成年代距今达上亿年之久，基本检测不到14C，因此可通过测量混燃锅炉排烟中的14C/12C比例精确计量电站的混燃比率（生物基的百分含量）.目前的先进加速器质谱AMS技术测量同位素比值的灵敏度可达10-15至10-16，可对混燃比作出非常准确的判断.欧美多国已经制定了针对燃料的生物基份额的检测标准，如ASTM D6866、CEN 15591/15747等，并在积极开发14C同位素同步在线监测技术.我国尚未开展此方面的研究工作.

3当前面临的主要矛盾及建议

生物质直燃发电的单位造价在万元·kW-1数量级，而混燃改造的投资低得多，采用国产设备的混燃系统投资仅在百元·kW-1数量级，且混燃技术的燃料热电转化效率明显优于直燃技术，是一种生物质能利用的有效方式.

生物质混燃在发电技术层面的问题已经明晰落实，但受国内监管体系制约，电网公司很难核实混燃电站实际运行中的生物质消耗量，可再生能源补贴量因此很难确定.混燃计量检测技术已经成为绿电价格补贴政策无法拓展到生物质混燃领域的主要瓶颈因素，严重制约了经济性较好的混燃技术的规模化应用.

按照2006年颁布的《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》中有关“发电消耗热量中常规能源超过20%的混燃发电项目，视同常规能源发电项目，执行当地燃煤电厂的标杆电价，不享受补贴电价”的规定，也就是说生物质在燃料比例中要大于80%才能享受补贴，而目前的混燃比例一般在20%以下，所以生物质混燃项目并不能享有与直燃电厂等效的电价补贴[14].从目前市场现状来看，单位热值的生物质燃料价格仍高于对应的煤价，如无电价补贴等刺激性政策，火力发电厂更加愿意燃用煤，这是目前我国生物质混燃技术无法规模推广应用的一个主要原因.

建议尽快开发监测生物质使用量的客观评价体系和烟气侧14C同步在线检测技术，政策上尽快完善燃料侧监管体系和制度，引领生物质产业健康发展.

参考文献：

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收稿日期： 2012-10-14

作者简介：

生物燃料技术篇3

关键词：生物质；秸秆；燃烧技术；现状；展望

Current situation and prospect of

combustion technologies for different forms of biomass

Liu Shengyong， Liu Xiao’er， Wang Sen

(Key Laboratory of Renewable Energy of Ministry of Agriculture， Electrical and Mechanical? Engineering College， Henan Agricultural University， Zhengzhou， 450002，China)

Abstract：In this paper，the characteristics of biomass fuels，and current situation of combustion technologies for biomass briquette，biomass bale，biomass powder and biomass gas were introduced. The problem of deposit and corrosion during biomass combustion was analyzed. At last，the prospect for the development trend of biomass combustion technologies was forecasted.

Key words：biomass; straw; combustion technologies; current situation; prospect

0引 言

生物质能与化石能源相比，具有可再生和低污染的优势，因此受到全世界普遍的重视，并已成为新能源的发展方向之一。生物质能主要通过直接燃烧、气化、液化和厌氧发酵加以利用。生物质因具有挥发分高、炭活性高、N和S含量低，灰分低，生命周期内燃烧过程CO2零排放等特点，特别适合燃烧转化利用，是一种优质燃料[1]。生物质燃烧技术按其形态的不同可分为生物质成型燃料的燃烧技术、生物质捆烧技术、生物质粉体燃烧技术和生物质燃气燃烧技术等，就中国的基本国情和生物质利用水平而言，生物质燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。

1生物质燃料的燃烧特性

生物质作为燃料与煤相比有许多差别，其差别列于表1中。由表1可看出，生物质的挥发分远高于煤，灰分和含碳量远小于煤，其热值小于煤，生物质这种燃料特点就决定了它的燃烧具有一定的特性。

生物燃料技术篇4

[关键词] 汽车新能源产业技术体系变革发展战略电动汽车

一、引言

汽车作为现代重化工业技术体系的代表产品,不仅是不可再生石油资源的主要消耗者,而且也是造成城市空气污染的主要祸首。汽车所排放的尾气中含有大量NOX(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、PM(颗粒物)和HC(碳氢化合物)等有害物质,对城市大气环境造成了严重的污染和破坏。解决汽车的环境污染和石油的短缺问题需要寻找可替代石油燃料的洁净能源或改变传统的内燃机技术。然而,由于方法众多,每一种方法都存在各自的优缺点,众说纷纭,争执不下。究竟哪一种新能源适合我国汽车未来能源的发展方向呢?

我们认为,内燃机技术以及汽车产业在产业技术体系中占有核心地位,从整个产业技术体系的发展战略角度出发,分析现有的汽车各种替代能源的优缺点,分阶段实施汽车新能源的发展战略,对于我国实现产业技术的跨越发展具有十分重要的现实意义。

二、汽车代用能源的分类及特点

目前,可代替传统汽油和柴油的汽车代用能源有许多种,可将其归纳为三类:第一类是不可再生能源,包括液化石油气、天然气、煤基液体燃料、甲醇;第二类是可再生能源,包括乙醇、生物柴油、太阳能;第三类是性质不确定能源,其性质的归属取决于生产该能源的原料,包括燃料电池、电能和氢能。

1.不可再生能源

(1)液化石油气(LPG)。LPG分为石油炼制过程中的副产品和油田伴生气两种。

LPG的优点:①能效高。与汽油相比,LPG辛烷值较高;②减少污染。LPG可降低CO2排放25%、CH80%、SO270.5%、SO99.99%、Pb100%、CO89.72%、颗粒物41.67%、噪音40%;不需改变内燃机;石油废弃物利用,有一定的经济价值。

LPG的缺点:能量密度低;车用LPG的质量要求较高,需要提纯处理;存在一定的爆燃危险性,安全性较差;仍然以石油资源为依托,属于不可再生资源。

(2)天然气(NG)。汽车使用的天然气按储存方式主要分:压缩天然气(CNG )、液化天然气(LNG)和吸附天然气(ANG)三种。

①压缩天然气(CNG)。CNG是将常态下的天然气以20MPa以上压力压缩在高压罐内供汽车使用。

CNG的优点:污染排放低。天然气汽车尾气中NOX及CO2排放量很低,且无PM固体微粒排放;工艺简单。供汽车使用的CNG是用压缩机将天然气压缩储存,燃烧时通过减压装置减压释放,工艺比较简单;天然气储量相对丰富。我国目前天然气资源量约为54万亿立方米,探明的天然气地质储量为3.9万亿立方米,资源探明率为7.2%。并且,天然气的勘探潜力很大,储量较石油丰富。

CNG的缺点:存储体积较大,能量密度低;汽车充气时间较长,一次行驶里程短;储气钢瓶因压力大,有一定的危险性;车用充气源受天然气管网限制;属不可再生资源。

②液化天然气(LNG)。LNG是将天然气在-161℃的低温下液化,并进行净化处理而成。

LNG的优点:更洁净环保。LNG燃尽后无灰渣和焦油,主要排放物是二氧化碳和水蒸气,NO2、CO2等有害物质的含量极少;能量密度大。LNG液化后的体积仅是原气态体积的1/625,能量密度高于CNG三倍多;安全性能好。LNG无需高压,不易自燃自爆,安全性能好;车用充气源不受天然气管网限制;具有循环利用能源效应。LNG在汽化至常态过程中将释放出大量的冷能,可回收用于汽车空调或汽车冷藏。

LNG的缺点:生产与运输成本较高。LNG是在低温下液化、缩小体后装入特殊运输设备运送到目的地,并再次气化后方可使用。因此,LNG在中短途运输方面成本过高。属不可再生资源。

③吸附天然气(ANG)。吸附储气的原理是在储气容器中以特殊方法装填超级活性炭作为吸附剂。利用吸附剂表面分子与气体之间的作用力吸附气体分子。

ANG的优点:储存压力低。ANG的压力一般只有4~6MPa,有利于安全;不必使用笨重的钢瓶,减少储气设备重量。

ANG缺点:能量密度低;ANG技术难度较大,目前还处于研究阶段。

(3)煤基液体燃料。煤基液体燃料是将煤炭通过直接或间接方法液化成液体燃料油,俗称“煤变油”。

煤基液体燃料的优点:我国富煤少油,利用煤变油技术可缓解石油紧张。

煤基液体燃料的缺点:煤变成液态燃料单位成本高;煤转化成液态燃料的生产过程中要消耗大量的能源;煤变油技术仅是将一种不可再生能源转化为另一种形式,不符合能源发展方向;煤变成液体燃料只是将煤炭转变为汽油、柴油,依然不能降低环境污染。

(4)甲醇。甲醇是一种含氧化合物,溶解性强,可与汽油、柴油溶解混合为新型燃料。甲醇可从煤、天然气和油页岩中制取。

甲醇的优点:甲醇作为燃料具有辛烷值高、汽化潜热大、热值较低等特点;作为车用燃料,甲醇的CO、HC和NOx排放较汽油和柴油低,几乎无碳烟排放;溶解性好,可与汽油、柴油混合使用。

甲醇的缺点:对环境即有正面影响也有负面影响。甲醇汽油可以减少尾气中CO、CH、NOx排放,但尾气中总醛排放增加;甲醇具有毒性。人摄入5～10毫升就会发生急性中毒,30毫升即可致死;甲醇对金属有腐蚀作用,对橡胶皮革有溶胀作用;制取甲醇要消耗不可再生资源。

2.可再生能源

(1)乙醇。乙醇是玉米、小麦、薯类、高粱、甘蔗、甜菜等经发酵、蒸馏、脱水后再在其中加入变性剂而成。车用乙醇汽油是将燃料乙醇和组分汽油按一定比例混配而成。

乙醇的优点:减少污染。使用乙醇汽油的汽车尾气中CO降低30%,NOX减少10%,苯系物质、氮氧化物、酮类等污染物浓度明显降低;属可再生能源。

乙醇的缺点:乙醇需要与汽油混合使用,不能成为汽油的完全替代品;燃烧乙醇会产生悬浮颗粒,不是完全的绿色燃料;消耗大量土地资源。

(2)生物柴油。生物柴油是采用动物或植物油脂与甲醇(或乙醇)经酯交换反应而得到的脂肪酸甲(乙)酯,是一种可以替代石油柴油的可再生清洁燃料。

生物柴油的优点:环保特性优良。根据美国科学家的研究结果,使用生物柴油可降低90%的空气毒性,二氧化碳排放要比柴油减少60%;车辆成本低。使用生物柴油的汽车与普通柴油车相同,车辆无须任何修改;安全性好。生物柴油的闪火点较高,毒性较低;是一种环境友好的可再生燃料。

生物柴油的缺点:燃烧效果差。生物柴油的粘度约为#2石化柴油的12倍,影响喷射时程,导致喷射效果不佳。由于生物柴油的低挥发性,造成燃烧不完全,影响汽车燃烧效率;制取生物柴油的成本较高;消耗大量耕地资源。

(3)太阳能。太阳能资源丰富,随处可得,无需运输,对环境无任何污染,是未来汽车能源的发展方向。

目前,制约太阳能汽车发展的主要障碍:一是汽车的动力常受时间、地点、季节、气候影响;二是太阳能的采集与转换效率难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力;三是太阳能电池板造价昂贵。

3.性质不确定能源

(1)燃料电池。燃料电池是直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的一种装置。燃料电池常用的燃料有氢、天然气、甲醇等,常用的氧化剂有氧气、空气。

燃料电池的优点:洁净、污染低。纯氢和氧结合的燃料电池,可实现零放排。以甲醇、天然气为燃料的燃料电池汽车造成的大气污染仅为内燃机汽车的5%;燃料电池能量转换效率较高;噪音低。燃料电池属于静态能量转换装置,除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件,噪音小;燃料多样化。燃料电池所使用的燃料可以是氢、甲醇、天然气,也可以是丙烷、汽油、柴油、煤以及可再生能源;利用生物制氢、水制氢的燃料电池可实现能源再生化。

燃料电池的缺点:成本高。质子交换膜电池中的膜材料和催化剂均十分昂贵;燃料的质量不过关。质子交换膜燃料电池必须使用没污染的氢燃料,而目前纯净氢的制取技术还存在困难。

(2)电能。以电能为动力的汽车分为三种:纯电动汽车(BEV)、燃料电池电动汽车(FCV)和混合动力电动汽车(HEV)。纯电动汽车是指以车载蓄电池为电源,用电动机驱动的车(本文中的电动汽车指的是纯电动汽车)。

电能是一种洁净能源,电动汽车完全可以实现零排放、无污染,但是,目前的电能还不属于可再生能源,主要是因为电能还有相当一部分是通过煤炭、石油等化石类能源转换而来。

电动汽车的优点:洁净无污染。目前,只有电动汽车完全符合零排放,而且电动汽车噪音很低;电能是取之不尽、用之不竭的能源。如果用再生能源(太阳能、水能、风能、生物质能、潮汐)发电,电能可永续使用;电能的利用技术成熟。人类利用电能已有很长一段历史,遍布全国的电网可为电动汽车的充电带来极大的方便;电动汽车结构简单,维修方便。

电动汽车的不足:电池性能还无法满足电动汽车产业化的要求。目前,电动汽车的蓄电池主要有:铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等。铅酸蓄电池比能量低,质量和体积太大,一次充电行驶里程较短,且寿命短,污染严重;镍镉蓄电池中的重金属镉对环境有污染;镍氢蓄电池有高温使用电荷量急剧下降的缺点;锂离子的问题是安全性和稳定性,此外,大功率锂电池存在技术难度;价格昂贵。蓄电池的价格是目前制约电动汽车产业化的障碍;电池充电时间长,蓄电能力有限;动力性差;电能还没有解决完全可再生和无污染问题。电能的生产还大量依赖煤炭、石油等不可再生资源,此外,汽车废弃蓄电池还有污染问题。

(3)氢能。氢是自然界存在最普遍的元素,在自然界中多以化合物形态出现,主要贮存于水,特别是海水中富含大量的氢,石油、天然气、煤炭、动植物体也含氢。氢的发热值是所有燃料中最高的,而且燃点高,燃烧速度快,是十分优质的二次能源。以氢气为能源驱动汽车,主要有三种方法:汽车携带贮氢罐,以氢气在发动机中直接燃烧产生动力;汽车电池放电电解出氢作燃料;以氢作燃料电池的燃料,用电力驱动汽车。

氢能的优点:氢是洁净能源。氢燃烧非常清洁,除生成水和少量氮化氢外不会产生其他对环境有害的污染物质;氢是高效燃料。每公斤氢燃烧产生的能量为33.6kW・h,是汽油的2.8倍;不需要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氢。

氢能的缺点:廉价的制氢方法是氢能利用的一大障碍。目前,氢的制取需要大量能量,而且制氢效率很低;氢的安全性能差。氢气是一种无色无臭的气体,而且着火界限宽、着火能低、燃烧速度快,容易引发火灾及爆炸。此外,氢特别容易泄漏,加油站、管道和纯化工厂很难完全消除泄漏隐患。

三、发展我国汽车新能源的思路

汽车产业在整个工业体系中占有核心地位,汽车新能源的发展战略不仅关系到汽车产业的可持续发展,而且对于整个工业的发展方向具有举足轻重的作用,因此,我们还需要从产业技术体系角度考虑汽车新能源的发展战略。

产业技术体系是指在工业生产部门各个产业领域所使用的各种产业技术,因其生产过程中的必然联系而构成的统一的有机整体。产业技术体系中的产业技术因其在生产部门生产过程中的影响范围和程度不同而分为源技术、主干技术、旁支技术三个层次。其中,源技术是最核心的、最具影响力的技术,它决定整个工业部门产业技术体系的性质和本质特征,决定了工业部门内部其他产业部门核心技术的产生、变革和地位。而主干技术是在源技术之下,直接与源技术配套的工业部门内部各产业技术,它们只是对一个或几个工业部门有重大作用。而旁支技术则是为主干技术服务的、处于次要地位的各产业技术。

人类历史上的历次产业技术革命都因产业技术体系中的源技术发生重大变革,推动产业技术体系中各层次的产业技术逐步改变,最终导致整个产业技术体系发生变革。第一次工业技术革命正是因蒸汽机的出现,导致人类生产的重心从农业转向工业;第二次工业技术革命由于内燃机和电力技术的发明,使人类生产走上了重化工业道路,也导致今天的资源危机和环境恶化;以微电子、新材料、新能源、生物工程、航天技术、海洋技术等为代表的第三次工业技术革命,并没有改变第二次工业技术革命所奠定的重化工业技术体系性质,却使消耗不可再生资源、污染环境的重化工业技术体系加速发展。今天,人类经济社会面临的生存危机,在本质上是产业技术体系性质造成的,是迄今为止历次产业技术革命都在产业技术开发与应用上忽视了人与自然的关系,从而导致产业技术体系各层次的产业技术都消耗不可再生资源、排放污染环境的废弃物造成的。

当前的产业技术体系还属于重化工业技术体系。重化工业技术体系中的源技术――电力技术和内燃机具有消耗不可再生资源、破坏环境的性质,带动了汽车、钢铁、能源、化工、机械加工等主干技术以及旁支技术也具有同样的性质。因此,要实现人与自然和谐相处,必须从根本上针对重化工业技术体系的源技术――电力技术和内燃机进行革命。

传统的内燃机是直接建立在石油、天然气等不可再生能源结构上的工业动力,是现代大工业各种产品生产的母机。汽车发动机是内燃机最突出的代表。汽车不仅是不可再生资源主要消耗者,也是城市环境恶化的主要元凶,此外,汽车产业更是在整个产业技术体系中关联最多的产业。因此,汽车洁净能源的开发应朝着改变传统的内燃机技术,使其由消耗不可再生资源、污染环境向使用可再生资源、对环境无害的方向发展,以推动整个产业技术体系向生态化变革,从而实现可持续发展的目标。因此,未来汽车的新能源应具备如下条件:

第一,新能源必须是可再生资源。不可再生资源终究会枯竭,用较丰富资源替代紧张资源只能作为短期权宜之计。

第二,新能源必须是洁净的。新能源不应对环境产生任何污染,应完全实现零排放。

第三,新能源有利于变革传统的内燃机技术。变革传统的消耗不可再生资源的内燃机技术不仅对于汽车产业发展有利,也会推动整个产业技术体系向可持续发展的方向努力。

四、我国汽车新能源的发展战略

综上所述,我们认为电能是汽车未来最佳的能源。但是,用电动机取代目前广为使用的传统内燃机不是一蹴而就的事情,因此,汽车新能源的发展战略还需要分阶段实施。

1.用电动机取代使用化石类能源的传统内燃机可作为远期终极目标

选择电能作为汽车未来能源的理由是:第一,电能是完全洁净的能源,电动汽车完全可以实现零排放;第二,电能完全有可能转变为可再生能源。尽管目前电能还不是可再生能源,但是随着太阳能发电、风能发电、生物质能发电、潮汐发电等的普及,电能会迅速转变成可再生能源;第三,有利于产业技术体系变革。传统内燃机被电动机取代,将导致化工、石油、煤炭等行业逐步萎缩,而太阳能发电、风力发电、生物质能发电以及潮汐发电等产业将得到大力发展。层层推进,可推动整体产业技术体系发生变革,有望改变重化工业技术体系消耗不可再生资源、污染环境的本质。

2.发展燃料电池汽车是中期目标

将燃料电池汽车作为中期发展目标的理由是:第一,燃料电池汽车技术已相当成熟,极有可能先于电动汽车进入市场。近几年,世界各大汽车公司都纷纷推出以氢或甲醇为燃料的燃料电池汽车;第二,燃料电池汽车有利于环境保护和节省能源。氢燃料电池可实现零排放,即使使用其他燃料(如甲醇)的燃料电池汽车也是常规汽车排放的30%。另外,燃料电池能效高有利于节省能源;第三,燃料电池完全可能实现由不可再生能源向可再生能源的转化。水解氢燃料电池可以实现资源的循环使用,因为氢与氧的燃烧产物就是水,水可以循环使用,取之不尽,用之不竭。另外,可利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源制氢,实现能源可再生化。目前,制约燃料电池成为可再生能源的是水解氢的制取技术,但是,甲醇等燃料电池技术的使用与推广,可为氢燃料电池的发展奠定良好的基础。第四,燃料电池汽车发动机是传统内燃机的变革,可为电动机最终取代传统内燃机提供经验。

尽管,目前的甲醇燃料电池、通过煤或天然气制取氢的燃料电池与我们所倡导的能源的可再生化发展方向违背。但是,只要太阳能、风能、潮汐能发电技术、水解氢技术一旦成熟,燃料电池实现可再生能源的目标就十分容易。因此,我们将燃料电池作为中期发展目标。

3.液化天然气汽车可作为短期发展目标

液化天然气(LNG)属不可再生资源,不符合能源的发展方向,也与我们的倡导的终极目标相悖。我们将其作为短期发展目标的理由是:第一,液化天然气有助于解决汽车尾气的严重污染问题。液化天然气与汽油、柴油相比,更洁净环保;第二,液化天然气有助于解决目前的石油紧张问题。我国的天然气储量较石油丰富,而且天然气的探明储量在不断增加。此外,使用液化天然气不受天然气管网限制,可充分利用世界天然气资源,这对于我国的能源安全有利;第三,液化天然气使用技术与现存的内燃机技术衔接较好。

但是,天然气资源是不可再生资源,长期过量开发与使用将会导致与石油资源一样的命运。因此,发展液化天然气汽车只可作为短期发展战略。

参考文献:

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生物燃料技术篇5

(一)化石能源储量及开采情况

化石能源(石油、天然气和煤炭)是经济社会发展和提高人民生活水平的物质基础。世界化石能源的剩余探明可采储量为9000亿吨油当量(toe)。其中，石油和天然气均为1600亿toe左右；煤炭储量最为丰富，为6000多亿toe。

石油资源分布极不均衡。中东、俄罗斯和非洲的石油探明可采储量占世界总量的77％，是世界商品石油的主要来源。亚太地区的石油探明可采储量和消费量分别占世界总量的3.3％和30％。中国相应的份额分别为1.3％和9.3％，是石油资源相对短缺的国家。

石油是重要的化石能源资源，在全世界一次能源消费结构中，石油所占的份额中约为40％左右，是形成现代工业和促进经济增长的动力。

煤炭是古老的燃料，从19世纪60年代开始大规模开采、使用。至今，在中国、美国等一些国家中，煤炭仍用作主要的发电燃料。中国是煤炭资源丰富的国家，煤炭仍然是主力一次能源，份额保持在70％左右。

为提高使用效率、减少排碳和对环境的污染，煤炭应用的创新方向是发展洁净的煤炭技术和煤炭液化、转化技术，生产运输用液体燃料和化工产品。

(二)石油消费情况

世界石油年消费总量近40亿吨，工业化国家(经合组织和俄罗斯)的消费量占62％；占人口大多数的非工业化国家(新兴市场经济体)，石油消费量仅为38％。

美国是石油消费量最多的国家，年消费量为9.4亿吨，相当于其他5个消费大国(中国、日本、德国、俄罗斯和印度)消费量的总和；人均石油消费量3吨多。中国的石油消费量为3.6亿吨，人均消费量较低，仅为0.28吨左右。

不同国家的民用、商业和工业的能源消费量和消费品种均各不相同。交通运输部门的能源消费以石油产品为主，石油总消费量中约有70％用作运输燃料油，此份额的多少各国均不同。在氢燃料和燃料电池汽车大规模进入市场之前，这种消费形势将不会有太大的变化。

中国是经济快速增长、尤其是以制造业为主的发展中国家，为了给生产厂增加原材料和能源供应，运输服务功能就需要加强。人均收入提高之后就会促进道路和航空运输服务的发展。近年来，中国运输、邮电和仓储的石油消费量约占石油总消费量的25％左右；中国仍然是人均燃料油消费量较低的国家。随着汽车数量的增长，运输部门的燃料消费量就会相应上升。

美国的年人均运输燃料油消费量2.3吨。欧盟各国平均1.0吨，中国仅为0.08吨。

(三)能源的转型

在人类发展历史中，在能源使用上已经历了好几次能源转型。从使用木材、薪炭为燃料到19世纪中叶大量使用煤炭，20世纪30年代开始向使用石油过渡，目前正在向以天然气为主的方向转变。随着石油资源的逐渐减少，未来三四十年后产量即将达到峰值，此后进入“后石油时代”。在石油资源将逐步被替代的前夕，科学技术界提出了林林总总的替代方案和工艺路线，替代能源课题涵盖了众多的科学领域、技术专业和产业行业。替代能源项目的实施会受到资源、技术、经济和实施条件等因素的约束，需要根据一定的时空条件做出技术经济评估，规划出发展路线。

氢燃料时代：构建以氢燃料为基础的能源系统是一项需要较长时间才能完成的系统工程，包括许多工程技术课题的研发，如原料开发、制氢方法、氢气储存运输技术、氢能燃料电池系统和车辆、氢能安全和氢能系统设施等技术。

发展氢燃料的三大课题是：开发高功率、长寿命、廉价的燃料电池；实现高能量密度的车载与地面氢燃料储存设施；使用可再生能源的廉价制氢工艺技术有待突破。

从使用化石能源为主的时代过渡到氢燃料时代也许需要几十年甚至一个世纪。

对于发展氢燃料仍存在着不同观点。

支持者认为应该接受氢能，因为没有其他有竞争力的运输燃料替代方案。电力、生物质和化石基的合成油替代方案都不可行。

由于燃料电池汽车简化了汽车的机械、液压转动系统和生产工艺；汽车制造商就会接受燃料电池汽车技术。汽车主了解燃料电池汽车具有加速快、行车安静、维修量小等特点之后也会接受这种新型汽车。

反对氢燃料人士认为“氢能是黑色的”，因为它目前主要来自煤炭等能源。发展氢能不能迅速解决能源、温室气体问题。发展汽车用燃料电池和氢气的系统设施还面临许多技术、经济的障碍。

总之，氢燃料作为替代石油产品在节约燃料、减少温室气体排放和改善汽车性能等方面均有优点。尽管对发展氢燃料仍有争议、又难确定推广日程，及早做出发展规划和经济论证是有意义的。

(四)石油替代

世界石油资源量终将逐渐减少以致最终枯竭，石油资源匮乏是人们关注的热点问题。对于石油产量到达峰值时间，不同学者提出了各种不同论点。一些学者曾预测世界常规原油生产的峰值将在2010年到达，有的则认为常规石油产量可持续增长20--30年或更长时间。按照目前石油年产量和年增长速率预测，当石油年产量达到峰值(60亿吨)后，产量就将逐步下降。

总体形势是：(1)勘探、钻采技术进步可将更多的石油资源开发成为探明可采储量；(2)非常规石油(包括油砂沥青、特重原油和油页岩等)储量丰富，开采、炼制技术不断进步，将补充常规石油的不足；(3)替代燃料生产技术(包括风能、太阳能、生物质能等可再生能源及核能的推广应用)、非常规石油资源开采及其加工技术、天然气制油(GTL)技术、煤炼油技术(cTL)、生物质制油技术(BTL)等的发展和应用将可逐步替代部分石油资源；(4)燃料使用技术和节能技术的进步将减缓石油消费的增长。

从目前石油生产形势看，约有63个产油国的产量处在峰值后期，35个国家尚未达到峰值。世界石油产量达到峰值的时间取决于石油消费的年均增长率和科学技术的进步等条件。较高的石油资源基数会推迟峰值产量到来的时间。近几十年来，石油资源基数不断攀升，已从上世纪40年代的820亿吨，升至2000年美国地质勘探局(USGS)估算的最高值5310亿吨。

尽管石油产量的峰值有可能于本世纪中期出现(可能会推迟)，但如不未雨绸缪，届时必定会m现全球性的能源危机。人们应该认识到：至本世纪中期(2050年)，尽管石油资源将逐渐减少，如果及时、积极地采取应对措施，在石油产量达到峰值之前解决石油替代问题，那么石油资源匮乏问题将得到一定程度的化解。

中国油、气资源相对短缺，发展替代能源尤其具有重要意义，也是解决能源问题的根本途径。除了具体项目的实施需经反复地技术经济论证之外，具体发展方针、工艺路线更需要高层决策者根据国家资源条件、技术发展状况，高屋建瓴地从国家的长远规划角度和可持续发展理念出发，预测到替代能源方案三五十年的发展前景，进行统筹安排、制定替代能源发展

战略和路线，实现能源转型。

本文试图以我国资源、技术条件为基础，就发展运输燃料的宏观经济评估问题做一探讨。根据国内石油用途及使用情况，论述内容以运输燃料的替代为重点。结合我国的国情和资源状况，着重介绍煤基和生物质基的替代燃料生产技术和交通运输工具及其节能问题。抛砖引玉，供有关领导和决策者参考，其中涉及到的具体技术课题，请参阅笔者编著、即将由中国石化出版社出版的《石油替代综论》一书。

二、宏观评估的基准

(一)原料资源及其可得性

生产替代燃料的原料种类繁多，性质各异、可得性也不同。必须衡量资源量及可供应量等做出评估。

煤炭资源：中国是煤炭资源较为丰富的国家，国土资源部公布的煤炭探明可采储量为2040亿吨。全国煤炭预测资源量约为4.55万亿吨。但我国又是人均煤炭拥有量偏低的国家(中国和美国的人均煤炭拥有量分别为160吨／人和800吨／人)。

中国的煤炭消费以发电、供热(占50％)和工业用煤(包括炼焦、建材等占40％)为主；民用、农业、商业和交通运输用煤占10％。

国民经济高速发展，使煤炭消费量迅速增长，煤炭年产量已增至26亿吨。

发展煤制油(CTL)产业，需耗用大量的优质煤炭原料(每生产1吨运输燃料油，约需耗煤4吨)，应根据发电、工业和服务业发展的用煤量来综合规划替代燃料生产的煤炭可供应量。

天然气资源：是生产替代燃料、氢燃料的重要原料，我国的天然气资源相对较少。

生物质资源：包括谷物和油料植物、木质纤维素秸秆和能源作物。数据显示：中国乃至亚洲均为可再生能源(包括生物质、太阳能、风能、地热和水力)短缺地区，人均拥有量仅为100公斤(世界人均值为300公斤)。中国农业、林业生物质废料资源不足、也未建成生物能源产业。有合适水资源的荒漠地区可发展生物质能源的种植。

生产燃料乙醇和生物柴油的玉米和植物油均为农作物，不仅占用良好耕地、光合效率也低。我国的人均粮食、油料占有率均较低(人均粮食占有率仅0.38吨／人・年)，所以玉米生产乙醇和食用植物油生产生物柴油均不应是替代燃料发展方向。

中国农作物秸杆资源量约为6亿吨。扣除饲料、还田用肥料等，可供作能源资源量约折合标准煤1.7亿吨，林业废料约折合标准煤3.7亿吨。

甜高粱制乙醇是开发中的技术。茎杆中的糖分可发酵生产乙醇，榨汁后的纤维素和半纤维素也可用作生产乙醇原料。

生产薯类作物地区可以发展薯类制乙醇技术，用木薯制乙醇每亩地可产乙醇0.2吨。除了薯类的前期预处理过程与玉米原料不同外，其他工序均相近。薯类发酵的残渣营养价值较低，通常用作沼气或肥料。加工薯类淀粉的水耗量较大，污水处理难度较大。

(二)能耗与能效率

替代石油生产过程的能耗是重要的经济指标。

煤直接液化为高压高温操作、生产流程长。水电等公用工程和氢耗量均较高，生产过程综合能效率为50％左右，即使用2吨一次能源(煤)最终转化为1吨油品。

煤间接液化采用一次通过式合成流程、与联合循环发电技术相结合的联产流程是生产运输燃料油的优化路线。联产合成油的IGCC电站系统可以提高能效率(达到52％--55％，常规合成仅为42％左右)，并可降低建设投资和生产费用。

目前玉米生产燃料乙醇的能效率已达1.34。每生产1公斤高热值的燃料乙醇需消费化石能源0.34公斤(包括玉米耕种、玉米收获、乙醇生产和燃料乙醇分配)。

生物柴油的能效率为1.313。即每生产1公斤能量的生物柴油需消费化石能源0.313公斤。

所以严格说，目前的生物燃料并非完全的“绿色燃料”。

(三)环境影响与温室气体(GHG)排放

用碳基化石能源生产替代燃料造成的温室气体排放量超过原油炼制过程。以煤炭生产合成油为例，煤炭中约70％含碳在合成过程转化为CO2排入大气中，造成温室气体效应。即使采取CO2回收或填埋技术后，也仍有约10％含碳未能回收而排入大气中。

在CTL生产流程中应考虑CO2回收、利用，以解决温室气体排放问题。CTL生产过程中增加碳回收将导致过程的能效率降低2％--3％，生产成本约增长25％。建设投资也将相应增加。

以CITL为例：每吨合成油的碳排放量2--2.4吨(联产电力的合成油厂，碳排放量约相当于进料含碳量的72％--77％。CO2回收系统的碳扑集量约相当于原料煤含碳量的70％)。

替代燃料生产过程还可能造成大气污染物的排放，对局部的环境和居民健康构成危害。例如：硫氧化合物(SOX)扩散范围可达几百公里。形成“酸雨”危害土壤和农作物生产。澳大利亚曾计划发展大型油页岩工业项目，由于未能解决二恶英毒害防治问题而被迫搁置、停建。

(四)建设投资

煤炭直接液化或间接液化工厂的单位油品(吨/年)的建设投资约1.2万元，炼油能力为500---1000万吨／年的燃料型炼油厂，单位生产能力(吨/年)的建设投资约在1500--2000元。据此估算，与投资有关的折旧费、维修费用和保险费等项均相应增大，煤制油项目的固定成本约为炼油项目的6倍。

煤直接液化过程包括高苛刻度的加氢过程和大量的固体物料破碎、研磨过程；水电等公用工程能耗为20公斤／吨产品，使生产成本增高。

宏观而言，CTL项目应包括相应的采煤、铁路运输、供电及供水等公用工程设施，综合投资费用就更高了。

(五)生产成本与价格

替代燃料的生产成本与原料价格、公用工程消耗量和建设投资密切相关。由于CTL是投资密集的工业，不仅固定成本会相应增加，税率和资金回报率也应相应增加，才能促进资金积累和鼓励投资信心。考虑这些因素，CTL的投资利润率应不低于12％。

上述增加成本因素必然导致替代燃料价格上升，对石油燃料的竞争力降低。

(六)占用土地

多数生物质能源是靠光合作用、摄取太阳能获得的。发展生物质原料生产需占用大量耕地或开垦荒漠土地。就土地的“能量收获密度”而言，不同产品差别很大。粮食生产乙醇的转化效率低：单位耕地面积的乙醇产量差别很大：甜高粱：4.0；甘蔗；3.1；玉米：1.3吨／公顷。

每生产1吨生物柴油占用耕地面积(公顷)：大豆：2.7；菜籽油：1.0；蓖麻油：0.84；棕榈油：0.2。

黄连木每亩地可产生物柴油60公斤(产1吨油需占地17亩)，麻风树果可产生物柴油180公斤(产1吨油需占地5.6亩)。

微藻生物柴油每公顷可达到40--60吨产量，不需占用耕地，可利用荒漠土地，但对日照强度和二氧化

碳供应有特定要求。

(七)水资源

替代燃料生产过程需耗用一定量的水资源。直接液化CDTL的耗水指标为7--8吨／吨生成油；间接液化CITL的耗水量指标为8--10吨／吨生成油。若包括原料煤的水洗，则总耗水量可达10--12吨／吨生成油。水资源也是发展CTL工业的制约因素。中国北方是水资源短缺地区。

微藻生产生物柴油，在微藻培育过程需要补充水，可使用盐碱水或海水等非饮用水源，取决于藻类的品种。在荒漠地区发展微藻生物柴油尤其需要考虑水源问题。

三、石油替代方案

运输车辆的能耗与客货运输量、车辆的效率、使用燃料种类有关、提高运输车辆的效率对于节约燃料、减少温室气体排放均具有重要意义。

替代燃料的发展路线应与汽车发动机和汽车发展趋势相适应。从使用内燃机汽车、推广混合动力汽车(HEV)到未来的燃料电池汽车是必然的发展趋势。这一发展时程要经历较长时间和逐渐的过渡。因此，不同时期需要有不同的替代燃料发展路线。最先是解决汽、柴油和航空燃料的替代；然后是为推广插电式混合动力汽车(PHEV)或电动汽车提供电力；最终则是为燃料电池汽车提供氢燃料。

改进、提高运输车辆效率的节能效应是显著的。例如：常规内燃机汽车通过改进发动机系统、传动系统、机泵负荷、驱动系统和减低车身重量等就可提高汽车的行车效率。汽车内燃机的均匀充气压燃技术可大大节约油耗。推广HEV汽车和发展燃料电池汽车的节油效应更为显著。1公斤氢燃料就约相当于8升汽油。

按照油箱到车轮(TTW)表示的运输过程能量效率计算：常规火花塞式的汽油内燃机汽车的TTW效率为16.7％；混合动力汽油内燃机汽车为20.7％；可使燃料经济性提高24％。未来的氢气燃料电池汽车可按40％计算；燃料经济性约可提高150％。

生产替代燃料的原料包括煤炭、天然气、生物质、太阳能、风能、核能等。不同发展时期的使用的替代燃料有：液体替代燃料(替代汽油和替代柴油，燃料乙醇、生物柴油等)，然后是电力，最终是使用氢燃料。

以下按不同的原料(煤炭、天然气和生物质等)生产各类替代燃料工艺方案的宏观经济性论述如下：

(一)煤炭

在内燃机汽车时代，用煤制油技术生产液体替代燃料的两种工艺均有在进行产业化示范的项目。国内具备了煤制油技术的工程设计和建设能力

在油价较高、煤炭价格相对较低的条件下，在煤资源丰富地区适合建设煤制油工厂。

煤制油是投资密集的产业，还需要配套建设相应规模的煤矿、交通运输和公用工程系统设施。全系统的综合投资可能高于深海天然石油、非常规石油的开发，做好CTL建设项目的综合宏观技术经济论证是必要的。

煤制油过程造成了温室气体排放效应，需要采用CO2回收和埋存技术以减少排碳。建设减排设施将降低过程的能效率，还将导致每吨油品增加上千元的减排费用。

1、煤直接液化(CDTL)技术

国内建设的CDTL项目，在工艺流程、工艺设备和控制技术等方面均有改进和创新；已进展到大型工业示范阶段。

CDTL为高压加氢技术，工艺特点是使用高压、高温工艺设备，操作条件苛刻；耗用大量氢气。汽油质量好、柴油十六烷值低，需经过调合才能出厂

2、煤间接液化(CITL)技术

国内正积极推动CITL技术的产业化，已建设了3个示范厂。

主要优点：生产洁净的成品油、柴油质量好；生产费用低于CDTL，适合于在生产过程中回收C2。

主要缺点：工流程较长；能效率较低(常规流程42％，联产电力较高、约50％--55％)，石脑油不适合制造汽油，而适合用作裂解(生产乙烯)的原料。

由整体燃气化联合循环(IGCC)发电与合成工艺组成的油一电联产系统可扩大生产规模、提高系统能效率(55％)，相应降低建设投资。

发展合成油工厂的几个技术问题：

①由大型煤气化炉、先进合成技术和IGCC发电系统组成的联合工厂在工程建设和生产运行上均缺乏经验。

②联合工厂耗水量大，(用水指标约为8--12吨／吨合成油)，污水处理和对地下水源污染问题也值得关注。

③煤矿规模应与合成油工厂配套，生产规模为年产合成油300万吨合成油厂，年耗煤量为1500---1600万吨(包括发电和燃料用)，需要配置大型煤矿基地。国家应根据资源条件配合电厂扩建考虑建设油电联产企业。

④温室气体排放问题：每吨合成油的碳排放量2--2.4。

3、煤电为电动车提供能源需要采用洁净的煤燃烧技术提高发电的效率。IGCC煤发电技术的能效率达40％。建设投资较高(约8000元／kW)

4、煤制氢：在氢燃料推广初期将以煤制氢为主要方式。采用先进技术的大型煤制氢工厂，氢燃料成本就可降到燃料电池汽车可接受的水平

(二)天然气

近年来我国天然气资源量有了较快增长。但是，目前国产天然气量和进口液化天然气数量仍不能满足城市民用燃料和调峰发电的需要。考虑到资源可得性和原料价格等因素，应慎重评估建设天然气制油(GTL)项目的技术经济可行性。

(三)生物质

在内燃机汽车时代，生物质替代燃料的主要发展路线为燃料乙醇、生物柴油、微藻柴油和生物质制油等项。

1、燃料乙醇

(1)纤维素生物质生产燃料乙醇。纤维素(如秸秆)制燃料乙醇技术：用农业秸秆或能源作物生产燃料乙醇可望于5--10年内实现工业化。纤维素制乙醇的技术课题是提高纤维素水解效率、降低纤维素酶的成本、开发木糖发酵用的微生物菌种和优化生产过程，如果这些关键技术能在今后10年内取得突破性进展，2020年将有可能达到替代率达到20％的水平。开发中的技术包括：

①开发水解用的纤维素酶：纤维素酶是由具有不同功能多种酶的重组体。美国研发目标是降低酶的生产成本(把酶的有效成本从170美元／吨乙醇降低lO倍，达到17美元／吨乙醇)、提高酶的比活性。近期把纤维素酶的比活性提高3倍(相对于Trichodermareesei系统)，最终目标是把酶的‘比活性’即生成效率提高10倍，我国也应制定相应的目标。

②糖类发酵用的微生物：为了实现秸秆生产乙醇技术的工业化，需采用DNA重组技术开发出一种新的微生物重组体，以便可以同时将葡萄糖、木糖和阿拉伯糖发酵为乙醇。研究发现：植入几种DNA基因体的发酵单胞菌可以同时进行葡萄糖、木糖和阿拉伯糖的发酵。已经开发出了具有乙醇产率高、可在低PH值条件下发酵、副产物产率低的菌种；适合于工业生产使用。

③联合流程：为了将纤维素生物质完全转化为乙醇需要采用联合发酵流程。使用可以同时将葡萄糖、

木糖和阿拉伯糖发酵为乙醇的微生物，在生产上可降低耗电量；减少冷却水用量；将发酵罐生产能力从2.5克／升小时提高至5克／升小时，从而可以大大降低发酵罐的容量，降低建设投资。

(2)粮食生产乙醇不是发展方向，这是因为：粮食作物的光合作用的效率低；粮食生产乙醇的转化效率低：单位耕地面积的乙醇产量(吨／公顷)：甜高粱为4.0；甘蔗为3.1；玉米为1.3；中国的可耕地面积少，人均粮食水平偏低(仅约为0.38吨／人・年)。

(3)其他原料：非粮乙醇生产技术研发现状。甜高粱：具有不占用耕地和光合效率高、抗旱、耐涝耐盐碱等特性。每亩地可收获鲜茎杆4--5吨。茎杆的榨汁作为发酵制乙醇的原料。目前，茎秆的储存、防止霉化变质和木质纤维素利用等技术问题尚未解决。薯类：在盛产薯类地区可适当发展燃料乙醇的生产。

2、生物柴油

2006年世界生物柴油总产量约为750万吨，相当于680万吨(油当量)。

生物柴油的原料种类繁多。除了食用植物油外、发展木本油料作物、回收餐饮废油等非食用油资源是发展生物柴油的方向。 发展生物柴油工业，需要为副产甘油开发新的用途。生产环氧氯丙烷、1，3-丙二醇可供选择。

植物油经过加氢处理生产绿色柴油是第二代生物柴油工艺。产品具有高十六烷值(80)、超低硫含量和不含芳烃等特点。国外已建成了工业生产装置。此类装置适合于建在炼油厂内部以充分利用已有的供氢和水电供应设施。

10万吨／年生物柴油工厂的建设投资约3亿元左右，折合单位能力的建设投资指标为3000元／吨／年。

以大豆油为原料生产生物柴油工厂的生产成本与植物油原料价格密切相关。大豆价格为3000元／吨和4000元／吨时，生物柴油生产成本分别约为4700元／吨柴油当量和5100元／吨柴油当量。

3、微藻柴油

美国等国家已经对微藻生产生物柴油课题进行了近30年的开发研究，经过实验室和户外研究，已经在优选藻类品种、光合作用机理、培育方法和条件、培育水池构造等方面取得成果。一些公司正在积极从事“露天微藻培育水池”和“微藻光生物反应器”的开发，推动微藻柴油的工业化生产。

微藻生产生物柴油的工业化取决于地区拥有的资源条件、微藻生产技术和工艺设备的开况。

资源条件主要包括：气候和日照条件、C2和营养物的来源；微藻柴油工厂应靠近炼油厂、发电站、油田天然气田以便就近取得CO2；可用的水源，微藻培育过程需要补充水，可使用盐碱水或海水，取决于藻类的品种。

微藻培育：培育微藻设施已经研制了光生物反应器和露天培育水池两种方案。在建设投资和运行上各有优缺点，均处于研究、开发阶段。尚未进入工业示范阶段。

微藻生产技术包括微藻收获、生物质干燥、提取生物油等过程，均为开发中的技术。

微藻柴油的主要优点是单位土地面积产率比用植物油生产柴油高出几十倍，且不占用耕地。但在土地上布置大面积的开放式培养池或密闭式光生物反应器，需要巨额投资。

4、生物质制油(BTL)

国外已开发成功了木质纤维素两段气化生产合成气技术，并已建成了合成气生产运输燃料的示范装置。

生物质制油包括生物质气化和合成2个工序，系统热效率较高(50％--55％)。但生物质原料的集运困难，考虑适宜的原料收集半径，BTL生产规模以年产生物油≤10万吨为宜。BTL单位投资约为1.5--1.8万元／吨／年，高于CTL。

5、生物质发电厂

规模为25--50MWe热效率(28％)，远低于大型IGCC燃煤电厂。建设投资也高于后者。

生物质发电改为煤一生物质混烧具有减少排碳效应，是更适宜的组合。

四、对比方案

石油替代的宏观规划存在诸多的不确定因素，除了应反复论证、及时修订外，尤其需要根据资源、工艺路线和目的产品等条件做出不同方案的横向比较，才能得出较为切合实际的发展方针、路线。

许多一次能源(如煤、天然气、生物质和微生物)都能通过CTL、GTL、BTL和AGL(微藻制油)等技术路线转化为烃燃料，但它们同时也可是发电(CTE、GTE、BTE)的原料。从而可组成不同的横向对比方案。例如：既可引出诸如煤发电一生物质制油与煤制油一生物质发电的两组宏观对比方案。又可引出(用太阳能的)微藻制油一煤发电与煤制油一太阳能发电两组宏观对比方案。另外，电力汽车的能耗低于内燃机汽车，于是，从原料煤开始，可以有煤制油、煤发电两组对比方案，从中可以看出发展电动汽车对社会和消费者的节约效应。实例说明如下：

(一)煤或生物质交叉生产电力或运输燃料

设定煤制油―生物质发电和生物质制油―煤发电两组方案。煤制油和生物质制油规模均为年产运输燃料油100万吨；或是用煤、生物质为发电燃料，进行两组方案的对比。原料年消耗量分别为：煤炭330万吨，生物质原料600万吨。综合比较主要结果如下：

能效率：BTL的能效率(48％)略高于CTL(42％)。生物质发电能效率(28％)低于IGCC燃煤发电(40％)：

建设投资：BTL规模较小，单位建设投资比CTL高(约20％)。原料煤量同等的CTL31)--投资(140亿元)高于煤IGCC发电厂投资(110亿元)；

生产规模：生物质大规模集中运输困难，BTL只能到年产10万t级规模，生物质发电厂规模在25--50MWe之内；

环境效应：CTL的温室气体排放率为石油炼厂的1.8倍，煤―生物质联合制油(CBTL)的GHG排放率仅相当于原油炼制过程的20％，故环境效益好于CTL；

生物质发电改为煤―生物质混烧也是合理的组合。

(二)电动汽车和汽油汽车的能效率对比

实质上是CTL-煤发电的能效率对比。

HEV汽车可将回收的动力转化为电力再利用，插电式混合动力汽车(PHEV)可直接用电力替代汽油。若常规内燃机汽车每百公里耗油量按7.2升计、电动汽车耗电量按18kWh计，则相应的油-电当量为：2.5kWh电力可替代1升汽油。

若汽油和电力均为来自煤炭，上述事例既说明先进交通运输工具的节能意义，又表明不同煤炭利用路线的经济性。说明如下：

暂按4.0kWh电力替代1升汽油计算，即5.4MWh电力(即1kW装机容量)相当于1吨汽油。可以就CTL和煤发电两条工艺路线，从原料消耗和能效率、投资和社会效益等方面对比，生产同等数量燃料的效果作出如下比较：

煤耗和能效率：CTL生产1吨燃料需耗用标准煤3.5吨，综合能效率为45％；IGCC煤发电生产5，4MWh电力耗用标准煤1.8吨，能效率为40％；生产等量运输

燃料的耗煤比率为制油：发电=1：0.51。 建设投资：CTL工艺，1吨生产能力的建设投资约为1.4万元；1KW发电能力的IGCC电厂建设投资约为0.8万元；燃煤电厂投资大大低于CTL技术。

消费者收益：驾驶PHEV汽车按每年节约汽油0.5万元、支付电费0.24万元，净节约燃料费0.26万元；购车差价按2万元计算。则增加购车费的静态回收期达8年。为推动“以电代油”，国家应实施购买PHEV汽车的优惠政策。

环境效应：PHEV汽车可实现零碳排放。GHG效应优于汽油车。

(三)2种原料―2种产品交叉方案

太阳能是地球一次能源的唯一来源，可采用塔式集热技术发电、也可为微藻生物柴油的生产提供光合作用的光源。煤炭可用作CTL技术生产燃料油的原料、也可用作IGCC技术的发电燃料。这就可组成煤制油―太阳能发电(方案甲)和微藻柴油―煤发电(方案乙)两组对比方案。

以年产替代燃料100万吨为基准，CTL制油和发电用煤量相等。设定太阳能集热发电规模与煤发电相等。进行此两组方案的技术经济比较。主要结果如下：

a)相同煤加工量的煤制油投资(140亿元)高于IGCC煤发电(110亿元)。

b)煤制油能量转化效率(45％)高于IGCC煤发电(40％)；但如上所述，电代油具有节能效应。

c)太阳能塔式集热发电按峰值计算达70GWP，折合年均20GW，投资高(280亿元)(应还有降低空间)；微藻柴油尚未建成工业装置(全部按高效的光生物反应器估算投资约为300亿元)。两者的投资均为数量级估算，投资额接近。

d)同等规模的微藻柴油工厂建设投资大大高于CTL。

e)微藻柴油―煤发电组合方案有利于电厂烟气的C02利用。

f)太阳能集热发电、微藻柴油均需占用大量土地。适合于建在光照条件好、地势平坦的荒漠(微藻需有水源)地区。

g)根据数据粗略估算；方案甲的经济性好于方案乙。

五、小结

1、煤制油技术基本成熟，是正在进行产业化示范的技术。煤制油的发展规模受到煤炭的可供应量(煤炭是发电和工业的重要燃料；我国煤矿产能已位居世界第一)和石油价格趋势等因素的约束，只能适度发展。在地区规划的基础上宜通过论证及早确定全国发展规模，不宜各行其是。预期中远期的石油替代规模约可相当于“一个大庆”。

2、油砂沥青和特重质原油约占世界原油资源总量的一半，油页岩也是重要的非常规石油资源。预计今后20--30年期间，非常规石油生产将有较大的发展以补充常规石油的短缺。预测表明：2030年非常规原油的产量将可增长至占世界石油总产量的10％左右。我国拥有油页岩炼油工业基础，发展油页岩工业需要改进加工、炼制技术，提高生产规模，解决环保技术问题。

3、生物质制油发展规模受资源可得性、资源综合利用等因素的约束。发展生物质能源作物的种植、充分利用生物质废料(秸秆、林业废料、生物垃圾)，在发电、制油和其他用途优化利用、综合平衡的基础上，可考虑用3亿吨原料生产替代燃料0.5亿吨(石油当量)作为中远期的发展目标。

4、替代燃料生产过程中考虑温室气体减排设施是发展趋势。二氧化碳的回收、输送与封存将造成生产成本增加。这项工作已经成为世界关注的大事，涉及很多产业部门和学科，需要长期的调查与研究试验工作，为此相关的前期论证工作宜尽早开展。

生物燃料技术篇6

效益。本文就BCS技术在本公司的实际运用情况进行简要的分析。

关键词：燃烧优化控制 锅炉 生物质直燃发电 经济运行

中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0003-02

Abstract：In recent years， the rapid development of China's biomass power generation industry， In the running process of the entity enterprise has appeared in many of the bottleneck problem. Especially the DCS control system technology is the platform design of coal-fired units， There is not a specifically for biomass direct fired boiler DCS system design. The enterprise in order to solve this problem to introduce the general use of combustion optimization control technology （BCS） This technique in the application process of the enterprise， truly reflect the superiority and practicability of this technology， Let the enterprise received tangible benefits. In this paper， the BCS technology in the practical application of this company carries on the brief analysis.

Key Words：Combustion Optimization Control； Boiler； Power Generation of Biomass Direct Combustion； Economic Operation

BCS是“通用燃烧优化控制技术”的英文缩写。BCS基于各种燃烧器最基本的测控仪表，采用先进的软测量技术、多变量解耦技术、过程优化控制技术、故障诊断与容错控制技术及先进的软件接口来实现燃烧器的全自动优化运行，从而使燃烧器达到安全运行、稳定运行和经济运行的目的，是集科学性、通用性、先进性、实用性、安全性与经济性于一身的燃烧优化控制技术。我们企业是国内首个拥有完全自主知识产权的国产化生物质直燃循环流化床锅炉发电示范项目，也是国内首个被联合国批准的生物质直燃CDM项目。企业立足于现有锅炉的工艺、设备、和操作条件下，通过实施优化控制来使其燃烧效率最大化，各项损失达到最小化。

自循环流化床燃烧技术出现以来，循环床锅炉在世界范围内得到广泛的应用，循环流化床锅炉运行的低成本实现了严格的污染排放指标，同时燃用劣质燃料，在负荷适应性和灰渣综合利用等方面具有综合优势，为节能环保提供了一条有效的途径。但是CFB锅炉的燃烧过程是一个多输入、多输出的复杂系统，特别是生物质直燃的循环流化床锅炉，其时变性、非线性和关联性都非常强，很难建立精确的数学模型，因此选用常规的控制方法解决本企业生物质直燃循环流化床锅炉的自动控制问题变得非常困难。本文通过对本企业生物质直燃CFB锅炉增加燃烧优化控制系统实现锅炉的自动燃烧控制，提取DCS的相关数据，利用软件包发指令到DCS来实现燃烧系统优化控制，采用相关技术建立锅炉燃烧控制回路的相关模型，减少能源消耗，确保生物质燃料耗均降低2%以上，达到节能增效的目的，同时减少了运行人员在这些回路中的工作量，另外本企业的生物质直燃循环流化床锅炉还担负着对外每小时40吨的供汽流量，通过燃烧优化控制系统实现锅炉主蒸汽压力运行更平稳，有利于锅炉连续长周期运行，也有利于整个蒸汽管网的平稳运行。

BCS在本企业的成功应用也是经历了很长的试验、修改、再试验和再修改的过程，最终在技术提供方和本企业的技术人员共同努力下实现了目前稳定的运行状态，为我们企业解决了一些非常严重的瓶颈问题：

（1）BCS自动燃烧优化技术使锅炉燃烧效率提高了1%～3%，锅炉各种运行曲线明显优化，床温曲线和主蒸汽压力、温度曲线最为明显。在没有运用BCS系统之前主要依靠人为的手动在DCS界面上实现操作，对各种参数的变化趋势判断明显不够及时，再者人工调节要逐个对变化的参数进行调节，这就是人工操作的弊端，不能实现对多个参数执行同步调节，往往会出现调节滞后的问题，但这一问题在BCS应用上基本得到了解决，在系统上实现了各个参数变化同时采集信息并且同步进行协调修正各种参数，在采集和修正的同时发出调节控制指令实现各部阀位的在线同步调整，使个参数始终保持在一个最为优化的状态下运行。在实现多参数同步调节的同时，BCS系统还运用模拟计算功能实现需要调节的各项参数之间互相修正调整数值，保证各项参数不会出现过调的现象，缩短了参数修正时间，优化燃烧过程，提升了锅炉的运行效率。

（2）在很大程度上BCS自动燃烧优化技术保证了生物质燃料的充分燃烧和稳定燃烧，有效地解决了烟囱冒黑烟和粉尘过量生成的环保难题。锅炉运行过程中进入炉膛燃烧的生物质燃料品种复杂，各种热值和水份的燃料掺混在一起使燃料成份多变化，依靠人工调节给料很难实现炉膛床温和给料量的最佳配比，这样就很难实现燃料在炉膛内的充分燃烧。通过BCS控制系统的介入，通过炉膛入口前的在线燃料检测装置给出的燃料分析模拟值结合炉膛床温值和风量的配比值进行计算，给出一个合理的燃料给量，通过这一个量向给料螺旋下达指令，给出最佳的给料量，使燃料在炉膛内完成最充分的燃烧过程。只有实现充分的燃烧才能使燃料得以有效利用 ，明显使飞灰含碳量降低由原来的4左右%降到2%左右，实现经济效益最大化。

（3）极大地降低了运行工人的劳动强度，它打破了DCS操作系统长期以来基本处于人工操作的局面，消除了运行过程中容易出现的监控判断盲区，参数监控更加全面、及时，同时大大降低了需要人工干预调整出现误操作的可能性，安全生产效率显著提高。

（4）明显体现出BCS自动燃烧优化技术使锅炉生产运行更加平稳和更加安全。运用优化技术控制进行运行的锅炉经过一个运行周期后，停役检修时对受热面情况检查与过去对比发现明显的变化，受热面清洁程度和磨损状况得以明显改观，呈现良性变化趋势，热交换效率得以提升，排烟温度得到优化降低，设备出力提升，效率提升。

鉴于以上各种问题的逐一解决，我们企业收到了一定的实效，为企业增加了相当的收益，实现锅炉的全自动优化控制，使烟囱黑烟消失，炉膛温度控制精度在90%时间为±5℃，减少有害气体排放，更突出的实现断燃料故障快速报警并全自动处理断燃料故障造成的波动，是我们企业生物质直燃锅炉的单位生物质燃料耗降低0.2～0.3公斤每千瓦时。按照本企业当前的生物质燃料收购价格270元/吨和一年1.4亿的上网电量计算，年收益在750万元左右，该项技术在本企业的应用投资回收期为4～6个月时间。

生物燃料技术篇7

燃料电池是一种不经过燃烧而以电化学反应方式将燃料的化学能直接变为电能的发电装置，可以用天然气、石油液化气、煤气等作为燃料。也是煤炭洁净转化技术之一。按电解质种类可分为碱性燃料电池（afc）、磷酸型燃料电池（pafc）、熔融碳酸盐燃料电池（mcfc）、固体氧化物燃料电池（sofc）、质子交换膜燃料电池（pemfc）、再生氢氧燃料电池(rfc)、 直接醇类燃料电池（dmfc），还有如新型储能电池、固体聚合物型电池等。

氢和氧气是燃料电池常用的燃料气和氧化剂。此外，co等一些气体也可作为mcfc与sofc的燃料。从长远发展看，高温型mcfc和sofc系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径。我国丰富的煤炭资源是燃料电池所需燃料的巨大来源。

燃料电池具有高效率、无污染、建设周期短、易维护以及成本低的诱人特点，它不仅是汽车最有前途的替代清洁能源，还能广泛用于航天飞机、潜艇、水下机器人、通讯系统、中小规模电站、家用电源，又非常适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，还能解决电网调峰问题。随着燃料电池的商业化推广，市场前景十分广阔。人们预测，燃料电池将成为继火电、水电、核电后的第四电方式[1]，它将引发21世纪新能源与环保的绿色革命。

1，中国燃料电池技术的进展

“燃料电池技术”是我国“九五”期间的重大发展项目，目标是，利用我国的资源优势，从高起点做起，加强创新；在“九五”期间，使我国燃料电池的技术发展接近国际水平。内容包括“质子交换膜燃料电池技术”、“熔融碳酸盐燃料电池技术”及“固体氧化物燃料电池技术”三大项目[2]， 其中，用于电动汽车的“5kw质子交换膜燃料电池”列为开发的重点。此项任务由中国科学院及部门所属若干研究所承担。所定目标业已全部实现。

在质子交换膜燃料电池（pemfc）方面，我国研究开发的这类电池已经达到可以装车的技术水平，可以与世界发达国家竞争，而且在市场份额上，可以并且有能力占有一定比例[1]。我国自把质子交换膜燃料电池列为"九五"科技攻关计划的重点项目以后，以大连化学物理研究所为牵头单位，在全国范围内全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，取得了很大进展，相继组装了多台百瓦、1kw-2kw、5kw、10kw至30kw电池组与电池系统。5kw电池组包括内增湿部分,其重量比功率为100w/kg，体积比功率为300w/l。质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200瓦电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5kw移动通讯机站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5kw电池组构成的30kw电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源。装车电池最大输出功率达46千瓦。目前该车最高时速达60.6km/h，为燃料电池电动汽车以及混合动力电动汽车的发展打下良好的基础。该电池堆整体性能相当于奔驰、福特与加拿大巴拉德公司联合开发的mk7质子交换膜燃料电池电动车的水平[3]。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。

在熔融碳酸盐燃料电池（mcfc）方面，我国已经研制出α和γ型偏铝酸锂粗、细粉料，制备出大面积（大于0.2m2）的电池隔膜，预测隔膜寿命超过3万小时。在进行材料部件研究的基础上，成功组装和运行了千瓦级电池组。

在固体氧化物燃料电池（sofc）技术方面，已经制备出厚度为5-10μm的负载型致密ysz电解质薄膜，研制出一种能用作中温sofc连接体的ni基不锈钢材料。负载型ysz薄膜基中温sofc单体电池的最大输出功率密度达到0.4 w/cm2, 负载型lsgm薄膜基中温sofc单体电池的最大输出功率密度达到0.8w/cm2。这些技术创新为研制千瓦级、十千瓦级中温固体氧化物燃料电池发电技术的研发奠定了坚实基础。

2，国外燃料电池技术发展迅猛

燃料电池是新世纪最有前途的清洁能源，是替代传统能源的最佳选择。因此，燃料电池技术的研究开发受到许多国家的政府和跨国大公司的极大重视。美国将燃料电池技术列为涉及国家安全的技术之一，《时代》周刊将燃料电池电动汽车列为21世纪10大高技术之首；日本政府认为燃料电池技术是21世纪能源环境领域的核心；加拿大计划将燃料电池发展成国家的支柱产业。近十年来，国外政府和企业在燃料电池方面的投资额超过100亿美元。为开发燃料电池，戴姆勒－克莱斯勒公司一家近年来每年就投入10亿美元，丰田公司的年投资额超过50亿日元[4]。

欧、美发达国家和日本等国政府和企业界都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，并且已取得了许多重要成果，pemfc技术已发展到实用阶段，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。2mw、4.5mw、11mw成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，用于国防、航天、汽车、医院、工厂、居民区等方面；各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，其中，国际燃料电池产业巨头加拿大巴拉德公司筹资3.2亿美元，建成的燃料电池厂已于2001年2月正式投产。美国和欧洲将成批生产低成本的家用供电－供暖燃料电池作为最近的开发计划。目前，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正快速进入工业化规模应用的阶段。

目前，车用氢燃料电池已成为世界各大汽车公司技术开发的重中之重。迄今为止，世界6大汽车公司在开发氢燃料电池车上的开发费用已超过100亿美元，并以每年10亿美元的速度递增[5]。1997年至2001年，各大公司研制出的车用燃料电池就达41种。

3，我国开发燃料电池技术相对乏力

我国研究燃料电池有过起落。在20世纪60年代曾开展过多种燃料电池的实验室研究，70年入大量人力物力开展用于空间技术的燃料电池研究，其后研究工作长期停顿。最近几年，我国才开始重新重视燃料电池技术的研究开发，并取得很大进展。特别在pemfc方面，达到或接近了世界水平。但是，在总体上，我国燃料电池的研究开发刚刚起步，仍处于科研阶段，与国外相比，我国的燃料电池研究水平还较低，我国对燃料电池的组织开发力度还远远不够。作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，开发以煤作为一次能源的高温型mcfc和sofc具有特别重要的意义。但是我国在mcfc、sofc研究方面与国外的差距很大，要实现实用化、商业化应用还有很长的路要走。迄今为止，我国还没有燃料电池发电站的应用实例。这和我国这样一个大国的地位很不相称。尽管国家也将燃料电池技术列为"九五"攻关项目，国家和企业投入的资金却极为有限，年度经费仅为千万元量级人民币，与发达国家数亿美元的投入相比显得微不足道；承担研究任务的也只是中科院等少数科研院所，且研究力量分散，缺少企业的介入，难以取得突破性进展，尤其是难以将取得的研究成果进行实际应用试验，以形成产业化趋势。从表1所列国外燃料电池的研究和开况看，欧、美国家和日本等大多是以公司企业为主在从事燃料电池的研究开发和制造生产，而且规模很大，例如，仅加拿大的ballard一家公司的资产就达10亿美元。

4，大力发展燃料电池技术势在必行

从世界燃料电池迅猛发展的势头看，本世纪头十年将是燃料电池发电技术商品化、产业化的重要阶段，其技术实用性、生产成本等都将取得重大突破。预计燃料电池系统将在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景，潜在市场十分巨大。可以预料，分散电源供电系统——燃料电池发电厂必将在21世纪内取代以“大机组、大电网、高电压”为主要特征的现代电力系统，成为电力行业的主力军。而燃料电池的普遍推广应用，必将在能源及相关领域引发一场深刻的革命，促进新兴产业的形成，带动国民经济高速发展。能源领域的这场革命是我国政府、企业、科研院所、高等院校不得不正视的课题，我们对此必须有充分认识并给予足够的重视。我们应该准确把握这场革命所带给我们的机遇，毫不迟疑地投入足够的人力、物力、财力，推动燃料电池发电技术的研究开发和应用工作，使之早日实用化产业化，为我国的国家能源安全和国民经济可持续发展服务。

国家计委在1997年提出的中国洁净煤技术到2010年的发展纲要中，已把燃料电池列为煤炭工业洁净煤的14项技术重点发展目标之一[6] 。在“十五”科技发展规划中，燃料电池技术被列为重点实施的重大项目[7]。

鉴于世界燃料电池发电技术的发展迅猛、市场广阔的前景和我国长远发展的战略需要，国家科技部、国家计委、国家经贸委应该联合制订我国燃料电池发电技术的发展规划，既要组织有关高等院校、科研院所积极攻关，更要引导国家电力公司、石油集团、石化集团及汽车、机械制造等工业企业热情参与，集中力量，加大人力、物力、财力的投入，急起直追，共同推进燃料电池发电技术的研究开发。在具体做法上，我们应从高起点起步，整机引进国外的燃料电池发电设备，可先引进规模较小的电池堆。在努力消化吸收的基础上，积极创新，这样可以使我们更快地掌握高技术，有利于加快我国燃料电池电站技术的发展。

生物燃料技术篇8

主题词：清洁燃料、、活化油、HS活化技术、节油、环保。

面对日益严重的环境污染，全世界都在期盼着清洁燃料能够早日普及。目前公认的清洁燃料主要包括：气体燃料（天然气、液化气、氢气）、合成氢燃料（煤制油、天然气合成油）、醇类燃料（甲醇、乙醇）、生物柴油和乳化燃料。其中，使用最广泛的是压缩天然气、液化天然气和液化石油气以及掺水乳化燃料。同时，从节能的角度，清洁燃料也是替代燃料，同样具有十分重要的战略地位。所以，我国《节约和替代燃料油“十五规划”》指出：节约和替代燃料油是解决我国石油资源短缺，缓解石油供需矛盾，保障国家经济安全的重大战略措施。

清洁燃料要普及推广，就必须明了并解决以下问题：

一、

醇类燃料

1、甲醇汽油。由于甲醇对发动机及其他部件的防腐橡胶材料有较大影响，因此，除要求提高发动机压缩比外，还应对发动机进行改造或更换材质，以解决甲醇汽油的腐蚀问题；另外，甲醇为神经毒物，具有显著的麻醉作用。

2、乙醇汽油。我国从2001年起在河南、吉林两省进行了乙醇汽油的推广试点，结果不很理想。除了热值较低原因外，更主要的是由于乙醇与汽油不能直接混合，按照传统工艺生产，成本较高，且操作复杂，产品稳定性也很不理想。

二、

气体燃料

天然气、液化气。天然气和液化气是目前使用较多的两种气体替代燃料，在北京、广州、上海、深圳等城市已经使用它们；但由于技术原因，机动车使用天然气，减少了新鲜空气进入气缸的量，导致了发动机功率下降；此外，天然气含有微量的H2S，会对发动机造成腐蚀，使发动机寿命减短。液化气在使用过程中，存在蒸发器或过滤器堵塞、低温启动性差等问题。更重要的是：天然气、液化气续驶里程短，不能充分利用现有的燃料储运、分配、销售系统，需要建立各自独立的储运、销售网络。尤其是天然气，需要建立长距离的输送管道，很大程度上限制了气体燃料的推广运用。

氢气具有高热值、无污染的优点，但是其制备、储存、运输和使用都存在许多技术难题一时无法解决，加上成本太高，近十年内不可能普及。

三、合成氢燃料

1、 煤制油。煤制油技术发展已经半个多世纪，通过加氢液化制造成“二甲基醚”类，目前技术比较成熟。但是，成本高，难以推广。

2、 天然气合成油。同样面临成本高的问题。

四、

生物燃料

就是利用各种油料植物提炼的燃料油脂。目前，有报道说国外已经成功培育了一种生长在干旱地区的油料植物，其提炼油可以替代柴油。从长远看是可行的，但是不可能在短期内奏效。

五、

乳化燃料

乳化燃料主要是将汽油、柴油、重油等燃料与水或醇类等按一定比例混合，通过特殊工艺并添加乳化剂制造的乳化油。具有显著的减污和节能效果。因此我国也大力提倡并推广。但是，传统技术生产的乳化燃料始终离不开添加剂，因此直接导致：1、成本高；2、储运补充难；3、油水比例固定难以适应内燃机的各种工况。此三大难题成为阻碍掺水乳化燃料在世界普及的瓶颈。

通观清洁燃料的现状，可以看出，如果不能对应地解决上述问题，清洁燃料是难以替代传统燃料的。

如今，随着HS活化燃料在线合成技术横空出世，上述存在技术、成本等诸多影响普及问题的清洁燃料，相形见绌，HS活化燃料成为最经济最有效同时最易推广的清洁燃料。理由如下：

l

利用HS技术装置对纯油进行在线“活化”处理，使之生成大量“自由基”，因此燃烧更充分 。

l

燃油总成本降低5-12% 。

l

减污50%以上。

l

有利于降低最高火焰温度，切断了NOx的生成练。

l

无须改动内燃机结构。

l

保留原供油系统，并且可以随时在纯油和HS活化油之间瞬间切换。

l

HS活化油不需要储存。

l

如常加油，无须改变传统的加油方式和储运系统。

l

可以根据工况灵活改变活化燃料成分比例。

l

活化燃料的成分由纯油、其他燃油或水等二元或三元组分按特定比例组成。

l

可以实现自控、遥控和集控。

l

可以与各种燃烧器配套。

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使用方便、安全可靠。

l

体积小、重量轻。

l

成本低。平均每生产1 吨HS活化燃油仅仅耗电20度！

l

推广易。

l

具有独立的知识产权。