生物燃料行业研究篇1

关键词：燃料电池；分类；研究；应用现状

引言

国际能源界预测，本世纪氢能将得到广泛的应用，而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池是继水力、火力、核能之后的第四电装置，它是可以替代内燃机的动力装置。燃料电池具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点，已成为当今世界能源领域的开发热点。

1基本原理

普通电池是将电池内部的化学能转变成电能，而燃料电池是将电池外部的燃料（氢和氧）通过反应，将其释放的能量转变成电能输出。燃料电池外部的燃料存储系统是一个活动装置，可以方便地更换和补充燃料。

燃料电池的基本原理是水的电解的逆反应。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质组成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气），在电极上常使用催化剂（例如白金）来加速电反应。氢在负极分解成正离子h＋和电子e。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

2燃料电池的种类及其特点

2.1质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcells—pemfc)

该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（如白金），其两侧分别供应氢气及氧气。由于pem燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80℃～100℃之间，安全上的顾虑较低；其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。pemfc是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。22碱性燃料电池(alkalinefuelcells—afc)

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。

2.3磷酸型燃料电池(phosphoricacidfuelcells—pafc)

因其使用的电解质为100％浓度的磷酸而得名。操作温度大约在150℃～220℃之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

2.4熔融碳酸盐燃料电池((moltencarbonatefuelcells—mcfc)

其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍。操作温度约为600℃～700℃，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体。此型燃料电池，不需要贵金属当催化剂。因为操作温度高，废热可回收再利用，其发电效率高达75％～80％，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。

2.5固态氧化物燃料电池(solidoxidefuelcells—sofc)

其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化钇，稳定度较高，不需要催化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000℃，废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60％左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。

2.6直接甲醇燃料电池（directmethanolfuelcells—dmfc）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40％左右。其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。

2.7再生型燃料电池（regenerativefuelcells—rfc）

再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池。目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局（nasa）正在致力于这种电池的研究。

2.8锌空燃料电池(zinc－airfuelcells—zafc)

利用锌和空气在电解质中的反应产生电。锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔。目前metallicpower和powerzinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。

2.9质子陶瓷燃料电池(protonicceramicfuelcells—pcfc)

这种新型燃料电池的机理是：在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。protoneticsinternationalinc.正在致力于这种电池的研究。

3燃料电池的研发和应用现状

燃料电池技术在全球的开发极为活跃。全世界约有20多个国家的上千家公司和机构投入巨额资金从事燃料电池的研究和商业化工作。目前，已有2500多个燃料电池系统安装在世界各地，为医院、托儿所、宾馆、办公楼、学校、机场和电厂等提供基本的和备用的电力供应。

美国是研究燃料电池最早的国家，处于该领域的领先地位。早在上世纪60年代初，nasa为解决航天飞机中普通电池过重的问题而开始研究新的动力装置。之后的几十年中，能源部（doe）、电力研究所（epri）和气体研究协会（gri）等部门都投入了大量的人力和财力进行研发。目前，碱性电池长期被nasa采用；磷酸型电池技术也相当成熟，已有广泛的商业化应用。2mw的熔融碳酸盐电池已投入运行，西屋（westinghouse）公司100kw固体氧化物电池也已在荷兰安装。

日本在30多年前就开始燃料电池的研究，近年来成果尤为显着。开发重点集中在磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型3大类。容量达11mw的磷酸盐发电装置也已在东京电力公司投运，效率达43.6％，熔融碳酸盐型已经运转的有2mw级装置。另外还建立了许多宾馆、医院用的100kw级的磷酸型现场发电电池系统。

欧洲各国燃料电池开发较美国、日本为晚。早年主要兴趣在碱性电池，随着燃料电池技术的发展，其优越特性逐渐为人们所认识，欧洲各国也加快了燃料电池技术的引进开发。荷兰、意大利、德国、西班牙等国分别完成10kw、100kw、280kw级碳酸盐型电池的开发，德国和瑞士分别进行了7kw和10kw级固体氧化物电池的开发；意大利于1991年投运了美国造的1mw级磷酸型电池装置。

由于石油短缺和汽车尾气污染等环境问题日益严重，目前燃料电池研发生产的一个重要方向是能够给汽车提供动力。几乎所有大的汽车制造商都在研发使用燃料电池的电动汽车，并已有示范车型。目前，丰田和本田公司已经在日本和美国开展电动汽车的租车业务。现在已有一些使用充电电池的电动汽车，但使用燃料电池的电动汽车市场仍处于培育阶段。专家们预测到2010年前后才能实现商业化。应用于便携式设备（手机、笔记本电脑、掌上电脑等）的微型燃料电池的研发竞争也在激烈地进行。

我国燃料电池的研制开发起步并不晚，然而发展缓慢。上世纪70年代，为配合航天事业的发展我们在碱性燃料电池领域取得了一些进步，但到上世纪80年代由于资金原因研发放慢了，直至上世纪90年代末才又开始新一轮的研发及商业化尝试。

在国内燃料电池研发工作中具有代表性的大连研究所，已经从事燃料电池的研究近50年，早年曾成功研制了500w的碱性型燃料电池，近年来致力于质子膜、熔融碳酸盐和固体氧化物型电池的研究。该所在2001年至2003年间，将30kw的质子膜电池组用在小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2003年春，该所与清华大学合作将75kw的质子膜电堆应用在公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室。目前，中国科技大学无机膜研究所已成功研制了新型中温固体氧化物燃料电池。6种燃料电池的应用及技术状态见表1。

表16种燃料电池的应用及技术状态

电池种类

可用燃料

应用

技术状态

质子膜

氢气、重整气

电动车、潜艇电源

研发、改进、已有商业化产品

磷酸盐

重整气

现场集成能量系统

已有商业化产品

熔融碳酸盐

净化煤气、天然气、重整气

电站、区域性供电

在日本和意大利有示范电站

固体氧化膜

净化煤气、天然气

电站、联合循环发电

示范、测试

碱性

纯氢气

航天、空间站

在航空航天领域长期应用

直接甲醇

甲醇、乙醇

移动电源

研发

4结语

由于燃料电池的成本居高不下，目前仍处于研发和示范应用阶段，但它在能源贮备、供应方面的安全、可靠、高效率、无污染等特性和广阔的应用前景，使得全世界都在这个领域进行着研发竞赛。

生物燃料行业研究篇2

关键词：燃烧；燃烧技术；教学内容；热能与动力工程

中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2016）21-0055-02

目前，化石燃料在世界各国能源中占有主导地位，约占全球能源消费的87%，而且在未来可以预见的时期内，全球能源结构仍是以化石燃料为主，其他新型能源为辅的格局。随着社会和科技的发展，对能源的需求越来越多，能源短缺已成为一个全球各国共同面临的现实问题。由于化石燃料的大规模使用，其所带来的环境污染问题也日趋严重。目前，节能减排已成为世界各国当前和未来的重要发展目标。研究和开发高效、低污染燃烧装置，提高燃料燃烧能量利用率，减少对环境的污染，是目前世界各国迫切需要解决的重大关键技术。

哈尔滨工程大学基于当前对节能减排的迫切需求，自2006年起，在动力与能源工程学院热机专业本科教学计划中，开设了“燃料与燃烧”课程；自2007年起，分别在硕士研究生和博士研究生相关专业培养计划中开设了“高等燃烧学”和“燃烧学的理论方法及应用”等课程。

一、“燃料与燃烧”课程定位

哈尔滨工程大学作为工业和信息化部直属学校，其动力与能源工程学院热能与动力工程专业是部级特色专业，同时拥有工信部教学中心和黑龙江省级教学示范中心。作为燃烧机械的基础，“燃料与燃烧”与大学普通物理、工程热力学和流体力学等多门基础课程密切衔接，课程在科学理论指导下，密切联系实际工程应用。通过课程学习，可以拓宽学生专业眼界，了解燃烧学科发展前沿和发展重点，培养学生综合运用知识的能力和动手能力。“燃料与燃烧”课程对于培养学生的独立思考能力、创新能力和团队合作能力具有重要作用[1，2]。自2006年设课以来，“燃料与燃烧”一直作为本科热能与动力工程专业的骨干基础课程。

“燃料与燃烧”课程的教学水平直接影响我校热机各专业方向的学生素质和教学质量。对“燃料与燃烧”课程进行教学内容改革，提高其教学质量，对于提升哈尔滨工程大学热能与动力工程专业在国内的影响和地位具有重要意义。

二、“燃料与燃烧”课程教学内容设计

除基础理论部分外，“燃料与燃烧”课程中工程应用部分教学内容更新很快。随着科学技术的不断发展，燃烧技术不断进步，燃料及燃烧装置不断推陈出新，相应教学内容也需不断随时更新，要求授课教师有坚实和广阔的理论基础，掌握国内外燃烧理论和技术的最新发展。

哈尔滨工程大学是我国进行船舶动力装置研究和培养该领域高层次创新人才的重要基地，近年来对高性能船舶动力装置进行了大量深入的研究，承担完成了包括工信部高技术船舶项目、省市部委项目和各级基金项目等多项课题研究，对发动机预混燃烧、扩散燃烧、均质燃烧、稀薄燃烧和低温燃烧等燃烧模式均有深入的研究，取得了多项具有国内外先进水平的研究成果，发表了大量的相关论文和专利。这些科研成果为“燃料与燃烧”课程教学和师资平台搭建提供了丰富的资源，对“燃料与燃烧”的教学改革起到了很大的推动作用。

随着燃料技术、燃烧技术和燃烧装置的不断发展和进步，为满足教学需求，及时反映燃烧技术的最新进展，我校教学团队编写了《燃料与燃烧》本科教材。该教材是根据船舶动力装置燃烧的特点，基于我校“三海一核”教学和学科的研究特色编写的。《燃料与燃烧》教材系统阐述了燃烧的基本原理和理论；详细讲述了燃料动力学燃烧的计算方法，详细论述了燃烧热力学和燃烧化学反应动力学，着重介绍了船舶动力装置涉及的预混燃烧和油滴蒸发控制的扩散燃烧；最后，为及时反映燃烧技术的研究进展，增添了新型船舶动力装置所采用的高效低排放燃烧技术[3]。在教材的编撰过程中，大量引用了我校燃烧理论和燃烧装置研究领域相关教师及硕博研究生的研究成果和国内外最新研究进展。教材内容丰富新颖、专业针对性强，可为我校及其他院校热能与动力工程专业各研究方向本科生奠定系统的专业理论知识。通过课程学习，使学生在掌握扎实理论知识的同时，获取燃料与燃烧相关工程应用知识。教材强调了“燃料与燃烧”课程教学内容的系统性、理论性以及工程应用性，编写过程中注重了教学内容的易懂性，和培养学生应用所学知识、实际动手实验以及团队合作的能力。

通过“燃料与燃烧”课程的教学，使学生对燃料性质、燃烧现象的本质以及燃烧基本理论有一定的认识，进而掌握燃烧技术中所必须的热化学、燃烧动力学及燃烧过程的基本知识与基本理论。掌握动力机械中气态、液态和固态燃料的相互关系和区别，以及它们的特性、燃烧特点和规律，包括闪点、着火点和自燃点，不同燃料闪点、着火点和自燃点的变化规律，以及着火的形式和条件、火焰的传播、燃烧产物的生成机理等。课程侧重预混气的爆震、层流预混燃烧、气体扩散燃烧和燃料液滴燃烧等与动力机械密切相关的燃烧理论[3]。

国内外对动力装置节能减排的要求实质上推动了燃料、燃烧理论及燃烧装置的快速发展，为确保“燃料与燃烧”课程教学内容能充分反映相关理论和技术的发展，最新国内外燃料技术、新型燃烧技术及燃烧装置应作为课程教学的重点更新内容。“燃料与燃烧”课程先后介绍了燃料及燃料特性、化学反应动力学、燃烧理论和燃烧装置等，涵盖了燃料、燃料的燃烧计算、燃烧化学动力学、燃烧反应系统的守恒方程、着火理论和燃烧界限、预混燃烧、扩散燃烧、液体燃料的燃烧、固体燃料燃烧、燃烧排放控制和燃烧装置等方面的教学内容。课程各教学模块内容主要包括：（1）燃料，主要包括燃料的来源、种类、组成，燃料性质、参数及变化规律，燃料物性计算方法；（2）燃烧过程的物质平衡与热平衡，包括生成焓、反应焓、燃烧焓，固体燃料、液体燃料和气体燃料的理论空气需求量，实际空气供给量和空气过量系数，完全燃烧产物生成量、成分和密度，不完全燃烧产物及燃烧过程的质量检测，燃烧温度和热离解对燃烧温度的影响；（3）燃烧与化学平衡，重点为化学反应速度及化学平衡，反应度与平衡常数的关系；（4）化学反应动力学，内容包括基元反应、质量作用定律、反应级数，化学反应速率及其影响因素、各种级的单步化学反应，链锁反应；（5）燃烧系统守恒方程，分子传输方程，基本守恒方程，流动边界与热边界层；（6）着火和燃烧界限，热自燃理论、强迫着火、熄火、着火爆炸与熄火现象为化学动力学控制的燃烧问题，燃烧界限的影响因素；（7）预混气的燃烧，重点为燃烧波及其区别、瑞利公式、雨果尼奥曲线、雨果尼奥曲线上熵的分布、爆震波后已燃气的速度与当地声速的比较、查普曼-焦格特爆震波速度的确定、爆震波的速度、开爆震性和化学反应动力学决定的爆震极限；（8）层流预混火焰，主要包括热理论，参数对火焰传播速度的影响，火焰驻定原理，火焰淬熄；（9）层流扩散燃烧，主要内容为伯克和舒曼理论的基本假定和求解方法、燃料射流的唯象分析（层流火焰高度和湍流火焰高度）和层流扩散火焰射流（层流射流的混合和有化学反应的层流射流）；（10）气体湍流燃烧，重点为湍流火焰的唯象方法；（11）液体燃料的扩散燃烧，主要包括单油滴的蒸发及质量燃烧速度，气流中的燃料液滴，火焰的位置、燃料蒸汽、氧气、产物及温度的分布、喷雾燃烧及油滴群燃烧；（12）固体燃料的燃烧，内容包括固体燃料的燃烧过程、固体碳粒的燃烧（扩散燃烧、动力燃烧和过渡燃烧）、碳粒燃烧的化学反应（碳和氧的反应、碳和二氧化碳的反应、碳和水蒸汽的反应、一氧化碳的分解反应）、多孔性碳粒的燃烧、二次反应对碳粒燃烧的影响、碳粒燃烧速率及燃尽时间、灰分对碳燃烧的影响、固体燃料的燃烧方式和燃烧装置；（13）燃烧排放控制，包括燃烧过程中NOx、SOx和颗粒等污染物的生成机理，影响污染物生成的因素，控制污染物排放的技术措施（改变燃烧途径的措施和后处理措施）；（14）液体和气体燃烧技术及燃烧装置，主要包括船舶动力装置（船舶柴油机、船用锅炉和船用燃气轮机等）的燃烧技术。

三、结论

“燃料与燃烧”是当今国内能源动力类本科专业前沿课程之一。作为哈尔滨工程大学动力与能源工程学院热机专业方向的一门核心基础课程，“燃料与燃烧”在我校热能与动力工程本科教学体系中扮演着重要角色。通过对““燃料与燃烧”课程教学内容设计的探讨，确定了以船舶动力装置共性燃烧理论作为基本的教学内容，用国内外最新燃料与燃烧技术的发展更新课程教学内容，以期夯实学生的专业理论知识、扩展学生的眼界、提高学生的综合素质。根据燃料和燃烧应用技术的发展，尤其是船舶发动机行业燃烧技术的发展，及时更新、丰富和优化课程教学内容，是实现课程教学目标、培养创新型人才的关键。通过教学内容的设计和改革，我校近几年的教学实践表明，“燃料与燃烧”课程教学取得了良好的效果。

参考文献：

[1]苏磊.《燃烧学》教学有感[J].中国科教创新导刊，2009，（34）：134.

生物燃料行业研究篇3

本文介绍了目前绿色阻燃剂的品种、应用现状，并对各种阻燃剂的性能和阻燃机理进行了比较。阐明了绿色阻燃剂在纺织面料上的重要性及其未来的发展空间。

关键词：绿色化学；阻燃剂；纺织面料

1绿色阻燃剂简介

生态环境问题是当今世界人类面临的中心问题之一，目前地球生态环境的恶化已明显威胁人类的生存。据不完全统计，世界上现有生产或使用的化学品多达10万余种，仅美国化学工业每年就要排放30多亿吨的化学废弃物进入环境。

绿色化学是将原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不生成或很少生成副产品或废物，实现废物“零排放”的一种化学生产工艺，该工艺具有原料无毒无害、转化率高、环境友好等特性。

绿色阻燃剂因其从设计思想、原料选择、配色设计、工艺流程到产品的保存、应用及废品处理等各个环节都遵从绿色化学理念，也就是说最大限度地减少或取消那些对人类健康、生态环境、社会安全有害的原料和生产工艺的使用，不以人的安全和环境污染为代价来提高材料的阻燃效果，所以它真正实现了从源头上阻止阻燃材料的污染。

2绿色阻燃剂的种类

阻燃织物中的阻燃剂的作用就是减少材料着火的机会和减慢火焰蔓延的速度。在人们对阻燃剂需求量增大的同时，阻燃剂的性能要求也更加多面化。绿色阻燃剂本身在生产和使用过程中应是无毒害的，它应有良好的耐热稳定性、耐老化性、耐光稳定性、无腐蚀性，同时，其燃烧产物应为低烟低毒。目前绿色阻燃剂的种类繁多，按化学成分、组成结构及阻燃机理，可分为无卤阻燃剂、纳米高聚物/无机复合阻燃剂、无机阻燃剂和膨胀型阻燃剂。

2.1无卤阻燃剂

2.1.1磷系阻燃剂

磷系阻燃剂的阻燃机理主要是含磷化合物受热时会分解生成聚偏磷酸。聚偏磷酸是不易挥发的稳定化合物，在燃烧物表面形成隔离层。另外，由于聚偏磷酸脱水作用促进炭化，使表面形成炭化膜，从而起到阻燃作用[1-2]。磷系阻燃聚合物燃烧时，对环境污染少，阻燃剂含量较少就能达到好的阻燃效果，且对聚合物材料的各种性能影响小，得到了广泛的应用。但是，磷系阻燃剂中的红磷易吸湿水解，放出有毒的磷化氢，而且有机磷系阻燃剂也有发烟量大、毒性大、易水解、热稳定性差等缺点。

目前对红磷进行改性处理最有效的方法是进行表面包覆[3-5]。而针对磷系阻燃剂易水解、热稳定性差等缺点，磷酸酯类阻燃剂的开发逐渐从单磷酸酯类向双聚或多聚磷酸酯类阻燃剂发展。袁相爱等[6-7]以三氯氧磷、间苯二酚及苯酚为原料合成四苯基间苯二酚二磷酸酯；刘凡等[8]采用无溶剂法合成耐水洗棉织物用阻燃剂N-甲基-3-二甲基磷丙酰胺。

聚磷酸铵（APP）是另一种重要的磷系阻燃剂，其制备方法很多[9-10]，但大多数方法所能制备出的产品耐水性差。合成长链的水难溶性APP是主要的解决途径，目前有两种方法，一是通过磷酸或磷酸盐加入氨化剂控制工艺条件聚合生成水难溶性APP[11-12]；二是通过APP的其他较容易制备的晶型转化生成水难溶的Ⅱ型APP[13-15]。

2.1.2金属氢氧化物阻燃剂

氢氧化铝和氢氧化镁是金属氢氧化物阻燃剂的主要品种，它有无毒性、低烟、腐蚀小、价格低、热稳定性好等特点，被誉为无公害阻燃剂。它们由于受热分解吸收大量燃烧区的热量，使燃烧物燃烧区的温度降低到燃烧的临界温度之下，燃烧物自熄，分解后生成的金属氧化物多数熔点高，热稳定性好，覆盖于燃烧固相表面阻挡热传导和热辐射，从而起到阻燃作用，生成的水受热蒸发进一步吸收潜热降低温度，同时产生大量水蒸气，稀释可燃性气体也起到阻燃作用。

将氢氧化铝、氢氧化镁超微细化，并用有机硅偶联剂或脂肪酸进行表面改性处理，可以使其在树脂中迅速分散成一体，从而降低火焰的传播速度，使燃烧时生成的烟量、有毒气体量和腐蚀性气体量都相当少，大大提高了其阻燃抑烟的效果。

2.2膨胀型阻燃剂

膨胀型阻燃剂（简称IFR体系）是以磷、氮、碳为主要核心成分的阻燃剂，膨胀型阻燃剂通常由炭源、酸源和发泡源三部分组成。在火焰和高温的作用下，酸源受热放出无机酸，与多元醇酯化，进而脱水炭化，反应生成水蒸气以及一些不燃烧气体使炭层膨胀，最终形成一层多微孔的坚韧的炭质泡沫层，生成的炭层可以吸附在熔融、着火的表面，即可阻挡热量和氧气的进入，该炭质层具有阻隔热量及氧气的传递和抑烟的作用，并能防止燃烧过程产生熔滴，有效地阻止了流涎造成的火焰蔓延，从而达到阻燃的目的，且低烟、低毒、无腐蚀性气体产生[16]。因此，膨胀阻燃技术已成为当前最活跃的阻燃研究领域之一。

其中可膨胀石墨是一种特殊的膨胀型阻燃剂。该阻燃剂无需酸源脱水，在高温下，可膨胀石墨中的嵌入层受热易分解，产生的气体使石墨的层间距迅速扩大几十至几百倍。当可膨胀石墨与高聚物混合时，在火焰的作用下，可膨胀石墨能在高聚物的表面形成一坚韧的炭层，从而起到阻燃的作用。

2.3无机阻燃剂

2.3.1硅系阻燃剂

有机硅系阻燃剂是近年来开发的一种新型高效、低毒、防熔滴、环境友好的无卤阻燃剂，也是一种成炭型抑烟剂，它在赋予高聚物优异阻燃抑烟性的同时，还能改善材料的加工性能及提高材料的机械强度，特别是低温冲击强度[17]。这些含硅的物质不论单独作用、与聚合物混合使用还是作为共聚体，都是有发展前途的阻燃剂。在有金属氢氧化物存在时，硅胶与有机醇反应生成多种有机硅化物。多羟基聚合物在燃烧过程中与硅胶等添加剂作用，结果会使聚合物发生交联，从而形成Si—O—C类型的保护炭层。

随着环保意识的日益加强，硅系阻燃剂及以硅阻燃剂为基础的复合物将是今后研究和开发绿色化阻燃剂的主要趋势之一。

2.3.2硼酸系阻燃剂

硼酸锌是一种有效的、多功能阻燃剂、抑烟剂。它含有结晶水，在火焰中，这些水释放出来，吸收热量，减少了火焰蔓延所需要的热量并稀释了氧含量。硼酸锌还可以与其他金属化合物在材料表面形成熔融的硼酸盐隔离层，并形成硼酸盐骨架，对氧气起到很好的阻隔效果。

2.4纳米高聚物/无机复合材料阻燃剂

纳米复合材料是指将材料中的一个或多个组分以纳米尺寸或分子水平均匀地分散在另一组分的基体中，它的研究只有十几年的历史。但是试验证明，因其存在超细的尺寸，所以各种类型的纳米复合材料的性质比其相应的宏观或微米级复合材料均有较大改善，材料的热稳定性和阻燃性能也有较大幅度提高[18]。

某些鳞片状无机物能够碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般在零点几到几个纳米，它们不仅可以让某些聚合物嵌入到其纳米尺寸的夹层空间中，形成“嵌入纳米复合材料”，如蒙脱土（MMT）属于Si—O四面体和Al-O八面体的2：1型紧密堆积结构的黏土矿物，聚合物/蒙脱土纳米复合材料热稳定性提高的原因不仅在于嵌入型聚合物特殊的“夹心型”结构，且与热降解能量及离子极性有关。也就是说，“嵌入型聚合物”热稳定性提高不仅与其特殊结构有关，也与“平躺”于蒙脱土片层之间聚合物链段的空间位阻效应使其热运动受到限制有关[19]。

DuJX等用X射线光电子光谱法（XPS）对聚苯乙烯（PS）/黏土纳米复合材料和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/黏土纳米复合材料的热降解以及阻燃机理进行了研究。通过XPS分析发现，当样品热降解时，样品表面氧的含量会有所升高，而同时碳的含量会减少，这是样品表面聚合物量减少而硅酸盐含量相应增加的缘故。同时，在200℃～250℃蒙脱土会分解生成Al2O3和SiO2，而SiO2由于其较低的表面能主要集中在样品表面，这种现象在嵌入型、剥离型和嵌入-剥离混合型纳米复合材料中都是相似的[20-21]。

国内外对聚合物/层状无机纳米复合材料的研究相当活跃[22-24]。利用多孔或层状无机化合物的特性，在高聚物中形成纳米复合人工微结构材料，在热分解燃烧过程中，可能形成碳及无机盐多层结构，它起到隔热及阻止可燃气体逸出的作用。由于这是从纳米或分子水平设计上来考虑高聚物复合材料的结构，从而其阻燃性能和力学性能得到提高，因此这类阻燃材料是一种充满希望的无卤型绿色环保助剂。

3绿色阻燃剂在纺织品中的应用

随着科技的发展，人们对于纺织品安全性能的要求也越来越高，纺织品阻燃安全性能已经成为国际上纺织品检测的重要指标之一，而国内对阻燃安全性能的检测要求也越来越重视。除了使用本质阻燃面料，如芳纶、腈棉、杜邦凯夫拉、诺梅克斯、澳大利亚PR97等，后整理阻燃面料也已经在大量地使用过程中，使用更加绿色安全的阻燃剂对纺织品进行阻燃整理也日趋为各国的纺织品市场所接受。这些绿色的阻燃剂不仅应用于那些特殊工种服装，如焊工服、消防服，也可以应用于日常的纺织面料中，如居家装饰和被褥用织物，军用品和汽车构件材料中也大量用到了阻燃纺织品。因此，安全、绿色、手感良好的阻燃剂市场占有率也会增加。

Ciba的FlamesrabNOR116是过程可熔融性非卤素阻燃剂，用于聚烯烃类纤维，包括非织造材料，显示出优异的阻燃效能，可大量用于多种汽车和建筑结构材料。该公司的阻燃产品由于改进了耐紫外线（UV）的稳定性，在产业用和室外织物应用方面也有发展。

金属氢氧化物阻燃剂，如阻燃地毯苯乙烯-丁二烯胶乳中的氢氧化铝，在燃烧时可以大量吸收热量，因此在刚开始燃烧时的阻燃效果亦非常显著。

Apexicial公司最近推出了一种非卤素、高含磷的熔融可溶性（meltsoluble）阻燃剂——ApexicialPyrapex，可用于聚酯和尼龙织物，由于其聚合物熔融可溶性，特别受到需要阻燃保护的双组分非织造生产企业的欢迎。

膨胀型阻燃剂（IFR）是一种以氮、磷为主要组成的复合阻燃剂，应用于纤维和织物时主要通过两种方式：一是将阻燃剂配制成整理液，通过涂布等方式整理到织物表面，天然纤维大多采用此方法；二是将膨胀型阻燃剂作为一种共聚单体加入到聚合物中，大多用于合成纤维的阻燃。

纳米复合材料阻燃课题研究的前沿是美国Cornell大学以及美国国家标准与技术研究所（NIST），他们研究了尼龙6、聚丙烯和聚苯乙烯纳米复合材料的阻燃性，并获得了初步成果[25]。王增加[26]等人研究发现经改性处理的蒙脱土添加量少（一般为基材质量的2%～5%）分散性好，添加剂与聚合物之间接触面积极大且存在二者界面间的化学键，因而它们具有理想的粘接性，能够在不影响材料力学性能的条件下提高材料的热稳定性能，作为基础阻燃体系具有广阔的应用前景。

4绿色阻燃剂的展望

目前广泛使用的阻燃剂多为含卤阻燃剂，虽然有机卤化物在气相中产生活性卤素基团，能有效地改变高聚物的热氧化过程，利用阻燃剂分解放出的HX（如HBr、HCl及HI）与聚合物降解产生的H和OH自由基相互作用，使自由基浓度降低，从而延缓或终止燃烧的链反应，但是当火灾发生时，由于这些材料的分解和燃烧会产生大量烟雾，其主要起阻燃作用的HX是有毒、腐蚀性的气体，从而妨碍救火和人员的疏散、腐蚀仪器和设备，造成“二次灾害”，且燃烧产物（卤化物）具有很长的大气寿命，一旦进入大气就很难除去，严重污染了大气环境，更为甚者，它能造成臭氧层的破坏。因此，虽然含卤阻燃剂效果良好且应用很广，但它仍将被逐渐淘汰，取而代之的是更为清洁、环保的绿色产品。

绿色阻燃剂如无卤阻燃剂，因其高效、低烟、低毒等特性，最终可以取代含卤阻燃剂；磷系阻燃剂和无机氢氧化物也应进一步加强研究，特别是在阻燃剂的微胶囊化技术、超细化技术、表面改性处理技术等方面，通过微胶囊化可以降低红磷的吸湿水解性，减少有毒磷化氢气体的放出；膨胀型阻燃剂和高聚物/无机纳米复合材料阻燃剂因其具有优良的阻燃性能和物理性能以及无毒、无污染等优点，必将成为下一步研究开发的重点。随着人们对聚合物阻燃体系环境友好性要求的不断提高，纳米高聚物/无机复合材料与磷-氮系阻燃剂的协同阻燃应当是今后阻燃剂改性研究的主要方向。

绿色化学和技术必将带来新的产业革命；今后绿色阻燃剂工业研究的重点应是开发新型友好的低烟、低毒无卤产品，采用环境友好的化学反应，在工艺过程中使用无毒无害的原料、溶剂和催化剂，真正做到让不同的介质（生物、大气、水和土壤）都无影响或者影响最小。

参考文献：

[1]CaminoG，CostaL，TrossarelliL.Studyofthemechanismofintumescenceinfireretardantpolymers：PartI—Thermaldegradationofammoniumpolyphosphate-pentaerythritolmixtures[J].PolymerDegrad.andStabil.1984，6（4）：243-252.

[2]CaminoG，CostaL，TrossarelliL.Studyofthemechanismofintumescenceinfireretardantpolymers：PartII—Mechanismofactioninpolypropylene-ammoniumpolyphosphate-pentaerythritolmixtures[J].PolymerDegrad.andStabil.1984，7（1）：25-31.

[3]BourbigotS，LEBrasM.Themodificationandapplicationofredphosphorus[J].FireandMaterial，1996，20（1）：36-39.

[4]舒万艮，熊联明，刘又年.微胶囊红磷阻燃剂的研究进展[J].中国塑料，2002，16（1）：12-14.

[5]AwardM.Prospectofmicroencapusatingredphosphorus[J].ChemistryIndustry，1990（8）：19-21.

[6]袁相爱，杨锦飞，李丽.间苯二酚磷酸酯阻燃剂的合成研究[J].南京师范大学学报（工程技术版），2005，5（1）：80-82.

[7]GeraldRBarrett.Polyphosphatesofdiyalentarylhydro-carbons[P].US，2520090.1950-08-22.

[8]刘凡，郭艳，王玉丰.耐久阻燃剂KX-912的合成研究[J].阻燃材料与技术，2006（3）：14-16.

[9]王贵生，郑建虎，王建国.工业聚磷酸铵的简易制备方法[J].现代化工，2000，20（1）：61.

[10]张泽江，梅秀娟.聚磷酸铵阻燃剂的合成及阻燃机理[J].阻燃材料与技术，2004（2）：5-8.

[11]姚晓雯，周大成.长链聚磷酸铵的制备和应用[J].浙江化工，1992，23（4）：29-31.

[12]吕建平，刘汉虎.高纯度水难溶性聚磷酸铵阻燃剂的研制[J].安徽化工，1997（2）：26-29.

[13]MakotoW，MasamiW，NoriakiN，eta1.PreparationofammoniumpolyphosphateformIIfromthesystemofammo-niumorthophosphate-urea[J].Bul1.Chem.Soc.Jpn.，2000，17（3）：115-119.

[14]丁著明，范华.阻燃剂聚磷酸铵的生产和应用[J].阻燃材料与技术，2003（4）：4-14.

[15]StaendekeHorst，ScharfDanie1.Flame-retardantpolymercompositions[P].US，4957950，1990-09-18.

[16]董延茂，鲍治宇.淀粉磷酸酯蜜胺盐膨胀型阻燃剂的合成[J].材料科学与工艺，2005，13（3）：258-260.

[17]李永华，曾幸荣，刘波，等.有机硅树脂与溴系阻燃剂协同阻燃ABS的研究[J].塑料工业，2004，32（1）：13-16.

[18]漆宗能，李强，王胜杰.硅橡胶/蒙脱土插层复合材料及其制备方法[P].中国专利：CN1163288A，1997-04-16.

[19]贾修伟.纳米阻燃材料[M].北京：化学工业出版社，2005.

[20]DuJ.X.，ZhuJ.，WilkieC.A.，etal.AnXPSinvestigationofthermaldegradationandcharringonPMMAclaynanocomposites[J].PolymerDegrad.andStabil.，2002，77（3）：377-381.

[21]WangJ.Q.，DuJ.X.，ZhuJ.，etal.AnXPSstudyofthethermaldegradationandflameretardantmechanismofpolystyrene-claynanocomposites[J].PolymerDegrad.andStabil.，2002，77（2）：249-252.

[22]漆宗能，李强，赵竹第，等.一种聚酰胺/黏土纳米复合材料及其制备方法[P].CN1138593A.1996-06-05.

[23]LiuL.M.，QiZ.N.，ZhuX.G.Studiesonnylon6/claynanocompositesbymelt-intercalationprocess[J].J.Appl.Polym.Sci.，1999，71（7）：1133-1138.

[24]WangSJ，LongCF，WangXY，etal.Synthesisandpropertiesofsiliconerubber/organomontmorillonitehybridnanocomposites[J].J.Appl.Polym.Sci.，1998，69（8）：1557-1562.

[25]GilmanJW，AcksonCL，MorganAB，etal.FlammabilityPropertiesofPolymer?Layered-SilicateNanocomposites.PolypropyleneandPolystyreneNanocomposites[J].Chem.Mater，2000，12（7）：1866-1873.

生物燃料行业研究篇4

[关键词]造纸污泥；性质；处理技术；焚烧；循环流化床；不足

中图分类号：X793文献标识码：B文章编号：1009-914X（2014）40-0224-02

造纸工业作为我国仅次于电信和钢铁的第三大产业，与国民经济和社会发展息息相关。截止到2012年我国纸及纸板生产企业约3500家，纸及纸板生产量达10250万吨，较上年增长3.22%。而早在2008我国纸和纸板年产量已经超过美国成为纸和纸板年产量世界第一大国[1-2]。然而在产量增长的同时，伴随着大量污染物的产生。据统计，仅造纸工业污水排放量就占我国污水总排放总量的10%-12%[3]。造纸过程中产生的造纸污泥更因其产量大（每生产一吨纸，产生约1200kg造纸污泥[4]。）、成分复杂、含水量高、难处理等因素，给资源环境造成了巨大压力。如何处理造纸污泥使污泥减量化、无害化和资源化一直是造纸工业所面临的重要问题。

1.造纸污泥的性质和危害

造纸污泥是造纸厂污水经过一段二段的水处理后的残余物，按处理过程不同将造纸污泥分为四类，废水经过一级处理产生的污泥称为一次污泥；经过二级生化处理产生的活性污泥为二次污泥；脱墨污泥则是废纸在浮选脱墨过程中形成的废渣；废纸和活性污泥混合在一起称为混合污泥。污泥中混合污泥含量最高，约占全场污泥的60%。不同种类的污泥组成成分也各不相同，一次污泥中主要是废水中的悬浮物。脱墨污泥则含有大量油墨、灰分和各种杂质。二次污泥中含有丰富的营养物质，以及大量的细菌真菌等有机体。因造纸污泥的特殊性，其理化性质也与城市污泥和工业污泥不同，具体特征如下：

（1）含水率高，一般为90%以上，未经脱水处理的造纸污泥基本成液体状，不利于运输。污泥中所含水分分为间隙水、毛细水、吸附水和内部结合水四类。（2）含盐量较高，会明显提高土壤导电率、破坏土壤结构、抑制植物对水分的吸收[5]。（3）含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等有机高分子成分。一旦造纸污泥处置不当，很容易腐化发臭，滋生蚊蝇，造成二次污染。（4）造纸污泥pH值为7.2，显中性，可以用来改良酸性土壤[6]。

2.污泥处理技术

造纸污泥的处理技术主要分为卫生填埋法、堆肥法、脱水法、直接排海法和焚烧法。

造纸污泥的卫生填埋技术是造纸污泥处理采用的最广泛的方式，具体是指采用防渗、覆盖、渗滤液等一系列工程措施将处理过的污泥集中堆、填、埋的处理方式[7]。这种处理技术具有操作简单，投资少，处理量大等优点。但污泥卫生填埋技术只是权宜之计，这种方法严重浪费土地及一旦防渗处理不当，渗滤液会危害水土环境和造成土壤盐碱化。随着人们环保意识的加深，这种处理方式将逐步被淘汰。

造纸污泥作为优质的有机肥料，进行好氧堆肥化后农用，可以提高农作物产量。同时污泥中的有机质，腐殖质可改善土壤结构。污泥堆肥处理因其耗能低、投资少、运行费用低而受到许多专家学者的青睐。相对而言，污泥堆肥处理也存在臭气外排造成二次污染、占地面积大、运输费用高、下渗会影响周边的地表水等瓶颈[8-10]。

常用的脱水处理方式分为自然干燥和机械脱水两种。将造纸污泥自然晾晒，进行蒸发脱水为自然干燥法。这种方式投资少，成本低。但是占地大，周期长，晾晒过程中有臭味。机械脱水则由于污泥粘度很大，很难分散，只能去除部分自由水，脱水后水含量依然很高。如经国内造纸厂普遍采用的链带压滤机脱水后，造纸污泥含水率还在65%～75%之间[11]。

将造纸污泥直接排入海洋的方法因其对海洋生态环境和渔业资源的巨大危害而逐渐被禁止。

造纸污泥焚烧处理是最彻底的污泥处置方法。焚烧法是指把脱水预处理的污泥焚烧，回收焚烧过程中产生的高温烟气热能同时利用袋式除尘和干式或湿式反应塔脱硫净化达标排放[12]。焚烧过程中可以使有机物碳化，最大限度的减小污泥体积（焚烧后灰渣体积仅相当于机械脱水污泥的10%[13]）。高温还可以破坏污泥里有毒的有机分子结构。焚烧过程中产生的热能，还可以用来发电或供热。焚烧后产生的灰渣同样可以进行资源化利用：舒伟[14]研究发现，用污泥焚烧灰可以制成具有良好透水性能的砖块，砖块的各项理化性能均达到国家相关标准要求。经球磨方式处理的造纸污泥焚烧灰具有较高的火山灰活性，使用平均粒径低于100μm的焚烧灰渣可以等量代替硅酸盐水泥，却不降低水泥的强度等级[15]。由此可以预见，随着污泥产量的持续增长，对污泥的处理技术的研究将集中在焚烧法上。

3.焚烧法处理造纸污泥的试验研究

李春雨[16]等分析了城市湖泊污泥、制革污泥，以及两种造纸污泥的燃烧特性，发现四种污泥都具有高挥发分、高灰分、低热值的特点，燃烧过程分为挥发分燃烧和固定碳燃烧两个阶段。将造纸污泥单独焚烧，易于着火，但燃烧速率较低，燃烧时间长。使用采自广东某造纸厂的脱水车间，自然干燥14d后的造纸污泥与煤粉在不同比例情况下混合燃烧，进行热重分析，结果表明，混合燃烧过程中，造纸污泥和煤基本保持各自的挥发分析出特性，其燃烧曲线基本位于污泥和煤燃烧曲线之间[17]。对造纸污泥和稻草混合燃烧特性和混合物动力学特性进行研究，结果发现，混合物的燃烧过程中，平均活化能呈现先增大后减小，然后再增大的趋势。同时污泥的燃烧过程中存在3个明显的失重峰[18]。早在2010年3月中旬，在“造纸之乡”富阳市，造纸污泥焚烧发电综合利用一期工程调试成功，日均处理量达600吨，实现了将造纸污泥变废为宝的资源化利用。

4.循环流化床焚烧造纸污泥

循环流化床作为近年来快速发展的一种高效率、低污染的清洁燃烧技术，整个装置由循环流化床焚烧炉本体、启动燃烧室、送风系统、引风系统、污泥/废渣加料系统、给煤系统、高温旋风分离器、返料装置、尾部烟道、尾气净化系统、测量系统和操作系统等几部分组成[19]。其基本原理为物料在硫化状态下燃烧。物料进入炉膛，细粒子被一次风带入燃烧室上部燃烧，一般粗粒子在燃烧室下部燃烧。伴随烟气飞出炉膛的细粒子由固体物料分离器分离后，经返料器返回炉膛燃烧。燃烧过程中产生的烟气经尾部净化装置处理后排放。蒲文灏[20]进行了不添加辅助燃料，100%采用造纸污泥在循环流化床中燃烧试验，发现造纸污泥水分含量越高，在流化床内吸热越多，燃烧反应速度越慢；采用增大二次风率的方法，可以增加燃烧的稳定性，提高燃烧效率。曾庭华、孙昕、陈晓平[21-23]等通过试验研究，证实了造纸污泥进入循环流化床后，会形成污泥结团，有利于造纸污泥的高效燃烧。当造纸污泥中含水量降至40%时，造纸污泥能在流化床内燃烧稳定，含水量高于60%的情况下需要加入辅助燃料。使用煤作为助剂和造纸污泥在流化床中混合燃烧，燃烧效率高于92%。燃烧过程中产生的烟气和灰渣中的重金属经过净化处理装置处理后排放均满足环保要求。2004年，常州市排水管理处同东南大学、常州热电公司改造了常州第一热电厂1台20t/h循环流化床锅炉，用来焚烧污泥，运行情况良好[24]。

5.不足和展望

通国外相比，我国对造纸污泥的处理研究相对较晚，主要的处理方式还集中在卫生填埋、和污泥农用等传统方法上。随着对造纸污泥认识的加深，符合环境可持续发展需要的焚烧法必将受到越来越多的重视。然而焚烧法处理造纸污泥也存在许多问题需要解决：焚烧处理设施投资大，处理费用高；造纸污泥充分燃烧过程中需要添加煤等辅助燃料，随着能源价格的不断上涨，污泥焚烧处置成本也随之增加；应增加造纸污泥和煤等助剂在循环流化床中燃烧特性，影响因素，最佳配合比等方面的研究；研究是否可以使用其他引燃助剂代替煤炭等不可再生资源，但是不影响造纸污泥的燃烧特性；深入对煤和造纸污泥混合燃烧过程中硫化、污染物生成机理等方面的研究，为焚烧法提供更详细的实验数据。

参考文献

[1]中国造纸工业2012年度报告[J].中华纸业，2013，11：10-20+5.

[2]2008年我国成为纸及纸板年产量世界第一大国[J].江苏造纸，2009，03：29.

[3]胡兴军.环保政策力促造纸业迈向有序健康发展轨道[J].中国包装，2007，06：79-82.

[4]丛高鹏，施英乔，丁来保等.造纸废水处理污泥特性及利用[J].江苏造纸，2013，01：41-48.

[5]武德智.市政污泥与造纸污泥干化特性的实验研究[D].华南理工大学，2010.

[6]潘美玲，张安龙.造纸污泥性质的研究[J].湖南造纸，2011，01：31-33.

[7]余化龙.浅析污泥卫生混合填埋工艺流程及实例应用[J].西南给排水，2011，05：5-8.

[8]田宁宁，王凯军，杨丽萍，等.污水处理厂污水处置及利用途径研究[J].工程与技术，2000.02：18-20.

[9]谢佳，徐惠风.污泥堆肥化技术研究进展[A].中国农业产业经济发展协会.2011新型肥料研发与新工艺、新设备研究应用研讨会论文集[C].中国农业产业经济发展协会，2011：6.

[10]赵书勤，吴星五.城市污水污泥堆肥化技术的研究进展[J].四川环境，2003，06：9-12.

[11]杨青永，董志刚.造纸工业垃圾的燃烧与控制[J].中华纸业，2007，S1：7-9.

[12]贺兰海，单连文，姜钦明.焚烧法处理制浆造纸污泥技术[J].中华纸业，2006，S1：61-63.

[13]侯海盟.城市下水污泥循环流化床焚烧及排放特性试验研究[D].中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2013.

[14]舒伟，彭丽园，程晓波等.污泥焚烧灰制砖可行性及其效益分析[J].净水技术，2011，02：84-87.

[15]张苡铭，俞乐华.造纸污泥焚烧灰用作混凝土矿物掺合料的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014，02：80-82.

[16]李春雨，蒋旭光，费振伟，等.制革、造纸和湖泊污泥燃烧特性的研究[J].燃料化学学报，2009，06：757-762.

[17]宁寻安，张凝，刘敬勇，等.造纸污泥混煤燃烧特性及动力学研究[J].环境科学学报，2011，07：1486-1492.

[18]李玉忠，马晓茜，谢泽琼，蔡梓琳.造纸污泥与稻草混烧动力学的热重分析法研究[J].华南理工大学学报（自然科学版），2013，12：12-17.

[19]赵长遂，孙昕，陈晓平，等.造纸废弃物与煤循环流化床混烧特性研究[J].东南大学学报（自然科学版），2005，01：95-99.

[20]蒲文灏，王逸仁.用流化床焚烧造纸污泥的热态试验[J].工业锅炉，1999，03：25-28.

[21]曾庭华，严建华，蒋旭光，等.造纸污泥的流化床焚烧技术研究[J].浙江大学学报（自然科学版），1999，03：38-42.

[22]陈晓平，赵长遂，兰计香，等.造纸污泥流化床焚烧试验研究[J].环境保护，1998，07：22-24.

生物燃料行业研究篇5

一、生物质能在能源系统中的地位

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，目前，全世界约有25亿人的生活能源依靠生物质能，仅次于煤炭、石油和天然气，居世界能源消费总量的第四位，在整个能源体系中占有重要地位。煤炭、石油、天然气是化石能源，究其根源也是由生物质能转变而来的。专家认为，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分。预计到本世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40％以上。因此，专家称生物质能为21世纪的绿色能源。

目前，生物质能技术的研究与开发已成为国际重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划。我国既是一个人口多的农业大国，又是一个经济迅速发展的国家，面临着经济增长和环境保护的双重压力。改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义，尤其对我国的农村地区更具有特殊意义。因此，生物质能优质化转换利用势在必行。

二、生物质能与常规能源相比的三大优点

生物质能具有资源丰富、开发方便、含碳量低的特点。

第一，资源丰富。它是人类可以利用的最丰富的能源之一，我国是农业大国，农林废弃物特别丰富，可以说取之不尽，用之不竭。

第二，开发方便。地球上，只要有农作物和树林的地方，就可以就地开发利用，农村更具有利用的价值。

第三，清洁能源。在开发和利用生物质能时，原料易燃烧，污染少，灰分较低，废渣、废水、废气少，也没有噪音。更重要的是，不会影响生态平衡。三、开发适合国情的生物质能燃料和设备

在加拿大、瑞典、芬兰等欧美国家，生物质能锅炉使用的燃料仍停留在木质颗粒燃料上，原因是农作物秸秆及野草质类的颗粒燃料含钾等成分高，容易结渣，他们现有的生物能供热设备和技术不能解决结渣问题，影响设备自动燃烧的正常运行，不得已摒弃秸秆燃料，使用木质燃料。国外专家的研究方向是用基因技术改良秸秆、野草类植物的成份含量，降低颗粒燃料的结渣成分，来保证生物质能锅炉的燃烧过程正常运行。我国利用生物质能如果直接引用国外现有的设备和技术，显然不符合国情，而基因改造秸秆的技术距离现实和大规模推广还远。

北京老万生物质能科技公司对自己提出的要求是：既要利用国内现有的生物资源，又要解决自动燃烧的难题。科研人员从我国树木少、农作物秸秆多的国情出发，确定了生物质能锅炉以秸秆、树木类等为生物质燃料的方向。他们与国外专家合作，经过潜心钻研，克难攻坚，研制出了秸秆颗粒和块状燃料的科学加工技术，开发了采用这些燃料的自动燃烧生物质能锅炉。经过清华大学热能研究所和热能工程系联合检测，老万生物质能锅炉的燃烧效率达到99％，热效率达到86.07％，各项环保指标都达到了欧洲现行的排放标准。

老万自动燃烧生物质能锅炉系列产品随后通过了国家农业部科教司主持、全国著名专家组成的鉴定委员会的鉴定。评价是设计独特，结构新颖，造型美观，自动供料，燃烧充分，属高新技术产品。其技术国内领先，达到国家先进水平。该技术在解决生物质燃料燃烧结渣和焦油处理上实现了重大突破，填补了我国生物质能高效利用和燃烧的空白。

这正是：小企业拥有高技术，小企业干出大名堂。

四、实现“低消耗、低排放、高效率”，造福百姓

老万生物质能产品是目前国内外高效利用生物质能的佼佼者。其技术特点和主要优势有三点：

1高效便利性

(1)生物质燃料的高效性：老万公司研发的成型(颗粒、块状)燃料，是将农、林废弃物如玉米秸秆、棉花秆和锯末等，经过粉碎、烘干、筛选、高压成型制成的高密度颗粒燃料和压块燃料，容积密度大，1000～1100公斤／立方米，具有较高的强度。这种燃料表面细致光滑，发热量高达3700～4200大卡／公斤，起火速度快，燃烧效率达99％，热效率达86％以上。它的燃烧性能已经相当于中质烟煤，而硫和灰分等有害物质的含量却相当低，胜于烟煤。这种再生能源最清洁且廉价，国际公认是化石能源的最佳替代物之一。

(2)锅炉的便利和安全舒适性：老万生物质能锅炉采用先进的自动控制清洁燃烧技术，核心技术在于燃烧器。燃烧器由主燃室和副燃室组成，采用二、三次风火焰扰动和独特的火焰导流混合燃烬技术。以温度为控制点，自动点火、自动进料、自动排灰，自动化程度较高，提高了燃料的燃烬率和锅炉热利用率。在运行中基本是每日加一次料和倒一次灰，不需要高深复杂的操作，非常便利。由于是常压运行，强制排烟，又配备了泄压阀、静音风机、屏蔽水泵和超温保护功能，安全性高，工作环境舒适。

2环境保护性

(1)烟气黑度和烟尘浓度低：燃料在燃烧中迅速释放的挥发成份没有得到充分燃烧时，未燃烬的含炭烟尘被烟气带出，就造成烟气黑度高，烟尘浓度高。老万生物质燃料的燃烧性能相当于中质烟煤，而二氧化硫和灰分等排放物却大大低于烟煤。同时，生物质能锅炉创造了先进的自动控制清洁燃烧技术和火焰导流混合燃烬技术，使燃料在炉内充分燃尽，减少烟尘的产生，消除了黑烟。2008年1月22日，北京京环科环境保护设备检测中心检验结果表明，老万锅炉的S02、烟尘排放、氮氧化物等化学排放指标远远低于欧洲环保标准，烟气黑度小于林格曼1级，二氧化碳排放减少100％!所有指标完全符合北京市《锅炉大气污染物排放标准》。

(2)燃烧后的灰渣不存在二次污染：由于燃料全部使用秸秆生物质原料，在成型燃料的加工过程中也不添加任何化学成分和添加剂，所以，燃料燃烧之后全部变成了草木灰，既可当做肥料，也可回收作为建筑材料，不带来二次污染的问题。

3经济节能性

老万生物质能锅炉使用的燃料纯粹是颗粒燃料或压块燃料，极大地提高了燃料的燃烬率和锅炉的热利用率，其热能利用远高于燃煤的利用率。这一绿色的能源无论是用于取暖、炊事、洗浴，都非常适宜。

以采暖为例，假设一家有150平米的房间面积，如果使用颗粒燃料，一个采暖期大约需要4～6吨，按850元／吨计算，每平米采暖费是23～34元。如果使用压块燃料，一个采暖期大约需要5～7吨，按500元／吨计算，每平米采暖费17～23元。如此看来，生物质锅炉取暖费和集中供暖、燃煤取暖费用相当，远远低于使用燃油炉、燃气炉和电采暖的费用。

生物燃料行业研究篇6

[关键词]生物质颗粒燃料清洁燃烧

正文

1、概述

生物质颗粒燃料是在一定温度和压力作用下，利用木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状等成型燃料。中质烟煤相当；基本实现CO2零排放，NOx和SO2的排放量远小于煤，颗粒物排放量降低；燃烧特性明显得到改善，利用效率显著提高。因此，生物质固体成型燃料技术是实现生物质高效、清洁利用的有效途径之一。生物质固体成型燃料主要分为颗粒、块状和棒状3种形式，其中颗粒燃料具有流动性强、燃烧效率高等优点，因此得到人们的广泛关注。

随着我国的再生能源快速发展，生物质成型燃料技术及其清洁燃烧设备的研究开发提高了秸秆运输和贮存能力，燃烧特性明显得到了改善，可为农村居民提供炊事、取暖用能，具有原料来源广泛、价格低、操作简单等特点，是生物质能开发利用技术的主要发展方向之一。

自2006年1月1日我国颁布实施了再生能源法。使我国生物质能源发展走上了快速规范化的道路。生物质能在我国主要是以农作物秸秆为主体的资源。秸秆长期被作为农村传统的用能，随着我国农村经济的发展，农民，特别是新一代的农民难以接受传统的、直烧秸秆生活用能的落后方式。但又苦于缺乏先进廉价的使用。也只能花高价用液化气、电、型煤等现代能源。由于现代能源的紧张和价格的日趋上涨，长期花高价用现代能源，农民又难以承受。特别是城镇及城市接壤区域居民采暖，800-900元每吨的煤，一个冬天要用上1-2吨满足采暖需要，农民甘愿受冻也不愿花如此大的费用，而城镇及城市接壤区域居民采暖受到环境要求的严格限制。目前，居民冬季用煤采暖的已越来越少。从这一点看，在现代社会有相当多的农民没有得到，也很难得到良好的能源服务，他们的现代生活水平还较低。国家早就重视如此重要的民生问题，从20世纪90年代初中国农业部和科技部就开始投资进行农作物秸秆资源化利用的研究、开发、试点示范和技术推广工作。近几年，中国农作物秸秆的清洁、方便能源利用的技术研究和开发工作已取得了一些成果，有些技术已趋于成熟，并得到一定程度的推广。现在，中国主要的农作物秸秆能源利用技术有秸秆气化集中供气技术、秸秆压块成型及炭化技术、利用秸秆制取沼气技术和秸秆直接燃烧技术。由于中国农村经济的发展，农民及城镇居民生活水平的提高，居民对清洁能源的需求，加上这些秸秆能源利用技术的不断发展和逐步完善，秸秆能源利用将逐渐由传统的、低效不卫生的直接燃烧方式向优质化和高效化方向发展。

国外关于生物质成型燃料与燃烧技术设备的应用以趋于成熟化和普遍化，我国生物质成型燃料的发展还刚开始，与之相适应的燃烧技术设备处于一种滞后状态。目前一些成型燃料的应用，主要是在现有燃烧设备的基础上，直接应用或改造应用，既使河南省科学院研制具有较高水平的家用颗粒燃料炉灶，也存在着技术不到位的情况，难以产业化发展，没有做到商品化应用。

有些单位在取得了生物质颗粒燃料炊暖炉灶的基础上，立足于建立一个秸秆成型颗粒燃料与高效清洁燃烧设备系统技术产品的有机统一，协调发展的机制。在进行“生物质冷成型燃料加工设备系统”和生物质颗粒燃料炊暖炉灶的研制过程中，重点解决了目前百姓采暖困难问题，创造了“生物质颗粒燃料供热锅炉”的成果。采用了生物质颗粒燃料炊暖炉灶的核心技术，实现了生物质高效、清洁燃烧、节能排放的目标。应用广泛，可满足城镇及城市接壤区域居民采暖需求。

2、物质颗粒燃料成型和清洁燃烧技术及设备

2.1传统成型方法。

它与现有的饲料制粒方式相同，即原料从环模内部加入，经由压辊碾压挤出环模而成粒状。

包括原料烘干、压制、冷却、包装等。该工艺流程需要消耗大量能量，首先在颗粒压制成型过程中，压强达到50～100MPa，原料在高压下发生变形、升温，温度可达100℃～120℃，电动机的驱动需要消耗大量的电能；其次，原料的湿度要求在12%左右，湿度太高和太低都不能很好成粒，为了达到这个湿度，很多原料要烘干以后才能用于制粒；第三，压制出来的热颗粒（颗粒温度可达95℃～110℃）要冷却才能进行包装。后2项工艺消耗的能量在制粒全过程中占25%～35%，加之成型过程中对机器的磨损比较大，所以传统颗粒成型机的产品制造成本较高。

2.2冷成型技术。

新型冷成型技术通过颗粒成型机直接压制，把秸秆、木料残渣等转化成大小一致的生物颗粒，其燃烧效率超过80%以上（超过普通煤燃烧约60%的效率）；燃烧效率高，产生的二氧化硫、氨氮化合物和灰尘少等优点。

2.3清洁燃烧设备

目前燃烧设备的理论研究和应用研究还较少，国内也引进一些以生物质颗粒为燃料的燃烧器，但这些燃烧器的燃料适应范围很窄，只适用于木质颗粒，改燃秸秆类颗粒时易出现结渣、碱金属及氯腐蚀、设备内飞灰严重等问题，而且这些燃烧器结构复杂、能耗高、价格昂贵，不适合我国国情，因此没有得到大面积推广。

哈尔滨工业大学较早地进行了生物质燃料的流化床燃烧技术研究，并先后与无锡锅

炉厂、杭州锅炉厂合作开发了不同规模、不同炉型的生物质燃烧锅炉。此外，河南农业大学研制出双层炉排生物质成型燃料锅炉，浙江大学研制出燃用生物质秸秆颗粒燃料的双胆反烧锅炉等。

3、发展前景分析

我国生物质能资源非常丰富，农作物秸秆资源量超过7.2亿吨，其中6.04亿吨可作能源使用。国家通过引进、消化、吸收国外先进技术，嫁接商品化、集约化、规模化的管理经验，结合中国国情，在农村推广实施秸秆综合利用技术，在节省不可再生资源、缓解电力供应紧张等方面都具有特别重要的意义。秸秆综合利用不但减少了秸秆焚烧对环境造成的危害、减少了温室气体和有害气体排放，而且对带动新农村建设无疑将起到重要的促进作用。从秸秆资源总量看，广大农村、乡镇的各种秸秆产量大、范围广。生物质固体燃料是继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，是可取代矿产能源的可再生资源，是未来一个重点发展方向。

参考文献

[1]刘延春，张英楠，刘明，等.生物质固化成型技术研究进展[J].世界林业研究，2008，21（4）：41-47.

[2]赵迎芳，梁晓辉，徐桂转，等.生物质成型燃料热水锅炉的设计与试验研究[J].河南农业大学学报，2008，42（1）：108-111.