未来能源——生物燃料.docx

现代科学技术概论课程结课论文 2015-2016 学年 第 2 学期 学 院： 生物与食品工程 专业班级： 生物工程141 学生姓名： 蔡思强 学 号： 140625101 09 指导老师： 张石定 2016 年 6 月 6 日未来能源生物燃料 蔡思强 （安阳工学院 生物与食品工程学院 河南 安阳）摘 要：矿物燃料的日益紧缺和二氧化碳排放量的日益增长使高能耗的民航业寻求安全环保的绿色新能源。我国已经展开了生物燃油的审定和试飞工作。目前航空生物燃料的原材料从食用油转为高产廉价的非食用油，按照一定的生产工艺和调和比例，其碳排放量、有毒气体和颗粒物等大大下降，同时其燃烧特性与矿物燃油接近，不影响航空发动机的推力。航空生物燃料在未来的商业飞行中前景广阔为什么发展生物燃料用于民航：民用航空，是指使用各类航空器从事除了国防、警察和海关等国家航空活动以外的所有的航空活动，航空运输领域用能结构中将近95%是航空燃油，目前，人们对航空运输需求的持续增长与环境限制和石油供应紧张之间的矛盾将越来越大，民航的发展对于能源、尤其是液体燃料的依赖将是刚性的。近年来，从中东地区不断发生的战争，我们就可以看出石油在全球的紧张情况。世界上每一天的期货情况、股市行情都与当日的世界原油价格密切相关。中东石油开采的联盟组织欧佩克的任何一次会议都将吸引全球人民的注目。那里的每一次大小武装冲突都能导致美国的参与。这都是因为石油稀少的原因。而石油稀少将导致航油价格大幅波动并不断飙升，航油成本占航空公司运营总成本已经超过40%，而机队规模的壮大、传统航油价格的攀升等因素要求我们必须寻求到安全、清洁、可持续的能源供给途径。这是关系到航空运输业乃至上下游产业的长远发展问题。而生物燃料，是来自有机物质的燃料，生物燃料不同于化石燃料，从某种意义上说，两者的不同点就是生物燃料是可再生的，所以，民航用生物燃料作为驱动航空器的能量来源，将不会再为石油的储存量和石油的价格而担忧生物燃料的来源：生物燃料主要有生物柴油和燃料乙醇，生物柴油的制备方法有物理法和化学法。物理法包括直接使用法、混合法和微乳液法；化学法包括高温热裂解法和酯交换法。直接使用法，即直接使用植物油作燃料.由于植物油黏度高、含有酸性组分,在贮存和燃烧过程中发生氧化和聚合以至于发动机内沉积多、喷油嘴结焦、活塞环卡以及排放性能不理想等问题,后来便被石油柴油所取代。混合法是将植物油与石油柴油按不同的比例直接混合使用.Anon在柴油中掺入了95%的回收煎炸油,发现每运行44.5km就必须更换润滑油,这是因为植物油的高黏度引起不饱和成分的聚合使润滑油变质.微乳液法微乳液有两种:一是将动植物油与甲醇、乙醇等溶剂混合成微乳状液,来解决动植物油的高黏度.但在实验室规模的耐久性试验中,发现注射器针经常黏住,积碳严重,燃烧也不完全.另一种是将生物柴油与溶剂形成微乳液,所得燃料的完全燃烧性能得到了很大提高.但微乳液在低温下并不稳定,微乳液中的醇具有一定的吸水性.高温热裂解法是在热或热和催化剂共同作用下,在空气或氮气流中将化学键断裂而产生小分子.Schwab等对大豆油热裂解的产物进行分析,发现烷烃和稀烃的含量很高,约占总质量的66%,十六烷值高于豆油和石油柴油,热值与石油柴油相近.裂解产物的粘度虽比大豆油下降约22.4%,但还是比石油柴油高6.1%8.3%。酯交换法，目前工业生产生物柴油的主要方法是酯交换法,即用各种动物和植物油脂与甲醇、乙醇、丙醇、丁醇等低碳醇在催化剂作用下反应而成.因甲醇价格低廉,故常用甲醇.酯交换法又包括:酸或碱催化法、生物酶法、工程微藻法和超临界甲醇法。酸或碱催化法，油脂在酸或碱的催化条件下与甲醇进行转酯化反应,反应后分去下层粗甘油,粗甘油经回收后具有较高的附加值;上层经洗涤、干燥即得生物柴油.反应主要的影响因素有四个:醇油比、催化剂用量、反应时间和反应温度,其中最重要的因素是醇油比和催化剂用量.。酸催化酯交换适用于脂肪酸和水含量高的油脂(主要是废弃油)制备生物柴油,产率较高,但反应速率慢,酸耗大,分离难,且设备易腐蚀,易产生三废。碱催化法可在低温下获得较高产率,反应速率快，但它对原料中游离脂肪酸和水的含量却有较高要求。生物酶法，动植物油脂和低碳醇通过脂肪酶进行转酯化反应.用于催化的脂肪酶主要是酵母脂肪酶.生物酶法的优点在于条件温和、醇用量小、游离脂肪酸和水的含量对反应无影响、无污染排放.但脂肪酶在有机溶剂中易聚集,不易分散,因而催化效率较低.此外因脂肪酶价格昂贵,故成本较高。工程微藻法，先通过基因工程技术建构的微藻生产油脂,再进行酯交换反应.美国国家可更新能源实验室(NREI)通过现代生物技术建成“工程微藻”(藻类的一种“工程小环藻”),在实验室条件下可使脂质含量增加到60%以上.工程微藻法的优越性在于微藻生产能力高,比陆生植物单产油脂高出几十倍;用海水作为天然培养基,节省了农业资源;生产的生物柴油不含硫;可被微生物降解,不污染环境.因此,发展富含油酯的“工程微藻”是发展生物柴油的大趋势。超临界法，超临界反应就是在超临界流体参与下的化学反应,超临界流体既可以作为反应介质,又可以参与反应.在超临界状态下,甲醇和油脂成为均相,反应速率大,反应时间短.另外,由于在反应中不使用催化剂,因此反应后续分离工艺简单,不排放废碱或酸液,不污染环境,生产成本大幅降低.但是超临界甲醇法反应条件非常苛刻,需要高温高压下进行。燃料乙醇生产技术主要有第一代和第二代两种。第一代燃料乙醇技术是以糖质和淀粉质作物为原料生产乙醇。其工艺流程一般分为五个阶段，即液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水。第二代燃料乙醇技术是以木质纤维素质为原料生产乙醇。与第一代技术相比，第二代燃料乙醇技术首先要进行预处理，即脱去木质素，增加原料的疏松性以增加各种酶与纤维素的接触，提高酶效率。待原料分解为可发酵糖类后，再进入发酵、蒸馏和脱水。我国燃料乙醇的主要原料是陈化粮和木薯、甜高粱,地瓜等淀粉质或糖质非粮作物，今后研发的重点主要集中在以木质纤维素为原料的第二代燃料乙醇技术 。国家发改委已核准了广西的木薯燃料乙醇、内蒙的甜高粱燃料乙醇和山东的木糖渣燃料乙醇等非粮试点等项目，以农林废弃物等木质纤维素原料制取乙醇燃料技术也己进入年产万吨级规模的中试阶段。生物燃料的好处生物燃料有哪些好处：多样性：原料上的多样性 生物燃料可以利用作物秸秆、林业加工剩余物、畜禽粪便、食品加工业的有机废水废渣、城市垃圾，还可利用低质土地种植各种各样的能源植物。：产品上的多样性; 能源产品有液态的生物乙醇和柴油，固态的原型和成型燃料，气态的沼气等多种能源产品。既可以替代石油、煤炭和天然气，也可以供热和发电。物质性可以像石油和煤炭那样生产塑料、纤维等各种材料以及化工原料等物质性的产品，形成庞大的生物化工生产体系。这是其他可再生能源和新能源不可能做到的。可循环性和环保性生物燃料是在农林和城乡有机废弃物的无害化和资源化过程中生产出来的产品；生物燃料的全部生命物质均能进入地球的生物学循环，连释放的二氧化碳也会重新被植物吸收而参与地球的循环，做到零排放。物质上的永续性、资源上的可循环性是一种现代的先进生产模式。：可循环性;生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是唯一一种可储存和可运输的可再生能源。而且它分布最广, 不受天气和自然条件的限制，只要有生命的地方即有生物质存在。：环保性;从化学的角度上看，生物质的组成是C-H化合物，它与常规的矿物燃料，如石油、煤等是同类。由于煤和石油都是生物质经过长期转换而来的，所以生物质是矿物燃料的始祖，被喻为即时利用的绿色煤炭。对原油价格的抑制性生物燃料将使“原油”生产国从目前的20个增加到200个，通过自主生产燃料，抑制进口石油价格，并减少进口石油花费，使更多的资金能用于改善人民生活，从根本上解决粮食危机。带动性生物燃料可以拓展农业生产领域，带动农村经济发展，增加农民收入；还能促进制造业、建筑业、汽车等行业发展。在中国等发展生物燃料，还可推进农业工业化和中小城镇发展，缩小工农差别，具有重要的政治、经济和社会意义。生物燃料发展前景：生物质燃料的起源与发展，随着传统非再生能源的日益枯竭和社会上可持续发展对能源和环境保护的需要，世界广泛兴起了对可再生能源的使用热潮，以美国加州大学的“能源生物研究院”为代表的“木质纤维素生物燃料的原料供给”专项研究，对世界各地的生态环境和植物类型进行了分析，开发了利用植物或农作物中不能吃的部分生产高效、环保，节能的生物燃料产品。我国经过近十来年的技术积累，在该领域开发能力已居于世界榜首，为了推广该技术和产业化水平，我国科技部颁布了“国家生863物和现代技术农业技术领域能源技术开发与产业化”课题的研究计划，随着该计划相关课题项目的深入开展，我国拥有自主知识产权的生物能源技术在应用领域不断完善，前景十分广阔。国际能源局(IEA)于2011年4月21日发布路线图指出，到2050年生物燃料可望提供世界总的运输燃料需求量高达27%，尤其将会对柴油、煤油和喷气燃料替代作出贡献。这将使生物燃料的使用从目前5500万吨石油当量增长(占运输燃料2%)增加到2050年7.5亿吨石油当量。随着交通运输业的大量发展，以及对全球运输燃料的需求上升，IEA估计，来自生物质生产的液态和气态燃料将成为减少二氧化碳排放和降低对液态运输燃料依赖的关键技术之一。生物燃料的问题一：生物多样性方面 生物燃料可能带来的问题大规模使用生物燃料也有可能带来使农业及生态遭受重大影响的风险。能源作物种植渗入自然景观这一后果显然将导致栖息地破坏和割裂，从而直接造成生物多样性的丧失。若生物质的种植和管理过程中采用不可持续的农业做法（如过度使用化肥可能造成土壤流失或板结），则可进一步造成生物多样性丧失。二：耕地方面 可用于能源生物质种植的土地面积是有限的，能源生物质种植可能同现有的农用土地构成竞争。联合国在可持续能源：决策者框架报告指出，生物燃料的生产会通过占用土地和其他所需资源，进而影响粮食足量供给，而且那些生产生物燃料的农作物往往需要最好的土地、大量水资源和化学肥料。三：粮食生产方面 用麻疯树（又名桐油树）可用于生产生物燃料，这些作物可生长在不适于粮食作物生长的荒地、几乎不需施肥，其种子亦不可食用，对粮食生产影响更小。但有科学家认为：有些第三世界国家的农民，可能会为了赚钱，而把原本用来生产粮食作物的土地，拿来种植能源作物，其发展有减少粮食生产的危险性。全球粮食储备已从2010年的1.75亿吨下降到目前的1亿吨。另一方面，生物燃料每年却要“吃掉”1.5亿吨粮食。如果停止其生产，全球就有足够的粮食储备，粮价也不会暴涨。4、 我对此的感受生物燃料必定会对以后的航空航天产业产生