【生物燃料研究进展概述4800字】

生物燃料研究进展概述目录TOC\o"1-3"\h\u26264生物燃料研究进展概述 124321.1化石能源危机 1258581.2生物燃料简介 3181061.3生物燃料的发展趋势 41.1化石能源危机自工业革命开始以来，化石能源在全球能源系统中一直扮演着主导地位，是社会、经济和发展进步的根本动力[1]。但是，在过去的几个世纪中，化石能源的消耗量发生了巨大的变化，仅在过去的半个世纪中，化石能源的消耗量就显著增加，自1950年至今增加量约为八倍，自1980年以来几乎翻了一番[2]。人类对于化石能源的过度开采以及相应化石能源的大量消耗，使这种不可再生资源一步步走向枯竭。据英国石油公司（BritishPetroleum,BP）在2020年年中发布的《StatisticalReviewofWorldEnergy》报道，虽然受新型冠状病毒肺炎（CoronaVirusDisease2019,COVID-19）疫情的影响，经济和社会发展受到巨大冲击已有所放缓，但2019年化石能源消费依旧增长了1.3%[3]。在图1-1中，我们可以看到自1800年到2019年以来，以煤炭、石油和天然气为代表的全球化石能源的消费量逐年增长（以太瓦小时（TWh）为单位），尤其自1950年以后，随着社会和经济的迅猛发展，全球化石能源消费几乎呈指数型增长。图1-11800年-2019年的全球化石能源消耗[2]Fig.1-1Globalfossilenergyconsumptionfrom1800to2019与以前相比，尽管2020年化石能源需求出现大幅下降，但全球中长期化石能源需求预计仍将继续增长。根据石油输出国组织（OrganizationofthePetroleumExportingCountries,OPEC）在《2020Worldoiloutlook2045》报告中做出的预测及分析指出[4]，到2045年期间将以72mboe/d的速度增长。预计全球化石能源需求将从2019年的289mboe/d增加到2045年的361mboe/d，这意味着在预测期内的年平均增长率为0.9%。如图1-2所示，仅在2019年，非经合组织的化石能源需求总量就达到了全球的61.6%，其中，中国和印度的化石能源需求总量就达到了全球的29.2%，中国和印度对全球能源需求方面的影响较大，因此，预计未来能源总需求增长的近三分之一来自中国和印度。图1-22019年全球各地区化石能源需求占全球能源需求总量的比例（%）[4]Fig.1-2Theproportionoffossilenergydemandinvariousregionsoftheworldtothetotalglobalenergydemandin2019(%)自2009年以来，中国已成为世界上最大的能源消费国之一，其消费量和全球份额不断增加[5]。如图1-3所示，我们可以看到自1965年到2019年以来，中国石油能源的消费量逐年增长，仅2019年中国的石油消耗就达到了7,752TWh[2]。传统内燃机汽车是中国主要的化石能源消费途径之一，据公安部交通管理局发布的统计数据显示，2020年中国机动车保有量达3.72亿辆，其中汽车为2.81亿辆。作为全球最大的汽车交易市场，仅2020年，中国的新车销量就达到了3,328万辆，比2019年增加了114万辆，增长3.56%[6]。这使得预计到2024年，中国对于柴油的日需求量会增加到90万桶/日[4]。由此可见，在能源危机日益严重的今天，汽车燃油消耗无疑会成为增大中国化石能源需求压力的原因之一。同时，在传统内燃机汽车中，柴油的使用燃烧会导致大量烟尘、碳氢化合物和一氧化碳等环境污染物的高碳排放。高碳排放是导致温室效应、全球变暖和极端天气（包括频繁的高温、飓风和洪水灾害）的直接因素，给环境带来了极大的危害[7,8]。因此，为了实现中国经济和环境的可持续发展，以及减缓化石能源的需求压力，应减少中国对化石能源的依赖。图1-3中国每年的石油消耗（以太瓦小时（TWh）换算）[2]Fig.1-3China'sannualoilconsumption(Convertedinterawatthours(TWh))随着化石能源需求的不断增加以及节能减排的需要，发展替代能源以实现能源的高效清洁利用，已经成为国内外能源研究的重点。目前，正在研究和实施几种替代能源包括太阳能、地热能、水力发电、风能和生物燃料等[9]。在这些潜在能源中，生物燃料被视为实现短期替代化石燃料目标的真正手段[10]。1.2生物燃料简介生物燃料（Biofuel）通常指利用光合作用产生的各种有机体组成或基于各种有机体原材料制备而成的固态、气态以及液态燃料，即活生物体的能量燃料。生物燃料可以由无毒和可生物降解以及可再生的淀粉、植物油、动物脂肪和废生物质或藻类生物质生产[11]。根据所使用的原料类型及其当前或将来的可用性，将生物燃料分为第一代，第二代，第三代和第四代生物燃料[12]。其中，第一代生物燃料来自于谷物、油菜籽、土豆和甜菜根等农作物，利用农作物在生长过程中积累的油脂、淀粉、糖和纤维素等含能分子作为燃料[13]。虽然这些含能分子的燃烧能够释放接近等量化石燃料燃烧所释放的能量，但是在实际生产中，燃料行业必须与饲料行业和粮食行业竞争这些产品，由此可能会对粮食安全产生不利影响，导致农业、粮食和自然生态系统处于危险之中；第二代生物燃料由非粮食产品生产，主要来自桔梗、蔗渣、莎草、稻草和高能人工林等，利用木质纤维素等制备生物燃料，这类生物燃料能够实现对生物质资源的合理和有效利用[14]。然而，制备第二代生物燃料的技术成本较高，生产成本的高能耗限制了其进一步的发展；第三代生物燃料由藻类生产，因此不会与粮食作物竞争，而且藻类可以在废水和其他残留水中培养[15]，但其生产技术还不够成熟，还需进一步研究，这可能是未来的生物燃料；第四代生物燃料中的生物质来自蓝细菌、微藻类和大型藻类[16]，是在第三代生物燃料的基础上进一步加强了对藻类代谢工程的研究。生物燃料可以直接或间接用作交通运输燃料，而对现有发动机的修改很少或没有修改，也可以用作各种其他应用中的燃料[17]。生物燃料的使用不仅可以缓解能源危机，还可以带来环境效益。因为它们的使用可减少二氧化硫、碳氢化合物和烟尘颗粒物等有害物质的排放，并能降低二氧化碳的排放，从而减少温室效应。实际上，生物燃料似乎是净零排放者，因为燃烧生物燃料比燃烧化石燃料向环境中排放的碳量更少，同时，燃烧生物燃料释放的碳已经作为现代碳循环的一部分存在[18]。虽然生物燃料仍然比常规燃料昂贵，但是随着全世界范围内进行的详尽研究，预计会降低生物燃料的生产成本，使这些燃料具有与常规化石燃料相媲美的竞争力[17]。此外，全球政府机构都在为生物燃料的加工和使用提供财政激励，预计这种财政援助将鼓励通过大规模生产进一步降低成本。1.3生物燃料的发展趋势在众多生物燃料中，液体生物燃料是可大宗便捷供应的生物燃料，常被用于替代化石燃油作为运输燃料，其在发动机上的应用受到越来越多的研究学者关注[19]。目前，液体生物燃料主要包括替代石油基柴油的生物柴油和替代汽油的生物醇类等[20]。1.3.1生物柴油的研究现状生物柴油（Biodiesel）通常指由植物油、动物脂肪或餐厨废弃油脂与醇类经酯化反应制备的一种可供内燃机使用的生物燃料，是用于压燃式发动机的常规石油燃料的替代品[21]。生物柴油是一种清洁、可再生、易降解的含氧燃料，其具有来源广泛、污染小、经济性好、使用性能好、能量密度高等优点[22]。与传统的化石燃料相比，生物柴油的来源主要以可再生的动植物油脂为主，大大降低了对化石资源的依赖；而且，生物柴油具有良好的润滑性，可以起到保护发动机以及延长机器使用寿命的作用；同时，生物柴油不含硫和芳烃，能够大大降低二氧化碳、烟尘颗粒物、有毒有机物等污染物的排放，对环境的破坏性较小；此外，生物柴油的主要特征与十六烷基柴油非常相似，例如十六烷值、能量含量、粘度等[23]，却不包含任何石油产品，但它可以与常规柴油相溶，并且可以与柴油以任何比例混合形成稳定的生物柴油混合物。因此，生物柴油已成为世界上最常见的生物燃料之一。目前，生物柴油的主要生产工艺有生物酶法、化学法和热解法[24]。然而，与柴油相比，生物柴油也存在一些缺点，例如雾化性能不好、低温流动性较差和热值低等[25-27]，这阻碍了其大比例在柴油发动机中的使用。但越来越多的研究表明，使用添加剂可以对生物柴油的这些缺点进行改善[28]，常见的添加剂有乙醇、丁醇和戊醇等[29]。此外，目前大多数研究表明，20%是使用生物柴油掺混柴油的最佳比例[30]。在这个比例下，生物柴油对柴油的密度、粘度和闪点等理化特性影响不大，可以较好的发挥其性能。近年来，随着全世界大部分国家对生态环境可持续发展的重视，法国政府计划在2015年提高生物柴油的生产到每年1,000万吨。意大利是目前欧洲生物柴油使用最多的国家之一。而中国早在1991年就已经成功研制出生物柴油，根据2018年的《中国生物柴油产业深度调研与投资价值报告》显示，现阶段中国每年的生物柴油产量已经超过350万吨，生物柴油生产厂家更是超过50家。但仍需关注的是，中国生产的生物柴油仅有30%是用在交通运输领域，其它70%都用了在工厂、农机及船舶上。因此，生物柴油在交通运输领域的应用发展任重而道远。1.3.2生物醇类的研究现状生物醇类是由生物质或微生物发酵途径产生的醇，生产原料包括农作物、农业废料和林业废料以及食品废料等[31]。目前，作为燃料在内燃机中应用与研究的生物醇类主要包括甲醇、乙醇和丁醇等[32]。这些生物醇类燃料都具有作为未来内燃机中替代燃料的潜力。甲醇作为最常见的生物醇类燃料，具有高辛烷值、高汽化热和高氢碳比等许多理想的特性，是一种极好的替代燃料[33]。甲醇可从煤炭和天然气中制取[35]，其来源广泛且价格较低，具有比较成熟的工艺，也具有相当大的生产能力和适当的基础设施[34]。但这种化工生产甲醇的原料供给依赖于化石燃料，且生产过程涉及高温、高压以及高风险。同时，在煤炭的准备和气化过程中会产生大量的有毒有害的气体和粉尘[36]。因此，从资源和环境角度综合考虑，发展相对绿色环保的甲醇生产工艺是十分有必要的。甲醇在发动机上的应用开始于汽油机。它凭借较高的辛烷值，一直被作为添加剂混合在汽油中以改善汽油机的爆震问题。然而，由于甲醇与柴油的极性差异非常大，甲醇与柴油的互溶性非常差[37]，甲醇与柴油的互溶性一直是困扰甲醇在柴油机上应用的关键问题。因此，要想在柴油机上大比例使用甲醇还需要继续研究。乙醇是二碳醇，被视为最有前景的生物醇类燃料之一。由于具有较好的经济性与清洁性，乙醇已经开始在世界范围内通过掺入汽油推广使用。从蔗糖和淀粉等粮食作物中获得的乙醇被称为第一代生物乙醇，但由于“与人争粮、与粮争地”等问题仍具有较大争议[38]。近年来，随着木质纤维素类生物质液化技术的逐渐发展，利用农林废物、城市垃圾等原料生产乙醇燃料的转化率较高且成本相对低廉。目前，通过木质纤维素生物质液化技术制备乙醇的方法逐渐成为研究热点之一ADDINNE.Ref.{E5DFC210-34C8-4B8C-9FE8-541F450B45D2}[39,40]。乙醇作为燃料具有辛烷值高、十六烷值低、汽化热高等显著特点，其燃用可降低氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物等污染物的排放量。然而，其较低的十六烷值可能会导致柴油机工作不稳定，如发动机爆震、启动困难、油耗高等问题。这使得压燃技术很难应用于燃烧乙醇混合燃料，从而导致乙醇燃油系统通常不能直接应用于柴油机。因此，通过适当调节燃料体系的十六烷值等燃料特性，乙醇燃料的应用前景依旧广泛。丁醇是一种潜力巨大的生物醇类替代燃料，由于其比甲醇和乙醇的优越性而备受关注，在最近几年来成为内燃机中的研究热点。与甲醇和乙醇相比，丁醇具有更高的耐水性，更高的热值/能量含量，更低的蒸气压和腐蚀效果，以及与汽油或柴油更好的互溶性ADDINNE.Ref.{15093623-967D-41F9-A26F-0C980EB33B68}[41,42]。同时，由于其疏水性，丁醇易于通过管道运输，从而降低了吸水分离的风险。此外，据报道，丁醇的生产可以避免使用玉米、糖蜜和其他粮食作物，而是由木质纤维素或废物生物质生产的，其在整个生命周期内的温室气体排放也低于乙醇[43]。ZehraŞahin等人[44]研究了在涡轮增压柴油机中使用低比例正丁醇/柴油混合燃料对废气排放特性和发动机性能的影响。结果表明，在选定的发动机负载和转速下，包含2％和4％正丁醇的柴油可以改善氮氧化物（NOx）排放和发动机特性。Doğan[45]评估了正丁醇/柴油混合燃料对小型柴油机废气排放和发动机性能的影响。实验结果发现一氧化碳（CO），NOx排放量和烟雾不透明性降低了。Liu等人[46]研究了正丁醇对柴油机性能的影响，结果表明，在高水平的废气再循环条件下，正丁醇的添加降低了总烃（THC）和CO的排放，并几乎消除了碳烟驼峰。此外，一些相