生物燃料和天然气的区别
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生物燃料和天然气的区别范文第1篇
老板厨师都说好
2012年5月，威望生物醇油的杨经理一开始推广就锁定了饭店这个潜力巨大的消费群体，如其他的新兴项目一样，开始的道路崎岖而坎坷。杨经理说：“一开始推广很困难，大家不认这个东西，但逐渐用的饭店多起来了。饭店的厨师大多相互认识，这家饭店用上了觉得好，和别家饭店的厨师一说，这样一个传一个，用的饭店慢慢就多了。”目前太原市使用他的生物醇油的饭店已有10多家，每月销售甲醇燃料20多吨。
太原一家小有名气的麻辣香锅店的石经理告诉记者，“这么多年，天然气、液化气、柴油，我们都用过。去年我和几个朋友投资开这个饭店的时候，从安全性、性价比、再加上后厨的大小，仔细权衡，最后选择了生物醇油。我们店一般十天一次燃料，每次3大桶，一吨多点。相对罐装液化气来说，生物醇油的油箱不占地方，可放在室外或室内高处，节省空间。安装天然气或液化气管道动辄就得十几万元，犯不上。以前用液化气罐，危险性高，必须给它设一个单独的房间。而且冬天长途运输过来，钢瓶会冻住。瓶底特别凉的时候，火苗根本上不去。另外液化气爆炸多厉害，生物醇油如果着火的话，水一浇就灭了。厨房到处都是水，很容易处理。用液化气，刚开始气儿满的时候，火力大，但用到一半火苗就小了。饭店炒菜要求火力均匀，不能忽大忽小。生物醇油始终是一个火力。”
而位于太原市小店区的“灰太狼面一庄”饭店的一位李姓厨师说：“我们店使用生物醇油已经1年多了。以前使用液化气灶的时候，夏天活儿一忙，我穿的白衣服需一天一洗。而且嗓子特别痛，晚上吐的痰都是黑的。现在用生物醇油，我穿的白衣服都干净了，三四天洗一次就可以了。”
“我们马上要开一家分店，还要用生物醇油。”店面有二百多平方米的香香米菜馆厨师长张军说，饭店用生物醇油1年多了，“生物醇油比柴油和液化气要省钱。柴油灶太脏，厨房被熏得黑乎乎的，地板也滑得很，早晚得淘汰。过去用液化气罐，重达100千克，送到饭店时常常把店里的地砖给砸坏，于是后来换成了生物醇油。经过比较，我们发现用生物醇油比用液化气在费用上要省15%。省钱还不是最重要的，我最看重的是它的安全性。我认为液体比气体要安全。液体看得见，摸得着，而气体看不见。将来我自己开饭店，肯定也用生物醇油。”张军还带着记者到厨房参观了醇油燃料灶具，它的外观和柴油灶、液化气灶几乎没有区别。张军把生物醇油点燃后，火一下子从灶眼里窜出来，火苗直往上冲，火势与柴油、液化气基本不相上下。记者在现场也没闻到燃烧时有任何异味。最后张军还总结了一句：“生物醇油不用不知道，用上才知道好。”
绿色清洁还环保
省时省力又省钱
专家介绍，生物醇油的主要成分甲醇，本身就含有50%的氧，燃烧后的废气排放比柴油和液化气少，具有燃烧充分的优势，因此被视为是清洁燃料。目前在全国许多省份，如山西、内蒙古、山东、河南、湖南、广东、天津等省和直辖市生物醇油在饭店、宾馆的普及率都很高。对此，生物燃料研究专家分析，主要得益于这样几个原因：一是甲醇燃料本身性能好，二是使用方便、安全，三是经济实惠。
杨经理说：“现在北方地区甲醇燃料零售价大都在3500元/吨。而液化气的零售价是6000元/吨，柴油8000元/吨，相比之下生物醇油的经济性是十分明显的。而且该燃料在常温常压下储存、运输和使用，无需高压钢瓶，用普通塑料桶封口储存即可，使用方便。万一失火，用水即可扑灭，没有引发爆炸的危险，也不会因漏气而引发煤气中毒事件。”目前为餐饮业提供生物醇油的，基本上都是中小民营甲醇生产企业。这是什么原因呢？
制作生物醇油的技术非常简单，生产方法基本是调配法。通常的做法是采用联醇生产的粗甲醇为原料，同时为了提高甲醇的热值和稳定性，再加入几种微量的添加剂，工艺简单，设备投资少。一个月调配50吨生物醇油的工厂，只需投入10万元左右就能投产运营。个体小规模生产，投资一两万元即可投产运营。适合于中小民营甲醇生产企业。
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山西生物研究院威旺生物醇油开发中心
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生物燃料和天然气的区别范文第2篇
航空喷气燃料应具有的性能
航空喷气燃料的主要功能是推进飞机前进，所以能量含量和燃烧性质是最核心的燃料性能。其它相关性能指标还有稳定性、性、流动性、汽化特性、抗腐蚀性、洁净性、材料相容性及安全特性等，飞机的安全和经济运行要求燃料在使用前足够清洁、无水和不含任何污染物。除了提供能量，燃料还作为发动机控制系统的压力液和特定燃料系统部件的冷却剂。航空喷气燃料性能能否达到使用要求，通过质量指标来控制与体现。表1列出了航空喷气燃料性能及与之相关的分析测试项目[4]。（1）热安定（稳定）性在飞机飞行中，航空喷气燃料还作为发动机和机体的热交换介质。工作环境温度较地面环境温度高，因此油品的热安定性是喷气燃料最重要的性质之一。在机体内，喷气燃料用来给发动机油、压力液和空调设备换热，燃料吸收的热量加速了生成胶质和颗粒物的化学反应。商用喷气燃料应在燃料温度高达163℃时保持热稳定，认为这样的燃料具备良好的储存安定性。（2）燃烧性通过把液体燃料注入快速流动的热空气流中，燃料在燃烧室中连续燃烧。在初始区域中，燃料在接近理想配比条件下汽化并燃烧，所产生的热气持续被过剩空气稀释，以便把温度降低到适合发动机安全运行的温度。通过目前规格中的试验方法测试与生烟相关的燃料的燃烧性质。通常，烷烃提供了最为理想的喷气燃料燃烧洁净性，环烷烃是次理想烃类，芳烃是飞机涡轮燃料燃烧性的最不理想烃类。在飞机涡轮中芳烃易于呈有烟的火焰燃烧，且比其它烃类释放出更大比例的不理想热辐射的化学能。萘或双环芳烃比单环芳烃产生更多的烟灰、烟尘和热辐射，是飞机喷气燃料使用的最不理想烃类。烟点提供了一个喷气燃料相对生烟性的指示，且与该燃料的烃类组成有关，无烟火焰的高度值大，表明芳烃含量低，燃烧的清洁性好。（3）燃料的计量和飞机航程当密度与诸如苯胺点或蒸馏等其它参数结合使用时，密度低预示单位体积热值低，预示给定体积燃料的航程降低。飞机和发动机的设计是建立在把热能转化为机械能的基础上。燃烧净热值提供了从给定燃料中获得的进行有效工作的能量数量，热值减少到该最小限值以下将伴随着燃料消耗增加和相应的航程减少。（4）燃料的雾化通过蒸馏测定在不同温度下燃料的挥发性和是否易于蒸发，规定10%蒸馏温度是为了确保易于启动，规定终馏点是为了排除难以蒸发的重馏分。燃料的黏度与其在整个温度范围的泵送能力和喷嘴雾化状态的一致性密切相关，燃料对泵的能力与黏度也有关系。（5）低温流动性冰点是燃料非常重要的性能，而且应足够低，以排除在高海拔处的普遍温度下燃料通过滤网向发动机流动时受到的干扰。飞机油箱中燃料的温度随着外界温度的降低而降低。飞行过程中燃料所经历的最低温度主要取决于外界空气温度、飞行时间和飞机速度。例如，长时间飞行要求燃料的冰点比短时间飞行的低。（6）与燃料系统和涡轮中的橡胶和金属的相容性已知硫醇硫可以与某些橡胶反应，规定硫醇含量限值以避免这类反应并减少令人不快的硫醇气味。对于喷气燃料控制硫含量很重要，因为在燃烧过程形成的硫氧化物会腐蚀涡轮的金属部件。喷气燃料铜片腐蚀试验合格的要求，确保了燃料中不含任何会腐蚀燃料系统各部分的铜或铜合金的物质。某些石油产品使用了矿物酸或苛性碱或两者进行处理，不希望有任何残留的矿物酸或苛性碱，也不希望含有杂质。当检验新生产的或未使用过的燃料时，测定酸值可以对此进行确认。（7）燃料的储存安定性实际胶质是燃料蒸发后所留下来的非挥发性残余物。如果存在大量的胶质，则表明燃料受到高沸点油品或颗粒物质的污染。（8）燃料的性飞机/发动机燃料系统的组件和燃料控制部件依靠燃料其滑动的部分。喷气燃料在此类设备中作为剂的作用称为燃料的性。喷气燃料性不好，可导致泵的流量下降或出现机械故障，严重时导致发动机空中停车。
航空生物燃料的特性与调合要求
从中长期全球航空工业技术经济角度分析，传统化石航空喷气燃料仍将占据航空燃料主导地位，这就要求替代燃料的性质必须与现有的传统燃料性质相近，可与其完全互溶、可以任何比例进行混合和共同运输。煤液化喷气燃料（CTL）、天然气合成喷气燃料（GTL）和航空生物燃料（Bio-SPK）这三种产品在能量密度、流动性等方面的性质与现有传统燃料基本相近，所以目前国际上航空替代燃料主要是这三种。与化石航空喷气燃料相比，航空生物燃料具有优异的热安定性、燃烧性和良好的材料相容性，除产品密度偏低外，其它性能指标均与化石航空喷气燃料要求一致。表2列出了航空生物燃料与化石航空喷气燃料性能指标的对比情况。由于航空生物燃料不含芳烃，实测的航空生物燃料净热值为44.14MJ/kg，烟点大于40mm；而化石航空喷气燃料的实测净热值为43.44MJ/kg，烟点实测为23mm（萘系烃含量为0.4%）。所以，航空生物燃料具有优异的燃烧性能和较高的热稳定性。但是，为确保避免长时间使用后飞机燃料系统橡胶密封圈收缩和相应的燃料泄漏，调合后的航空涡轮生物燃料规定了芳烃含量（体积）的下限不小于8%，上限不大于25%，而化石航空喷气燃料只规定了芳烃含量上限，因此其最低芳烃含量根据已有的经验来确定，实际指标目前仍在进一步研究之中。在燃料雾化（挥发性）方面，为保证涡轮燃料雾化性能和燃烧稳定性，航空涡轮生物燃料增加了蒸馏斜率T50-T10不小于15℃和T90-T10不小于40℃的要求。为满足航空涡轮生物燃料的蒸馏斜率要求，作为调合组分的航空生物燃料T90-T10要求不小于22℃。蒸馏斜率限制是根据目前对认可的合成燃料的经验确定的，目前正在进行蒸馏斜率实际需求的研究。另外，目前作为调合组分的航空生物燃料密度相对较低，15℃密度为730～770kg/m3，调合航空涡轮生物燃料选择时，需注意化石航空喷气燃料的实际密度值。化石航空喷气燃料的芳烃含量一般在10%～20%，密度（15℃）一般为780～820kg/m3。为了同时满足航空喷气燃料规格对芳烃最低含量8%和密度不低于775kg/m3（15℃）的要求，应选择芳烃含量大于16%、密度不低于805kg/m3（15℃）的化石航空喷气燃料调合航空涡轮生物燃料，航空生物燃料的含量不超过50%。
航空生物燃料标准
生物燃料和天然气的区别范文第3篇
关键词：煤制油 直接液化 间接液化 现状 发展
前言
近年来，媒体上出现了很多关于替代燃料的各种有关替代燃料的说法，例如“煤制油”、“煤代油”、“合成油”、“煤制柴油”、“直接液化”、“间接液化”、“甲醇汽油”、“乙醇汽油”、“生物柴油”等。区别这些不同概念，我们首先找到它们相同的特点，就是生产油品。区别在于其中有一部分是为了生产柴油，而另一部分是为了生产汽油。此外，还有一部分是作为替代用品而出现的。而且，就算是同一种产品，它的质量不同、成分不同，用途也就不同。
煤炭是由有机物、无机矿物质和吸附水三部分组成。煤炭的主要成分是有机物，是古代植物经过长时间转化而来的。植物中的很多脂类、生物碱类物质和其他物质在地下一定温度和压力的条件下，经过脱羟基和脱羧基等反应，互相之间的缩聚，经过漫长的物理和化学反应过程，形成了化学结构非常复杂、分子量很大的高聚物。石油则是由烷烃、环烷烃和芳烃等有机物组成的混合物，分子量相对比较小。总之煤炭和石油都是碳氢化合物，所含化学元素基本上是相同的。
从我们自己的石油资源、消费量、战略需要上看，我国发展煤制油是必须的。然而，煤制油技术只能作为一种补充技术而不是取代石油，在我国建设煤制油上亿吨的生产线并不合适。大家都知道，中国是一个石油资源贫乏的国家，自己的原油不够，而且向外国购买原油也比较困难。正是基于石油的需求和消费的数量比其他同类化工合成产品高出太多，因此石油的发展肯定会影响到煤制油工业的发展，所以人们会特别关注煤制油产业的发展。所以，我国现在需要把煤制油作为一种补充的技术。用煤制油工业适当地补充在石油方面的缺口，而且我国煤资源比石油资源丰富，可以利用这个客观条件适当的以煤来替代石油。同时可以将煤制油先确定在以合成油技术建设的几个煤制油工厂中，既符合国家目前的能源战略，也可以大大补充我国的石油缺口，解决一部分地区出现的用油荒。
1. 煤制油工业化的条件
现代煤制油的主要合成技术是费托合成。由于催化剂的不同和反应温度的不同，费托合成的产品可以是柴油，也可以是汽油。但在目前国内，不推荐费托合成制汽油，原因是国内柴油不够用，汽油反而过剩。用费托合成去生产汽油没有必要。现在又很多办法能够合成汽油，像乙醇汽油、甲醇汽油、天然气、液化石油气合成汽油等。因此，费托合成在我国不适合从事汽油合成。
煤炭结构式维斯模型见下图
1.1. 丰富、廉价的煤炭资源
煤化工需要的条件，一是煤炭资源比较丰富；二是煤炭价格便宜。有很多地方，煤炭资源多但是不好，煤炭资源分布广但是分散，小矿多，大矿少。这会是煤炭供应数量不稳定；成分也不稳定。化工生产是需要长期稳定运行的，要是原料数量和质量不能稳定，化工生产就无法正常进行下去。一般来说，一个规模以上的煤化工企业，一年要消耗几百万吨的煤，要保证煤化工企业稳定运行几十年，没有几十亿吨的稳定煤是难以满足煤化工要求的。如果当地煤炭资源储量不大且成分不稳定，或者粉灰太高，热值也不高，那么，就没必要去搞煤化工，还是把这些煤用作燃料的好。煤炭价格也是发展煤化工的另一个重要因素。煤价过高，就使得煤化工产品价格就高，没有竞争力。和石油化工和天然气化工相比，煤化工单位产品投资非常大，财务费用也高。煤价如果过高的话，单位产品成本就必然过高，煤化工就没有优势可言。
1.2 充足的水源
煤化工还有一大特点是耗水量大。我国的北方和沿海大部分地区煤资源丰富，水资源却很短缺。有许多煤化工企业受缺水的困扰，常常出现煤化工企业与农业或其他工业争水现象。要保持煤化工企业正常稳定的运行，起码要保证每小时上千吨新鲜水的供应。真正上规模以上的煤化工企业，2000—3000吨/小时的用水量都很正常。
1.3 交通便利
煤化工企业产品和原料运输量大，因此交通运输显得十分重要，最好是靠近铁路或水运方便的地方。和汽运比较起来，铁路一是和水运在数量上可以满足要求，数量太大，汽运组织很麻烦。二是对于运输价格来说铁路和水运大大低于汽车运输。
1.4 有一定的环境容量
煤化工企业污染是不可避免的，而且非常严重，即使经处理达到排放标准，总还是要排放三废的。这个问题是不可回避的。我国南方煤质含硫量高，很多地方环境因为其他化工产业已经超标，尤其是山区较多的地方废气不易扩散，导致很多地方酸雨过多，再发展煤化工已经没有环境余量，环保部门是不会审批的。
2. 煤制油的基本原理
煤制油的基本合成是费托合成（Fischer Tropsch Synthesis，FTS）。费托合成是将含炭原料（如煤、天然气、生物质等）气化为合成气，然后通过催化剂转化为柴油，石脑油和其他烃类产品的聚合过程。
费托合成催化剂尤其重要，所需催化剂的活性金属主要是第Ⅷ族过渡金属元素，由于价格和催化性能等原因，目前以用在工业化的催化剂主要以Fe系催化剂和Co系催化剂为主。金属铁储量丰富、价格低廉，有利于生成低碳烯烃，但Fe催化剂对水煤气变换反应具有高活性，链增长能力较差，反应温度高时催化剂易积炭中毒。金属Co加氢活性与Fe相似，具有较高的F-T链增长能力，反应过程中稳定且不易积炭和中毒，产物中含氧化合物极少，水煤气变换反应不敏感等特点，但金属Co价格相对高，对温度要求较高，必须在低温下操作，使反应速率下降，导致时空产率较低，且产品中烯烃含量较低。两种或多种金属催化剂是近十年研究的新方向，目的是利用双金属间的协同效应，制备高活性、高选择性、高稳定性的催化剂。
3. 煤化工工艺的技术路线
煤制油是以煤炭为原料生产液体燃料和化工原料的煤化工技术的简称。通常有两种技术路线：直接液化和间接液化。煤炭和石油都是碳氢化合物，典型烟煤的氢碳比为0.8，汽油、柴油的氢碳比为2（摩尔比），因此，无论采用何种技术路线，煤制油的关键都是增加氢碳比。
3.1 直接液化
直接液化是在粉煤浆中加入气态氢，通过催化剂作用，提高氢碳比，生产液体燃料和化工原料。加氢的作用一是合成液化粗油（可简单表示为CH1.6），二是减少原料煤中的氧、硫和氮，把它们变成H2O、H2S和NH3的形式除去。除去氧可以生成烃油，去除氮和硫化物以免下游精炼用的裂化催化剂中毒。
3.1.1 煤直接液化工艺
具有代表性的煤直接液化工艺技术有德国的IGOR工艺，美国的HTI工艺，日本的化NEDOL工艺。
3.1.2 初步评价
IGOR技术生产柴油、汽油工艺流程简单，装置少。由于液化压力高，与HTI，NEDOL工艺投资要增加些，但压力从17MPa增加到30MPa，投资增加有限。然而液化强度（空速）IGOR比HTI大一倍，生产同样的油，液化反应设备可缩小一倍，所以同样规模条件下IGOR工艺液化反应部分的投资只可能比HTI低。从提质加H2产出合格油品来评价，IGOR由于在线提质加H2，工艺过程大大简化，省去了加H2稳定，加H2裂化等装置，因此单位液体产品可降低投资5%～10%左右。
IGOR工艺选用赤泥为催化剂、价廉，但增加了原料入反应器灰分，这些灰排出时，由于没有溶剂脱灰装置，油损失大，降低了工厂的经济效益。
HTI工艺外循环全返混悬浮床反应器克服了催化剂沉淀的难题，为使用高活性催化剂，防止催化剂沉淀，反应器大型化提供了条件。由于IGOR、HTI反应器已很大，再扩大将受到大件运输等限制，对于中国远离海岸江河的产煤山区，这个优点并不突出。溶剂脱灰增加了油回收率，这是HTI的一大优点，特别对含灰稍大，催化剂选用赤泥的工艺尤其重要。
IGOR技术是德国在40年代生产400万吨液化油的基础上，再经过技术开发及新建的200吨/天中试装置连续运行所取得的数据放大的，建设大型煤液化工厂技术风险较小。
HTI、NEDOL技术由于没有工业性生产装置运行经验，特别是HTI全循环返混反应器仅仅是试验室成果，放大约1000倍到生产装置，其成熟可靠性需实践来证明。
3.2 间接液化
间接液化是将煤炭部分氧化成主要由CO和H2组成的合成气，然后进行催化反应，合成汽油与柴油等烃类燃料或氧化燃料。氢碳比的增加是通过水煤气变换反应（CO+H2OCO2+H2），并脱除反应过程中的CO2实现的。
当前，煤炭间接液化最重要的三个产品是：烃类燃料、甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）。
3.2.1 烃类燃料
通过费托合成工艺，把气化产生的小分子聚集成大的碳氢化合物分子，从而生成烃类燃料。简单的描述如下：
nCO+2nH2OnH2O+CnH2n （烯烃）
nCO+2nH2OnH2O+CnH2n+2（烷烃）
3.2.2 甲醇
制造甲醇在商业上已经是很成熟的技术，在中国有广泛应用。主要反应包括：
CO+H2OCO2+H2 （水煤气变换）
CO+H2CH3OH （甲醇合成）
甲醇通过美孚公司的工艺，可以进一步加工成汽油，这也是一项成熟的技术，或可以直接用作燃料。
3.2.3 二甲醚
二甲醚是无毒、无致癌作用、环保的气体喷雾剂。制造方法是甲醇脱水：
2CH3OHCH3OCH3+H2O
3.2.4 间接液化工艺
煤间接液化费托工艺已工业化的有南非Sasol的浆态床、流化床、固定床工艺和Shell公司的固定床工艺。费托工艺自20世纪40年代开发至今，技术不断发展与进步，原料有煤和天然气，南非有世界上最大的费托合成油工厂，年加工煤约4000万吨（包括燃料煤）。Shell公司在马来西亚利用天然气制合成气，用费托工艺建成年产50万吨油工厂。
3.2.5 间接液化的催化剂
催化剂是影响间接液化合成油工艺经济效益是降低成本的关键之一。催化剂应尽量满足廉价高效，具有一定磨损强度，易于和产物相分离，以及环保的要求等。同时可以大规模生产，以及回收再利用。目前，研究开发费托合成油工艺的单位很多，造成了许多不同的合成催化剂体系。就目前的资料，间接液化的催化剂大致分为两类：钴系和铁系催化剂。
3.3 直接液化和间接液化的比较
直接液化和间接液化比较，形象地说，就好比苹果与橘子的比较，仁者见仁，智者见智。大多数文献都从能源转化效率或者油品收率的角度，对直接液化和间接液化进行比较。但是，与石油和天然气相比，由于煤炭是一种低成本、大储量的化石能源，因此，比较直接液化和间接液化的能源转化效率或者油品收率容易产生误导。
直接液化的合成燃料转化效率较高，间接液化的产品使用效率较高；间接液化产品比直接液化产品的环保性能更好；间接液化比直接液化的副产品多；直接液化和间接液化彼此间没有排他性，其产品具有很强的互补性。
以煤代油是中国一项非常重要的能源政策，煤炭间接液化是煤代油工作的一个重要内容。将为解决国家对洁净二次能源——燃料油的需求，提供一条科学和可靠的途径。
4.结论
合成油示范厂的运行状态表明，国内开发的新一代费托合成技术（包括反应器、催化剂等全套技术），已经受了初步的工业化考验，基本上达到“安、稳、常、满”的要求，技术日趋成熟，具备推广和适当扩大再生产的条件。
我国石油资源比较缺乏，煤炭资源较为丰富，用煤替代石油是发展方向。世界上曾有过煤制油工艺的探索，德国、南非分别做过直接液化和间接液化的探索。而我国直接液化煤制油生产线，拥有自主知识产权。但是，国内煤制油的技术还不成熟，目前煤制油示范工程正处于试生产阶段，但一些地区盲目规划现代煤化工项目，造成了部分产能过剩的现象。2009年，随着伊泰集团、潞安矿业集团、神华包头煤间接液化以及神华煤直接液化示范项目的成功投产，经过一段时间的试运行及摸索，在总结示范项目经验基础上，“十二五”期间国家应当会出台相关规划和政策，鼓励煤制油产业的发展。预计，到2015年，中国的煤制油产业的实际产能将超过每年1200万吨，2020年达到3300万吨。
但是，我国的煤制油技术和发达国家的相比还是有些差距的，我们还要继续努力，研制出更加成熟的煤化工工艺，以达到国际先进水平，从而缩小与发达国家的差距。
参考文献
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生物燃料和天然气的区别范文第4篇
关键词 分布式发电 意义 发展思路
现代供电方式正经历从分布式供电到集中式供电，再发展分布式供电方式的演进过程，建设一个集中式供电为主、分布式发电为补充的智能电力系统将是未来电力系统的发展方向。
一、分布式发电技术及其特征
随着现代社会对电力多样化、普遍性的供电需求，传统电源、大电网带来的高污染、高损耗、高风险问题的加剧，以及电力电源新技术的发展，特别是清洁能源与先进电网技术相结合使得分布式发电技术迅速发展。分布式发电具有投资省、损耗低、供电可靠和发电方式灵活等优点，特别是可以解决边远偏僻地区的用电问题，并对未来大电网提供有力补充和有效支撑，已成为未来电力系统重要的发展方向。
（一）分布式发电一般概念
一般而言，分布式发电主要是指利用分散式资源，在用户附近配置装机规模较小的发电设施，既可以独立的方式运行为特定用户单独供电，也可并入现有的公共电网运行并为用户提供电能。分布式发电的种类较多，包括燃料电池、燃气轮机、内燃机、微燃机发电技术，随着清洁能源技术发展，风能、太阳能、生物质能、水能、潮汐能、海洋能等可再生能源发电，以及余热余压废气利用发电和小型天然气冷热电多联供等逐渐成为分布式发电的主要电力电源形式。
（二）分布式发电主要特征
分布式发电系统与电力系统的“小机组”概念有本质的区别，具有先进的发电技术和良好的环保性能，在以大电站、大电网、超高压为特征的集中式供电系统建设周期长、投资大、损耗高、污染严重的情况下，鼓励发展清洁高效、容量小、布局灵活的分布式发电，是对现行集中式供电系统的有益补充。
分布式发电一般有以下优势：
1.安全可靠。系统中各电源相互独立，用户自行控制，可以实现安全、连续、平稳的供电，同时在大电网发生意外灾害时，可以作为可靠的备份电源。
2.应用便利。非常适合作为偏远山村、牧区以及快速城镇化中的商业、居民的供电电源；由于参与运行的系统简单，可以实现较为灵活、简便的模块化设计、建设、安装和维修，做到系统快速启停和区域电力质量和性能的实时监控。
3.调峰经济。在配电网中可以起到承担峰荷的作用，可以大幅度减少输配电线路设施投资，输配电成本很低、电损极少。夏季和冬季电力负荷高峰时期，采用以天然气为燃料的燃气轮机等冷、热、电三联供系统，不但可解决冬、夏的供热和供冷的需要，同时能够提供电力，降低电力峰荷，起到调峰的作用。
4.清洁环保。分布式发电技术先进，绿色环保，资源利用效率高，减少大量无谓的投资和损耗，显著提高能源利用效率达到75%～90%，节能减排效果卓越。
5.能源多样性。可利用洁净能源（天然气）、新能源（氢）和可再生能源（生物质能、风能和太阳能等）等多种能源资源，可同时为用户提供冷、热、电等多种能源应用方式，对节约能源具有重要意义。
6.独立发电。许多边远农村、牧区、矿山、哨卡等远离大电网，难以从大电网直接向其供电，采用光伏发电、小型风力 发电和生物质能发电的独立发电系统是一种优选的方法。
二、新疆发展分布式发电的有利条件和重要意义
新疆地域辽阔，能源以煤炭为主，煤炭资源分布北疆富集，南疆贫乏，由于全疆尚未形成统一电网，输电线路长，用户密度低、建设和输电成本高，南疆电力短缺情况依然严重，造成特别是南疆地区的一些边远地区电力建设滞后，还有大量的无电人口存在。然而新疆可再生资源蕴藏量居全国前列，开发潜力巨大，发展以可再生能源为主分布式发电，从经济性、环境保护、优化能源结构、改善民生、实现小康社会目标、促进经济社会可持续发展等许多方面具有重要意义。
（一）有利条件
1.丰富的资源条件。新疆的清洁能源和可再生能源十分丰富，风能、太阳能、水能、生物质能的蕴藏量均居全国前列，特别是在缺煤少电的南疆地区、高寒山区分布着取之不尽的太阳能、干空气能等资源，因此新疆发展分布式发电有着得天独厚的资源禀赋条件，具有巨大的开发潜力、广阔的发展空间和明显的资源优势。
2.良好的产业基础。新疆基于优越的资源条件，在二十多年可再生能源产业发展中，通过大量的研究、引进、吸收、生产、应用，具备了一定的技术储备和较强的研发能力，形成了在全国有影响力的技术开发、装备制造和发电装机规模，积累了丰富的开发利用实践经验，成长出了金风科技、特新能源等高技术企业，使新疆具备了发展以可再生能源主的分布式发电系统的产业基础和技术支撑。
3.现实的客观需要。新疆地域广，属绿洲经济，存在着有许多分散的居民和生产活动，远距离输电或运送传统能源困难且不经济，而这些人口恰好分布在可再生能源富集区，发展以可再生能源为主分布式发电，对于解决偏远地区的能源电力供应，优化新疆特别是南疆能源结构，防止农村生态环境继续恶化，促进经济社会可持续发展，极具客观需求和发展潜力。
4.优惠的政策支持。2012年，由国家能源局向社会和有关部门提交了《分布式发电管理办法（征求意见稿）》和《分布式发电并网管理办法（征求意见稿）》，办法首次明确提出国家拟采用单位发电量的方式补贴分布式发电，鼓励具有法人资格的发电投资商、电力用户、微电网经营企业、专业能源服务公司和具备一定安装使用规模的个人投资建设分布式发电。补贴资金上限将通过竞争方式确定，补贴起点为电力用户实际支付的销售电价。
近年来，国家陆续出台《关于完善风力发电上网电价政策的通知》等系列风电激励政策，在风电收购、上网电价优惠、费用全网分摊，以及各种税收减免、投资补贴、研发投入等方面国家给予了十分优惠政策。同时还出台了《关于发展天然气分布式能源的指导意见》。因此，国家支持分布式发电的政策是明确的和有力的，我们要充分利用好国家的政策。
（二）重要意义
1.分布式发电以可再生能源发电为主，发展分布式发电可以提高可再生能源份额，有利于推进社会对清洁、高效能源的利用水平，促进能源结构优化调整，转变能源发展方式。
2.农村就地利用可再生能源资源，可以实现多能互补，显著改善农村居民的生产、生活条件，对农村小康社会和社会主义新农村建设将起到积极的推动作用。
3.发展分布式发电是民生建设的需要。新疆部分农牧区地理较为偏僻，大电网延伸难度和代价大，发展分布式发电可以有效解决无电地区供电，使偏远地区的居民享有使用电力的权利，实现电力普遍服务的目标。
4.分布式发电属技术密集的新型产业，可以有效地提高电力装备技术和智能化水平，对于实现节能减排目标、改善和保护生态环境、建设节约型社会和实现可持续发展都具有重要意义。
三、新疆分布式发电主要思路
在电力竞争性市场建立后分布式发电的作用将会日益明显和重要，从而可与现有电力系统结合形成一个高效、灵活的电力系统，提高整个社会的能源利用率，提高整个供电系统的稳定性、可靠性和电力质量。
（一） 主要模式
1.并网型分布式发电系统是指分布式发电系统与主网并网运行，采用并网逆变器与主网联络，可以为大电网提供有功和无功，并由大电网弥补自身的不足。该类型又可分为住宅式和集中式两大类。
2.离网型分布式发电系统是指分布式发电系统独立运行，不与常规电网联络，主要建设在远离大电网的偏僻地区，如海岛、林区、牧场等。
（二）发展重点
1.太阳能为主的离网型分布式发电系统。采用户用光伏发电系统或建设小型光伏电站，解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，重点区域为南疆喀什、和田，以及沿边、高寒山区，主要领域为地处边远、交通不便、远离电网、用电量过低的居民点、牧业点，以及电网难以覆盖到的通信中继站、边防哨卡、观测站、导航台等。
2.大型风电、光伏发电并网型分布式发电系统。重点发展风力资源、太阳能资源富集，大电网接入条件好的区域。大型风力电站继续在9大风区布局建设；在建成的东疆、南疆特许权招标项目示范基础上，扩大建设规模，特别是在缺煤少电、沙漠荒滩闲置土地多的南疆地区推广和布局建设一批大型光伏并网电站，在风光资源条件皆好的区域，试点建设大型风光互补并网电站。
3.光伏建筑一体化和屋顶发电并网型分布式发电系统。在经济水平较高的区域中心城市，建设光伏建筑一体化并网光伏发电设施，优先在公益性建筑物上应用，然后推广到其他建筑物，同时在道路、公园、车站等公共设施照明中推广使用光伏电源，引导居民利用屋顶光伏并网发电。重点在乌鲁木齐、昌吉、石河子、克拉玛依、库尔勒等地开展城市建筑屋顶光伏发电试点。
4.天然气并网性分布式发电系统。为实现电网安全、平稳运行，在电力负荷相对集中、临近天然气管线的城市区域，布局建设一批以天然气或煤层气为燃料的大型燃气轮机、内燃机等冷、热、电三联供系统，主要用于为夏季和冬季电力负荷高峰时期的大电网调峰，在解决冬、夏的供热和供冷需要的同时，迅速应付短期激增的电力需求，成为确保电网安全可靠的重要补充。
（三）政策建议
分布式发电对新疆电力发展、经济社会将产生积极的影响和具有重要意义，因此，在新疆能源发展部署中予以统筹考虑，提升全社会对分布式发电认识和重视，积极促进分布式发电健康快速发展。
1.实施统筹规划，推进合理布局。充分发挥政府规划的引导和服务作用，有效解决分布式发电的发展与并网运行给输配电系统带来的影响，明确分布式发电重点区域、重点领域和发展目标等，做好适应分布式发电的电力发展规划，促进整个电力工业的健康和谐可持续发展。
2.建立投资体系，促进产业发展。建立和完善以政府投入为引导、企业投入为主体、银行贷款为支撑、积极吸收社会投资和境外投资的多元化、多层次的投融资体系，自治区创立分布式发电产业投资基金，创造良好的投资环境和商业环境，帮助企业解决项目建设中问题，促进新疆分布式发电产业实现快速、健康发展。
3.明确技术政策，优化发展环境。我区应结合实际，因地制宜，尽快制定地方分布式发电及并网管理办法、分布式发电典型案例设计与运行、并网服务规程等规范性文件；针对分布式发电可能对电网带来的冲击影响，对现有电网设备设施进行改造，做好迎接分布式发电大规模推广的准备工作。
四、结束语
随着分布式发电技术水平的提高、各种分布式电源设备性能不断改进和效率不断提高，分布式发电的成本也在不断降低，应用范围也将不断扩大。可以预计未来的若干年内，分布式电源不仅可以作为集中式发电的一种重要补充，而且将在能源综合利用上占有十分重要的地位。因此，分布式发电系统具有广阔的市场，它将是21世纪电力工业发展的重要方向。
参考文献
[1]任英蜂，乔海祥.几种分布式发电技术的比较分析.大众用电，2012.3.
[2]闫禄川，孙文瑶.浅谈分布式发电在我国农村电网的发展前景.科技资讯，2011.14.
生物燃料和天然气的区别范文第5篇
循环制氢和利用生物质转化制氢等, 不仅对各项技术的基本原理做了介绍, 也对相应
的环境, 经济 和安全 问题 做了探讨. 对可再生氢能系统在香港的 应用 前景做了展望.
关键词: 可再生能源, 氢能, 电解水, 光伏电池, 太阳能热化学循环, 生物质
引言
技术和经济的 发展 以及人口的增长, 使得人们对能源的需求越来越大. 目前 以石
油, 煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源. 一方面, 化石燃料的使用带来了严
重的环境污染, 大量的co2, so2, nox气体以及其他污染物, 导致了温室效应的产生和
酸雨的形成. 另一方面, 由于化石燃料的不可再生性和有限的储量, 日益增长的能源
需求带来了严重的能源危机. 据估计, 按照目前的消耗量, 石油仅仅能维持不到50年,
而煤也只能维持200年. kazim 和 veziroglu (2001)[1]指出, 做为主要石油输出国的阿拉
伯联合酋长国, 将在2015年无法满足石油的需求. abdallah 等人(1999)[2]则宣布, 埃
及的化石燃料资源, 在未来的20年内就会耗尽! 而作为能源需求大国的
尽管电解水制氢具有很高的效率, 由于昂贵的价格, 仍然很难大规模使用. 目前
三种电解槽的成本分别为: 碱性电解槽us$400-600/kw, pem电解槽约us$2000/kw, 固体
氧化物电解槽约us$1000-1500/kw. 当光伏电池和电解水技术联合制氢时, 制氢成本将
达到约us$41.8/gj(us$5/kg), 而当风力发电和电解水技术联合制氢时, 制氢成本约为
us$20.2/gj (us$2.43/kg) [20].
2. 太阳能热化学循环制氢
太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术. 首先, 由太阳能
聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温. 然后由这些高温推动产氢的化学反映以制
取氢气. 目前国内外广泛 研究 的热化学制氢反应有: (1) 水的热分解(thermolysis);
(2) h2s的热分解和(3) 热化学循环水分解.
2.1. 水的热分解制氢
由太阳能聚光器产生的高温可以用于对水进行加热, 直接分解而产生氢气和氧气.
反应式如(4)
2h2o 2h2 + o2 (4)
在这个反应中, 水的分解率随温度的升高而增大. 在压力为0.05bar, 温度为2500k时,
水蒸汽的分解率可以达到25%, 而当温度达到2800k时, 则水蒸汽的分解率可达55%. 可
见提高反应温度, 可以有效产氢量. 然而, 反应所需的高温也带来了一系列的 问题 .
由于温度极高, 给反应装置材料的选择带来了很大限制. 适合的材料必须在2000k以上
的高温具有很好的机械和热稳定性. zirconia由于其熔点高达3043k而成为近年来在水
的热分解反应中广泛使用的材料 [21,22]. 其他可选的材料及其熔点见表2.
表2. 作为热化学反应装置备选材料及其熔点 [22]
table 2 some materials and their melting points [22]
oxides t oc carbides t oc
zro2 2715 b4c 2450
mgo 2800 tic 3400-3500
hfo2 2810 hfc 4160
tho2 3050 hbn 3000 (decomposition)
另一个问题就是氢和氧的分离问题. 由于该反应可逆, 高温下氢和氧可能会重新结合
生成水, 甚至发生爆炸. 常用的分离 方法 是通过对生成的混合气体进行快速冷却(fast
quenching),再通过pd或pd-ag合金薄膜将氢和氧分离. 这种方法将会导致大量的能量
损失. 近几年有研究人员采用微孔膜(microporous membrane)分离也取得一些成功
[22,23], 使得直接热分解水制氢研究又重新受到广泛关注.
2.2. h2s的热分解
h2s是化学 工业 广泛存在的副产品. 由于其强烈的毒性, 在工业中往往都要采用
claus process将其去除, 见式(5)
2h2s + o2 2h2o + s2 (5)
这个过程成本昂贵, 还将氢和氧和结合生成水和废热, 从而浪费了能源. 对h2s的直接
热分解可以将有毒气体转化为有用的氢能源, 变废为宝, 一举两得. h2s的热分解制氢反
应式见(6)
2h2s 2h2 + s2 (6)
该反应的转化率受温度和压力的 影响 . 温度越高, 压力越低, 越有利h2s的分解. 据报
道, 在温度1200k,压力1 bar时, h2s的转化率为14%, 而当温度为1800k, 压力为0.33bar
时, 转化率可达70% [24]. 由于反应在1000k以上的高温进行, 硫单质呈气态, 需要与氢
气进行有效的分离. 氢与硫的分离往往通过快速冷却使硫单质以固态形式析出. 同样,
这种方法也会导致大量的能量损失.
2.3. 热化学循环分解水制氢
水的直接热分解制氢具有反应温度要求极高, 氢气分离困难, 以及由快速冷却带
来的效率降低等缺点. 而在水的热化学分解过程中, 氧气和氢气分别在不同的反应阶
段产生, 因而跨过了氢气分离这一步. 并且, 由于引入了金属和对应的金属氧化物,
还大大降低了反应温度. 当对于水直接热分解的2500k, 水的热化学循环反应温度只有
1000k左右, 也大大减轻了对反应器材料的限制. 典型的2步热化学循环反应式见
(7)-(10).
2 y x o
2
y xm o m + (7)
2 y x 2 yh o m o yh xm + + (8)
或者 2 o o m o m y x y x + ′ ′ (9)
2 y x 2 y x h o m o h o m + + ′ ′ (10)
其中m 为金属单质, mxoy 或1 1 y x o m 则分别为相应的金属氧化物. 适合用做水的热化学
循环反应的金属氧化物有tio2, zno, fe3o4, mgo, al2o3, 和 sio2等. zno/zn 反应温度较
低, 在近几年研究较多 [24-29]. fe3o4/feo 是另一对广泛用于热化学分解水制氢的金属
氧化物. 该循环中, fe3o4 首先在1875k 的高温下被还原生成feo 和 o2, 然后, 在573k
的温度下, feo 被水蒸汽氧化, 生成fe3o4 和 h2. 经研究发现, 用mn, mg, 或co 代替
部分fe3o4 而形成的氧化物(fe1-xmx)3o4 可以进一步降低反应温度 [4], 因而更具 发展
前景.
除了以上所述2 步水分解循环外, 3 步和4 步循环分解水也是有效的制氢方式.
is(iodine/sulfur)循环是典型的3 步水分解循环, 该循环的反应式见(11)-(13):
4 2 x 2 2 2 so h hi 2 o h 2 so xi + + + at 293-373k (11)
2 2 i h hi 2 + at 473-973k (12)
2 2 2 4 2 o
2
1 so o h so h + + at 1073-1173k (13)
在is 循环中,影响制氢的主要因素就是单质硫或硫化氢气体的产生等副反应的发生. 为
尽量避免副反应的发生, x 的值往往设置在4.41 到11.99 之间[30]. ut-3 则是典型的
4 步循环[31]. 其反应式见(14) - (17):
2 2 2 o
2
1 cabr br cao + + at 845 k (14)
hbr 2 cao o h cabr 2 2 + + at 1,033 k (15)
2 2 2 4 3 br o h 4 febr 3 hbr 8 o fe + + + at 493 k (16)
2 4 3 2 2 h hbr 6 o fe o h 4 febr 3 + + + at 833 k (17)
热化学循环分解水虽然跨过了分离氢和氧这一步, 但在2 步循环中, 生成的金属在
高温下为气态并且会和氧气发生氧化还原反应而重新生成金属氧化物, 因此, 需要将
金属单质从产物混合物中分离出来. 金属单质的分离一般采用快速冷却使金属很快凝
固从而实现分离. 同样, 在3 步循环中, 氢和碘也需要及时的分离. 采用的分离技术都
类似.
2.4. 热化学循环分解水制氢的现状
热化学循环制氢在欧洲研究较多, 但由于产物的分离一直是一个比较棘手的问题,
能量损失比较大, 此种制氢方法还没有进入商业化的阶段. 在swiss federal institute of
technology zurich,对zno/zn 循环制氢研究已经比较深入. 他们的研究目前主要集中在
产物的分离以及分解水反应的机理方面 [32]. swiss federal office 则已经启动了一个
“solzinc”的计划, 通过zno/zn 循环制取氢气以实现对太阳能的储存. 目前正在进行
反应器的设计, 将于2004 年夏季进行测试[33].
2.5.太阳能热化学循环制氢的环境, 经济 和安全问题
太阳能热化学循环采用太阳能聚光器聚集太阳能以产生高温, 推动热化学反应的
进行. 在整个生命周期过程中, 聚光器的制造, 最终遗弃, 热化学反应器的加工和最
终的废物遗弃以及金属,金属氧化物的使用都会带来一定的环境污染. 其具体的污染量
需要进行详细的生命周期评价(lca)研究. 此外, 在h2s 的分解中, 以及在is 循环和
ut-3 循环中, 都使用了强烈腐蚀性或毒性的物质, 比如h2s, h2so4. 这些物质的泄漏
和最终的处理会带来环境的污染和危险, 需要在设计和操作过程中加以考虑. 另外, 由
于反应都是在高温下进行, 氢和氧的重新结合在反应器中有引起爆炸的危险, 需要小
心处理.
由于热化学循环制氢尚未商业化, 相关的经济信息都是基于估算. steinfeld
(2002)[29]经过估算指出, 对于一个大型的热化学制氢工厂(90mw), 制的氢气的成本为
大约us$4.33-5/kg. 相比之下, 由太阳能热电 – 电解水系统制取氢气的成本则约为
us$6.67/kg, 而通过大规模天然气重整制氢的成本约为us$1.267/kg [20]. 可见太阳能热
化学循环制氢和天然气重整制氢相比虽然没有经济优势, 但和其他可再生制氢技术相
比则在经济性方面优于太阳热电-电解水和光伏-电解水技术.
3. 利用生物质制氢
生物质作为能源, 其含氮量和含硫量都比较低, 灰分份额也很小, 并且由于其生
长过程吸收co2, 使得整个循环的co2 排放量几乎为零. 目前对于生物质的利用, 尤其
在发展
热裂解得到的产物中含氢和其他碳氢化合物, 可以通过重整和水气置换反应以得
到和提高氢的产量. 如下式所示:
合成气 + h2o h2 + co (18)
co + h2o co2 + h2 (19)
利用生物质热裂解联同重整和水气置换反应制氢具有良好的 经济 性, 尤其是当反
应物为各种废弃物时, 既为人类提供了能量, 又解决了废弃物的处理 问题 , 并且技术
上也日益成熟, 逐渐向大规模方向 发展 . danz (2003 年)[39]估算了通过生物质热裂解制
氢的成本约为us$3.8/kg h2 (因氢的热值为120mj/kg, 这相当于us$31.1/gj), 这和石
油燃油的价钱us$4-6/gj 相比还没有任何优势, 但carlo 等[40]指出, 当热裂解制氢的规
模达到400mw 时, 氢的成本会大大降低, 达到us$5.1/gj. 可见实现大规模的利用生物
质制氢, 将会是非常有潜力的发展方向.
3.2. 生物质气化制氢
生物质气化是在高温下(约600-800oc)下对生物质进行加热并部分氧化的热化学过
程. 气化和热裂解的区别就在于裂解决是在无氧条件下进行的, 而气化是在有氧条件
下对生物质的部分氧化过程. 首先, 生物质颗粒通过部分氧化生成气体产物和木碳,
然后, 在高温蒸汽下, 木碳被还原, 生成co, h2, ch4, co2 以及其他碳氢化合物.
对于生物质气化技术, 最大的问题就在于焦油含量. 焦油含量过高, 不仅 影响 气化
产物的质量, 还容易阻塞和粘住气化设备, 严重影响气化系统的可靠性和安全性. 目前
处理焦油主要有三种 方法 . 一是选择适当的操作参数, 二是选用催化剂加速焦油的分解,
三是对气化炉进行改造. 其中, 温度, 停留时间等对焦油分解有很重要的作用. milne ta
(1998 年)[41]指出, 在温度高于1000oc 时, 气体中的焦油能被有效分解, 使产出物中的
焦油含量大大减小. 此外, 在气化炉中使用一些添加剂如白云石, 橄榄石以及使用催化
剂如ni-ca 等都可以提高焦油的分解, 降低焦油给气化炉带来的危害[42,43]. 此外, 设
计新的气化炉也对焦油的减少起着很重要的作用. 辽宁省能源 研究 所研制的下吸式固定
床生物质气化炉, 在其喉部采用特殊结构形式的喷嘴设计, 在反应区形成高温旋风动力
场, 保证了焦油含量低于2g/m3.
由气化所得产物经过重整和水气置换反应, 即可得到氢, 这与处理热裂解产物类似.
通过生物质气化技术制氢也具有非常诱人的经济性. david a.bowen 等人(2003)[44]比较
了生物质气化制氢和天然气重整制氢的经济性, 见图2. 由图可见, 利用甘蔗渣作为原
料, 在供料量为每天2000 吨的情况下, 所产氢气的成本为us$7.76/gj, 而在这个供料量
下使用柳枝稷(switchgrass)为原料制得的氢气成本为us$6.67/gj, 这和使用天然气重整
制氢的成本us$5.85-7.46/gj 相比, 也是具有一定竞争力的. 如果将环境因素考虑进去,
由于天然气不可再生, 且会产生co2, 而生物质是可再生资源, 整个循环过程由于光合
作用吸收co2 而使co2 的排放量几乎为0, 这样, 利用生物质制氢从经济上和环境上的
综合考虑, 就已经比天然气重整更有优势了.
biomass feed to gasifier (tonnes/day)
hydrogen cost ($/gj)
500 1000 1500 2000
5
6
7
8
9
10
11
natural gas $3/gj
natural gas $4.5/gj
10.23
8.74
7.76
8.76
7.54
6.67
5.85
7.46
bagasse
switchgrass
图2. 生物质制氢与天然气制氢经济性的比较
fig. 2. comparison of hydrogen cost between biomass
gasification and natural gas steam reforming
以上 分析 的利用生物质高温裂解和气化制氢适用于含湿量较小的生物质, 含湿量高
于50%的生物质可以通过光合细菌的厌氧消化和发酵作用制氢, 但目前还处于早期研究
阶段, 效率也还比较低. 另一种处理湿度较大的生物质的气化方法是利用超临界水的特
性气化生物质, 从而制得氢气.
3.3. 生物质超临界水气化制氢
流体的临界点在相图上是气-液共存曲线的终点, 在该点气相和液相之间的差别刚
好消失, 成为一均相体系. 水的临界温度是647k, 临界压力为22.1mpa, 当水的温度和
压力超过临界点是就被称为超临界水.在超临界条件下, 水的性质与常温常压下水的性
质相比有很大的变化.
在超临界状态下进行的化学反应, 通过控制压力, 温度以控制反应环境, 具有增强
反应物和反应产物的溶解度, 提高反应转化率, 加快反应速率等显著优点, 近年来逐渐
得到各国研究者的重视 [45,46]. 在超临界水中进行生物质的催化气化, 生物质的气化
率可达100%, 气体产物中氢的体积百分比含量甚至可以超过50%, 并且反应不生成焦
油, 木碳等副产品, 不会造成二次污染, 具有良好的发展前景. 但由于在超临界水气中
所需温度和压力对设备要求比较高, 这方面的研究还停留在小规模的实验研究阶段. 我
国也只进行了少量的研究, 比如西安交大多相流实验室就研究了以葡萄糖为模型组分在
超临界水中气化产氢, 得到了95%的气化效率 [47]. 中科院山西煤炭化学研究所在间隙
式反应器中以氧化钙为催化剂的超临界水中气化松木锯屑,得到了较好的气化效果.
到目前为止, 超临界水气化的研究重点还是对不同生物质在不同反应条件下进行实
验研究, 得到各种因素对气化过程的影响. 表3 总结 了近几年对生物质超临界水气化制
氢的研究情况. 研究表明, 生物质超临界水气化受生物质原料种类, 温度, 压力, 催化剂,
停留时间, 以及反应器形式的影响.
表3. 近年来关于生物质超临界水气化制氢的研究
table 3
recent studies on hydrogen production by biomass gasification in supercritical water
conditions
feedstock gasifier type catalyst used temperature and
pressure
hydrogen yield references
glucose not known not used 600oc, 34.5mpa 0.56 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 34.5mpa 2.15 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 25.5mpa 1.74 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 550 oc, 25.5mpa 0.62 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 500 oc, 25.5mpa 0.46 mol h2/mol of feed
[48]
glycerol not known activated carbon 665 oc, 28mpa 48 vol%
glycerol/methanol not known activated carbon 720 oc, 28mpa 64 vol%
corn starch not known activated carbon 650 oc, 28mpa 48 vol%
sawdust/corn starch
mixture
not known activated carbon 690 oc, 28mpa 57 vol%
[49]
glucose
tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 59.7 vol% (9.1mol
h2/mol glucose)
catechol tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 61.5 vol% (10.6mol
h2/mol catechol)
sewage autoclave k2co3 450oc, 31.5-35mpa
47 vol%
[50]
glucose tubular reactor not used 600 oc, 25mpa 41.8 vol%
glucose tubular reactor not used 500 oc, 30mpa 32.9 vol%
glucose tubular reactor not used 550 oc, 30mpa 33.1 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 32.5mpa 40.8 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 30mpa 41.2 vol%
sawdust tubular reactor sodium
carboxymethylcellulose
(cmc)
650 oc, 22.5mpa 30.5 vol%
[47]
生物质的主要成分是纤维素, 木质素和半纤维素. 纤维素在水的临界点附近可以快
速分解成一葡萄糖为主的液态产品, 而木质素和半纤维素在34.5 mpa, 200-230oc 下可以
100%完全溶解, 其中90%会生成单糖. 将城市固体废弃物去除无机物后可以形成基本稳
定, 均一的原料, 与木质生物质很相似. 由表可见, 不同的生物质原料, 其气化效率和速
率也有所不同. 温度对生物质超临界水中气化的 影响 也是很显著的. 随着温度的升高,
气化效率增大. 压力对于气化的影响在临界点附近比较明显, 压力远大于临界点时, 其
影响较小. 停留时间对气化效率也有一定影响, 研究 表明, 生物质在超临界水中气化停
留时间与温度相关, 不同的温度下有不同的一个最佳值. 使用催化剂能加快气化反应的
速率. 目前 使用的催化剂主要有金属类催化剂, 比如ru, rh, ni, 碱类催化剂, 比如koh,
k2co3, 以及碳类催化剂 [51,52]. 反应器的选择也会影响生物质气化过程, 目前的反应
器可以分为间歇式和连续式反应器. 其中间歇式反应器结构简单, 对于淤泥等含固体的
体系有较强适应性, 缺点是生物质物料不易混合均匀, 不易均匀地达到超临界水下所需
的压力和温度, 也不能实现连续生产,. 连续式反应器则可以实现连续生产, 但反应时间
短, 不易得到中间产物, 难以 分析 反应进行的情况, 因此今后需要进行大量的研究, 研
制出更加有效的反应器以及寻求不同生物质在不同参数下的最佳气化效果, 实现高效,
经济 的气化过程.
4. 其他制氢技术
除热化学 方法 外, 生物质还可以通过发酵的方式转化为氢气和其他产物. 此外,
微藻等水生生物质能够利用氢酶(hydrogenase)和氮酶(nitrogenase)将太阳能转化为
化学能-氢. 这些生物制氢技术具有良好的环境性和安全性, 但还处于早期的研究阶段,
制氢基理还未透彻理解, 尚需大量的研究工作.
太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术. tio2 及过渡金属氧化
物, 层状金属化合物如k4nb6o17, k2la2ti3o10, sr2ta2o7 等, 以及能利用可见光的催化
材料如cds, cu-zns 等都经研究发现能够在一定光照条件下催化分解水从而产生氢气.
但由于很多半导体在光催化制氢的同时也会发生光溶作用, 并且目前的光催化制氢效
率太低, 距离大规模制氢还有很长的路要走. 尽管如此, 光催化制氢研究仍然为我们
展开了一片良好的前景.
5. 制氢技术 总结 以及在香港的 应用 前景
前面讨论了利用可再生资源制取清洁燃料-氢的各项主要技术. 这些技术的特点,
经济性, 环境和安全方面的特点总结于表4.
表4. 利用可再生资源制氢技术比较
table 4. characteristics of candidate hydrogen production technologies
pv-electrolysis wind-electrolysis solar the rmochemical cycle biomass conversion
development
status
pv technology almost mature,
electrolysis mature,
some demonstrations of
pv-electrolysis system been done
wind system mature, electrolysis mature,
wind-electrolysis demonstration needed
r&d pyrolysis and gasification r&d, biological
processes at early r&d
efficiency pv efficiency:
first generation, 11-15%,
second generation, 6-8%
solar to hydrogen around 7%
36% from wind to hydrogen, assuming wind
to electricity efficiency of 40% and
electrolyzer 90%
29% for zn/zno cycles conversion ratio up to 100% can be
achieved for gasification, efficiency of
10% for biological processes
economic
consideration
hydrogen cost about us$40-53.73/gj
depends on the pv type, the size
hydrogen cost about us$20.2/gj,
corresponding to 7.3cents/kwh
us$0.13-0.15/kwh, equivalent to
us$36.1-41.67/gj
us$6.67-17.1/gj for thermochemical
conversion depends on biomass types,
capacity size, for biological processes,
remain to be demonstrated
environmental
consideration
almost no pollution emission during
operation, energy consumption
intensive during construction, disposal
of hazardous materials
no pollution during operation, construction
energy consumption intensive, some noise
during operation
emission of hydrogen sulfide, use and
disposal of metal oxide, reactors
whole cycle co2 neutral, some pollution
emission during the stage of constructing
reactors
safety
consideration
handling hazardous materials during
fabrication, short circuit and fire during
operation, but not significant
relatively safe, a little danger exist during
maintenance
operating at high temperature, risk of
explosion exists; leakage of hydrogen
sulfide
operating at high temperature, explosion
may occur
由表可见, 生物质气化技术和风能-电解制氢技术具有良好的经济性. 对于环境的污染
以及危险性也相对较小, 极具 发展 前景, 可以作为大规模制氢技术. 而光伏-电解水技
术则目前还未显示出经济优势. 但由于太阳能资源丰富, 在地球上分布广泛, 如果光
伏电池的效率能进一步提高, 成本能大幅降低, 则是未来很有潜力的制氢技术. 太阳
能热化学循环也是可行的制氢技术, 今后的发展方向是进一步降低分解产物的能量损
耗以及发展更为经济的循环.
香港地少人多, 没有自己的煤, 石油, 天然气, 也没有大规模的农业, 所有能源
目前都依赖进口. 但香港具有丰富的风力资源和充足的太阳能资源, 利用可再生资源
部分解决香港的能源 问题 是一条值得探讨的思路.
香港总人口681 万, 总面积2757km2, 其中陆地面积1098 km2, 海洋面积1659 km2.
但香港绝大多数人口集中在港岛, 九龙等面积较小的市区, 而新界很多区域以及周边
岛屿则人口较少. 由于香港地处北回归线以南, 日照充足(13mj/m2/day), 风力强劲
(>6m/s), 具有很大的发展可再生能源的潜力. 简单 计算 可知, 如果将香港所有陆地面
积安装上效率为10%的光伏电池, 则年发电量可达144.7twh, 这相当于香港1999 年电
消耗量35.5twh 的4 倍! 这说明发展光伏技术在香港有很大潜力. 考虑到香港市区人
口稠密, 可以考虑将光伏电池安装在周边岛屿发电, 通过电解槽制氢. 由于光伏-电解
水成本很高, 这一技术还难以大规模应用, 如果光伏成本能大幅度降低, 则在香港发
展光伏制氢具有非常诱人的前景. 另外, li(2000)[53]进行了在香港发展海上风力发电
的可行性研究. 研究表明, 利用香港东部海域建立一个11 × 24 km 的风力发电机组, 可
以实现年发电2.1 twh, 这相当于香港用于 交通 的能源的10%. 此外, 香港周边岛屿,
如横澜岛等, 平均风力都在6.7 m/s 以上, 在这些岛屿发展大规模的风力机组也是值得
进一步探讨的问题. 除此之外, 香港每年产生的大量有机垃圾, 也可以通过气化或热
解制氢. 这些技术在香港的成功应用还需要更深入的研究, 本文不作深入探讨.
6. 小结
本文综述了 目前 利用可再生资源制氢的主要技术, 介绍了其基本原理, 也涉及到
了各项技术的 经济 性和环境以及安全方面的 问题 . 对各项制氢技术进行了对比 分析 ,
总结 出利用风能发电再推动电解水, 以及利用生物质的热化学制氢具有良好的经济性,
对环境的污染较小, 技术成熟, 可以作为大规模制氢的选择. 利用光伏-电解水技术具
有诱人的 发展 前景, 但目前还未显示出其经济性. 而太阳能热化学制氢则处于 研究 阶
段, 还难以用于大规模制氢. 香港具有比较丰富的可再生资源, 利用风力发电和有机
废物制氢是可行的制氢技术, 而光伏电池还需要大量研究以进一步降低成本. 尽管还
有大量的研究和更深入的分析要做, 利用可再生资源制氢以同时解决污染和能源问题
已经为我们展开了一个良好的前景.
致谢:
本文属<可再生氢能在香港的 应用 研究>项目, 该课题受香港中华电力公司(clp)及香港
特别行政区政府资助, 在此表示感谢!
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生物燃料和天然气的区别范文第6篇
【关键词】固体废物；一般废物；危险废物；环境工程；治理措施
1引言
在现代化的进程中，人民注重经济的同时更注重生活环境的品质，因此，环保成为新时代的新主题。固体废物污染作为普遍存在于人类日常生活中的环境污染问题也是环境工程建设应关注的重点问题之一。
2固体废物的定义和特点
2.1固体废物的定义和分类
固体废弃物是指人类在生产、消费、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃的固态、半固态废弃物质，通俗地说就是“垃圾”。固体废弃物可分为工业固体废物、农业固体废物和生活垃圾，而工业固体废物按特性又分为一般固体废物和危险废物。由于危险废物具有腐蚀性、急性毒性、浸出毒性、反应性、传染性和放射性等特性，因此，危险废物对环境和人体健康造成的危害更大[1]。了解固体废物的定义，有利于对它进行全方位的理解和分析，进而明确它在生活中的危害性。
2.2固体废物特点
2.2.1污染性。固体废物污染分2种：（1）它本身具有污染性；（2）对固体废物处理可能会造成二次污染。固体废弃物在整个产生、排放、后期处理过程都会造成污染，控制不好将会对人们健康和生态环境造成影响[2]。2.2.2资源性。固体废物可通过再开发，再处理，挖掘出在一定条件下可具有的使用价值，进而成为有经济价值的资源，比如，生产产品的原材料、燃料等。2.2.3社会性。固体废弃物的前期产生、中间排放及后期处理整个过程都离不开社会的作用。固体废弃物的存在是由社会每个成员在生活工作等过程中产生的，对社会经济都有影响，其排放和处理过程中的经济投入都会再影响到社会成员的基本利益。
3固体废物污染对环境的危害固体废物污染的危害是多方面的，主要有以下几方面。
3.1对土壤的污染
固体废物中存在很多有害物质如毒性物质、放射性物质等，这些有害物质进入土壤后，会对土壤结构造成改变，同时也会杀死土壤中的微生物，改变土壤性质，导致土壤健康状况恶化。对于生长在农田的农作物来说，有害成分会直接被农作物吸收，对人体健康造成威胁。
3.2对水体的污染
固体废物造成水体污染的原因有很多，最直接的一种污染方式就是将固体废物直接倾倒在海洋或者河流中，破坏了水质，同时它会直接对海洋生物和河流的动植物等造成伤害；另一种污染方式就是随着天然降水或者随风飘移进入地表径流，进而流入江河湖泊，造成地表水的污染。
3.3对大气的污染
固体废物对大气的污染随处可见，比如，生活垃圾任意堆放散发的恶臭，直接影响了空气质量。有的固体废物的细小颗粒在一定条件下还会被微生物分解，有害气体进入空气，也会影响居民的生活。
3.4对市容环境卫生及美观的影响
城市角落中存在垃圾堆、粪便等，会影响到环境卫生，还会降低城市居民生活的舒适度，也破坏了城市的美观性和好感度。
4固体废物处理处置方式
固体废物种类繁多，不同的废物应采用不同的处理方式，常用的处置方式包括预处理、一般物化处理、生物处理、卫生填埋、安全填埋、焚烧处理及热解法。预处理是采用压实、破碎和分选技术将复杂的固体废物进行预处理，然后再送去填埋、焚烧和堆肥或进行资源回收利用。一般物化处理是对工业生产过程中产生的某些含油、含酸、含碱或含重金属的废液进行物理化学处理，这种方法也属于预处理方法。生物处理是通过微生物作用，使固体废物中有机物转化为稳定产物，这种方法适用于有机固体废物，如动物粪便、污泥等。卫生填埋是利用地形或人工构造，将固体废物填充、压实再覆盖，主要处理生活垃圾，不能处理未经预处理的危险废物和医疗废物。安全填埋是针对危险废物的一种处理方法，通过把危险废物与环境隔绝，以达到不对环境和人体健康产生危害的方法。焚烧处理是通过高温热处理技术，使固体废物氧化分解，这种方式可用于处置城市生活垃圾、一般固体废物，甚至危险废物也是可以处理的。热解法区别于焚烧法，是利用热能将有机物裂解为小分子量的化合物或燃料等有机物质，适用于具有一定热值的有机废物。无论是危险废物还是一般废物的处理，其防治原则都是减量化、资源化和无害化。在处置这些废物时首先要进行预处理，结合多种处理技术，从而达到最终的处理目的。
5环境工程建设中固体废物的治理措施
在人类生产、生活中产生的固体废物包括生活垃圾、厨余垃圾、污泥、机械加工过程中产生的下脚料、物质提取及表面处理过程中产生的残余物质、煤炭开采中产生的尾矿和煤矸石等、石油天然气开采中产生的泥浆、锅炉产生的炉渣、工业加工过程中回收粉尘、建筑施工过程中产生的废料、畜禽和水产养殖过程中产生的动物粪便和动物尸体等、农业生产过程中产生的作物秸秆、科研和医疗等实验过程中产生的动物尸体和化学药品以及其他生产过程中产生的副产物。根据不同固体废物的特点和危险特性，应分别采取不同的治理措施，如生活垃圾和一般工业固体废物可由环卫部门收集后送至垃圾填埋场或垃圾焚烧厂进行处置；厨余垃圾应由获得餐饮废弃物处置特许经营权的单位进行处理；凡是经鉴别属于危险废物的固体废物，应交由具有危险废物经营许可证的单位进行焚烧或填埋处置；医疗废物应由具有医疗废物处置资质的单位进行处理。另外，为了进一步减轻固体废物对环境和人们生产生活的影响还应采取如下治理措施：1）加强管理宣传，增强环保意识。加强管理宣传工作，就是要向全民倡导环保，引导全民学习环保知识，提升爱护环境资源的意识。2）完善法律法规。关于固体废物处理方面的法规在施行过程中，会随着经济社会的快速发展产生许多新的问题，需要对法律法规进一步改进和完善，逐步解决各种矛盾。3）积极鼓励绿色消费行为。鼓励全民进行绿色消费，树立科学的消费观，注重对垃圾的分类处置，实现低能耗、低污染和低排放，达到安全消费、经济消费和可持续消费的目标。
6结语
生物燃料和天然气的区别范文第7篇
循环制氢和利用生物质转化制氢等, 不仅对各项技术的基本原理做了介绍, 也对相应
的环境, 经济和安全问题做了探讨. 对可再生氢能系统在香港的应用前景做了展望.
关键词: 可再生能源, 氢能, 电解水, 光伏电池, 太阳能热化学循环, 生物质
引言
技术和经济的发展以及人口的增长, 使得人们对能源的需求越来越大. 目前以石
油, 煤为代表的化石燃料仍然是能源的主要来源. 一方面, 化石燃料的使用带来了严
重的环境污染, 大量的co2, so2, nox气体以及其他污染物, 导致了温室效应的产生和
酸雨的形成. 另一方面, 由于化石燃料的不可再生性和有限的储量, 日益增长的能源
需求带来了严重的能源危机. 据估计, 按照目前的消耗量, 石油仅仅能维持不到50年,
而煤也只能维持200年. kazim 和 veziroglu (2001)[1]指出, 做为主要石油输出国的阿拉
伯联合酋长国, 将在2015年无法满足石油的需求. abdallah 等人(1999)[2]则宣布, 埃
及的化石燃料资源, 在未来的20年内就会耗尽! 而作为能源需求大国的中国, 目前已
经有超过31%的石油需要进口, 而到2010年, 这一数字将会增长到45-55%[3]!
基于以上所述环境污染和能源短缺的双重危机, 发展清洁的, 可再生的新能源的
要求越来越迫切. 太阳能, 风能, 生物质, 地热能, 潮汐能, 具有丰富, 清洁, 可再
生的优点, 今年来受到了国际社会的广泛关注. 尤其以太阳能, 风能以及生物质能,
更被视为未来能源的主力军. 根据简单估算, 太阳能的利用率为20%时, 利用陆地面积
的0.1% 就足以提供满足当前全球的能量需求[4]. 而中国仅仅依靠风力发电, 就足以
使目前的发电量翻一番[5].然而, 这些可再生资源具有间歇性, 地域特性, 并且不易
储存和运输的特点. 氢, 以其清洁无污染, 高效, 可储存和运输等优点, 被视为最理
想的能源载体. 目前各国都投入了大量的研究经费用于发展氢能源系统. 在中国, 清
华大学已经进行了在2008年奥运会使用以氢为燃料的汽车的可行性分析,绿色奥运将成
为2008年北京的一道靓丽的风景线 [6]. 在香港政府和香港中华电力(clp)的支持和资
助下, 可再生氢能源系统在香港的可行性研究也已经在香港大学机械工程系展开. 本
文属于clp资助的项目的部分内容, 主要归纳总结了利用可再生资源制氢技术的基本原
理, 分析了各项技术的经济性, 对环境的影响以及安全性等关键问题. 通过对比分析
并结合香港的实际情况, 对于香港发展可再生氢能源系统进行了展望.
基于经济因素的考虑, 目前的氢主要是通过化石燃料的重整来制取, 比如天然气汽
化重整(natural gas steam reforming), 只有大约5%的氢是通过可再生资源的转换制取.
利用太阳能电池和风力发电驱动的电解水反应, 利用太阳能的热化学反应和利用生物质
制氢是最主要的从可再生能源中制取氢的技术. 其他可再生氢的制取技术, 比如生物制
氢, 光电化学技术, 光催化技术和光化学技术, 虽然具备很大发展前景, 但由于还处于
很早期的发展阶段, 其技术发展, 经济性等都还不明朗, 本文不做详细讨论.
1. 电解水制氢
1.1. 电解水基本原理及分类
电解水制氢是目前最为广泛使用的将可再生资源转换为氢的技术. 当两个电极(阴
极和阳极)分别通上直流电, 并且浸入水中时, 水将会被分解并在阴极和阳极分别产生
氢气和氧气. 这个过程就是电解水. 这样的装置则为电解槽.
电解水由分别发生在阴极和阳极的两个化学反应组成, 如式(1),(2)和(3):
anode: h2o + electrical energy
2
1 o2 + 2h+ + 2e- (1)
cathode: 2h+ + 2e- h2 (2)
overall: h2o + electrical energy h2 +
2
1 o2 (3)
电解水的基本原理见图1. 在催化剂和直流电的作用下, 水分子在阳极失去电子, 被分
解为氧气和氢离子, 氢离子通过电解质和隔膜到达阴极, 与电子结合生成氢气.
o2 h2
diaphragm anode cathode
e-
h+
图1. 电解水的基本原理示意图
fig.1. schematics of basic principle of water electrolysis
最早的电解水现象是在1789 年被观测到. 之后, 电解水技术得到了较快的发展. 到
1902 年, 世界上就已经有超过400 台电解槽装置. 目前市场上的电解槽可以分为三种: (1)
碱性电解槽(alkaline electrolyzer); (2) 质子交换膜电解槽(proton exchange membrane
electrolyzer)和(3)固体氧化物电解槽(solid oxide electrolyzer). 表1. 总结和对比了这三
种电解槽技术的特点.
表1. 不同电解槽技术的对比
table 1. comparison between different electrolyzer technologies
electrolyzer type electrolyte operating temperature (oc) carriers efficiency cost (us$/kw)
alkaline electrolyzer
20-30% koh
70-100
oh-
80%
400-600
pem electrolyzer pem polymer
50-90 h+ 94% 2000
solid oxide
electrolyzer
yttria-stabilized
zirconnia
600-1000 o2- 90% 1000-1500
碱性电解槽是最早商业化的电解槽技术, 虽然其效率是三种电解槽中最低的, 但
由于价格低廉, 目前仍然被广泛使用, 尤其是在大规模制氢工业中. 碱性电解槽的缺
点是效率较低和使用石棉作为隔膜. 石棉具有致癌性, 很多国家已经提出要禁止石棉
在碱性电解槽中的使用. 据报道, pps(poly phenylene sulfide), ptfe(poly tetra
fluorethylene), psf(poly sulfone) [7]以及zirfon [8]等聚合物在koh溶液中具有和
石棉类似的特性, 甚至还优于石棉, 将有可能取代石棉而成为碱性电解槽的隔膜材料.
发展新的电极材料, 提高催化反应效率, 是提高电解槽效率的有效途径. 研究表明
raney nickel 和 ni-mo 等合金作为电极能有效加快水的分解, 提高电解槽的效率
[9,10].
质子交换膜电解槽由于转换效率很高而成为很有发展前景的制氢装置. 由于采用
很薄的固体电解质(pem), 具有很好的机械强度和化学稳定性, 并且欧姆损失较小. 在
日本, 效率达94.4%的质子交换膜电解槽已经研制成功 [11]. 但由于质子交换膜(目前
常用的是由杜邦公司的nafion)和使用铂电极催化剂, 价格昂贵, 制约了其广泛使用.
今后研究的重点是降低成本, 和进一步提高其转换效率. 成本的降低主要是通过降低
贵重金属铂在催化层中的含量和寻找廉价的质子交换膜材料. 目前这个两个领域都已
经取得了一定成效. 印度的电化学和能源研究所(ceer)成功将铂的含量在没有影响电
解槽整体性能的情况下从0.4mg/cm2降到了0.1mg/cm2 [12]. 使用喷溅沉积法(sputter
deposition)制备催化层也同样获得了成功, 并且使铂的含量降到了0.014 mg/cm2
[13,14]. 其他廉价的替代材料, 如polyphosphazene [15]和sulfonated polystyrene
(sps) [16]等也被证实具有和nafion类似的特性, 有可能被用到质子交换膜电解槽中用
做电解质. 可以预见, 随着质子交换膜电解槽技术的成熟和价格的降低, pem电解槽将
成为制氢的主要装置.
固体氧化物电解槽(solid oxide electrolyzer)是另一种新兴的电解槽技术. 这种
电解槽的缺点是工作在高温, 给材料的选择带来了一定限制. 优点是较高的反应温度
使得电化学反应中,部分电能被热能代替, 从而效率较高, 尤其是当余热被汽轮机, 制
冷系统等回收利用时, 系统效率可达90%. 目前的研究重点是寻找在高温下具有对氧离
子良好导电性的电解质材料和适当降低电解槽的工作温度.
1.2. 电解海水制氢
海水是世界上最为丰富的水资源, 同时也是理想的制氢资源. 尤其在沿海的沙漠
地区, 比如中东和非洲, 淡水资源缺乏, 电解海水制氢则成了唯一的选择. 但海水富
含盐份(nacl)和其他杂质, 并且通常电解槽的电极电势超过了产生氯气所需的电势,
这使得在电解海水时, 往往是氯气从阳极析出, 而非氧气. 虽然氢气的产生不会受此
影响, 但产生的氯气具有强烈的毒性, 需要完全避免. 在所有常用的电极材料中, 只
有锰和锰的氧化物及其化合物在电解海水时可以在阳极产生氧气, 而抑制氯气的产生.
ghany 等人[17]用mn1-xmoxo2+x/iro2ti作为电极, 氧气的生成率达到了100%, 完全避免
了氯气的产生, 使得电解海水制氢变得可行.
1.3. 利用可再生资源电解水制氢
如前所述, 电解水需要消耗电. 由化石燃料产生电能推动电解槽制氢由于会消耗
大量的不可再生资源, 只能是短期的制氢选择. 由可再生资源产生电能, 比如通过光
伏系列和风机发电, 具有资源丰富, 可再生, 并且整个生命周期影响较小等优点, 是
未来的发展趋势.
光伏电池在吸收太阳光能量后, 被光子激发出的自由电子和带正电的空穴在pn结
的电场力作用下, 分别集中到n型半导体和p型半导体, 在连接外电路的情况下便可对
外提供直流电流. 光伏电池可以分为第一代光伏电池(wafer-based pv)和第二代光伏电
池(thin film pv). 目前市场上多是第一代光伏电池. 第一代电池具有较高的转换效率
(10-15%), 但成本较贵, 限制了其大规模使用. 第二代电池虽然效率较低(6-8%), 但
由于采用了薄膜技术, 使用较少的材料, 并且易于批量生产, 制作成本大大降低, 目
前的研究方向是进一步提高薄膜光伏电池的转换效率[18]. 由于光伏电池产生的是直
流电,可以直接运用于电解水, 但为了保证光伏阵列工作在最大功率状态, 在光伏电池
和电解槽之间往往需要接入一个最大功率跟踪器(mppt)和相应的控制器.
风能发电由于具有较高的能量利用效率和很好的经济性, 在最近几年得到了很快
发展. 风力发电机组利用风的动能推动发电机而产生交流电. 根据betz law, 风力发电
的最大效率理论上可达59% [19]. 在风力充足的条件下, 风力发电的规模越大, 其经济
性越好. 因此, 近几年风力发电朝着大规模的方向发展. 另外, 由于海上风力较陆地
大, 并且不占陆地面积, 最近也有将风力发电机组建在海上的趋势. 风能发电只需交
流-直流转换即可与电解槽相接产氢, 经济性较好, 目前不少风力资源充足的国家都将
风能-电解槽系统列为重点发展的方向.
另外, 地热能, 波浪能所发的电都可以作为电解槽的推动力, 但和太阳能与风能
一样, 都受地域的限制.
1.4. 电解水制氢的现状
目前所用到的电解槽多为碱性电解槽. 加拿大的stuart是目前世界上利用电解水
制氢和开发氢能汽车最为有名的公司. 他们开发的hesfp系统包括一个能日产氢25 千
克的碱性电解槽, 一个能储存60 千克氢的高压储氢罐和氢内燃机车. 他们用于汽车的
氢能系统能每小时产氢3千克, 可以为3辆巴士提供能量. hamilton是另一个有名的电解
槽开发制造商, 他们的es系列利用pem电解槽技术, 可以每小时产氢6-30nm3, 所制氢
的纯度可达99.999%. 在日本的we-net计划中, 氢的制取也是通过pem电解槽来实现,
并且pem电解槽在80oc和1a/cm2的工作条件下, 已经以90%的效率连续工作了超过4000小
时 [11].
1.5. 电解水技术的环境, 经济和安全问题
从电解水的整个生命周期来看, 电解水制氢会对环境造成一定的负面影响, 并且
也有一定的危险性. 下面将做定性分析.
对碱性电解槽而言, 由于使用了具有强烈腐蚀性的koh溶液作为电解液, koh的渗漏
和用后的处理会造成环境的污染, 对人体健康也是一个威胁. 并且目前的碱性电解槽
多采用石棉作为隔膜, 石棉具有致癌性, 会对人构成严重的危害. pem电解槽使用质子
交换膜作为电解质, 无须隔膜. 但当pem电解槽工作温度较高时(比如150oc), pem将会
发生分解, 产生有毒气体. 固体氧化物电解槽虽然没有上述问题, 但工作在高温, 存
在着在高温下生成的氧气和氢气重新合并发生燃烧甚至爆炸的危险, 需要引起注意.
此外, 电解槽生产, 比如原材料的开采,加工, 以及最终的遗弃或废物处理, 都需要消
耗一定的能量, 并且会释放出co2等温室气体和其他污染物.
当电解槽由光伏电池驱动时, 光伏电池可能含有有毒物质(比如cdte pv), 将带来
一定的环境污染和危险性. 尤其当系统发生短路出现火情, 有毒物质将会释放出来,危
害较大. 另外, 光伏阵列的安装会占用较大的土地面积. 这点也需要在设计安装时加
以考虑. 风能-电解槽系统和光伏-电解槽系统相比, 则对环境的影响要小很多, 并且
也相对安全. 但也有需要注意的地方, 比如噪音, 对电磁的干扰, 以及设计时需要考
虑到台风的影响.
尽管电解水制氢具有很高的效率, 由于昂贵的价格, 仍然很难大规模使用. 目前
三种电解槽的成本分别为: 碱性电解槽us$400-600/kw, pem电解槽约us$2000/kw, 固体
氧化物电解槽约us$1000-1500/kw. 当光伏电池和电解水技术联合制氢时, 制氢成本将
达到约us$41.8/gj(us$5/kg), 而当风力发电和电解水技术联合制氢时, 制氢成本约为
us$20.2/gj (us$2.43/kg) [20].
2. 太阳能热化学循环制氢
太阳能热化学循环是另一种利用太阳能制取氢燃料的可行技术. 首先, 由太阳能
聚光集热器收集和汇聚太阳光以产生高温. 然后由这些高温推动产氢的化学反映以制
取氢气. 目前国内外广泛研究的热化学制氢反应有: (1) 水的热分解(thermolysis);
(2) h2s的热分解和(3) 热化学循环水分解.
2.1. 水的热分解制氢
由太阳能聚光器产生的高温可以用于对水进行加热, 直接分解而产生氢气和氧气.
反应式如(4)
2h2o 2h2 + o2 (4)
在这个反应中, 水的分解率随温度的升高而增大. 在压力为0.05bar, 温度为2500k时,
水蒸汽的分解率可以达到25%, 而当温度达到2800k时, 则水蒸汽的分解率可达55%. 可
见提高反应温度, 可以有效产氢量. 然而, 反应所需的高温也带来了一系列的问题.
由于温度极高, 给反应装置材料的选择带来了很大限制. 适合的材料必须在2000k以上
的高温具有很好的机械和热稳定性. zirconia由于其熔点高达3043k而成为近年来在水
的热分解反应中广泛使用的材料 [21,22]. 其他可选的材料及其熔点见表2.
表2. 作为热化学反应装置备选材料及其熔点 [22]
table 2 some materials and their melting points [22]
oxides t oc carbides t oc
zro2 2715 b4c 2450
mgo 2800 tic 3400-3500
hfo2 2810 hfc 4160
tho2 3050 hbn 3000 (decomposition)
另一个问题就是氢和氧的分离问题. 由于该反应可逆, 高温下氢和氧可能会重新结合
生成水, 甚至发生爆炸. 常用的分离方法是通过对生成的混合气体进行快速冷却(fast
quenching),再通过pd或pd-ag合金薄膜将氢和氧分离. 这种方法将会导致大量的能量
损失. 近几年有研究人员采用微孔膜(microporous membrane)分离也取得一些成功
[22,23], 使得直接热分解水制氢研究又重新受到广泛关注.
2.2. h2s的热分解
h2s是化学工业广泛存在的副产品. 由于其强烈的毒性, 在工业中往往都要采用
claus process将其去除, 见式(5)
2h2s + o2 2h2o + s2 (5)
这个过程成本昂贵, 还将氢和氧和结合生成水和废热, 从而浪费了能源. 对h2s的直接
热分解可以将有毒气体转化为有用的氢能源, 变废为宝, 一举两得. h2s的热分解制氢反
应式见(6)
2h2s 2h2 + s2 (6)
该反应的转化率受温度和压力的影响. 温度越高, 压力越低, 越有利h2s的分解. 据报
道, 在温度1200k,压力1 bar时, h2s的转化率为14%, 而当温度为1800k, 压力为0.33bar
时, 转化率可达70% [24]. 由于反应在1000k以上的高温进行, 硫单质呈气态, 需要与氢
气进行有效的分离. 氢与硫的分离往往通过快速冷却使硫单质以固态形式析出. 同样,
这种方法也会导致大量的能量损失.
2.3. 热化学循环分解水制氢
水的直接热分解制氢具有反应温度要求极高, 氢气分离困难, 以及由快速冷却带
来的效率降低等缺点. 而在水的热化学分解过程中, 氧气和氢气分别在不同的反应阶
段产生, 因而跨过了氢气分离这一步. 并且, 由于引入了金属和对应的金属氧化物,
还大大降低了反应温度. 当对于水直接热分解的2500k, 水的热化学循环反应温度只有
1000k左右, 也大大减轻了对反应器材料的限制. 典型的2步热化学循环反应式见
(7)-(10).
2 y x o
2
y xm o m + (7)
2 y x 2 yh o m o yh xm + + (8)
或者 2 o o m o m y x y x + ′ ′ (9)
2 y x 2 y x h o m o h o m + + ′ ′ (10)
其中m 为金属单质, mxoy 或1 1 y x o m 则分别为相应的金属氧化物. 适合用做水的热化学
循环反应的金属氧化物有tio2, zno, fe3o4, mgo, al2o3, 和 sio2等. zno/zn 反应温度较
低, 在近几年研究较多 [24-29]. fe3o4/feo 是另一对广泛用于热化学分解水制氢的金属
氧化物. 该循环中, fe3o4 首先在1875k 的高温下被还原生成feo 和 o2, 然后, 在573k
的温度下, feo 被水蒸汽氧化, 生成fe3o4 和 h2. 经研究发现, 用mn, mg, 或co 代替
部分fe3o4 而形成的氧化物(fe1-xmx)3o4 可以进一步降低反应温度 [4], 因而更具发展
前景.
除了以上所述2 步水分解循环外, 3 步和4 步循环分解水也是有效的制氢方式.
is(iodine/sulfur)循环是典型的3 步水分解循环, 该循环的反应式见(11)-(13):
4 2 x 2 2 2 so h hi 2 o h 2 so xi + + + at 293-373k (11)
2 2 i h hi 2 + at 473-973k (12)
2 2 2 4 2 o
2
1 so o h so h + + at 1073-1173k (13)
在is 循环中,影响制氢的主要因素就是单质硫或硫化氢气体的产生等副反应的发生. 为
尽量避免副反应的发生, x 的值往往设置在4.41 到11.99 之间[30]. ut-3 则是典型的
4 步循环[31]. 其反应式见(14) - (17):
2 2 2 o
2
1 cabr br cao + + at 845 k (14)
hbr 2 cao o h cabr 2 2 + + at 1,033 k (15)
2 2 2 4 3 br o h 4 febr 3 hbr 8 o fe + + + at 493 k (16)
2 4 3 2 2 h hbr 6 o fe o h 4 febr 3 + + + at 833 k (17)
热化学循环分解水虽然跨过了分离氢和氧这一步, 但在2 步循环中, 生成的金属在
高温下为气态并且会和氧气发生氧化还原反应而重新生成金属氧化物, 因此, 需要将
金属单质从产物混合物中分离出来. 金属单质的分离一般采用快速冷却使金属很快凝
固从而实现分离. 同样, 在3 步循环中, 氢和碘也需要及时的分离. 采用的分离技术都
类似.
2.4. 热化学循环分解水制氢的现状
热化学循环制氢在欧洲研究较多, 但由于产物的分离一直是一个比较棘手的问题,
能量损失比较大, 此种制氢方法还没有进入商业化的阶段. 在swiss federal institute of
technology zurich,对zno/zn 循环制氢研究已经比较深入. 他们的研究目前主要集中在
产物的分离以及分解水反应的机理方面 [32]. swiss federal office 则已经启动了一个
“solzinc”的计划, 通过zno/zn 循环制取氢气以实现对太阳能的储存. 目前正在进行
反应器的设计, 将于2004 年夏季进行测试[33].
2.5.太阳能热化学循环制氢的环境, 经济和安全问题
太阳能热化学循环采用太阳能聚光器聚集太阳能以产生高温, 推动热化学反应的
进行. 在整个生命周期过程中, 聚光器的制造, 最终遗弃, 热化学反应器的加工和最
终的废物遗弃以及金属,金属氧化物的使用都会带来一定的环境污染. 其具体的污染量
需要进行详细的生命周期评价(lca)研究. 此外, 在h2s 的分解中, 以及在is 循环和
ut-3 循环中, 都使用了强烈腐蚀性或毒性的物质, 比如h2s, h2so4. 这些物质的泄漏
和最终的处理会带来环境的污染和危险, 需要在设计和操作过程中加以考虑. 另外, 由
于反应都是在高温下进行, 氢和氧的重新结合在反应器中有引起爆炸的危险, 需要小
心处理.
由于热化学循环制氢尚未商业化, 相关的经济信息都是基于估算. steinfeld
(2002)[29]经过估算指出, 对于一个大型的热化学制氢工厂(90mw), 制的氢气的成本为
大约us$4.33-5/kg. 相比之下, 由太阳能热电 – 电解水系统制取氢气的成本则约为
us$6.67/kg, 而通过大规模天然气重整制氢的成本约为us$1.267/kg [20]. 可见太阳能热
化学循环制氢和天然气重整制氢相比虽然没有经济优势, 但和其他可再生制氢技术相
比则在经济性方面优于太阳热电-电解水和光伏-电解水技术.
3. 利用生物质制氢
生物质作为能源, 其含氮量和含硫量都比较低, 灰分份额也很小, 并且由于其生
长过程吸收co2, 使得整个循环的co2 排放量几乎为零. 目前对于生物质的利用, 尤其
在发展中国家, 比如中国, 印度, 巴西, 还主要停留在对生物质的简单燃烧的低效率
利用上. 除燃烧外, 对生物质的利用还有热裂解和气化, 以及微生物的光解与发酵. 利
用生物质热裂解和气化产氢具有成本低廉, 效率较高的特点, 是有效可行的制氢方式.
3.1. 生物质热裂解制氢
生物质热裂解是在高温和无氧条件下对生物质的热化学过程. 热裂解有慢速裂解
和快速裂解. 快速裂解制取生物油是目前世界上研究比较多的前沿技术. 得到的产物
主要有: (1) 以氢(h2), 甲烷(ch4), 一氧化碳(co), 二氧化碳(co2)以及其它有机气
体等气体成分; (2) 以焦油, 丙酮, 甲醇, 乙酸等生物混合油液状成分; (3) 以焦碳为主
的固体产物[34]. 为了最大程度的实现从生物质到氢的转化, 需要尽量减小焦碳的产量.
这需要尽量快的加热速率和传热速率和适中的温度.
热裂解的效率和产物质量除与温度, 加热速率等有关外, 也受反应器及催化剂的
影响. 目前国内外的生物质热裂解决反应器主要有机械接触式反应器, 间接式反应器
和混合式反应器. 其中机械接触式反应器包括烧蚀热裂解反应器, 旋转锥反应器等,
其特点是通过灼热的反应器表面直接与生物质接触, 以导热的形式将热量传递给生物
质而达到快速升温裂解. 这类反应器原理简单, 产油率可达67%, 但易造成反应器表面
的磨损, 并且生物质颗粒受热不易均匀. 间接式反应器主要通过热辐射的方式对生物
质颗粒进行加热, 由于生物质颗粒及产物对热辐射的吸收存在差异, 使得反应效率和
产物质量较差. 混合式反应器主要以对流换热的形式辅以热辐射和导热对生物质进行
加热, 加热速率高, 反应温度比较容易控制均匀, 且流动的气体便于产物的析出, 是
目前国内外广泛采用的反应器, 主要有流化床反应器, 循环流化床反应器等[35]. 这
在国内各科研院所都已经开展了大量的研究, 如广州能源所, 辽宁省能源所等都开发
研制出了固定床, 流化床反应器.
催化剂的使用能加速生物质颗粒的热解速率, 降低焦炭的产量, 达到提高效率和
产物质量的目的. 目前用于生物质热裂解的催化剂主要有以ni 为基的催化剂, 沸石
[36], k2co3, na2co3, ca2co3[37]以及各种金属氧化物比如al2o3, sio2, zro2, tio2[38]
等都被证实对于热裂解能起到很好的催化作用.
热裂解得到的产物中含氢和其他碳氢化合物, 可以通过重整和水气置换反应以得
到和提高氢的产量. 如下式所示:
合成气 + h2o h2 + co (18)
co + h2o co2 + h2 (19)
利用生物质热裂解联同重整和水气置换反应制氢具有良好的经济性, 尤其是当反
应物为各种废弃物时, 既为人类提供了能量, 又解决了废弃物的处理问题, 并且技术
上也日益成熟, 逐渐向大规模方向发展. danz (2003 年)[39]估算了通过生物质热裂解制
氢的成本约为us$3.8/kg h2 (因氢的热值为120mj/kg, 这相当于us$31.1/gj), 这和石
油燃油的价钱us$4-6/gj 相比还没有任何优势, 但carlo 等[40]指出, 当热裂解制氢的规
模达到400mw 时, 氢的成本会大大降低, 达到us$5.1/gj. 可见实现大规模的利用生物
质制氢, 将会是非常有潜力的发展方向.
3.2. 生物质气化制氢
生物质气化是在高温下(约600-800oc)下对生物质进行加热并部分氧化的热化学过
程. 气化和热裂解的区别就在于裂解决是在无氧条件下进行的, 而气化是在有氧条件
下对生物质的部分氧化过程. 首先, 生物质颗粒通过部分氧化生成气体产物和木碳,
然后, 在高温蒸汽下, 木碳被还原, 生成co, h2, ch4, co2 以及其他碳氢化合物.
对于生物质气化技术, 最大的问题就在于焦油含量. 焦油含量过高, 不仅影响气化
产物的质量, 还容易阻塞和粘住气化设备, 严重影响气化系统的可靠性和安全性. 目前
处理焦油主要有三种方法. 一是选择适当的操作参数, 二是选用催化剂加速焦油的分解,
三是对气化炉进行改造. 其中, 温度, 停留时间等对焦油分解有很重要的作用. milne ta
(1998 年)[41]指出, 在温度高于1000oc 时, 气体中的焦油能被有效分解, 使产出物中的
焦油含量大大减小. 此外, 在气化炉中使用一些添加剂如白云石, 橄榄石以及使用催化
剂如ni-ca 等都可以提高焦油的分解, 降低焦油给气化炉带来的危害[42,43]. 此外, 设
计新的气化炉也对焦油的减少起着很重要的作用. 辽宁省能源研究所研制的下吸式固定
床生物质气化炉, 在其喉部采用特殊结构形式的喷嘴设计, 在反应区形成高温旋风动力
场, 保证了焦油含量低于2g/m3.
由气化所得产物经过重整和水气置换反应, 即可得到氢, 这与处理热裂解产物类似.
通过生物质气化技术制氢也具有非常诱人的经济性. david a.bowen 等人(2003)[44]比较
了生物质气化制氢和天然气重整制氢的经济性, 见图2. 由图可见, 利用甘蔗渣作为原
料, 在供料量为每天2000 吨的情况下, 所产氢气的成本为us$7.76/gj, 而在这个供料量
下使用柳枝稷(switchgrass)为原料制得的氢气成本为us$6.67/gj, 这和使用天然气重整
制氢的成本us$5.85-7.46/gj 相比, 也是具有一定竞争力的. 如果将环境因素考虑进去,
由于天然气不可再生, 且会产生co2, 而生物质是可再生资源, 整个循环过程由于光合
作用吸收co2 而使co2 的排放量几乎为0, 这样, 利用生物质制氢从经济上和环境上的
综合考虑, 就已经比天然气重整更有优势了.
biomass feed to gasifier (tonnes/day)
hydrogen cost ($/gj)
500 1000 1500 2000
5
6
7
8
9
10
11
natural gas $3/gj
natural gas $4.5/gj
10.23
8.74
7.76
8.76
7.54
6.67
5.85
7.46
bagasse
switchgrass
图2. 生物质制氢与天然气制氢经济性的比较
fig. 2. comparison of hydrogen cost between biomass
gasification and natural gas steam reforming
以上分析的利用生物质高温裂解和气化制氢适用于含湿量较小的生物质, 含湿量高
于50%的生物质可以通过光合细菌的厌氧消化和发酵作用制氢, 但目前还处于早期研究
阶段, 效率也还比较低. 另一种处理湿度较大的生物质的气化方法是利用超临界水的特
性气化生物质, 从而制得氢气.
3.3. 生物质超临界水气化制氢
流体的临界点在相图上是气-液共存曲线的终点, 在该点气相和液相之间的差别刚
好消失, 成为一均相体系. 水的临界温度是647k, 临界压力为22.1mpa, 当水的温度和
压力超过临界点是就被称为超临界水.在超临界条件下, 水的性质与常温常压下水的性
质相比有很大的变化.
在超临界状态下进行的化学反应, 通过控制压力, 温度以控制反应环境, 具有增强
反应物和反应产物的溶解度, 提高反应转化率, 加快反应速率等显著优点, 近年来逐渐
得到各国研究者的重视 [45,46]. 在超临界水中进行生物质的催化气化, 生物质的气化
率可达100%, 气体产物中氢的体积百分比含量甚至可以超过50%, 并且反应不生成焦
油, 木碳等副产品, 不会造成二次污染, 具有良好的发展前景. 但由于在超临界水气中
所需温度和压力对设备要求比较高, 这方面的研究还停留在小规模的实验研究阶段. 我
国也只进行了少量的研究, 比如西安交大多相流实验室就研究了以葡萄糖为模型组分在
超临界水中气化产氢, 得到了95%的气化效率 [47]. 中科院山西煤炭化学研究所在间隙
式反应器中以氧化钙为催化剂的超临界水中气化松木锯屑,得到了较好的气化效果.
到目前为止, 超临界水气化的研究重点还是对不同生物质在不同反应条件下进行实
验研究, 得到各种因素对气化过程的影响. 表3 总结了近几年对生物质超临界水气化制
氢的研究情况. 研究表明, 生物质超临界水气化受生物质原料种类, 温度, 压力, 催化剂,
停留时间, 以及反应器形式的影响.
表3. 近年来关于生物质超临界水气化制氢的研究
table 3
recent studies on hydrogen production by biomass gasification in supercritical water
conditions
feedstock gasifier type catalyst used temperature and
pressure
hydrogen yield references
glucose not known not used 600oc, 34.5mpa 0.56 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 34.5mpa 2.15 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 600 oc, 25.5mpa 1.74 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 550 oc, 25.5mpa 0.62 mol h2/mol of feed
glucose not known activated carbon 500 oc, 25.5mpa 0.46 mol h2/mol of feed
[48]
glycerol not known activated carbon 665 oc, 28mpa 48 vol%
glycerol/methanol not known activated carbon 720 oc, 28mpa 64 vol%
corn starch not known activated carbon 650 oc, 28mpa 48 vol%
sawdust/corn starch
mixture
not known activated carbon 690 oc, 28mpa 57 vol%
[49]
glucose
tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 59.7 vol% (9.1mol
h2/mol glucose)
catechol tubular reactor koh 600 oc, 25mpa 61.5 vol% (10.6mol
h2/mol catechol)
sewage autoclave k2co3 450oc, 31.5-35mpa
47 vol%
[50]
glucose tubular reactor not used 600 oc, 25mpa 41.8 vol%
glucose tubular reactor not used 500 oc, 30mpa 32.9 vol%
glucose tubular reactor not used 550 oc, 30mpa 33.1 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 32.5mpa 40.8 vol%
glucose tubular reactor not used 650 oc, 30mpa 41.2 vol%
sawdust tubular reactor sodium
carboxymethylcellulose
(cmc)
650 oc, 22.5mpa 30.5 vol%
[47]
生物质的主要成分是纤维素, 木质素和半纤维素. 纤维素在水的临界点附近可以快
速分解成一葡萄糖为主的液态产品, 而木质素和半纤维素在34.5 mpa, 200-230oc 下可以
100%完全溶解, 其中90%会生成单糖. 将城市固体废弃物去除无机物后可以形成基本稳
定, 均一的原料, 与木质生物质很相似. 由表可见, 不同的生物质原料, 其气化效率和速
率也有所不同. 温度对生物质超临界水中气化的影响也是很显著的. 随着温度的升高,
气化效率增大. 压力对于气化的影响在临界点附近比较明显, 压力远大于临界点时, 其
影响较小. 停留时间对气化效率也有一定影响, 研究表明, 生物质在超临界水中气化停
留时间与温度相关, 不同的温度下有不同的一个最佳值. 使用催化剂能加快气化反应的
速率. 目前使用的催化剂主要有金属类催化剂, 比如ru, rh, ni, 碱类催化剂, 比如koh,
k2co3, 以及碳类催化剂 [51,52]. 反应器的选择也会影响生物质气化过程, 目前的反应
器可以分为间歇式和连续式反应器. 其中间歇式反应器结构简单, 对于淤泥等含固体的
体系有较强适应性, 缺点是生物质物料不易混合均匀, 不易均匀地达到超临界水下所需
的压力和温度, 也不能实现连续生产,. 连续式反应器则可以实现连续生产, 但反应时间
短, 不易得到中间产物, 难以分析反应进行的情况, 因此今后需要进行大量的研究, 研
制出更加有效的反应器以及寻求不同生物质在不同参数下的最佳气化效果, 实现高效,
经济的气化过程.
4. 其他制氢技术
除热化学方法外, 生物质还可以通过发酵的方式转化为氢气和其他产物. 此外,
微藻等水生生物质能够利用氢酶(hydrogenase)和氮酶(nitrogenase)将太阳能转化为
化学能-氢. 这些生物制氢技术具有良好的环境性和安全性, 但还处于早期的研究阶段,
制氢基理还未透彻理解, 尚需大量的研究工作.
太阳能半导体光催化反应制氢也是目前广泛研究的制氢技术. tio2 及过渡金属氧化
物, 层状金属化合物如k4nb6o17, k2la2ti3o10, sr2ta2o7 等, 以及能利用可见光的催化
材料如cds, cu-zns 等都经研究发现能够在一定光照条件下催化分解水从而产生氢气.
但由于很多半导体在光催化制氢的同时也会发生光溶作用, 并且目前的光催化制氢效
率太低, 距离大规模制氢还有很长的路要走. 尽管如此, 光催化制氢研究仍然为我们
展开了一片良好的前景.
5. 制氢技术总结以及在香港的应用前景
前面讨论了利用可再生资源制取清洁燃料-氢的各项主要技术. 这些技术的特点,
经济性, 环境和安全方面的特点总结于表4.
表4. 利用可再生资源制氢技术比较
table 4. characteristics of candidate hydrogen production technologies
pv-electrolysis wind-electrolysis solar thermochemical cycle biomass conversion
development
status
pv technology almost mature,
electrolysis mature,
some demonstrations of
pv-electrolysis system been done
wind system mature, electrolysis mature,
wind-electrolysis demonstration needed
r&d pyrolysis and gasification r&d, biological
processes at early r&d
efficiency pv efficiency:
first generation, 11-15%,
second generation, 6-8%
solar to hydrogen around 7%
36% from wind to hydrogen, assuming wind
to electricity efficiency of 40% and
electrolyzer 90%
29% for zn/zno cycles conversion ratio up to 100% can be
achieved for gasification, efficiency of
10% for biological processes
economic
consideration
hydrogen cost about us$40-53.73/gj
depends on the pv type, the size
hydrogen cost about us$20.2/gj,
corresponding to 7.3cents/kwh
us$0.13-0.15/kwh, equivalent to
us$36.1-41.67/gj
us$6.67-17.1/gj for thermochemical
conversion depends on biomass types,
capacity size, for biological processes,
remain to be demonstrated
environmental
consideration
almost no pollution emission during
operation, energy consumption
intensive during construction, disposal
of hazardous materials
no pollution during operation, construction
energy consumption intensive, some noise
during operation
emission of hydrogen sulfide, use and
disposal of metal oxide, reactors
whole cycle co2 neutral, some pollution
emission during the stage of constructing
reactors
safety
consideration
handling hazardous materials during
fabrication, short circuit and fire during
operation, but not significant
relatively safe, a little danger exist during
maintenance
operating at high temperature, risk of
explosion exists; leakage of hydrogen
sulfide
operating at high temperature, explosion
may occur
由表可见, 生物质气化技术和风能-电解制氢技术具有良好的经济性. 对于环境的污染
以及危险性也相对较小, 极具发展前景, 可以作为大规模制氢技术. 而光伏-电解水技
术则目前还未显示出经济优势. 但由于太阳能资源丰富, 在地球上分布广泛, 如果光
伏电池的效率能进一步提高, 成本能大幅降低, 则是未来很有潜力的制氢技术. 太阳
能热化学循环也是可行的制氢技术, 今后的发展方向是进一步降低分解产物的能量损
耗以及发展更为经济的循环.
香港地少人多, 没有自己的煤, 石油, 天然气, 也没有大规模的农业, 所有能源
目前都依赖进口. 但香港具有丰富的风力资源和充足的太阳能资源, 利用可再生资源
部分解决香港的能源问题是一条值得探讨的思路.
香港总人口681 万, 总面积2757km2, 其中陆地面积1098 km2, 海洋面积1659 km2.
但香港绝大多数人口集中在港岛, 九龙等面积较小的市区, 而新界很多区域以及周边
岛屿则人口较少. 由于香港地处北回归线以南, 日照充足(13mj/m2/day), 风力强劲
(>6m/s), 具有很大的发展可再生能源的潜力. 简单计算可知, 如果将香港所有陆地面
积安装上效率为10%的光伏电池, 则年发电量可达144.7twh, 这相当于香港1999 年电
消耗量35.5twh 的4 倍! 这说明发展光伏技术在香港有很大潜力. 考虑到香港市区人
口稠密, 可以考虑将光伏电池安装在周边岛屿发电, 通过电解槽制氢. 由于光伏-电解
水成本很高, 这一技术还难以大规模应用, 如果光伏成本能大幅度降低, 则在香港发
展光伏制氢具有非常诱人的前景. 另外, li(2000)[53]进行了在香港发展海上风力发电
的可行性研究. 研究表明, 利用香港东部海域建立一个11 × 24 km 的风力发电机组, 可
以实现年发电2.1 twh, 这相当于香港用于交通的能源的10%. 此外, 香港周边岛屿,
如横澜岛等, 平均风力都在6.7 m/s 以上, 在这些岛屿发展大规模的风力机组也是值得
进一步探讨的问题. 除此之外, 香港每年产生的大量有机垃圾, 也可以通过气化或热
解制氢. 这些技术在香港的成功应用还需要更深入的研究, 本文不作深入探讨.
6. 小结
本文综述了目前利用可再生资源制氢的主要技术, 介绍了其基本原理, 也涉及到
了各项技术的经济性和环境以及安全方面的问题. 对各项制氢技术进行了对比分析,
总结出利用风能发电再推动电解水, 以及利用生物质的热化学制氢具有良好的经济性,
对环境的污染较小, 技术成熟, 可以作为大规模制氢的选择. 利用光伏-电解水技术具
有诱人的发展前景, 但目前还未显示出其经济性. 而太阳能热化学制氢则处于研究阶
段, 还难以用于大规模制氢. 香港具有比较丰富的可再生资源, 利用风力发电和有机
废物制氢是可行的制氢技术, 而光伏电池还需要大量研究以进一步降低成本. 尽管还
有大量的研究和更深入的分析要做, 利用可再生资源制氢以同时解决污染和能源问题
已经为我们展开了一个良好的前景.
致谢:
本文属<可再生氢能在香港的应用研究>项目, 该课题受香港中华电力公司(clp)及香港
特别行政区政府资助, 在此表示感谢!
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生物燃料和天然气的区别范文第8篇
关键词 农村初中生物 生物课效率 教学经验 多媒体课件
近几年我们偏远山区农村学校的教学设施大有改观，特别是生物课的器材已基本配备齐全，再不是前几年的“一本书，一间只有几张方桌的实验室，几张旧挂图”组成的理科类学科。如何有效利用教学资源在有限的课时内跟好的完成教学任务？如何让学生在轻松愉快的氛围里掌握生物学知识？如何培养初中生的“实验思维”？如何使初一、二年级学生尽快适应实验教学，走出“重知识、轻技能”的教学误区，全面提升教学效果，是广大初中生物教师实施新课程教学，促进学生“三维”（知识与技能、方法与过程、情感态度与价值观）面临的迫切问题。本人就近几年的教学经验总结如下：
一、充分利用多媒体课件
初中学生的理解能力和空间思维能力有限，讲动植物的主要类型时，很难拿出相应的标本让学生观察、鉴别，讲起来十分空洞，学生很难理解、区别。如何解决？近几年教学图片或其它图片反映动植物分类的较多，教师可以搜集；网络资源便捷，教师可在网上搜集常见的动植物，分类制成幻灯片，让他们进行观察、比较，再辅之以专业的比较、分析、讲解，学生会很感兴趣，也更易懂易掌握，记忆更深。
二、有效开展调查研究
一些实验比较抽象难以理解，可以布置学生做社会调查，让学生对调查情况进行分析总结，讨论研究得出结论，这样的学习方式，学生记忆深刻。例如在讲生态系统的稳定性时，若遇到有四级以上营养级的生态系统，学生就很难判断中上级的动物数量的变化，因为上一级和下一级都对它有影响，但哪一级对它影响更大一些呢？我布置学生到生活中去调查：学生按村分组去调查他们所在地的家鼠和猫的大概数量，田鼠和蛇的大概数量关系，以及近三年它们数量变化的大致情况，然后交流讨论，总结它们数量变化的动态关系，可得出他们相互影响的主要因素，从而更有利于分析这类问题。
三、设计游戏，激发学习兴趣
谈到游戏，很多人以为只是玩玩乐乐，其实则不然。如讲人与动物的本质区别时，我是这样设计的：教师在黑板上写一句简单的话，其中有一名学生面向黑板领悟黑板上这句话的意思，然后用动作示意其他几名背对黑板的学生，结果这几名学生表述的不尽相同，从而证明人类语言的重要功能。该教学设计给了我们很多启迪，学生在游戏中激发思维，提高了理解力。学生从动手动脑的参与，从和谐愉快的课堂气氛中感到学习是一种乐趣，感到学习语言的重要性，使其学习兴趣倍增。
四、引导学生学会用生活经验解决问题
生物学中生理理论知识较难理解，学生要靠死记硬背才能掌握相关知识。但若用学生亲身经历过的事情来理解，学生就很容易接受。我在讲尿液和汗液的成份时，让学生回忆夏天干农活和体育运动训练后，汗衣放一天后有什么气味？家中的小便桶储存小便一天后有什么气味？与你家中用过的化肥有相同的气味吗？若是深色衣服，汗衣上会什么痕迹？小便桶储存小便时间较长后会有什么痕迹？生活经验与书本知识一结合，学生就豁然开朗。我再加以引导，让学生去搞清这些东西的主要成分，学生便感到一点不难。
五、在实验课上注意培养团队意识，增强合作精神