生物燃料论文范文

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篇1

MFCs将可以被生物降解的物质中可利用的能量直接转化成为电能。要达到这一目的，只需要使细菌从利用它的天然电子传递受体，例如氧或者氮，转化为利用不溶性的受体，比如MFC的阳极。这一转换可以通过使用膜联组分或者可溶性电子穿梭体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被还原。与厌氧性消化作用相比，MFC能产生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。

与现有的其它利用有机物产能的技术相比，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，甚至是低温的环境条件下都能够有效运作。第三，MFC不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再利用的能量。第四，MFCs不需要能量输入，因为仅需通风就可以被动的补充阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛应用的潜力，同时也扩大了用来满足我们对能源需求的燃料的多样性。

微生物燃料电池中的代谢

为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必须要确定下来。除去底物的影响之外，电池阳极的势能也将决定细菌的代谢。增加MFC的电流会降低阳极电势，导致细菌将电子传递给更具还原性的复合物。因此阳极电势将决定细菌最终电子穿梭的氧化还原电势，同时也决定了代谢的类型。根据阳极势能的不同能够区分一些不同的代谢途径：高氧化还原氧化代谢，中氧化还原到低氧化还原的代谢，以及发酵。因此，目前报道过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严格厌氧型的都有分布。

在高阳极电势的情况下，细菌在氧化代谢时能够使用呼吸链。电子及其相伴随的质子传递需要通过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研究了这条通路的利用情况。他们观察到MFC中电流的产生能够被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所使用的MFC中，电子传递系统利用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不使用电子传递链的2号位点或者末端氧化酶。通常观察到，在MFCs的传递过程中需要利用氧化磷酸化作用，导致其能量转化效率高达65%。常见的实例包括假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。

如果存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势降低，电子则易于沉积在这些组分上。当使用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的产生，提示在这种情况下细菌并未使用阳极。如果没有硫酸盐、硝酸盐或者其它电子受体的存在，如果阳极持续维持低电势则发酵就成为此时的主要代谢过程。例如，在葡萄糖的发酵过程中，涉及到的可能的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它表明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子能够用来产生电流，而其它三分之二的电子则保存在产生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它通常使用这些电子产生氢气，氢化酶一般位于膜的表面以便于与膜外的可活动的电子穿梭体相接触，或者直接接触在电极上。同重复观察到的现象一致，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的产生。一些已知的制造发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都已经从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培养时，有丰富的氢气产生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。

发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的情况下也能够被诸如泥菌属等厌氧菌氧化，它们能够在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。

代谢途径的差异与已观测到的氧化还原电势的数据一起，为我们一窥微生物电动力学提供了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的情况下运转的MFC，在刚开始在生物量积累时期只产生很低的电流，因此具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是对于兼性好氧菌和厌氧菌的选择的结果。经过培养生长，它的代谢转换率，体现为电流水平，将升高。所产生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些适应低氧化的兼性厌氧微生物生长。然而此时，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，同时也可能受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于生长受抑的状态。如果外部使用高电阻时，阳极电势将会变低，甚至只维持微弱的电流水平。在那种情况下，将只能选择适应低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌种类的选择的可能性被局限了。

MFC中的阳极电子传递机制

电子向电极的传递需要一个物理性的传递系统以完成电池外部的电子转移。这一目的既可以通过使用可溶性的电子穿梭体，也可以通过膜结合的电子穿梭复合体。

氧化性的、膜结合的电子传递被认为是通过组成呼吸链的复合体完成的。已知细菌利用这一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。决定一个组分是否能发挥类似电子门控通道的主要要求在于，它的原子空间结构相位的易接近性（即物理上能与电子供体和受体发生相互作用）。门控的势能与阳极的高低关系则将决定实际上是否能够使用这一门控（电子不能传递给一个更还原的电极）。

MFCs中鉴定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶可能直接参加了电子向电极的转移过程。最近，这一关于电子传递方法的设想由McKinlay和Zeikus提出，但是它必须结合可移动的氧化穿梭体。它们展示了氢化酶在还原细菌表面的中性红的过程中扮演了某一角色。

细菌可以使用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物转移到电极的表面，同时伴随着这一化合物的氧化。在很多研究中，都向反应器中添加氧化型中间体比如中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经验表明这些中间体的添加通常都是很关键的。但是，细菌也能够自己制造这些氧化中间体，通过两种途径：通过制造有机的、可以被可逆的还原化合物（次级代谢物），和通过制造可以被氧化的代谢中间物（初级代谢物）。

第一种途径体现在很多种类的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研究表明这些微生物的代谢中间物影响着MFCs的性能，甚至普遍干扰了胞外电子的传递过程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中间体产生相关的基因，可以将产生的电流单独降低到原来的二十分之一。由一种细菌制造的氧化型代谢中间体也能够被其他种类的细菌在向电极传递电子的过程中所利用。

通过第二种途径细菌能够制造还原型的代谢中间体——但还是需要利用初级代谢中间物——使用代谢中间物如Ha或者HgS作为媒介。Schroder等利用E.coliK12产生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。通过这种方法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。相似的，Straub和Schink发表了利用Sulfurospirillumdeleyianum将硫还原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中间物。

评价MFCs性能的参数

使用微生物燃料电池产生的功率大小依赖于生物和电化学这两方面的过程。

底物转化的速率

受到如下因素的影响，包括细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大生长速率，Ks——细菌对于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜效率，以及MFC的总电势。

阳极的超极化

一般而言，测量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包括电极表面，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。

阴极的超极化

与在阳极观测到的现象相似，阴极也具有显著的电势损失。为了纠正这一点，一些研究者们使用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。但是，赤血盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该认为它是一个电子受体更甚于作为媒介。如果要达到可持续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。

质子跨膜转运的性能

目前大部分的MFCs研究都使用Nafion—质子转换膜（PEMs）。然而，Nafion—膜对于（生物）污染是很敏感的，例如铵。而目前最好的结果来自于使用Ultrex阳离子交换膜。Liu等不用使用膜，而转用碳纸作为隔离物。虽然这样做显著降低了MFC的内在电阻，但是，在有阳极电解液组分存在的情况下，这一类型的隔离物会刺激阴极电极的生长，并且对于阴极的催化剂具有毒性。而且目前尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极系统在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。

MFC的内在电阻

这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决定于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。对于最优化的运转条件，阳极和阴极需要尽可能的相互接近。虽然质子的迁移会显著的影响与电阻相关的损失，但是充分的混合将使这些损失最小化。

性能的相关数据

在平均阳极表面的功率和平均MFC反应器容积单位的功率之间，存在着明显的差异。表2提供了目前为止报道过的与MFCs相关的最重要的的结果。大部分的研究结果都以电极表面的mA/m以及mW/m2两种形式表示功率输出的值，是根据传统的催化燃料电池的描述格式衍生而来的。其中后一种格式对于描述化学燃料电池而言可能已经是充分的，但是MFCs与化学燃料电池具有本质上的差异，因为它所使用的催化剂（细菌）具有特殊的条件要求，并且占据了反应器定的体积，因此减少了其中的自由空间和孔隙的大小。每一个研究都参照了以下参数的特定的组合：包括反应器容积、质子交换膜、电解液、有机负荷速率以及阳极表面。但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难。从技术的角度来看，以阳极仓内容积（液体）所产生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的形式，作为反应器的性能比较的一个基准还是有帮助的。这一单位使我们能够横向比较所有测试过的反应器，而且不仅仅局限于已有的研究，还可以拓展到其它已知的生物转化技术。

此外，在反应器的库仑效率和能量效率之间也存在着显著的差异。库仑效率是基于底物实际传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来计算。能量效率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的关系并非总是明确的。需要强调的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，譬如电阻的调整。如果综合考虑这些参数的问题的话，必须要确定是最大库仑效率（如对于废水处理）还是最大能量效率（如对于小型电池）才是最终目标。目前观测到的电极表面功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。

优化

生物优化提示我们应该选择合适的细菌组合，以及促使细菌适应反应器内优化过的环境条件。虽然对细菌种子的选择将很大程度上决定细菌增殖的速率，但是它并不决定这一过程产生的最终结构。使用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物适应和选择之后，细菌在将底物转换为电流的速率上有7倍的增长。如果提供更大的阳极表面供细菌生长的话，增长会更快。

批处理系统使能够制造可溶性的氧化型中间体的微生物的积累成为了可能。持续的系统性选择能形成生物被膜的种类，它们或者能够直接的生长在电极上，或者能够通过生物被膜的基质使用可移动的穿梭分子来传递电子。

通过向批次处理的阳极中加入可溶性的氧化中间体也能达到技术上的优化：MFCs中加入氧化型代谢中间体能够持续的改善电子传递。对这些代谢中间体的选择到目前为止还仅仅是出于经验性的，而且通常只有低的中间体电势，在数值约为300mV或者还原性更高的时候，才认为是值得考虑的。应该选择那些具有足够高的电势的氧化中间体，才能够使细菌对于电极而言具有足够高的流通速率，同时还需参考是以高库仑效率还是以高能量效率为主要目标。

一些研究工作者们已经开发了改进型的阳极材料，是通过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus使用锰修饰过的高岭土电极，产生了高达788mW/m2的输出功率。而增加阳极的特殊表面将导致产生更低的电流密度（因此反过来降低了活化超极化）和更多的生物薄膜表面。然而，这种方法存在一个明显的局限，微小的孔洞很容易被被细菌迅速堵塞。被切断食物供应的细菌会死亡，因此在它溶解前反而降低了电极的活化表面。总之，降低活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最主要因素。

IVIFC：支柱性核心技术

污物驱动的应用在于能够显著的移除废弃的底物。目前，使用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需要消耗1kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需要消耗0.5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需要消耗的能源约为30kWh。为了解决这一问题，需要开发一些技术，特别是针对高强度的废水。在这一领域中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它产生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器通常以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个燃烧引擎作为转换器）35%的总电力效率，意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3。它的效率主要决定于燃烧沼气时损失的能量。未来如果发展了比现有的能更有效的氧化沼气的化学染料电池的话，很可能能够获得更高的效率。

篇2

作者简介：王雪梅(1976-)，女，重庆永川人，副研究员，主要从事科学计量学、GIS与文献计量学集成研究.

资源与环境科学以人类生存和发展所依赖的地球系统特别是地球表层系统的特征和变化规律为主要研究对象，研究内容涉及地球科学及其分支学科，以及生命科学、化学、工程与材料科学、信息科学及管理科学的诸多分支学科领域。经济快速发展对资源环境科学提出了巨大需求，中国科学院围绕我国经济社会发展的重大问题及其相关的资源环境与地球科学问题，在资源环境和地球科学领域取得了一系列研究成果［1～3］。利用WebofKnowledge平台SCI-E数据库，对2009—2014年中国科学院SCI论文及地球科学与资源环境科学领域论文产出进行统计，并与全球及中国论文产出相比较，了解中国科学院在地球科学与资源环境科学领域的研究产出及其发展状况。

1数据来源与分析方法

从WebofScience的251个学科分类中遴选出与地球科学、环境/生态学相关的学科，根据学科分类在ScienceCitationIndexExpanded(SCI-E)数据库检索资源环境科学领域的相关论文，应用美国汤森路透公司的ThomsonDataAnalyzer文本挖掘软件进行数据分析和制图，对全球和中国的资源环境科学领域产出进行统计分析。

地球科学(Geosicence)领域包括：能源与燃料(Energy&Fuels)、地质工程(Engineering，Geological)、石油工程(Engineering，Petroleum)、地球化学与地球物理学(Geochemistry&Geophysics)、地理学(Geography)、地质学(Geology)、地球科学多学科(Geosciences，Multidisciplinary)、湖泊学(Limnology)、气象与大气科学(Meteorology&AtmosphericSciences)、矿物学(Mineralogy)、矿产与矿物加工(Mining&MineralProcessing)、海洋学(Oceanography)、古生物学(Paleontology)、遥感(RemoteSensing)、水资源(WaterResources)；环境/生态学(Environment/Ecology)领域包括：土壤科学(SoilScience)、生态学(Ecology)、海洋工程(Engineering，Marine)、环境科学(EnvironmentalSciences)。

2015年2~3月在SCI-E数据库对全球、中国、中国科学院的SCI论文产出进行检索和统计，中国科学院检索范围包括署名中有“中国科学院”的论文，包括中国科学院各研究所及中国科学院大学(中国科学院研究生院)，不包括未署名“中国科学院”的中国科技大学论文。

2中国科学院论文产出总体态势

2009—2014年期间，SCI-E共收录论文955.6万篇，其中署名中国的论文有113万篇，署名中国科学院的论文有15万篇。图1反映了全球、中国、中国科学院2009—2014年年度论文产出量变化。全球、中国、中国科学院的SCI论文分别以年均2%，14%和10%的速度增长。2014年与2009年相比，全球SCI论文增长近11%，中国增长约为93%，而中国科学院增长了62%，由图2可见中国SCI论文增长速度远高于全球论文增长速度。

图3统计了中国SCI论文占全球百分比和中国科学院SCI论文占中国百分比，表明中国论文占全球的份额持续上升，而中国科学院论文占中国的份额则逐步有所下降，但中国科学院资源环境类研究所发表的SCI论文数量占中国科学院的份额稳中有升。从图2也可见，中国科学院资源环境类研究所2014年与2009年相比，SCI论文增长了约92%，与中国SCI论文的增速很接近，高于中国科学院整体的论文增长速度。

将2009—2014年环境/生态学和地球科学领域各年论文按照被引频次高低统计TOP1%，TOP10%，TOP20%和TOP50%论文的数量，以及中国和中国科学院相应级次TOP论文的数量，并统计中国占全球的比例和中国科学院占中国的比例(图4)。

根据论文全部著者统计的结果表明，中国在全球资源环境科学研究领域各级次TOP论文中的比例基本为15%~20%，中国地球科学领域TOP论文数占全球的比例高于环境生态学领域，并且地球科学领域TOP1%的高水平论文比例很高。中国科学院在中国资源环境科学研究领域各级次TOP论文中的比例为26%~32%，中国科学院环境/生态学领域TOP论文数占中国的比例高于地球科学领域。

3资源环境科学领域的重点研究方向

基于SCI学科分类，分别对2009—2014年全球SCI论文最多的20个学科领域的论文数占全球SCI论文总数的比例、中国SCI论文最多的20个学科领域的论文数占中国SCI论文总数的比例，以及中国科学院SCI论文最多的20个学科领域的论文数进行统计。结果显示，全球各学科领域中，生物学与生物化学发文最多，发文最多的20个学科领域主要侧重于医学和生命科学等，相比之下，中国产出偏重于材料科学以及化学、物理等相关学科领域，中国科学院在环境科学方面论文产出数量比例较高。

资源环境科学领域论文产出占全球自然科学领域论文产出的8%左右，中国该领域论文产出占中国SCI论文比例接近10%，中国科学院该领域论文产出占中国科学院SCI论文比例约为20%(图5)。

2009—2014年，中国SCI论文占全球比例约为12%，而资源环境科学领域中国SCI论文占全球份额超过14%。其中，环境科学是全球、中国和中国科学院资源环境科学领域论文产出的最主要的领域。此外，中国在能源与燃料、遥感、地质学等方面论文产出占全球比例相对较高，而在生态学、古生物学等方面所占比例较低。中国科学院关于古生物学方面的SCI论文在中国资源环境领域论文中的比例最高，达到54%；此外，在土壤科学、地理学、湖泊学、生态学、气象与大气科学等方面的论文占中国的比例也较高，但在石油工程、海洋工程等方面所占比例较低，不足10%(图6)。

图7中，气泡的大小表征资源环境各子领域占全球资源环境科学领域论文产出份额的大小，即点越大，该子领域论文数在全球资源环境领域中的比例越高；X轴表示资源环境子领域中国占全球论文的百分比，值越高表明该子领域中国占全球的比例越高；Y轴表示资源环境子领域中国科学院占中国论文的百分比，值越高表明该子领域中国科学院占中国的比例越高。气泡大的那些子领域(如环境科学等)是全球资源环境科学研究比较多的热点方向；右下角的那些子领域(如能源与燃料等)是中国资源环境科学相对比较有优势的研究方向；左上角那些子领域(如古生物学等)是中国科学院资源环境科学相对比较有优势的研究方向。

中国科学院资源环境类研究所2009—2014年发表的SCI论文主要涉及的学科领域包括：环境科学、生态学、地质学、工程学、气象与大气科学、农学、地球化学与地球物理学、化学、水资源、科学与技术、海洋与淡水生物学、地理学、植物学、海洋学等。

4主要研究机构的科学贡献

中国科学院几乎所有的研究机构都在SCI资源环境科学领域期刊发表过论文，2009—2014年根据全部著者统计超过100篇的研究所有50多个，在资源环境科学领域发表SCI论文较多的前10个研究所见表1，这些较多的研究所都属于中国科学院资源环境类研究机构。

2009—2014年中国科学院27个资源环境类研究所以第一著者发表的SCI论文共有22032篇，其中，生态环境研究中心、地质与地球物理研究所、海洋研究所、地理科学与资源研究所、大气物理研究所、广州地球化学研究所、南海海洋研究所、寒区旱区环境与工程研究所等较多，第一著者的SCI论文数都在1000篇以上(表2)。

中国科学院资源环境类研究所论文的篇均被引次数为6.03次/篇，表2中的“表现不俗的论文篇数”统计的是这些研究所高于基准值的论文篇数，即当前总被引次数除以从年至2014年的累积年得到的年均被引6次及以上的论文［4］。生态环境研究中心、地质与地球物理研究所、广州地球化学研究所的表现不俗论文都在150~200篇。

中国科学院资源环境类研究所被引频次位于前10%的论文篇数，即研究所2009—2014年被引16次及以上的论文篇数，也是生态环境研究中心、地质与地球物理研究所、广州地球化学研究所最多，都在260篇以上。

参考中国科学院文献情报中心科学前沿分析中心设计科学贡献指数［5］，定义：

式中：Ci为中国科学院资源环境类第i个研究所科学贡献指数，P10%i为第i个研究所被引前10%论文数量，Citedi为第i个研究所论文被引总频次，n为中国科学院资源环境类研究所的数量。结果显示，生态环境研究中心、地质与地球物理研究所、广州地球化学研究所、海洋研究所、大气物理研究所、地理科学与资源研究所的科学贡献指数较高，都在0.1以上。

5结论与建议

通过以上分析可以看出：

(1)2009—2014年，中国科学院SCI论文增长了62%，高于全球11%的增长率，低于中国93%的增长率，但中国科学院资源环境类研究所的SCI论文增长了约92%，与中国论文增速相接近。

(2)中国在全球资源环境科学研究领域各级次TOP论文中的比例基本为15%~20%，中国科学院在中国资源环境科学研究领域各级次TOP论文中的比例为26%~32%，中国科学院环境/生态学领域TOP论文数占中国的比例高于地球科学领域。

篇3

主办：中国农业工程学会

承办：河南农业大学

中国农业工程学会农村能源工程专业委员会

河南省农业工程学会

近年来，面对能源需求与资源环境保护的突出矛盾，发展可再生、清洁、环保的新能源已经成为我国节能减排、实现可持续发展的重要战略任务。农业和农村作为我国清洁能源生产与消费的重要领域，对国家节能减排目标的实现举足轻重。开发利用太阳能、生物质能、水能、风能、地热能以及低碳节能技术等，已经成为农业工程领域的研究热点。

为了加强学术交流，提升我国清洁能源及低碳节能技术的开发和利用水平，展示相关科研成果，推动技术进步和产业发展，由中国农业工程学会主办，河南农业大学、中国农业工程学会农村能源工程专业委员会、《农业工程学报》编辑部和河南省农业工程学会共同承办的“全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会”，定于2010年4月22～24日在河南省郑州市召开。会期3天，会后组织技术参观。

会议拟邀请国内各大专院校、科研院所、企业等单位从事清洁能源与低碳节能研究的专家、学者进行深入交流、成果推广，并为企业、厂商提供科技合作的平台。

会议征集论文并出版论文集，通过评审优秀的论文拟安排在《农业工程学报》(正刊)发表，基本通过审核的将在《农业工程学报》(增刊)上发表，正刊和增刊均送El收录。欢迎相关专家、学者、企业家、研究生参加此次大会，并踊跃投稿、展示、交流。

一、会议内容

会议主题：清洁能源与低碳技术研究新进展

1)清洁能源政策；2)藻类能源利用技术；3)生物质固体燃料技术；4)生物质液体燃料(生物柴油、乙醇等)技术；5)生物气化(CH4、H2)、生物质热解气化工程技术；6)生物质发电技术；7)太阳能光热利用技术；8)小水电；9)小风电；10)地热开发与热泵利用技术；11)低碳节能新技术。

二、会务费

1000元／人，在校研究生600元／人。

会议期间安排住宿，食宿费用自理。

三、参会报名截止日期及汇款方式

参会回执见附件，填好后发送至，报名截止2011年4月10日。收到报名信息后，将发邀请通知。

银行汇款开户行：农业银行北京朝阳路北支行户名：农业部规划设计研究院帐号：040101040009001。

邮局汇款北京市朝阳区麦子店街41号501室《农业工程学报》编辑部收，邮编100125。

汇款务请注明“学报会议费”字样，收款后统一开具发票。

四、联系方式

秦学敏电话：010-65929451，15110257104　简保权电话：010-65910066转2503，15010386132

篇4

中图分类号：TK6文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

随着化石能源的不断开采，化石能源已经接近枯竭的状态，另外，化石能源的价格高并且对环境的污染较为严重，因此，可再生能源的开发与利用就显得非常迫切，生物质能源作为可再生能源的重要组成部分，受到了各界人士的关注[1]。我们所说的生物质燃料主要是指农作物秸秆，它通过直燃式生物质炉具进行采暖。这种新兴的采暖方式极大地提高了人们的生活质量，推动了我国经济的发展。我国的生物质能源非常丰富，对我国社会和经济的发展提供了保障.下面具体的介绍一下生物质燃料特性与炉具设计。

1生物质燃料

生物质炉在设计的过程中受到了燃料燃烧特性的极大影响。

生物质燃料燃烧的过程是一个放热的化学反应过程，除了要具备燃料这一要素之外，还需要有充足的热量传递以及相应的空气，通过燃料和空气之间的热量、质的传送，达到燃烧的目的。在燃料燃烧的过程中会使周围的温度升高，加快传质，进而加速了热量的产生。

生物质燃料的燃烧过程有预热、干燥、挥发、分解析和焦炭的燃烧几个阶段。生物质燃料被引燃后，其表面温度会随着燃烧慢慢升高，燃料中的水分也慢慢的蒸发掉，进而使燃料变得更加干燥，变干燥的燃料再继续的进行吸热、温度持续升高，达到一定程度，燃料会发生分解的现象，析出的挥发物气体在空气混合后形成新的混合物，这一种混合物含有一定的氧气和挥发物的成份，在一定的温度和浓度的条件下，挥发物着火燃烧，进而为之后的焦炭燃烧提前做好准备[2]。燃料表面燃烧释放热量，不断积聚升温，并通过传导和辐射的方式，热量扩散至燃料的内层，内层挥发物由此析出，并与氧混合燃烧，进而放出了充足的热量。这个时候，挥发物会将燃料中的焦炭包围起来，由于炉膛中的氧很难与焦炭进行接触，所以，焦炭在这个时候不易燃烧，只有等到挥发物的成份慢慢减少，氧气可以和焦炭接触时，焦炭才可以燃烧。在焦炭慢慢燃烧的过程中，燃烧产生的灰分会再次包裹燃烧剩余的焦炭，进而影响着焦炭的燃烧，这时需要对其进行搅动或者对生物质炉进行通风，以使剩余的焦炭更好的燃烧，灰渣中会产生余碳。

2对直燃式生物质炊事采暖炉的设计

民用的生物质采暖炊事炉由料仓、烟囱、挡火板、水套、烟道、二次进风口、风门、出灰口以及炉膛燃料组成。

2.1 二次进风口的设计

生物质燃料中含有的氢和挥发份的含量都比煤炭中的含量要多，其中的碳和氢相结合，形成碳氢化合物，这种碳氢化合物的分子比较低，在温度达到250度时就可以进行热分解，在325度时热分解就相当的活跃，达到350度时，挥发份就能析出将近80%，挥发份的析出燃烧时间不长，只占了总燃烧时间的10%[3]。所以，如果对其的空气供应不足就会使挥发物无法燃烧殆尽，通常出现的黑色或者是农黄色的烟就是这样形成的，因此，在对生物质炉进行设计的时候，要充分考虑对挥发份空气的供给，在炉膛口的周围以及炉口壁的部分设计二次进风口，确保空气的充足，帮助挥发份的燃烧。

2.2 延长烟道燃烧回程的办法

对生物质炉的烟道进行设计时，要尽量延长烟道的燃烧回程，这主要是因为挥发份析出量过大但是燃烧时间却很短的缘故，将烟道的燃烧回程延长，能够最大限度的给挥发份的燃烧提供更多的时间和空间，进而使生物质燃料得到充分的利用。目前运用的最多的延长烟道燃烧回程的办法是对燃料进行反烧。

2.3 一次进风口的设计

生物质燃料相较于煤炭来说，更容易被引燃，因此在生物质燃料燃烧时可以适当的减少空气量的供给[4]。另一方面，当挥发份被慢慢的析出并且燃烧殆尽后，会产生焦炭，这种焦炭是一种较为疏松的状态存在的，经由气流运动部分的炭粒被送入到烟道中，并在烟道中蓄积成黑絮，这个时候如果通风太过会妨碍燃料的燃烧，所以，在对生物质炉具进行设计时，要将一次进风口设计小点。

2.4 水套的设计

在对烟道的水套进行设计时，应该尽量设计大面积的水套，这是因为挥发份在燃烧时会造成烟道内部的温度升高，因此，大面积的水套会使生物质炉的取暖效果更好。

2.5 生物质成型燃料的使用

由于生物质中的碳含量较低，密度不高以及质地松软的特性，所以生物质很容易燃烧，在燃烧的过程中要定时的向炉内填料，而致密成型设备在燃烧过程的应用，会把结构松散的生物质进行压缩，不仅可以解决生物质燃烧过程中需要不断填料的问题，还使燃料的存储和运输更加的便利。

2.6 防止燃烧结焦现象出现的办法

生物质燃料中含有较多的钾元素，在生物质燃料燃烧的过程中，达到一定的温度条件，氧化钾会以熔融状态存在，并且与硅、钙等混合，这种混合物在温度较低的情况下结成焦块，这些结焦块会阻碍炉灰的顺利排放和空气的供给。如果将炉膛内侧的水套设计成大面积，可以适量降低燃烧过程中产生的温度，进而起到防止燃烧结焦现象的产生。

3结束语

随着我国经济的发展，人们生活水平也在这一过程中不断地得到了提高，因而人们对生活的质量，也提出了新的要求，人们希望生活的环境更加环保、更加经济、更加健康，因而追求一种更为环保的炉具设计，以此来减轻传统煤炭燃料带来的环境污染问题。生物质燃料相较于传统的煤炭燃料来说，具有环保经济适用的特点。通过对生物质燃料特性的介绍以及对设计生物质炉的具体方法作简要的分析，为我国生物质炉在生活当中普及提供一定的依据，进而推动我国经济的迅速健康的发展。

参考文献

[1] 刘圣勇，连瑞瑞，王晓东等.制冷炊事兼用生物质成型燃料炉具的设计[C].//全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集.2011：315-319.