开题报告
----秸秆沼渣制备高比表面积活性炭
- 选题的目的和意义
我国秸秆、人畜粪便、垃圾等低劣生物质排放世界第一，已成为最主要的污染源，形势严峻，亟需治理。我国虽然有多年发展农业小沼气的经验，但对于工业化生产生物甲烷，则几乎处于空白。因为与沼气发酵相比，生物甲烷对物质转化和能量利用要求更高，既要速率高又要能量效率高。生物甲烷过程是将秸秆、粪便等低劣生物质预处理后，经微生物厌氧发酵产生含有50％左右的甲烷沼气，再提纯得到含量高于97%的甲烷气，可替代天然气，用作化工原料以及交通燃料[1]。正如《Nature》所指：“Turning manure into gold！”（粪土变黄金），低劣生物质是产生生物甲烷、替代天然气的宝贵资源。我国每年产生的低劣生物质总量近30亿吨（干重），若将其高效转化，可制得2000亿m3生物甲烷，是我国目前天然气开采量的2倍，每年可减少10亿吨CO2排放，将极大程度缓解我国天然气短缺和环境污染问题[2,3]。因此，大力开展低劣生物质高效转化生物甲烷，同时实现节能与减排的有效手段，符合我国国家战略重大需求。
二、生物甲烷发展现状
生物甲烷在德国、瑞典等发达国家的能源发展战略中备受关注，在美国被奥巴马总统认为是下一代高级生物燃料。欧盟发布的《生物燃料战略》对其发展进行了规划，德国从2006年开始将生物甲烷注入天然气管网，并立法规定到2020年生物甲烷所占比重将达6%；瑞典则大力发展生物甲烷，以实现到2020年完全摆脱对石油依赖的目标。
在受到高度重视的同时，生物甲烷的发展却并不尽如人意。目前各国生物甲烷产业极度依赖政府补贴，最重要的原因是生物甲烷过程物质转化和能量有效利用的科学机制尚未被揭示。2010年美国总统科学顾问、斯坦福大学教授Lynn Orr院士指出：目前人们对于化石能源的利用极限已经十分清楚，但对于新能源，如何进行有效利用以及利用极限在哪里，人们尚不清楚，亟需化工热力学的介入。从物质转化和能量利用角度来看，目前生物甲烷过程存在“两低一高”问题，即：①产气速率低，代表先进水平的德国大规模工程甲烷产率一般为1.0-1.5m3/m3·d（与化石能源1000m3/m3·d生产强度相差约1000倍），我国仅为0.5-0.6 m3/m3·d；②甲烷浓度低（甲烷含量约50%）；③过程能耗和规模化成本高。这三大问题直接导致低劣生物质甲烷化产业的入不敷出。
三、关键问题及解决思路
产气速率低和甲烷浓度低的解决方法是提高发酵过程的速率，而过程能耗高的解决之道是提高过程能量利用效率和降低甲烷气体的提纯能耗，规模化成本高主要体现在沼液沼渣的处理上。与沼气发酵相比，生物甲烷对物质转化和能量利用要求更高，既要速率高又要能量效率高，根据非平衡热力学原理，但若要满足此要求，必须提高温度，付出更高的能量代价，当产出的生物甲烷效益不足以弥补各种代价时，入不敷出不可避免地发生了，这是限制高温发酵发展的主要原因之一。
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