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关键词 生物质压块;燃烧炉;烟叶;烘烤;效果
中图分类号 S572;TS44 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2013)11-0011-01
烟叶烘烤是一个大量耗能的过程[1]。烟叶烘烤的热量来源主要以煤炭为主。随着能源的日趋紧张,寻找烟叶烘烤能源替代途径已成为当前烤烟生产中亟待解决的问题[2]。农作物秸秆是地球上最丰富的固体可再生资源之一,也是唯一可运输与储存的清洁可再生能源[3]。我国拥有居世界首位的生物质能源产量,年产农作物秸秆、谷壳等总量约14亿t,如开发用于燃烧,可折合7亿t标准煤。生物质压块是促进作物秸秆利用的有效途径,通过致密成型技术,将松散不易存放、运输,发热量低的农作物秸秆压缩成密度大、体积小、发热量高的生物质压块。为促进生物质能源在烟叶烘烤中的应用,研发配套了生物质压块燃烧炉,研究生物质能源在烟叶烘烤中的应用效果。
1 材料与方法
1.1 试验概况
2012年,试验在费县南张庄乡龙雨村密集烤房群进行。随机抽取1座密集烤房进行改装,加热设备使用生物质压块燃烧炉,以及1座邻近的密集烤房。以当地主栽烤烟种NC55为供试材料,选取大田管理规范、个体发育正常、群体生长整齐一致的下、中、上3个部位的烟叶进行烘烤试验。烘烤技术参照“三段式”烘烤工艺。供试燃料为以花生壳为原料加工的生物质压块和普通烟煤。
1.2 试验设计
试验设2个处理,分别为:以生物质压块为燃料的燃烧炉密集烤房(K1);以煤炭为燃料的普通立式炉密集烤房(K2)。密集烤房为五连体构造,各烤房的建筑材料、建造参数等指标一致。烟叶采收时,技术员对植烟地块进行全面排查,根据试验要求和烟叶成熟度标准,向植烟户下达《准采证》,明确采收地块、品种和采收成熟度,确保烟叶素质均匀一致。烟叶烘烤结束,自然回潮后比较原烟外观质量。不同处理烘烤的烟叶单独扎把、单独存放、单独交售,检验烤后烟叶经济性状。
2 结果与分析
2.1 烤前鲜烟素质
2.2 烟叶烘烤成本
2.3 烤后原烟外观质量及经济性状
3 结论与讨论
试验结果表明,生物质压块及燃烧炉不仅能替代以煤炭为燃料的普通立式炉用于烟叶烘烤,而且能够显著降低烟叶烘烤成本,提高烟叶烘烤质量。分析原因可能在于,生物质压块使用时着火点低、燃烧迅速,加料后能够迅速燃烧供热,使加料前后烤房内的温湿度相对稳定;而煤炭加料后燃烧相对滞后,造成炉子短时供热量不足和烤房内温度下降,影响了烟叶烘烤质量。同时,由于生物质压块使用农作物秸秆加工而成,其含硫量低,与使用煤炭相比,实现了二氧化碳的零排放和微硫化物排放,对改善环境、降低温室效应都有极大的好处[4],还体现了较好的经济、社会和生态效益[5-6]。
4 参考文献
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关键词:生物质锅炉 节能减排
发展以生物质为基础的新能源是人类文明跨越式进步的象征。化石能源时代正在走向终结。50年后,世界石油和天然气资源将枯竭;90年后,煤炭资源也将枯竭。中国化石能源的形势更加紧张,按照现在经济发展速度和能源消耗计算,石油资源仅够使用十几年,煤炭也只能使用四十多年。能源短缺正在一步步扼紧人类未来的咽喉,寻找可再生的替代能源成为世界各国,尤其是我国的当务之急。
每年我国秸秆有7亿吨以上,其中田间焚烧约1.5亿吨。每当作物收获季节,焚烧秸秆造成资源浪费、空气污染,严重时甚至影响高速公路通行和飞机起降。而一个装机3万千瓦的秸秆直燃发电厂,就可以消纳中等规模县域内的全部剩余秸秆,还可以实现为农民增收5000万元;二氧化碳排放量仅为同等规模燃煤发电的百分之一,可减碳排放10万吨。
我国每年中小燃煤锅炉消耗燃煤约7亿吨,虽然占全国总能源消耗的比例不到20%,却排放了50%的二氧化氮,是酸雨的罪魁祸首。利用林业剩余物、秸秆、城市绿化修剪等废弃物生产生物质固体颗粒可替代煤炭和石油烧锅炉供暖,二氧化氮排放量降低95%,二氧化碳排放量降低99%,且具有良好的经济效益。
一、生物质与生物质锅炉
1.生物质
生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能,则是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,同时也是唯一一种可再生的碳源。目前,作为能源的生物质主要是指农业、林业及其它废弃物:如各种农作物秸秆、糖类作物、淀粉作物和油料作物、林业及木材加工废弃物、城市和工业有机废弃物、以及动物粪便等。
2.生物质锅炉
生物质锅炉需要绿色新能源,具有强大的生命力。由于植物燃气产生的原料为农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、牛羊畜粪及一切可燃性物质,是一种取之不尽,用之不竭的再生资源。
生物质能是一种颇具产业化和规模化利用前景的可再生能源,对我国能源结构的优化意义重大。发展生物质发电,是构筑稳定、经济、清洁、安全能源供应体系,突破经济社会发展资源环境制约的重要途径。秸秆发电变无序焚烧为集中燃烧并发电、造肥,节省了大量煤炭资源,并增加农民收入。秸秆在生长和燃烧中不增加大气中CO2量,且含硫量极低,仅为0.1%。发展生物质发电,替代煤炭,可显著减少CO2等温室气体和SO2的排放,有巨大的环境效益。
生物质锅炉燃料主要是以玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秆、稻草、树枝、树叶、干草、花生壳等农作物和固体废弃物为原料,经过粉碎后加压、增密成型,制成“秸秆煤炭”。“秸秆煤炭”是一种新型的生物质再生能源,加工成本低、利润空间大,价格远远低于原煤,完全可以代替煤炭。
二、生物质锅炉的好处
1.生物质燃料含硫量大多小于0.2%,熄灭时不用设置气体脱硫安装,降低了本钱,又利于环境的维护。
2.采用生物质锅炉熄灭设备能够最快速度的完成各种生物质资源的大范围减量化,无害化,资源化应用,而且本钱较低,因此生物质直接熄灭技术具有良好的经济性和开发潜力。
3.生物质熄灭所释放的二氧化碳大致相当于其生长时经过光协作用所吸收的二氧化碳,因而能够以为是二氧化碳的零排放,有助于缓解温室效应。
4.生物质的熄灭产物用处普遍,灰渣可加以综合应用。
三、生物质锅炉的应用前景
生物质能源不仅是绿色能源的一种,能够创造经济效益,有助于减排二氧化碳,缓解能源危机;还有助于我国应对气候变化、解决环境问题。“十二五”期间国家在发展战略布局、资源培育、能源发展、产业结构调整中更加重视生物质能源发展,给予了政策支持,我国生物质能源的发展潜力将进一步扩大。生物质能源将有助于我国发展循环经济,建设生态文明,在实现可持续发展等方面有着不可替代的作用。
生物质锅炉的原料非常广泛,只要是经过光合作用的木质闲置材料均可,比如稻壳、葵花子壳、高粱秆、玉米秆、豆秆等等,高温、高压、经过特殊成型机构压制成柱状颗粒燃料后,放进专门制造的锅炉内,便可产生充足的热量,其产生的炉渣仍可以作为钾肥补给农作物。
四、发展生物质能源对节能减排的意义
1.有效的降低能源消耗,改善能源利用结构
生物质燃料乙醇、生物柴油分别可以替代和部分替代车用汽油、柴油,从而减少石油消耗,降低石油进口依存度;生物质固体成型燃料可以代替煤炭使用,而生物质发电提供的电量又可以减少火力发电的煤炭使用量,二者可以节约大量的煤炭资源;沼气的推广使用,可以解决居民生活燃料的来源问题,节约天然气,甚至可以解决部分用电量。
2.有效降低温室气体的排放
生物质能源属于清洁能源,生物质能源中有害物质(硫和灰分等)的含量仅为煤炭的1/10左右。同时,生物质能源二氧化碳的排放和吸收构成自然界碳循环,其能源利用可实现二氧化碳零排放。生物质与煤混合燃烧,还可以显著降低二氧化硫排放。
3.有效的践行国家鼓励发展循环经济的号召
农业生产中的秸秆、农业加工剩余、禽畜粪便、薪柴以及林业加工剩余都可以作为生物质固体成型燃料、沼气以及生物质发电的原料;工业生产有机废水、废渣也可以进行工业沼气和生物质气化发电。工农业生产中的废弃物再利用是发展循环经济的重要组成部分,而发展生物质能源对其进行了有效的利用,因此发展生物质能源是发展循环经济不可或缺的重要措施之一。
关键词 秸秆;易货合同;生物质;成型颗粒燃料;新能源
中图分类号 X71
文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2015)09-0108-06 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2015.09.014
秸秆禁烧是社会关注的热点问题:一方面,秸秆禁烧令无法根本上阻止农民继续大规模焚烧秸秆,并由此带来严重的雾霾天气[1]。2014年10月25日,长春市空气质量指数AQI“爆表”,高达500,秸秆焚烧是主要原因[2]。另一方面,现有生物质发电厂普遍存在秸秆收集难、即便是在国家大量补贴的情况依然很难实现收支平衡的现象。为什么政府年年发通知禁烧秸秆,年年禁不住?为什么农民宁愿冒着被罚风险去“偷”烧秸秆,也不把秸秆卖给生物电厂呢?有没有一条秸秆能源化利用的有效途径?
带着这些问题,中国社会科学院工业经济研究所能源经济研究中心的专家们于2014年11月专程到吉林长春进行调研。通过调研发现:第一,在国家能源局与吉林省能源局共同支持下,吉林长春用“易货合同模式”――一种秸秆能源化利用的新模式,发展秸秆颗粒成型燃料(以下简称颗粒生物质能),在治理秸秆禁烧、替代煤炭、解决农民冬季取暖、改善农村生活环境、提供农民就业等方面,表现出良好的经济社会价值,值得有条件的地区学习借鉴。第二,颗粒生物质能是农村作物秸秆能源利用的重要方式,是改变农村用能习惯和能源消费结构的重要途径,对发展农村循环经济、提高农民生活质量具有重要的现实意义。第三,农村用能革命是全面小康社会的物质基础,它关系到农村家庭生活水平的提高、能源公平和中国能源发展的全局。用“易货合同模式”发展秸秆生物质能,将为我国部分地区农村生物质能源规模化、工业化发展,提供了一条经济适用的途径,也是传统农业县乡发展新能源、实现农村用能革命的重要手段。
1 秸秆颗粒燃料发展的易货合同模式
秸秆颗粒燃料发展的易货合同模式是农村秸秆能源化利用的一种新模式,它是指以秸秆颗粒燃料加工企业为主导,通过农民用秸秆换取秸秆成型颗粒燃料,实现秸秆收集、颗粒燃料加工生产的一种颗粒生物质能的发展模式。
该模式将解决农民用能问题与新能源产业稳定发展结合起来、禁烧秸秆与秸秆能源化利用结合起来、秸秆收集与秸秆成型颗粒燃料市场开拓结合起来,解决了农民炊事、取暖的能源需求,实现了禁烧秸秆和秸秆能源化利用的目标。具体做法就是:秸秆颗粒加工企业与农户签订“能源易货合同”。合同核心内容主要包括:第一,农户每年用15 t-20 t秸秆跟企业换5 t秸秆成型颗粒燃料,同时要求农户与当地政府签订秸秆禁烧责任书。第二,企业为签约户无偿提供秸秆成型颗粒燃料炉具和技术服务,用易货贸易的方式向签约农户每年提供5 t的颗粒生物质能。
该模式的核心是农民不花钱用自家地里的秸秆,换回清洁的颗粒生物质能替代煤炭取暖做饭;企业在少花钱实现秸秆资源收集的同时,锁定了颗粒生物质能用户,降低了经营风险。秸秆颗粒燃料发展的易货合同模式的魅力在于:自己不花一分钱、不要国家一分钱,农民就能用上清洁的颗粒生物质能,较好地解决了企业发展生物质能时的秸秆收集瓶颈和市场开拓问题,是低成本秸秆能源化利用的有效途径之一。
在易货合同模式颗粒生物质能产业链条上,各利益关系见图1。
2 “易货合同模式”发展成型颗粒燃料新能源的优势分析
我们从产业链条下的利益主体,即农户、企业、政府,分析“易货合同模式”发展成型颗粒燃料新能源的优势。
2.1 农户利益分析
调查发现,用秸秆颗粒燃料取暖炊事对农户来说有三大好处。
2.1.1 变废为宝,农户不花钱用上了清洁的新能源
过去用秸秆烧火做饭,一家人需要2-3车秸秆,剩余的大部分没什么用;6个月的冬季,平均每户烧炕取暖得用2-3 t散煤,要花1 000元;现如今不花一分钱,农户用自家地里产的颗粒燃料,15 t秸秆换5 t成型颗粒,就够自家一年取暖做饭用能了。东白_村之所以写入我们的报告,是因为东白_村第10小组,一个自然屯的村民们基本都用上了颗粒燃料取暖做饭。东白_村位于吉林长春农安县城北偏西约40 km处,属杨树林乡。白_村下辖17个村民小组,1 265户,分布在16个自然屯。东白_村第10小组约有土地100 hm2,每公顷玉米地可产8-9 t玉米秸秆,地里产的秸秆足够全屯60户人家取暖做饭了。每年少烧散煤150 t,少花钱6万多元。
目前这种“易货合同模式”使用颗粒燃料取暖做饭,已在吉林长春杨树林乡2 000农户中推广,杨树林乡政府、医院、学校、敬老院和10个商业用户全部采用颗粒燃料供热[2]。由于秸秆收集、加工和农民用能相结合,农民既是秸秆的提供者,也是颗粒燃料受益者。正是因为不花钱可以用上清洁能源,让农户有了收集秸秆的积极性、禁焚秸秆的自觉性。
2.1.2 实现农田秸秆清理目的
农民大规模焚烧玉米秸秆主要是农业生产做好土地清理准备工作。目前主要是焚烧和秸秆粉碎还田,但是大规模秸秆焚烧和秸秆还田对农业生产可能产生一定的不利影响:一是焚烧秸秆会破坏土壤结构,形成板结,造成农田质量下降;还会直接烧死、烫死土壤中的有益微生物,影响作物对土壤养分的充分吸收,直接影响农田作物的产量和质量,影响农业收成。二是秸秆焚烧后留下的钾素和磷素,多呈不溶解状,很难被农作物吸收。三是秸秆粉碎还田,一方面还田后的秸秆不易腐烂,影响下茬播种质量,另一方面,秸秆粉碎还田须要深埋,这样就会把生土翻出,也会影响作物产量与质量。通过“易货合同模式”发展秸秆成型颗粒燃料,可以达到了农田清理准备的目的。
2.1.3 改善了农民自家的生活卫生环境
以往用秸秆直接做饭,燃烧效率低(20%)、灰尘多,用农民的话来说,就是特别“埋汰”,到了春季秸秆生虫,家里环境卫生更差。如今用加工好的颗粒燃料做饭取暖,燃烧效率高(85%),火焰稳定接近天然气,几乎无灰尘,存放取用方便,干净卫生。
2.2 社会经济与环保效益分析
通过调研发现,农村发展成型颗粒燃料新能源,对当地经济发展、秸秆资源商品化利用起着积极的作用,具有较好的经济社会效益与环境效益。
2.2.1 带动当地农村劳动力就业,经济效益显著
秸秆转化为成型燃料,涉及资源收集、加工、储运、锅炉燃具制造和服务五大领域,产业链条长,辐射范围广,可以促进农民就业。我们调研的吉林农安县杨树林乡年产5万t秸秆成型燃料示范项目,该项目直接吸纳就业180人,年创造工业产值3 700万元,拉动社会投资3 000万元。吉林是产粮大省,年产秸秆产量4 000万t左右,按照吉林省规划,到2020年前开发秸秆成型燃料300万t(折标煤150万t),按我们调研的示范项目数据推算,吉林秸秆成型颗粒燃料产业的潜在吸纳就业1多万人,直接带动社会投资18亿元,年创造工业产值22.5亿元。如果按我们调研的林农安县杨树林乡年产5万t秸秆成型燃料示范项目数据,即那么吉林400万t需要投资24亿元,每年将创造工业产值30亿元,为企业带来收入3.6亿元。
2.2.2 环境效益和节能减排效果显著
替代农村散煤,环境贡献大。调研的年产5万t颗粒燃料项目,如果其中3万t为易货模式,那么每年直接可为2 300户农民提供1.17万t的易货生物质能源,为农民节省了285万元取暖支出(假如散煤价格为350元/t),直接少用散煤5 800 t。替代2.5万t标煤的煤炭,减少CO2排放6.55万t、SO2排放600 t和NOX排放185 t。
如果吉林易货合同模式的成型颗粒燃料产业规模达到300万t,那每年可为减少煤炭200万t标煤,减少CO2排放390万t、SO2排放3.6万t和NOX排放1.11万t。为农村通过易货模式提供生物质能源70万t,为城市提供商品生物质能230万t,可供热6 000万m2,同时可以解决30万农户炊事和取暖用。
2.2.3 解决了秸秆野外焚烧问题
在调查中农户们反映,过去总为处理多余的秸秆伤脑筋,晚上偷偷摸摸到地里烧秸秆还怕被罚。如今因为秸秆可以免费换秸秆颗粒新能源,还免费给装炉子,所以大伙都愿意把秸秆收集起来送到站上(企业设立的秸秆代换便民服务站)换颗粒。如今全屯没有一户在野外焚烧秸秆,改善了空气质量,家里也干净了。
2.3 企业利益分析
在吉林长春我们还调研了生物质发电企业和传统模式的生物质颗粒燃料企业,通过比较分析发现秸秆颗粒企业有以下几个特点:
2.3.1 降低了企业的运行风险
“易货合同模式”降低了企业的资金成本,锁定了部分市场需求,极大地降低了企业的运行风险。在传统经营模式下,颗粒生产企业的资金占用量较大,是影响企业经营效益的重要因素。例如,一个年产5万t颗粒的企业,一个月收秸秆约5 000 t,每吨270元-300元,需要占用资金至少135万元。由于供暖的季节性及秸秆收集的季节性,必然带来颗粒的消费具有季节性特征,而工业生产是全年连续性的,若以存货2个月秸秆,那么资金占压将超过700万元,由此产生的货款利息对企业来说也是不小的成本增加,势必将直接影响颗粒燃料生产企业的经营效益。“易货合同模式”使颗粒燃料生产企业大大降低了秸秆收集和存货的资金占用及财务费用。
2.3.2 市场竞争能力更强
与生物质发电企业及传统模式生物质颗粒燃料企业相比,易货合同模式的颗粒燃料企业的市场竞争能力更强。同样规模秸秆能源化利用量的电厂和颗粒燃料厂,在电厂上网电价0.75每度电补贴0.346元的前提下,在同等秸秆收购价格的前提下,电厂毛利润是40万元,传统模式颗粒燃料厂的毛利润是1 560万元,易货贸易模式颗粒燃料厂的毛利润是1 850万元,这里生物质颗粒市场价格为750元/t。“易货合同模式”颗粒燃料生产企业的颗粒燃料市场价格盈亏平衡点是655元/t,传统模式的颗粒燃料市场价格盈亏平衡点是710元/t左右。
2.3.3 投资更低,就业和环境效益更显著
与生物质发电企业相比,易货合同模式的颗粒燃料企业,其投资成本更低、吸纳就业和化石能源替代能力更强。同样规模秸秆能源化利用量的电厂和颗粒燃料厂,投资比是1∶0.63。目前具有经济规模的生物质电厂,装机规模3万千瓦,秸秆能源化利用量为25.6万t/a,初始投资在2.1亿元。具有规模经济效益与经济收集半径的生物颗粒企业年产5万t,初始投资3 000万元,与秸秆发电厂秸秆能源化利用量相当的颗粒厂,初始投资1.5亿元只有电厂的 63%。同样规模秸秆能源化利用量的电厂和颗粒燃料厂,就业比是1∶5,化石能源替代率比是1∶4.9。
与生物质发电相比,生物质颗粒燃料的产业链更长。颗粒燃料生产是秸秆利用的中间加工环节,不是最终环节。要实现秸秆的最终利用,还需要有城市供热、发电及农户等最终用户完成,其产业链条包括秸秆收集粉碎、成型加工、炉具和锅炉推广等。而生物质发电厂是通过燃烧直接将秸秆转换为电力送到电网。
3 问题及建议
3.1 秸秆成型颗粒燃料发展中的问题
第一,调研中我们发现,在我国农村能源贫困问题依然存在的大背景下,我国秸秆能源化利用政策较少考虑农民用能问题。从上世纪90年代开始,中国规划了一系列的政策来促进农村能源发展,特别是近年来,国家加大了对农村能源建设的投入,如农村电网改造、农村水电站、小型光伏发电、小型风电发电、农村户用沼气、节能炕、节能炉等的建设,使农村能源利用条件得到了明显改善。但是,我国大多数农村地区,特别是中西部地区农村的能源基础设施落后,能源服务体系不健全,农村能源消费的商品化程度还比较低,能源贫困问题依然突出[3]。所谓能源贫困是指人们缺乏获得足够的便捷的现代能源服务的方法和途径,而长期使用传统生物质燃料(稻秆、薪柴等)的现象。当前,我国农村生活能源中非商品性用能仍然占主导地位,秸秆、薪柴依然是大多数农户炊事取暖的主要燃料。据《中国农村监测报告》数据显示,我国农村60.2%、
约1.61亿户农户仍以柴草为炊事和取暖的燃料。秸秆是重要的生物能源资源,但是在目前无论是生物质发电、还是秸秆颗粒燃料这些商品化能源的发展模式设计,都较少优先考虑解决农民用能问题,这也许是我国长期能源发展战略向城市和工业倾斜的一个折射。据2012年《中国农业统计资料》显示,我国秸秆能源化利用形式主要有秸秆固化成型、秸秆炭化、秸秆沼气集中供气、热解气化集中供气等,其中秸秆热解气化集中供气和秸秆沼气集中供气的用户为29.08万户,占全国农户总数的0.11%;秸秆固化成型和秸秆炭化量382.05万t,占全国非商品化能源生活消费秸秆总量3.4亿t的1%左右。造成这种情况的原因是多方面的,但是如果在秸秆能源发展中,能够结合农村易货贸易习惯、并把生物质能源发展重点放在农村用能上,或许可以探索一条从根本上改善中国农村能源现状的途径。
第二,农民生活能源消费支出习惯不利于秸秆能源化利用。我国农村生活用能支出较低,根据2010年《中国农村住户调查年鉴》的数据显示,户均生活用能支出316.5元/a。特别是吉林省户均生活用能支出只有87元/a,户用煤不足100 kg/a。这些数据从另一个侧面说明,像吉林冬天取暖长达半年的北方省,农村商品能源的缺乏程度。究其原因既有收入水平和能源服务缺失的原因[4],也有用能习惯的原因。从吉林农村户均生活用能源的统计数据中可以看出,吉林农村多数农户是很少花钱取暖过冬。我们调研的东白_村,有些农民是有能力花钱买煤,取暖过冬。
第三,“易货”秸秆颗粒燃料发展模式尚处初期探索阶段,还存在不少需要解决的问题。一是政府在相关领域缺乏顶层设计,缺少行业标准;扶持政策不到位,用当地能源部门相当负责人的话就是“没有扶在点子上”。二是生产企业装备的技术含量不高,生产工艺、生产流程,以及生物质高效炉具等都有待改善,秸秆颗粒燃料生产过程耗能较高的问题也需要解决;多数生产企业规模小,产业链条不完整,可持续发展能力弱。三是秸秆颗粒燃料新能源“易货合同”模式还不成熟,需要更多企业和农户进行探索实践,也需要得到社会的支持和认同。四是秸秆分散收集成本高,替代大集中燃煤供热的成本高,但在替代小型燃煤锅炉和居民用煤上有价格优势。
3.2 对策建议
由于农林废弃物的采收成本较高,农林废弃物能源化利用的发展潜力受资源条件和经济性的限制,考虑到生物质成型颗粒的能源利用效率明显高于秸秆发电、生物质成型颗粒的易货合同发展模式明显好于传统模式,建议在作物秸秆富集的地区和林业“三剩物”较为集中的地区重点发展生物质成型颗粒燃料,探索我国生物质能源的持续发展模式。
第一,在重点地区开展“易货合同模式”发展生物质颗粒燃料的试点工作,探索一条将农民用能、秸秆能源化利用与秸秆禁烧有机结合起来的新能源发展之路。我国秸秆资源丰富,每年仅玉米秸秆就超过3亿t,其中约1.5亿t的玉米秸秆集中在黑龙江、吉林、河南、河北、山东等五省,这些省份都有发展“易货”秸秆颗粒燃料的资源基础和气候条件。建议在秸秆富裕、冬季时间长的北方省份设立示范项目,探索总结不同地区的“易货”生物质颗粒燃料发展模式。
第二,建议农业部设立国家“农村能源贫困扶助基金”和“农村秸秆能源化利用基金”,重点支持农业省区和农村能源贫困地区发展秸秆颗粒燃料。建议国家相关部门在制定新能源发展政策和节能政策时,适当向秸秆能源化利用倾斜,适当支持农民用秸秆颗粒燃料代替煤炭和薪柴。建议科技部门加大对秸秆收储设备的研发支持力度,加大对生物质成型颗粒燃料生产设备的研发投入,加大对生物持炉具的研发投入。
第三,积极鼓励探索适合农林废弃物能源化利用的各种发展模式。例如,我国农村户用沼气发展中存在许多问题,是否可以通过“易货合同”模式,建立分布式大型沼气发电-有机肥综合利用项目,解决农村用能、用肥问题。
通过调查,我们深切感受到,用“易货合同模式”发展秸秆成型颗粒燃料新能源,可以调动政府、企业和农民三方的积极性,改变农民以柴草为主要炊事取暖能源的现状,让农民用上清洁、高效的生物质能源,是农村能源生产、农村能源消费革命的抓手,它也是解决秸秆野外焚烧的有效手段。
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[关键词] 综合性大学 农学 学科特色
一、郑州大学办好农学学科的重要意义
河南是全国农业大省,享有“中原粮仓”之美誉,发展生物农业的产业基础非常雄厚,发展前景十分广阔。河南省2009年粮食总产量达到1,078亿斤,连续5年超千亿斤,连续10年居全国第一,不仅解决了河南这一全国第一人口大省的吃饭问题,而且每年要外调大约200亿斤粮食支援外省,为国家粮食安全做出重大贡献。为了确保粮食丰收,加强生物技术育种。以现代生物育种技术促进农民增收为核心,以发展特色农业、增强农产品竞争力、提高农业综合效益为重点,加强主要粮食作物、林木、动物等分子育种、主要经济作物转基因育种、主要园艺作物细胞工程育种等领域的创新能力条件建设,构筑我省生物技术育种研发与产业化体系,显著增强我国生物育种领域的自主创新和产业发展能力,大幅度提高我国生物育种研发和产业化水平,加速现代农业发展。
河南省粮食产量连续跨过800亿斤、900亿斤和1000亿斤三个台阶,连续5年稳定在1000亿斤以上,进一步保持粮食稳产高产难度很大。要进一步挖掘潜力,提高农业综合生产能力,确保粮食产量稳定在1000亿斤以上,必须充分发挥七个方面的重要力量,即科技的推动力、产业的支撑力、市场的带动力、政策的引导力、改革的创造力、基础建设的保障力、新农村建设的凝聚力。
二、郑州大学办好农学学科的特色
郑州大学创建于1956年,是河南省唯一的国家“211工程”重点建设高校,是国家教育振兴行动在河南省唯一重点支持的高校,是国家教育部、财政部与河南省人民政府共同重点建设的综合性大学,是国家教育部和河南省人民政府共建的地方性高校。经过50多年的发展,涵盖理学、工学、医学、文学、历史学、哲学、法学、经济学、管理学、教育学、农学等11大学科门类,现有43个院系,5个附属医院,86个本科专业,34个一级学科硕士点,218个二级学科硕士点;8个一级学科博士点,72个二级学科博士点。另有1个专业博士学位点,7个专业硕士学位点,7个博士后科研流动站。学校教学科研平台坚实,现有1个国家理科基础科学研究和教学人才培养基地,1个国家大学生文化素质教育基地,2个国家级重点学科,57个省级重点学科。
郑州大学办好农学学科的特色是突出高新技术,重点发展以“基因”为核心的生物技术,发挥生物技术对农业产业产生了巨大的推动作用。现在,谁先了解基因的功能,谁就拥有了该基因的知识产权,在基因大战中就会处于主动地位,在市场上就会占据主导地位,从而获得更多的利润。《河南生物及新医药产业(2009-2020年)发展规划》强调:河南必须立足丰富的农业生物资源、耕地资源等优势,大力发展农业生物基因工程技术、细胞工程技术、酶工程技术等,以农业高技术产业化为动力,围绕生物农业技术创新、技术推广应用、良种繁育、农产品生产、绿色农用投入品等产业发展的关键环节,组织实施一批重点工程、重点平台、重点项目,努力做大生物种业,做强优势粮食产业,发展特色农业,培育绿色农用制品业,塑造培优一批国内外知名的农业产业化龙头企业,全面提升河南省生物农业的影响力和国际竞争力。农业技术推广就是架在农业高新科学技术和广大农业领域的一个金桥。
三、郑州大学办好农学学科的科研基础和优势
1.农作物基因工程育种
发挥科技在农业增产中的支撑作用,大力开展优良品种选育、高产栽培、病虫害综合防治等技术的研究。
(1)油菜转基因育种。克隆的fae1、fad2等功能基因,开展芥酸、油酸等脂肪酸成分遗传改良,油酸越高,其架藏寿命就越长,不易变质。同时,高油酸能有选择性地降低人体血液中低密度胆固醇(也称为“有害胆固醇”)而不破坏高密度胆固醇(“有益胆固醇”),具有非常重要的保健价值;高维生素E、提高α-生育酚含量,提高油品抗氧化能力,防止酸败延长货架期;克隆iaaM、iaaH超高产油菜基因工程改良等,获得相关的转基因的油菜、拟南芥、水稻、番茄等,同时加强无标记植物双元载体构建与应用研究。
(2)大豆转基因育种。与中国农科院油料所合作承担国家转基因重大专项,开展抗灰斑病OXO等功能基因研究,离子束辅助农杆菌介导抗灰斑病基因获得转基因大豆。完善大豆转基因技术体系,获得转基因抗灰斑病大豆。
(3)小麦转基因育种。与河南农科院小麦所合作承担国家转基因重大专项,开展抗病、高产小麦转UDPG和Tri101基因的研究,转基因技术和常规育种技术相结合,完善小麦转基因技术体系,创制抗小麦赤霉病、黄矮病、全蚀病等病害的抗病高产新种质和新品系。
(4)多源dsRNA的设计及其转基因玉米抗矮花叶病毒病的研究。引起玉米矮花叶病毒病的病毒有多种,传统的RNAi虽然抗病毒的特异性和效果都很好,但是由于特异性过于专一,对多病原的病毒病抗性实际效果有限。为了能一次性最大范围的防控多种病原,项目采用RNAi技术,在分析比较两种主要病毒各亚种核苷酸序列同源性的基础上,分别选取SCMV_Nib和MDMV_HC Pro保守序列,多源片段串联重组,构建抗病毒的dsRNA;利用通过诱导能自行删除筛选标记的Cre-loxP系统特殊表达载体,保证转基因植株和品种的安全性,通过高效遗传转化技术能成功获取抗矮花叶病的玉米抗性植株和品系。目前已经成功获得了转基因植株。
2.生物质能源
以绿色、循环、可持续发展为理念,以产品价值多梯次开发、资源最大化利用为手段,建立新型循环生物能源工业经济体系。突出我省区域特色和技术创新,重点发展能源植物、非粮生物质燃料,加快培育和发展生物能源龙头企业,积极发展下一代生物能源。
(1)纤维生物能源研究。能源问题已引起全球广泛关注,许多国家都在寻求开发新的可用能源,是关系到我国社会经济发展和安全的中心议题。近年来,科学家开始把目光注意到利用粮食,如玉米等,制造乙醇来节约和代替汽油。作为一个人口大国,粮食乙醇给粮食安全问题带来了隐患。普遍认为,生物物质的转化将成为引导世界第三次能源革命的技术平台。木质纤维素是世界上最大的可再生的碳源,也是目前利用效率很低的资源。北美和欧洲的一些科学家已经率先开始了将木质纤维素转化为燃料乙醇的研究。纤维素乙醇也必将是未来可再生能源的研究方向。我国有着丰富的纤维素资源,如水稻、小麦、玉米、棉花等秸秆(大约7亿吨),利用生物技术把作物秸秆细胞纤维素转化为燃料乙醇是我国的战略需求。关键的科学问题是,如何利用外源基因,松动和改变植物细胞壁的结构,降解纤维素和半纤维素,获得更多可以酵解糖类,从而生产燃料酒精。这样做的好处是,它比目前的化学和物理处理秸秆的技术更为环保,也比直接使用纤维素酶的成本要低。我们的研究重点是要找出阻止农作物秸秆成为燃料酒精的障碍,并且为克服这些障碍提出一揽子可行的技术手段。建立植物细胞壁重组策略,鉴定影响植物细胞壁降解的生物化学参数。新的可以促进细胞壁降解生化酶,将被表达到植物细胞里。采用系统生物学的办法,引入一些和细胞壁形成和分解有关联的基因,促进纤维素的降解。沉默糖酵解抑制剂的活性,优化糖酵解的潜能。建立食物,饲料,和能源供给动态模型,在环境友善,经济有效的前提下,实现能源动态平衡。
(2)能源植物培育。大力开发各种生物质能含量高的能源植物培育,如生产燃料乙醇专用的超级甜高粱、海滨锦葵、零芥酸油菜和农业生产的副产品、剩余物、废弃物,如高粱、玉米桔杆等。郑州大学培育出甜高粱杂交种品种,茎秆亩产达5~6吨,子粒产量400~500公斤,增产25%以上。同时,利用基因工程技术研究,获得雄性不育的转基因植株,增产30%以上,转化率18%~20%,比美国优良常规甜高粱品种“凯勒”高40%~80%。超级甜高粱的问世,将大大地降低燃料酒精的成本,为酒精燃料产业的发展开创了广阔的前景。海滨锦葵种子年产量平均达2700kg/ha~3900kg/ha,含油量平均达26%~30%。作为废弃品,秸秆分散在广大农村地区,我国每年有7亿吨左右的秸秆可以利用。
(3)纤维素酶化技术。近年来,我系已成功分离鉴定多株可产特性酶的高利用价值微生物,如高产木聚糖酶的嗜碱青霉菌、高产淀粉酶和纤维素酶的芽孢杆菌等,已经分离得到一株能够强烈降解农业废弃木质纤维资源的嗜热嗜酸的丝状真菌――土曲霉M11(Aspergillus terreus M11),可在20℃~50℃和pH2.0~pH7.0下生长,最佳生长条件为45℃和pH2.0。它分泌的纤维素复合酶活性非常强,固体发酵时,最适情况下每克玉米秸秆培养基产内切葡聚糖酶的酶活可达581U,滤纸酶酶活可达243U,β-葡萄糖苷酶酶活可达128U。同时,我们引进德国高效嗜热嗜酸纤维素酶生产系统,可以进行规模液体发酵生产;利用酶系糖化纤维素资源,糖化效率比普通酶系提高20%左右。
(4)转基因盐藻生物反应器。承担科技部国际科技合作项目“转基因盐藻生物反应器及提高表达的机理研究”、国家自然科学基金“盐藻高效表达载体pHN-MAR的构建”,利用已建立的转基因盐藻生物反应器作为技术平台,采用基因工程技术提高盐藻利用CO2的效率和藻株中脂质的含量,建立自动化开放式盐藻培养系统和从盐藻中制取生物柴油的新工艺,从而为生物燃料的生产提供优质藻种。本方向在国内外率先提出并建立了拥有自主知识产权的转基因盐藻生物反应器。
3.紫花苜蓿可调控的花发育抑制系统的构建及其在苜蓿种质创新中的应用
自上个世纪中叶以来,大量使用含磷化肥所带来的水体富营养化问题已经成了一个世界范围的环境问题,最新的一项研究表明,含磷化肥在农业中的广泛使用可能会长期改变农田附近的湖泊的化学成分。
美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员对麦迪逊地区一个淡水湖的湖水及周边农田环境的化学成分进行了检测。他们认为,相比自然风化而言,人类的农业活动向土壤中增加了更多的磷元素,当这些磷元素富集到湖水中后,水中的藻类植物疯狂生长繁殖,直至耗尽水中的氧气,这就导致水中的其他生物,包括大量的鱼类因窒息而死,这个过程通常被称之为水体富营养化的过程。以往的研究认为,水体富营养化一般只会够持续若干年,但是新的研究发现,这种水体富营养状态还要持续长达数百年的时间。
直径最小的碳纳米管
直径只有0.4纳米的碳纳米管,被日本信州大学的研究小组研究成功。此前世界上最细的碳纳米管直径为1―2纳米。
碳纳米管作为一种性能特殊的新材料一直引人注目。由于其强度高,科学家希望将其作为树胶添加剂,以增强树胶的强度,但在技术上尚有难度。超细纳米管的出现为解决上述问题提供了可能。日本研制的这一新纳米管已经达到了超细的程度。如果掺人树胶,这种纳米管可在分子等级上与树胶混合形成高强度树胶,用于制作小型精密机械用树胶齿轮,也可用于制作不易破损的轻型透明树胶基片。
以血清葡萄糖为“燃料”的电池
日本科学家开发出了利用牛血清中的葡萄糖发电的燃料电池。
研究人员在实验中使用了一种由碳制成的电池电极。该电极相当于人民币1分硬币大小,其表面涂有能分解血清葡萄糖的酶。酶分解葡萄糖等反应发生后会出现定向流动的电子,从而产生电流,发电量相当于0.2毫瓦。
专家称目前心脏起搏器、血糖值检测器等植人人体的装置在电池使用寿命结束时需要通过手术更换电池。新型燃料电池有望用于为类似的植入装置更加持久地提供充足电量,减少甚至避免“换电池”手术。
智能洗衣机逼懒汉做家务
为了减轻妇女做家务的辛劳,西班牙一名设计师最近发明了一款叫“轮到你”的洗衣机,洗衣机利用指纹辨别技术,不会允许同一个人连续两次使用,这样便可迫使懒汉帮忙分担家务。
使用“轮到你”前,需要将感应器与计算机相连,记录丈夫与妻子的指纹。每当洗衣机开动时,感应器将会检查这次动手洗衣服的是否与上一次是同一个人。如果与上次是同一个人,洗衣机就不会启动,这样可以确保洗衣任务不会长期由一人单独负责。此外,这种洗衣机还有一个好处,就是小孩子的手指不能启动洗衣机,确保儿童不会发生危险。
牛奶纤维呵护皮肤
【关键词】能源 环保 关注
Use the fuel in reason and protect the living condition
Ke Aihua
【Abstract】From the 21st century, the energy sources conjuncture has restricted the development of the modern society and the environment pollution caused by reasonless use of the fuel is threatening our earth seriously. Therefore, to save, to use in reason and to develop the sources is paid close attention to by all nations. With the actualization of the standard of the new curriculum, in the entrance examination for the senior high school or technical secondary school in each place in recent years, the relation between chemistry technology and society has been paid close attention. In this paper, the writer has taken some subjects for example to show it completely.
【Keywords】Energy sources Environmental protection Attention
进入二十一世纪,能源危机严重制约着现代社会的发展,且燃料的不合理使用所造成的环境污染严重威胁着我们的地球。因而,节约能源,合理使用能源,开发新能源倍受各国关注。随着新课程标准的实施,近几年来各地的中考试题越来越关注化学技术与社会关系的考查。以下几个题目充分体现了这个特点。
例1、曙光中学课外活动兴趣小组的同学们针对家庭燃料的变迁提出相关问题与同学们进行讨论:
(1)上世纪60年代以前,我国城市家庭是以“煤球”为燃料,在冬天,时有煤气中毒事件发生,其原因可能是___________。
(2)到70年代,已用“蜂窝煤”取代了“煤球”,你认为这种变化的好处是_________。为了减少煤燃烧时对环境的污染,可将水蒸汽通过炽热的煤层制得较洁净的水煤气(主要成分是CO和H2)。煤气厂常常在家用煤气意掺入少量的有难闻气味的气体,其目的是_______。
(3)到了80年代,液化石油气和管道煤气又取代了“蜂窝煤”。煤气中主要成分燃烧的化学方程式是__________。
(4)到21世纪,由于“西气东输”,城市居民开始用上了天然气。天然气的主要成分燃烧的化学方程式是_____ ________。
(5)实验证明,同温同压下相同体积的任何气体中含有的分子数相同。燃气灶由灶体、进气管、进风管和电子开关等组成,若你家里要将燃烧煤气改为燃烧天然气,为使天然气充分燃烧就必须更换灶具,则更换的灶具与原来的灶具相比,构造上最大的区别是_________________。
解析:本题以课外活动的形式,围绕家庭燃料的变迁而展开讨论,形式新颖,需要运用多个知识点综合思考问题。(1)小题在以“煤球”为燃料的时代,我们需思考,结实的煤球燃烧是不完全的,产生CO,因此在冬天门窗紧闭时,就有煤气中毒事件发生;为避免中毒,又使燃料得到充分利用,就有小题(2),煤球变为“蜂窝煤”以增大接触面,使燃料燃烧更充分。有的城市为此开设燃气厂,它是将分散用煤改为集中供应煤气,且在煤气意掺入少量有难闻气味的气体,以便煤气泄漏时能引起人们的警觉;小题(3)CO燃烧的化学方程式和小题(4)天然气中主要成分是CH4,它们燃烧的化学方程式都不难写出;比较(3)、(4)写出的两个化学方程式,若完全燃烧分子数相同的CO和H2,所消耗的氧分子,后者是前者的四倍,因此,更换的灶具与原来的灶具相比,要扩大进风管,或者减小进气管。
例2、为了改善空气质量,太原市依托自身资源已将部分公交车的燃料由汽油改为“煤层天然气”。
(1)汽油是______加工的一种产品,而“煤层天然气”是存在于煤层中的气体,它的主要成分是甲烷,其化学式为_______。
(2)甲烷的含碳量比汽油(主要成分可表示为C8H18)_____(填“高”或“低”),容易充分燃烧,是清洁能源。为了解决能源短缺及化石燃料造成的环境问题,人们正在开发和利用的新能源有_________。(填写两种)
(3)下列能源中属于不可再生能源的一组是________。
①煤;②核燃料;③生物质能;④石油;⑤酒精
解析:石油中含有溶剂油、汽油、柴油和煤油等。根据沸点不同,可分馏得到不同的物质。通过计算可知,甲烷的含碳量比汽油低。目前人们正在开发的新能源有太阳能、地热、风能、潮汐能、氢能、核能等清洁能源。化石煤料属不可再生资源,另外核能是利用原子核的裂变和聚变释放出能量,也是不可再生能源。
答案:(1)石油,CH4;(2)低,太阳能、地热(或风能、潮汐能、氢能、核能)(合理即可);(3)①②④。
例3、能源危机制约着社会的发展,开发和利用可再生能源是人类立足自身解决能源问题的重要举措之一。
(1)目前,煤、石油、天然气等化石燃料成为最主要的能源,它们的大量使用打破了生物圈中碳循环的平衡,使大气中______的含量迅速增加,导致全球气温升高。
(2)氢能源是我国正在开发的新能源之一。其使用的主要途径是设法构成原电池,从能量的转化的角度看,原电池是一种将_______能转化为电能的装置。
(3)我国已经全面禁用含铅汽油,推广使用乙醇汽油。乙醇汽油是在汽油中加入适量的乙醇形成的混合燃料。下列叙述错误的是( )
A.乙醇汽油是一种改善环境的清洁能源,使用它能减少有害气体的排放。
B.乙醇汽油是一种新型的化合物。
C.汽油是石油炼制的产品之一。
D.用玉米、薯类等发酵可以制得再生能源乙醇。
(4)我国能源生产和消费的地区差异很大。从我国东、中、西部的能源生产和消费占全面的比例来看,能源相对短缺的是东部地区。为了达到区域发展与资源间的平衡,近年来国家出台了很多政策,推出了许多重大工程建设。试举一例:___________。
(5)人类社会的不断进步必然会带来新一轮的能源革命。未来的新能源要代替煤、石油、天然气等常规的不可再生的能源,从理想的角度考虑,它必须满足许多条件,如:必须足够丰富,可以保证长期使用;必须足够便宜,可以保证多数人用得起;相关的制备、应用技术必须成熟,可以保证大规模使用等。除此以外,你认为还必须满足什么条件?试写出一条:_____________。
解析:本题是一道关于能源的综合题,考查了学生在新情境下运用所学知识解决问题的能力。本题涉及的知识点较多,抓住题给信息,结合所学知识进行分析是解题的关键。
科学家发现迄今最接近共同祖先的原始人
科学家成功将埃塞俄比亚发现的零碎原始人化石拼出一副女性原始人骨骼。“阿尔迪”属于地猿始祖种,生活在距今440万年以前。古生物专家认为,“阿尔迪”并不是人与黑猩猩最后的共同祖先,却是迄今最接近这一共同祖先的原始人。对“阿尔迪”骨骼化石开展的研究使专家认识到,在经历最后的共同祖先阶段之后,人和黑猩猩在各自的进化道路上都出现了与共同祖先差异很大的特征。
费米伽马射线望远镜探测到未知脉冲星
美国、法国等合作建造的费米伽马射线太空望远镜帮助天文学家发现了过去未知的脉冲星,增进了对它们发射的独特伽马射线的理解。
雷帕霉素延长实验鼠寿命
美国研究人员发现,常用免疫抑制药物雷帕霉素可以延长实验鼠的寿命。这是首次在哺乳动物身上取得类似效果。该发现中引人注目的一点是对这些实验鼠开展的研究是在它们进入中年时开始的。
石墨烯的应用
石墨烯是一种已知强度最高、拥有高度导电性的碳原子层材料,专家对这种材料的性质进行了探索,并开始用这种材料制作实验性电子装置。
植物内脱落酸的受体结构
脱落酸是一种植物激素,可以帮助植物对抗干旱等恶劣生存条件。揭示其受体结构,有望帮助专家设计新方法来保护农作物不受长期干旱的侵害,因而有可能帮助各地提高农作物产量。
超快X射线激光
美国科学家用直线加速器相干光源在世界上首次制成超快X射线激光。这是一种强有力的研究工具,能对进行中的化学反应拍摄快照,改变材料的电子结构。
基因疗法治疗致命脑病
法国、德国和美国研究人员发现一种将基因疗法与血液干细胞疗法相结合的策略,这一发现有望用于治疗致命的肾上腺脑白质营养不良。
磁单极子存在的证据
在对一种名为自旋冰的奇特晶体物质进行研究时,法国物理学家发现了一种磁涟波,它能成为证明磁单极子存在的证据。磁单极子是指理论上只有北极或南极一个磁极的基本粒子,此前专家从理论上预言了该粒子的存在。
月球上发现水
今年10月,美国航天局科学家在月球坑观测到传感卫星撞月产生的尘埃中发现了水蒸气和冰。
修复哈勃太空望远镜
2009年5月,美国宇航员对哈勃太空望远镜进行了修复,使该望远镜拥有了更为敏锐的观测能力,并拍摄到了自其1990年进入太空以来最壮观的天体照片。
上述排行榜将刊登在近日出版的新一期《科学》杂志上。《科学》杂志还预测,有关癌细胞代谢、细胞染色体外显子测序与疾病、多功能干细胞治疗精神疾病等领域的研究有望成为2010年的科研热点。
2010十大科技猜想:超级电容动力汽车将面世
据美国《大众机械》杂志网站报道,近日该网站对2010年的科技发展趋势进行了分析,并预测了2010年或将取得重大研究进展的十项科技产品或科技概念,其中包括仿人机器人、“超级电容”动力汽车等。
1. 仿人机器人
现有的机器人无论在外表上与人类有多么相似,它们体内一堆堆杂乱的电线却永远无法与人类体内复杂的器官相媲美。但是,欧洲一支科学家团队正致力于缩小这种差距。他们所研制的一种机器人原型就已经具备了一定的仿人功能,即这种机器人在高度模仿人类的特点。在这种仿人机器人体内,有一副由热塑性塑料所制成的骨架,有一组模仿人类肌腱的驱动器,该驱动器可以对肌肉做出反应。2010年,科学家们的目标是利用这个原型制造出一种更像人类的实体机器人。这种机器人可以像我们人类一样对不同的环境做出不同的反应。
2. 直接碳燃料技术
煤碳很黑很脏,燃料电池大多都是采用氢燃料,这些传统的观念已在人们的意识中根深蒂固。但是,新一代的“直接碳”燃料电池将挑战这种传统观念。在传统氢燃料电池中,氢燃料的获得过程比较复杂。“直接碳”燃料电池则是利用氧气与煤粉之间的电气化学反应来产生电量。这种技术的好处是:发电所需要的燃料(煤碳)不再需要燃烧,而且能源利用效率比传统的烧煤电站高出两倍。美国加利福尼亚州“直接碳科技公司”预计,到2010年,该公司将实现一个10千瓦容量的原型发电系统。而俄亥俄州的“包含能源公司”则准备利用这种技术为一个小型灯泡提供电力。当然,这项技术仍处于初期阶段。两家公司都希望能够根据这些原型系统研制出“直接碳”燃料电池,提供一种清洁、高效的碳能源。
3. 新陈代谢学
在过去五年中,加拿大阿尔伯特大学科学家们一直在致力于“人体代谢组计划”的研究,并完成了关于人类代谢组物的首个数据库,其中包括8000余种自然代谢物,如1450种药物、1900种食品添加剂和2900种毒素等。利用数据库信息,科学家们可以分析出病人新陈代谢的整体轮廓,并检测出可能致病的原因。如今,这些检测和分析工作往往依赖于价值数百万美元的设备,而且设备大部分都局限于研究性实验室中。“人体代谢组计划”数据库公布于2007年,现在已得到部分商业应用,如药品研制和疾病诊断等。如果该数据库能够继续得到深入研究,未来它将可以广泛应用于身体检查和疾病诊断等医学领域,而且检测速度更快,诊疗费用更低。
4. DNA结构微型芯片
多年来,美国加州理工学院的科学家们一直致力于DNA结构的研究并发明了一种所谓的“DNA折纸术”。“DNA折纸术”就是将天然DNA单链中的长链进行反复折叠,并用短链加以固定,由此就能绘出方形、星形等一系列对称的DNA图形。关于“DNA折纸术”的应用,此前一直都很少有人问津。直到IBM公司宣布将与加州理工学院的科学家合作,双方共同研制基于“DNA折纸术”的人工DNA纳米结构微处理器芯片,人们才知道这种所谓的折纸术还有真正的用途。这是半导体行业中利用生物分子处理数据的首个案例。DNA之类的生物结构,实际上提供了一些循环重复的模式,半导体行业恰好可以利用这一点。据了解,在IBM未来利用DNA分子结构研制的芯片上,电子线路间的距离将仅仅为6纳米左右,比目前的45纳米的标准取得了大幅的改进。利用这种技术,IBM公司将研制出更小、更便宜的微处理器芯片。
5. 压电显示器
很久以前,科学家们就已经掌握了现有压电物质的属性。这种物质可以将电能转化为物理应力,反之亦然。如果将这种特性应用到电子显示器上,那么就能够生产出可以变形的显示器屏幕。2010年,这种技术或将成为主流显示器产品的生产技术,比如应用于手机屏幕上。当手机关机时,屏幕可以变硬从而起到保护作用;当开机时,屏幕可以变软,形成一个可按压的触摸屏。
6. 骨整合技术
最理想的假肢就是它使用起来能够像人体自然生长的肢体一样。骨整合技术的目标就是将假肢与人体现有的残肢实现完美的结合。所谓的骨整合是指在体内埋植的种植体与组织之间不存在结缔组织的结合。一些植入材料具有良好的生物相容性,如纯钛、生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷等。如今这项技术已经应用于一些小型手术,如牙齿整形和面部整形方面。研究人员计划将它全面应用于肢体修复手术。2008年,研究人员成功地为一只德国牧羊犬实施了小腿骨整合手术。2010年,美国北卡罗莱纳州立大学将对几只残废的狗和动物园中的虎猫实施骨整合手术。随着成功的案例越来越多,骨整合技术必将应用于人体之内。
7. 水平钻探技术
在美国,在深达大约3000多米的岩层之下,蕴藏着数万亿立方英尺(1万亿立方英尺约合283亿立方米)的天然气。然而,面对储量如此巨大的天然气资源,美国人却往往有远水解不了近渴的感觉。普通的钻井根本无法钻出大量的天然气,因为密集的岩石阻碍了天然气的流动。解决办法就是沿着岩层进行水平钻探,即首先钻出垂直钻井,到达天然气层后再90度大转弯实施水平钻探。当然,这种思想并不是最新概念,但是,真正实施起来却需要相当高的技术支持。美国第三大天然气生产商切萨皮克能源公司计划到2010年底将水平钻井数量提高到40个。
8. 移动水电站
传统的水电项目需要大坝,而水电大坝的建设往往会破坏当地的自然景观和生态系统。于是,就有科学家提出了一种小动作的水电建设技术,即可移动的水电站。这种可移动水电站的原理其实就是利用河流和潮汐的运动带动水下涡轮机进行发电。早在2006年,美国绿色能源公司就已经开始在纽约东河试验这种技术,当时他们在水下共安装了6台试验涡轮机组。2010年,该公司计划进行全面建设,在东河中安装30台涡轮机组,为美国电网输送1兆瓦特的电力。世界各地也有许多类似的项目计划于2010年实现大规模建设,如加拿大芬迪湾的潮汐涡轮机组。芬迪湾是世界上潮汐落差最大的海湾。
9. 纳米织物
1991年,当碳纳米管刚刚问世时,曾被吹捧为“新一代的伟大发明”。先不论这种说法是否有些夸张,但碳纳米管确实有它的独特之处,如强度以及导电和导热能力,它的强度甚至要超过钢铁的100倍。然而,直到现在,碳纳米管的实际应用产品仍不多见。不过,尴尬的碳纳米管技术或将迎来真正的春天。美国新罕布什尔州纳米复合材料科技公司准备将碳纳米管织成细纱或布料,并计划投入商业应用。近日,该公司已经向一家生产航天器材的公司提供了长达6英里(约合9.7公里)的纳米线。美国国防部也对这种材料很感兴趣。在一次试验中,由这种材料制成的防弹衣成功地挡住了子弹。美国国防部认为,这种材料将可能成为下一代防弹衣的主要布料,而且它比现有的防弹衣材料凯夫拉尔(即纤维B)织物更轻、更薄。
一、激发学生主动探究的热情
在高中化学教学中,教师要激发学生探究问题的热情,提高学生研究问题的积极性.一方面,教师可以在课堂教学的方法与模式上进行一些必要转变.比如,可以减少教师的知识讲授,而且融入更多学生的思考与探究过程,让学生习惯在课堂上进行独立思考、自主探究,从而激发学生研究问题的热情.另一方面,教师可以设计一些能够激发学生探究热情的思考问题,尤其是结合学生的生活经历设计思考问题.这类问题,学生通常都很感兴趣,并且有基本的理解与分析问题的背景知识.在这样的前提下,学生研究问题的欲望更加强烈,分析探究问题的门槛相应降低,有利于学生感受到研究性学习的趣味性.例如,在讲“化石燃料的利用”时,教师可从与学生息息相关的生活实际出发,要求学生课前收集有关燃料利用的资料,并对这些资料加以整理,然后通过创设相关的问题情境,激发学生独立自主探究问题的热情.如,煤、汽油、石油等燃料燃烧时对环境会产生怎样的影响?如何对化石燃料进行利用,才能减少对环境的破坏?你家中主要使用哪些燃料?在使用燃料时需考虑哪些因素?这些问题和学生的生活息息相关,学生在生活中或多或少接触过这些现象.在这样的背景下,学生产生浓厚的探究问题的欲望与热情,能够结合自己的生活经历或者自己对于生活的观察深入分析实际问题.
二、培养学生深入研究问题的能力
在高中化学教学中,教师要培养学生深入研究问题的能力,让学生对于一些有一定难度以及思维量的问题具备较好的剖析与解答的能力.比如,在讲授基本的理论知识后,教师可以设置一些针对性强的思考问题,鼓励学生进行深入探究.为了让学生容易切入,不至于产生太大的思维障碍,教师设计问题要注重一些技巧.如,可以设计由浅入深的问题,让学生研究的过程一点点深入展开.这样设计问题还有一个好处,前面的简单问题的思考往往是学生分析后面的复杂问题的铺垫,在一定程度上给学生深入研究带来一些引导或者启发.这样,才能培养学生深入研究问题的能力,才能有利于学生牢固掌握理论知识.例如,在讲“原电池”时,教师可以事先要求学生找到实验所需的仪器,并将其组装好,然后提出相应的问题:该装置能否产生电流,如何加以证明?是否需要补充其他的实验仪器?激发学生的自主实验以及问题探究的意识.在学生自主实验过程中,当回路中有电流产生时,再提出问题:回路中为何形成电流?请说明原因.进一步唤起学生的研究意识.教师可以随着实验过程的层层深入设计思维量以及难度更大的问题,培养学生深入研究问题的能力.在这样的基础上,学生不仅容易获知问题的实质,对于原电池的原理也有充分领会,从而牢固掌握所学知识.
三、提高学生应用知识的能力
人类对石油等能源的开采和利用,目前就还停留在“狩猎-采集”阶段。我们对这些能源的需求是无止尽的,但它们终有一天要耗尽。到那时,我们上哪儿去寻找呢?所以,我们也要学一学老祖宗的办法,尽快让能源从到自然界中“猎取”转为自己“养殖”,才能最终解决能源问题。
最理想的燃料作物
目前最有希望养殖的能源植物是蓝藻。
蓝藻是一种单细胞生物,种类极多,有的长在淡水,有的长在海水,还有的长在淡海水交汇的河流入海口处,总之,在地球上不论什么地方,只要有水,就能找到它们的踪迹。
蓝藻能把空气中的二氧化碳通过光合作用转变为自身的碳水化合物、蛋白质和油脂。有些种类的蓝藻,晒干之后70%的重量是油脂。这些油脂经过适当的处理,就能变为汽油和柴油。事实上,石油主要就来自远古时代被埋在地下的蓝藻。
蓝藻还是地球上生长和繁殖最快的物种。据估计,1公顷的水域一年内产的蓝藻可提炼油18700~46750升,而要是同样的面积用于种植大豆,一年仅能提炼468升油。前者最高可达后者的100倍。
近年来,美国为了减少对石油的依赖,开始把一部分土地用于种植燃料作物。但美国刚这样做,国际上粮价就飞涨起来了。因为燃料作物抢占了粮食作物的土地资源。
而蓝藻是水生的,所以种植蓝藻不会与粮食作物争夺土地。甚至,某些种类的蓝藻还含有很高的蛋白质,可以制成食品食用,以缓解粮食危机。
养殖蓝藻的理想之地
但是养殖蓝藻还有一个迄今未解决的大难题:在什么地方养殖?举个例子。目前美国每年光飞机就耗油800亿升,这么多油要是全部由蓝藻来提供,需要420万公顷的养殖水域――相当于美国一个州的面积了。哪儿能提供这么大的地方呢?
幸运的是,蓝藻自身的生活习性为解决这一难题提供了一条思路。淡水蓝藻在污水里甚至比在纯净的淡水中繁殖得还快,而海洋里的蓝藻也能在河流入海口处,淡海水交汇的地方生长,这些地方多数也是污染重灾区。一句话,蓝藻不仅可以在污水里生长,还可以吸收污水里的氮、磷等养分。因此在污水中养殖蓝藻,是一个好办法,既不占用宝贵的淡水资源,还可以净化水质。据联合国统计,全球每年污水排放总量达1500立方千米,这些污水80%是未经处理的,这为养殖蓝藻提供了广阔的前景。
但是,且慢!这里还有一个问题:现在大多数城市的污水处理站就建在市内,说不定周围紧邻着工厂和居民区,要在那种地价昂贵的地方划出一大块地皮来,用于建造养殖蓝藻的蓄水池,肯定也是不现实的。
对于这个问题,一个解决办法是只在沿海城市推行蓝藻养殖,你要知道,地球上40%~60%的人口生活在沿海,世界上最大的城市大多也都集中在沿海。
“机器岛”上的养殖场
那么,在沿海怎么养殖蓝藻呢?下面是一位美国工程师近年来提出并已经初步试验的一个方案。
我们可以在沿海一些风浪比较小、阳光充足的浅湾上架设一些用透明塑料制成的半封闭式水箱。水箱漂浮在水面上,阳光可以照进箱里。从城市来的污水经初步处理,滤去漂浮物和泥沙,直接流入这些水箱。蓝藻就养殖在这些水箱里。
这些水箱可以疏密相间地排布在水面上,只要用管子联通起来即可。这样做是为了不把整片水域与空气隔开。箱又是透明的,阳光可以透射到水下。这两项措施都是为了最大限度地保护海洋生物的生存环境。
在一些水箱的底部,还可以把塑料替换成半透膜。这种半透膜允许水分子进出,但不允许海水里的盐分渗入箱内,也不允许箱内污水里含的氮、磷等养分以及蓝藻渗出。这样,经蓝藻净化的水可以通过半透膜直接排到海里,如果天气炎热,箱内的水分蒸发太快,海里的水还会补充进来,降低箱内的温度,以免蓝藻暴晒烤死。如果箱内的蓝藻不小心溢到海里,它们很快就会死亡,不会造成海洋里外来物种入侵等问题。