秸秆资源毕业论文开题报告

吉林化工学院材料科学与工程学院
毕业论文开题报告
秸秆资源的开发及利用探索研究
Utilization and research of straw resources
学生姓名：张伟旭
学生学号：10150212
专业班级：材料化学1002
指导教师：张福胜
职称:教授
起止日期：2014.2.24—2014.3.15
吉林化工学院
Jil in In stitute of Chemical Tech no logy
1•课题来源及选题的目的和意义
课题来源：教师科研
课题名称：秸秆资源的开发及利用探索研究
我国作为农业大国，耕地面积超过18亿亩，每年因农业生产产生大量的农作物秸秆, 秸秆资源非常丰富，年产量可达7亿吨［1,2］。

农村占有大部分秸秆资源，但由于部分地方经济发展缓慢以及农作物分布比较分散，农村的秸秆利用率很低，主要是还是直接燃烧、供牲畜食用或者被丢弃，造成了资源浪费［2,5］。

由于直接燃烧会产生大量的二氧化碳、粉尘等，长此以往会对地方的空气质量和大气造成直接影响，并且直接燃烧让资源没有得到充分利用。

秸秆的利用问题是关系到资源、环境以及农业的可持续发展的重大问题⑷
图1-1焚烧秸秆污染环境图1-2玉米秸秆被丢弃至河道产业革命至今，200多年来人类文明的发展主要依赖无节制地开发利用煤、石油、天然气等化石燃料资源以及水、土地、生物质等自然资源。

化石燃料的燃烧利用导致全球性的气候变化，己成为人类共识，其中温室气体效应是人类面临的最大环境问题，正深刻影响着21世纪全球的发展。

鉴于能源和环境问题己成为全球关注的焦点，随着化石能源的日益枯竭和环境问题的日趋严重，开发洁净的可再生能源已成了紧迫的课题。

微生物发酵法生产燃料乙醇作为一种可再生能源，己经引起了人们的高度重视。

将乙醇与汽油按一定比例混成的乙醇汽油，不仅能减少能源消耗，而且能有效降低尾气污染，推广和使用对于解决能源危机和环境污染具有重要的意义。

对我国这样一个人口众多、资源相对不足、生态环境承载力弱、能源利用率低的国家来说，发展生物质能源等可再生能源更是不二选择。

现阶段，国内外燃料乙醇的大规模生产都是以糖质和淀粉质农作物如甘蔗、糖蜜、木薯、玉米为原料。

在我国，则主要以玉米、陈化的小麦和稻谷为原料。

据有关报道，一般常见秸秆，其纤维素含量约为30%到40%,半纤维素的含量在25% 到35%，另外还有一定量的木质素⑹，此外秸秆也有很高的热能价值，营养价值等。

当前的一些秸秆利用
技术存在着产品质量不稳定、原料利用率低、环境污染等问题，难以高值化利用量大、面广且具
可再生性的秸秆资源。

实际上，秸秆资源的高值化利用，对于解决我国秸秆焚烧、“三农”问题和作为促进农业可持续发展的重要工业原料具有现实意义，并对我国未来能源、材料、发酵、乃
至整个化工业的发展具有战略性的影响[2]
2•农作物秸秆资源概述
2.1农作物秸秆资源的内涵2.1.1秸秆的定义
《辞海》⑺解释：秸：农作物的茎杆。

如麦秸、豆秸。

杆：禾本科植物的茎。

《现代汉语词典》⑺解释:秸秆是农作物脱粒后剩下的茎。

《百度百科》[8]中秸秆定义是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。

通常指小麦、水
稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。

《农作物秸秆资源调查与评价技术规范》⑶中给出了“秸秆”明确的定义，它是指
“农业生产过程中，收获了稻谷、小麦、玉米等农作物籽粒后，残留的不能食用的茎、
叶等农作物副产品，不包括农作物地下部分”
图2-1玉米秸秆图2-2小麦秸秆
质要素的总称。

”从词义上看，中文里最早对“资源”解释为“资财之源，一般指天然的财源”。

英文里的“资源” 一词为resource它是由re和source组成，前缀re 含有“再”的意思，source表示来源。

由于人们的研究领域和研宄角度的差别，对资源概念的理解也不同。

通常对资源的理解有广义和狭义之分。

广义的资源是指在一定的技术经济条件下，现实或可预见的将来能作为人类生产和生活所需要的一切物质的和非物质的要素。

在自然界及人类社会中，有用物质即资源，无用物质即非资源。

它包括阳光、空气、水、土壤等一切人类需要的自然物和房屋、设备、生产资料性商品等以人类劳动产品形式出现的一切有用的物质，还包括社会经济资源及知识信息资源。

从资源的广义定义上，资源是动态的，它依赖于人的成就和行为而相应地扩大或缩小，不能同人类需要和能力相分离，是一个可变的历史范畴［10］。

而狭义上的资源通常指“自然资源”。

《辞海》⑺中自然资源是指天然存在的自然物，不包括人类加工制造的原料。

如土地资源、水资源、生物资源、海洋资源、矿产资源等都属于自然资源，它们是生产的原料来源和布局的场所。

这个定义从地球科学的角度，概括了各种自然资源。

但确切地说应该还包括其他具有空间特征的自然资源（气候资源）。

联合国环境规划署（UNEP）对资源下定义：“所谓自然资源，是指在一定的时间、地点的条件下能够产生经济价值的，以提高人类当前和将来的福利的自然环境因素和条件的总称”。

美国经济学家阿兰•兰德尔说：“资源是人们发现的有用途和有价值的物质。

” 综上所述，狭义的资源是指在一定社会经济条件下，能够产生生态价值或经济效益，以提高人类当前或可预见未来生存质量的自然物质和自然能量的总和［11］。

2.1.3秸秆资源的内涵从资源的定义上讲，农作物秸秆属于“资源”范畴。

至今，少有学者对“秸秆资源"给予比较明确的内涵，如毕于运等［12曾在相关研究中将秸秆资源定义为“在现实社会、经济、技术条件下，可供人类利用的秸秆总产量”，即秸秆成为资源的前提条件是可供人类开发利用。

我国是世界上的主要农业生产大国，许多农作物的总产量已居世界前列，随着农作物产量的增加，秸秆的生产量也相应增加，各种来源广泛、数量巨大的作物秸秆资源在我国已成为一类极其丰富并能直接利用的可再生有机资源。

但是，秸秆作为农作物的副产品，如果不合理利用，不仅浪费资源，甚至有可能造成环境污染；若利用合理，则变废为宝，减少了其他资源的使用，实现秸秆的经济、环境及社会效益。

近年来，国家先后出台了鼓励循环农业发展和秸秆综合利用的税收优惠、补贴激励政策，包括对秸秆能源化利用企业消耗秸秆提供专项财政补贴；对使用秸秆生产电力、热力给予所得税减免优惠；将秸秆还田、青贮等相关机具纳入农机购置补贴范围等，这些政策对促进秸秆循环农业加快发展发挥了重要作用。

秸秆资源是指在现实社会、经济、技术条件下，可供人类利用的秸秆总产量，它是中国种植业和养殖业可持续发展以及农村新型能源化的重要物质基础。

2008年7月国务院下发了《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》。

这对于加快推进秸秆综合利用，实现秸秆的资源化、商品
化，促进资源节约、环境保护和农民增收具有重要作用。

2.2农作物秸秆资源分类
目前，农作物秸秆可分为两大类：黄色秸秆和灰色秸秆。

黄色秸秆主要包括麦稻、稻草、玉米秆等，具有体积大、重量轻、密度小等特点［13］灰色秸秆主要包括棉花稻、树枝、木材下脚料等密度较大的木本类植物，具有密度相对较大、来源相对分散等特点［14］O 2.3农作物秸秆资源的基本特性
2.3.1可再生性
农作物秸秆资源是一种可再生的生物质资源，它是伴随农作物生长过程中的光合作用再生，资源丰富，可定期再生，保证永续利用。

2.3.2低污染性
农作物秸秆资源的S、N含量低，平均含S量为3.8%。

，燃烧过程中生成的SOx、NOx较少；在农作物秸秆的再生利用过程中，排放的C02与其生长过程中吸收的C02达到碳平衡，具有C02零排放的作用，对缓解温室效应具有重要贡献。

2.4.3密度低占地面积大
农作物秸秆资源密度低，收集费工费时，打捆后密度一般也在300kg/mf以下，比较经济的运输密度在400~600 kg/m以上［15］。

使用农作物秸秆资源的企业为维持其正常运转，必须要有一定的贮存量，故需要较大的存贮场占用土地。

2.4.4分散、即地保存性差
农作物秸秆资源主要堆放在田间、农户自家门前，分布较零散，对其高效的收贮运带来较大困难。

农作物秸秆资源收获后未晾晒，仍处于后鲜期，含水量较高，在打捆、堆垛后极易燃、易霉，需要对其采取防雨、防潮等措施。

2.4.5季节性强
农作物秸秆资源收获期主要集中在农作物夏、秋收季节，由于农民为抢农时播种，使得农作物秸秆资源的收集工作具有强季节性，使得收集劳动力强度很大。

若未能及时将其收集和贮运，随意堆放在田间、路边和河道边，会对河道造成水体污染。

246利用途径广泛
农作物稻杆资源具有丰富的纤维素和木质素，含碳源、氮源、矿物质、维生素等营养物质，营养价值丰富，可用于肥料化、饲料化、能源化、基料化和工业原料化等五种利用途径。

3•秸秆资源的应用
3.1农业方面
3.1.1秸秆肥料利用
秸秆腐败过程中释放出氮、磷、钾以及各种微量元素，能够降低土壤容重，增加土壤通气、田间持水量和水稳性团粒结构，从而改善土壤物理性状，提高土壤保水能力，增强土地肥力，是重要的有机肥源［16 -17］。

据实验测定，每还田500kg玉米秸秆，则相当于施用杂肥2500kg，碳铵11.7kg，过磷酸钙6.2kg，硫酸钾4.75kg，土壤有机质含量可提高0.05%〜0.23%含磷量平均提高0.03%、速效钾增加31.2mg/kg、土壤容重下降0.03〜0.16g/cm3、土壤孔隙度提高2%〜4%秸秆还田后的土地，平均增产幅度在10% 以上，连续多年使用秸秆还田的耕地，能提高磷肥利用率和补充土壤钾素的不足，还可提高地力0.5〜1个等级。

农田覆盖秸秆有很好的抑制杂草生长的作用。

秸秆覆盖与除草剂配合，提高了除草剂的抑草效果。

播麦后3天，每亩喷施750倍丁草胺乳油后盖草，比单喷丁草胺处理，小麦生长后期每亩杂草减少12.4万苗。

利用秸秆还田培养土地肥力的技术在一些农业发达的国家得到重视。

如在美国，秸秆还田量占秸秆生产量的68.0%英国占73.0%18］;而在日本，约68%的秸秆翻入土层中还田，10. 5%勺秸秆作为粗饲料养牛，7. 1%的秸秆作混合肥料［19-20］，该国甚至把秸秆还田当作农业生产中的法律去执行。

而我国秸秆还田率平均只占1.5%［21］，农业生产的重用轻养及化肥用量过多导致了土壤肥力衰退，可见秸秆还田技术在国内有很大的发展空间。

3.1.2秸秆饲料利用
由于秸秆含有很高的营养价值，根据生态系统食物链中的能量流动规律，秸秆作饲料是一种很常见的利用方式。

秸秆中含有有机酸、碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素、醇类、醛类以及酮类。

动物难以消化吸收，效果较差，必须进行加工处理才能提高品质。

目前通用的秸秆饲料处理方法主要有物理法、化学法和微生物发酵法等。

物理法和化学法是较为简单的加工方法，经过物理法和化学法处理后的秸秆，可大改善其适口性和营养价值，但仍不能为单胃动物所利用。

微生物法是复杂的秸秆饲料处理方法，主要是利用微生物代谢产生的特殊酶的降解作用，将其纤维素、半纤维素木质素等大分子物质分解为低分子的低聚糖或单糖，经过微生物发酵后秸秆，不但提高了营养价值，更提高了采食率、利用率和采食速度。

这些物质被微生物作用后可加工成饲料喂养牲畜，能促进畜牧业的发展［22-23。

印度就是典型的节粮型畜牧业结构。

联合国粮农组织（FAO）统计资料表明，美国约73%的肉类由草转化而来，澳大利亚的占90%我国的仅占6%-8%?4］。

我国将秸秆作为饲料的使用率只占小部分，其原因是由于秸秆粗糙坚硬，适口性和营养都较差，动物咀嚼也困难，因此开发合理的秸秆饲料很有前景。

3.1.3秸秆纤维利用
秸秆纤维含有天然纤维素，与麻类比较，其强度高、身长小、回潮率大、吸湿放湿快、纤维
粗硬、尤其生物降解性好。

在相同纤维夹持长度下，秸秆纤维的断裂强度和弹性模量均小于亚麻纤维［25］。

由于秸秆纤维以上优势，秸秆纤维用以生产草纤维农用地膜、防草膜、育种床、果树栽培基等，保护农作物生长的同时安全自然降解。

美国研制出一种生物降解地毯，主要由椰壳纤维和稻草、麦秸等混合制成，用以育种或水土保持。

普通地面、斜坡、干湿态地均能使用这种材料［26］。

我国也已成功研制生产草纤维地膜，原料主要是麦秸、稻草或富含纤维素的植物。

这种草纤维膜增温保温，保墒保肥，拉伸强度比聚乙烯地膜大，用后能被土壤微生物分解吸收，无毒无害［27］。

并且秸秆可作盆花基质材料，在基质中起到固定根系，固定水肥作用，同时透气、可降解，所以也可作为降解花盆［28］。

3.1.4秸秆培养基利用
秸秆作为食用菌培养基的利用。

玉米秸秆含一定量蛋白质和矿物质元素，与其他配料科学配比后，经热蒸、消毒、发酵、化学处理后，作为食用菌（平菇、草菇、凤尾菇、毛木耳、香菇等）的栽培基质。

平均生产1 kg食用菌消耗秸秆1kg左右。

国内外利用秸秆作为培养基生产的食用菌种类已近30种。

我国利用秸秆栽培食用菌的生产技术处于世界前列［29-30］。

秸秆作为单细胞蛋白和木糖醇的培养基。

微生物利用秸秆作为培养基可以获得营养价值很高的单细胞蛋白（SCP），而且成本低，其研究重点是原料价值极低的木质纤维素、农作物废料或工业有机物［31］。

3.2工业方面
3.2.1制浆造纸
造纸原料的紧张以及新原料的开发及加工工艺的发展，使造纸行业日益注重廉价的代用原料，尤其是中低档造纸厂，已逐渐开发利用稻草、麦秸和玉米秸秆。

玉米秸秆在纤维强度韧性、资源等方面均优于其它秸秆，其纤维性能近似苇子，工艺及原辅材料配方与苇子加工制纸一样。

玉米秸秆是秸秆种类当中制作纸张的较好材料，其纤维强度韧性好［32］。

作物秸秆制浆造纸在我国是一项较为成熟的技术，问题在于制浆后的黑液对环境带来严重污染，需要相应的废水处理技术予以完善［33］O
322燃料
秸秆燃烧值约为标准煤的50%污染少，是中小火电厂煤炭的最佳替代品。

我国第1个利用秸秆发电技术改造老电厂项目在山东枣庄进行［34］。

联合利华合肥工厂的洗衣粉车间采用的是以秸秆为原料的生物质能，这是目前中国日化行业中唯一以秸秆为燃料的燃炉。

也有研究发现，秸秆可加工成煤，但是秸秆煤的生产技术要求很高，需解决焦油、水分、温度等难题昭。

3.2.3建材
秸秆是高效、长远的轻工、纺织和建材原料，既可以部分代替砖、木等材料，还可有效保护耕地和森林资源。

秸秆墙板的保温性、装饰性和耐久性均属上乘，许多发达国家已把“秸秆板”
当作木板和瓷砖的替代品广泛应用于建筑行业。

此外，经过技术方法处理加工秸秆还可以制造人造丝和人造棉，生产糠醛、饴糖、酒和木糖醇，加工纤维板等等。

以秸秆为主要原料，配以轻粉、膨润土、黏合剂、阻燃剂为辅料，通过一系列工序可生产自重轻、钢度高的隔墙板，也被制成麦秸中密度纤维板和麦秸定向刨花板［36］。

秸秆制板的工艺流程分为集成工艺和碎料板工艺2种。

依据产品的结构和用途可将秸秆人造板产品分为硬质、轻质及复合型材料。

秸秆板生产工艺流程为：农作物秸秆一拆捆—粉碎—清除杂质—研磨—与二苯基甲烷二异氰酸酯（MD，黏接剂）混合—铺装—预压及热压—齐边砂光—成品板。

3.3能源方面
3.3.1直接燃烧
生物质能利用技术如今成为最受欧盟国家重视的可再生能源技术。

利用农作物秸秆和森林废弃物直燃发电是目前生物质能利用最成熟的技术。

丹麦在这方面成绩尤其显著［37］。

从1988年丹麦建设第1座秸秆生物质发电厂开始，直到2007年已建立130家秸秆发电厂。

该国的秸秆发电厂一直由国家政策及资金进行扶持，包括高价收购、投资补贴、减免税费和配额制度等；另一方面，发电厂高度重视生物质能技术研发，从固体颗粒燃料到大捆秸秆都有严格的质量标准。

332秸秆发酵制乙醇
由于国内外都面临能源短缺的紧张局面，再加上普通原油对环境的破坏，发展纤维素乙醇产业的势头逐渐迅猛。

秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素、木质素及可溶性固体。

纤维素水解产生葡萄糖，半纤维素水解得到木糖。

糖类进一步发酵能够得到乙醇。

由于秸秆纤维质原料成分复杂，决定了纤维素乙醇的生产工艺主要有3种：分布水解发酵与发酵工艺（SHF）、同步糖化发酵工艺（SSF）和直接微生物转化工艺（DMC）。

3.3.3热解
热解也称为干馏，指在缺氧条件下加热，将有机物热解产生气体、液体和固体。

秸秆炭化技术也是热解技术的一种。

近年来国外研究快速热解技术制取液体燃料油，液化油得率以干物质计达7O%3%浙江大学在我国率先开发出流化床闪速热裂解制油试验装置，又扩建了20 kg /h处理量的示范试验装置［39］0秸秆气化集中供气技术作为生物制热解气化技术的一种，由秸秆处理装置、气化机组、燃气输配系统、燃气管网和用户燃气设施5部分组成。

它可将秸秆等原料粉碎后在气化反应炉中通过热解反应或高温裂解，变成以CO和"为主的可燃气体。

334召气
秸秆沼气是以农作物秸秆为主要发酵原料生产沼气的一种新技术，具有原料充足，生态环保，产气率高，供气周期长等优点，是解决常规沼气粪源不足、使用率低及秸秆污染的有效途径。

秸秆生产沼气一般有2种途径：一是秸秆直接进沼气池制沼气；二是秸秆作牲畜饲料，牲畜粪便入沼
结构的基体，通透性和水力学性能好，表面积大，适用于床式吸附处理的特点［48］。

3.5秸秆在食品和商业领域的利用
秸秆中含有大量的淀粉，将其提取可制醋、制木糖醇和木聚糖酶［49］，酿酒以及加工 各种糕点。

张启峰等以玉米秸秆为原料，经预处理、水解、净化、催化氢化、浓缩、结 晶、过滤和干燥等工艺得到符合国内食品级质量标准的木糖醇［50］o
秸秆同样用于编织业，因为秸秆保温防冻，又吸汗防湿，透气性好，也可以作为包 装材料的原料，生产出的可降解型包装材料环保无污染，保温时间长。

秸秆用于编织业 最常见、用途最广的是稻草编织。

如草帘、草苫等可用于蔬菜工程的温室大棚中；草席、 草垫既可保温防冻，又具有吸汗防湿的功效；而品种繁多的草编织品、工艺品和装饰品, 由于工艺精巧，透气保暖性好，装饰性佳，深受国内外消费者的喜爱。

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图3-1秸秆有机肥料 图3-2秸秆饲料
图3-3秸秆煤 图3-4秸秆基
图3-5秸秆建材图3-6秸秆发电
4•国内外现状及发展趋势
4.1国外农作物秸秆资源利用进展
(1) 农作物秸秆能源化
目前，发达国家正在积极研发农作物秸秆转化为绿色能源，如丹麦是一个农业发达的国家，直到七十年代受石油危机和环境保护的压力，丹麦开始重视研究和开发农作物稻杆集中供热技术，经过十多年的努力，丹麦的农作物秸秆供热技术在世界范围内相对成熟［51］，从经济和环境双重角度都是具有竞争能力的。

上世纪八十年代，丹麦BWE公司率先研发农作物秸秆生物燃烧发电技术，于1988年诞生了世界上第一座稻杆生物燃料发电厂，实现了热电联产，并且炉灰还可作为肥料使用，增加农民效益。

位于丹麦首都哥本哈根以南的阿维多发电厂是全球效益最高、最环保的热电联共电厂之一，每年可燃烧15万t稻杆，满足几十万用户的供热和用电需求［52］。

而农作物秸秆提炼乙醇是在美国的最新发展，美国能源部网站上明确指出，小麦结杆是可再生生物能源的一个重要来源。

2007年6月，美国农业部和能源部联合声明，共同设立基金用于生物燃料、生物能源及相关产品的研究与开发［52］。

对于燃料和粮食依赖进口的日本来说，开发出利用植物纤维的生物燃料是非常重要的［52］，所以地方研宄单位正在积极研发农作物秸秆转提炼液体燃料技术，目前己有相应研究成果，正进入实用化阶段。

(2) 农作物秸秆工业原料化
秸秆常常在通过气化、制沼气等处理中作为工业原料。

秸秆气化是将粉碎后的秸秆用过气设备热解，经氧化和还原反应转换成一氧化碳和氢等可燃气体，每1 kg小麦、水稻、玉米秸秆的产气量分别为0. 45 0. 40 0. 50 nf。

秸秆气化集中供气技术以农村各种大量的秸秆为主要气化原料，以集中供气的方式向农民提供燃气，气化后使用总效率可达35%〜45%,而直接燃烧秸秆效率最高也仅12%〜15%。

农作物秸秆工业原料化做得比较好的是美国，美国每年可收集的麦稻轩
约450（万t,用途广泛。

农作物秸秆建筑起源于美国，在上世纪九十年代迅速发展起来，随后普及到加拿大、澳大利亚、欧洲、亚洲及南美洲等国家，它作为一种生态建筑备受人们的重视。

大多数农作物秸秆砌块的原材料采用相对坚軔的小麦和黑麦稻杆［53］，目前已形成完整的工业生产体系。

5.3.2实验步骤
第一步：秸秆的简单处理
用粉碎机将秸秆粉碎，装入袋中封存，以备后用。

第二步：秸秆的预处理
配制酸、碱溶剂，按浓度、温度、固液比、时间四个因素，分别对秸秆进行预处理，密封放置一段时间。

第三步：中和酸碱性
预处理结束后，对上述溶液进行抽滤，在滤液中加入酸碱指示剂，用蒸馏水洗涤滤渣，一直到滤液PH在5~6之间。

第四步：发酵
在上述滤液滤渣中加入一定量的酿酒酵母菌，密封放置一段时间。

第五步：提炼乙醇
乙醇俗称酒精，它以粮食及各种植物纤维为原料，经发酵、蒸馏制成。

将乙醇进一步脱水再与适量汽油混合后即可形成“燃料乙醇”，又称乙醇汽油。

如图所示乙醇是太阳能的一种表现形式。

植物将太阳能与CO2转化为生物质一秸秆，秸秆通过工业技术生产出燃料乙醇，乙醇经燃烧利用后重新产生水和C02。

在整个自然界大系统中，乙醇的生产和消费过程可形成无污染的闭路循环，永恒再生，永不枯竭。

阳光
燃料乙醇
图5-1纤维素乙醇在自然界中的循环
推行乙醇汽油清洁燃料，对我国的能源安全、农业建设和环境保护等方面将起到积极的推动作用。

第一，减少对进口石油的依赖，提高能源安全。

我国的能源消费目前几乎全部依赖石油、煤碳等一次性资源，能源安全极易受到威胁。

燃料乙醇以其安全、实用、可再生的特性成为人们首选的最有希望的替代能源之一。

第二，建设农村经济，带动农民增收。

将农业废弃物秸秆作为一种宝贵的工业原料高效转化为高附加值产品，实现产业化的同时还可以吸纳农村劳动力，将给农民带来可观的收入。

第三，降低温室气体排放，改善大气环境。

与普通汽油相比，乙醇汽油燃烧时与空气的混合。