生物柴油——取自可再生资源的清洁燃料

摘要：简述了生物柴油的发展历史和主要特性，综述了生物柴油的研究、生产和应用现况，对生物柴油的发展前景从技术、经济、市场和国家政策等方面进行了讨论。

关键词：生物柴油,清洁燃料,生产技术,应用

1　前言

生物柴油通常是指以动植物油脂为原料生产的、以脂肪酸甲酯为主要成份、且能满足普通柴油性能要求（或达到生物柴油标准）的液体燃料。一般为无色（或淡黄色）透明液体，粘度与普通柴油相近。其原料的来源主要包括以下几大类：（１）草本农作物，如油菜、大豆等；（２）油料林作物，如油桐、油棕等；（３）水生植物，如工程微藻等；（４）动物油类，如油脂、废弃油脚等。因其原材料来自可再生的动植物资源，故常被称作可再生的生物燃料。

利用动植物油作发动机燃料的历史可追溯到1895年前后。其时，Rudolf Diesel就在研制世界上第一台用花生油驱动的发动机，并于1900年在巴黎世界博览会上展出[1，2]。然而，随着石油工业的急剧发展以及由其带来的大量的廉价柴油的生产，人们渐渐淡忘了植物油这种可再生的清洁能源。到了二十世纪70年代，世界范围内的能源短缺和油价上涨才引起人们对替代化石燃料的“新”能源的真正重视。以生物质为原料的可再生能源就是其中一个重要的发展方向。进入二十一世纪以来，寻求替代能源的紧迫性显得更为突出并已引起许多国家政府的高度重视。如美国奥巴马政府就将开发可再生能源作为奠定新经济基础的支柱之一，并计划投入数十亿美元用于可再生能源项目[3]。透过这些现象，我们有理由推断，未来世界范围内的能源开发和应用将越来越呈现出多样化，而不是仅仅围绕着化石类能量资源的开发和再分配。

在诸多替代能源的解决方案中，以可再生的生物质资源作原料来生产燃料被认为是一种符合可持续发展战略的发展方向。目前，世界范围内开发和应用的生物燃料主要以乙醇燃料和生物柴油为主[4]。其中乙醇燃料约占89%，年消耗量在1900万吨左右，主要集中在巴西和美国；生物柴油约占11%，年消耗量约240万吨左右，主要集中在欧盟各主要成员国包括德国、法国、意大利和英国（其中西班牙例外，以乙醇燃料为主要生物燃料，年消耗量约30万吨）。鉴于对以乙醇直接或复配作为汽油发动机燃料的研究和应用已有了大量的较为深入的工作，本文的重点将集中在以动植物油为原料的用于柴油发动机的生物柴油方面。

2　生物柴油的特性

可再生性：因其原料取自可再生的动植物资源，可再生性是生物柴油区别于化石燃料的一个显著特点。这也是符合可持续发展要求的一个重要特征。

环保性能：优良的环保性能是生物柴油区别于化石燃料的另一个显著特征。研究表明[5]，与普通柴油相比，生物柴油燃烧时一氧化碳、烃类化合物及尘粒的的排放量明显减少。同时，由于生物柴油中硫含量极低，使得燃烧时几乎无二氧化硫和硫化物排放。芳香族烃类的排放量也大为降低（减少80-90%）。虽然氮氧化合物的排放量略高于普通柴油，但总体比较，生物柴油的环保性能优于普通柴油，其排放尾气对人体的危害也低于普通柴油。

发动机台架试验性能：一系列利用不同型号柴油发动机进行的生物柴油和普通柴油性能比较都表明二者的动力性能没有显著区别[6]，除了生物柴油的耗量略为显高（约7%）外。这可能主要源于生物柴油的燃烧热值较低。但试验结果同时表明，生物柴油的润滑性能要优于普通柴油。
目前使用生物柴油的国家大多使用的是与普通化石柴油调兑而成的B20生物柴油，即脂肪酸甲酯/普通化石柴油 = 20/80（V/V）。

3　生物柴油的生产和研究

3.1  生物柴油的生产

虽然有些植物油如花生油和菜籽油可直接由于普通柴油机燃烧[1]，但其高粘度、高凝点等特性使得其在实际应用中受到极大的限制。目前所说的生物柴油，主要是指以油脂为原料通过各种生产工艺而制的的脂肪酸甲酯，其反应过程可简单表达如下 （图1）。

图1  油脂与甲醇的酯交换反应
 

在研究基础上，多种以油脂为原料用化学反应的方法生产脂肪酸甲酯的工艺都得到开发和应用。从工艺步骤讲，有一步与多步反应工艺之分；从工艺操作看，有间歇操作与连续流动之别；依工艺条件分，有常压与加压之差；从催化体系看，还有均相催化和非均相催化之不同。图2为一较典型的两步酯交换法工艺流程示意图[7]。两步法的主要特征是在第一步酯交换反应的基础上，增加一次酯交换反应过程从而保证近乎100%的反应转化率。

图2  Lurgi生物柴油生产工艺流程简图
 

3.2  生物柴油的研究现状

目前，对生物柴油生产及技术的研究和开发主要集中在以下几个方面。