摘要：簡(jiǎn)述了生物柴油的發(fā)展歷史和主要特性，綜述了生物柴油的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)況，對(duì)生物柴油的發(fā)展前景從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)和國(guó)家政策等方面進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：生物柴油,清潔燃料,生產(chǎn)技術(shù),應(yīng)用

1　前言

生物柴油通常是指以動(dòng)植物油脂為原料生產(chǎn)的、以脂肪酸甲酯為主要成份、且能滿足普通柴油性能要求（或達(dá)到生物柴油標(biāo)準(zhǔn)）的液體燃料。一般為無(wú)色（或淡黃色）透明液體，粘度與普通柴油相近。其原料的來(lái)源主要包括以下幾大類(lèi)：（１）草本農(nóng)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）動(dòng)物油類(lèi)，如油脂、廢棄油腳等。因其原材料來(lái)自可再生的動(dòng)植物資源，故常被稱(chēng)作可再生的生物燃料。

利用動(dòng)植物油作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的歷史可追溯到1895年前后。其時(shí)，Rudolf Diesel就在研制世界上第一臺(tái)用花生油驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1900年在巴黎世界博覽會(huì)上展出[1，2]。然而，隨著石油工業(yè)的急劇發(fā)展以及由其帶來(lái)的大量的廉價(jià)柴油的生產(chǎn)，人們漸漸淡忘了植物油這種可再生的清潔能源。到了二十世紀(jì)70年代，世界范圍內(nèi)的能源短缺和油價(jià)上漲才引起人們對(duì)替代化石燃料的“新”能源的真正重視。以生物質(zhì)為原料的可再生能源就是其中一個(gè)重要的發(fā)展方向。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，尋求替代能源的緊迫性顯得更為突出并已引起許多國(guó)家政府的高度重視。如美國(guó)奧巴馬政府就將開(kāi)發(fā)可再生能源作為奠定新經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的支柱之一，并計(jì)劃投入數(shù)十億美元用于可再生能源項(xiàng)目[3]。透過(guò)這些現(xiàn)象，我們有理由推斷，未來(lái)世界范圍內(nèi)的能源開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將越來(lái)越呈現(xiàn)出多樣化，而不是僅僅圍繞著化石類(lèi)能量資源的開(kāi)發(fā)和再分配。

在諸多替代能源的解決方案中，以可再生的生物質(zhì)資源作原料來(lái)生產(chǎn)燃料被認(rèn)為是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的發(fā)展方向。目前，世界范圍內(nèi)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的生物燃料主要以乙醇燃料和生物柴油為主[4]。其中乙醇燃料約占89%，年消耗量在1900萬(wàn)噸左右，主要集中在巴西和美國(guó)；生物柴油約占11%，年消耗量約240萬(wàn)噸左右，主要集中在歐盟各主要成員國(guó)包括德國(guó)、法國(guó)、意大利和英國(guó)（其中西班牙例外，以乙醇燃料為主要生物燃料，年消耗量約30萬(wàn)噸）。鑒于對(duì)以乙醇直接或復(fù)配作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的研究和應(yīng)用已有了大量的較為深入的工作，本文的重點(diǎn)將集中在以動(dòng)植物油為原料的用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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動(dòng)植物資源，可再生性是生物柴油區(qū)別于化石燃料的一個(gè)顯著特點(diǎn)。這也是符合可持續(xù)發(fā)展要求的一個(gè)重要特征。

環(huán)保性能：優(yōu)良的環(huán)保性能是生物柴油區(qū)別于化石燃料的另一個(gè)顯著特征。研究表明[5]，與普通柴油相比，生物柴油燃燒時(shí)一氧化碳、烴類(lèi)化合物及塵粒的的排放量明顯減少。同時(shí)，由于生物柴油中硫含量極低，使得燃燒時(shí)幾乎無(wú)二氧化硫和硫化物排放。芳香族烴類(lèi)的排放量也大為降低（減少80-90%）。雖然氮氧化合物的排放量略高于普通柴油，但總體比較，生物柴油的環(huán)保性能優(yōu)于普通柴油，其排放尾氣對(duì)人體的危害也低于普通柴油。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)性能：一系列利用不同型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的生物柴油和普通柴油性能比較都表明二者的動(dòng)力性能沒(méi)有顯著區(qū)別[6]，除了生物柴油的耗量略為顯高（約7%）外。這可能主要源于生物柴油的燃燒熱值較低。但試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，生物柴油的潤(rùn)滑性能要優(yōu)于普通柴油。
目前使用生物柴油的國(guó)家大多使用的是與普通化石柴油調(diào)兌而成的B20生物柴油，即脂肪酸甲酯/普通化石柴油 = 20/80（V/V）。

3　生物柴油的生產(chǎn)和研究

3.1  生物柴油的生產(chǎn)

雖然有些植物油如花生油和菜籽油可直接由于普通柴油機(jī)燃燒[1]，但其高粘度、高凝點(diǎn)等特性使得其在實(shí)際應(yīng)用中受到極大的限制。目前所說(shuō)的生物柴油，主要是指以油脂為原料通過(guò)各種生產(chǎn)工藝而制的的脂肪酸甲酯，其反應(yīng)過(guò)程可簡(jiǎn)單表達(dá)如下 （圖1）。

在研究基礎(chǔ)上，多種以油脂為原料用化學(xué)反應(yīng)的方法生產(chǎn)脂肪酸甲酯的工藝都得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。從工藝步驟講，有一步與多步反應(yīng)工藝之分；從工藝操作看，有間歇操作與連續(xù)流動(dòng)之別；依工藝條件分，有常壓與加壓之差；從催化體系看，還有均相催化和非均相催化之不同。圖2為一較典型的兩步酯交換法工藝流程示意圖[7]。兩步法的主要特征是在第一步酯交換反應(yīng)的基礎(chǔ)上，增加一次酯交換反應(yīng)過(guò)程從而保證近乎100%的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

3.2  生物柴油的研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)生物柴油生產(chǎn)及技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方面。

（１）對(duì)現(xiàn)有工藝及設(shè)備的改進(jìn)，以降低設(shè)備先期投資和降低能耗。操作工藝傾向于連續(xù)操作，這尤其適用于較大規(guī)模（4000噸/年）的生產(chǎn)。同時(shí)多種型式的反應(yīng)器也在不斷開(kāi)發(fā)中。如利用固相催化劑的固定床反應(yīng)器進(jìn)行酯交換反應(yīng)。這種工藝的應(yīng)用主要依賴(lài)于所需催化劑的開(kāi)發(fā)，目前仍?xún)H處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段[8]。另一種較為新穎的裝置是將酯交換反應(yīng)與甲醇精餾過(guò)程集中于一塔內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)型精餾塔[9]。研究表明利用這種反應(yīng)型精餾塔可以將甲醇的過(guò)量值減小至33%，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的酯交換反應(yīng)過(guò)程中加入的甲醇量都是理論值的兩倍，即過(guò)量100%。同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬程序?qū)φ坠に囘^(guò)程進(jìn)行測(cè)算和分析以?xún)?yōu)化工程設(shè)計(jì)的研究也受到關(guān)注[10]。

（２）新型高效、環(huán)保型催化劑的研究與開(kāi)發(fā)。酸和堿都可以作為該酯交換反應(yīng)的催化劑，且大多數(shù)情況下都以液態(tài)加入。這種均相催化劑固然有利于混合，但卻給反應(yīng)產(chǎn)物的后續(xù)處理和分離帶來(lái)較大的壓力。因此，固相催化劑的開(kāi)發(fā)一直是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，以提高轉(zhuǎn)化率、減少排污和降低后續(xù)分離工序壓力。最近的研究報(bào)告顯示，日本的一個(gè)研究小組利用普通的食用蔗糖制備出用于酯交換反應(yīng)的固相催化劑[11]。結(jié)果表明其具有良好的催化活性，且易再生。由于其較低的造價(jià)以及生態(tài)友好性，受到了很大關(guān)注。

（３）酶催化反應(yīng)工藝包括有關(guān)生物酶的研究。這種合成法主要是采用生物脂肪酶作為反應(yīng)催化劑，使反應(yīng)在較溫和的條件下和醇用量較少的情況下進(jìn)行，且反應(yīng)通常在常壓下進(jìn)行。通常采用的方法是將酶固載化以形成“固相”催化劑，其優(yōu)點(diǎn)是可循環(huán)使用，催化劑內(nèi)的傳質(zhì)速率較大，且易于裝備生物反應(yīng)器，造價(jià)降低。但由于酶催化劑的生物特性，使得反應(yīng)時(shí)的工藝和參數(shù)控制變得至關(guān)重要，因?yàn)椴僮鳁l件的變化極易造成生物酶的中毒或失活[12]。

4　影響生物柴油應(yīng)用和發(fā)展的主要因素

一項(xiàng)技術(shù)或其產(chǎn)品的生命力主要取決于其技術(shù)的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)的效益性、市場(chǎng)需求的迫切性以及政府有關(guān)政策的干預(yù)性，且在大多數(shù)情況下，這些條件缺一非可。對(duì)于生物柴油來(lái)說(shuō)，同樣如此。

技術(shù)方面：如前所述，生物柴油的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)過(guò)了大半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，并已形成了較為成熟的傳統(tǒng)工藝路線。目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的生物柴油生產(chǎn)線也大都基于這些工藝。但在如何簡(jiǎn)化流程、降低能耗、減少排污等方面，仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。

經(jīng)濟(jì)效益方面：由于生物柴油的生產(chǎn)成本中原料油所占的比重很大，（如以植物油為原料，其油料費(fèi)用可占到生產(chǎn)成本的80%左右，）因此所用植物油的市場(chǎng)價(jià)格直接決定著生物柴油的生產(chǎn)成本。以目前植物油料的市場(chǎng)價(jià)格，用植物油為原料生產(chǎn)生物柴油在經(jīng)濟(jì)效益方面難以具有競(jìng)爭(zhēng)力。這可能是歐美等國(guó)對(duì)生物柴油的生產(chǎn)、銷(xiāo)售給予免稅、甚至給予補(bǔ)貼的（除了環(huán)保考量外的）另一個(gè)重要因素。當(dāng)然，尋求其它較廉價(jià)的原料來(lái)源不失為一種選擇，如利用食品與餐飲業(yè)的廢棄油，利用動(dòng)植物油廠的下腳料以及其他回收油。這樣固然可大幅度降低生產(chǎn)生物柴油的原料成本，但在同時(shí)，由于這些原料來(lái)源及成份的復(fù)雜性，卻會(huì)導(dǎo)致操作費(fèi)用的明顯提高。更為重要的是，這些原料來(lái)源的分散性和不穩(wěn)定性，使其僅可適用于較小規(guī)模的生產(chǎn)。

市場(chǎng)需求方面：世界范圍內(nèi)對(duì)能源供應(yīng)的需求越來(lái)越大以及與此同時(shí)化石類(lèi)能源儲(chǔ)量的快速減少似乎是一個(gè)難以逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。同樣在中國(guó)，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速增長(zhǎng)，石油能源消耗巨大，并有越來(lái)越依賴(lài)于進(jìn)口的趨勢(shì)，因此生物柴油必將有其廣闊的市場(chǎng)空間。但作為一種新型替代產(chǎn)品，要真正進(jìn)入這一市場(chǎng)的前提條件仍是產(chǎn)品的可靠質(zhì)量和有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。

政府政策方面：在生物柴油生產(chǎn)極其產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、監(jiān)督和標(biāo)準(zhǔn)化方面，則需要政府有關(guān)職能部門(mén)的干預(yù)和協(xié)調(diào)工作。這樣才能保證使真正符合生物柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的的產(chǎn)品進(jìn)入油品供銷(xiāo)渠道。進(jìn)一步，如果政府能夠從政策（如稅收）上對(duì)生物柴油的生產(chǎn)、銷(xiāo)售給予支持，將定會(huì)對(duì)這一新興的綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到極大的推動(dòng)作用。

5　結(jié)語(yǔ)

生物柴油作為一種可再生的替代化石燃料的清潔燃料，越來(lái)越引起世界范圍的關(guān)注。在其生產(chǎn)技術(shù)和作為普通化石柴油替代品的性能方面，其可行性都已具有相當(dāng)可靠的基礎(chǔ)。雖然在較近的未來(lái)，無(wú)論在生產(chǎn)規(guī)模還是在經(jīng)濟(jì)效益的競(jìng)爭(zhēng)力方面，生物柴油還難以與普通化石柴油形成競(jìng)爭(zhēng)局面，但由于其在可再生和環(huán)保方面的特有優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)或?qū)?huì)得到許多國(guó)家政府的支持和推動(dòng)，并將具有廣闊的市場(chǎng)前景。

與多數(shù)工業(yè)化的國(guó)家相比，中國(guó)的生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍?xún)H處于起步階段。中國(guó)是一個(gè)柴油需求大國(guó)，同時(shí)又是一個(gè)擁有豐富油脂資源的農(nóng)業(yè)大國(guó)，從國(guó)家能源發(fā)展及農(nóng)業(yè)發(fā)展的雙重戰(zhàn)略高度來(lái)推動(dòng)生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，意義重大。

參考文獻(xiàn)

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