張文毓

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471039）

生物柴油的研究及應(yīng)用進(jìn)展

張文毓

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471039）

中國作為一個能源消耗大國，能源危機日益嚴(yán)重，以能源集約化利用為前提，充分開發(fā)利用生物能、太陽能等清潔能源，越來越成為一種共識。同時，作為一個發(fā)展中國家，面臨著經(jīng)濟(jì)增長和環(huán)境保護(hù)的雙重任務(wù)，為了保護(hù)環(huán)境并實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，改變能源發(fā)展和消費方式，合理開發(fā)利用可再生能源是必要的選擇。介紹了國內(nèi)外生物柴油的發(fā)展現(xiàn)狀、經(jīng)濟(jì)效益以及發(fā)展前景，其對現(xiàn)階段緩解環(huán)境危機的巨大作用。生物柴油作為可再生能源，具有可開發(fā)利用的廣闊前景和戰(zhàn)略性意義。

生物柴油；研究；應(yīng)用；進(jìn)展

前言

柴油是國家戰(zhàn)略物質(zhì)資源，被廣泛用于工程機械、鍋爐、工業(yè)窯爐、船舶、軍艦、農(nóng)用機械、交通和動力等設(shè)備的柴油機燃料，國家每年要花大量的資金進(jìn)口柴油和原油以滿足日益增長的需求。生物柴油是一種可再生能源，以植物果實、種子或動物脂肪油、廢氣食用油等為原料，且具有易于生物降解、燃燒后污染物排放低、溫室氣體排放低等特點，因此生產(chǎn)、使用生物柴油對減少石油供給，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。

1　生物柴油概述

1.1生物柴油定義

生物柴油俗稱陽光燃料，是一種長鏈脂肪酸單烷基脂，是以動植物油脂、各種廢棄油脂及微生物油脂等為原料，與短鏈醇（如甲醇、乙醇）經(jīng)過轉(zhuǎn)脂反應(yīng)制備獲取，是一種含氧清潔燃料。生物柴油這一概念最早由德國工程師Dr.Rudolf Diesel于1985年提出，是指利用各種動植物油脂為原料，與甲醇或乙醇等醇類物質(zhì)經(jīng)過交酯化反應(yīng)改性，使其最終變成可供內(nèi)燃機使用的一種燃料［1］。

1.2生物柴油的優(yōu)勢

（1）具有優(yōu)良的環(huán)保特性；

（2）具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能，無需添加劑，冷濾點可達(dá)20℃；

（3）具有較好的潤滑性能，延長發(fā)動機的使用壽命；

（4）具有較好的安全性能；（5）具有良好的燃燒性能；

（6）具有可再生性，可作為石油產(chǎn)品的替代品；（7）兼容性、調(diào)和性好；

（8）含水量高，有助于降低燃料的黏度，提高穩(wěn)定性。

1.3生物柴油的制備方法

圖1　植物油制備生物柴油工藝流程［2］Fig.1　The technological process of biodiesel prepared by vegetable oil

目前，生物柴油的制備方法主要有直接混合法、微乳法、酯交換法和熱解法。直接混合法是將植物油與礦物柴油按一定的比例混合而成，該方法存在黏度高、易變質(zhì)、不完全燃燒等缺點；微乳法是將動植物油與乳化劑混合制成的微乳狀液，即由兩種不互溶的液體與離子或非離子的兩性分子混合而成的膠質(zhì)平衡體系，這一方法解決了動植物油黏度高的問題；熱解法是在快速加熱和超短反應(yīng)時間的條件下，使廢棄油的有機分子迅速斷裂為短鏈分子，并使結(jié)炭和產(chǎn)氣降到最低限度，從而最大限度地獲得燃油，所得的生物柴油與普通柴油接近。但和微乳法相似，其生產(chǎn)成本偏高，相關(guān)研究和應(yīng)用不多。具體生物柴油制備技術(shù)演進(jìn)過程見表1，技術(shù)對比見表2。

表1　生物柴油制備技術(shù)演進(jìn)過程［3］Table 1　The evolution process of biology diesel oil preparation technology

表2國內(nèi)外生物柴油技術(shù)對比［4］Table 2 The comparison of biology diesel oil technology at home and abroad

1.4生物柴油的理化特性

表3生物柴油與0#柴油主要理化特性［5］Table 3 The main physical and chemical properties of biology diesel oil and 0#diesel oil

2　生物柴油的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1生物柴油的國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來，生物柴油研究發(fā)展迅速，盡管其發(fā)展的歷史不是很長，但是由于其良好的性能得到了世界各國的重視，美國、加拿大、巴西、日本、澳大利亞、印度等國都在積極發(fā)展這項產(chǎn)業(yè)，美國、法國、意大利等國相繼成立了專門的生物柴油研究機構(gòu)。為大力推進(jìn)生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，歐美國家的政府制定了一系列的財政補貼、優(yōu)惠稅收等政策支持。目前美國及南美國家大面積種植大豆，歐盟國家以油菜籽油作為主要原料，日本主要使用廢棄食用油，東南亞利用其優(yōu)越的自然條件使用棕櫚油作為生物柴油生產(chǎn)原料，而且一些初具規(guī)模的生物柴油生產(chǎn)廠已經(jīng)建立并投入生產(chǎn)。由于棕樹種植成本低，棕櫚油價格與大豆、油菜籽比起來相對便宜，因此它更加具有競爭力。不僅世界上多個多家已經(jīng)開始生產(chǎn)生物柴油，同期生物柴油的研究論文也增長了10倍，SCI檢索論文從2003年的120多篇增加到2009年的1200多篇。使用油料生產(chǎn)生物柴油極大地影響到依賴進(jìn)口來滿足國內(nèi)市場需求的中國油料市場。中國必須采取一定的政策措施來應(yīng)對世界油料生物柴油的發(fā)展，保證食物安全。

表4　主要生物柴油產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量Table 4　The main produce area and output of biology diesel oil

從各產(chǎn)區(qū)來看，美國主要使用大豆油，歐盟使用菜籽油和從東南亞進(jìn)口的棕櫚油，中國在使用少量棉籽油的同時，也在開發(fā)和使用木本非油料作物油脂。廢棄油脂包括廢棄食用油脂、油脂生產(chǎn)工業(yè)副產(chǎn)的酸化油及糧食加工副產(chǎn)的低品質(zhì)油脂等，是日本和中國等亞洲國家生物柴油生產(chǎn)的主要原料。

圖2　全球生物柴油產(chǎn)量及預(yù)測Fig.2　The global biology diesel oil output and forecast

2.2生物柴油的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國生物柴油的研究與開發(fā)雖起步較晚，但發(fā)展速度很快，部分科研成果已達(dá)到國際先進(jìn)水平。研究內(nèi)容涉及到油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良及其加工工藝和設(shè)備。2008年9月國家發(fā)展改革委員會為鼓勵和規(guī)范生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展，批準(zhǔn)中國石油化工集團(tuán)公司，中國石油天然氣總公司、中國海洋石油總公司進(jìn)行生物柴油產(chǎn)業(yè)化示范項目建設(shè)。目前我國生物柴油的研究開發(fā)也取得了一些重大成果。相繼有海南正和、四川古杉和福建卓越等公司涌現(xiàn)出來。他們自主開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，并在此技術(shù)平臺上投資建設(shè)了一批大規(guī)模的生產(chǎn)廠。尤其是四川古杉公司在這方面取得了突出成就，不僅成功研發(fā)出了以植物油下腳料為原料制備生物柴油的工藝，而且得到的產(chǎn)品使用性能非常接近于0#柴油，燃燒后廢物排放指標(biāo)達(dá)到德國DIN51606標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來看，我國生物柴油的發(fā)展?fàn)顩r良好，生物柴油這個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)受到了越來越多的關(guān)注。

表5　我國生物柴油產(chǎn)業(yè)有關(guān)政策［6］Table 5　The related policy of biology diesel oil industry in China

表6　我國生物柴油產(chǎn)能及利用率統(tǒng)計Table 6　The productivity and utilization statistics of biology diesel oil in China

3　生物柴油應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代至今，生物柴油的研究發(fā)展非常迅速，美國、歐洲各國等都在積極發(fā)展這項產(chǎn)業(yè)。美國是世界上最大的石油消耗國，也是最早研究生物柴油的國家。美國在1998年就制訂了相應(yīng)的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格規(guī)范生物柴油的使用和生產(chǎn)，2002年美國材料試驗學(xué)會ASTM通過了生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。生物柴油使用最多的是歐洲，份額已占成品油市場的5%以上，2006年中期，歐盟生物柴油產(chǎn)量超過400萬噸。

2006年德國已擁有生物柴油加油站300多個。法國已經(jīng)在雷諾汽車中進(jìn)行了生物柴油實驗，10萬公里的燃燒證明生物柴油可用于普通發(fā)動機。意大利是目前歐洲使用生物柴油最為廣泛的國家，其生物柴油已用于城市公交車及學(xué)校、醫(yī)院等公共場所的供熱燃料。歐共體計劃到2020年使生物柴油市場占有率達(dá)到12%。

生物柴油在美國的商業(yè)應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，1999年只有3個主要的汽車運輸公司使用，到2000年3月就已超過40個；但是直到2005年左右才形成規(guī)模，成為該國產(chǎn)量增長最快的石化柴油替代燃料，主要用于擁有集中加油站的大巴和卡車運輸公司。2012年10月起，除應(yīng)用于交通運輸業(yè)之外，美國一些城市如紐約市規(guī)定取暖用油必須包含至少2%的生物柴油，以改善空氣質(zhì)量。

我國發(fā)展生物柴油的課題首先由閔恩澤院士明確提出，1985年，中國農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計院的施德路先生進(jìn)行了生物柴油的實驗探索。目前我國已經(jīng)相繼建成了一批具有一定規(guī)模的生物柴油生產(chǎn)廠。但與國外相比，我國在生物柴油方面還有相當(dāng)大的差距。

目前我國生物柴油的開發(fā)利用還處于初期階段，要從總體上降低生物柴油成本，使其在中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變中發(fā)揮更大的作用，就必須向基地化和規(guī)模化方向發(fā)展，實行集約經(jīng)營，形成產(chǎn)業(yè)化，這樣我國生物柴油企業(yè)必將取得長足的進(jìn)步。

我國微藻生物柴油技術(shù)開發(fā)提速。我國中科院與中石化2009年達(dá)成聯(lián)盟，啟動開發(fā)微藻生物柴油成套技術(shù)。在科研分工上，中科院主要研究上游藻種和反應(yīng)器開發(fā)，中國石化則以微藻采收和藻油提取，及工業(yè)應(yīng)用研究為主。日前中科院水生所透露，該成套技術(shù)各項研究進(jìn)展順利，有望2015年建成萬噸級工業(yè)生產(chǎn)裝置，比原計劃提前5年。微藻是光合效率最高的原始植物之一，與玉米、大豆等農(nóng)作物相比，單位面積的產(chǎn)油率可高出數(shù)十倍。按照現(xiàn)在的研究速度，未來3～5年，微藻生物柴油的成本可降至每噸6500元以下。［7］

4結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車的高速發(fā)展，我國石油進(jìn)口量連年增長，燃油帶來的環(huán)境污染問題也越來越嚴(yán)重。利用何種途徑來解決此供需矛盾，將是保證能源安全的重大問題，生物柴油可以有效的緩解當(dāng)前我們所面臨這兩個潛在的危機。因此，必須抓緊尋找開發(fā)清潔代用的生物燃料，選擇符合我國國情的生物柴油作為清潔代用的主要燃料，走出一條具有我國特色的自主發(fā)展和特色的綠色燃料之路。

我國是一個能源需求大國，能源短缺問題日益突出，發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)對于緩解我國的柴油緊張狀況、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、加強國防安全、增進(jìn)環(huán)境保護(hù)等具有重要作用。生物柴油是一種環(huán)境友好的環(huán)保型燃料能源，是礦物柴油、石油的一種良好替代品。大力發(fā)展生物柴油對中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)資源的持續(xù)利用，減輕環(huán)境壓力，減少溫室氣體效應(yīng)，維持和促進(jìn)資源、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。從全球能源形勢與發(fā)展趨勢來看，生物柴油是一種重要的有前途的綠色能源，但是要在中國大規(guī)模地發(fā)展，還要進(jìn)行深入細(xì)致的研究和探索，還需要相應(yīng)的政策法規(guī)的扶持。中國發(fā)展生物柴油，任重而道遠(yuǎn)。

［1]張培.河南應(yīng)大力發(fā)展生物柴油［J］.創(chuàng)新科技，2013（11）：25～27.

［2]張培.概述生物柴油制備方法［J］.創(chuàng)新科技，2014（2）：8～10.

［3]蘇燕，徐萍.生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展和相關(guān)政策分析［J］.生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)，2014（6）：41～47.

［4]孫海萍.生物柴油產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析及發(fā)展思考［J］.市場研究，2013 （3）：63～67.

［5]王常文，崔方方，宋宇.生物柴油的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.中國油脂，2014，39（5）：44～49.

［6]陳晶晶，穆瑞田.我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策［J］.北方經(jīng)貿(mào)，2013，（12）：31～34.

［7]陳軍航.我國微藻生物柴油技術(shù)開發(fā)提速［J］.天然氣化工，2013 （4）：59.

The Research and Application Progress of Biological Diesel Oil

ZHANG Wen-yu
（China Shipbuilding Industry，Institute of 725th，Luoyang 471039，China）

As an energy consumption，the energy crisis of China is getting serious day by day，so basic on the intensive use of energy，the full development and utilization of clean energy such as biological energy and solar energy is more and more becoming a consensus.Meanwhile as a developing country，faces with twofold tasks of economical growth and growth protection，in order to protect the environment and make sure the economical sustainable development，it’s necessary to the change energy development and the expense way aswer as develop as well as.use the renewable energy reasonably.It introduces the development statue，the economic efficiency and the prospects of biological diesel oil，as well as the huge effect on the remission of environmental crisis.As the renewable energy，the biological diesel oil has the broad prospects of development and utilization as well as the strategic significance.

Biological diesel oil；research；application；progress

TE 626.26

A

1001-0017（2016）02-0143-04

2015-06-01

張文毓，（1968-），女，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事情報研究工作。