国内外生物柴油研究与应用现状及发展趋势

国内外生物柴油研究与应用现状及发展趋势彭超中国矿业大学化工学院生工10-1班摘要：生物柴油来源于动植物油脂等可再生资源。

作为矿物柴油的替代燃料，生物柴油具有空气污染物排放少、润滑性好、生物降解完全等优点，但生物柴油的成本高是制约其发展的瓶颈。

本文综述了国内外生物柴油研究及生产的现状和发展趋势，指出了生物柴油的优势及生物柴油制备、应用中存在的问题，分析了发展生物柴油产业对我国石油安全、国民经济建设、农业产业结构调整和环境保护的作用，并展望了该产业的发展前景。

关键词：生物柴油油脂酯交换1 引言1.1生物柴油的定义生物柴油(Biodiesel)提炼自石油，普遍用于拖拉机、卡车、船舶等。

它是指以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等，野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。

生物柴油是生物质能的一种，它是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。

生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物，这些混合物主要是一些分子量大的有机物，几乎包括所有种类的含氧有机物，如：醚、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

复合型生物柴油是以废弃的动植物油、废机油及炼油厂的副产品为原料，再加入催化剂，经专用设备和特殊工艺合成。

1.2生物柴油及其应用历史生物柴油是植物柴油与动物柴油的总称。

它基本不含硫和芳烃，十六烷值高达52．90，可被生物降解、无毒、对环境无害，可以达到美国“清洁空气法”所规定的健康影响检测要求，与使用石油柴油相比，可以降低90％的空气毒性，降低94％的致癌率，它的开口闪点高，储存、使用、运输都非常安全。

在生产生物柴油的过程中，每消耗1个单位的矿物能量就能获得3．2个单位的能量，在所有的替代能源中它的单位热值最高。

生物柴油的应用历史较长，1900年，鲁道夫·迪兹尔在巴黎世界博览会上首次展览其发明的柴油引擎时使用的就是花生油。

1.3生物柴油的特点1）能达到欧洲2号排放（GB252-2000)标准；2）密度比水小，相对密度在0.7424~0.8886之间；3）稳定性好，长期保存不会变质；4）优良的环保特性：硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低、生物柴油的生物降解性高达98%，降解速率是普通柴油的2倍，可大大减轻意外泄漏时对环境的污染；5）生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油；6）较好的低温发动机启动性能，无需添加剂冷滤点媃中达到-13℃；7) 十六烷值高，燃烧性能好于柴油，燃烧残留物呈中性使发动机机油的使用寿命加长；8) 无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。

9）含水率较高，最大可达30%-45%。

水分有利于降低油的黏度、提高稳定性，但降低了油的热值；10)pH值低，故贮存装置最好是抗酸腐蚀的材料；11)具有“老化”倾向，加热不宜超过80℃，宜避光、避免与空气接触保存；12)较好的安全性能：闪点高，运输、储存、使用方面安全。

优点(1)具有优良的环保特性：生物柴油和石化柴油相比含硫量低，使用后可使二氧化硫和硫化物排放大大减少。

权威数据显示，二氧化硫和硫化物的排放量可降低约30%。

生物柴油不含对环境造成污染的芳香族化合物，燃烧尾气对人体的损害低于石化柴油，同时具有良好的生物降解特性。

和石化柴油相比，柴油车尾气中有毒有机物排放量仅为10%,颗粒物为20%，二氧化碳和一氧化碳的排放量仅为10%，排放尾气指标可达到欧洲Ⅱ号和Ⅲ号排放标准。

(2)低温启动性能：和石化柴油相比，生物柴油具有良好的发动机低温启动性能，冷滤点达到-20℃。

(3)生物柴油的润滑性能比柴油好：可以降低发动机供油系统和缸套的摩擦损失，增加发动机的使用寿命，从而间接降低发动机的成本。

(4)具有良好的安全性能：生物柴油的闪点高于化石柴油，它不属于危险燃料，在运输、储存、使用等方面的优点明显。

(5)具有优良的燃烧性能：生物柴油的十六烷值比柴油高，因此燃料在使用时具有更好的燃烧抗暴性能，因此可以采用更高压缩比的发动机以提高其热效率。

虽然生物柴油的热值比柴油低，但由于生物柴油中所含的氧元素能促进燃料的燃烧，可以提高发动机的热效率，这对功率的损失会有一定的弥补作用。

(6)具有可再生性：生物柴油是一种可再生能源，其资源不会像石油、煤炭那样会枯竭。

(7)具有经济性：使用生物柴油的系统投资少，原用柴油的引擎、加油设备、储存设备和保养设备无需改动。

(8)可调和性：生物柴油可按一定的比例与化石柴油配合使用，可降低油耗，提高动力，降低尾气污染。

(9)可降解性：生物柴油具有良好的生物降解性，在环境中容易被微生物分解利用。

生物柴油的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲II号标准，甚至满足将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲Ⅲ号排放标准。

而且由于生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于该植物生长过程中所吸收的二氧化碳，从而改善由于二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。

因而生物柴油是一种真正的绿色柴油。

缺点生物柴油做为石化柴油的替代品，本身没有什么缺点，只是在生产过程中有一些缺点：一、在国家“不能与粮争地”、“不能与人争粮”、“不能与人争油”、“不能污染环境”的“四不”政策下，提炼生物柴油的原料只能用油料作物或者地沟油，而地沟油的收集是一个难题。

据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。

因此采用廉价原料及提高转化从而降低成本，是生物柴油能否实用化的关键。

二、用酯交换方法合成生物柴油有以下缺点：（1）工艺复杂、醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高，设备投入大；（2）色泽深，由于脂肪中不饱和脂肪酸在高温下容易变质；（3）酯化产物难于回收，回收成本高；生产过程有废碱液排放。

在这个问题上，直接裂解法不存在上述问题，可参考“动植物油料生产生物柴油的催化裂化方法”1.4生物柴油的生产工艺及其原理酯交换技术作为油脂改性的一种方法早已为人所熟知。

油脂的酯交换可采用的催化工艺和催化剂各种各样，但是要开发一种能满足工业化生产规模和效益的生产工艺还存在许多困难。

经过对1t/d～5t/d规模的中试实验装置的深入研究，德国凯姆瑞亚·斯凯特公司目前采用所述工艺已在德国和奥地利等欧洲国家建起了多个最大产量达300t/d的生物柴油生产工厂 . 其工艺流程见图1和图2。

表1 中给出了流程图中各代号的设备和功能名称。

表1 工艺图代号的名称和功能表本生物柴油（RME）是在一特殊设计的专利工艺中加以生产的，该技术受专利保护。

图1 生物柴油酯交换工艺流程简图图2 粗甘油中和，再酯化，甲醇蒸发和精馏工艺简图化学酯交换法的反应方程式如下：主流程见图11.5研究生物柴油的意义生物柴油来源于动植物油脂等可再生资源。

作为矿物柴油的替代燃料，生物柴油具有空气污染物排放少、润滑性好、生物降解完全等优点，但生物柴油的成本高是制约其发展的瓶颈。

结合各地自身条件，从原料(油料作物、油料林木果实、油藻和食用废油等)的综合利用，生物柴油的加工技术(酸碱催化、酶催化、无催化和副产高品质甘油的酯交换工艺)，以及高附加值的后续产品(润滑添加剂、特种溶剂、表面活性剂等)的开发利用等方面，生物柴油作为环境友好的替代燃料和大宗有机化工原料。

开发先进的生物柴油技术，才能使生物柴油产业成为真正具有竞争力的新兴产业。

传统能源的口益枯竭需要开发新的可再生能源，环境保护与汽车工业的发展需要清洁油料。

生物柴油足以植物或动物及其产物为原料制成的可再生能源，可以作为优质的石油柴油代用品。

发展生物柴油产业在我国具有的巨大潜力，将对保障石油安全、保护环境生态、促进农业和制造业发展、提高农民收入，产生相当重要的作用。

2.国内外生物柴油研究与生产现状及发展展望2.1我国生物柴油研究现状我国政府为解决能源节约、替代和绿色环保等问题制定了一系列政策和措施，一些学者和专家已致力于生物柴油的研究、倡导工作。

我们在技术上具有一定的支撑能力，并开始进行小规模生产。

但是，与国外相比，我国在发展生物柴油方面还有相当大的差距，长期徘徊在初级研究阶段，未能形成生物柴油的产业化；政府尚未针对生物柴油提出一套扶植、优惠和鼓励的政策办法；更没有制定生物柴油统一的标准和实施产业化发展的战略。

因此，我国进入WT0之后，在如何面对经济高速发展和环境保护和双重压力下，加快高效清洁的生物柴油产业化进程就显得更为迫切了。

2.2我国发展生物柴油的对策及展望2.2.1解决技术问题(1)催化剂的研制酯基转移反应所用的催化剂是关键技术。

用于酯交换的催化剂有酸、碱及分子筛等，但各种催化剂均有各自的优缺点。

为了提高生物柴油的产量和品质，需要进行大量的实验以获得最佳的催化剂。

(2)酶的选择性、寿命及反应时问在利用酶进行酯交换反应时，不使用有机溶剂就达不到高的酯交换率。

反应系统中甲醇达到一定量时，酶就失活，反应时间较长。

可采用固定化酶连续生产生物柴油的技术初步解决这一问题。

(3)生物柴油的倾点高，影响低温启动性由于生物柴油的碳数分布集中在14～18，因此低温启动性差。

可采取可控分段裂解的方法使生物柴油的碳数分布与石油柴油接近，从而改善生物柴油的低温启动性。

(4)反应的接触界面问题甲醇和动植物油脂互溶性差，反应体系呈两相，酯基转移反应只在界面进行，反应速率低。

采用超临界流体等技术增加界面面积以及提高催化剂的有效浓度是一种有效的方法[201。

(5)甘油皂对油品质量的影响甘油皂容易堵塞输油管道和喷油嘴。

可从反应器底部排出甘油皂，生物柴油中残留的甘油皂可用孔径为10“m的过滤器进行过滤除去。

物柴油中所含的微量甲醇与甘油，会使与之接触的橡胶零件如橡胶膜、密封圈、燃油管等逐渐降解。

对这些零件的材料可以用聚四氟乙烯进行替换。

(7)生物柴油的品质生物柴油的燃料特性必须符合柴油发动机性能的品质规格。

生物柴油(脂肪酸甲酯)作为燃料，首先必须保证制造时的酯交换反应完全，以避免杂质造成发动机工作不正常和废气排放不良。

而且必须彻底去除其反应的副产品甘油，有效的精练回收甘油还可降低生物柴油的成本。

其次必须注意脂肪酸甲酯的氧化稳定性，因为如果甲酯受到氧化，则会改变其燃料性质，导致燃烧生成的胶质或油渣阻塞过滤器。

(8)原料来源在我国人多地少的情况下，不宜过多占用耕地种植菜籽等生物柴油的原料，应因地制宜，利用山区种植的油料植物，或者利用废油、动物脂肪等原料，用于生物柴油的生产。

支持发展多种原料，如海藻、山区油料植物和回收利用的废油脂等。

解决原料问题的一个很好的方案是将废食用油脂回收利用，不仅解决了生物柴油的原料问题，降低了生物成本，还解决了废油脂的回收处理问题，使废物资源化[1、2l。

2.2.2发展展望(1)实行政府引导、支持和市场机制结合的发展方针，在税收与补贴方面予以适当的激励。