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