植物油与生物柴油技术

• ⑷植物油用作柴油机燃料的使用方式 • ①混合使用。将植物油与适量柴油混合使用，着火 点迅速下降，积碳量减少，能改善燃料性能，但替 代程度不高，最高只能替代50%。 • ②微细乳化。采用乳化剂，使液体油脂有效地转化 为均匀分散的液相系统，油脂成为比胶状质更微细 的液体粒子，从而改善喷雾特性和发动机的点火性 能。 • ③改性处理。用酯化工艺把植物油转变为甲酯或乙 酯类物质，其理化性质与燃烧性能大为改善，各种 性能均优于直接燃用植物油，接近柴油，部分指标 还优于柴油，成为较为理想的柴油机代用燃料。
• ②植物油的燃料特性 • 挥发性： 柴油的闪点一般为60℃左右，而植物油不易挥发， 闪点高达234～293℃，故其着火点比柴油高(除桉 树油外)，易出现点火困难的现象，但运输、贮存更 为安全。 • 抗爆性： 柴油机要求十烷值在40～60之间，植物油十烷值一 般为35～40，若柴油机直接使用植物油作燃料，则 往往起动困难，运转粗暴。
蓖 麻 光皮树
油 茶
油 桐
小桐子（麻疯树）
乌 桕
油 棕
• 能源植物研究现状： • 目前，大多数的能源植物尚处于野生或半野生状 态，人类正在研究应用遗传改良、人工栽培或先 进的生物技术等手段，通过生物质能转换技术提 高利用生物能源的效率，生产出各种清洁燃料， 从而替代煤炭、石油和天然气等石化燃料。 • 世界上许多国家都开始开展能源植物或“石油植 物”的栽种研究，并通过引种栽培，建立起新的 能源基地，如“石油植物园”、“能源农场”， 以此满足对能源结构调整和生物质能源需求的需 要。
• ⑶生物柴油的燃烧特性 • ③闪点高，是柴油的2倍，使用、运输和储藏都很 安全； • ④常温下起动性能良好，运转平稳； • ⑤燃烧状况良好，积碳减少，热效率高，高负荷时 还稍高于柴油，略增加油量就可达到额定功率； • ⑥发动机零部件磨损与柴油类似，排热、排烟降低。
2.2生物柴油生产原理
• ⑴油脂的水解反应 • 油脂是各种脂肪酸甘油酯的总称。水解可得脂肪 酸和甘油，水解可用酸或碱作水解剂。
• ②植物油的燃料特性 • 热值： 植物油具有比较高的热值(大于30MJ/ kg)，是柴油 的87%～89%，从热值上看植物油可以替代柴油作 燃料； • 粘度： 在常温下，植物油的粘度一般比柴油高10～20倍， 这是植物油直接用作燃油的一个最不利因素。 但可以增加温度使植物油粘度迅速降低，也可采取 掺入柴油的方式来降低植物油粘度；
• 目前主要问题有： • ①对甲醇的转化率低，而且短链醇对酶有一定毒性。 ②由于高酸值原料油冻点高，中国大部分地区冬季时间长， 不适应固定化酶法低温工艺，使成本的大幅提高。
本章小结
• • • • • 掌握植物油与生物柴油的概念 掌握植物油与生物柴油燃料特点 了解植物油燃料的使用方式 理解生物柴油的生产原理 了解常见的生物柴油生产工艺
海桐花 小乔木 菲律宾 木棉 乔木 澳大利亚 中国 美国 澳大利亚 热带雨林
麻疯树 乔木 黄鼠草 草本 桉树 棕榈 乔木 乔木
可燃油 提炼
1.2植物油
• ⑴概念 • 植物油：是指利用野生或人工种植的含油 植物的果、叶、茎，经过压榨、提炼、萃 取和精炼等处理得到的油料。 • 根据油品组分不同，有些植物油可以作为 食用油，但有些只能用和工业原料，甚至 有些可以直接用作液体燃料。
第2节 生物柴油
• 2.1生物柴油的概念与特点 • ⑴概念 • 生物柴油：是以各种油脂（包括植物油、 动物油脂、废餐饮油等）为原料，经过一 系列加工处理而生产出的一种液体燃料， 是优质的化石燃料的替代品。
• ⑵生物柴油的燃料特性 • ①黏度：与植物油相比，生物柴油分子链 变短，黏度降低，接近柴油水平； • ②挥发性：生物柴油比植物油的挥发性增 大，闪点达到110～170℃,介于植物油和柴 油之间。
2.3生物柴油生产工艺
• ⑴两步法： 先将含游离脂肪酸的动植物油脂经加压水解生成脂肪酸， 然后在硫酸催化剂的作用下和甲醇发生酯化反应生成相应 的脂肪酸甲酯，再经洗涤干燥即得生物柴油。
• 两步法醇解过程 • 将油脂、甲醇和氢氧化钠催化剂泵入反应器1，在一定压 力下反应，使转化率达到90%以上，分离甘油；为使反应 完全，在低温下将混合物泵入反应器2，进行二次反应； 在沉降器2中除去甘油，两处甘油混合，浓度达90%；甲 酯中的甲醇在真空闪蒸器中除去。 • 特点：此法必须先将废油脂转化为脂肪酸，综合得率低， 而且生产过程产生废水较多、对环境有较大影响。
• ⑵一步法： • 特点： • ①工艺连续化。通过连 续反应器，可以快速进 行转酯化，实现工业连 续化生产，在相同的时 间内，大大提高生物柴 油产能。 • ②无水纯化。采用无水 纯化工艺对粗生物柴油 进行精制，减少了水洗 耗水，节约了资源，同 时节省了污水处理设施 投资和污水转移费用。
Baidu Nhomakorabea
• ⑶酶解法： • 特点： 用生物酶法合成生物柴油，该法具有条件温和、醇用量小的 优点。
• ⑶酯交换反应 • 在酯交换反应的过程中包括了酯与醇的作用（醇解），酯与 酸的作用（酸解），以及酯与酯的作用（酯交换）。
• 生物柴油生产工艺即利用了其中的醇解反应，即油脂（甘油 三酯）与甲醇在催化剂的作用下可直接生成脂肪酸单酯（生 物柴油）和另一种醇（甘油），而不必将油脂水解后再酯化。 • 反应中可用酸催化，也可用碱催化，但二者的反应历程和机 制完全不同。一般来说，酸性条件下反应温度要求较高，时 间也较长。
谢
谢 ！
（一）能源植物种类
• 能源植物包括： • (1)富含类似石油成分的能源植物。石油的主要成 分是烃类，如烷烃、环烷烃等，富含烃类的植物 是植物能源的最佳来源，生产成本低，利用率高， 如目前已发现并受到专家赏识的续随子、绿玉树、 橡胶树和西蒙德木等； • (2)富含碳水化合物的能源植物。利用这些植物所 得到的最终产品是乙醇，如木薯、甜菜、甘蔗等；
• ⑵植物油的理化性质 • ①植物油的化学结构 • 植物油因植物种类、生长地区的不同存在着一些差别。从 总体上看，植物油的主要化学成分是脂肪酸甘油酯以及少 量非酯物质，含有碳原子、氢原子与氧原子，脂肪酸有饱 和脂肪酸与不饱和脂肪酸。 • 普通柴油由不同结构的烃分子构成，这些分子只含碳原子 和氢原子，分子呈长链状、枝状或环状。油分子的特性直 接影响燃烧的方式。
• ⑶植物油用作柴油机燃料的燃烧特点 • 柴油机可以直接燃用植物油，动力性能良好，超 负荷性能好，热效率高。 • 但由于植物油具有粘度大、着火点高、挥发性差、 浊点和混浊度高、含磷等不利因素，柴油机会出 现活塞环粘结、输油管或滤清器阻塞、冷起动难、 雾化不良、燃烧不完全、耗油量大等现象，长期 使用将造成积碳严重等问题。
• ⑶生物柴油的燃烧特性 • 生物柴油用作内燃机燃料时，具有以下优点； • ①不需改装便可应用于各类柴油机，且不会对内燃 机的运转与性能造成不良影响； • ②在所有的替代燃油中热值最高；
燃料 热值 (MJ/kg) 汽油 43.07 柴油 42.55 天然气 35.54 沼气 21.52 乙醇 26.78 裂解气 15 生物油 21 生物柴油 37.45 甲醇 20.23 二甲醚 28.42
（二）全球目前开发利用的主要能源植物
名称 形态 原产地 亚马孙河流 域 欧洲、美国 产量 50桶·hm-2或1020Lh-1 50桶·hm-2 50 g·kg-1 0.1 kg·kg-1 1.5-3t·hm-2 1-6 t·hm-2 5 桶·t-1 10 t·hm-2 成分 柴油 汽油 汽油 重油 柴油 石油 汽油 使用 不经加工提 炼 稍经处理 加工 干木加工 稍经处理 加工 水蒸气蒸馏 苦配巴 乔木 香槐 乔木
第七章 植物油生物 柴油技术
第1节 能源植物与植物油燃料
• 1.1能源植物 • 能源植物(Energy Plant)(又称“石油植物”或生 物燃料油植物)通常是指那些具有合成较高还原性 烃的能力，可产生接近石油成分和可替代石油使 用的产品的植物，以及富含油脂的植物。 • 目前全世界植物生物质能源（主要是森林）每年 生长量相当于600～800亿吨石油，为目前世界开 采量的20 ～ 27倍。
• ⑵脂肪酸的酯化反应 • 脂肪酸和醇在酸性催化剂的存在下加热，可以生成 酯。在生产生物柴油时，在植物油脂水解后加入甲 醇，通过酯化反应得到脂肪酸甲酯。
• 酯化反应是一个可逆反应。为提高酯的产量，通常 加入过量的脂肪酸或醇，或不断从反应相中移出生 成的水。如果生成的酯沸点很低，则可以用加热的 方法将酯蒸出。
• (3)富含油脂的能源植物。 • 既是人类食物的重要组成部分，也是工业 用途非常广泛的原料。 • 世界上富含油的植物达万种以上，我国有 近千种以上，其中有的含油率很高，如木 姜子种子含油率达66.4％，黄脉钓樟种子含 油率高达67.2％，还有苍耳子等植物。
• 产油植物 • 已经发现不少可用于生产绿色能源的植物，主要 集中在大戟科、菊科、十字花科和豆科等，这些 植物中含有天然的燃油成分。 • 有的产油量大，所产油在燃料性能方面接近普通 柴油，如油桐、小桐子、光皮树、油楠树等； • 有的繁殖能力强，生长周期短，生长量大，对环 境的适应性强，如续随子、藿藿巴树、蒲公英、 油莎草等。这些都是有前途的产燃料油植物。
• 油脂水解影响因素 • 油脂水解速度取决于温度。在低温时，油脂水解速度极慢， 要用催化剂来加速水解反应；随着反应温度的升高，水解反 应速度加快，在高温时(200℃以上)，即使没有催化剂，水解 速度也是很快的。 • 高温的作用： 使反应物碰撞机会增多，反应速度加快，能促进水的离解， 生成更多的氢离子和氢氧根离子，成为油脂水解的催化剂。 • 高温增大了水在油中的溶解度，增大了油脂与水的接触面积。 • 适宜的水解温度不仅能增加水解速度，而且不需添加水解催 化剂。 • 但水解温度不能过高，例如不能超过260℃，因这时除主反应 外，还会发生油脂或甘油的裂解、聚合等副反应，使脂肪酸 得率下降，产品色泽加深，气味加重。