生物柴油的特性分析及应用研究

生物柴油的特性分析及应用研究

摘要：介绍了生物柴油的组成和优点，叙述了四种生物柴油制备方法。分析了脂肪酸甲酯的结构对生物柴油十六烷值、低温流动性和氧化安定性的影响，并对第一、二代生物柴油的制备和工艺、第三代生物柴油的研究现状以及生物柴油在应用上存在的问题进行了综述。

关键词：生物柴油；结构；制备；应用

Abstract: It briefly introduces the composition and advantage of biodiesel. Four preparation methods of biodiesel are presented. The effect of structures of fatty acid methyl esters (FAME) on cetane number(CN), cold flow properties and oxidationstability are

Keywords: Biodiesel ;Structure ;Preparation ;Application

1 概述

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程藻类等水生植物油脂、以及动物油脂、餐饮废油等为原料, 通过酯交换工艺制成的可用于压燃式发动机的甲酯或乙酯燃料，是生物质能的一种形式，其主要成分为通过动植物油脂转化而来的高级脂肪酸的低碳烷基酯混合物。在ASTM标准中，生物柴油被定义为“用于压燃式发动机的，来自于可再生的脂类如植物油和动物脂肪的长链脂肪酸单酯。”Kaltschmitt等人的研究表明,生物柴油在减少石化能源消耗和降低温室效应方面优于石化柴油。生物柴油不仅具有丰富的原料来源、良好的可再生性以及环保方面的优势,其物化性能与石化柴油相近，并可以直接代替石化柴油或与石化柴油以任意比例互溶供内燃机使用，因此生物柴油是一种理想的替代能源。作为可再生能源的一种,随着未来柴油需求量的增大,将促进世界各国加快柴油替代燃料的开发。

1.1生物柴油的脂肪酸甲酯组成

一般将理想的柴油替代品的分子式表示为：C19H36O2，并且具有如下的分子结构：CH2=CH(CH2)15COOCH3。

饱和脂肪酸甲酯：棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯

脂肪酸甲酯（SFAME）CH3(CH2)14 COOCH3 CH3(CH2)16 COOCH3

（FAME）单不饱和：油酸甲酯

（SUFAME）CH3(CH2)7 CH=CH(CH2)7COOCH3

不饱和脂肪酸甲酯二不饱和：亚油酸甲酯

(UFAME) 多不饱和CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH (CH2)7COOCH3

(PUFAME) 三不饱和：亚麻酸甲酯

CH3CH2(CH=CHCH2)2CH=CH (CH2)7COOCH3将以上分子式比较，可以看出生物柴油的分子结构基本上与理想的柴油代替品的分子结构类似。因此，理论上讲，生物柴油具有代替石化柴油使用的可能性。

1.2生物柴油的优点

生物柴油是一种高级脂肪酸低碳烷基酯。与石化柴油相比，生物柴油具有以下无法比拟的优越性能。

（1）生物柴油的十六烷值一般高于 49 ，石化柴油的十六烷值一般为 45，因而生物柴油比石化柴油具有更好的发火性，具有更短的着火滞后期，有利于降低柴油机的燃烧过程中的压力升高率，可以减少柴油机的振动和噪声。

（2）生物柴油含氧量可达 10 % ,高于石化柴油。所以,因为生物柴油的着火滞后期较石化柴油的短，所以生物柴油在发动机气缸内燃烧时裂解聚合为碳粒的概率比石化柴油小，因此，,发动机燃用生物柴油的碳烟排放要比燃用石化柴油时低。另外，由于生物柴油分子本身含氧，因而在燃烧过程中对外部氧需求量比石化柴油少，因此，在发动机进气量不变的前提下，可以向气缸内喷入更多的生物柴油，以抵消因生物柴油热值略低于石化柴油而导

致的功率降低，使柴油机的动力性能基本保持燃用石化柴油时的水平。

（3）无毒性，生物分解性好，环保性能良好。由于生物柴油具有较高的含氧量,因而有利于完全燃烧,所以柴油机燃用生物柴油时的CO和HC排放要比燃用纯石化柴油时低。又由于生物柴油中的芳香族烃类、硫、铅、卤素等有害成分比石化柴油要低得多，因而, 柴油机排气中具有致癌性的碳氢化合物、SO2、硫酸盐、铅化物等有害物质极少，柴油机燃用生物柴油还能消除或减轻柴油机排气的不良气味和对人眼的刺激。柴油机燃用生物柴油时排气中的NO x随发动机负荷和测试方法不同略有增加或减少。生物柴油与催化转化器、微粒捕集器、废气再循环等改善排放技术不存在矛盾。生物柴油是第一种完全通过美国清净空气法案规定的健康影响试验的代用燃料。

（4）与其他代用燃料相比, 柴油机不需要进行改造,可直接燃用生物柴油，也无需另外增设专用的储存和加油设备，使用维修人员也不需要进行特殊的培训。

（5）生物柴油的闪点较石化柴油高。有利于安全运输、储存和使用。

（6）生物柴油以一定的比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力特性，降低排放污染等。

（7）既可作添加剂促进燃烧效果，又是燃料，具有双重效果。

2 生物柴油的制备方法

生物柴油的制备方法有直接混合法、微乳液法、高温裂解法和酯交换法。其中，直接混合法和微乳液法是在生物柴油研究初期所采用的方法，由于得到的产品黏度高、不易挥发，容易导致发动机喷嘴不同程度的结焦、活塞环卡死和炭沉积等问题，目前已不被采用。高温裂解法是将植物油和动物脂肪在高温下进行裂解，其缺点是反应条件苛刻、反应控制难、设备昂贵。

（1）直接混合法

直接混合法是将天然油脂与石油柴油、溶剂或醇类按不同的比例直接混合后在发动机上使用,以降低天然油脂的粘度,提高其挥发性。1983年Amans C将大豆油与2#柴油以一定比例直接混合,并在增压直喷式柴动机上燃烧了600h,试验结果显示当大豆油和柴油的混合比例为1:2时，发动机系统工作状态良好,而且没有出现润滑油变质现象,这种混合燃料可以作为农用机械的替代燃料。但是,采用直接混合法制取的生物柴油雾化性能差,燃烧不充分,燃烧室和喷油器积碳严重；不饱和脂肪酸和游离脂肪酸使发动机润滑油稀释、变质、聚合,从而导致发动机润滑不良。

（2）微乳化法

微乳化法是利用表面活性剂将动植物油分散到粘度更低的溶剂中,形成微乳化液来降低动植物油粘度的一种方法,使其能够满足柴油机的使用要求。微乳化液是一种透明且热力学相对稳定的胶状分散体系,它是由两种彼此不相溶的液体与离子或非离子的两性分子混合而成的直径在1um至150um之间的胶质平衡体系。1982年Georing用乙醇与大豆油配制成微乳化液,这种微乳化液除了十六烷值较低之外,其它性质与2#柴油非常接近。2002年Neuma 等人使用表面活性剂、助表面活性剂、水、柴油和大豆油配制成了一种新的微乳化液,这种微乳化液的性质与柴油相似,可以作为柴油的替代燃料在发动机上使用。但微乳化法易受到环境条件的限制,环境条件的变化会引起破乳现象的发生,从而使微乳化燃料的性质不稳定,不能达到普遍使用的目的。

（3）高温裂解法

高温裂解是在高温条件下利用热能使物质的化学键断裂,生成小分子物质的过程。Schwab等人对大豆油脂的裂解产物进行分析,发现其中烷烃和烯烃含量较高,占到总质量的60%以上；他们还发现高温裂解产物的运动粘度仅为大豆油粘度的三分之一；而且裂解产物的十六烷值和热值与石油柴油非常接近。Pioch等人也对植物油的催化裂解产物进行了研究,他们将椰子