生物柴油——取自可再生資源的清潔燃料
摘要：簡述了生物柴油的發展歷史和主要特性，綜述了生物柴油的研究、生產和應用現況，對生物柴油的發展前景從技術、經濟、市場和國家政策等方面進行了討論。
關鍵詞：生物柴油,清潔燃料,生產技術,應用
1 前言
生物柴油通常是指以動植物油脂為原料生產的、以脂肪酸甲酯為主要成份、且能滿足普通柴油性能要求（或達到生物柴油標準）的液體燃料。一般為無色（或淡黃色）透明液體，粘度與普通柴油相近。其原料的來源主要包括以下幾大類：（１）草本農作物，如油菜、大豆等；（２）油料林作物，如油桐、油棕等；（３）水生植物，如工程微藻等；（４）動物油類，如油脂、廢棄油腳等。因其原材料來自可再生的動植物資源，故常被稱作可再生的生物燃料。
利用動植物油作發動機燃料的歷史可追溯到1895年前后。其時，Rudolf Diesel就在研制世界上第一臺用花生油驅動的發動機，并于1900年在巴黎世界博覽會上展出[1，2]。然而，隨著石油工業的急劇發展以及由其帶來的大量的廉價柴油的生產，人們漸漸淡忘了植物油這種可再生的清潔能源。到了二十世紀70年代，世界范圍內的能源短缺和油價上漲才引起人們對替代化石燃料的“新”能源的真正重視。以生物質為原料的可再生能源就是其中一個重要的發展方向。進入二十一世紀以來，尋求替代能源的緊迫性顯得更為突出并已引起許多國家政府的高度重視。如美國奧巴馬政府就將開發可再生能源作為奠定新經濟基礎的支柱之一，并計劃投入數十億美元用于可再生能源項目[3]。透過這些現象，我們有理由推斷，未來世界范圍內的能源開發和應用將越來越呈現出多樣化，而不是僅僅圍繞著化石類能量資源的開發和再分配。
在諸多替代能源的解決方案中，以可再生的生物質資源作原料來生產燃料被認為是一種符合可持續發展戰略的發展方向。目前，世界范圍內開發和應用的生物燃料主要以乙醇燃料和生物柴油為主[4]。其中乙醇燃料約占89%，年消耗量在1900萬噸左右，主要集中在巴西和美國；生物柴油約占11%，年消耗量約240萬噸左右，主要集中在歐盟各主要成員國包括德國、法國、意大利和英國（其中西班牙例外，以乙醇燃料為主要生物燃料，年消耗量約30萬噸）。鑒于對以乙醇直接或復配作為汽油發動機燃料的研究和應用已有了大量的較為深入的工作，本文的重點將集中在以動植物油為原料的用于柴油發動機的生物柴油方面。
2 生物柴油的特性
可再生性：因其原料取自可再生的動植物資源，可再生性是生物柴油區別于化石燃料的一個顯著特點。這也是符合可持續發展要求的一個重要特征。
環保性能：優良的環保性能是生物柴油區別于化石燃料的另一個顯著特征。研究表明[5]，與普通柴油相比，生物柴油燃燒時一氧化碳、烴類化合物及塵粒的的排放量明顯減少。同時，由于生物柴油中硫含量極低，使得燃燒時幾乎無二氧化硫和硫化物排放。芳香族烴類的排放量也大為降低（減少80-90%）。雖然氮氧化合物的排放量略高于普通柴油，但總體比較，生物柴油的環保性能優于普通柴油，其排放尾氣對人體的危害也低于普通柴油。
發動機臺架試驗性能：一系列利用不同型號柴油發動機進行的生物柴油和普通柴油性能比較都表明二者的動力性能沒有顯著區別[6]，除了生物柴油的耗量略為顯高（約7%）外。這可能主要源于生物柴油的燃燒熱值較低。但試驗結果同時表明，生物柴油的潤滑性能要優于普通柴油。
目前使用生物柴油的國家大多使用的是與普通化石柴油調兌而成的B20生物柴油，即脂肪酸甲酯/普通化石柴油 = 20/80（V/V）。
3 生物柴油的生產和研究
3.1 生物柴油的生產
雖然有些植物油如花生油和菜籽油可直接由于普通柴油機燃燒[1]，但其高粘度、高凝點等特性使得其在實際應用中受到極大的限制。目前所說的生物柴油，主要是指以油脂為原料通過各種生產工藝而制的的脂肪酸甲酯，其反應過程可簡單表達如下 （圖1）。
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圖1 油脂與甲醇的酯交換反應 |
在研究基礎上，多種以油脂為原料用化學反應的方法生產脂肪酸甲酯的工藝都得到開發和應用。從工藝步驟講，有一步與多步反應工藝之分；從工藝操作看，有間歇操作與連續流動之別；依工藝條件分，有常壓與加壓之差；從催化體系看，還有均相催化和非均相催化之不同。圖2為一較典型的兩步酯交換法工藝流程示意圖[7]。兩步法的主要特征是在第一步酯交換反應的基礎上，增加一次酯交換反應過程從而保證近乎100%的反應轉化率。
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圖2 Lurgi生物柴油生產工藝流程簡圖 |
3.2 生物柴油的研究現狀
目前，對生物柴油生產及技術的研究和開發主要集中在以下幾個方面。
（１）對現有工藝及設備的改進，以降低設備先期投資和降低能耗。操作工藝傾向于連續操作，這尤其適用于較大規模（4000噸/年）的生產。同時多種型式的反應器也在不斷開發中。如利用固相催化劑的固定床反應器進行酯交換反應。這種工藝的應用主要依賴于所需催化劑的開發，目前仍僅處于實驗室試驗階段[8]。另一種較為新穎的裝置是將酯交換反應與甲醇精餾過程集中于一塔內同時進行的反應型精餾塔[9]。研究表明利用這種反應型精餾塔可以將甲醇的過量值減小至33%，因為大多數的酯交換反應過程中加入的甲醇量都是理論值的兩倍，即過量100%。同時，應用計算機模擬程序對整套工藝過程進行測算和分析以優化工程設計的研究也受到關注[10]。
（２）新型高效、環保型催化劑的研究與開發。酸和堿都可以作為該酯交換反應的催化劑，且大多數情況下都以液態加入。這種均相催化劑固然有利于混合，但卻給反應產物的后續處理和分離帶來較大的壓力。因此，固相催化劑的開發一直是一個重要的研究領域，以提高轉化率、減少排污和降低后續分離工序壓力。最近的研究報告顯示，日本的一個研究小組利用普通的食用蔗糖制備出用于酯交換反應的固相催化劑[11]。結果表明其具有良好的催化活性，且易再生。由于其較低的造價以及生態友好性，受到了很大關注。
（３）酶催化反應工藝包括有關生物酶的研究。這種合成法主要是采用生物脂肪酶作為反應催化劑，使反應在較溫和的條件下和醇用量較少的情況下進行，且反應通常在常壓下進行。通常采用的方法是將酶固載化以形成“固相”催化劑，其優點是可循環使用，催化劑內的傳質速率較大，且易于裝備生物反應器，造價降低。但由于酶催化劑的生物特性，使得反應時的工藝和參數控制變得至關重要，因為操作條件的變化極易造成生物酶的中毒或失活[12]。
4 影響生物柴油應用和發展的主要因素
一項技術或其產品的生命力主要取決于其技術的先進性、經濟的效益性、市場需求的迫切性以及政府有關政策的干預性，且在大多數情況下，這些條件缺一非可。對于生物柴油來說，同樣如此。
技術方面：如前所述，生物柴油的生產技術已經過了大半個世紀的發展，并已形成了較為成熟的傳統工藝路線。目前正在運轉的生物柴油生產線也大都基于這些工藝。但在如何簡化流程、降低能耗、減少排污等方面，仍面臨著巨大挑戰。
經濟效益方面：由于生物柴油的生產成本中原料油所占的比重很大，（如以植物油為原料，其油料費用可占到生產成本的80%左右，）因此所用植物油的市場價格直接決定著生物柴油的生產成本。以目前植物油料的市場價格，用植物油為原料生產生物柴油在經濟效益方面難以具有競爭力。這可能是歐美等國對生物柴油的生產、銷售給予免稅、甚至給予補貼的（除了環保考量外的）另一個重要因素。當然，尋求其它較廉價的原料來源不失為一種選擇，如利用食品與餐飲業的廢棄油，利用動植物油廠的下腳料以及其他回收油。這樣固然可大幅度降低生產生物柴油的原料成本，但在同時，由于這些原料來源及成份的復雜性，卻會導致操作費用的明顯提高。更為重要的是，這些原料來源的分散性和不穩定性，使其僅可適用于較小規模的生產。
市場需求方面：世界范圍內對能源供應的需求越來越大以及與此同時化石類能源儲量的快速減少似乎是一個難以逆轉的大趨勢。同樣在中國，隨著經濟的持續高速增長，石油能源消耗巨大，并有越來越依賴于進口的趨勢，因此生物柴油必將有其廣闊的市場空間。但作為一種新型替代產品，要真正進入這一市場的前提條件仍是產品的可靠質量和有競爭力的價格。
政府政策方面：在生物柴油生產極其產品的質量監測、監督和標準化方面，則需要政府有關職能部門的干預和協調工作。這樣才能保證使真正符合生物柴油質量標準的的產品進入油品供銷渠道。進一步，如果政府能夠從政策（如稅收）上對生物柴油的生產、銷售給予支持，將定會對這一新興的綠色產業的發展起到極大的推動作用。
5 結語
生物柴油作為一種可再生的替代化石燃料的清潔燃料，越來越引起世界范圍的關注。在其生產技術和作為普通化石柴油替代品的性能方面，其可行性都已具有相當可靠的基礎。雖然在較近的未來，無論在生產規模還是在經濟效益的競爭力方面，生物柴油還難以與普通化石柴油形成競爭局面，但由于其在可再生和環保方面的特有優勢，已經或將會得到許多國家政府的支持和推動，并將具有廣闊的市場前景。
與多數工業化的國家相比，中國的生物柴油產業的發展仍僅處于起步階段。中國是一個柴油需求大國，同時又是一個擁有豐富油脂資源的農業大國，從國家能源發展及農業發展的雙重戰略高度來推動生物柴油產業的發展，意義重大。
參考文獻
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[2]United States Environmental Protection Agency, EPA420-F00-032, March 2002.
[3]http://www.energy.gov/news2009/7722.htm
[4]C. Baudouin,Biodiesel: 2nd Generation Technology, WRA 2005 - 6th European Fuels Conference, Institut Francais Du Petrole,2005.
[5]United States Environmental Protection Agency,A Comprehensive Analysis of Biodiesel Impacts on Exhaust Emission,Draft Technical Report,EPA420-P-02-001,2002.
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[7]C. Hamilton, Biofuels Made Easy, www.lurgi.com
[8]J. Van Gerpen, B. Shanks, R. Pruszko，D. Clements and G. Knothe，Biodiesel Production Technology,National Renewable Energy Laboratory,Internal Report,NREL/SR-510-36244,July 2004
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[11]M. Toda, A. Takagaki, M. Okamura, J.N. Kondo, S. Hayashi, K. Domen and M. Hara，Nature 2005,438:178.
[12]曹龍奎,張學娟,包鴻慧,黃威.生物柴油制備技術及應用前景[J] .農產品加工學刊,2005,(3):68-70.
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