生物柴油研究生产现状及发展趋势

常新林

克拉玛依华澳石油化工进出口有限公司，新疆克拉玛依 834000

生物柴油研究生产现状及发展趋势

常新林

克拉玛依华澳石油化工进出口有限公司，新疆克拉玛依 834000

本文介绍了可替代柴油的生物柴油在国内外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、农业产业结构调整和环境保护的作用,并展望了生物柴油产业的发展趋势。

生物柴油；可再生资源；脂肪酸甲酯；酯交换

随着全球性能源日益严重的短缺与环境恶化,控制汽车尾气排放,保护人类赖以生存的自然环境成为当前人类急需解决的问题。世界各国的能源研究人员从环境保护和资源战略的角度出发,积极探索发展替代燃料及可再生能源,生物柴油就是其中一种。生物柴油即脂肪酸甲酯,是一种含氧清洁燃料,由菜籽油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂制取加工而成。生物柴油作为优质的柴油代用品,属环境友好型绿色燃料,具有深远的经济效益和社会效益。生物柴油产业在我国具有巨大的发展潜力,并将对保障石油安全、保护生态环境、促进农业和制造业发展、提高农民收入,可产生相当重要的积极作用。

1 生物柴油

生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯(FAME) ,是以可再生资源(如油菜子油、大豆油、玉米油、棉籽油、花生油、棕榈油、回收烹饪油及动物油等) 为原料而制成,具备与石油柴油相近的性能。

1. 1 生物柴油的特性

(1) 生物柴油的理化性质

生物柴油基本不含硫和芳烃,十六烷值高达5219 ,可被生物降解、无毒、对环境无害。它的高含氧CN 值十分有利于压燃机的正常燃烧从而降低尾气有害物质排放,所以被称为低污染燃料。与柴油相比,生物柴油有较好的发动机低温启动性能,无添加剂时冷凝点达- 0 ℃;有较好的润滑性能,可降低喷油泵、发动机缸和连杆的磨损率,延长其使用寿命;有较好的安全性能,闪点高,不属于危险品;含氧量高,十六烷值高,燃烧性能优于普通柴油;可生物降解,对土壤和水的污染较少,可以降低90%的空气毒性,降低94%的致癌率;生物柴油的开口闪点高,储存、使用、运输都非常安全,不在危险品之列;没有硫散发,可减少酸雨发生。

(2) 压燃机燃用生物柴油时尾气排放物

美国科学家进行了大量试验,结果显示:CO、HCV、芳香烃、SO2及炭粒随燃料中的生物柴油含量增加而减少，从而减少了“温室效应”。

(3) 生产生物柴油的能耗

以每生产1 MJ 燃料的总能耗和效率表示。生物柴油与石油柴油总能耗及效率基本相近。但生物柴油的石油消耗仅为01311 MJ ,远低于柴油。而且榨油植物生长过程中大部分能量来自太阳能。

(4) 生物柴油燃烧排放物对人体健康的影响

美国研究人员通过有害气体对人的体重、食欲、死亡率、血液、神经、肺部、眼睛及DNA 等方面的影响得到结论:生物柴油的燃烧尾气对人体没有明显副作用。B—20 (含20 %生物柴油的混合油) 可降低16 %的毒性危害程度,B —100 (含100%生物柴油的混合油) 则可降低80%。

1. 2 生物柴油应用的历史

1896年德国热机工程师Rudolph Diesel 经10 多年反复试验,试制成功压力点火内燃机——柴油机,当时所选用的燃料是花生油[1]。此后,柴油机得到了大力推广,几乎所有的载重车船及农用设备的动力发动机都采用柴油机。虽然柴油机最初选用的是植物油作为驱动燃料,但由于植物油粘度较高,易导致发动机故障,便逐渐被矿物燃料柴油(Diesel Fuel) 所取代。但是随着柴油的迅速普及,诸多问题逐渐暴露出来,比如柴油机尾气含有过量的有毒气体和颗粒,包括硫、挥发性有机化合物、氮的氧化物和煤烟等。但随着许多科学家和环境学家的研究发现,当将植物油转化成其酯类,液体的黏度降低,可成为性能良好的燃料。任何一种植物油,甚至餐饮业废油脂都可转化为被称为生物柴油(Biodiesel) 的燃料,而且它的功能完全可与石油柴油相媲美,也可与柴油以任意比率混合使用。污染少使得它得以在环境敏感地区作为一种理想的燃料使用。

1. 3 生物柴油的生产方法与工艺流程

生物柴油的制造方法有以下4 种:直接使用和混合、微乳法、热解和酯交换[2、3]。生产实践中,普遍采用的方法是利用植物油或动物脂肪的酯交换反应制备生物柴油。化学酯交换法的反应方程式如下:

2 生物柴油在美国、欧洲国家的应用

2. 1 美国

应用与政策支持生物柴油在美国的商业应用始于20 世纪90 年代初,但直到最近两年才逐渐形成规模,并已成为该国发展最快的替代燃油[4]。生物柴油的研制过程中,美国在生产成本的合理化、适宜原料的选择及理化特性的改进等方面取得了突破性的进展。考虑到促进农业生产和增加就业机会等好处,美国许多州政府已立法加速推广使用生物柴油。美国能源部2001年新建了国家生物质能中心强化推广生物柴油,加利福尼亚州成为美国首先使用生物柴油的州。美国近几年对生物柴油做了较多的研究探索。

2. 2 欧洲国家

目前,生物柴油运用最多的是欧洲。在欧盟各国以前通常被用来作饲料用油的废食用油脂,现在也正转向生产生物柴油[5]。欧洲议会免除了生物柴油90%的税收,而高额燃油税一般要占普通柴油燃料零售价格的50 %甚至更多。欧洲国家对替代燃料的立法支持、差别税收以及对油籽生产的补贴共同促进了生物柴油的价格对其他柴油燃料价格的竞争性。

3 我国生物柴油研究与生产现状及展望

3. 1 发展石油替代能源的紧迫性和生产研究现状

在过去的10 年里,我国原油产量年均增长率仅为118 % ,但石油消费平均增长速度却达到419 % ,成为世界上石油消费增长最快的国家。按照我国目前7 %左右的经济增长速度计算,我国对进口石油的依赖程度将越来越大。如果不及时发展替代能源,我国将面临石油安全问题,严重时将导致能源危机,影响我国经济的可持续发展。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。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。

3. 2 发展生物柴油的对策及展望

3. 2. 1 生产生物柴油解决的技术问题

(1) 催化剂的研制开发

酯基转移反应所用的催化剂是关键技术，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、寿命及反应时间

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。采用合适的技术增加界面面积以及提高催化剂的有效浓度是非常必要的。

(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10μm 的过滤器进行过滤除去。

(6) 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。

3. 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政策支持。

(2) 将生物柴油纳入油品目录,尽快建立有关生物柴油的质量、生产流程、工艺设计以及安全生产方面的国家标准,以保证生物柴油的产品质量。

(3) 在科研攻关以及产业创新方面予以支持,走科研部门与企业联合承担项目的道路。

4 结语

大力发展生物柴油,对我国实施可持续发展战略具有十分重要的意义。首先,发展生物柴油可以部分缓解我国柴油供应紧张的状况并有助于部分替代进口产品;其次,种植油料作物,发展生物柴油,可以调整农业产业结构,提高农民收入;发展生物柴油对于改变我国现有的燃油结构,保护城市环境和节约能源资源,进一步实施可持续发展战略具有十分重要的意义。

[1]Olaf Schroder,Jurhen Krahl,Jurgen Bunger“Environmental and Health Effects Caused by the Use of Biodie”s,SelEA1999

[2]杨艳,卢滇楠,李春,曹竹安. 化工进展.2002 ,21 (5)

[3]Fangrui Ma ,Milford A ,Hanna. Bioresource Technology,1999, (70)～ :115

[4]燕林. 炼油设计.1999 ,29 :16

[5]彭荫来,等. 广东环境监测与管理.2000,10(2) :27～29

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.007