生物柴油的研究与应用现状及发展建议

曾凡娇，刘文福

(河南农业职业学院，河南 中牟 451450)

1 引言

随着经济的发展和生活水平的提高，全球各国的环保意识在不断增强，中国是一个发展中国家，是第一大能源消耗国，肩负着促进经济发展和保护环境的双重重担，石油资源枯竭带来的能源危机及燃烧石油引发的环境污染问题已经成为制约我国国民经济发展的关键因素之一，合理的开发和利用可再生清洁能源关系到我国经济的可持续发展，是保障国家安全和社会进步的必然选择。生物柴油与石油的其它替代燃料相比，有显著优势，因此生产、使用生物柴油不仅可以解决石油供给不足的问题，同时对降低环境污染、实现能源的可持续发展具有重要意义。

发展生物柴油产业对于促进我国生态环境的建设和农村经济发展具有重要意义，我国是油菜生产大国，可通过调整农业结构扩大油料植物的发展，建立生物柴油原料基地和能源工厂，以此增加就业机会、促进经济的发展。同时，生物柴油燃烧时产生的二氧化碳、多环苯类致癌物和“黑烟”等污染物比石油少很多，对于保护生态环境有积极作用。

2 生物柴油概述

生物柴油是以动植物油脂、微生物及各种废弃油脂为原料，与醇(如甲醇、乙醇等)经过转酯反应获得脂肪酸单烷基脂，可供内燃机使用。生物柴油最早由英国人Patrick Duffy于1853年发现，在1985年德国工程师 Dr.Rudolf Diesel正式提出了生物柴油的概念，并于1988年由德国的聂尔公司发明。生物柴油作为最重要的可再生燃料之一，分子量与柴油接近，与柴油有极佳的相溶性，能与国家标准柴油一样单独或者混合用于机动车，具有能量密度高、燃烧充分、安全可靠和优良的保护作用等特性，同时具有发动机低温启动的优点，是一种优质的绿色燃料。

3 生物柴油的制作

植物油和动物脂肪的主要成分是脂肪酸甘油酯，分子间引力大、粘度高，不便于直接当燃料使用，需要通过化学转化法来解决持久性和操作性问题。目前，制作生物柴油的制作方法主要有直接混合法、微乳法、高温裂解法和酯交换法4种，直接混合法和微乳法属于物理方法，不改变生物油脂的结构和性质，简单易操作，燃烧性难以满足燃料标准。其中直接混合法是将植物油与矿物柴油按比例混合制成，存在粘度高以及燃烧中有积碳等问题；微乳法是用乳化剂将动植物油制成微乳状液，该法解决了动植物油黏度高的问题，但是容易出现破乳现象、稳定性差；高温裂解法和酯交换法都属于化学转化法，通过酯化或转酯化反应，把甲醇、生物油脂物质转化为脂肪酸低碳烷基酯，然后经过甘油分离、水洗、干燥等一系列流程得到生物柴油，该方法已经拥有完善的技术方法和制作体系。高温裂解法在家庭式小作坊就可以生产，用快速加热的方式使废弃油的有机分子迅速断裂为短链分子，使结炭和产气降到最低，从而最大限度地获得燃油，所得的生物柴油与普通柴油接近，但生产成本较高，应用较少；酯交换法是工业生产生物柴油的主要方法，根据催化剂的不同可分为酸碱催化和酶催化和超临界法3种工艺，前2种方法工艺复杂、反应时间长、产品分离难和催化剂回收难等弊端，其中酶催化法适应性广、反应条件温和(30～40 ℃)转化率高、醇用量小和易收集、无污染等优点，但是反应中的甲醇含量高时会导致脂酶失去活性，存在反应时间长，酶价格偏高等缺点；超临界法是近些年提出的新方法，突出优点表现在反应速度快、转化率高，该工艺对原料要求低，产品单纯，但是需要在高温高压的环境下操作。具体生物柴油的制作方法和特点见表1。国内外生物柴油的制备工艺技术及特点对比见表2。

表1 生物柴油的制作方法和特点

表2 国内外生物柴油的制备工艺技术对比

4 国内外生物柴油的研究和发展现状

全球的生物柴油产地主要有美国、巴西和欧盟各国等，甚至把生物柴油作为新经济产业的亮点，美国主要用大豆油作原料，欧盟各国主要用菜籽油，生产的生物柴油占成品油的5%，是产量最大的地区。美国为了促进生物柴油产业的迅速发展，在1998年就制订了相应的生物柴油标准，明确要求降低柴油燃料的废气排放量，严格规范生物柴油的使用和生产，1999年美国总统克林顿签署了开发生物质能的法令，生物柴油实行零税率政策，在2002年美国ASTM(材料试验学会 )通过了生物柴油标准。为助力生物柴油的发展，美国和欧盟等国先后多次调整生物柴油税收政策，并提供资金支持，欧洲议会减免税收达90%。巴西在1980年已成功研制出生物柴油技术，并推出了“生物柴油计划”。据统计，全球生物柴油的产量在2004年是189万t，到2019年增至4420万t，年均增幅高达20%。

我国生物柴油的发展普遍先后经历了快速发展、企业分化发展、经营困难3个阶段。截至2019年12月，我国能正常生产生物柴油的企业共有26家，其中有3家生产加氢生物柴油，2019年生物柴油的产量约120万t，同比增长20%。从生产原料的角度出发，2019年大豆油的原料成本合到5223.55元/t，地沟油合到4314.95元/t，而海外大豆油合到4451.74元/t，可见，国内以地沟油为原料制造生物柴油更经济实惠。为了推动生物柴油的健康发展，加快生物柴油在交通领域的应用，我国分别在2014年、2016年出台了《生物柴油产业发展政策》《生物质能发展“十三五”规划》，国税局和财政部多次发文，财政部和国家税务总局多次发文，明确生物柴油税收优惠政策，对符合国标的生物柴油实施免消费税并退70%增值税，这对于生物柴油产业的发展起到了非常重要的作用。整体而言，我国生物柴油产业发展形势良好，已具备较健全的法律法规政策，并初具产业规模，在各级政府的推进和示范作用下，逐步积累了一些实践经验，具有快速扩大生物柴油的应用的必要物质基础和技术条件。

5 国内生物柴油发展存在的问题及建议

我国清华大学实验室研究的用于生物柴油生产的生化酶催化剂工艺，已成功应用于生物柴油中试装置，这足以表明技术和设备都不是阻碍我国生物柴油发展的关键问题，真正制约生物柴油产业发展的是怎样获取充足的、低成本的生物油脂。我国生物柴油产业发展中存在的主要问题是原料成本高、企业经营成本高、产品与竞品相比无价格优势、市场占有率低等。

5.1 原料成本高

相关数据研究表明，生物柴油的制备成本中，原料成本占到75%左右。我国发展生物柴油的一大障碍是原料问题，按照“不与人争粮、不与粮争地”的发展原则，我国生产粮食的土地不能用于生产生物柴油的油料作物，主要发展以废弃油脂和草本油料(食用性除外)为原料的生物柴油，这使得生物柴油的原料供给不足，价格也因此一直居高不下。

因此，如何获取廉价的原料是我们面临的首要问题，如何提高原料的转化率是降低生物柴油的生产成本、推广生物柴油应用的关键。而要长久的实现用生物柴油替代石化能源，必须要积极地开展和建立科学研究，将先进的技术用于油菜籽、大豆等原料的改良研究，增加原材料的含油量。同时利用沿海地区的微藻等建设可靠的、稳定的原料生产基地。

5.2 生产技术复杂

目前,我国虽然有多家公司实现了生物柴油的工业化生产, 但普遍存在生产能力小、耗能大、制作工艺复杂等问题，需要进一步解决甘油的分离和精细化制作、废碱液的处理等问题。生物柴油的生产方法有很多，目前已经产业化的生产工艺主要是催化转酯法。但化学法生产生物柴油工艺复杂，其中使用的过量甲醇，需要配备醇回收装置，能耗高；其次，酯化产物回收难、回收成本高, 生成中产生的废酸废碱还存在二次污染；再次，原料中的水和游离脂肪酸严重影响生物柴油的产量和品质。相比较而言，生物酶法优点很多，但工业化生产难。

因此，积极开展生物柴油的生产工艺和生产技术的创新改革，是推动我国生物柴油产业发展的核心。

5.3 相关政策有待完善

目前，我国生物柴油相关的法规政策尚未得到有效的贯彻实施，生物柴油的销售不景气，大多数销售企业对生物柴油的质量是否可靠、供应是否稳定以及改增售生物柴油所带来的成本增加等问题存在顾虑，要解决生物柴油产业发展中存在的这一系列问题，我国应不断修正和完善相关的法律法规，积极展开生物柴油应用的示范，发挥政府的主导作用，同时建立完善的质量监督体系，给予生物柴油销售企业更多的帮扶和优惠政策。

6 结语

随着社会经济的发展，人们对于燃油的需求越来越旺盛，由此带来的能源短缺和环境问题越来越受到社会各界的关注，而有“绿色能源”之称的生物柴油具备可再生性和安全性，既可以很好地解决现阶段面临的问题，又有助于我国社会经济的健康发展。政府和相关工作部门的有效支持，不仅能给企业营造良好的产业发展环境，还有利于推动我国生物柴油产业的长久、持续发展，为社会经济的发展奠定基础，为生物柴油的稳定发展和广泛应用提供保障。