摘要：簡述了生物柴油的發(fā)展歷史和主要特性，綜述了生物柴油的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)況，對生物柴油的發(fā)展前景從技術(shù)、經(jīng)濟、市場和國家政策等方面進行了討論。

關(guān)鍵詞：生物柴油,清潔燃料,生產(chǎn)技術(shù),應(yīng)用

1　前言

生物柴油通常是指以動植物油脂為原料生產(chǎn)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(nóng)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(fā)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(qū)動的發(fā)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(yè)的急劇發(fā)展以及由其帶來的大量的廉價柴油的生產(chǎn)，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(nèi)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(zhì)為原料的可再生能源就是其中一個重要的發(fā)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(fā)可再生能源作為奠定新經(jīng)濟基礎(chǔ)的支柱之一，并計劃投入數(shù)十億美元用于可再生能源項目[3]。透過這些現(xiàn)象，我們有理由推斷，未來世界范圍內(nèi)的能源開發(fā)和應(yīng)用將越來越呈現(xiàn)出多樣化，而不是僅僅圍繞著化石類能量資源的開發(fā)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(zhì)資源作原料來生產(chǎn)燃料被認為是一種符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的發(fā)展方向。目前，世界范圍內(nèi)開發(fā)和應(yīng)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(fā)動機燃料的研究和應(yīng)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(fā)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(qū)別于化石燃料的一個顯著特點。這也是符合可持續(xù)發(fā)展要求的一個重要特征。

環(huán)保性能：優(yōu)良的環(huán)保性能是生物柴油區(qū)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(huán)保性能優(yōu)于普通柴油，其排放尾氣對人體的危害也低于普通柴油。

發(fā)動機臺架試驗性能：一系列利用不同型號柴油發(fā)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(qū)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(jié)果同時表明，生物柴油的潤滑性能要優(yōu)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(diào)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(chǎn)和研究

3.1  生物柴油的生產(chǎn)

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(yīng)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(chǎn)工藝而制的的脂肪酸甲酯，其反應(yīng)過程可簡單表達如下 （圖1）。

圖1  油脂與甲醇的酯交換反應(yīng)
 

在研究基礎(chǔ)上，多種以油脂為原料用化學反應(yīng)的方法生產(chǎn)脂肪酸甲酯的工藝都得到開發(fā)和應(yīng)用。從工藝步驟講，有一步與多步反應(yīng)工藝之分；從工藝操作看，有間歇操作與連續(xù)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(yīng)的基礎(chǔ)上，增加一次酯交換反應(yīng)過程從而保證近乎100%的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

圖2  Lurgi生物柴油生產(chǎn)工藝流程簡圖
 

3.2  生物柴油的研究現(xiàn)狀

目前，對生物柴油生產(chǎn)及技術(shù)的研究和開發(fā)主要集中在以下幾個方面。