摘要：簡(jiǎn)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(duì)生物柴油的發(fā)展前景從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場(chǎng)和國(guó)家政策等方面進(jìn)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(dòng)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(dá)到生物柴油標(biāo)準(zhǔn)）的液體燃料。一般為無(wú)色（或淡黃色）透明液體，粘度與普通柴油相近。其原料的來(lái)源主要包括以下幾大類(lèi)：（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(dòng)物油類(lèi)，如油脂、廢棄油腳等。因其原材料來(lái)自可再生的動(dòng)植物資源，故常被稱(chēng)作可再生的生物燃料。

利用動(dòng)植物油作發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的歷史可追溯到1895年前后。其時(shí)，Rudolf Diesel就在研制世界上第一臺(tái)用花生油驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，并于1900年在巴黎世界博覽會(huì)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(lái)的大量的廉價(jià)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(jì)70年代，世界范圍內(nèi)的能源短缺和油價(jià)上漲才引起人們對(duì)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(gè)重要的發(fā)展方向。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，尋求替代能源的緊迫性顯得更為突出并已引起許多國(guó)家政府的高度重視。如美國(guó)奧巴馬政府就將開(kāi)發(fā)可再生能源作為奠定新經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的支柱之一，并計(jì)劃投入數(shù)十億美元用于可再生能源項(xiàng)目[3]。透過(guò)這些現(xiàn)象，我們有理由推斷，未來(lái)世界范圍內(nèi)的能源開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將越來(lái)越呈現(xiàn)出多樣化，而不是僅僅圍繞著化石類(lèi)能量資源的開(kāi)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(lái)生產(chǎn)燃料被認(rèn)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(kāi)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(wàn)噸左右，主要集中在巴西和美國(guó)；生物柴油約占11%，年消耗量約240萬(wàn)噸左右，主要集中在歐盟各主要成員國(guó)包括德國(guó)、法國(guó)、意大利和英國(guó)（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(wàn)噸）。鑒于對(duì)以乙醇直接或復(fù)配作為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)將集中在以動(dòng)植物油為原料的用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)植物資源，可再生性是生物柴油區(qū)別于化石燃料的一個(gè)顯著特點(diǎn)。這也是符合可持續(xù)發(fā)展要求的一個(gè)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(gè)顯著特征。研究表明[5]，與普通柴油相比，生物柴油燃燒時(shí)一氧化碳、烴類(lèi)化合物及塵粒的的排放量明顯減少。同時(shí)，由于生物柴油中硫含量極低，使得燃燒時(shí)幾乎無(wú)二氧化硫和硫化物排放。芳香族烴類(lèi)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(duì)人體的危害也低于普通柴油。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)性能：一系列利用不同型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的生物柴油和普通柴油性能比較都表明二者的動(dòng)力性能沒(méi)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(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，生物柴油的潤(rùn)滑性能要優(yōu)于普通柴油。
目前使用生物柴油的國(guó)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(jī)燃燒[1]，但其高粘度、高凝點(diǎn)等特性使得其在實(shí)際應(yīng)用中受到極大的限制。目前所說(shuō)的生物柴油，主要是指以油脂為原料通過(guò)各種生產(chǎn)工藝而制的的脂肪酸甲酯，其反應(yīng)過(guò)程可簡(jiǎn)單表達(dá)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(xué)反應(yīng)的方法生產(chǎn)脂肪酸甲酯的工藝都得到開(kāi)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(dòng)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(guò)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(jiǎn)圖
 

3.2  生物柴油的研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)生物柴油生產(chǎn)及技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)主要集中在以下幾個(gè)方面。