生物柴油研究生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

常新林

克拉瑪依華澳石油化工進(jìn)出口有限公司，新疆克拉瑪依 834000

生物柴油研究生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

常新林

克拉瑪依華澳石油化工進(jìn)出口有限公司，新疆克拉瑪依 834000

本文介紹了可替代柴油的生物柴油在國(guó)內(nèi)外研究及生產(chǎn)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),指出了生物柴油的優(yōu)勢(shì)及生物柴油制備、應(yīng)用中存在的問題,分析了發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)石油安全、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境保護(hù)的作用,并展望了生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

生物柴油；可再生資源；脂肪酸甲酯；酯交換

隨著全球性能源日益嚴(yán)重的短缺與環(huán)境惡化,控制汽車尾氣排放,保護(hù)人類賴以生存的自然環(huán)境成為當(dāng)前人類急需解決的問題。世界各國(guó)的能源研究人員從環(huán)境保護(hù)和資源戰(zhàn)略的角度出發(fā),積極探索發(fā)展替代燃料及可再生能源,生物柴油就是其中一種。生物柴油即脂肪酸甲酯,是一種含氧清潔燃料,由菜籽油、回收烹飪油、動(dòng)物油等可再生油脂制取加工而成。生物柴油作為優(yōu)質(zhì)的柴油代用品,屬環(huán)境友好型綠色燃料,具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。生物柴油產(chǎn)業(yè)在我國(guó)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?并將對(duì)保障石油安全、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)和制造業(yè)發(fā)展、提高農(nóng)民收入,可產(chǎn)生相當(dāng)重要的積極作用。

1 生物柴油

生物柴油的主要成分是脂肪酸甲酯(FAME) ,是以可再生資源(如油菜子油、大豆油、玉米油、棉籽油、花生油、棕櫚油、回收烹飪油及動(dòng)物油等) 為原料而制成,具備與石油柴油相近的性能。

1. 1 生物柴油的特性

(1) 生物柴油的理化性質(zhì)

生物柴油基本不含硫和芳烴,十六烷值高達(dá)5219 ,可被生物降解、無毒、對(duì)環(huán)境無害。它的高含氧CN 值十分有利于壓燃機(jī)的正常燃燒從而降低尾氣有害物質(zhì)排放,所以被稱為低污染燃料。與柴油相比,生物柴油有較好的發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)性能,無添加劑時(shí)冷凝點(diǎn)達(dá)- 0 ℃;有較好的潤(rùn)滑性能,可降低噴油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)缸和連桿的磨損率,延長(zhǎng)其使用壽命;有較好的安全性能,閃點(diǎn)高,不屬于危險(xiǎn)品;含氧量高,十六烷值高,燃燒性能優(yōu)于普通柴油;可生物降解,對(duì)土壤和水的污染較少,可以降低90%的空氣毒性,降低94%的致癌率;生物柴油的開口閃點(diǎn)高,儲(chǔ)存、使用、運(yùn)輸都非常安全,不在危險(xiǎn)品之列;沒有硫散發(fā),可減少酸雨發(fā)生。

(2) 壓燃機(jī)燃用生物柴油時(shí)尾氣排放物

美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了大量試驗(yàn),結(jié)果顯示:CO、HCV、芳香烴、SO2及炭粒隨燃料中的生物柴油含量增加而減少，從而減少了“溫室效應(yīng)”。

(3) 生產(chǎn)生物柴油的能耗

以每生產(chǎn)1 MJ 燃料的總能耗和效率表示。生物柴油與石油柴油總能耗及效率基本相近。但生物柴油的石油消耗僅為01311 MJ ,遠(yuǎn)低于柴油。而且榨油植物生長(zhǎng)過程中大部分能量來自太陽能。

(4) 生物柴油燃燒排放物對(duì)人體健康的影響

美國(guó)研究人員通過有害氣體對(duì)人的體重、食欲、死亡率、血液、神經(jīng)、肺部、眼睛及DNA 等方面的影響得到結(jié)論:生物柴油的燃燒尾氣對(duì)人體沒有明顯副作用。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) 則可降低80%。

1. 2 生物柴油應(yīng)用的歷史

1896年德國(guó)熱機(jī)工程師Rudolph Diesel 經(jīng)10 多年反復(fù)試驗(yàn),試制成功壓力點(diǎn)火內(nèi)燃機(jī)——柴油機(jī),當(dāng)時(shí)所選用的燃料是花生油[1]。此后,柴油機(jī)得到了大力推廣,幾乎所有的載重車船及農(nóng)用設(shè)備的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)都采用柴油機(jī)。雖然柴油機(jī)最初選用的是植物油作為驅(qū)動(dòng)燃料,但由于植物油粘度較高,易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障,便逐漸被礦物燃料柴油(Diesel Fuel) 所取代。但是隨著柴油的迅速普及,諸多問題逐漸暴露出來,比如柴油機(jī)尾氣含有過量的有毒氣體和顆粒,包括硫、揮發(fā)性有機(jī)化合物、氮的氧化物和煤煙等。但隨著許多科學(xué)家和環(huán)境學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)將植物油轉(zhuǎn)化成其酯類,液體的黏度降低,可成為性能良好的燃料。任何一種植物油,甚至餐飲業(yè)廢油脂都可轉(zhuǎn)化為被稱為生物柴油(Biodiesel) 的燃料,而且它的功能完全可與石油柴油相媲美,也可與柴油以任意比率混合使用。污染少使得它得以在環(huán)境敏感地區(qū)作為一種理想的燃料使用。

1. 3 生物柴油的生產(chǎn)方法與工藝流程

生物柴油的制造方法有以下4 種:直接使用和混合、微乳法、熱解和酯交換[2、3]。生產(chǎn)實(shí)踐中,普遍采用的方法是利用植物油或動(dòng)物脂肪的酯交換反應(yīng)制備生物柴油。化學(xué)酯交換法的反應(yīng)方程式如下:

2 生物柴油在美國(guó)、歐洲國(guó)家的應(yīng)用

2. 1 美國(guó)

應(yīng)用與政策支持生物柴油在美國(guó)的商業(yè)應(yīng)用始于20 世紀(jì)90 年代初,但直到最近兩年才逐漸形成規(guī)模,并已成為該國(guó)發(fā)展最快的替代燃油[4]。生物柴油的研制過程中,美國(guó)在生產(chǎn)成本的合理化、適宜原料的選擇及理化特性的改進(jìn)等方面取得了突破性的進(jìn)展。考慮到促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和增加就業(yè)機(jī)會(huì)等好處,美國(guó)許多州政府已立法加速推廣使用生物柴油。美國(guó)能源部2001年新建了國(guó)家生物質(zhì)能中心強(qiáng)化推廣生物柴油,加利福尼亞州成為美國(guó)首先使用生物柴油的州。美國(guó)近幾年對(duì)生物柴油做了較多的研究探索。

2. 2 歐洲國(guó)家

目前,生物柴油運(yùn)用最多的是歐洲。在歐盟各國(guó)以前通常被用來作飼料用油的廢食用油脂,現(xiàn)在也正轉(zhuǎn)向生產(chǎn)生物柴油[5]。歐洲議會(huì)免除了生物柴油90%的稅收,而高額燃油稅一般要占普通柴油燃料零售價(jià)格的50 %甚至更多。歐洲國(guó)家對(duì)替代燃料的立法支持、差別稅收以及對(duì)油籽生產(chǎn)的補(bǔ)貼共同促進(jìn)了生物柴油的價(jià)格對(duì)其他柴油燃料價(jià)格的競(jìng)爭(zhēng)性。

3 我國(guó)生物柴油研究與生產(chǎn)現(xiàn)狀及展望

3. 1 發(fā)展石油替代能源的緊迫性和生產(chǎn)研究現(xiàn)狀

在過去的10 年里,我國(guó)原油產(chǎn)量年均增長(zhǎng)率僅為118 % ,但石油消費(fèi)平均增長(zhǎng)速度卻達(dá)到419 % ,成為世界上石油消費(fèi)增長(zhǎng)最快的國(guó)家。按照我國(guó)目前7 %左右的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度計(jì)算,我國(guó)對(duì)進(jìn)口石油的依賴程度將越來越大。如果不及時(shí)發(fā)展替代能源,我國(guó)將面臨石油安全問題,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致能源危機(jī),影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)政府為解決能源節(jié)約、替代和綠色環(huán)保等問題制定了一系列政策和措施,一些學(xué)者和專家已致力于生物柴油的研究、倡導(dǎo)工作。但是與國(guó)外相比,我國(guó)在發(fā)展生物柴油方面還有相當(dāng)大的差距,長(zhǎng)期徘徊在初級(jí)研究階段,未能形成生物柴油的產(chǎn)業(yè)化;政府尚未針對(duì)生物柴油提出一套扶植、優(yōu)惠和鼓勵(lì)的政策辦法;更沒有制定生物柴油統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略。

3. 2 發(fā)展生物柴油的對(duì)策及展望

3. 2. 1 生產(chǎn)生物柴油解決的技術(shù)問題

(1) 催化劑的研制開發(fā)

酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)所用的催化劑是關(guān)鍵技術(shù)，為了提高生物柴油的產(chǎn)量和品質(zhì),需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)以獲得最佳的催化劑。

(2) 酶的選擇性、壽命及反應(yīng)時(shí)間

在利用酶進(jìn)行酯交換反應(yīng)時(shí),不使用有機(jī)溶劑就達(dá)不到高的酯交換率。反應(yīng)系統(tǒng)中甲醇達(dá)到一定量時(shí),酶就失活,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。可采用固定化酶連續(xù)生產(chǎn)生物柴油的技術(shù)初步解決這一問題。

(3) 生物柴油的傾點(diǎn)高,影響低溫啟動(dòng)性

由于生物柴油的碳數(shù)分布集中在14～18 ,因此低溫啟動(dòng)性差。可采取可控分段裂解的方法使生物柴油的碳數(shù)分布與石油柴油接近,從而改善生物柴油的低溫啟動(dòng)性。

(4) 反應(yīng)的接觸界面問題

甲醇和動(dòng)植物油脂互溶性差,反應(yīng)體系呈兩相,酯基轉(zhuǎn)移反應(yīng)只在界面進(jìn)行,反應(yīng)速率低。采用合適的技術(shù)增加界面面積以及提高催化劑的有效濃度是非常必要的。

(5) 甘油皂對(duì)油品質(zhì)量的影響

甘油皂容易堵塞輸油管道和噴油嘴。可從反應(yīng)器底部排出甘油皂,生物柴油中殘留的甘油皂可用孔徑為10μm 的過濾器進(jìn)行過濾除去。

(6) 生物柴油的品質(zhì)

生物柴油的燃料特性必須符合柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的品質(zhì)規(guī)格。生物柴油(脂肪酸甲酯) 作為燃料,首先必須保證制造時(shí)的酯交換反應(yīng)完全,以避免雜質(zhì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常和廢氣排放不良。而且必須徹底去除其反應(yīng)的副產(chǎn)品甘油,有效的精練回收甘油還可降低生物柴油的成本。其次必須注意脂肪酸甲酯的氧化穩(wěn)定性,因?yàn)槿绻柞ナ艿窖趸?則會(huì)改變其燃料性質(zhì),導(dǎo)致燃燒生成的膠質(zhì)或油渣阻塞過濾器。

3. 2. 2 發(fā)展展望

(1) 實(shí)行政府引導(dǎo)、支持和市場(chǎng)機(jī)制結(jié)合的發(fā)展方針,在稅收與補(bǔ)貼方面予以適當(dāng)?shù)恼咧С帧?/p>

(2) 將生物柴油納入油品目錄,盡快建立有關(guān)生物柴油的質(zhì)量、生產(chǎn)流程、工藝設(shè)計(jì)以及安全生產(chǎn)方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),以保證生物柴油的產(chǎn)品質(zhì)量。

(3) 在科研攻關(guān)以及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新方面予以支持,走科研部門與企業(yè)聯(lián)合承擔(dān)項(xiàng)目的道路。

4 結(jié)語

大力發(fā)展生物柴油,對(duì)我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義。首先,發(fā)展生物柴油可以部分緩解我國(guó)柴油供應(yīng)緊張的狀況并有助于部分替代進(jìn)口產(chǎn)品;其次,種植油料作物,發(fā)展生物柴油,可以調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提高農(nóng)民收入;發(fā)展生物柴油對(duì)于改變我國(guó)現(xiàn)有的燃油結(jié)構(gòu),保護(hù)城市環(huán)境和節(jié)約能源資源,進(jìn)一步實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義。

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

[2]楊艷,盧滇楠,李春,曹竹安. 化工進(jìn)展.2002 ,21 (5)

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

[4]燕林. 煉油設(shè)計(jì).1999 ,29 :16

[5]彭蔭來,等. 廣東環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理.2000,10(2) :27～29

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.007