“生物柴油”是如何生产的？
生物柴油的主要特性
众所周知，柴油分子大约由15个碳链组成，发现植物油分子一般由14-18个碳链组成，与柴油分子的碳链数量相近。因此，生物柴油是一种由可再生植物油如油菜籽制成的新型燃料。从化学成分分析，生物柴油燃料是一种高级脂肪酸甲烷，由以不饱和油酸C18为主要成分的甘油酯分解得到。与传统柴油相比，生物柴油具有以下无可比拟的特性:
1.它具有优良的环保特性。主要是因为生物柴油中硫含量低，二氧化硫和硫化物的排放低，可降低30%左右(有催化剂时为70%)；生物柴油不含会污染环境的芳香族烷烃，所以尾气对人体的危害低于柴油。试验表明，与普通柴油相比，使用生物柴油可使空气毒性降低90%，癌症发病率降低94%。由于生物柴油含氧量高，燃烧时排放的烟雾较少，一氧化碳排放量比柴油减少约10%(有催化剂时减少95%)；生物柴油具有很高的生物降解性。
2.它具有良好的低温发动机起动性能。无添加剂的冷滤点达到-20℃。
3.它具有良好的润滑性能。喷油泵、发动机缸体、连杆磨损率低，使用寿命长。
4.它具有良好的安全性能。由于其高闪点，生物柴油并不危险。因此，在运输、储存和使用中的安全性是显而易见的。
5.它有很好的燃油性能。高十六烷值使其比柴油更好燃烧，燃烧残渣呈微酸性，延长了催化剂和机油的使用寿命。
6.它是可再生的。作为一种可再生能源，与石油储备不同，它的供应不会通过农业和生物科学家的努力而耗尽。
7.在不更换柴油机的情况下，可以直接添加使用，同时也不需要增加额外的加油设备、储存设备和对人员进行专门的技术培训。
8.生物柴油与石化柴油按一定比例混合，可以降低油耗，提高动力性能，减少尾气污染。
生物柴油的优异性能使得使用生物柴油的发动机尾气排放指标不仅满足现行的欧ⅱ标准，还满足欧洲即将颁布实施的更为严格的欧ⅲ排放标准。而且由于生物柴油燃烧排放的二氧化碳远低于植物生长过程中吸收的二氧化碳，改善了二氧化碳排放导致的全球变暖这一危害人类的重大环境问题。因此，生物柴油是真正的绿色柴油。
一种生物柴油的生产方法
目前生物柴油主要采用化学法生产，即动植物油与甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或碱性催化剂中，在高温(230-250℃)下进行酯交换反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤、干燥后得到生物柴油。生产过程中可回收甲醇或乙醇，生产设备与一般制油设备相同，生产过程中可产生约10%的副产物甘油。
目前生物柴油的主要问题是成本高。据统计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此，生物柴油实际应用的关键是采用廉价的原料，提高转化率以降低成本。美国已经开始通过基因工程研究含油量高的植物，日本使用工业废油和废煎炸油，欧洲在不适合种植粮食的土地上种植含油丰富的作物。
但化学合成生物柴油有以下缺点:工艺复杂，醇必须过量，后续工艺必须有相应的醇回收装置，能耗高，颜色较深，高温下脂肪中的不饱和脂肪酸易变质；酯化产物难以回收，成本高；废碱液在生产过程中排放。
为了解决上述问题，人们开始研究生物酶法合成生物柴油，即利用脂肪酶将动物脂肪和低碳醇酯化，制备相应的脂肪酸甲酯和乙酯。酶法合成生物柴油具有条件温和、酒精消耗低、无污染排放等优点。但目前存在的主要问题是:甲醇和乙醇的转化率较低，一般只有40%-60%。目前脂肪酶对长链脂肪醇的酯化或酯交换反应有效，但短链脂肪醇(如甲醇或乙醇)的转化率低，短链醇对酶有毒性，所以酶的使用寿命短。副产物甘油和水难以回收，不仅抑制了产物的形成，而且对固定化酶有毒性，使固定化酶使用寿命短。
“工程微藻”生产柴油为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国国家可再生实验室(NREL)通过现代生物技术构建了“工程微藻”，即一种硅藻的“工程微囊藻”。在实验室条件下，“工程微藻”中的脂质含量可以提高到60%以上，室外生产也可以提高到40%以上。一般来说，微藻的油脂含量在自然状态下为5%-20%。“工程微藻”中油脂含量的增加主要是由于乙酰辅酶a羧化酶(ACC)基因在微藻细胞中的高表达，该基因在控制油脂积累中起重要作用。目前，我们正在研究选择合适的分子载体，使ACC基因在细菌、酵母和植物中充分表达，并进一步将修饰后的ACC基因导入微藻中，以获得更高效的表达。利用“工程微藻”生产柴油具有重要的经济和生态意义，其优点是:微藻生产能力高，利用海水作为天然培养基，节约农业资源；比陆生植物高几十倍。生产的生物柴油不含硫，燃烧时不排放有毒气体，排放到环境中可被微生物降解，不污染环境。发展含油微藻或“工程微藻”生产生物柴油是一大趋势。
国外生物柴油的发展现状
生物柴油诞生于1988，是德国尼尔斯公司发明的。它是从菜籽油中提炼出来的清洁燃料。突出的环保性和可再生性引起了发达国家特别是资源贫乏国家的高度重视。在行业规范和政策的鼓励下，西方国家采取了一系列积极措施发展生物柴油。为了便于推广使用，德国、意大利等国家都制定了生物柴油的技术标准。比如美国权威机构ASTM在1996和2000年发布标准，改善生物柴油的产业化条件，政府积极鼓励他们在生物柴油价格上给予一定的补贴。例如，德国农民种植以生物柴油为原料的油菜籽可以获得1000德国马克/公顷的补贴，而且生产生物柴油是免税的。
利用欧洲和北美的剩余菜籽油和大豆油生产生物柴油已得到推广应用。目前，生物柴油主要采用化学法生产。植物油与甲醇或乙醇在酸性或碱性催化剂中于230-250℃酯化，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。目前，生物酶法合成生物柴油的技术仍在研究中。与普通柴油相比，生物柴油更有利于环保，使得柴油尾气中有毒有机物的排放仅为1/10，颗粒物为20%，CO2和CO的排放仅为10%。根据京都议定书，欧盟将在2008年至2012年间减排8%。根据燃料对整个大气中CO2影响的生命周期分析，生物柴油排放的CO2比化石柴油少50%左右。为此，欧盟最近发布了两项新指令，以促进生物燃料在汽车燃料市场的应用，这将进一步促进欧洲生物柴油产业的发展。与常规柴油相比，生物柴油的价格要贵一倍以上。因此，新指令要求欧盟国家降低生物柴油的税率，并规定生物柴油在欧洲汽车燃料中的销售比例。
西方国家生物柴油产业发展迅速。近年来，西方国家加大了对生物柴油商业化的投入，使得生物柴油的投资规模加大，开工项目增多。美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国家都在积极发展这一产业。目前，美国有四个生物柴油生产厂，总产能为30万吨/年。欧盟国家主要以油菜为原料，2001年生物柴油产量已超过1万吨。2000年德国的生物柴油达到45万吨，德国也于2006年6月5438+10月在海德地区投资5000万马克，建设年产65438+万吨的生物柴油工厂。法国有七家生物柴油生产厂，总产能为40万吨/年。使用标准是在普通柴油中添加5%的生物柴油，生物柴油的税率为零。意大利有9家生物柴油生产厂，总产能33万吨/年，生物柴油税率为零。奥地利有三个生物柴油生产厂，总产能为5.5万吨/年，税率为石油柴油的4.6%。比利时有两家生物柴油生产厂，总产能为240，000吨/年。日本的生物柴油产能也达到了40万吨/年。
中国生物柴油发展现状
我国政府已经制定了一些政策和措施来解决节能、替代和环保问题，一些学者和专家已经投身于生物柴油的研究和倡导。我国生物柴油的研发虽然起步较晚，但发展迅速，一些科研成果已达到国际先进水平。研究内容涉及油料植物的分布、选择、栽培、遗传改良、加工技术和设备。目前，各方面的研究已经取得了阶段性成果，这无疑将有助于我国生物柴油的进一步研究和发展。可以预见，在2-3年内，我国在该领域的研究将取得突破，达到实用化水平。
著名学者闵恩泽院士在《绿色化学与化工》一书中首次明确提出了发展清洁燃料生物柴油的课题:原机械工业部、原中国石油化工集团公司于上世纪80年代拨出专项经费，项目由上海内燃机研究所和桂外一山农机承担10年，并邀请中国石油化工研究院专家詹做了大量的基础实验和探索；中国农业工程研究设计院史德禄先生也在1985进行了生物柴油的实验。辽宁能源研究所承担的中欧合作研究项目也涉及生物柴油；中国科学技术大学、河南理工大学和陆军化学研究所等单位也对生物柴油进行了不同程度的研究。
系统研究始于中科院八五期间重点科研项目:“油料植物研究与应用技术”，完成了金沙江流域油料植物资源调查和栽培技术研究，建立了30公顷的麻疯树栽培示范片。自20世纪90年代初以来，长沙新技术研究所和湖南省林科院在能源植物和生物柴油方面进行了65，438+00年的合作研究。“八五”期间，完成了树皮油制备甲酯燃料油的工艺及其燃烧特性研究。“九五”期间完成了国家重点科研项目“植物油能源利用技术”。
1999-2002年期间，湖南省林科院承担并主持了国家林业局国外先进林业技术引进(948工程)，即“能源树种绿王树及其利用技术引进”，从南非、美国、巴西引进了能源树种桉树Tim-calli优良无性系。开发完成了绿色玉树的牛奶提取设备；对榆树胶乳的组成和燃料特性进行了研究:榆树胶乳催化裂解取得了阶段性成果。
然而，与国外相比，我国生物柴油的发展仍存在相当大的差距，长期停留在初级研究阶段，未能形成生物柴油的产业化:政府尚未提出一套支持、优惠和鼓励生物柴油的政策措施，更不用说制定生物柴油的统一标准和实施产业化发展战略。因此，中国加入WTO后，在如何面对经济快速发展和环境保护双重压力的背景下，加快高效清洁的生物柴油产业化进程显得更加迫切。
中国生物柴油产业化前景
2003年，在国民经济持续快速增长的带动下，中国石油市场需求增长强劲，成品油总需求以两位数增长，达到11.4%，比上年增长7.4个百分点，推动了石油进口的大幅增长，使中国成为石油消费和进口大国。石油市场资源短缺，价格全面上涨。据中国物流信息中心统计，2003年我国石油及其产品累计平均价格比上年上涨11.8%。初步分析表明，2004年中国石油市场供需形势与2003年基本相似，将继续保持消费需求旺盛、供需基本平衡的格局，但不排除季节、运输等因素导致的局部性、结构性供应短缺。预计2004年中国原油消费量为2.7亿吨，净进口量可能超过6543.8亿吨。
中国是石油净进口国，石油储备非常有限。大量进口石油对中国能源安全构成威胁。因此，提高油品质量对中国来说更为实际。生物柴油有三大优势:可再生、清洁、安全。专家认为，生物柴油对中国农业结构调整、能源安全和生态环境综合治理具有重要的战略意义。目前，汽车柴油已经成为汽车工业的一个发展方向。据专家预测，到2010年，世界对柴油的需求将从38%增长到45%，柴油供应严重不足，这为油菜籽生产生物柴油提供了广阔的发展空间。发展生物柴油产业还可以促进中国农村和经济社会的发展。如果我们发展油料作物生产生物柴油，我们可以找到一条将农林产品转化为工业产品的道路，这将有助于调整农业结构和增加农民收入。
柴油的供需平衡也将是未来很长一段时间内中国石油市场发展的重点。业内人士指出，到2005年，随着中国初级加工能力的增加，汽油和煤油将有一定的出口空间，而柴油的供应缺口仍然较大。预计到2010年，柴油需求将超过100万吨，比2005年增长24%。到2015年，市场需求将达到65438+3亿吨左右。近年来，虽然炼化企业通过不断的技术改造，不断提高柴汽比，但仍不能满足柴汽消耗的要求。目前柴汽生产比约为1.8，而市场柴汽消费比在2.0以上，云南、广西、贵州等省柴汽消费比甚至在2.5以上。随着西部大开发进程的加快和国民经济重大基础工程的启动，柴汽比的矛盾比以往更加突出。因此，发展生物柴油不仅符合当前石化行业调整油品结构、提高柴汽比的方向，而且具有深远的意义。
目前，中国的生物柴油技术已经取得了巨大的成就:海南正和生物能源公司、四川鼓山油脂化工公司、福建卓悦新能源开发公司都开发出了具有自主知识产权的技术，并相继建成了万吨以上规模的生产装置，这标志着生物柴油这一高新技术产业已经在中国诞生。
中国工程院负责人介绍，中国“十五”发展纲要提出发展各种石油替代品，并将发展生物液体燃料确定为国家产业发展方向。生物柴油产业得到了国务院领导、国家计委、国家经贸委、科技部等政府部门的支持，并已列入国家相关计划。
发展生物柴油，中国有丰富的原料资源。中国幅员辽阔，地理跨度大，水热资源分布不同，能源植物资源丰富多样。主要科有大戟科、樟科、桃金娘科、夹竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、风信子科和蔷薇科。目前，我国生物柴油的开发利用仍处于起步发展阶段。为了从整体上降低生物柴油的成本，使其在我国能源结构转型中发挥更大的作用，只有向基地化、规模化方向发展，实行集约化经营，形成产业化，才能走符合我国国情的生物柴油发展之路。随着改革开放的深入，在全球经济一体化的进程中，在中国加入世贸组织的有利形势下，中国的经济水平将进一步提高，对能源的需求将会增加。只要将生物柴油的研究成果转化为生产力并实现产业化，其在柴油机、柴油电厂、空调设备、农村燃料等方面的应用将非常广阔。
信息来源:北京燕山石化公司研究院信息中心。