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陳振斌1，蔣盛軍2，肖明偉1，駱劍亮1
(1.海南大學機電工程學院，海南儋州 571737；2.中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所，海南儋州 571737)
摘要：從生產方法和工藝、燃料特性和起動性能、發動機經濟性和動力性、排放特性以及可再生性方面比較了生物柴油與石化柴油的差異。結果表明，生物柴油與石化柴油在生產方法和工藝方面存在很大差異，也有很多相似之處；生物柴油的燃料特性、起動性能以及發動機經濟性、動力性接近或稍遜于石化柴油；生物柴油具有更好的排放性能和可再生性，因此生物柴油是一種綜合性能優良的可替代石化柴油的燃料。
生物柴油(Biodiesel)又稱脂肪酸甲酯(Fatty acidester)，是指植物油或動物脂肪經過酯化反應制成的脂肪酸單酯。Kaltschmitt等人的研究表明，生物柴油在減少石化能源消耗和降低溫室效應方面優于石化柴油。生物柴油不僅具有豐富的原料來源、良好的可再生性以及環保方面的優勢，還有與石化柴油相近的燃燒性能和排放特性，并且可以直接用于柴油機，因此被認為是石化柴油理想的替代品。為了進一步認識生物柴油與石化柴油性能的差異與優劣，文中從兩者的生產方法和工藝、燃料特性和起動性能、發動機經濟性和動力性、排放特性以及可再生性方面進行了全面、綜合的比較分析。
1生產方法和工藝
目前，制備生物柴油的主要方法有3種：化學法、物理化學法和生物法。普遍采用的化學法是酯交換法，通過植物油脂或動物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或堿性催化劑下進行酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。這類方法具有催化劑成本低、反應速度快、產品質量高、能耗低等優點，但生產過程有一定量的廢液排放。為了改進這種方法的不足，國內外開展了一些研究，主要集中在改進催化劑方面，如采用固體堿、有機堿、固體酸作催化劑等，但是大部分環保性較好的催化劑存在反應速率慢、催化劑成本高、催化劑容易中毒等問題。最近的重大突破是在2006年由美國愛荷華州立大學的化學教授VictorLin開發出新型納米催化劑，該催化劑為混合氧化物的硅納米顆粒，它含有酸性催化中心和堿性催化中心，同時具有酸性催化劑和堿性催化劑的特點：酸性催化中心通過酯化可使游離脂肪酸轉化為生物柴油，堿性催化中心通過酯交換使油類轉化為生物柴油。該催化劑具有效率高、工藝簡單、容易回收、環保等優點，有望在未來大規模推廣應用。由于生物酶法和超臨界法的實用性很差，難以大規模推廣應用，所以研究較少。今后的研究重點依然是新型催化劑的選擇以及酯化反應工藝條件的優化。
石化柴油主要由原油蒸餾、催化裂化、熱裂化、加氫裂化、石油焦化等過程生產的柴油餾分調配而成，也可由頁巖油加工和煤液化制取。比較生物柴油和石化柴油的生產方法和工藝，雖然前者主要涉及酯化合成反應，后者主要涉及裂解反應，但是兩者使用的大部分生產工藝流程有很高的相似程度，如高溫蒸餾、精制等。所以，生物柴油的生產可以借鑒和部分采用石化柴油的生產工藝和設備，這使生物柴油的大規模生產具有很好的現實基礎。
2燃料特性和起動性能
生物柴油與石化柴油的燃料特性比較見表1。
生物柴油能否作為石化柴油的替代燃料，主要是依據表1中的幾個理化指標來評價的。①十六烷值(CN)是評定柴油自燃性好壞的指標，它與發動機的粗暴性及起動性有密切關系。生物柴油的CN值比石化柴油略高，通常在50～60之間。目前有報道用基因工程技術可培育出CN值較高的油脂資源。②熱值是燃料能量含量的一個尺度。植物油脂肪酸甲酯燃燒所放出的熱量接近于與其碳氫比類似的石化柴油。③黏度是燃料流動性的尺度，表示燃料內部摩擦力的物理特性，它會影響柴油的霧化質量。生物柴油的黏度要比石化柴油稍高一些，其低溫流動性能略差；但是，可以將生物柴油以一定比例與石化柴油混合，以有效降低其黏度來改善低溫流動性能。④碘值的高低反映油脂的不飽和程度。生物柴油碘值越高，則不飽和程度越大，CN值卻更低，然而低溫性能優異。⑤生物柴油的氧化穩定性是油品的重要性質之一。在生物柴油的使用和貯運過程中不可避免地會與氧氣接觸，在一定的條件下，油品與氧會發生反應生成新的氧化產物，從而影響油品的性質。
徐鴿等人對生物柴油與0#柴油氧化安定性進行比較研究的結果表明：氧氣流量的變化，對生物柴油和0#柴油氧化安定性的影響不大。綜上所述，生物柴油與石化柴油燃料特性的理化評價指標非常接近，可以作為一種性能優良的石化燃料替代品。
起動性能是評價燃料性能的一個重要指標。葛蘊珊等人在4102QBZ增壓柴油機上研究生物柴油的起動性能，試驗結果顯示：柴油機使用生物柴油的起動時間比使用0#柴油的要長，但起動時間小于15s，仍然能夠滿足國家標準的要求。但是，生物柴油作為柴油機燃料還存在一些問題，如黏度太大、霧化性能差、噴油器易結焦堵塞、蒸發性差造成冷起動困難、含有不穩定的非飽和成分和殘留炭較多、易形成積炭等。為了改善生物柴油燃料特性和低溫起動性，可通過采取可控分段裂解的方法使生物柴油的碳數分布與石化柴油接近，從而改善生物柴油的低溫起動性；或者混合一定量的石化柴油來改善生物柴油的燃料特性和起動性能。
3發動機經濟性和動力性
由于生物柴油的低熱值普遍小于石化柴油，而其密度又大于石化柴油，因此生物柴油的油耗率明顯高于石化柴油的油耗率，但是結果相差不大，總體差異在5%～10%的范圍之內。葛蘊珊等人研究柴油機燃用生物柴油和石化柴油對發動機經濟性的影響，結果表明：生物柴油的外特性油耗要比石化柴油高出約9%；在發動機不做任何改動和調整時，百公里等速車輛道路試驗發現，燃用純生物柴油百公里等速油耗比石化柴油增加3%～8%，燃用摻混20%生物柴油百公里等速油耗比石化柴油增加了1%～4%。袁文華等人用生物柴油和0#柴油分別在柴油機上進行外特性和負荷特性試驗，結果表明：燃用生物柴油時，油耗率有所上升，其外特性最低油耗處上升4.3%，負荷特性最低油耗處上升3.6%。
相對于石化柴油，生物柴油的低熱值小、密度大。因此，在體積噴油量保持不變的前提下，噴入氣缸的燃料所含的能量變化不大，燃用生物柴油的柴油機在動力性方面并不占優。葛蘊珊等人通過比較研究表明：對于實驗柴油機，在對噴油泵不做任何調整時，直接燃燒生物柴油對動力性的影響小于5%；在油泵最大噴油量保持不變時，直接燃燒餐飲廢油生物柴油對動力性的影響小于2.5%。Grimaldi等人在燃油共軌系統柴油機上對生物柴油的燃燒和排放特性進行了試驗研究，在未調整噴射策略的前提下，燃用純生物柴油的輸出功率下降10%左右。Graboski等人發現，隨著生物柴油混合比例的增大，最大輸出扭矩也呈下降趨勢，相對于2#柴油，燃用純生物柴油的輸出扭矩只達到94.6%，剛好與這兩種燃料的能量密度比一致。
4排放特性以及可再生性
由于生物柴油含氧量較高、不含芳烴且硫含量近乎為零，因此作為柴油機燃料使用時，可以有效地降低有害物質的排放。國內外大量基礎研究及柴油機試驗都證明了生物柴油在排放特性方面的優越性：燃用生物柴油或其與石化柴油混合物，煙塵、CO和HC等有害物質的排放大幅度下降，但NOX排放略有升高。Caboski等人在同一臺柴油機上燃用石化柴油和生物柴油進行排放對比試驗，結果表明，主要排放物PM由燃用石化柴油時的0.41g/(kW?h)下降為0.14g/(kW?h)；NOX的排放量則略有上升，燃用石化柴油時為6.31g/(kW?h)，而燃用生物柴油時為7.03g/(kW?h)。
Nine等人在同一臺自然吸氣式柴油機中，分別在“干”、“濕”兩種情況下進行石化柴油和生物柴油的排放對比試驗，結果表明，在干式試驗條件下(排氣管不加水)，PM的排放由燃用石化柴油時的1.49g/(kW?h)下降為0.82g/(kW?h)，NOX從5.03g/(kW?h)上升為5.99g/(kW?h)；濕式試驗條件下(排氣管加水)，PM的排放由燃用石化柴油時的0.91g/(kW?h)下降為0.50g/(kW?h)，NOX從4.90g/(kW?h)上升為5.85g/(kW?h)。Ark-oudeas，Kalligeros等人的研究表明，燃用分別由葵花籽油、橄欖油制成的生物柴油，NO、CO、HC等有害物質的排放大幅度降低，而且燃燒效率提高。
由于石化柴油的生產依賴于石化原料，而石化原料的再生周期是幾百萬年的時間。因此，從人類生活時間尺度來看，它的可再生性幾乎為零。生物柴油從概念上看，似乎是完全可再生的。但是，在生物柴油的原料生產以及加工中需要消耗一定量的石化能源，所以生物柴油也不是完全可再生的。以大豆油為原料的生物柴油為例，研究表明，消耗0.311MJ的石化能(包括農業生產大豆、大豆運輸、大豆制油、大豆油運輸、大豆油轉化、生物柴油運輸銷售)即能生產出含1MJ的生物柴油，其石化能效比為3.215。這表明生物柴油的可再生性能大大優于石化柴油，通過使用生物柴油可以大大提高石化能這種有限能源的使用壽命。大豆油轉化是消耗石化能最多的地方，這主要是由于生產生物柴油需要用乙醇等作為原料，而我們假設乙醇的生產是要消耗天然氣等石化能的。這同樣表明我們有機會使用可再生資源來生產乙醇以提高石化能效比。應用生命周期評價方法來評價大豆制備生物柴油的項目，結果表明該生物柴油項目在減少溫室氣體排放上起到了積極作用，與石化柴油相比對環境更加友好。
從我國以及世界長遠的能源安全出發，應該大力發展生物柴油來延緩對石化能源的過度消耗和依賴。
5國內外未來主要研究方向
決定生物柴油開發利用的3個重要因素是生產原料、加工工藝和燃燒機理，因此未來應該在以下3方面加強研究：
(1)加強新型生物柴油原料作物的選育種、栽培技術以及推廣的研究，力爭獲得廉價加工生物柴油的原料。由于過去油料作物的主要用途是加工食用油，對于油的食用品質要求很高，所以許多高產油料作物或品種由于品質等原因而沒有受到重視和推廣利用；而用作生產生物柴油原料的油料作物或品種只需考慮高產量、低生產成本等因素，因此選育新型生物柴油專用油料作物或新品種的潛力非常大，例如小桐子、高油產量(高芥酸、高硫甙含量)的油菜品種可能獲得大規模的推廣和應用。小桐子、油桐、油菜等新型油料作物具有氣候適應性廣、容易種植、產油量高等特點，這將大大拓寬生物柴油的原料來源，從而為大規模生產生物柴油打下良好的原料基礎。
(2)加強新型高效率、低能耗、低污染的生物柴油加工技術的研究。由于生物柴油的酯化反應涉及催化劑的種類、反應條件、產品以及副產品、催化劑等的分離或回收利用等各種復雜因素，因此新的加工工藝可以從各方面來創新、改進，并從生產效率、生產成本、環保特性等方面綜合評價新工藝的生產應用潛力。
(3)加強生物柴油燃燒機理的研究以及新型生物柴油發動機的設計和研究。生物柴油作為一種新型的可再生能源，采用不同的加工工藝、不同的摻混比例、不同型號的柴油發動機等因素都會影響生物柴油的燃燒性能，因此這需要大量系統、深入的研究來探討生物柴油的燃燒機理。盡管生物柴油的燃燒不需要改變原有柴油發動機結構，但是設計和研究更適合生物柴油燃燒的發動機將是未來柴油發動機的發展方向，這將進一步提高生物柴油的燃燒性能、發動機經濟性和動力性等性能。 |
