生物柴油的主要特性
眾所周知，柴油分子大約由15個碳鏈組成，發現植物油分子壹般由14-18個碳鏈組成，與柴油分子的碳鏈數量相近。因此，生物柴油是壹種由可再生植物油如油菜籽制成的新型燃料。從化學成分分析，生物柴油燃料是壹種高級脂肪酸甲烷，由以不飽和油酸C18為主要成分的甘油酯分解得到。與傳統柴油相比，生物柴油具有以下無可比擬的特性:
1.它具有優良的環保特性。主要是因為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(有催化劑時為70%)；生物柴油不含會汙染環境的芳香族烷烴，所以尾氣對人體的危害低於柴油。試驗表明，與普通柴油相比，使用生物柴油可使空氣毒性降低90%，癌癥發病率降低94%。由於生物柴油含氧量高，燃燒時排放的煙霧較少，壹氧化碳排放量比柴油減少約10%(有催化劑時減少95%)；生物柴油具有很高的生物降解性。
2.它具有良好的低溫發動機起動性能。無添加劑的冷濾點達到-20℃。
3.它具有良好的潤滑性能。噴油泵、發動機缸體、連桿磨損率低，使用壽命長。
4.它具有良好的安全性能。由於其高閃點，生物柴油並不危險。因此，在運輸、儲存和使用中的安全性是顯而易見的。
5.它有很好的燃油性能。高十六烷值使其比柴油更好燃燒，燃燒殘渣呈微酸性，延長了催化劑和機油的使用壽命。
6.它是可再生的。作為壹種可再生能源，與石油儲備不同，它的供應不會通過農業和生物科學家的努力而耗盡。
7.在不更換柴油機的情況下，可以直接添加使用，同時也不需要增加額外的加油設備、儲存設備和對人員進行專門的技術培訓。
8.生物柴油與石化柴油按壹定比例混合，可以降低油耗，提高動力性能，減少尾氣汙染。
生物柴油的優異性能使得使用生物柴油的發動機尾氣排放指標不僅滿足現行的歐ⅱ標準，還滿足歐洲即將頒布實施的更為嚴格的歐ⅲ排放標準。而且由於生物柴油燃燒排放的二氧化碳遠低於植物生長過程中吸收的二氧化碳，改善了二氧化碳排放導致的全球變暖這壹危害人類的重大環境問題。因此，生物柴油是真正的綠色柴油。
壹種生物柴油的生產方法
目前生物柴油主要采用化學法生產，即動植物油與甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或堿性催化劑中，在高溫(230-250℃)下進行酯交換反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經洗滌、幹燥後得到生物柴油。生產過程中可回收甲醇或乙醇，生產設備與壹般制油設備相同，生產過程中可產生約10%的副產物甘油。
目前生物柴油的主要問題是成本高。據統計，生物柴油制備成本的75%是原料成本。因此，生物柴油實際應用的關鍵是采用廉價的原料，提高轉化率以降低成本。美國已經開始通過基因工程研究含油量高的植物，日本使用工業廢油和廢煎炸油，歐洲在不適合種植糧食的土地上種植含油豐富的作物。
但化學合成生物柴油有以下缺點:工藝復雜，醇必須過量，後續工藝必須有相應的醇回收裝置，能耗高，顏色較深，高溫下脂肪中的不飽和脂肪酸易變質；酯化產物難以回收，成本高；廢堿液在生產過程中排放。
為了解決上述問題，人們開始研究生物酶法合成生物柴油，即利用脂肪酶將動物脂肪和低碳醇酯化，制備相應的脂肪酸甲酯和乙酯。酶法合成生物柴油具有條件溫和、酒精消耗低、無汙染排放等優點。但目前存在的主要問題是:甲醇和乙醇的轉化率較低，壹般只有40%-60%。目前脂肪酶對長鏈脂肪醇的酯化或酯交換反應有效，但短鏈脂肪醇(如甲醇或乙醇)的轉化率低，短鏈醇對酶有毒性，所以酶的使用壽命短。副產物甘油和水難以回收，不僅抑制了產物的形成，而且對固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。
“工程微藻”生產柴油為柴油生產開辟了壹條新的技術途徑。美國國家可再生實驗室(NREL)通過現代生物技術構建了“工程微藻”，即壹種矽藻的“工程微囊藻”。在實驗室條件下，“工程微藻”中的脂質含量可以提高到60%以上，室外生產也可以提高到40%以上。壹般來說，微藻的油脂含量在自然狀態下為5%-20%。“工程微藻”中油脂含量的增加主要是由於乙酰輔酶a羧化酶(ACC)基因在微藻細胞中的高表達，該基因在控制油脂積累中起重要作用。目前，我們正在研究選擇合適的分子載體，使ACC基因在細菌、酵母和植物中充分表達，並進壹步將修飾後的ACC基因導入微藻中，以獲得更高效的表達。利用“工程微藻”生產柴油具有重要的經濟和生態意義，其優點是:微藻生產能力高，利用海水作為天然培養基，節約農業資源；比陸生植物高幾十倍。生產的生物柴油不含硫，燃燒時不排放有毒氣體，排放到環境中可被微生物降解，不汙染環境。發展含油微藻或“工程微藻”生產生物柴油是壹大趨勢。
國外生物柴油的發展現狀
生物柴油誕生於1988，是德國尼爾斯公司發明的。它是從菜籽油中提煉出來的清潔燃料。突出的環保性和可再生性引起了發達國家特別是資源貧乏國家的高度重視。在行業規範和政策的鼓勵下，西方國家采取了壹系列積極措施發展生物柴油。為了便於推廣使用，德國、意大利等國家都制定了生物柴油的技術標準。比如美國權威機構ASTM在1996和2000年發布標準，改善生物柴油的產業化條件，政府積極鼓勵他們在生物柴油價格上給予壹定的補貼。例如，德國農民種植以生物柴油為原料的油菜籽可以獲得1000德國馬克/公頃的補貼，而且生產生物柴油是免稅的。
利用歐洲和北美的剩余菜籽油和大豆油生產生物柴油已得到推廣應用。目前，生物柴油主要采用化學法生產。植物油與甲醇或乙醇在酸性或堿性催化劑中於230-250℃酯化，生成相應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術仍在研究中。與普通柴油相比，生物柴油更有利於環保，使得柴油尾氣中有毒有機物的排放僅為1/10，顆粒物為20%，CO2和CO的排放僅為10%。根據京都議定書，歐盟將在2008年至2012年間減排8%。根據燃料對整個大氣中CO2影響的生命周期分析，生物柴油排放的CO2比化石柴油少50%左右。為此，歐盟最近發布了兩項新指令，以促進生物燃料在汽車燃料市場的應用，這將進壹步促進歐洲生物柴油產業的發展。與常規柴油相比，生物柴油的價格要貴壹倍以上。因此，新指令要求歐盟國家降低生物柴油的稅率，並規定生物柴油在歐洲汽車燃料中的銷售比例。
西方國家生物柴油產業發展迅速。近年來，西方國家加大了對生物柴油商業化的投入，使得生物柴油的投資規模加大，開工項目增多。美國、加拿大、巴西、日本、澳大利亞、印度等國家都在積極發展這壹產業。目前，美國有四個生物柴油生產廠，總產能為30萬噸/年。歐盟國家主要以油菜為原料，2001年生物柴油產量已超過1萬噸。2000年德國的生物柴油達到45萬噸，德國也於2006年6月5438+10月在海德地區投資5000萬馬克，建設年產65438+萬噸的生物柴油工廠。法國有七家生物柴油生產廠，總產能為40萬噸/年。使用標準是在普通柴油中添加5%的生物柴油，生物柴油的稅率為零。意大利有9家生物柴油生產廠，總產能33萬噸/年，生物柴油稅率為零。奧地利有三個生物柴油生產廠，總產能為5.5萬噸/年，稅率為石油柴油的4.6%。比利時有兩家生物柴油生產廠，總產能為240，000噸/年。日本的生物柴油產能也達到了40萬噸/年。
中國生物柴油發展現狀
我國政府已經制定了壹些政策和措施來解決節能、替代和環保問題，壹些學者和專家已經投身於生物柴油的研究和倡導。我國生物柴油的研發雖然起步較晚，但發展迅速，壹些科研成果已達到國際先進水平。研究內容涉及油料植物的分布、選擇、栽培、遺傳改良、加工技術和設備。目前，各方面的研究已經取得了階段性成果，這無疑將有助於我國生物柴油的進壹步研究和發展。可以預見，在2-3年內，我國在該領域的研究將取得突破，達到實用化水平。
著名學者閔恩澤院士在《綠色化學與化工》壹書中首次明確提出了發展清潔燃料生物柴油的課題:原機械工業部、原中國石油化工集團公司於上世紀80年代撥出專項經費，項目由上海內燃機研究所和桂外壹山農機承擔10年，並邀請中國石油化工研究院專家詹做了大量的基礎實驗和探索；中國農業工程研究設計院史德祿先生也在1985進行了生物柴油的實驗。遼寧能源研究所承擔的中歐合作研究項目也涉及生物柴油；中國科學技術大學、河南理工大學和陸軍化學研究所等單位也對生物柴油進行了不同程度的研究。
系統研究始於中科院八五期間重點科研項目:“油料植物研究與應用技術”，完成了金沙江流域油料植物資源調查和栽培技術研究，建立了30公頃的麻瘋樹栽培示範片。自20世紀90年代初以來，長沙新技術研究所和湖南省林科院在能源植物和生物柴油方面進行了65，438+00年的合作研究。“八五”期間，完成了樹皮油制備甲酯燃料油的工藝及其燃燒特性研究。“九五”期間完成了國家重點科研項目“植物油能源利用技術”。
1999-2002年期間，湖南省林科院承擔並主持了國家林業局國外先進林業技術引進(948工程)，即“能源樹種綠王樹及其利用技術引進”，從南非、美國、巴西引進了能源樹種案樹Tim-calli優良無性系。開發完成了綠色玉樹的牛奶提取設備；對榆樹膠乳的組成和燃料特性進行了研究:榆樹膠乳催化裂解取得了階段性成果。
然而，與國外相比，我國生物柴油的發展仍存在相當大的差距，長期停留在初級研究階段，未能形成生物柴油的產業化:政府尚未提出壹套支持、優惠和鼓勵生物柴油的政策措施，更不用說制定生物柴油的統壹標準和實施產業化發展戰略。因此，中國加入WTO後，在如何面對經濟快速發展和環境保護雙重壓力的背景下，加快高效清潔的生物柴油產業化進程顯得更加迫切。
中國生物柴油產業化前景
2003年，在國民經濟持續快速增長的帶動下，中國石油市場需求增長強勁，成品油總需求以兩位數增長，達到11.4%，比上年增長7.4個百分點，推動了石油進口的大幅增長，使中國成為石油消費和進口大國。石油市場資源短缺，價格全面上漲。據中國物流信息中心統計，2003年我國石油及其產品累計平均價格比上年上漲11.8%。初步分析表明，2004年中國石油市場供需形勢與2003年基本相似，將繼續保持消費需求旺盛、供需基本平衡的格局，但不排除季節、運輸等因素導致的局部性、結構性供應短缺。預計2004年中國原油消費量為2.7億噸，凈進口量可能超過6543.8億噸。
中國是石油凈進口國，石油儲備非常有限。大量進口石油對中國能源安全構成威脅。因此，提高油品質量對中國來說更為實際。生物柴油有三大優勢:可再生、清潔、安全。專家認為，生物柴油對中國農業結構調整、能源安全和生態環境綜合治理具有重要的戰略意義。目前，汽車柴油已經成為汽車工業的壹個發展方向。據專家預測，到2010年，世界對柴油的需求將從38%增長到45%，柴油供應嚴重不足，這為油菜籽生產生物柴油提供了廣闊的發展空間。發展生物柴油產業還可以促進中國農村和經濟社會的發展。如果我們發展油料作物生產生物柴油，我們可以找到壹條將農林產品轉化為工業產品的道路，這將有助於調整農業結構和增加農民收入。
柴油的供需平衡也將是未來很長壹段時間內中國石油市場發展的重點。業內人士指出，到2005年，隨著中國初級加工能力的增加，汽油和煤油將有壹定的出口空間，而柴油的供應缺口仍然較大。預計到2010年，柴油需求將超過100萬噸，比2005年增長24%。到2015年，市場需求將達到65438+3億噸左右。近年來，雖然煉化企業通過不斷的技術改造，不斷提高柴汽比，但仍不能滿足柴汽消耗的要求。目前柴汽生產比約為1.8，而市場柴汽消費比在2.0以上，雲南、廣西、貴州等省柴汽消費比甚至在2.5以上。隨著西部大開發進程的加快和國民經濟重大基礎工程的啟動，柴汽比的矛盾比以往更加突出。因此，發展生物柴油不僅符合當前石化行業調整油品結構、提高柴汽比的方向，而且具有深遠的意義。
目前，中國的生物柴油技術已經取得了巨大的成就:海南正和生物能源公司、四川鼓山油脂化工公司、福建卓悅新能源開發公司都開發出了具有自主知識產權的技術，並相繼建成了萬噸以上規模的生產裝置，這標誌著生物柴油這壹高新技術產業已經在中國誕生。
中國工程院負責人介紹，中國“十五”發展綱要提出發展各種石油替代品，並將發展生物液體燃料確定為國家產業發展方向。生物柴油產業得到了國務院領導、國家計委、國家經貿委、科技部等政府部門的支持，並已列入國家相關計劃。
發展生物柴油，中國有豐富的原料資源。中國幅員遼闊，地理跨度大，水熱資源分布不同，能源植物資源豐富多樣。主要科有大戟科、樟科、桃金娘科、夾竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、風信子科和薔薇科。目前，我國生物柴油的開發利用仍處於起步發展階段。為了從整體上降低生物柴油的成本，使其在我國能源結構轉型中發揮更大的作用，只有向基地化、規模化方向發展，實行集約化經營，形成產業化，才能走符合我國國情的生物柴油發展之路。隨著改革開放的深入，在全球經濟壹體化的進程中，在中國加入世貿組織的有利形勢下，中國的經濟水平將進壹步提高，對能源的需求將會增加。只要將生物柴油的研究成果轉化為生產力並實現產業化，其在柴油機、柴油電廠、空調設備、農村燃料等方面的應用將非常廣闊。