生物柴油的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展建議

曾凡嬌，劉文福

(河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 中牟 451450)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，全球各國的環(huán)保意識在不斷增強(qiáng)，中國是一個發(fā)展中國家，是第一大能源消耗國，肩負(fù)著促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境的雙重重?fù)?dān)，石油資源枯竭帶來的能源危機(jī)及燃燒石油引發(fā)的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為制約我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，合理的開發(fā)和利用可再生清潔能源關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是保障國家安全和社會進(jìn)步的必然選擇。生物柴油與石油的其它替代燃料相比，有顯著優(yōu)勢，因此生產(chǎn)、使用生物柴油不僅可以解決石油供給不足的問題，同時對降低環(huán)境污染、實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)對于促進(jìn)我國生態(tài)環(huán)境的建設(shè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，我國是油菜生產(chǎn)大國，可通過調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大油料植物的發(fā)展，建立生物柴油原料基地和能源工廠，以此增加就業(yè)機(jī)會、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。同時，生物柴油燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳、多環(huán)苯類致癌物和“黑煙”等污染物比石油少很多，對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境有積極作用。

2 生物柴油概述

生物柴油是以動植物油脂、微生物及各種廢棄油脂為原料，與醇(如甲醇、乙醇等)經(jīng)過轉(zhuǎn)酯反應(yīng)獲得脂肪酸單烷基脂，可供內(nèi)燃機(jī)使用。生物柴油最早由英國人Patrick Duffy于1853年發(fā)現(xiàn)，在1985年德國工程師 Dr.Rudolf Diesel正式提出了生物柴油的概念，并于1988年由德國的聶爾公司發(fā)明。生物柴油作為最重要的可再生燃料之一，分子量與柴油接近，與柴油有極佳的相溶性，能與國家標(biāo)準(zhǔn)柴油一樣單獨(dú)或者混合用于機(jī)動車，具有能量密度高、燃燒充分、安全可靠和優(yōu)良的保護(hù)作用等特性，同時具有發(fā)動機(jī)低溫啟動的優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的綠色燃料。

3 生物柴油的制作

植物油和動物脂肪的主要成分是脂肪酸甘油酯，分子間引力大、粘度高，不便于直接當(dāng)燃料使用，需要通過化學(xué)轉(zhuǎn)化法來解決持久性和操作性問題。目前，制作生物柴油的制作方法主要有直接混合法、微乳法、高溫裂解法和酯交換法4種，直接混合法和微乳法屬于物理方法，不改變生物油脂的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，簡單易操作，燃燒性難以滿足燃料標(biāo)準(zhǔn)。其中直接混合法是將植物油與礦物柴油按比例混合制成，存在粘度高以及燃燒中有積碳等問題；微乳法是用乳化劑將動植物油制成微乳狀液，該法解決了動植物油黏度高的問題，但是容易出現(xiàn)破乳現(xiàn)象、穩(wěn)定性差；高溫裂解法和酯交換法都屬于化學(xué)轉(zhuǎn)化法，通過酯化或轉(zhuǎn)酯化反應(yīng)，把甲醇、生物油脂物質(zhì)轉(zhuǎn)化為脂肪酸低碳烷基酯，然后經(jīng)過甘油分離、水洗、干燥等一系列流程得到生物柴油，該方法已經(jīng)擁有完善的技術(shù)方法和制作體系。高溫裂解法在家庭式小作坊就可以生產(chǎn)，用快速加熱的方式使廢棄油的有機(jī)分子迅速斷裂為短鏈分子，使結(jié)炭和產(chǎn)氣降到最低，從而最大限度地獲得燃油，所得的生物柴油與普通柴油接近，但生產(chǎn)成本較高，應(yīng)用較少；酯交換法是工業(yè)生產(chǎn)生物柴油的主要方法，根據(jù)催化劑的不同可分為酸堿催化和酶催化和超臨界法3種工藝，前2種方法工藝復(fù)雜、反應(yīng)時間長、產(chǎn)品分離難和催化劑回收難等弊端，其中酶催化法適應(yīng)性廣、反應(yīng)條件溫和(30～40 ℃)轉(zhuǎn)化率高、醇用量小和易收集、無污染等優(yōu)點(diǎn)，但是反應(yīng)中的甲醇含量高時會導(dǎo)致脂酶失去活性，存在反應(yīng)時間長，酶價格偏高等缺點(diǎn)；超臨界法是近些年提出的新方法，突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)化率高，該工藝對原料要求低，產(chǎn)品單純，但是需要在高溫高壓的環(huán)境下操作。具體生物柴油的制作方法和特點(diǎn)見表1。國內(nèi)外生物柴油的制備工藝技術(shù)及特點(diǎn)對比見表2。

表1 生物柴油的制作方法和特點(diǎn)

表2 國內(nèi)外生物柴油的制備工藝技術(shù)對比

4 國內(nèi)外生物柴油的研究和發(fā)展現(xiàn)狀

全球的生物柴油產(chǎn)地主要有美國、巴西和歐盟各國等，甚至把生物柴油作為新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的亮點(diǎn)，美國主要用大豆油作原料，歐盟各國主要用菜籽油，生產(chǎn)的生物柴油占成品油的5%，是產(chǎn)量最大的地區(qū)。美國為了促進(jìn)生物柴油產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，在1998年就制訂了相應(yīng)的生物柴油標(biāo)準(zhǔn)，明確要求降低柴油燃料的廢氣排放量，嚴(yán)格規(guī)范生物柴油的使用和生產(chǎn)，1999年美國總統(tǒng)克林頓簽署了開發(fā)生物質(zhì)能的法令，生物柴油實(shí)行零稅率政策，在2002年美國ASTM(材料試驗(yàn)學(xué)會 )通過了生物柴油標(biāo)準(zhǔn)。為助力生物柴油的發(fā)展，美國和歐盟等國先后多次調(diào)整生物柴油稅收政策，并提供資金支持，歐洲議會減免稅收達(dá)90%。巴西在1980年已成功研制出生物柴油技術(shù)，并推出了“生物柴油計劃”。據(jù)統(tǒng)計，全球生物柴油的產(chǎn)量在2004年是189萬t，到2019年增至4420萬t，年均增幅高達(dá)20%。

我國生物柴油的發(fā)展普遍先后經(jīng)歷了快速發(fā)展、企業(yè)分化發(fā)展、經(jīng)營困難3個階段。截至2019年12月，我國能正常生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)共有26家，其中有3家生產(chǎn)加氫生物柴油，2019年生物柴油的產(chǎn)量約120萬t，同比增長20%。從生產(chǎn)原料的角度出發(fā)，2019年大豆油的原料成本合到5223.55元/t，地溝油合到4314.95元/t，而海外大豆油合到4451.74元/t，可見，國內(nèi)以地溝油為原料制造生物柴油更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。為了推動生物柴油的健康發(fā)展，加快生物柴油在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，我國分別在2014年、2016年出臺了《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，國稅局和財政部多次發(fā)文，財政部和國家稅務(wù)總局多次發(fā)文，明確生物柴油稅收優(yōu)惠政策，對符合國標(biāo)的生物柴油實(shí)施免消費(fèi)稅并退70%增值稅，這對于生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了非常重要的作用。整體而言，我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢良好，已具備較健全的法律法規(guī)政策，并初具產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在各級政府的推進(jìn)和示范作用下，逐步積累了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，具有快速擴(kuò)大生物柴油的應(yīng)用的必要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。

5 國內(nèi)生物柴油發(fā)展存在的問題及建議

我國清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究的用于生物柴油生產(chǎn)的生化酶催化劑工藝，已成功應(yīng)用于生物柴油中試裝置，這足以表明技術(shù)和設(shè)備都不是阻礙我國生物柴油發(fā)展的關(guān)鍵問題，真正制約生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是怎樣獲取充足的、低成本的生物油脂。我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的主要問題是原料成本高、企業(yè)經(jīng)營成本高、產(chǎn)品與競品相比無價格優(yōu)勢、市場占有率低等。

5.1 原料成本高

相關(guān)數(shù)據(jù)研究表明，生物柴油的制備成本中，原料成本占到75%左右。我國發(fā)展生物柴油的一大障礙是原料問題，按照“不與人爭糧、不與糧爭地”的發(fā)展原則，我國生產(chǎn)糧食的土地不能用于生產(chǎn)生物柴油的油料作物，主要發(fā)展以廢棄油脂和草本油料(食用性除外)為原料的生物柴油，這使得生物柴油的原料供給不足，價格也因此一直居高不下。

因此，如何獲取廉價的原料是我們面臨的首要問題，如何提高原料的轉(zhuǎn)化率是降低生物柴油的生產(chǎn)成本、推廣生物柴油應(yīng)用的關(guān)鍵。而要長久的實(shí)現(xiàn)用生物柴油替代石化能源，必須要積極地開展和建立科學(xué)研究，將先進(jìn)的技術(shù)用于油菜籽、大豆等原料的改良研究，增加原材料的含油量。同時利用沿海地區(qū)的微藻等建設(shè)可靠的、穩(wěn)定的原料生產(chǎn)基地。

5.2 生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜

目前,我國雖然有多家公司實(shí)現(xiàn)了生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn), 但普遍存在生產(chǎn)能力小、耗能大、制作工藝復(fù)雜等問題，需要進(jìn)一步解決甘油的分離和精細(xì)化制作、廢堿液的處理等問題。生物柴油的生產(chǎn)方法有很多，目前已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)工藝主要是催化轉(zhuǎn)酯法。但化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油工藝復(fù)雜，其中使用的過量甲醇，需要配備醇回收裝置，能耗高；其次，酯化產(chǎn)物回收難、回收成本高, 生成中產(chǎn)生的廢酸廢堿還存在二次污染；再次，原料中的水和游離脂肪酸嚴(yán)重影響生物柴油的產(chǎn)量和品質(zhì)。相比較而言，生物酶法優(yōu)點(diǎn)很多，但工業(yè)化生產(chǎn)難。

因此，積極開展生物柴油的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新改革，是推動我國生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心。

5.3 相關(guān)政策有待完善

目前，我國生物柴油相關(guān)的法規(guī)政策尚未得到有效的貫徹實(shí)施，生物柴油的銷售不景氣，大多數(shù)銷售企業(yè)對生物柴油的質(zhì)量是否可靠、供應(yīng)是否穩(wěn)定以及改增售生物柴油所帶來的成本增加等問題存在顧慮，要解決生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的這一系列問題，我國應(yīng)不斷修正和完善相關(guān)的法律法規(guī)，積極展開生物柴油應(yīng)用的示范，發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，同時建立完善的質(zhì)量監(jiān)督體系，給予生物柴油銷售企業(yè)更多的幫扶和優(yōu)惠政策。

6 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對于燃油的需求越來越旺盛，由此帶來的能源短缺和環(huán)境問題越來越受到社會各界的關(guān)注，而有“綠色能源”之稱的生物柴油具備可再生性和安全性，既可以很好地解決現(xiàn)階段面臨的問題，又有助于我國社會經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。政府和相關(guān)工作部門的有效支持，不僅能給企業(yè)營造良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境，還有利于推動我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的長久、持續(xù)發(fā)展，為社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為生物柴油的穩(wěn)定發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供保障。