生物柴油替代燃料可行性评价

第二章 生物柴油替代燃料可行性评价

Kaufman等人在发动机上的实验研究表明：采用棉子油和向日葵油的甲酯可明显降低颗粒排放，但发动机排气温度和排放有所升高。Wagner等研究了大豆油基的甲酯、乙酯和丁酯对发动机性能和排放的影响。研究表明：发动机排放物中HC、CO、PM无论用那种燃料都无太大的变化，但NOx排放却普遍升高，烟度在发动机满负荷时，使用甲酯、乙酯时下降，使用丁酯时增加。Alfoso等发现菜籽油中的甲酯能导致NOX排放上升，HC和CO排放降低，烟度大幅度下降，但是颗粒排放有所升高。Yu Zhang等对豆油酯在发动机中的燃烧过程进行了分析，发现与2#柴油相比，豆油酯的滞燃期短，予混燃烧量少[62]。

Mustafa Canakci 研究了用废油生产生物柴油并进行了排放实验。他研究的结论表明：生物柴油和普通柴油具有几乎相同的热效率；在HC、CO和烟度排放方面比普通2#柴油(美国标准)降低46.27%. 17.77%和64.21 %[63]。Schumache等人对拖拉机燃用柴油与豆油基生物柴油的混合物作燃料时的性能与排放的研究表明：纯生物柴油使发动机最大功率降低5-7%,而最大扭矩没有下降。在最大扭矩处，发动机排气烟度(不透明度)随生物柴油在2#柴油中的增加而下降；但最大功率处烟度基本不变。当生物柴油含量为10%～14%时，NOX排放最低；纯生物柴油的NOX排放最高；生物柴油含量对发动机热效率没有明显影响。总的结果是未燃碳氢降低48%,颗粒减少20%，氮氧化物上l3%[4]。

到目前为止所有发表的研究都表明生化柴油及其与柴油的混合物都可以在短时期内用作柴油代用燃料。这是因为除粘度较高外，生化柴油具有柴油的主要特性。其中最主要的性能就是具有高的十六烷值。

国内研究者对柴油机燃用生物柴油对发动机燃烧、性能、排放等做了许多研究工作。对燃用纯生物柴油的试验结果表明：在柴油机不做任何调整的情况下, 燃烧生物柴油能大幅度降低微粒和碳烟的排放, 同时CO 和HC 排放也会降低, 但会使NOx 排放略有增加, 也会使发动机最大输出功率和输出扭矩有轻微的下降。对掺混生物柴油的研究试验结果表明：随着生物柴油比例的增加( 试验用油为B10、B20、B30), 燃烧变得更加柔和, 发动机碳烟排放明显降低, CO 和HC 排放也降低,缓解了NOx 排放和碳烟排放的trade- off 关系[01]。同济大学谭丕强等人研究了非直喷式增压柴油机燃用柴油-生物柴油混合燃料的性能和排放

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第二章 生物柴油替代燃料可行性评价

特性。未对原机作任何调整和改动,研究了不同生物柴油掺混比例的混合燃料对功率、油耗、烟度和NOx排放的影响。结果表明：非直喷式柴油机燃用生物柴油后柴油机功率略有下降,油耗有所上升,烟度大幅下降,NOx 排放增加明显。

北京理工大学等单位用正和公司以酸化油为原料生产的生物柴油以及石油大学利用北京市隔油池垃圾生产的生物柴油进行了发动机与行车实验[63]。综合优化了生物柴油和石化柴油的混合比例，研究了生物柴油发动机工作过程，对原柴油机供油系统和燃烧系统的相关参数进行改进设计；实验结果显示：对于实验发动机，在对油泵不做任何调整时，直接燃烧生物柴油对柴油机的动力性的影响小于5%，生物柴油的外特性和柴油接近，扭矩对比系数0.97～0.98，功率对比系数为0.99～0.98；无论是在全负荷还是部分负荷下，燃用生物柴油均能大幅度降低柴油机的排气可见污染物、微粒、C O和HC排放，但会引起NOx排放量的上升。通过适当推迟喷油提前角，能明显降低燃烧用生物柴油发动机的NOx排放，同时还能保留排气可见污染物低，C O和H C排放低的优点，但对发动机的动力性影响不大。行车实验结果显示：燃用生物柴油和常规柴油时，发动机启动正常，汽车行驶状态正常，柴油机工作正常。生物柴油发动机燃烧特性实验显示：发动机燃用生物柴油时，平均有效压力、最高爆发压力、最大压力升高率及燃烧噪声均较燃烧矿物柴油有所降低；柴油机燃用生物柴油的着火起始点早，滞燃期短，有良好的燃烧性能；喷油泵和喷油器的泄露效应减弱，使喷油系统工作压力略有提高。柴油机燃用生物柴油的热效率比柴油高；柴油机燃用生物柴油的燃油消耗要比柴油高。其他单位，如江苏大学、环境科学研究院、清华大学等单位分别采用B100、B20、B5对生物柴油的发动机与行车实验进行了研究，实验结果相差不大。

终观各学者的研究结果，各国对生物柴油掺烧方式研究较多，一是由于目前生物柴油成本较高，二是纯烧方式发动机排放没掺烧好，而且纯烧时的很多技术难关还未突破。生物柴油及其与柴油的混合物通常都能减少一氧化碳、未燃碳氢、烟度和颗粒排放，但氮氧化物排放一般都有所增加，燃烧生物柴油时发动机的燃油消耗率都比柴油的要高10%左右，但当生物柴油与矿物柴油以不同比例掺混形成的混合燃料的燃油消耗率仅比柴油高出1-3%，故对发动机的经济性影响不大，发动机的性能与柴油机相当。需要指出的是，目前我国支持生

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第二章 生物柴油替代燃料可行性评价

物柴油发动机实验有个误区：我国生物柴油标准没有出台，不同的发动机实验用的生物柴油质量不同，如同样是废弃油脂，由地沟油和煎炸废油得到的生物柴油黏度相差很多。实验结果不具可比性，仅能供参考使用。

5.6 存在问题及解决措施

1. 生物柴油的最主要问题是成本高，生物柴油制取实验中成本的75%是原料油成本。因此采用廉价原料、开发先进生产工艺及提高转化率是生物柴油能否实用化的关键。

2. 生物柴油中含有醇及甘油，具有腐蚀性，这会使与之接触的橡胶零件如橡胶膜、密封圈、燃油管(即燃油接触的橡胶配件)等逐渐降解。因此所有与生物柴油接触的部件必须进行专门的防护设计。

3. 催化剂是酯交换技术的关键，目前主要是酸或碱催化比较普遍。酸或碱催化有优点，也有缺点。其最大的缺点就是反应醇必须过量很多，而且回收过量醇会导致成本上升。所以应该找到一个适合的催化剂以降低成本。

4. 生物柴油在柴油机上的燃烧和发动机参数的关系还尚未进行研究和理论探索，建议通过理论和实验结合的方法弄清生物柴油在柴油机上的燃烧和排放特性与柴油机结构参数的关系。

5.7 产业化背景

1.原料来源丰富

大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、餐饮废油酯均可作为原料制成生物柴油。我国有丰富的植物油脂及动物油脂资源，我国每年豆油产量多达6000万吨，而且饭店产生大量的煎炸废油，如果加以很好利用，将具有很大的市场潜力[64]。我国的木本油料树种资源丰富，但现有的资源没有充分开发利用，当然要想实现生物柴油真正意义上的规模化与产业化，作者认为还必须将现代技术和传统育种技术相结合，优化育种条件。

2.生产工艺逐渐成熟

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第二章 生物柴油替代燃料可行性评价

利用生物酶法合成生物柴油由于具有反应条件温和、醇用量小、无污染物排放等优点，日益受到人们的重视。但利用生物酶法制备生物柴油目前存在着一些亟待解决的问题，如反应物甲醇容易导致酶失活、副产物甘油影响酶反应活性及稳定性、酶的使用寿命过短等，针对生物酶法工艺瓶颈问题，清华大学课题组提出了全新的生产工艺，从根本上解除传统工艺中反应物甲醇及副产物甘油对酶反应活性及稳定性的负面影响，酶的使用寿命显著延长[65]。这种环境友好的生物酶法生物柴油技术将有望实现产业化。因此，日益成熟的生产工艺极大地促进了生物柴油的产业化。

3. 逐渐完善的生物柴油标准。在科学技术部等单位的支持下，中国正在制定生物柴油标准，对密度、运动黏度、闭口闪点、冷滤点、硫含量、10%蒸余物残碳、硫酸化灰份、水分、机械杂质、铜片腐蚀、十六烷值、氧化安定性、酸值、游离甘油含量、总甘油含量、90%回收温度等16项指标进行了规定[63]，此标准基本上涵盖的不同原料生产的生物柴油。相信生物柴油标准的制定必将推动生物柴油的产业化进程。

4. 政府对生物柴油的扶持政策。目前，许多国家如美国、德国、法国、丹麦、意大利、爱尔兰和西班牙等对生物柴油采取了相应的扶持政策（见文中生物柴油发展现状）。我国政府对生物燃料非常重视，并制定了相关政策促进其发展：2004年科技部启动了“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项目， 2006年1月1日，《中华人民共和国可再生能源法》颁布，其中明确规定生物柴油是我国目前鼓励开发的重要能源项目；国家发改委也在今年国家高新技术产业化项目资金支持名单中明确列出了生物柴油[66]。

5.8 发展建议

针对我国生物柴油发展现状，提出以下建议：

1.回收利用大城市的餐饮废弃物。目前饭店、宾馆的餐饮废弃物有毒致癌化学成分，严重危害人民健康，发展生物柴油是解决此问题的重要途径，同时开发先进的回收和再利用技术，实现餐饮废弃物的完全资源化。

2.种植油料林木。目前国家大力推进退耕还林，给农民补贴予以支持，即为

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第二章 生物柴油替代燃料可行性评价

生物柴油产业发展提供了原料，还使农民有稳定收入，有利于可持续发展。

3.发展水生油料植物。我国有大量的内陆水稻田、湖泊和海岸滩涂，应当充分利用这些资源生产大量的油藻和其他水生油料植物，促进生物柴油产业发展。

4. 形成我国自己的产业发展特色，就是以目前常规的酸碱方法为基础，解决工艺中原料的适应性问题，能够适应各种原料，能够用来源不同的原料生产出同一规格的生物柴油。

5. 尽快建立生物柴油质量的国家质量标准，生物柴油生产流程、工艺设计以及安全生产方面的国家标准，为保证生物柴油产业的健康发展，建议国家发展和改革委员会等单位统一规划，尽快制定出生存物柴油的国家标准。

本章小结

生物柴油是典型的绿色能源, 原料来源丰富。大量研究表明，生物柴油及其与柴油的混合物通常都能减少一氧化碳、未燃碳氢、烟度和颗粒排放，但氮氧化物排放一般都有所增加，燃烧生物柴油时发动机的燃油消耗率都比柴油的要高10%左右，但当生物柴油与矿物柴油以不同比例掺混形成的混合燃料的燃油消耗率仅比柴油高出1%～3%，故对发动机的经济性影响不大，发动机的性能与柴油机相当。相信生物柴油作为柴油机代用燃料必将成为我国能源的一个有益补充，缓解我国能源压力，增强我国石油安全。但由于目前生物柴油的成本高、生产、应用技术还不成熟等因素的制约，生物柴油还处于研究阶段，未实现真正意义上的产业化。因此采用廉价原料以提高转化率降低成本、加紧生物柴油的生产工艺、应用技术研究是生物柴油能否实用化的关键，也是生物柴油产业化的主要瓶颈。

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