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我國生物柴油現(xiàn)狀與前景分析
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http://china-zesir.com 發(fā)稿日期:2008-7-7
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一、生物柴油的主要特性
生物柴油是清潔的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黃連木等油料林木果實、工程微藻等油料水生植物以及動物油脂、廢餐飲油等為原料制成的液體燃料，是優(yōu)質的石油柴油代用品。生物柴油是典型“綠色能源”，大力發(fā)展生物柴油對經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，推進能源替代，減輕環(huán)境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰(zhàn)略意義。
眾所周知，柴油分子是由15個左右的碳鏈組成的，研究發(fā)現(xiàn)植物油分子則一般由14-18個碳鏈組成，與柴油分子中碳數(shù)相近。因此生物柴油就是一種用油菜籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化學成分分析，生物柴油燃料是一種高脂酸甲烷，它是通過以不飽和油酸C18為主要成分的甘油脂分解而獲得的.與常規(guī)柴油相比，生物柴油具有下述無法比擬的性能：
1.具有優(yōu)良的環(huán)保特性。主要表現(xiàn)在由于生物柴油中硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可減少約30%(有催化劑時為70%)；生物柴油中不含對環(huán)境會造成污染的芳香族烷烴，因而廢氣對人體損害低于柴油。檢測表明，與普通柴油相比，使用生物柴油可降低90%的空氣毒性，降低94%的患癌率；由于生物柴油含氧量高，使其燃燒時排煙少，一氧化碳的排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時為95%)；生物柴油的生物降解性高。
2.具有較好的低溫發(fā)動機啟動性能。無添加劑冷濾點達-20℃。
3.具有較好的潤滑性能。使噴油泵、發(fā)動機缸體和連桿的磨損率低，使用壽命長。
4.具有較好的安全性能。由于閃點高，生物柴油不屬于危險品。因此，在運輸、儲存、使用方面的安全性又是顯而易見的。
5.具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃燒性好于柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和發(fā)動機機油的使用壽命加長。
6.具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲量不同，其通過農(nóng)業(yè)和生物科學家的努力，可供應量不會枯竭。
7.無須改動柴油機，可直接添加使用，同時無需另添設加油設備、儲存設備及人員的特殊技術訓練。
8.生物柴油以一定比例與石化柴油調和使用，可以降低油耗、提高動力性，并降低尾氣污染。
生物柴油的優(yōu)良性能使得采用生物柴油的發(fā)動機廢氣排放指標不僅滿足目前的歐洲II號標準，甚至滿足隨后即將在歐洲頒布實施的更加嚴格的歐洲Ⅲ號排放標準。而且由于生物柴油燃燒時排放的二氧化碳遠低于該植物生長過程中所吸收的二氧化碳，從而改善由于二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害于人類的重大環(huán)境問題。因而生物柴油是一種真正的綠色柴油。
二、生物柴油的生產(chǎn)方法
目前生物柴油主要是用化學法生產(chǎn)，即用動物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者堿性催化劑和高溫(230-250℃)下進行轉酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經(jīng)洗滌干燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產(chǎn)過程中可循環(huán)使用，生產(chǎn)設備與一般制油設備相同，生產(chǎn)過程中可產(chǎn)生10%左右的副產(chǎn)品甘油。
目前生物柴油的主要問題是成本高。據(jù)統(tǒng)計，生物柴油制備成本的75%是原料成本。因此采用廉價原料及提高轉化從而降低成本是生物柴油能否實用化的關鍵。美國己開始通過基因工程方法研究高油含量的植物，日本采用工業(yè)廢油和廢煎炸油，歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農(nóng)作物。
但化學法合成生物柴油有以下缺點：工藝復雜，醇必須過量，后續(xù)工藝必須有相應的醇回收裝置，能耗高：色澤深，由于脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質；酯化產(chǎn)物難于回收，成本高；生產(chǎn)過程有廢堿液排放。
為解決上述問題，人們開始研究用生物酶法合成生物柴油，即用動物油脂和低碳醇通過脂肪酶進行轉酯化反應，制備相應的脂肪酸甲酯及乙酯。酶法合成生物柴油具有條件溫和、醇用量小、無污染排放的優(yōu)點。但目前主要問題有：對甲醇及乙醇的轉化率低，一般僅為40%-60%。由于目前脂肪酶對長鏈脂肪醇的酯化或轉酯化有效，而對短鏈脂肪醇(如甲醇或乙醇等)轉化率低，而且短鏈醇對酶有一定毒性，酶的使用壽命短。副產(chǎn)物甘油和水難于回收，不但對產(chǎn)物形成抑制，而且甘油對固定化酶有毒性，使固定化酶使用壽命短。
“工程微藻”生產(chǎn)柴油，為柴油生產(chǎn)開辟了一條新的技術途徑。美國國家可更新實驗室(NREL)通過現(xiàn)代生物技術建成“工程微藻”，即硅藻類的一種“工程小環(huán)藻”。在實驗室條件下可使“工程微藻”中脂質含量增加到60%以上，戶外生產(chǎn)也可增加到40%以上。而一般自然狀態(tài)下微藻的脂質含量為5%-20%�！肮こ涛⒃濉敝兄|含量的提高主要由于乙酰輔酶A羧化酶(ACC)基因在微藻細胞中的高效表達，在控制脂質積累水平方面起到了重要作用。目前，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，還進一步將修飾的ACC基因引入微藻中以獲得更高效表達。利用“工程微藻”生產(chǎn)柴油具有重要經(jīng)濟意義和生態(tài)意義，其優(yōu)越性在于：微藻生產(chǎn)能力高、用海水作為天然培養(yǎng)基可節(jié)約農(nóng)業(yè)資源；比陸生植物單產(chǎn)油脂高出幾十倍；生產(chǎn)的生物柴油不含硫，燃燒時不排放有毒害氣體，排入環(huán)境中也可被微生物降解，不污染環(huán)境，發(fā)展富含油質的微藻或者“工程微藻”是生產(chǎn)生物柴油的一大趨勢。
三、國外生物柴油的發(fā)晨狀況
生物柴油于1988年誕生，由德國聶爾公司發(fā)明，它是以菜籽油為原料，提煉而成的潔凈燃油。突出的環(huán)保性和可再生性，引起了世界發(fā)達國家，尤其是資源貧乏國家的高度重視。西方國家為發(fā)展生物柴油，在行業(yè)規(guī)范和政策鼓勵下采取了一系列積極措施。為了便于推廣使用，美德意等國都制定了生物柴油技術標準，如美國權威機構ASTM相繼在1996年和2000年發(fā)布標準，完善生物柴油的產(chǎn)業(yè)化條件，并且政府實行積極鼓勵的方式，在生物柴油的價格上給于一定的補貼。如德國農(nóng)民種植為生物柴油作原料的油菜籽可獲得1000馬克／公頃補貼，并對制造生物柴油予以免稅。
歐洲和北美利用過剩的菜籽油和豆油為原料生產(chǎn)生物柴油獲得推廣應用。目前生物柴油主要用化學法生產(chǎn)，采用植物油與甲醇或乙醇在酸或堿性催化劑和230-250℃下進行酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。現(xiàn)還在研究生物酶法合成生物柴油技術。與普通柴油相比，生物柴油更有利環(huán)保，使柴油車尾氣中有毒有機物排放量僅為1／10，顆粒物為20%，C02和CO排放量僅為10%。按照京都議定書，歐盟2008-2012年間要減少排放8%。就燃料對整個大氣C02影響的生命循環(huán)分析看，生物柴油排放的C02比礦物柴油要少約50%。為此，歐盟最近發(fā)布了兩項新的指令以推進生物燃料在汽車燃料市場上的應用，這將進一步推動歐洲生物柴油工業(yè)的發(fā)展。與常規(guī)柴油相比，生物柴油價格要貴一倍以上，為此新指令要求歐盟各國降低生物柴油稅率，并對生物柴油在歐洲汽車燃料中的銷售比例作出規(guī)定。
西方國家生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。近年來，西方國家加大生物柴油商業(yè)化投資力度，使生物柴油的投資規(guī)模增大，開工項目增多。美國、加拿大、巴西、日本、澳大利亞、印度等國都在積極發(fā)展這項產(chǎn)業(yè)。目前，美國有4家生物柴油生產(chǎn)廠，總能力為30萬噸／年。歐盟國家主要以油菜為原料，2001年生物柴油產(chǎn)量已超過100萬噸。2000年德國的生物柴油已達45萬噸，德國還于2001年月11日在海德地區(qū)投資5000萬馬克，興建年產(chǎn)10萬噸的生物柴油裝置。法國有7家生物柴油生產(chǎn)廠，總能力為40萬噸／年，使用標準是在普通柴油中摻加5%生物柴油，對生物柴油的稅率為零。意大利有9個生物柴油生產(chǎn)廠，總能力33萬噸／年，對生物柴油的稅率為零。奧地利有3個生物柴油生產(chǎn)廠，總能力5.5萬噸／年，稅率為石油柴油的4.6%。比利時有2個生物柴油生產(chǎn)廠，總能力24萬噸／年。日本生物柴油生產(chǎn)能力也達到40萬噸／年。
四、我國生物柴油的發(fā)展狀況
我國政府為解決能源節(jié)約、替代和綠色環(huán)保問題制定了一些政策和措施，早有一些學者和專家己致力于生物柴油的研究、倡導工作。我國生物柴油的研究與開發(fā)雖起步較晚，但發(fā)展速度很快，一部分科研成果已達到國際先進水平。研究內(nèi)容涉及到油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良及其加工工藝和設備。目前各方面的研究都取得了階段性成果，這無疑將有助于我國生物柴油的進一步研究與開發(fā)。可以預計，在2-3年內(nèi)，我國在該領域的研究將會有突破性進展并達到實用水平。
著名學者閔恩澤院士在《綠色化學與化工》一書中首先明確提出發(fā)展清潔燃料生物柴油的課題：原機械工業(yè)部和原中國石化總公司在上世紀80年代就撥出�？盍㈨�，由上海內(nèi)燃機研究所和貴外I山地農(nóng)機所承擔課題，聯(lián)合研究長達10年之久，并邀請中國石化科學院的專家詹永厚做了大量基礎試驗探索；中國農(nóng)業(yè)工程研究設計院的施德路先生也曾于1985年進行了生物柴油的試驗工作；遼寧省能源研究所承擔的中國——歐共體合作研究項目也涉及到生物柴油；中國科技大學、河南科學陸軍化學所等單位也都對生物柴油作了不同程度的研究。
系統(tǒng)研究始于中國科學院的“八五”重點科研項目：“燃料油植物的研究與應用技術”，完成了金沙江流域燃料油植物資源的調查及栽培技術研究，建立了30公頃的小桐子栽培示范片。自20世紀90年代初開始，長沙市新技術研究所與湖南省林業(yè)科學院對能源植物和生物柴油進行了長達10年的合作研究，“八五”期間完成了光皮樹油制取甲脂燃料油的工藝及其燃燒特性的研究；“九五”期間完成了國家重點科研攻關項目“植物油能源利用技術”。
1999-2002年，湖南省林業(yè)科學院承擔并主持了國家林業(yè)局引進國外先進林業(yè)技術(948項目)——《能源樹種綠王樹及其利用技術的引進》，從南非、美國和巴西引進了能源樹種綠玉樹(Euphorbiatim-calli)優(yōu)良無性系；研制完成了綠玉樹乳汁榨取設備；進行了綠玉樹乳汁成份和燃料特性的研究：綠玉樹乳汁催化裂解研究有階段性成果。
但是，與國外相比，我國在發(fā)展生物柴油方面還有相當大的差距，長期徘徊在初級研究階段，未能形成生物柴油的產(chǎn)業(yè)化：政府尚未針對生物柴油提出一套扶植、優(yōu)惠和鼓勵的政策辦法，更沒有制定生物柴油統(tǒng)一的標準和實施產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略。因此，我國進入了WTO之后，在如何面對經(jīng)濟高速發(fā)展和環(huán)境保護和雙重壓力這種背景下，加快高效清潔的生物柴油產(chǎn)業(yè)化進程就顯得更為迫切了。
五、我國生物柴油的產(chǎn)業(yè)化前景
2003年，受國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長的拉動，中國石油市場需求增勢強勁，石油產(chǎn)品需求總量增長幅度達到兩位數(shù)，為11.4%，比上年提高了7.4個百分點，這促進了石油進口量的大幅攀升，使我國成為石油消費和進口大國。石油市場資源供應出現(xiàn)緊缺，價格全面上漲。據(jù)中國物流信息中心統(tǒng)計，2003年我國石油及制品累計平均價格比上年提高11.8%。初步分析2004年中國石油市場供需形勢與2003年情況基本相似，將繼續(xù)保持消費需求旺盛，供需基本平衡的格局，但不排除受季節(jié)、運輸?shù)纫蛩赜绊懚霈F(xiàn)局部性和結構性的供應緊張。預計2004年中國原油消費量為2.7億噸，凈進口量有可能超過1億噸。
我國是一個石油凈進口國，石油儲量又很有限，大量進口石油對我國的能源安全造成威脅。因此，提高油品質量對中國來說就更有現(xiàn)實意義。而生物柴油具有可再生、清潔和安全三大優(yōu)勢。專家認為，生物柴油對我國農(nóng)業(yè)結構調整、能源安全和生態(tài)環(huán)境綜合治理有十分重大的戰(zhàn)略意義。目前，汽車柴油化已成為汽車工業(yè)的一個發(fā)展方向，據(jù)專家預測，到2010年，世界柴油需求量將從38%增加到45%，而柴油的供應量嚴重不足，這都為油菜制造生物柴油提供了廣闊的發(fā)展空間。發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)還可促進中國農(nóng)村和經(jīng)濟社會發(fā)展。如發(fā)展油料植物生產(chǎn)生物柴油，可以走出一條農(nóng)林產(chǎn)品向工業(yè)品轉化的富農(nóng)強農(nóng)之路，有利于調整農(nóng)業(yè)結構，增加農(nóng)民收入。
柴油的供需平衡問題也將是我國未來較長時間石油市場發(fā)展的焦點問題。業(yè)內(nèi)人士指出，到2005年，隨著我國原由加工量的上升，汽油和煤油擁有一定數(shù)量的出口余地，而柴油的供應缺口仍然較大。預計到2010年柴油的需求量將突破1億噸，與2005年相比，將增長24%；至2015年市場需求量將會達到1.3億噸左右。近幾年來，盡管煉化企業(yè)通過持續(xù)的技術改造，生產(chǎn)柴汽比不斷提高，但仍不能滿足消費柴汽比的要求。目前，生產(chǎn)柴汽比約為1.8，而市場的消費柴汽比均在2.0以上，云南、廣西、貴州1等省區(qū)的消費柴汽比甚至在2.5以上。隨著西部開發(fā)進程的加快，隨著國民經(jīng)濟重大基礎項目的相繼啟動，柴汽比的矛盾比以往更為突出。因此，開發(fā)生物柴油不僅與目前石化行業(yè)調整油品結構、提高柴汽比的方向相契合，而且意義深遠。
目前我國生物柴油技術已取得重大成果：海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源發(fā)展公司都已開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權的技術，相繼建成了規(guī)模超過萬噸的生產(chǎn)廠，這標志著生物柴油這一高新技術產(chǎn)業(yè)已在中國大地上誕生。
中國工程院有關負責人介紹，中國“十五”計劃發(fā)展綱要提出發(fā)展各種石油替代品，將發(fā)展生物液體燃料確定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。生物柴油產(chǎn)業(yè)得到了國務院領導和國家計委、國家經(jīng)貿(mào)委、科技部等政府部門的支持，并已列入有關國家計劃。
發(fā)展生物柴油，我國有十分豐富的原料資源。我國幅員遼闊，地域跨度大，水熱資源分布各異，能源植物資源種類豐富多樣，主要的科有大戟科、樟科、桃金娘科、夾竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、大風子科和蘿摩科等。目前我國生物柴油的開發(fā)利用還處于發(fā)展初期，要從總體上降低生物柴油成本，使其在我國能源結構轉變中發(fā)揮更大的作用，只有向基地化和規(guī)模化方向發(fā)展，實行集約經(jīng)營，形成產(chǎn)業(yè)化，才能走符合中國國情的生物柴油發(fā)展之路。隨著改革開放的不斷深入，在全球經(jīng)濟一體化的進程中，在中國加入WTO的大好形勢下，中國的經(jīng)濟水平將進一步提高，對能源的需求會有增無減，只要把關于生物柴油的研究成果轉化為生產(chǎn)力，形成產(chǎn)業(yè)化，則其在柴油引擎、柴油發(fā)電廠、空調設備和農(nóng)村燃料等方面的應用是非常廣闊的。
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