问题：发展我国生物柴油产业的探讨
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时间：2006-01-11 08:46:15 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

原载于中国工程科学
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发展我国生物柴油产业的探讨

[摘要] 生物柴油来源于动植物油脂等可再生资源。作为矿物柴油的的替代燃料，生物柴油具有空气污染物排放少、润滑性好、生物降解完全等优点，但生物柴油的成本高是制约其发展的瓶颈。本文结合我国具体国情，从原料（油料作物、油料林木果实、油藻和食用废油等）的综合利用，生物柴油的加工技术（酸碱催化、酶催化、无催化和副产高品质甘油的酯交换工艺），以及高附加值的后续产品（润滑添加剂、特种溶剂、表面活性剂等）的开发利用等方面，阐述了生物柴油作为环境友好的替代燃料和大宗有机化工原料的可行性。并指出必须开发符合我国国情的生物柴油专有技术，才能使生物柴油产业成为真正具有竞争力的新兴产业。
[关键词] 生物柴油；替代燃料；加工技术

1 前言

利用取之不尽、用之不竭的可再生资源生产燃料和大宗有机化工产品是绿色化学实现可持续发展的重要方向[1]。从植物油生产的柴油称为生物柴油（Biodiesel），它是一种长链脂肪酸的单烷基酯。天然油脂多由直链脂肪酸的甘油三酯组成，与甲醇酯交换后，分子量降至与柴油的接近，从而使其具有更接近于柴油的性能。从植物油生产的生物柴油不含硫和芳烃，十六烷值高，并且润滑性能好，所以是一种优质清洁柴油[2-4]。同时这些长链脂肪酸单烷基酯可生物降解，高闪点，无毒，挥发性有机物(VOC)低，具有优良的润滑性能和溶解性，所以也是制造可生物降解高附加值精细化工产品的原料[5,6]。

2 国外生物柴油技术发展近况

2.1 欧盟生物柴油发展情况
鉴于植物生长过程吸收的CO2大于生物柴油燃烧排放的CO2，欧盟为了履行“京都议定书”中减轻地球温室效应的承诺，大力发展生物柴油；因而对生物柴油采取差别税收刺激、菜籽油原料生产补贴等措施，提高了生物柴油对石油柴油价格上的竞争性。欧盟2003年的产量达到了270万吨，并计划于2010年达到800~1000万吨。

欧盟开发的生物柴油生产技术有：
1） CIMBRIA SKET GmbH的生物柴油生产技术。最新建造的一套5万吨/年生产装置于2003年投产，采用甲醇钠碱性催化剂进行连续脱甘油（CD Process）酯交换工艺[7]。
2） Lurgi Life Science Technologies GmbH开发的工艺为采用液体碱催化剂的二段酯交换、分离工艺[8]。一套年产3.7万吨生物柴油，副产4500吨甘油的工厂预计在2004年投产。
3） Henkel GmbH开发的工艺包括以液体碱催化剂，采用管式反应器-沉降槽的二段酯交换工艺。至少有两套数万吨/年规模的工厂正在运转。

2.2 美国生物柴油发展情况
美国为了扩大大豆的销售和保护环境，十多年来一直致力于使用大豆油为原料发展生物柴油产业。2002年，美国参议院提出包括生物柴油在内的能源减税计划，生物柴油享受与乙醇燃料同样的减税政策；要求所有军队机构和联邦政府车队、州政府车队等以及一些城市公交车使用生物柴油。2002年生产能力达到22万吨，2011年规划生产115万吨，2016年到330万吨。美国同时以大豆油生产的生物柴油为原料，开发生物可降解的高附加值精细化工产品，如润滑剂、洗涤剂、溶剂等，已形成产业[9]。
美国BIODIESEL INDUSTRIES, Inc.开发成功能移动组装的生物柴油生产装置。据称处理能力为1~3百万加仑/年(约为3000~10000吨/年)，可加工多种原料，而且生产所需的能源可以自给。

2.3 其它国家生物柴油发展情况
日本利用废弃食用油生产生物柴油的能力已达到40万吨/年，同时日本政府正在组织有关科研机构与能源公司合作开发超临界酯交换技术生产生物柴油。巴西2002年重新启动生物柴油计划，采用其丰产的蓖麻油为原料，建成了2.4万吨/年的生物柴油生产厂，并计划到2005年使生物柴油在石油柴油中的掺比达到5%，到2020年达到20%。韩国引进了德国生产技术，以进口菜籽油为原料于2002年建成10万吨/年的生物柴油生产装置，目前正再建一套10万吨/年的生产装置。菲律宾政府已宣布，与美国合作开发用椰子油生产生物柴油的技术。

3 国内生物柴油的发展近况

我国“十五”纲要提出要发展各种石油替代品，将发展生物液体燃料确定为国家产业发展的方向。生物柴油作为一种优质的生物液体燃料，它的发展将对我国能源战略安全、环境保护以及农业产业结构调整等方面起重要作用。中国工程院组织了“我国生物柴油产业发展座谈会”和“生物柴油植物原料发展研讨会”[10]，来自科技部、农业部、国家发改委和国资委等部门的相关负责人都表示，将努力贯彻国务院领导关于发展生物替代燃料的指示，大力支持发展生物柴油产业，中国工程院院长徐匡迪院士更是亲自出席讨论会，认真听取了与会人员的发言，并对我国发展生物柴油提出了意见。2004年，科技部高新技术和产业化司正在启动“十五”国家科技攻关计划项目“生物燃料油技术开发”项目，其中也包括了生物柴油技术开发的内容。
在我国，生物柴油产业化是在民营企业，海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司等都建成了1~2万吨/年生产装置，主要以餐饮业废油为原料，除生产生物柴油外，还生产一些高附加值的产品。利用餐饮业废油生产生物柴油，可以减少肮脏的、含过氧化类脂等致癌物质及其他污染物排入环境或重新进入食用油系统，对于大中城市的绿色化具有重要意义。另外，海南正和生物能源公司还以黄连木树果油为原料，并建有10万亩原料种植基地。北京市科委可持续发展科技促进中心正与石油大学合作，利用北京市餐饮业废油为原料来制造生物柴油。江西巨邦化学公司进口美国转基因大豆油和国产菜籽油生产生物柴油，正建设10万吨/年生产装置。四川大学生命科学院正筹备以麻疯树果油为原料，计划建立2万吨/年的生产装置。
在科研开发方面，我国不仅重视生物柴油生产工艺技术的开发，而且也对生物柴油的资源发展进行了深入地研究。这些研究单位有：中国林科院、中国农科院、中科院植物所、中科院水生植物所、中国科技大学、四川大学、石油大学、北京化工大学和中石化石油化工科学研究院等。研究的资源包括草本植物油，如菜籽油、大豆油、棉籽油等；木本植物油，如黄连木油、乌桕籽油和绿玉树油等；水生油料植物油，如工程海藻油。所研究的加工方法包括常规的液碱催化酯交换、固体碱催化酯交换以及酶催化酯交换和超临界酯交换等。
国内生物柴油产业虽然得到较快发展，但从形成具有国际竞争力和抗拒原料油价波动的风险来看，还需从下列几个方面继续努力：
1）从原料看，我国几家民营生物柴油企业绝大多数是采用餐饮业废油来生产生物柴油，不回收甘油，只有一套使用进口大豆油和菜籽油装置正在建设。我国丰富的野生木本植物油和我国优良品种的菜籽油尚未大量用于生产生物柴油。
2）国内民营企业生物柴油生产装置规模为1～2万吨，尚未形成10～20万吨的经济规模。
3）从技术水平看，国内民营企业普遍采用的是液碱催化或固体碱催化酯交换工艺。国外正在开发的是酶催化酯交换和超临界酯交换技术。
4）从产品看，目前一些民营企业虽已订有企业规格标准，但没有100％生物柴油以及与不同比例生物柴油和石油柴油调配的清洁柴油（如相当国外B-2，B-20等）产品的国家规格标准。
5）与生物柴油配套使用的添加剂，如抗氧剂、低温流动改进剂等尚未开发使用。
6）利用生物柴油为原料，开发高附加值精细化工产品的研究还需加强。

4 发展生物柴油产业的探讨

4.1发展生物柴油的关键是原料资源的供应
发展生物柴油产业可以增加一条由可再生资源生产清洁柴油的欣渠道。但其关键在于资源的供应，尤其原料价格是影响生物柴油成本的主要因素，比投资、操作费用、能耗都重要。
我国发展生物柴油的原料资源优势和特点是利用草本和木本油料植物[11,12]。作为木本油料资源的黄连木、乌桕、油桐、麻疯树等十分丰富，但现有的资源没有充分开发利用。它们具有野生性，耐旱、耐贫瘠，不与粮食生产争地，在约占我国国土总面积69％的山地、高原和丘陵等地域都能很好地生长，而且其采集需要大量劳动力，合乎我国国情。结合我国西部退耕还林生态工程，大面积营造生物柴油资源林，提供廉价的生物柴油原料，可变荒山劣势为优势，同时为我国农民、林业工人增收，这将是中国发展生物柴油的重要特色。我国也有丰富的油料作物资源，如大豆、棉花、菜籽等，它们亩产油比野生木本植物的高，更利于大量提供生物柴油原料。但是这类原料价格高，必须综合利用以降低生产成本，还要与粮食生产结合，不与粮食争地。如甘肃、四川的一些地区，可以种植一季油菜以增加土壤肥力使粮食增产，同时也为生物柴油提供原料。以菜籽油来发展生物柴油为例，要采用优质品种，如低芥酸、低硫甙、高油收率的品种，提供优质生物柴油原料和动物饲料蛋白；要与农作物生产结合，组织起油菜种植-加工一体化生物柴油生产基地来实现。我国油菜育种研究处于世界领先行列。浙江省农业科学院原子能所运用基因工程新技术，育出的“超油2号”的含油量高达52.82%，是目前世界上含油量最高的甘蓝型油菜，已获得中国、美国、加拿大、德国、澳大利亚等多国专利。此外，以大豆油为原料，还有吉林省农科院开发了世界首个杂交大豆品种，“杂交豆I号”亩产达到国际领先水平。所以，以油料作物为原料生产生物柴油，油菜和大豆品种有优势，关键是不与粮食争地。
除国内资源外，也可以从国外进口大豆油、菜籽油、棕榈油等为原料，这也相当于代替一部分进口原油、柴油，关键是原料和成品价格能否与石油竞争。2004年，美国芝加哥期货市场的大豆价格由一季度的人民币3750元/吨降至目前的2958元/吨，与今年原油价格一路攀生相比，呈现一种相反的发展趋势。所以，从国外进口原料生产生物柴油也是值得探讨的。国内已经有江西巨邦化学公司进口美国转基因大豆为原料来生产生物柴油。
可再生资源是低密度能源，要大面积种植才能提供一定的数量的原料，同时还有收集和运输成本问题。因此，目前的生物柴油装置规模一般为2～5万吨/年，最大才20万吨/年，而且原料供应还有季节性。从近中期看，生物柴油只能占柴油消费的一小部分，作为石油柴油的补充。但是，正是由于其规模小，加工流程比较简单，投资小，发展快，所以可以因地制宜，根据各地区的原料情况来发展。

4.2 作为清洁石油柴油的调和组分和生产满足欧Ⅲ标准的清洁柴油来开发
与石油柴油比较，生物柴油具有十六烷值高（>56），硫含量低（<10μg/g），不含芳烃，闪点高（>100℃），润滑性能好，生物降解快等优点，产品有：（1）100%生物柴油，对原料与产品均有严格要求，如德国采用低介酸、低硫甙的菜籽油生产，产品可满足欧Ⅲ排放要求。（2）5%、10%、20%生物柴油，与石油柴油调配使用，具有以下优点：冷滤点高，减少堵塞喷嘴；减少油路的溶胀；减少NOx排放。（3）家庭加热炉燃料。所以生物柴油可作为炼油厂和石油销售公司石油柴油的调和组分，提高十六烷值，降低硫含量，特别是改善润滑性能。对炼厂深度加氢生产的低硫、低芳烃柴油采用加入2％～5％生物柴油即可改进润滑性能，比采用润滑添加剂经济合理，这是将来我国炼厂生产满足欧Ⅲ排放要求的低硫、低芳柴油必需的调和组分。
4.3 利用生物柴油所含的脂肪酸甲酯来制造可生物降解的高附加值精细化工品以增加利润
美国利用大豆油生产的脂肪酸甲酯，开发成功五类可生物降解精细化工产品并推广应用，已形成了近300家企业的新兴产业。这五类产品是涂料与印刷墨、粘结剂、润滑剂、塑料及其制品、精细化工品，包括溶剂、表面活性剂和杀虫剂等。
在我国，目前植物油原料价格在3000～5000元/吨，石油柴油在3000～4000元/吨的形势下，单独生产生物柴油的装置经济上难以立足，所以一些民营企业生产了一些高附加值产品以提高利润，如福建卓越新能源公司生产的油酸甲酯，棕榈酸甲酯等。对于10万吨/年的生物柴油装置，还应回收和综合利用甘油。因此，开发的生物柴油生产装置的流程和加工技术必须充分考虑综合利用，以适应建设生物柴油-甘油回收利用-精细化工产品生产的要求。
4.4 开发独特先进的生物柴油的生产技术
把生物柴油的生产建立在科学的基础上，就要象石油炼制一样，针对不同类型原料进行原料评价，根据产品要求制订加工流程，开发加工新工艺，对产品进行评定和制订规格标准。因此，生物柴油技术开发应包括：
1）生物柴油原料的评价与筛选。包括建立评价方法，对不同地域，不同气候以及不同中间处理过程的各种可能的原料油进行评价，取得原料油的特性数据及供应规模，用来指导制定加工方案，生产相适应的产品。
2）根据原料、规模、产品种类确定加工流程。包括选定采用催化、无催化，间隙、连续等多种加工方案等。
3）开发先进的加工工艺。开发固体酸、固体碱催化剂代替液体酸碱，减少对环境的污染；开发酶催化或无催化醇解反应技术，降低醇/油比，节省能耗，简化工艺流程；开发甲酯化、酯交换反应-分离一体化新工艺，回收高品质甘油；以及生物降解的精细化工产品的研发工作等。
4）生物柴油配方的研制与评定。包括与石油柴油调配，生产优质、环境友好的柴油；对不同配方（2%、5%、20%）进行规格分析、模拟评定，确定配方；对确定配方的生物柴油新产品进行喷嘴烧结与润滑性能的模拟试验，台架试验，行车试验等；制定相应生物柴油品种的规格标准等。

5 展望
从我国国情出发，生物柴油可先在大中城市公交系统的柴油车中使用，不仅能降低汽车尾气的污染排放，减少居住人口密集的大中城市的空气污染；同时，还可利用现有的储存和加油站点，避免采用液化石油气(LPG)、压缩天然气(LNG)等其它类型的代用燃料对储存、运输等销售系统的改造，节约投资。2002年我国车用柴油消费量约1800万吨，预计到2020年车用柴油消费量将达6100万吨/年。若按石油柴油的2%加入到低硫、低芳清洁柴油中来改善其润滑性，届时生物柴油需求量就达122万吨/年。因此，应尽快开发具有自主知识产权的生产技术，建立10万吨/年级的生产生物柴油、甘油和精细化工产品的生物柴油和化工示范基地。

参考文献
[1] Klass D.L., Biomass for renewable energy, fuels and chemicals, [M] New York: Academic Press: 1998
[2] Ma F., Hanna M.A., Biodiesel production : a review. Bioresource Technology, {J} 1999, 70:1-15.
[3] 郭卫军，闵恩泽，发展我国生物柴油产业的初探，石油学报（石油加工）[J], 2003,19(2):1-6
[4] Varese R., Varese M., Methyl ester biodiesel: opportunity or necessity [J ]. Inform , 1996 , (7): 816-824
[5] Hui Y.H.主编，贝雷：油脂化学与工艺学，第5版，第5卷，[M] 中国轻工业出版社，2001
[6] G. 迪克曼，H. J. 海因茨编著，顾季寅等译，工业油化学基础----天然油脂技术综论，[M] 中国轻工业出版社，1995
[7] Connemann J.F., Biodiesel in Europe 1998Biodiesel Processing Technologies, Paper presented at the International Liquid Biofuels, July 19-22, 1998, Brazil
[8] Lurgi to Build Biodiesel Plant in Germany, Chemical Week, March 5, 2003, pp15
[9] United Soybean Board, The Soy Products Catalog, http://www.unitedsoybean.com
[10] 郗小林，中国工程院召开生物柴油植物原料发展讨论会，院士通讯，[J] 2003, (4):24-26
[11] 中国油脂植物编写委员会，中国油脂植物，[M] 科学出版社，1987
[12] 谷克仁，梁少华主编，植物油料资源综合利用，[M] 中国轻工业出版社，2001

回复人：672672,★★★★ (我的化工博客：http://672672.blog.sohu.com) 时间：2006-01-11 08:55:57 编辑	1楼
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回复人：whizhua,▲ (我是一个很上进的人，每天都在寻找新的学习点。) 时间：2006-08-18 22:50:46 编辑	4楼
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黄绢幼妇，外孙齑臼。（见三国杨修故事：意思是讲得好极了）中国原油紧缺，尽力生产生物柴油是好方法。中国人不缺技术，但少正确政策引导，扶持。

回复人：Jiang.shan,▲ (我非常喜欢化学.但基础较差.希望在贵论坛向朋友学习) 时间：2007-01-14 23:29:27 编辑	6楼
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回复人：zhaiyz,▲ () 时间：2007-01-15 08:11:51 编辑	7楼
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回复人：知秋,▲ (对汽车养护产品很感兴趣) 时间：2007-01-16 11:14:47 编辑	8楼
种甘蔗吧！那玩意儿，更环保，更易与变成柴油！

回复人：f7799,▲ (我喜欢化学) 时间：2008-12-20 22:26:05 编辑	9楼
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回复人：fengdaoda,▲ (干了十多年分析工作,现在学习制剂技术) 时间：2007-10-15 13:43:04 编辑	11楼
柴乳一般用生物柴油,可用车用柴油吗?

回复人：f7799,▲ (我喜欢化学) 时间：2008-12-20 22:26:06 编辑	12楼
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回复人：gem_ljk3,▲ (我是化验工) 时间：2008-12-20 22:23:04 编辑	13楼
不错

回复人：alove916,▲ () 时间：2008-12-23 16:10:07 编辑	14楼
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