生物柴油是指植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、動(dòng)物油（如魚(yú)油、豬油、牛油、羊油等）、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經(jīng)酯轉(zhuǎn)化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯，具有十六烷[wán]值高、低硫、無(wú)芳烴等特點(diǎn)，可作為車用柴油調(diào)和組分，是國(guó)際公認(rèn)的可再生清潔燃料。它可生物降解，無(wú)毒，排放量低，對(duì)環(huán)境有益。生物柴油的分子鏈長(zhǎng)通常為12-22個(gè)碳原子，其生產(chǎn)原料主要包括植物原料、動(dòng)物原料和微生物原料，制備方法有直接混合法、微乳液法、酯[zhǐ]交換法、高溫裂解法、超臨界法等。生物柴油可以與石化柴油調(diào)和使用，燃料中生物柴油所占的比例以“BXX”表示。生物柴油具有原料來(lái)源廣泛，優(yōu)良的環(huán)保特性，較好的低溫發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能，可以降低油耗、提高動(dòng)力性，并降低尾氣污染。生物柴油是一種替代柴油燃料，由植物油和動(dòng)物脂肪等可再生生物資源制成。它可生物降解，無(wú)毒，排放量低，對(duì)環(huán)境有益。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
柴油燃料中生物柴油所占的比例以“BXX”表示
大部分20%及以下生物柴油的混合物可直接用于柴油設(shè)備，小部分需要對(duì)柴油設(shè)備進(jìn)行部分改裝才可正常使用。生物柴油也可以以純形式 （B100） 使用，但需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行某些修改以避免維護(hù)和性能問(wèn)題。
發(fā)展歷史
柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)明者魯?shù)婪颉さ先麪枺≧udolf Diesel，1858–1913）在測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)原型時(shí)使用花生油作為燃料。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明后，學(xué)者們?cè)鴩L試使用許多植物油制作生物柴油，包括棕櫚油、大豆油、棉籽油、麻油等，但是植物油粘度高，容易導(dǎo)致霧化不良，發(fā)動(dòng)機(jī)沉積。后來(lái)研究者提出了降低植物油粘度的四種可能的解決方案：酯交換、熱解、用石油基燃料稀釋和乳化。酯交換是產(chǎn)生長(zhǎng)鏈脂肪酸單烷基酯或脂肪酸烷基酯的常見(jiàn)方法。1938年，利用棕櫚油制備的生物柴油在比利時(shí)用于公共汽車。1982年8月，第一屆植物和植物油燃料國(guó)際會(huì)議在北達(dá)科他州的法戈（Fargo, North Dakota）舉行。1988年，“生物柴油”一詞首次出現(xiàn)在論文中，此后該詞在論文中的使用頻率以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
理化性質(zhì)
由于油脂原料不同，生產(chǎn)的生物柴油在理化性質(zhì)方面也有很大不同。生物柴油的化學(xué)組成為脂肪酸甲酯或乙酯，所含脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度在12~22之間。碳鏈長(zhǎng)度和飽和度是影響生物柴油性質(zhì)的重要因素，主要對(duì)生物柴油的黏度、十六烷值、低溫流動(dòng)性及氧化安定性產(chǎn)生影響。
十六烷值(CN)
十六烷值(CN)是評(píng)定柴油自燃性好壞的指標(biāo)，它與發(fā)動(dòng)機(jī)的粗暴性及起動(dòng)性有密切關(guān)系。生物柴油的十六烷值比石化柴油略高，通常在50～60之間。由于其十六烷值高，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(dòng)機(jī)機(jī)油的受用壽命加長(zhǎng)。
密度
生物柴油密度一般為0.85-0.95g/cm2，比礦物柴油稍高。燃油密度是燃油霧化初期的主要影響因素。密度大，相同體積油滴的質(zhì)量和沿噴射方向的動(dòng)量大，噴霧均勻性下降，霧化質(zhì)量變差。
黏度
生物柴油20℃的運(yùn)動(dòng)黏度一般為4-6mm2/s，比礦物油稍高，凝點(diǎn)低，無(wú)添加劑時(shí)冷濾點(diǎn)大-20℃。生物柴油的黏度與碳鏈長(zhǎng)度及飽和度有關(guān)。隨著碳鏈的增長(zhǎng)和飽和度的增加，生物柴油的黏度會(huì)增加。生物柴油的黏度高，潤(rùn)滑性能好，可以使缸體/活塞、軸承、噴油泵等磨損率低、壽命長(zhǎng)，但是生物柴油的黏度也會(huì)影響其霧化性，過(guò)高的黏度會(huì)使燃燒不完全，發(fā)動(dòng)機(jī)上產(chǎn)生沉淀。因此，生物柴油的黏度是生物柴油最重要的指標(biāo)之一。
閃點(diǎn)
生物柴油運(yùn)輸、儲(chǔ)存使用等的安全性高。因其閃點(diǎn)較石化柴油高，可達(dá)100℃，高于強(qiáng)制性規(guī)定的高于60℃。
低溫流動(dòng)性
生物柴油在低溫下的流動(dòng)情況直接影響生物柴油的應(yīng)用范圍，低溫流動(dòng)性不好會(huì)因凍結(jié)或膠凝而堵塞過(guò)濾器，甚至造成發(fā)動(dòng)機(jī)不能供油。低溫流動(dòng)性一般以濁點(diǎn)、傾點(diǎn)、冷濾點(diǎn)來(lái)表示。低溫流動(dòng)性的好壞與生物柴油碳鏈的飽和性有關(guān)，碳鏈的飽和程度越高，低溫流動(dòng)性越差。
熱值
熱值是燃料能量含量的一個(gè)尺度。生物柴油燃燒所放出的熱量接近于與其碳?xì)浔阮愃频氖裼汀?/p>
氧化安定性
生物柴油中含有大量的碳碳雙鍵，在氧、高溫、陽(yáng)光、金屬(如銅、鉛、錫、鋅等)等的作用下會(huì)發(fā)生氧化分解，從而會(huì)增加生物柴油的酸值、黏度及不溶物含量。生物柴油在儲(chǔ)存、輸送和噴射過(guò)程中與氧氣接觸，容易產(chǎn)生不溶性氧化產(chǎn)物堵塞柴油機(jī)燃油系統(tǒng)。生物柴油氧化速率的快慢和其分子結(jié)構(gòu)中雙鍵的數(shù)目和位置有關(guān)，氧化安定性是飽和度越高越好。中國(guó)對(duì)于柴油機(jī)燃料調(diào)合用生物柴油的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)定在110℃下，生物柴油的誘導(dǎo)期不小于6 h。
氧含量、硫含量、芳香族烷烴含量
生物柴油組分石油基柴油的主要差別在于氧含量。石油基柴油的氧含量為零，而生物柴油則含10％～12％(質(zhì)量)的氧，從而降低了能量密度并減少了顆粒物的排放。生物柴油基本不含硫和芳香族烷烴，排放廢氣基本不含SOx，而且不會(huì)因芳香族烷烴污染環(huán)境。但是，用于大功率、高負(fù)荷的現(xiàn)代船舶柴油機(jī)，燃燒區(qū)域的高溫和富氧條件會(huì)導(dǎo)致NOx排放增加。
優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)
優(yōu)勢(shì)
(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降低，可減少約30%（有催化劑時(shí)可減少70%）；生物柴油中不含對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染的芳香烴，因而廢氣對(duì)人體損害低于柴油。
(2)生物柴油的黏度高、潤(rùn)滑性能好，使噴油泵、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和連桿的磨損率降低，使用壽命延長(zhǎng)。
(3)具有較好的安全性能。由于閃點(diǎn)較石化柴油高，生物柴油不屬于危險(xiǎn)品。因此在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用方面的安全性較高。
(4)十六烷值高，發(fā)火性能好，滯燃期短，燃燒性能好，只需適當(dāng)減小噴油提前角。但要防止滯燃期內(nèi)可燃混合氣的充分形成和擴(kuò)散。
(5)無(wú)需改動(dòng)柴油機(jī)，可直接添加使用。由于生物柴油的黏度較接近于石油柴油的黏度，它可以直接用于現(xiàn)有的壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上，同時(shí)無(wú)需另添設(shè)加油設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備，無(wú)需進(jìn)行人員的特殊技術(shù)訓(xùn)練。
(6)具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲(chǔ)量不同，可供應(yīng)量不會(huì)枯竭。
劣勢(shì)
與發(fā)展相對(duì)成熟石化柴油相比，生物柴油興起于上世紀(jì)90年代，其不可避免存在著一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
(1)低溫啟動(dòng)性能不佳。例如，利用有機(jī)大豆油制取脂肪酸甲酯傾點(diǎn)為3℃，在較冷環(huán)境下其可能會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶從而引起一系列問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可通過(guò)將其與石化柴油混合、或使用添加劑、冬化、使用支鏈甲酯等方法加以解決。其中冬化能將熔點(diǎn)較高飽和度較高脂肪酸甲酯過(guò)濾掉，從而改善其低溫啟動(dòng)性能不佳問(wèn)題。
(2)NOx排量高。眾所周知，富氧是NOx生成的條件之一，而生物柴油氧含量較高，燃用時(shí)會(huì)使柴油機(jī)的NOx排放量明顯增加，這也是生物柴油排放特性中唯一差于石化柴油的指標(biāo)。
(3)生物柴油所含微量甲醇與丙三醇會(huì)使與之接觸橡膠零件如橡膠膜、密封圈、燃油管等逐漸降解。
(4)黏度大、安定性差。生物柴油黏度較大且分子中含有不穩(wěn)定的雙鍵，長(zhǎng)期使用會(huì)在油路中發(fā)生聚合反應(yīng)，生成大分子膠狀物質(zhì)，引起燃料系統(tǒng)結(jié)膠，濾清器和噴油嘴堵塞。這兩個(gè)問(wèn)題極大地限制了生物柴油的實(shí)際應(yīng)用。
(5)生產(chǎn)成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物柴油制備成本的75％是原料成本。因此，采用廉價(jià)原料、提高轉(zhuǎn)化率、降低成本是生物柴油能否實(shí)用化的關(guān)鍵。
(6)原料來(lái)源不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量不易保證。采用餐飲廢油作為原可以大大降低生物柴油的生產(chǎn)成本，但由于所收集的餐飲廢油來(lái)源復(fù)雜，雜質(zhì)含量高，使得生物柴油產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。另外，整個(gè)制備過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢物以及廢氣的排放和處理也會(huì)大大增加生產(chǎn)費(fèi)用和對(duì)環(huán)境的影響。
生產(chǎn)原料
生物柴油生產(chǎn)的原料可分為脂類原料和醇類原料。脂質(zhì)原料包括植物油、動(dòng)物脂肪，還包括其他類似植物的生物，如微藻和藍(lán)藻。制備生物柴油的原料包括大豆油、玉米油、菜籽油、花生油等食用植物油，蓖麻油、麻風(fēng)樹(shù)油等非食用植物油，生油、雞脂肪等動(dòng)物脂肪，但這些原料的生產(chǎn)成本較高，而使用更低成本的餐飲及工業(yè)廢棄油脂，有助于降低生物柴油生產(chǎn)成本，同時(shí)可解決廢棄物處理的難題。
生產(chǎn)方法
目前，制備生物柴油的方法包括物理法、生物法和化學(xué)法。物理法包括直接混合及微乳液法，生物法以酶催化酯交換法為主；化學(xué)法包括高溫裂解法、超臨界法和酯交換法。
物理法
物理法主要包括直接混合法和微乳液法。直接混合法是按一定比例將原料油脂與柴油、添加劑和降凝劑直接混合制成生物柴油。微乳液法是通過(guò)加入乳化劑或添加表面活性劑，將原料油脂與溶劑混合，來(lái)制備生物柴油。
化學(xué)法
化學(xué)法生產(chǎn)生物柴油主要包括酯化法和酯交換法，酯交換法是目前大規(guī)模使用的主流生產(chǎn)工藝。
1.酯化法
采用脂肪酸與甲醇在酸性催化劑(如硫酸等強(qiáng)酸性催化劑)存在下進(jìn)行酯化反應(yīng)，生成脂肪酸甲（乙）酯。如圖為工業(yè)上采用酯化反應(yīng)生產(chǎn)生物柴油的一種方法。
2.酯交換法
酯交換是指利用動(dòng)植物油脂與甲醇或乙醇在催化劑（一般采用氫氧化鈉、氫氧化鉀等強(qiáng)堿性催化劑）存在下，發(fā)生酯化反應(yīng)制成脂肪酸甲(乙)酯。
3.超臨界法
超臨界法是在高溫高壓條件下，不進(jìn)行預(yù)處理且無(wú)催化劑，直接通過(guò)甲醇的超臨界反應(yīng)，同時(shí)發(fā)生水解、酯化和酯交換反應(yīng)的過(guò)程。在反應(yīng)中，超臨界流體既可作為反應(yīng)介質(zhì)，也可直接參加反應(yīng)。超臨界流體用作反應(yīng)介質(zhì)時(shí)，可以通過(guò)改變操作條件調(diào)節(jié)其物理化學(xué)性質(zhì)，如密度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、介電常數(shù)以及化學(xué)平衡和反應(yīng)速率常數(shù)等。
生物法
生物法主要以酶催化酯交換法為主，以生物酶作為催化劑，采用動(dòng)植物油脂和低碳醇(甲醇或乙醇)作為原料進(jìn)行酯化反應(yīng)制備生物柴油。該法與傳統(tǒng)的化學(xué)法相比，采用脂肪酶作為催化劑進(jìn)行酯交換反應(yīng)，反應(yīng)條件較為溫和。生物酶對(duì)油脂的選擇性小，既可以處理普通的植物油脂，還可以直接處理廢油脂（如地溝油、泔水油等）。生物酶法具有反應(yīng)溫度低、節(jié)省能源的特點(diǎn)。
應(yīng)用領(lǐng)域
生物柴油作為柴油機(jī)燃料
生物柴油的燃料理化特性與石化柴油相近，且具有無(wú)法比擬的性能，如較高的十六烷值、不含硫和芳香烴、不會(huì)造成酸雨、環(huán)?？稍偕?，符合“碳中和”理念。它可直接用作柴油機(jī)燃料或以一定比例和柴油摻混在柴油機(jī)上使用，可有效緩解能源緊缺，減少環(huán)境污染。在環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重以及化石能源越發(fā)緊缺的今天，生物柴油是普通柴油作為柴油機(jī)燃料的良好替代品。
開(kāi)發(fā)生物柴油下游附加值產(chǎn)品
生物柴油是不同種類長(zhǎng)鏈脂肪酸甲酯的混合物，富含酯基、碳碳雙鍵和甲氧基等官能團(tuán)，可發(fā)生酯交換反應(yīng)、加氫反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)，將生物柴油轉(zhuǎn)化為生物基潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油、脂肪醇和綠色增塑劑等附加值產(chǎn)品，從而有效利用生物柴油。
世界生產(chǎn)現(xiàn)狀
美國(guó)是最早研究生物柴油的國(guó)家之一。20世紀(jì)80年代初美國(guó)開(kāi)始對(duì)利用油脂轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯生產(chǎn)生物柴油進(jìn)行研究。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，美國(guó)可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)生物柴油的生產(chǎn)、燃燒特性、行車實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)業(yè)化情況及經(jīng)濟(jì)與環(huán)境因素進(jìn)行了深入調(diào)查。美國(guó)聯(lián)邦政府、國(guó)會(huì)以及有關(guān)州政府通過(guò)政令、法規(guī)和補(bǔ)貼等措施鼓勵(lì)生物柴油的生產(chǎn)和消費(fèi)。1980年制定了國(guó)家能源政策，明確提出以生物柴油替代石化柴油戰(zhàn)略，目的在于促進(jìn)本國(guó)可再生能源的應(yīng)用。
歐盟是全球最大的生物柴油生產(chǎn)地．生產(chǎn)原料主要是菜籽油，其次還有少量的葵花油和有機(jī)大豆油，總產(chǎn)量約占世界的80%，且產(chǎn)量以年均33%的幅度增長(zhǎng)。同時(shí)歐盟也是全球最大的生物柴油消費(fèi)地．其消費(fèi)份額已占到成品油市場(chǎng)的5％。2021年7月，歐盟修訂了《可再生能源指令（REDII）》，指令中提到2030年可再生燃料在運(yùn)輸部門的占比需達(dá)到26%（高于現(xiàn)行規(guī)定的14%）。由于一系列促進(jìn)市場(chǎng)營(yíng)銷的措施(如要求成員國(guó)降低生物柴油稅率、制定并完善了相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等)，歐洲生物柴油產(chǎn)業(yè)始終保持著較好的發(fā)展勢(shì)頭。
日本1995年開(kāi)始研究生物柴油。由于植物資源相對(duì)貧乏．日本主要以食用廢油為原料生產(chǎn)生物柴油。日本每年的食用油脂消耗約為200萬(wàn)噸，而廢棄的食用油達(dá)40萬(wàn)噸，約占20％。1999年建成了用煎炸油為原料生產(chǎn)生物柴油的工業(yè)化實(shí)驗(yàn)裝置。目前生物柴油年產(chǎn)量可達(dá)40萬(wàn)噸，售價(jià)與化石柴油相當(dāng)。
中國(guó)積極支持生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《可再生能源法》明確規(guī)定石油銷售企業(yè)應(yīng)將符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的生物液體燃料納入其燃料銷售體系。2014年，《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》從原料、布局、監(jiān)管等方面，明確了產(chǎn)業(yè)規(guī)范要求。2016年，《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出健全生物柴油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，推進(jìn)生物柴油在交通領(lǐng)域的應(yīng)用。近年來(lái)，為滿足大氣污染防治需要，陸續(xù)修訂發(fā)布第六階段《車用柴油》和《B5柴油》國(guó)家強(qiáng)制性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中《車用柴油》標(biāo)準(zhǔn)允許添加不超過(guò)1%的BD100生物柴油，《B5柴油》標(biāo)準(zhǔn)要求添加1~5%的BD100生物柴油。
《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球石油產(chǎn)量為41.65億噸，天然氣產(chǎn)量為3.85萬(wàn)億立方米，煤炭產(chǎn)量為81.73億噸。2020年時(shí)全球生物柴油的產(chǎn)量大約只有465億升（約3860萬(wàn)噸），同期全球植物油產(chǎn)量約為2.11億噸。
參考資料 >
國(guó)家能源局發(fā)布《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》.中國(guó)政府網(wǎng).2023-05-03