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）、動物油（如魚油、豬油、牛油、羊油等）、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經酯轉化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯，具有十六烷[wán]值高、低硫、無芳烴等特點，可作為車用柴油調和組分，是國際公認的可再生清潔燃料。它可生物降解，無毒，排放量低，對環境有益。生物柴油的分子鏈長通常為12-22個碳原子，其生產原料主要包括植物原料、動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源廣泛，優良的環保特性，較好的低溫發動機啟動性能，可以降低油耗、提高動力性，并降低尾氣污染。生物柴油是一種替代柴油燃料，由植物油和動物脂肪等可再生生物資源制成。它可生物降解，無毒，排放量低，對環境有益。
標準規定
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備，小部分需要對柴油設備進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，但需要對發動機進行某些修改以避免維護和性能問題。
發展歷史
柴油發動機的發明者魯道夫·迪塞爾（Rudolf Diesel，1858–1913）在測試發動機原型時使用花生油作為燃料。柴油發動機發明后，學者們曾嘗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，容易導致霧化不良，發動機沉積。后來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。酯交換是產生長鏈脂肪酸單烷基酯或脂肪酸烷基酯的常見方法。1938年，利用棕櫚油制備的生物柴油在比利時用于公共汽車。1982年8月，第一屆植物和植物油燃料國際會議在北達科他州的法戈（Fargo, North Dakota）舉行。1988年，“生物柴油”一詞首次出現在論文中，此后該詞在論文中的使用頻率以指數級增長。
理化性質
由于油脂原料不同，生產的生物柴油在理化性質方面也有很大不同。生物柴油的化學組成為脂肪酸甲酯或乙酯，所含脂肪酸碳鏈長度在12~22之間。碳鏈長度和飽和度是影響生物柴油性質的重要因素，主要對生物柴油的黏度、十六烷值、低溫流動性及氧化安定性產生影響。
十六烷值(CN)
十六烷值(CN)是評定柴油自燃性好壞的指標，它與發動機的粗暴性及起動性有密切關系。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，使催化劑和發動機機油的受用壽命加長。
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，相同體積油滴的質量和沿噴射方向的動量大，噴霧均勻性下降，霧化質量變差。
黏度
生物柴油20℃的運動黏度一般為4-6mm2/s，比礦物油稍高，凝點低，無添加劑時冷濾點大-20℃。生物柴油的黏度與碳鏈長度及飽和度有關。隨著碳鏈的增長和飽和度的增加，生物柴油的黏度會增加。生物柴油的黏度高，潤滑性能好，可以使缸體/活塞、軸承、噴油泵等磨損率低、壽命長，但是生物柴油的黏度也會影響其霧化性，過高的黏度會使燃燒不完全，發動機上產生沉淀。因此，生物柴油的黏度是生物柴油最重要的指標之一。
閃點
生物柴油運輸、儲存使用等的安全性高。因其閃點較石化柴油高，可達100℃，高于強制性規定的高于60℃。
低溫流動性
生物柴油在低溫下的流動情況直接影響生物柴油的應用范圍，低溫流動性不好會因凍結或膠凝而堵塞過濾器，甚至造成發動機不能供油。低溫流動性一般以濁點、傾點、冷濾點來表示。低溫流動性的好壞與生物柴油碳鏈的飽和性有關，碳鏈的飽和程度越高，低溫流動性越差。
熱值
熱值是燃料能量含量的一個尺度。生物柴油燃燒所放出的熱量接近于與其碳氫比類似的石化柴油。
氧化安定性
生物柴油中含有大量的碳碳雙鍵，在氧、高溫、陽光、金屬(如銅、鉛、錫、鋅等)等的作用下會發生氧化分解，從而會增加生物柴油的酸值、黏度及不溶物含量。生物柴油在儲存、輸送和噴射過程中與氧氣接觸，容易產生不溶性氧化產物堵塞柴油機燃油系統。生物柴油氧化速率的快慢和其分子結構中雙鍵的數目和位置有關，氧化安定性是飽和度越高越好。中國對于柴油機燃料調合用生物柴油的國家標準是規定在110℃下，生物柴油的誘導期不小于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，而且不會因芳香族烷烴污染環境。但是，用于大功率、高負荷的現代船舶柴油機，燃燒區域的高溫和富氧條件會導致NOx排放增加。
優勢與劣勢
優勢
(1)具有優良的環保特性。主要表現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%（有催化劑時可減少70%）；生物柴油中不含對環境會造成污染的芳香烴，因而廢氣對人體損害低于柴油。
(2)生物柴油的黏度高、潤滑性能好，使噴油泵、發動機缸體和連桿的磨損率降低，使用壽命延長。
(3)具有較好的安全性能。由于閃點較石化柴油高，生物柴油不屬于危險品。因此在運輸、儲存和使用方面的安全性較高。
(4)十六烷值高，發火性能好，滯燃期短，燃燒性能好，只需適當減小噴油提前角。但要防止滯燃期內可燃混合氣的充分形成和擴散。
(5)無需改動柴油機，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，它可以直接用于現有的壓燃式發動機上，同時無需另添設加油設備、儲存設備，無需進行人員的特殊技術訓練。
(6)具有可再生性能。作為可再生能源，與石油儲量不同，可供應量不會枯竭。
劣勢
與發展相對成熟石化柴油相比，生物柴油興起于上世紀90年代，其不可避免存在著一些問題，主要表現為以下幾個方面：
(1)低溫啟動性能不佳。例如，利用有機大豆油制取脂肪酸甲酯傾點為3℃，在較冷環境下其可能會產生結晶從而引起一系列問題。這個問題可通過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。其中冬化能將熔點較高飽和度較高脂肪酸甲酯過濾掉，從而改善其低溫啟動性能不佳問題。
(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，燃用時會使柴油機的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。
(3)生物柴油所含微量甲醇與丙三醇會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定的雙鍵，長期使用會在油路中發生聚合反應，生成大分子膠狀物質，引起燃料系統結膠，濾清器和噴油嘴堵塞。這兩個問題極大地限制了生物柴油的實際應用。
(5)生產成本高。據統計，生物柴油制備成本的75％是原料成本。因此，采用廉價原料、提高轉化率、降低成本是生物柴油能否實用化的關鍵。
(6)原料來源不穩定，產品質量不易保證。采用餐飲廢油作為原可以大大降低生物柴油的生產成本，但由于所收集的餐飲廢油來源復雜，雜質含量高，使得生物柴油產品質量不穩定。另外，整個制備過程中產生的廢水、廢物以及廢氣的排放和處理也會大大增加生產費用和對環境的影響。
生產原料
生物柴油生產的原料可分為脂類原料和醇類原料。脂質原料包括植物油、動物脂肪，還包括其他類似植物的生物，如微藻和藍藻。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、麻風樹油等非食用植物油，生油、雞脂肪等動物脂肪，但這些原料的生產成本較高，而使用更低成本的餐飲及工業廢棄油脂，有助于降低生物柴油生產成本，同時可解決廢棄物處理的難題。
生產方法
目前，制備生物柴油的方法包括物理法、生物法和化學法。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。微乳液法是通過加入乳化劑或添加表面活性劑，將原料油脂與溶劑混合，來制備生物柴油。
化學法
化學法生產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模使用的主流生產工藝。
1.酯化法
采用脂肪酸與甲醇在酸性催化劑(如硫酸等強酸性催化劑)存在下進行酯化反應，生成脂肪酸甲（乙）酯。如圖為工業上采用酯化反應生產生物柴油的一種方法。
2.酯交換法
酯交換是指利用動植物油脂與甲醇或乙醇在催化劑（一般采用氫氧化鈉、氫氧化鉀等強堿性催化劑）存在下，發生酯化反應制成脂肪酸甲(乙)酯。
3.超臨界法
超臨界法是在高溫高壓條件下，不進行預處理且無催化劑，直接通過甲醇的超臨界反應，同時發生水解、酯化和酯交換反應的過程。在反應中，超臨界流體既可作為反應介質，也可直接參加反應。超臨界流體用作反應介質時，可以通過改變操作條件調節其物理化學性質，如密度、粘度、擴散系數、介電常數以及化學平衡和反應速率常數等。
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，采用動植物油脂和低碳醇(甲醇或乙醇)作為原料進行酯化反應制備生物柴油。該法與傳統的化學法相比，采用脂肪酶作為催化劑進行酯交換反應，反應條件較為溫和。生物酶對油脂的選擇性小，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）。生物酶法具有反應溫度低、節省能源的特點。
應用領域
生物柴油作為柴油機燃料
生物柴油的燃料理化特性與石化柴油相近，且具有無法比擬的性能，如較高的十六烷值、不含硫和芳香烴、不會造成酸雨、環保可再生，符合“碳中和”理念。它可直接用作柴油機燃料或以一定比例和柴油摻混在柴油機上使用，可有效緩解能源緊缺，減少環境污染。在環境污染越發嚴重以及化石能源越發緊缺的今天，生物柴油是普通柴油作為柴油機燃料的良好替代品。
開發生物柴油下游附加值產品
生物柴油是不同種類長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，可發生酯交換反應、加氫反應、環氧化反應等化學反應，將生物柴油轉化為生物基潤滑油基礎油、脂肪醇和綠色增塑劑等附加值產品，從而有效利用生物柴油。
世界生產現狀
美國是最早研究生物柴油的國家之一。20世紀80年代初美國開始對利用油脂轉化為脂肪酸甲酯生產生物柴油進行研究。從20世紀90年代開始，美國可再生能源國家實驗室對生物柴油的生產、燃燒特性、行車實驗、產業化情況及經濟與環境因素進行了深入調查。美國聯邦政府、國會以及有關州政府通過政令、法規和補貼等措施鼓勵生物柴油的生產和消費。1980年制定了國家能源政策，明確提出以生物柴油替代石化柴油戰略，目的在于促進本國可再生能源的應用。
歐盟是全球最大的生物柴油生產地．生產原料主要是菜籽油，其次還有少量的葵花油和有機大豆油，總產量約占世界的80%，且產量以年均33%的幅度增長。同時歐盟也是全球最大的生物柴油消費地．其消費份額已占到成品油市場的5％。2021年7月，歐盟修訂了《可再生能源指令（REDII）》，指令中提到2030年可再生燃料在運輸部門的占比需達到26%（高于現行規定的14%）。由于一系列促進市場營銷的措施(如要求成員國降低生物柴油稅率、制定并完善了相關質量標準等)，歐洲生物柴油產業始終保持著較好的發展勢頭。
日本1995年開始研究生物柴油。由于植物資源相對貧乏．日本主要以食用廢油為原料生產生物柴油。日本每年的食用油脂消耗約為200萬噸，而廢棄的食用油達40萬噸，約占20％。1999年建成了用煎炸油為原料生產生物柴油的工業化實驗裝置。目前生物柴油年產量可達40萬噸，售價與化石柴油相當。
中國積極支持生物柴油產業發展。《可再生能源法》明確規定石油銷售企業應將符合國家標準的生物液體燃料納入其燃料銷售體系。2014年，《生物柴油產業發展政策》從原料、布局、監管等方面，明確了產業規范要求。2016年，《生物質能發展“十三五”規劃》提出健全生物柴油產品標準體系，推進生物柴油在交通領域的應用。近年來，為滿足大氣污染防治需要，陸續修訂發布第六階段《車用柴油》和《B5柴油》國家強制性質量標準，其中《車用柴油》標準允許添加不超過1%的BD100生物柴油，《B5柴油》標準要求添加1~5%的BD100生物柴油。
《BP世界能源統計年鑒》數據顯示，2020年全球石油產量為41.65億噸，天然氣產量為3.85萬億立方米，煤炭產量為81.73億噸。2020年時全球生物柴油的產量大約只有465億升（約3860萬噸），同期全球植物油產量約為2.11億噸。
參考資料 >
國家能源局發布《生物柴油產業發展政策》.中國政府網.2023-05-03