生物柴油產業化分析

   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、廢餐飲油等為原料製成的液體燃料，是優質的石油柴油代用品。生物柴油是典型「綠色能源」，大力發展生物柴油對經濟可持續發展，推進能源替代，減輕環境壓力，控制城市大氣污染具有重要的戰略意義。眾所周知，柴油分子是由15個左右的碳鏈組成的，研究發現植物油分子則一般由14-18個碳鏈組成，與柴油分子中碳數相近。因此生物柴油就是一種用油菜籽等可再生植物油加工製取的新型燃料。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.與常規柴油相比，生物柴油具有下述無法比擬的性能：

　　1.具有優良的環保特性。主要表現在由於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3 0%(有催化劑時為70%)；生物柴油中不含對環境會造成污染的芳香族烷烴，因而廢氣對人體損害低於柴油。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；由於生物柴油含氧量高，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、發動機缸體和連杆的磨損率低，使用壽命長。

　　4.具有較好的安全性能。由於閃點高，生物柴油不屬於危險品。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，使其燃燒性好於柴油，燃燒殘留物呈微酸性，使催化劑和發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，其通過農業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，並降低尾氣污染。

　　生物柴油的優良性能使得採用生物柴油的發動機廢氣排放指標不僅滿足目前的歐洲II號標準，甚至滿足隨後即將在歐洲頒布實施的更加嚴格的歐洲Ⅲ號排放標準。而且由於生物柴油燃燒時排放的二氧化碳遠低於該植物生長過程中所吸收的二氧化碳，從而改善由於二氧化碳的排放而導致的全球變暖這一有害於人類的重大環境問題。因而生物柴油是一種真正的綠色柴油。

　　 二、生物柴油的生產方法

　　 目前生物柴油主要是用化學法生產，即用動物和植物油脂與甲醇或乙醇等低碳醇在酸或者鹼性催化劑和高溫 (230-250℃)下進行轉酯化反應，生成相應的脂肪酸甲酯或乙酯，再經洗滌乾燥即得生物柴油。甲醇或乙醇在生產過程中可循環使用，生產設備與一般制油設備相同，生產過程中可產生10%左右的副產品甘油。

　　目前生物柴油的主要問題是成本高。據統計，生物柴油製備成本的75%是原料成本。因此採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，日本採用工業廢油和廢煎炸油，歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富油脂的農作物。

　　但化學法合成生物柴油有以下缺點：工藝複雜，醇必須過量，後續工藝必須有相應的醇回收裝置，能耗高：色澤深，由於脂肪中不飽和脂肪酸在高溫下容易變質；酯化產物難於回收，成本高；生產過程有廢鹼液排放。

　　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，製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%。由於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。副產物甘油和水難於回收，不但對產物形成抑制，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」生產柴油，為柴油生產開闢了一條新的技術途徑。美國國家可更新實驗室(NREL)通過現代生物技術建成「工程微藻」，即硅藻類的一種「工程小環藻」。在實驗室條件下可使「工程微藻」中脂質含量增加到60%以上，戶外生產也可增加到40%以上。而一般自然狀態下微藻的脂質含量為 5%-20%。「工程微藻」中脂質含量的提高主要由於乙醯輔酶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」 生產柴油具有重要經濟意義和生態意義，其優越性在於：微藻生產能力高、用海水作為天然培養基可節約農業資源；比陸生植物單產油脂高出幾十倍；生產的生物柴油不含硫，燃燒時不排放有毒害氣體，排入環境中也可被微生物降解，不污染環境，發展富含油質的微藻或者「工程微藻」是生產生物柴油的一大趨勢。

三、國外生物柴油的發晨狀況

　　生物柴油於1988年誕生，由德國聶爾公司發明，它是以菜籽油為原料，提煉而成的潔淨燃油。突出的環保性和可再生性，引起了世界已開發國家，尤其是資源貧乏國家的高度重視。西方國家為發展生物柴油，在行業規範和政策鼓勵下採取了一系列積極措施。為了便於推廣使用，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199 6年和2000年發布標準，完善生物柴油的產業化條件，並且政府實行積極鼓勵的方式，在生物柴油的價格上給於一定的補貼。如德國農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，並對製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生物柴油獲得推廣應用。目前生物柴油主要用化學法生產，採用植物油與甲醇或乙醇在酸或鹼性催化劑和 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的發展。與常規柴油相比，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，並對生物柴油在歐洲汽車燃料中的銷售比例作出規定。

　　西方國家生物柴油產業發展迅速。近年來，西方國家加大生物柴油商業化投資力度，使生物柴油的投資規模增大，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展這項產業。目前，美國有4家生物柴油生產廠，總能力為30萬噸／年。歐盟國家主要以油菜為原料，2001年生物柴油產量已超過100萬噸。2000年德國的生物柴油已達45萬噸，德國還於2001年月11日在海德地區投資5000萬馬克，興建年產10萬噸的生物柴油裝置。法國有7家生物柴油生產廠，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。義大利有9個生物柴油生產廠，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個生物柴油生產廠，總能力24萬噸／年。日本生物柴油生產能力也達到4 0萬噸／年。

四、我國生物柴油的發展狀況

　　我國政府為解決能源節約、替代和綠色環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於生物柴油的研究、倡導工作。我國生物柴油的研究與開發雖起步較晚，但發展速度很快，一部分科研成果已達到國際先進水平。研究內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，這無疑將有助於我國生物柴油的進一步研究與開發。可以預計，在2-3年內，我國在該領域的研究將會有突破性進展並達到實用水平。

　　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展清潔燃料生物柴油的課題：原機械工業部和原中國石化總公司在上世紀80年代就撥出專款立項，由上海內燃機研究所和貴外I山地農機所承擔課題，聯合研究長達10 年之久，並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；中國農業工程研究設計院的施德路先生也曾於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。

　　系統研究始於中國科學院的「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範片。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製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，湖南省林業科學院承擔並主持了國家林業局引進國外先進林業技術(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-cal li)優良無性系；研製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業化：政府尚未針對生物柴油提出一套扶植、優惠和鼓勵的政策辦法，更沒有制定生物柴油統一的標準和實施產業化發展戰略。因此，我國進入了WTO之後，在如何面對經濟高速發展和環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業化進程就顯得更為迫切了。

　　 五、我國生物柴油的產業化前景

　　 2003年，受國民經濟持續快速增長的拉動，中國石油市場需求增勢強勁，石油產品需求總量增長幅度達到兩位數，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緊缺，價格全面上漲。據中國物流信息中心統計，2003年我國石油及製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，將繼續保持消費需求旺盛，供需基本平衡的格局，但不排除受季節、運輸等因素影響而出現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，淨進口量有可能超過1億噸。

　　我國是一個石油淨進口國，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實意義。而生物柴油具有可再生、清潔和安全三大優勢。專家認為，生物柴油對我國農業結構調整、能源安全和生態環境綜合治理有十分重大的戰略意義。目前，汽車柴油化已成為汽車工業的一個發展方向，據專家預測，到201 0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，這都為油菜製造生物柴油提供了廣闊的發展空間。發展生物柴油產業還可促進中國農村和經濟社會發展。如發展油料植物生產生物柴油，可以走出一條農林產品向工業品轉化的富農強農之路，有利於調整農業結構，增加農民收入。

　　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展的焦點問題。業內人士指出，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量的出口餘地，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，儘管煉化企業通過持續的技術改造，生產柴汽比不斷提高，但仍不能滿足消費柴汽比的要求。目前，生產柴汽比約為1.8，而市場的消費柴汽比均在2.0以上，雲南、廣西、貴州1等省區的消費柴汽比甚至在2.5以上。隨著西部開發進程的加快，隨著國民經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，開發生物柴油不僅與目前石化行業調整油品結構、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展公司都已開發出擁有自主智慧財產權的技術，相繼建成了規模超過萬噸的生產廠，這標誌著生物柴油這一高新技術產業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」計劃發展綱要提出發展各種石油替代品，將發展生物液體燃料確定為國家產業發展方向。生物柴油產業得到了國務院領導和國家計委、國家經貿委、科技部等政府部門的支持，並已列入有關國家計劃。

　　發展生物柴油，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、桃金孃科、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利用還處於發展初期，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揮更大的作用，只有向基地化和規模化方向發展，實行集約經營，形成產業化，才能走符合中國國情的生物柴油發展之路。隨著改革開放的不斷深入，在全球經濟一體化的進程中，在中國加入WTO的大好形勢下，中國的經濟水平將進一步提高，對能源的需求會有增無減，只要把關於生物柴油的研究成果轉化為生產力，形成產業化，則其在柴油引擎、柴油發電廠、空調設備和農村燃料等方面的應用是非常廣闊的。

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