生物柴油研究现状与商业化应用前景

能源危机是本世纪中叶即将面临的巨大挑战。据统计，若按目前的水平开采世界已探明的能源，煤炭资源尚可开采100年，石油30～40年，天然气50～60年。生态危机是当今社会已经面临的巨大挑战。

石化能源燃料燃烧时所产生的有害物质，严重污染了环境，导致温室效应、全球气候变暖、生物物种多样性降低、荒漠化等诸多生态问题，严重影响着国家的资源安全和社会经济持续发展，威胁着人类的生存。为满足社会发展对能源的需求，实现资源的永续利用，维持和促进资源、环境、社会经济的协调发展。 1．生物柴油概述 生化柴油（Biodiesel），又称脂肪酸甲酯（Fatty Acid Ester）是以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料，与醇类（甲醇、乙醇）经交酯化反应（Transesterification reaction）获得。生物柴油这一概念最早由德国工程师Dr．RudolfDiesel（1858－1913）于1895年提出，在1900年巴黎博览会上，Dr．Rudolf Diesel展示了使用花生油作燃料的发动机。 生物柴油较系统的研究工作始于上世纪50年代末60年代初，在70年代的石油危机之后得到了大力发展，许多国家都制订了相应的研究开发计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场等。 生物柴油具有许多优点：①原料来源广泛，可利用各种动、植物油作原料。②生物柴油作为柴油代用品使用时柴油机不需作任何改动或更换零件。③可得到经济价值较高的副产品甘（Glycerine）以供化工品、医药品等市场。④相对于石化柴油，生物柴油贮存、运输和使用都很安全（不腐蚀溶器，非易燃易爆）；热值高（一般可达石化燃料油的80%）：可再生性（一年生的能源作物可连年种植收获，多年生的木本植物可一年种维持数十年的经济利用期入现实效益高；可在自然状况下实现生物降解，减少对人类生存环境的污染。生化柴油因其甲酯的运用性质与石化柴油类同，目前最常用的制取方法是将植物油脂与甲醇予以交酯化反应，并使用氢氧化钠（对油脂重量的1%）或甲醇钠（Sodium methoxide）做为触媒，大约混合搅拌反应2小时，即可制得。由于原料不同，生物柴油的生产工艺和标准亦不一样。 1．1 国外研究与开发现状 1．1．1选择可利用的植物种类，建立生物柴油原料利用基地 诺贝尔奖获得者，美国加州大学的化学家卡尔文于1986年在加州福尼亚种植了大面积的石油植物，每公顷可收获120桶一140桶石油。他的成功，在全球迅速掀起了一股开发研究石油植物的浪潮。许多国家纷纷建立一种全新的石油生产基地--石油植物园。美国种植有几百万英亩的石油速生林；菲律宾有18万亩的银合欢树，6年后可收1000万桶石油。美国加州的“黄鼠草”每公顷可提炼1000公升石油。 自二十世纪八十年代以来，美国等国进行了能源植物种的选择，富油种的引种栽培、遗传改良以及建立“柴油林林场”等方面的工作与研究。在能源植物特性和植物燃料油的研制上，在获得植物燃料油途径、燃料油使用技术上都取得了较大进展。石化能源价格的不断上涨，主要油料作物总产量迅速增加而导致油料农产品滞销，为各个国家把部分农业用地转为可生产能源的原料作物提供了有利条件。 目前，发达国家用于规模生产生物柴油的原料有大豆（美国）、油菜籽（欧共体国家）、棕搁油（东南亚国家）。现己对40种不同的植物油在内燃机上进行了短期评价试验，它们当中包括豆油、花生油、棉籽油、葵花籽油、油菜籽油、棕搁油和蓖麻籽油。棉花籽、食用回收油，其价格低廉，取材广泛，亦是许多国家研究和利用的对象。日本、爱尔兰等国用植物油下脚料及食用回收油作原料生产生物柴油，成本较石化柴油低。 近年来，美国农业部、能源部又提出了能源作物的全株利用课题并取得了阶段成果。 1．1．2新技术在生物柴油研究与开发中的应用 长碳链植物油粘度大直接影响油的喷射，与甲醇进行脂化反应产生的甘油会影响柴油机使用寿命。发达国家在运用生物技术降低生物柴油的粘度，提高十六烷值，增加低碳脂肪酸含量，获得高品位燃油等方面进行了长期的探索。 如针对很少有植物合成短链甘油三酸脂（SCT，short－chain triglycerides），而已有的植物资源其SCT含量少于1％，美国科学家利用生物技术诱导出胶粘萼距花（CupheaViscosissima）突变体vs－320，其C6：0，C8：0，C10：0含量分别达4％，40％，71％（野生植株C6：0，C8：0，C10：0含量仅为1％，18％，38％。而豆油C6：0--，C14：0含量为0）。突变体植株油脂可以不经转化直接取代石化柴油。 1．1．3政府制定法令扶持，组织规模生产 欧美许多国家结合本国特点都制定了生物柴油发展纲要，在其推广使用上出台了相关的优惠政策，来组织生产生物柴油。 在公共区，严格限制机动车辆有害气体的排放量，有力地推动了生物柴油首先在公共区的使用。 德国、法国、意大利、奥地利、比利时、美国、马来西亚等国家对投放市场的生化柴油都采取了免税政策和低税率政策以鼓励民众推广和使用生物柴油，保护生态环境。在美国及加拿大，却未采取这种减税或免税优惠措施，以致生化柴油仍无法与石化柴油竞争。 1980年美国制定了国家能源政策，明确提出以生物柴油替代石化柴油战略，目的在于促进本国可再生能源应用。1992年的能源政策措施（Energy Polier Act）规定，到2010年止，计划以非石油的替代燃料替代总进口石油燃料的10% 。 全球生化柴油的生产已具备一定规模，其中欧洲已成为全球生化柴油的主要生产地。以1997年为例（见图1），全球的生化柴油生产量约为66．3万吨/年，其中大约60万吨由欧盟所生产，占有率为90．5％。

1．1．4积极推广生物柴油商业化应用 为了让生物柴油获得大众的认可和接受，国外许多政府在宣传力度、建立或增加生物柴油加油站等销售设施、改良生物柴油的生产工艺、采用先进的生产线等方面做了大量的工作，以积极推动生物柴油的商业化应用。 1．1．5制定生产标准以保护消费者的利益和规范市场 由于原材料不同、生产工艺不一致，目前国际上尚无纺统一的生物柴油生产标准。1996年美国颁布了生物柴油生产草案及测试方法（ASTM法）。同年德国颁布了更为详细的生物柴油的生产标准即DIN51606和测试方法。1998年奥地利颁布了菜籽油为原料生产的生物柴油生产标准（Cll90—Cll91）。生物柴油的生产标准评定指标包括比重、动态粘度、闪火点、硫含量、残留量、十六烷值、灰份、水份、总杂质、三酸甘油脂、游离甘油等。 1．2 国内研究与开发现状 我国生物柴油的研究与开发虽起步较晚，但发展速度很快，一部分科研成果已达到国际先进水平。研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良等及其加工工艺和设备。目前各方面的研究都取得了阶段性成果，这无疑将有助于我国生物柴油的进一步研究与开发。可以预计，在2—3年内，我国在该领域的研究将会有突破性进展并达到实用水平。 系统研究始于中国科学院的“八五”重点科研项目：“燃料油植物的研究与应用技术”，完成了金沙江流域燃料油植物资源的调查及栽培技术研究建立了30公顷的小桐子栽培示范片。自二十世纪九十年代初开始，长沙市新技术研究所与湖南省林业科学院对能源植物和生物柴油进行了长达十年的合作研究，“八•五”期间完成了光皮树油制取甲脂燃料油的工艺及其燃烧特性的研究；“九•五”期间完成了国家重点科研攻关项目“植物油能源利用技术”。 1999～2002年，湖南省林业科学院主持承担了国家林业局引进国外先进林业技术（948项目）—《能源树种绿玉树及其利用技术的引进》，从南非、美国和巴西引进了能源树种绿玉树（Euphorbia tirucalli）优良无性系；研制完成了绿玉树乳汁榨取设备：进行了绿玉树乳汁成份和燃料特性的研究；绿玉树乳汁催化裂解研究有阶段性成果。 1．3生物柴油商业化应用前景与存在的主要问题 用植物油脂作原料生产生物柴油及实行商业化还有许多问题需要解决。 （1）生物柴油自身存在的缺点，限制了其应用程度。 首先，因其油脂的分于较大（约为石化柴油的4倍），粘度较高（约为＃2石化柴油的12倍），而影响喷射时程，导致喷射效果不佳。其次，由于生物柴油的低挥发性，在发动机内不易雾化，与空气的混合效果差，造成燃烧不完全，形成燃烧积炭，以致易使油脂粘在喷射器头或蓄积在引擎气缸内而影响其运转效率，易产生冷车不易起动，以及点火迟延等问题。另外，因生物柴油的存在，也易使发动机的润滑油变厚变浓。 （2）应用范围小。 目前生物柴油在全球的市场尚不及石化柴油，应用范围有限。在美国，其生化柴油仅在为了环保规则、环保友善时而以某些特殊价格出售，其主要使用（B20生化柴油），范围包括联邦或州政府车队，都市公车、卡车、海运公园、矿区等。 生物柴油粘度大（菜籽油为4．2；豆油4．0：石化柴油1.2～3.5单位mm2/s,40℃），冬季来临时变浓变厚，流动性变差。在冬季，目前还不能使用B100纯生物柴油，只能使用B20生化柴油。 （3）、生物柴油价格高，应用领域有限。 目前生物柴油（B100）的税前平均价格约为4．2/升，而0号石化柴油零售价约为 3元/升。生物柴油的使用主要集中在城市公车、空调设备、柴油引擎、柴油发电厂、农林业设施以及一些休闲处游艇的引擎，以清洁空气，保护环境，应用范围较为有限。成本问题是限制生物柴油使用的最主要问题，只有降低成本，才能有广阔的商业化应用前景。生物柴油全球潜在市场很大，仅以加拿大为例，若其高速公路上的运输车辆全部改用生物柴油，则其消耗量将增加 11倍。 （4）、许多与生物柴油商业化应用相关的问题亟待解决。 如减税或免税的优惠政策；生产工艺改进和高碳脂肪酸的降解；推广和宣传网络建立；原料的栽培技术和生物技术、油脂加工技术系统组装以降成本等问题。 2．生物柴油的经济可行性分析 2．1成本分析 植物制取生物柴油时，成本是必须考虑的首要因索。现将几种常用和拟用的草本作物和木本植物每制取1升油的税前成本指标体系作比较分析（见表1）。

注释： １、原料的含油率均指平均含油率。数据来源于中国油脂植物（科学出版社，1987）和863课题部分实验数据。 ２、制取每升油所需的原料数量、制油成本、脂化成本、回收甘油价格和固定资产费用以及相关收益税前成本指标体系均参照Economic feasibility revlew for communitly－scale farmer cooperatives for biodiesel（Martin Bender，1999）和“九五”国家攻关项目“植物油能源利用技术”的部分研究成果。 ３、原料价格来自于湖南省林业科学院2001年市场调查数据。 ４、为引进树种。直接扦插造林，每1-2年可砍伐一次，第四年平均每公顷可获取乳汁原油1400 kg（约100桶），每桶售价10美元，每公顷可收益1000美元；而造林投入每公顷约360美元，一次造林可连续收获20年（砍伐后，又长出新枝，20年更新一次）实际每年投入为18美元，每公顷净收益为982美元。此外，压汁后的残渣还可用作造纸纸浆、活性碳原料，或生活燃料。原料为茎枝，茎枝中含17．5％乳汁，鲜乳汁中含有70％的烯、菇、醇、异大戟二烯醇（C30H50O）、天然橡胶、三十一（碳）烷和三十一烷醇等，其成分接近石油成分，不含硫，可以直接或与其它物质混合成原油，其制油过程不需要脂化，也没有付产品甘油，故两者的费用均为0。 ５、a、b、d的原料为种子；e、f的原料为果实。 ６、每1升油的总成本=总支出-总收益。其中总支出=原料费用十制油成本十脂化成本十固定资产费用，原料费用=原料数量x原料价格；总收益=甘油十其它。 2．2评价 由表1可知，在油料植物的制油成本中，原料占总支出费用的比例最高，变动范围为64.2-80.8％，其中引进树种--绿玉树最低，其主要原因是原料成本低，而且不经脂化应过程，油菜籽最高（见图2）。而制油、脂化等工序的成本则相对较低。 不同植物制取生物柴油的成本中，以麻疯树最低，为2．30元/升，而大豆的成本最高，为4．68元/升，排队顺序为d＜e＜f＜c＜b＜a（见图3）。绿玉树、光皮树、山桐子、油菜籽的制成本相差不大，变化范围为2．85～3．31元/升。

综上可知，在六种油料植物中，四种木本植物的成本要较草本作物的低得多，因此，绿玉树、麻疯树、山桐子和光皮树就是我们拟进行大面积繁殖的主要木本油料植物树种。 3．我国生物柴油发展战略 3．1必要性 中国是全球最大的发展中国家，能源资源问题是关系到国家安全和发展的全局性问题。与发达国家一样，我国也同样面临着能源短缺和环境污染的巨大挑战。同时，由于我国石化资源贮量的有限性，能源需求量的巨大性，为保证国民经济的快速发展和人民生活水平的提高，必须维持经济、资源、环境的协调发展，走可持续发展道路。 中国是柴油消费大国，每年消费柴油6000-7000万吨，三分之一靠进口柴油来平衡市场的供需矛盾。开发利用各种可再生能源，人力发展应用生物柴油已是大势所趋、形势所迫。 3．2发展战略 我国政府极为重视发展新能源和可再生能源，并制订了一项总的方针政策：因地制宜、多能互补、综合利用、务求实效。在政府的鼓励和支持下，近20年来，我国新能源和可再生能源的开发利用有很大发展，已成为现实能源系统中不可缺少的重要组成部分。1992年联合国全球环境与发展大会后，国务院明确提出了我国对环境与发展采取的10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”。 3．2．1从本国的国情出发，走有中国特色的生物柴油发展道路 中国的国土面积虽然大，但现有耕地却不多，仅占国土面积的14％，相较于美国的51％和印度的59％则显得很少。若按每人平均耕地计算，则我国有666个县的人平耕地低于联合国粮农组织规定的0．8亩的警戒线。其次，我国可利用的土地资源东西部分布不均，占全国土地面积47．6％的东部地区却拥有全国93％的人口．中国人口众多。目前全国有12亿人口，并且其中80％为农业人口，还有一些地区没有解决温饱问题。再者，在我国特别是南方地区，耕地的复种程度相当高，几乎没有可用来种植油脂植物或作物的休耕地。因此，可用来发展能源作物的耕地数量是十分有限的。 另一方面，中国的山地丘陵多，山地资源丰富。据统计，山地、高原和丘陵约占国土总面积的69％．由于山地土层薄、肥力差、缺水等因素不宜油料作物生长。木本油料植物具有野生性，耐旱、耐贫瘠，结合我国正在全面实施的退耕还林生态工程，大面积营造生物柴油原料林，可以变荒山劣势为优势。在现有的经济水平和资源水平的前提下，要大力开发应用生物柴油原料林，只有充分利用山地资源，规模栽培木本油料植物，才是具有中国特色的生物柴油发展的必由之路。从长远来看是利在当代，功在千秋的好事。制定寻找石化柴油的替代品战略，开发生物柴油技术，重复发达国家的老路是不可取的。中国必须从本国的国情出发，扬长避短，走自己的生物柴油发展道路。

发展生物柴油我国有十分丰富的原料资源。我国幅员辽阔，地域跨度大，水热资源分布多异，能源植物资源种类丰富多样，主要的科有大戟科、樟科、桃金娘科、夹竹桃科、菊科、豆科、山茱萸科、大风子科和萝摩科等。仅以木本植物为例，就有1～2年可收获的绿玉树、麻疯树、按树和一些樟科植物如沉水樟等，以及3～5年可收获的光皮树、山桐子等。综合考虑原料的制油成本、群众的栽培习惯、产量、含油率及主要经济性状等因索，现将几个可用于规模发展生物柴油的原料树种的栽培区域区划列在下表。 3．2．2降低生物柴油的制取成本 生物柴油能否成为矿物燃料的替代能源，成为我国未来持续能源的重要组成部分，关键。在于其技术是否先进，经济是否可行，能否达到工业化生产的水平。生物柴油达到商业化应用要求，降低生物柴油的制取成本是首要因素。 （1）、降低生物柴油原料价格。 原料价格对生物柴油的经济性起着第一位的作用。因此，在开发利用生物柴油时，首先考虑规模种植建立生物柴油原料基地；因地制宜地选择厂址，合理确定原料采购经济半径，尽可能地减少原料集中、运输和存贮费用。 （2）、油料植物的选择有一套合适的选择指标体系。 通过采用特菲尔调查法和专家咨询、模糊评判，对植物的含油量、结实性状、分布面积范围、繁殖难易程度和油的成份进行打分，根据评分结果来选择油料植物，从而确保其开发利用价值达到最优。 木本油脂植物具有一次栽、多年受益的特性，经济效益可观，对调整中国农村产业结构、提高人民生活水平等都具有不可低估的作用。 （3）、加大高品位生物柴油植物原料树种育种力度。 全球绿色植物每年将400亿～620亿吨碳和77亿～166亿吨氢化物合成类似石油的烷烃物质，能作为人类绿色能源的能源植物的资源相当丰富。但是，目前可利用的能源植物种类、品种不多，人工栽培面积小且分布零散，很多优良的能源植物品种尚处于野生状态，未被驯化栽培。因此，在加大开发现有的能源植物资源的同时，可适当引进新的高品、高效能源植物，充分利用各种常规育种手段和生物技术手段培育和筛选一些优良的能源植物，同时，针对不同的树种（品种），研究开发出配套的丰产栽培技术。 （4）、完善加工工艺，提高生物柴油得率。 我国能源油料植物（燃料油植物）的生产和开发利用，刚刚起步，与发达国家尚有较大的差距。对一些能源作物油的提取、加工正处于初试阶段。植物燃料油的提炼滩大多简单、粗糙，工艺流程较落后，油脂的水份、杂质含量偏多，造成生物柴油得率不高，限制了生化柴油的应用范围。 （5）、采用定向栽培新技术，实行规模经营，形成产业化。 我国生物柴油的开发利用还处于发展初期。要从总体上降低生物柴油成本，使其在我国能源结构转变中发挥更大的作用，只有向基地化和规模化方向发展，实行集约经营，形成产业化，才能走符合中国国情的生物柴油发展之路。 3．2．3政府要加大扶持力度 （l）、制订生物柴油中长期发展规划。 国家要组织专门人员来制订生物柴油合理的中长期发展计划，每一阶段目标要从数量上给予界定，要有科学的参考指标（如产量，市场占有率，推广应用范围等），从而保证我国生物柴油产业的高速发展。 （2）、加大资金投人。 在资金投入力度上，我国甚至还不如一些发展中国家。除了继续加大科研投入外，对于生物柴油高新技术企业也要从资金上给予倾斜。要多渠道筹措资金，筹措方式可以多样化，资金来源可以多元化。 （3）、出台一些相关的优惠政策，制定生物柴油生产标准，规范生物柴油市场。 国家对于种植油脂植物或作物的农户给予一些优惠政策，如不征或少征农林特产税、“两金一费”等，因为许多成本低、品种优良的原料不符合群众的栽培习惯，且果实或种子等含油器官不易采集，只有这样，才能确保生物柴油科研和生产的原料供应。对生物柴油的销售使用，可以考虑减免税收。基于公共场所和旅游区等的环境保护需要，可以对燃料的使用从法律上给予严格限定，大力应用生物柴油，以减缓环境污染。由于原材料不同、生产工艺不一致，生物柴油生产标准应有所不同。我国应抓紧制定生物柴油生产标准，以规范生物柴油市场。 （4）、建立健全完善的生物柴油销售网络体系。 生物柴油要在全国特别是广大农村地区推广使用，并逐步地为人民所接受、熟悉，就必须分批次有步骤地在全国建立营销网络。这样，才能与石化柴油相竞争，才能真正发挥它在环境保护、经济增长、社会稳定、自然资源永续利用等方面的作用。 3．2．4开展国际合作，引进国外的先进技术 生化柴油的开发利用是当今国际上的一大热点，抓住当前的大好时机，坚持自主开发与引进消化吸收相结合，有目的、有选择地引进先进的技术工艺和主要设备，在高起点上发展我国的生化柴油技术。 3．3市场前景预测 按中国目前的消耗量（每年消费柴油6000－700o万吨），如果在石化柴油中添加10%体积的生物柴油，则每年应配套生产生物柴油600万吨。预计未来10年内，生化柴油产品将占领20%～30%的市场份额。随着改革开放的不断深入，在全球经济一体化的进程中，在中国加人WTO对的大好形势下，中国的经济水平将进一步提高，对能源的需求会有增无减，只要把关于生物柴油的研究成果转化为生产力，形成产业化，则其在柴油引擎、柴油发电厂、空调设备和农村燃料等方面的应用是非常广阔的。