生物柴油分类、优点及发展方向分析

生物柴油为可再生的清洁燃料。

生物柴油是指以动植物油脂为主要原料生产的液体可再生燃料，具有十六烷值高、几乎不含硫、无芳烃等特点，热值与石化柴油相当，而且由于其与燃料性质相近，使用过程中无需对原用的柴油引擎、加油设备、储存设备和保养设备进行改动，降低了生物柴油的推广门槛。生物柴油一般与石化柴油以一定比例混合后使用，与化石柴油相比，生物柴油不含对环境造成污染的芳香族化合物，具有良好的生物降解特性，故被称为可再生的清洁能源。同时其成分中不含有对人体有害物质，是生物基绿色化学品的基础材料。相比纯化石柴油，其燃烧过程中降低了对环境有害气体的排放，根据行业测试数据，1 吨生物柴油可实现2.83吨的碳减排。

对比生物柴油与化石柴油的理化特性，生物柴油具有以下优点：①优良的环保特性。与石化柴油相比，生物柴油中几乎不含硫，所以柴油机在使用时硫化物排放极低；尾气中颗粒物含量及 CO 排放量分别约为石化柴油的20%、10%，排放指标可满足欧Ⅱ和欧Ⅲ排放标准。②良好的润滑性能。生物柴油黏度大于石化柴油，可降低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率，延长其使用寿命。 ③良好的安全性能。生物柴油闪点远高于石化柴油，运输、储存更加安全；另外其可降解性好，不会污染环境、危害人体健康。自德国工程师于 1893 年提出生物柴油概念，并开展酯基生物柴油生产和使用测试以来，生物柴油逐步形成四类原料三代技术的发展路径。四类生物柴油原料主要为可食用油脂，非粮油脂，废弃油脂或藻类油脂，二氧化碳或生物质。目前，生物柴油原料主要是可食用油脂、废弃油脂两类；非粮油脂资源尚未形成规模；藻类油脂、二氧化碳原料处于研究或示范阶段。

生物柴油按照不同的技术路线出现的时间顺序划分为三代产品，一代为FAME甲酯类，二代为油脂或酯类加氢生成的烃类产品（HVO 或HDRD），三代为非油脂类生物质原料生产的酯类或烃类产品。

以植物油脂或动物脂肪为原料与甲醇 或乙醇在酸性或者碱性催化剂(1%)和高温（60℃-110℃）常压下发生酯交换反应，产物为脂肪酸甲酯或乙酯，再经洗涤干燥即得一代生物柴油(FAME)，酯类收率可达 88%-96%，还有10% 左右的副产物甘油。一代生物柴油技术成熟，工艺相对简单，也是目前国内外主要的生物柴油品种；但一代生物柴油存在缺陷：其燃烧热值不足普通石化柴油的90％，不能完全替代石化柴油，只能按照 10%左右比例和石化柴油进行掺混使用，其凝固点高，寒冷地区的冬季无法使用。

油脂在高温高压条件下通过催化加氢生成直链烷烃过程中包含了多种化学反应，主要有不饱和脂肪酸的加氢饱和、加氢脱氧、加氢脱羧基和加氢脱羰基、临氢异构化反应等，异构化反应的目的是降低产物的凝固点；生产装置主要采用固定床装置或悬浮床装置。生产工艺主要有油脂直接加氢脱氧工艺、油脂加氢脱氧再临氢异构工艺、油脂加氢脱羧工艺、油脂与石化柴油混炼工艺等产物收率可达75%-95%，其中直链烷烃含量可达 95%以上。 相比第一代生物柴油，第二代生物柴油具有硫氧含量低、密度和黏度较低、十六烷值较高和凝点较低等优点。二代生物柴油的结构及性能与石化柴油基本相同，能以任意比例添加到石化柴油中，其燃烧性能比第一代生物柴油更好，性能符合ASTM 国际柴油燃料油标准（D975），也是制造生物航煤（SAF）的主要原料。第二代生物柴油性能明显优于第一代脂肪酸甲酯，适用范围更广泛，是未来生物柴油的主要发展方向。第二代生物柴油制备流程较长，工艺难度较高。目前制备第二代生物柴油技术主要包括双键加成、加氢脱氧、异构化等反应，其中加氢脱氧是关键步骤。

第三代生物柴油研究包括两个方面：一是以海藻类油脂为原料，对其进行化学催化或酶催化转化为生物柴油；二是以纤维含量高的非油脂化合物为原料，对其进行生物质气化来进行生物柴油的生产。 以海藻类油脂生产生物柴油拓宽了生物柴油的原料，用海藻生产生物燃料主要有海藻培养(生长)、 收集、脱水、萃取海藻油和海藻油加工等几个步骤，其中海藻培养(生长)和萃取海藻油是核心步骤，也是工业生产的难点。目前用海藻生产生物燃料的技术尚处于初期阶段，工业应用成本太高，还没有出现有优势的工业设计，中短期没有大规模工业应用可能性较小。 将生物质中的纤维素、半纤维素、木质素等通过高温或超高温裂解制取的液态油状物或混合气进行二次改性提质或费托合成等工艺后得到的也称为三代生物柴油。生物质原料经简单的破碎加工处理后进入气化炉，在空气、氧气或水蒸气等气化介质中发生高温裂解和氧化还原等反应，生成含有CO 和H2 等物质的合成气，合成气在进行净化处理后，通过催化、加氢等工艺以及费托合成等技术，最终合成柴油。该方法生产的生物柴油可以达到和石化汽柴油相似的产品性能。该技术路线目前生产成本过高，正处于研发阶段，部分项目正在建设示范装置，中期角度看很难放量生产。

二代生物柴油技术路线较为成熟，产品性质优异，是近期生物柴油领域发展重点。总体来看，第一代技术是油脂原料与甲醇在酸、碱、生物酶等催化作用下发生酯反应得到脂肪酸甲酯（酯基生物柴油，FAME）。该技术成熟，工艺相对简单，成本低，目前是生物柴油产品中的主流产品，但较差的理化性能限制其使用场景，其与石化柴油混合比不能超过 30%凝固点高导致低温地域和时间段无法使用等。第二代技术通过加氢工艺脱除油脂中的含氧基团，并通过异构化降低凝点，生成烃类（烃基生物柴油，HVO 或 HEFA）。其组成和结构与石化柴油基本相同，十六烷值较高，稳定性好，低温流动性好，可按任意比例掺混。第三代技术克服了油脂原料限制，但生产成本过高，正处于研发阶段，中期阶段内很难量产。各国立足于基本国情并结合自身资源优势，发展不同原料的制备工艺。按原料分类，可分为传统生物柴油（食物基）和先进生物燃料（非食物基）。目前欧盟生物柴油的原料以菜籽油为主，美国、巴西、阿根廷等美洲国家以大豆油为主，马来西亚、印尼、泰国等东南亚国家棕榈油资源丰富，都是主要的棕榈油生物柴油生产国。我国作为食用油消费大国，自给尚且不足需要进口，再依赖食用油脂制备生物柴油将会大大加剧与人争油的局面，引发粮油危机。2012 年工信部和农业部专门下发《粮食加工业发展规划（ 2011—2020 年）》，文件中明确中国将严格控制以粮食为原料的生物质能源加工业发展。因此我国无法像其他国家大力发展以食用粮油为基础的生物柴油产业，而以废油脂为原料进行生物柴油生产，代表着我国生物柴油的发展方向。 目前生物柴油上游主要是生产生物柴油的原材料，在国内主要包括地沟油、酸化油等废油脂收集企业；中游为生物柴油的生产企业，主要包括传统生物合成企业、新能源企业及石化企业来生产一代及二代生物柴油；生物柴油的下游主要包括工业燃料、交运燃料、增塑剂、表面活性剂等产品。