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薛志忠，吳新海
（河北省農林科學院濱海農業研究所，河北唐海063200）
摘要：介紹生物柴油的優點、制備方法以及國內外研究發展現狀，指出油葵作為生物柴油原料的優勢及我國發展油葵生物柴油產業中存在的問題和解決措施，以為生物柴油的研究及應用提供參考。
能源是人類社會發展的支柱，隨著世界經濟的快速發展，對能源的需求量也飛速增加。據BP公司的預測，按照目前的開采量計算，全世界石油儲量只能開采40年，天然氣為65年，煤炭為165年。
能源短缺已經成為制約世界經濟發展的重要因素。為此，尋求可再生能源倍受世界各國關注。生物質能源作為可再生能源，是目前世界能源消耗總量僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源，在整個能源系統中占有重要的地位。
作為生物質能源最重要的可再生液體燃料之一，生物柴油具有能量密度高、潤滑性能好、儲運安全、抗爆性好、燃燒充分等優良使用性能，還具有可再生性、環境友好性及良好的替代性等優點，是最具發展潛力的大宗生物基液體燃料，合理開發利用生物柴油對于促進國民經濟的可持續發展、保護環境都將產生深遠意義。
1生物柴油的特性
生物柴油是植物油、動物脂肪以及食用廢棄油等油脂物經過酯基轉移作用得到的脂肪酸酯類物質，包括脂肪酸甲酯和脂肪酸乙酯，具有石化柴油所不可比擬的優點。
（1）良好的燃燒性能。生物柴油燃燒指標十六烷值高，大于49（石化柴油為45），含氧量高，有利于壓燃機的正常燃燒，在燃燒過程中所需的氧氣量也較石化柴油少，燃燒、點火性能優于石化柴油。
（2）優良的環保性能和再生性能。生物柴油環保性能主要表現在：含硫量低，使二氧化硫和硫化物的排放低，可減少酸雨的發生[6]；因其含氧量高，使其燃燒時一氧化碳排放量減少；基本不含芳香族烴類成分，產生的廢氣對人體損害低于柴油。生物柴油是以動植物的生物質為原料，因而又具有良好的可再生性能。
（3）較好的低溫發動機啟動性能和潤滑性能。與石化柴油相比，生物柴油無添加劑時冷凝點達-20℃，具有較好的發動機低溫啟動性能；具有較高的運動粘度，在不影響燃油霧化的情況下，生物柴油更容易在汽缸內壁形成一層油膜，從而提高運動機件的潤滑性能，降低噴油泵、發動機缸和連桿的磨損率，延長其使用壽命。
（4）較高的安全性能。生物柴油閃點高，不屬于危險品，有利于安全運輸、儲存。
（5）原料易得。生物柴油的原料是植物油脂、動物油脂、植物油精練后的下腳料、酸化油、潲水油或各種油炸食品后的廢棄油。其中植物類主要包括油菜、油用向日葵、大豆、棉花、芝麻、花生、蓖麻、亞麻、文冠果、烏桕樹、棕櫚樹、椰子樹、油桐樹、野蘇樹、桉樹、油茶、麻瘋樹、光皮樹等含油質植物所榨取的油料。
總之，生物柴油作為一種可再生液體燃料，具有安全、環保、可再生等優點，發展生物柴油產業已成為世界各國保障能源安全的戰略舉措。
2生物柴油的制備方法
生物柴油的生產方法可以分為兩大類：物理法與化學法。物理法包括直接混合法與微乳液法；化學法包括裂解法、酯交換法。物理法操作簡單；但產品的物理性能（如粘度）和燃燒性能都不能滿足柴油的燃料標準。化學法中的裂解法能使產品粘度降低3倍，但仍不能符合要求。酯交換法是利用低碳醇在催化劑作用下與植物油或動物油中的脂肪酸甘油酯進行反應的一種適用于生產生物柴油的方法。酯交換法的催化劑包括酸堿催化、酶催化、超臨界催化和超臨界介質中的酶催化等。超臨界酯交換法制備生物柴油是最近幾年發展起來的一種有效方法。由于能很好地解決反應產物與催化劑難分離問題，因此超臨界酯交換法受到了廣大研究者的關注。它的最大特點是不用催化劑，在較短的反應時間內取得較高的反應轉化率，極大地簡化了產物分離精制過程。
超臨界的甲醇溶解性相當高，油脂與甲醇能很好地互溶。超臨界甲醇法中，超臨界甲醇既是反應介質又是反應物，起到催化劑的作用。采用超臨界甲醇法，酸和水的存在對最終轉化率沒有影響。與現行化學法相比，在反應速度、對原料的要求和產物的回收方面都有優越性，因而日益受到人們重視。生物酶法合成生物柴油具有條件溫和、不需要昂貴設備、醇用量少、產品易于收集、無污染物排放等優點，是一種很有前途的生物柴油合成方法，但也存在酶成本高、產物難分離、副產物抑制作用等問題。
3生物柴油在國內外的發展現狀
3.1國外生物柴油發展現狀
生物柴油的研究最早始于1970年，近15年內發展較快。盡管其發展的歷史不是很長，但是由于其良好的性能得到了世界各國的重視，大約有28個國家致力于生物柴油的研究和生產。為大力推進生物柴油產業的發展，歐美國家的政府制定了一系列的財政補貼、優惠稅收等政策支持，德國、法國、意大利、美國、加拿大等國已建立了數家生物柴油生產廠并開始大規模利用生物柴油。在生物柴油原料上，歐盟國家以油菜籽為主要原料，美國、巴西以大豆為主要原料，東南亞國家則利用優越的自然條件種植油棕以獲取油脂資源。據2009—2012年中國生物柴油產業調研及投資前景預測報告顯示，2009年世界生物柴油年產量已達到1590萬t。其中，以法國和德國為主的歐盟國家生物柴油產量約為870萬t，美國生物柴油的產量約為150萬t，巴西120萬t，阿根廷110萬t。預計2010年世界生物柴油產量可達1900萬t以上。
3.2國內生物柴油發展現狀
我國生物柴油的研究與開發雖起步較晚，但發展速度很快，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。20世紀80年代，由上海內燃機研究所和貴州山地農機所聯合承擔課題，對生物柴油的研發做了大量基礎性的試驗探索。許多科研院所和高校在植物油理化特性、酯化工藝、柴油添加劑和柴油機燃燒性能等方面開展了試驗研究，同時中國林業科學院根據天然油脂化學結構的特點，研究了生物柴油和高附加值的化工產品綜合制備技術，使生物柴油的加工利用不僅技術可行，而且經濟上可以實現產業化。
但是與國外相比，我國在發展生物柴油方面還有一定的差距，產業化規模還較小。雖然我國生物柴油的發展僅處于初級階段，但是我國政府對發展石油替代燃料非常重視，制定了多項促進其大力發展的政策，“十五”規劃綱要將發展生物液體燃料確定為國家產業發展的方向。2004年，科技部啟動“十五”國家科技攻關計劃“生物燃料油技術開發”項目，國家發展和改革委員會也明確將“工業規模生物柴油生產及過程控制關鍵技術””列入“節約和替代石油關鍵技術”中。“十一五”國家科技攻關計劃中也將生物柴油等生物質能源的研發列在首位。
目前我國生物柴油的研究開發也取得了一些重大成果。海南正和、四川古杉和福建卓越等公司都已開發出擁有自主知識產權的技術，相繼建成了規模超過萬噸的生產廠，特別是四川古杉以植物油下腳料為原料生產生物柴油，產品的使用性能與0號柴油相當，燃燒后廢物排放指標達到德國DIN51606標準。這標志著生物柴油這一高新技術產業已在中國大地誕生。生物酶法制取生物柴油也取得了很大進步，2007年河北秦皇島領先科技投資建設國內首家年產10萬t生物酶法合成生物柴油產業，該技術居國內領先水平。總體來看，我國生物柴油的發展狀況良好，生物柴油已經受到越來越多的關注。
4油葵作為生物柴油原料的優點
生物柴油的原料必須滿足一定的條件，如區域可行性、原料價格和燃油價格等。選擇油葵作為生物柴油的原料，是由于油葵具有如下一些特殊的性能。
（1）油葵適應性廣、抗逆性強，不占用優質土地資源。首先，油葵對氣候溫度要求不高，世界各地區的各類土壤或各種地貌均可種植。其次，油葵抗逆性強：抗旱、抗病、耐鹽堿，作業簡單，生育期短。再者，與一般作物相比，種植雜交油葵省工、省肥、省水、省農藥，易管理、成本低、效益好。在無霜期較短地區可以生產1季，在無霜期較長地區還可以栽培2季，這樣便提高了復種指數，增加農民收入。第四，雜交油葵是鹽堿地先鋒作物，對鹽堿地具有很好的改良效果。在全鹽量0.77%的土壤條件下（屬重度鹽漬化），雜交油葵產量高達4395kg/hm2。有鑒于此，可在我國沿海鹽堿地、內蒙古、新疆等地區大規模發展能源油葵產業。
（2）油葵的豐產性和高含油率是農牧民增收的物質基礎。油葵皮薄飽滿出仁率高，一般出仁率達到75%，而且籽實含油量高，一般達到45%~50%。因此，種植雜交油葵可以較大幅度的增加農牧民的經濟收入，特別是在我國較貧困的西部地區，廣大農牧民經濟條件的改善對實現可持續發展具有重要意義。
（3）油葵綜合利用潛力大，可以促進我國農村經濟發展。油葵的花、花盤、莖桿、皮殼的綜合利用價值也很高。葵花是很好的蜜源，可以發展養蜂業。花盤是畜牧業的精飼料，最適合飼喂豬、雞，可以做青貯飼養牛羊。花盤含粗蛋白7%~9%，含粗脂肪6.5%~10.5%，幾乎與大麥、燕麥相當；無氮浸出物（主要是淀粉）48.9%，高于苜蓿，與燕麥接近；果膠2.4%~3.0%，可以增加飼料的適口性；其灰分含量比大麥、燕麥多2倍。榨油后的餅粕可為發展畜牧業提供一部分高質量的飼料來源。秸稈還可作染料和造紙的原料等。
（4）利用向日葵生產柴油，可以為農村社會發展提供機會。據預測，2020年全球可再生生物柴油年需求量，將從當前的1000萬t大幅增加至3500萬t。這為向日葵制造生物柴油提供了廣闊的發展空間。利用向日葵生產生物柴油，可以走出一條農業產品向工業品轉化的富農強農之路，有利于調整農業結構，增加農民收入。如果在我國西部地區大力發展生物柴油產業，必然會給地方發展提供新的機遇，促進第二產業的發展。
5我國發展油葵生物柴油存在的問題及解決措施
雖然我國發展油葵生物柴油已經具備了相應的理論依據，油葵種植也形成了一定的規模，國家也出臺了一系列的優惠政策，但油葵生物柴油產業的可持續發展仍需解決好以下一些問題。
（1）提高油葵抗逆性。油葵用作能源植物種植，必須堅持不與糧爭地。應種植在較為干旱、貧瘠、鹽堿的土地上，因此雖然現有的油葵具有抗旱、抗鹽等優良特性，但仍需要提高其抗逆性，以便擴大油葵的種植面積，穩定原料供應。
（2）培育能源油葵新品種。從品種角度分析，油葵含油率和脂肪酸結構成為影響生物柴油轉化的關鍵因素，因此培育生物柴油的專用品種具有重要的意義。
（3）重視油葵生物柴油產業鏈的綜合加工利用。生物柴油不是油葵生物柴油產業鏈的唯一產品，它還有秸稈、油餅、甘油及VE等不同生產階段的副產品，這些副產品的綜合利用，對于提高向日葵生物柴油產業鏈價值具有重要的意義。 |
