中国科学报：解开生物柴油的“引擎”之谜

来源：科学网 www.sciencenet.cn   发布者：张荐辕   日期：2015-01-08  

随着勘探开发技术的日益进步，石油等化石能源的耗竭危机被不断延后，但来自环境方面的诘问却在不断加剧。由此，寻找不可再生资源的替代品，成为世界各国的迫切选择。 作为一种可再生的绿色能源，生物柴油被认为既可以缓解能源危机，又可以减缓温室效应，特别是随着其合成方法和工艺不断更新，生物柴油发动机的使用性能与排放物监测领域的研究逐步走向深入，生物柴油作为一种理想替代品的作用日显突出。 在中国，十几年来科研人员对生物柴油的性能与排放进行了大量研究，这些研究为生物柴油的推广使用打下了基础。 原料短缺 生物柴油诞生于1988年，由德国聂尔公司发明。生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、废弃油脂等为原料油通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料。 与石化柴油相比，生物柴油热值略低、密度和粘度略高，具有良好的燃料性能、环保特性。美国能源专家如此评价：生物柴油的毒性比食盐还小，降解速度比糖类还快；同时，使用生物柴油可以减少对石油的依赖，保障能源供应。 因为生物柴油的可再生性和环保性，已经在全世界很多国家得到使用。比如，欧盟生物柴油应用的比例在2011年已经达到5%，并提出到2020年生物燃料要占交通燃料的10%；马来西亚从2014年11月起，将生物柴油在柴油中的掺混比例从5%提高到7%；2014年7月开始，巴西生物柴油在柴油中的强制掺混比例已从5%提高到6%，2015年还会进一步提高到7%。 “我国生物柴油距离大规模推广仍有很长的路要走。”北理工汽车动力性及排放测试国家专业实验室主任葛蕴珊教授坦言，而目前的主要挑战是原料来源不足。 我国生物柴油的生产原料主要是废弃油脂。同济大学汽车学院教授谭丕强介绍，截至2014年6月底，中国主要生物柴油项目的产能超过200万吨/年，但由于生产原料的不足，实际每年产量较低，不及产能的一半。 “如果原料问题不解决，对生物柴油的应用研究也会受影响。”葛蕴珊认为，步入应用阶段后更多的是靠产业发展驱动研究进步。 殊途同归 纵观全球，一些具有开发研究生物燃料动力和原料基础的国家，几乎都进一步形成了该领域强大的研究实力。 “从生物柴油的生产原料，包括怎么促进产油生物快速生长、如何提高产油率，到发动机使用，包括燃烧特性变化、排放物检测、经济性改善等，欧盟都开展了比较系统的研究。”北理工动力系统工程研究所教授张付军介绍说。 在生物柴油的应用研究方面，谭丕强表示，国内外研究机构均主要针对生物柴油的理化特性、发动机燃用不同掺混比例生物柴油的动力性、经济性、排放性能、耐久性能等，所得的结论也颇为类似。 主要的区别则在于：东南亚国家（如印尼、马来西亚）主要研究棕榈油制生物柴油，欧盟国家（如德国）主要研究菜籽油制生物柴油，美国主要研究大豆油制生物柴油，而我国重点研究废弃油脂制生物柴油、麻疯树制生物柴油。 国际上的研究趋势也类似。“进一步提高生物柴油在柴油中的掺混比例至20%甚至更高，且仍要保证发动机的动力性、经济性、排放性能、耐久性能，是未来研究的一个瓶颈。”谭丕强说。 双管齐下 葛蕴珊是我国较早接触生物柴油的科研人员。2001年，有个民营公司老板听说北理工排放检测和整车发动机试验的条件在国内属于领先，就拿来一种用油脚（油脂精炼后产生的残渣）做的生物柴油请他们做检测。 “当时还是头一次听说这种新燃料，闻起来挺香，味道跟柴油不一样，更像食用油的味道。”葛蕴珊说，“查资料后才知道，生物柴油当时在国际上已经很热门了，我们国家相对滞后，仅有小规模的生产。” 基于对新鲜事物的好奇，葛蕴珊团队开始着手生物柴油在发动机上的应用研究。2003年他们获得科技部项目资助，对生物柴油的动力性、经济性、环保性等进行了一系列研究。研究发现，燃用生物柴油可以降低颗粒物和一氧化碳的排放，但氮氧化物的排放量反而增加了10%～20%。 2005年之后，我国科研人员对生物柴油在使用性能方面的研究有了更多的关注。 “开展发动机使用生物柴油后的动力性、经济性、排放性能、耐久性能等研究，探索与使用纯石化柴油相比，发动机会有哪些问题，应如何解决，为生物柴油的推广使用提供实验理论参考。”秉持这个目标，谭丕强团队自2006年开始从事生物柴油的相关研究。 他们重点探索了在不改变现有发动机结构前提下，生物柴油的掺混比例优选问题。使用废弃油脂、棕榈油、麻疯树油、棉籽油、花椒籽油等五种生物柴油以及不同生物柴油掺混比的调和燃料，进行了大量的动力性、经济性、排放性能研究，并进行了长达400小时连续的发动机可靠性和耐久性试验。 “我们得到的试验数据和研究成果，丰富了全球范围内发动机使用生物柴油的性能数据库，为我国的发动机规模化应用生物柴油提供了重要参考依据。”谭丕强说。 下一步，谭丕强计划逐步在公交车上进行生物柴油的规模示范应用。目前他们已经在上海市100辆公交车上试用由废弃油脂生产的生物柴油，掺混比例在10%以内。 我国生物柴油的主要生产原料为废弃油脂，其来源较为复杂，需要通过生产工艺和技术措施来保证生物柴油质量的稳定性。因此，张付军认为，随着发动机排放要求越来越高，生物柴油的相关研究不仅需要发动机的研究人员参与，还需要油品研究的紧密配合。 微议 因其可再生性和环保性，生物柴油已经在全世界很多国家得到使用。为了避免燃料与食物之间的竞争，降低生物柴油燃料生产成本，生物柴油的原料从食用油脂（如菜籽油、豆油等）发展到非食用油脂（如棕榈油、桐子油、麻疯树油、地沟油等），并进一步发展到使用非油脂类生物质作为原料。 最新统计显示，2014年全球生物柴油产量创下历史新高，其总产量超过3000万吨，比2013年增加约200万吨，主要来自欧盟、美国、巴西、阿根廷、印尼、马来西亚等国家和地区。 生物柴油作为一种可替代燃料，其对原料的依赖程度较高，同时较适用于传统能源较匮乏地区，所以那些具有开发研究生物燃料的强大动力和原料基础的国家，进一步形成了该领域的强大研究实力。 一方面，不断更新生物柴油的合成方法和工艺；另一方面，研究生物柴油及生物柴油混合物（与标准柴油混合）的燃料性能、发动机使用性能（如怠速性能等）和排放特性，从而提高生物柴油作为可替代燃料的适用性，为生物柴油燃料的推广使用提供实验理论参考。 我国生物柴油的生产原料来源主要是废弃油脂。原料来源不足，阻碍了生物柴油的大规模推广应用。尽管如此，我国对生物柴油的性能与排放研究与世界同步，在生物柴油生产原料来源的多样性研究、发动机材料兼容性研究、发动机性能研究的系统性与全面性等方面，均处于较为领先的水平，所得成果对于生物柴油在交通领域的实际应用，具有较为重要的参考价值。

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