生物柴油发展现状和趋势
华南热带农业大学
中国热带农业科学院
白新鹏
摘要：生物柴油的发展不仅有利解决能源问题，而且可减少温室气体的排放量，在世界开发利用石油替代燃料中具有重要地位。本文对生物柴油的特性、产品标准、国内外发展现状和前景作了介绍,对我国生物柴油的发展方向进行了分析。
关键词:生物柴油；脂肪酸甲酯；发展现状
1、前言
随着工业的发展及机动车辆的不断增加，各种内燃机发动机，尤其柴油发动机所排放的废气，已经把原来蔚蓝的天空染成了灰色。据统计，都市污染总量的61%和二氧化碳(CO2)总排放量的20%由交通运输业而来，大气中CO2浓度已从工业化前的280mg/L提升到目前的350mg/L，并呈急速上升态势。石油产品所造成的环境问题及温室效应，已对全球生物带来无可弥补的伤害。
同时，石油总有枯竭的一天，能源危机将再度来临。
于是，生物柴油 (Bio-diesel)应运而生。生物柴油在美国被定义为以动植物油脂为原料制造的可再生能源，即脂肪酸甲酯，可作为石油柴油的替代燃料。生物柴油的原料通常是各种植物油或废食用油，配合甲醇或乙醇经交酯化反应而得，副产品为甘油。在美国，一般是将大豆油与甲醇交酯化反应，甲醇与大豆油的摩尔比为3：1—6：1，以油脂重量1%的氢氧化钠或甲醇钠为催化剂，大约在63℃混合搅拌反应2小时；在欧洲采用菜籽油为原料。
植物油本身不宜直接作为替代燃料，因为油脂分子较大，约为石油柴油的4倍，其粘度约为柴油的11 至17 倍[1]，以致影响喷射效果，且与空气的混合效果不佳而造成燃烧不完全，另外，植物油挥发性比石油柴油为低，易使油脂粘在喷油嘴或蓄积在发动机气缸内而影响其运转效率。植物油的氧化稳定性较低而易产生热聚合作用，使油嘴结焦、碳化而影响燃烧，并降低润滑性递减，引起冷车不易起动和点火迟延等。
为了达到降低粘度、促进燃烧之目的，使植物油用于柴油发动机燃料，可用稀释、热分解、微乳化以及交酯化等方法对植物油进行改性，其中以交酯化制造脂肪酸甲酯的方法为首选，甲酯的使用性质和使用方法与石油柴油基本相同。
2、 生物柴油的工作特性、规格化和质量标准
生物柴油容易达到"世界燃油规范"的柴油Ⅱ、Ⅲ类标准要求，其工作特性如下：
1) 具有良好的燃料性能。十六烷值(Cetane Number)高于石油柴油，燃烧性好于柴油。
2) 具有较好的安全性能。闪火点较高，为118℃，高于石油柴油的52℃，不属于危险品，运输、储存、使用方便。
3) 具有优良的环保特性。生物柴油不含硫，而使用低含硫量的石油柴油是世界趋势，2005年要求降至50mg/kg，但低硫含量石油柴油的润滑性也随之下降，须添加润滑剂；检测表明，与普通柴油相比，使用生物柴油可降低90%的空气毒性[4]，由于脂肪酸甲酯含氧11%，可致促进燃烧点火效果，既可作为添加剂促进燃烧效果，减少排烟，本身又为燃料，具有双重效果；生物柴油的生物降解性高，在21天内可降解约98%，避免污染[2，3]。
4) 具有较好的润滑性能。生物柴油不含硫又具有很好润滑性，可作为添加剂加入石油柴油中使用，使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。
5) 与石油柴油的混合性良好，可直接添加使用，不需修改柴油发动机，也无需另添设加油、储存、保养设备，无需进行人员的特殊技术训练。
6) 具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷滤点达-20℃。
7) 具有可再生性。且生物柴油所产生的CO2经回归生态圈，供植物吸收成长，并无CO2净值增加，形成密闭型的碳循环。
8) 生物柴油的氧化氮（NOX）排放量稍偏高，但经适当调整发动机喷射时程或添加催化剂即可改善。
生物柴油必须符合柴油发动机对燃料特性的品质规格要求。提高品质的关键是交酯化反应必须完全且彻底去除副产物—甘油，否则杂质残留超标，发动机工作就会不正常且排气成份不良。另外，生物柴油的氧化稳定性也是确保生物柴油品质的关键之一，甲酯氧化后燃料性质改变，引起过滤器阻塞，富含不饱和酸的大豆油或双低菜籽油生物柴油尤须注意这点。
欧洲成立了专门的生物柴油委员会(European Biodiesel Board)，由其九成会员厂组成，提供资金给欧盟以促进生物柴油规格标准化及有关研究，从1998年起，欧盟标准委员会（CEN）就着手陆续制定植物油燃料和其它相关燃料标准，2001年，欧盟生物柴油标准EN 14214问世。
德国生物柴油标准的主要指标如表1。奥地利、法国、意大利以及英国等国也制定了类同的标准或暂时标准。美国ASTM（American society of testing and materials）相继在1996年和2000年发布标准，完善生物柴油的产业化条件，为大豆油生物柴油制定标准[5]。
美国ASTM规定石油柴油十六烷值为40以上，通常纯植物油的十六烷值均低于40，但甲酯化后生物柴油的十六烷值均比石油柴油高，规定为44—45。
德国生物柴油标准中规定碘价为115以下，但大豆油生物柴油不受此限。美国也有碘价方面的考虑。碘价低者，十六烷值虽较高，但耐寒性则较差，在冬季易冻结。低温流动性是生物柴油另一个重要性质，德国有冷滤温度(Cold filter plugging point)指标，防止生物柴油在冬季结晶，阻塞发动机过滤器而发生异常，北美洲用更严格的低温流动试验(Low Temperature Flow Test)来测试低温流动性。
目前生物柴油以纯生物柴油和混合柴油二种方式销售。一般，生物柴油占混合油的20%，称为B-20生物柴油，认为是经济有效的替代燃油配方。纯生物柴油已经被美国能源政策法正式列为一种汽车替代燃料。美国还为纯生物柴油（B-100）制定了相应的燃料标准（D 6751），参照这个标准，石油柴油中最多可以添加20%的纯生物柴油。
3、生物柴油在欧盟、美国和中国的发展
3.1欧盟
欧洲正在领导全球的生物柴油生产。1994年欧盟只生产22万多吨菜籽油生物柴油，以意大利12.5万吨，法国5万吨、德国0.5万吨为最，但此后欧盟尤其是德国的生物柴油有了显着的发展，1997年全球的生物柴油生产量约为70万吨，其中58万吨由欧盟所生产,占85%，2003年，欧盟八国的生产能力已经达到210多万吨。
德国生物柴油产能在世界范围内处于领先地位，2003年已建和在建的万吨级生物柴油工厂就有十七、八家，其中10万吨/年的生物柴油工厂有七、八家，全德国年生产能力约为110万吨/年。德国制定了生物柴油的质量标准DIN51606,同时政府对生物柴油采取免税政策。2003 年德国颁布法规,准许自2004 年起,无需标明即可在石油柴油中最多加入5%的生物柴油。
然而，销售数据表明，德国生物柴油的销售量并没有随生产能力的提高而显着增加，据统计，2002年德国生物柴油销售量为55万吨，实际上只占石油柴油的2%左右，说明德国生物柴油行业的发展存在瓶颈。
德国和奥地利采用100%生物柴油，主要使用在环保敏感的地区，诸如湖泊和河川的休闲游艇，滑雪设施，森林区，矿区，灌溉设施以及野生公园等，以及政府公车、卡车，以保证空气清洁。奥地利年产5.5万吨，税率为石油柴油的4.6%,奥地利的Styria是生物柴油的诞生地，闻名欧洲。
欧洲的柴油税率较高，高额燃油税一般要占柴油零售价格的50%甚至更多，每吨平均为400美元，尤以意大利为最，因此欧洲多国对生物柴油予以减、免税的措施，而与石油柴油相同甚至低于普通柴油的价格销售（如德国生物柴油的零售价格比普通柴油便宜0.15马克/L）。意大利对使用生物柴油予以免税，从1991年起在19个都市的公车使用生物柴油，但意大利的主要用途在于空调设备方面，目前年生产能力35万吨，2002年产量为21万吨。
法国对生物柴油的税率也为零，对柴油发动机普遍供应95%石油柴油(即含5%生物柴油的混合油)，广泛使用并提升柴油的润滑性。法国生物柴油年产能为44万吨，2002年产量为37万吨。
比利时总生产能力约24 万吨，丹麦约6万吨，英国3万吨。
那些目前还没有发展生物柴油的欧盟成员国，尤其对那些致力于加入欧盟而没有生物柴油生产能力的国家如波兰、匈牙利、保加利亚和爱沙尼亚等也正付诸行动。英国一个年产25万吨、葡萄牙一个年产10万吨的生物柴油工厂计划在2004—2005年投产，芬兰宣布将用1亿欧元年产17万吨生物柴油工厂，于2007年夏季完工并投产。
在欧洲,各大汽车制造商如奥迪、大众、奔驰、菲亚特等均已允许在其各款柴油轿车和卡车中使用满足欧盟标准EN 14214的生物柴油,并保证给予石油柴油车辆相同的机械保证和保养。他们甚至直接投资生物柴油，2004年2月，大众仅在向美国市场推出V10柴油发动机几个月后，就马上宣布与ADM联合开发生物柴油燃料。
欧盟促进生物柴油发展的努力对其成员国长期发展生物柴油带来了直接推动力。为了促进生物燃料的发展，欧盟决定修改石油柴油的税收法律[6]，1994 年,欧洲议会决定免除生物柴油90%的税收，2001年欧盟制定了生物燃料替代传统燃料的最低发展目标，计划整个欧盟生物柴油的市场份额至少以年0.75%的增速，由2005年的2%提高至2010年的5.75%，达到730—830万吨。目前，欧盟议会已经批准了关于生物柴油的58个修正案，其中最重要的包括：⑴保证生物柴油在总销售柴油中占到一定的比例；⑵生物柴油产品必须达到E DIN 51606，将来达到DIN EN 14214脂肪酸甲酯产品标准；⑶纯生物柴油或添加5%以上生物柴油的燃料都必须在产品中注明；⑷对使用生物柴油给予一定的优惠政策；⑸各成员国每年都必须向欧盟委员会汇报各国为达到欧盟规定的生物柴油生产能力所采取的措施；⑹欧盟委员会将于2006年12月31日公布第一份生物柴油燃料评估报告，并每两年对其发展情况进行一次新的评估。
对使用替代燃料的立法支持, 优惠的税收措施和对油料生产的补贴，这三者的合力使欧盟的生物柴油具有与其他柴油燃料竞争的能力｡欧盟对生化柴油的規範化开发,有力促進生化柴油的商業化进程，预计在未来几年中，由于欧盟发展生物柴油的积极政策和石油价格不断上涨，以及欧盟候选国的积极参加，欧盟生物柴油的发展会更快。
原料的供应是制约生物柴油发展的一个重要因素，从目前的产能和原料来看，预计在未来几年里最多只有10%的石油柴油能够被生物柴油取代。在欧盟，菜籽油等植物油价格很低，是制造生物柴油的适宜原料。欧盟的闲置耕地很多，1992年，欧盟的共同农业政策制定了一个土地闲置计划，即必须闲置部分种植食品和饲料用作物的耕地，但可将闲置地转向种植工业用油籽，因为扩大油料种植有利缓解谷物过剩，提高农民收入，增加就业，并改善生态。以德国为例，年消费石油柴油约3000万吨，而德国每年菜籽油的产量可达300万吨，如果其中约200万吨用于生产生物柴油，则可取代近7%的石油柴油；现在德国农民种植为生物柴油作原料的油菜籽可获得1000马克／公顷补贴。法国已颁布农业政策，工业用菜籽种植耕地将从目前的30万公顷增加到2010年将150万公顷，并规定工业用途耕地所产的菜籽不得制造食用菜籽油，以保证生物柴油用油原料，如此计划顺利实施，则可替代该国石油柴油的7.5%。目前德国有超过100万公顷，而整个欧盟约有近700万公顷的闲置土地可用于种植油菜籽，同时随着欧盟的东扩，可利用土地潜力将进一步扩大。由于中欧人均拥有的耕地约为欧盟15国的两倍，因此未来欧盟有望将菜籽的种植范围扩展到中欧。
3.2美国
美国每年进口价值600亿美元的石油，其石油进口依存度虽然比欧洲的76%为低，但已从1980年代的约40%增加到了2000年以后的60%，到2010年其进口量将扩大到需求量的70%，因此，发展可再生且可生化分解的清洁替代燃料十分迫切。美国早在1980年代就已制订国家能源政策，大力发展可再生又可生物分解资源，作为石油柴油的替代燃料。1992年的能源政策法(Energy Policy Act)计划到2010年以非石油的替代燃料占总进口石油燃料的10%。
但生物柴油在美国燃料市场上的景况与欧盟无法相比。美国及加拿大由于未采取减、免税优惠，以致生物柴油仍无法与石油柴油竞争。虽然如此，美国国会通过修改现有税收法规和管理办法，从政策上支持生物柴油的发展，美国食品药物管理局(FDA)和美国环保署(EPA)已认可生物柴油为清洁环保新替代燃料或燃料添加剂，能源部门宣布生物柴油为一种可选择的汽车燃料，并对使用生物柴油的汽车给予一定的优惠，1998年起，对使用B20生物柴油的车辆，可获得车辆购置优惠，即柴油发动机车辆只要每年最少使用450加仑100%生物柴油，就可获得最多每年新添购置车辆费用50%的优惠。而美国农业部已经连续两年每年拿出1.5亿美元补贴生物柴油等生物燃料的使用，目前美国至少有5个州正在考虑制订税收鼓励政策。由于B20可共享原有的燃料槽、加油设备等而不需另添加其它设备，美国国会预计使用B20可使政府在今后五年内节省4,000万美元过去用在电力、天然气、酒精等替代燃料上所花费的补助金额(如发动机修改，增添加油及储存设备等)。
在美国，生物柴油主要使用在环保敏感的地区和领域，并以特殊价格出售，其主要使用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。目前，一半以上州的政府公车或卡车已经开始使用生物柴油，明尼苏达州则规定必须使用添加20%生物柴油的石油柴油。
美国生产生物柴油的公司有P&G、Interchem、Ag Environmental Products、Twin Rivers Tech等，据美国大豆协会统计，2001年美国生物柴油的年销售量约为5.4万吨，而生产能力已达到30万吨。
美国为世界的大豆王国，其大豆油除自用和出口尚有剩余, 而且大豆生产尚有进一步发展的余地，因此以大豆油为原料生产生物柴油是可行的。2003年，美国的替代燃料量占所有车辆所需总能源量的2%，以其年消费500亿加仑石油柴油计，约需10亿加仑的替代燃料。据美国生化燃料协会(ABA)的估计，若能够参照酒精的方式给予生物柴油减税优惠，则每年可生产大豆生物柴油约20亿加仑，占目前美国高速公路所需石油柴油消费量的8%。
2004年，美国还与菲律宾合作研发椰子“生物柴油”，帮助菲律宾成为世界上第一个使用椰油替代能源作为动力的国家。
3.3中国
我国政府对发展石油替代燃料非常重视, 并制定了多项促进其大力发展的政策，“十五纲要”将发展生物液体燃料确定为国家产业发展的方向，2004 年, 科技部启动“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项目，发改委也明确将“工业规模生物柴油生产及过程控制关键技术”列入“节约和替代石油关键技术”中。即将启动的“十一五”国家科技攻关计划中更将包括生物柴油在内的生物质能源的开发列在首位。
我国从“八五”开始对生物柴油开展系统研究，中国科学院、长沙市新技术研究所与湖南省林业科学院、中国农业工程研究设计院、辽宁省能源研究所、中国科技大学、河南科学陆军化学所、江苏化工学院等单位都对生物柴油进行了相关研究。近年来,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发展公司都相继开发出拥有自主知识产权的技术,并建成年产万吨生物柴油的生产线，其特点是以榨油厂的油脚、黄连木等油料树木的果实以及城市餐饮废油如地沟油、泔水油为原料[7]，并采用先进适用的工艺技术, 来降低原料和生产成本。但与欧美相比，我国生物柴油的发展仅处于研究阶段，生物柴油生产和应用尚未规范，产业化尚未形成，政府尚未针对生物柴油提出一套扶植、优惠和鼓励的政策办法，更没有制定生物柴油统一的标准和实施产业化发展战略。高品质的原料是生产高品质生物柴油和取得高收率的基本保证，2002 年，根据我国生物柴油的原料情况，中国工程院和国家经贸委已着手组织专家开始研究和制定我国生物柴油标准。
4、 结束语
节约能源，开发新的可再生及环保替代性燃料将是21世纪人类的最重要课题。生物柴油的发展不仅有利解决能源问题，而且可以减少温室气体的排放量，这些都是吸引发展生物柴油的最主要原因。
不仅欧盟各国，北美、南美和亚洲的许多国家都存在着巨大的提高生物柴油原料产量的潜力，目前生物柴油的售价尚偏高，以经济的角度来看，以生物柴油完全取代石油柴油在短期间是不可行的，有待将来大规模生产来降低成本与售价。当前各国政府以减、免税的政策来鼓励清洁燃油是一个很好的权宜之计，根据世界各国的经验，生物柴油的使用必须要有强制使用替代燃料的政府法规以及为降低售价而给予减、免税的优惠措施。同时，以5%至20%生物柴油与石油柴油混合，也是降低成本并达到环保目的的一种做法。目前生物柴油的主要问题是成本高，据估计，生物柴油制备成本的75%是原料成本。因此故尚须寻找更便宜的油源及提高转化率从而降低成本是生物柴油能否实用化的关键。美国已开始通过基因工程方法研究高油含量的植物。日本采用工业废油和废煎炸油。欧洲是在不适合种植粮食的土地上种植富油脂的农作物。我国植物资源丰富，产油植物有400 余种，在中国开展生物柴油研究，具有资源方面的独特优势[8]。而且，在中国中西部地区生产和使用生物柴油还能刺激当地农村的经济发展。另外，我国年食用油脂的消费量已达1500万吨，废食用油以其20%计，高达300万吨，它比大豆油和菜籽油便宜得多，如果将其转化为生物柴油，符合循环经济发展思路，经济效益及环境效益都是极其巨大的。