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绿色生物能源
生命科学概论论文
题目：
新型生物质能源—生物柴油
10国贸二班陈媛
摘要
生物能源作为一种环保的能源，它以生物为载体的能量。
直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭。
阐述了我国能源危机、环境污染以及汽车行业发展的现状，提出以生物能源作为汽车的替代燃料。
介绍了生物柴油的应用现状，对此类汽车代用燃料的未来发展进行了展望。
生物柴油是绿色可再生能源，本文由生物柴油的特性出发，阐述了国内外生物柴油的发展现状，讨论了生物柴油的各种制备方法，着重介绍了酯交换法及其中的超临界工艺。
另外，文中还对生物柴油的多种生产原料进行了概述，并对生物柴油生产工艺进行了成本核算。
关键词生物能源生物柴油发展酯交换酶超临界
正文
随着社会的进步，人类对石油的依赖越来越强烈，石油供应与消费的平衡关系制约着世界各国的经济发展。
因此探索发展绿色可再生能源--生物柴油，就成为世界各国能源研究、环境保护及资源战略的重要任务。
生物柴油（即脂肪酸酯）是一种含氧清洁燃料，由菜籽油、大豆油、回收烹饪油、动物油等可再生油脂与甲醇、乙醇发生酯化反应制得。
生物柴油以其突出的“环保性”和“可再生性”，已引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。
目前，它围绕着几种主要油脂原料的盛产区，已经形成三大生物柴油生产基地，并逐步向世界普及和扩展。
在人类向低消耗、低排放和低污染的“低碳经济”迈进的时代，大力开拓和发展生物柴油产业是一条可持续发展之路。
生物柴油作为优质的柴油代用品，是典型的“绿色能源”，生物柴油产业在我国具有巨大的发展潜力，对保障石油安全、保护生态环境、调整农业结构、促进农业和制造业发展均具有相当重要的积极作用。
1.生物柴油的性质特点
2.1生物柴油的特性
柴油分子由l5个左右的碳链组成，植物油分子一般由14～18个碳链组成，与柴油分子的碳数相近。
与普通柴油相比，生物柴油具有如下特性：
（1）优良的环保特性。
因生物柴油中的硫含量低，所以二氧化硫和硫化物的排放量少，其排放量可减少约30%（有催化剂时可减少约70%）；因生物柴油中不含芳香烃，使用生物柴油可降低90%的空气污染；生物柴油含氧量高，其燃烧时一氧化碳的排放量与普通柴油相比减少约10%（有催化剂时可减少约95%）；生物柴油可生物降解，对土壤和水的污染较少。
（2）发动机低温启动性能。
生物柴油具有较好的发动机低温启动特性，无添加剂时冷滤点达-20℃。
（3）较好的润滑特性。
生物柴油使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率降低，延长设备的使用寿命。
（4）较好的安全特性。
由于生物柴油的闪点高，不属于危险品，其运输、储存和使用均较安全。
（5）良好的燃烧特性。
十六烷值高（52.9），其燃烧性能优于普通柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命延长。
（6）可再生性能。
生物柴油具有可再生性，作为一种可再生能源，资源不会枯竭。
（7）其他特性。
无须改动柴油机，生物柴油可直接添加使用（生物柴油以一定比例与普通柴油调和使用），可降低油耗、提高动力性，降低尾气污染。
美国科学家的研究结果表明，一氧化碳、总碳氢化合物、芳香烃、二氧化硫及炭粒随燃料中生物柴油含量的增加而减少。
与普通柴油相比，生物柴油作为柴油汽车的替代燃料，汽车尾气中有毒有机物排放量仅为10%、颗粒物为20%、二氧化硫排放量为60%、一氧化碳排放量为10%，排放指标可满足欧Ⅱ和欧Ⅲ排放标准。
由于生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于植物生长过程中所吸收的二氧化碳，所以可改善由于二氧化碳的排放而导致的全球变暖的环境问题。
生物柴油是一种真正的绿色柴油。
2.2生产生物柴油的能耗
以生产1MJ燃料的总能耗和效率作对比，生物柴油与普通柴油总能耗及效率基本相似，但生物柴油的石油消耗仅为0.311MJ，远低于普通柴油，且榨油植物生长过程中大部分能量来自太阳能。
若植物油酯交换过程采用可再生的乙醇时，则石油消耗还可下降。
在生产生物柴油的过程中，每消耗1个单位的矿物能量就能获得3.2个单位的能量，在所有的替代能源中生物柴油的单位热值最高。
2.3生物柴油燃烧排放物对人体健康的影响
美国研究人员通过有害气体对人的体重、食欲、死亡率、血液、神经、肺部、眼睛及脱氧核糖核酸（DNA）等方面的影响得到结论，生物柴油的燃烧尾气对人体没有明显的副作用。
B-20（含20%生物柴油的混合油）可使毒性危害程度降低16%，B-100（100%生物柴油）可使毒性危害程度降低80%。
2.生物柴油发展现状
3.1国外生物柴油发展现状
生物柴油诞生于1988年，由德国聂尔公司发明。
它是以菜籽油为原料，提炼而成的洁净燃油，其突出的环保性和可再生性引起了世界发达国家，尤其是资源贫乏国家的高度重视。
近十几年来，生物柴油产业在世界各国发展很快。
美国是最早研究生物柴油的国家，20世纪90年代初开始生产生物柴油，目前生产能力为300kt/a，产品用户是汽车运输公司、公交和政府车辆。
1998年制定了有关技术标准，联邦政府和国会以及有关州政府先后发布和通过政令和法案，支持生物柴油的生产和消费。
为了降低生物柴油的生产成本，一般在普通柴油中加入10%-20%的生物柴油，如美国的B-20生物柴油，其尾气污染物排放量可降低50%以上。
近年又在深度加氢精制的普通柴油中加入5%的生物柴油，以改善其润滑性能。
美国生物柴油的税率为零。
为进一步鼓励使用生物柴油，美国农业部决定每年拿出1.5亿美元补贴生物柴油等生物燃料的使用，美国至少有5个州正在考虑制订生物柴油税收鼓励政策。
生物柴油使用最多的是欧洲，其份额已占到成品油市场的5%。
欧盟制定了一系列促进机制和激励政策，鼓励生物柴油等生物质燃料的产业发展，将生物燃料的市场份额从2005年的2%逐步增加到2010年的5.75%。
西方国家为发展生物柴油，在行业规范和政策鼓励下采取了一系列的积极措施。
制定了生物柴油技术标准，欧洲联盟即将出台鼓励开发和使用生物柴油的新规定，如对制造生物柴油的企业免征增值税，规定机动车使用的生物动力燃料占动力燃料营业总额的最低份额。
新规定的出台不仅有助于欧洲联盟生物柴油市场的稳定，而且生物柴油营业额将从2000年的5.035亿美元猛增至24亿美元，平均年增25％。
2003年欧盟国家生物柴油的产量达到2Mt，比1996年增加了4倍。
2003年欧盟各国生物柴油的产量见表1。
表12003年欧盟各国生物柴油的产量
国家
产量/（kt.a-1）
国家
产量/（kt.a-1）
德国
1109
丹麦
60
法国
440
奥地利
45
意大利
350
瑞典
30
捷克
60
英国
30
从表1可看出，德国是欧洲最大的生物柴油生产国，德国现有23家生物柴油生产厂，生物柴油总产量2003年达到了l109kt，2010年计划达到8Mt。
德国制定了生物柴油的标准DINV51606；德国有300多个生物柴油加油站，规定在主要交通要道只准销售生物柴油；农民种植生物柴油原料油菜籽可获得1000马克/hm的补贴；对制造生物柴油的企业予以免税。
日本也是较早研究生物柴油的国家。
1995年开始研究生物柴油，1999年建立了用煎炸油为原料生产259L/d生物柴油的工业化试验装置。
目前日本生物柴油产量可达400kt/a。
3.2国内生物柴油发展现状
我国开展生物柴油的课题是闵恩泽院士在《绿色化学与化工》一书中首先明确提出的。
目前，我国已研制成功利用菜籽油、大豆油、米糠下脚料和野生植物小桐籽油等为原料生产生物柴油的工艺。
2001年9月，海南正和生物能源有限公司建成年产近10kt的生物柴油试验厂，油品经石油化工科学研究院、中国环境科学研究院测试，主要指标达到美国生物柴油标准，它成为我国生物柴油产业化的标志。
四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司也开发出了拥有自主知识产权的生物柴油生产技术，并相继实现工业化，其生产规模超过10kt/a。
近年来，采用脂肪酶代替酸碱催化剂催化合成生物柴油也有较多报道。
中国农业科学院油料作物研究所的黄庆德等利用碱作为催化剂对油脂合成生物柴油的生产工艺进行了研究；江苏大学汽车学院的杨军峰等研究了双低菜籽油在催化剂氢氧化钠的作用下与乙醇发生转酯化反应生成脂肪酸乙酯；北京化工大学生物工程系邓利等研究了采用酯化和酯交换两条工艺路线合成生物柴油的工艺。
目前，我国科学家已成功从玉米中提取加工出燃油乙醇，并投入使用。
采用酯化、酯交换法、生物酶法制备生物柴油的技术已申请了中国专利。
由于对生物燃料行业的发展前景比较乐观，许多大型石化和粮油公司也纷纷涉足生物柴油领域，进行生物柴油的研发和生产。
已初步形成了民营企业、大型国企、外资企业共同参与的格局。
如2007年4月，中国石油天然气集团公司与国家林业局签署了发展林业生物质能源的框架协议，拟投资20亿元，在四川攀枝花建设12万公顷麻疯树生物柴油原料基地，预计在2015年建成相应加工能力的生物柴油加工厂。
年产6万吨生物柴油产业化示范项目今年初在海南投产。
这是海南首个建成投产的生物柴油项目，也是国家发改委批准的“首批国家级生物柴油产业化示范项目”中最早投产的一个。
该项目位于海南东方工业园区内，由中国海洋石油总公司投资兴建。
该套生物柴油加工装置与中石化石油科学研究院合作，将其开发的高压酯交换生物柴油生产工艺进行首次工业放大，形成具有国内自主知识产权的专利技术和专有设备。
同时，在海南省推广BD5、BD10生物柴油销售，形成国内首个生物柴油销售示范市场。
项目原料选用以小桐子（麻疯树）为主的能源林树种。
项目的建成每年将减少二氧化碳排放约14万t，减少一氧化碳排放约400t，减少二氧化硫排放量约60t，减少可吸入颗粒物排放量约100t，海南由此成为国内第一个全省率先使用“绿色柴油”的省份。
据介绍，中海油海南生物柴油项目由能源林选种育苗、示范种植基地、油脂加工、生物柴油加工及产品销售等构成，目标是建设成为国内集能源林树种优选及种植研发、生物柴油工艺技术研发及工业应用放大、小桐子（麻疯树）油籽制油及副产物综合利用等多功能于一体的“林-油-体化”生物能源示范项目。
中海油相关负责人透露，因小桐子原料基地还未建成，目前装置主要利用酸化油作为原料生产，加上产品调配和销售仍未理顺，产品正式进入海南市场销售尚需时日。
随着生物柴油产业的发展，政府也相继出台了一系列政策、措施。
如生物柴油项目已于2003年5月被列为“国家科技产业化项目计划”；2004年科技部高新技术和产业化司启动了“十五”国家科技攻关计划“生物燃料油技术开发”项目；2005年，国家专项农林生物质工程开始启动，规划到2010年我国生物柴油产量达到200万吨，2020年达到1200万吨；2005年2月28日，十届全国人大通过了《可再生能源法》，2006年1月1日，《可再生能源法》生效；2007年5月1日中国制定的首个柴油机燃料调和用生物柴油的国家标准B100开始正式实施等等。
这些政策和措施为生物柴油替代石化柴油进入市场的认可和支持，为金融机构提供有财政贴息的贷款、税收优惠提供了法律保障。
3.生物柴油制备方法
生物柴油制备方法可分为三大类：
物理法、化学法及生物酶催化法，其中物理法包括直接使用法，混合法和微乳液法，化学法包括高温裂解法和酯交换法[1]。
4.1物理法
4.1.1直接使用法
国内外试验研究表明，植物油能作为柴油的替代品，发动机功率与使用柴油几乎相同，热效率接近[2]。
1895年RudolfDiesel发明发动机时就没有计划用石油做燃料。
1900年巴黎博览会上第一次展示发动机时就是用花生油作为燃料。
他在1912年美国密苏里工程大会报告中说：
“用菜籽油作发动机燃料尽管目前看来没有太大意义，但将来一定会成为和石油一样重要的燃料[3]。
”但植物油和柴油燃烧性能差异大，柴油机长期使用植物油可产生：
（1）流动性差及积炭。
由于植物油粘度大，通
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