生物柴油概述杨众喜

生物柴油概论生物柴油综述第一节生物柴油的概述一、生物柴油的定义美国ASTM关于生物柴油的定义是从可再生脂质资源，如植物油或动物脂中得到的长链脂肪酸烷基单酯，是由长链脂肪酸的单烷基酯组成的燃料。“生物”表示它相对于石化柴油而言，是一种可再生的生物资源；“柴油”指的是它可用于柴油发动机。生物柴油作为一种替代性燃料，它能够以纯态或与石化柴油混合使用。这里特别指出的是，对于生物柴油这个名词，从严格意义上来讲仅仅指的是符合美国ASTM标准或者欧盟标准规定各种理化指标的脂肪酸甲酯，而不是原料植物油、动物脂肪、特别是反应过的油和脂肪、煤浆、或任何“生物提取”的燃料，或者乳化柴油、复合柴油，凡此种种未能满足上述定义和标准中指标的均不是生物柴油，不可以将其与生物柴油混淆。但是目前在中国来说，对于生物柴油没有确切的定义，对于可以用于柴油机燃烧生物质制取的燃料来说，都称为生物柴油。但是从确切的欧盟或者美国的定义来说，这些都只能是生物质燃料，而非符合标准的生物柴油。生物柴油是由可再生的油脂原料，诸如大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物油脂以及动物油脂、废餐饮油等为原料，经合成（酯化或酯交换）所得的长链脂肪酸甲酯，可代替柴油的一种环保燃料油，生物柴油是柴油的替代产品。经实验证明生物柴油可直接用于现有的柴油引擎而不需做任何改动。生物柴油由植物油、回收的烹饪油脂或油、动物油脂制成。植物生产的油来自阳光和空气，可以在农田里年复一年的种植，所产生的油是可再生的。动物油是动物消耗了植物油或其他脂肪产生的，因此，动物油也是可再生的。烹饪所用的油绝大部分是植物油，当然也会有动物油。所以，用过的烹饪油是可回收的、也是可再生的。众所周知，柴油分子是由15个左右的碳链组成的，研究发现植物油分子则一般由14-18个碳链组成，与柴油分子中碳数相近。因此生物柴油就是一种用油菜籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化学成分分析，生物柴油燃料是一种高脂酸甲烷，它是通过以不饱和油酸C18为主要成分的甘油脂分解而获得的。与石化柴油相比，生物柴油具有下述无法比拟的性能：1.具有优良的环保特性。主要表现在由于生物柴油中含有11%的含氧量，燃烧更充分；硫含量低，使得二氧化硫和硫化物的排放低，可减少约30%(有催化剂时为70%)；生物柴油中不含对环境会造成污染的芳香族烷烃，因而废气对人体损害低于柴油。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，降低94%的患癌率；由于生物柴油含氧量高，使其燃烧时排烟少，一氧化碳的排放与柴油相比减少约10%(有催化剂时为95%)；生物柴油的生物降解性高。2.具有较好的发动机启动性能。3.具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低，使用寿命长。4.具有较好的安全性能。由于闪点高，生物柴油不属于危险品。因此，在运输、储存、使用方面的安全性又是显而易见的。5.具有良好的燃料性能。十六烷值高，使其燃烧性好于柴油，燃烧残留物呈微酸性，使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。6.具有可再生性能。作为可再生能源，与石油储量不同，其通过农业和生物科学家的努力，可供应量不会枯竭。7.无须改动柴油机，可直接添加使用，同时无需另添设加油设备、储存设备及人员的特殊技术训练。8.生物柴油以一定比例与石化柴油调和使用，可以降低油耗、提高动力性，并降低尾气污染。9.生物柴油完全可以由本国生产，这就减少了对进口石油的依赖。10.生物柴油工业的发展可以增强本国经济，尤其是农业经济。生物柴油的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标不仅满足目前的欧洲II号标准，甚至满足在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲Ⅲ号排放标准。而且由于生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于该植物生长过程中所吸收的二氧化碳，从而改善由于二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。因而生物柴油是一种真正的绿色柴油。生物柴油不含石油，但可以任何比例与从石油提炼出的柴油相混合，形成生物柴油混合物。这种混合物以“BXX”表示，其中“XX”代表生物柴油所占的比例(如B20表示含有20％的生物柴油)。它可以在压燃式发动机上使用，而不需要对发动机进行任何调整。柴油生产商特别注意的一个问题就是柴油燃料中的硫含量一定要低，因为硫会降低燃料的润滑性能。生物柴油的含硫量仅为痕量，比新的EPA柴油标准还低，而这一标准在2006年生效，同时生物柴油也有很好的润滑性，即使对硫含量没有要求，人们也喜欢添加少量生物柴油来减少柴油机的磨损。生物柴油的制造是将油和脂肪转化成长链的单烷基酯，或生物柴油。这种化学物质也称为脂肪酸甲酯或FAME。在生产过程中，100公斤的纯净油或者脂肪与10公斤的短链的醇（经常用甲醇）在催化剂（通常是氢氧化钠或氢氧化钾）的帮助下发生反应，生成100公斤生物柴油和10公斤的甘油。甘油是生物柴油生产过程中的副产品。原料植物油或者是精炼植物油，或者是回收的油脂在未加工成生物柴油之前，均不能当生物柴油使用。研究显示，植物油和回收油脂在压燃发动机中，哪怕只使用到10%-20%,就会造成长期的发动机沉淀、活塞环粘连、润滑油凝结和其他一系列的问题，并导致发动机寿命下降。这些问题多是由原料油的高粘性（达40mm2/s）造成的，用于发动机的柴油燃料的粘度仅为1.3-4mm2/s。为了避免这类高粘度造成的问题，植物油被转化成生物柴油。通过这个转化过程，我们将这些物质的粘度降到和普通柴油的粘度近似，达到4-5mm2/s。第二节、柴油机和生物燃料一、柴油机和生物燃料的历史柴油机和生物燃料的发展历史随着技术的进步和政治经济的变化而共同发展起来的。柴油发动机的历史是技术发展史的另一写照，这里很容易的看到生物燃料的政治经济是如何影响柴油机的发展的。在19世纪80年代后期，占据统治地位的机械动力装置是蒸汽机，但是蒸汽机的效率非常低，大约只10～12%。这种状况激励着德国发明家RudolphDiesel着手寻求一种新的机械动力装置以代替效率太低的蒸汽机。那时候汽油发动机已经出现，但是还处于起步阶段，使用技术要求非常苛刻。为了使汽油发动机平稳地运转，所有相关的部件都必须近乎完美地工作：化油器的燃油空气混合比以及进气动作都要合适；电气系统必须能够产生足够高的能量以产生电火花；火花塞必须保持清洁而且火花塞间隙要适当；采用的汽油必须清洁，没有金属碎屑和杂质；汽油裂化过程必须一致，以便在汽缸内能够产生正常的燃烧过程。即便上述所有这些条件都得到了满足，汽油发动机的燃烧过程以及运转时的高温和排放出的废气也会产生很多问题，需要经常对其进行非常费力的维护或修理工作。根据汽油发动机存在的这些问题，Diesel先生开始通过试验来寻找一种新的内燃机设计方案。Diesel的基本出发点是这样的：所设计的新内燃机对使用技术条件的要求不能像汽油发动机那样苛刻，它应该能够使用基于多种植物的生物燃油来工作，而且其能量转化效率应该比汽油发动机更高。狄塞尔在1898年法国巴黎的展览会上演示论证了他的发动机。该发动机代表了柴油机的雏形，因为它采用花生油作为燃料——这是“最早”的生物柴油。他认为生物质燃料的应用是他的柴油机的真正未来。他希望这能够为小工业、农场主们以及“一般民众”提供一条可以和垄断大工业相竞争的道路，当时的垄断大工业控制了所有的能源产业，同时可以作为没有效率的蒸汽内燃机的替代产品。从狄塞尔的初衷来看，压燃式发动机使用生物质燃料如植物油，并且这使用到1920年。1920年后由于石油开采业的繁荣，石油柴油替代了高价的生物质燃料。今天，随着石油开采成本的上升、石油逐渐枯竭，石油柴油的价格的上升，柴油机再次使用生物柴油作为燃料了。1892年，Diesel先生向德国皇家专利局申请了一个发动机专利权，并于1年之后获得批准。他所设计的发动机原理是将汽缸中的空气压缩到一定程度，使之能够自动点燃喷射到汽缸中的燃油，也就是说是通过高压而不是电火花来点燃燃油混合气体的。经过对专利设计方案持续5年的不断改进，他在1898年的法国巴黎展览会上向世人展示了他的“高效热能发动机”。该发动机以花生油做为燃料，燃料效率达到了75%。此后，人们就以Diesel先生的名字为其发明的这种发动机命名，称为Diesel发动机，中文译为“柴油发动机”。此后，到了20世纪20年代，由于性能可靠的喷油泵已经研制出来，采用了喷油泵的柴油发动机开始应用于欧洲的一些卡车上。在柴油发动机发展的同时，在技术上也不断完善的汽油发动机也已经完全取代了蒸汽机在大西洋两岸工业中的统治地位。直到1936年，才出现了世界上第一款批量生产的柴油发动机汽车，即梅赛德斯-奔驰公司生产的260D型柴油发动机轿车。从那个时候开始，欧洲市场上柴油发动机汽车的数量就一直在稳步增长。然而在美国，柴油发动机的发展却进展得非常缓慢。1898年，虽然圣路易斯的酿酒大亨AdolphusBusch获得了在美国制造柴油发动机的专利许可授权，但他却几乎没有做多少工作来推广这种新出现的发动机，因此柴油发动机在美国的应用并不广泛。1919年，美国的ClessieL.Cummins购买了柴油发动机的制造权，并改进了喷油控制系统。不过，那时的柴油发动机以及后来改进设计的柴油发动机都在使用从石油中提炼出来的燃油。非常具有讽刺意味，最初考虑用生物油作为燃料的柴油发动机设计方案，其命运却居然跟石油工业紧密地联系在了一起。直到现在，美国的康明斯（Cummins）公司仍然高举RudolphDiesel先生的旗帜，在不断地改进着柴油发动机的设计。时间推进到1973年，石油输出国家组织（OPEC）开始施行石油禁运。一时间，西方工业化国家几乎所有的加油站都排起了长队，燃油价格比以前高出了很多，而且还是限量供应的。在这种情况下，美国的车主们开始青睐那些采用比较经济的柴油发动机作动力的进口车辆。一股大力进口配备柴油发动机的梅赛德斯-奔驰、标致、五十铃、大众、奥迪、沃尔沃和达特桑汽车的潮流开始猛烈地冲击着美国汽车市场。这段时间美国国内的汽车制造商也开始发展柴油发动机。通用汽车公司在1978年至1985年期间生产的Oldsmobile柴油发动机，并将之用于他们开发的汽车上，后来的事实证明，这是历史上出现的几款最失败的发动机之一。福特汽车公司也开始在世界范围内推出了几款柴油发动机。这些老型号的柴油发动机很难启动，需要的暖机时间超过了一般驾驶员的忍耐限度，而且噪音非常大，常常冒出浓浓的黑烟，加油时还需要驾驶员能够忍受非常刺鼻的柴油气味。因此，当汽油的价格下降之后，美国公众对于那些使用柴油发动机的汽车的需求和兴趣也就跟着降低了。重型运货卡车的情况与轿车却有很大的不同。由于重型货车主要用于运货车队、建筑工地、农场和工厂，想到柴油发动机的扭矩大、可靠性高、经济性好和维护保养要求相对较低等优点，驾驶员一般并不十分介意发动机产生的噪音和柴油气味带来的不方便。重型卡车对于柴油发动机的青睐一直延续到今天。实际上，去年售出的全尺寸重型卡车（0.75～1t）中，60%以上的都是采用柴油发动机。二、柴油发动机技术现状从目前的情况来看，柴油发动机在欧洲受到越来越大的欢迎，在世界范围内也是如此。现在，欧洲的乘用车中有35%使用的是柴油发动机，其中在英国，乘用车中柴油发动机的比例更是超过了40%。而在1991年这个比例还只有15%。如果加上轻型卡车的话，柴油发动机所占的比例还要增加大约10%。居高不下的燃油成本使得欧洲和全球汽车市场上柴油发动机的数量在稳定地增长着。顺便说明一下，对于消费者来讲，美国仍然是世界上为数不多的汽油价格最低的市场之一。在拥挤的欧洲大城市，公众对清洁空气的要求也是柴油发动机汽车数量不断增长的一个主要原因。在亚洲市场上，轻型卡车和乘用车中使用柴油发动机的数量也在稳步增长，具有领先地位的是日本五十铃公司的柴油发动机。在亚洲的许多偏远地区，燃油市场上柴油比汽油更容易获得，而且这种情况非常普遍。因此在大城市以外的地方，柴油发动机汽车一般是购车者的首选。虽然柴油发动机的历史几乎与汽车的历史一样长，但是柴油发动机在美国汽车上应用的还不是很普遍，这主要