生物柴油的研究进展

来源 :现代农业科技 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinyu9782
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘要 由于生物柴油具有环保性和可再生性,引起了世界发达国家,尤其是石油资源贫乏国家的高度重视。介绍了生物柴油的主要特性,阐述了其现有的各种生产方法,并对我国生物柴油的发展进行展望。
  关键词 生物柴油;可再生能源;酯交换反应
  中图分类号 S216文献标识码A文章编号1007-5739(2008)08-0200-02
  
  生物柴油研究始于20世纪70年代,随着环境保护和石油资源枯竭两大难题越来越被世界各国所关注,生物柴油开始成为新能源研究和开发的热点。生物柴油开发已引起了我国政府和众多企业的关注。2004年国家科技部启动了“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启动,规划2010年生物柴油产量达200万吨/年,2020年产量达1200万吨/年。生物柴油作为一种新型、清洁和可再生能源,它的开发利用不会导致环境温室气体CO2总量的增加,并有助于减少排泄其他多种环境污染物。
  
  1生物柴油的主要特性
  
  根据美国生物柴油协会的定义,生物柴油是指以植物、动物油脂等可再生生物资源生产的,可用于压燃式发动机的清洁替代燃油。就化学成分而言,生物柴油是一系列长链脂肪酸甲酯,主要由C16烷类组成(柴油主要由C15~C18烷类组成)。天然油脂多由直链脂肪酸的甘油三酯组成,经酯交换后,分子量降低到接近柴油,且具有与柴油相似的性能,是一种可以替代柴油使用的环境友好的绿色清洁能源。
  与石化柴油相比,生物柴油具备如下特点:①优良的环保特性。SO2和硫化物的排放减少约30%,尾气中有毒有机物排放量仅为10%,颗粒物为20%,CO2和CO排放量仅为10%。其废气排放指标可满足欧Ⅱ和欧Ⅲ排放标准。②较好的发动机低温启动性能。无添加剂冷凝点达-20℃。③较好的润滑性能。可降低喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率,延长其使用寿命。④较好的安全性能。其降解率高,闪点高,不属于危险品。⑤良好的燃烧性能。其十六烷值高,燃烧性能优于普通柴油。⑥可再生性。作为一种可再生能源,资源不会枯竭。⑦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,降低尾气污染。
  
  2生物柴油的生物原料
  
  制备生物柴油的生物原料来源广泛,主要分为2类,一类是含油脂农作物,包括亚麻、大豆、橡胶籽、蓖麻、棉籽、油菜、麻风树、木油桐等;另一类是餐厨废油,包括地沟油、植物油泥等。生物柴油原料的选用根据各国实际情况而有所区别。
  
  3生物柴油的制备方法
  
  3.1直接混合法
  这是一种最简单的生物柴油物理制造方法。将脱胶动植物油与石化柴油按一定比例混合,以降低燃料粘度,可作为农机的替代燃料。此法工艺简单,但制备出来的生物柴油质量不高,不能从根本上改变植物油的高黏度性能,从而不能长期使用在柴油机上。
  3.2微乳法
  微乳法主要采用动、植物油和低碳醇类等溶剂,在乳化剂的作用下,混合成为微乳状的生物柴油产品。该方法也是一种物理方法。如柴油掺水乳化技术具有节能效率高、明显减少尾气污染等特点,其中柴油掺醇乳化燃料应用是目前研究的一个热点。微乳液法虽然从一定程度上改善了植物油的燃烧性能,短期使用没有大的不良后果,但乳化后植物油的黏度仍然很高,此方法与环境有很大的关系,因环境的变化易出现破乳现象[1]。
  3.3热裂解法
  热裂解是指在高温(借助催化剂或无催化剂)的条件下将一种物质转化为另一种物质的过程。该方法工艺过程虽然比较简单,也不会污染环境;但裂解反应在高温下进行,裂解反应设备要求比较高,裂解反应难以控制。另外,该方法单位原料量下生物柴油的产量比较低。
  3.4酯交换法
  酯交换法是目前工业上生产生物柴油的主要方法。原料为油料和低碳链醇,酯交换反应可用的油包括植物油和动物脂肪,低碳链的醇包括甲醇、乙醇、丙醇和丁醇等,在催化剂作用下发生酯交换反应,得到相应的脂肪酸单酯和甘油。工业上一般使用甲醇,因为甲醇市场价格比较便宜,碳链最短,极性又较强,能够较快地和脂肪酸甘油酯进行酯交换反应,而且酸、碱催化剂相对容易溶解于甲醇。酯交换反应是平衡可逆反应,控制甲醇过量,可以使得平衡向生成脂肪酸甲酯方向移动。所以工业上采用甲醇为原料时,甲醇的实际用量比理论用量高。酯交换反应是一系列串联反应组成,甘油三酯分步转化成甘油二酯、甘油单酯和甘油,每一步反应产生一分子脂肪酸甲酯。酯交换反应采用的催化剂主要包括:酸性催化剂、碱性催化剂、生物酶催化剂等,也可以控制酯交换反应在超临界条件下进行。
  碱催化的酯交换反应制备的生物柴油、副产高附加值的甘油,反应的速度比用酸催化快,但剩余碱时有皂生成,堵塞管道,需进行后处理。酸催化的酯交换反应,适用于含游离脂肪酸和水较多的体系。生物酶为脂肪酶,其催化油脂和低碳醇之间的酯交换反应得到相应的脂肪酸酯。脂肪酶主要包括酵母脂肪酶、胰脂肪酶等。脂肪酶催化的酯交换反应,对游离脂肪酸和水的含量要求不高,反应温度低,反应条件温和,醇用量小,相对清洁,但酶价格偏高,且易失活,反应时间较长[2]。
  Saka和Kusdiana[3]首次提出了生产生物柴油的超临界法。采用这种方法反应在一预加热的间歇反应器中进行,采用超临界反应环境反应温度350~400℃,压力45~65MPa,菜籽油与甲醇的质量比为1∶42。甲醇在无催化剂的条件下与菜籽油发生酯交换反应,产率高于普通的催化过程,同时避免了使用催化剂所必须的分离纯化过程,使酯交换过程更加简单、安全和高效。超临界条件下制备生物柴油技术是近年来发展起来的新型方法,是在高温高压下进行的,不需要催化剂,反应速率比较快,可以连续操作,并且可以避免酯交换过程中皂化现象。超临界生产生物柴油技术的优点是:在甲醇超临界条件下,不需要催化剂就能达到高转化率,污水排放极少,副产甘油浓度高,而且可适用于高酸值的原料[4-5]。
  3.5若干新技术进展
  加拿大多伦多大学的David Boocock教授开发了生产生物柴油的BIOX工艺[6]。BIOX工艺在酯交换反应中引入了惰性的助溶剂,使油脂和甲醇成为一相,大大加快了反应的速度。BIOX工艺包含了酸催化和碱催化2个过程,可以处理高酸值的动植物油,油脂中游离脂肪酸的含量可以高达30%。
  日本住友(sumi tomo)公司[7]最近宣布他们已经成功地开发出了以植物油脂与超临界甲醇生产脂肪酸甲酯的工艺。该工艺的特点是不会出现传统生产工艺中产生的大量副产品。在住友开发的新工艺中,甲醇是在其临界温度下与植物油脂反应,脂肪酸甲酯的产率更高并且无须催化剂,从而降低了成本。如果能在甲醇的临界压力下进行反应,反应速度还可以加快,反应器也可以小型化。该工艺的又一优点在于可以同时生产甘油,并能对其纯化。
  徐桂转等[8]研究了以固定化酶催化工艺的条件,研究了以固定化的假丝酵母脂肪酶作为催化剂,以菜籽油和桐油为原料,在无溶剂存在的条件下间歇和连续反应工艺条件,脂肪酶可以多次重复使用,油脂转化率保持在90%左右。
  “工程微藻”生产柴油,为柴油生产开辟了一条新的技术途径。美国NREL通过现代生物技术建成“工程微藻”,即硅藻类的1种“工程小环藻”。在实验室条件下可使“工程微藻”中脂质含量增加到60%以上,户外生产也可增加到40%以上。而一般自然状态下微藻的脂质含量为5%~20%。利用“工程微藻”生产柴油,其优越性在于:微藻生产能力高、用海水作为天然培养基可节约农业资源;比陆生植物单产油脂高出几十倍;生产的生物柴油不含硫,燃烧时不排放有毒害气体,排入环境中也可被微生物降解,不污染环境。
  
  4我国发展生物柴油产业的意义及展望
  
  中国工程院院长徐匡迪、副院长沈国舫及我国石油化工、能源发展、植物生理、油料作物领域的院士闵恩泽、范维唐、沈允纲、方智远、傅廷栋等在研讨我国生物柴油发展时提出,针对我国原油资源有限、将长期依赖大量进口石油的国情,发展立足于本国原料大规模生产替代液体燃料——生物柴油,对增强国家石油安全具有重要的战略意义。如发展油料植物生产生物柴油,可以走出一条农林产品向工业品转化的富农强农之路,有利于调整农业结构,增加农民收入。
  作为发展中国家的中国,与其他发达国家一样面临能源供给压力和国际油价不断上升给经济安全带来的挑战。我国能源资源有限,常规能源资源仅占世界总量的10.7%,人均能源资源占有量远低于世界平均水平。资料显示,我国由1993年变为石油净进口国,我国对进口原油的依存度很高,2004年石油消费达2.92亿吨,原油对外依存度已达48.0%,预计到2010年将达到54%,2020年中国石油的需求量将为4.5~6.1亿吨,进口依存度将达到60%~70%,石油能源短缺,油价一路飙升,严重制约了我国经济建设的稳健发展。石油的供应量严重不足,发展生物柴油产业可增强我国石油安全。
  生物柴油是用植物油与甲醇制造的脂肪酸甲酯,是一种洁净的生物燃料。国际上对生物柴油的开发形势看好,目前,巴西正在大力推广生物柴油,以减少石油进口。美国能源部也在集资发展生物质能,要求到2010年,美国生物质能的使用量增加2倍,生物柴油也列为生物质能之一。生物柴油取之大自然,回之大自然,不仅可以使人类摆脱对石油的依赖,而且是一种可再生能源。它和传统的柴油相比,具有润滑性能好,储存、运输、使用安全,抗爆性好,燃烧充分等优良性能。目前世界各国大多使用20%生物柴油与80%石油柴油混配,可用于任何柴油发动机和直接利用现有的油品储存、输运和分销设施。
  发展生物柴油有益于保护生态环境。生产生物柴油的能耗仅为石油柴油的1/4,可显著减少燃烧污染排放;生物柴油无毒,生物降解率高达98%,降解速率是石油柴油的2倍,可大大减轻意外泄漏时对环境的污染;生物柴油和石油柴油相比,可减少燃烧时的所有主要污染物排放,尾气排放指标满足严格的欧Ⅲ标准;生物柴油生产使用的植物还可将CO2转化为有机物固化在土壤中,可以减少温室气体排放;利用废食用油生产生物柴油,可以减少肮脏的、含有毒物质的废油排入环境或重新进入食用油系统;在适宜的地区种植油料作物,可保护生态,减少水土流失。大力发展生物柴油对经济可持续发展、废旧资源的综合开发利用、建立循环经济模式、推进能源替代,减轻环境压力,控制城市大气污染具有重要意义[9] 。
  西方国家生物柴油产业发展迅速。近年来,西方国家加大了生物柴油商业化投资力度,使生物柴油的投资规模增
  大,开工项目增多。美国、加拿大、巴西、日本、澳大利亚、印度等国都在积极发展这项产业。
  中国生物柴油的研究与开发虽起步较晚,但发展速度很快,一部分科研成果已达到国际先进水平。研究内容涉及到油脂植物的分布、选择、培育、遗传改良及加工工艺和设
  备。现阶段各方面的研究都取得了阶段性成果,这无疑将有助于中国生物柴油的进一步研究与开发。
  中国“十一五”规划中明确规定,要大力发展可再生资源,扩大生物柴油的生产能力。可以预见,在未来几年内,中国在该领域的研究将会有突破性进展并达到实用水平。生物柴油这一重要的生物能源将在21世纪得到大力发展。
  
  5参考文献
  
  [1] 曹晓燕,满瑞林,刘小风,等.生物柴油制备方法研究进展[J].化学工程师,2007,144(9):27-31.
  [2] 陈曦,韩志群,孔繁华,等.生物质能源的开发与利用[J].化学进展,2007(19):1091-1097.
  [3] SAKA S,KUSDIANA D.Biodiesel fuel from rapeseed oil as prepared in supercritical methanol[J].Fuel,2001,80(2):225-231.
  [4] 张志,史吉平,杜风光,等.生物柴油及其生产技术的进展[J].能源技术,2007,28(2):88-91.
  [5] 闵恩泽,姚志龙.近年生物柴油产业的发展——特色、困境和对策[J].化学进展,2007(19):1050-1059.
  [6] KATABATHINI N R,SRIDHAR A,LEE A F,et a1. Zirconium phosphate supported tungsten oxide solid acid catalysts for the esterification of palmitic acid[J].Green Chemistry,2006(8):790-797.
  [7] LEUNG Y C.Transesterification of neat and used frying oil:Optimization for biodiesel production Fuel[J].Fuel Processing Technology.2006(87):883-890.
  [8] 徐桂转,张百良,刘会丽.固定化酶催化桐油酯交换反应的研究[J],中国农业科学,2006,39(10):2089-2094.
  [9] 方应明,杨保成,张飞.生物柴油的发展研究现状[J].安徽农业科学,2007,35(26):8325-8326,8356.
其他文献
为使保持共产党员先进性教育活动落到实处,临城县国土资源局着重在解决关系群众切身利益的实际问题上下功夫。3月25日,召开了8个乡镇国土所所长和机关股级以上干部座谈会,就近年
16日,东南网记者从莆田市城厢公安分局获悉,近日,城厢警方破获一起利用物流销售假烟案,抓获犯罪嫌疑人14名,查获假烟共计13 475条,涉及假烟品种80多个,涉案金额1 700余万元。
编辑文化三道风景线是跨世纪编辑文化理论的三个学术前沿论题:第一道风景线是跨学科理论研究——为建立编辑学自身学科而汲取相关学科理论的研究,是编辑文化中编辑角色的正位(由
近年来,我省从确保国家粮食安全的大局出发,坚持基本农田保护“严而又严”,强化措施,狠抓落实,确保基本农田“面积不减少、质量不降低、用途不改变。”截止2004年底,我省基本农田保
中日文化交流渊远流长,博大精深的汉诗促进了日本古代文学的发展。松尾芭蕉正是接受唐诗的滋养,将作谐从滑稽诙谐、句作卑俗的低层次提升到格调清雅的艺术殿堂,开创了以“蕉风”
矿产储量开发利用监督管理直接影响矿山企业生存周期和经济效益。始终贯穿采矿生产的全过程,始终贯穿矿政管理的全过程。它具体反映了矿山企业的采矿区域位置、勘探质量、采矿
国家劳动部最新公布中国10种新生职业。①商务策划师。②会展策划师。③数字视频(DV)策划制作师。④景观设计师。⑤模具设计师。⑥建筑模型设计制作员。⑦家具设计师。⑧客户
<正>聚集着多家仿冒稻香村的王府井大街被列为了整治对象。王府井工商所近日加大了对王府井大街周边商户的注册商标专用权保护行动工作力度,重点针对"稻香村"、"全聚德"等注
Q优6号具有产量高、米质好、适应性好等优点。采用五元二次回归正交旋转组合设计,对促进水稻高产的密度、氯、磷、钾肥不同用量和氮肥次数进行了试验研究与分析。结果表明Q优6
正值松茸当季时,来自金茂北京威斯汀大饭店“舞”餐厅的厨师团队,巧手炮制出松茸土瓶清汤,在保留日本料理经典韵味的同时辅以独具匠心的创新元素,旨在为京城食客带来别开生面的饕