王永強(qiáng),謝紅兵,常新耀,苗志國
(河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003)
柴油作為一種石油煉制產(chǎn)品,早已成為重要的動力燃料.隨著世界范圍內(nèi)車輛柴油化趨勢的加快,未來柴油的需求量會愈來愈大,能源危機(jī)將成為本世紀(jì)中葉我們所面臨的巨大問題.同時,由于石化能源燃料燃燒時產(chǎn)生的大量有害物質(zhì),嚴(yán)重污染了環(huán)境,由此導(dǎo)致的溫室效應(yīng)、全球氣候變暖、生物物種多樣性降低、荒漠化等諸多生態(tài)問題,影響著國家的能源安全和社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展[1].隨著石油資源的日益枯竭和人們環(huán)保意識的逐步提高,世界各國加快了替代石化燃料的開發(fā).生物柴油以其優(yōu)越的環(huán)保性、較好的低溫發(fā)動機(jī)啟動性能、較好的安全性能、良好的燃料性能和可再生性能備受各國青睞.目前世界各國紛紛開發(fā)新能源,期望能在維持工業(yè)發(fā)展的同時,減少溫室氣體的排放量.
生物柴油(Biodiesel)又稱脂肪酸甲酯(fatty acidester),是以油料作物、野生油料林木果實(shí)和工程微藻等油料水生植物,以及動物油脂、廢棄餐飲油等為原料油通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料,這種燃料可供內(nèi)燃機(jī)使用,它是優(yōu)質(zhì)的石化柴油代用品,生物柴油不僅具有可再生的特點(diǎn),而且可生物降解,發(fā)展生物柴油有益于保護(hù)生態(tài)環(huán)境,是典型的“綠色能源”.
第一次石油危機(jī)(1973~1974年)使人類對非石油類的能源及可再生能源的開發(fā)產(chǎn)生了興趣.從1983年生物柴油的出現(xiàn)至今,美國、歐洲國家(德國、法國、意大利、奧地利、比利時等)、巴西、日本等眾多國家和地區(qū)開始了對生物柴油的深入研究和大范圍的應(yīng)用,在此僅介紹幾個代表性國家的生物柴油發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀.
美國是最早研究生物柴油的國家.1983年美國科學(xué)家Graham Quick首先將亞麻子油的甲酯用于發(fā)動機(jī),燃燒了1 000 h,并將以可再生的脂肪酸單酯定義為生物柴油“Biodiesel”.在政府和企業(yè)的支持下,美國的生物柴油業(yè)發(fā)展較迅速.2002年,美國材料試驗學(xué)會(ASTM)通過了生物柴油標(biāo)準(zhǔn)ASTM For Biodiesel,同年美國參議院提出了包括生物柴油在內(nèi)的能源減稅計劃,生物柴油享受與乙醇燃料同樣的減稅政策;2004年10月,美國總統(tǒng)布什簽署了對生物柴油的稅收鼓勵法案,大力支持生物柴油在全美國的發(fā)展;2005年又簽署了《2005年國家能源法》,引導(dǎo)國家使用可再生能源,到2013年可再生能源要占全部能源的7.5%以上[2].在推廣生物柴油上,美國采用從聯(lián)邦政府到州政府至地方政府由上而下全面發(fā)展生物柴油的政策.美國能源部(DOC)要求聯(lián)邦、州和公共部門的車隊都必須有一定比例的車輛使用替代燃油,對生物燃油不征收燃油稅,2010年,美國生物質(zhì)能的使用量將增加2倍.美國環(huán)保局(EPA)要求禁止在有嚴(yán)重空氣污染城市的公共運(yùn)輸車輛上使用石油柴油燃料.美國農(nóng)業(yè)部決定今后兩年每年拿出1.5×108美元補(bǔ)貼生物柴油等生物燃料的使用[3].至2005年4月,包括籌建的工廠在內(nèi),美國共有60家生物柴油生產(chǎn)廠.計劃到2011年生產(chǎn)生物柴油1.15×106t,2016年達(dá)到3.3×106t.目前,生物柴油已成為美國替代燃料中增長最快的產(chǎn)品,主要的產(chǎn)品形式是B20混合油(生物柴油20%,普通柴油80%).
德國是世界生物柴油研究與應(yīng)用的先行者,從1988年聶爾公司開始生產(chǎn)生物柴油到目前為止,德國已成為全球最大的生物柴油生產(chǎn)國.德國汽車制造商現(xiàn)只允許其生產(chǎn)的汽車使用從油菜籽提煉的生物柴油,因此德國人通常稱生物柴油為“油菜籽甲酯(RME)”.1994年德國制定了以油菜籽為原料生產(chǎn)生物柴油(RME)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)DINV51606.1997年修訂推出了原料范圍較寬的生物柴油(FAME)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)DINE51606,嚴(yán)格了閃點(diǎn)、灰分含量、堿金屬殘留量等指標(biāo),并規(guī)定無論大小企業(yè),生產(chǎn)的生物柴油質(zhì)量都須達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)[4].至2003年,已建成23家工廠,其中每年生產(chǎn)1×105t的生物柴油工廠有7~8家,全國總產(chǎn)量達(dá)到7.15×105t(產(chǎn)能1.1×106t),占整個歐洲消費(fèi)量的50%[5],生物柴油加油站已達(dá)1 500個,占加油站總數(shù)的10%,年銷售量達(dá)5.5×105t;2005年生物柴油的產(chǎn)量達(dá)1.2×106t,預(yù)計2010年達(dá)3.4×107t.德國生物柴油的零售價格約為1.45馬克/L,石油柴油為1.60馬克/L,具有很強(qiáng)的競爭力.奔馳、寶馬、大眾和奧迪汽車生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的汽車均允許使用生物柴油,而無需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改造.
生物柴油在德國之所以能夠迅速發(fā)展有三個重要因素:首先,和其他歐洲國家一樣實(shí)行農(nóng)業(yè)預(yù)留地政策,給予種植生物柴油原料作物大量的補(bǔ)貼.德國農(nóng)民種植為生物柴油作原料的油菜籽可獲得1 000馬克/hm2補(bǔ)貼.其次,歐洲實(shí)行高額能源稅,包括燃油稅、CO2稅、SO2稅等各種稅收占柴油售價的1/2至2/3,而生物柴油可免除90%的燃油稅,德國在此基礎(chǔ)上全部免除了生物柴油稅,這極大地促進(jìn)了生物柴油業(yè)在德國的發(fā)展,提高了生物柴油的競爭性.第三,德國現(xiàn)有900多家生物柴油加油站,并規(guī)定在主要交通要道只允許銷售生物柴油.
作為推動生物燃料業(yè)發(fā)展的先鋒,巴西在生物能源的開發(fā)和利用方面一直居世界領(lǐng)先地位.巴西早在20世紀(jì)80年代就推出“生物柴油計劃”,后因生產(chǎn)成本過高,并未進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn).2002年,又重新啟動了該計劃,采用其豐產(chǎn)的蓖麻油為原料,建立了生物柴油工廠;2004年,巴西政府頒布了使用生物柴油的法令,允許柴油批發(fā)商在柴油中添加一定比例的生物柴油,計劃2010年使生物柴油在石油柴油中的摻入比達(dá)到5%,2020年為20%.
日本是亞洲最早開始研究和應(yīng)用生物柴油的國家,1995年開始研究生物柴油,但受植物油資源貧乏制約,日本主要以廢棄食用油脂為原料生產(chǎn)生物柴油.1999年建立了耗用259 L/d廢煎炸油的工業(yè)化實(shí)驗裝置,目前日本的生物柴油生產(chǎn)能力已達(dá)每年4×105t,理化性質(zhì)可以達(dá)到德國標(biāo)準(zhǔn),其生物柴油產(chǎn)品售價與石油柴油相當(dāng).同時日本政府正在組織科研機(jī)構(gòu)與能源公司合作開發(fā)超臨界酯交換技術(shù).
據(jù)業(yè)內(nèi)人士指出,我國2010年柴油的需求量將突破1×108t,與2005年相比增長24%,至2015年柴油需求量將突破1.3×108t,這將加大我國對進(jìn)石油進(jìn)口的依賴度程度,這不僅消耗大量的外匯儲備,并對我國的能源安全帶來嚴(yán)重的威脅.因此,發(fā)展生物柴油可以有效緩解我國柴油供應(yīng)緊張的狀況,減少石油進(jìn)口,節(jié)省外匯,確保能源安全,改善生態(tài)環(huán)境等.另外,我國有豐富的植物油脂及動物油脂資源,其中,油料植物有1 000多種,含油20%以上有300多種,僅每年我國豆油產(chǎn)量就達(dá)到6×107t;此外,廢棄食用油也可作為生物柴油原料,我國油脂消耗量高達(dá)1.7×107t,僅僅廢棄食用油我國每年產(chǎn)生約2.5×106t,此數(shù)字還在逐年增長,食品制造與加工企業(yè)、飯店以及飲食攤販等產(chǎn)生大量的煎炸油,如加以集中充分利用即可生產(chǎn)生物柴油以替代柴油,減少環(huán)境污染,因此有極大的發(fā)展空間.所以我國發(fā)展生物柴油產(chǎn)業(yè)有著充足的原料資源.
中國的生物柴油研究與開發(fā)雖落后于歐美等發(fā)達(dá)國家,但發(fā)展速度很快.1995年由國家計委、國家科委、國家經(jīng)貿(mào)委制訂的《1996~2010年新能源和可再生能源發(fā)展綱要》則明確要求,加快新能源、可再生能源的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)建設(shè)步伐.1998年1月1日實(shí)施的《中華人民共和國節(jié)約能源法》明確提出“國家鼓勵開發(fā)利用新能源和可再生能源”.2003年,生物柴油的發(fā)展被列入國家科技創(chuàng)新計劃和產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃.2004年,國家科技部啟動了“十五”國家科技攻關(guān)計劃“生物燃料油技術(shù)開發(fā)”項目,2005年啟動了國家專項農(nóng)林生物質(zhì)工程,規(guī)劃在2010年生物柴油的產(chǎn)量要達(dá)到年產(chǎn)2×106t,2020年年產(chǎn)為1.2×107t.自2006年5月30日起施行的《可再生能源發(fā)展專項資金管理暫行辦法》第六條指出,石油替代可再生能源開發(fā)利用,重點(diǎn)是扶持發(fā)展生物乙醇燃料、生物柴油等.專項資金的使用方式包括:無償資助和貸款貼息.貼息年限為1~3 a,年貼息率最高不超過3%.中國政府的這些政策和方針出臺積極促進(jìn)了我國對生物柴油的研究、應(yīng)用和推廣.
隨著國家加大對替代能源的投入,國內(nèi)有清華大學(xué)、中國農(nóng)科院、石油大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國科技大學(xué)、北京科技大學(xué)、江蘇工業(yè)學(xué)院、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)、云南大學(xué)等多家單位已介入了生物柴油技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā),成果涉及到油脂植物的分布、選擇、培育、遺傳改良及其加工工藝和設(shè)備等各方面.2003年清華大學(xué)的“生物酶法轉(zhuǎn)化可再生油脂原料制備生物柴油新工藝”突破了傳統(tǒng)酶法工藝瓶頸,產(chǎn)率達(dá)到90%以上,可以有效消除甲醇及副產(chǎn)物甘油對酶反應(yīng)活性及穩(wěn)定性的負(fù)面影響,酶的使用壽命也隨之大大延長.目前該工藝已在湖南海納百川生物工程有限公司200 kg/d的生物柴油中試裝置上得到成功應(yīng)用,以菜籽油為原料生產(chǎn)出生物柴油,中試裝置的反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3個多月,生物酶活性未表現(xiàn)出明顯下降趨勢.利用這項創(chuàng)新工藝制備的生物柴油樣品經(jīng)檢測,關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)符合美國及德國生物柴油標(biāo)準(zhǔn),并符合我國0號優(yōu)等柴油標(biāo)準(zhǔn).這種環(huán)境友好的生物酶法生物柴油技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化.北京化工大學(xué)生物化工系譚天偉教授課題組[6-8]從能源——資源——環(huán)保——體化系統(tǒng)出發(fā),開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的酶法合成生物柴油新工藝,開發(fā)了脂肪酶,以廉價的可再生動植物油脂,如菜籽毛油、米糖毛油及煎炸廢油為原料,并建立了國內(nèi)外第1套200 t/a酶法生產(chǎn)生物柴油的中試裝置.江蘇工業(yè)學(xué)院林西平教授課題組[9]成功開發(fā)固體堿法制備生物柴油技術(shù),催化甲醇與菜籽油反應(yīng)出油率在96%以上,回收率達(dá)98%,并進(jìn)行了年產(chǎn)2 000 t的中試,此固體催化劑工藝具有能耗低、無三廢、后續(xù)處理簡單等優(yōu)點(diǎn).2007年,云南農(nóng)業(yè)大學(xué)張汝坤教授課題組[10]結(jié)合云南山多地少的實(shí)際情況,以云南生長的木本植物產(chǎn)生的非食用油為原料,如:小桐子油、橡膠籽油、桐油、烏桕籽油等,在生物柴油實(shí)驗室成功的制備出生物柴油,并對其制備的生物柴油在195發(fā)動機(jī)做臺架試驗,結(jié)果表明,其動力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性大大優(yōu)于石化柴油.目前國內(nèi)正在開發(fā)以適應(yīng)不同原料油、產(chǎn)品方案和工廠規(guī)模,以及適應(yīng)原料收集、儲存和產(chǎn)品市場的物流狀況等需要的新工藝.
3.1.1 原料成本高 制備生物柴油的原料成本占生產(chǎn)成本約75%,我國雖有豐富的動植物油脂資源,但人均占有及消費(fèi)的動植物油脂卻很低,僅能滿足食用,而且價格比較高;另一個原因,根據(jù)我國政府規(guī)定,用于發(fā)展生物柴油的油料作物不能占用進(jìn)行糧食生產(chǎn)的土地.這些原因直接導(dǎo)致了原料價格的高居不下,缺乏廉價和來源穩(wěn)定的原料將會直接制約我國生物柴油的生產(chǎn).
因此,采用廉價原料及提高轉(zhuǎn)化率從而降低成本是生物柴油能否實(shí)用化的關(guān)鍵.美國已開始通過基因工程方法研究高油含量的植物;日本采用工業(yè)廢油和廢煎炸油;歐洲是在不適合種植糧食的土地上種植富含油脂的農(nóng)作物.開發(fā)有中國特色的價廉的植物油脂資源是我們面臨的首要問題.
3.1.2 生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜,生產(chǎn)成本高 目前,國內(nèi)已有海南正和生物能源有限公司、福建龍巖卓越新能源發(fā)展有限公司和四川古杉油脂化學(xué)有限公司等多家民營公司實(shí)現(xiàn)了生物柴油的工業(yè)化生產(chǎn),但生產(chǎn)能力小、成本高、能耗大、生產(chǎn)工藝繁瑣等,還需要進(jìn)一步解決甘油的分離、精制、廢堿液的處理問題.生產(chǎn)生物柴油的方法有很多,目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的生物柴油生產(chǎn)工藝主要是化學(xué)催化轉(zhuǎn)酯法.但化學(xué)法制備生物柴油存在一些不可避免的缺點(diǎn)[11],工藝復(fù)雜,反應(yīng)過程中使用過量的甲醇,后續(xù)工藝必須有相應(yīng)的醇回收裝置,能耗高;色澤深,油脂原料中的水和游離脂肪酸會嚴(yán)重影響生物柴油產(chǎn)出率及品質(zhì);酯化產(chǎn)物難于回收,成本高,生成過程有廢堿(酸)液排放容易對環(huán)境造成二次污染等.生物酶法具有很多優(yōu)點(diǎn),但存在工業(yè)化難的技術(shù)問題.因此,革新和研究新型的生物柴油制備工藝對生物柴油的生產(chǎn)應(yīng)用尤為迫切.
目前,我國生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)以民營為主,資金投入不足是一個非常重要的一個問題.沒有充足的資金就沒有一個良好的平臺,生產(chǎn)生物柴油的質(zhì)量和數(shù)量也難以控制,無法實(shí)現(xiàn)生物柴油的研究及生產(chǎn)的可持續(xù)性,生產(chǎn)過程若不達(dá)標(biāo)就會對環(huán)境造成二次污染.
在我國,生物柴油目前尚未進(jìn)入加油站渠道銷售.生物柴油可以替代柴油用于交通運(yùn)輸,但我國各地的加油站,至今還沒有支持生物柴油加油的先例,這極大地限制了生物柴油的應(yīng)用范圍,不利于其推廣和應(yīng)用.
我國生物柴油廠的生產(chǎn)設(shè)計和運(yùn)行缺乏技術(shù)規(guī)范,限制了其規(guī)?;a(chǎn)和應(yīng)用的進(jìn)程.生物柴油做為一種新生事物,在我國的生產(chǎn)和利用中都缺乏統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范,需要我們進(jìn)一步研究、制定和施行全新的適合我國國情的生物柴油生產(chǎn)和操作利用的技術(shù)規(guī)范.
目前,國家對生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)和單位有一定的優(yōu)惠政策,無償資助和貸款貼息(貼息年限為1~3 a,年貼息率最高不超過3%),但對稅收和補(bǔ)帖等方面沒有任何政策和措施出臺,對種植生物柴油原料作物的企業(yè)和農(nóng)民也沒有任何補(bǔ)貼和減稅的措施,這不僅降低了生物柴油原料生產(chǎn)的積極性,而且對生物柴油生產(chǎn)企業(yè)沒有給予足夠的支持.
生物柴油的快速發(fā)展和擴(kuò)大應(yīng)用對實(shí)現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義.因此,為促進(jìn)我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,建議采取以下策略.
歐美的很多國家用動植物油來發(fā)展生物柴油,此模式不適合我國生物柴油的發(fā)展,應(yīng)在注重本國國情的基礎(chǔ)上發(fā)展生物柴油.我國有占國土總面積69%的山地、高原和丘陵等地域,結(jié)合我國的全面實(shí)施退耕還林生態(tài)工程,大力發(fā)展木本油料植物資源,包括油桐、麻瘋樹、黃連木、綠玉樹、光皮樹、烏桕等,它們具有野生性、耐寒、耐貧瘠,而且產(chǎn)生的原料油脂價格低廉,所以大面積營造生物柴油原料林,可變荒山劣勢為優(yōu)勢,這樣既可以為生物柴油生產(chǎn)提供價格低廉的原料油脂,又可以改變農(nóng)村的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),增加農(nóng)民收入.國家對種植木本油料植物的農(nóng)民或企業(yè)給予適當(dāng)補(bǔ)貼,并采取一定的減稅或補(bǔ)貼政策,以提高農(nóng)民及企業(yè)種植油料植物的積極性,還可以通過建設(shè)固定植物原料基地的方法以保證生產(chǎn)原料的穩(wěn)定和持續(xù)供應(yīng).
建立各地的廢油收購及管理機(jī)構(gòu),加強(qiáng)對廉價的食品和餐飲企業(yè)的生產(chǎn)廢油以及地溝油、泔水油等進(jìn)行收集和集中處理,用于生產(chǎn)生物柴油.
新能源和可再生能源行業(yè)是一個新興產(chǎn)業(yè),資金短缺和缺乏有效的融資機(jī)制是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要障礙,需要政府的扶持政策,對生產(chǎn)生物柴油的企業(yè)給與一定的資金補(bǔ)助和技術(shù)支持,鼓勵發(fā)展環(huán)保型方法生產(chǎn)生物柴油;此外,還需開拓確保整個規(guī)劃資金需求的融資渠道及其融資方式,因此要大力招商引資,以保證生物柴油的生產(chǎn)及運(yùn)行過程順暢.
國家應(yīng)不斷加強(qiáng)對生物柴油的生產(chǎn)和應(yīng)用的科研開發(fā)力度,建立統(tǒng)一的技術(shù)操作規(guī)范.近年的研究發(fā)現(xiàn),生物酶法生產(chǎn)生物柴油的方法具有催化效率高、經(jīng)濟(jì)性好、條件溫和、醇用量小、生成物與催化劑易分離、能耗低、無污染物排放等優(yōu)點(diǎn)[12],日益受到人們的重視.但利用生物酶法制備生物柴油目前存在著一些亟待解決的問題,如反應(yīng)物甲醇容易導(dǎo)致酶失活、副產(chǎn)物甘油影響酶反應(yīng)活性及穩(wěn)定性、酶的使用壽命過短等,這些問題成為生物酶法工業(yè)化生產(chǎn)生物柴油的主要瓶頸.針對生物酶法工藝瓶頸問題,我們要加強(qiáng)科研攻關(guān),并及時進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化,采用全新工藝生物酶法制生物柴油.一些最新的研究成果,如清華大學(xué)的“生物酶法轉(zhuǎn)化可再生油脂原料制備生物柴油新工藝”等新工藝和新方法,符合我們高效無公害地生產(chǎn)生物柴油的要求,值得推廣和轉(zhuǎn)化.在今后的生物柴油生產(chǎn)和應(yīng)用中,還應(yīng)盡快制定出符合我國國情的技術(shù)規(guī)范,全面推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.
要不斷開發(fā)生物柴油的應(yīng)用空間.可以與中石油、中石化、中海油等大型企業(yè)聯(lián)系,建立生物柴油加油站系統(tǒng)的全國范圍銷售網(wǎng)絡(luò),有效推進(jìn)生物柴油在交通運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,有效地減少環(huán)境的污染.
我國“十五”計劃發(fā)展綱要提出發(fā)展各種石油替代品,將發(fā)展生物液體燃料確定為國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向.2005年2月28日國務(wù)院頒布《中華人民共和國可再生能源法》(2006年1月1日實(shí)施),“十一五”計劃更是把發(fā)展替代能源放在首位,并且公布了我國生物柴油標(biāo)準(zhǔn),這充分說明國家鼓勵利用可再生能源改善中國目前的能源結(jié)構(gòu),但目前對稅收和補(bǔ)帖等方面還缺乏相應(yīng)政策和措施,因此還應(yīng)加大政策支持力度.
總之,在中國推行可再生能源勢在必行.我們要抓住各國大力發(fā)展生物柴油的機(jī)遇,深入開展國際合作,引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)和資金,加強(qiáng)科研成果轉(zhuǎn)化并開拓應(yīng)用市場,全面推進(jìn)我國生物柴油產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展.
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