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我国生物柴油发展概况

(2016-03-24 20:48:14)
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油料树木

地沟油

酯交换法

高温热裂解法

工程微藻

分类: 燃料燃烧

我国生物柴油的研究与开发起步较晚,但发展迅速闵恩泽院士在《绿色化学与化工》一书中首先明确提出发展清洁燃料生物柴油的课题原机械工业部和原中国石化总公司在20世纪80年代初就拨出专款立项,由上海内燃机研究所等单位做了大量基础性试验探索;中国科学院中国农业科学院中国农业工程研究设计院大专院校等均设立生物能源项目,先后开展了生物燃油的基础性研究与开发工作,为生物燃油的研究与应用打下了牢固的理论基础和产品开发的依据

20世纪90年代八五计划开始,国家科技部将生物燃油的研究与开发列为重大科技项目,开始实施生物能源的重大工程,生物能源的研究与开发蓬勃发展从可作为生物柴油原料的油料作木本油料植物的选择分布区域栽培种植品种选育与改良原料基地的建设到生物柴油生产技术及成套设备的研制等开始了全面系统的规划研究,取得了一系列具有自主知识产权的成果

(一)我国生物柴油总体研究状况

随着我国一次性能源的日益枯竭以及燃料石化能源对环境带来的污染,新型的环境友好清洁能源的开发与研究必将成为我国政府乃至科研人员研究的热点课题,生物柴油作为一种新的石化柴油的替代能源,可以预计,在未来几十年内仍然呈现出有增无减的发展趋势我国生物柴油近年来 (19962007)发表的文献总体情况如下表:我国生物柴油发展概况

10年来我国发表有关生物柴油科研论文的分布趋势如下图:我国生物柴油发展概况

我国近5年来生物柴油方面申请的专利分布情况如下图:我国生物柴油发展概况

由上表可知,1999年以来,我国生物柴油发表的文献已达2104,82.19%;申请专利194,7.58%在国内重要会议上有关生物柴油方面的报道157,6.13%高校研所开始投入硕士博士研究生进行了较为系统的研,其中硕士论文占3.20%,博士论文占0.90%,为生物柴油的基础研究打下理论基础

从上图可知,10年来 (19962006),有关生物柴油科研论文的发表呈现出逐年上升的趋势1996年发表的有关生物柴油科研论文只有7,2006年却递增到762,1996年的109反映出我国政府对生物柴油新能源开发的重视和投资力度加大,也反映出生物柴油的研究已成为我国科技人员的研究热点和前沿研究项目

由上图可知,5年来,我国科技人员向国家专利局申请有关生物柴油专利共计193,其中发明专利187,实用新型专利62001,我国科技人员申请生物柴油专利仅1,以后几年申请专利呈逐年上升的趋势2005年增至51,2006年申请生物柴油专利比2005年增加了2倍多,数目达106可以看出,我国生物柴油研究已逐步深入,创新能力自主知识产权增强,已拥有自主开发生物柴油的能力和技术

上述的发展趋势说明我国生物柴油的研究已成为我国新能源研究的热点和前沿,已为我国替代石化能源迈出了坚实的一步,取得了可喜的成果其关键是与我国新能源宏观调控政策相一致它能有效地补充和解决目前的能源危机

(二)制备生物柴油技术的研究状况

(1)生物柴油生产技术和方法

从所发表的文献来看,生物柴油的制取方法总的来说大致可归纳为两大类:物理法和化学法

理法主要是利用了动植物油脂具有高能量密度和可燃烧的特性用于柴油代用燃料制备方法有直接混合法或稀释法和微乳化法两直接混合法或稀释法是将动植物油脂直接与石化柴油混合或稀释微乳化法是将生物油脂制成微乳液物理方法生产的生物柴油主要是专门针对某种柴油机来开发或者改变柴油内燃机结构使其适合于使用生物柴油,因此物理法生物柴油均是直接使用,其使用技术本身就包含在生产技术之中但是,物理方法生产的生物柴油是一种分散的多相体系,一直存在稳定性的问题,而且其物化性能指标难以控制和达到所要求的指标因此,物理法生产生物柴油在生物柴油产业中所占比重很小

化学法则是将动植物油脂进行化学转化,改变其分子结构,使主要组成为脂肪酸甘油酯的油脂转化成为分子量 (相对分子质量,下同)仅为其1/3的脂肪酸低碳烷基酯,使其从根本上改善流动性和黏度,适合用作柴油内燃机的燃料化学法生产的生物柴油完全改变了物理法生物柴油的物性状况,成为完全均匀的液态产品,黏度也得到大幅度降低,而且能与石化柴油以任意比互溶形成单一的均相体系,其使用就方便多了其使用技术更多地体现在生物柴油产品标准和规范上化学法包括高温热裂解法和酯交换法酯交换法是目前生物柴油的主要生产方法,根据所用催化剂的不同,又可分为均相催化法非均相催化法生物催化法和超临界法等

200120065年间,《中国期刊网》收录生物柴油发表文献共计1672通过对这些文献的阅读和归纳分类,酯交换法生产生物柴油的科研论文共有102,具体分类如下表所示:我国生物柴油发展概况

由上表可知,采用无机酸如浓硫酸和无机碱如氢氧化钠()作催化剂的均相催化法制备仍是当今国内生产生物柴油的主要方法,所占比例为48.04%为了克服无机酸 ()均相催化过程中产生废酸 ()液对环境造成的 二次污染这一缺陷,新的制备生物柴油的方法不断涌现,如固体酸 ()非均相催化法占了15.69%,生物酶催化法占了23.53% 和超临界甲醇法占了12.75%

(2)生物柴油原料的来源问题生物柴油是否能大力推广和发展,关键在于原料来源是否充足;生产成本是否能与石化柴油抗衡;产品性能指标和质量是否合格和稳定目前生物柴油的原料主要来源于五类:一是来源于油料作物的油;二是来源于木本油料植物的油;三是废弃油脂,如地沟油煎炸油油脚等;四是来源于水生植物的油,如工程微藻等;五是动物油脂一般认为,原料约占生物柴油成本的75%左右产品性能指标质量和稳定与油脂中脂肪酸组成等有关因此,原料的选择就显得极为重要

① 以油料作物油生产出来的生物柴油油品好质量稳定料来源充足,尤其是双低菜籽油但原料成本高,不符合不与农争粮 ()与粮 ()争地的政策

② 以木本油料植物的油生产出来的生物柴油油品好质量稳成本低,尤其是麻风果乌桕油,但目前原料难以满足需要

另外,要特别引起重视的是麻风果榨油后的饼粕含有极毒的物质,安全问题需特别地注意,以免带来更大的环境污染同时,麻风果能否适应当地的气候环境,以避免重复种以前引进的橄榄树在我国不结果或很少结果的问题

③ 以废弃油脂生产出来的生物柴油成本低,然而,来源不同的废弃油脂品质难以控制,给生物柴油的生产带来很大的麻烦,油品及质量稳定性的控制需特别注意,同时收购困难,原料难以满足需要

④ 以水生植物工程微藻的油生产出来的生物柴油油品好,质量稳定,符合不与农争粮 ()与粮 ()争地的政策用工程微藻,在实验室条件下,微藻中脂质含量可达60%,室外可达40%,微藻比陆生植物单产油脂高几十倍,只要加以引导,就会有充足的原料来源,是值得大力推广的项目提高微藻中脂质含量的关键技术主要是乙酰辅酶 A羧化酶 (ACC)基因在微藻细胞中的高效表达

⑤ 动物油脂原料来源难以满足需要

(三)我国生物柴油产业化状况

我国生物柴油研究尽管起步较晚,但是发展速度很快,现在已经形成了自主知识产权的生物柴油生产技术和工业化试验工厂营企业海南正和生物能源有限公司于20019月在河北邯郸建成年产近1万吨的生物柴油试验工厂,油品经石油化工科学研究院以及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20028,四川古杉油脂化工公司成功开发出生物柴油,该公司以植物油下脚料为原料生产生物柴油,产品的使用性能与0# 柴油相当,燃烧后废物排放较普通柴油下降70%,经鉴定,主要性能指标达到德国 DIN51606标准

20029,福建省龙岩市也建成2万吨/年生物柴油装置,这种利用动植物油生产生物柴油的新工艺在福建龙岩卓越新能源公司应用以来,截至20035,已生产生物柴油5000多吨产品经上海内燃机研究所试验测定,其技术性能指标优于0#矿物油2006128,全球第一套生物酶法新工艺生产生物柴油的工业化装置 (2万吨/)在湖南省益阳海纳百川生物有限公司正式投运

以废弃油脂为原料,使用清华大学研发的有机介质中脂肪酶转化可再生油脂合成生物柴油的新工艺另外,我国还有许多在建或准备建设的生物柴油工厂,如湖北天门华成生物科技有限公司湖北老河口回天油脂有限公司无锡华宏生物燃料有限公司丹东市精细化工厂福建源华能源科技有限公司联美实业 (美国)阗仁德环保能源有限公司碧路 (奥地利 BIOLUX)生物能源有限公司(威海)湖南天源生物清洁能源有限公司荣利 (香港)新能源有限公司安徽国风生物能源有限公司和南京清江生物能源科技有限公司等

总的来说,目前我国生物柴油产业还处在起步阶段,产业政策技术标准技术选型销售模式环境评估等各方面还不配不健全,也没有规范的销售渠道对于新兴的生物柴油产业,国家目前还没有出台相应的法规政策进行规范,但即将发布的《柴油机燃料调和用生物柴油国家标准》也许将会对该产业的发展产生深远的积极影响因此,急需国家出台相关政策及优惠税收措施,鼓励民营企业家发展生物柴油产业

(四)发展我国生物柴油产业的几点建议

我国的生物柴油产业刚刚诞生,但发展速度惊人为了使我国生物柴油产业持续健康地发展,作者在此对发展我国生物柴油产业提出几点建议

(1)生物柴油发展的原则是不能与农争粮 ()与粮 ()争地”,但鼓励农民在不与粮食作物争地的情况下,种植油料作物 我国人口众多,人均耕地面积少,不可盲目放弃将种植小麦稻谷等主要粮食作物的耕地改种其他粮食作物或油料作物然而,可因地制宜,由政府引导,农民根据自身利益进行选择,加大油料作物的种植

① 利用冬闲田河滩地和幼林果园间套种油菜

油菜是冬季作物,不与粮食作物发生争地矛盾据湖北省油菜办公室统计表,湖北省原有油菜常年种植面积1800万亩 (1=115hm2=666.67m2,下同),通过大力开发冬闲田扩种油菜400万亩,充分利用长江汉江 两江流域两岸的滩涂地扩种油菜400万亩,还可在幼林果园间套种油菜100万亩,可将湖北省油菜种植面积扩大至2700万亩通过增加900万亩面积,可新增产量100万吨

② 通过基因工程,创新油料作物新品种是单产提高的前提和保障

油菜是理想的生物柴油原料,油菜品种改良的重点是在双低+杂优的基础上,一是提高抗病性和含油量 (目前长江流域油菜品种的含油量约40%,新育成的品种已达45%,预计10年内可提高到48%);二是选育适合机械化操作的半矮秆抗倒伏抗裂角病和适于密植的品种为生物柴油新油菜品种奠定了物质基础

③ 在绿化山区及退耕还林过程中,因地制宜种植合适的油料树木

我国目前有造林面积9亿亩,种植油料林木,如每亩油料树木产出50kg生物柴油,其中2%造林面积用来种植,则可生产1000万吨生物柴油占我国目前柴油消耗量 (8500万吨)1/8,是相当可观的

④ 运用现代生物工程,研究开发和建立工程微藻大型工厂可每亩年产12.5t柴油如在我国广阔的沿海和内地水域大规模种植工程藻类,生产规模可达千万吨以上

⑤ 由企业与农户共同建立原料供应基地政府鼓励农民种植油料作物,企业与农户签订原料收购合同,银行为农户提供种植油料作物贷款,企业和农户为银行提供担保,政府与企业在种植获油料作物方面给农户以资金支持,科研单位为企业提供技术支持,使各方都受益

(2)综合利用和多元化产品开发是降低成本与调节产量的主要途径制约我国生物柴油工业化的根本问题是成本太高,其中75%来自于原材料成本如果仅靠国家出台优惠政策来扶持这一产业的发展显然不够国内主要集中在对酯化工艺进行改进以及原材料进行取舍两个方面研究,这很难从根本上解决生物柴油成本偏高的问题因此一定要利用油脂自身结构特点,提出一条经济可行的合成路线和多元化产品联产工艺技术,这才是生物柴油产业化发展的关键如我们的研究表明,对利用油菜制取生物柴油后的菜籽饼粕进一步深加工,获得浓缩蛋白植酸多糖和多酚等多个产品,使其利润翻几番,就可解决生物柴油成本高的问题

(3)生物柴油建厂规模要适当,与时俱进,先建立年产10万吨以下的中小型工厂,再建立更大规模的特大型工厂 在510年内,主要使用现有的各种废油和含油生物资源为原料据粗略估,我国现有原料资源 (不包括过期不能食用的库存大豆)如能利用1/3,则产业规模可达200万吨/于原料来源分散,工厂规模不易过大,应以年产10万吨以下的中小型工厂为宜,以民营以及外资企业为主

这一阶段的实施,一方面改进和完善了已有的生产生物柴油的技术,同时创建了具有自主知识产权的中国特色的生产生物柴油体系,总结和积累了经验,为大规模生产生物柴油做好了技术上的准备另一方面,经过油料作物的品质改良油料树木的种植和产,工程微藻的规模化生产,充足的原料供应亦已具备,即可进行生物柴油的大规模产业化生产,建立年产50万吨甚至百万吨以上的大型和特大型工厂

(4)尽快制定生物柴油产品质量标准和完善流通销售体系,规范生物柴油市场 一般来说,生物柴油的生产比较容易,但要达到严格的燃料质量标准和价格具有竞争力则较为困难因此,国家有关部门和机构应尽快建立生物柴油相关的质量生产流程工艺设计以及安全生产方面的国家标准,为各级质量技术监督部门提供执法依据通过建立质量标准保障优质产品进入市场参与竞争,防止和打击假冒生物柴油伪劣产品,杜绝伪劣产品流入市场而影响我国整个燃油市场

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