國內外生物柴油研究現狀及發展趨勢

張偉，韓立峰

(1.常州介孔催化材料有限公司，江蘇 常州 213164；2.浙江中山化工集團有限公司，浙江 湖州 313100)

0 引言

近年來，世界經濟的發展對能源的需求與日俱增，造成煤炭、石油和天然氣等不可再生資源急劇下降。與此同時，化石能源的大量燃燒引發溫室效應以及環境污染，尋求一種可持續性的替代能源迫在眉睫，而生物柴油因其優良的性能備受關注，成為21世紀崛起的新興產業。

生物柴油是典型的綠色可再生能源，是由天然油脂，包括植物油、動物脂肪和微生物油脂等生產的一種新型柴油燃料。其優點是：十六烷值高，燃燒性能好；低溫下，發動機啟動性能良好；不含硫和芳烴，氧含量10%左右，能促進發動機充分燃燒，明顯減少尾氣中有害物質的排放；潤滑性能好；閃點高，揮發性低，儲運和使用安全性好；同時具有良好的可調和性與可再生性等。根據生物柴油的發展過程，分為第一代生物柴油(以脂肪酸甲酯為代表組分)和第二代生物柴油(以動植物油脂為原料，催化加氫異構制備)兩個階段。

1 第一代生物柴油制備技術及工藝

第一代生物柴油使用的主要技術是酯交換法[1-2]，即由天然油脂，包括植物油、動物油和微生物油脂等生產的一類脂肪酸酯類化合物，一般指脂肪酸甲酯。根據其反應特點，酯交換法可分為酸或堿催化法、生物酶法和超臨界法等[3]。目前普遍采用的是酸或堿催化法。

生物柴油主要成分是混合脂肪酸甲酯，其化學結構與傳統柴油存在明顯不同，因此具有許多缺點：長期儲存穩定性差，與發動機兼容性差、沸程窄，使得其與石化柴油的體積混合比不能超過20%～30%，這些缺點大大限制了第一代生物柴油的使用前景。因此，以油脂為原料，催化加氫為主要生產工藝制備的第二代生物柴油成為研究的焦點。

2 第二代生物柴油制備技術及工藝

第二代生物柴油是以動植物油脂為原料，通過催化加氫制備與石化柴油類似的烷烴組分[4]。因此，結構和性能更接近石化柴油，能以更大的比例添加其中。優點是十六烷值較高、含硫量低、密度較低、穩定性好、低溫流動性較好。

第二代生物柴油(烷烴)可用于生產高端溶劑油、生物塑料、生物增塑劑、生物蠟油、生物質助劑、生物表面活性劑等。經臨氫異構化(降凝)可生產生物航空燃料。目前，第二代生物柴油生產工藝主要有加氫直接脫氧、加氫脫氧異構和柴油摻煉。

3 國內外生物柴油產業發展現狀

3.1 國外生物柴油產業的發展

全球生物柴油產業崛起的推動力在于其突出的減排二氧化碳效應和替代石化柴油的功能。

20世紀70年代發生石油危機，一些石油匱乏國家開始重視石油替代能源的研究。采用酯交換技術把油脂加工成脂肪酸酯(第一代生物柴油)，部分替代石化柴油作為柴油機的燃料。但由于經濟效益上難以與石化柴油競爭，生物柴油產業化發展緩慢[5]。

1997年12月在日本京都通過了《京都議定書》，為實現《京都議定書》中約定的減排溫室氣體的承諾，發達國家以能源立法為重點，制定了多項法律和稅收優惠政策激勵可再生能源開發利用。生物柴油因其減排二氧化碳效果顯著受到各國的重視，獲得了發展良機。2004年，歐盟、俄羅斯、日本、加拿大等發達國家和地區先后簽署《京都議定書》并批準生效，為生物柴油產業奠定了政策支持的基礎。但由于第一代生物柴油使用過程中存在諸多問題，限制了可再生生物柴油作為石化柴油替代品的使用前景。為了解決第一代生物柴油存在的問題和滿足市場需求。以油脂為原料，催化加氫為主要生產工藝制備的第二代生物柴油成為研究的焦點。

生物柴油發展的關鍵在于原料油脂的供應。世界各國都依據本國的優勢油脂資源來布局發展生物柴油產業。當前全球生產生物柴油的原料中，30%是轉基因大豆油，25%是雙低菜籽油，18%是棕櫚油，餐飲廢油占10%，動物油脂占6%，其他油脂占11%。可見轉基因大豆油、雙低菜籽油和棕櫚油是全球主要的生物柴油原料。生物柴油主要生產國家和地區都十分重視生物柴油的推廣利用，在配套推出的相應優惠稅收政策的前提下，制定了配額制度，規定調和比例目標并強制實施，以推動生物柴油的發展。

歐盟委員會2003年通過《生物燃料指令(BD)》，2009年通過《可再生能源指令(RED)》，這兩項法律指令在交通領域強制性規定使用生物燃料，要求到2020年運輸燃料中生物柴油比例為10%。

美國環保署(EPA)也制定了可再生燃料標準計劃(RFS)來推動替代燃料利用。據2019年12月19日報道，根據美國環境保護署(EPA)12月19日確定的最終數量，美國煉油企業2020年將被要求在汽油和柴油中混合200.9億加侖的可再生燃料，占全國運輸燃料供應的10.97%。美國農業部2020年2月宣布，在市場驅動的基礎上實現2030年生物燃料占到運輸行業燃料15%比重的摻混率目標，在2050年實現30%的摻混率目標。

全球第二代生物柴油技術的領先者是Neste Oil公司，該技術被命名為NExBTL(Next Generation Biomass to Liquid)工藝。2005年、2006年在芬蘭分別投資1億歐元建造規模17萬t的Porvoo1, Porvoo2。隨后在新加坡投資5.5 億歐元、荷蘭鹿特丹投資6.7億歐元建立年產各80萬t的可再生柴油冶煉廠[6]。

此外，美國UOP公司和意大利ENI公司合作研發了Ecof inig工藝。2009年，在意大利和葡萄牙各投產一套約30萬t/a的示范裝置。2012年, ENI公司投資約1億歐元將威尼斯煉油廠改為Ecof inig技術的生物煉制廠。巴西Petrobras公司開發的H-Bio工藝，已有5座以上H-Bio技術裝置投產，使其國內柴油進口量銳減。

3.2 國內生物柴油產業的發展

我國生物柴油產業起步晚于歐美等發達國家和地區。2001年，海南正和生物能源有限公司在河北武安投資興建了我國首家生物柴油工廠，從此我國生物柴油開始步入產業化進程。

同歐美等國家和地區一樣，我國發展生物柴油首要解決油脂原料的供應問題。我國食用植物油產需缺口大，產量不到市場需求的30%，需要大量進口轉基因大豆油，棕櫚油等滿足國內的食用需求。所以國家不提倡以可食用油脂發展生物柴油，提倡用非食用林木油脂和廢棄油脂發展生物柴油產業[7]。

廢棄油脂是食用油生產、儲存和消費過程中產生的不適宜再食用的油脂，包括餐飲廢油。榨油廠下腳料和動物廢油等，是典型的回收油脂[8]。據不完全統計，我國廢棄油脂年產出總量約1000萬t，其中酸化油100萬t，餐飲廢油(地溝油)300萬t，存放過期的食用油100萬t，動物脂肪500萬t，其中可以作為生物柴油原料的各類廢棄油脂不低于500萬t/a。

目前，我國企業多采用酸化油、地溝油、煎炸油等作原料，通過酸堿催化酯交換法生產第一代生物柴油。相比于第一代生物柴油，第二代生物柴油適用范圍更廣，是未來主要研究發展方向。目前有關的報道：2017年揚州建元生物科技有限公司設計產能20萬t/a廢棄動植物油氫化生產生物燃料裝置建成。易高生物化工科技(張家港)有限公司，投資9 903萬美元，占地120畝，已于2018年建成10萬t第二代生物柴油。2017年，三聚環保收購了寶塔石化位于海南的加氫裝置，改造成10萬t/a的生物質液體燃料生產裝置，并試運行。2019年其又收購改造河南鶴壁一套煤焦油加氫裝置成功，于2019年底投入運行，產能達到5 000t/月。江西尊創新能源有限公司投資建造20萬t/a純烴生物柴油項目[8]。

4 結語

在我國，大力發展生物柴油產業，有利于減少石油的進口，維護國家能源供應安全；有利于促進油料種植生產發展，提高食用油自給能力，增加農民收入；有效解決“地溝油”回流餐桌問題，充分利用廢棄油脂生產生物柴油，防范其污染環境和危害食品安全。生物柴油的發展能夠促使生態、經濟和社會效益的協調統一。