生物柴油與石化柴油的理化特性及質量標準對比研究

Comparative Study on Physicochemical Properties and Quality Standards of Biodiesel and Petrochemical Diesel Oil

JU Yun-zhong （Dongying City Industrial Products Inspection and Metrology Testing Center）

Abstract： This paper comprehensively discusses the similarities and differences between biodiesel and fossil diesel in terms of physical and chemical properties and quality standards. By comparing and analyzing the physicochemical properties of biodiesel and fossil diesel in terms of combustion performance， low-temperature f luidity， oxidative stability and corrosiveness， it reveals the advantages of biodiesel in the reduction of pollutant emissions and the utilization of renewable resources， and at the same time points out that the challenges of its high production cost and poor low-temperature fluidity have limited the large-scale promotion and application of biodiesel. Combined with the international quality standards （ASTM D6751， EN14214， GB/T20828—2017）， it proposes solutions to reduce the production cost， optimize the low-temperature fluidity and improve the oxidative stability， which provides a scientific basis for the promotion and application of biodiesel.

Keywords： biodiesel， petrochemical diesel， physical and chemical specificity， quality standards

0 引 言

隨著全球能源需求增長與環境保護意識的提升，生物柴油作為一種可再生的清潔能源，其研發與應用日益受到關注。本文旨在通過對比生物柴油與石化柴油的理化特性及質量標準，深入剖析兩者的優勢與不足。生物柴油以動植物油脂為原料，通過酯交換反應制得，具有減少污染物排放、可再生資源利用等優點；而石化柴油則源于石油煉制，面臨資源枯竭與環境污染的雙重壓力。因此，探討兩者之間的異同，對于推動能源結構優化、促進可持續發展具有重要意義[1]。

1 生物柴油與石化柴油的理化特性分析

石化柴油主要是由石油煉制過程中產生的各種烴類化合物組成，包括烷烴、環烷烴和芳香烴等，具有較高的能量密度。生物柴油是由動植物油脂、廢棄油脂等為原料，通過酯交換反應制成的脂肪酸甲酯或乙酯。其主要成分包括飽和脂肪酸甲酯、不飽和脂肪酸甲酯等。如下式（1）所示，為甘油三酯與甲醇的酯交反應方程式：

C₃H₅（RCOO）₃+3CH₃OH3RCOOCH₃+C₃H₈CO₃

式中：R-COOH是脂肪酸， RCOOCH₃ 是脂肪酸甲酯。與石化柴油相比，生物柴油的分子結構中含有氧元素，這使得它在燃燒過程中能夠減少污染物的排放。

1.1 燃燒性能

為確保柴油機運轉正常，并且滿足排放要求，要求燃料具有較高的燃燒性能、低溫流動性、氧化安定性以及較低的腐蝕性。對生物柴油及石化柴油理化性質進行詳細對比如表1所示： ① 十六烷值，生物柴油為55～65，處于較高水平；石化柴油為40～55，處于中等水平。 ② 密度，生物柴油為820～900kg/m³ ；石化柴油為 810～845kg/m_o³ 。 ③ 運動黏度， 40°C 條件下，生物柴油為 1.9～6. 0mm²/s ；石化柴油為 2.0～4.5mm³/s（ ④ 閃點（閉口），生物柴油 gt;130^°C ，較高；石化柴油 55°C～90°C ，中等。 ⑤ 熱值，生物柴油 37～40MJ/kg ，石化柴油 42～45MJ/ kg。 ⑥ 硫含量，生物柴油 lt;10%mg?kg^-1 ，極低，燃燒后產生的二氧化硫（ SO₂ ）等有害物質極少，對大氣環境的污染較小；石化柴油根據生產工藝和裝置不同，石化柴油 lt;3500mg/kg ，硫含量變化大，較高的硫含量，在燃燒過程中會釋放大量的硫氧化物，這些污染物不僅會導致酸雨等環境問題，還會對發動機的尾氣后處理裝置產生不良影響，降低其催化轉化效率。

生物柴油和石化柴油在氧化安定性、生物降解性、排放性能等指標上也有較大差別。生物柴油的氧化安定性較好而石化柴油的氧化安定性就一般；生物柴油的生物降解性較高，易降解，石化柴油的生物降解性就很低，難降解；生物柴油的有較低的CO₂ 、 SOx 、顆粒物排放，石化柴油有較高的 CO₂ 、SOx. 、顆粒物排放。生物柴油和石化柴油的原料來源完全不同生物柴油來源于植物油、動物脂肪等可再生資源；石化柴油來源于石油這一非可再生資源。

1.1.1 十六烷值

十六烷值是衡量柴油燃燒性能的重要指標，反映了柴油在壓燃式發動機中燃燒的難易程度，與柴油的化學成分密切相關。受原油來源和提煉工藝的影響，石化柴油的十六烷值一般在40～55之間。由于分子結構中含有較多的長鏈脂肪酸酯，使得生物柴油在發動機的壓縮沖程中更容易燃燒，生物柴油的十六烷值通常較高，一般在45～60之間，甚至更高。較高的十六烷值意味著生物柴油具有更好的燃燒性能和啟動性能，能夠使發動機啟動更加迅速，燃燒更加平穩。

1.1.2 密度和運動黏度

密度和運動黏度是燃油的重要物理性質，將對油品的噴射、霧化以及發動機的運行狀況產生顯著的影響。生物柴油的密度通常比石化柴油略高，一般在 820～900kg/m³. 之間，而石化柴油的密度約為 $8 1 0 ＼sim 8 4 5 ～ ＼mathrm { k g / m } ^ { 3 } 。$ 。密度的差異主要源于生物柴油中含有較多的氧原子以及其分子結構的物質。在消費者日常的使用中，更高的密度意味著相同體積的生物柴油具有更大的質量，這會對燃油的能量密度產生一定影響，從而使得生物柴油的能量密度相對石化柴油略低，可能導致車輛的燃油經濟性稍有下降。

表1 生物柴油與石化柴油理化性質關鍵指標匯總表

生物柴油的運動黏度明顯高于石化柴油。在40°C 下，生物柴油的運動粘度稍高于石化柴油。較高的粘度使得生物柴油在燃油噴射系統中的流動阻力增大，對燃油的噴射過程產生不利影響。然而，在一些情況下，生物柴油又會因為其較高的運動黏度可以為發動機的運動部件提供更好的潤滑性能，減少磨損，延長發動機的使用壽命，有助于降低維護成本和提高可靠性。

1.1.3 閃點

閃點是指燃料在規定條件下加熱到其蒸氣與空氣的混合氣接觸火焰發生閃火時的最低溫度，表征了燃油的易燃性和安全性。石化柴油的閃點一般55°C～90°C 之間，而生物柴油的閃點通常在 130°C 以上。較高的閃點使得生物柴油在儲存、運輸和使用過程中更加安全，不易發生閃燃現象，降低了火災和爆炸的風險。

1.1.4 熱值

熱值是指單位質量的燃料完全燃燒所釋放的熱量。石化柴油的熱值相對較高，能量密度更大，一般在 42～45MJ/kg 之間，燃燒時釋放出更多的熱量；而生物柴油的熱值相對較低，約 37～40MJ/kg ，能量密度也相對更低。雖然生物柴油的熱值略低于石化柴油，但由于其分子結構中含有氧元素，在燃燒過程中能夠與更多的空氣混合，從而提高燃燒效率[2]。

1.2 低溫流動性

凝點是指柴油在規定條件下冷卻至失去流動性時的最高溫度。冷濾點是指在規定條件下，柴油通過過濾器的流量每分鐘不超過 20mL 時的最高溫度。石化柴油的凝點和冷濾點一般較低，能夠在較低的溫度下保持良好的流動性。而生物柴油的凝點和冷濾點相對較高，在寒冷地區使用時可能會出現凝固現象，影響其正常使用。

1.3 氧化安定性

柴油在儲存和使用過程中會與空氣中的氧氣發生氧化反應，生成酸性物質、膠質和沉淀物等，從而影響其質量和性能。生物柴油由于含有不飽和脂肪酸甲酯，更容易發生氧化反應。衡量柴油氧化安定性的指標主要有碘值、酸值、過氧化值等。生物柴油的碘值一般較高，表明其不飽和程度較高，容易發生氧化反應。

1.4 腐蝕性

生物柴油對金屬的腐蝕性相對較小。這是因為生物柴油中含有一定量的脂肪酸，這些脂肪酸能夠在金屬表面形成一層保護膜，減少金屬的腐蝕。而石化柴油中含有硫等雜質，在燃燒過程中會生成酸性物質，對金屬具有一定的腐蝕性。

2 生物柴油與石化柴油的質量標準對比

2.1 國際質量標準

目前，國際質量標準主要有美國 ASTM D6751、歐盟EN 1421和我國GB/T 20828—2017等。這些標準對生物柴油和石化柴油的各項理化指標進行了規定，以確保其質量和性能符合要求。

2.2 主要質量指標對比

生物柴油與石化柴油在主要質量指標上存在差異。密度方面，生物柴油為 820～900kg/m³ ，石化柴油約 810～845kg/m³. 。硫含量上，石化柴油較高，可達幾百ppm甚至更高，生物柴油則極低，通常小于10ppm ，這有利于減少尾氣硫氧化物排放及環境污染。氧含量差異明顯，生物柴油在 10～12% 之間，石化柴油幾乎為零，生物柴油因氧含量高可在燃燒時與更多空氣混合，提高燃燒效率并減少污染排放。

灰分含量上，生物柴油一般小于 0.02% ，石化柴油相對較低，灰分源于雜質，過高會影響發動機性能和壽命。

2.3 標準差異的原因與影響

生物柴油與石化柴油質量標準存在差異的原因主要源于原料特性、生產工藝以及應用領域的不同。生物柴油的原料來源廣泛，包括植物油、動物脂肪和廢棄油脂等，這些原料的化學成分和性質存在一定的差異，導致生物柴油的質量指標相對較為復雜和多樣化。而且生物柴油的生產工藝也多種多樣，如酯交換法、加氫法等，不同工藝生產出的生物柴油在質量上也會有所差異，因此需要制定相應的標準來規范和統一其質量。

石化柴油則主要來源于石油，其生產工藝相對成熟和標準化，但由于石油的產地、成分以及提煉工藝的差異，石化柴油的質量也會有所不同。為了滿足不同發動機和使用場景的需求，石化柴油標準根據硫含量、十六烷值、凝點等指標劃分了多個等級，以確保其在各種工況下的性能和可靠性。

產品標準差異對國際貿易和市場產生了重要影響。在國際貿易中不同國家和地區的質量標準不一致可能導致貿易壁壘的產生，增加了生物柴油和石化柴油的進出口難度和成本。

在市場方面，質量標準的差異影響了消費者的選擇和市場競爭格局。消費者在選擇柴油產品時，往往會參考質量標準來判斷產品的性能、環保性和安全性。對于生物柴油來說，如果其質量標準能夠與石化柴油相當甚至更優，且價格合理，將有助于提高其市場競爭力，促進其在能源市場中的份額擴大。相反，如果生物柴油的質量標準不夠明確或與石化柴油相比存在明顯劣勢，可能會導致消費者對其信心不足，限制其市場推廣和應用。因此，統一和協調生物柴油與石化柴油的質量標準，對于促進全球能源市場的健康發展和可持續能源的推廣具有重要意義。

3 生物柴油存在的問題及解決方法

3.1 存在的問題

目前，生物柴油的生產成本較高，主要原因是原料價格較高、生產工藝復雜等。這使得生物柴油在價格上難以與石化柴油競爭，限制了其大規模應用。生物柴油的凝點和冷濾點相對較高，在寒冷地區使用時可能會出現凝固現象，影響其正常使用。

3.2 解決方法

3.2.1 降低生產成本

降低生產成本是核心策略之一，首要措施在于原料資源的多元化與高效利用，同時強化原料的收集與預處理流程，提升原料轉化率，確保資源的最大化利用。此外，通過引入先進的連續化生產模式及高效能催化劑，能夠顯著提升生物柴油生產過程中的酯交換反應效率與選擇性，從而在保持或提升產品質量的同時，縮短生產周期，減少能耗與物耗，實現生產成本的實質性降低[3]。

3.2.2 改善低溫流動性

首先，精確摻入低溫流動性改良劑降低生物柴油的凝點與冷濾點溫度，大幅提升其在低溫環境下的流動效能，保障燃料供給系統的穩定運行。同時，精心篩選原料，優選富含飽和脂肪酸的油脂，如棕櫚油與椰子油等，作為生物柴油生產的原材料，此類原料因其獨特的化學構成，在轉化過程中產出的生物柴油展現出更加出色的低溫流動性，從根本上優化產品性能。

3.2.3 提高氧化安定性

生物柴油的氧化安定性有待提高，可從兩方面著手解決。一方面是添加抗氧化劑，在生物柴油中加入適量酚類、胺類等抗氧化劑，能有效抑制氧化反應，提升其氧化安定性；另一方面需改進儲存條件。生物柴油應存放在陰涼、干燥且通風良好之處，避免陽光直射與高溫環境，同時盡量減少與空氣接觸，從而降低氧化速度。通過這些措施，可增強生物柴油的穩定性，使其在儲存和使用過程中更可靠，為生物柴油的廣泛應用提供保障。

4 結 語

生物柴油在理化特性及質量標準上展現出諸多優勢，尤其在減少環境污染、利用可再生資源方面成效顯著。然而，其生產成本高、低溫流動性差等問題仍需解決。通過本文的研究，提出降低生產成本、優化低溫流動性及提高氧化安定性的具體策略，為生物柴油的推廣與應用提供實踐指導。

參考文獻

[1] 于全順，劉麟，高忠明，等.燃用生物柴油的船舶用柴油機排放和動力性能研究[J].自動化應用，2023，64（5）： 67-69.

[2] 韓紅濤，姚偉，劉浩.礦物柴油和生物柴油混合燃料對農用拖拉機發動機性能和排放的影響[J].拖拉機與農用運輸車，2021，48（3）： 29-34+38.

[3] 鄒惠玲，張愛，鄭金鳳.近紅外光譜法在汽柴油分析檢測中的應用[J].中國標準化，2019（22）：199-200.

作者簡介

鞠云忠，本科，工程師，研究方向為化工產品檢驗與檢測技術開發和標準化。

（責任編輯：袁文靜）