摘要：从生产方法和工艺、燃料特性和起动性能、发动机经济性和动力性、排放特性以及可再生性方面比较了生物柴油与石化柴油的差异。结果表明，生物柴油与石化柴油在生产方法和工艺方面存在很大差异，也有很多相似之处;生物柴油的燃料特性、起动性能以及发动机经济性、动力性接近或稍逊于石化柴油;生物柴油具有更好的排放性能和可再生性，因此生物柴油是一种综合性能优良的可替代石化柴油的燃料。

生物柴油(Biodiesel)又称脂肪酸甲酯(Fatty acidester)，是指植物油或动物脂肪经过酯化反应制成的脂肪酸单酯。Kaltschmitt等人的研究表明，生物柴油在减少石化能源消耗和降低温室效应方面优于石化柴油。生物柴油不仅具有丰富的原料来源、良好的可再生性以及环保方面的优势，还有与石化柴油相近的燃烧性能和排放特性，并且可以直接用于柴油机，因此被认为是石化柴油理想的替代品。为了进一步认识生物柴油与石化柴油性能的差异与优劣，文中从两者的生产方法和工艺、燃料特性和起动性能、发动机经济性和动力性、排放特性以及可再生性方面进行了全面、综合的比较分析。

1生产方法和工艺

目前，制备生物柴油的主要方法有3种：化学法、物理化学法和生物法。普遍采用的化学法是酯交换法，通过植物油脂或动物油脂与甲醇或乙醇等低碳醇在酸性或碱性催化剂下进行酯化反应，生成相应的脂肪酸甲酯或乙酯生物柴油。这类方法具有催化剂成本低、反应速度快、产品质量高、能耗低等优点，但生产过程有一定量的废液排放。为了改进这种方法的不足，国内外开展了一些研究，主要集中在改进催化剂方面，如采用固体碱、有机碱、固体酸作催化剂等，但是大部分环保性较好的催化剂存在反应速率慢、催化剂成本高、催化剂容易中毒等问题。最近的重大突破是在2006年由美国爱荷华州立大学的化学教授VictorLin开发出新型纳米催化剂，该催化剂为混合氧化物的硅纳米颗粒，它含有酸性催化中心和碱性催化中心，同时具有酸性催化剂和碱性催化剂的特点：酸性催化中心通过酯化可使游离脂肪酸转化为生物柴油，碱性催化中心通过酯交换使油类转化为生物柴油。该催化剂具有效率高、工艺简单、容易回收、环保等优点，有望在未来大规模推广应用。由于生物酶法和超临界法的实用性很差，难以大规模推广应用，所以研究较少。今后的研究重点依然是新型催化剂的选择以及酯化反应工艺条件的优化。

石化柴油主要由原油蒸馏、催化裂化、热裂化、加氢裂化、石油焦化等过程生产的柴油馏分调配而成，也可由页岩油加工和煤液化制取。比较生物柴油和石化柴油的生产方法和工艺，虽然前者主要涉及酯化合成反应，后者主要涉及裂解反应，但是两者使用的大部分生产工艺流程有很高的相似程度，如高温蒸馏、精制等。所以，生物柴油的生产可以借鉴和部分采用石化柴油的生产工艺和设备，这使生物柴油的大规模生产具有很好的现实基础。

2燃料特性和起动性能

生物柴油与石化柴油的燃料特性比较见表1。

生物柴油能否作为石化柴油的替代燃料，主要是依据表1中的几个理化指标来评价的。①十六烷值(CN)是评定柴油自燃性好坏的指标，它与发动机的粗暴性及起动性有密切关系。生物柴油的CN值比石化柴油略高，通常在50～60之间。目前有报道用基因工程技术可培育出CN值较高的油脂资源。②热值是燃料能量含量的一个尺度。植物油脂肪酸甲酯燃烧所放出的热量接近于与其碳氢比类似的石化柴油。③黏度是燃料流动性的尺度，表示燃料内部摩擦力的物理特性，它会影响柴油的雾化质量。生物柴油的黏度要比石化柴油稍高一些，其低温流动性能略差;但是，可以将生物柴油以一定比例与石化柴油混合，以有效降低其黏度来改善低温流动性能。④碘值的高低反映油脂的不饱和程度。生物柴油碘值越高，则不饱和程度越大，CN值却更低，然而低温性能优异。⑤生物柴油的氧化稳定性是油品的重要性质之一。在生物柴油的使用和贮运过程中不可避免地会与氧气接触，在一定的条件下，油品与氧会发生反应生成新的氧化产物，从而影响油品的性质。

徐鸽等人对生物柴油与0#柴油氧化安定性进行比较研究的结果表明：氧气流量的变化，对生物柴油和0#柴油氧化安定性的影响不大。综上所述，生物柴油与石化柴油燃料特性的理化评价指标非常接近，可以作为一种性能优良的石化燃料替代品。

起动性能是评价燃料性能的一个重要指标。葛蕴珊等人在4102QBZ增压柴油机上研究生物柴油的起动性能，试验结果显示：柴油机使用生物柴油的起动时间比使用0#柴油的要长，但起动时间小于15s，仍然能够满足国家标准的要求。但是，生物柴油作为柴油机燃料还存在一些问题，如黏度太大、雾化性能差、喷油器易结焦堵塞、蒸发性差造成冷起动困难、含有不稳定的非饱和成分和残留炭较多、易形成积炭等。为了改善生物柴油燃料特性和低温起动性，可通过采取可控分段裂解的方法使生物柴油的碳数分布与石化柴油接近，从而改善生物柴油的低温起动性;或者混合一定量的石化柴油来改善生物柴油的燃料特性和起动性能。

3发动机经济性和动力性

由于生物柴油的低热值普遍小于石化柴油，而其密度又大于石化柴油，因此生物柴油的油耗率明显高于石化柴油的油耗率，但是结果相差不大，总体差异在5%～10%的范围之内。葛蕴珊等人研究柴油机燃用生物柴油和石化柴油对发动机经济性的影响，结果表明：生物柴油的外特性油耗要比石化柴油高出约9%;在发动机不做任何改动和调整时，百公里等速车辆道路试验发现，燃用纯生物柴油百公里等速油耗比石化柴油增加3%～8%，燃用掺混20%生物柴油百公里等速油耗比石化柴油增加了1%～4%。袁文华等人用生物柴油和0#柴油分别在柴油机上进行外特性和负荷特性试验，结果表明：燃用生物柴油时，油耗率有所上升，其外特性最低油耗处上升4.3%，负荷特性最低油耗处上升3.6%。

相对于石化柴油，生物柴油的低热值小、密度大。因此，在体积喷油量保持不变的前提下，喷入气缸的燃料所含的能量变化不大，燃用生物柴油的柴油机在动力性方面并不占优。葛蕴珊等人通过比较研究表明：对于实验柴油机，在对喷油泵不做任何调整时，直接燃烧生物柴油对动力性的影响小于5%;在油泵最大喷油量保持不变时，直接燃烧餐饮废油生物柴油对动力性的影响小于2.5%。Grimaldi等人在燃油共轨系统柴油机上对生物柴油的燃烧和排放特性进行了试验研究，在未调整喷射策略的前提下，燃用纯生物柴油的输出功率下降10%左右。Graboski等人发现，随着生物柴油混合比例的增大，最大输出扭矩也呈下降趋势，相对于2#柴油，燃用纯生物柴油的输出扭矩只达到94.6%，刚好与这两种燃料的能量密度比一致。

4排放特性以及可再生性

由于生物柴油含氧量较高、不含芳烃且硫含量近乎为零，因此作为柴油机燃料使用时，可以有效地降低有害物质的排放。国内外大量基础研究及柴油机试验都证明了生物柴油在排放特性方面的优越性：燃用生物柴油或其与石化柴油混合物，烟尘、CO和HC等有害物质的排放大幅度下降，但NOX排放略有升高。Caboski等人在同一台柴油机上燃用石化柴油和生物柴油进行排放对比试验，结果表明，主要排放物PM由燃用石化柴油时的0.41g/(kW・h)下降为0.14g/(kW・h);NOX的排放量则略有上升，燃用石化柴油时为6.31g/(kW・h)，而燃用生物柴油时为7.03g/(kW・h)。

Nine等人在同一台自然吸气式柴油机中，分别在“干”、“湿”两种情况下进行石化柴油和生物柴油的排放对比试验，结果表明，在干式试验条件下(排气管不加水)，PM的排放由燃用石化柴油时的1.49g/(kW・h)下降为0.82g/(kW・h)，NOX从5.03g/(kW・h)上升为5.99g/(kW・h);湿式试验条件下(排气管加水)，PM的排放由燃用石化柴油时的0.91g/(kW・h)下降为0.50g/(kW・h)，NOX从4.90g/(kW・h)上升为5.85g/(kW・h)。Ark-oudeas，Kalligeros等人的研究表明，燃用分别由葵花籽油、橄榄油制成的生物柴油，NO、CO、HC等有害物质的排放大幅度降低，而且燃烧效率提高。

由于石化柴油的生产依赖于石化原料，而石化原料的再生周期是几百万年的时间。因此，从人类生活时间尺度来看，它的可再生性几乎为零。生物柴油从概念上看，似乎是完全可再生的。但是，在生物柴油的原料生产以及加工中需要消耗一定量的石化能源，所以生物柴油也不是完全可再生的。以大豆油为原料的生物柴油为例，研究表明，消耗0.311MJ的石化能(包括农业生产大豆、大豆运输、大豆制油、大豆油运输、大豆油转化、生物柴油运输销售)即能生产出含1MJ的生物柴油，其石化能效比为3.215。这表明生物柴油的可再生性能大大优于石化柴油，通过使用生物柴油可以大大提高石化能这种有限能源的使用寿命。大豆油转化是消耗石化能最多的地方，这主要是由于生产生物柴油需要用乙醇等作为原料，而我们假设乙醇的生产是要消耗天然气等石化能的。这同样表明我们有机会使用可再生资源来生产乙醇以提高石化能效比。应用生命周期评价方法来评价大豆制备生物柴油的项目，结果表明该生物柴油项目在减少温室气体排放上起到了积极作用，与石化柴油相比对环境更加友好。

从我国以及世界长远的能源安全出发，应该大力发展生物柴油来延缓对石化能源的过度消耗和依赖。

5国内外未来主要研究方向

决定生物柴油开发利用的3个重要因素是生产原料、加工工艺和燃烧机理，因此未来应该在以下3方面加强研究：

(1)加强新型生物柴油原料作物的选育种、栽培技术以及推广的研究，力争获得廉价加工生物柴油的原料。由于过去油料作物的主要用途是加工食用油，对于油的食用品质要求很高，所以许多高产油料作物或品种由于品质等原因而没有受到重视和推广利用;而用作生产生物柴油原料的油料作物或品种只需考虑高产量、低生产成本等因素，因此选育新型生物柴油专用油料作物或新品种的潜力非常大，例如小桐子、高油产量(高芥酸、高硫甙含量)的油菜品种可能获得大规模的推广和应用。小桐子、油桐、油菜等新型油料作物具有气候适应性广、容易种植、产油量高等特点，这将大大拓宽生物柴油的原料来源，从而为大规模生产生物柴油打下良好的原料基础。

(2)加强新型高效率、低能耗、低污染的生物柴油加工技术的研究。由于生物柴油的酯化反应涉及催化剂的种类、反应条件、产品以及副产品、催化剂等的分离或回收利用等各种复杂因素，因此新的加工工艺可以从各方面来创新、改进，并从生产效率、生产成本、环保特性等方面综合评价新工艺的生产应用潜力。

(3)加强生物柴油燃烧机理的研究以及新型生物柴油发动机的设计和研究。生物柴油作为一种新型的可再生能源，采用不同的加工工艺、不同的掺混比例、不同型号的柴油发动机等因素都会影响生物柴油的燃烧性能，因此这需要大量系统、深入的研究来探讨生物柴油的燃烧机理。尽管生物柴油的燃烧不需要改变原有柴油发动机结构，但是设计和研究更适合生物柴油燃烧的发动机将是未来柴油发动机的发展方向，这将进一步提高生物柴油的燃烧性能、发动机经济性和动力性等性能。