生物柴油發動機

生物柴油的燃料理化特性因與石化柴油更為接近，大量使用可以減少溫室氣體排放，已被廣泛接受用作石化柴油的代用燃料。生物柴油能以任何比例和柴油摻混或者直接在柴油機上使用，不需對柴油機做較大調整。此外，生物柴油還具有不含硫和芳香烴、十六烷值較高和可生物降解等特點。

基本介紹

• 中文名：生物柴油發動機
• 領域：汽車
• 類型：工業產品

背景介紹

“十二五”規劃綱要中把建設資源節約型和環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點。綱要確立的“十二五”節能減排目標是：非化石能源占一次能源消費比重達到 11.4%。單位國內生產總值能源消耗降低 16%，單位國內生產總值二氧化碳排放降低 17%。主要污染物排放總量顯著減少，化學需氧量、二氧化硫排放分別減少 8%，氨氮、氮氧化物排放分別減少 10%。

生物柴油

製取方法

生物柴油的生產方法有酯交換法、生物酶法和工程微藻法三種。我國生產的生物柴油普遍採用酯交換反應得到。生物柴油組成成分脂肪酸甲酯的典型結構如圖1所示。它的官能團是一個碳原子與兩個氧原子相連，其中一個鍵是 C-O 單鍵，另一個為 C=O 雙鍵。

圖1：生物柴油方程式

由於成本低，技術難度小，工業生產生物柴油主要是套用酯交換法。各種天然的植物油和動物脂肪以及食品工業的廢油，都可以作為酯交換生產生物柴油的原料。可用於酯交換的醇包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和戊醇。其中最為常用的是甲醇，這是由於甲醇的價格較低，同時其碳鏈短、極性強，能夠很快地與脂肪酸甘油酯發生反應，且鹼性催化劑易溶於甲醇。該反應可用酸、鹼或酶作為催化劑。其中鹼性催化劑包括NaOH，KOH，各種碳酸鹽以及鈉和鉀的醇鹽。酸性催化劑常用的是硫酸、磷酸或鹽酸。雖然甲醇越多產率越高，但也會給分離帶來困難。酯交換反應化學方程式如方程式 1所示。

性能指標

生物柴油可以從各種動植物的油脂轉化得到，各個國家可以根據本國特色採用不同的生物柴油。用於生產生物柴油的主要原料有向日葵油、菜籽油、花生油、大豆油、棕櫚油、菸草種籽油、玉米油、桐籽油、棉籽油、椰子油、亞麻籽油、印度棕樹油、罌粟油以及煎炸油和地溝油。表 1為部分生物柴油和柴油的物理化學特性對比。

表1生物柴油和常規柴油的物理化學特性

生物柴油可再生，清潔，安全，是多元化交通中最重要的新能源之一，在汽車領域的套用具有明顯的優點和長遠的意義：

（1）生物柴油能降低汽車的碳氫(HC)、一氧化碳(CO)、硫化物、多環苯類致癌物和“黑煙”等污染，有利於提高我國的大氣質量；利用廢食用油、垃圾油、泔水油生產生物柴油，可減少骯髒的、含有毒物質的廢油污染；

（2）生物柴油作為可再生能源，可以緩解我國柴油燃料緊缺的現狀，有利於加強我國的能源安全；

（3）從環境排放角度分析，生物柴油全生命周期環境排放顯著下降，尤其是 CO₂在種植過程中的負排放，大大降低了溫室氣體排放。

（4）生物柴油由於其高十六烷值的特點，燃燒性能優於普通柴油；

（5）生物柴油具有良好的潤滑性能，延長發動機及其部件的使用壽命；

（6）生物柴油燃點達到 150 度，高於普通柴油的 50 度，因此在使用，運輸，儲藏過程中，都更加安全。

（7）使用生物柴油，車用發動機及汽車燃料系統基本不需要改造，加油站等基礎設施也基本不需要改動，套用推廣非常方便。

（8）發展生物柴油，有利於調整我國的農業結構，增加農村就業機會，有助於解決“三農”問題，同時能形成相關產業鏈，推動我國經濟的發展。

發展現狀

我國森林植物中常見的能源油料植物 600 多種，含油量在 20%以上的 197 種，超過30%的 131 種。現有的木本油料樹種總面積超過 600 萬公頃，其中以生產燃料油為目的樹種資源 200 多萬公頃。此外，還有能種植水生含油植物的灘涂以及大量廢棄餐飲油開發利用潛力巨大。在我國的技術經濟條件下，製取生物柴油的最恰當原料是餐飲廢油及含油作物如麻瘋樹、黃連木等。由於國際原油價格影響以及中央政府的鼓勵，國有特大型企業已經加入到生物柴油的生產利用領域，並將在近期主導生物柴油的開發利用。

研究現狀

由於生物柴油和普通石化柴油的理化特性不同，因此生物柴油的燃燒特性，如滯燃期，著火溫度、以及噴霧的貫穿距離都與普通石化柴油有所區別。總體來講，由於生物柴油相對較大的十六烷值，在柴油機中燃用生物柴油會使得滯燃期縮短，從而減小放熱率曲線預混合峰值，並且燃料含氧促進擴散燃燒，減小燃燒持續期。

與普通石化柴油類似，燃用生物柴油的主要排放物為一氧化碳、未燃碳氫、氮氧化物和顆粒物排放。燃用生物柴油或者生物柴油和普通柴油的混合燃料後，可以使 CO最大降低 50%左右，常規和非常規碳氫排放特別低，PM 降低較大幅度，燃燒效率變化不大或略有改善, 不做任何技術調整的普通柴油機燃用生物柴油時，對發動機性能及 NOx排放有一定的負面影響，相對燃用柴油 NOx 排放最大升高 13.1%。

存在的問題

儘管生物柴油可以在不對發動機做較大調整下直接套用，但是由於生物柴油是飽和脂肪酸甲酯和不飽和脂肪酸甲酯組成的混合物，與柴油有顯著的差別，因此生物柴油的大規模套用必然需要對發動機可靠性、燃燒與排放的最佳化，生產和使用生物柴油的經濟性和二氧化碳排放等問題進行深入研究，因此生物柴油套用到柴油機上仍然有一些關鍵性科學問題有待解決：

（1）燃用生物柴油發動機的氮氧化物控制策略：生物柴油發動機能夠明顯降低 CO、HC 和 PM 排放，但是由於生物柴油分子中含有 12%的氧，因此通常導致生物柴油發動

機的 NOx 排放相對傳統柴油機上升 10%～12%左右。

（2）生物柴油的物理特性對噴霧規律、混合氣形成以及 PM 產生機理的影響：生

物柴油的粘度比商業柴油高，燃料的壓縮性與柴油也有顯著的不同，由此當生物柴油直接套用到柴油機後，燃料噴霧特性發生顯著變化。

（3）燃用生物柴油發動機的非常規排放問題：儘管生物柴油能夠顯著降低 CO、PM和 HC 排放，但是生物柴油中含有少量的甲醇（或者乙醇），醇類物質在燃燒過程中必然會產生各種有害的非常規排放，如甲醛、乙醛、烯烴和炔烴。

（4）燃用生物柴油發動機的顆粒物排放問題：生物柴油可以降低顆粒物排放（質量），但是對於顆粒物數量濃度的影響還有待深入探討。

（5）生物柴油微觀分子結構對發動機燃燒排放特性的影響：生物柴油中不同甲酯的分子結構包括碳鏈長度，雙鍵個數，以及不同醇類製備所形成的支鏈結構會對燃燒排放有影響。