中國科學報：解開生物柴油的“引擎”之謎

隨著勘探開發技術的日益進步，石油等化石能源的耗竭危機被不斷延后，但來自環境方面的詰問卻在不斷加劇。由此，尋找不可再生資源的替代品，成為世界各國的迫切選擇。

作為一種可再生的綠色能源，生物柴油被認為既可以緩解能源危機，又可以減緩溫室效應，特別是隨著其合成方法和工藝不斷更新，生物柴油發動機的使用性能與排放物監測領域的研究逐步走向深入，生物柴油作為一種理想替代品的作用日顯突出。

在中國，十幾年來科研人員對生物柴油的性能與排放進行了大量研究，這些研究為生物柴油的推廣使用打下了基礎。

原料短缺

生物柴油誕生于1988年，由德國聶爾公司發明。生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、廢棄油脂等為原料油通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料。

與石化柴油相比，生物柴油熱值略低、密度和粘度略高，具有良好的燃料性能、環保特性。美國能源專家如此評價：生物柴油的毒性比食鹽還小，降解速度比糖類還快；同時，使用生物柴油可以減少對石油的依賴，保障能源供應。

因為生物柴油的可再生性和環保性，已經在全世界很多國家得到使用。比如，歐盟生物柴油應用的比例在2011年已經達到5%，并提出到2020年生物燃料要占交通燃料的10%；馬來西亞從2014年11月起，將生物柴油在柴油中的摻混比例從5%提高到7%；2014年7月開始，巴西生物柴油在柴油中的強制摻混比例已從5%提高到6%，2015年還會進一步提高到7%。

“我國生物柴油距離大規模推廣仍有很長的路要走。”北理工汽車動力性及排放測試國家專業實驗室主任葛蘊珊教授坦言，而目前的主要挑戰是原料來源不足。

我國生物柴油的生產原料主要是廢棄油脂。同濟大學汽車學院教授譚丕強介紹，截至2014年6月底，中國主要生物柴油項目的產能超過200萬噸/年，但由于生產原料的不足，實際每年產量較低，不及產能的一半。

“如果原料問題不解決，對生物柴油的應用研究也會受影響。”葛蘊珊認為，步入應用階段后更多的是靠產業發展驅動研究進步。

殊途同歸

縱觀全球，一些具有開發研究生物燃料動力和原料基礎的國家，幾乎都進一步形成了該領域強大的研究實力。

“從生物柴油的生產原料，包括怎么促進產油生物快速生長、如何提高產油率，到發動機使用，包括燃燒特性變化、排放物檢測、經濟性改善等，歐盟都開展了比較系統的研究。”北理工動力系統工程研究所教授張付軍介紹說。

在生物柴油的應用研究方面，譚丕強表示，國內外研究機構均主要針對生物柴油的理化特性、發動機燃用不同摻混比例生物柴油的動力性、經濟性、排放性能、耐久性能等，所得的結論也頗為類似。

主要的區別則在于：東南亞國家（如印尼、馬來西亞）主要研究棕櫚油制生物柴油，歐盟國家（如德國）主要研究菜籽油制生物柴油，美國主要研究大豆油制生物柴油，而我國重點研究廢棄油脂制生物柴油、麻瘋樹制生物柴油。

國際上的研究趨勢也類似。“進一步提高生物柴油在柴油中的摻混比例至20%甚至更高，且仍要保證發動機的動力性、經濟性、排放性能、耐久性能，是未來研究的一個瓶頸。”譚丕強說。

雙管齊下

葛蘊珊是我國較早接觸生物柴油的科研人員。2001年，有個民營公司老板聽說北理工排放檢測和整車發動機試驗的條件在國內屬于領先，就拿來一種用油腳（油脂精煉后產生的殘渣）做的生物柴油請他們做檢測。

“當時還是頭一次聽說這種新燃料，聞起來挺香，味道跟柴油不一樣，更像食用油的味道。”葛蘊珊說，“查資料后才知道，生物柴油當時在國際上已經很熱門了，我們國家相對滯后，僅有小規模的生產。”

基于對新鮮事物的好奇，葛蘊珊團隊開始著手生物柴油在發動機上的應用研究。2003年他們獲得科技部項目資助，對生物柴油的動力性、經濟性、環保性等進行了一系列研究。研究發現，燃用生物柴油可以降低顆粒物和一氧化碳的排放，但氮氧化物的排放量反而增加了10%～20%。

2005年之后，我國科研人員對生物柴油在使用性能方面的研究有了更多的關注。

“開展發動機使用生物柴油后的動力性、經濟性、排放性能、耐久性能等研究，探索與使用純石化柴油相比，發動機會有哪些問題，應如何解決，為生物柴油的推廣使用提供實驗理論參考。”秉持這個目標，譚丕強團隊自2006年開始從事生物柴油的相關研究。

他們重點探索了在不改變現有發動機結構前提下，生物柴油的摻混比例優選問題。使用廢棄油脂、棕櫚油、麻瘋樹油、棉籽油、花椒籽油等五種生物柴油以及不同生物柴油摻混比的調和燃料，進行了大量的動力性、經濟性、排放性能研究，并進行了長達400小時連續的發動機可靠性和耐久性試驗。

“我們得到的試驗數據和研究成果，豐富了全球范圍內發動機使用生物柴油的性能數據庫，為我國的發動機規模化應用生物柴油提供了重要參考依據。”譚丕強說。

下一步，譚丕強計劃逐步在公交車上進行生物柴油的規模示范應用。目前他們已經在上海市100輛公交車上試用由廢棄油脂生產的生物柴油，摻混比例在10%以內。

我國生物柴油的主要生產原料為廢棄油脂，其來源較為復雜，需要通過生產工藝和技術措施來保證生物柴油質量的穩定性。因此，張付軍認為，隨著發動機排放要求越來越高，生物柴油的相關研究不僅需要發動機的研究人員參與，還需要油品研究的緊密配合。

微議

因其可再生性和環保性，生物柴油已經在全世界很多國家得到使用。為了避免燃料與食物之間的競爭，降低生物柴油燃料生產成本，生物柴油的原料從食用油脂（如菜籽油、豆油等）發展到非食用油脂（如棕櫚油、桐子油、麻瘋樹油、地溝油等），并進一步發展到使用非油脂類生物質作為原料。

最新統計顯示，2014年全球生物柴油產量創下歷史新高，其總產量超過3000萬噸，比2013年增加約200萬噸，主要來自歐盟、美國、巴西、阿根廷、印尼、馬來西亞等國家和地區。