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燃料乙醇和生物柴油的发展现状及展望
燃料乙醇和生物柴油的发展现状及展望
摘要:
生物质能源作为唯一可以大规模替代化石能源的新型能源,在社会能源短缺和环境污染问题日益严重的现状下,发展出了一条通过生物资源来生产燃料乙醇和生物柴油的新途径,成为石油炼化产品汽油和柴油的重要替代品。
作为可再生的生物质液体燃料,燃料乙醇和生物柴油的开发应用将会对社会经济的发展产生巨大的影响。
对改善生态环境、提高能源安全、实现可持续发展及调整农业结构、增加农民收入等具有重要意义,因此发展燃料乙醇和生物柴油成为各国能源替代战略和可再生能源开发利用的重要方向。
关键词:
生物质;清洁能源;燃料乙醇;生物柴油
受到全球能源危机和气候变化的影响,为了维持人类社会的生存和高水平发展,必须寻求一种新型可再生能源来替代传统化石能源。
在众多新型能源中,生物质能由于其能源多样性得到各国青睐。
生物能源来自生物质如薪柴、秸秆、禽畜粪便和城市垃圾,可通过现代技术将其转化为固态、液态或气态的燃料,在中国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源[1]。
生物燃料作为生物能源的一种有效利用方式,不仅在一定程度上缓解了人类对于传统化石燃料依赖,还由于其可减少温室气体排放特性,在许多国家得到大力发展并且也取得了不菲的成效。
特别是目前应用最广泛的燃料乙醇和生物柴油,由于其比化石燃料更加优越,在缓解能源危机的基础上还可缓解对环境的压力,且能直接应用于现有的汽油机和柴油机,无需对其进行结构改造倍受青睐,在许多国家已经初具规模。
1燃料乙醇和生物柴油的简介
1.1燃料乙醇
所谓燃料乙醇是指水分小于0.8%且不可食用的变性无水乙醇,是由95%的乙醇进一步脱水并添加5%的无铅汽油或无铅的烃类等变性剂制得的[2]。
生物燃料乙醇属于生物质能,是通过对生物质原料进行加工转化而产生的一种生物液体燃料。
其既是一种可再生的清洁能源,又是一种良好的汽油增氧剂和辛烷值组份,其优点是辛烷值高、抗爆性能好,而且乙醇调入汽油能有效降低汽车尾气中一氧化碳含量,达到净化空气的效果。
燃料乙醇不含硫、无灰分具有良好的环保性,纯乙醇汽车的二氧化碳排放量仅为同类汽车的1/12。
从技术和工艺的发展进程,燃料乙醇可分为三代:
以玉米、小麦等粮食为原料生产的第1代粮食燃料乙醇;以木薯、甘蔗、甜高粱茎秆等经济作物为原料的第1.5代非粮燃料乙醇;以玉米秸秆等纤维素物质为原料的第2代纤维素乙醇[3]。
利用农作物发酵生产乙醇,燃烧排放CO2与作物在生长过程中消耗CO2基本持平,可减少矿物燃料燃烧CO2的产生。
目前全球乙醇的生产以农副产品为原料的发酵工艺占乙醇总能力的95%以上[4]。
1.2生物柴油
所谓生物柴油,是指以植物果实、种子、植物导管乳汁或动物脂肪油、废弃的食用油等作原料,与醇类(主要包括甲醇及乙醇)进行酯交换反应制造的脂肪酸酯类,是一种洁净的生物燃料,也称之为“再生燃油”。
从化学成分上来讲,生物柴油是一系列长链脂肪酸甲(乙)酯的混合物,脂肪酸碳链长度变化范围为12—24C,主要集中于16~18C。
一般为偶数直碳链,含有0—3个双键[5]。
生物柴油按一定的比例与石化柴油调和使用,可以降低油耗、降低尾气污染,而且它基本不含硫和芳烃,十六烷值高达52.9[6],可被生物降解、无毒、对环境无害,与使用石油柴油相比,可以降低90%的空气毒性,降低94%的致癌率,它的开口闪点高,存储、使用、运输都非常安全。
在生产生物柴油的过程中,每消耗1个单位的矿物能量就能获得3.2个单位的能量,在所有的替代能源中它的单位热值最高[7]。
生物柴油的生产方法主要有:
直接混合法或稀释、微乳法、高温热裂解法和酯交换法。
(1)直接混合法:
将天然油脂与石油柴油、溶剂或醇类按不同比例直接混合后作发动机燃料;
(2)微乳液法:
将动植物油与甲醇、乙醇和1-丁醇等混合制成微乳液直接应用;(3)高温裂解法:
在惰性气流中将甘油三酯裂解成一系列混合物,包括烷烃、烯烃、二烯烃、芳烃和羧酸等;(4)酯交换法:
利用甘油三酯与低级醇在催化剂作用下得到脂肪酸低级醇酯(即生物柴油)这是目前油脂改性的这主要方法。
2燃料乙醇和生物柴油的发展现状
2.1燃料乙醇
燃料乙醇作为全球最成功的生物质能源,完美的解决了化石燃料紧缺和污染的问题,如今在美国、巴西和欧盟等国已经形成了一条成熟的产业链。
我国燃料乙醇经过十余年的发展,也取得了一定的成果,目前已经成为继美国和巴西之后的,全球生物燃料乙醇的第三大生产国和使用国。
巴西是世界上目前推广乙醇汽油最成功的国家,也是世界上唯一不用纯汽油的国家。
由于地理因素,巴西的石油资源很短缺,但是甘蔗资源丰富,为了缓解能源短缺,巴西经过多年的科研投入和技术创新,在20世纪20年代成功通过甘蔗炼制了大量燃料乙醇,形成了用甘蔗生产乙醇的成套技术。
目前为止巴西的乙醇燃料加工技术和精炼工艺在全球也是名列前茅的,不仅解决了巴西石油短缺问题,也成功减少了废气的排放[8]。
美国是世界上最大的燃料乙醇生产国,燃料乙醇的总产量占世界的一半以上。
起初美国提出推广乙醇汽油,是在20世纪50年代,当时美国洛杉矶等地先后出现了“光化学烟雾”事件,催生美国颁布了《清洁空气法》;进入实质性发展时期始于20世纪70年代,为了应对当时的世界石油危机,减少对进口原油的依赖,美国开始大力推广含10%乙醇的混合汽油,使美国成为世界上另一个燃料乙醇消费大国[9]。
在美国农业部的推动下,美国生物燃料乙醇年产量由1980年的52万吨增长到2016年的4554万吨,尤其是2000年以来飞速增长;得益于生物燃料乙醇的消费拉动,美国玉米产量由1980年的1.7亿吨增长到2016年的3.8亿吨,有效促进农业经济增长,形成了一条系统的产业链。
我国由于人均耕地少,粮食需求量大,如若用大量的粮食去生产乙醇,必然会造成粮食供需紧张,从而影响粮食安全,这也是我国至今没有像巴西和美国那样广泛普及乙醇燃料汽车的主要原因。
目前我国燃料乙醇生产企业的主要工艺是以粮食为主的第1代工艺,产能占比约77%,以甜高粱茎秆和木薯等非粮作物为原料的第1.5代燃料乙醇产能约占20%,以纤维素和其他废弃物为原料的第2代燃料乙醇产能占比3%左右[10]。
因此,我国未来燃料乙醇的发展方向主要还是以“不与人争粮、不与粮争地”的多元化非粮可再生原料生产燃料乙醇。
与传统的粮食作物如甘蔗和玉米相比,在我国现在以高粱、秸秆、废弃木料及某些城市垃圾等非粮作物为原料的生产燃料乙醇的工艺已日趋成熟[11]。
非粮燃料乙醇是国家确定的战略性新兴产业,也将是我国生物燃料乙醇产业未来发展的主力。
《“十三五”可再生能源发展规划》中明确提出:
到2020年,生物质燃料乙醇产能400万吨,产量380万吨,积极引进、消化、吸收国外先进经验,大力发展纤维乙醇;结合陈次粮和重金属污染消纳,控制总量发展粮食燃料乙醇;根据资源条件,适度发展木薯、甜高粱等燃料乙醇项目。
经过十多年的发展,随着技术发展和设备的装配到位,我国已经初具大规模生产燃料乙醇的能力,为了缓解能源和大气防治压力,2017年9月13日,国家发展和改革委员会、国家能源局、财政局等15个部门就联合下发了《关于扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油的实施方案》[12],要求到2020年,中国将在全国范围内推广使用车用乙醇汽油,这意味着传统汽油将不再在中国销售,新型清洁燃料乙醇汽油将得到全面推广。
截至2017年底,我国生物燃料乙醇的年生产能力约280万吨,产量约260万吨,燃料乙醇已经在黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、安徽、河南、江苏、湖北、广西等省区实行强制推广,乙醇汽油的消费量占全国汽油消费量的20%左右,基本形成了从生产、混配、储运及销售的完整产业体系[13]。
2.2生物柴油
自从上世纪90年代开始,为了缓解过度开发石油资源导致的能源短缺问题,以美国和欧盟地区为代表的西方发达国家,就已经率先研制和开发出了新型生物柴油能源,从蓖麻、大豆、油菜、棕榈树以及动植物废油脂中提炼出多种生物柴油。
而且在这些发达国家生物柴油作为一种重要的石油能源替代品,得到了极大的重视和推广应用。
从生物柴油的产量来看,生物柴油主产地区中欧盟产量最大,并且欧盟各国也都采取了很多政策鼓励和推广生物柴油的使用。
其中,德国通过对本国生产生物柴油的企业全面免除税收,降低生物柴油的生产成本来降低生物柴油的价格,使生物柴油的价格与石油柴油相差无几,从而使之具有较强的市场竞争力,并且在全国范围内建造生物柴油加油站,鼓励国民使用生物柴油。
而法国则是采用生物柴油代替传统石油,在精细化学品和钻井液等方面进行推广使用。
意大利是目前欧洲使用生物柴油最广泛的国家,其生物柴油已用于城市公交车及学校、医院等公共场所的供热燃料。
欧共体计划到2020年使生物柴油市场占有率达到12%[14]。
美国作为世界第二大生物柴油生产国,生物柴油也得到了广泛应用,截止2016年底,美国在生物柴油方面消费量已经超过了5亿升[15]。
在亚洲,日本是发展生物柴油最早的国家,也是目前亚洲第一生物柴油生产大国。
1999年,日本就开始了生物柴油的生产试验与商业开发。
除日本外,亚洲许多国家正处于着手发展生物柴油的起步阶段,印度在德国援助下发展生物柴油,泰国和日本与日本联合开发生物柴油产业,韩国生产的生物柴油已经在城市清洁车和垃圾运输车中实验使用,另外菲律宾和印度尼西亚都在积极开发生物柴油产业[16]。
我国在生物柴油领域的研发工作起步较早,早在上个世纪八十年代初期,就有部分生物领域的专家学者着手从植物油中提炼生物柴油,进行了对生物柴油能源开发的初步探索。
但是由于宣传不到位,导致到现在为止知道生物柴油的人都很少,特别是在西部地区基本上都没有听说过生物柴油,对生物柴油都没有什么概念,不知道生物柴油是什么东西有什么用。
从生物柴油的销售情况可以看出,生物柴油进入运输领域艰难,特别是我国石油市场被中石油、中石化两大龙头企业把控在手,生物柴油虽然有很多优点,但是由于中石油、中石化对生物柴油存在抗拒心态,到目前为止生物柴油的运用都局限在几个地方的几个行业之间,致使生产企业不敢多生产,生产量上不去,从我国的生产情况就可以看出,年生产能力达到150万吨,实际年生产量只有30万吨—50万吨,说明实际运用到生物柴油的地方少之又少。
尽管政府出台了一些扶持和鼓励的优惠政策,但收效甚微[17]。
但是从未来的发展前景来看,生物柴油会越来越好,随着国家在生物柴油油料种植和食用油二次回收方面给予了很大力支持,使得国内也还是涌现出了一批很优秀的生物柴油相关企业,现在发展比较好的有海南正和生物能源公司、福建卓越新能源发展公司等。
3燃料乙醇和生物柴油的优缺点
3.1燃料乙醇
首先,燃料乙醇属于清洁能源,相对无铅汽油,由于含氧量高,使得燃烧更加充分,它能有效的减少CO、CH化合物、细颗粒物及其他有害物质的排放,以减少汽车尾气对空气的污染,改善空气质量,帮助解决目前大气中的雾霾问题。
再次,燃料乙醇生产资源丰富,技术已经成熟。
燃料乙醇的主要原料是以糖、淀粉等作物以及纤维类秸秆为主,我国是农业大国,这些原料都是可再生资源而且来源丰富。
生物燃料乙醇的发展不仅可以优化能源结构,规范粮食市场,改善生态环境,而且可以形成“能源、农业和环境保护一体化”的绿色发展模式。
它还可以刺激当地农民增加收入和就业,促进第一产业和第二产业的融合,促进农业、农村和区域经济的发展。
最后,燃料乙醇辛烷值高,抗爆震性好,形成的高压缩比来可以来提高发动机的热效率和动力[18]。
而且乙醇是优良的有机溶剂,可以有效消除油箱及油路系统中沉积的杂质,具有良好的油路疏通作用,还可以有效消除工作部件如火花塞、气门、活塞顶部等的积碳形成,可以延长主要部件的使用寿命。
燃料乙醇的蒸汽压远低于普通汽油,但是由于燃料乙醇与汽油中某些组分存在共沸现象,加入燃料乙醇后,车用汽油蒸汽压升高,对应不同季节和不同地区,产生不同的影响[19]。
虽然乙醇汽油在我国一些地区强制推广了好多年,但是仍然没有得到广泛的认可。
由于动力不佳、油耗高、价格不便宜等特点,使其受到了广大车主的否决。
这主要是由于乙醇的本身热值不高,和汽油混合后,降低了燃料的热值,加之乙醇燃烧速度慢,导致车辆动力不足,加速性能差,也使得油耗增加。
因此,同样加满一箱油,乙醇汽油要比石油汽油少跑1/3的里程[20]。
乙醇汽油在储存安定性方面还有待提升,当汽油中含水量增加后,容易造成乙醇与水一起从油箱中分离出来,进而影响乙醇汽油的储存安定性。
在贮存、运输过程中,需确保外界水(各类液态水、冰雪及水蒸气)不进入车用乙醇汽油中。
若乙醇汽油的储存安定性受到破坏,进入发动机的燃料组成与标准值产生较大偏差,结合具体工况条件,将对发动机的实际性能和尾气排放产生各种不利影响[21]。
而且我国在燃料乙醇产业发展方面也面临着诸多障碍,一是原料资源基础总体薄弱,在奉行“不与人争粮、不与粮争地”的大原则下,燃料乙醇的原料非粮化发展主要依靠边际土地的开发利用,而我国边际土地资源潜力不清且在能源植物栽培技术方面也有待提高,因此原料短缺严重制约了燃料乙醇的发展;二是生产技术水平有待提高,国内大型项目的核心装备主要靠引进技术,缺乏适合我国国情的自主知识产权先进生物燃料的生产技术;三是缺乏经济竞争力,原料价格居高不下是导致生物燃料乙醇生产成本较高的最关键因素;四是定价机制有待完善,市场监管规范不健全,目前市场的定价机制仍然按照2011年标准执行,且由于市场缺乏有效监管措施,致使大量非生物燃料乙醇开始进入燃料乙醇汽油市场,在一定程度上打破了市场的有序性。
3.2生物柴油
生物柴油作为一种可持续发展的可再生能源,其生产原料主要为植物,植物主要通过光合作用吸收太阳能并转化为自身的生物质能储存,因此生物质能是取之不尽,用之不竭的。
将植物体内储存的生物质能,经过生产、加工转化为生物柴油,再由人的消费将生物柴油中的碳以二氧化碳的形式还给大气层,形成了完整的碳元素有机循环。
除此之外还可以从生活废油以及地沟油中提炼生物柴油,此种方法不仅可以为社会生产提供能源,还可以对环境进行清理,实现可持续发展。
生物柴油具有优良的燃烧性能,可以按一定比例与石化柴油调和使用,以降低油耗提高动力性,并降低尾气污染。
当生物柴油作为柴油代用品使用时柴油机不需要做任何改动或更换零件,生物柴油具有良好的润滑性能,可以延长发动机的使用寿命,而且生物柴油的硫含量低,可减少约30%(有催化剂时为70%)的二氧化硫和硫化物的排放,10%(有催化剂时为95%)的一氧化碳排放以及50%的二氧化碳排放,且不含对环境造成污染的芳烃,生物柴油可降低90%的空气毒性[22]。
相对于石化柴油,生物柴油由于闪点高不属于危险品,因此,存储、运输和使用都很安全(非易燃易爆),现实效益高,可得到经济价值较高的副产品甘油以供化工品、医药品等市场。
生物柴油可作为一种战略资源,不仅可以用于社会生产生活中,还能用于军事领域。
充足的石油资源战略储备能保证国家在面临特殊情况时,石油应急供应稳定,保障国家安全和军队正常运作,争取战略时间。
生物柴油不会受到地理因素影响,每个地区都可以找到事宜生长的原材料作物,而且在种植地区就可以完成生物柴油的提炼加工,减少了勘探资源、建造矿井和原油开采等环节,即便在战争年代,生物柴油的生产加工也能顺利完成。
生物柴油目前还处在一个上升阶段,虽然生物柴油有很多优势前景广泛,但是目前还是有很多技术难题没有解决,石油柴油依然不可或缺。
存储稳定性较差是生物质柴油存在的最明显的不足之处,生物柴油脂肪酸甲酯分子中存在大量不饱和双键,是其稳定性较差的关键因素,多个双键共轭还会有协同作用,使之更容易氧化降解。
在实际中一般都要借助稳定剂降低生物柴油的氧化反应,因为生物柴油氧化后其质量就会下降,产生沉淀物会导致发动机燃油功效失稳。
其次生物柴油中通常含有微量的醇与甘油,这会使与之接触的橡胶零件如橡胶膜、密封圈、燃油管,即燃油接触的橡胶配件等逐渐降解。
另外由于目前生物柴油还不够完美,大多数生物柴油都是混合的生物柴油,因为纯生物柴油由于粘度较大会影响其在柴油运输管道中的流动,且生物柴油在低温时无法保持液态,在实际使用时往往都要借助加热器先预热环境温度[23]。
生物柴油发展过程总遇到另一个难题是由于脂肪和油来源有限,给生物柴油大规模生产带来了极大的挑战,而且原料成本占到了生物柴油的60%—75%。
虽然使用生活废油为原料可以大大降低生产成本,但是生活废油质量较差。
因此超过95%的生物柴油利用食用油生产,这有可能导致进一步的经济问题。
4燃料乙醇和生物柴油发展的展望
4.1燃料乙醇
21世纪以来,能源安全和环境问题日益成为制约可持续发展的焦点[24]。
我国在生物质能源、潮汐能、水能、太阳能、风能等可再生能源的研究和开发和推广上也是不遗余力[25],而生物燃料乙醇作为一种替代化石燃料的理想汽油组分的新型清洁燃料,更是成为国家绿色发展战略的一项重要举措。
清洁能源燃料乙醇的生产,不仅可以缓解我国汽车燃料供应紧张的状况,而且还能够改善大气污染情况。
我国汽车保有量逐年上升,因汽车尾气造成的大气污染也日渐严重。
当前,我国生物质能产业发展的时间已基本成熟,随着节能要求加大和大气防治压力剧增,2013年-2016年我国燃料乙醇消费量呈现爆发式增长,《“十三五”可再生能源发展规划》中明确提出到2020年,生物质燃料乙醇能产400万吨,因此,市场将需要大量的燃料乙醇。
由于粮食燃料乙醇存在与人争粮和较为严重的原料供应瓶颈,所以未来纤维素燃料乙醇将是主要产能增长方向,但目前缺乏高效纤维素转化菌种以及纤维素酶高效生产工程化技术。
由于纤维素是植物的木质部分,是地球上数量最大的植物积累产物,植物从太阳获取的绝大部分能量也都储存与其中。
所以人类一旦掌握了释放出存储在纤维素中能量的技术,能源危机便可以得到很大的缓解。
4.2生物柴油
随着全球能源短缺和气候环境问题的日益尖锐,生物柴油这一绿色环保型燃料在世界范围内都得到了高速发展。
从国内外生物柴油发展状况看,虽然目前生物柴油的售价尚偏高,从经济的角度来看,以生物柴油完全替代石油柴油在短期内还是不可行的,但是无论从环保还是性能上来讲,生物柴油的优势都要高于石油柴油,因此生产生物柴油必将成为一项蓬勃发展的产业[26]。
从生物柴油制备方法来看,酯交换法是目前的主要研究方向。
在传统酸碱催化酯交换的基础上,固体酸碱催化剂及复合催化剂的研制,优良共溶剂的选择是目前生物柴油合成研究的热点。
酶催化法由于其独特的优势发展迅速,也是目前生物柴油合成研究的一个重要方向。
搞好生物柴油的项目对我国的社会主义现代化建设势必影响深远,作为开发新能源的有效途径之一,不仅可以充分利用我国的土地资源,还可以调整我国农作物结构。
因此降低生物柴油的生产成本和进一步分析生物柴油发展对农业的影响已经是未来的一个重要研究课题。
我国是一个农业大国,地大物博,这对我国发展生产生物柴油创造了得天独厚的条件[27]。
国家和政府应该加大对生物柴油研发项目的扶持力度,制定科学合理的生物柴油发展计划,对生物柴油原料地区颁布减免税收的政策,降低生物柴油企业成本,统一生物柴油生产标准,正确引导生物柴油市场的发展方向。
同时还应加强与国外相关国家的科研交流,结合国内的实际情况研发出符合我国国情的生物柴油生产制造技术。
相信随着生物柴油的竞争力不断提高、政府的扶持和世界汽车业的发展步伐的加快,生物柴油的研究应用将会有更加广泛的前景[28]。
5结语
对燃料乙醇和生物柴油的进一步探索和研究,是解决目前全球能源短缺和气候环境问题,推行新型可再生能源的必经之路,且有利于能源转型和促进国民经济增长,这是一项长期且艰巨的历史任务。
使用燃料乙醇和生物柴油可以是我国尽快实现减碳目标,提高国际地位和话语权,我国是目前碳排放量最高的国家[29]。
2015年通过《巴黎协议》,我国庄严承诺将在2030年实现碳减排达到峰值,对《巴黎协议》的通过起到了巨大的推动作用,体现了大国责任。
目前国内燃料乙醇和生物柴油的开发和应用都已经取得了长足的进步,但该领域在原料、市场和技术方面仍存在诸多问题,与美国和欧盟等发达国家技术存在较大差距。
在原料方面,世界各国都根据自己国家的具体情况发展了适合本国的燃料乙醇和生物柴油原料,我国应立足于本国情况大力发展。
我国人均耕地少,因此发展生物燃料需要避免“与人争粮”和“与粮争地”的问题,无论是燃料乙醇还是生物柴油,原料资源量受到限制,导致生产成本均高于传统化石燃料,使得推广难度加大。
应以开发规模化、规范化、低成本、优质的非食用植物,实现高转化率、最大程度降低生产成本、最低能量投入和最小环境影响的最高目标燃料乙醇和生物柴油产业化发展,加快燃料乙醇和生物柴油市场化机制建设,市场价格管控逐步放开,引入多元化的竞争主体,刺激燃料乙醇和生物柴油市场化[30]。
随着燃料乙醇和生物柴油产业相关技术的不断进步将有力地降低其成本、提高其市场竞争力。
石油汽油和石油柴油价格的不断飙升将会有力的推动燃料乙醇和生物柴油产业的进步和发展。
在国家政策、法规保护下,在政府积极扶持和引导下,通过研发部门、农林部门、生产企业的共同努力,我国燃料乙醇和生物柴油产业将会健康、稳定地发展。
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