2.2　生物柴油优点及其物理特性

2.2.1　生物柴油优点

生物柴油是一种优质清洁柴油，可从各种生物质提炼，因此可以说是取之不尽，用之不竭的能源，在资源日益枯竭的今天，有望取代石油成为替代燃料。

柴油是许多大型车辆如卡车及内燃机车及发电机等的主要动力燃料，其具有动力大，价格便宜的优点，中国柴油需求量很大，柴油应用的主要问题是“冒黑烟”，我们经常在马路上看到冒黑烟的卡车。冒黑烟的主要原因是燃烧不完全，对空气污染严重，如产生大量的颗粒粉尘，CO2排放量高等。据美国燃料学会报道，发动机燃料燃烧产生的空气污染已成为空气污染的主要问题，如氮氧化物为其他工业部门排放的一半，一氧化碳为其他工业排放量的三分之二，有毒碳氢化合物为其他工业排放的一半。尾气中排出的氮氧化物和硫化物与空气中的水可以结合形成酸雨，尾气中的二氧化碳和一氧化碳太多会使大气温度升高，也就是人们常说的“温室效应”。为解决燃油的尾气污染问题及日益恶化的环境压力，人们开始研究采用其他燃料如燃料酒精代替汽油，目前燃料酒精在北美洲（如美国及加拿大等）和南美国家（如巴西、阿根廷等）已占有相当比例，装备有燃料酒精发动机的汽车已投放市场。对大多数需要柴油为燃料的大动力车辆如公共汽车、内燃机车及农用汽车如拖拉机等而言，燃料酒精并不适合；而且柴油造成的尾气污染比汽油大的多，因此人们开发了柴油的代用品——生物柴油。生物柴油的优点介绍如下。

（1）具有优良的环保特性　生物柴油和化石柴油相比含硫量低，使用后可使二氧化硫和硫化物排放大大减少。权威数据显示，二氧化硫和硫化物的排放量可降低约30％。生物柴油不含对环境造成污染的芳香族化合物，燃烧尾气对人体的损害低于化石柴油，同时具有良好的生物降解特性。和化石柴油相比，柴油车尾气中有毒有机物排放量仅为10％，颗粒物为20％，二氧化碳和一氧化碳的排放量仅为10％，排放尾气指标可达到欧洲Ⅱ号和Ⅲ号排放标准。

（2）低温启动性能　和化石柴油相比，生物柴油具有良好的发动机低温启动性能，冷滤点达到-20℃。

（3）生物柴油的润滑性能比柴油好　可以降低发动机供油系统和缸套的摩擦损失，增加发动机的使用寿命，从而间接降低发动机的成本。

（4）具有良好的安全性能　生物柴油的闪点高于化石柴油，它不属于危险燃料，在运输、储存、使用等方面的优点明显。

（5）具有优良的燃烧性能　生物柴油的十六烷值比柴油高，燃料在使用时具有更好的燃烧抗暴性能，因此可以采用更高压缩比的发动机以提高其热效率。虽然生物柴油的热值比柴油低，但由于生物柴油中所含的氧元素能促进燃料的燃烧，可以提高发动机的热效率，这对功率的损失会有一定的弥补作用。

（6）具有可再生性　生物柴油是一种可再生能源，其资源不会像石油、煤炭那样会枯竭。

（7）具有经济性　使用生物柴油的系统投资少，原用柴油的引擎、加油设备、储存设备和保养设备无需改动。

（8）可调和性　生物柴油可按一定的比例与化石柴油配合使用，可降低油耗，提高动力，降低尾气污染。

（9）可降解性　生物柴油具有良好的生物降解性，在环境中容易被微生物分解利用。

2.2.2　生物柴油标准

国外生物柴油产业起步较早，制定了一系列生物柴油的标准与规范。生物柴油标准中要考虑很多指标，有些指标是与石油柴油共有的，包括密度、运动粘度、闪点、硫含量、10％蒸余物残碳、十六烷值、灰分、水含量、机械杂质、铜片腐蚀、燃料安定性、低温性能等；还有一些指标是生物柴油所特有的，包括总酯含量，游离甘油含量，甘油单酯、二酯及三酯含量，甲醇含量，碘价，多元不饱和脂肪酸甲酯的含量，酸值，磷含量，碱及碱土金属含量等；另外，还有一些额外的指标包括馏程、燃烧热值、润滑性、皂化物含量等，是可以选择的。

（1）闪点　为了储存和运输的安全，燃料都有最低闪点的要求。生物柴油的闪点一般高于110℃，远超过石油柴油的70℃，所以生物柴油储运比石油柴油安全。甲醇的含量是影响生物柴油闪点高低的重要因素。即使在生物柴油中含有少量的甲醇，其闪点也会降低。除此之外，较多的甲醇也会对燃料泵、橡塑配件等有影响，并且会降低生物柴油的燃烧性能。美国生物柴油标准要求闭口闪点不低于130℃，欧洲标准要求不低于120℃。

（2）水分　游离水会导致生物柴油氧化并与游离脂肪酸生成酸性水溶液，水本身对金属就有腐蚀。美国生物柴油标准要求生物柴油水分和沉渣不超过0.05％，欧洲标准要求水含量不超过500mg/kg。

（3）机械杂质　指存在于油品中所有不溶于规定溶剂的杂质。机械杂质对发动机零部件的磨损以及运转是否正常都有严重影响。生物柴油中不允许有机械杂质。欧洲生物柴油标准要求总杂质含量不超过24mg/kg。

（4）运动黏度　运动黏度是表示生物柴油在重力作用下流动时内摩擦力的量度，其值为相同温度下生物柴油的动力粘度与密度之比。对于一些发动机而言，为了防止喷射泵和喷射器泄漏而造成功率损失，可设定一个黏度最小值；另外，通过对发动机的设计尺寸、喷油系统特性的考虑，限定了允许黏度的最大值。生物柴油的黏度高于石油柴油，调入2％～20％的生物柴油到石油柴油中后，柴油的黏度会增加，但也能满足标准对柴油运动黏度的要求。美国标准要求生物柴油40℃运动黏度为1.9～6.0mm2/s，欧洲标准要求40℃运动黏度为3.5～5.0mm2/s。

（5）硫酸盐灰分　在生物柴油中灰分以三种形式存在：固体磨料、可溶性金属皂及未除去的催化剂。固体磨料和未除去的催化剂能导致喷射器、燃油泵、活塞和活塞环磨损以及发动机沉积。可溶性金属皂对磨损影响很小，但却能导致滤网堵塞和发动机沉积。美国和欧洲标准都要求生物柴油硫酸盐灰分不超过0.02％。

（6）硫含量　对发动机磨损和沉积以及尾气污染物的排放都有很大影响，清洁燃料的一个重要指标就是低硫要求。生物柴油的一个主要优点就是硫含量低。美国标准要求生物柴油硫含量不超过0.05％，欧洲标准要求低于0.001％。

（7）铜片腐蚀　在规定条件下测试油品对铜的腐蚀倾向。由于酸或含硫化合物的存在能使得铜片褪色，此试验可用来评测燃料系统中紫铜、黄铜、青铜部件产生腐蚀的可能性。按照目前的标准，生物柴油的铜片腐蚀一般都能达到要求，但长期与铜接触，可能会导致生物柴油发生降解，产生游离脂肪酸和固体物质。美国标准要求生物柴油铜片腐蚀不高于3级，欧洲标准为1级。

（8）十六烷值　是指在规定条件下的发动机试验中，采用和被测定燃料具有相同发火滞后期的标准燃料中正十六烷的体积百分数。十六烷值可以评价燃料油的点火性能、白烟影响及燃烧强度。十六烷值规格要求取决于发动机的设计尺寸、转速、负载变化特性以及初始条件和大气条件。与石油柴油相比，生物柴油的一个优点就是十六烷值较高。美国标准要求生物柴油十六烷值不低于47，欧洲标准要求超过51。

（9）氧化安定性　氧化安定性也是生物柴油质量的一个重要指标，氧化安定性差的生物柴油易生成如下老化产物：不溶性聚合物（胶质和油泥），这会造成发动机滤网堵塞和喷射泵结焦，并导致排烟增加、启动困难；可溶性聚合物，其可在发动机中形成树脂状物质，可能会导致熄火和启动困难；老化酸，这会造成发动机金属部件腐蚀；过氧化物，这会造成橡胶部件的老化变脆而导致燃料泄漏等。由于生物柴油很难通过纤维素滤膜，用于评价柴油氧化安定性的方法不能评价生物柴油。目前已经发展了很多方法可评定生物柴油的氧化安定性，比较得到公认的标准方法是ISO6886《动植物油脂氧化安定性测定法（加速氧化法）》和基于此的EN14112：2004《脂肪酸甲酯氧化安定性测定法（加速氧化法）》。欧洲标准规定生物柴油在110℃下的诱导期不低于6小时，美国标准还没有规定这一指标。

（10）低温流动性　柴油在低温条件下的流动性能不仅关系到柴油发动机燃料供给系统在低温下能否正常供油，而且与柴油在低温下的储存、运输、装卸等作业能否进行都有密切关系。柴油的低温流动性能一般用浊点、冷滤点、凝点/倾点等来衡量。在冷滤点方法出现之前，一般用浊点、凝点/倾点来评价油品的低温性能。美国使用浊点和倾点指标划分柴油的牌号。冷滤点与燃料实际使用温度有很好的对应关系，对柴油燃料的使用有实际指导意义，而浊点、凝点/倾点与实际情况有偏差。100％的生物柴油的低温流动性普遍较差，冷滤点高于石油柴油。石油柴油与生物柴油调和后，低温流动性与石油柴油的性质、生物柴油的性质、掺入量以及是否使用流动性改进剂等都有很大关系。美国和欧洲标准都未明确规定。

（11）残炭　残炭量用来评测燃料油中炭沉积的趋势。残炭值越大，在柴油发动机气缸内生成积炭的倾向越大，但由于与发动机没有直接的关联性，这项性能指标被认为是一个粗劣估计。美国生物柴油标准用100％的样品来替代10％蒸余物，并按照10％蒸余物来计算，其值要求小于0.050％。欧洲生物柴油标准是直接测试的，要求100％蒸余物残炭不大于0.3％。

（12）酸值　是指中和1g油品中的酸性物质所需要的氢氧化钾的质量（mg）。生物柴油的酸值测定的对象是生产过程中残余的游离脂肪酸和储存过程中降解产生的脂肪酸。高酸值的生物柴油能加剧燃料油系统的沉积并增加腐蚀的可能性，同时还会使喷油泵柱塞副的磨损加剧，喷油器头部和燃烧室积炭增多，从而导致喷雾恶化以及柴油机功率降低和气缸活塞组件磨损增加。美国生物柴油标准要求酸值不大于0.80mgKOH/g，欧洲标准为不大于0.50mgKOH/g。

（13）游离甘油　高含量的游离甘油可产生喷射器沉积，也会阻塞供油系统和腐蚀发动机以及产生黑烟，同时还能导致储存和供油系统底部游离甘油的形成。美国和欧洲生物柴油标准都要求游离甘油的含量不超过0.02％。

（14）总甘油、甘油单酯、二酯及三酯　总甘油方法用来评测油品中甘油的含量，包括游离甘油和未反应或部分反应的油脂。较低的总甘油含量能够确保油脂转变成脂肪酸甲酯的高转化率。甘油单酯和二酯是甘油三酯未转化完全的副产物，如果它们的浓度太高，可能导致喷射器发生沉积，并且影响低温操作性能，造成过滤器阻塞。美国标准只规定了总甘油含量不超过0.240％，没规定甘油单酯、二酯和三酯的含量；欧洲标准规定甘油单酯、二酯和三酯含量分别为不超过0.80％、0.20％和0.20％，总甘油含量不超过0.25％。

（15）磷含量　磷能够破坏用于排放控制系统的催化转换器，一定要保持它的低含量。在国外，随着排放标准的日益严格，催化转换器在柴油动力设备上的应用越来越普遍，因此低含磷量的重要性将逐渐升高。美国和欧洲生物柴油标准都要求磷含量不大于10mg/kg。

（16）90％回收温度　由于生成生物柴油的动植物油脂主要由16～18碳的甘油三酯组成，因此所生成的生物柴油的馏程范围一般为330～360℃。这一指标的作用是防止生物柴油中混入其它高沸点污染物。美国标准规定90％回收温度不超过360℃，欧洲标准没有规定这一项目。

（17）金属含量　残留的金属可导致发动机沉积和磨损，并造成泵和注射器失效，使柴油车排烟增大，启动困难。酯交换反应的催化剂可向生物柴油中引入Na、K、Ca、Mg等金属，欧洲标准要求一价金属和二价金属的含量都不超过5mg/kg，美国标准没做要求。

欧标与美标对生物柴油各项指标的规定汇总详见表2-4。

注：1.通常化石柴油闪点为70℃，生物柴油闪点>110℃；
2.美标中水分数值为水分和沉渣总量；
3.运动黏度测定温度为40℃；
4.欧标中的氧化安定性为110℃下的诱导期；
5.残炭量指标中，美标用100％的样品来替代10％蒸余物，并按照10％蒸余物来计算，欧标是直接测试的；
6.金属含量指标中，欧标为一价金属与二价金属每项不超过的数值。

随着生物柴油产业的迅速发展，我国亦对生物柴油的各项指标做了规范指导，出台了GB/T 20828—2007《柴油机燃料调和用生物柴油（BD100）》。在BD100的国家标准中，我国生物柴油各项指标要求详见表2-5。