随着化石燃料价格飙升和“能源恐慌症”加剧,人们开始将目光投向可再生、清洁的生物柴油及其原料——油料作物。生物柴油作为一种绿色能源,具有显著的环境优势和广阔的发展前景。
生物柴油的可再生性与环保优势:生物柴油与石化柴油的能量均源自太阳,但前者避免了地质变化过程中的能量散失和毒物渗入。与石化柴油相比,生物柴油具有十六烷值高(>56)、硫含量低(<10mg/g)、不含芳烃、闪点高(>100℃)、润滑性能好、环境友好、生物降解快等优点。其分子中含氧较多,燃烧更完全;硫和芳烃含量极少,使尾气更清洁(烟尘降低10%、低碳烃降低21%、CO降低48%、致癌物质多环芳烃减少80%、可吸入颗粒物降低75%)。高闪点使其使用、运输和储藏更安全。燃烧生物柴油释放的CO2被植物循环利用,可再生性有助于缓解能源危机。此外,生物降解速度是石油柴油的3~4倍,特别适合在内陆水域、自然保护区及林区使用。
油料作物资源丰富,不与粮食争地:动物油脂中饱和脂肪酸含量高,导致生物柴油低温性能差;木本油料收集不便。而油料作物采摘方便、资源丰富,且不与粮食争地,不影响粮食与食用油供应。我国五大油料(菜籽、大豆、花生、棉籽和葵花籽)2004年总产量达5726万吨,其中菜籽和花生产量居世界第一。自1999年起,我国油菜籽年产量超过1000万吨,四川、湖北、湖南、江西、安徽及江浙是主要产区(占全国油菜面积的80%以上)。河南省及苏北、皖北的冬油菜面积迅速扩大,西北和东北各省的春油菜区也不断扩展。油菜适应性强、经济价值高、能改善地力,发展潜力巨大。我国菜籽油年消费量稳定在420万吨以上,年进口量低于10万吨。华南、华中、华北南部及西南地区的稻田(约4.05亿亩)也适合种植油菜。目前油菜种植面积仅9000万亩,若在坡地和旱地增种9000万亩,按现有生产水平每年可增产菜籽油约400万吨。棉纺织业对棉花的强劲需求推动了棉花高产,棉籽油有望成为生物柴油的重要原料。我国是世界最大棉籽生产国,2004年种植棉花847.6万公顷,产量1074万吨。棉籽油主产区为新疆、山东、河南、河北等地。每年棉籽油消费量不足计算产量的一半,原因包括加工技术导致出油率低、去除有害物质时产生大量油脚、以及大量棉籽未被加工。我国大豆年产量约1700万吨,豆油年产量约200万吨,消费量500万吨,缺口由进口填补。豆蛋白供应畜牧业,豆油作为生物柴油原料可使进口大豆一举两得。
油料作物的育种与耕种技术日趋成熟:我国油菜育种技术居世界领先水平,目前杂交油菜占油菜总面积的50%以上。优质品种包括湘油13号、湘油15号、中双3号、中双4号、中双5号、中油5号、中油119、青油14号、华双2号、华双3号、黔油双低1号、黔油双低2号、浙优油2号、淮宁2号、皖油10号、赣油12号、华杂3号、华杂4号、中油杂1号、蜀杂1号、蜀杂4号、蜀杂6号等。1970年前育种目标为早熟、高产、抗病;目前则追求低芥酸、低硫苷。1987年湖南农业大学育成的湘油11号是我国首个双低油菜品种,后续双低油菜和双低杂交油菜品种种植面积分别占全国油菜总面积的70%和30%以上。该校油料作物研究所共育成15个油菜新品种(其中7个为国家审定品种和重点推广品种),在长江中下游推广面积1.5亿亩以上。通过诱变育种、常规育种和杂种优势利用,选育出适于生物柴油原料的油菜新品种,产量比现有品种增产15%左右,种子含油量接近45%,油酸含量80%以上(最高达93.5%),饱和脂肪酸15%以下,亚麻酸3%左右,非常适于作生物柴油原料。随着国家能源战略制定,各地纷纷制定生物能源发展战略。例如,湖南省农业厅支持湖南农业大学利用洞庭湖冬闲滩地种植高含油量、低芥酸、低硫苷油菜新品种,推动生物柴油原料基地建设。湖南农大已选育适于机械栽培的油菜品种,提出免耕直播机械化栽培措施,采用播种机同时完成耕地、播种、覆土、施肥(每亩费时20分钟、成本15元),机械播种和收获使每亩栽培成本降至150元左右(原为350元),产量不低于现有水平。栽培技术优化促进了单产提高,“育苗移栽、秋发栽培、冬发栽培、配方施肥、化学除草、冻害预防、化调使用”等技术使部分地区油菜单产提高到2250公斤/公顷。
源自油料作物的生物柴油技术迅猛发展:植物油由长直链脂肪酸甘油三酯组成,脂肪酸组成影响生物柴油品质。双低菜籽油大致含棕榈酸5%、硬脂酸2%、油酸60%、亚油酸22%、亚麻酸7%等;棉籽油含棕榈酸20%、硬脂酸1%、油酸15%、亚油酸63%等;豆油含棕榈酸10%、硬脂酸4%、油酸22%、亚油酸54%、亚麻酸7%等。源自棉籽油的生物柴油氧化安定性和冷滤点不合格(亚油酸含量高),源自豆油的生物柴油氧化安定性不合格,需添加剂改善。以菜籽油为原料的生物柴油装置适宜规模为5~20万吨/年;棉籽油生产相对集中,适合建造10~25万吨/年装置。欧美各国正大力利用油料作物生产生物柴油。德国1600万亩油菜的三分之一用于生产生物柴油。美国农业部开发了以大豆油皂脚生产生物柴油的工艺,成本远低于精制植物油,燃油质量与常规生物柴油相似。美国生物柴油产量超过30万吨/年(以大豆油为原料),日本超过40万吨/年(以煎炸油为原料)。美国能源署及环保署1992年倡导燃用生物柴油,1999年宣称生物柴油B20(含20%生物柴油)获准免税。国内也已开始利用油料作物生产生物柴油的尝试。例如,湖南农大已实现由中等油酸含量菜油生产优质生物柴油,工艺条件温和、醇用量小、产品易收集、无污染物排放,自制的固定化酶在性能和经济上具有竞争力。选育了高含油量、高油酸含量油菜品种用于生产低黏度、高燃烧性能生物柴油,正与清华大学合作开发特种生产工艺。清华大学在湖南益阳完成以菜籽油为原料的200公斤/天中试生产,常温常压下可将菜籽油、豆油、餐饮废油等转化为生物柴油(单程转化率达90%以上)。运用新工艺在50升反应器上连续运转160个反应批次(3个月),酶反应活性未明显下降。经过蒸馏回收有机溶剂,下相甘油粗品用于丙二醇发酵,上相经精馏得到生物柴油。产品被中国石化集团石化研究院鉴定为符合国际标准,经含生物柴油的混合柴油发动机台架对比试验,动力性能接近石化柴油,排放物明显减少。
生物柴油期待优势产业战略:有发达国家专家指出,中国2000~2030年温室气体排放增长量可能达到所有工业国家增长量的总和,因此生物柴油等绿色能源的使用势在必行。作为燃烧性能优良、环保效益显著的替代燃油,生物柴油发展前景广阔。我国已具备较大油料作物种植规模和特色加工技术,为发展生物柴油奠定了基础。我国是油料作物生产大国,种植面积与总产量均居世界前列,利用部分油料作物生产生物柴油完全可能。专家建议采取“政府+企业+农户+银行+技术”五位一体的模式发展生物柴油产业,在原料供应上建立大型油料作物种植基地;在技术、设备等方面加大引进、勇于创新;在产业目标上做到经济效益与环保效益并重;在发展动力上采取政府扶持与市场激励兼施。例如,湖南省利用政策优势、联合企业、激励农户、筹集资金、开发特色技术,推动了湖南农大(依托油料作物育种优势)与清华大学(凭借特种加工技术)在筹建生物柴油中试示范基地方面的合作。