生物燃料：欧洲燃料需求的贡献和环境影响

1.生物群合成燃料

合成汽油和合成柴油也可从可再生的初级能源中提取^[12]。这样生产的燃料标有液化生物群（BTL-Biomass to Liquid）。部分的也称为“太阳燃料”。像合成燃料一样，BTL可以以所希望的和最佳的组分（设计燃料）生产。植物类的生物群汽化是制备BTL工艺的特征。采用气体，以Fischer-Tropsch合成方法制备碳氢化合物。这种碳氢化合物呈蜡状，并称为“原始合成”或“粗合成”。再进一步采用蒸馏和裂解工艺就可得到柴油和原汽油。由于将原料分解成合成气（CO+H₂）和接着采用Fischer-Tropsch合成，所以所有的合成燃料的质量是一样的，与原料无关。当然，根据生物群的不同来源，CO与H₂的比例在制备的合成气的组分中是不同的。为制备不变的、定义的BTL质量，需要掺入H₂。为制备辛烷，Fischer-Tropsch工艺的反应方程式为：

8CO+17H₂⇔C₈ H₁₈+8H₂ O

还需指出，燃料的整个生产工艺采用先进技术，目前采用的一种方法是经过验证的方法，如图5.9-6所示^[15]。在常规发动机上采用BTL燃料不会改变加油站和汽车。对像BTL燃料的生物燃料的吸引力在于它几乎是一个封闭的CO₂循环。植物被加工，大气中的CO₂增加。如这些植物制备成燃料，增加的CO₂几乎为植物生长吸收的CO₂。BTL燃料为减少人类起源的CO₂排放作出贡献。所有生物燃料的缺点，BTL也一样具有，是不能持久地替代常规燃料。利用来自永久的生物群（木材、麦杆、稻草等含能材料）约可满足欧洲燃料需要的20%～30%^[5]。实际上达不到这个值，因为BTL燃料所用的生物群与其他能源消耗者（如固定的生物气体设备、热电厂）处于竞争状态。当前，在德国，大部分生物燃料用于固定设备领域^[16]，而不再用于交通领域。还无法估计生物燃料对环境造成的其他缺点。必须考虑由于使用肥料、杀菌剂、杀虫剂、农药出现的对环境的重大影响，如在种植、收获、运输到使用地点时的有害物排放。还有由于在大规模提高农业产量时施肥、过度施肥产生的硝酸盐、磷酸盐和氯化物对水域的污染。

图5.9-6 利用CHOREN的Carbo-V^®流动法从生物群中制备合成燃料用的合成气^[15]

2.PME、RME(www.xing528.com)

柴油可以通过转化含在各种植物水果中的油脂得到（生物柴油）。这种植物油或植物脂称为植物甲脂（PME-Pflanzliches Methylester）。它含有质量分数多达97%的甘油三酸酯。从化学角度，它是脂肪酸甲脂。制备生物柴油的有效植物是：大豆、油菜籽、麻风树属^[17]。在欧洲，在道路交通中几乎无例外采用油菜甲脂（RME）。通过提炼含油的生物群、经压力加工或使用溶剂除去提炼菜籽油后的溶液，得到RME，之后再脂化^[18]。将植物油和甲醇按质量比9∶1放在搅拌机中，在标准压力、温度为50～80℃条件下，并在一定量的碱性催化剂（如0.5%～1%的氢氧化钠、氯化钾或甲基化钾）作用下发生反应，得到约质量分数90%的RME和质量分数10%的甘油（丙三醇）。甘油是化工原料。

3.醇（乙醇、甲醇）

醇的化学结构为C_x H_y OH。在小的x、y值时醇同样用作液体燃料。只有像乙醇、甲醇这样较小的x、y值的低醇才有作为燃料的实用价值。这些产品的原料通常来自甘蔗、蔗糖或酿酒、榨果子汁后的渣滓和它们的生物群在酵母或细菌帮助下转化为乙醇。在如马铃薯、小麦、大米、玉米发酵将淀粉转换为糖以后，也可使用它们的富含淀粉的麦芽浆^[16]。乙醇的化学式为CH₃ CH₂ OH，热值为26.8MJ/kg，密度为0.79kg/L，约是汽油储存能量密度的65%^[13]。乙醇沸点78℃，辛烷值（ROZ）108，是最好的点燃式发动机燃料。汽油中可掺入质量分数高达22%的乙醇而成为乙醇汽油。

甲醇（CH₃ OH）是最简单的醇。在大规模生产时可采用天然气（CH₄）的蒸气重整工艺。生物甲醇可通过生物群汽化得到。利用催化剂，在压力为50～100bar、温度为230～280℃时再将在生物群汽化时得到的合成气进一步提炼为甲醇^[19]。甲醇的热值为725KJ/Mol。甲醇是液体，有毒，因此仅作为掺合物加入汽油和柴油中。在掺入量高达15%质量分数时对发动机、汽车不会有较大变化。甲醇能溶解很多塑料，有很强的腐蚀性，为此在汽车上和加油站要选择与它接触的合适材料。在用纯甲醇驱动汽车时会出现冷起动问题，所以总要掺入质量分数约15%的汽油（相应的燃料牌号为M85）。甲醇在汽车发动机上的燃烧产物为CO₂和H₂ O。

4.二甲醚（DME）

DME是最简单的醚，其化学式为H₃ C—O—CH₃。DME像甲醇一样可采用天然气（CH₄）的蒸气重整工艺制备，或通过生物群汽化得到。利用催化剂再将在生物群汽化时得到的合成气进一步提炼为DME。在大气条件下DME呈气态（沸点温度为-24.9℃），在压力为5bar时液化。在发动机室温度下DME必须保持在15～30bar压力下，以防产生蒸气泡。DME的液体密度为0.67kg/L，这时的能量密度为28.8MJ/kg。在没有压力储存时DME的体积能量密度相当于柴油体积能量密度的54%。DME在汽车上以压力罐、液体状态形式储存。在汽车上的燃料系统与液化石油气（LPG）的燃料系统相似。DME的易点火性能好，无毒，没有腐蚀作用。