地溝油是人們對各類餐飲廢油提煉的劣質(zhì)油的統(tǒng)稱，一般包括潲水油、煎炸廢油、食品以及相關(guān)企業(yè)的廢棄油脂等，我國地溝油產(chǎn)量很大，約占食用油消費總量的20.0—30.0%，地溝油中的有毒有害物質(zhì)會引起頭痛、失眠、乏力、消化不良、肝區(qū)不適、貧血等癥狀，導致人體體重減輕和兒童發(fā)育障礙，嚴重者還可能出現(xiàn)中毒性肝病，誘發(fā)胃癌、腎癌及乳腺、卵巢、小腸等部位癌癥。如果將地溝油直接作為廢棄物排放會造成環(huán)境污染，1KG地溝油能使約1500㎡水面富營養(yǎng)化，因此，為地溝油資源化利用找到合理的出路?是地溝油處理研究中亟待解決的問題。

     目前，以動植物油脂為原料制備生物柴油的價格偏高，限制了生物柴油工業(yè)化的推廣應用。而地溝油來源廣泛，廉價易得，經(jīng)過酯交換處理能夠完全滿足替代燃油的性能。以地溝油為原料制備生物柴油，一方面，充分實現(xiàn)了地溝油的資源化利用，很大程度上降低了生物柴油的生產(chǎn)成本，促進了生物柴油的發(fā)展；另一方面，能有效防止地溝油進入食物鏈，損害人體健康，同時，也避免了地溝油污染水體環(huán)境。

     為了進一步分析地溝油生物柴油與石化柴油的優(yōu)劣，本文從地溝油生物柴油的制備工藝、燃料特性、動力性、經(jīng)濟性、燃燒排放特性、當前車用發(fā)動機中亟需解決的關(guān)鍵問題以及發(fā)展前景進行了綜合全面的分析與研究。

     1  地溝油生物柴油的制備工藝

     目前，制備地溝油生物柴油主要采用酯交換法，包括酸催化法、堿催化法、酶催化法和無催化劑生產(chǎn)法。

     酸催化法一般用路易斯酸（Lewis acids）和布朗斯臺德酸作為催化劑生產(chǎn)地溝油生物柴油，也有一些研究者在酯交換反應中使用無機酸、如（硫酸、磷酸、磺化酸和鹽酸等）直接和地溝油混合制備地溝油生物柴油。酸催化法的優(yōu)點是酸催化劑和游離脂肪酸獨立且不需要預處理過程，這使酸催化在游離脂肪酸含量超過2%的地溝油制備生物柴油的過程中成為更優(yōu)的選擇。

     堿催化法采用的催化劑一般為NaOH、KOU、CH3ONa、有機胺等。堿催化劑價格便宜且容易獲取，但是堿催化過程能量消耗高，設備成本有所增加?另外，堿催化劑對原料中的水和游離脂肪酸非常敏感。在酯交換反應過程中，堿催化劑可以與原料中的游離脂肪酸反應生成皂，減弱了堿催化劑的活性，導致脂肪酸甲酯產(chǎn)量減少。同時，甘油難以從脂肪酸甲酯中分離，產(chǎn)物黏度的增加和乳化劑的形成，在后續(xù)凈化和脂肪酸甲酯回收中產(chǎn)生許多問題。

     酶催化法利用脂肪酶將地溝油中的游離脂肪酸轉(zhuǎn)化為脂肪酸甲酯。這種方法的優(yōu)點很多，如反應無副產(chǎn)物、產(chǎn)物容易轉(zhuǎn)移、脂肪酶可重復利用且沒有分離步驟、操作溫度較低等。但是，脂肪酶的價格過于昂貴，脂肪酶對甘油的吸附以及反應時間長等因素，大大限制了酶催化法制備地溝油生物柴油的工業(yè)化進程。

     無催化劑生產(chǎn)法不需要催化劑，若要在相對較短時間內(nèi)實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，需要高溫和高壓條件，這就急劇增加了設備和生產(chǎn)的成本，因此在實際應用過程中不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

     2  地溝油生物柴油的燃料特性

     十六烷值（CN）是衡量柴油燃燒性能的重要指標,CN過低,燃料發(fā)火困難,發(fā)動機工作粗暴,CN過高,發(fā)動機冒黑煙,油耗增大,功率下降。地溝油生物柴油的主要成分是C16：0、C18：0 、C18：1、C18：2等脂肪酸甲酯，CN與脂肪酸甲酯的碳鏈長度和雙鍵數(shù)目有關(guān)。大量研究表明，地溝油生物柴油的CN隨碳鏈長度的增加而增加?隨雙鍵數(shù)目的增加而減少。

     黏度是衡量燃燒流動性能及霧化性能的重要指標，黏度過低，供油量減小，油壓降低，發(fā)動機功率下降，黏度過大，流動性差，霧化困難，燃料燃燒受阻嚴重。相關(guān)研究表明，黏度隨著碳鏈長度的增加而增大。地溝油生物柴油的碳鏈長度一般為14-20個碳原子,，石化柴油為8-10個碳原子，因此地溝油生物柴油的黏度比石化柴油稍高，其低溫流動性差。鄭金明等發(fā)現(xiàn)將桐油生物柴油與地溝油生物柴油混合可以提高地溝油生物柴油的低溫流動性。另外，酯化反應也能降低地溝油生物柴油的黏度，試驗表明，酯化反應后地溝油生物柴油的黏度從40m㎡/s下降到5m㎡/s。

      熱值是地溝油生物柴油應用于發(fā)動機的基本衡量指標，關(guān)系到發(fā)動機的動力性能、反映燃料的燃燒特性，熱值越大，燃料完全燃燒時放出的熱量越多，地溝油生物柴油屬于含氧燃料，分子中含氧使地溝油生物柴油的熱值降低10%左右，在燃燒過程中存在自供氧效應，減少了局部富氧與缺氧的概率，燃燒更均勻，提高了燃燒效率、熱效率、剎車燃油消耗率及制動熱效率。

     氧化安定性與油品密切相關(guān)。地溝油生物柴油的氧化安定性較差，常溫儲存?個月以上，其過氧化值明顯增大，油品品質(zhì)下降，會出現(xiàn)發(fā)動機燃油濾清器堵塞，噴嘴結(jié)膠，燃燒室積炭，金屬部件腐蝕，橡膠件和塑料件老化變脆等不良現(xiàn)象，干擾正常燃燒，有效的抗氧化劑能夠抑制地溝油生物柴油中過氧化物的生成，從而提高其抗氧化性，文利柏等在抗氧化劑對地溝油生物柴油氧化安定性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，在不加入任何抗氧化劑的條件下，地溝油生物柴油的氧化誘導期遠小于EN 1424標準要求,BHT、FGA、CTA、VE等抗氧化劑對地溝油生物柴油的氧化有一定抑制作用。

      3 地溝油生物柴油在發(fā)動機上的應用

      3.1 動力性

     地溝油生物柴油的低熱值略低于石化柴油，密度高于石化柴油，又因為地溝油生物柴油是含氧燃料，空燃比低于石化柴油，直接應用在發(fā)動機上，在體積循環(huán)供油量不變時，功率比燃用石化柴油略低。王鈺等。在地溝油生物柴油對發(fā)動機動力性試驗中發(fā)現(xiàn)，燃用地溝油生物柴油后?柴油機的動力性浮動幅度為-0.45%-2.33%。樓狄明等發(fā)現(xiàn)燃用地溝油生物柴油時發(fā)動機的功率相對于石化柴油有小幅下降，降幅在2%左右。

      3.2經(jīng)濟性

     與石化柴油相比，地溝油生物柴油較低的低熱值，使其有效燃油消耗率較低，燃用地溝油生物柴油時的油耗將略高于石化柴油。王鈺等通過燃用地溝油生物柴油發(fā)現(xiàn)，燃油消耗增加了0.99%-4.59%，但實際上地溝油生物柴油的綜合經(jīng)濟性能優(yōu)于石化柴油。李運用GT—Power發(fā)動機仿真軟件分析地溝油的燃燒特性,仿真結(jié)果表明,發(fā)動機燃用地溝油生物柴油時燃油消耗率比燃用石化柴油時增加了25%-30%。Opond等通過試驗發(fā)現(xiàn)地溝油生物柴油的平均油耗為0.3804kg/(KW.h),略高于石化柴油的0.3396kg/(KW.h)。

     3.3燃燒排放特性

     地溝油生物柴油與石化柴油的理化特性不同，因此地溝油生物柴油的燃燒特性與石化柴油有所區(qū)別?燃燒排放特性也有差異。與石化柴油類似，地溝油生物柴油的主要有害排放物包括CO、HC、PM（碳煙顆粒物）、NOx。國內(nèi)外大量研究表明，地溝油生物柴油在燃燒排放特性方面優(yōu)于石化柴油，燃用地溝油生物柴油時CO、HC和PM排放顯著減少，但NOx的排放略有增加。

      3.3.1CO、HC的排放

     CO、HC排放產(chǎn)生的主要原因為燃燒過程中，燃料與空氣混合不均勻，局部氧氣過濃或過稀，導致混合氣燃燒不完全，燃用地溝油生物柴油時，由于地溝油生物柴油黏度高、含氧量大，著火后有自供氧效應，緩解了燃油噴霧中高濃度區(qū)域的缺氧狀況，燃燒性能好，促進了燃燒過程以及燃燒相位的提前。所以發(fā)動機燃燒地溝油生物柴油有利于降低CO、HC的排放。Meng等將B2O、B5O混合燃料（分別含20%、50%的地溝油生物柴油）在發(fā)動機中進行燃燒，試驗結(jié)果表明CO、HC分別下降了18.6%、26.7%。

     3.3.2 PM的排放

     PM是柴油機排放的主要污染物之一，主要是由于碳氫燃料不完全燃燒而產(chǎn)生的，一般來說，碳氫化合物生成PM由易到難的順序為芳香烴炔烴＞烯烴＞烷烴＞醇＞醚。地溝油生物柴油是含氧燃料，所以在燃燒過程中碳煙的裂解傾向減少，不易生成。而且，地溝油生物柴油較低的空燃比等因素也被認為能降低PM排放。洪瑤等通過對比試驗分析了地溝油生物柴油與石化柴油的燃燒排放特性，試驗結(jié)果表明，燃用地溝油生物柴油時PM的排放下降了39.0%。

　　(4)將地溝油生物柴油應用于HCCI燃燒模式和PCCI燃燒模式中。相關(guān)研究表明,柴油機在HCCI和PCCI范圍內(nèi)工作,可以減少NOx與PM的排放。Ryan等對HCCI區(qū)域的燃燒作了介紹，采用低溫富氧燃料燃燒技術(shù)對降低柴油機PM排放非常明顯。

     地溝油生物柴油的發(fā)展前景

     與石化柴油相比，地溝油生物柴油不含導致環(huán)境污染的芳香族烷烴，含硫量低、含氧量高，點火性能好，燃燒時排煙少，一氧化碳的排放與石化柴油相比減少約10%。并且，地溝油價格低廉、資源充足，在生產(chǎn)技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟競爭能力強，因此本研究認為地溝油生物柴油是當前石油資源日漸枯竭形勢下最有前途、最有希望的替代燃料。利用地溝油制備生物柴油不僅實現(xiàn)了廢物綜合利用，也提供了一個高效?環(huán)境友好的能源。同時，地溝油的加工工藝和燃料特性決定了地溝油生物柴油未來的研究方向。

    （1）由于地溝油成分復雜，純度低，雜質(zhì)多，導致地溝油生物柴油制備工藝的多樣性和不確定性，因此應對地溝油進行預精制，加大科研投入，尋找更高效的催化劑以縮短反應時間，尋求地溝油生物柴油最優(yōu)的制備工藝，包括簡化工藝條件，工藝流程等。此外，新型反應器?新工藝的開發(fā)以及利用過程強化技術(shù)提高地溝油的轉(zhuǎn)化率也是制備地溝油生物柴油未來的研究方向。

     （2）加強對地溝油生物柴油燃燒特性的研究以及新型柴油機的開發(fā)設計，地溝油作為未來能源的替代油，來源，精煉程度、加工工藝、摻混比例、發(fā)動機的類型等都會影響生物柴油的燃燒特性。盡管大量試驗表明，燃燒地溝油生物柴油不需要對原有的柴油發(fā)動機的結(jié)構(gòu)以及燃料供給系統(tǒng)進行特殊改造，但是，本研究認為，高效的增壓空氣冷卻，優(yōu)化噴油器的噴射系統(tǒng)，新型柴油機的開發(fā)設計將會更有利于發(fā)揮地溝油生物柴油燃燒特性，提高其動力性和經(jīng)濟性。