本文圍繞2022年度上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)項(xiàng)目“餐廢油脂生物柴油制備及車用關(guān)鍵技術(shù)”展開，該獎(jiǎng)項(xiàng)由同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所樓狄明教授領(lǐng)銜獲得。

2017年11月某日下午，貨車司機(jī)劉師傅駛?cè)肷虾Ｊ蟹钯t區(qū)的一處加油站。劉師傅是這家加油站的常客了，很快便發(fā)現(xiàn)了新標(biāo)識(shí)：綠底白字的“B5柴油”以及下方“便宜0.3元/升”的字樣。精打細(xì)算的劉師傅很是感興趣，但心中也有疑慮，便詢問工作人員詳細(xì)情況。后者告訴他，B5柴油是生物柴油，性能上和普通柴油一樣，更加環(huán)保，現(xiàn)在剛試點(diǎn)推廣，所以便宜。吃了定心丸的劉師傅便嘗試了這種新柴油，加滿一箱算下來比加普通柴油便宜了小二十元。

送完貨后，劉師傅在司機(jī)群里跟同行們交流了這個(gè)事兒，大多數(shù)群友都表示想試試，但也有群友提出疑問：聽說這B5柴油用的是地溝油，用多了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不好，省下來的油錢到時(shí)候都不一定夠修車。

那么，B5柴油到底是什么？真的是用地溝油做的嗎？B5柴油真的會(huì)損害發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？

B5柴油就是將生物柴油（從動(dòng)物油、植物油等生物油中提煉出的燃料油，屬于可再生能源）與石化柴油（從原油中提煉出的燃料油，屬于不可再生能源）按1：19的比例（也即生物柴油占5%）調(diào)和得到的一種新型燃油。

有人可能會(huì)好奇：柴油用得好好的，為啥要摻生物柴油呢？原因主要是兩個(gè)：一是能源安全；二是減碳環(huán)保。

石油號(hào)稱“工業(yè)的血液”，對(duì)工業(yè)時(shí)代的人類社會(huì)重要性不言而喻。然而，石油是一種不可再生能源，用完了就沒了，而且在地球上的分布很不均勻，有些地區(qū)“富得流油”，而有些則真是“沒有一點(diǎn)油水”。這樣的客觀情況導(dǎo)致全球石油價(jià)格經(jīng)常大幅波動(dòng)，在遭遇俄烏沖突這樣的政治問題時(shí)，石油進(jìn)口國(guó)更是會(huì)感受到能源保障性差的痛楚。而生物柴油就沒有這個(gè)問題。

另一方面，生物柴油在燃燒性能不遜于石化柴油的前提下環(huán)保表現(xiàn)遠(yuǎn)勝后者。據(jù)估計(jì)，相比石化柴油，燃燒1噸生物柴油可減排2噸左右二氧化碳。另外，生物柴油排放的有害物質(zhì)（顆粒物、一氧化碳等）也比石化柴油少得多，且具有更好的潤(rùn)滑效果?？偠灾啾仁裼?，生物柴油更環(huán)保，也更有保障。

在這樣的背景下，生物燃料迅速在全球推廣開來，比如歐洲早在2009年就頒布并實(shí)施了《可再生能源指令》（RED），并于2018年修訂（RED II），規(guī)定在2030年前將地面交通中生物燃料的使用比例提高到14%。中國(guó)作為全球最大的石油進(jìn)口國(guó)之一，自然也相當(dāng)重視生物燃料的發(fā)展。不過，中國(guó)同時(shí)也是食用油使用大國(guó)，常見的生物燃料原料棕櫚油、大豆、菜籽等均須依靠大量進(jìn)口方能滿足國(guó)民使用需求，沒有多少余量用于生產(chǎn)生物燃料。因此，在生物柴油“不與人爭(zhēng)糧”的原則下，餐廢油脂就成了中國(guó)生產(chǎn)生物柴油的重要原料。

嚴(yán)格來說，餐廢油脂包含煎炸廢油、泔水油、地溝油等多個(gè)類別，其中以地溝油衛(wèi)生狀況最為惡劣，并且曾引發(fā)公眾的食品安全恐慌，于是，在目前的大眾語境下，地溝油基本上和餐廢油脂畫上了等號(hào)。而劉師傅加的B5柴油中摻混的生物柴油正是由餐廢油脂制成，所以的確可以說B5柴油在生產(chǎn)過程中用到了地溝油。那么，B5柴油真的會(huì)損害車輛嗎？

首先，燃油品質(zhì)不佳確實(shí)會(huì)損害車輛，而地溝油總是與“臟”“臭”聯(lián)系在一起，怎么也和高品質(zhì)不沾邊，所以老司機(jī)們的擔(dān)心并非空穴來風(fēng)、杞人憂天。不過，經(jīng)過充分提煉、加工、處理的地溝油制成的生物柴油完全能滿足車用的品質(zhì)要求，這當(dāng)然離不開技術(shù)研發(fā)人員的努力。

早在2006年，現(xiàn)同濟(jì)大學(xué)教授、汽車學(xué)院汽車發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)樓狄明參與的國(guó)家“十一五”863課題“生物柴油組分及汽車匹配技術(shù)研發(fā)”就攻克了生物柴油混合柴油燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的關(guān)鍵技術(shù)。這樣一來，就無須為生物柴油專門研發(fā)相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)了，直接給原來就使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛加摻了生物柴油的新油即可。而且，相比傳統(tǒng)石化柴油，這種新燃料在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損耗方面表現(xiàn)都不遜色。因此，這個(gè)課題的成果“混合柴油燃料車用關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”榮獲了2012年度上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

在實(shí)驗(yàn)室中證明生物柴油可行后，上海市前后有50輛公交車在2013年12月至2014年10月間試點(diǎn)使用“地溝油柴油”。試點(diǎn)結(jié)果令人欣喜：混合了“地溝油”的新柴油，油耗僅比純石化柴油多 1%~3%；保證車輛動(dòng)力不減的前提下，新柴油一氧化碳等污染物排放量都更低，顆粒物排放則少了近一成；此外，使用混合柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部、氣門、噴油器等關(guān)鍵零部件表面都沒有積碳，也未出現(xiàn)與油路相關(guān)的故障?？梢哉f，這種新型生物柴油完全符合“性能不減、更加綠色”的期待。2017年，B5生物柴油正式亮相上海社會(huì)加油站。截至2023年年中，上海全市供應(yīng)B5生物柴油的社會(huì)加油站已近300座，累計(jì)供應(yīng)180余萬噸，平均而言，每4輛柴油車中至少有一輛加了B5生物柴油。另外，在供應(yīng)B5生物柴油的加油站中，這種環(huán)保柴油的加油量占到了全部柴油使用量的1/3以上。

毫無疑問，這種脫胎于地溝油的環(huán)保燃料經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)。如今，司機(jī)師傅們加B5柴油已不像2017年劉師傅的同行那樣疑慮重重，越來越多的司機(jī)師傅選擇了性能不減、價(jià)格實(shí)惠的B5生物柴油。

不過，B5生物柴油之所以能保持每升0.3元的價(jià)格優(yōu)惠，主要還是來自政策補(bǔ)貼。要想進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模，甚至全面取代純石化柴油，生物柴油還需進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)過程、降低生產(chǎn)成本，真正在價(jià)格方面取得優(yōu)勢(shì)。

在這樣的背景下，在生物柴油領(lǐng)域耕耘多年的樓狄明同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“餐廢油脂生物柴油制備及車用關(guān)鍵技術(shù)”，為生物柴油的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)也榮獲2022年度上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

說到這里，很多讀者或許有疑問：一桶原油動(dòng)輒近百美元，而地溝油可以說幾乎不要錢，怎么以地溝油為原料的生物柴油成本還降不下來呢？沒錯(cuò)，地溝油本身確實(shí)沒幾個(gè)錢，可回收、處置地溝油，使其達(dá)到足以生產(chǎn)生物柴油的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，那可就代價(jià)不菲了。其中最關(guān)鍵的問題是：地溝油與地溝油之間的差距實(shí)在是太大了。地溝油誕生于各大餐廳飯館的廚房，而廚房環(huán)境的多樣性可就大了去了。畢竟，麻辣香鍋產(chǎn)生的廢油能和糖醋排骨、黃燜雞一樣嗎？每道菜產(chǎn)生的廢油各不相同，它們互相混合產(chǎn)生的地溝油就更是千差萬別了?？梢哉f，每一桶地溝油都是一個(gè)新世界。另一方面，作為合格的車用油，必須具有穩(wěn)定、均一的化學(xué)性質(zhì)，適用于所有發(fā)動(dòng)機(jī)。這種原料多樣性與產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化需求之間的矛盾就是餐廢油脂生物柴油生產(chǎn)過程中的“一致性”制備難題。

從化學(xué)角度上說，地溝油多樣性的一大具體表現(xiàn)就是酸值波動(dòng)極大。而合格的成品生物柴油必須將酸值降低至一定程度以下，否則就可能腐蝕車輛部件。為此，樓狄明團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地在反應(yīng)過程中摻雜納米級(jí)金屬氧化物，強(qiáng)化催化劑活性成分的粘附力，從而適應(yīng)餐廢油脂的巨大酸值波動(dòng)，同時(shí)也提高了催化劑的活性、選擇性和使用壽命。

與此同時(shí)，樓狄明團(tuán)隊(duì)還在生產(chǎn)流程上發(fā)力，首創(chuàng)了全連續(xù)、全自動(dòng)、一體化、分步式四塔聯(lián)蒸餐廢油脂制車用生物柴油成套技術(shù)，通過多級(jí)處理、空間酯化、智能精餾、在線調(diào)和等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜來源餐廢油脂全過程連續(xù)化、自動(dòng)化高質(zhì)量生產(chǎn)。

樓狄明團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)的四塔聯(lián)蒸生物柴油成套技術(shù)

這樣一來，無論地溝油來自哪里，無論地溝油的前身是哪道菜，無論地溝油和哪種調(diào)味劑、洗潔劑混在了一起，只要進(jìn)入了樓狄明團(tuán)隊(duì)的這一套生產(chǎn)流程，只要使用了團(tuán)隊(duì)的特制催化劑，就能得到品質(zhì)穩(wěn)定、一致的生物柴油。

解決了油料的問題之后，樓狄明團(tuán)隊(duì)又在生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的用油方式上下了大力氣。

團(tuán)隊(duì)成員胡志遠(yuǎn)說：“車用生物柴油在使用過程中應(yīng)用比例靈活，柴油機(jī)工況瞬變，導(dǎo)致生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)‘噴油控制自適應(yīng)難、靈活比例高效燃燒難、PM與NOx排放協(xié)同控制難’等痛點(diǎn)。”

發(fā)動(dòng)機(jī)要做到高效運(yùn)轉(zhuǎn)，精準(zhǔn)噴油、油料高效燃燒是關(guān)鍵。在實(shí)際使用中，生物柴油總是與石化柴油混合使用，且混合比例靈活，再加上柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況瞬息萬變，這就對(duì)精準(zhǔn)噴油提出了更高要求，也就是“噴油控制自適應(yīng)難”問題。為此，樓狄明團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出根據(jù)生物柴油比例和柴油機(jī)工作狀況在線調(diào)整噴油的想法，發(fā)明了多模型耦合的生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)燃料噴射控制方法，通過采集燃油溫度、冷卻液溫度、車速、油門位置等多源傳感器信號(hào)，進(jìn)行多模型耦合，在線調(diào)整噴油控制策略，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定點(diǎn)、定量精準(zhǔn)噴油。簡(jiǎn)單來說，就是通過放置在全車各關(guān)鍵部位的傳感器持續(xù)實(shí)時(shí)收集各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，匯總到處理器后，由后者根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出最佳噴油方案再反饋給各部件執(zhí)行。

樓狄明團(tuán)隊(duì)提出的多模型耦合自適應(yīng)燃料噴射控制方法

另外，同樣是因?yàn)榛旌媳壤`活的原因，生物柴油要做到高效燃燒也更為困難。團(tuán)隊(duì)成員王忠表示，這個(gè)困難的核心在于“燃燒模式控制”。為此，樓狄明團(tuán)隊(duì)首先做了靈活比例生物柴油燃燒基礎(chǔ)研究，從而認(rèn)清了靈活比例生物柴油“微爆破碎”和“復(fù)合火焰?zhèn)鞑ァ钡谋举|(zhì)，并在此基礎(chǔ)上提出了“活性預(yù)混主導(dǎo)、含氧基團(tuán)催化、多點(diǎn)著火擴(kuò)散、湍流燃燒可控”的高效燃燒模式，提高了靈活比例生物柴油燃燒效率。

樓狄明團(tuán)隊(duì)提出的靈活比例生物柴油高效燃燒模式

生物柴油及發(fā)動(dòng)機(jī)自身特性帶來的另一個(gè)問題就是顆粒物（PM）與氮氧化物（NOx）排放協(xié)同控制難。樓狄明表示，這一難題的核心是“PM和NOx排放此消彼長(zhǎng)的矛盾”，也就是說，PM排得少了NOx排得就多了，NOx排得少了PM排得就多了。我們知道，PM和NOx都是汽車排放的主要污染物，必須都做到盡可能少排才能滿足綠色環(huán)保的要求，否則，生物柴油的綠色優(yōu)勢(shì)就會(huì)大打折扣。

為了解決這個(gè)問題，樓狄明團(tuán)隊(duì)提出了以NO2為調(diào)控介質(zhì)，解耦PM和NOx控制矛盾的想法，獨(dú)創(chuàng)了靈活比例生物柴油后處理系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)，提高了尾氣凈化系統(tǒng)對(duì)生物柴油比例和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒情況的適應(yīng)性，同時(shí)降低PM與NOx排放。

樓狄明團(tuán)隊(duì)獨(dú)創(chuàng)的靈活比例生物柴油后處理系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)

此外，為了保證車輛硬件能夠滿足生物柴油的使用需要，樓狄明團(tuán)隊(duì)還通過技術(shù)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件顯著提升了燃料供給系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及后處理系統(tǒng)的可靠性，從而保證使用靈活比例生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛能累計(jì)可靠運(yùn)行上億公里。

可以說，樓狄明團(tuán)隊(duì)從油料本身、用油方式、配套硬件升級(jí)等方面入手，系統(tǒng)性解決了從地溝油到生物柴油投入實(shí)際使用的一系列難題，為餐廢油脂生物柴油的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在全球減排、能源危機(jī)日益凸顯的大背景下，生物柴油越發(fā)受到全球各國(guó)的青睞。從原料角度看，生物柴油原料大約75%為植物油，具體來說，棕櫚油占比約為30%，豆油占比約25%，菜籽油占比約20%。而以餐廢油脂為原料制成的生物柴油大約只占20%。許多國(guó)家并不用餐廢油脂作為生產(chǎn)生物柴油的原料?？v觀全球，只有中國(guó)、日本以及少部分歐盟國(guó)家以餐廢油脂為原料。

然而，以植物油為原料，從道德和環(huán)保兩個(gè)維度來講，都比不上以餐廢油脂為原料。首先，從道德角度上說，大豆、菜籽等農(nóng)作物的生產(chǎn)初衷都是供人食用，在全球仍有六七億人面臨饑饉的前提下，用植物榨油進(jìn)而生產(chǎn)生物柴油，顯然存在道德方面的隱憂，并且也確實(shí)有可能威脅到糧食安全，也即“糧與油”的矛盾。其次，從環(huán)保角度上說。種植經(jīng)濟(jì)作物，尤其是大規(guī)模種植油料作物，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致土地使用方式的變化，比如砍伐森林使其變成耕地，這顯然也與減排的初衷背道而馳。而以餐廢油脂為原料生產(chǎn)生物柴油則完全沒有這兩方面的擔(dān)心，同時(shí)還能進(jìn)一步保障食品安全。

實(shí)際上，生物柴油的最大市場(chǎng)歐盟已經(jīng)意識(shí)到了這個(gè)問題，并且付諸法令。例如，《可再生能源指令》提倡以廢棄物、非食物纖維或木質(zhì)纖維為原料生產(chǎn)生物燃料，規(guī)定以這些原料生產(chǎn)的生物柴油可享受雙倍積分。《可再生能源指令》修正案則明確提出限制直接使用糧食和飼料生產(chǎn)生物柴油，并且最晚到2030年逐步在生物柴油原料中淘汰棕櫚油。

綜上，我們完全可以得到一個(gè)結(jié)論：柴油市場(chǎng)的未來發(fā)展方向在生物柴油，而生物柴油的未來發(fā)展方向必然是以餐廢油脂等非糧產(chǎn)品為原料。從這個(gè)角度上說，樓狄明團(tuán)隊(duì)的“餐廢油脂生物柴油制備及車用關(guān)鍵技術(shù)”成果對(duì)整個(gè)生物柴油研發(fā)領(lǐng)域都有重要且深遠(yuǎn)的影響，并且具備相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，是“產(chǎn)學(xué)研用”的一大經(jīng)典案例。