地沟油“上天”记
本文围绕2022年度上海市科技进步奖一等奖项目“餐废油脂生物柴油制备及车用关键技术”展开，该奖项由同济大学汽车学院汽车发动机设计研究所楼狄明教授领衔获得。
2017年11月某日下午，货车司机刘师傅驶入上海市奉贤区的一处加油站。刘师傅是这家加油站的常客了，很快便发现了新标识：绿底白字的“B5柴油”以及下方“便宜0.3元/升”的字样。精打细算的刘师傅很是感兴趣，但心中也有疑虑，便询问工作人员详细情况。后者告诉他，B5柴油是生物柴油，性能上和普通柴油一样，更加环保，现在刚试点推广，所以便宜。吃了定心丸的刘师傅便尝试了这种新柴油，加满一箱算下来比加普通柴油便宜了小二十元。
送完货后，刘师傅在司机群里跟同行们交流了这个事儿，大多数群友都表示想试试，但也有群友提出疑问：听说这B5柴油用的是地沟油，用多了对发动机不好，省下来的油钱到时候都不一定够修车。
那么，B5柴油到底是什么？真的是用地沟油做的吗？B5柴油真的会损害发动机吗？
B5柴油就是将生物柴油（从动物油、植物油等生物油中提炼出的燃料油，属于可再生能源）与石化柴油（从原油中提炼出的燃料油，属于不可再生能源）按1：19的比例（也即生物柴油占5%）调和得到的一种新型燃油。
有人可能会好奇：柴油用得好好的，为啥要掺生物柴油呢？原因主要是两个：一是能源安全；二是减碳环保。
石油号称“工业的血液”，对工业时代的人类社会重要性不言而喻。然而，石油是一种不可再生能源，用完了就没了，而且在地球上的分布很不均匀，有些地区“富得流油”，而有些则真是“没有一点油水”。这样的客观情况导致全球石油价格经常大幅波动，在遭遇俄乌冲突这样的政治问题时，石油进口国更是会感受到能源保障性差的痛楚。而生物柴油就没有这个问题。
另一方面，生物柴油在燃烧性能不逊于石化柴油的前提下环保表现远胜后者。据估计，相比石化柴油，燃烧1吨生物柴油可减排2吨左右二氧化碳。另外，生物柴油排放的有害物质（颗粒物、一氧化碳等）也比石化柴油少得多，且具有更好的润滑效果。总而言之，相比石化柴油，生物柴油更环保，也更有保障。
在这样的背景下，生物燃料迅速在全球推广开来，比如欧洲早在2009年就颁布并实施了《可再生能源指令》（RED），并于2018年修订（RED II），规定在2030年前将地面交通中生物燃料的使用比例提高到14%。中国作为全球最大的石油进口国之一，自然也相当重视生物燃料的发展。不过，中国同时也是食用油使用大国，常见的生物燃料原料棕榈油、大豆、菜籽等均须依靠大量进口方能满足国民使用需求，没有多少余量用于生产生物燃料。因此，在生物柴油“不与人争粮”的原则下，餐废油脂就成了中国生产生物柴油的重要原料。
严格来说，餐废油脂包含煎炸废油、泔水油、地沟油等多个类别，其中以地沟油卫生状况最为恶劣，并且曾引发公众的食品安全恐慌，于是，在目前的大众语境下，地沟油基本上和餐废油脂画上了等号。而刘师傅加的B5柴油中掺混的生物柴油正是由餐废油脂制成，所以的确可以说B5柴油在生产过程中用到了地沟油。那么，B5柴油真的会损害车辆吗？
首先，燃油品质不佳确实会损害车辆，而地沟油总是与“脏”“臭”联系在一起，怎么也和高品质不沾边，所以老司机们的担心并非空穴来风、杞人忧天。不过，经过充分提炼、加工、处理的地沟油制成的生物柴油完全能满足车用的品质要求，这当然离不开技术研发人员的努力。
早在2006年，现同济大学教授、汽车学院汽车发动机设计研究所所长楼狄明参与的国家“十一五”863课题“生物柴油组分及汽车匹配技术研发”就攻克了生物柴油混合柴油燃料与发动机匹配的关键技术。这样一来，就无须为生物柴油专门研发相应发动机了，直接给原来就使用柴油发动机的车辆加掺了生物柴油的新油即可。而且，相比传统石化柴油，这种新燃料在经济性、动力性和对发动机的损耗方面表现都不逊色。因此，这个课题的成果“混合柴油燃料车用关键技术及应用”荣获了2012年度上海市科技进步一等奖。
在实验室中证明生物柴油可行后，上海市前后有50辆公交车在2013年12月至2014年10月间试点使用“地沟油柴油”。试点结果令人欣喜：混合了“地沟油”的新柴油，油耗仅比纯石化柴油多 1%~3%；保证车辆动力不减的前提下，新柴油一氧化碳等污染物排放量都更低，颗粒物排放则少了近一成；此外，使用混合柴油的发动机活塞顶部、气门、喷油器等关键零部件表面都没有积碳，也未出现与油路相关的故障。可以说，这种新型生物柴油完全符合“性能不减、更加绿色”的期待。2017年，B5生物柴油正式亮相上海社会加油站。截至2023年年中，上海全市供应B5生物柴油的社会加油站已近300座，累计供应180余万吨，平均而言，每4辆柴油车中至少有一辆加了B5生物柴油。另外，在供应B5生物柴油的加油站中，这种环保柴油的加油量占到了全部柴油使用量的1/3以上。
毫无疑问，这种脱胎于地沟油的环保燃料经受住了实践的检验。如今，司机师傅们加B5柴油已不像2017年刘师傅的同行那样疑虑重重，越来越多的司机师傅选择了性能不减、价格实惠的B5生物柴油。
不过，B5生物柴油之所以能保持每升0.3元的价格优惠，主要还是来自政策补贴。要想进一步扩大市场规模，甚至全面取代纯石化柴油，生物柴油还需进一步优化生产过程、降低生产成本，真正在价格方面取得优势。
在这样的背景下，在生物柴油领域耕耘多年的楼狄明同济大学团队研发了“餐废油脂生物柴油制备及车用关键技术”，为生物柴油的进一步产业化发展奠定了坚实的技术基础，同时也荣获2022年度上海市科技进步奖一等奖。
说到这里，很多读者或许有疑问：一桶原油动辄近百美元，而地沟油可以说几乎不要钱，怎么以地沟油为原料的生物柴油成本还降不下来呢？没错，地沟油本身确实没几个钱，可回收、处置地沟油，使其达到足以生产生物柴油的品质标准，那可就代价不菲了。其中最关键的问题是：地沟油与地沟油之间的差距实在是太大了。地沟油诞生于各大餐厅饭馆的厨房，而厨房环境的多样性可就大了去了。毕竟，麻辣香锅产生的废油能和糖醋排骨、黄焖鸡一样吗？每道菜产生的废油各不相同，它们互相混合产生的地沟油就更是千差万别了。可以说，每一桶地沟油都是一个新世界。另一方面，作为合格的车用油，必须具有稳定、均一的化学性质，适用于所有发动机。这种原料多样性与产品标准化需求之间的矛盾就是餐废油脂生物柴油生产过程中的“一致性”制备难题。
从化学角度上说，地沟油多样性的一大具体表现就是酸值波动极大。而合格的成品生物柴油必须将酸值降低至一定程度以下，否则就可能腐蚀车辆部件。为此，楼狄明团队创新地在反应过程中掺杂纳米级金属氧化物，强化催化剂活性成分的粘附力，从而适应餐废油脂的巨大酸值波动，同时也提高了催化剂的活性、选择性和使用寿命。
与此同时，楼狄明团队还在生产流程上发力，首创了全连续、全自动、一体化、分步式四塔联蒸餐废油脂制车用生物柴油成套技术，通过多级处理、空间酯化、智能精馏、在线调和等技术实现了复杂来源餐废油脂全过程连续化、自动化高质量生产。
楼狄明团队首创的四塔联蒸生物柴油成套技术
这样一来，无论地沟油来自哪里，无论地沟油的前身是哪道菜，无论地沟油和哪种调味剂、洗洁剂混在了一起，只要进入了楼狄明团队的这一套生产流程，只要使用了团队的特制催化剂，就能得到品质稳定、一致的生物柴油。
解决了油料的问题之后，楼狄明团队又在生物柴油发动机的用油方式上下了大力气。
团队成员胡志远说：“车用生物柴油在使用过程中应用比例灵活，柴油机工况瞬变，导致生物柴油发动机‘喷油控制自适应难、灵活比例高效燃烧难、PM与NOx排放协同控制难’等痛点。”
发动机要做到高效运转，精准喷油、油料高效燃烧是关键。在实际使用中，生物柴油总是与石化柴油混合使用，且混合比例灵活，再加上柴油发动机工作状况瞬息万变，这就对精准喷油提出了更高要求，也就是“喷油控制自适应难”问题。为此，楼狄明团队创新地提出根据生物柴油比例和柴油机工作状况在线调整喷油的想法，发明了多模型耦合的生物柴油发动机自适应燃料喷射控制方法，通过采集燃油温度、冷却液温度、车速、油门位置等多源传感器信号，进行多模型耦合，在线调整喷油控制策略，从而实现定时、定点、定量精准喷油。简单来说，就是通过放置在全车各关键部位的传感器持续实时收集各项关键数据，汇总到处理器后，由后者根据数据计算出最佳喷油方案再反馈给各部件执行。
楼狄明团队提出的多模型耦合自适应燃料喷射控制方法
另外，同样是因为混合比例灵活的原因，生物柴油要做到高效燃烧也更为困难。团队成员王忠表示，这个困难的核心在于“燃烧模式控制”。为此，楼狄明团队首先做了灵活比例生物柴油燃烧基础研究，从而认清了灵活比例生物柴油“微爆破碎”和“复合火焰传播”的本质，并在此基础上提出了“活性预混主导、含氧基团催化、多点着火扩散、湍流燃烧可控”的高效燃烧模式，提高了灵活比例生物柴油燃烧效率。
楼狄明团队提出的灵活比例生物柴油高效燃烧模式
生物柴油及发动机自身特性带来的另一个问题就是颗粒物（PM）与氮氧化物（NOx）排放协同控制难。楼狄明表示，这一难题的核心是“PM和NOx排放此消彼长的矛盾”，也就是说，PM排得少了NOx排得就多了，NOx排得少了PM排得就多了。我们知道，PM和NOx都是汽车排放的主要污染物，必须都做到尽可能少排才能满足绿色环保的要求，否则，生物柴油的绿色优势就会大打折扣。
为了解决这个问题，楼狄明团队提出了以NO2为调控介质，解耦PM和NOx控制矛盾的想法，独创了灵活比例生物柴油后处理系统自适应控制技术，提高了尾气净化系统对生物柴油比例和发动机燃烧情况的适应性，同时降低PM与NOx排放。
楼狄明团队独创的灵活比例生物柴油后处理系统自适应控制技术
此外，为了保证车辆硬件能够满足生物柴油的使用需要，楼狄明团队还通过技术改进发动机关键零部件显著提升了燃料供给系统、燃烧系统、排气系统及后处理系统的可靠性，从而保证使用灵活比例生物柴油发动机的车辆能累计可靠运行上亿公里。
可以说，楼狄明团队从油料本身、用油方式、配套硬件升级等方面入手，系统性解决了从地沟油到生物柴油投入实际使用的一系列难题，为餐废油脂生物柴油的进一步产业化奠定了坚实的基础。
在全球减排、能源危机日益凸显的大背景下，生物柴油越发受到全球各国的青睐。从原料角度看，生物柴油原料大约75%为植物油，具体来说，棕榈油占比约为30%，豆油占比约25%，菜籽油占比约20%。而以餐废油脂为原料制成的生物柴油大约只占20%。许多国家并不用餐废油脂作为生产生物柴油的原料。纵观全球，只有中国、日本以及少部分欧盟国家以餐废油脂为原料。
然而，以植物油为原料，从道德和环保两个维度来讲，都比不上以餐废油脂为原料。首先，从道德角度上说，大豆、菜籽等农作物的生产初衷都是供人食用，在全球仍有六七亿人面临饥馑的前提下，用植物榨油进而生产生物柴油，显然存在道德方面的隐忧，并且也确实有可能威胁到粮食安全，也即“粮与油”的矛盾。其次，从环保角度上说。种植经济作物，尤其是大规模种植油料作物，势必会导致土地使用方式的变化，比如砍伐森林使其变成耕地，这显然也与减排的初衷背道而驰。而以餐废油脂为原料生产生物柴油则完全没有这两方面的担心，同时还能进一步保障食品安全。
实际上，生物柴油的最大市场欧盟已经意识到了这个问题，并且付诸法令。例如，《可再生能源指令》提倡以废弃物、非食物纤维或木质纤维为原料生产生物燃料，规定以这些原料生产的生物柴油可享受双倍积分。《可再生能源指令》修正案则明确提出限制直接使用粮食和饲料生产生物柴油，并且最晚到2030年逐步在生物柴油原料中淘汰棕榈油。
综上，我们完全可以得到一个结论：柴油市场的未来发展方向在生物柴油，而生物柴油的未来发展方向必然是以餐废油脂等非粮产品为原料。从这个角度上说，楼狄明团队的“餐废油脂生物柴油制备及车用关键技术”成果对整个生物柴油研发领域都有重要且深远的影响，并且具备相当广阔的市场应用前景，是“产学研用”的一大经典案例。