废弃食用油制成的生物柴油改变了燃烧路径，从而增加了挥发性有机化合物的排放，并减少了农业机械中中间体/半挥发性有机化合物的含量

张帆|黄波|崔俊峰|王毅|万欣怡|韩乐乐|王 Gehui|韩勇|王宇|郭海|崔敏

中国华东师范大学地理科学学院，教育部地理信息科学重点实验室，上海 200241

摘要

近年来，生物柴油因其零碳排放特性而受到广泛关注，尤其是在难以实现电气化的非道路移动源领域。然而，关于混合使用废弃食用油制成的生物柴油对挥发性有机化合物（VOCs）和中/半挥发性有机化合物（I/SVOCs）排放的影响研究较少。因此，本研究对中国典型农业机械排放的有机物质进行了实际测量。结果表明，虽然添加生物柴油有效降低了颗粒物（PM）中的I/SVOCs含量——D100从281 mg（kg燃料）^-1降至B5的152 mg（kg燃料）^-1（减少了46%），B20降至179 mg（kg燃料）^-1（减少了36%）——但同时也导致VOCs排放显著增加，D100从140 mg（kg燃料）^-1增加到B5的217 mg（kg燃料）^-1（增加了55%），B20增加到254 mg（kg燃料）^-1（增加了81%），主要原因是氧化VOCs（OVOCs）和烯烃的含量升高。这种现象可能与生物柴油高酯含量和粘度增加所引起的燃烧路径变化有关。此外，尽管生物柴油可以作为农业机械的有效替代燃料，减少CO₂和PM排放，但VOCs排放的增加导致臭氧形成潜力（OFP）显著上升，B5和B20的OFP分别是D100的1.6倍和1.8倍。鉴于中国及全球臭氧（O₃）浓度持续升高的现状，应谨慎评估使用废弃食用油制成的生物柴油。

引言

气候变化是当今世界面临的最严峻挑战之一，其主要原因是温室气体（GHG）排放量的增加。现有数据显示，75%的全球温室气体排放来自化石燃料的燃烧[1]。因此，过去几十年里，各国都把开发低碳或碳中性替代燃料作为重点。近年来，生物柴油因其低碳甚至零碳排放特性而受到广泛关注。生物柴油主要是通过植物油、动物脂肪和废弃油与甲醇或乙醇的酯交换反应制得的脂肪酸甲酯或乙酯。它具有可再生、可生物降解、润滑性能优异、毒性低以及污染物排放少等优点。此外，生物柴油的十六烷值与传统柴油相当或更高，可以以任意比例与传统柴油混合使用。由于其与柴油燃料的相似性，生物柴油通常无需或只需少量修改发动机即可使用[2]，[3]。同时，其燃烧效率也与传统柴油发动机相当[4]。目前，许多生物质资源丰富的国家正在积极推广生物柴油替代计划。例如，印度尼西亚政府自2022年起强制要求全面使用B35生物柴油（生物柴油混合比例为35%），并已启动B40的公路测试[5]。

随着全球实现碳中和努力的加速，机动车电气化成为减少碳排放的关键策略。然而，非道路移动源的电气化面临复杂操作条件的挑战，导致这些领域的电气化率相对较低。因此，对于许多希望实现这些移动源碳中和的国家及地区来说，采用低碳或零碳燃料变得至关重要，包括农业机械、船舶和建筑设备。非道路移动源是中国空气污染物的重要来源之一。2022年的统计数据显示，非道路移动源的PM排放量是机动车总PM排放量的4.4倍。这些来源的NOₓ排放量几乎与机动车相当（分别为474.2万吨和526.7万吨），HC排放量占机动车总HC排放量的22.3%[6]。其中，农业机械贡献了超过三分之一的各种污染物，尤其是HC排放量最高，达到48.2%[6]，使其成为最大的非道路移动污染源。考虑到中国计划在2030年前达到碳峰值并在2060年前实现碳中和，将生物柴油作为非道路柴油机械的替代燃料是一个重要的发展趋势。

目前，关于生物柴油使用影响的研究主要集中在不同比例的生物柴油与传统柴油混合对发动机性能参数[7]、[8]、[9]、[10]以及排气气体中污染物排放水平（如CO₂、CO、NOₓ、SO₂、THC和PM）[1]、[9]、[10]、[12]、[13]、[14]、[14]、[15]的影响上。尽管大多数研究发现生物柴油可以减少碳氢化合物（HC）排放[10]、[12]、[13]，但有些研究却报告生物柴油混合物的HC排放量反而增加[16]、[17]。因此，生物柴油添加对HC排放的影响仍存在不确定性。一些研究还指出，用生物柴油替代传统柴油可能导致有机碳（OC）、某些多环芳烃（PAHs）、挥发性有机化合物（VOCs）和羰基化合物（Carbonyl compounds）的排放增加[18]、[19]、[20]。虽然多项研究探讨了生物柴油对农业机械污染物排放的影响[4]、[8]、[13]、[14]、[21]、[22]，但很少有研究考察生物柴油添加对特定有机成分的影响，特别是颗粒相中VOCs和中/半挥发性有机化合物（I/SVOCs）的排放水平和化学组成。据我们所知，目前尚无研究系统地描述了在实际运行条件下，使用废弃食用油制成的生物柴油混合物（B5和B20）的VOCs和I/SVOCs排放水平和特征。这一知识空白至关重要，因为VOCs和I/SVOCs是臭氧和二次有机气溶胶（SOA）的关键前体，它们对中国PM₂.5和O₃污染有显著影响。全面了解生物柴油使用对VOCs和I/SVOCs的影响对于评估空气质量影响和制定未来政策措施至关重要。

因此，本研究选择了中国五种典型的农业机械，并在不同的排放标准下进行测试。这些机械使用了三种类型的燃料：纯柴油（D100）、含5%废弃食用油的柴油混合物（B5）和含20%废弃食用油的柴油混合物（B20）。对排气气体中的101种VOCs和颗粒物中的116种有机成分进行了全面分析。本研究的主要目标是：（1）系统地描述使用D100、B5和B20燃料的农业机械排放的VOCs和I/SVOCs的排放因子和化学特征；（2）阐明生物柴油添加如何改变VOCs和I/SVOCs的形成路径；（3）评估测量到的有机排放物的臭氧形成潜力（OFP）和二次有机气溶胶形成潜力（SOAFP）；（4）估算不同生物柴油采用情景下中国农业机械行业的全国范围排放影响。本研究的结果旨在为评估生物柴油作为非道路移动源低碳替代燃料的可行性提供重要数据和科学依据。

章节摘录

测试的农业机械

本研究选择了五种不同类型和排放标准的拖拉机和收割机进行现场排气排放测量。测试农业机械的详细规格见表1。根据《中国移动源环境管理年度报告（2023）》，2022年农业机械的碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放量分别占总排放量的48.2%、34.9%和39.6%

生物柴油使用对传统气态污染物和PM的影响

本研究在不同比例生物柴油添加条件下农业机械的传统气态和PM排放因子见表2和图S2。关于传统气态污染物排放因子变化的详细讨论见文本S5。简而言之，随着生物柴油混合比例的增加，CO₂排放量呈明显下降趋势；CO和NOₓ排放量最初略有上升，随后显著下降

环境影响与局限性

根据本研究的数据，虽然生物柴油可以作为农业机械的有效替代燃料，减少CO₂和PM排放，但它显著增加了VOCs排放，导致OFP明显上升。鉴于中国及全球目前持续的O₃浓度升高，在广泛采用之前应谨慎评估使用废弃食用油制成的生物柴油。然而，考虑到本研究的观察性质

环境影响

废弃食用油制成的生物柴油显著减少了农业机械的颗粒物（PM）和CO₂排放。然而，它显著增加了挥发性有机化合物（VOCs）的排放，尤其是醛类和烯烃。因此，B5和B20的臭氧形成潜力（OFP）是D100的1.6-1.8倍。根据我们的初步发现，在臭氧污染严重的地区，这种权衡需要仔细评估。

资金支持

本研究得到了国家自然科学基金（42377096和42207131）的支持。

CRediT作者贡献声明

韩勇：方法论、资金获取。王 Gehui：写作——审稿与编辑、项目管理、概念构思。王宇：监督、概念构思。崔敏：写作——审稿与编辑、项目管理、概念构思。郭海：监督、概念构思。黄波：方法论、调查、数据管理。张帆：写作——初稿撰写、项目管理、资金获取、概念构思。王毅：方法论、调查。崔俊峰：形式化工作

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。