tài liệu môn học động cơ sử dụng nguyên liệu mới

1

Mục lục

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU THAY THẾ 4
1.1. Một số thông số đặc trưng của nhiên liệu động cơ đốt trong 4
1.1.1. Chỉ số cetan. 4
1.1.2. Chỉ số octan. 4
1.1.3. Nhiệt trị của nhiên liệu. 4
1.2. Nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ 4
1.2.1. Nhiên liệu LPG 4
1.2.2. Nhiên liệu CNG 10
1.3. Nhiên liêu có nguồn gốc sinh học 12
1.3.1. Nhiên liệu biogas 12
1.3.2. Nhiên liệu biodiesel 19
1.3.3. Nhiên liệu Ethanol 20
CHƯƠNG 2: ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU LPG-CNG 32
2.1. Đặc điểm chung của động cơ dùng nhiên liệu LPG: 32
2.1.1. Momen, công suất động cơ. 32
2.1.2. Suất tiêu hao nhiên liệu. 32
2.1.3. Mức độ phát ô nhiễm. 32
2.1.4. Tính an toàn và tuổi thọ động cơ. 33
2.2. Phương án cung cấp nhiên liệu LPG cho động cơ 33
2.2.1. Cung cấp nhiên liệu LPG dạng khí dùng bộ chế hòa khí 34
2.2.2. Cung cấp nhiên liệu LPG dạng phun nhiên liệu 38
2.3. Các phương án điều khiển cung cấp LPG 40
2.3.1. Hệ thống cơ học, điều khiển điện 40
2.3.2. Hệ thống cơ học, điều khiển điện tử và chất xúc tác. 41
2.3.3. Hệ thống phun LPG điều khiển điện tử 42
2.3.4. Phun theo chu kỳ độc lập 43
2

2.4. Đặc điểm kết cấu phương án cung cấp LPG cho xe máy 43
2.4.1. Hệ thống nhiên liệu cho xe gắn máy chỉ sử dụng LPG 44
2.4.2. Hệ thống nhiên liệu cho xe gắn máy sử dụng hai nhiên liệu (LPG/xăng): 46
2.5. Đặc điểm kết cấu phương án cung cấp LPG cho ô tô dùng họng Ventury 48
2.5.1. Sơ đồ nguyên lý 48
2.5.2. Các cụm chi tiết chính 49
2.6. Đặc điểm kết cấu phương án cung cấp LPG dùng hệ thống phun điều khiển
điện tử 54
2.6.1. Sơ đồ nguyên lý 54
2.6.2. Nguyên lý điều khiển 55
2.6.3. Các chi tiết chính 56
2.7. Đặc điểm kết cấu phương án phun CNG điều khiển điện tử 62
2.7.1. Sơ đồ nguyên lý 62
2.7.2. Các cụm chi tiết chính 62
CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS 66
3.1. Đặc điểm của động cơ tĩnh tại chạy bằng biogas 66
3.2. Các phương án cung cấp biogas cho động cơ tĩnh tại 66
3.2.1. Van tiết lưu cơ khí 66
3.2.2. Van công suất kiểu chân không 68
3.2.3. Hệ thống hai van chân không 69
3.2.4. Hệ thống ba van chức năng với van làm đậm kiểu cơ khí 70
3.2.5. Hệ thống biogas/xăng độc lập với bộ điều tốc điện từ 71
3.2.6. Hệ thống phối hợp xăng/biogas với bộ điều tốc điện từ 72
3.2.7. Hệ thống xăng/biogas độc lập với van làm đậm kết hợp van công suất. 73
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DÙNG NHIÊN
LIỆU KHÍ BIOGAS 74
4.1. Tính toán chu trình nhiệt động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu (diesel +
biogas) với các % năng lượng diesel làm mồi 74
4.2. Thiết kế, tính toán phương án cung cấp biogas cho động cơ. 84

4.2.1. Sơ đồ hệ thống 84
3

4.2.2. Thiết kế, bố trí, tính toán bộ hòa trộn. 84
4.2.3. Thiết kế, tính toán van tiết lưu Biogas. 95
4.2.4. Các phương án thiết kế bộ điều tốc biogas 100
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DÙNG
CỒN 110
5.1. Tính toán nhiệt khi sử dụng hỗn hợp cồn và xăng 110
5.1.1. Quá trình nạp. 110
5.1.2. Qúa trình nén 111
5.1.3. Quá trình cháy 113
5.1.4. Quá trình giãn nở. 114
5.1.5. Tính toán các thông số của chu trình công tác. 114
5.1.6. Các chỉ tiêu có ích. 115
5.1.7. Kiểm nghiệm công suất của động cơ 115
5.2. Các phương án dùng cồn trên xe máy 115
5.2.1. Động cơ xăng chạy hoàn toàn bằng cồn 116
5.2.2. Động cơ xăng chạy bằng hỗn hợp cồn-xăng 116
5.3. Tính toán các thông số cơ bản của Bộ chế hòa khí khi dùng hỗn hợp cồn xăng.
132
5.3.1. Tính các thông số tại họng bộ chế hòa khí 132
5.3.2. Tính các thông số của gíc lơ 133

4

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM CÁC LOẠI NHIÊN LIỆU THAY THẾ
1.1. Một số thông số đặc trưng của nhiên liệu động cơ đốt trong.
1.1.1. Chỉ số cetan.
Số cetan của nhiên liệu là số phần trăm tính theo thể tích của chất cetan có trong 1
hỗn hợp nhân tạo gồm cetan với chất anphamêtin naptalin, nói lên khả năng tự bốc cháy
của nhiên liệu. Hỗn hợp này có chỉ số nén giới hạn giống như của nhiên liệu thí nghiệm.
Việc chọn lựa hỗn hợp mẫu được tiến hành trong cùng một động cơ đã dùng để xác định
tỉ số nén đối với nhiên liệu làm thí nghiệm.
Cetan đó là cacbua-hydro loại paraphin thông dụng C
16
H
34
mà số cetan chất này là
100.
Anphamêtin naptalin là một loại cacbua-hydro thơm hai vòng có chứa nhóm mêtin
trộn lẫn với các nguyên tử hydro (

-C
10
H
7
CH
3
), đây là một chất khó bốc cháy, người ta
lấy số cetan của chất này bằng 0.

1.1.2. Chỉ số octan.
Tính chống kích nổ là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của
nhiên liệu động cơ đốt cháy cưỡng bức. Khi dùng loại nhiên liệu có tính chống kích nổ
không thích hợp với tỷ số nén, kết cấu của động cơ,.v.v thì quá trình cháy trong động cơ
sẽ bị phá hoại và dẫn đến cháy kích nổ. Tính chống kích nổ của nhiên liệu có liên quan
chặt chẽ với tính tự cháy của nhiên liệu, nó phụ thuộc vào thành phần của nhiên liệu.
Một trong những phương pháp để đánh giá tính chống kích nổ của nhiên liệu được
dùng rộng rãi là chỉ số octan.
Số octan của nhiên liệu là số phần trăm izo-octan C
8
H
18
tính theo thể tích trong hỗn
hợp với chất heptan C
7
H
16
tương đương về tính kích nổ với nhiên liệu thí nghiệm.
Chất izo-octan được dùng trong hỗn hợp chuẩn với trị số octan là 100 còn chất thành
phần thứ hai của hỗn hợp chuẩn là chất heptan, với số octan coi như là 0.
1.1.3. Nhiệt trị của nhiên liệu.
Nhiệt trị là một đặc tính phổ biến và rất chung của nhiên liệu, nó xác định giá trị
nhiên liệu dùng cho tất cả các loại động cơ nhiệt và các thiết bị động lực khác.
1.2. Nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ
1.2.1. Nhiên liệu LPG
1. Tính chất lý hoá của LPG
5

a. Thành phần hóa học
Khí hóa lỏng LPG là sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất dầu và tinh luyện khí

thiên nhiên. Thành phần chủ yếu là C3H8 (Propan) và C4H10 (Butan) được nén theo tỷ
lệ phần trăm Propan trên phần trăm Butan.
Ở nhiệt độ và áp suất khí quyển LPG ở dạng khí. Để thuận tiện về tồn chứa và vận
chuyển LPG được hóa lỏng. Trong thực tế thành phần hỗn hợp các chất có trong khí hóa
lỏng LPG không thống nhất. Tùy theo tiêu chuẩn của các nước, khu vực mà tỷ lệ thành
phần trong LPG khác nhau, có tỷ lệ giữa Propan và Butan là 50/50 hay 30/70. Ở Châu Á,
thành phần nhiên liệu khí hóa lỏng khá ổn định, chứa chủ yếu là Hydrocacbon C
4
, chẳng
hạn như ở Hàn Quốc chỉ có Butan là khí hóa lỏng được sử dụng phổ biến. Ngược lại ở
Mỹ thì chỉ có Hydrocacbon C
3
được sử dụng.
Đặc biệt trong thành phần khí hóa lỏng LPG chứa rất ít lưu huỳnh. thường chỉ chứa
(40

60) ppm, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn, cho phép của cộng đồng Châu Âu
(200ppm) một tiêu chuẩn khắt khe nhất về các chất phụ gia có trong nhiên liệu. Do đó,
động cơ dùng LPG phát ra rất ít các chất ô nhiễm gốc lưu huỳnh và hiệu quả của bộ lọc
xúc tác được cải thiện.
b. Các tính chất của LPG
Do thành phần chủ yếu của LPG là Propane và Butane nên tính chất của LPG là tính
chất của Propane và Butane.
LPG có đặc tính sau:
- Là một chất lỏng không màu (trong suốt).
- Là một chất lỏng không mùi, không vị, tuy nhiên trong thực tế trong quá trình chế
biến được pha thêm Ethyt Mecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện rò rỉ. Nồng độ mùi
phải đủ để nhận ra trước khi chúng tạo thành hỗn hợp nổ.
- Bản thân LPG không độc, không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến
thực phẩm và sức khỏe con người, tuy nhiên không nên hít vào với số lượng lớn, vì có

thể gây ngạt thở hay say do thiếu Ôxy.
- LPG nặng hơn không khí (1,5

2) lần, nhẹ hơn nước 0,5 lần vì vậy nếu thoát ra
ngoài hơi LPG sẽ lan truyền ở mặt đất và tập trung ở những phần thấp nhất, như rãnh, hố
ga, tuy nhiên nó sẽ tản mất ngay khi có gió.
- LPG được tồn chứa trong các loại bể chịu áp lực khác nhau, chúng tồn tại ở trạng
thái bão hoà. Gas lỏng ở dưới, hơi Gas ở phía trên theo quy định an toàn các loại bể chứa
LPG chỉ được phép nhập (80

85)% thể tích, phần còn lại đảm bảo cho sự giãn nở vì
nhiệt của LPG.
6

- Đặc trưng lớn của LPG khác với các loại khí khác là chúng tồn tại ở dạng bão hòa
nên với thành phần không đổi (70% Butan -30% Propan). Áp suất bão hòa trong bể chứa
cũng như trong hệ thống không phụ thuộc vào nhiệt độ bên ngoài. Thông thường Gas
Petrolimex có áp suất 4,5 kg/cm
2

7,8kg/cm2 ở nhiệt độ (15

30)
0
C.
- LPG có tỷ lệ giãn nở lớn: một đơn vị thể tích Gas lỏng bay hơi tạo ra 250 đơn vị thể
tích hơi, do vậy LPG chỉ thuận tiện và kinh tế khi vận chuyển và tồn chứa ở dạng lỏng.
- LPG còn là nhiên liệu sạch: Hàm lượng lưu huỳnh thấp (< 0,02%), khi cháy chỉ tạo
ra CO
2

và hơi nước, không tạo muội, không tạo khói, đặc biệt không sinh ra khí SO
2
,
H
2
S, CO.
- LPG hoá lỏng có nhiệt trị riêng theo khối lượng cao, cao hơn cả xăng hay dầu Diesel
(Bảng 1.1). Tuy nhiên do khối lượng riêng của nó thấp, nhiệt trị riêng theo thể tích thấp
hơn nhiên liệu lỏng khác [6].
Bảng 1.1. So sánh LPG và các loại nhiên liệu cổ điển.
Thông số đặc
trưng
Eurosper
Diesel
Propane
thương
mại
Butane
thương
mại
LPG
Khối lượng
riêng (kg/dm3)
0,725

0,78
0,82

0,86
0,510

0,580
0,51

0,58
Nhiệt trị thấp:
- Theo khối
lượng (MJ/kg)
- Theo thể tích
(MJ/dm3)

42,7

32,0

42,6

35,8

46,0

23,5

45,6

26,4

45,8

25,0
* Chỉ số Octan:

Nhiên liệu khí hóa lỏng được đặc trưng bởi chỉ số octan nghiên cứu (RON) cao, có
thể đạt tới 98. Bảng 1.2 giới thiệu RON của các loại khí khác nhau. Chỉ số octan động cơ
(MON) của LPG cũng cao hơn xăng.
Bảng 1.2 Chỉ số Octan của một số chất.
Chất
RON
MON
Propane
Propène
n -Butane
Isobutane
But -1 -ène
>100
102
95
>100
(98)
100
85
92
99
80
7

But -2 -eìne
100
83
2. So sánh tính năng của LPG và xăng
Bảng 1.3. So sánh đặc tính của LPG và các nhiên liệu khác.
Đặc tính

Đơn vị
Xăng
Diesel
CNG
LPG
Màu, mùi
Tỉ trọng
Nhiệt trị thấp
Hệ số A/F
Chỉ số Octan

Kg/m
3

MJ/kg


Có
750
42,9
14,4
85  98
Có
860
42,6
14,5

Không
550
50

17,26
115
Không
555
46
15,5
110  120
Theo kết quả bảng 1.3 ta thấy nhiệt trị của LPG cao hơn xăng và hơn hẳn so với các
loại nhiên liệu truyền thống khác. LPG có chỉ số Octan cao hơn nhưng lượng không khí
lý thuyết cần thiết để đốt cháy một đơn vị thể tích LPG cao hơn xăng. LPG dễ nổ hơn
xăng nhưng tốc độ cháy chậm hơn xăng. Do vậy khi động cơ làm việc ở tốc độ cao động
cơ sẽ bị mất công suất từ (5

8)%. Điều này khắc phục bằng cách chỉnh lại thời điểm
đánh lửa (3

5
0
), và vì LPG có giá rẻ hơn nên thực tế người ta có thể chấp nhận được.
Nhưng nó có ưu việt là không gian tồn chứa nhỏ gọn, làm cho việc vận chuyển được
thuận lợi và kinh tế hơn. Chính vì những ưu điểm của LPG so với xăng nên LPG đã và sẽ
là loại khí đốt được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.
Nếu LPG lỏng bị rò rỉ ra ngoài thì tại chỗ rò có nhiệt độ thấp và xuất hiện tuyết.
Ngoài ra, hàm lượng Propane trong thành phần của LPG còn quyết định áp suất hơi
trong bình chứa LPG. Nếu hàm lượng Propane càng ln thì nhiệt trị cao, áp suất hơi càng
cao, có thể sử dụng triệt để LPG trong bình chứa đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi
trường thấp. Khi sử dụng một lưu lượng lớn thì bình sẽ hạ nhiệt độ nhanh, do đó nếu loại
LPG đang sử dụng có thành phần Propane thấp thì khi đó do áp suất hơi giảm nhanh, lưu
lượng LPG cung cấp có thể không đáp ứng nhu cầu sử dụng.
Hiện nay, các hãng sản xuất ô tô như Citroen, Deawoo, Fiat, Ford, Hyundai,

Opel/Vauxhall, Peugoet, Renault, Saab, Toyota và Volvo đã có những mẫu xe chạy hai
nhiên liệu là LPG và xăng. Ở đó, xăng và LPG có thể dùng thay phiên nhau.
Một số tính chất của nhiên liệu LPG so với các loại nhiên liệu khác được trình bày
trong bảng 1.4.


8


Bảng 1.4. Thành phần thể tích (%) và nhiệt trị thấp của nhiên liệu khí.

(điều kiện m
3
tiêu chuẩn có p = 760mmHg và t = 0
0
C)
Nhiệt ttrị thấp
Q
m

(MJ/m
3
tiêu
chuẩn)

34,8 - 35,6
30,15

41,30÷68,12
62,91

57,25
16,748
3,977

6,415
5,192
4,681
* C
2
H
4
- 4,5% ; C
3
H
6
- 7,5% ; C
4
H
8
-6,0% ; C
n
H
m
- 6,0%
** C
2
H
4
- 12,5% ; C
3

H
6
- 15% ; C
4
H
8
-6,0% ; C
n
H
m
- 5,0%
Thành phần thể tích
O
2

-
0,15

-
-
-
-
-

0,2
0,2
0,2
CO
2

0,05÷0,7
5,0

0,7÷10,4
-
-
2,0
8,0

7,0
6,0
11,0
N
2

1,34÷4,4
4,4

0÷11
-
-
5,0
60,0

46,4
52,0
54,5
H
2
S

-
-

0÷2,8
-
-
-
-

-
0,2
-
H
2

-
1,45
-
6,0
7,0
60,0
4,0

15,0
14,0
12,

CO

-
-

-
0,5
-
5,0
28,0

28,0
27,0
20,0
C
n
H
m

0,05÷0,5
-

1,7÷8,1
24,0
*

38,5
**

3,0
-

0,4
-
0,3
Butan
C
4
H
10

0,1÷0,6
-

2,7÷1,7
6,0
2,0
-
-

-
-

Prôpan
C
3
H
8

0,2÷0,6

3,2÷20,5
15,0
6,5
-
-

-
-
-
Êtan
C
2
H
6

0,5÷0,7
-

8,1÷12
18,0
14,0
-
-

-
-
-
Mêtan
CH
4

93,2÷98,3
89

42,4÷71,9
30,5
32,0
25,0
-

3,0
0,6
2,0
Loại khí
+ khí thiên nhiên
-Mỏ khí
-Khí bùn ao
+ Khí công nghiệp
-Khí dầu mỏ
-Cracking nhiên liệu
lỏng
-Cracking nhiên liệu
khí
-Luyện cốc
-Lò cao(luyện gang)
+Khí lò ga
-Than bùn
-Than ăngtraxit
-Củi

9

3. Trạm nạp LPG cho xe ô tô:
Hệ thống tồn trữ và nạp LPG cho xe ô tô bao gồm các phần chính: phần bồn (hoặc
bình chứa) LPG ở áp suất cao, bơm và các thiết bị vận hành, trụ bơm để kết nối và bơm
vào bồn chứa trong xe và tính lượng nhiên liệu bơm vào trong xe.
Hệ thống bồn chứa LPG thường là bồn chứa thép có dung tích thay đổi tùy theo quy
mô của trạm nạp LPG , thông thường là có sức chứa từ 2,5 tấn đến 15 tấn. Bồn có thể đặt
nổi trên mặt đất hay đặt chìm dưới mặt đất. Nếu bồn đặt chìm dưới mặt đất thì có thể
giảm được các khoảng cách an toàn xung quanh khu vực bồn chứa. Bồn được chế tạo
theo tiêu chuẩn về bồn chứa áp lực của Việt Nam và quốc tế.
Các quy chuẩn áp dụng cho hệ thống trạm nạp LPG cho xe ô tô bao gồm như sau:
TRẠM NẠP GAS CHO PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG ĐƯỜNG BỘ
TCN 88:2005
Trạm nạp nhiên liệu LPG cho các
phương tiện giao thông đường bộ -
Yêu cầu thiết kế, lắp đặt và vận hành
2005
Bộ thương mại
BÌNH GAS
TCVN 6153
Bình chịu áp lực yêu cầu kỹ thuật an
toàn về thiết kế, kết cấu, chế tạo
1996
Bộ KHCN & Môi trường
TCVN 6154
Bình chịu áp lực yêu cầu kỹ thuật an

toàn về thiết kế, kết cấu, phương pháp
thử
1996
Bộ KHCN & Môi trường
TCVN 6155
Bình chịu áp lực yêu cầu kỹ thuật an
toàn về lắp đặt, sử dụng, sửa chữa
1996
Bộ KHCN & Môi trường
TCVN 6156
Bình chịu áp lực yêu cầu kỹ thuật an
toàn về tắp đặt, sử dụng, sửa chữa,
phương pháp thử
1996
Bộ KHCN & Môi trường
Hệ thống bơm và thiết bị vận hành là các loại thiết bị chuyên dùng do các nhà sản
xuất thiết bị trên thế giới sản xuất theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về phòng chống cháy
nổ như: NFPA 58, UL…

Hình 1.1 Hình ảnh trụ nạp LPG chung với trạm xăng Hình 1.2.Bồn chứa LPG đặt ngầm dưới đất

10

Hệ thống trụ bơm LPG : có rất nhiều loại trụ bơm LPG sử dụng rộng rãi hiện nay trên
thế giới. Trong đó có loại thao tác bằng tay bán tự động và loại tự động hoàn toàn. Dù là
loại bán tự động hay tự động hoàn toàn thì quá trình kết nối và thao tác bơm phải do nhân
viên chuyên nghiệp được huấn luyện an toàn sử dụng nhằm đảm bảo mức độ an toàn cao
trong quá trình hoạt động. Riêng loại tự động hoàn toàn được thiết kế nhằm có thể tính
tiền thông qua phương pháp khấu trừ trên các loại thẻ nạp sẵn, mua trước. Loại này có
chi phí cao hơn loại tính tiền thủ công.

Hình 1.3. Trụ nạp LPG đặt nổi trên mặt đất
1.2.2. Nhiên liệu CNG
1. Đặc điểm
Khí thiên nhiên là khí được khai thác từ các mỏ khí có sẵn trong tự nhiên. Thành phần
chủ yếu: Metan (CH
4
) chiếm khoảng 80 ÷ 90% tùy thuộc vào nguồn khai thác, còn lại là
các hidrocacbon khác như Etan, propan…
2. Tính chất
Bảng 1.5. Tính chất một số khí thành phần trong khí thiên nhiên
Thành phần
Phần trăm thể tích (%)
Phần trăm khối lượng (%)
Mêtan
92.29
84.37
Êtan
3.6
6.23
Propan
0.8
2.06
Butan
0.29
0.99
11

Pentan
0.13

0.53
Hexan
0.08
0.39
CO2
1
2.52
Nitơ
1.8
2.89
Nước
0.01
0.01
Tổng cộng
100
100
Khí thiên nhiên nén (CNG): Khí thiên nhiên được nén ở áp suất cao, các áp suất
thường sử dụng là 165,5 bar (2400 psi), 206,9 bar (3000 psi), 248,2 bar (3600 psi) chứa
trong các bình chứa cao áp mắc song song. Cùng một năng lượng như nhau, khí thiên
nhiên hóa lỏng LNG có thể tích và khối lượng bình chứa nhỏ hơn khi nó ở dạng khí CNG
(thường tỷ lệ 1/3 đối với thể tích và 1/3,7 với khối lượng).
CNG có thể sử dụng trên động cơ đốt trong (ĐCĐT) thay cho nhiên liệu xăng và
diesel, có thể sử dụng độc lập hay hỗn hợp đa nhiên liệu trên ĐCĐT. Trong thực tế, các
động cơ đốt trong hiện nay đều được thiết kế sử dụng nhiên liệu xăng hay diesel, do đó
việc sử dụng nhiên liệu CNG cho ĐCĐT thì không phù hợp. Đặc điểm chuyển đổi động
cơ dùng CNG: động cơ diesel chuyển sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu khí thiên nhiên và
diesel: đốt cháy hỗn hợp bằng sự tự cháy của lượng nhiên liệu diesel phun mồi (từ 5%
đến 25% lượng nhiên liệu định mức).
CNG có nhiệt trị cao (50,5 MJ/kg), áp suất nén cao (200kG/cm
2

) nên bình chứa gọn,
quãng đường chạy một lần nạp nhiên liệu lớn. Tỷ trọng của CH
4
nhỏ bằng 0,5 không
khí. Do đó, khi bị xì hơi CH
4
, không đọng lại trên mặt đất mà sẽ bay trong không khí.
Bảng 1.6 So sánh tính chất một số loại nhiên liệu

Xăng
Diezen
LPG
CNG
1.Tỷ trọng (lỏng so với nước)
Tỷ trọng (so với không khí)
0,73
3,5
0,84
0,5-0,59
1,5-2
0,68
2. Nhiệt độ tự cháy,t
0
C
340
260
450-550
700
3. Chỉ số octan
96

-
110
130
4. Giới hạn %V bốc cháy trong không khí ở
nhiệt độ 25
0
C:
- giới hạn dưới
- giới hạn trên

0,7
8,0

0,6
6,5

1,5
9,0

5,0
15
5.Điểm sôi tại áp suất thường t
0
c
30-220
175-
380
-42
-161
6. Tỉ lệ A/F:

- khối kượng
- thể tích

14,7
60

14,4
-

15,6
24

17,24
11
12

7. Áp suất bình chứa (Bar)
1
1
9-12
240
8. Hàm lượng lưu huỳnh, %KL
0,1-
0,15
0,5-1
Không
có
Không
có
9.Độ độc hại của sản vật cháy

cao
cao
Thấp
thấp
10. Khối lượng riêng(Kg/lít),1bar, 15
o
C
0,74
0,84
0,019
0,00072
11. Áp suất chứa (bar)
1
1
8
200
12. Năng lượng (MJ/kg)
43,9
42,9
46,4
47,5
13. Khối lượng riêng ở áp suất chứa (Kg/lít)
0,74
0,84
0,51
0,18
14. Năng lượng ở áp suất chứa (MJ/lít)
32,4
36,3
23,6

8,5
1.3. Nhiên liêu có nguồn gốc sinh học
1.3.1. Nhiên liệu biogas
1. Khí biogas là gì
Cũng như dầu thực vật, khí Biogas là nhiên liệu trung hòa CO2 trong khí quyển.
Biogas là kết quả phân huỷ các chất hữu cơ trong môi trường thiếu không khí. Các chất
hữu cơ có thể là thực vật (cây cối, rơm rạ…) hay động vật (xác sinh vật, các chất thải từ
quá trình chế biến thực phẩm…), các chất thải từ quá trình chăn nuôi… Quá trình diệp
lục hoá của thực vật dưới tác động của ánh sáng mặt trời hấp thụ khí CO2. Nếu đốt
nhiên liệu có nguồn từ thực vật thì CO2 trong khí thải sẽ được cân bằng.
Hai nguồn biogas chính là các hầm khí sinh học và khí phát sinh từ các bãi chôn lấp
rác trong quá trình lên men hiếm khí của các chất hữu cơ. Biogas chứa chủ yếu là CH4
(50-70%) và CO2 (22-50%) và các tạp chất khác như H2S. Nếu khí Biogas được lọc sạch
các tạp chất này chúng có tính chất tương tự như khí thiên nhiên. Các nước phát triển
hiện nay (Mỹ, Pháp, Đức, Đan Mạch…) đều sử dụng khí biogas từ các bãi chôn lấp rác
để sản xuất điện năng. Công nghệ sản xuất biogas quy mô gia đình đã được phổ biến
rộng rãi ở các nước đang phát triển, đặc biệt là các nước Ấn Độ và Trung Quốc. Ở nước
ta, các dự án sản xuất điện năng từ khí biogas thu được từ các bãi chôn lấp rác cũng đã
được xây dựng.
Bảng 1.7.Thành phần chủ yếu của khí sinh học
- Mêtan (CH
4
): là chất khí không màu,
không mùi, nhẹ gần bằng nửa không khí và hòa
tan trong nước rất ít. Ở áp suất khí quyển, mêtan
hóa lỏng ở nhiệt độ -161,5
0
C.
Mêtan là thành phần cháy chủ yếu của
khí sinh học. Hàm lượng mêtan trong khí sinh

học phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và
Thành phần
Tỷ lệ (%)
CH
4

50-70
CO
2
30-45
N
2
0-3
H
2

0-3
O
2

0-3
H
2
S
0-3
13

sự diễn biến của các quá trình sinh học .
Mêtan cháy thành ngọn lửa máu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:
CH

4
+ 2O
2
→ CO
2
+ 2H
2
O + 882kJ
- Cacbonic (CO
2
): là chất khí không cháy, không màu, không mùi, nặng gấp rưỡi
lần không khí. Nếu khí này chiếm tỉ lệ cao trong khí sinh học sẽ làm cho chất lượng khí
sinh học kém đi.
- Hydro sulfit (H
2
S): có mùi của “trứng thối” khiến cho khí sinh học cũng trở nên
có mùi hăng, giúp ta dễ dàng nhận thấy sự có mặt của nó. H
2
S là nguyên nhân chủ yếu
làm cho các bộ phận bằng kim loại của hệ thống bị ăn mòn.
2. Các tính chất của Biogas.
Bảng 1.8. Một số tính chất của CH
4
và CO
2

Các tính chất vật lý
Methane (CH4)
Carbonic (CO2)
Trọng lượng phân tử

16.04
44.01
Tỷ trọng
0.554
1.52
Điểm sôi
259.0 0F (=1440C)
60.80C
Điểm đông
-296.6 0F(-164.80C)
-69.9 0F (-38.830C)
Khối lượng riêng
0.66kg/m3
1.82kg/m3
Nhiệt độ nguy hiểm
116.0 0F
(=64.440C)
88.0 0F(=48.890C)
Áp suất nguy hiểm
45.8 at
72.97at
Nhiệt dung Cp (1atm)
6.962.10-4 J/ kg-0C

Tỷ lệ Cp/Cv
1.307
1.303
Nhiệt cháy
55.403J/kg

Giới hạn cháy
5-15% Thể tích

Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí
0.0947 Thể tích
0.0581 Khối lượng

Mêtan tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8115.2 Kcal/m
3
). Do Biogas chứa
khoảng 70-90% mêtan nên nhiệt trị của Biogas nằm trong khoảng 5480 Kcal/m3.
3. Thiết bị sản xuất khí biogas
Để sản xuất khí biogas, người ta xây dựng hoặc chế tạo các thiết bị KSH. Trong
thực tế, hầu hết các thiết bị KSH được áp dụng ở các nước đang phát triển là những thiết
14

bị đơn giản, hoạt động theo chế độ nạp nguyên liệu bổ sung thường xuyên hàng ngày.
Các thiết bị này có 5 bộ phận chính như sau:
Bộ phận phân hủy: Là nơi chứa
nguyên liệu và đảm bảo những điều
kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy
kị khí xảy ra. Đây là bộ phận chủ yếu
của thiết bị. Thể tích phân hủy của thiết
bị là thể tích của bộ phận này.
Bộ phận chứa khí: Khí sinh ra từ
bộ phận phân hủy được thu và chứa ở
đây. Yêu cầu cơ bản của bộ phận này là
phải kín. Thể tích chứa khí của thiết bị
là thể tích của bộ phận này.
Lối vào: Là nơi để nạp nguyên liệu

bổ sung vào bể phân hủy.
Lối ra: Nguyên liệu sau khi đã
phân hủy được lấy ra qua đây để
nhường chỗ cho nguyên liệu mới bổ
sung vào.
Lối lấy khí: Khí được đưa từ bộ tích khí tới nơi sử dụng qua lối lấy khí này.
a. Sơ đồ sản xuất biogas.
b. Nguyên lý làm việc của hệ thống
Phân tươi từ chuồng trại được đưa vào bể lắng cát (1) để lắng đá, cát rồi qua ống
dẫn phân (2) vào bể phân huỷ. Ở bệ phân huỷ xảy ra quá trình lên men tạo khí sinh học
như sau:
Sau khi lên men hỗn hợp khí Biogas được dẫn vào hệ thống lọc khí H
2
S và CO
2
, hỗn
hợp được lọc chứa phần trăm H
2
S và CO
2
nhỏ, thành phần trăm CH
4
chiếm khoảng 80%-
97,9% . Sau đó hỗn hợp được dẫn vào bình chứa Biogas (6), các chất bã sau khi phân
huỷ được dẫn ra bể chứa chất thải(6) và được tưới cho cây trồng.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống sản xuất Biogas.
1- Bể lắng cát. 2-Ống dẫn nguyên liệu. 3-Ống dẫn bã
thải. 4- Bể đựng chất thải. 5- Hệ thống lọc H
2

S và CO
2
. 6-
Bình chứa khí Biogas sạch.

PHÁN TÆÅI
BÃØ PHÁN HUYÍ
BÃØ AÏP SUÁÚT
GAS TÄÚI ÆU
1
2
3
4
5
6
15


Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý tạo Biogas

c. Một số loại hầm khí sinh học thông dụng
c.1. Hầm khí sinh học nắp nổi.
c.2. Thiết bị khí sinh học nắp cố định.
c.3. Thiết bị khí sinh học kiểu phủ bạt

Chất béo.
Các chất
tan
Huỷ chất béo.
Vi khuẩn phân
Hydrat
cacbon
Vi khuẩn phân
Huỷ Cenluloza
huỷ prôtêin
Prôtêin
Vi khuẩn phân
Vi khuẩn
+ Axít hữu cơ có
KLPT nhỏ
+ CO
2
, H
2

+ Ancol
sinh axít

Giai đoạn
III.
Vi khuẩn
sinh CH
4

+ CH
4
+ H
2
S,CO
2

Giai đoạn II.
Giai đoạn I.

Hình 1.6. Hầm kiểu nắp nổi

MÀÛT BÀÒNG BÃØ BIOGAS
MÀÛT CÀÕT A - A
A
A
2
1
5
4
3
ÄÚNG DÁÙN KHÊ BIOGAS
HÄÚ THOAÏT NÆÅÏC
HÄÚ NAÛP NGUYÃN LIÃÛU

KHOANG CHÆÏA KHÊ BIOGAS
BÃØ BIOGAS
5
4
3
2
1
1
2
4
3
5
16

4. Nguyên liệu sản xuất khí biogas
a. Nguồn nguyên liệu
Về mặt lý thuyết, mọi chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy, tuy nhiên trong thực tế,
nguyên liệu dùng để sản xuất KSH được chia thành hai loại: có nguồn gốc động vật và có
nguồn gốc thực vật.
Nguyên liệu có nguồn gốc động vật: Phân người, phân gia súc và phân gia cầm là
phổ biến.Vì đã được xử lí trong bộ máy tiêu hóa nên phân dễ phân hủy và nhanh chóng
cho khí sinh học. Tuy vậy, thời gian phân hủy của phân không dài (khoảng 2 – 3 tháng)
và tổng sản lượng khí thu được từ một kilogam phân cũng không lớn. Phân trâu bò và
phân lợn phân hủy nhanh hơn, phân người và phân gia cầm phân hủy chậm hơn nhưng
cho năng suất khí cao hơn.
Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật: gồm phụ phẩm cây trồng như rơm rạ, thân lá
ngô, khoai, đậu,… và các loại cây xanh hoang dại như bèo, các cây cỏ sống dưới nước,
các loại cây phân xanh,…Các loại nguyên liệu này có lớp vỏ cứng rất khó bị phân hủy.
Để cho quá trình phân hủy kị khí xảy ra được thuận lợi, những nguyên liệu thực vật cần



Hình 1.7 Hầm nắp cố định Hình 1.8 Hầm phủ phủ bạt
17

được xử lí trước (chặt, băm nhỏ và ủ sơ bộ hiếu khí) để phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện
tích bề mặt cho vi khuẩn tấn công. Quá trình phân hủy của nguyên liệu thực vật dài hơn
so với phân động vật.
Bảng 1.9 Đặc tính và sản lượng khí có thể thu được của một số nguyên liệu thường gặp
Loại nguyên
liệu
Lượng thải
hàng ngày

(kg/con)
Hàm lượng chất
khô (%)
tỷ lệ C/N
Sản lượng khí hàng ngày
(l/kg nguyên liệu tươi)
Phân bò
15 – 20
18 - 20
24 - 25
15 - 32
Phân Trâu
18-25
16- 18
24 – 25
15 – 32
Phân lợn
1,2 – 4
24 – 33
12 – 13
40 – 60
b. Cách nạp nguyên liệu
Nạp từng mẻ: Toàn bộ nguyên liệu được nạp đầy vào thiết bị một lần, cho thêm
chất mồi vào và đậy kín lại. Sau một thời gian nguyên liệu phân hủy gần hết, toàn bộ
nguyên liệu được lấy đi chỉ chừa lại 10 – 20% để làm chất mồi và thay bằng mẻ nguyên
liệu mới. Thời gian mỗi mẻ thường kéo dài từ 3 đến 5, 6 tháng. Thông thường các
nguyên liệu thực vật được nạp theo cách này.
Nạp liên tục: Nguyên liệu được nạp đầy lúc mới đưa thiết bị vào hoạt động. Sau đó
một thời gian ngắn nguyên liệu được bổ sung thường xuyên. Khi đó một phần nguyên
liệu đã phân hủy được lấy đi để nhường chỗ cho phần nguyên liệu mới nạp vào. Cách

nạp này phù hợp với điều kiện nguyên liệu không sẵn có ngay một lúc mà được thu gom
hàng ngày như phân gia súc.
Trong thực tế, nhiều khi người ta áp dụng cả hai cách trên: nguyên liệu thực vật được
nạp từng mẻ, còn phân được nạp liên tục hàng ngày.
5. Ứng dụng của khí biogas
a. Đun nấu
Sử dụng KSH để đun nấu rất tiện lợi: sạch sẽ, dễ sử dụng. Mỗi gia đình 4 – 5 người
chỉ cần xây một công trình cỡ 3 – 5 m3 với 10 – 20 kg nguyên liệu nạp hằng ngày có thể
thu được 300 – 500 lít khí đủ đun nấu thức ăn và nước uống. Bếp KSH gia đình thường
tiêu thụ khoảng 200 lít khí/giờ, đạt hiệu suất 50 – 60 % (bảng 1.9).
Bảng 1.10. Lượng các chất đốt tương đương với khí sinh học khi dùng để đun nấu
Chất đốt
Đơn vị
Nhiệt trị (kcal)
Loại bếp
Hiệu suất (%)
Lượng
tương đương
Khí sinh học
m3
4.700
Bếp KSH
60
1m3
18

Rơm rạ
kg
3.300
Bếp kiềng

11
8,60 kg
Củi
kg
3.800
Bếp kiềng
17
4,83 kg
Than củi
kg
6.900
Bếp lò
28
1,62 kg
Than cám
kg
5.000
Bếp lò
28
2,01kg
Phân trâu bò
kg
2.100
Bếp kiềng
11
12,21kg
Dầu hỏa
lít
9.100
Bếp bấc

45
0,76 lít
Điện
kWh
860
Bếp điện
70
5,18 kWh
Khí hóa lỏng
kg
10.900
Bếp ga
60
0,48 kg
b. Thắp sáng
KSH cháy cho ngọn lửa xanh lơ nên không phát sáng. Để thắp sáng người ta dùng
các đèn mạng (măng sông).
Đèn mạng tiêu thụ khoảng 40 – 80 lít/giờ cho ánh sáng hơn bóng đèn điện 25W.
So với đèn dùng dầu hỏa, sử dụng KSH đơn giản hơn (bảng 1.11).
Bảng 1.11. So sánh đèn khí sinh học và đèn dầu hỏa
Sử dụng đèn KSH không
những phục vụ sinh hoạt mà còn
phục vụ sản xuất. Ở Trung
Quốc, người ta dùng đèn KSH
để nuôi tằm vì chúng đòi hỏi
ánh sáng và nhiệt độ thích hợp.
Chiếu sáng bằng đèn KSH làm
cho kén hình thành sớm hơn 4 –
6 ngày, chất lượng kén tốt hơn, năng suất tăng khoảng 30%.
c. Nhiên liệu cho động cơ đốt trong

Các loại động cơ đốt trong dùng xăng hoặc dầu đều có thể cải tạo để dùng KSH thay
thế, hoặc vẫn dùng xăng dầu như cũ. Khả năng ứng dụng biogas để chạy động cơ đốt
trong.
Có thể nói rằng động cơ đốt trong sử dụng Biogas từ các hệ thống xử lý rác thải thành
phố đã được ứng dụng trên mấy chục năm nay và mang lại những thành công ở nhiều
mức độ khác nhau. Trong những năm trở lại đây, công nghệ này đã được ứng dụng rộng
rãi cho các ngành sản xuất nông nghiệp và công nghiệp dưới sức ép của việc khan hiếm
năng lượng hoá thạch trong tương lai. Các động cơ đánh lửa cưỡng bức cố định có thể
Loại đèn
Suất tiêu thụ
(lít/giờ)
Lượng khí thay
thế dầu (m
3
/lít)
Đèn KSH
70.000

Đèn mạng dầu hỏa
0,125
1,79
Đèn tọa đăng
Thăng Long
0,050
0,72
19

cung cấp năng lượng cho rất nhiều loại thiết bị tải bao gồm: Máy phát điện, Máy bơm,
Máy xay xát…
Bảng 1.12.Lượng khí sinh

học dùng để chạy động cơ
đốt trong
Ngoài ra, Biogas
cũng là nguồn năng
lượng tiềm năng để cung cấp cho các phương tiện vận tải như xe ca, xe tải cũng như các
thiết bị công nghiệp khác như máy kéo…Việc đánh giá hiệu quả ứng dụng của các hệ
thống này sẽ nhằm mục đích tối ưu hoá việc ứng dụng Biogas.
Do vậy có thể dùng KSH để phát điện, bơm nước, chế biến sản phẩm hoặc chạy ô tô,
máy kéo (Bảng 1.12).
d. Bã thải có thể sử dụng làm phân hữu cơ cho trồng trọt.
Các chất hữu cơ như phân động vật, các loại cây xanh, sau khi phân hủy để sản xuất
KSH lại trở thành một loại phân hữu cơ giàu dinh dưỡng. Các nguyên tố N, P, K của
nguyên liệu sau khi phân hủy hầu như không bị tổn thất mà lại chuyển hóa sang dạng
phân mà cây trồng dễ hấp thụ. Bã thải của thiết bị cả phần lỏng và phần đặc, khi sử dụng
để bón cây đều cho năng suất tăng.
6. Lợi ích của công nghệ khí sinh học
a. Lợi ích về môi trường:
Giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Giảm các khí gây hiệu ứng nhà kính .
Cải thiện vệ sinh trang trại và hộ gia đình.
Giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước từ trang trại chăn nuôi.
Cung cấp phân bón hữu cơ cải thiện đất trồng trọt.
b. Lợi ích về kinh tế
Tiết kiệm chi phí mua năng lượng.
Tiết kiệm chi phí mua phân bón.
Thu được quyền phát thải kính gây hiệu ứng nhà kính.
1.3.2. Nhiên liệu biodiesel
1. Đặc điểm:
Dầu thực vật có nguồn gốc từ tất cả các hạt, quả của các cây cối. Nhưng từ dầu thực
vật dùng để chỉ các loại cây chứa một lượng dầu với chiết suất lớn như dừa (60%), cọ

Mục đích sử dụng
Lượng khí tiêu thụ
Chạy động cơ xăng
0,40 – 0,50 m
3
/mã lực
Chạy động cơ diesel
0,45 m
3
/mã lực
Phát điện
0,60 – 0,70 m
3
/kWh
20

(50%), dầu thực vật cũng có thể sản xuất từ các hạt của cây lấy dầu như: cải dầu, đậu
phộng, đậu nành, hạt hướng dương…
2. Tính chất:
Tính chất lí hóa của một số dầu thực vật tham khảo theo bảng 1.13.
Bảng 1.13.Một số tính chất cơ bản của các loại dầu thực vật.
Loại dầu
Khối lượng
(g/cm
3
)
Độ nhớt
(cst)
Nhiệt trị
(Mj/kg)

Chỉ số Cêtan
Dầu phộng
Dầu cải
Dầu dừa
Dầu bông
Dầu cọ
Dầu đậu nành
Dầu diesel
0,914
0,916
0,915
0,921
0,195
0,920
0,836
85
77
30 - 37
73
95 - 106
58 - 63
3 - 6
39,33
37.40
37,10
36,78
36,92
37,30
43,80
38 - 41

38
40 - 42
35 – 40
38 - 40
36 - 38
45 - 50
Biodiesel là nguồn nguyên liệu có thể tái chế, giúp giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ bởi
vậy khi sử dụng nó sẽ làm giảm lượng khí thải, vì biodiesel chỉ chứa chưa đến 15 phần
triệu sunfua, ngoài ra lượng khí thải hydrocacbon và cacbonmonooxit (CO) sẽ giảm tỷ lệ
thuận với tỷ lệ biodiesel.
Một trong những ưu điểm lớn nhất của của việc sử dụng biodiesel thể hiện ngay ở
động cơ. Biodiesel oxy hóa nhanh do đặc điểm thành phần hóa học. Do đó, khó có thể
tích trữ loại nhiên liệu này lâu, cần phải có thêm các chất phụ gia để lưu giữ nhiên liệu
được lâu hơn và Biodiesel nguyên chất dễ bị đóng băng hay đặc lại trong thời tiết
lạnh (ở Việt Nam dùng biodiesel có lẽ sẽ không gặp tình trạng này). Ngoài ra, việc sử
dụng nhiên liệu chứa nhiều hơn 5% biodiesel có thể gây các vấn đề sau:
+ Ăn mòn các chi tiết của động cơ và tạo cặn trong bình chứa nhiên liệu do tính dễ bị
oxy hóa của biodiesel.
+ Làm hư hại nhanh các vòng đệm cao su do sự không tương thích của biodiesel với
chất liệu làm vòng đệm. Ngày nay, việc sản xuất biodiesel còn gặp nhiều khó khăn do giá
thành các sản phẩm nông nghiệp chế biến biodiesel cao, không lợi về mặt kinh tế.
1.3.3. Nhiên liệu Ethanol
Có hai loại cồn thông dụng: Methanol (CH
3
OH) và Ethanol (C
2
H
5
OH). Cả hai đều có
thể dùng làm nhiên liệu. Methanol phần lớn được sản xuất từ khí gaz thiên nhiên. Cồn

ethanol có thể sản xuất từ dầu mỏ hay thứ phẩm của nông nghiệp như: mía đường, củ cải
đường hoặc là từ các cây có hạt như ngô, lúa mạch, lúa mì, củ sắn. Eco-ethanol là biệt
danh của loại ethanol có giá thành thấp nhất, làm từ cellulose (rơm rạ, bã mía hay cành
21

nhánh của cây dại) gọi chung là thứ ethanol từ bagasse. Ethanol sinh học là từ chỉ chung
cho cồn ethanol không phải sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch. Về mặc sinh thái-môi
trường thì cồn ethanol sinh học là loại nhiên liệu tái sinh được trong vònh kín tuần hoàn:
trồng cây mía, cây sắn v.v cho các nhiên liệu để chế biến thành cồn, nhiên liệu cồn khi
bị đốt cháy thải ra CO
2
và CO
2
lại được cây mía, cây sắn hấp thụ.
Cây cối + CO
2
> Cồn > Nhiên liệu ĐCĐT + CO
2
> Cây cối + CO
2
>
Ethanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ hyđrat hóa
êtylen và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với men
rượu.
1. Công nghệ sản xuất cồn
a. Hyđrat hóa êtylen:
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu
công nghiệp và thông thường nó được sản
xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là
thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen

bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản
ứng hóa học:
H
2
C=CH
2
+ H
2
O → CH
3
CH
2
OH
Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, adsorbed trong các chất có độ xốp cao
chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này lần đầu tiên
được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất Ethanol ở mức độ công nghiệp năm
1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập
tới trong các sách vở hóa học.
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm
1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được
hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra êtyl sulfat,
sau đó chất này được thủy phân để tạo thành Ethanol và tái tạo axít sulfuric:
H
2
C=CH
2
+ H
2
SO
4

→ CH
3
CH
2
OSO
3
H
CH
3
CH
2
OSO
3
H + H
2
O → CH
3
CH
2
OH + H
2
SO
4

Ethanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm
đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc
hại (chẳng hạn mEthanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C
21
H
29

N
2
OC
7
H5O
2
-là
một chất rất đắng, gây tê). Ethanol biến tính có số UN là UN 1987 và Ethanol biến tính
độc hại có số là UN 1986.
b. Lên men:

Hình 1.9. Cấu trúc phân tử của Ethanol
22

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn Ethanol sử dụng
làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định
(quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện không
có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra Ethanol và cacbon điôxít CO
2
. Phản ứng hóa
học tổng quát có thể viết như sau:
C
6
H
12
O
6
→ 2 CH
3
CH

2
OH + 2 CO
2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ
rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng
độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Để sản xuất Ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột
đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó
được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt
tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất Ethanol làm
nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh
chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, eym nấm amylas, hay là tổ hợp
của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành Ethanol có thể thu được từ xenluloza.
Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm
nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các
nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể
thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản
xuất Ethanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 thì công
nghệ hyđrat hoa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản
xuất Ethanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự
không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành
sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó.
c. Làm tinh khiết:
Đối với hỗn hợp Ethanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng độ
96% Ethanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp Ethanol-nước
(chứa ít hơn 96% Ethanol) không thể tạo ra Ethanol tinh khiết hơn 96%. Vì vậy, 95%
Ethanol trong nước là dung môi phổ biến nhất.

Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất Ethanol tinh chất. Để
phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể
thêm vào và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi
hỗn hợp cấp ba với nước và Ethanol nhằm loại bỏ Ethanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn
23

hợp cấp hai với Ethanol loại bỏ phần lớn benzen. Ethanol được tạo ra không chứa nước.
Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng Ethanol
đối với người có thể gây tổn thương cho gan.
Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nước từ dung dịch
96% Ethanol. Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến
mạch. Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit
trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với
luồng hơi CO
2
nóng. Ethanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích
của benzen và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để
làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay
rượu vang sherry (có nguồn gốc ở Tây Ban Nha) trong các phương pháp nấu rượu truyền
thống.
2. Đặc tính vật lý hóa học của cồn
Đặc tính của cồn có gốc OH, gốc này ảnh hưởng quyết định đến tính chất vật lý, hóa
học của cồn.
Cồn là hợp chất của gốc OH với gốc cacbua-hydrô. Công thức hóa học chung là R-
OH, trong đó R là gốc H-C.
Cồn ethanol (C
2
H
5
OH) và methanol (CH

3
OH) là hợp chất giữa etan (CH
4
) và metan
(C
2
H
5
) với OH, công thức rượu có thể viết như sau C
n
H
2n+1
OH. Phân tử methanol và
ethanol có gốc R cho nên nó thuộc về rượu bậc 1. Với số nguyên tử cacbon như nhau, so
sánh cồn với cacbua-hydro khác thì cồn có đặc điểm: phân tử lượng, trọng lượng, điểm
sôi, nhiệt độ bay hơi ở áp suất thường đều cao, với lý do như sau:
- Phân tử lượng và tỷ trọng cao hơn là do trong phân tử cồn có thêm nguyên tử Oxy.
- Điểm sôi và nhiệt độ bay hơi cao hơn là do mối liên kết giữa Oxy và Hydro. Loại
liên kết giữa Oxy và Hydro là loại liên kết hydrô hoặc là liên kết phân tử có cực, do vậy
là cho giữa các phân tử tồn tại liên kết ngược. Quá trình liên kết phân tử có cực sẽ bị yếu
khi tăng nhiệt độ. Vì thế nên muốn làm bay hơi cồn thì chúng ta phải cung cấp một nhiệt
lượng làm yếu mối liên kết này.
- Cồn ở dạng lỏng thì hàm lượng cácbon ít, cho nên có thể hòa tan hoàn toàn trong
nước. Sở dĩ như vậy là vì giữa phân tử cồn và phân tử nước có tồn tại liên kết phân tử có
cực. Nếu hàm lượng cacbon trong phân tử cồn nhiều thì gốc R tăng lên nó sẽ làm cản trở
liên kết phân tử có cực giữa cồn và nước. Điều này dẫn đến việc cồn có số lượng nguyên
tử cacbon trong phân tử càng lớn thì khả năng hòa tan vào nước càng giảm đi. Do vậy
nên khả năng hòa tan của methanol trong nước lớn hơn ethanol. Ngược lại nếu lượng OH
trong phân tử cồn càng nhiều thì ái lực liên kết giữa cồn với nước tăng lên cho nên có thể
24

càng hòa tan trong nước. Về mặt này thì methanol và ethanol giống nhau vì cùng có một
gốc OH.Những đặc tính lý hóa làm cho cồn có khả năng thay thế xăng và dầu diezel.
Bảng 1.14. Mối quan hệ về đặc tính lý hóa của cồn với xăng và dầu diezel
Đặc tính lý hoá
Diezel
Xăng
Ethanol 95%
Methanol 95%
Khối lượng riêng (Kg/dm
3
)
0,83
0,75
0,78
0,79
Nhiệt bay hơi (KJ/Kg)
230
350
840
1103
ở 1 at, 25
o
C
Nhiệt trị (KJ/Kg)
43800
44000
26900
21400
Nhiệt trị hỗn hợp (KJ/Kg)

2850
2830
2690
2680
Khối lượng không khí cần
14,40
14,60
8,96
6,44
thiết để đốt cháy nhiên liệu
(g không khí/ g nhiên liệu)
Lượng nhiên liệu cần thiết
0,069
0,068
0,111
0,155
ứng với 1 đơn vị không khí
(g không khí/ g nhiên liệu)
Chỉ số octan (tính theo
RON
20
98
106
110
Chỉ số cetan
50
15
5
0
Tỷ số nguyên tử H/C

1,842
2,035
2,975
3,968
Tỷ số khối lượng H/C
0,155
0,171
0,250
0,333
Tỷ số nhiệt trị của H/ nhiệt
trị nhiên liệu
0,353
0,376
0,468
0,540
Tỷ số nhiệt trị H
H
/H
C

0,546
0,603
0,881
1,175
Thành phần hóa học%: H
13,4
14,6
13,04
12,5
C

86,6
85,4
52,18
37,5
O
0,00
0,00
34,78
50
a. Khả năng dùng cồn thay thế cho xăng.
Nhiệt trị khối lượng của cồn nhỏ hơn xăng và dầu diezel khoảng 1,64 lần. Nhưng
nhiệt trị hỗn hợp của cồn ethanol+xăng+không khí chỉ nhỏ hơn nhiệt trị hỗn hợp của
xăng+không khí khoảng 5% (do lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg cồn ít hơn
xăng khoảng 38%). Vì vậy xét khi hệ số dư lượng không khí như nhau thì khi dùng cồn
làm nhiên liệu động cơ giảm công suất rất ít. Thực ra khi dùng cồn bằng cách đặt Bộ chế
hòa khí trên đường ống nạp thì nhiệt ẩn bay hơi của cồn lớn hơn xăng 1,67 lần nên nhiệt
độ dòng khí nạp thấp hơn so với khi dùng xăng cho nên ta có thể nạp vào xy lanh một
lượng nạp nhiều hơn là khi dùng xăng, điều này có thể làm động cơ có thể có công suất
lớn hơn khi dùng xăng.
25

Chỉ số RON của cồn là 106, lớn hơn loại xăng A83, A92 rất nhiều. Rõ ràng cồn là
loại nhiên liệu có tính chất chống kích nổ tốt cho động cơ xăng. Đối với động cơ xăng,
pha cồn vào xăng là một biện pháp làm tăng tính chống kích nổ trong quá trình cháy.
Trước đây, người ta phải dùng xăng pha tê-tra ethyl chì để tăng tính chất này. Gần đây,
người ta đã chuyển sang dùng loại xăng không pha chì có tính chống kích nổ cao, nhưng
lại gặp rắc rối mới là phải dùng công nghệ phức tạp và đắt tiền hơn để sản xuất xăng
hoặc phải dùng các thành phần mới trong xăng cũng gây độc hại không kém gì chì.
Người ta đã làm thí nghiệm và thấy rằng: cứ pha thêm mỗi 7% cồn vào xăng thì tăng tỷ
số RON lên 1,2 đơn vị hoặc tăng chỉ số MON lên 1,7 đơn vị. Giải pháp pha cồn vào xăng

để tăng tính chất chống kích nổ cho nhiên liệu được rất nhiều nhà khoa học trong và
ngoài nước ủng hộ vì đây là một giải pháp “sạch” không gây ô nhiễm môi trường. Vì vậy
có thể pha cồn vào xăng là một biện pháp chống ô nhiễm rất tốt. Chỉ số octan cao của
ethanol còn cho phép tăng tỷ số nén của động cơ dùng hỗn hợp ngoài lên đến 13.
Trong thành phần cồn ethanol chỉ có 53,8% cacbon và có đến 34,75% ôxy; còn trong
xăng có đến 86,6% cacbon và lượng ôxy là 0,0%. Do vậy, khi bị đốt cháy trong buồng
cháy của động cơ đốt trong thì lượng CO trong khí thải trong trường hợp dùng cồn sẽ ít
hơn so với xăng, khí thải hầu như không có bồ hóng. Khi dùng cồn, lượng HC có tăng
lên do không khí và thành xy lanh bị thu nhiệt cục bộ do cồn bay hơi, tại những nơi đó
lượng HC không cháy tăng lên. Lượng NO
x
giảm khoảng 5-10%, chủ yếu là do nhiệt độ
cháy thấp và thời gian đỉnh ngọn lửa ngắn.
Lượng oxy trong cồn khá nhiều ảnh hưởng tốt đến sự đốt cháy nhiên liệu vì phân tử
cồn đã có oxy “tại chỗ” để đốt cháy C và H.
Với những đặc trưng như trên thì việc dùng cồn thay thế cho xăng là hoàn toàn có thể.
Tuy nhiên, khi pha cồn trực tiếp vào xăng lại nảy sinh một vấn đề mới như sau:
Tại ICAT 99, khi bàn luận về vấn đề pha trực tiếp cồn vào xăng, các nhà chuyên môn
ngành xăng dầu cho rằng làm như vậy khi tồn trữ lâu ngày sẽ sinh ra hiện tượng đóng
nhựa trong bồn xăng.
Do vậy, khi dùng cồn thay thế một phần hoặc hoàn toàn thì cần phải có những cải tiến
phù hợp đối với hệ thống nhiên liệu hoặc là ở kết cấu động cơ.
b. Khả năng dùng cồn thay thế cho dầu diesel.
Vấn đề dùng cồn ethanol trên động cơ diesel chưa được đặt ra nhiều so với dùng trên
động cơ xăng, có lẽ là do tính chất của cồn ethanol xem ra không thích hợp với yêu cầu
của tính chất nhiên liệu dùng cho động cơ diesel: chỉ số cetan và độ nhớt của cồn ethanol
rất thấp, không thể đốt cháy cồn ethanol bằng phương pháp tự bốc cháy trong động cơ
diesel. Với cách nhìn nhận như vậy làm chúng ta bỏ lỡ cơ hội tăng tính kinh tế sử dụng
của cồn ethanol. Bởi vì, như chúng ta đã biết động cơ diesel có tính kinh tế nhiên liệu cao