Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học e10 cho phương tiện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.6 MB, 88 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRẦN MAI CƯỜNG
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG
XĂNG SINH HỌC E10 CHO PHƯƠNG TIỆN
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
LUËN V¡N TH¹C SÜ Kü THUËT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. LÊ ANH TUẤN
HÀ NỘI- NĂM 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trinh nào khác.
Người cam đoan
Trần Mai Cường
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Sau đại học,
Viện Cơ khí Động lực và bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép và tạo điều kiện cho tôi
thực hiện luận văn tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi rất tận tình và
chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận văn này
Tôi xin chân thành biết ơn quý Thầy, Cô giảng dạy các bộ môn và phòng thí
nghiệm động cơ đốt trong- trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ và dành những
điều kiện hết sức thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên và Ban
quản lý cơ sở II đã tạo điều kiện, cổ vũ, động viên chúng tôi trong suốt thời gian học tập
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy đã đồng ý đọc, duyệt và góp các ý kiến
quý báu để tôi có thể hoàn thành luận văn này và hướng mở cho mai sau.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và cơ quan nơi tôi đang
công tác là những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian tôi tham gia
học tập, nghiên cứu và thực hiện thành công luận văn này.
Học viên
Trần Mai Cường
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan .....................................................................................................................
Lời cảm ơn…………………………………………………………………. ...................
Mục lục ..............................................................................................................................
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................................
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ........................................................................................
Lời nói đầu ....................................................................................................................... 1
1.Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................... 2
2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................................... 3
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN .................................................................4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu cồn sinh học .................................................................... 4
1.1.1.
Các ưu nhược điểm của nhiên liệu cồn sinh học................................................ 4
Ưu điểm ...................................................................................................................... 4
Nhược điểm ................................................................................................................ 5
1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng ....................................................... 5
Bio Ethanol .................................................................................................................. 5
Bio diesel ..................................................................................................................... 6
Bioga ........................................................................................................................... 6
1.1.3 Tình hình sản xuất, chế biến và sử dụng Ethanol ................................................. 7
Tình hình sản xuất, chế biến và sử dụng Ethanol trên thế giới ................................... 7
a. Brazin .......................................................................................................................... 7
b. Khối EU....................................................................................................................... 8
c. Mỹ ............................................................................................................................... 8
d. Inđonesia ..................................................................................................................... 8
e. Trung quốc .................................................................................................................. 8
f. Malaysia ...................................................................................................................... 8
g. Thái lan ........................................................................................................................ 9
* Tình hình sản xuất, chế biến và sử dụng Ethanol ở Việt nam ...................................... 9
a. Thuận lợi .................................................................................................................... 10
b. Khó khăn.................................................................................................................... 10
c. Chiến lược sản xuất, chế biến và sử dụng NLSH ở Việt nam ................................... 10
1.2. Nhiên liệu Ethanol và xăng sinh học ...................................................................... 13
1.2.1. Nhiên liệu Ethanol ............................................................................................... 13
* Tính chất lý hóa của Ethanol ...................................................................................... 13
a. Tính chất vật lý .......................................................................................................... 13
b. Tính chất hóa học ...................................................................................................... 14
* Công nghệ sản xuất Ethanol ....................................................................................... 17
a. Phương pháp Hydrat hóa Etylen ................................................................................ 17
b. Công nghệ lên men sản xuất Ethanol ........................................................................ 18
c. Công nghệ sinh học sản xuất Ethanol từ nguyên liệu xenluloza ............................... 18
d. Các phương pháp làm khan Ethanol .......................................................................... 20
1.2.2. Xăng sinh học… .................................................................................................. 21
* Tính chất lý hóa của xăng sinh học…… .................................................................... 21
* Ảnh hưởng của tính chất xăng sinh học đến động cơ xăng…………………... ........ .22
a. Độ bay hơi của xăng sinh học…………………………………………… ............... 22
b. Ảnh hưởng của Ethanol lên độ bay hơi của nhiên liệu………………….. ............... 22
c. Trị số Octan……………………………………………………………... ................ 23
d. Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F)…………………… ................ 24
e. Phân tách pha do sự có mặt của nước…………………………………... ................. 24
* Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường……………………… ...................... 25
1.2.3. Quy trình công nghệ phối trộn xăng sinh học………………………….. ........... 25
* Công nghệ phối trộn………………………………………………… ....................... 25
* Chế độ phối trộn……………………………………………………. ........................ 27
a. Phối trộn nhiên liệu độ nhớt thấp……………………………………….. ................ 28
b. Phối trộn nhiên liệu độ nhớt cao……………………………………...... ................. 28
1.2.4. Chỉ tiêu chất lượng của Ethanol dùng để pha vào xăng……………… .............. 28
1.2.5. Chỉ tiêu chất lượng của xăng Ethanol………………………………... .............. 29
1.3 Kết luận chương 1………………………………………………………………...30
Chương 2: CƠ SỞ VỀ ĐẶC TÍNH VÀ HÌNH THÀNH PHÁT THẢI
ĐỘC HẠI TRONG ĐỘNG CƠ
2.1. Phân loại đặc tính của động cơ đốt trong và cách xây dựng đặc tính động
cơ…………………………………………………………………… ............... .32
2.1.1. Chế độ làm việc và đặc tính của động cơ đốt trong…………...............…32
* Chế độ làm việc……………………………………………... .........................32
* Các loại đặc tính của động cơ đốt trong…………………….. .........................33
* Cơ sở phân tích đặc tính của động cơ đốt trong……………... ........................34
a. Theo lượng khí nạp mới vào xy lanh……………………………... ................34
b. Theo lượng nhiên liệu chu trình…………………………………. .................36
2.1.2. Đặc tính điều chỉnh λ………………………………………… ................36
2.1.3 Đặc tính điều chỉnh φs…………………………………………. ...............39
2.1.4. Đặc tính tốc độ………………………………………………… ...............40
* Đặc tính tốc độ động cơ xăng……………………………… ...........................42
2.1.5. Đặc tính tải……………………………………………………….............47
2.1.6. Đặc tính tổng hợp……………………………………………... ...............49
2.1.7. Đặc tính không tải……………………………………………..................49
2.2. Cơ sở hình thành phát thải độc hại trong động cơ xăng……….. .................49
2.2.1. Phát thải CO…………………………………………………...............…49
2.2.2. Phát thải HC……………………………………………………...............50
2.2.3. Phát thải NOx…………………………………………… ............... ….....55
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
3.1. Mục tiêu thử nghiệm………………………………………................ ……57
3.2. Đối tượng thử nghiệm………………………………………………….......57
3.2.1. Nhiên liệu thử nghiệm……………………………………………… .......57
3.2.2. Phương tiện thử nghiệm………………………….....................................58
3.3.Chương trình và nội dung thử nghiệm………………………………… ......59
3.4. Trang thiết bị thử nghiệm…………………………………………… .....…61
3.4.1. băng thử Classis Dynamometer 48”………………………………… ......61
*. Chức năng chính của băng thử………………………………………… ........63
3.4.2. Cơ sở lý thuyết các phép đo chính…………………………………. ........63
3.5. Đánh giá kết quả thử nghiệm ………………………………………… .......67
3.5.1. Công suất…………………………………………………………… .......67
3.5.2. Mức tiêu hao nhiên liệu……………………………………………. ........69
3.5.3. Khả năng tăng tốc của thiết bị…………………………………….. .........71
3.5.4. Phát thải độc hại……………………………………………………. .......72
* Kết luận chương 3……………………………………………………… ........75
KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN…………………….... .....76
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Diễn giải
Đơn vị
E5
Xăng sinh học bao gồm 5% Ethanol và 95% xăng
truyền thống
-
E10
Xăng sinh học bao gồm 10% Ethanol và 90% xăng
truyền thống
-
E15
Xăng sinh học bao gồm 15% Ethanol và 85% xăng
truyền thống
-
E20
Xăng sinh học bao gồm 20% Ethanol và 80% xăng
truyền thống
-
Ethanol gố c
-
CO
Mônôxit cácbon
-
HC
Hyđrô cácbon
-
NOx
Ôxit nitơ
-
CO2
Cácbonníc
-
SAE
Hội kỹ sư ô tô thế giới
-
NLBT
Nhiên liệu biến tính
-
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
-
NLSH
Nhiên liệu sinh học
-
E100
CD48”
ECE15-05
FC
Chassis Dynamometer 48” (Băng thử ô tô con và xe tải
hạng nhẹ)
Chu trình thử châu Âu cho xe con và xe tải hạng nhẹ
Tiêu thụ nhiên liệu
l/100km
Hệ số dư lượng không khí
-
A/F
Tỷ lệ không khí/nhiên liệu
-
Tủ phân tích khí thải
-
CEBII
Ne
Công suất
kW
Me
Mômen
Nm
ge
Suất tiêu thụ nhiên liệu
g/kW.h
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất của Ethanol [1] ................................................................................. 14
Bảng 1.2. Quy chuẩn về Ethanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì [4] .. 16
Bảng 1.3. Tiêu chuẩn Ethanol nhiên liệu của Mỹ năm 2003 ............................................ 16
Bảng 1.4. Tiêu chuẩn Ethanol nhiên liệu của Ấn Độ ...................................................... 17
Bảng 1.5. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [18] .................................................................. 21
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu chất lượng của Ethanol dùng để pha với xăng. ....................................... 29
Bảng 1.7 Tiêu chuẩn TCVN của Ethanol dùng để pha với xăng (TCVN 7716-2007)..... 30
Bảng 2.1. Chuỗi phản ứng hình thành NOx ...................................................................... 55
Bảng 3.1 Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON 92 .............................................................. 57
Bảng3.2 Chỉ tiêu chất lượng của xăng sinh học E10……………………………………… ... 58
Bảng 3.3 Các thông số kỹ thuật của xe Daewoo .............................................................. 59
Bảng 3.4 Các điểm thí nghiệm tại tay số IV và số V của Ô tô ......................................... 60
Bảng 3.5 Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV ..................................................... 67
Bảng 3.6 Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số V ...................................................... 68
Bảng 3.7 Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số IV ........................................................ 69
Bảng 3.8 Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số V ......................................................... 70
Bảng 3.9. Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên liệu theo chu trình thử ECE 1505
.......................................................................................................................................... 72
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 3.1. Xe Daewoo Lanos…………………………………………………………… .... ….59
Hình 3.2. Chu trình thử Châu Âu ECE 1505…………………………………………… .... …61
Hình 3.3. Phòng thử Ô tô của PTN động cơ đốt trong ĐHBK HN…………………… ..... ….62
Hình 3.4. Cấu tạo của cảm biến tốc độ………………………………………………… .... ….63
Hình 3.5. Nguyên lý đo lực……………………………………………………………… .... ...64
Hình 3.6. Cơ cấu xác định lực kéo……………………………………………………… .... …65
Hình 3.7. Nguyên lý hoạt động của thiết bị cân nhiên liệu 733S………………………… .... .66
Hình 3.8. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos tại tay số IV so với RON 92…………… ..... .68
Hình 3.9. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos tại tay số V so với RON 92…………… ..... . 69
Hình 3.10. Mức tiêu hao nhiên liệu ở tay số IV…………………………………………....... .70
Hình 3.11.Mức tiêu hao nhiên liệu ở tay số V…………………………………………… ...... 71
Hình 3.12. Thời gian tăng tốc từ 20Km/h đến 80 Km/h đối với xe Lanos……………… ....... 72
Hình 3.13. Phát thải xe Lanos khi chạy với các loại nhiên theo chu trình thử ECE 1505 ....... .73
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia hiện nay không thể tách rời việc phát
triển kinh tế với bảo vệ môi trường và đặc biệt là phải đảm bảo an ninh năng lượng
phục vụ cho sản xuất, bảo vệ Tổ quốc và nhu cầu sử dụng năng lượng của mỗi người
dân. Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày càng tăng cao, trong khi nhiên
liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, dẫn đến giá nhiên liệu không ngừng tăng trong
những thập niên gần đây. Theo dự báo của các nhà khoa học với tốc độ khai thác như
hiện nay, trữ lượng dầu mỏ của toàn thế giới chỉ đủ cho khoảng 50 năm nữa, do vậy
việc đảm bảo an ninh năng lượng đang ngày càng trở nên cấp bách đối với tất cả các
nước trên thế giới.
Mặt khác hiện tượng nóng nên của trái đất do hiệu ứng nhà kính dẫn đến mực
nước biển dâng cao, khí hậu thay đổi, mưa bão, hạn hán, thiên tai bất thường làm cho
quỹ đất và sản xuất cũng như đời sống của người dân bị ảnh hưởng nghiêm trọng.
Tại Việt nam, theo số liệu của Tổng cục Thống kê, chỉ riêng năm 2007 tổng thiệt
hại do thiên tai gây ra ở 50 tỉnh, thành phố trên cả nước ước tính lên đến 11.600 tỷ
đồng. Cùng với đó là gần 440 người chết và mất tích; hàng trăm nghìn ha lúa bị hư
hại, hàng chục nghìn công trình dân sinh, thủy lợi bị phá hủy, tình trạng thiếu đói
xảy ra liên mien. Đồng thời xuất hiện nhiều dịch bệnh, bệnh nan y đối với con người,
là gánh nặng cho mỗi gia đình và toàn xã hội, làm cho chi phí về y tế cộng đồng cũng
trở nên bức thiết hơn bao giờ hết. Nguyên nhân là do phát thải của các loại khí độc
hại trong quá trình sản xuất, giao thông dẫn đến biến đổi khí hậu.việc kiểm soát giảm
phát thải khí độc hại để bảo vệ môi trường là điều mà các quốc gia nói chung và Việt
Nam nói riêng cần phải làm.
Việc hình thành một ngành công nghiệp nhiên liệu mới thân thiện với môi trường
sẽ tạo việc làm cho nhiều người lao động cơ hội đầu tư để từ đó hỗ trợ phát triển kinh
tế. Đặc biệt là Việt Nam một đất nước với hơn 70% dân số làm nông nghiệp thì việc
sản xuất và sử dụng nhiên liệu tái tạo nói chung và E5, E10 nói riêng vừa khắc phục
1
được các mặt hạn chế của nhiên liệu hóa thạch vừa tạo việc làm cho nông nghiệp,
đồng thời khai thác tốt tài nguyên đất và đảm bảo an ninh năng lượng vừa phát triển
kinh tế đất nước. Đảng, Nhà nước ta đã có chủ trương đúng đắn trong việc phát triển,
sản suất và sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung và E5, E10 nói riêng và được cụ
thể hóa bằng quyết định số: 53/QĐ-Ttg ngày 21.11.2012 của Thủ tướng Chính phủ
về lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học cho các phương tiện đang lưu hành trên thị
trường. Quyết định có ý nghĩa thiết thực đối với một nước đang phát triển như Việt
Nam
Đề tài “Nghiên cứu sử dụng xăng sinh học E10 cho phương tiện” sẽ hướng tới góp
phần giải quyết một trong những vấn đề đặt ra ở trên của thực tiễn
1. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Mục đích nghiên cứu
Mục đích tổng thể của luận văn là đưa ra kết luận sự tác động của xăng sinh học
E10 đến tính năng, phát thải của phương tiện.
Cụ thể luận văn đặt mục tiêu đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học E10
đến các thông số, tính năng của động cơ và của xe như công suất, tiêu thụ nhiên
liệu, khả năng tăng tốc và phát thải độc hại của động cơ.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ôtô cũ Daewoo Lanos đời 2001 sử dụng hệ
thống phun xăng điện tử. Nhiên liệu dùng cho động cơ gồm xăng RON 92 và xăng
sinh học E10
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Trong đó nghiên cứu lý thuyết được thực hiện thông qua việc tổng hợp các nghiên
cứu liên quan đến tính chất của Ethanol và xăng sinh học; Lý thuyết về đặc tính của
động cơ đốt trong.
2
Thử nghiệm đối chứng trong phòng thí nghiệm tại trường Đại học Bách khoa Hà
Nội nhằm đánh giá những thay đổi về công suất, mô mem, khả năng tăng tốc của
động cơ ôtô khi sử dụng xăng sinh học E10 so với khi sử dụng xăng RON 92
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học
Luận văn đã góp phần đánh giá được những tác động của xăng sinh học E10
đến tính năng, phát thải của phương tiện thông qua các kết quả thực nghiệm trên ôtô
con dùng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử. Từ đó đưa ra kết luận ưu nhược
điểm khi sử dụng xăng sinh học E10.
Ý nghĩa thực tiễn
Luận văn góp phần đưa ra những nhận định khoa học về thay đổi tính năng của
ô tô khi sử dụng xăng sinh học E10. Đây là những nhận định có ý nghĩa thực tiễn
lớn trong việc đẩy nhanh lộ trình sử dụng đại trà xăng sinh học E10 trên thực tiễn.
Cấu trúc của luận văn gồm các phần chính sau:
+ Lời nói đầu
+ Chương I: Tổng quan
+ Chương II: Cơ sở về đặc tính và hình thành phát thải độc hại trong động cơ
+ Chương III: nghiên cứu thực nghiệm
+ Kết luận chung và hướng phát triển
+ Tài liệu tham khảo.
3
CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU CỒN SINH HỌC
1.1.1 Các ưu nhược điểm của nhiên liệu cồn sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ các
hợp chất có nguồn gốc từ động, thực vật, ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ các chất
béo của động, thực vật (mỡ động vật, dầu dừa….), ngũ cốc (ngô, đậu tương, sắn, lúa
mỳ)…, chất thải trong nông nghiệp (rơm, rạ, phân…), chất thải trong công nghiệp
(mùn cưa, sản phẩm từ gỗ thải…). NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm
các loại cồn Metanol, Ethanol, Butanol, các loại Diesel sinh học được sản xuất từ dầu
thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật. Đây là nguồn nhiên liệu thay thế tiềm
năng trong tương lai khi nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt, tuy nhiên bên cạnh đó
NLSH cũng có những hạn chế nhất định. Một số ưu nhược điểm chính của NLSH so
với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:
* Ưu điểm
- Ethanol cũng như các nhiên liệu cồn sinh học khác được đánh giá là sạch hơn
nhiều so với xăng có nguồn gốc từ dầu mỏ vì chúng có nguồn gốc từ thực vật hoặc
các chế phẩm nông nghiệp nên nó là nguồn nguyên liệu có thể tái tạo theo chu trình
các bon kín.
- Khi sử dụng loại nhiên liệu này không gây hiệu ứng nhà kính vì khí thải của
nhiên liệu cồn sinh học ít độc hại hơn so với nhiên liệu truyền thống
- Ethanol có trị số ốctan cao hơn xăng truyền thống, nên khi pha Ethanol vào xăng
nó sẽ làm tăng chỉ số ốctan của hỗn hợp do vậy sẽ bớt được lượng phụ gia pha vào
xăng nhằm mục đích tăng chỉ số ốctan.
- Khi dùng xăng pha Ethanol với tỷ lệ nhỏ thì không cần thay đổi kết cấu của động
cơ.
4
- Ethanol có khả năng tự phân hủy ngoài môi trường nên không gây độc hại với
môi trường
* Nhược điểm
- Việc sản xuất cồn sinh học từ các nguồn tinh bột hoặc các cây thực phẩm được
cho là không bền vững vì ảnh hưởng tới an ninh lương thực
- Khả năng sản xuất với quy mô lớn còn hạn chế do nguồn cung cấp không ổn
định vì phụ thuộc vào thời tiết và nông nghiệp
- Công nghệ sản xuất cồn sinh học từ các nguồn Lignocellulose chưa đạt được
hiệu suất cao, nên giá thành cao hơn nhiều so với nhiên liệu truyền thống
- Nhiên liệu sinh học khó cất giữ và bảo quản so với nhiên liệu truyền thống (dễ
bị biến tính, phân hủy theo thời gian)
Tùy theo lợi thế về nguyên liệu của mỗi quốc gia mà người ta chọn các loại nguyên
liệu phù hợp để sản xuất NLSH. Theo nguồn nguyên liệu sản xuất NLSH người ta
chia NLSH thành ba thế hệ:
+ NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu được sản xuất từ các nguyên liệu có bản
chất là thực phẩm, ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột (ngô, sắn…), đường (
mía, củ cải đường…), mỡ động vật, dầu thực vật…
+ NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn đề về sử dụng lương thực của
NLSH thế hệ đầu tiên, NLSH thế hệ thứ hai sử dụng các hình thức sinh khối chứa
Lignocellulose. Các loại cỏ cây, phế phẩm nông, lâm nghiệp gỗ, đều có thể chuyển
đổi thông qua hai con đường sinh hóa và nhiệt hóa.
+ NLSH thế hệ thứ ba: có nguồn gốc từ vi tảo và được coi là nguồn năng lượng
thay thế có tính khả thi, vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn, vòng thu hoạch ngắn
hơn (cây trồng thu hoạch một năm từ 1-2 lần; tảo từ 1-10 ngày tùy thộc vào tiến trình)
1.1.2 Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng
* Bio- Ethanol
5
Ethanol (Công thức phân tử C2H5OH) là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng
đẳng của Ancol methylic. Ethanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay
và nhẹ hơn nước, dễ bay hơi, sôi ở nhiệt độ 78,39 OC, hóa rắn ở – 114,15 OC, dễ cháy,
khi cháy không có khói, ngọn lửa có màu xanh da trời.
Ethanol được sản xuất từ sự lên men của các phế phẩm nông, lâm nghiệp do vậy
đây là nguồn nguyên liệu thân thiện với môi trường. Ethanol nguyên chất ít được sử
dụng làm nhiên liệu mà thường trộn với xăng theo một tỷ lệ nhất định làm nhiên liệu
cho động cơ đốt trong
* Bio- Diesel
Bio- Diesel được coi là dạng nhiên liệu dùng để thay thế cho Diesel, có nguồn gốc
từ dầu thực vật (hạt cải dầu, hướng dương, đậu nành, cọ, dừa, jatropha..) hoặc mỡ
động vật là thế hệ thứ nhất; Dầu thải, sinh khối, dầu từ hạt không ăn được là thế hệ
thứ hai; Vi tảo là thế hệ thứ ba. Bio- Diesel có công thức chung là 3(R-COO-CH3)
* Biogas
Methanol là nhiên liệu tái sinh được sản xuất từ chất thải hữu cơ, vì vậy việc sử
dụng nó làm nhiên liệu không làm tăng nồng độ CO2 trong khí quyển. Thành phần
chính là CH4 (50-60%; CO2>30%) còn lại là các chất khác như N2, O2, H2S, CO…
được thủy phân trong môi trường yếm khí. Methanol có nhiệt trị thấp nhưng có thể
làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong, tuy nhiên để có thể sử dụng Methanol làm nhiên
liệu thì điều đầu tiên phải loại bỏ các tạp chất độc hại như H2S có thể gây ăn mòn các
chi tiết trong động cơ…Tiềm năng Biogas ở nước ta từ chất thải chăn nuôi là rất lớn,
tuy nhiên ở nước ta sử dụng Biogas vào phát điện là khó khăn vì nguồn nguyên liệu
không tập trung, quy mô không đều nên không đủ để động cơ chạy liên tục cho động
cơ cỡ lớn, nếu động cơ có công suất nhỏ không đảm bảo được công suất cho sản suất,
nên thực tế hiện nay ở nước ta chỉ sử dụng các hầm Biogas cho việc đun nấu cho dân
và các trang trại chăn nuôi
6
1.1.3 Tình hình sản xuất, chế biến và sử dụng Ethanol
* Tình hình sản xuất và sử dụng Ethanol trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có khoảng hơn 50 nước đã tiến hành nghiên cứu sản xuất
và đưa vào sử dụng Ethanol. Ethanol được sử dụng làm nhiên liệu lĩnh vực giao thông.
Các thống kê trên thế giới cho thấy: Năm 2003 đã sản xuất được 38 tỷ lít Ethanol,
năm 2006 là 50 tỷ lít (75% trong số đó được dùng làm nhiên liệu) theo dự kiến đến
năm 2012 sẽ đạt khoảng 80 tỷ lít.
Năm 2006 tổng số nhiên liệu sinh học đã được sử dụng là 13%, trong đó 0,3%
nhiên liệu sinh học được dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông. Sản
lượng nhiên liệu sinh học đã sản xuất tăng từ 17 tỷ lít của năm 2000 lên hơn 52 tỷ lít
vào năm 2007 và cung cấp đến 1,8% nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.
Chỉ tính riêng Châu Âu nhiên liệu sinh học được sử dụng cho các phương tiện cơ
giới đã tăng từ 0,1% năm 1997 lên 2,6% năm 2007.
a. Brazil
Brazin mỗi năm sản xuất 1,4 tỷ lít Ethanol (tương đương với 20 vạn thùng) từ
cây mía. Với chương trình sản xuất này, Brazin đã tạo việc làm cho khoảng 1 triệu
lao động và tiết kiệm được 60 tỷ USD tiền nhập khẩu xăng dầu trong ba thập kỷ
qua. Từ năm 1985 sản lượng Ethanol được sản xuất bình quân 10 triệu tấn/năm.
Năm 2005 có 70% số ôtô đã sử dụng xăng sinh học. Hiện nay Brazil đã sử dụng
xăng sinh học E20 và E25. Brazin quy định bắt bắt buộc các phương tiện phải sử
dụng xăng sinh học. Đến năm 2012 Brazin sẽ đưa 70 nhà máy mới chuyên sản xuất
Ethanol vào hoạt động và cung cấp khoảng 200 tỷ lít Ethanol trong vòng 20 năm tới
thay vì 30 tỷ lít như hiện nay.
7
b. Khối EU
Nhiên liệu sinh học là một ưu tiên trong chính sách bảo vệ môi trường và đảm bảo
an ninh năng lượng. Theo ước tính của các nhà kinh tế, khi sử dụng xăng sinh học
hằng năm có thể tiết kiệm được 120 triệu thùng dầu thô.
Từ năm 2004 một số trạm xăng ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị 2003/30/EU mà
theo đó từ 31/12/2005 ít nhất là 2% đến 31/12/2010 ít nhất là 5,75% nhiên liệu dùng
cho giao thông phải có nguồn gốc tái tạo.
EU đặt mục tiêu đến 2020 việc sản xuất điện năng cũng phải sử dụng năng lượng
tái sinh và EU cũng quy định các nước thành viên phải sử dụng ít nhất 10% nhiên
liệu sinh học từ nay đến năm 2020.
c. Mỹ
Mỹ là quốc gia sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới cho đến
thời điểm này. Sản lượng mà Mỹ sản xuất chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới, Mỹ
cũng là nước nhập khẩu Ethanol lớn nhất thế giới khoảng 3,4 tỷ lít năm 2008.
d. Indonesia
Indonesia đặt mục tiêu dến 2010 nhiên liệu sinh học sẽ đáp ứng 10% nhiên liệu
sinh học dùng trong giao thông và phát điện. Hiện nay ở Indonesia phần lớn xe bus
và xe tải được sử dùng nhiên liệu sinh học.
e. Trung Quèc
Tại trung Quốc đã sản xuất Ethanol từ lương thực tồn kho với sản lượng 1,02
triệu tấn/năm, Trung Quốc đang nghiên cứu sản xuất Ethanol từ gỗ và các phế phẩm
lâm nghiệp. Năm 2010 sản lượng nhiên liệu sinh học của trung Quốc đạt khoảng 6
triệu tấn, dự kiến đến năm 2020 đạt khoảng 19 triệu tấn.
f. Malaysia
Malaysia phát triển nguồn nguyên liệu để sản xuât nhiên liệu sinh học bằng cây
Jatropha. Hiện nước này có 3 nhà máy sản xuất nhiên liệu sinh học với công suất
8
276.000 tấn/năm. Malaysia dự định xuất khẩu khoảng 1 triệu tấn Diesel sinh học vào
năm 2007.
g. Thái Lan
Tại Thái Lan nhiên liệu sinh học chủ yếu dung trên ô tô và máy nông nghiệp.
năm 2007 đã có 79,2 triệu gallon Ethanol được sử dụng đứng thứ 6 trên thế giới trong
đó E10 được sử dụng rộng rãi nhất. Từ năm 2008 E20 và E85 bắt đầu được đưa vào
sử dụng.
* Tình hình sản xuất và sử dụng Ethanol ở Việt Nam
Sản xuất Ethanol ở nước ta có thể nói là rất sớm, do người Pháp xây dựng từ
những năm 1898, đến trước năm 1945 tại Hà nội, Hải dương, Nam định… đã có các
nhà máy, nguyên liệu để sản xuất là từ ngô, gạo. Đến năm 1960 nước ta xây dựng
thêm 2 nhà máy sản xuất Ethanol từ rỉ đường là Việt trì- Phú thọ và Sông lam- Nghệ
an.
- Tháng 6 năm 2009 dự án xây dựng nhà máy sản xuất Ethanol khu vực phía bắc
do công ty cổ phần Hóa dầu và nhiên liệu sinh học dầu khí (PVB) của tập đoàn dầu
khí quốc gia Việt nam (PVN) làm chủ đầu tư chính thức được khởi công. Đây là nhà
máy có quy mô đầu tư lớn, công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện đại với tổng kinh phí đầu
tư khoảng 80 triệu USD. nhà máy này được xây dung tại huyện Tam nông, tỉnh Phú
thọ với công suất 100.000m3 Ethanol/ năm, nguyên liệu chính để sản xuất là sắn và
mía.
- Tháng 9/2009 Công ty cổ phần nhiên liệu sinh học dầu khí miền trung đã khởi
công nhà máy sản xuất Ethanol tại khu kinh tế Dung quất- Quảng ngãi, tổng vốn đầu
tư khoảng 80 triệu USD với công suất thiết kế 100 triệu lít/năm, nguồn nguyên liệu
là sắn.
- Tháng 3/2010 khởi công xây dựng nhà máy sản xuất Ethanol tại Bình phước do
công ty OBF là chủ đầu tư tại xã Minh hưng, huyện Bù đăng, tỉnh Bình phước. nhà
máy có công suất thiết kế 100 triệu lít/năm, nguyên liệu là sắn.
9
- Tình hình sản xuất Ethanol tại Việt Nam có nhiều thuận lợi song cũng gặp không
ít khó khăn:
a. Thuận lợi
Nước ta là một nước nông nghiệp nên công việc chính của nhà nông là cấy
-
trồng và chăn nuôi, vì vậy nước ta có một tiềm năng nguồn nhiên liệu sinh khối đáng
kể mà nguồn nguyên liệu chính từ rơm, rạ, cỏ, lá, mùn cưa, bã mía và chất thải từ
nông nghiệp và chăn nuôi.
Nguồn nhiên liệu sinh khối từ gỗ và các phế phẩm lâm nghiệp khoảng 70-80
-
triệu tấn/năm, tương đương với khoảng 26-28 triệu tấn dầu.
Năng lượng sinh khối từ phế phẩm nông nghiệp khoảng 30 triệu tấn/năm tương
-
đương với 10 triệu tấn dầu.
Nước ta có vùng nguyên liệu sắn phong phú, cây sắn đã chuyển đổi vai trò từ
-
cây lương thực sang cây công nghiệp, năng suất và sản lượng đã tăng nhanh trong
những năm gần đây.
a. Khó khăn
Ngày 15/09/2008 tổng công ty dầu khí Việt nam (PV Oil) đã cho bán xăng E5
-
ra thị trường với giá 16.500đ/lít, thấp hơn xăng A92 500đ/lít và chỉ 6 ngày sau (20/9)
việc bán xăng E5 ra thị trường phải dừng lại do chưa có tiêu chuẩn về xăng sinh học.
Nhà nước đã có hướng đi đúng cho phát triển xăng sinh học mà cụ thể là đề
-
án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020” được duyệt
vào cuối năm 2007, nhưng vẫn chưa có chính sách cụ thể để hỗ trợ, khuyến khích
việc nghiên cứu, sản xuất kinh doanh và người tiêu dùng thực hiện.
-
Nguồn nguyên liệu chưa thực sự ổn định, còn nhỏ lẻ, manh múm thiếu tập
trung, thiếu tính chiến lược từ khâu sản xuất nguyên liệu, xây dựng nhà máy, pha trộn
cho đến sử dụng. Mặt khác tâm lý lo ngại khi sử dụng nhiên liệu sinh học làm ảnh
10
hưởng đến xe cộ và máy công tác, điều này cho thấy việc tuyên truyền về nhiên liệu
sinh học cho người dùng còn rất hạn chế.
c. Chiến lược sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học ở Việt Nam
Ngày 20/11/2007 Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 177/2007/QĐ-TTg
phê duyệt đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm
2025” mục tiêu là phát triển một dạng năng lượng mới đó là nhiên liệu sinh học, một
dạng năng lượng xanh có thể tái tạo được để thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch,
góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Mục tiêu của đề án được xác định cho từng giai đoạn cụ thể:
Giai đoạn đến năm 2010
- Xây dựng hệ thống cơ chế, chính sách và các văn bản quy phạm pháp luật nhằm
tạo hành lang pháp lý để thu hút đầu tư, khuyến khích sản xuất với quy mô công
nghiệp và sử dụng nhiên liệu sinh học. Nâng cao nhận thức cộng đồng về vai trò quan
trọng và lợi ích to lớn của nhiên liệu sinh học.
- Xây dựng lộ trình sử dụng nhiên liệu sinh học để thay thế một phần nhiên liệu
hóa thạch và mô hình thí điểm phân phối nhiên liệu sinh học tại một số tỉnh, thành
phố.
- Nghiên cứu, tiếp cận và làm chủ công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, công
nghệ phối trộn.
- Quy hoạch và phát triển các vùng nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu sinh học
- Đào tạo nguồn nhân lực để đáp ứng nhu cầu phát triển nhiên liệu sinh học.
- Tiếp cận và làm chủ công nghệ sản xuất giống cây trồng cho năng suất cao để
sản xuất nhiên liệu sinh học.
- Sản xuất 100.000 tấn E5; 50.000 tấn B5 đáp ứng 0,4% nhu cầu nhiên liệu trong
nước.
11
Giai đoạn 2011- 2015
- Nghiên cứu, làm chủ và sản xuất các vật liệu, chất phụ gia phục vụ sản xuất
nhiên liệu sinh học.
- Phát triển sản xuất và sử dụng rộng rãi nhiên liệu sinh học để thay thế một phần
nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Mở rộng quy mô các cơ sở sản xuất nhiên liệu sinh
học và mạng lưới phân phối.
- Phát triển vùng nguyên liệu theo quy hoạch, đưa các giống tốt, phù hợp vào
sản xuất đại trà.
- Sản xuất được 250.000 tấn Ethanol và Bio- diesel (pha trộn được 5 triệu tấn E5
và B5), đáp ứng được 1% nhu cầu tiêu thụ trong nước.
- Tầm nhìn đến năm 2025
-
Công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học ở nước ta đạt trình độ kỹ thuật tiên tiến
trên thế giới, sản lượng đạt 1,8 triệu tấn, đáp ứng khoảng 5% nhu cầu xăng dầu của
cả nước. Sản xuất được 1,8 triệu tấn Ethanol và Bio- diesel, đáp ứng được 5% nhu
cầu nhiên liệu tiêu thụ trong nước.
-
Đề án có 4 nhiệm vụ chủ yếu và 6 giải pháp chính để phát triển nhiên liệu sinh
học
Bốn nhiệm vụ là:
-
Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ về NLSH.
-
Triển khai sản xuất thử sản phẩm phục vụ phát triển NLSH.
-
Hình thành và phát triển ngành công nghiệp sản xuất NLSH.
-
Xây dựng tiềm lực phục vụ cho việc phát triển NLSH và hợp tác quốc tế trên
cơ sở chủ động tiếp nhận, làm chủ và chuyển giao công nghệ tiến bộ trên thế giới.
Sáu giải pháp là:
12
-
Đẩy mạnh việc triển khai, ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản
xuất, khuyến khích việc chuyển giao công nghệ và tạo lập môi trường đầu tư phát
triển NLSH.
-
Tăng cường đầu tư và đa dạng hóa các nguồn vốn để thực hiện có hiệu quả các
nội dung của đề án.
-
Tăng cường xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật và đào tạo nguồn nhân lực phục
vụ nhu cầu phát triển NLSH.
-
Hoàn thiện hệ thống cơ chế, chính sách, văn bản quy phạm pháp luật để phát
triển NLSH.
-
Mở rộng và tăng cường hợp tác quốc tế để học hỏi kinh nghiệm và phát triển
NLSH.
-
Nâng cao nhận thức cộng đồng về phát triển NLSH.
1.2 NHIÊN LIỆU ETHANOL VÀ XĂNG SINH HỌC
1.2.1 Nhiên liệu Ethanol
* Tính chất lý hóa của Ethanol
a. Tính chất vật lý:
Ethanol là chất lỏng, không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay và nhẹ hơn nước, dễ bay
hơi, sôi ở nhiệt độ 78,39oC, hóa rắn ở – 114,15oC, dễ cháy, tan vô hạn trong nước.
Một số tính chất vật lý khác thể hiện trong Bảng (1.1)
13
Bảng 1.1 Tính chất của Ethanol
Tính chất
TT
Giá trị
1
Công thức phân tử
C2H5OH hay C2H6O
2
Phân tử gam
46,07 g/mol
3
Cảm quan
Chất lỏng trong suốt, dễ cháy
4
Tỷ trọng
0,789 kg/lít
5
Độ nhớt
1,2 Cp ở 20 oC
6
Độ tan trong nước
Tan hoàn toàn
7
Số UN
1170
8
Nhiệt độ sôi
78,4 oC (351,6K)
9
Nhiệt độ tan
158,8K (-114,3oC; - 173,83oF)
10
Điểm tới hạn
514K (210 oC)ở P = 63 bar
11
pH
7,0 (trung hòa)
12
Cp
65,21 J/mol.K
13
Tác động cấp tính
Buồn nôn, gây mửa, gây trầm cảm, ngừng
thở trong trường hợp nặng
14
Tác động kinh niên
Nghiện, xơ gan
15
Nhiệt độ tự cháy
425 oC (797 oF)
16
Mật độ giới hạn nổ
3,5- 15%
b. Tính chất hóa học
Tính chất của một rượu đơn chức
-
Phản ứng thế với kim loại kiềm: 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2
-
Phản ứng este hóa: C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
-
Phản ứng loại nước:
14
+ Tách nước tạo olefin: C2H5OH → C2H4 + H2O
+ Tách nước tạo ete: C2H5OH + C2H5OH → C2H5 - O - C2H5 + H2O
-
Phản ứng ôxy hóa:
+ Phản ứng ôxy hóa có thể xẩy ra theo các mức khác nhau: Ôxy hóa không
hoàn toàn tạo ra aldehit, axit hữu cơ và ôxy hóa hoàn toàn tạo thành CO2
và H2O:
CH3 - CH2 - OH + CuO → CH3 - CHO + Cu + H2O
+ Có thể ôxy hóa bằng ôxy trong không khí có xúc tác sẽ tạo thành axit hữu
cơ:
CH3 - CH2 - OH + O2→ CH3 - COOH + H2O
+ Ôxy hóa hoàn toàn: C2H5OH + 3O2→ 2CO2 + 3H2O
Tính chất riêng:
-
Nếu cho hơi Ethanol qua xúc tác hỗn hợp, ví dụ Cu + Al2O3 ở 380÷400ºC, lúc đó
xảy ra phản ứng loại nước tạo Butadien:
2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
-
Phản ứng lên men giấm: Ôxy hóa rượu Etylic có nồng độ 10% bằng ôxy không
khí có mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25ºC sẽ tạo thành dấm ăn:
CH3 - CH2 - OH + O2→ CH3 - COOH + H2O
Các loại nhiên liệu thường được quản lý theo các quy chuẩn hoặc tiêu chuẩn quốc
gia. Ở Việt Nam, Ethanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì được quy
định trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN [4] thể hiện ở Bảng (1.2)
15
