Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xăng sinh học (e10, e20) trên ô tô

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 trình nào khác!

Hà Nội, Ngày 30 tháng 12 năm 2015
Học viên

Lê Công Báo

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Anh Tuấn đã hướng dẫn tôi hết sức
tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận
văn.
Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Phòng thí nghiệm Động
cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận
văn này.

Học viên

Lê Công Báo

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Diễn giải

CO
HC
NOx
CO2
Ne
Me
ge
E5
E10

Mônôxit cácbon
Hyđrô cácbon
Ôxit nitơ
Cácboníc
Công suất
Mômen
Suất tiêu thụ nhiên liệu
Xăng sinh học bao gồm 5% etanol và 95% xăng truyền thống
Xăng sinh học bao gồm10% etanol và 90% xăng truyền thống
Xăng sinh học bao gồm 20% etanol và 80% xăng truyền
thống
Etanol gốc
Hội kỹ sư ô tô thế giới
Nhiên liệu biến tính
Tiêu chuẩn Việt Nam
Nhiên liệu sinh học

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 (Fuel comsumption)
Hệ số dư lượng không khí
Tỷ lệ không khí nhiên liệu
Tủ phân tích khí thải

E20
E100
SAE
NLBT
TCVN
NLSH
CD48”
ECE15-05
FC
λ
A/F
CEBII

iii

Đơn
vị
-


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học...............................................................4
1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học ............................................................6
1.2.1. Nhiên liệu etanol .................................................................................6
1.2.2. Xăng sinh học....................................................................................12
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ................................................14
Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................24
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA CÁC LOẠI XĂNG SINH
HỌC E10 VÀ E20....................................................................................................25
2.1. Các tính chất của xăng..............................................................................25
2.1.1. Các chỉ tiêu về tính chất vật lý........................................................25
2.1.2. Các chỉ tiêu về tính chất sử dụng .....................................................27
2.2. Khảo sát ảnh hưởng của etanol đến các tính chất sử dụng của nhiên liệu
khi phối trộn vào xăng ......................................................................................31
2.2.1. Độ bay hơi của xăng sinh học .........................................................31
2.2.2. Ảnh hưởng của etanol lên độ bay hơi của nhiên liệu .....................31
2.2.3. Trị số Octan ....................................................................................32
2.2.4. Hiệu ứng làm giảm tỷ lệ không khí/nhiên liệu (tỷ lệ A/F) .............33
2.2.5. Phân tách pha do sự có mặt của nước .............................................33
2.2.6. Ảnh hưởng đến sự phát thải của các chất gây ô nhiễm ..................34
2.2.7. Ưu điểm và nhược điểm viêc pha etanol vào xăng.........................34
2.3. Tính chất lý hóa của nhiên liệu E10, E20 ................................................35

iv

Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................38
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ĐỐI CHỨNG SỬ DỤNG XĂNG
SINH HỌC E10, E20 VÀ RON92 ĐẾN TÍNH NĂNG VÀ PHÁT THẢI CỦA Ô
TÔ PHUN XĂNG ĐIỆN TỬ ..................................................................................39
3.1. Trang bị thử nghiệm ................................................................................39
3.1.1. Băng thử ô tô CD48” ......................................................................39
3.1.2. Tủ phân tích khí thải CEBII............................................................40
3.2. Đối tượng thử nghiệm .............................................................................42
3.3. Kết quả thử nghiệm ..................................................................................44
3.3.1. Công suất, suất tiêu thụ nhiên liệu ...................................................44
3.3.2. Tính năng phát thải ..........................................................................51
Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................56
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................59
PHỤ LỤC .................................................................................................................61

v


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1] ..............................................................................7
Bảng 2.1. Ưu, nhược điểm của methanol và ethanol ................................................29
Bảng 2.2. Chỉ tiêu chất lượng của xăng RON92 [2] ................................................36
Bảng 2.3. Tính chất nhiên liệu của xăng sinh học E10 và E20 [2] .........................37
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật xe Daewoo Lanos .......................................................42
Bảng 3.2. Các điểm thử nghiệm tại các tay số IV và V của ô tô ..............................43
Bảng 3.3. Kết quả đo công suất xe Lanos tại tay số IV ............................................45
Bảng 3.4. Thay đổi công suất xe Lanos ở tay số V ...................................................45
Bảng 3.5. Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số IV ...............................................48

Bảng 3.6. Tiêu hao nhiên liệu xe Lanos tại tay số V ................................................48
Bảng 3.8. Phát thải xe Lanos tại tay số V ................................................................51
Bảng 3.9. Mức thay đổi phát thải so với RON92 (%) của E10 và E20 tại tay số V .52
Bảng 3.10. Phát thải xe Lanos khi chạy với RON92, E10 và E20 theo chu trình thử
ECE1505 ...................................................................................................................54

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đường ..........................................9
Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza............................................................10
Hình 1.3. Sản lượng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017 ...................................15
Hình 2.1. Áp suất hơi bão hòa tại 37,80C..................................................................32
Hình 2.2. Sự tăng trị số octan khi tăng tỉ lệ etanol ...................................................33
Hình 3.1. Sơ đồ bố trí thử thử nghiệm ô tô của PTN Động cơ đốt trong - ĐHBK Hà
Nội .............................................................................................................................39
Hình 3.2. Ô tô Daewoo Lanos...................................................................................40
Hình 3.3. Tủ phân tích khí thải CEBII ......................................................................41
Hình 3.4. Chu trình thử Châu Âu ECE 1505 ............................................................44
Hình 3.5. Mức độ thay đổi công suất ở tay số IV xe Lanos (kw) tại tay số IV so với
RON92 ......................................................................................................................46
Hình 3.6. Mức độ thay đổi công suất ở tay số V xe Lanos (kw) tại tay số V so với
RON92 ......................................................................................................................46
Hình 3.7. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (%) tại tay số IV so với RON92 ....47
Hình 3.8. Mức độ cải thiện công suất xe Lanos (% ) tại tay số V so với RON92 ....47
Hình 3.9. Suất tiêu thụ nhiên liệu tay số IV của động cơ xe Lanos ..........................49
Hình 3.10. Suất tiêu thụ nhiên liệu tay số V của động cơ xe Lanos .........................49
Hình 3.11. Mức thay đổi suất tiêu hao nhiên liệu so với RON92 (%) của E10 và E20
tại tay số V ................................................................................................................50

Hình 3.12. Mức độ thay đổi CO (%) của nhiên liệu E10 và E20 .............................53
Hình 3.13. Mức độ thay đổi HC (%) của nhiên liệu E10 và E20 .............................53
Hình 3.14. Mức độ thay đổi NOx (%) của nhiên liệu E10 và E20 ............................54

vii


MỞ ĐẦU
Hiện nay năng lượng và ô nhiễm môi trường là vấn đề quan trọng và cấp
bách cần giải quyết. Thực tế cho thấy, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền
công nghiệp thì kéo theo là lượng năng lượng cần cho nó cũng tăng lên rất lớn.
Trong khi đó nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt. Mặt khác việc
sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch làm cho môi trường bị ô nhiễm nghiêm
trọng. Việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch thải ra rất nhiều khí ô nhiễm như COx,
NOx, SOx, các hợp chất hydrocacbon, bụi… gây nên nhiều hiệu ứng xấu đến môi
trường, hệ sinh thái và ảnh hưởng lớn đến chất lượng cuộc sống.
Vì vậy việc tìm ra nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện
với môi trường là điều rất quan trọng và cần thiết. Bên cạnh việc sử dụng các
nguồn năng lượng như năng lượng thủy điện, năng lượng nguyên tử, năng lượng
mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều…Năng lượng có nguồn gốc sinh
học đang rất được quan tâm.
Trong các loại nhiên liệu sinh học thì etanol là loại nhiên liệu có tiềm năng
lớn ở Việt Nam nhờ nguồn nguyên liệu phong phú và sự tham gia mạnh mẽ của
nhiều thành phần kinh tế vào quá trình sản xuất. Nguyên liệu để sản xuất etanol
rất phong phú có thể kể đến như nguồn nguyên liệu từ các sản phẩm nông nghiệp,
rác thải, phế phẩm nông nghiệp lâm đây là những nguồn nguyên liệu dồi dào không
liên quan đến lương thực trong khi giúp cho việc tái sử dụng các nguồn phế liệu một
cách hiệu quả nhất.
Việt Nam là một nước nông nghiệp, nơi có tiềm năng lớn về nguyên liệu
phục vụ cho sản xuất nhiên liệu sinh học phục vụ cho đời sống, đã có chủ trương

đúng đắn thể hiện qua “Đề án Phát triển và sử dụng nhiên liệu sinh học đến năm
2015 và tầm nhìn đến năm 2025”. Chủ trương này thể hiện sự tham vọng của chính
phủ và cũng thể hiện sự quyết tâm của toàn xã hội trong việc quy hoạch, tổ chức sản
xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học.
Các nghiên cứu sử dụng xăng sinh học trên động cơ và phương tiện đã được
nghiên cứu thực nghiệm ở trong cũng như ngoài nước. Ở trong nước, các loại xăng
1


sinh học từ E10 đến E20 đã được nghiên cứu sử dụng trên xe máy và ô tô dùng chế
hòa khí. Tuy nhiên, thực tế cho thấy các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm về đặc tính và phát thải trên đối tượng động cơ dùng chế hòa khí thường
không tương đồng với nhau do loại động cơ này không có khả năng điều khiển tỷ lệ
không khí/nhiên liệu.
Đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng xăng sinh học (E10, E20) trên ô
tô phun xăng điện tử” hướng tới góp phần giải quyết các yêu cầu trên của thực tiễn.
1. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu đề tài
1.1.

Mục đích

Đánh giá được ảnh hưởng của xăng sinh học đến tính năng và phát thải động cơ
phun xăng điện tử lắp trên ô tô hiện đại.
1.2.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu đề tài

+ Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện với các loại nhiên liệu RON92, E10
và E20,
+ Ô tô thử nghiệm là ô tô Daewoo Lanos 2001, số kilomet đi được trước khi vào

thử nghiệm 97.263 (km), xe sử dụng hệ thống nhiên liệu phun xăng điện tử,
Các nội dung nghiên cứu của luận văn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm
Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
2. Phƣơng pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu lý thuyết thông qua tổng hợp các nghiên cứu về sử dụng xăng sinh
học ở Việt Nam và trên thế giới, tập hợp và kế thừa các kết quả trước đây của các
công trình nghiên cứu liên quan,
+ Thực nghiệm đối chứng tính năng và phát thải khi sử dụng nhiên liệu truyền
thống RON92 và xăng sinh học E10, E20,
+ Tăng cường trao đổi và tiếp thu ý kiến của các chuyên gia có kinh nghiệm
trong lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thiện phương pháp nghiên cứu.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
+ Luận văn cũng đã xây dựng thành công các quy trình thực nghiệm của động cơ
phun xăng điện tử đối với nhiên liệu xăng sinh học E10 và E20, bao gồm quy trình

2


đánh giá đối chứng tính năng và phát thải của động cơ. Các quy trình này được xây
dựng dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành cũng như hệ thống thiết bị
đánh giá hiện đại hiện có ở Việt Nam,
+ Luận án góp phần tư vấn cho các cơ quan chức năng trong việc thực hiện mục
tiêu của lộ trình sử dụng xăng sinh học E10 theo quyết định 52/2012/QĐ-TTg của
Thủ Tướng Chính phủ và cung cấp kiến thức, cũng như tư vấn cho người sử dụng
phương tiện trong việc sử dụng, vận hành đúng cách phương tiện nhằm tận dụng
được tối đa ưu điểm và hạn chế ảnh hưởng trái chiều của xăng sinh học đến phương
tiện và môi trường.

3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học (NLSH) (Biofuels) là loại nhiên liệu được hình thành từ
các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Ví dụ như nhiên liệu chế xuất từ chất
béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa,…), ngũ cốc (lúa mì, ngô, đậu tương,
sắn,…), chất thải trong nông nghiệp (rơm rạ, phân,…), sản phẩm trong công nghiệp
(mùn cưa, sản phẩm gỗ thải,…) [1]. NLSH dùng cho giao thông vận tải chủ yếu
gồm các loại cồn (Metanol, Etanol, Butanol), các loại diesel sinh học (sản xuất từ
dầu thực vật, dầu thực vật phế thải, mỡ động vật). Đây là nguồn nhiên liệu thay thế
tiềm năng cho tương lai, tuy nhiên bên cạnh đó cũng có những hạn chế nhất định.
Một số ưu điểm chính của NLSH so với các loại nhiên liệu truyền thống như sau:
Ưu điểm:
- Thân thiện với môi trường: NLSH sinh ra ít hàm lượng khí gây hiệu ứng
nhà kính (CO2, CO, N2O,…) và ít gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu
truyền thống,
- Sản xuất etanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển
vì etanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sản xuất
ethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây…
- Là nguồn nhiên liệu có thể tái sinh: các nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản
xuất nông, lâm nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên
liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá,…).
Nhược điểm:
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ thực vật yêu cầu diện tích canh tác lớn dẫn
đến việc cạnh tranh diện tích canh tác với các cây lương thực khác do đó sẽ làm
giá lương thực tăng cao, nếu phát triển không hợp lý có thể gây đe dọa tới an ninh
lương thực,
- Phát triển NLSH có nguồn gốc từ động thực vật còn gặp phải một khó khăn
nữa đó là phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết, dịch bệnh nếu điều kiện
không thuận lợi thì quá trình sản xuất không thể diễn ra liên tục được,

4


- Công nghệ để đầu tư cho sản xuất nhiên liệu sinh học tiên tiến (chế tạo nhiên
liệu sinh học từ lignin cellulose – có trong rơm, cỏ, gỗ,…) có giá vốn cao,
- NLSH khó cất giữ và bảo quản hơn 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. Đồng thời cũng dựa trên nguồn nguyên liệu dùng
để sản xuất NLSH người ta chia NLSH thành ba thế hệ:
- NLSH thế hệ đầu tiên: là nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các nguyên liệu
có bản chất là thực phẩm ví dụ như các nguyên liệu có chứa tinh bột, đường, mỡ
động vật, dầu thực vật,…
- NLSH thế hệ thứ hai: khắc phục được các vấn nạn về lương thực của NLSH
thế hệ đầu tiên. Thay vì chỉ sử dụng đường, tinh bột, dầu như ở thế hệ đầu tiên, kỹ
thuật này cho phép sử dụng tất cả các hình thức sinh khối chứa lignocellulose. Các
loại cỏ cây, các phế phẩm công nghiệp và nông nghiệp đều có thể được chuyển đổi
thông qua hai con đường: hóa sinh và nhiệt hóa,
- NLSH thế hệ thứ 3: có nguồn gốc từ tảo ra đời và được coi là một năng
lượng thay thế khả thi. Vi tảo có thể sản xuất nhiều dầu hơn 5-300 lần để sản xuất
biodiesel, hơn nữa so với cây trồng thông thường được thu hoạch 1 - 2 lần trong
một năm thì vi tảo có chu kỳ thu hoạch rất ngắn (khoảng 1 - 10 ngày tùy thuộc vào
từng tiến trình) cho phép thu hoạch nhiều và liên tục với năng suất đáng kể. Ý
tưởng dùng vi tảo để sản xuất NLSH không còn là mới, nhưng nó đang được xem
xét một cách nghiêm túc do giá xăng dầu tăng cao, và mối quan tâm mới nổi về sự
nóng lên trên toàn cầu do đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Các loại nhiên liệu sinh học thường sử dụng trên thực tế hiện nay có thể
kể tên như sau:
- Bioetanol

- Biodiesel
- Methane (biogas)
- Biohydrogen

5


- Dimethyl ether (DME)
Trong đó bio-etanol (gọi tắt là etanol) được sản xuất và sử dụng rộng rãi ở
Mỹ, Brazil và các nước đang phát triển như Thái Lan và Trung Quốc.
Etanol đã có lịch sử phát triển lâu đời và được ứng dụng lên động cơ đánh
lửa cưỡng bức, động cơ chạy etanol đã ra đời từ những năm đầu tiên trong thời kì
phát triển của động cơ đốt trong. Henry Ford là người đầu tiên đề xuất việc sử dụng
etanol bởi vì đặc tính cháy tốt, có thể được chế tạo từ các sản phẩm nông nghiệp.
Thực tế thì Brazil đã thực hiện ý tưởng này và là đất nước đi đầu về việc ứng dụng
etanol làm nhiên liệu sử dụng cho động cơ trên toàn thế giới.
Etanol được sản xuất nhờ sự lên men của các nguyên liệu nông nghiệp như
ngô, khoai tây, củ cải đường... Những sản phẩm thừa trong nông nghiệp như pho
mát cũng có thể được sử dụng. Ngoài tinh bột, đường là những nguồn nguyên liệu
để chế tạo ra cồn etanol. Ở Brazil thì etanol được sản xuất từ bã mía, vì vậy giá
thành rất rẻ và thân thiện với môi trường. Còn ở Pháp thì etanol được sản xuất chủ
yếu từ nho, khiến cho lượng nho cung cấp cho việc sản xuất rượu vang bị suy giảm.
Ngoài ra etanol còn có thể được sản xuất từ gỗ.
Etanol nguyên chất ít được dùng làm nhiên liệu, thông thường etanol được
pha với xăng để làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong. Là đối tượng nghiên cứu của
luận văn nên các tính chất của etanol cũng như tác động của etanol đến động cơ sẽ
được trình bày tỉ mỉ trong các phần sau.
1.2. Nhiên liệu etanol và xăng sinh học
1.2.1. Nhiên liệu etanol
1.2.1.1. Tính chất vật lý của etanol

Etanol là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ hơn nước
(khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC), sôi ở 78,39 oC, hóa rắn ở - 114,15oC, tan
vô hạn trong nước. Sở dĩ etanol tan tốt trong nước và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều
so với este hay aldehit có cùng số cacbon là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các
phân tử với nhau và với nước.
Một số tính chất vật lý thể hiện trên Bảng 1.1

6


Bảng 1.1. Tính chất của etanol [1]
TT

Tính chất

Gía 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

5

Độ nhớt

1,2 cP ở 20oC

6

Độ tan trong nước

Tan hoàn toàn

7

Số UN

1170

8

Nhiệt độ sôi

78,4oC (351,6K)

9

Nhiệt độ tan

-114,3oC (158,8 K; -173,83oF)

10

Điểm tới hạn

514 K (241oC; 465,53oF) ở P = 63 bar

11

pH

7,0 (trung tính)

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

425oC (797oF)

16

Mật độ giới hạn nổ

3,5 ÷ 15%

Ở Việt Nam, etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì được
quy định trong quy chuẩn Việt Nam QCVN 1: 2009/BKHCN thể hiện ở Bảng 1.2
Bảng 1.2. Quy chuẩn về etanol nhiên liệu biến tính dùng để pha xăng không chì
[3]
Tên chỉ tiêu

Mức

1.Hàm lượng etanol, % thể tích, không nhỏ 92,1

Phương pháp thử
TCVN7864(ASTMD5501)

hơn
2.Hàm lượng metanol, % thể tích, không 0,5
lớn hơn

7

TCVN 7894 (EN 14110)


3.Hàm lượng nước, % thể tích, không lớn 1,0

TCVN7893(ASTME1064)

hơn
axit

4.Độ

(tính

theo

axit

axetic 0,007

TCVN7892(ASTMD1613)

CH3COOH), % khối lượng, không lớn hơn
5. Hàm lượng clorua vô cơ, mg/kg, không 40

TCVN7716(ASTMD4806)

lớn hơn
1.2.1.2. Công nghệ sản suất etanol
Để sản xuất etanol ta có thể đi từ nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên,
xuất phát từ điều kiện Việt Nam là một nước nông nghiệp có sản phẩm nông nghiệp
rất phong phú nên đề tài này chỉ đề cập đến việc sản suất etanol từ nguồn nguyên
liệu chính:
-

Sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa tinh bột (ngũ cốc, lúa mỳ, sắn, ngô..).

-

Sản xuất etanol từ nguyên liệu là rỉ đường.

-

Sản xuất etanol từ nguyên liệu chứa cellulose (rơm rạ, mùn cưa…).

a. Phương pháp hydrat hóa etylen
Cho etylen hợp nước ở 3000C áp suất 70 ÷ 80 atm với xúc tác là axit:

CH2 = CH2 + H2O → CH3 - CH2-OH
Chất xúc tác thường sử dụng là axit photphoric được mang trên các chất có
độ xốp cao như diatomit hay than củi. Chất xúc tác này được công ty Shell sử dụng
để sản xuất etanol ở mức độ công nghiệp năm 1947.
Một axit khác cũng được sử dụng phổ biến, đó là axit sunfuric. Phản ứng
xẩy ra theo hai giai đoạn: đầu tiên tạo etyl sunfat, sau đó chất này phân hủy tạo
thành etanol và tái tạo lại axit:
CH2 = CH2 + H2SO4 → CH3-CH2OSO3H
CH3-CH2OSO3H + H2O → CH3-CH2-OH + H2SO4
Etanol công nghiệp không phù hợp với mục đích làm đồ uống do có chứa
một số thành phần độc hại như: metanol, denatonium (C21H29N2O, C7H5O2) là một

8


chất gây đắng, gây tê. Etanol điều chế theo phương pháp công nghiệp thường có
chỉ số UN bằng 1986 –1987 [1]
b. Công nghệ lên men sản xuất etanol
Etanol có thể được sản xuất bằng công nghệ lên men, nguyên liệu có thể là
các loại cây trồng chứa đường đơn giản hoặc ngũ cốc chứa tinh bột (Hình 1.1). Tinh
bột ngũ cốc gồm các phần tử cacbonhydrat phức tạp nên phải phân hủy thành đường
đơn giản nhờ quá trình thủy phân trước khi lên men. Hạt ngũ cốc được xay, nghiền
ướt thành dạng bột nhão, sau đó được nấu và thủy phân bằng enzym (ví dụ
amylaza) để tạo đường. Trong trường hợp thủy phân bằng axit thì cần rót axit loãng
vào khối bột nhão trước khi đem nấu. Quá trình lên men được xúc tiến mạnh khi có
mặt một số chủng men ancol. Để thuận lợi cho quá trình lên men, pH của dung dịch
thủy phân cần điều chỉnh ở mức 4,8 - 5,0. Etanol sinh ra trong quá trình lên men sẽ
hòa tan trong nước nên sau đó phải tiến hành chưng cất và tinh cất để tạo etanol
nguyên chất (có thể đạt mức etanol tuyệt đối- etanol khan).

Hình 1.1. Sơ đồ sản xuất etanol từ lúa mì và xi-rô đƣờng
c. Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ nguyên liệu xenluloza
Công nghệ sinh học sản xuất etanol từ xenluloza thể hiện qua quy trình xử
lý thủy phân xenluloza trong đó bao gồm thủy phân nguyên liệu licnoxenluloza tiền
xử lý, sử dụng các enzym để phá vỡ cellulose phức tạp để tạo thành đường đơn
giản và tiếp theo là quá trình lên men và chưng cất.
9


Có 6 giai đoạn để sản xuất etanol từ xenluloza (Hình 1.2):
- Giai đoạn tiền xử lý, để tạo nguyên liệu licnoxenluloza như gỗ hoặc rơm
rạ để thủy phân,
- Thủy phân xenluloza (cellulolysis), để bẻ gãy các phân tử để tạo đường,
- Tách đường từ các nguyên liệu còn sót lại, đáng chú ý là lignin (phức
polyme thơm),
- Lên men đường,
- Chưng cất để tạo ra etanol nguyên chất,
- Khử nước để tạo ra etanol khan với nồng độ lên đến 99,7%.

Hình 1.2. Sơ đồ sản xuất etanol từ xenluloza
Quá trình sản xuất etanol từ xenluloza chỉ khác với quá trình lên men tinh
bột ở chỗ xử lý nguyên liệu thành đường đơn sẵn sàng cho quá trình lên men.
Thủy phân hỗn hợp xenluloza khó hơn thủy phân tinh bột vì hỗn hợp xenluloza là
tập hợp các phân tử đường liên kết với nhau thành mạch dài (polyme cacbonhydrat)
gồm khoảng 40 - 60% xenluloza và 20 - 40% hemixenluloza, có cấu trúc tinh thể
bền. Hemixenluloza chứa hỗn hợp các polyme có nguồn gốc từ xylo, mano, galaeto
hoặc arabino kém bền hơn xenlulo. Nói chung hỗn hợp xenluloza khó hòa tan trong
10

nước. Phức polyme thơm có trong gỗ là lignin (10 - 25%) không thể lên men vì
khó phân hủy sinh học, nhưng có thể tận dụng vào việc khác [4].
d.

Các phương pháp làm khan etanol
Cồn công nghiệp có hàm lượng nước tương đối lớn nên khi pha vào xăng sẽ

tạo hiện tượng tách lớp làm cho nhiên liệu không đồng nhất, giảm chất lượng của
quá trình cháy và gây ăn mòn động cơ. Vì vậy công đoạn làm khan cồn, nâng độ
cồn lên 99,5% được xem là công đoạn then chốt quyết định đến sự thành công của
quá trình sử dụng etanol làm nhiên liệu.
- Làm khan bằng các chất hút nước: Có thể dùng các chất hút nước như:
Clorua canxi khan, vôi … Tuy nhiên biện pháp này ít hiệu quả,
- Chưng cất phân đoạn: Đó là phương pháp cho thêm một cấu tử vào hỗn hợp
để phá vỡ điểm sôi. Cấu tử thêm là benzen và hỗn hợp lại được chưng cất phân
đoạn lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và etanol nhằm loại
bỏ etanol ra khỏi nước và điểm sôi hỗn hợp cấp 2 với etanol để loại bỏ phần lớn
benzen. Phương pháp này có thể tạo ra etanol có độ khan rất cao tuy nhiên vẫn
còn một lượng nhỏ benzen còn lại trong etanol gây độc hại. Do vậy phương này
chỉ ứng dụng để tạo etanol làm nhiên liệu (ví dụ như pha vào xăng) mà không
được sử dụng cho thực phẩm
- Sử dụng rây phân tử: Rây phân tử là vật liệu xốp, sử dụng để hấp thụ chọn
lọc nước từ dung dịch 96% etanol. Có thể sử dụng zeolit dạng viên hoặc bột yến
mạch tuy nhiên zeolit có giá trị hơn do khả năng hấp phụ chọn lọc cao, lại tái sinh
được. Số lần sử dụng zeolit không hạn chế do có thể tái tạo bằng cách làm khô với
luồng khí CO2 nóng. Etanol tinh khiết sản xuất theo phương pháp này sẽ không
chứa benzen do vậy etanol tinh khiết loại này có thể sử dụng trong thực phẩm, y
học và mỹ phẩm
- Sử dụng chất phụ gia: Hiện nay có một xu hướng sử dụng etanol nồng độ
thấp ≤92% làm nhiên liệu. Đối với etanol dạng này yêu cầu phải có phụ gia có vai

trò xúc tiến quá trình hòa trộn giữa xăng và etanol đồng thời nó ngăn ngừa sự tách
pha của nước trong hỗn hợp cũng như ngăn cản quá trình hấp thụ hơi nước từ khí

11


quyển trong quá trình bảo quản sử dụng. Phụ gia thường dùng là các loại ancol có
phân tử lớn như ancol isopropylic, isobutyric.
1.2.2. Xăng sinh học
1.2.2.1. Tính chất lý hóa của xăng sinh học
Xăng sinh học là hỗn hợp giữa xăng truyền thống và etanol theo một tỷ lệ
nhất định. Sau khi phối trộn, xăng sinh học có những thay đổi nhất định về tính chất
so với xăng gốc, ví dụ về tính chất một số loại xăng sinh học thể hiện ở Bảng 1.3.
Tỷ lệ phối trộn các loại nhiên liệu etanol - xăng (E0 ; E5; E10; E20) ở đây
E chỉ etanol và số tiếp theo chỉ phần trăm etanol (E5 có nghĩa là 5% etanol
được pha trộn với 95% xăng).
Bảng 1.3 cho thấy khi thay đổi tỷ lệ phối trộn etanol - xăng thì áp suất hơi
bảo hòa (RVP); trị số octan, nhiệt trị của nhiên liệu thay đổi. Khi tăng hàm lượng
etanol thì áp suất hơi bảo hòa (RVP) tăng, đạt giá trị lớn nhất ở E10 và sau đó
giảm, trị số octan tăng, nhiệt trị của nhiên liệu giảm vì nhiệt trị của etanol thấp hơn
xăng.

12


Bảng 1.3. Tính chất lý hóa của xăng sinh học [10]
So sánh đặc tính của xăng sinh học với xăng truyền thống
Đặc tính

Nhiên liệu

E0

E5

E10

E20

0,75775

0,7591

0,7608

0,7645

Chỉ số octan(RON)

95,4

96,7

98,1

100,7

RVP(kPa ở 37,80C)

53,7

59,3

59,6

58,3

0,0061

0,0059

0,0055

0,0049

0,2

0,2

0,6

0,2

18,8

18,6

17,4

15

<0,0025

<0,0025

<0,0025

<0,0025

IBP

35,5

36,5

39,5

36,5

10% thể tích

54,5

49,7

54,8

52,8

50 % thể tích

94,9

88,0

72,4

70,3

90 % thể tích

167,3

167,3

159,3

163

Điểm kết thúc

197,0

202,5

198,3

198,6

Nhiệt trị (cal/g)

10176

9692

9511

9316

Cacbon (wt%)

86,60

87,70

86,7

87,6

Hydrogen (wt%)

13,30

12,20

13,90

12,3

1,7

1,5

1,5

1,5

vàng

vàng

vàng

vàng

Trọng lượng riêng(kg/l ở 15,50C)

Hàm lượng lưu huỳnh (wt%)
Hàm

lượng

chất

keo

rửa

trôi

(mg/100ml)

Hàm lượng chất keo không rửa
trôi (mg/100ml)
Hàm lượng chì (g/l)
Nhiệt độ chưng cất (0C)

Hàm lượng cặn (vol%)
Màu sắc

(RVP- Reid Vapor Pressure) : Áp suất hơi bão hòa

13


1.2.2.2. Ảnh hưởng của xăng sinh học đến môi trường
Động cơ sử dụng etanol giảm phát thải khí nhà kính, giảm được khí CO2
và khí độc hại. Thêm vào đó, phát thải CO2 lại được cây hấp thụ lại để tái tạo
etanol, như vậy coi như không làm gia tăng khí CO2 trong khí quyển. Do etanol
có chứa tới 34,7% khối lượng ôxy nên xăng sinh học cũng chứa một tỷ lệ ôxy nhất
định giúp cải thiện quá trình cháy, qua đó phần lớn các phát thải độc hại trong khí
thải động cơ khi sử dụng xăng sinh học cũng được giảm. Xăng sinh học chứa ít lưu
huỳnh và các hydrocacbon thơm nên giảm các sản phẩm cháy có chứa lưu huỳnh
trong khí thải, hạn chế sự hình thành mưa axit. Tuy nhiên do xăng sinh học dễ bay
hơi hơn xăng thông thường nên có xu hướng làm tăng phát thải HC do bay hơi.
Thêm vào đó, hàm lượng acetaldehyde trong khí thải động cơ sử dụng xăng sinh
học có thể tăng lên.
1.2.3. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol
1.2.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol trên thế giới
Trong những năm vừa qua, ngành nhiên liệu sinh học trên thế giới đã có
những bước phát triển mãnh mẽ dựa trên động lực chính là phát triển năng lượng
tái tạo trước tình trạng giá dầu tăng cao, hỗ trợ nông nghiệp qua việc gia tăng giá

trị sản phẩm, và bảo vệ môi trường. Tổ chức Năng lượng Quốc tế IEA kêu gọi từ
nay đến năm 2020 cần tăng gấp đôi sản lượng NLSH nhằm góp phần giảm 20C
nhiệt độ trái đất.
Chính phủ nhiều nước trên thế giới đã hỗ trợ ngành NLSH phát triển thông
qua các chính sách bắt buộc pha trộn NLSH vào nhiên liệu truyền thống và các chỉ
tiêu về tỷ lệ năng lượng tái tạo trong nền kinh tế. Trong ngành NLSH trên thế
giới, etanol phát triển mạnh nhất. Xét về giá trị kinh tế, ngành sản xuất etanol
đến nay đã tạo được hơn 1,4 triệu việc làm và đóng góp giá trị gia tăng hơn 277,3 tỷ
USD cho kinh tế thế giới.
Về tốc độ phát triển, các thống kê khác nhau cho thấy, sản lượng etanol đến
năm 2012 đã đạt xấp xỉ 115 tỷ lít, tăng gần gấp đôi trong vòng 5 năm qua. Trong

14


đó, Mỹ, Braxin và EU chiếm 87% sản lượng toàn cầu. Dự báo, đến năm 2020 sản
lượng etanol toàn cầu sẽ tăng lên đến 180 tỷ lít.

Hình 1.3. Sản lƣợng nhiên liệu sinh học tính đến năm 2017
Việc nghiên cứu, phát triển sản xuất và sử dụng NLSH thu hút sự quan tâm
rất lớn của các quốc gia trên thế giới do các lợi ích của loại nhiên liệu này đối với
an ninh năng lượng, môi trường và xã hội. Với các lợi ích thiết thực như vậy, nhiều
quốc gia trên thế giới đã xây dựng và ban hành các chiến lược, chương trình, chính
sách thúc đẩy phát triển sản xuất và sử dụng NLSH theo hướng bền vững, trên cơ
sở đảm bảo an ninh năng lượng, an ninh lương thực, bảo vệ môi trường và giải
quyết các vấn đề xã hội.
a. Brazil
Nước này có diện tích canh tác trồng mía cho sản xuất etanol lên đến gần 8
triệu ha. 45 nhà máy đường ở Brazil hầu hết đều sản xuất etanol. Ngành công
nghiệp etanol ở Brazil nhận được nguồn tài chính khổng lồ và những chính sách

công phù hợp, ưu đãi khiến cho sản phẩm xăng sinh học ở đây có sức cạnh tranh
lớn nhất thế giới. Brazil đứng thứ 2 trên thế giới về sản xuất etanol (từ mía đường)

15


với sản lượng gần 25 tỷ lít năm. Bên cạnh đó, Brazil cũng là nước tiên phong trong
việc sử dụng NLSH trên thế giới, đặc biệt trong việc nghiên cứu phát triển các loại
phương tiện vận tải sử dụng etanol nguyên chất. Những chiếc xe chạy etanol
nguyên chất đã được Brazil giới thiệu từ những năm 1970 của thế kỷ trước và sử
dụng rộng rãi trong những năm 1980. Tại Brazil hiện nay có tới hơn 80% phương
tiện vận tải sử dụng NLSH các loại trong tổng số xe mới bán ra góp phần nâng số
lượng xe sử dụng NLSH tại Brazil lên hơn 50% trong tổng số gần 30 triệu xe tải
nhẹ đang lưu hành.
Để đáp ứng nhu cầu sử dụng NLSH ngày càng tăng ở trong nước, cùng
với mức hỗ trợ tín dụng ưu đãi từ Chính phủ, đã thúc đẩy việc đầu tư xây dựng
thêm các nhà máy sản xuất etanol trên toàn quốc. Đặc biệt là từ giữa các năm
2005 – 2012 đã có hơn 116 nhà máy sản xuất etanol mới được đầu tư xây dựng tại
Brazil.
b. Trong khối EU
EU chiếm vị trí thứ ba thế giới về sản lượng etanol. Sản xuất etanol tại EU
chủ yếu sử dụng ngũ cốc và củ cải đường. Chương trình năng lượng tái tạo (RFD)
của EU quy định đến năm 2020, toàn bộ xăng dầu dùng cho giao thông vận tải phải
được pha 10% nhiên liệu tái tạo. Ba quốc gia Pháp, Đức, Anh chiếm khoảng một
nửa sản lượng etanol toàn EU. Tiêu thụ nhiên liệu sinh học của EU luôn cao hơn
sản xuất và được bù đắp bằng nguồn nhập khẩu, chủ yếu từ Brazil. Tiêu thụ
NLSH cũng tăng nhanh khoảng 23% mỗi năm, do ngoài việc áp dụng E5, E10 và
B7 lên các động cơ truyền thống, loại động cơ cải tiến dung E85 đang được áp dụng
ngày càng rộng rãi.
Từ đầu năm 2004 các trạm xăng Aral và Shell ở Đức bắt đầu thực hiện chỉ thị

2003/30/EU mà theo đó từ 31-12-2005 ít nhất 2% và đến 31-12- 2010 ít nhất
5,75% các nhiên liệu dùng để chuyên chở phải có nguồn gốc tái tạo.
c. Mỹ.
Mỹ là quốc gia sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học lớn nhất thế giới.
Sản lượng sản xuất ra chiếm khoảng 43% trên toàn thế giới. Tại Mỹ, Cục bảo vệ

16


môi trường EPA là cơ quan quản lý chương trình sử dụng NLSH. Chương trình
Nhiên liệu tái tạo phiên bản 1 được triển khai đầu tiên từ năm 2005 đã yêu cầu 28,4
tỷ lít nhiên liệu tái tạo phải được pha trộn với xăng đến năm 2012. Trong 2 năm sau
đó, chương trình Nhiên liệu tái tạo phiên bản 2 được triển khai đã yêu cầu tăng
lượng cũng như chủng loại NLSH phải được sử dụng nhằm giảm tối đa sự phát thải
khí gây hiệu ứng nhà kính.
Tại Mỹ, etanol sản xuất chủ yếu từ ngô. Đạo luật về an ninh và độc lập
năng lượng ban hành năm 2007 đã giúp Mỹ vượt qua Brazil để trở thành nước sản
xuất etanol lớn nhất thế giới. Dưới đạo luật này, chương trình nhiên liệu tái tạo của
Mỹ ban đầu đặt chỉ tiêu năm 2008 pha 29 tỷ lít NLSH vào xăng, nhưng thực tế
năm 2008 đạt đến 32 tỷ lít và chỉ tiêu đề ra cho năm 2022 là 137 tỷ lít.
Trong những năm qua, Chính phủ Mỹ cũng có chương trình hỗ trợ sản xuất
etanol cho các nhà máy chế biến với những chính sách ưu đãi đặc biệt bao gồm các
khoản tín dụng thuế cho doanh nghiệp, hỗ trợ nhà nước cho nghiên cứu và phát
triển ... Bên cạnh đó việc giảm thuế nhập khẩu cho etanol, đề ra những nguyên tắc
sử dụng, pha chế etanol với xăng và những đạo luật về việc chế tạo động cơ, ô tô có
khả năng sử dụng hỗn hợp E15 và E85.
d. Philippines.
Philippines là quốc gia tiên phong ở Châu Á trong việc thực hiện chương
trình NLSH bằng việc sử dụng NLSH tái tạo vào năm 2006. Theo đó, toàn bộ các
sản phẩm nhiên liệu tiêu thụ nội địa phải pha trộn NLSH 2% Bio - diesel và 10%

Bio-etanol vào tháng 2/2012.
Philippines hiện có 9 nhà máy sản xuất, cung cấp 395 triệu lít Bio-diesel và 3
nhà máy sản xuất, cung cấp 79 triệu lít Bio - etanol ra thị trường. Tuy nhiên, nhu
cầu tiêu thụ NLSH của Philippines hiện nay rất cao. Ước tính năm 2012, Philippines
cần 149 triệu lít Bio - diesel và 420 triệu lít Bio-etanol để đáp ứng nhu cầu trong
nước. Để bù đắp cho sự thiếu hụt nguồn cung trong khi nhu cầu trong nước đang
ngày càng tăng cao, từ cuối năm 2013 Philippines sẽ đưa vào vận hành 3 nhà máy
etanol với tổng công suất 133 triệu lít.

17


e. Thái lan.
Ngày 27/12/2011, Chính phủ Thái lan phê duyệt và ban hành chương trình
phát triển năng lượng tái tạo trong năm (2012 - 2021) nhằm tăng lượng sử dụng
NLSH trên toàn quốc từ 1,1 triệu lít ngày (tương đương 9,4% tổng tiêu thụ năng
lượng) lên 9 triệu lít ngày vào năm 2021 (tương đương 25% tổng tiêu thụ năng
lượng). Mục tiêu chính của chương trình này nhằm giảm 8 % lượng dầu mỏ nhập
khẩu.
Thái lan đã bắt đầu cung cấp xăng pha cồn cho các phương tiện vận tải vào
năm 2005. Người tiêu dùng có thể chọn mua E10 với giá giảm đáng kể so với xăng
thông thường. Tại thời điểm đó, hầu hết các phương tiện vận tải đường bộ ở Thái
lan có thể sử dụng xăng pha cồn E10 mà không ảnh hưởng gì. Chính phủ đã công
bố một danh sách của tất cả các xe có thể sử dụng xăng E10 và phát hành rộng rãi
tại tất cả các trạm xăng dầu trên cả nước. Hầu hết ô tô sản xuất sau năm 1983 đều
có thể sử dụng E10.
Hiện tại hầu hết các trạm xăng tại Thái Lan đều bán xăng E20 và đây là loại
xăng thông dụng nhất tại Thái Lan vì tất cả các loại ô tô đời mới đều có thể sử
dụng loại xăng này, giá cả thấp hơn 5 Baht/lít so với xăng E10. Đối với E85, hiện
Thái Lan có khoảng 150 điểm bán, chủ yếu tại Bangkok và đang sử dụng ngày một

nhiều hơn. Loại xăng này chỉ có thể sử dụng cho các loại phương tiện sử dụng nhiên
liệu linh hoạt (FFV). Loại phương tiện này có một hệ thống nhiên liệu điện tử đặc
biệt cho phép vận hành trên bất cứ loại xăng pha etanol nào với tỷ lệ etanol từ 0% 80%.
1.2.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng etanol ở Việt Nam
Sản xuất etanol theo công nghiệp ở nước ta đã bắt đầu từ năm 1898 do
người Pháp thiết kế và xây dựng. Trước Cách mạng Tháng Tám ở nước ta có các
nhà máy ancol Hà Nội, Hải Dương, Nam Định, Bình Tây, Chợ Quán và Cái Răng.
Tất cả đều sản xuất từ ngô, gạo theo phương pháp amylo. Sau ngày hoà bình lập lại
(1955), các nhà máy không còn thiết bị nguyên vẹn nên chính phủ ta tập trung cải
tạo, sửa chữa thành nhà máy ancol Hà Nội với năng suất 6 triệu lít năm.

18