Đánh giá khả năng ứng dụng butanol sinh học trong động cơ đốt trong để thay thế một phần xăng thông dụng tại việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2 MB, 107 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------
NGUYỄN HUỲNH HƯNG MỸ
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG BUTANOL SINH HỌC
TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỂ THAY THẾ MỘT PHẦN
XĂNG THÔNG DỤNG TẠI VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa dầu
Mã số: 60 53 55
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2012
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Thái Nguyễn Huy Chí
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Vĩnh Khanh
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Quyền
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày 07 tháng 01 năm 2012.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Phạm Quang Dự – Chủ tịch Hội đồng
2. TS. Phạm Hồ Mỹ Phương – Thư ký Hội đồng
3. TS. Nguyễn Vĩnh Khanh – Ủy viên
4. TS. Thái Nguyễn Huy Chí – Ủy viên
5. TS. Huỳnh Quyền – Ủy viên
6. TS. Nguyễn Hữu Lương – Ủy viên
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Huỳnh Hưng Mỹ.
MSHV: 10400159.
Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1976.
Nơi sinh: Tiền Giang.
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa dầu.
Mã số: 60 53 55
I. TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá khả năng ứng dụng butanol sinh học trong động cơ đốt
trong để thay thế một phần xăng thông dụng tại Việt Nam.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Đánh giá sự phù hợp về mặt kỹ thuật và môi trường của xăng pha n-butanol sinh học
đối với điều kiện Việt Nam, từ đó đề xuất tỷ lệ pha trộn thích hợp của butanol vào
xăng thơng dụng.
1. Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE và
butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện liệu.
2. Tổng quan về tình hình sản xuất và sử dụng n-butanol sinh học làm nhiên liệu
thay thế xăng thông dụng của các nước trong khu vực và trên thế giới.
3. Pha chế hỗn hợp xăng pha n-butanol có quy cách phẩm chất tương đương với
tiêu chuẩn xăng khơng chì Việt Nam.
4. Thử nghiệm ô tô trên băng tải (autotest) chạy xăng pha n-butanol so với xăng
thông dụng cùng trị số octan.
5. Đánh giá khả năng sử dụng xăng pha n-butanol làm nhiên liệu cho động cơ
xăng tại Việt Nam.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/07/2011
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/12/2011
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Thái Nguyễn Huy Chí
Tp. HCM, ngày
tháng
năm 20
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS. Thái Nguyễn Huy Chí
TS. Nguyễn Vĩnh Khanh
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã được sự hỗ trợ, hướng dẫn tận
tình của Quý đơn vị, tổ chức, cá nhân như sau:
1. Hội đồng Khoa học - Khoa Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa,
ĐHQG Tp.HCM.
2. TS. Thái Nguyễn Huy Chí - Bộ mơn Cơng nghệ Chế biến Dầu khí, trường Đại
học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM.
3. Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Chế biến Dầu khí (PVPro) - Viện Dầu
khí Việt Nam.
4. Phịng Thí nghiệm Động cơ đốt trong - Khoa Cơ khí giao thơng, trường Đại
học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng.
5. Phịng Kỹ thuật Thiết kế Cơng nghệ - Tổng Cơng ty Cơ khí Giao thơng Vận
tải Sài Gịn (SAMCO).
Tác giả đề tài kính chuyển lời cảm ơn chân thành đến Quý đơn vị, tổ chức, cá
nhân đã có sự giúp đỡ tác giả để hồn thiện báo cáo nghiên cứu khoa học này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thiện luận văn, tuy nhiên báo cáo đề tài
khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được những đóng góp
quý báu của Quý đọc giả.
Trân trọng./.
Tác giả.
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong pha chế xăng nhiên liệu, một số hợp chất chứa oxy thường được thêm
vào xăng gốc để sản phẩm đáp ứng các yêu cầu về kỹ thuật, môi trường và thương
mại. Các hợp chất chứa oxy dạng ete như MTBE, ETBE, TAME, DIPE… được tổng
hợp từ nguồn nguyên liệu hóa dầu nên khi xem xét về ý nghĩa “nhiên liệu xanh” thì
cơng trình này chỉ đề cập đến hợp chất dạng alcohol được sản xuất bằng phương pháp
lên men sinh học.
Cơng trình này, tác giả sẽ trình bày kết quả các thử nghiệm đối với xăng pha
n-butanol trên các khía cạnh bao gồm: đánh giá độ ổn định chất lượng của nhiên liệu
khi tồn trữ bằng bồn chứa ngầm, tác động gây trương nở, ăn mòn vật liệu tiếp xúc; thử
nghiệm chạy ô tô trên băng thử sử dụng xăng pha n-butanol so với xăng gốc khoáng.
Các kết quả thử nghiệm cho thấy xăng pha n-butanol có quy cách phẩm chất, thơng số
vận hành và tính năng làm việc của nhiên liệu trên xe ô tô là tương đương so với xăng
gốc khoáng A95, đồng thời sử dụng xăng pha n-butanol góp phần làm giảm thiểu khí
độc hại phát thải ra mơi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng n-butanol làm nhiên liệu ở
điều kiện Việt Nam còn nhiều thách thức do các yếu tố khách quan và chủ quan đặc
biệt của loại nhiên liệu này.
ABSTRACT
In technology of blending fuel gasoline, several oxygenates are input into
gasoline to meet significant requirements for technical characterisic, environment and
trading. Oxygenates formed “-ETE” such as MTBE, ETBE, TAME, DIPE… are
synthesized from petroleum raw materials thus when considering to significantly
“green fuel” then thesis only concerned with “- ALCOHOL form” which is processed
by fermentation cycle.
In this thesis, the chief author will present all experimental results for gasoline
blended n-butanol (10.5 vol%) - called is butafuel as follow: evaluate to quality
stability of butafuel is storing by underground storage tank (UST); evaluate to
swelling and wearing impacts to materials (metal and non-metal); test using butafuel
run vehicles on Conveyer portal dynamic system (AVL chassis dynamometer 48”)
compare to conventional gasoline. Experimental results conduct that butafuel meet to
specifications of vietnamese gasoline standard, performances and characterisics of
butafuel are equivalent to conventional gasoline (RON 95), furthermore using butafuel
to help to decrease emissions down minimum level vs conventional gasoline. However,
application to use butafuel have many existing subjective and objective challenges in
Vietnam.
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Báo cáo luận văn thạc sĩ này là cơng trình khoa học được
đầu tư nghiên cứu nghiêm chỉnh. Các số liệu, công thức pha chế nhiên liệu và những
kết quả trong luận văn là trung thực được thực hiện trên cơ sở tổng hợp tình hình
nghiên cứu và ứng dụng của các nước trên thế giới, thực nghiệm trong phịng thí
nghiệm, nghiên cứu khảo sát tác động thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của:
TS. Thái Nguyễn Huy Chí
Một lần nữa, tơi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên.
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG
BUTANOL LÀM NHIÊN LIỆU .................................................................................. 4
I.1.
Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE và
Butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện liệu .... 4
I.1.1.
So sánh đặc tính lý hóa và đánh giá xu hướng sử dụng các hợp chất
chứa oxy trong nhiên liệu ........................................................................ 4
I.1.2.
Đánh giá sự phù hợp của n-butanol khi ứng dụng làm nhiên liệu .......... 8
I.2.
Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng n-butanol làm nhiên liệu động cơ
của các nước trên thế giới và khu vực.......................................................... 11
I.3.
Nguồn nguyên liệu sản xuất n-butanol, tiềm năng nguyên liệu ở Việt Nam
...................................................................................................................... 18
I.3.1.
Nguyên liệu phổ biến cho sản xuất n-butanol trên thế giới................... 18
I.3.2.
Công nghệ sản xuất n-butanol phổ biến trên thế giới............................ 19
I.3.2.1
Công nghệ sản xuất n-butanol từ propylen dầu mỏ ........................ 20
I.3.2.2
Công nghệ lên men ABE ................................................................ 21
I.3.3.
I.4.
Tiềm năng nguyên liệu Việt Nam ......................................................... 23
Tiềm năng và xu hướng sử dụng n-butanol thay thế nhiên liệu truyền thống
...................................................................................................................... 26
CHƯƠNG II.
PHA CHẾ HỖN HỢP XĂNG PHA N-BUTANOL CÓ QUY
CÁCH PHẨM CHẤT TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TIÊU CHUẨN XĂNG TRUYỀN
THỐNG VIỆT NAM ................................................................................................... 29
II.1.
Công thức pha chế và quy cách phẩm chất mẫu xăng pha n-butanol .......... 29
II.2.
So sánh và đánh giá đặc tính kỹ thuật của xăng pha n-butanol so với xăng
thông dụng, kết luận về đặc tính của xăng pha n-butanol làm nhiên liệu
động cơ ......................................................................................................... 33
II.3.
Thử nghiệm đánh giá độ ổn định chất lượng khi tồn trữ và tác động đến vật
liệu tiếp xúc (kim loại, phi kim loại) của xăng pha n-butanol trong phịng thí
nghiệm .......................................................................................................... 35
II.3.1.
Thử nghiệm đánh giá độ ổn định chất lượng của xăng pha n-butanol
theo thời gian tồn trữ ............................................................................. 35
II.3.2.
Thử nghiệm đánh giá tác động gây trương nở của xăng pha n-butanol
đối với các chi tiết phi kim loại của động cơ xe gắn máy ..................... 38
II.3.3.
Thử nghiệm đánh giá tác động gây ăn mòn của xăng pha n-butanol đến
vật liệu kim loại tiếp xúc ....................................................................... 39
II.3.4.
Thử nghiệm đánh giá tác động gây trương nở của xăng pha n-butanol
đến vật liệu tiếp xúc (phi kim loại): ống nối mềm trụ bơm cây xăng ... 41
CHƯƠNG III.
THỬ NGHIỆM Ô TÔ CHẠY XĂNG PHA N-BUTANOL
TRÊN BĂNG THỬ (AUTOTEST) SO VỚI XĂNG THÔNG DỤNG A95 ............. 44
III.1.
Thuyết minh quy trình thử nghiệm .............................................................. 44
III.1.1. Nội dung quy trình thử nghiệm ............................................................. 44
III.1.1.1 Nội dung và các chế độ thử nghiệm................................................ 45
III.1.1.2 Phương tiện, thiết bị, dụng cụ sử dụng thử nghiệm ........................ 48
III.1.1.3 Đối tượng, thời gian và đơn vị hỗ trợ thử nghiệm: ......................... 48
III.2.
Kết quả chạy thử nghiệm xăng pha n-butanol trên các xe ô tơ so với xăng
thơng dụng có cùng trị số octan ................................................................... 48
III.2.1. Chế độ 1 & chế độ 7: đo áp suất nén và độ lọt khí cac-ter trước và sau
khi thử nghiệm ....................................................................................... 49
III.2.1.1 Áp suất nén trong xy-lanh động cơ: ................................................ 49
III.2.1.2 Đo lọt khí cac-ter động cơ............................................................... 52
III.2.2. Chế độ 2: đo đặc tính kéo và cơng suất kéo ô tô. .................................. 55
III.2.3. Chế độ 3: đo khả năng tăng tốc ............................................................. 59
III.2.3.1 Chế độ thử tăng tốc trên đường phẳng (độ dốc 0%) ....................... 59
III.2.3.2 Chế độ tăng tốc với tốc độ thấp theo chu trình (trong thành phố) .. 62
III.2.4. Chế độ 4: thử nghiệm khả năng vượt dốc ............................................. 65
III.2.5. Chế độ 5: đo thành phần khí xả ............................................................. 67
III.2.6. Chế độ 6: đo tiêu hao nhiên liệu ............................................................ 71
III.3.
Phân tích, đánh giá và kết luận về tính năng làm việc của xăng pha nbutanol chạy ô tô trên băng thử .................................................................... 74
CHƯƠNG IV.
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG XĂNG PHA NBUTANOL LÀM NHIỆN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ XĂNG TẠI VIỆT NAM........ 76
IV.1.
Về mặt kỹ thuật ............................................................................................ 76
IV.1.1. Khả năng chống kích nổ ........................................................................ 76
IV.1.2. Công suất động cơ và tiêu hao nhiên liệu.............................................. 77
IV.1.3. Áp suất hơi Reid và độ bay hơi của nhiên liệu xăng pha n-butanol ...... 77
IV.1.4. Chỉ số DI của nhiên liệu ........................................................................ 78
IV.1.5. Hàm lượng nước trong xăng pha n-butanol .......................................... 79
IV.1.6. Độ ổn định chất lượng nhiên liệu trong thời gian tồn trữ...................... 79
IV.1.7. Hao mòn động cơ .................................................................................. 79
IV.1.8. Đánh giá về sự tương thích của xăng pha n-butanol đối với cơ sở hạ
tầng xăng dầu hiện hữu.......................................................................... 80
IV.1.9. Đánh Giá khả Năng Chuyển Đổi Nhà Máy Etanol Để Sản Xuất nButanol .................................................................................................. 81
IV.2.
Đánh giá về mặt môi trường ........................................................................ 82
IV.3.
Đánh giá về mặt kinh tế - xã hội .................................................................. 83
CHƯƠNG V.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................... 86
V.1.
Kết luận ....................................................................................................... 86
V.2.
Kiến nghị ...................................................................................................... 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 91
PHỤ LỤC ĐỀ TÀI
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình II.1. Lưu đồ pha chế thực nghiệm xăng pha n-butanol ........................................ 31
Hình II.2. Các chi tiết phi kim loại của động cơ xe gắn máy trước (phía trên) và sau
(phía dưới) khi ngâm trong xăng pha n-butanol ............................................................ 38
Hình II.3. Kết quả khảo sát sự ăn mịn mẫu thép CT3 sau 03 tháng ............................. 40
Hình II.4. Tồn trữ hai loại ống nối mềm trong 02 bình nhiên liệu ................................ 42
Hình II.5. Ống mềm Yokohama trước (trái) và sau (phải) 03 tháng ngâm trong xăng
pha n-butanol ................................................................................................................. 42
Hình II.6. Ống mềm Hipress trước (trái) và sau (phải) 03 tháng ngâm trong xăng pha
n-butanol ........................................................................................................................ 42
Hình III.1. Mơ hình thử nghiệm ơ tơ trên băng thử CD-48” của hãng cơng nghệ AVL
(Cộng Hịa Áo) .............................................................................................................. 44
Hình III.2. Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 03 của xe Mercedes Benz khi
chạy xăng thông dụng A95 ............................................................................................ 50
Hình III.3. Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 03 của xe Mercedes Benz khi
chạy xăng pha n-butanol ................................................................................................ 50
Hình III.4. Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 04 của xe Suzuki khi chạy
xăng thơng dụng A95 .................................................................................................... 51
Hình III.5. Đồ thị diễn biến áp suất nén trong xy-lanh số 04 của xe Suzuki khi chạy
xăng pha n-butanol ........................................................................................................ 51
Hình III.6. Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của
xe Mercedes Benz chạy xăng A95 ................................................................................ 53
Hình III.7 Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của
xe Mercedes Benz chạy xăng pha n-butanol ................................................................. 53
Hình III.8. Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của
xe Suzuki Carry chạy xăng A95 .................................................................................... 54
Hình III.9. Đồ thị so sánh độ lọt khí cac-ter khi xe chạy theo chu trình ECE 15/04 của
xe Suzuki Carry chạy xăng pha n-butanol ..................................................................... 54
Hình III.10. Đồ thị biến thiên lực kéo xe Mercedes Benz ở các mức tải động cơ theo
vận tốc xe khi chạy xăng A95 ....................................................................................... 56
Hình III.11. Đồ thị biến thiên lực kéo xe Mercedes Benz ở các mức tải động cơ theo
vận tốc xe khi chạy xăng pha n-butanol ........................................................................ 57
Hình III.12. Đồ thị biến thiên lực kéo xe Suzuki Carry ở các mức tải động cơ theo vận
tốc xe chạy xăng A95 .................................................................................................... 58
Hình III.13. Đồ thị biến thiên lực kéo xe Suzuki Carry ở các mức tải động cơ theo vận
tốc xe chạy xăng pha n-butanol ..................................................................................... 58
Hình III.14. Đồ thị biến thiên tốc độ của xe Mercedes Benz ........................................ 61
Hình III.15. Đồ thị biến thiên tốc độ của xe Suzuki Carry............................................ 61
Hình III.16. Đồ thị biến thiên vận tốc của xe Mercedes Benz theo chu trình ECE 15/04
....................................................................................................................................... 63
Hình III.17. Đồ thị biến thiên vận tốc của xe Suzuki Carry theo chu trình ECE 15/04 64
Hình III.18. Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Mercedes Benz
khi chạy bằng xăng thơng dụng A95 ............................................................................. 66
Hình III.19. Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Mercedes Benz
khi chạy bằng xăng pha n-butanol ................................................................................. 66
Hình III.20. Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Suzuki Carry
khi chạy bằng xăng A95 ................................................................................................ 66
Hình III.21. Đồ thị các đường cong biểu diễn khả năng leo dốc của xe Suzuki Carry
khi chạy bằng xăng pha n-butanol ................................................................................. 67
Hình III.22. Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Mercedes
Benz khi chạy xăng A95................................................................................................ 72
Hình III.23. Đồ thị tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Mercedes
Benz khi chạy xăng pha n-butanol ................................................................................ 72
Hình III.24. Đồ thị đo tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Suzuki
Carry khi chạy xăng A95 ............................................................................................... 72
Hình III.25. Đồ thị đo tiêu hao nhiên liệu theo chu trình ECE 15/04 của xe Suzuki
Carry khi chạy xăng pha n-butanol ............................................................................... 73
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng I.2. Công nghệ sản xuất và tác động đến môi trường của các hợp chất chứa oxy
khi sử dụng làm nhiên liệu .............................................................................................. 5
Bảng I.3. So sánh tính chất khi pha trộn của các phụ gia chứa oxy: ete và rượu ............ 6
Bảng I.4. Tính chất vật lý của các đồng phân butanol .................................................... 8
Bảng I.5. Một số đặc tính và cơng nghệ sản xuất các đồng phân butanol .................... 10
Bảng I.6. So sánh đặc tính của n-butanol so với một số nhiên liệu khác ...................... 11
Bảng I.8. Sản lượng phụ phế phẩm ước tính qua các năm ............................................ 26
Bảng II.2. Một số chỉ tiêu lý hóa của n-butanol nhập khẩu .......................................... 30
Bảng II.3. Kết quả pha trộn xăng pha n-butanol sơ bộ.................................................. 32
Bảng II.4. Đặc tính kỹ thuật của xăng pha n-butanol .................................................... 33
Bảng II.5. Kết quả phân tích các chỉ tiêu xăng pha n-butanol tồn trữ trong phịng thí
nghiệm trong 3 tháng ..................................................................................................... 37
Bảng II.6. Kết quả ngoại quan hiện tượng trương nở, thay đổi màu sắc của các chi tiết
phi kim loại và sự tách lớp của xăng pha n-butanol tồn trữ trong thời gian 3 tháng .... 39
Bảng III.1. Áp suất nén cực đại trong xy-lanh động cơ ở trạng thái nóng .................... 50
Bảng III.2. Áp suất nén cực đại của 4 xy-lanh động cơ ở trạng thái nguội ................... 51
Bảng III.3. Độ tăng/giảm độ lọt khí cac-ter của từng xe ơ tô thử nghiệm .................... 53
Bảng III.4. Biến thiên lực kéo và công suất ở các mức chân ga động cơ đối với xe
Mercedes Benz MB 140 ................................................................................................ 55
Bảng III.5. Biến thiên lực kéo và công suất ở các mức chân ga động cơ đối với xe
Suzuki Carry .................................................................................................................. 57
Bảng III.6. Cơng suất kéo trung bình của xe Mercedes Benz ở các mức tải ................ 59
Bảng III.7. Công suất kéo trung bình của xe Suzuki ở các mức tải .............................. 59
Bảng III.8. Gia tốc tự do trên đường phẳng của xe Mercedes Benz ............................. 60
Bảng III.9. Gia tốc tự do trên đường phẳng của xe Suzuki Carry ................................. 61
Bảng III.10. Thời gian tăng tốc đạt tốc độ 60km/h của 2 xe thử nghiệm...................... 62
Bảng III.11. Khả năng tăng tốc theo chu trình của xe Mercedes Benz ......................... 62
Bảng III.12. Khả năng tăng tốc theo chu trình của xe Suzuki Carry............................. 63
Bảng III.13. Thời gian gia tốc của xe Mercedes Benz MB140, giây ............................ 65
Bảng III.14. Thời gian gia tốc của xe Suzuki, giây ....................................................... 65
Bảng III.15. Thành phần khí xả ơ nhiễm của xe Mercedes Benz khi xe chạy theo chu
trình ECE 15/04 ............................................................................................................. 68
Bảng III.16. Thành phần khí xả ơ nhiễm của xe Suzuki Carry khi xe chạy theo chu
trình ECE 15/04 ............................................................................................................. 69
Bảng III.17. Mức phát thải các khí ơ nhiễm trung bình của xe Mercedes Benz khi chạy
theo chu trình ECE 15/04 .............................................................................................. 69
Bảng III.18. Mức phát thải các khí ơ nhiễm trung bình của xe Mercedes Benz khi chạy
theo chế độ duy trì tốc độ .............................................................................................. 69
Bảng III.19. Mức phát thải ơ nhiễm trung bình của xe Suzuki Carry- khi chạy theo chu
trình ECE 15/04 ............................................................................................................. 70
Bảng III.20. Mức phát thải ơ nhiễm trung bình của xe Suzuki Carry – khi chạy theo
chế độ duy trì tốc độ ...................................................................................................... 70
Bảng III.21. Tiêu hao nhiên liệu trung bình khi chạy theo chu trình ECE 15/04 ......... 73
Bảng III.22. Tiêu hao nhiên liệu kiểm tra (lít/100km) khi duy trì tốc độ trên từng tay số
....................................................................................................................................... 73
Bảng III.23. Tiêu hao nhiên liệu trung bình khi chạy theo chu trình ECE 15/04 ......... 74
Bảng III.24. Tiêu hao nhiên liệu kiểm tra khi duy trì tốc độ trên từng tay số ............... 74
Bảng IV.1. Tương quan giữa tỷ số nén và trị số octan .................................................. 76
Bảng IV.2. Nhiệt trị thể tích của nhiên liệu ................................................................... 77
Bảng IV.3. Thành phần cất của xăng gốc và xăng pha n-butanol ................................. 78
Bảng IV.4. Tính tương thích của n-butanol nguyên chất với một số vật liệu ............... 80
Bảng IV.5. So sánh chi phí sản xuất butanol và etanol sinh học từ tinh bột ................. 84
Bảng IV.6. Tính giá sơ bộ của 1 lít xăng pha n-butanol thực nghiệm .......................... 85
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
%kl:
% khối lượng
%tt:
% thể tích
ABE:
Aceton - Butanol - Etanol
ASTM (American Society
Testing and Materials):
Biobutanol:
for
Hiệp hội đo kiểm chất lượng Mỹ
n-butanol sinh học
Biodiesel:
Diesel sinh học
Bioetanol:
Etanol sinh học
CD-48”:
Chassiss Dynamometter 48”
CHXD:
Cửa hàng xăng dầu
CTPT:
Công thức phân tử
ĐBSCL:
Đồng Bằng Sông Cửu Long
EEI (Environmental Energy Inc.):
Cơng ty Năng lượng Mơi trường
l/ph:
lít/phút
MON (motor octane number):
Trị số octan động cơ
NLSH:
Nhiên liệu sinh học
NMLD:
Nhà máy lọc dầu
NREL (National Renewable Energy
Laboratory):
PM (particular matter):
Phịng thí nghiệm Năng lượng tái tạo
Hoa Kỳ
Các chất thải dạng hạt
RON (research octane number):
Trị số octan nghiên cứu
TCVN:
Tiêu chuẩn Việt Nam
v/ph:
vòng/phút
VOC (volatile organic chemical):
Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi
1
MỞ ĐẦU
Xu hướng sử dụng các loại nhiên liệu thay thế đã và đang trở thành vấn đề
cấp bách đối với các quốc gia trong ngắn hạn và dài hạn nhằm đối phó với tình
trạng khan hiếm nguồn nhiên liệu hóa thạch và các tác hại gây ơ nhiễm mơi trường.
Các nhà khoa học trên thế giới cho biết trữ lượng dầu mỏ đang được khai thác ở
mức cao nhất và dần chuyển sang giai đoạn cạn kiệt. Một số thống kê khác còn đưa
ra nhận định rằng: tốc độ phát triển dân số và nhu cầu về nhiên liệu cao như hiện
nay thì chỉ trong vịng vài thập kỷ nữa thế giới sẽ hết dầu mỏ (Hirsch et al., 2006;
Alley et al., 2007). Đến thời điểm đó, nhân loại vẫn chưa tìm ra được những nguồn
nhiên liệu thay thế hợp lý thì nguy cơ về một cuộc khủng hoảng năng lượng tiếp
theo xảy ra là điều tất yếu. Bên cạnh đó, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch
như dầu mỏ, than đá, khí đốt… được coi là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nồng
độ khí CO2 trong khí quyển, gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí
hậu tồn cầu.
Trước tình hình đó, Nhà nước và một số Tập đoàn năng lượng lớn trong
nước đã có những chủ trương và chính sách ứng phó kịp thời. Chính Phủ đã phê
duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học (NLSH) đến năm 2015, tầm nhìn đến
năm 2025” theo quyết định số 177/2007/QĐ-TTg ngày 20/11/2007. Tập đồn Dầu
khí Việt Nam đã ban hành “Kế hoạch và chương trình triển khai các dự án NLSH
của Tập đồn Dầu khí Việt Nam đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025” theo quyết
định số 1156/QĐ-DKVN ngày 24/02/2009… Theo chủ trương của nhà nước, một
số dự án NLSH đã và đang được đầu tư như: khởi công xây dựng 03 nhà máy sản
xuất etanol nhiên liệu ở Phú Thọ, Quãng Ngãi và Bình Phước của Tập đồn Dầu khí
Quốc Gia Việt Nam; nhà máy cồn nhiên liệu Đại Tân của Công ty CP Đồng Xanh ở
Quảng Ngãi; nhà máy cồn nhiên liệu Tùng Lâm ở Đồng Nai; nhà máy cồn nhiên
liệu Đại Việt ở Đắc Lắc... Trong thời gian gần đây, n-butanol sinh học là một loại
NLSH được sự quan tâm nhiều của các nước trên thế giới. Cũng giống với etanol
sinh học, n-butanol sinh học có thể được sản xuất từ những nguồn nguyên liệu là
các cây lương thực (ngơ, sắn, mía, củ cải đường…) hoặc các phụ phẩm trong nông
2
lâm nghiệp (rơm rạ, vỏ trấu, bã sắn, lõi ngô…) nhờ quá trình lên men hoặc một số
quá trình chuyển hóa khác. N-butanol sinh học có thể sử dụng trực tiếp hoặc pha
trộn với xăng thông dụng làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông vận tải
hiện nay.
Qua đánh giá, người ta thấy n-butanol sinh học có nhiều ưu điểm hơn so với
etanol sinh học:
-
Nhiệt trị cao hơn etanol;
-
Áp suất hơi bão hòa thấp hơn etanol nên độ an toàn trong tồn trữ cao
hơn, dễ dàng cho việc phối trộn với xăng thông dụng và giảm hàm lượng
các cấu tử nhẹ dễ bay hơi thất thốt ra mơi trường;
-
N-butanol có thể pha trộn với xăng theo khoảng tỷ lệ rộng, và có thể
dùng trực tiếp (100% n-butanol) mà khơng cần phải hốn cải động cơ.
Trong khi đó etanol chỉ có thể pha trộn tối đa tới E85 và cần có những
hốn cải động cơ phù hợp;
-
N-butanol ít tan trong nước nên có thể dễ dàng vận chuyển bằng đường
ống sẵn có, khả năng gây ăn mịn thiết bị là rất ít (trong khi đây là nhược
điểm lớn của etanol);
-
Phương pháp sản xuất n-butanol tương tự như sản xuất etanol sinh học,
do đó cơng nghệ và nguồn ngun liệu sản xuất butanol sinh học cũng
tương tự như etanol.
Tại Việt Nam, n-butanol chủ yếu được sử dụng làm hóa chất, dung mơi
trong ngành cơng nghiệp sơn, nhựa, in… hiện chưa có cơng trình nghiên cứu và ứng
dụng loại ancohol này làm nhiên liệu cho phương tiện giao thông vận tải. Thông tin
gần đây, Cơng ty Cổ Phần mía đường Lam Sơn (Lasuco) đã ký thỏa thuận hợp tác
với Công ty TNHH một thành viên - Tổng Công ty Dầu Việt Nam (PV OIL), Cơng
ty cổ phần Zarubezhnef thuộc tập đồn Dầu Khí của Nga và Tổng Cơng ty Cơng
nghệ Sinh học của Nga (KBT) thành lập Công ty CP Công nghệ Sinh học Việt Nam
để thực hiện dự án xây dựng nhà máy sản xuất butanol sinh học có cơng suất
100.000 tấn/năm tại tỉnh Thanh Hóa. Nhà máy sử dụng nguyên liệu có chứa
cenlulose từ nguồn phụ phẩm nơng lâm nghiệp tại Việt Nam. Như vậy có thể thấy
3
rằng song song với các dự án sản xuất etanol sinh học thì dự án đầu tư sản xuất
butanol sinh học để pha chế nhiên liệu cũng được quan tâm ở Việt Nam. Sau giai
đoạn thử nghiệm, việc ứng dụng loại nhiên liệu sinh học này được đánh giá cao trên
các phương tiện xe cộ thì butanol nhiên liệu sẽ có khả năng thay thế một phần xăng
thơng dụng và góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.
Để đánh giá khả năng ứng dụng n-butanol sinh học cho ngành giao thơng vận
tải địi hỏi một q trình nghiên cứu bài bản và lâu dài từ các khâu pha chế, tồn trữ,
vận chuyển, chạy thử nghiệm ô tô hiện trường ngoài đường sá, cho đến thử nghiệm
đánh giá độ bền động cơ sử dụng loại nhiên liệu này. Vì đây là loại nhiên liệu sinh
học mới ở Việt Nam. Trong phạm vi của nghiên cứu này, đề tài sẽ thực hiện một số
trong các nội dung nghiên cứu nêu trên (trong phịng thí nghiệm) là: pha chế, tồn trữ
mẫu để đánh giá độ ổn định chất lượng và ảnh hưởng đến vật liệu tiếp xúc và chạy
thử nghiệm ô tô trên băng thử so với xăng thông dụng. Các tiêu chí đánh giá nhiên
liệu xăng pha n-butanol so với xăng thông dụng bao gồm: về kỹ thuật (quy cách
phẩm chất nhiên liệu, độ ổn định chất lượng khi tồn trữ, tác động gây ăn
mịn/trương nở vật liệu, các thơng số vận hành của ơ tơ và tính năng làm việc của
nhiên liệu), về kinh tế (sơ bộ giá pha chế nhiên liệu thử nghiệm, đề xuất mức giá nbutanol sinh học phù hợp) và môi trường (thành phần định lượng các khí phát thải
gây ơ nhiễm theo tiêu chuẩn TCVN 6438 : 2005).
Việc nghiên cứu khả năng sử dụng n-butanol sinh học ở Việt Nam là một
hướng đi thiết thực trong bối cảnh thiếu hụt năng lượng như hiện nay và phù hợp
với chiến lược phát triển nhiên liệu sinh học của Bộ Cơng thương, Chính phủ ở góc
độ nghiên cứu sử dụng nhiên liệu mới. Kết quả nghiên cứu là cơ sở định hướng cho
các cấp ngành liên quan trong việc đánh giá khả năng đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng
cho sản xuất và sử dụng butanol sinh học pha chế nhiên liệu tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu quan trọng của đề tài:
-
Đánh giá sự phù hợp về mặt kỹ thuật, mơi trường và tính kinh tế của
xăng pha n-butanol sinh học đối với điều kiện Việt Nam;
-
Đề xuất tỷ lệ pha trộn thích hợp của butanol sinh học vào xăng thông
dụng.
4
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ
SỬ DỤNG BUTANOL LÀM NHIÊN LIỆU
I.1.
Tổng quan về một số hợp chất chứa oxy (MTBE, ETBE, TAME, DIPE
và Butanol) và đánh giá sự phù hợp của n-butanol ứng dụng làm nhiện
liệu
I.1.1. So sánh đặc tính lý hóa và đánh giá xu hướng sử dụng các hợp chất chứa
oxy trong nhiên liệu
Đặc tính lý hóa của một số hợp chất chứa oxy được sử dụng phổ biến với
mục đích sử dụng làm phụ gia pha chế nhiên liệu được trình bày trong bảng bên
dưới.
Bảng I.1. Tính chất hóa lý của một số phụ gia xăng chứa oxy và n-butanol
Stt
Tính chất
1
Cơng thức phân tử
nButanol
C4H10O
2
Công thức cấu tạo
CH3(CH2)3
-OH
3
4
5
Khối lượng phân tử
% khối lượng oxy
Tỷ trọng ở 15/40C
Áp suất hơi ở
37,80C, kPa
Nhiệt độ sôi, 0C
Nhiệt độ đông đặc,
0
C
Độ tan trong nước,
%kl
Độ hấp thụ nước,
%kl
6
7
8
9
10
11
12
13
Độ nhớt ở, cst
Tỷ
lệ
khơng
khí/nhiên liệu
Chỉ số khúc xạ ở
200C
MTBE
ETBE
TAME
DIPE
C5H12O
C6H14O
C6H14O
C6H14O
CH3C(CH3)2
-OCH3
CH3C(CH3)2O
-CH2CH3
CH3OC(CH3)2
-CH2CH3
CH3CH2CHOCHCH2CH3
74,12
21,6
0,8098
88,15
18,2
0,7456
102
15,7
0,7456
102
15,7
0,7750
0,83
53,8
30,4
10,3
117,7
55
72
86
102
15,7
0,75
15,9
(20oC)
69
- 89,3
- 108,6
- 94
- 80
- 60
7,7
(20oC)
20
(20oC)
3,0
(20oC)
3,1
(25oC)
5,0
(25oC)
0,31
(20oC)
1,2 (20oC)
1,15
(20oC)
Rất ít
0,5 (20oC)
0,6 (20oC)
Rất ít
0,528
(40oC)
-
-
11,7
-
12,1
-
1,3694
1,376
1,3888
-
1,3391
5
14
15
16
17
18
Sức căng bề mặt,
din/cm2
Ẩn nhiệt hóa hơi
250C,cal/g
Nhiệt dung riêng
250C, cal/g0C
Nhiệt trị, Cal/g
Trị số Octan
RON
MON
22,3
19,4
19,8
-
-
-
81,7
74,3
78
-
2,437
0,51
0,51
0,52
-
8.666
8.400
8.600
8.600
-
94-96
80
117(*)
101
118(*)
101
112(*)
98
105(*)
95
(*)
Giá trị RON/MON thu được khi pha 10%tt (MTBE, ETBE, TAME, DIPE) vào xăng có
RON = 94,3 và MON = 84,3.
ETBE có độ tan trong nước thấp hơn MTBE, nhờ vậy mức độ ô nhiễm
nguồn nước của ETBE thấp hơn so với MTBE làm ETBE thân thiện với
mơi trường hơn. ETBE có trị số octan cao hơn MTBE. ETBE được sản
xuất từ bio-etanol và i-buten (Bảng I.2).
Nhiệt độ sôi, độ nhớt của n-butanol khá cao nhưng áp suất hơi bão hòa
của n-butanol lại thấp hơn các hợp chất cịn lại. Đây là điểm thuận lợi
của n-butanol, có ý nghĩa an toàn khi pha chế nhiên liệu và giảm thất
thoát trong tồn trữ.
Đánh giá về phương pháp sản xuất thì trong các hợp chất kể trên thì chỉ có nbutanol là được sản xuất bằng phương pháp sinh học (lên men) từ nguyên liệu tinh
bột, mật rỉ… và nguồn nguyên liệu thế hệ 2 (biomass) đầy tiềm năng đối với nền
kinh tế nông nghiệp như Việt Nam.
Bảng I.2. Công nghệ sản xuất và tác động đến môi trường của các hợp chất
chứa oxy khi sử dụng làm nhiên liệu
Stt
1
Tính chất
Tác động
đến
mơi
trường
n-Butanol
MTBE
Tính độc
nhẹ, mùi
khó chiu
Gây ơ nhiễm
nguồn
nước,
sức khỏe con
người;
Phân hủy sinh
học chậm;
Đã bị cấm sử
dụng ở nhiều
nước.
ETBE
TAME
DIPE
Ít độc hại
Tính độc
cao hơn
MTBE
Ít độ hại
6
2
Ngun liệu sản xuất:
Phương
Propylen,
pháp hóa
khí tổng
học
hợp
Phương
Tinh bột,
pháp sinh
đường,
học (lên
biomass…
men)
Methanol,
Isobutylen
Ethanol,
Isobutylen
Methanol,
Tertiarylamylen
Propylen
Khơng thực hiện được
Pha trộn các alcohol hay ete (Bảng I.2) trực tiếp vào xăng đều làm giảm
lượng xăng tiêu thụ do sự đóng góp về thể tích và trị số octan. Giá trị
octan cao của hợp chất chứa oxy làm thay đổi thành phần của xăng, chủ
yếu là giảm thành phần aromatic, từ đó làm giảm hàm lượng carbon
trong xăng.
Áp suất hơi và độ tan trong nước của ETBE thấp hơn MTBE. ETBE có
mùi và vị nhẹ cùng mức với MTBE và TAME. Chưa có báo cáo khoa
học nào khẳng định về tác động xấu của ETBE đến môi trường hay sức
khỏe con người. Chính phủ Nhật Bản đã và đang có những khảo sát đánh
giá đầy đủ về nguy cơ độc hại của ETBE trong thời gian dài. Cộng đồng
Châu Âu khuyến cáo để giảm tác hại của MTBE đến nguồn nước ngầm
thì thay thế bằng việc sử dụng ETBE.
Xu hướng sử dụng các hợp chất chứa oxy trong nhiên liệu:Bảng I.3. So sánh
tính chất khi pha trộn của các phụ gia chứa oxy: ete và rượu
Hợp chất
Ete
MTBE
ETBE
TAME
Rượu
Etanol
n-butanol
Tỷ trọng
Nhiệt độ
sôi (oC)
Trị số octan
trung bình
(RON+MON)/2
Hàm lượng
oxy (% kl)
Khả năng
chịu nước
0,744
0,746
0,770
55,2
72,0
86,0
110
111
105
18,2
15,7
15,7
Tốt
Tốt
Tốt
0,794
0,809
78,4
117,7
115
89
35
21,3
Rất kém
Khá
(Nguồn: Properties of MTBE and Other Oxygenates, 2007)
Bảng trên so sánh tính chất khi pha trộn một số phụ gia chứa oxy vào xăng
nhiên liệu, đa số các ete có điểm sơi thấp hơn so với rượu do đó cần lượng nhiệt để
7
bay hơi thấp hơn. Các hợp chất có nhiệt bay hơi lớn sẽ khó bay hơi khi động cơ vận
hành ở nhiệt độ thấp. Sự bay hơi khơng hồn tồn dẫn đến sự pha trộn khơng tốt
giữa khơng khí và nhiên liệu, q trình cháy trong buồng đốt khơng hồn toàn và
nồng độ hydrocarbon thải ra lớn hơn.
Việc sử dụng một số rượu (như etanol…) làm phụ gia hay pha chế nhiên liệu
thường phải xử lý vấn đề phân chia pha khi có một lượng nước nhất định trong hỗn
hợp pha trộn, hiện tượng ăn mòn vật chứa và trong động cơ. Những so sánh sơ bộ
này cho thấy rằng ete có nhiều ưu thế hơn rượu trong việc đáp ứng các chỉ tiêu kỹ
thuật trong pha trộn nhiên liệu như: trị số octan cao; nhiệt bay hơi, áp suất hơi RVP
và nhiệt độ cháy thấp.
Điển hình như ete ETBE có trị số octan gần bằng etanol nhưng khơng có
tính ăn mịn và dễ bay hơi như etanol. Do đó, ETBE có thể được phối
trộn với xăng ngay tại phân xưởng pha chế của NMLD. Ngoài ra, áp suất
hơi thấp của ETBE đem lại lợi thế về khả năng đáp ứng chỉ tiêu bay hơi
theo từng mùa của tiêu chuẩn nhiên liệu.
Bên cạnh khả năng làm tăng trị số octan, ete ETBE cịn có các ưu điểm
khác để trở thành một NLSH đa năng và là một thành phần pha trộn phổ
biến, những ưu điểm này bao gồm: áp suất hơi thấp khơng nguy hiểm khi
trộn lẫn hay hình thành điểm đẳng phí, chịu được nước tốt và giảm mạnh
lượng khí CO2 thải ra mơi trường.
Độ nhạy octan là sự khác biệt giữa RON (trị số octan nghiên cứu) và MON
(trị số octan động cơ). Hình bên dưới minh họa mối liên hệ giữa độ nhạy octan của
các thành phần thường được pha vào xăng để tăng trị số octan. Theo xu hướng các
hợp chất chứa oxy được sử dụng phổ biến để thay thế aromatic trong việc tăng trị số
octan trong xăng. Tùy theo từng loại hợp chất chứa oxy mà có ảnh hưởng lên độ
nhạy octan của xăng khác nhau.
Độ nhạy octan của ETBE tương tự như aromatic (ở đây là toluen) do đó
thay thế aromatic bằng ETBE trong pha trộn xăng sẽ ít ảnh hưởng đến độ
nhạy octan của xăng. Etanol có độ nhạy octan rộng và cho MON khi pha
8
trộn thấp hơn.
(Nguồn: Ethyl Tertiary Butyl Ether – A Review of the Technical Literature, 2009)
Hình I.1. Độ nhạy octan của các hợp chất sử dụng pha trộn
để tăng trị số octan cho xăng
I.1.2. Đánh giá sự phù hợp của n-butanol khi ứng dụng làm nhiên liệu
Thứ nhất, khi so sánh với 04 đồng phân của butanol thì trừ tert-butanol bị
đóng rắn ở nhiệt độ thường nên không thể ứng dụng làm nhiên liệu, 03 đồng phân
cịn lại của butanol có thể ứng dụng làm nhiên liệu.
Bảng I.4. Tính chất vật lý của các đồng phân butanol
Điểm chảy, oC
- 89,3
iso-butanol
(2-methyl-1propanol)
- 107,9
Điểm sơi, oC
117,7
107,9
99,5
82,55
0,8098
0,8027
0,8065
0,7867
1,3991
1,3959
1,39719
1,3841
2,437
(30-80oC)
2,5263
(30-80oC)
2,81
(20oC)
3,035
591,64
578,83
562,75
535,78
Tính chất
Tỷ trọng d4
20
Chỉ số khúc xạ, nD20
Nhiệt dung riêng, J/g.K
Nhiệt hóa hơi, J/g
n-butanol
(1-Butanol)
sec-butanol
(2-Butanol)
-114,7
tert-butanol
(2-methyl-2propanol)
+ 25,6
9
Nhiệt nóng chảy,
kJ/mol
Nhiệt trị, kJ/g
Áp suất tới hạn, hPa
o
Nhiệt độ tới hạn, C
Sức căng bề mặt,
mN/m
Hằng số điện môi
Độ hấp thụ nước ở
20oC (30oC) , % kl
9,372
6,322
5,971
6,703
36,111
35,981
-
35,588
48,4
48
-
-
287
265
265
235
22,3
23
23,5
-
17,8
18,8
15,5
11,4
Tan vô hạn
(tan vô hạn)
20 (20,62)
15 (17,3)
36,5
(Nguồn: tài liệu [10] )
Nhận xét:
Hầu hết các đồng phân butanol đều có thể tan hồn tồn trong các dung
mơi hữu cơ thơng dụng, rất ít hịa tan trong nước (riêng chỉ có ter-butanol
là tan hồn tồn trong nước). Khả năng tan trong nước của các đồng phân
butanol cũng giảm dần theo chiều hướng tert- butanol > sec-butanol >
iso-butanol > n-butanol.
+
Tert-butanol: Có nhiệt độ nóng chảy cao (25,6oC) nên ở nhiệt độ
bình thường có xu hướng dễ chuyển sang pha rắn. Tert-butanol
cũng tan vô hạn trong nước giống như etanol.
+
Sec-butanol: Có độ nhớt khá cao (4,2 cSt ở 15oC), điều này làm
giảm tính linh động của nhiên liệu cũng như ảnh hưởng xấu đến
một số tính năng hoạt động khác của động cơ. Một nhược điểm
quan trọng nữa là sec-butanol rất khó sản xuất từ q trình lên
men sinh học (trong công nghiệp, sec-butanol được sản xuất từ
quá trình hydrat hóa 2 sản phẩm từ hóa dầu là 1-buten hoặc 2buten).
+
Iso-butanol: Có ưu điểm là trị số octan khá cao (RON =103), tuy
nhiên, iso-butanol cũng có độ nhớt lớn hơn nhiều so với nbutanol. Trong công nghiệp, iso-butanol cũng được sản xuất chủ
yếu từ nguồn nguyên liệu hóa dầu (propylen) và quá trình lên
men sinh học (biomass).
10
Trừ tert-butanol bị hóa rắn, các đồng phân khác đều là chất lỏng khơng
màu, có mùi đặc trưng (hơi của các đồng phân này có thể gây kích thích
lên màng niêm mạc và có tác dụng gây mê lên các khu trung ương thần
kinh).
Trong số 03 đồng phân (dạng lỏng) của butanol thì n-butanol có nhiều ưu
điểm, đặc tính tương đồng nhiều hơn và có khả năng ứng dụng làm nhiên
liệu cho động cơ xăng.
Như vậy trong 04 đồng phân của butanol thì n-butanol có nhiều đặc tính nổi
trội khi ứng dụng làm nhiên liệu và tiềm năng sản xuất (nguyên liệu và công nghệ)
theo hướng “xanh sạch” hơn hẳn các đồng phân còn lại và rất giống với etanol
nhiên liệu.
Bảng I.5. Một số đặc tính và cơng nghệ sản xuất các đồng phân butanol
Tính chất
n-butanol
iso-butanol
sec-butanol
ter-butanol
94 ÷ 96
109
110
105
Tnc, C
- 89,3
- 107,9
-114,7
+25,6
Độ nhớt ở 20
o
C, mPa.s
2,96
3,98
3,54
3,3 (30 C)
Độ tan trong
nước, 20 oC,
% kl
7,1
8,5
12,5
Tan hồn tồn
RON
o
Khả năng sản
xuất bằng quy
trình lên men
sinh học
Hiệu
suất
Hiệu suất cao;
thấp,
chủ
Đã
thương yếu đi từ
mại
cơng hóa dầu.
nghệ.
Khó
thực Khơng thực hiện
hiện;
được.
Qua
nhiều
giai
đoạn
phức tạp.
Có thể sử dụng làm nhiên liệu
NHẬN XÉT
Tính chất tương
đồng với xăng
nhiên liệu
Độ nhớt, độ
tan trong
nước cao
0
Không thể sử dụng
làm nhiên liệu vì
bị đóng rắn ở nhiệt
độ thường
Độ nhớt,
Tan hoàn toàn
độ tan
trong nước
trong nước
cao
Thứ hai, khi so sánh với các nhiên liệu thơng dụng khác thì n-butanol có
nhiều đặc tính phù hợp để sử dụng cho mục đích nhiên liệu.
11
Bảng I.6. So sánh đặc tính của n-butanol so với một số nhiên liệu khác
Tính chất
n-butanol
Etanol
E85
Xăng EN 228
Khối lượng phân tử
74,12
46,07
-
80 ÷ 110
Tỷ trọng ở 15oC, kg/l
0,814
0,7894
0,7845
0,72-0,775
Độ nhớt động học ở
20oC, mPa.s (40oC)
2,95
1,2
-
(5,3)
Nhiệt độ sôi (1 atm), oC
117,7
78,3
30 – 220
30 - 215
Giới hạn nổ dưới ở 20oC,
(mùa đông/hè)
1,4
3,1
2,2
(0,8/0,7 )
Giới hạn nổ trên (100oC),
(mùa đông/hè)
11,3
27,7
25,5
(8,1/7,6)
26,96
(9,24)
21,34 (7,5)
22,1
(7,92)
32,2-32,9 (11,812,7)
Trị số octan (RON)
94
109
104
95 (min)
Trị số octan (MON)
80
103
Tỷ số A/F
1:11,1
1:8,9
1:9,6
11:14,5
Khí CO2, g/l (g/MJ)
1933
(71,7)
1511
(70,81)
1591,4
(72,01)
2334,8-2513,2
(72,5-76,4)
Độ tan trong nước (20oC)
7,7
Tan vô hạn
-
-
Độ hấp thụ nước (20oC)
20,1
Tan vô hạn
~1
0,012-0,02
Nhiệt trị, MJ/lít (MJ/kg)
85 (min)
(Nguồn: tài liệu [11])
I.2.
Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng n-butanol làm nhiên liệu động
cơ của các nước trên thế giới và khu vực
Nhiều nước trên thế giới đang có xu hướng tìm kiếm và sử dụng các loại
nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo để thay thế dần nguồn nguyên liệu hóa thạch
đang trên đà cạn kiệt và góp phần giảm thiểu ơ nhiễm môi trường. Hơn 50 quốc gia
trên thế giới đã xây dựng chương trình nghiên cứu và ứng dụng NLSH vào thực tế.
Theo dự báo của các chuyên gia, đến năm 2025, thế giới sẽ sử dụng 12% NLSH
trong tổng nhu cầu năng lượng. Riêng khối EU đến năm 2020, Liên minh này sẽ
nâng mức tiêu thụ NLSH lên đến 20% trong tổng nhu cầu năng lượng quốc gia.
Ngày nay, butanol được ứng dụng làm nhiên liệu trong lĩnh vực giao thông
