Xây dựng sơ đồ công nghệ và khảo sát sự phụ thuộc vào áp suất và lưu lượng của quá trình hấp thụ và nhả hấp phụ ZEOLITE 3a trong sản xuất cồn khan đi từ nguyên liệu cồn công nghiệp

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----o0o-----

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐỀ TÀI
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ KHẢO SÁT
SỰ PHỤ THUỘC VÀO ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH
HẤP PHỤ VÀ NHẢ HẤP PHỤ ZEOLITE 3A TRONG SẢN XUẤT CỒN
KHAN ĐI TỪ NGUN LIỆU CỒN CƠNG NGHIỆP

NGÀNH: Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
MÃ SỐ: …………….

NGUYỄN ĐĂNG CƯỜNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN TRUNG KIÊN

HÀ NỘI 11-2008


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

MỤC LỤC
Trang
Tóm tắt Luận văn

1

MỞ ĐẦU

3

Phần I

TỔNG QUAN

Chương 1

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

5

1.1 Khái niệm chung

5

1.2 Ứng dụng cồn trong pha chế xăng sinh học

6

1.2.1 Yêu cầu chất lượng cồn dùng pha xăng

6

1.2.2 Các phương thức pha cồn vào xăng

12

1.3 Ưu - nhược điểm của xăng sinh học so với xăng truyền thống
Chương 2

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG

14
18

XĂNG SINH HỌC TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
2.1 Tình hình nghiên cứu, pha chế xăng sinh học tại Việt Nam.

18

2.2 Tình hình nghiên cứu sản xuất và sử dụng xăng sinh học trên

22

thế giới.
Chương 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT CỒN NHIÊN LIỆU
3.1 Các phương pháp chưng luyện có sử dụng cấu tử thứ ba

32
33

3.1.1 Phương pháp chưng luyện đẳng phí

33

3.1.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối

44

3.2 Phương pháp chưng luyện ở áp suất thấp

48

3.3 Phương pháp bay hơi qua màng

49

3.3.1 Khái niệm chung

49

3.3.2 Sơ đồ nguyên lý

50

3.3.3 Các phương trình cơ bản của màng

51

3.4 Phương pháp hấp phụ rây phân tử
3.4.1 Khái niệm chung

55

3.4.2 Chất hấp phụ Zeolite

55

3.5 Ưu-nhược điểm của các phương pháp
3.5.1 Phươngp háp chưng luyện đẳng phí

Mục lục

55

63
63

i


Luận văn cao học

Phần II
Chương 4

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

3.5.2 Phương pháp chưng luyện trích ly với muối

64

3.5.3 Phương pháp hấp phụ rây phân tử

65

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CƠNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG THÍ
NGHIỆM TÁCH NƯỚC TỪ HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ RƯỢU
ETYLIC-NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ TRÊN
ZEOLITE 3A

66

4.1 Mục đích của đề tài

66

4.2 Lựa chọn quy trình cơng nghệ

66

4.3 Thực nghiệm

69

Phần III

Mục lục

4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm

69

4.3.2 Kết quả và thảo luận

72

KẾT LUẬN
KẾT LUẬN

86

TÀI LIỆU THAM KHẢO

87

i


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

MỞ ĐẦU
Năng lượng nói chung và nhiên liệu dùng cho giao thông vận tải nói riêng
đóng một vai trị thiết yếu đối với sự phát triển kinh tế - xã hội và nâng cao chất
lượng cuộc sống. Năng lượng có thể ví như đầu tầu kéo sự tăng trưởng kinh tế.
An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với an ninh năng lượng. Vì vậy,
chính sách năng lượng ln được đặt lên hàng đầu của mỗi quốc gia trong chiến
lược phát triển bền vững.
Trong một thế kỷ trở lại đây, thế giới đã “đốt hết” gần 1.000 tỷ thùng dầu.
Theo đánh giá của Tập đồn dầu khí Anh quốc (BP), trữ lượng dầu mỏ trên thế
giới hiện còn khoảng 1.200 tỷ thùng. Nghe thì có vẻ nhiều, nhưng với tốc độ
tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ dầu hiện nay, nếu không phát hiện thêm trữ lượng

mới, nguồn dầu mỏ khai thác trên thế giới cũng chỉ đủ dùng trong vòng 30 năm
nữa. Nhu cầu dầu thô ngày càng lớn trong khi đó trữ lượng ngày càng hạn chế
cộng với những bất ổn chính trị tại một số nước sản xuất dầu mỏ đang là những
tác nhân đẩy giá dầu lên cao và gây ra các cuộc khủng hoảng năng lượng, khủng
hoảng kinh tế toàn cầu. An ninh năng lượng và vấn đề ơ nhiễm mơi trường do
khí thải động cơ là tác nhân thúc đẩy các quốc gia tích cực tìm kiếm các loại
nhiên liệu khác thay thế nhiên liệu dầu khoáng đang trên đà cạn kiệt.
Phát triển nhiên liệu sinh học là giải pháp hiện nay được nhiều nước trên
thế giới quan tâm, đặc biệt là ở các nước nông nghiệp và phải nhập khẩu nhiên
liệu, do các lợi ích của nhiên liệu sinh học đem lại như: giảm thiểu lượng khí
nhà kính, giảm nhập khẩu nhiên liệu, tận dụng nguyên liệu thực vật tại chỗ,
công nghệ sản xuất không phức tạp, tạo việc làm và tăng thu nhập cho người lao
động, tăng hiệu quả kinh tế nông nghiệp, v.v… Hướng đi này có thể coi là chính

Mở đầu

3


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

sách kinh tế ''nhất động, lưỡng lợi'' vừa giảm khí thải gây hại đến môi trường
vừa thúc đẩy kinh tế nông nghiệp phát triển. Hội nghị quốc tế về năng lượng
của APEC tổ chức tại Vancouver, Canada năm 2005 đã chọn nhiên liệu sinh học
(biofuel) để sử dụng trong ngành năng lượng cũng như trong giao thông vận tải
của các nước APEC trong lộ trình sản xuất nhiên liệu thay thế dần cho xăng dầu
khoáng.
Việc sử dụng cồn làm nhiên liệu thay thế xăng đã được nhiều nước trên

thế giới (ví dụ: Mỹ, Trung Quốc, Thái Lan, Nhật Bản và đặc biệt là Brazil) ứng
dụng từ lâu và mang lại hiệu quả khá lớn. Việt Nam là nước nông nghiệp, các
loại phế thải thực vật có thể sử dụng để sản xuất cồn nhiên liệu rất dồi dào. Tuy
nhiên, hàng năm Việt Nam vẫn phải nhập khẩu một lượng lớn xăng dầu (khoảng
12 nghìn tấn). Vì vậy, để đảm bảo an ninh năng lượng, Chính Phủ cần có chính
sách phát triển ngành cơng nghiệp nhiên liệu sinh học như là biện pháp tiết kiệm
năng lượng đi đơi với xóa đói giảm nghèo. Đề án “Phát triển sử dụng nhiên liệu
sinh học” đã được trình Chính phủ và các Bộ, ngành liên quan. Cái khó nhất,
liên quan đến tính khả thi của đề án là chúng ta cần phải xây dựng các nhà máy
sản xuất cồn khan để pha chế xăng sinh học. Mua công nghệ và nhập hoàn toàn
thiết bị của nước ngoài cũng là một giải pháp, tuy nhiên chi phí sẽ rất lớn. Chính
vì vậy trong thời gian vừa qua, một số cơ quan, tổ chức, các trung tâm nghiên
cứu và các trường đại học trong nước đã thực hiện các đề tài nghiên cứu sản
xuất cồn khan từ cồn công nghiệp.
Việc nghiên cứu lựa chọn một quy trình cơng nghệ thích hợp để sản xuất
cồn nhiên liệu là yêu cầu thiết thực trong tình hình hiện nay ở Việt Nam.
Trong khn khổ Luận văn này, tác giả xin trình bày kết quả nghiên cứu
lựa chọn quy trình cơng nghệ sản xuất cồn nhiên liệu bằng công nghệ Rây phân
tử, sử dụng chất hấp phụ là Zeolite 3A.

Mở đầu

4


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Chương I

NHIÊN LIỆU SINH HỌC

1.1

KHÁI NIỆM CHUNG
Nhiên liệu sinh học là những nhiên liệu có nguồn gốc từ các vật liệu sinh

khối như củi, gỗ, rơm, trấu, phân và mỡ động vật,... nhưng đây chỉ là những
dạng nhiên liệu thô.
Nhiên liệu sinh học dùng cho giao thông vận tải chủ yếu gồm: các loại
cồn sản xuất bằng công nghệ sinh học để sản xuất ra Gasohol (xăng sinh học) Metylic, Etylic, Propylic, Butylic, nhiên liệu tổng hợp Fischer Tropsch; các loại
dầu sinh học để sản xuất Biodiesel (Điêzen sinh học) - dầu thực vật, dầu thực
vật phế thải, mỡ động vật.
Trong sản xuất xăng sinh học, cả 4 loại cồn Metylic, Etylic, Propylic và
Butylic đều có một lợi thế chung là: có chỉ số ơc-tan cao, có những tính chất cho
phép sử dụng trực tiếp trên các động cơ hiện nay. Tuy nhiên, trong thực tế thì
Etylic được dùng rộng rãi hơn cả do:
- Metylic là chất độc.
-

Propylic và Butylic có điềm bắt lửa cao, tuy an tồn hơn nhưng lại gây
khó khăn khi khởi động động cơ vào mùa đông.
Việc lên men xenlulô để sản xuất Propylic và Butylic khó khăn hơn so

với lên men tinh bột hoặc rỉ đường để sản xuất Etylic. Ngồi ra, men có thể
sống ở hàm lượng 16% thể tích của Etylic, trong khi đó men sẽ chết nếu hàm

Chương I - Nhiên liệu sinh học

5


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

lượng Butylic vượt quá 7%. Từ đó có thể thấy rằng việc tinh chế Butylic sẽ tốn
kém hơn so với Etylic. Chính vì vậy, luận văn này sẽ chỉ đề cập đến cồn nhiên
liệu dùng để sản xuất xăng sinh học là Etylic (ethanol fuel). Trong phần thuyết
minh tiếp theo, khi nói đến cồn nhiên liệu tức là nói đến Etylic.
1.2

ỨNG DỤNG CỒN TRONG PHA CHẾ XĂNG SINH HỌC

1.2.1 Yêu cầu chất lượng cồn dùng pha xăng
Một trong những chỉ tiêu khắt khe đối với cồn dùng để pha xăng là hàm
lượng nước, khi hàm lượng nước trong cồn lớn hơn 1,0% thể tích sẽ gây ảnh
hưởng xấu đến quá trình cháy của nhiên liệu, do đó để pha được vào xăng thì
phải sử dụng cồn khan (nồng độ cồn không nhỏ hơn 99,5% thể tích).
Cồn để pha vào xăng ngày nay đã được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn
ASTM hoặc tiêu chuẩn quốc gia các nước và về cơ bản vẫn phải tuân theo các
chỉ tiêu cụ thể như sau:

Chương I - Nhiên liệu sinh học

6

Commented [K1]: nguồn?

Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Bảng 1-1: Yêu cầu kỹ thuật đối với cồn nhiên liệu [31]
Tên chỉ tiêu

TT

Giới hạn

1.

Ethanol, % thể tích, min

92,1

2.

Methanol, % thể tích, max

0,5

3.

Hàm lượng nhựa đã rửa qua dung môi, mg/100 mL, max

5,0

4.

Hàm lượng nước, % thể tích, max

1,0

5.

Hàm lượng chất biến tính (xăng, naphta), % thể tích,
min-max.

6.

Hàm lượng clorua vơ cơ, mg/L, max

32

7.

Hàm lượng đồng, mg/kg, max

0,1

8.

Độ axit (axit acetic CH3COOH), (mg/L), max

0,007

9.

Độ pH, min-max

6,5-9,0

1,96-5,0

10. Lưu huỳnh, mg/kg, max

30

11. Sulfat, mg/kg, max

4

12. Khối lượng riêng ở 15 oC, kg/m3

-

13. Ngoại quan

Chương I - Nhiên liệu sinh học

Trong, sạch

7


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Commented [K2]: Nguồn ?[ ]

Bảng 1-2: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Mỹ [31]
(Năm 2003)
Tên chỉ tiêu

TT

Đơn vị

Giới hạn

1.

Tỷ trọng tại 15.60C, max

g/ml

0,796

2.

Nồng độ ethanol ở 15.6 C, min

% tt

99,50

3.

Tính kiềm

-

Khơng có

4.

Axit quy về axit acetic , max

%KL

0,006

5.

Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi
nhiên liệu, max

%KL

0,005

6.

Lượng aldehyde quy về
CH3COOC2H5, max

g/100 ml

0,10

7.

Chì (Pb), max

g/100 ml

Khơng có

8.

Methyl alcohol

ppm

Thỏa mãn các u
cầu về mơi trường

9.

Ketones, isopropyl, tertiary butyl

ppm

Thỏa mãn các u
cầu về mơi trường

% tt

Khơng có

0

10. Các hợp chất chứa lưu huỳnh

Chương I - Nhiên liệu sinh học

8


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Bảng 1-3: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ấn Độ [31]
Tên chỉ tiêu

TT

Commented [K3]: nguồn?

Đơn vị

Giới hạn

1.

Tỷ trọng tại 15.6 oC, max

g/ml

0,7961

2.

Nồng độ ethanol ở 15.6 °C, min

% tt

99,50

3.

Tính kiềm

-

Khơng có

4.

Axit quy về axit acetic CH3COOH,
max

mg/l

30

5.

Lượng chất rắn còn lại khi bốc hơi
nhiên liệu, max

%KL

0,005

6.

Lượng aldehyde quy về
CH3COOC2H5, max

mg/l

60

7.

Đồng (Cu), max

mg/kg

0,1

8.

Methyl alcohol, max

mg/l

300

9.

Khả năng dẫn điện, max

microS/m

300

Chương I - Nhiên liệu sinh học

9


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Commented [K4]: nguồn?

Bảng 1-4: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ba Lan [31]
Tên chỉ tiêu

TT

Đơn vị

Giới hạn

1.

Nồng độ ethanol ở 20 C, min

% tt

99,60

2.

Nồng độ nước ở 20 C, max

% tt

0,4

3.

Chỉ số khúc xạ R20, min

-

-

4.

Clo, max

ppm

40

5.

Đồng (Cu), max

mg/kg

0,1

6.

Axit quy về axit acetic CH3COOH,
max

g/lít

0,03

7.

Aldehyde và xeton, max

g/lít

0,02

8.

Metanol, max

%tt

0,2

9.

Dầu Fusel, max

%tt

2

g/100 lít

0,1

%tt

-

0

0

10. Bitrex
11. Cyclohexane, max

Chương I - Nhiên liệu sinh học

10


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Commented [K5]: nguồn?

Bảng 1-5: Tiêu chuẩn cồn nhiên liệu của Ukraina [31]
Tên chỉ tiêu

Tt

Đơn vị

Giới hạn

kg/m3

99,3

1.

Tỷ trọng tại 200C, max

2.

Nồng độ ethanol ở 20 C, min

% tt

0,2

3.

Nồng độ nước ở 20 C, max

% tt

791

4.

Chỉ số khúc xạ R20, min

-

1,3626

5.

Clo, max

ppm

-

6.

Đồng (Cu), max

mg/kg

-

7.

Axit quy về axit acetic, max

g/lít

0,02

8.

Aldehyde và xeton, max

g/lít

-

9.

Metanol, max

%tt

-

10. Cyclohexane, max

%tt

0,5

11. C3-C5 alcohols, max

ppm

12.000

12. Tạp chất lơ lửng, max

g/100 ml

0,005

0

0

Chương I - Nhiên liệu sinh học

11

Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

1.2.2 Các phương thức pha cồn vào xăng
Cồn có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ ở nhiều dạng khác
nhau, cụ thể là pha lẫn với xăng với một tỷ lệ nào đó hoặc sử dụng l00% cồn.
Qua việc thử nghiệm trên các loại động cơ với nhiên liệu có cồn, người ta thấy
rằng khi pha cồn với tỷ lệ không q 20% thể tích vào xăng thì khơng cần phải
thay đổi kết cấu của động cơ.
Hiện nay, trên thị trường đang lưu hành các loại xăng pha cồn như: E5,
E7, E10, E15, E20, E85, E95 và E100. Ký hiệu E có nghĩa là xăng pha cồn, cịn
con số đi sau là tỷ lệ % cồn có trong xăng.
Xăng pha cồn E5, E7, E10
E10 còn được gọi là gasohol, là hỗn hợp nhiên liệu chứa l0% cồn và 90%
xăng. E10 có thể sử dụng cho động cơ đốt trong của đa số các ôtô hiện đang lưu
hành trên thị trường. Tuy nhiên, chưa có đủ các số liệu nghiên cứu, kiểm
nghiệm để khẳng định E10 có gây tác hại đối với động cơ của các loại xe đời cũ
hay không. Hiện nay, xăng E10 được sử dụng rộng rãi tại một số nước: Ấn Độ,
Mêxicô, Đan Mạch, Mỹ, Úc,…
Tương tự, loại nhiên liệu E5 và E7 cũng an toàn đối với các loại động cơ
chạy xăng sản xuất trong những năm gần đây. Trên thị trường Vương quốc Anh
đã bắt đầu bán loại nhiên liệu khơng pha chì E5 với tên gọi 99RON, giá loại
nhiên liệu này rẻ hơn so với 2 loại nhiên liệu chỉ số ốc tan cao không pha chì
khác là Shell’s Optimax (98RON) và BP’s Ultimate (97RON).

Chương I - Nhiên liệu sinh học

12

Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Xăng pha cồn E15
E15 là loại nhiên liệu gồm 15% cồn và 85% xăng. Đây là tỷ lệ lớn nhất
của cồn pha vào xăng mà các hãng sản xuất ôtô khuyến cáo, tuy vậy rất nhiều
loại xe hiện nay có thể chạy với nhiên liệu có tỷ lệ cồn cao hơn mà khơng gặp
bất cứ vấn đề gì. Các loại xe có thể chạy cả hai loại nhiên liệu đã được thiết kế
để chạy với nhiên liệu có nồng độ cồn cao tới 96% hoặc 100%.
Xăng pha cồn E20
E20 là hỗn hợp chứa 20% cồn và 80% xăng. Loại nhiên liệu này chưa
được sử dụng rộng rãi ở Mỹ. Tuy nhiên kể từ tháng 2 năm 2006 loại nhiên liệu
này đã được tiêu chuẩn hóa và bán rộng rãi tại Brazil.
Xăng pha cồn E85
Đây là loại nhiên liệu gồm 85% cồn và 15% xăng, là loại nhiên liệu có
nồng độ cồn cao nhất đang được sử dụng tại Mỹ. E85 đã được sử dụng rộng rãi
ở Thụy Điển và tại Mỹ tính đến năm 2006 đã có khoảng l.000 trạm bơm nhiên
liệu này.
Xăng E85 có chỉ số ốc tan khoảng l05, thấp hơn nhiều so với Ethanol
nhưng cao hơn so với xăng thông thường. Việc thêm một lượng nhỏ xăng vào
cồn sẽ giúp cho việc khởi động động cơ dễ dàng khi trời lạnh. E85 khơng phải
lúc nào cũng có hàm lượng cồn đúng 85%. Vào mùa đông, đặc biệt khi thời tiết
lạnh, một lượng xăng nhỏ sẽ được thêm vào giúp cho việc khởi động động cơ
được dễ dàng. E85 có giá tương đương với xăng nhưng vào thời điểm giá dầu

Chương I - Nhiên liệu sinh học

13

Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

tăng cao (70USD/thùng) thì giá E85 thấp hơn khoảng 0,7 USD/gallon so với
xăng. Điều này thực sự hấp dẫn đối với người tiêu dùng.
Loại nhiên liệu E95
E95 có chứa khoảng 5% xăng và được sử dụng cho động cơ diesel. Quá
trình đốt cháy nhiên liệu trong động cơ diesel được thực hiện thông qua nén ở
áp suất cao, trong khi động cơ xăng là dùng bugi đánh lửa.
Loại nhiên liệu E100
E100 là loại nhiên liệu chứa 100% cồn được sử dụng tại Brazil và
Argentina, với loại nhiên liệu này thì việc khởi động động cơ sẽ gặp khó khăn
khi nhiệt độ ngồi trời xuống dưới 150C. Để giải quyết vấn đề này người ta thiết
kế bình xăng phụ, khi khởi động sẽ có l lượng nhỏ xăng được hoà trộn với cồn.
Khi đã khởi động xong thì sẽ chuyển sang dùng bình nhiên liệu cồn.

1.3

ƯU - NHƯỢC ĐIỂM CỦA XĂNG SINH HỌC SO VỚI XĂNG
TRUYỀN THỐNG

1.3.1 Các ưu điểm.
- Độ phát thải gây ô nhiễm của khí xả: Trong thành phần ethanol chỉ có
52,8% carbon và có đến 34,75% oxy; cịn trong xăng (khơng có mặt
MTBE) có đến 86,6% carbon và hàm lượng oxy chỉ vào khoảng 2-3%. Do
vậy, xăng pha ethanol khi cháy trong buồng đốt của động cơ thì lượng khí
CO trong khí thải ít hơn so với q trình cháy bằng xăng, khí thải hầu

Chương I - Nhiên liệu sinh học

14

Commented [K6]: nguồn


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

như khơng có bồ hóng. Thực tế sử dụng cho thấy hàm lượng CO trong
khí thải của xe ơ tơ chạy bằng xăng E10 chỉ bằng khoảng 80% so với khi
xe chạy bằng xăng truyền thống. Hàm lượng NOx trong khí thải giảm gần
20% do nhiệt cháy của nhiên liệu pha cồn thấp hơn xăng, vì vậy nhiệt độ
trong động cơ thấp hơn. Hàm lượng SO2 giảm hơn 40%, nguyên nhân là
do khi pha cồn vào xăng hàm lượng lưu huỳnh tổng của nhiên liệu giảm
xuống, điều này có ý nghĩa rất lớn trong bảo vệ mơi trường. Thành phần
khí thải của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu xăng pha cồn được trình
bày trong Bảng 1-6.
Bảng 1-6: Thành phần khí thải của động cơ
sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn [11]
Hàm lượng
cồn trong
nhiên liệu
(% vol.)

mg/m

0

7.754

10

Commented [K7]: nguồn?

Thành phần khí thải của động cơ
[CO]
3

[CO]/[CO2]

[NOx]

[SO2]

3

3

[CxHy]

mg/m

mg/m

ppm

2,05

24

191

36

6.117

1,36

19

113

31

50

3.532

0,59

11

40

28

90

1.098

0,16

2,0

9,0

6,0

100

529

0,06

0,05

0,0

0,0

- Ethanol có trị số octan cao (RON 109), lớn hơn các loại xăng thương mại
rất nhiều. Rõ ràng ethanol là loại nhiên liệu có tính chất chống kích nổ tốt
cho động cơ xăng. Giải pháp pha ethanol vào xăng để tăng tính chất
chống kích nổ cho nhiên liệu được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài
nước ủng hộ và đây là một giải pháp “sạch” không gây ô nhiễm môi
trường. Kết quả thu được từ các nghiên cứu pha chế ethanol vào xăng của

các nước phát triển loại nhiên liệu này cho thấy rằng: cứ pha thêm 10%

Chương I - Nhiên liệu sinh học

15


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

thể tích ethanol vào xăng thơng thường thì trị số octan tăng lên 2 đến 3
đơn vị. Nhiều hãng ô tô lớn trên thế giới như Honda, Toyota, BMW,
Ford,... đều có chung nhận định là khi sử dụng xăng sinh học có hàm
lượng ethanol dưới 10% thể tích thì khơng cần thay đổi kết cấu của động
cơ.
- Xăng pha ethanol loại bỏ hoàn toàn các phụ gia có chứa chì trong xăng,
có nhiệt trị xấp xỉ với xăng, đặc biệt là Ethanol có khả năng bị phân hủy
sinh học nên không gây ô nhiễm mơi trường. Ethanol là nhiên liệu có thể
tái tạo.

1.3.2 Những hạn chế của xăng pha cồn.
Bên cạnh những ưu điểm nêu trên, xăng pha cồn cũng tồn tại các hạn chế
như sau:
- Ethanol có nhiệt độ sơi thấp và cố định, khả năng bay hơi cao nên nhiên
liệu xăng pha cồn có thể gây ra hiện tượng nghẽn hơi trong hệ thống ống
nạp nhiên liệu khi thời tiết nóng, nhiệt độ cao.
- Ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol cao nên động cơ sử dụng nhiên liệu xăng
pha cồn khó khởi động động cơ khi thời tiết lạnh nếu như không dùng các
loại phụ gia hỗ trợ.

- Tiêu hao nhiên liệu: Nhiệt trị khối lượng của ethanol bằng khoảng 60%
của xăng. Nhưng nhiệt trị của hỗn hợp “ethanol + xăng + khơng khí” chỉ
nhỏ hơn nhiệt trị của hỗn hợp “xăng + khơng khí” khoảng 5% (do lượng
khơng khí cần thiết để đốt cháy 1 kg ethanol chỉ bằng 40% so với lượng
khơng khí cần thiết để đốt cháy 1 kg xăng). Vì vậy, nếu xét trong trường
hợp hệ số dư lượng khơng khí như nhau khi dùng nhiên liệu xăng pha cồn

Chương I - Nhiên liệu sinh học

16


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

thì cơng suất động cơ giảm rất ít. Mặt khác, khi dùng xăng pha cồn cho
động cơ có kiểu cung cấp nhiên liệu hút nhờ bộ chế hịa khí được đặt trên
đường ống nạp nhiên liệu thì do ẩn nhiệt hóa hơi của ethanol lớn hơn
xăng l,67 lần nên nhiệt độ dịng khí nạp của nhiên liệu xăng pha cồn thấp
hơn so với khi xe chạy bằng xăng truyền thống cho nên để bù lại lượng
nhiệt thấp hơn đó, dịng nạp nhiên liệu xăng pha cồn phải nhiều hơn để
nhiệt trị tạo ra trong buồng đốt tương đương với khi dùng xăng thông
thường, điều này cho thấy khi xe chạy bằng nhiên liệu xăng pha cồn sẽ
tiêu hao nhiên liệu lớn hơn khi chạy bằng xăng thông thường. Mức tiêu
thụ nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn được mô
tả trong Bảng 1-7. Từ số liệu trong Bảng 1-7 cho ta thấy, khi hàm lượng
cồn pha vào xăng ở mức dưới 10%tt thì tiêu thụ nhiên liệu xăng pha cồn
tăng lên không đáng kể so với xăng thông thường.
Bảng 1-7: Mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ

sử dụng nhiên liệu xăng pha cồn [11]

Commented [K8]: nguồn?

Đơn vị tính: lít/100 km
Hàm lượng cồn trong nhiên liệu (%tt)

Tốc độ động cơ
(vịng/phút)

0

10

20

30

500

4,3

4,6

5,0

5,3

1.000

3,5

3,6

3,8

4,1

2.000

2,7

2,8

2,9

3,0

3.000

2,1

2,2

2,3

2,6

- Ngồi ra, khi sử dụng xăng sinh học có hàm lượng cồn cao có thể gây ra
ảnh hưởng nhất định đến một số vật liệu chế tạo động cơ như: cao su,

chất dẻo và kim loại nhôm, magiê,... Theo một số nghiên cứu, để đảm bảo
động cơ không phải thay đổi kết cấu khi sử dụng xăng pha cồn, chỉ nên
pha dưới 20% cồn vào xăng.

Chương I - Nhiên liệu sinh học

17


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Chương II
TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG
XĂNG SINH HỌC TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI

2.1

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG XĂNG SINH
HỌC TRÊN THẾ GIỚI
Từ những năm 20 của thế kỷ trước, cồn đã được nghiên cứu, sử dụng làm

nhiên liệu cho động cơ ô tô, xe máy thay thế cho xăng dầu khống có nguồn gốc
từ dầu mỏ. Điển hình cho hướng đi tiên phong này phải kể đến Braxin và Mỹ.
Tuy nhiên, với việc phát hiện ra các mỏ dầu có trữ lượng lớn cùng với sự phát
triển mạnh mẽ của ngành công nghệ lọc hóa dầu đã sản xuất ra những sản phẩm
xăng dầu có chất lượng cao, giá thành hạ đã cạnh tranh quyết liệt với cồn nhiên
liệu và nhanh chóng đẩy lùi việc sử dụng cồn làm nhiên liệu cho động cơ ô tô,
xe máy. Cho đến những năm 70 của thế kỷ 20, khi thế giới nổ ra cuộc khủng

hoảng dầu mỏ thì cồn và nhiên liệu sinh học mới thực sự được khởi động trở lại
và đến những năm đầu của thế kỷ 21 đã trở thành một trong những ưu tiên hàng
đầu trong những định hướng chiến lược nghiên cứu về năng lượng của nhiều
quốc gia phát triển trên thế giới mà điển hình là Mỹ, các nước Tây Âu (Đức,
Pháp, Nauy, Thụy Điển,…), Nhật Bản, Trung Quốc, Thái Lan,… Có thể điểm
qua lịch sử nghiên cứu, sử dụng xăng sinh học trên thế giới như sau:
Năm 1826 ông Samuel Morey đã sử dụng cồn làm nhiên liệu cho mơ hình
động cơ đốt trong đầu tiên của Mỹ. Gần 40 năm sau, vào năm 1860 nhà bác học
người Đức Nikolaus Otto đã sử dụng cồn làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong
đầu tiên trên thế giới; cũng trong thời kỳ này trên thế giới đã có hàng nghìn thiết
bị chưng cất sản xuất ra hơn 34.000 m3 cồn/năm phục vụ cho việc thắp sáng,

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

18


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

nấu ăn và sử dụng trong công nghiệp. Vào năm 1896 chiếc xe ô tơ động cơ 4 thì
đầu tiên của Henry Ford chạy bằng cồn đã được ra mắt công chúng. Ở Mỹ, cồn
là loại nhiên liệu đầu tiên sử dụng cho ôtô, trước cả xăng.
Năm 1899 tại Đức, Chính phủ chính thức bán cồn làm nhiên liệu. Nhờ
việc trợ giá cho người sản xuất cồn và đánh thuế vào dầu mỏ nhập khẩu làm cho
giá bán cồn tương đương với giá xăng.
Năm 1931, tại Braxin đã tiến hành pha chế ethanol vào xăng với các tỷ lệ
khác nhau, sản phẩm được gọi là gasohol. Tới năm 1975, khi giá dầu thế giới
tăng cao, nước này đã phát động thành chương trình quốc gia về sử dụng xăng

sinh học và Brazil là nước đi đầu trong lĩnh vực này. Tỷ lệ ethanol pha vào
xăng lên đến 20% và được dùng trong ngành vận tải. Ở Brazil, khoảng 3/4 số xe
lưu hành bắt buộc phải dùng gasohol nếu người sử dụng xe không muốn dùng
100% ethanol.
Tại Mỹ, quốc gia tiêu thụ năng lượng chiếm khoảng 25% tổng tiêu thụ
năng lượng trên thế giới, trong khi trữ lượng dầu mỏ của Mỹ chỉ vào khoảng 6%
(hơn 60% dầu mỏ phải nhập khẩu), để đảm bảo an ninh năng lượng, một mặt
quốc gia này phải tranh giành quyền kiểm sốt các khu vực có trữ lượng dầu mỏ
lớn trên thế giới; mặt khác, Mỹ phải đầu tư lớn từ ngân sách để nghiên cứu các
dạng nhiên liệu mới thay thế dầu mỏ. Sau đợt khủng hoảng năng lượng năm
1973 là nguyên nhân dẫn đến khủng hoảng kinh tế toàn cầu, năm 1976 Mỹ bắt
đầu triển khai chương trình nghiên cứu, thử nghiệm xăng sinh học. Năm 1978,
Quốc hội Mỹ đã cơng nhận những lợi ích mà ethanol đem lại trong vai trò là
nhiên liệu thay thế một phần nhiên liệu xăng dầu khống và đã thơng qua đạo
luật giảm thuế đối với xăng pha ethanol để khuyến khích phát triển thị trường
nhiên liệu này. Năm 1998, Tổng thống Mỹ B.Clinton đã ký sắc lệnh 13101 về

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

19


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

sử dụng sản phẩm sinh học thay thế một phần dầu mỏ và Quốc hội Mỹ đã theo
đuổi chính sách này nhằm tạo lập ngành công nghiệp ethanol ở cấp nhiên liệu
và ban hành luật miễn thuế mơn bài nhằm khuyến khích sản xuất ethanol từ
nguồn tái sinh. Nhờ đó, năm 2004, nước Mỹ đã sản xuất được trên 13 triệu m3

cồn dùng để sản xuất xăng sinh học. Hiện nay, tại Mỹ, luật pháp của nhiều bang
bắt buộc chủ các phương tiện giao thông phải sử dụng xăng pha cồn (loại E10tức là 10% cồn) và với 10% cồn được pha vào xăng, mỗi năm Mỹ tiết kiệm
được nhiều tỷ USD ngoại tệ dùng để nhập khẩu dầu mỗi năm. Năm 2005, với
việc sử dụng xăng E10, nước Mỹ đã tiết kiệm được 33,5 tỉ thùng dầu thô nhập
khẩu, tương đương với việc tiết kiệm được 33,6 tỷ USD dùng để nhập khẩu
xăng.
Trong khu vực Châu Á, Trung Quốc là quốc gia sản xuất và sử dụng cồn
nhiên liệu lớn thứ 3 thế giới (chỉ sau Braxin và Mỹ). Năm 2004, Trung Quốc đã
đưa nhà máy sản xuất cồn lớn nhất thế giới có cơng suất 600.000 tấn/năm tại
Cát Lâm vào hoạt động (mỗi năm tiêu thụ 1,9 triệu tấn ngô làm nguyên liệu),
tăng sản lượng cồn ethanol cả nước trên 3,5 triệu m3 mỗi năm. Từ tháng 6-2004,
Trung Quốc đã quyết định sử dụng xăng pha 10% cồn (xăng E10) ở 5 thành phố
và đến cuối năm 2006 là 27 thành phố đông dân khác. Trong kế hoạch 5 năm
lần thứ 10 (2005-2010), với chương trình phát triển xăng sinh học, Trung Quốc
sẽ sản xuất khoảng 10,2 triệu tấn ethanol mỗi năm.
Năm 1985, tại Thái Lan, nhà vua Thái Lan đã đứng lên khởi xướng dự án
Hoàng gia về nhiên liệu sinh học. Ủy ban quốc gia về ethanol (NEC) được
thành lập để chỉ đạo các cơ quan nghiên cứu khoa học, các trường đại học và
các doanh nghiệp tham gia chương trình nghiên cứu thử nghiệm xăng pha cồn
và diesel sinh học. Đến năm 2004, Thái Lan đã sản xuất được trên 280.000 m3

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

20


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

cồn và đầu tư thêm 20 nhà máy để đến năm 2015 đạt sản lượng trên 2,5 triệu m3
cồn dùng làm nhiên liệu.
Tại Ấn Độ, xăng pha 5% cồn đã được sử dụng ở 9 bang và 4 tiểu vùng từ
tháng 1-2003. Trong giai đoạn 2, giai đoạn 3 hàm lượng cồn pha vào xăng sẽ
tăng thêm 10%. Trong báo cáo năm 2003, Ủy ban phát triển nhiên liệu sinh học
của Ấn Độ cho rằng, khả năng sản xuất được 29 triệu lít cồn ethanol của Ấn Độ
đủ để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu với 5% cồn cho tới kế hoạch lần thứ 12.
Tại Châu Âu, chính phủ các nước khuyến khích các doanh nghiệp sản
xuất và kinh doanh xăng dầu pha cồn theo tỷ lệ từ 7% đến 10%. Xăng có pha
7% hay 10% cồn tinh khiết (độ cồn 99,5%) được gọi là gasohol E7 hay E10.
Ngành cơng nghiệp dầu khí chỉ được bán các loại nhiên liệu (xăng hoặc diezen)
pha cồn với tỷ lệ tối thiểu 5%. Một vài mẫu xe như Saab 9-5 hay Ford Focus có
thể sử dụng loại xăng E85 (chứa 85% cồn và 15% xăng) mà không gây ảnh
hưởng tới sự hoạt động của xe.
Về mặt lịch sử, xăng thường rẻ hơn cồn, đặc biệt nó cịn thường được
điều chỉnh thành phần để làm tăng hiệu quả sử dụng. Việc hỗ trợ cho cồn hay
cho xăng đã tạo ra một cuộc chiến về mặt chính trị, và cuối cùng xăng giá thấp
đã được chứng minh là quan trọng hơn.
Trong tương lai, các quá trình sản xuất cồn hiệu quả cao phải chứng minh
được bằng thực tế và trong khi giá khí đốt dường như sẽ tăng. Nhưng cồn nhiên
liệu vẫn phải cạnh tranh với các loại nhiên liệu khác như diesel sinh học hoặc
butylic.

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

21


Luận văn cao học

2.2

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG XĂNG SINH
HỌC Ở VIỆT NAM
Việt Nam là một nước nông nghiệp, các loại phế thải thực vật có thể sử

dụng làm nguyên liệu để sản xuất cồn nhiên liệu rất dồi dào (rơm rạ, bã mía, rỉ
đường,…). Tuy nhiên, trong những năm qua, ngành cơng nghiệp sản xuất cồn ở
Việt Nam chưa nhận được sự quan tâm tương xứng với tiềm năng của nó. Hiện
nay, tại Việt Nam chưa có nhà máy sản xuất cồn khan nào, sản phẩm chỉ là cồn
công nghiệp. Tổng sản lượng cồn của cả nước năm 2000 vào khoảng 5l triệu lít,
phân bố theo các khu vực như sau:
Bảng 2-1: Sản lượng cồn của các vùng kinh tế năm 2000
Đơn vị: triệu lít
TT

Khu vực

Sản lượng

1.

Tây Bắc và Đơng Bắc

1,83

2.

Đồng bằng Bắc Bộ

10,20

3.

Miền Trung và Tây Nguyên

7,7

4.

TP. Hồ Chí Minh và Miền đông Nam Bộ

19,5

5.

Đồng Bằng Sông Cửu Long

12,63

Tổng

51,63
(Nguồn: Cục Thống Kê)

Đến năm 2003, tổng công suất của các nhà máy cồn của ngành mía
đường là 48 triệu lít (sản lượng cồn sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác là
không đáng kể). Trong đó, Cơng ty Cổ phần mía đường Lam Sơn - Thanh Hóa

có nhà máy sản xuất cồn cơng suất 25 triệu lít/năm, sản phẩm cồn của nhà máy
chủ yếu phục vụ nhu cầu xuất khẩu. Để đáp ứng nhu cầu xuất khẩu ngày càng
tăng, Công ty Cổ phần mía đường Lam Sơn đã đầu tư xây dựng nhà máy cồn số
2 có cơng suất 25 triệu lít/năm. Ngồi ra, cịn có các nhà máy sản xuất cồn có

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

22

Commented [K1]: số liệu năm nào?


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

công suất vừa và nhỏ khác như: Nhà máy cồn Bình Định (thuộc cơng ty rượu
Bình Định) có cơng suất 5 triệu lít/năm; Nhà máy cồn Bình Dương (thuộc cơng
ty rượu Bình Tây) có cơng suất 4,5 triệu lít/năm; Nhà máy sản xuất cồn - rượu
Quảng Ngãi có cơng suất 12 triệu lít/năm, cơng ty đã có dự án xây dựng thêm
một nhà máy sản xuất cồn với cơng suất 12 triệu lít/năm ở An Khê; nhà máy sản
xuất cồn tại thành phố Vinh - Nghệ An có cơng suất 10 triệu lít/năm; nhà máy
cồn Xn Lộc - Đồng Nai có cơng suất 6,5 triệu lít/năm,…
Nhìn chung các năm qua, cồn được sản xuất chủ yếu từ nguồn nguyên
liệu rỉ đường mía. Điều đáng mừng là mỗi năm tổng công suất của các nhà máy
cồn trên cả nước đều tăng, tập trung ở 3 nhà máy lớn có cơng suất từ 15.000 30.000 lít/ngày là: Nhà máy đường Hiệp Hòa; Nhà máy đường Lam Sơn và Nhà
máy bia rượu Bình Tây,… Nếu so sánh với các nước trên thế giới có nền cơng
nghiệp sản xuất cồn phát triển như Brazil, Mỹ, Trung Quốc,... ta thấy sản lượng
cồn của Việt Nam hiện nay rất nhỏ bé, công suất của mỗi nhà máy cũng nhỏ,
các đơn vị sản xuất cồn đang gặp nhiều khó khăn do nguồn nguyên liệu quá đắt,

công nghệ lạc hậu, tốn nhiều chi phí sản xuất nên sản phẩm khơng có sức cạnh
tranh cao.
Khi sản xuất cồn đi từ nguyên liệu rỉ đường mía, để thu được 1 lít cồn
phải tiêu tốn 4 kg rỉ đường mía, mỗi kg rỉ đường mía có giá là 1.600 đồng/kg,
do đó để thu được 1 lít cồn sẽ tốn khoảng 6.400 đồng cho phí nguyên liệu, chưa
tính đến các khoản chi phí khác. Trong khi đó, nếu sử dụng củ mì hoặc bã củ mì
thì kinh phí sản xuất sẽ giảm rất nhiều, đây là nguồn nguyên liệu sẵn có trong
nước và có thể sản xuất với qui mô lớn, giá thành lại tương đối rẻ. Một kg củ mì
tươi trung bình giá khoảng 600 đồng/kg, nếu so với nguyên liệu rỉ đường mía rẻ
gần 2/3 giá thành. Bã khoai mì lại là nguồn phế phẩm của các nhà máy chế biến
tinh bột mì. Theo thống kê trên cả nước đang có khoảng 28 nhà máy bột mì.

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

23


Luận văn cao học

Nguyễn Đăng Cường, QTTB-2008

Phương pháp đường hoá tinh bột sẽ được thực hiện theo qui trình gồm: ngun
liệu được nghiền nát, sau đó tiến hành cơng đoạn đường hố tinh bột, lên men
cuối cùng là cơng đoạn chưng cất thu sản phẩm. Điểm ưu việt của công nghệ
đường hố tinh bột là có thể tận dụng nguồn nguyên liệu hoàn toàn hơn, nhờ
vậy phương pháp này sẽ giúp cho nhà sản xuất giảm lượng nguyên vật liệu, tiết
kiệm tối đa chi phí. Để có 1 lít cồn 94,5% chỉ cần tốn khoảng 2,5 kg khoai mì
lác hoặc 15 kg bã khoai mì, như vậy nguồn chi phí sản xuất sẽ rẻ đi rất nhiều.
Thời gian qua, ở Việt Nam đã có nơi sử dụng khoai mì khơ để sản xuất
cồn nhưng hiệu suất tạo cồn vẫn còn thấp, phải tốn hết 3,5 kg khoai mì/lít. Cịn

đối với nguồn bã khoai mì thì vẫn chưa có cơ sở sản xuất nào thực hiện. Nếu sử
dụng khoai mì hoặc bã khoai mì để sản xuất cồn khơng chỉ tận dụng nguồn phế
phẩm của các nhà máy sản xuất tinh bột mì mà cịn làm giảm thiểu sự ơ nhiễm
mơi trường do việc phơi bã mì để sản xuất thức ăn cho gia súc. Trong bã khoai
mì có độ ẩm đến 80% nên phải mất một khoảng thời gian phơi nắng, do đó bã
mì dễ bị nhiễm khuẩn sinh ra mùi hơi khó chịu làm ảnh hưởng đến mơi trường
xung quanh. Cơng nghệ sản xuất cồn Etylic từ khoai mì, ngồi sản phẩm chính
là cồn, nhà sản xuất cịn có thể thu thêm nhiều sản phẩm khác có giá trị kinh tế
cao từ những nguồn phế thải. Đó là, lượng khí CO2 lỏng thu được trong q
trình lên men; từ nguồn nước thải cịn có thể sản xuất phân vi sinh và than bùn.
Lượng xác nguyên liệu thải ra sau q trình chưng cất cũng có thể dùng phương
pháp cho xúc tác vi sinh kích hoạt q trình lên men để sản xuất chế phẩm sinh
học phục vụ nuôi trồng thuỷ sản. Tuy nhiên, cho đến nay tại Việt Nam chưa có
đơn vị nào sản xuất cồn từ bã khoai mì. Sử dụng phương pháp đường hố tinh
bột để sản xuất cồn Ethylic cơng nghiệp từ củ mì hoặc bã mì, ngồi việc đẩy
mạnh hoạt động sản xuất nguồn ngun liệu cồn, tạo đầu ra ổn định cho mặt
hàng nông sản (củ khoai mì), thì cịn tạo điều kiện thuận lợi để tiến tới sản xuất

Chương II- Tình hình nghiên cứu và sản xuất…

24