Mô phỏng công nghệ sản xuất ethanol của nhà máy bioethanol dung quất

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN MINH TRIẾT

MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL
CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN MINH TRIẾT

MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL
CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐÌNH MINH TUẤN

Đà Nẵng – Năm 2019


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất
nhiều sự quan tâm giúp đỡ của thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là sự
hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của TS. Nguyễn Đình Minh Tuấn.
Tơi chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đình Minh Tuấn, Ban lãnh đạo Khoa Hóa
Trường Đại học Bách khoa Đà nẵng, quý thầy cô giáo cùng các bạn bè, gia đình,
đồng nghiệp đã giúp đỡ tơi thực hiện và hồn thành luận văn này.
Trân trọng cảm ơn!



TĨM TẮT
MƠ PHỎNG CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL
CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT
Học viên: Trần Minh Triết
Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 8520301 Khóa: K35KHH.QNg Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN
Tóm tắt - Hiện nay, năng lượng tái tạo như năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời, năng
lượng gió là xu hướng mới trên thế giới, xuất phát từ hậu quả của việc tiêu thụ quá mức nguồn năng
lượng hóa thạch và nguồn dự trữ hạn chế của nguồn năng lượng này. Ethanol sinh học trở nên đáng
chú ý nhờ những ưu điểm của nó như thân thiện với môi trường, nguồn nguyên liệu dồi dào và hơn thế
nữa. Nó có thể được thay thế hồn tồn hoặc một phần nhiên liệu hóa thạch để làm giảm hiệu ứng nhà
kính. Với tiềm năng lớn như vậy, ethanol sinh học phần lớn được sản xuất ở khắp nơi trên thế giới và
tại Việt Nam. Nhà máy ethanol sinh học Dung Quất là một trong những nhà máy sản xuất nhiên liệu
sinh học với công nghệ hiện đại và năng suất cao. Để hiểu sâu sắc về công nghệ sản xuất và xây dựng
cơ sở dữ liệu về điều kiện vận hành của nhà máy này khi nguồn nguyên liệu thay đổi, chúng tôi tiến
hành mô phỏng công nghệ sản xuất ethanol sinh học bằng phần mềm Hysys. Trong nghiên cứu này,

chúng tơi thực hiện mơ phỏng các q trình chưng cất và tách nước của nhà máy ethanol sinh học
Dung Quất bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu ban đầu từ các điều kiện vận hành thực tế trong nhà máy
này. Ngun liệu thơ là dịng beer-well từ q trình lên men. Ngồi ra, chúng tơi cũng điều chỉnh các
điều kiện hoạt động để có được chất lượng sản phẩm ethanol mong muốn. Kết quả đã thực hiện mô
phỏng thành cơng các q trình với sai số giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu ban đầu về lưu lượng và
thành phần chính các dịng cơng nghệ nhỏ hơn 5%. Sau đó, chúng tơi thay đổi thành phần của dòng
nguyên liệu beer-well và tiến hành điều chỉnh các điều kiện vận hành của quá trình chưng cất để sản
phẩm ethanol có chất lượng khơng đổi.
Từ khóa – Bioethanol; Mơ phỏng; Hysys; Chưng cất; Tách nước.
THE SIMULATION OF MANUFACTURING TECHNOLOGY AT DUNG QUAT BIOETHANOL FUEL FACTORY
Abstract - Currently, renewable energy such as bioenergy, solar energy, wind energy is the new
trend in the world, which comes from the consequence of excessive consumption of fossil energy source
and limited reserves of this energy source. Bio-ethanol becomes remarkable due to its advantages such as
environmental friendliness, abundant raw materials and further more. It can be completely or partly
replacedfossil fuels to reduce the greenhouse effect. With such great potential, bio-ethanol is lazrgely
produced in all over the world and in Vietnam. Dung Quat bio-ethanol plant is one of the biofuel
production plant with modern technology and great productivity. To deeply understand the production
technology and build database of operating conditions of this plant when the feed sources change, we
conduct the simulation of bio ethanol production technology by using Hysys software. In this study, we
perform the simulation of the processes of distillation and water separation of the Dung Quat bio-ethanol
plant using the initial database from the actual operating conditions in this factory. The raw material is
beer-well stream from the fermentation process. Additionally, we also adjust operating conditions in
order to obtained the desired quality of the ethanol product. As a result, the simulation of the processes
are successfully done in considering that the differences in flowrate and composition of process streams
between simulation results and the initial database are less than 5%. Then, we modify the composition of
material beer-well and conduct adjusting the operating conditions of distillation process to have the
constant quality of the ethanol product.
Key words – Bioethanol; Simulation; Hysys; Distillation; Dehydration.

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài: .................................................................................................1
2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ........................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu:............................................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu: .....................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: ............................................................. 2
6. Cấu trúc luận văn: .................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .........................................................................................4
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học, bioethanol ..........................................................4
1.1.1. Nhiên liệu sinh học .........................................................................................4
1.1.2. Bioethanol .......................................................................................................4
1.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ bioethanol trên thế giới và ở Việt Nam .......................6
1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới ..................................6
1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol ở Việt Nam ...................................7
1.3. Nguyên liệu sắn để sản xuất bioethanol ...................................................................7
1.3.1. Thành phần hóa học của sắn ...........................................................................8
1.3.2. Thành phần và tính chất của tinh bột sắn........................................................8
1.3.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn ..................................................................9
1.4. Công nghệ sản xuất bioethanol.................................................................................9
1.4.1. Công nghệ sản xuất truyền thống ...................................................................9
1.4.2. Công nghệ sản xuất cồn đã cải tiến............................................................... 10
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT ..............11

2.1. Tổng quan công nghệ sản xuất bioethanol Dung Quất ..........................................11
2.2. Nguyên liệu sản xuất .............................................................................................. 12
2.3. Các phân xưởng công nghệ ....................................................................................12
2.3.1. Kho chứa, nhà nghiền ...................................................................................12
2.3.2. Tách cát .........................................................................................................13
2.3.3. Hồ hóa và nấu ............................................................................................... 14


2.3.4. Lên men ........................................................................................................15
2.3.5. Chưng cất ......................................................................................................16
2.3.6. Tách nước......................................................................................................16
2.3.7. Phân xưởng thu hồi và nén khí CO2 ............................................................. 17
2.3.8. Phân xưởng tách, sấy và tồn chứa bã ............................................................ 18
2.3.9. Phân xưởng xử lý nước thải ..........................................................................18
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG CÔNG ĐOẠN CHƯNG CẤT VÀ TÁCH NƯỚC
CỦA NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT ....................................................20
3.1. Giới thiệu phần mềm HYSYS ................................................................................20
3.1.1. Giới thiệu chung............................................................................................ 21
3.1.2. Các bước mô phỏng bằng phần mềm Hysys v10 .........................................23
3.2. Tiến hành mô phỏng ............................................................................................... 25
3.2.1. Cơ sở dữ liệu .................................................................................................25
3.2.2. Nhập thơng số cho các dịng cơng nghệ và thiết bị ......................................27
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 43
4.1. Phân tích kết quả mơ phỏng ...................................................................................43
4.1.1. Kết quả mô phỏng cụm chưng cất: ............................................................... 43
4.1.2. Kết quả mô phỏng cụm cụm tách nước: .......................................................46
4.2. Nghiên cứu thay đổi điều kiện vận hành cụm tháp chưng cất để đảm bảo chất
lượng sản phẩm ethanol khi nguyên liệu từ công đoạn lên men biến động ..................47
4.2.1. Tháp C-4101 .................................................................................................48
4.2.2. Tháp C-4102 .................................................................................................49

4.2.3. Tháp rectifier column C-4201.......................................................................49
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 53
PHỤ LỤC
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT

Chữ viết tắt

Diễn giải

1

DDFS

Distillery Dried Fiber Soluble

2

PFD

Process Flow Diagram

3

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

4

SAR

Bể phản ứng yếm khí

5

UASB

Upflow Anaerobic Sludge Blanket

4

wt

Khối lượng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1:

Thành phần hóa học của củ sắn tươi

8

1.2:

Thành phần hóa học của sắn lát khơ

9

3.1.

Lưu lượng và thành phần nguyên liệu

25

3.2.

Cân bằng vật chất chưng cất và tách nước

26

3.3.

So sánh thành phần dòng ethanol 4036 mơ phỏng và PFD

33

3.4.

Vị trí đĩa nạp liệu, đĩa rút sản phẩm trong tháp Rectifier
Column C-4201

36

3.5.

Áp suất và nhiệt độ các dòng nguyên liệu cho tháp C-4201

36

3.6.

So sánh thành phần của dịng sản phẩm ethanol 90%wt của
cơng đoạn chưng cất

40

4.1.

Lưu lượng các dòng sản phẩm đỉnh và đáy của các tháp
chưng cất

43

4.2.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh tháp C-4101

43

4.3.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đáy tháp C-4101

44

4.4.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh tháp C-4102

44

4.5.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đáy tháp C-4102

44

4.6.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đỉnh tháp Rectifier
Column

45

4.7.

So sánh thành phần dòng sản phẩm thân tháp Rectifier

Column

45

4.8.

So sánh thành phần dòng sản phẩm đáy tháp Rectifier
Column

45

4.9.

So sánh thành phần nước bị hấp phụ trong Component
Splitter

46

4.10.

So sánh thành phần dòng ethanol 99%wt ra khỏi Component
Splitter

46

4.11.

So sánh thành phần dòng ethanol sản phẩm

46

4.12.

Thành phần dịng beer well từ cơng đoạn lên men trong điều
kiện vận hành bình thường và khi tăng/giảm 2%wt

47

4.13.

Điều kiện mô phỏng tháp Beer Column C-4101 khi ở điều
kiện hoạt động bình thường và nguyên liệu tăng/giảm 2%wt

48


Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

ethanol
Điều kiện mô phỏng tháp Beer Column C-4102 khi ở điều
4.14.

kiện hoạt động bình thường và nguyên liệu tăng/giảm 2%wt
ethanol

49

Lưu lượng và thành phần ethanol trong dòng sản phẩm của 2
4.15

tháp beer column khi ở điều kiện hoạt động bình thường và
ngun liệu tăng/giảm 2%wt ethanol

49

4.16.

Điều kiện mơ phỏng tháp Rectifier Column C-4201 khi ở điều
kiện hoạt động bình thường và nguyên liệu tăng/giảm 2%wt
ethanol

50

4.17.

Lưu lượng và thành phần ethanol trong dịng sản phẩm của
cơng đoạn chưng cất khi ở điều kiện hoạt động bình thường
và nguyên liệu tăng/giảm 2%wt ethanol

51


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

hình

Tên hình

Trang

2.1.

Sơ đồ cơng nghệ tổng quan của Nhà máy

11

2.2.

Sơ đồ công nghệ kho chứa, nhà nghiền

13

2.3.

Sơ đồ cơng nghệ q trình tách cát

13

2.4.

Sơ đồ q trình hồ hóa và nấu

14

2.5.

Sơ đồ q trình đường hóa, lên men

15

2.6.

Sơ đồ quá trình chưng cất

16

2.7.

Sơ đồ quá trình tách nước

17

3.1.

Cửa sổ lựa chọn cấu tử cho hệ

23

3.2.

Cửa sổ chọn mơ hình nhiệt động

24

3.3.

Cửa sổ thiết lập đơn vị sử dụng

25

3.4.

Nhập thơng số cho dịng beerwell (3022)

27

3.5.

Nhập thơng số cho dịng beerwell (4002)

28

3.6.

Thơng số hoạt động của tháp chưng cất C-4102

29

3.7.

Thông số ràng buộc cho tháp C-4102

29

3.8.

Thông số hoạt động cho thiết bị trao đổi nhiệt E-4108

30

3.9.

Thông số hoạt động của bình tách VS-4103

30

3.10.

Thơng số hoạt động của bơm PC-4103

31

3.11.

Thơng số dịng beer well (4004)

32

3.12.

Thơng số hoạt động của tháp C-4101

32

3.13.

Tiêu chuẩn ràng buộc của tháp C-4101

33

3.14.

Sơ đồ mô phỏng cụm chưng cất thô

34

3.15.

Thông số hoạt động của bơm ethanol 50%wt PC-4202

35

3.16.

Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt dịng ethanol 50%wt E4204

35

3.17.

Thơng số dịng recycle 4050

36

3.18.

Thơng số dịng 4070 từ cụm tách nước

37

3.19.

Thơng số dịng 3046 H2O từ tháp thu hồi CO2

37

3.20.

Thông số vận hành của tháp Rectifier Column C-4201

38

3.21.

Bảng dự đoán thành phần mol cho pha lỏng ở các đĩa của tháp
C-4201

38


Số hiệu

Tên hình

hình
3.22.
3.23.

Các tiêu chuẩn ràng buộc của tháp Rectifier Column C-4201
Thiết lập chỉ số Fixed Damping Factor cho tháp chưng C4201

Trang
39
40

3.24.

Sơ đồ mô phỏng cụm tháp chưng cất tinh

41

3.25:

Kết nối các dịng cơng nghệ của Component Splitter VS-4301

42

3.26:

Tỷ lệ phân tách cấu tử theo khối lượng của VS-4301

42

4.1.

Thông số hoạt động của tháp Rectifier Column C-4201 khi
nguyên liệu ethanol -2%wt

48


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Nhiên liệu hóa thạch đã và đang đóng vai trị hết sức quan trọng đối với sự phát
triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Bên cạnh những ưu điểm vượt trội, nhiên liệu
hóa thạch đã bộc lộ rất nhiều điểm hạn chế: khơng có khả năng tái sinh, ơ nhiễm mơi
trường, nguy cơ cạn kiệt trong tương lai…; đây là những hạn chế có ảnh hưởng rất lớn
đến hai vấn đề mang tính thời sự của thế giới hiện nay: an ninh năng lượng và biến đổi
khí hậu. Để tìm lời giải cho bài toán này, nhiều giải pháp được đưa ra trong đó có giải
pháp thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu nhằm tìm ra nguồn năng lượng thay thế, có
khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường.
Để đảm bảo an ninh năng lượng, bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển kinh
tế nông thôn tại các vùng sâu, vùng xa ở nước ta, ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính
phủ đã phê duyệt "Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025".
Trên cơ sở pháp lý đó, hiện nay có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về nhiên liệu sinh
học đã được phát triển và ứng dụng vào thực tiễn. Nhiên liệu sinh học hiện nay đang
được nghiên cứu phát triển dưới các dạng khác nhau gồm: Biogas, Hydro, Bioethanol,
Biodiesel,…trong đó Bioethanol là nhiên liệu sinh học phổ biến nhất hiện nay với
những ưu điểm: trị số octan cao, không gây ô nhiễm môi trường, nguyên liệu sản xuất
dồi dào từ sản phẩm, phụ phẩm của nơng nghiệp.
Nhiệm vụ khó khăn trong thiết kế các nhà máy sản xuất Bioethanol là đảm bảo
chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm và nâng cao hiệu quả kinh tế của công nghệ tại nơi trực

tiếp sản xuất. Với tốc độ phát triển nhanh chóng của cơng nghệ thơng tin, các phần
mềm mơ phỏng q trình sản xuất được ứng dụng vào trong quá trình thiết kế, vận
hành ở các nhà máy nhằm giảm thiểu những khó khăn này. Phần mềm mô phỏng hỗ
trợ cho việc thiết kế q trình khơng chỉ đảm bảo tính thân thiện với mơi trường và sản
xuất an tồn mà cịn giúp giảm chi phí đầu tư và chi phí sản xuất. Phần mềm mơ phỏng
cũng giúp xây dựng nên một mơ hình có độ trung thực cao với đầy đủ những chức
năng và sự linh động. Phần mềm mô phỏng cũng được sử dụng để thiết kế cải tiến quá
trình thu hồi nhiệt và xác lập các phương án hoạt động có hiệu quả kinh tế cao.
Hiệu quả kinh tế sản xuất là một yếu tố hết sức quan trọng để duy trì hoạt động
các nhà máy sản xuất ethanol. Để đáp ứng yêu cầu đó cần sử dụng các phần mềm mơ
phỏng cơng nghiệp để xây dựng mơ hình chuẩn với các thông số tối ưu cho công nghệ
sản xuất Bioethanol, từ đó có thể đánh giá, so sánh, lựa chọn và tìm ra các thơng số
vận hành hợp lý, đặc biệt là ở phân xưởng vận hành quan trọng nhất của nhà máy:
phân xưởng chưng cất.


2
Xuất phát từ cơ sở khoa học và thực tiễn trên, tôi chọn đề tài: "Mô phỏng công
nghệ sản xuất Ethanol của Nhà máy Bioethanol Dung Quất".
2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
2.1. Mục tiêu nghiên cứu:
- Mô phỏng được công nghệ sản xuất ethanol của Nhà máy Bioethanol Dung
Quất dựa trên số liệu thiết kế.
- Đánh giá dựa trên so sánh giữa kết quả mô phỏng và các thơng số thiết kế, từ
đó tìm ra thơng số vận hành cho Nhà máy khi năng suất hoặc chất lượng của sản phẩm
thay đổi.
2.2. Đối tượng nghiên cứu:
- Phần mềm mô phỏng ASPEN HYSYS
- Công nghệ sản xuất của Nhà máy Bioethanol Dung Quất (gồm: nguyên liệu,
công nghệ, các thông số kỹ thuật,...).

3. Nội dung nghiên cứu:
- Tìm hiểu quy trình cơng nghệ của Nhà máy, ngun liệu sản xuất, đặc tính của
sản phẩm.
- Nghiên cứu các tính năng của phần mềm mô phỏng.
- Xây dựng sơ đồ mô phỏng.
- Chạy mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số công nghệ.
- Đánh giá và khai thác kết quả.
4. Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu chi tiết sơ đồ công nghệ và thông số công nghệ của từng khu vực
sản xuất trong Nhà máy để đưa ra các thông số phục vụ cho q trình mơ phỏng.
- Nghiên cứu các tính năng của phần mềm mô phỏng để xây dựng sơ đồ mô
phỏng công nghệ sản xuất Ethanol.
- Chạy mô phỏng và hiệu chỉnh các thông số vận hành để đánh giá kết quả
- Khai thác mô phỏng để đề xuất phương án vận hành hợp lý.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Xây dựng cơ sở dữ liệu các điều kiện vận hành nhà máy sản xuất Ethanol ở
Việt Nam, góp phần vào việc nâng cao khả năng mơ phỏng trong cơng nghệ hóa học.
- Tiết kiệm chi phí thực nghiệm trên mơ hình thực, giảm chi phí vận hành, tối
ưu hóa chi phí sản xuất.
- Có thể hiệu chỉnh được điều kiện sản xuất của Nhà máy khi năng suất, chất
lượng sản phẩm thay đổi.


3
6. Cấu trúc luận văn:
Mở đầu
Giới thiệu tổng quát về đề tài, lý do chọn đề tài, mục tiêu, đối tượng, phương
pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Chương 1- Tổng quan
Giới thiệu tổng quan nhiên liệu sinh học, bioethanol về tình hình sản xuất, tiêu

thụ trên thế giới và ở Việt Nam; về nguyên liệu; về công nghệ sản xuất.
Chương 2- Giới thiệu Nhà máy Bioethanol Dung Quất
Giới thiệu nhà máy Bioethanol Dung Quất về tổng quan đặc điểm cơng nghệ,
quy trình sản xuất, nguyên liệu sản xuất, các phân xưởng công nghệ.
Chương 3- Mô phỏng công đoạn chưng cất và tách nước của Nhà máy
Bioethanol Dung Quất
Giới thiệu phần mềm Hysys, các bước tiến hành mô phỏng và thực hiện mô
phỏng công đoạn chưng cất và tách nước trên Hysys V10.
Chương 4- Kết quả và thảo luận
Phân tích kết quả mơ phỏng, so sánh giữa số liệu mô phỏng và số liệu khai thác
từ PFD ở các công đoạn mô phỏng để đưa ra kết luận về sơ đồ mô phỏng đã thực hiện.
Từ kết quả mô phỏng tiến hành nghiên cứu thay đổi điều kiện vận hành cụm tháp
chưng cất để đảm bảo chất lượng sản phẩm khi nguyên liệu từ công đoạn lên men biến
động.
Kết luận và kiến nghị


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học, bioethanol
1.1.1. Nhiên liệu sinh học
Nhiên liệu sinh học theo định nghĩa rộng là những nhiên liệu rắn, lỏng, khí
được chuyển hóa từ sinh khối.
Nhìn chung nhiên liệu sinh học có nhiều ưu điểm so với nhiên liệu hóa thạch
như giảm khí thải nhà kính, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng, thúc đẩy phát triển
nông nghiệp nông thôn, thu hồi tái chế rác thải, phế phẩm nhiều ngành công nơng
nghiệp.... Nhưng loại nhiên liệu này cũng có mặt hạn chế: nguồn nguyên liệu phải
được tái tạo nhanh, yêu cầu dây chuyền công nghệ sản xuất tối ưu đảm bảo công suất

yêu cầu, giá thành hợp lý, mang lại lợi ích môi trường...
Nhiên liệu sinh học được phân thành các nhóm chính như sau:
- Diesel sinh học (Biodiesel) là một loại nhiên liệu lỏng có tính năng tương tự
diesel truyền thống có khả năng thay thế cho nhau. Diesel sinh học được điều chế bằng
cách ester hóa dầu mỡ động thực vật với rượu hữu cơ.
- Xăng sinh học (Biogasoline) là một loại nhiên liệu lỏng, trong đó có sử dụng
bioethanol như là một loại phụ gia, thay cho hợp chất chì như trước kia. Bioethanol
được sản xuất thơng qua quá trình lên men các sản phẩm hữu cơ như tinh bột, rỉ
đường, xellulose.
- Khí sinh học (Biogas) là một loại nhiên liệu dạng khí hỗn hợp chủ yếu là
methal. Biogas được tạo ra từ quá trình ủ lên men các sản phẩm hữu cơ là phế thải sinh
hoạt, nông nghiệp. Biogas có thể dùng để thay thế cho các sản phẩm khí gas từ mỏ
dầu, mỏ khí.
1.1.2. Bioethanol
a. Định nghĩa:
Ethanol là hợp chất hữu cơ thuộc dãy đồng đẳng rượu no đơn chức có cơng
thức phân tử C2H5OH hay C2H6O, còn được gọi bằng các tên khác như rượu etylic,
cồn, ethyl alcohol, ethyl hydrate, hydroxyethane.
Ethanol có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học hoặc phương pháp
sinh học. Bioethanol là ethanol được sản xuất theo phương pháp sinh học.
b. Lịch sử phát triển:
Bioethanol đã được Samuel Morey (nhà sáng chế người Mỹ) sử dụng cho động
cơ đốt trong vào năm 1826, nhưng trong quá trình phát triển của ngành động cơ thì
năng lượng từ dầu mỏ đã chiếm ưu thế, ethanol dần bị quên lãng. Năm 1973, xảy ra


5
cuộc khủng hoảng dầu mỏ và cuộc cách mạng của người Iran vào năm 1978 làm cho
giá dầu tăng đột ngột, đe dọa an ninh năng lượng của nhiều nước. Bioethanol dần được
quan tâm và trở nên có giá trị. Mặt khác ở thời điểm này cơ quan bảo vệ mơi trường

(EPA) đã và đang tìm kiếm một chất thay thế để pha vào xăng thay chì với mục đích
nâng cao chỉ số octan mà không gây độc hại; đồng thời giá ngũ cốc tại thời điểm này
giảm nhiều đã tạo điều kiện cho loại nhiên liệu này phát triển mạnh mẽ. Hiện nay,
nhiên liệu sinh học được sử dụng phổ biến ở hơn 50 quốc gia trên thế giới. Ở các nước
Châu Âu, Châu Mỹ xăng sinh học đã được sử dụng trong nhiều năm qua và hiện nay
tỷ lệ cồn pha vào xăng bắt buộc tối thiểu là 10%.
Brazil là nước đi đầu với chương trình quốc gia ủng hộ xăng pha cồn từ năm
1975, sử dụng cồn sản xuất từ mía để pha vào xăng với tỷ lệ lên đến 20%, thậm chí có
thể lên đến 85% dùng trong ngành vận tải.
Ở Việt Nam, theo Quyết định của Chính phủ, xăng sinh học E5 chính thức được
thí điểm sử dụng cho phương tiện cơ giới đường bộ tại 7 địa phương từ ngày
01/12/2014, và chính thức sử dụng trên cả nước từ ngày 01/12/2015.
c. Ứng dụng:
Bioethanol mang lại nhiều lợi ích cho nền kinh tế, xã hội. Phát triển dạng nhiên
liệu này giúp các quốc gia tự chủ về vấn đề năng lượng không phụ thuộc vào nhiên
liệu nhập khẩu, đặc biệt đối với các quốc gia khơng có nguồn tài ngun này.
Việc sản xuất bioethanol nhìn chung là đơn giản, ít tốn kém hơn những dạng
nhiên liệu mới (hydro, pin nhiên liệu...) và có thể sản xuất được ở các quy mô nhỏ, lớn
khác nhau. Bioethanol vừa có thể là nhiên liệu cung cấp năng lượng vừa có thể là phụ
gia tăng chỉ số octan khi pha vào xăng.
Bioethanol cịn giúp giảm lượng phát thải khí ô nhiễm gây hiệu ứng nhà kính.
Kết quả nhiều công trình nghiên cứu cho thấy ethanol sản xuất từ ngũ cốc giảm được
40% phát thải khí nhà kính so với xăng và giảm 100% đối với bioethanol sản xuất từ
nguyên liệu cellulose. Hàm lượng các khí thải độc hại khác (CO, NOx, SOx...) cũng
giảm đáng kể.
Tuy nhiên sản xuất bioethnol lại đe dọa nền an ninh lương thực của nhiều nước,
nền nơng nghiệp độc canh một giống cây trồng có nguy cơ đất bị bạc màu mất khả
năng canh tác tiếp. Loại nhiên liệu này cũng có một số hạn chế như tính hút ẩm dẫn
đến nhiều khó khăn trong quá trình tồn chứa, bảo quản; nhiệt trị của bioethanol (26,8
MJ/kg) thấp hơn của xăng (42,5 MJ/kg) nên khi pha vào xăng sẽ làm giảm công suất

của động cơ, tuy nhiên sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số
lượng ít.


6
Dù có một số những hạn chế nhưng khi phân tích, so sánh người ta vẫn thấy
mặt lợi chiếm ưu thế hơn, vậy nên đây sẽ là nguồn nhiên liệu định hướng cho tương
lai.
1.2. Tình hình sản xuất, tiêu thụ bioethanol trên thế giới và ở Việt Nam
1.2.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol trên thế giới
Trên thế giới, việc nghiên cứu và sử dụng bioethanol thay thế chất phụ gia
methyl tert butyl ether trong xăng dầu đã được tiến hành trong nhiều năm qua. Ở Mỹ,
chính phủ đã cấm sử dụng phụ gia này từ năm 2003, do nhiều cơng trình nghiên cứu
chứng minh sự ơ nhiễm nguồn nước, mơi trường khơng khí, sức khỏe con người của
việc sử dụng Methyl tert butyl ether [3]. Ethanol nhiên liệu được đặc biệt chú ý ở
những nước có nền nông nghiệp phát triển và là mục tiêu hướng tới của đa số quốc gia
có nhu cầu tiêu thụ lượng xăng lớn. Chương trình bioethanol nhiên liệu được nhiều
nước quan tâm, đầu tư xây dựng chiến lược phát triển các nhà máy để sản xuất
bioethanol từ các loại ngũ cốc như: ngơ, sắn, mía đường...để đáp ứng nhu cầu nhiên
liệu tái tạo trong tương lai. Đây là chương trình phát triển nông nghiệp nông thôn,
nhằm khai thác tiềm năng sẵn có về lao động, đất đai, nguồn nơng sản của mỗi quốc
gia.
Năm 2003, toàn thế giới đã sản xuất được 38,5 tỷ lít bioethanol (châu Mỹ chiếm
khoảng 70%, châu Á 17%, châu Âu 10%), trong đó 70% được dùng làm nhiên liệu,
30% được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, y tế, hóa chất. Đến năm 2007, lượng
bioethanol sản xuất đã tăng lên 56 tỷ lít, trong đó tỷ lệ cồn nhiên liệu tăng lên 75%.
Năm 2009, lượng bioethanol sản xuất được là 66 tỷ lít [7], [8], [9].
Trên thế giới, Brazin, Mỹ, và Trung Quốc là ba quốc gia đứng đầu về sản xuất
và sử dụng dạng nhiên liệu này. Trong khu vực Đông Nam Á, Thái Lan là quốc gia
phát triển rất nhanh về sản xuất và sử dụng xăng sinh học từ chế phẩm từ sắn, hạt ngơ,

cây ngơ, đường, bã mía [7].
Brazil là nước đi đầu trên thế giới trong việc sản xuất bioethanol. Năm 2004,
Brazin sản xuất bioethanol ở mức kỷ lục với 15,2 tỷ lít, và năm 2009 sản lượng này lên
tới 19,8 tỷ lít [7]. Lượng sản phẩm này khơng chỉ phục vụ trong nước mà còn xuất
khẩu sang nhiều nước khác nhau mang lại lợi ích lớn về kinh tế.
Mỹ là quốc gia tiêu thụ hằng năm 25% năng lượng trên thế giới. Từ năm 1990
giá dầu tăng liên tục nên bioethanol lại được đưa vào chương trình an ninh năng lượng
của Mỹ. Năm 2009 Mỹ là nước sản xuất bioethanol lớn nhất thế giới với 25,9 tỷ lít [7].
Trung Quốc là nước sản xuất bioethanol đứng thứ ba thế giới, chính phủ nước này
đang tăng cường hỗ trợ cho năng lượng sinh khối và hoạt động sản xuất nhiên liệu
sạch. Năm 2004, nước này đã đưa vào hoạt động nhà máy sản xuất bioethanol lớn nhất


7
thế giới với công suất 600.000 tấn/năm tại Cát Lâm, tăng năng suất cả nước lên 3,5 tỷ
lít [11].
Thái Lan – một nước trong khu vực cũng đã có chính sách sản xuất nhiên liệu
sinh học từ 10 năm nay. Từ năm 2002, Thái Lan đã xây dựng thêm 4 nhà máy sản xuất
bioethanol nhằm giảm chi phí nhập khẩu xăng dầu. Năm 2004, Thái Lan sản xuất
280.000 m3, đầu tư thêm 20 nhà máy để năm 2015 có trên 2,5 tỷ lít dùng làm nhiên
liệu [7], [12].
1.2.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ bioethanol ở Việt Nam
a. Thực trạng tình hình sản xuất và tiêu thụ hiện nay
Theo thống kê năm 2007, nước ta có khoảng 328 cơ sở sản xuất rượu lớn với
sản lượng 360 triệu lít/ năm, 320 cơ sở sản xuất nhỏ với sản lượng dưới 1 triệu lít/
năm, hộ gia đình tự sản xuất ước tính khoảng 250 triệu lít/ năm [11]. Trước đây, tổng
công suất trên cả nước đều tập trung ở 3 nhà máy lớn có cơng suất từ 15.000 – 30.000
lít/ngày là nhà máy đường Hiệp Hòa, Lam Sơn, nhà máy rượu Bình Tây, sản phẩm
được sử dụng chủ yếu cho mục đích thực phẩm [12].
Nhu cầu về sản phẩm này trên thị trường ngày càng tăng, các đơn vị sản xuất

đẩy mạnh sản xuất, đồng thời mở thêm nhiều nhà máy lớn. Đáng chú ý là Dự án Nhà
máy sản xuất Bioethanol khu vực phía Bắc do Cơng ty cổ phần Hố dầu và Nhiên liệu
sinh học Dầu khí (PVB) thuộc Tập đồn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (Petrovietnam)
làm chủ đầu tư, đặt tại huyện Tam Nông, tỉnh Phú Thọ. Đây là nhà máy sản xuất nhiên
liệu sinh học đầu tiên được xây dựng ở miền Bắc với quy mơ lớn, cơng nghệ tiên tiến.
Và ở miền Trung có Nhà máy Bioethanol Dung Quất, miền Nam có Nhà máy
Bioethanol Bình Phước.
b. Triển vọng về phát triển nhiên liệu sinh học ở nước ta
Ngày 20/11/2007, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 177/QĐ –
TTg phê duyệt “Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn 2025”.
Mục tiêu tổng quát của Đề án là phát triển nhiên liệu sinh học thay thế một phần nhiên
liệu hóa thạch truyền thống nhằm góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ
môi trường. Năm 2010, xây dựng và phát triển được các mơ hình sản xuất thử nghiệm
và sử dụng nhiên liệu sinh học quy mơ 100 nghìn tấn E5 và 50 nghìn tấn B5/năm, bảo
đảm đáp ứng 0,4% nhu cầu xăng dầu của cả nước (chỉ tiêu này là 1% đến năm 2015).
Đến năm 2025, sản lượng cồn và dầu thực vật phấn đấu đạt 1,8 triệu tấn/ năm đáp ứng
khoảng 5% nhu cầu của cả nước [2].
1.3. Nguyên liệu sắn để sản xuất bioethanol
Dựa vào nguyên liệu sản xuất, Bioethanol có thể được chia thành các thế hệ
sau:


8
- Thế hệ I: được sản xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu tinh bột ( sắn, ngô...), từ rỉ
đường trong đó chủ yếu là tinh bột.
- Thế hệ II: được sản xuất sinh khối thực vật như các phế thải nông nghiệp của
các loại thân cây lúa, ngô, cỏ... Lignocellulose là thành phần chính cấu tạo nên sinh
khối thực vật, chủ yếu bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin.
- Thế hệ III: được sản xuất từ các loại nguyên liệu có nguồn gốc thủy sinh tự
nhiên như rong, tảo.

Các nguyên liệu ban đầu để sản xuất ở thế hệ thứ nhất (ngô, mía, sắn,…) cạnh
tranh với cây lương thực về đất đai, phân bón và nước, đặc biệt khi dân số thế giới
ngày càng tăng cịn diện tích đất canh tác và nguồn nước ngọt ngày càng suy giảm.
Tuy nhiên với một nền nơng nghiệp cịn đang đóng vai trị quan trọng trong phát triển
kinh tế xã hội như Việt Nam thì sắn là loại nguyên liệu phổ biến được sử dụng làm
nguyên liệu trong các nhà máy sản xuất bioethanol.
1.3.1. Thành phần hóa học của sắn
Củ sắn tươi có tỷ lệ chất khô 38 – 40%, tinh bột 16 – 34%, giàu vitamin C,
canxi, vitamin B và các chất khoáng, nghèo chất béo và đạm. Trong củ sắn, hàm lượng
các axit amin không cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếu các axit amin chứa lưu
huỳnh. Thành phần dinh dưỡng khác biệt tùy thuộc giống, vụ trồng, thời gian chăm
sóc và kỹ thuật trồng.
1.3.2. Thành phần và tính chất của tinh bột sắn
Tinh bột sắn có màu trắng sáng, có pH từ 4,5 đến 6,5. Hạt tinh bột sắn có kích
thước khoảng 5 – 40 μm, chủ yếu là hình trịn, có bề mặt nhẵn. Hàm lượng
amilopectin trong tinh bột sắn khá cao, chiếm 70 – 80%. Tinh bột sắn có độ nở, khả
năng hồ hóa và độ nhớt cao. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột sắn 58 – 80 °C. Độ nhớt dịch
tinh bột sắn tăng nhanh và có độ dính cao so với tinh bột từ nguồn khác [4].
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ sắn tươi [4]
Thành phần
Tinh bột
Nước

Tỷ lệ (%)
20 – 34
60,0 – 74,2

Protein

0,8 – 1,2

Chất béo

0,3 – 0,4

Xellulose

1 – 3,1

Chất tro

≈ 0,54

Polyphenol

0,1 – 0,3


9
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của sắn lát khơ [4]
Thành phần

Tỷ lệ (%)

Hàm ẩm

10 – 14

Tinh bột (% chất khô)

75 – 85

Protein (% chất khô)

1,5 – 3,0

Chất béo (% chất khô)

≈ 0,2

Chất tro (% chất khô)

2,0 – 4,0

Chất xơ (% chất khơ)

3,4 – 4,0

1.3.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ sắn
Trên thế giới, sắn là cây lương thực được trồng từ lâu, với sản lượng lớn và
năng suất tăng nhanh qua từng năm. Năm 2005-2006, sản lượng sắn toàn cầu là 211,26
triệu tấn, năm 2006-2007 đạt 226,34 triệu tấn. Năm 2020 ước tính sản lượng tồn thế
giới là 274,7 triệu tấn, trong đó chủ yếu là sản xuất ở các nước đang phát triển. Nhu
cầu sử dụng sắn chủ yếu là thực phẩm và thức ăn gia súc. Ngày nay do vấn đề về an
ninh năng lượng nhiều nước chọn sắn làm nguyên liệu sản xuất cồn.
Ở nước ta, sắn là lương thực, thức ăn gia súc quan trọng sau lúa và ngô, sắn
cũng là cây công nghiệp có giá trị. Sắn là ngun liệu chính để chế biến bột ngọt,
bioethanol, mì ăn liền, bánh kẹo.... Hiện nay đầu tư nhà máy sản xuất bioethanol từ sắn
là một hướng đi lớn, nhiều triển vọng. Dùng sắn làm nguyên liệu sản xuất bioethanol
có nhiều ưu điểm: sắn dễ trồng trên nhiều loại đất khác nhau với điều kiện khí hậu

khác nhau, chi phí trồng và chăm sóc thấp, ngun liệu sắn có quanh năm dưới dạng
củ tươi và sắn lát khô, hàm lượng tinh bột cao, giá sản phầm có tính cạnh tranh hơn...
1.4. Cơng nghệ sản xuất bioethanol
1.4.1. Công nghệ sản xuất truyền thống
Công nghệ này áp dụng với đa phần các nhà máy sản xuất cồn thực phẩm sử
dụng nguyên liệu phổ biến là gạo, rỉ đường, sắn. Quy trình sản xuất truyền thống gồm
các cơng đoạn chính là: nghiền ngun liệu, nấu và dịch hóa, đường hóa, lên men,
chưng cất và tinh chế.
- Nghiền nguyên liệu: quá trình này sẽ phá vỡ cấu trúc màng tế bào thực vật, tạo
điều kiện giải phóng hạt tinh bột đồng thời tăng cường sự tiếp xúc giữa enzym và cơ
chất.
- Nấu, dịch hóa nguyên liệu: sử dụng nhiệt và áp suất là tác nhân để chuyển hóa
tinh bột dạng khơng tan thành hịa tan, phương pháp này địi hỏi nhiệt độ cao, áp suất
cao, gây tổn thất về mặt tinh bột, đường và chi phí năng lượng lớn.


10
- Đường hóa: cháo sau khi nấu được hạ xuống nhiệt độ đường hóa trong
khoảng 30 phút đảm bảo đủ lượng đường nhất định cho lên men.
- Lên men: dịch đường được trộn với nấm men ở nhiệt độ 30-330C, tiến hành
đường hóa tiếp và lên men.
- Chưng cất và tinh chế: là quá trình tách cồn, sản phẩm bay hơi ra khỏi bã và
sau đó tinh chế nâng cao độ cồn.
1.4.2. Công nghệ sản xuất cồn đã cải tiến
Các công nghệ mới chủ yếu được cải tiến dựa trên sự ra đời của các chủng nấm
men và enzym có nhiều ưu điểm. Ví dụ như enzym cho phép thực hiện q trình hồ
hóa, dịch hóa ở nhiệt độ thấp hơn hay enzym cho phép thực hiện quá trình đường hóa
khơng cần qua giai đoạn nấu [5], [6], [10]. Ưu điểm này không những giúp giảm được
thời gian sản xuất, tiết kiệm năng lượng và chi phí cho thiết bị, tạo điều kiện cho
đường hóa và lên men đồng thời...

11

CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU NHÀ MÁY BIOETHANOL DUNG QUẤT
2.1. Tổng quan cơng nghệ sản xuất bioethanol Dung Quất

Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ tổng quan của Nhà máy
Nhà máy Bioethanol Dung Quất nằm trên địa phận Khu Kinh tế Dung Quất,
Quảng Ngãi, bắt đầu đi vào hoạt động từ 02/2012 với cơng suất thiết kế 100 triệu
lít/năm với sản phẩm chính là ethanol 99,8%, ngồi ra cịn các phụ phẩm có giá trị là
CO2, DDFS. Nhà máy hoạt động trên bản quyền công nghệ của Applied Process
Technology International – APTI (Mỹ) với các đặc điểm cơng nghệ chính là: lên men
gián đoạn, chưng cất đa áp suất và tách nước bằng phương pháp rây phân tử.
Nhà máy sử dụng nguyên liệu sản xuất là sắn lát khô. Sắn lát được nghiền ở
khu vực nhập liệu đến kích thước mong muốn. Sau đó cát trong bột sắn sẽ được loại
bỏ bằng hệ thống cyclon lỏng trước khi hồ hóa. Tinh bột trong sắn sẽ được chuyển hóa
thành đường lên men được dưới tác động của enzym ở giai đoạn hồ hóa, đường hóa.
Trong bồn lên men, đường được chuyển hóa thành ethanol và CO2 dưới tác động của
nấm men, sản phẩm CO2 sẽ được thu hồi và hóa lỏng.
Ethanol trong dịch lên men được thu hồi nhờ công đoạn chưng cất, nâng nồng
độ cồn lên 95 – 96 % v/v. Ở nồng độ này hỗn hợp ethanol và nước là hỗn hợp đẳng phí


12
và khơng thể tiếp tục chưng cất nữa, vì chưa đạt được yêu cầu của ethanol nhiên liệu
nên tiếp tục được đưa qua thiết bị hấp phụ chọn lọc rây phân tử. Sản phẩm thu được sẽ
mang đi hiệu chỉnh độ axit rồi chuyển vào bể chứa.
Bã hèm từ tháp chưng cất được tách bã bằng các decanter. Bã này được sấy khô

để làm chất độn thức ăn gia súc. Nước thải được xử lí vi sinh đến tiêu chuẩn cho phép
trước khi thải ra môi trường.
2.2. Nguyên liệu sản xuất
Nguyên liệu của Nhà máy Bioethanol Dung Quất là sắn khơ có chiều dày 2030mm, đường kính 30-70mm với các chỉ tiêu chính như sau:
- Tinh bột: 70 – 75 %wt
- Độ ẩm: 12 – 14 %wt
- Chất xơ: 2,1 – 5 %wt
- Protein: 1,5 – 1,8 %wt
- Tro: 1,8 – 3 %wt
- Lipit: 0,5 – 0,9 %wt
- Tạp chất khác: nhỏ hơn 3 %wt
2.3. Các phân xưởng công nghệ
2.3.1. Kho chứa, nhà nghiền
Hệ thống nghiền và vận chuyển sắn được thiết kế để nhận, tồn chứa, nghiền, vệ
sinh sắn trước khi cung cấp cho dây chuyền cơng nghệ chính.
Sắn lát có chiều dày 20-30 mm, đường kính 30-70 mm được nhận vào tại phễu
nhập liệu rồi nhờ hệ thống vít tải, băng tải để đưa vào 2 máy nghiền thô công suất 40
tấn/h và 25 tấn/h. Máy nghiền thô được trang bị bộ phận tách đá và nam châm tách sắt
để loại bỏ các tạp chất trong sắn. Các máy nghiền thơ bẻ nhỏ sắn đến kích thước
khoảng 2-3 mm.
Sau khi được nghiền thơ, sắn có thể được chuyển đi tồn chứa ở kho hoặc tiếp
tục được nghiền tiếp bằng 3 máy nghiền tinh công suất 20 tấn/h thành bột sắn mịn.
Kho chứa sắn được trang bị các xích cào để cào sắn tự động xuống các phễu hai bên
hông kho để vận chuyển đi nghiền tinh.Bột sắn sau khi nghiền được cân định lượng
một cách chính xác trước khi đi vào dây chuyền cơng nghệ chính.


13

Hình 2.2. Sơ đồ cơng nghệ kho chứa, nhà nghiền

2.3.2. Tách cát

Hình 2.3. Sơ đồ cơng nghệ q trình tách cát