NHIÊN LIỆU SINH HỌC BIODIESEL

BÀI GIẢNG MÔN CHUYÊN ĐỀ HỮU CƠ-IUH

Nhiên liệu diesel sinh học - Biodiesel

TS Lê Thị Thanh Hương

4 2014

2

− Tình hình khí phát thải trên thế giới hiện nay

− Hiệu ứng nhà kính và khí hậu nóng ấm toàn cầu

− Biodiesel - Nguồn nhiên liệu sinh học có thể thay thế

− Công nghệ sản xuất biodiesel

− Hiện trạng, thách thức và định hướng phát triển của

việc nghiên cứu và sản xuất biodiesel

Mục tiêu chuyên đề

3

− Ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính

− Lịch sử hình thành và phát triển của biodiesel

− Ưu và nhược điểm của biodiesel

− Công nghệ sản xuất biodiesel

− Tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá chất lượng biodiesel

− Hiện trạng, thách thức và triển vọng của việc nghiên cứu sản xuất biodiesel ở Việt Nam và thế giới

4

Nội dung chuyên đề

I Giới thiệu chung về biodiesel

II Công nghệ sản xuất biodiesel

III Đánh giá chất lượng biodiesel

IV Kết luận

5

1 Giới thiệu chung về biodiesel 9 24,8/5+ 8/6

2 Công nghệ sản xuất biodiesel 9 12,19,26/6

THI GIỮA KỲ (12/6/2013) _ Trắc nghiệm: Chương 1 và 2

3 Đánh giá chất lượng biodiesel 9 11/6 ÷ 25/6

4 Hiện trạng & tương lại của

6

Phương pháp đánh giá

1 Thường kỳ Viết tiểu luận 10 trang : 12/7

7

Tiểu luận

1 Mục đích

 Kỹ năng

‒ Tìm kiếm tài liệu

‒ Đọc tài liệu tiếng Anh

‒ Trình bày vấn đề KHTH

‒ Kỹ năng trình bày văn bản

 Kiến thức

‒ Số liệu thống kê và dự báo

‒ Phương pháp nghiên cứu LCA

2 Yêu cầu

 SV phải

‒ Đọc tài liệu tiếng Anh

‒ Trình bày một vấn đề trong sản xuất nghiên cứu, đánh giá

biodiesel

‒ Format chuẩn theo quy định

8

3 Tên đề tài

‒ BQ-9000 Program

‒ Phân tích vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment)

‒ Tổng hợp biodiesel sử dụng xúc tác CaO- Review

‒ Xu hướng mới trong nghiên cứu và sản xuất biodiesel

‒ Hóa học xanh – Ngăn chặn ô nhiễm và Duy trì phát

triển bền vững

9

Internet:

‒ Đại học Berkeley: http://www.berkeleybiodiesel.org

‒ Đại học Colorado: http:// www.cubiodiesel.org

‒ Đại học Utah: http://www.utahbiodieselsupply.com

‒ Đại học Idaho: http://www.cals.uidaho.edu/bioenergy

‒ Hội đồng biodiesel quốc gia (USA): http:// www.biodiesel.org

‒ Hội đồng biodiesel châu Âu: http://www.ebb-eu.org/

‒ UFOP: http://www.ufop.de/english

‒ http://journeytoforever.org/biodiesel.html

‒ http://www.biodieselmagazine.com/

10

Sách, báo:

1. Dmytryshyn S, Dalai A, Synthesis and characterization of vegetable oil

derived esters: evaluation for their diesel additive properties, Bioresource

Technology, 92, 55-64, (2004)

2. Knothe G, Analyzing Biodiesel: Standards and Other Methods, Journal of

the American Oil Chemists’ Society (JAOCS), 83 (10), 823-833, (2006)

3. Mittelbach M, Diesel fuel derived from vegetable oils, VI: Specifications and

Quality Control of biodiesel, Biosource Technology, 56, 3, (1996)

4. Knothe G, Analytical methods ued in the production and fuel quality

assement of biodiesel, Trans ASAE, 44, (2), 143-200, (2001)

5. Schuchardt U, Transesterification of Vegetable Oils: a Review, Journal of

Brazilian of Chemical Society, 9(1), 199-210, (1998)

11

6 Lotero E, Goodwin J, Lopez D The Catalysis of Biodiesel Synthesis,

The Royal Society of Chemistry, Catalysis, 19, 50-58, (2006)

7 Gerpen J, Shanks R.Prusko R, Clements D Biodiesel Production

Technology National Renewable Energy Laboratory

NREL/SR-510-36244, (2004)

8 Lotero E, Liu Y, Lopez D, Synthesis of Biodiesel via Acid Catalysis, Ind

Eng Chem Res, 44, 5353-5363, (2005)

9 Leung D, Guo Y, Transesteification of neat and used frying oil:

Optimization for biodiesel production, Fuel Processing Technology, 87,

883–890, (2006)

10.Muniyappa P, Noureddini H, Improved conversion of plant oils and

animal fats into biodiesel and co-product, Bioresource Technology, 56,

19-24, (1996)

12

11.Zullaikah S, A two-step acid-catalyzed process for the production of

biodiesel from rice bran oil, Bioresource Technology, 96, 1889–1896,

(2005)

12.Canakci, Gerpen, Biodiesel Production via acid catalysis, American

Society of Agricultural Engineers, 42(5), 1203-1210, (1999)

13.Ma F, Hanna M, Biodiesel production: a review, Bioresource

Technology, 70, 1-15, (1999)

14.Vicente G, Martínez M, Aracil J, Integrated biodiesel production: a

comparison of different homogeneous catalysts systems, Bioresource

Technology, 92, 297–305, (2004)

15.Canakci M, Gerpen J, Biodiesel Production from Oils and Facts with

High Free Fatty Axits, Transactions of ASAE, ISSN 0001-2351, 44(6),

1430, (2001)

13

I TỔNG QUAN VỀ BIODIESEL

14

‒ Phân đoạn chưng cất trung bình: 180 ÷ 280°C

‒ n-parafin, iso-parafin, chất thơm, S, O, N,…

15

‒ Có 3 loại: No 1-D, No 2-D, No 4-D

 Diesel No 1-D

o Phân đoạn chưng cất nhẹ 170 ÷ 270 o C

o Động cơ có biến thiên rộng về vận tốc, tải trọng

o Kerozen, nhiên liệu phản lực

 Diesel No 2-D

o Diesel thông dụng

o Phân đoạn chưng cất trung bình 180 ÷ 340 o C

o Động cơ có tải trọng, vận tốc cao

o Thành phần: n-ankan, cycloankan, ankynbezen, vòng thơm

 Diesel No 4-D

o Phân đoạn chưng cất nặng 170 ÷ 270 o C

o Động cơ diesel có vận tốc thấp, trung bình trong điều kiện vận tốc và tải trọng gần như không thay đổi

16

‒ Rudolt Diesel (1858 ÷ 1913) phát minh

‒ Động cơ 4 thì

o Nạp: đưa không khí vào xylanh

o Nén:

 Nén không khí đến nhiệt độ (500 ÷ 700 o C) và áp suất cao

 Phun sương nhiên liệu vào xylanh

o Cháy:

 Quá trình tự cháy xảy ra

 Quá trình dãn nỡ sinh công làm chạy động cơ

o Xả: khí thải

17

18

19

 Khả năng tự bốc cháy của diesel:

‒ Đặc trưng bằng chỉ số cetan CN

‒ Yêu cầu cho động cơ diesel: 45 ÷ 50

‒ CN cao quá: lãng phí nhiên liệu

‒ CN thấp quá: xảy ra quá trình cháy kích nổ

‒ Diesel có tỷ số nén cao hơn xăng (14/1 ÷ 17/1)

‒ Công suất sử dụng của diesel lớn hơn xăng

‒ Nhiên liệu diesel rẻ hơn vì không qua chế biến phức tạp

‒ Khí thải ít độc hơn vì không cần có phụ gia

o Đi từ acid béo mạch thẳng dài của dầu mỡ động thực vật

o Sử dụng trực tiếp với động cơ diesel mà không cần hiệu chỉnh

o Phối trộn với diesel ký hiệu BXX:

 XX: Vbiodiesel (%) trong dầu pha trộn

 B5, B20, B25

22

0 20 40 60 80 100

General Motors B5, B20 (yêu cầu thiết bị chuyển đổi đặc biệt trên xe cụ thể)

http://www.ecomotion.de/en/eco/the-27

Nhà máy sản xuất biodiesel

Grand Couronne 250.000 tấn/năm (Pháp)

Nhà máy sản xuất biodiesel

Fox - Petroli 120.000 tấn/năm (Ý)

28

− 1890: Rudolf Diesel phát minh ra động cơ diesel

− 1892 : Diesel chạyđộng cơ bằng dầu đậu phộng

− 1930 ÷ 1940: động cơ chạy bằng dầu thực vật

− 1938: FAME chạy xe buýt Brussels ÷ Louvain

− 1981: biodiesel thương phẩm ở Nam Phi

− 1985: 1 xưởng sản xuất biodiesel ở Áo

− 1990: thương mại hóa biodiesel ở Áo

− 1990: Ford, Massey-Ferguson, Mercedes, Sam thừa nhận

Rudolf Diesel ( Đức) (1858 – 1913)

29

− Triglyxerit (TG)

− Axit béo tự do (free fatty acid – FFA)

− Sterol, lipit phospho

o Dầu không ăn được:

 Dầu Jatropha, dầu vi tảo, dầu cọ,…

 Dầu Pangomia,…

o Dầu đã qua sử dụng

31

Dầu mỡ

Thành phần axit béo (% khối lượng) Mức độ no

(%) C14:0 C16:0 C16:1 C18:0 C18:1 C18:2 C18:3

32

− Thông số nhiên liệu của dầu mỡ so với diesel

o Độ nhớt động học : 30 ÷ 40 cSt ở 38oC

 Độ nhớt cao: khối lượng và cấu trúc phân tử lớn

 Khối lượng phân tử: 600 ÷ 900, cao hơn diesel 20 lần

o Điểm chớp cháy rất cao (> 200oC)

o Điểm đục (CP), điểm chảy (PP) cao hơn

o Chỉ số cetan (CN) thấp hơn: 32 ÷ 40

o Nhiệt trị: 39 ÷ 40 MJ/kg < diesel (45 MJ/kg)

33

− Các thông số kỹ thuật đặc trưng của dầu mỡ

o Chỉ số axit AV: hàm lượng axit béo tự do

o Chỉ số xà phòng hóa

o Chỉ số iốt 0 ÷ 200: độ không no

o Hàm lượng oxy trong phân tử (đặc trưng): 10%

o Hàm lượng nước

34

− Độ nhớt cao:

o Ảnh hưởng đến quá trình phun tự động của động cơ

o Trộn lẫn dầu mỡ với không khí không hiệu quả

o Làm hỏng các thiết bị tự động của động cơ

o Cháy không hòan tòan

o Đầu phun bị tắc nghẽn

− Nhiệt độ chớp cháy cao:

o Giảm khả năng bay hơi

o Cháy không hòan tòan

o Đầu phun bị tắc nghẽn

o Khởi động phải gia nhiệt

− Bị oxy hóa, polyme hóa

− Tính chất nhiệt độ thấp

− Giá cao

36

học, 38 o C (cSt)

Chỉ số xetan

Nhiệt trị (MJ/kg)

Điểm đục ( o C)

Điểm chảy ( o C)

Điểm chớp cháy ( o C)

Tỷ trọng (kg/L)

37

− Giảm độ nhớt

− Nâng chỉ số cetan

− Cải thiện tính chất nhiệt độ thấp

− Sử dụng dung môi alcohol pha loãng với dầu thực vật

− Hỗn hợp đồng nhất và bền vững?

− Tỷ lệ trộn với diesel tối đa là 8% (đối với dầu dừa)

− Vẫn tạo cặn nơi đầu phun

38

− Nguyên tắc: nhiệt độ tăng độ nhớt của lưu chất giảm

− 35 ÷ 45oC: độ nhớt dầu mỡ 25 ÷ 35 mm2/s

− 80 oC: biến tính, ảnh hưởng đến hoạt động của động cơ

− Không cải thiện trị số cetan, nhiệt trị…

− Phải cài đặt thêm bộ phận

39

− Tạo ra hệ nhũ tương giữa dầu thực vật với dung môi kết hợp (chất phân tán) và chất hoạt động bề mặt

− Dung môi: metanol, etanol, propanol, butanol-1

− Sau đó pha trộn với diesel

− Chỉ số cetan, nhiệt trị của hệ nhũ tương thấp

− Phun sương trong buồng đốt không đều, tạo nhiều cặn

− Hệ nhũ tương không bền

40

− Xúc tác (muối kim loại) hoặc không có xúc tác

− Sản phẩm: parafin, olefin

− Tốn nhiều năng lượng, kinh phí để đầu tư thiết bị

− Sản phẩm biogasoil nhiều hơn biodiesel

− CN = 43, độ nhớt = 10.2 cSt (cao hơn diesel)

− Lưu huỳnh, nước, hạt (particulate matter-PM) nằm trong giới hạn cho phép

− Hàm lượng cặn, tro và điểm chảy khá cao

41

Các phản ứng có thể xảy ra trong quá trình craking dầu mỡ

42

− Este hóa từ axit béo, trao đổi este từ dầu mỡ với ancol

− Đặc trưng của phản ứng: thuận nghịch

− Xúc tác: axit, bazơ, enzym

− Giảm đáng kể độ nhớt do giảm trọng lượng phân tử

43

− Chất lỏng màu vàng nhạt

− Mùi nhẹ, dễ bay hơi

− Tỷ trọng ~ 0,88 g/cm3

− Độ nhớt tương đương với diesel

− Không tan trong nước

− Chất khử đối với đồng, chì thiếc

− Dung môi hữu cơ tốt hơn diesel

− Thân thiện với môi trường

44

− Cháy hòan tòan, không gây tiếng ồn

− Tính chất nhiệt độ thấp

o Kết tinh, đông đặc ở nhiệt độ thấp

o Gây tắc nghẽn lưới lọc, đầu phun của động cơ

o Nhiệt độ kết tinh tùy thuộc vào nguyên liệu

o Thêm diesel, phụ gia, este mạch nhánh

− Vòng đời của biodiesel (biodiesel cycle)

o Tái tạo: renewable

o Giảm ô nhiễm: low emission profile

o Thân thiện với môi trường: environmentally beneficial

o Tự phân hủy: biodegradable

45

 Ưu nhược điểm của biodiesel

 Ưu điểm

o Giảm ô nhiễm môi trường

o Không gây tiếng ồn

o Có thể tái tạo

o Tự phân hủy

o Tăng tuổi thọ của động cơ

o Giảm lệ thuộc vào dầu mỏ

o Phát triển nông nghiệp

49

Nguồn: A Demirbas, Energy Conversion and Management 50 (2009) 14–34

Khả năng phân hủy của dầu mỡ, biodiesel và diesel

50

Tác dụng của biodiesel đối với khí “nhà kính”

o Công nghệ kỹ thuật cao

o Giá thành cao hơn diesel

Tên nhiên liệu Giá bán (USD/gallon)

Diesel Biodiesel (B 20) Biodiesel (B 2-B5) Biodiesel (B 100)

2.63 2.53 2.60 3.31

52

Nguồn: US-EPA, A comprehensive analysis of biodiesel impacts on exhaust emissions, (2002)

53

Thế nào là hiệu ứng nhà kính ? (greenhouse gases effect)

54

Tầng đối lưu (Tropo-sphere):

− Trên tầng đối lưu 17-50km

− Chứa lớp ozone bảo vệ Trái Đất khỏi các tia cực tím

− Nhiệt độ tăng lên theo độ cao

55

Tầng giữa (Meso-sphere) :

− Cách Trái Đất khoảng 85km (53 dặm)

− Không chứa ozone , lạnh nhất trong 5 tầng khí quyển của Trái Đất

Tầng nhiệt quyển (Thermo-sphere) :

− Ở trên cao 640km (400 dặm) so với Trái Đất

− Chứa một lớp mỏng không khí

− Nóng nhất vì không có ozone hấp thụ nhiệt (có thể lên tới 1700 0 C)

Tầng ngoại quyển (Exo-sphere) :

− Tầng ngoài cùng của bầu khí quyển Trái Đất

− Khí quyển tiếp xúc với cả không gian vũ trụ bên ngoài

56

 Khái niệm về khí nhà kính

− Nhà kính:

o Lưu giữ nhiệt từ mặt trời

o Trồng hoa, rau mùa đông

o Tiết kiệm chất đốt sưởi ấm

o Sinh ra khí nhà kính

57

 Bức xạ mặt trời:

– Dải ánh sáng với các bước sóng khác nhau

– Tia sóng ngắn bị phản xạ thành sóng dài

– Tia UV: bị O3 hấp thu mạnh

– Tia IR: CO2 và hơi nước hấp thu và lưu giữ

– Ánh sáng nhìn thấy:

o Bị hấp thu bởi nước, cây, đất: sinh ra IR

o Một phần IR bị giữ bởi các khí nhà kính

− CO2 vừa đủ, giữ nhiệt cho trái đất ở 30 oC

− Lượng khí nhà kính tăng  IR giữ lại nhiều  nhiệt độ tăng – Cân bằng năng lượng: NL hấp thu = NL giải phóng

 Hiệu ứng nhà kính: Jean Baptiste Joseph Fourier - 1824

− Năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời:

o Bị hấp thụ và phân tán trở lại, sưởi ấm không gian bên trong

o Lớp CO 2 : lớp kính giữ nhiệt lượng của Trái Đất

o 0,036 % CO2 giữ nhiệt độ tăng thêm khoảng 30 o C

o Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên: Trái Đất khoảng – 15 o C

62

( Nguồn: Dr Peter J Bryant - University of California, Irvine, Courses in Global Sustainability, 1999)

Bức xạ mặt trời chiếu đến trái đất

63

Khí Dự báo Hiện nay

Lượng khí thải dự báo và hiên nay

 Các nước có công nghiệp phát triển thì xả

khí thải càng nhiều

66 Nguồn: hftp://ftp.eia.doe.gov/pub/oiaf/1605/cdrom/pdf/ggrpt/057304.pdf

Mức độ các nguồn gây ra khí nhà kính ở Mỹ (1990 – 2004)

67

Bắc cực tan băng

68

Tầng ozon suy yếu

69

Ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển

71

Mưa axit ở châu Âu

72

Khảo sát độ pH nước mưa của Mỹ

73

Sự thay đổi phân bố các loài hệ sinh thái

74

Dự báo về độ tăng nhiệt độ toàn cầu

75

https://my.barackobama.com

76

Call out climate deniers in Congress

The science on climate change is clear

But many members of Congress are in complete denial, and they're standing in the way of progress

We need to call them out

Join the fight to get serious on climate change:

77

So sánh chi phí trong giá thành sản xuất biodiesel và diesel

78

Các phương tiện đã sử dụng biodiesel

79

 Tình hình sản xuất biodiesel

80

Phân bố vùng nguyên liệu sản xuất biodiesel ở Brazin

Nguồn: Angelo C Pinto, Biodiesel: an overview, J Braz Chem Soc,16(6b) (2005)

81

− Lớn nhất là EU: 75% (Đức, Pháp, Ý và Ba Lan)

− Đức: 1/2 sản lượng biodiesel trên thế giới (2005), Mỹ, …

− Malaysia, Thái Lan, Trung Quốc,…: phát triển vùng

nguyên liệu và sản xuất biodiesel

− Philipin dự kiến sử dụng 25% E10 vào năm 2010

− Nhà nước trợ giá bán thông qua thuế

83

Tình hình sản xuất biodiesel của EU (2009)

http://www.thebioenergysite.com/articles/716/eu-biodiesel-industry-showing-restrained-growth (2010)

84

− Ảnh hưởng an ninh lương thực

− Hàm lượng dầu trong nguyên liệu

− Tìm nguồn nguyên liệu mới

o Tiềm năng, sẵn có, rẻ tiền, không ăn được

o Không ảnh hưởng đến đất trồng

o Dầu thải, vi tảo, jatropha

86

Hàm lượng dầu trong một số dầu mỡ động thực vật

87

Giá của một số loại dầu mỡ nguyên liệu

Nguồn: W Koerbitz, New Trends in the Development of Biodiesel World-wide, Austrian Biofuels Institute (2005)

88

Nguồn: W Koerbitz, New Trends in the Development of Biodiesel World-wide, Austrian Biofuels Institute (2005)

Sản lượng của một số loại dầu mỡ nguyên liệu

89

Năng suất biodiesel của các loại dầu mỡ (gallon/acre)

Nguồn: W Koerbitz, New Trends in the Development of Biodiesel World-wide, Austrian Biofuels Institute (2005)

90

So sánh các nguồn nguyên liệu đã được nghiên cứu

Nguồn: Angelo C Pinto, Biodiesel: an overview, J Braz Chem Soc,16(6b) (2005)