nhiên liệu dầu mỏ và vấn đề môi trường

Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình sử dụng dầu mỏ gây ra, ngoài việc thải ra một lượng lớn khổng lồ khí CO2 gây hiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT HÀ NỘI

KHOA DẦU KHÍ

BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU

BÀI TIỂU LUẬN

MÔN HÓA HỌC DẦU MỎ VÀ KHÍ

VẤN ĐÊ:

NHIÊN LIỆU DẦU MỎ VÀ VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG

SINH VIÊN: LÊ VĂN BẮC

MSSV: 0964040006

LỚP: ĐH LHD K54TH

GVGD: NGÔ HÀ SƠN

MỤC LỤC

I Tổng quan 3

II Giới thiệu về DME 3

II.1 Tính chất vật lý và hóa học 4

II.1.1 Tính chất vật lý 4

II.1.2 Tính chất hóa học 6

III Công nghệ tổng hợp DME 6

III.1 Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME: 6

III.2 Quy trình sản xuất DME: 6

III.2.1 Cơ sở lý thuyết 6

III.2.2 Phương pháp tổng hợp DME: 7

Người ta đưa ra hai cách: 7

III.2.3 Quy trình công nghệ 8

III.2.4 Xúc tác sử dụng 8

IV Đặc điểm của động cơ sử dụng DME 9

V Đánh giá DME 9

V.1.1 Trong vấn đề kỹ thuật: 9

V.1.2 Vấn đề về môi trường 10

V.1.3 Tính kinh tế 11

V.2 Nhược điểm: 11

VI Tổng kết 11

VII Tài liệu tham khảo 12

I Tổng quan

Sự khám phá ra dầu mỏ đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch sử phát triển của xã hội loài người Dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ đã đóng góp trong tất cả các lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng Tuy nhiên, bên cạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những vấn đề tồn tại do quá trình sử dụng dầu mỏ gây ra, ngoài việc thải ra một lượng lớn khổng lồ khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, quá trình cháy nhiên liệu còn tạo

ra một lượng lớn các hợp chất độc hại như khí CO, SO2, NOx gây mưa axit, cũng như một lớn bụi gây ô nhiễm môi trường

Người ta ước tính, khí thải từ các hoạt động có liên quan các sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thế giới Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường

Qua nghiên cứu các điều kiện hình thành các chất ô nhiễm trong khói thải động cơ từ đó người ta đưa ra những biện pháp nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm này Một cách tổng quát thì các giải pháp này được chia thành ba hướng như sau:

- Cải thiện động cơ và tối ưu hoá quá trình cháy

- Cải thiện nhiên liệu bằng, sử dụng nhiên liệu sạch hay dùng nhiên liệu thay thế

- Xử lý chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường

Trong bài tiểu luận này chúng ta đề cập đến hướng cải thiện nhiên liệu bằng sử dụng nhiên liệu thay thế Nhiên liệu thay thế đó là “ Dimethyl ether (DME) „‟

DME là một nhiên liệu đầy hứa hẹn trong các động cơ diesel, động cơ xăng (30% DME / 70% LPG) Sự đơn giản của hợp chất này là chuỗi mạch carbon ngắn nên trong quá trình đốt cháy

lượng khí thải thải ra có chứa các hạt vật chất, hàm lượng khí NOx và CO thấp Hàm lượng hợp chất lưu huỳnh trong khí thải cũng thấp Đối với những lý do này DME đáp ứng được các quy định khí thải nghiêm ngặt nhất ở Châu Âu ( EURO5 ), Hoa Kỳ (2010 Hòa Kỳ), Nhật Bản (2009 Nhật Bản) Mobil đang sử dụng DME trong methanol của họ để chế biến xăng

DME đang được phát triển để tổng hợp nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai (BioDME), mà có thể được sản xuất từ sinh khối chứa lignocellulosic Hiện tại, EU đang xem xét BioDME trong hỗn hợp nhiên liệu sinh học tiềm năng của nó vào năm 2030

Vì vậy mà chúng tôi chọn đề tài: “ DME – nguồn nhiên liệu thay thế xăng dầu diesel”

II Giới thiệu về DME

Dimethyl ether (CH3OCH3) còn được biết dưới tên methoxymethane, oxybismethane, methyl

ether, ether gỗ hay DME Dimethyl Ether (DME) là một hợp chất ether có một cấu trúc phân tử, trong đó một nguyên tử oxy và hai nhóm methyl ngoại quan

Nhiên liệu dimethyl ether (DME) là một chất đốt sạch dùng để thay thế khí đốt dầu lửa hoá lỏng, khí đốt thiên nhiên hoá lỏng, dầu diesel và xăng dầu Nhiên liệu này được sản xuất từ khí đốt thiên nhiên, than đá hoặc từ các chất hữu cơ.

II.1 Tính chất vật lý và hóa học

II.1.1 Tính chất vật lý

Công thức cấu tạo phân tử của DME

Dimethyl ether (DME) có nhiệt độ sôi -25,1oC, nên trong điều kiện thường nó tồn tại dưới dạng khí, nhưng dễ được hóa lỏng Áp suất hóa lỏng của nó ở 20o

C là 0,5 MPa, còn ở 38oC là 0,6 MPa Nó là một chất khí không màu và có thể sản xuất chế biến thành một loại khí gas hoá lỏng

Bảng so sánh tính chất vật lý của DME và một số nhiên liệu khác như Khí nén tự nhiên (CNG), khí Dầu khí hóa lỏng (LPG) và Diesel trong Bảng-16 Hình 2 & 3 cho thấy so sánh việc phát sinh khí thải CO2 và mật độ năng lượng của nhiên liệu tương ứng

Dựa vào các số liệu trên ta thấy DME có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu khác (methan,

propan, methanol, gas oil), là nguồn nguyên liệu có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) nên nhiên liệu DME đang là nguồn nhiên liệu

thay thế có nhiều triển vọng nhất hiện nay

Bàng so sánh một số chỉ tiêu giữa DME và dầu diezel

II.1.2 Tính chất hóa học

Và tính chất hoá học đặc trưng nhất của Dimethyl eter là chất trung tính, trơ về mặt hoá học

tương tự alkane nên DME được coi là nguồn nhiên liệu sạch

III Công nghệ tổng hợp DME

III.1 Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME:

Khí tự nhiên, dầu mỏ, than đá hoặc chất hữu cơ vi sinh, than bùn, chất thải lâm nghiệp như cành, ngọn và gốc cây tạp thừa thải trong rừng, nguyên liệu sinh khối, khí thải công nghiệp, dầu nặng phế thải, khí metane tận thu từ các quá trình xử lý chất thải…thông qua quá trình khí hóa

Những năm gần đây, tổng DME có xu hướng đi từ hỗn hợp khí gồm có CO, H2

III.2 Quy trình sản xuất DME:

III.2.1 Cơ sở lý thuyết

Quá trình tổng hợp DME theo phương trình phản ứng sau:

3CO + 3H2 CH3OCH3 + CO2 + 246.0kJ/mol DME

Phản ứng này theo 3 bước:

Bước 1: tổng hợp CH3OH, dựa vào phản ứng sau:

2CO + 4H2 2CH3OH + 181.6kJ/mol DME

Bước 2: quá trình hydrat hóa nhờ vào phản ứng:

2CH3OH CH3OCH3 + H2O + 23.4kJ/mol DME

Bước 3: khử bỏ H2O nhờ phản ứng sau:

CO + H2O CO2 + H2 + 41.0kJ/mol DME

Khi tạo thành khí CO2 các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã đưa ra một chu trình kín Với sự kết hợp khí tự nhiện và khí CH4 sinh ra khí CO và H2 Phản ứng được đưa ra:

2CH4 + O2 + CO2 3CO + 3H2 + H2O

Và khí CO và H2 được tạo thành sẽ tiếp tục phản ứng nhờ vào các phản ứng

2CO + 4H2 CH3OCH3 + H2O + 205.0kJ/DME-mol

2CO + 4H2 2CH3OH + 181.6kJ/DME-mol

Và cho trực tiếp ra DME trở lại với phản ứng ban đầu tạo thành một chu trình khép kín

3CO + 3H2 CH3OCH3 + CO2 + 246.0kJ/DME-mol

Dựa vào động học của phản ứng, thì tất cả các phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt Vì vậy nhiệt

độ phản ứng tăng và làm tăng quá trình tổng hợp CH3OH

Điều kiện tổng hợp DME nhiệt độ 210 – 290o

C, áp suất: 3 – 10 MPa, và chất xúc tác thích hợp cho quá trình tổng hợp methanol và dehyro hóa

Để phản ứng thuận lợi nhất và chi phí thấp Người ta tính toán rằng: dựa vào tỷ lệ giữa H2/CO bằng 1 thuận lợi hơn tỷ lệ giữa H2/CO bằng 2

Và họ còn kết hợp vào xúc tác nhằm tạo DME hiệu suất cao

III.2.2 Phương pháp tổng hợp DME:

Người ta đưa ra hai cách:

Cách 1: đi trực tiếp (tổng hợp ngay DME)

Phương pháp này được ứng dụng nhiều hiện nay

Cách 2: Qua quá trình tổng hợp CH3OH Sau đó mới tổng hợp ra DME Phản ứng gián tiếp qua một phản ứng nữa là dehydrate

Trước tiên, methanol được gia nhiệt lên tới nhiệt độ 250o

C bằng hệ thống trao đổi nhiệt rồi mới đưa vào lò phản ứng Phản ứng phát nhiệt xảy ra trong lò và DME hình thành Các sản phẩm

phản ứng có nhiệt độ 365oC trước khi rời khỏi lò Sau khi làm nguội, DME được tách khỏi nước, methanol và các thành phần khác Sản phẩm cuối được tinh chế Người ta thường kết hợp sản

xuất methanol và DME trong cùng một quá trình

Khí tự nhiên

Khí tự nhiên

III.2.3 Quy trình công nghệ

Những hình ảnh dưới đây minh họa một số các quy trình từ nguyên vật liệu khác nhau để DME

III.2.4 Xúc tác sử dụng

Chất xúc tác được lựa chọn là Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5, lắng đọng bằng phương pháp đồng kết tủa với sản xuất thành phần để tổng hợp methanol là Cu-ZnO-Al2O3, và cho methanol mất nước

là HZSM-5 Hình 1 thể hiện hoạt tính của Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5 ở nhiệt độ khác nhau trong một lò phản tầng cố định trong phòng thí nghiệm Tỷ lệ tối ưu của hai thành phần là khoảng 5,0 cho Cu-ZnO-Al2O3/HZSM-5 chất xúc tác

IV Đặc điểm của động cơ sử dụng DME

DME thích hợp với động cơ diesel do nhiệt độ đánh lửa thấp và chỉ số cetane hợp lý

DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ diesel là có thể sử dụng được DME Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ thường nên phải dùng bình áp suất

để chứa DME lỏng Điều này cũng có nghĩa là trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải

trang bị loại bình chịu áp suất (lưu ý là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar, để tránh chúng bị tạo thành hơi)

Chỉ số cetane của DME cao hơn diesel dầu mỏ nên thời gian đánh lửa ngắn hơn và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel Đây cũng là một ưu thế của DME Ngoài

ra, động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn Nhược điểm ở nhiên liệu này là nhiệt lượng thấp hơn diesel

V Đánh giá DME

V.1.1 Trong vấn đề kỹ thuật:

DME có thể chuyển từ khí thành lỏng (do nhiệt độ sôi -25,1oC) Nó ít gây độc hại và độ an toàn cao

DME là năng lượng sạch có giá trị trung bình, sản xuất từ khí tự nhiên, khí methane, khí tổng

hợp sản xuất bởi các loại khí của carbon…

Với nhiên liệu diesel từ dầu mỏ, DME có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) Nên thời gian đánh lửa ngắn hơn và vì thế cháy sạch

hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel, không tạo ra khói Theo đánh giá của các

chuyên gia, khi sử dụng DME làm nhiên liệu, các phương tiện giao thông vận tải không gặp trở

ngại về nguyên tắc nào Theo các nhà nghiên cứu Nhật Bản, thì khi sử dụng DME làm nhiên liệu cho động cơ tuốc-bin khí, thì hiệu quả kinh tế lớn hơn so với sử dụng khí nén Ngoài ra động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn

Từ DME có thể thu được xăng chất lượng cao qua hai phản ứng là dehydate hóa thành etylen và tiếp theo là olygome hóa etylen thành hydrocarbon lỏng, tức là xăng Theo các nhà nghiên cứu Nga, quá trình đó có thể xảy ra trong một thiết bị phản ứng, hay hai thiết bị phản ứng nối tiếp

nhau Xăng thu được theo con đường đó có chất lượng rất tốt:

Chỉ số octan 92 – 93

Hàm lượng benzen 0,04%

Hàm lượng isoparafin 70%

Hydrocarbon không no 1%

Không có đurol và isođurol

V.1.2 Vấn đề về môi trường

DME là nguồn nhiên liệu sạch, nó không thải ra khí SOx, khi đốt cháy giảm thiểu ảnh hưởng của môi trường

Các tính chất lý học của DME khá giống với LPG DME là chất khí ở nhiệt độ và áp suất không khí, nhưng ở 20o

C và áp suất 5 bar, nó là chất lỏng Điểm sôi ở áp suất thường là -25oC DME có thể trộn với nhiều dung môi hữu cơ và hòa tan tốt trong nước DME rất sạch, không chứa lưu

huỳnh, nitơ và kim loại nặng

DME an toàn hơn methanol, cháy với ngọn lửa có thể nhìn thấy và đặc biệt là chúng ít độc

Khí thải từ động cơ dùng DME không gây ô nhiễm môi trường, không có muội than, hàm lượng nitơ oxit thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Nói chung, khí thải từ đốt cháy DME không đòi hỏi làm sạch

Sử dụng DME trong đun nấu chỉ thải ra lượng khí CO2 chưa bằng 40% so với đốt than trực tiếp Sản xuất DME còn giúp giảm bớt hiện tượng ấm lên trên toàn cầu do không tạo ra khí CO2 đen, nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính cao gấp 2-3 lần so với CO2 Thực tế cho thấy thay thế than

bằng nhiên liệu sạch trong đun nấu và làm nóng có lợi cho sức khỏe con người, quy trình DME ít tiêu tốn năng lượng và tạo ra sản phẩm DME, là loại nhiên liệu đặc biệt được sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới

Quá trình chuyển hóa nước đen và than thành DME tạo ra ít phát thải CO2 vào khí quyển so với

sẽ không gây ra nóng lên toàn cầu Một lý do nữa khiến chúng ta đồng xử lý than và dịch đen

chính là kéo dài thời gian tồn tại nguồn nhiên liêu dự trữ

V.1.3 Tính kinh tế

Có thể giữ bình ổn và hạ thấp giá thành các nhiên liệu truyền thống

Các chuyên gia thị trường tiêu thụ nhiên liệu cho biết nhiên liệu dimethylether (DME) có thể sản xuất dùng thay thế dầu diesel và có thể giữ đươc giá dầu thô trên thế giới ở mức trên 40 đô la

Mỹ/thùng Trong khi giá dầu thô hiện tại trên thế giới khoảng trên 70 đô la Mỹ/thùng, tăng gần gấp ba lần so với năm 2002

Theo số liệu của JFE thì với quy mô sản xuất 100 tấn/ ngày, giá thành DME tính theo đơn vị

năng lượng cũng chỉ tương đương so với gas hóa lỏng LNG và thấp hơn dầu diesel, gas LPG

Song điều quan trọng nhất là nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất DME rất phong phú, có thể

từ khí tự nhiên, dầu nặng phế thải hoặc khí metan tận thu từ quá trình xử lý chất thải, v.v…

Từ năm XIX95, DME được xem là nhiên liệu diesel sạch và được khẳng định là “nhiên liệu của thế kỷ XXI”

V.2 Nhược điểm:

Hạn chế của dạng nhiên liệu mới này là việc sử dụng nó phức tạp hơn so với xăng dầu

DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơ diesel là có thể sử dụng được DME Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độ thường nên phải dùng bình áp suất

để chứa DME lỏng Điều này cũng có nghĩa là trên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải

trang bị loại bình chịu áp suất Cần lưu ý là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar, để tránh chúng bị tạo thành hơi

Quá trình chuyển đổi từ than đá thành DME tốn rất nhiều nước (Để cho ra 1 tấn DME phải cần đến 3 tấn nước)

Nhược điểm ở nhiên liệu DME là nhiệt lượng thấp hơn diesel

VI Tổng kết

Để giải quyết những vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã tìm ra những nguồn nhiên liệu mới để thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống: nguồn nhiên liệu sinh

học, năng lượng tái tạo, năng lượng hạt nhân…

Khi nghiên cứu và tìm hiểu về Dimethyl ether chúng tôi nghĩ rằng DME là nguồn nhiên liệu mới khả thi nhất và dự kiến trong tương lai DME sẽ là nguồn nhiên liệu chính yếu thay thế nguồn

nhiên liệu truyền thống gây ô nhiễm và ngày dần càng cạn kiệt

Nguồn nguyên liệu đầu vào để sản xuất DME vừa rẻ tiền, dễ tìm kiếm và rất phong phú DME là nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường nó được tổng hợp từ than đá, khí tự nhiên, dầu nặng, phế thải, khí methane… thu được từ các quá trình xử lý nước thải giúp cải tạo môi trường

Về những đặc tính vật lý, hóa học thì so với nhiên liệu dieseltừ dầu mỏ, DME có chỉ số cetane cao hơn (55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) Khi cháy, DME không tạo ra khói

So với xăng dầu truyền thống thì DME giảm được lượng khí carbonic, và nitơ oxít phát thải,

không gây ô nhiễm lưu huỳnh oxít

Tuy nhiên ở Việt nam cũng đã tiến hành nghiên cứu ,tổng hợp nguồn nhiên liệu mới này trong những năm gần đây.Nhưng chưa được thử nghiệm

VII Tài liệu tham khảo

.Guo, J.W., Niu, Y.Q., Zhang, B.J., 2000 Macrokinetics study on DME synthesis from syngas in slurry reactor Natural Gas Chemical Industry 25(4–7) (in Chinese

Herman, R.G., Klier, K.J., 1979 Catalytic synthesis of methanol from carbon

monoxide/hydrogen Journal of Catalysis 56 (3), 407–429

Kunii, D., Levenspiel, O., 1969 Fluidization Engineering, first ed Wiley, New York

Kunii, D., Levenspiel, O., 1991 Fluidization Engineering, second ed.Butterworth, Boston

Li, X., 2004 Study on the catalysis and kinetics for direct synthesis of dimethyl ether from

syngas Master Dissertation of ECUST, vol 31–32 (in Chinese)

Lu, W.Z., Teng, L.H., Xiao, W.D., 2002 Simulation analysis of fixed-bed reactor for dimethyl ether synthesis Natural Gas Chemical Industry 27 (4), 53–61 (in Chinese)

Lu, W.Z., Teng, L.H., Xiao, W.D., 2003 Theoretical analysis of fluidized-bed reactor for

dimethyl ether synthesis from syngas International Journal of Chemical Reactor Engineering 1, S2