Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn biomass

Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn biomass LỜI MỞ ĐẦUDầu khí là một nguồn tài nguyên quý giá mà từ lâu con người đã được biết đến. Tuy nhiên mãi đến đầu thế kỷ 20, khi nền khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ cộng với nhu cầu năng lượng đang là vấn đề lớn thì dầu mỏ mới được đánh giá, sử dụng đúng tầm quan trọng của nó. Nó trở thành một nguồn nguyên liệu chủ yếu trong rất nhiều ngành công nghiệp hoá học, năng lượng và trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động của nền kinh tế quốc dân.Bên cạnh những thành tựu kết quả đạt được, con người đã lạm dụng quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên, các nguồn năng lượng và thải ra những chất độc hại gây ô nhiểm cho môi trường và tác hại đến sức khoẻ con người. Ngày nay, loài người đã nhận ra rằng, không thể có được một xã hội hay một nền kinh tế lành mạnh trong một thế giới có quá nhiều sự nghèo đói và suy thoái môi trường. Sự phát triển kinh tế không thể dừng lại được mà nó phải chuyển hướng sao cho ít phá huỷ nhất về mặt tài nguyên thiên nhiên và môi trường.Theo dự báo của các nhà khoa học, đến khoảng năm 20502060, nếu không tìm được những nguồn năng lượng mới thay thế, thế giới có thể lâm vào khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng. Do đó, vấn đề bảo vệ môi trường, tìm ra các nguồn năng lượng mới thay thế dần nguồn năng lượng dầu mỏ là vấn đề chính có tính cấp bách, rất thời sự, được sự quan tâm rất lớn của toàn nhân loại. Trên thế giới, việc sử dụng những nhiên liệu có lợi cho môi trường đang được khuyến khích. Năng lượng được lấy từ biomass có lẽ là nguồn năng lượng có thể hồi phục lâu đời nhất. Biomass có thể được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn như dầu sống, dầu thực vật đã qua sử dụng, mỡ động vật, tảo và vi khuẩn, thảm lá mục, những cành cây mục, rơm rạ, phế phẩm của quá trình chế biến thức ăn, rác rưởi trong bếp, chất thải rắn của thành phố,.... Biomass thu được từ những nguồn trên có thể chuyển thành những nhiên liệu dạng khí và lỏng. Một trong những nhiên liệu Bio quan trọng nhất được tạo ra từ biomass là Bioethanol .Tích hợp nhiều ưu điểm vượt trội và cho hiệu quả cao về mặt kinh tế và môi trường, Bioethanol đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Đặc biệt, trong tình hình giá thành các sản phẩm hóa dầu ngày một tăng cao và hiện trạng ô nhiễm tầng ôzon ngày càng nghiêm trọng thì việc sản xuất và sử dụng Bioethanol hòa trộn với xăng hoặc thay thế xăng là biện pháp đảm bảo an toàn năng lượng của nhiều quốc giaỞ nước ta với dự báo về sự gia tăng số lượng phương tiện, nếu không có những biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mức độ ô nhiểm môi trường do khí xả của chúng gây ra thì không bao lâu nữa, ô nhiểm môi trường không khí ở nước ta cũng sẽ trầm trọng chẳng kém gì các thành phố lớn ở các nước phát triển có mật độ ô tô cao. Vì vậy tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để hạn chế mức độ phát sinh ô nhiểm của phương tiện giao thông là cần thiết. Một trong những giải pháp này là nghiên cứu nhiên liệu sinh học.Hơn nữa theo các chuyên gia năng lượng nước ta, nếu không phát hiện các nguồn năng lượng mới để cân đối cung cầu năng lượng thì tỷ lệ phụ thuộc năng lượng vào nước ngoài lên đến 28,2% vào năm 2020.Ở Việt Nam Bioethanol được sử dụng nhằm hướng tới các mục đích như giảm thải và giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ; giảm ô nhiễm môi trường, cụ thể là khí thải sinh ra từ nhiên liệu Bioethanol ít chất độc hại hơn xăng được sản xuất từ nguồn dầu mỏ; góp phần nâng cao giá trị của các sản phẩm phụ trong các ngành nông lâm nghiệp. Với tất cả những lý do trên, chúng em đã chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn biomass” do giáo viên Nguyễn Thị Thanh Xuân hướng dẫn.

LỜI MỞ ĐẦU

Dầu khí là một nguồn tài nguyên quý giá mà từ lâu con người đã được biết

đến Tuy nhiên mãi đến đầu thế kỷ 20, khi nền khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ

cộng với nhu cầu năng lượng đang là vấn đề lớn thì dầu mỏ mới được đánh giá, sửdụng đúng tầm quan trọng của nó Nó trở thành một nguồn nguyên liệu chủ yếu trongrất nhiều ngành công nghiệp hoá học, năng lượng và trong hầu hết các lĩnh vực hoạtđộng của nền kinh tế quốc dân

Bên cạnh những thành tựu kết quả đạt được, con người đã lạm dụng quá mứcnguồn tài nguyên thiên nhiên, các nguồn năng lượng và thải ra những chất độc hại gây

ô nhiểm cho môi trường và tác hại đến sức khoẻ con người Ngày nay, loài người đãnhận ra rằng, không thể có được một xã hội hay một nền kinh tế lành mạnh trong mộtthế giới có quá nhiều sự nghèo đói và suy thoái môi trường Sự phát triển kinh tếkhông thể dừng lại được mà nó phải chuyển hướng sao cho ít phá huỷ nhất về mặt tàinguyên thiên nhiên và môi trường

Theo dự báo của các nhà khoa học, đến khoảng năm 2050-2060, nếu khôngtìm được những nguồn năng lượng mới thay thế, thế giới có thể lâm vào khủng hoảng

năng lượng nghiêm trọng Do đó, vấn đề bảo vệ môi trường, tìm ra các nguồn năng

lượng mới thay thế dần nguồn năng lượng dầu mỏ là vấn đề chính có tính cấp bách, rất thời sự, được sự quan tâm rất lớn của toàn nhân loại

Trên thế giới, việc sử dụng những nhiên liệu có lợi cho môi trường đang đượckhuyến khích Năng lượng được lấy từ biomass có lẽ là nguồn năng lượng có thể hồiphục lâu đời nhất Biomass có thể được tạo ra từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạnnhư dầu sống, dầu thực vật đã qua sử dụng, mỡ động vật, tảo và vi khuẩn, thảm lámục, những cành cây mục, rơm rạ, phế phẩm của quá trình chế biến thức ăn, rác rưởitrong bếp, chất thải rắn của thành phố, Biomass thu được từ những nguồn trên cóthể chuyển thành những nhiên liệu dạng khí và lỏng Một trong những nhiên liệu Bioquan trọng nhất được tạo ra từ biomass là Bioethanol

Tích hợp nhiều ưu điểm vượt trội và cho hiệu quả cao về mặt kinh tế và môitrường, Bioethanol đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Đặc biệt, trong tình hìnhgiá thành các sản phẩm hóa dầu ngày một tăng cao và hiện trạng ô nhiễm tầng ôzon

ngày càng nghiêm trọng thì việc sản xuất và sử dụng Bioethanol hòa trộn với xănghoặc thay thế xăng là biện pháp đảm bảo an toàn năng lượng của nhiều quốc gia

Ở nước ta với dự báo về sự gia tăng số lượng phương tiện, nếu không cónhững biện pháp hữu hiệu nhằm hạn chế mức độ ô nhiểm môi trường do khí xả củachúng gây ra thì không bao lâu nữa, ô nhiểm môi trường không khí ở nước ta cũng sẽtrầm trọng chẳng kém gì các thành phố lớn ở các nước phát triển có mật độ ô tô cao

Vì vậy tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật để hạn chế mức độ phát sinh ô nhiểm củaphương tiện giao thông là cần thiết Một trong những giải pháp này là nghiên cứunhiên liệu sinh học

Hơn nữa theo các chuyên gia năng lượng nước ta, nếu không phát hiện cácnguồn năng lượng mới để cân đối cung cầu năng lượng thì tỷ lệ phụ thuộc năng lượngvào nước ngoài lên đến 28,2% vào năm 2020

Ở Việt Nam Bioethanol được sử dụng nhằm hướng tới các mục đích như giảmthải và giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu dầu mỏ; giảm ô nhiễm môi trường, cụ thể

là khí thải sinh ra từ nhiên liệu Bioethanol ít chất độc hại hơn xăng được sản xuất từnguồn dầu mỏ; góp phần nâng cao giá trị của các sản phẩm phụ trong các ngành nônglâm nghiệp

Với tất cả những lý do trên, chúng em đã chọn đồ án tốt nghiệp với đề tài:

“Nghiên cứu tổng quan khả năng sản xuất bioethanol từ nguồn biomass” do giáo

viên Nguyễn Thị Thanh Xuân hướng dẫn

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BIOMASS

I Định nghĩa và phân loại biomass

I.1 Định nghĩa

Thuật ngữ biomass dùng cho tất cả các loại nguyên liệu không phải hóa thạch

mà có nguồn gốc sinh học Nó bao gồm các sản phẩm, sản phẩm phụ từ nông nghiệp,lâm nghiệp và các ngành công nghiệp liên quan [1]

I.2 Phân loại

Biomass là loại nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng nên việc phân loại

nó chỉ mang tính chất tương đối Có thể phân loại biomass thành các nhóm chính sau.[1]

a Sản phẩm có nguồn gốc từ rừng (Forest products): Gỗ, mùn cưa, cây cối,…

b Phụ phẩm nông nghiệp như vỏ trấu, vỏ đậu, hạt oliu,…

c Những cây trồng phục vụ mục đích năng lượng như các loại cây cung cấp tinh bột, các cây cung cấp đường, các cây ngắn ngày,…

d Chất thải thành phố, đô thị,…

e Các loại cây sống dưới nước như tảo, sậy, cói,…

f Các loại cây thân mềm (herbaceous plants)

II Thành phần của biomass

Thành phần của biomass bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin, lipids,proteins, simple sugar, tinh bột, nước, hydrocarbons, tro, và các hợp chất khác

Hình I.1 Cấu trúc cơ bản của biomass.[2]

Sự phân bố khối lượng của các hợp chất trong biomass thay đổi tùy theonguồn gốc Trong đó cellulose (CH1.67O0.83)n, hemicellulose (CH1.64O0.78)n và lignin(C10H11O3.5)n là các đại lượng có giá trị nhất và cũng chiếm số lượng nhiều nhất.[1]

Hình I.2 Phân bố khối lượng các hợp chất chính trong biomass.[3]

 Cellulose

lượng thực vật) và tùy thuộc vào từng loại thực vật Ở gỗ lá rộng, hàm lượng cellulosechiếm 40÷53%, ở rơm lúa gạo là 34÷38%, rơm lúa mì là 36÷42% [6]

chính của nguyên liệu chứa cellulose để sản xuất ethanol Nguyên liệu càng giàucellulose thì sản xuất ethanol càng đạt hiệu quả cao

xích này liên kết với nhau bằng liên kết β-glucosidic

Cellulose có thể tham gia nhiều phản ứng như phản ứng phân hủy mạch (thủyphân, nhiệt phân, oxy hóa) phản ứng tạo nhánh trên phân tử cellulose Ở đây, ta chỉxem xét khả năng tham gia phản ứng thủy phân của cellulose tạo glucose Cellulose cóthể bị thủy phân với tốc độ chậm trong môi trường nước ở nhiệt độ cao Dưới tác dụngcủa xúc tác acide, quá trình thủy phân xảy ra với tốc độ lớn hơn

 Phản ứng thủy phân được biểu diễn theo phương trình tổng quát:

 Lignin

lignin chiếm 17÷19% khối lượng rơm lúa mì và 12% ở rơm lúa gạo [6]

thủy phân để tạo các hợp chất có khả năng lên men tạo ethanol Vì vậy lignin là thànhphần không mong muốn trong quá trình sản xuất ethanol từ cellulose

III Tình hình sử dụng biomass trên thế giới

Biomass là một nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú, đa dạng Nó là nguồnnguyên liệu lớn thứ 4 trên thế giới sau than đá, dầu mỏ và khí tự nhiên Biomass làmột nguồn nguyên liệu hiện được các nước trên thế giới quan tâm đầu tư nghiên cứu

và sử dụng bởi chúng có rất nhiều tính năng ưu việt khi sử dụng Một là nó là nguồnnguyên liệu có thể tái sinh được nên có thể phát triển bền vững trong tương lai Hai là

nguồn năng lượng rất thân thiện với môi trường Ba là khi giá nhiên liệu hóa thạchtăng cao trong tương lai thì nó là một sự thay thế rất phù hợp

H+

Cellulase

Biomass là một nguồn nguyên liệu bền vững cho công nghiệp hóa chất vànăng lượng Ước tính đến năm 2050 biomass dùng làm nhiên liệu sẽ đáp ứng khoảng38% lượng nhiên liệu toàn cầu và 17% lượng điện sử dụng trên thế giới Dưới đây làtình hình sử dụng biomass ở một số vùng trên thế giới.[3]

Bảng I.1 Tình hình sử dụng biomass tai một số nước trên thế giới.[3]

IV Các thuộc tính nhiên liệu của Biomass

Mỗi loại biomass đều có các thuộc tính riêng để xác định hiệu suất khi sửdụng làm nhiên liệu trong quá trình đốt cháy hay trong quá trình khí hóa Các thuộctính quan trọng là hàm lượng ẩm, hàm lượng tro, hàm lượng các chất bay hơi, cácnguyên tố như C, H, O, N, giá trị nhiệt trị, khối lượng riêng, hàm lượng các chất bayhơi

IV.1 Hàm lượng ẩm

Hàm lượng ẩm trong biomass là khối lượng nước trong nguyên liệu được biểudiễn trên phần trăm khối lượng nguyên liệu Hàm lượng ẩm trong biomass ảnh hưởngđến quá trình chế biến của biomass

IV.2 Hàm lượng các chất bay hơi

Các chất bay hơi là phần biomass bi bốc hơi khi bị gia nhiệt từ 400 đến

khí bay hơi và than rắn Thông thường biomass có hàm lượng khí bay hơi lên dến80% , ngược lại than đá có hàm lượng chất bay hơi dưới 20%.[7]

Bảng I.2 Thành phần nguyên tố của biomass.[3]

IV.4 Giá trị nhiệt trị của biomass

Là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng biomass như là mộtloại nhiên liệu

Nó bao gồm hai giá trị chính là nhiệt trị cao (HHV) và nhiệt trị thấp (LHV)

Về mặt nhiên liệu thì biomass khi cháy cho giá trị nhiệt trị thấp hơn so vớinhiên liệu hóa thạch do trong biomass có ít carbon và nhiều oxy hơn

IV.5 Khối lượng riêng

Là khối lượng nguyên liệu trên một đơn vị thể tích Giá trị khối lượng riêng

IV.6 Hàm lượng các chất bay hơi

500oC

V Các quá trình chuyển hóa biomass

Quá trình chuyển hóa biomass có thể thực hiện theo 2 phương thức đượcminh họa theo sơ đồ sau

Hình I.3 Quá trình chuyển hóa biomass [1].

V.1 Quá trình chuyển hóa dưới tác dụng của nhiệt (thermochemical conversion)

Có 3 phương pháp chuyển hóa biomass thành năng lượng thay thế dưới tácdụng của nhiệt: khí hóa (gasification), quá trình lỏng hóa (liquefaction), quá trìnhnhiệt phân (pyrolysis)

V.1.1 Quá trình khí hóa

Khí hóa là quá trình chuyển hóa các loại nguyên liệu rắn hay lỏng thành nhiênliệu khí trong điều kiện thiếu Oxy Mục đích chính của quá trình khí hóa là để sảnxuất ra khí tổng hợp (syngas) Thành phần chính của syngas bao gồm các khí như

Loại khí này có thể sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như tạo nhiệt,nguyên liệu cho công nghiệp hóa chất, nhiên liệu lỏng…ngoài ra nó còn có thể thaythế khí tự nhiên trong một số ứng dụng

V.1.1.1 Các loại thiết bị khí hóa (gasifier)

bảo để quá trình cháy xảy ra là không hoàn toàn Các loại gasifier thường hay sử dụngtrên thế giới hiện tại là updraft gasifier, downdraft gasifier (đều sử dụng lớp cố định)

và circulating (sử dụng lớp tầng sôi)

a Updraft gasifier: Trong thiết bị này thì biomass được đưa vào ở đỉnh củagasifier, sau đó lần lượt đi qua các vùng làm khô, vùng nhiệt phân, vùng khí hóa vàvùng đốt cháy Phần tro (ash) sau đó được lấy ra phía đáy Tác nhân oxyhóa là khôngkhí hay hơi nước cũng được đưa vào phía đáy Sản phẩm khí được lấy ra ở phần đỉnh.Điều bất lợi trong thiết bị này là sản phẩm khí ra chứa nhiều tạp chất.

b Downdraft gasifier: Thiết bị này hoạt động tương tự như updraft gasifiernhưng tác nhân oxyhóa được đưa vào phần giữa của thiết bị Sản phẩm khí thu đượcchứa ít tạp chất

c Circulating Fluidized Bed (CFB) gasifier: Thiết bị này gồm một thiết bịphản ứng để tiến hành phản ứng khí hóa, một cyclon tách bụi Biomass được đưa vàophần dưới, phía trên hệ thống phân phối không khí vào Khi đưa vào thiết bị phản ứngbiomass nhanh chóng bị sấy khô và bị nhiệt phân, sản phẩm khí đi lên phía trên củathiết bị phản ứng, phần rắn (char coal) thì đi xuống phía dưới, khu vực đặc hơn củalớp tầng sôi Các hạt bụi bị kéo theo dòng khí đi lên sẽ bị tách ra khỏi nó bởi cyclon

và được đưa xuống phía dưới đáy của lớp tầng sôi, nơi mà phần rắn bị đốt cháy bởi hệthống dòng không khí đưa vào

Dưới đây là hình vẽ minh họa 3 loại thiết bị.[4]

(a) (b)

(c)

Hình I.4 Thiết bị updraft gasifier (a) và downdraft gasifier (b) và circulatinggasifier (c)

Gasifier được chia thành 4 zone riêng biêt bao gồm :

chất ẩm trong biomass

 Vùng nhiệt phân (zone pyrolysis ) là vùng nhiệt phân ở nhiệt độ

là carbon hoạt tính

cấp nhiệt cho các zone khác

V.1.1.2 Các phản ứng trong gasifier [3]

a Khu vực oxy hóa: Do thành phần của biomass chủ yếu là C, H, O nên

V.1.1.3 Quá trình Fischer-Tropsch Synthesis (FTS)

Quá trình Fischer-Tropsch Synthesis (FTS) sản xuất các hydrocarbon với

trình khí hóa biomass nên còn được gọi là bio-syngas Những phản ứng cơ bản của quátrình tổng hợp khí là phản ứng tổng hợp methanol, FTS, oxosynthesis(hydroformylation), và tổng hợp methane Quá trình FTS có khả năng sản xuất nhiênliệu hydrocarbon lỏng từ bio-syngas Một lượng lớn hydrocarbon có thể bị cracking đểtạo ra diesel với chất lượng rất tốt Sản phẩm của FTS chủ yếu là các hydrocarbon

mạch thẳng (CXHY) Ngoài ra còn có các hydrocarbon mạch nhánh, các hydrocarbonchưa bão hòa và các rượu bậc nhất nhưng chiếm một phần nhỏ Một số sản phẩm phổbiến như là CH4, C2H4, LPG, gasoline (C5-C12), diesel fuel (C13-C22), và waxes (C23-

như nhiệt độ, áp suất, và thời gian lưu

Phản ứng chính của quá trình FTS có thể được biểu diển như sau:

Một ví dụ điển hình về việc thành công trong công nghệ sản xuất ethanol từquá trình lỏng hóa

Hình I.5 : Sơ đồ khối quá trình sản xuất ethanol từ quá trình hóa lỏng [5]Hỗn hợp nguyên liệu woody biomass thành phần chính gồm cellulose, xylin,lignin được đưa vào thiết bị hóa lỏng (liquefaction) để chuyển đổi thành các phân đọanlỏng và rắn Sau đó phần lỏng được đưa vào thiết bị trung hòa (neutralization) trướckhi đưa vào thiết bị lên men hóa (fermentation) Phần rắn gồm cellulose và lignin được

đưa trực tiếp đến thiết bị lên men hóa Sau khi ra khỏi thiết bị lên men hóa lignin đượctách ra, phần còn lại được đưa vào thiết bị chân cất thu được Ethanol Hiệu suấtEthanol thu được khoảng 110galon/1 tấn nguyên liệu.[3]

V.1.3 Quá trình nhiệt phân (Pyrolysis)

Biomass có thể chuyển hóa thành các phân đoạn khí, lỏng, rắn thông qua quátrình nhiệt phân Thành phần của chúng phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ, áp suất,…trong quá trình thủy phân Bản chất của quá trình là quá trình cracking các hợp chấthữu cơ trong điều kiện thiếu oxy

V.2 Quá trình chuyển hóa sinh học (biological convesion)

Quá trình tự hủy kị khí (anaerabic digestion) là quá trình chuyển hóa các vật

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Green Energy And Technology , Anhna Demirbas

[2] Prospecsts For Ethanol From Lignocellulosic Biomass : Techno- Economic Performance As Development Progress By Carlo N Hamelink, Geerje VanHooijdonk , Andre P.C Faaij

[3] Biomass Gasification By Anil K Rajvanshi Director, Nimbkar AgriculturalResearch Institute, Phaltan-415523, Maharashtra, India

[4] Gasification Presented By Robert (Bud) Klepper

[5] Fundamentals Of Renewable Energy Processes By Aldo Vieira Da Rosa ,Stanford University, Amsterdam

[6] TS Hồ Sĩ Tráng

Cơ sở hóa học gỗ và xenluloza T1-Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

[7] Energy from Biomass

A Review of Combustion and Gasification Technologies by Peter Quaak, HarrieKnoef, Hubert Stassen

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ETHANOL

I Giới thiệu chung về nhiên liệu alcohol-based

Nhiên liệu Acohol-based là một nguồn năng lượng đóng vai trò rất quan trọng

kể từ thập niên 1800 Vào đầu những năm 1894, Đức và Pháp đã sử dụng ethanol chođộng cơ đốt trong Năm 1925 Henry Ford đã cho rằng Ethanol là nguồn nhiên liệu củatương lai.[1]

Trải qua nhiều năm và xuyên suốt các vùng trên khắp thế giới, nhiên liệuAlcohol-based đã có lúc được sử dụng một cách rộng rãi Như vào thời điểm 1970 khi

mà cả thế giới rơi vào cuộc khủng hoảng dầu mỏ nghiêm trọng thì Ethanol khi đó là sựlựa chọn phù hợp nhất thay thế dầu mỏ Alcohols-based được sử dụng phục vụ mụcđích nhiên liệu theo 3 con đường Một là sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trongthay thế xăng, hai là sử dụng như là một loại phụ gia phối trộn vào xăng để nâng caotrị số octane và cuối cùng là làm nhiên liệu cho quá trình chuyển đổi từ năng lượnghóa học sang năng lượng điện trong tế bào nhiên liệu (fuel cell) Fuel cell là một thiết

bị để sản suất điện thông qua một loạt các phản ứng điện hóa để chuyển đổi nănglượng hóa học thành điện năng, nguyên tắc hoạt động của nó giống pin nhưng khôngcần nạp, nó tạo điện khi có nguồn nhiên liệu

Alcohols là những hợp chất thuộc nhóm chứa nguyên tố oxy Là nhữnghydrocarbon chứa nhóm chức (–OH) Oxy trong nhóm hydroxyl tham gia quá trình đốtcháy trong alcohols Các alcohols thường gặp và đơn giản nhất là methanol, ethanol,propanol và butanol Các alcohol có cấu trúc phức tạp khác cũng có thể được sử dụnglàm nhiên liệu tuy nhiên do tính chất thương mại nên người ta thường rất ít sử dụng.Alcohols hiện tại được sử dụng trong động cơ đốt cháy và trong fuel cell, bản chất hóahọc xảy ra trong cả hai hệ thống này là như nhau Về mặt lý thuyết, các alcohols trong

trình oxy hóa không hoàn toàn là nguyên nhân chính tạo ra nhiều sản phẩm phụ rất độchại cho môi trường và cơ thể con người như CO, aldehydes, và ketones…vv

Phản ứng cho cho quá trình đốt cháy hoàn toàn của alcohols trong động cơ vàfuel cell như sau

CxH(2x + 2)O +(3x/2)O2 = xCO2 +(x+1) H2O

Trong các loại alcohols thì ethanol là loại nhiên liệu được sử dụng nhiều nhất.[1]

II Giới thiệu chung về ethanol

Ethanol là loại rượu được sản xuất từ quá trình lên men các loại cây chứađường (plants sugar) từ sản xuất nông nghiệp và từ nguồn biomass Loại cây trồngđược dùng phổ biến nhất để sản xuất ethanol là từ ngô hoặc mía đường Tuy nhiên chỉmột phần của nguyên liệu dùng để sản xuất ethanol, còn các phần còn lại được dùng

để sản xuất thức ăn cho gia súc, tinh dầu, và các sản phẩm thực phẩm khác…

Mặc dù việc sử dụng ethanol đã được con người biết đến từ những năm 1800,tuy nhiên việc sản xuất và sử dụng vẫn chưa phát triển mạnh cho đến năm 2000.Lượng ethanol sản xuất tại Mỹ ước tính năm 2000 đạt 1.63 tỉ gallon.[2]

Hình II.1.1 Sơ đồ tổng quát quá trình sản xuất ethanol từ hạt ngô [2]

II.1 Vài nét về lịch sử sử dụng nhiên liệu ethanol

Thời kỳ 1850-1940 : Vào cuối những năm 1850 ethanol được sử dụng phổbiến để thắp sáng ; khoảng 90 triệu gallon được sản xuất tại Mỹ vào thời gian đó Vàonăm 1861 có hai sự kiện đã xảy ra ảnh hưởng đến việc sử dụng ethanol để thắp sáng.Đầu tiên kerosene được đưa ra thị trường và sau đó là việc tăng thuế tiêu thụ alcoholslên 2.08$/ gallon Kerosene nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường nhiên liệu thắp sáng do

giá cả rẻ hơn ethanol Năm 1908, Henry Ford chế tạo thành công mẫu xe Model Tchạy bằng ethanol Đến năm 1914 lượng ethanol sản xuất đạt 10 triệu gallon Trongchiến tranh thế giới thứ nhất lượng ethanol sản xuất tăng vọt đạt 50 triệu gallon.[2]

Đến năm 1919 ethanol sản xuất lại tiếp tục giảm do lệnh cấm sử dụng Trongchiến tranh thế gới thứ 2 thì lượng ethanol lại tiếp tục tăng vọt (sản lượng ở Mỹ đạt

600 triệu gallon.) do mục đích làm nhiên liệu và làm cao su tổng hợp Tuy nhiênkhoảng hai thập kỹ sau chiến tranh lượng ethanol sản xuất lại giảm do không cạnhtranh nổi với nhiên liệu hóa thạch

Vào những thập niên 1970-1980: Lệnh cấm vận dầu mỏ của các nước Arập với

Mỹ đã tạo nên cơn khủng hoảng dầu mỏ nghiêm trọng Cuộc khủng hoảng đã làm cho

Mỹ quan tâm hơn về việc phát triển nguồn nhiên liệu tái tạo được, cắt giảm nguồn thuếtrong việc sử dụng ethanol làm cho nó được quan tâm sử dụng rộng rãi

Hình I.1.2 Tình hình sản xuất ethanol thời kỳ 1975 -2015 [14]

Từ thập niên 70 đến nay, sản lượng ethanol sản xuất tăng một cách mạnh mẽ.Năm 2000 sản lượng ethanol sử dụng làm nhiên liệu trên thế giới chỉ khoảng 15 triệutấn Theo dự kiến, đến năm 2010, sản lượng ethanol sử dụng làm nhiên liệu có thể đạttrên 80 triệu tấn tức là tăng đến 433,33% so với năm 2000.[14]

Ngày nay có thể thấy ethanol hoàn toàn có khả năng dùng làm nhiên liệu chođộng cơ đốt trong, thay thế một phần nhiên liệu hóa thạch Ethanol được dùng 2 dạng

cụ thể sau:

 Ethanol được pha vào xăng với tỉ lệ nhỏ hơn 15% Với tỉ lệ này thìkhông cần thay đổi hay hiệu chỉnh gì động cơ xăng Tuổi thọ, độ bền của động cơkhông hề thay đổi [10].

cơ đốt trong có cải tiến Dùng xe FFV (Flex-Fuel Vehicles- ô-tô nhiên liệu linh hoạt)

Xe FFV có thể tự động nhận biết hàm lượng cồn trong bình nhiên liệu để tự điềuchỉnh góc đánh lửa sớm và thay đổi lượng phun nhiên liệu Dùng xe FFV có tính kinh

tế nhiên liệu cao hơn các xe không FFV, vì xe đã được thiết kế tối ưu về vật liệu, vềkết cấu buồng cháy và hệ thống nhiên liệu Nhiên liệu E85 (có 85% ethanol trongxăng) là loại nhiên liệu tốt nhất cho xe FFV Riêng trong năm 2000 Mỹ đã sản xuất750.000 chiếc FFV Hiện nay Mỹ có khoảng 5 triệu xe FFV cùng với 169.000 trạmbán lẻ E85 Hãng GM trong năm 2005 đã cho ra đời hàng loạt mác xe chạy bằngnhiên liệu E85 như xe Chevrolet Avalanche, Suburban và GMC Yukon XL,Chevrolet Silverado và GMC, Chevrolet Tahoe cho cảnh sát Các nước khác cũng có

xe FFV như BMW E85 Z4 3.0 của Đức Xe FFV hiệu Falcon và Taurus của Mỹ tạichâu Âu [10]

II.2 Lợi ích và hạn chế khi sử dụng nhiên liệu Ethanol.

II.2.1 Lợi ích.

Sử dụng ethanol làm nhiên liệu không chỉ là một biện pháp tình thế nhằm làmtăng chỉ số octane của xăng, thay thế cho những phụ gia gây ô nhiễm môi trường sinhthái, mà còn đảm bảo an toàn năng lượng cho mỗi quốc gia vì đây là nguồn nănglượng có khả năng tái tạo được (Energy renewable)

II.2.1.1 Lợi ích về kinh tế.

Sản xuất ethanol làm nhiên liệu góp phần thúc đẩy nền nông nghiệp phát triển

vì ethanol được sản xuất theo dây chuyền công nghệ sinh học, nguyên liệu sản xuấtethanol là tinh bột của các loại củ hạt như: sắn, khoai, ngô, lúa, gạo, trái cây… Đây lànguồn nguyên liệu dồi dào trong tự nhiên, tạo ra nhiều công ăn việc làm cho nhiều laođộng ở nông thôn, và đặc biệt khuyến khích được tinh thần lao động sản xuất củangười dân

Ngoài ra việc sử dụng nhiên liệu sinh học nói chung cũng như gasohol nóiriêng giúp cho các quốc gia chủ động trong chính sách năng lượng của mình Nước

nào càng có nhiều xăng sinh học thì càng ít phụ thuộc vào nước khác và từ đó có thểphát triển nền kinh tế của mình một cách bền vững.

II.2.1.2 Lợi ích về môi trường

Việc dùng ethanol làm nhiên liệu, có tác dụng ngăn chặn hiên tượng hiệu ứngnhà kính Vì vậy nó được mệnh danh là “xăng xanh” Theo các tính toán cho thấy: nếuthay thế việc đốt một lít xăng bằng một lít ethanol thì sẽ giảm 40% lượng phát sinh khíCO2 vào khí quyển giúp môi trường được xanh, sạch hơn Khi đốt ethanol sự cháy xảy

ra hoàn toàn hơn so với khi đốt xăng Ta thường thấy trong các động cơ xăng thườngxuất hiện các bụi bẩn chính là do các hydrocacbon cháy không hết Điều đó phải tốnthời gian lau chùi, sửa chữa động cơ Khi pha ethanol vào xăng làm cho xăng cháyhoàn toàn hơn, giảm phát thải các khí gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, ethanol đượcđiều chế từ sản phẩm nông nghiệp sẽ làm tăng diện tích đất trồng cây Điều này cónghĩa làm tăng diện tích lá phổi của trái đất lên [11]

II.2.2 Hạn chế khi sử dụng nhiên liệu ethanol.

Hạn chế cơ bản của ethanol nhiên liệu là tính hút nước của nó Ethanol có khảnăng hút ẩm và hoà tan vô hạn trong nước Do đó gasohol phải được tồn trữ và bảoquản trong hệ thống bồn chứa đặt biệt

Về hiện tượng gây ô nhiễm: tuy giảm các hàm luợng các chất gây ô nhiễm như

chất gây ô nhiễm

để pha trộn vào xăng sẽ làm giảm công suất động cơ so với khi dùng xăng Tuy nhiên

sự giảm công suất này là không đáng kể nếu ta pha với số lượng ít

Tóm lại, việc sử dụng gasohol có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những mặthạn chế Tuy nhiên khi phân tích tương quan giữa các mặt lợi và hại người ta vẫn thấymặt lợi lớn hơn, mang ý nghĩa chiến lược hơn

II.3 Tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu ethanol hiện nay trên thế giới

Ethanol có thể sản xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau:

Công nghệ sản xuất ethanol tổng hợp:

Tổng hợp ethanol có nghĩa là sản xuất ethanol bằng phương pháp hoá học,trên thế giới người ta sản xuất ethanol bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong côngnghệ tổng hợp hoá dầu ethanol được sản xuất bằng dây chuyền công nghệ hydrat hoáđối với khí etylen hoặc công nghệ cacbonyl hoá với methanol.

Hydrat hoá: CH2=CH2 + H2O C2H5OH

Cacbonyl: CH3OH + CO + 2 H2 C2H5OH + H2O

Công nghệ sản xuất ethanol sinh học:

Công nghệ này dựa trên quá trình lên men các nguồn hydratcacbon có trong tựnhiên như: nước quả ép, nước thải men bia, ngô, sắn, mùn, gỗ

(C6H10O5)n + n H2O nC6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + QTrong quá trình sản xuất ethanol sinh học có thể phân thành 2 công đoạn làcông đoạn lên men nhằm sản xuất ethanol có nồng độ thấp và công đoạn làm khan đểsản xuất ethanol có nồng độ cao để phối trộn vào xăng

Hiện nay, tình hình sản xuất và sử dụng ethanol trên thế giới phát triển rấtmạnh mẽ

Hình II.1.2 : Tình hình sản xuất ethanol trên thế giới từ 1980-1998.[3]

Nều như vào năm 1980 sản lượng sản xuất ethanol trên thế giới khoảng 200triệu gallon thì đến năm 1998 sản lượng đã tăng vọt đến 1400 galon tức tăng 700% (từ

đồ thị)

Brazil: sản lượng tiêu thụ ethanol đạt tới 14÷15 triệu tấn/năm đứng đầu thế giới

Mỹ: Hình thành vành đai nông nghiệp gồm nhiều ban chuyên sản xuất ngô,làm nhiêu liệu cho hơn 50 nhà máy sản xuất ethanol sinh học với sản lượng tiêu thụ 13triệu tấn/năm.

Các nước Canada, Mexico, Pháp, Thụy Điển, Úc, Nam Phi, Trung Quốc đều

đã tùng bước phát triển công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học, chủ yếu là nhiên liệuhóa thạch pha ethanol sinh học

II.4 Một số thông tin về giá cả ethanol nhiên liệu

Giá gasohol phụ thuộc nhiều vào giá ethanol nhiên liệu Khi sản xuất ethanol

ở qui mô lớn, công nghệ tiên tiến từ mật đường, rơm rạ hay ngũ cốc giá rẻ thì giáthành ethanol sẽ hạ Trên thế giới, giá thành ethanol nhiên liệu trung bình khoảng 0,35đến 0,39 USD/Lít (vào thời điểm năm 2004)

Ở Brazil, giá ethanol 95,57% khoảng 0,15 đến 0,24 USD/Lít, ethanol tuyệt đối99,8% khoảng 0,25 đến 0,28 USD/Lít

Thailan, một lít gasohol pha trộn 10% thể tích ethanol có giá bán thấp hơnxăng thông thường từ 0,5 đên 1,5 Bath

Trung Quốc, gasohol pha trộn 10% thể tích ethanol khoảng 3,16 Tệ/Lít

Ở nước ta, chưa có nhà máy sản xuất ethanol nhiên liệu mà chỉ có các nhà máysản xuất cồn công nghiệp Ethanol tuyệt đối phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá rấtcao Hiện nay, nhà nước đang chủ trương sản xuất ethanol nhiên liệu để giảm bớt gánhnặng từ việc nhập khẩu xăng dầu

II.5 Tình hình sản xuất và khả năng sử dụng ethanol nhiên liệu ở nước ta.

Ở nước ta, công nghệ sản xuất ethanol còn rất nhỏ bé và lạc hậu Chỉ có ngànhsản xuất ethanol sinh học mà nguồn nguyên liệu chủ yếu từ tinh bột (sắn, ngô,khoai…) và từ rỉ đường Hoàn toàn chưa có nhà máy sản xuất ethanol từ các nguồnbiomass (rơm rạ, mùn cưa, cây cỏ…) Sản phẩm chủ yếu là ethanol thực phẩm (nồng

độ 40% đến 45%) và cồn công nghiệp (nồng độ từ 95,57% đến 96%), một lượng nhỏđược làm khan thành ethanol tuyệt đối (nồng độ 99,5%)

Hiện tại có một số ít nhà máy sản xuất ethanol công nghiệp có công suất tươngđối như nhà máy rượu Hà Nội, nhà máy rượu Bình Tây, nhà máy rượu Tam Hiệp

Do chưa đáp ứng được nhu cầu nên hiện nay ta vẫn phải nhập khẩu một lượngethanol tuyệt đối đóng chai chủ yếu để làm hoá chất cho các nhu cầu khác nhau

Không có khả năng sử dụng ethanol tuyệt đối làm nhiên liệu vì giá thành đắt (Giá tại

Ở nước ta, muốn phát triển việc dùng ethanol làm nhiên liệu cần phải cóchương trình sản xuất ethanol tầm cỡ quốc gia Việc đó đòi hỏi những bước đi thật cụthể theo một chiến lược đã hoạch định rõ ràng

Trong những năm gần đây, tình hình sản xuất ethanol nhiên liệu ở nước ta đã

có bước khởi sắc Nước ta đã chứng kiến 2 sự kiện quan trọng để phát triển việc dùngethanol nhiên liệu Đó là:

tác thành lập liên doanh xây dựng nhà máy sản xuất ethanol sinh học đầu tiên tại ViệtNam với tập đoàn Itochu của Nhật Bản Toàn bộ sản phẩm của nhà máy là cồn 99,8%

sẽ cung ứng cho thị trường trong nước để pha vào xăng, phục vụ cho các hoạt độngcông nghiệp và giao thông vận tải Với công suất 100 triệu lít ethanol/năm, liên doanhgiữa Petrosetco & Itochu mới đáp ứng được 1/7 nhu cầu hiện tại Trong tương laiPetrovietnam sẽ xây dựng ít nhất 6 nhà máy nữa với nguồn nguyên liệu đầu vào khôngchỉ là sắn lát mà còn từ mật rỉ, ngô và gạo Có thể nói việc ra đời liên doanh giữaPetrosetco & Itochu trong dự án này là bước ngoặt quan trọng mở đường cho sự pháttriển của xăng pha cồn nói riêng và nhiên liệu sinh học nói chung ở Việt Nam [12]

có thêm một nhà máy sản xuất ethanol khan nữa Ngày 12/04/2007, công ty ĐồngXanh hợp tác với UBNN tỉnh Quảng Nam tiến hành khởi công xây dựng nhà máy sảnxuất ethanol 99,5% tại Đại Tân, Đại Lộc, Quảng Nam Mặt dù sản phẩm của nhà máykhông trực tiếp phục vụ cho nhu cầu trong nước mà được đưa đi xuất khẩu nhưng sự

ra đời của nhà máy đã khuấy động phong trào sản xuất ethanol khan ở nước nhà màđáng lẽ ra nó phải được phát triển từ lâu [13]

III Nhiên liệu phối trộn (blended-fuel)

Trong khoảng 30 trở lại đây, việc phối trộn ethanol vào xăng được sử dụng rộngrãi ở các nước như Mỹ, Brazil và các nước khác Tại Mỹ, ethanol thường được phốitrộn với xăng theo thỉ lệ 10% ethanol và 90% xăng, hỗn hợp này thường được gọi làgasohol hay E10 Mục đích của việc phối trộn một lượng nhỏ ethanol vào xăng là đểtăng lượng oxy cho nhiên liệu (oxygenate the fuel) nhằm đảm bảo quá trình cháy sạch

hơn và giảm hàm lượng CO và H2 trong khí thải Trước đây methyl tertiary butyl ether(MTBE) là loại phụ gia được sử dụng phổ biến nhất để tăng hàm lượng oxy trongxăng, tuy nhiên do MTBE là một hợp chất rất độc hại khi thải ra môi trường nên hiệnnay rất ít được sử dụng.

So sánh thành phần khí thải trong việc sử dụng 6% Ethanol/ 94% gasoline và11% MTBE/ 89% gasoline

F

uel

Sulfur(ppm)

Olefins(%vol)

(mg/gallonburned)

Aromatics(%vol)

RVP(psi)

(mg/gallonburned)

Bảng III So sánh thành phần khí thải khi sử dụng E6 và MTBE 11% trong xăng [4]

Việc phối trộn ethanol vào xăng theo các tỉ lệ khác nhau thì tương ứng có têngọi khác nhau

Các ký hiệu E10, E22, E85, E95 …là tên gọi của các loại xăng khi phối trộnvới một lượng thể tích ethanol tương ứng là 10%, 22%, 85%, 95% Tương ứng vớimỗi lượng ethanol được đưa vào xăng thì nó có tác động đến môi trường là khác nhauEthanol

Bảng III.1 Mối quan hệ giữa thành phần khí thải tương ứng với phần trăm thể

tích ethanol phối trộn trong xăng [5]

Tuy nhiên việc phối trộn ethanol vào xăng ở mỗi một quốc gia có thể khácnhau, điều này con tùy thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, tiêu chuẩn khí thải ra môitrường…ở quốc gia đó

Hiện nay trên thế giới đang sử dụng phổ biến hai loại nhiên liệu là E10 vàE85.

III.1 Nhiên liệu E10

III.1.1 Ảnh hưởng của nhiên liệu E10 đến tiêu thụ của nhiên liệu

Lượng nhiên liệu tiêu thụ sẽ tăng khi gia tăng lượng oxy trong xăng do nhiệttrị của nhiên liệu giảm

Bảng III.2 Mối quan hệ giửa nồng độ ethanol trong xăng và lượng tiêu thụ

nhiên liệu [6]

Theo bảng thống kê bảng III.2 ta thấy khi tăng lượng ethanol phối trộn vào xăng thì nhiệt trị giảm do đó giảm hiệu xuất của xe

III.1.2 Chất lượng nhiên liệu

Chất lượng nhiên liệu trong động cơ ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động củađộng cơ Trong đó tính chống kích nổ và độ bay hơi của nhiên liệu là hai yếu tố quantrọng nhất Cháy kích nổ có thể làm cho động cơ bị hủy hoại một cách nhanh chóngtrong khi đó sự thay đổi độ bay hơi sẽ dẫn đến sự thay đổi quan trọng trong hoạt độngcủa động cơ

III.1.2.1 Độ bay hơi

Khi cho một lượng nhỏ ethanol vào xăng thì áp suất hơi của hổn hợp sẽ tănghơn so với áp suất hơi của ethanol hay xăng khi chưa đưa vào Mối quan hệ này đượcminh họa bằng đồ thị sau (Hình II.1.3)

Phần trăm

ethanol(%vol)

Nhiệt trị (BTU/gallon)

Tiêu thụ nhiên liệu (mpg)

Hình II.1.3 Ảnh hưởng của nồng độ ethanol khi phối trộn vào xăng.[7]Dựa vào đồ thị ta có bảng số liệu sau :

Phần trăm thể tích ethanol thêm

Wagner et

96

97

102

Bảng III.4 :Ảnh hưởng của việc đưa ethanol vào xăng đến chỉ số octane của

III.2 Nhiên liệu E-Diesel

Kể từ những năm của thập niên 1980, việc đưa ethanol vào diesel đã được cácnước trên thế giới quan tâm Hổn hợp ethanol/diesel thường được gọi là E-Diesel.Thông thường ethanol thêm vào chiếm khoảng 10% đến 15% thể tích hổn hợp Tuynhiên việc đưa thêm ethanol vào diesel không dẽ dàng như việc đưa nó vào xăng dokhả năng hòa tan của ethanol trong diesel kém ở nhiệt độ thấp Tại nhiệt độ bé hơn

người ta thường sử dụng các chất hoạt động bề mặt hay các trợ dung môi (cosolvents)thông thường là ethyl acetate.[1]

Việc pha ethanol vào diesel cũng làm giảm lượng khí CO và các hợp chất

Đối với các vấn đề về sự ăn mòn động cơ thì nghiên cứu cũng cho thấy rằngvới hàm lượng nhỏ khoảng 10% đến 15% ethanol khi đưa vào diesel không gây ănmòn so với diesel thông thường.[1]

III.3 Nhiên liệu E85

III.3.1 Các tính chất của E85 so với xăng thông thường.

Cũng giống như xăng, ethanol ở điều kiện thường là một chất lỏng Nó có thể

sử dụng và phân phối trong các thiết bị cho xăng với một ít sự điều chỉnh cho phù hợp

Một trong những tính chất khác biệt của E85 so với xăng thông thường khi tácđộng đến hoạt động của động cơ là sự khác biệt về áp suất hơi và ẩn nhiệt hóa hơi Đểtiến hành khởi động một phần nhỏ nhiên liệu phải được bốc hơi Xăng là một hổn hợpcủa nhiều hydrocarbon có áp suất hơi và ẩn nhiệt hóa hơi khác nhau điều này có nghĩarằng ở điều kiện nhiệt độ thấp một phần xăng cũng được bay hơi.Tuy nhiên ethanol làmột hợp chất khó bay hơi ở nhiệt độ thấp.tại nhiệt độ dưới 11oC ethanol không có khảnăng tạo hỗn hợp khí hơi Do đó việc đưa xăng vào cũng mục đích tăng khả năng bayhơi ở nhiệt độ thấp của nhiên liệu

III.3.2 Ảnh hưởng của E85 đến tính kinh tế của nhiên liệu.

Mật độ năng lượng (energy density) trên một đơn vị khối lượng E85 chỉ tươngứng khoảng 68% so với xăng bình thường Tuy nhiên do E85 có tỉ trọng lớn hơn sovới xăng thường nên mật độ năng lượng có thể đạt đến 71% so với xăng trên một đơn

vị thể tích Do đó để đạt được cùng một mức năng lượng , giả sử rằng hiệu suất củađộng cơ là không đổi thì E85 phải sử dụng một lượng nhiên liệu gấp 1.4 lần so vớibình thường, nghĩa là lượng nhiên liệu tiêu hao khoảng 29%

Các phép thử thực nghiệm cho xe FFV cũng đã chứng minh rằng sự tổn thấttrung bình về tính kinh tế là khoảng 25% khi xe chạy trên đường cao tốc và cả trongđường thành phố (bảng III.6)

lại những lợi ích cho môi trường nên nó vẫn được sử dụng rộng rãi.

III.3.3 Ảnh hưởng của E85 đến môi trường

Một trong những động cơ chính cho việc sử dụng E85 là tính chất thân thiệncủa nó với môi trường E85 ít độc hại với môi trường và do chúng có nguồn gốc từnguồn nguyên liệu tái tạo được nên nó làm giảm đáng kể lượng khí gây hiệu ứng nhàkính

Việc xác định chính xác ảnh hưởng của E85 đến thành phần khí thải rất phứctạp Điều này còn phụ thuộc kết cấu động cơ và bộ điều chỉnh (calibration) Theo đánhgiá của cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) thì đối với động cơ dành riêng cho E85thì lượng chất thải độc hại thải ra môi trường giảm đáng kể, và các hydrocarbon kháckhi thải ra có hoạt tính giảm Tuy nhiên nó lại làm tăng lượng ethanol và acetaldehyde

ra môi trường.(Hình III.1)

City Fuel Economympg

HighwayFuelEconomympgFord

6cyl.3.3.L Auto

Regular

Hình III.1 Ảnh hưởng của E85 đến môi trường [9].

Ngoài ra trong các vấn đề về tồn chứa và bảo quản thì E85 an toàn hơn so vớixăng thông thường

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Alcoholic Fuels By Shelley Mineer Saint Louis Univeisity Missouri

[2] CIS_EO_Ethanol_Thesis_87917_7

[3] Outlook For Biomass Ethanol Production And Demand By Joseph Dipardo

[4] Mahy,H Szabo.C And Woods ,L 200 Proof Transportation:The Potential ForEthanolas An Alternative Fuel,University Of Washington,Global Commercialzation

Of Enviromential Technology ,ENVIR 550/BBUS 550

[5 ] Faiz,A., Weaver,C.S And Walsh,P.,Air Pollution From Motor Vehicles

,Standards And Technologies For Controlling Emission,The Wold Bank,1996

[6] Alternative Fuels Committee Pof The Engine Manufactures Association,ATechnical Assessment Of Alcohol Fuels, SAE 82026 Report To EnviromentAustralia, A Literature Review Based Assessment On The Impacr\Ts Of A 10% And20% Ethanol Gasoline Fuel Blend On Non-Automotive Engine, Orbital Company ,2002

[7] A Literature Review Based Assessment On The Impacts Of 10% Annd 20%Ethanol Gasole Fuel Blend On Non-Automotive Engines,Report To Australia,OrbitalCompany,2002

[8] Data Complied From Hansen,A.C.,Lye,P.W And Zhang,Q Asae Paper 604s.Aug,2001,Waterland,L.R.,Venkatesh,S,And Unnaseh,.,Report For EnergyCorperation Prepared At SRI Antonio,Tx,1999;Kass.M.D,.Thomas ,J,F.,Storey J.M Et

No.01-Al SAE Technical Paper 2001-01-2018.2001

[9] U.S Department Of Energy Http:// Www.Fueleconomy.Gov

[10] Ý kiến nhà khoa học: Nên dùng ethanol sinh học làm nhiên liệu,Nhandan.com.vn

[11] Nhiên liệu sinh học có thay xăng dầu? Vietnamnet.com.vn

[12] Ethanol Việt Nam, Nhandan.com.vn

[13] Lễ khởi công xây dựng nhà máy cồn Đại Tân, tuoitre.com.vn

[14] Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Chín khóa 2002

CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ETHANOL TỪ NGUỒN NGUYÊN LIỆU BIOMASS

Việc sản xuất ethanol từ các nguồn biomass của nhiều nước trên thế giớinhưng đối với Việt Nam thì đây là một vấn đề rất mới Hiện nay, nước ta chưa có mộtnhà máy nào sản xuất ethanol từ các nguồn Lignocellulosic biomass (tức là cácbiomass có thành phần chính là cellulose) Ethanol được sản xuất ở Việt Nam chỉ từcác nguồn nguyên liệu chứa tinh bột (gạo, ngô, sắn) và từ rỉ đường Việc nguyên cứuxây dựng nhà máy sản xuất ethanol từ nguồn biomass là một việc làm rất cần thiếtnhằm tận dụng được các phế phẩm từ ngành nông lâm nghiệp, tăng thu nhập cho nôngdân

Nước ta là một nước nông nghiệp nhiệt đới sở hữu hai đồng bằng lớn là đồngbằng Sông Hồng và đồng bằng sông Cửu Long Đây là vùng nguyên liệu lí tưởng chonhà máy

Về nguyên tắc ta có thể sản xuất ethanol từ bất cứ nguồn biomass chứa nào.Tuy nhiên để đảm bảo tính kinh tế và phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam, ta cóthể sử dụng những nguồn nguyên liệu như: rơm rạ, thân bắp, cỏ dại Đây là nguồnnguyên liệu rẻ tiền, tập trung phù hợp với việc xây dựng nhà máy sản xuất ethanolcông suất lớn

Về nguyên tắc, quá trình sản xuất ethanol từ các nguồn nguyên liệu chứacellulose cũng giống như từ tinh bột hay rỉ đường Nó bao gồm ba bước cơ bản:

Ngoài ra còn có thêm hai bước phụ là:

Sơ đồ tổng quan quá trình sản xuất ethanol từ cellulose:

Thuyết minh sơ đồ:

Nguyên liệu từ kho chứa được đưa đến vùng phân phối nguyên liệu để phânphối nguyên liệu cho nhà máy Sau đó, nguyên liệu được băm nghiền nhằm phá vỡ cấutrúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện thuận lợi để quá trình thủy phân diễn ra tốthơn, tăng hiệu suất quá trình Sau đó nguyên liệu được đưa đến vùng tiền xử lí Đầu

giải phóng đường hemicellulose và các hỗn hợp khác, tạo điều kiện tốt cho quá trình

enzyme để biến cellulose thành glucose rồi lên men glucose và các đường khác thànhethanol Men giống là chủng men Zymomonas mobils được nuôi trong những bể lớnyếm khí liên tiếp nhau đến khi đạt đủ số lượng vi sinh vật cho quá trình lên men Quátrình này được duy trì ở một điều kiện thích hợp (nhiệt độ, áp suất, pH, dinh dưỡng) đểđảm bảo nấm men hoạt động tốt nhất Sau vài ngày, hầu hết cellulose và xylosechuyển thành ethanol

Hỗn hợp sau khi lên men gọi là giấm chín được đưa đến giai đoạn tinh chế sảnphẩm bao gồm chưng cất, tách nước, bốc hơi, phân tách lỏng rắn Sản phẩm là ethanol99,5% được đưa đến bể chứa Nước thải từ giai đoạn này sau khi xử lí cho hồi lưu lại

trình xử lí nước thải làm nguyên liệu cho lò hơi để sản xuất hơi nước hay sản xuất điệnnăng

I.1 Chuẩn bị nguyên liệu.

I.1 1 Mục đích.

Rửa sạch nguyên liệu đồng thời băm, nghiền nhỏ nguyên liệu nhằm phá vỡcấu trúc màng tế bào thực vật, tạo điều kiện thuận lợi để quá trình thủy phân diễn ra tốthơn, tăng hiệu suất quá trình

I.1.2 Sơ đồ khối của quá trình chuẩn bị nguyên liệu

I.1.3 Thuyết minh sơ đồ

Nguyên liệu (rơm, thân ngô, cỏ…) từ kho chứa được đưa đến bàn cân rồi choqua bộ phận đánh tơi Sau đó, nguyên liệu tiếp tục đưa đến bàn rửa sạch bằng nước đểloại bỏ các chất bẩn trước khi đi qua bộ phận băm thô Để bảo vệ trục máy nghiền, mộtthiết bị khử từ đặt sau bộ phận băm thô nhằm loại bỏ các mảnh kim loại Sau đónguyên liệu tiếp tục cho qua máy nghiền để nghiền nhỏ nguyên liệu trước khi đưa đitiền thuỷ phân

Nước bẩn sau khi rửa được bơm qua hệ thống lắng Nước sạch được hồi lưulại quá trình Nước bẩn ở đáy bể lắng bơm qua thiết bị phân tách lỏng rắn hoạt độngnhờ áp lực của dòng khí nén Phần rắn được đưa đi đốt để sản xuất hơi nước hay điệnnăng, nước bẩn cho quay lại bể lắng

II.2 Tiền xử lí

II.2.1 Mục đích

Mục đích của giai đoạn này là chuyển hầu hết hemicellulose thành đường hoàtan (chủ yếu là: xylose, manose, arabinose, galactose) Glucan trong hemicellulose vàmột phần nhỏ cellulose được chuyển thành glucose

Nước bẩn

TB lắngNén

NL

Bể chứa nước sạchRắn

II.2.2 Sơ đồ khối của quá trình tiền xử lý

II.2.3 Thuyết minh sơ đồ

Nguyên liệu sau khi đã băm nghiền kĩ được đưa vào thiết bị phản ứng tiền

Bảng III.1: Điều kiện trong thiết bị phản ứng tiền thuỷ phân [1]

Bể chứa acide

TBPƯ tiền thủy

TB phân tách lỏng rắn

TB trung hòa

Đi xử lí nước thải

TB phân phối vôiNước hồi lưu

Đi đường hóa

Vậy trong thiết bị phản ứng tiền thủy phân, hầu hết hemicellulose đã chuyểnthành đường hoà tan (chủ yếu là: xylose, manose, arabinose, galactose) Glucan tronghemicellulose và một phần nhỏ cellulose được chuyển thành glucose Trong quá trìnhnày, một phần nhỏ lignin cũng được hoà tan Ngoài ra, acide acetic cũng được giảiphóng từ sự thuỷ phân hemicellulose Pentose và hexose cũng được hình thành.

Sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng tiền thuỷ phân được giảm áp độtngột từ 12,1 atm đến 1 atm Vì áp suất giảm nhanh nên sẽ bốc hơi một lượng lớn nước,acide acetic, furfural và HMF (Hydroxymethyl Furfural) với khoảng 7.8% acide acetic

và 61%HMF và furfural Việc tách furfural và HMF ra khỏi hỗn hợp sản phẩm là cólợi vì đây là những chất độc hại ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật trong quátrình lên men Nhiệt của hỗn hợp khí trên được tận dụng để đun nóng hỗn hợp giấm

thải

Sau khi lưu trong thiết bị giảm áp đột ngột 15 phút, hỗn hợp lỏng rắn (chứa21% rắn) đưa qua thiết bị phân tách lỏng rắn hoạt động nhờ áp lực của dòng khí nénvới áp suất bằng 125 psig Phần lỏng sẽ tiếp tục cho qua bộ phận trung hoà bằng dung

cho vào thùng chứa Tại đây chúng sẽ được hoà trộn và bổ xung thêm một lượng nướcnhất định làm nguyên liệu cho quá trình đường hoá

Kết quả nghiên cứu của các kỹ sư “Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo HoaKỳ” (National Renewable Energy Laboratory-NREL) chỉ ra điều kiện tối ưu trong

thiết bị phản ứng tiền thủy phân ở nhiệt độ cao và môi trường acide Dựa vào kết quả

bị trong 1 năm là 20mils (1mil=1/1000inch) Đây là hệ số ăn mòn chấp nhận được

liệu và độ ăn mòn của thiết bị là tối ưu

II.3 Đường hoá và lên men

II.3.1 Mục đích

Đây là công đoạn chính của quá trình, mục đích của công đoạn này là đườnghoá cellulose thành glucose nhờ enzyme và lên men glucose và các đường khác (sinh

ra từ quá trình tiền xử lí bằng acide loãng) thành ethanol nhờ vi sinh vật

I.3.2 Sơ đồ công nghệ quá trình đường hóa và lên men

II.3.3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ quá trình đường hóa và lên men

Sau khi tiền thủy phân, nguyên liệu được sát trùng để loại bỏ tạp khuẩn rồi phaloãng đến nồng độ 20% tổng lượng rắn bao gồm cả dòng cellulase được hòa trộn vàotrước khi đưa vào thùng đường hóa Lượng enzyme cho vào được xác định bằng hàmlượng cellulose có trong nguyên liệu và mục tiêu của độ chuyển hóa cần đạt được cùngvới thời gian lưu trong thiết bị đường hóa và men

Cellulase được dùng để đường hóa cellulose được mua từ các nhà sản xuấtenzyme Chúng được pha loãng, thanh trùng rồi mới sử dụng Enzyme này là tập hợpcủa nhiều enzyme bao gồm:

để giảm kích thước của chúng

tăng tốc độ thủy phân cellulose

Một vài vi khuẩn và nấm men tự nhiên sản sinh ra enzyme này Hiện naytrên thế giới cũng có nhiều nhà máy sản xuất loại enzyme này trong đó đáng kể nhất làGenencor International và Novozymes Biotech Đây là hai nhà máy sản xuất enzymenổi tiếng nhất trên thế giới với nhiều chủng men chuyển glucose thành ethanol chohiệu quả cao

nước áp suất thấp Đây là nhiệt độ tốt nhất cho quá trình đường hóa Quá trình đườnghóa diễn ra trong nhiều thùng (thường là 5 thùng) có cánh khuấy với thời gian lưu tổngcộng là 36h Nhiệt độ của thùng đường hóa được giữ ổn định bằng cách sử dụng bơm

ly tâm 3 và thiết bị trao đổi nhiệt 4 (lưu chất làm lạnh là nước) để hồi lưu một phầndịch đường đã làm lạnh về thùng đường hóa Hiện nay người ta đang tập trung nghiêncứu để tăng khả năng chịu nhiệt của enzyme để tăng tốc độ cho quá trình