Tiểu luận môn học hóa môi trường nhiên liệu hóa thạch

Nhiên liệu hóa thạch fossil fuel là tên gọi chung cho những nhiên liệu cónguồn gốc hóa thạch nằm ở trong lớp vỏ Trái Đất, gồm những hợp chất có tỉ lệ cácnguyên tố C/H trong phân tử khác

KHOA MÔI TRƯỜNG -  -

TIỂU LUẬN MÔN HỌC HÓA MÔI TRƯỜNG

NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH

TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 5 năm 2014

STT Họ tên MSSV Công việc

M C L C:ỤC LỤC: ỤC LỤC:

1 Tổng quan về vấn đề năng lượng và nhiên liệu hóa thạch 4

2 Các loại nhiên liệu hóa thạch và tác động môi trường trong quá trình khai thác, chế biến và sử dụng chúng 5

2.1.Than đá (coal) 5

2.1.1 Thế nào là than đá? 5

2.1.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành than đá 5

2.1.3 Thành phần của than đá 6

2.1.4 Trữ lượng than đá trên thế giới 6

2.1.5 Vai trò của than đá 6

2.1.6 Tác động môi trường của việc sử dụng than đá 7

2.2 Dầu mỏ (petroleum) 8

2.2.1 Thế nào là dầu mỏ? 8

2.2.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành dầu mỏ 8

2.2.3 Thành phần của dầu mỏ 9

2.2.4 Trữ lượng và nhu cầu dầu mỏ 10

2.2.5 Vai trò của dầu mỏ 10

2.2.6 Tác động môi trường trong quá trình khai thác, chế biến và sử dụng dầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ 11

2.3 Khí thiên nhiên 12

2.3.1 Khí thiên nhiên là gì? 12

2.3.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành 12

2.3.3 Thành phần của khí thiên nhiên 13

2.3.4 Trữ lượng và nhu cầu 13

2.3.5 Vai trò của khí thiên nhiên 14

2.3.6 Tác động môi trường của khí thiên nhiên 14

3 Những biện pháp giảm thiểu ô nhiễm _ Những nguồn năng lượng mới 15

3.1 Áp dụng những kỹ thuật mới để tăng hiệu suất sử dụng 15

3.1.1 Than đá 15

3.1.2 Dầu mỏ 16

3.1.3 Khí đốt 16

3.2 Năng lượng xanh 16

3.2.1 Thủy năng 17

3.2.2 Năng lượng gió 18

3.2.3 Năng lượng mặt trời 20

3.2.4Nhiên liệu sinh học (biofuel) 22

4 Tổng kết 25

5 Tài liệu tham khảo 26

1 Tổng quan về vấn đề năng lượng và nhiên liệu hóa thạch

Lịch sử đã chứng minh, năng lượng có vai trò quyết định đến sự phát triển của

xã hội loài người Quốc gia nào giàu có về năng lượng và tự chủ được năng lượng,quốc gia đó sẽ có điều kiện rất lợi để phát triển kinh tế

Nguồn năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng quan trọng nhất cho đến hiệnnay, cung cấp trên 80% năng lượng sơ cấp của thế giới Năm 2005, trừ các sinh khốitruyền thống, nhiên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất là dầu mỏ (35%), than đá(25%), khí thiên nhiên (21%)

Tuy nhiên, trữ lượng của các nguồn nhiên liệu hóa thạch là có hạn Và vấn đề

an ninh năng lượng thế giới đang bị đe dọa khi chúng ta đang phải đối diện với nguy

cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu này trong tương lai không xa

Nhiên liệu hóa thạch (fossil fuel) là tên gọi chung cho những nhiên liệu cónguồn gốc hóa thạch nằm ở trong lớp vỏ Trái Đất, gồm những hợp chất có tỉ lệ cácnguyên tố C/H trong phân tử khác nhau, từ giá trị thấp như methan (CH4) ở thể khíđến dầu mỏ ở thể lỏng và cuối cùng là đến những khoáng vật hầu như chỉ chứa carbon

là than antracit Được tạo thành bởi quá trình phân hủy kỵ khí của các sinh vật chết bịchôn vùi trong lòng đất dưới áp suất và nhiệt độ cao, qua thời gian lâu dài có thể đếnhàng trăm triệu năm Nhiên liệu hóa t

hạch là nguồn tài nguyên không tái tạo được

2 Các loại nhiên liệu hóa thạch và tác động môi trường trong quá trình khai thác, chế biến và sử dụng chúng

2.1.Than đá (coal)

2.1.1 Thế nào là than đá?

Than đá là một loại nhiên liệu hóa

thạch, được hình thành ở các hệ sinh thái đầm lầy,

nơi xác thực vật được nước và bùn lưu giữ không

bị oxi hóa và phân hủy bởi sinh

vật (biodegradation)

(http://vi.wikipedia.org/wiki/Than_

%C4%91%C3%A1)

Hình 2.1: Than đá

2.1.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành than đá

- Nguồn gốc: than đá có nguồn gốc từ thực vật

Tóm tắt quá trình: chất hữu cơ (thực vật) => peat (than bùn) => lignite (thannâu)=> sub-bituminous (than mỡ non) => bituminuos (than mỡ) => than anthracite.Trong đó, than anthracite là than cứng nhất và có hàm lượng carbon cao nhất

2.1.3 Thành phần của than đá

Trong than đá, nguyên tố carbon chiếm phần lớn Hiện nay, người ta đã tìn thấy

76 nguyên tố có mặt trong than, chủ yếu là các nguyên tố C, H, O, N, S Các nguyên tố

có hàm lượng ít hơn là: Fe, Si, Mg, Ca, Mn, P, K, Ngoài ra, còn có các nguyên tố ởdạng vết: selenium, thủy ngân, arsen, cadmium,

Trong quá trình hình thành than, một số nguyên tố kết hợp với nhau tạo thànhkhoảng 120 loại khoáng vật, như khoáng thạch anh, khoáng đất sét, pyrite (FeS2),calcite,

2.1.4 Trữ lượng than đá trên thế giới

Bảng 2.1: Trữ lượng than trên thế giới(World energy Council 2010, BP Statistical Review, 2011)Châu lục Trữ lượng, triệu tấn Tỉ lệ, % Tỉ sô R/P, năm

( Nguồn: Năng lượng xanh _ Ngô Đăng Nghĩa, trang 38)Trữ lượng than đá hiện nay trên thế giới ước tính khoảng 860 triệu tấn và cómặt trên 100 quốc gia, nhiều nhất là Hoa Kì (22%), tiếp đến là Nga và Trung Quốc

Tỉ số trữ lượng trên sản lượng, R/P ( Reserved-to-production ratio) cho ta biếtthời gian khai thác còn lại của nguồn lợi đó nếu tiếp tục khai thác chúng với tốc độhiện tại Như vậy, con người chỉ có thể khác thác than trong vòng hơn một thế kỉ nữa(118 năm)

Tổng lượng tiêu thụ than trên thế giới khoảng 6,75 tỉ tấn vào năm 2006 và ướctình tăng đến 9,98 tỉ tấn vào năm 2030

Theo Hội đồng Năng lượng quốc tế WEC năm 2010, sản lượng than của ViệtNam là 150 triệu tấn (chủ yếu là than antraxit), thấp hơn rất nhiều so với các báo cáotrước đó Như vậy, với các dự án nhà máy nhiệt điện than hiện nay thì đến năm 2020nước ta sẽ phải nhập khẩu than để đảm bảo nhu cầu tiêu thụ trong nước

2.1.5 Vai trò của than đá

Than đá được sử dụng rất phổ biến trong đời sống và sản xuất Trước đây, thandùng làm nhiên liệu cho máy hơi nước, đầu máy xe lửa và sưởi ấm than đá được sửdụng phổ biến khi động cơ máy hơi nước ra đời

Ngày nay, than đá chủ yếu dùng làm nhiên liệu để sản xuất điện, luyện kim, vàcác ngành công nghiệp khác Khoảng 40% năng lượng điện trên thế giới được sản xuất

từ than đá Ngoài ra, chúng còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành hóa học như:dược phẩm, chất dẻo, sợi nhân tạo, phân bón,… Ngoài ra, do có tính chất hấp phụ cácchất độc, than còn được sử dụng để chế tạo mặt nạ phòng độc, lọc nước,…

2.1.6 Tác động môi trường của việc sử dụng than đá

Quá trình khai thác và chế biến than có ảnh hưởng rất lớn đối với hệ sinh thái

và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng đặc biệt là nguồn nước

Việc đốt than gây ra rất nhiều tác động xấu đến môi trường Sản phẩm của quátrình đốt than rất phức tạp, bao gồm phần rắn và phần bay hơi (chủ yếu là CO2) VD:Khoáng pyrite (FeS2) khi cháy tách ra thành lưu huỳnh và sắt, sắt kết hợp với oxygenthành oxide sắt nằm ở phần rắn, còn lưu huỳnh khi kết hợp với oxygen thành SOx bayvào khí quyển.Một số nguyên tố như selenium, thủy ngân, cũng bay hơi theo sảnphẩm cháy Ngoài ra, còn có một lượng tro bụi cũng bay vào khí quyển

Khi dùng than làm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện, mỗi kg than khi đốt cháy,

ta thu được khoảng 2 kWh điện, với hiệu suất suất rất thấp khoảng 30 - 40% Về mặtmôi trường, mỗi kg than thương mại (có hàm lượng carbon ít nhất 70%), sinh ra 2,93

kg khí carbonic Như vậy, mỗi kWh điện sản xuất ra tương ứng với sự phát thải 1,47

kg khí carbonic Điều này chứng tỏ than đá là nguồn thải khí CO2 lớn nhất, là nguyênnhân hàng đầu gây nên hiện tượng nóng lên toàn cầu

Ngoài ra, khi than bị đốt cháy sẽ sinh ra hàm lượng lớn khí SOx, NOx, lànguyên nhân gây mưa acid

Hình 2.4: Ô nhiễm không khí do đốt than ở Trung Quốc

(http://www.khoahoc.com.vn/doisong/moi-truong/tham-hoa/47402_than-da-ke-tan-pha-moi-truong-lon-nhat.aspx)

2.2 Dầu mỏ (petroleum)

2.2.1 Thế nào là dầu mỏ?

Dầu mỏ là hỗn hợp các hydrocarbon với phân tử lượng

khác nhau cùng với các hợp chất hữu cơ khác

Là một chất lỏng sánh đặc, có màu nâu hoặc ngã lục

Hình 2.5: Dầu thô Việt Nam

2.2.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành dầu mỏ

Hình 2.6: Quá trình hình thành dầu mỏ

Có nhiều giả thuyết được đưa ra để giải thích sự hình thành dầu mỏ, nhưng giảthuyết phổ biến và được đông đảo các nhà khoa học đồng thuận là thuyết sinh vật học(thuyết nguồn gốc hữu cơ)

Theo lý thuyết này, dầu mỏ được tạo thành từ các vật liệu còn sót lại sau quátrình phân rã xác các động vật và tảo biển nhỏ thời tiền sử trong các đại dương, dầndần lắng đọng tạo nên một lớp vật chất hữu cơ Lớp vật chất hữu cơ này bị chôn sâudưới lớp trầm tích dày trải qua hàng chục, hàng trăm triệu năm dưới tác dụng của nhiệt

độ và áp suất được chuyển hóa thành các hydrocarbon, là tiền thân của dầu

Dầu được sinh ra rải rác trong các lớp đá trầm tích, nhưng phải tìm nơi "trú ẩn"bằng cách "di cư" qua các tầng đá Chúng xâm nhập lên phía trên thông qua các lớp đángay sát đó cho tới khi chúng bị rơi vào "bẫy dầu" bên dưới những tảng đá không thểngấm qua Bẫy dầu là những khối đá rỗng xốp, dầu có thể vào được mà không ra được

do có tầng đá chắn hoặc nút muối Sự tập trung dầu bên trong một bẫy dầu hình thànhnên một giếng dầu, từ đó dầu lỏng có thể được khai thác bằng cách khoan và bơm

2.2.3 Thành phần của dầu mỏ

Dầu mỏ là hỗn hợp của nhiều hydrocabon: alkan (paraffin), cycloalkan và cáchydrocarbon vòng thơm Ngoài ra còn có nitrogen, oxygen, lưu huỳnh,… Hàm lượngcarbon (>80%), hydrogen (10 – 14%), lưu huỳnh (0,05 – 6%),…

Các thành phần hóa học của dầu mỏ được chia tách bằng phương pháp chưngcất phân đoạn

Hình 2.7: Quá trình chưng cất phân đoạn dầu mỏ(Năng lượng xanh _ Ngô Đăng Nghĩa, trang 43)

2.2.4 Trữ lượng và nhu cầu dầu mỏ

Bảng 2.2: Trữ lượng xác minh dầu mỏ trên thế giới(Theo BP Statistical Review of World Energy, June 2010)

Châu lục lượng, tỉTrữ

tấn

Tỉ lệ so vớitoàn cầu, % Tỉ số R/P ,năm

Tỉ lệ sảnlượng so vớitoàn cầu, %

Nhu cầu tiêu thụ dầu mỏ có xu hướng tăng dần, năm 2008 là 88,6 triệuthùng/ngày, năm 2012 là 89,9 triệu thùng Nhu cầu lớn nhất là Bắc Mỹ, châu Âu,Trung Quốc,…

2.2.5 Vai trò của dầu mỏ

Dầu mỏ có vai trò rất quan trọng trong đời sống hiện nay, là loại nhiên liệu hóathạch được sử dụng phổ biến nhất

Dầu mỏ được sử dụng chủ yếu để sản xuất nhiên liệu và cung cấp cho ngànhcông nghiệp hóa dầu Trước đây, dầu mỏ còn được dùng để sản xuất điện

Những ứng dụng thường gặp của dầu mỏ là: làm nhiên liệu cho các phương tiệngiao thông, nhựa đường, chất dẻo, sợi vải tổng hợp, thuốc (aspirin, ), tấm pin mặttrời, mỹ phẩm, sáp màu, kẹo cao su,…

Hình 2.8: Một số ứng dụng của dầu mỏ trong đời sống (Nguồn: Internet)

2.2.6 Tác động môi trường trong quá trình khai thác, chế biến và sử dụng dầu mỏ

và các sản phẩm từ dầu mỏ

Việc khai thác và vận chuyển dầu tiềm ẩn nhiều nguy cơ như tràn dầu do chìmtàu, rò rỉ đường ống, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến biển và bờ biển, ảnh hường lớnđến nguồn lợi thủy sản và nguy hại đến sức khỏe con người Đặc biệt dầu có thể thấmvào đất gây ô nhiễm nước ngầm

Hình 2.9: Thảm họa tràn dầu Deepwater Horizon ở vịnh Mexico (2010)

(Nguồn: mexico-mot-nam-sau-tham-hoa-tran-dau.aspx)

http://www.khoahoc.com.vn/doisong/moi-truong/tham-hoa/32701_vinh-Quá trình đốt cháy nhiên liệu từ dầu mỏ trong các động cơ đốt trong sẽ cho ra khí CO2, H2O, N2 Tuy nhiên, do động cơ không hoàn hảo, khí thải sẽ chứa nhiều nhiên liệu chưa cháy là hydrocarbon, sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn là

CO, sản phẩm của nhiệt độ và áp suất cao trong buồng đốt là các hợp chất chứa N là NOx, cũng CO2 và hơi nước Khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, còn các hợp chất CO, NOx là các chất khí gây nguy hại cho con người

+ Tác hại của NOx

Trong tầng đối lưu, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, NOx có thể phản ứng tạo thành khi O3 ở gần mặt đất

NO2 + hv => NO + O

O + O2 + M => O3 + M

Ozone đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thu bức xạ có hại từ mặt trời nhưng khi ở tầng đối lưu lại chất có hại: là khí nhà kính, ảnh hưởng đến sức khỏe con người,

Ngoài ra, khí NOx có thể kết hợp với các hợp chất hữu cơ trong không khí tạo

ra aldehyde , PAN gây sương mù quang hóa

2.3.2 Nguồn gốc và quá trình hình thành

- Nguồn gốc: Khí thiên nhiên có nguồn gốc từ dầu mỏ

- Quá trình hình thành: Dầu mỏ ban đầu là hỗn hợp của các hydrocarbon có phân tửlượng lớn, mạch carbon chứa từ 30 - 40 nguyên tử carbon, khi chìm sâu trong lòng đấtvới áp suất lớn và nhiệt độ tăng, các phân tử bị cắt mạch thành các phân tử nhỏ hơn

Do dó các mỏ dầu nằm càng sâu thì dầu càng ít và khí càng nhiều hơn Cuối cùng, khitất cả dầu bị phân cắt thành các phân tử nhỏ, ta có các mỏ khí hoàn toàn

Hình 2.10: Quá trình hình thành khí thiên nhiên(Nguồn: http://www.ems.psu.edu/~pisupati/ACSOutreach/Natural_Gas.html)

2.3.3 Thành phần của khí thiên nhiên

Mặc dầu methan là thành phần chính, nhưng trong khí thiên nhiên còn có các hydrocarbon nhẹ khác là ethan, propan, butan, pentan với thành phần giảm dần theo số

C trong phân tử Khí thiên nhiên cũng chứa những cấu tử không hydrocarbon

Bảng 2.3: Thành phần điển hình của các khí thiên nhiên

Các khí trơ (Ar, He, Ne, Xe) Vết

(Năng lượng cho thế kỷ 21_Những thách thức và hành động,

Hồ Sĩ Thoảng – Trần Mạnh Trí, trang 47)

2.3.4 Trữ lượng và nhu cầu

Bảng 2.4: Trữ lượng xác minh của khí thiên nhiên trên thế giới

(Theo BP Statistical Review of World Energy, June 2010)

Châu lục Trữ lượng, ngàntỉ mét khối toàn cầu, %Tỉ lệ so với lượng, R/P ratio, nămTỉ số Trữ lượng/ sản

Châu Á - Thái Bình

2.3.5 Vai trò của khí thiên nhiên

Trước đây, khí đồng hành hay bị đốt bỏ vì không có phương tiện vận chuyển,tồn trữ hoặc do không có lợi về mặt kinh tế

Ngày nay, khí thiên nhiên được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện,trong các ngành công nghiệp và trong dân dụng (đun nấu, sưởi ấm,…)

Khí thiên nhiên có thể được vận chuyển bằng đường ống xa hàng ngàn kilômet.Tuy vậy, trước khi vận chuyển ở áp suất cao, người ta phải tách các khí có phân tử lớn

là propan, butan ra khỏi hỗn hợp khí để tránh ngưng tụ các khí đó trong đường ống,chỉ còn lại methan và ethan Các khí tách ra được hóa lỏng được bán dưới dạng lỏngcũng để làm khí đốt

2.3.6 Tác động môi trường của khí thiên nhiên

Khi khai thác dầu mỏ, khí đồng hành thường được đốt trực tiếp ngay tại giànkhoan, gây phát thải khí CO2 rất trầm trọng và vô ích

Các sự cố rò rỉ đường ống dẫn khí có thể gây hậu quả nghiêm trọng

Khí thiên nhiên khi cháy, tạo ra CO2 gây hiệu ứng nhà kính nhưng so với than

đá và dầu mỏ thì đây là nguồn ít gây ô nhiễm nhất

3 Những biện pháp giảm thiểu ô nhiễm _ Những nguồn năng lượng mới

Biện pháp sơ đẳng nhất là giảm lượng NLHT sử dụng nhưng không làm tổn hạiđến sự phát triển kinh tế của thế giới, bằng cách:

- Áp dụng những kỹ thuật mới để tăng hiệu suất sử dụng

- Sử dụng các nguồn năng lượng mới để thay thế

3.1 Áp dụng những kỹ thuật mới để tăng hiệu suất sử dụng

3.1.1 Than đá.

 Tăng hiệu suất nhà máy nhiệt điện.

- Công nghệ trong tương lai phải đáp ứng yêu cầu cơ bản là hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và có chi phí đầu tư hợp lý Hiệu suất cao một mặt làm giảm tiêu hao nhiên liệu, mặt khác làm giảm lượng phát thải các chất ô nhiễm ra môi trường Vấn đề môi trường đang đòi hỏi các nhà máy điện đốt than phải áp dụng các

kỹ thuật và thiết bị hạn chế các chất phát thải độc hại như NOX, SO2, bụi và thu giữ CO2

- Hiện nay, phần lớn các nhà máy nhiệt điện đều dùng kỹ thuật than phun

có hiệu suất khoảng 35% đối với các đơn vị mới xây

- Lò hơi đốt than phun là công nghệ đã rất phát triển và đang là nguồn sản xuất điện năng chủ yếu trên thế giới Than được nghiền mịn và được đốt cháy trong buồng lửa lò hơi Nhiệt từ quá trình đốt cháy sẽ gia nhiệt cho nước và hơi trong các dàn ống và thiết bị bố trí trong lò hơi Công nghệ này trong tương lai vẫn sẽ là một lựa chọn ưu thế cho các nhà máy điện Hiệu suất phát điện dự kiến khoảng 50-53% vào năm 2020 và 55% vào năm 2050

(http://www.ptc1.com.vn/websitedonvi/ehb/tintuc/doc.asp?

Act=5&CatID=32&NewsID=94&tab=)

- Người ta cũng xây dựng ngày càng nhiều các nhà máy siêu tới hạn có nhiệt độnồi hơi 6000C dười áp suất 280 bar và có hiệu suất lên đến 42%.Ở Đan Mạch, cácnhà máy chạy than siêu tới hạn đã đạt đến hiệu suất 50%, do có hiệu suất sử dụngnăng lượng tăng cao, nhiệt tiêu hao và CO2 thải ra nhờ đó giảm đi đáng kể

 Kỹ thuật chuyển than đá sang dạng lỏng.

Áp dụng công nghệ chuyển hoá than thành dạng chất đốt lỏng Điều này giúpcho than có thể được tận dụng trở thành lựa chọn thay thế cho dầu vì không có lưuhuỳnh, mật độ hạt thấp và ít oxit nitơ Chất đốt dạng lỏng chiết xuất từ than có thể sửdụng trong vận tải, nấu nướng, cung cấp điện văn phòng và trong công nghiệp hoáchất Tại Nam Phi, 30% lượng xăng dầu được chế tạo từ nguồn than trong nước Đốivới các công trình hoá lỏng than, kỹ thuật này là một phương pháp rất hiệu quả trongviệc giải quyết các vấn đề về lượng khí thải CO2 Trong trường hợp sử dụng đồng thờithan và khí tự nhiên, kết hợp với than hóa lỏng, khí gây hiệu ứng nhà kính được phátthải trong toàn bộ quá trình sử dụng có thể thấp hơn 1/5 so với tiêu chuẩn