quy trình tổng hợp nhiên liệu sinh học bio hydrofined diesel từ nguyên liệu mỡ cá bằng phương pháp hydro có xúc tác đồ án tốt nghiệp

Tuy nhiên sản phẩm của quá trình này có nhiều nhược điểm, đặc biệt là độ nhớt và điểm đông đặc cao [6-8], không thỏa mãn các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu sử dụng trong động

Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Hóa Học & CN Thực Phẩm Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BỘ MÔN KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

HỌ VÀ TÊN PHAN VĂN BÁU MSSV 1052010016

NGÀNH CÔNG NGHỆ KTHH CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU LỚP DH10H1

1 Đề tài luận văn:

QUY TRÌNH TỔNG HỢP NGUYÊN LIỆU SINH HỌC BIO HYDROFINED DIESEL TỪ NGUYÊN LIỆU MỠ CÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HYDRO CÓ XÚC TÁC

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

- Nghiên cứu tổng hợp, đánh giá, lựa chọn xúc tác có hoạt tính nhằm nâng cao hiệu suất quá trình tổng hợp BHD từ mỡ cá

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: ………

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ………

5 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

a/ PGS.TS Huỳnh Quyền Toàn luận văn b/Ths Thiều Quang Quốc Việt Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

Ngày … tháng … năm 2014 Ngày … tháng … năm 2014

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN:

Người duyệt (chấm sơ bộ):

LỜI CAM ĐOAN 

Em xin cam đoan rằng đây là đồ án của em, có sự hướng dẫn, giúp đỡ từ Giảng viên PGS.TS Huỳnh Quyền, Ths.Thiều Quang Quốc Việt Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chính do bản thân em làm được trong quá thí nghiêm Các thông tin thứ cấp được sử dụng trong đồ án là có nguồn gốc, được trích dẫn rõ ràng và tuân thủ các nguyên tắc Ngoài ra, đề tài còn

sử dụng một số nhận xét đánh giá cũng như số liệu của các tác giả, cơ quan tổ chức khác và cũng được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình

TP.HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2014 SVTH

Phan Văn Báu

LỜI CẢM ƠN

- -

Trước tiên em xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Thầy Giáo PGS.TS Huỳnh Quyền đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn Ths Thiều Quang Quốc Việt đã giúp đỡ, chỉ bảo em tận tình trong quá trình làm luận văn, đồng thời em xin cảm ơn quý Thầy, quý Anh đang làm việc Trung Tâm Nghiên Cứu Lọc Hóa Dầu(RPTC) – Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn quý Thầy, Cô bộ môn khoa hóa học và công nghệ thực phẩm – Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu đã tạo điều kiện cho em được học tập, nghiên cứu và trau dồi cho em những kiến thức nền tảng vững chắc trong suốt thời gian theo học tại Trường Đại Học Bà Rịa-Vũng Tàu

Xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong hội đồng chấm luận văn đã dành chút thời gian của mình để đọc và đưa ra các nhận xét quý báu giúp em hoàn thiện hơn luận văn này

Và sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến gia đình và bạn bè, những người luôn động viên, giúp đỡ em trong cuộc sống

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU……… 1

1.1 Đặt vấn đề……… 1

1.2 Sự cần thiết của đề tài……… 2

1.3 Mục tiêu của đề tài……… 2

1.4 Nội dung nghiên cứu……… 3

1.5 Phương pháp nghiên cứu……… 3

1.6 Kết quả đạt được và vấn đề tồn tại……… 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN……… 4

2.1 Tình hình nguồn năng lượng trên thế giới và Việt Nam……… 4

2.1.1 Trên thế giới……… 4

2.1.2 Ở Việt Nam……… 10

2.2 Tổng quan về nhiên liệu Diesel (DO)……… 17

2.2.1 Nhiên liệu Diesel (DO)……… 17

2.2.2 Động cơ diesel……… 21

2.3 Tổng quan về nhiên liệu sinh học (NLSH)……… 25

2.3.1 Khái niệm……… 25

2.3.2 Phân loại……… 25

2.4 Tổng quan về Biodiesel……… 27

2.4.1 Khái niệm……….27

2.4.2 So sánh chất lượng của biodiesel và diesel khoáng……… 27

2.4.3 Ưu nhược điểm của biodiesel……… 28

2.4.4 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel……… 29

2.4.5 Các phương pháp tổng hợp biodiesel……… 31

2.5 Tổng quan về Bio-Hidrofined-Diesel (BHD) hay Biodiesel thế hệ thứ 2 32

2.5.1 Giới thiệu chung……… 32

2.5.2 Thành phần và tính chất của BHD……… 32

2.5.3 Cơ sở lý thuyết phản ứng tổng hợp BHD……… 33

2.5.4 Tóm tắt các nghiên cứu tổng hợp BHD trên thế giới và Việt Nam… 36

2.6 Tổng quan về nguồn nguyên liệu……… 37

2.6.1 Giới thiệu về dầu thực vật……… 37

2.6.2 Thành phần hóa học của dầu thực vật……… 38

2.6.3 Tính chất hóa lí cơ bản của dầu thực vật……… 39

2.6.4 Tính chất hóa học……… 41

2.6.5 Các chỉ tiêu quan trọng của dầu thực vật……… 43

2.6.6 Mỡ cá ba sa :……… 43

2.6.7 Tiền năng nguồn nguyên liệu trên thế giới và Việt Nam……… 46

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 48

3.1 Phản ứng tổng hợp BHD………48

3.1.1 Phản ứng hydrodeoxygenation (HDO) :……… 48

3.1.2 Xúc tác :……… 48

3.1.3 Sản phẩm :……… 50

3.2 Tổng hợp xúc tác……… 50

3.2.1 Thiế bị và hóa chất sử dụng……… 51

3.2.2 Quy trình tổng hợp xúc tác……… 51

3.2.3 Kiểm tra hiệu quả quá trình tổng hợp xúc tác……… 52

3.3 Thực nghiệm tổng hợp BHD……… 54

3.3.1 Thiết bị phản ứng……… 54

3.3.2 Tiến hành thí nghiệm……… 55

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ, CHỌN XÚC TÁC BIẾN TÍNH VÀ BÀN LUẬN……… 58

4.1 Kết quả nghiên cứu xúc tác……… 58

4.1.1 Phổ XRD của xúc tác CoMo/ γ-Al 2 O 3 ……… 58

4.1.2 Phổ RXD của xúc tác CoMo/TiO 2 ……… 60

4.2 Kết quả thí nghiệm tổng hợp BHD……… 63

4.2.1 Thí nghiệm phản ứng không xúc tác……… 63

4.2.2 Thí nghiệm phản ứng với xúc tác CoMo/ γ-Al 2 O 3 64

4.2.3 Thí nghiệm phản ứng với xúc tác CoMo/ TiO 2 ……… 67 4.2.4 Thí nghiệm phản ứng với xúc tác CoMo/ ZrO 3 68 4.2.5 Thể tích sản phẩm thu được sau phản ứng và sau khi chưng……… 70

4.3 Biến tính xúc tác……… 74

4.3.1 Biến tính xúc tác với kim loại Cu……… 74 4.3.2 Biến tính xúc tác với kim loại Ni……… 76 4.3.3 Thể tích sản phẩm thu được sau phản ứng và sau khi chưng………… 80

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 84

5.1 Kết luận……… 85 5.2 Kiến nghị……… 86

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing and Materials

GC_MS Gas Chromatography Mass Spectrometry

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở Việt Nam và TP.HC……… 10

Bảng 2-2 Nhu cầu tổng thể và khả năng đáp ứng các loại năng lượng sơ cấp… 15

Bảng 2-3 Mức tiêu thụ dầu diesel ở Việt Nam (ngàn tấn/năm) ……… 16

Bảng 2-4 Các chỉ tiêu của dầu diesel ở Việt Nam……… 20

Bảng 2-5 Các chỉ tiêu của dầu diesel ở một số nước lân cận……… 21

Bảng 2-6 Hàm lượng khí thải từ động cơ diesel……… 24

Bảng 2-7 So sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học……… 26

Bảng 2-8 So sánh chất lượng của biodiesel và diesel khoáng……… 28

Bảng 2-9 So sánh các chỉ tiêu của Biodiesel và BHD……… 33

Bảng 2-10 Quá trình hydrocracking ở Mỹ……… 34

Bảng 2-11 So sánh chỉ tiêu chất lượng của BHD với FAME và diesel……… 36

Bảng 2-12 Thành phần (%) các acid béo trong các loại dầu thực vật khác nhau 39

Bảng 2-13 Các tính chất hóa lý cơ bản của nhiên liệu diesel và dầu thực vật… 40

Bảng 2-14 Kết quả phân tích thành phần của mỡ cá basa……… 44

Bảng 2-15 Các chỉ số hóa lý của mỡ cá basa……….45

Bảng 2-16 Sản lượng dầu thực vật năm năm 2001……… 47

Bảng 3-1 Các mẫu khảo sát lựa chọn xúc tác tổng hợp BHD……… 57

Bảng 4-1 Bảng kết quả đo một số chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm………… 72

Bảng 4-2 Bảng đo kết quả nhiệt trị……… 72

Bảng 4-3 Bảng kết quả số liệu thu được……… 81

Bảng 4-4 Kết quả GC_MS mẫu sản phẩm sau phản ứng……… 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2-1 Tiêu thụ năng lượng của thế giới giai đoạn 1990-2040……… 5

Hình 2-2 Tiêu thụ năng lượng của thế giới bởi nhiên liệu giai đoạn 1990-2040… 5 Hình 2-3 Tăng trưởng trong sản xuất KTN của nhóm nước trên thế giới…………6

Hình 2-4 Tiêu thụ than đá của các nhóm nước trên thế giới giai đoạn 2010-2040 7

Hình 2-5 Phân bố các nguồn năng lượng điện trên thế giới giai đoạn 2010-2040 8

Hình 2-6 Lượng CO2 phát thải từ các loại nhiên liệu trên thế giới……… 9

Hình 2-7 Tổng năng lượng sản xuất theo dạng nhiên liệu……… 11

Hình 2-8 Tỷ trọng các dạng năng lượng sơ cấp cung cấp……… 11

Hình 2-9 Tỷ trọng tiêu thụ năng lượng theo dạng nhiên liệu……… 12

Hình 2-10 Cơ cấu phát điện……… 13

Hình 2-11 Tỉ lệ phát thải CO2 theo dạng năng lượng……… 13

Hình 2-12 Cấu tạo dộng cơ diesel 4 thì……… 22

Hình 2-13 Cấu tạo dộng cơ diesel 2 thì……… 23

Hình 2-14 Sản xuất và tiêu thụ biodiesel trên thế giới………30

Hình 2-15 Cấu tạo chung của triglyceride……… 38

Hình 3-1 Mối quan hệ giữa các mô hình khác nhau được đề xuất cho giai đoạn hoạt động CoMo chất xúc tác……… 48

Hình 3-2 Sơ đồ hình ảnh của các giai đoạn khác nhau hiện diện trong một nhóm sulfided hổ trợ CoMo chất xúc tác……… 49

Hình 3-3 Cơ chế cắt mạch trong phân tử triglyceride……… 50

Hình 3-4 Quy trình tổng hợp xúc tác……… 52

Hình 3-5 Thiết bị cao áp……… 55

Hình 3-6 Sơ đồ quy trình tổng hợp BHD……… 58

Hình 4-1 Phổ XRD của xúc tác CoMo/γ-Al2O3………58

Hình 4-2 Phổ XRD của xúc tác CoMo/TiO2……… 60

Hình 4-3 Phổ XRD của xúc tác CoMo/TiO2 đã hoạt hóa……… 61

Hình 4-4 Phổ XRD của xúc tác CoMo/TiO2……… 62

Hình 4-5 Đường cong phản ứng của mỡ cá với hydro không xúc tác………… 63

Hình 4-6 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng không sử dụng xúc tác… 63 Hình 4-7 Sản phẩm mỡ cá không xúc tác……… 64 Hình 4-8 Đường phản ứng của mỡ cá với hydro với xúc tác CoMo/γ-Al2O3… 64 Hình 4-9 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng ( xt CoMo/γ-Al2O3)…… 65 Hình 4-10 Sản phẩm sau khi chưng có sử dụng xúc tác CoMo/γ-Al2O3……… 65 Hình 4-11 Thành phần hợp chất có trong sản phẩm ……… 66 Hình 4-13 Đường phản ứng của mỡ cá với hydro với xúc tác CoMo/TiO2…… 67 Hình 4-14 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng ( xt CoMo/TiO2)……… 67 Hình 4-15 Sản phẩm sau khi chưng có sử dụng xúc tác CoMo/TiO2………… 68 Hình 4-16 Đường phản ứng của mỡ cá với hydro với xúc tác CoMo/ZrO2…… 68 Hình 4-17 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng ( xt CoMo/ZrO2) ……… 69 Hình 4-18 Sản phẩm sau khi chưng có sử dụng xúc tác CoMo/ZrO3 69 Hình 4-19 Biểu đồ thể tích sản phẩm thu được ở những khoảng nhiệt độ nhất định với các loại xúc tác khác nhau……… 70 Hình 4-20 Thể tích dung dịch sau phản ứng và thể tích sản phẩm thu được sau khi chưng với lượng mỡ cá ban đầu là 400ml……… 70 Hình 4-21 Tổng hợp đường cong chưng cất sản phẩm……… 71 Hình 4-22 Đường phản ứng của mỡ cá với hydro với xúc tác CoMo/TiO2-Cu… 74 Hình 4-23 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng ( xt CoMo/TiO2-Cu) … 75 Hình 4-24 Sản phẩm sau khi chưng có sử dụng xúc tác CoMo/TiO2-Cu……… 75 Hình 4-25 Đường phản ứng của mỡ cá với hydro với xúc tác CoMo/TiO2-Ni… 76 Hình 4-26 Đường chưng cất dung dịch sau phản ứng ( xt CoMo/TiO2-Ni)…… 77 Hình 4-24 Sản phẩm sau khi chưng có sử dụng xúc tác CoMo/TiO2-Ni……… 77 Hình 4-28 Sản phẩm, xúc tác được lấy ra sau khi phản ứng……… 78 Hình 4-29 Tổng hợp đường cong chưng cất sản phẩm đã biến tính xúc tác…… 79 Hình 4-30 Biểu đồ thể tích sản phẩm thu được ở những khoảng nhiệt độ nhất định với các loại xúc tác khác nhau……… 80 Hình 4-31 Thể tích dung dịch sau phản ứng và thể tích sản phẩm thu được sau khi chưng với lượng mỡ cá ban đầu là 400ml……… 80

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Trong bối cảnh hiện tại, nguồn dầu thô trên thế giới ngày càng cạn kiệt và nhu cầu về năng lượng trên thế giới ngày càng tăng, việc tìm kiếm một nguồn năng lượng thay thế là một vấn đề cấp thiết đang đặt ra cho nhiều quốc gia trên thế giới Bên cạnh đó, vấn đề môi trường thay đổi do ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính đã ảnh hưởng sâu rộng đến hệ sinh thái trên toàn cầu, và ước tính mỗi năm hơn 150.000 người chết do ảnh hưởng của sự biến đổi của khí hậu [1] Do vậy, việc nghiên cứu tìm kiếm một nguồn nhiên liệu sạch, có khả năng tái tạo để thay thế đang là một vấn đề ưu tiên hàng đầu tại nhiều nước trên thế giới và tại Việt Nam

Việc sản xuất nhiên liệu diesel sinh học đã được thương mại hóa trên thế giới bằng công nghệ chuyển hóa ester (transesterification) [2-5] Tuy nhiên sản phẩm của quá trình này có nhiều nhược điểm, đặc biệt là độ nhớt và điểm đông đặc cao [6-8], không thỏa mãn các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu sử dụng trong động cơ diesel Thực tế hiện nay biodiesel chưa thể thay thế được nguồn nhiên liệu hóa thạch, việc sử dụng mới chỉ dừng lại ở hỗn hợp gồm 5% biodiesel với diesel khoáng Mặt khác, biodiesel có tính acid cao vì vậy việc

sử dụng trong động cơ có thể gây ra vấn đề ăn mòn Do vậy, để có thể sử dụng được biodiesel cần phải thay đổi một số đặc tính về vật liệu cũng như cấu tạo của động cơ diesel hiện đang sử dụng Đây chính là nhược điểm quan trọng của nhiên liệu diesel sản xuất bằng công nghệ chuyển hóa ester

Công cuộc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới sạch, tái tạo được vẫn luôn được các quốc gia trên thế giới nỗ lực không ngừng Gần đây, một hướng nghiên cứu mới được các nhà khoa học quan tâm đó chính là quá trình xử lí hydro (hydrofining hay hydrotreating) dầu thực vật (hay mỡ động vật) Ưu điểm của quá trình này là tạo ra được nguồn nhiên liệu có bản chất hóa học hoàn toàn giống với diesel khoáng, đồng thời có những ưu điểm có phần vượt trội hơn

diesel khoáng như: chí số cetane cao, hàm lượng lưu huỳnh rất nhỏ đáp ứng được chỉ tiêu chất lượng của diesel thương phẩm

1.2 Sự cần thiết của đề tài

Là một nước nông nghiệp, nước ta có nguồn nguyên liệu dồi dào cho việc phát triển diesel sinh học như dầu dừa, dầu lạc cùng với các loại phụ phẩm như

mỡ cá, dầu hạt cao sao, đặc biệt với các dự án trồng cây Jatropha để lấy dầu

Hiện nay, hướng nghiên cứu sản xuất biodiesel bằng phương pháp xử lí hydro còn khá mới mẻ ở Việt Nam, hầu như chưa có báo cáo chính thức hay công trình nghiên cứu nào trong lĩnh vực này Việc nghiên cứu nhiên liệu biodiesel từ nguồn dầu thự vật chỉ tập trung vào phương pháp ester hóa thông thường và quá trình này vẫn còn nhiều nhược điểm chưa giải quyết được như: chất lượng biodiesel chưa đảm bảo, việc chiết tách thu hồi methanol một hóa chất độc hại với môi trường và con người Chính vì vậy, việc nghiên cứu sản xuất biodiesel bằn phương pháp xử lý hydro thực sự là một hướng nghiên cứu mới mẻ vừa có

ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa thực tiễn cao, vừa giải quyết được vấn đề năng lượng đồng thời giải quyết vấn đề môi trường trong việc sản xuất biodiesel chất lượng cao từ nguồn dầu thực vật, mỡ động vật Không chỉ vậy, hướng đi này còn giúp tăng giá trị thặng dư của các sản phẩm nông nghiệp, xa hơn là các nguồn phế thải (dầu thải ) tạo tiền đề cho một nền nông nghiệp, công nghiệp bền vững: xanh, sạch, có hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường và đáp ứng một phần nào đó về chương trình phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 của Bộ Công Thương Việt Nam [9]

1.3 Mục tiêu của đề tài

Sản xuất nhiên liệu biodiesel thế hệ mới (BHD) có bản chất hóa học giống diesel khoáng từ nguồn nguyên liệu là dầu thực vật, mỡ động vật (cụ thể là mỡ cá) bằng phương pháp xử lý với hydro trên hệ xúc tác mới CoMo/γ-Al2O3; CoMo/TiO2; CoMo/ZrO2

1.4 Nội dung nghiên cứu

Điều chế xúc tác CoMo/γ-Al2O3; CoMo/TiO2; CoMo/ZrO2

Khảo sát hoạt tính của xúc tác đối với quá trình tổng hợp BHD từ mỡ cá Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất phản ứng và tính chất của sản phẩm BHD

Khảo sát sơ bộ nguyên liệu mỡ cá

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: sưu tầm, thu thập, tổng quan tài liệu

Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trong điều kiện phản ứng kế thừa của TS Bùi Văn Ngọc [10], Stella Bezergianni [11] từ đó hiểu rõ được cơ chế quá trình xử lí hydro để tổng hợp BHD Trên cơ sở kết quả đạt được

sẽ hiểu được rõ hơn về cơ chế phản ứng, tương tác chất phản ứng – xúc tác, cũng như ảnh hưởng của các thong số vận hành đến hiệu quả quá trình từ đó lựa chọn được giải pháp tối ưu, cũng như xúc tác phù hợp cho quá trình

Kỹ thuật sử dụng:

 Đo XRD, XRF của mẫu xúc tác

 Đo GCMS xác định thành phần hidrocarbon phân đoạn sản phẩm

 Thay đổi xúc tác, điều kiện phản ứng: nhiệt độ, thời gian lưu để khảo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Tình hình nguồn năng lượng trên thế giới và Việt Nam

Trong thế kỉ XX, thế giới chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, kéo theo đó là sự tăng trưởng của công nghiệp và nền kinh tế thế giới Để đạt được những thành tựu trên, loài người đã tiêu thụ một lượng lớn năng lượng, đặc biệt là năng lượng hóa thạch Trong cân bằng năng lượng ta thấy ba dạng năng lượng sơ cấp (nhiên liệu khoáng) đóng vai trò chủ đạo là than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên Cả ba dạng trên đều là nguồn năng lượng không tái tạo và sản lượng

có hạn Ngoài ba dạng năng lượng trên còn có các loại khác: năng lượng điện, gió, thủy triều, hạt nhân, mặt trời Tuy nhiên các dạng năng lượng này chỉ chiếm phần nhỏ trong cân bằng năng lượng toàn cầu

Ngày nay, dần mỏ, khí thiên nhiên, than đá nếu chưa cạn kiệt vẫn giữ vai trò quan trọng trong cân băng năng lượng toàn cầu Theo “Triển vọng năng lượng quốc tế 2013” [12], tiêu thụ năng lượng của thế giới dự báo sẽ tăng 56% từ năm

2010 đến năm 2040 Tổng số năng lượng trên thế giới tăng từ 524 nghìn triệu đơn vị nhiệt Anh (Btu) trong năm 2010 lên 630 nghìn triệu Btu năm 2020 và lên tới 820 nghìn triệu Btu vào 2040 ( hình 1) Phần lớn sự tăng trưởng trong tiêu thụ năng lượng xảy ra ở các nước ngoài Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế (ODEC) hay còn goi là các nước ngoài ODEC - nơi mà có nền kinh tế phát đang phát triển mạnh mẽ Mức tăng ở các nước ngoài ODEC là 90% và các nước ODEC là 17%

Hình 2-1 Tiêu thụ năng lượng của thế giới giai đoạn

1990-2040 Tiêu thụ nhiên liệu lỏng:

Hình 2-2 Tiêu thụ năng lượng của thế giới bởi nhiên liệu giai đoạn 1990-2040

Trong nhiều thập kỉ qua, dầu là nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu của thế giới và dự đoán nó còn tiếp tục giữ được vị trí này, chiếm khoảng 40% tổng tiêu thụ năng lượng

của thế giới trong suốt thời kì 1999 tới 2020 Lượng ăng dầu và nhiên liệu lỏng thế giới sử dụng tăng đều qua các năm, từ 87 triệu thùng/ngày trong năm 2010 lên

97 triệu thùng/ngày năm 2020 và lên 115 triệu thùng/ngày vào năm 2040 Hầu hết nhiên liệu lỏng được sử dụng trong côn nghiệp và lĩnh vực giao thông vận tải Mặc dù giá nhiên

liệu liên tục tăng, việc sử dụng nhiên liệu lỏng cho giao thông vận tải tăng trung bình 1,1%/năm Để đáp ứng được sự gia tăng này thì lượng nhiên liệu lỏng sản xuất cũng tăng 28,3 triệu thùng/ngày trong giai đoạn 2010 – 2040 bao gồm cả xăng dầu, khí thiên nhiên hóa lỏng, nhựa đường, nhiên liệu sinh học, kerozen…

Mặc dù các nước công nghiệp hoá vẫn tiếp tục tiêu thụ nhiều sản phẩm dầu hơn các nước đang phát triển, song khoảng cách này đang thu hẹp khá nhanh Năm 1999, các nước đang phát triển chỉ tiêu thụ 58% lượng dầu các nước công nghiệp hoá tiêu thụ; nhưng đến năm 2020, dự báo các nước này sẽ tiêu thụ tới 90% lượng dầu tiêu thụ bởi các nước công nghiệp hoá Dự báo sự tăng tiêu thụ dầu ở các nước công nghiệp hoá chủ yếu sẽ xảy ra trong lĩnh vực giao thông vận tải, nơi hiện tại chưa có nguồn nhiên liệu thay thế nào có thể cạnh tranh được với dầu Trong các nước đang phát triển, nhu cầu về dầu dự báo sẽ tăng trong tất cả các ngành vì cơ sở hạ tầng năng lượng ở các nước này đang được hoàn thiện, nên nhân dân các nước này đang chuyển từ sử dụng các nhiên liệu truyền thống như củi để sưởi ấm nấu nướng sang điện, ga Ngoài ra các sản phẩm hoá dầu cũng đang được sử dụng trong công nghiệp

Hình 2-3 Tăng trưởng trong sản xuất khí tự nhiên của các nhóm nước trên thế

giới giai đoạn 2010-2040

Khí tự nhiên (KTN) được dự báo là nguồn năng lượng có tốc độ tăng

trưởng nhanh nhất, tăng 64% từ 113 tỷ tỷ feet khối năm 2010 lên 185 tỷ tỷ feet

khối năm 2040 Khí tự nhiên chiếm phần gia tăng lớn nhất trong phát điện, chiếm

khoảng 43% tổng gia tăng năng lượng trong phát điện Sử dụng KTN tăng nhanh là

do nhu cầu dung làm nhiên liệu có hiều suất cao trong các nhà máy điện sử dụng

tuabin khí mới, và một số nguyên nhân khác: giá cả, môi trường, an ninh năng

lượng, đa dạng hóa nhiên liệu …Ngành công nghiệp và năng lượng điện chiếm

77% tổng số dự báo gia tăng KTN tiêu thụ trên thế giới Tăng trưởng trong sản

xuất khí đốt tự nhiên cũng gia tăng đáng kể Hoa Kì và Nga dều tăng sản lượng

khí đốt tự nhiên lên 12 tỷ feet khối, chiếm gần một phần ba trong tổng số gia

tăng sản xuất trên thế giới

Tiêu thụ than đá:

Hình 2-4 Tiêu thụ than đá của các nhóm nước trên thế giới giai đoạn 2010-2040

Trong tương lai, than vẫn là nguồn năng lượng đứng thứ 2 thế giới

Khoảng 65% sản lượng tiệu thụ than trên thế giới là để phát điện Tiêu thụ than

của thế giới bắt đầu gia tăng chậm từ thập kỉ 80 và dự đoán tiếp tục tăng Tiêu

thụ than thế giới tăng trung bình 1,3% mỗi năm, từ 147 nghìn triệu Btu trong năm 2010 lên 180 nghìn triệu Btu năm 2020 và 220 nghìn triệu Btu vào năm

2040 Tiêu thu than chủ yếu trên thế giới là Trung Quốc (47%), Hoa Kì (14%) và

Ấn Độ (9%) Bởi các tác động tới môi trường của việc khác thác và đốt than đã dẫn tới lượng tiêu thụ than giảm dần từ sau năm 2025 Tương đồng với nhu cầu tiêu thụ, sản xuất than cũng tăng từ 8 tỉ tấn ngắn năm 2010 lên 115 tỉ tấn ngăn năm 2040, phản ánh xu hướng mở rộng trong những năm tới và chậm lại vào những năm tiếp sau đó Sản xuất than tập trung ở bốn quốc gia là Trung Quốc, Hoa Kì, Ấn Độ, Úc và các nước không thuộc OECD châu Á

Hình 2-5 Phân bố các nguồn năng lượng điện trên thế giới giai đoạn 2010-2040

Vấn đề an ninh năng lượng và môi trường bởi việc phát thải khí nhà kính đã thúc đẩy các chính sách tăng dự kiến các nguồn năng lượng tái tạo Sản lượng điện của thế giới tăng 93%, từ 20,2 tỷ kW.h năm 2010 lên 39 tỷ kW.h năm 2040 Gần 80% của sự gia tăng là năng lượng gió và thủy điện Hầu hết sự tăng trưởng trong thủy điện (82%) là ở các nước ngoài OEDC và hơn một nửa sự gia tăng năng lượng gió (52%) là ở các nước OEDC Tiếp theo là sản xuất điện từ năng lượng hạt nhân tăng từ 2,62 tỷ kW.h năm 2010 lên 5,492 tỷ kW.h vào năm 2040

Dự báo thì tốc độ gia tăng nhanh nhất về phát điện hạt nhân sẽ là ở các nước đang

phát triển, đặc biệt là các nước đang phát triển châu Á Ở các nước này thì số lò phản ứng đang xây dựng chiếm một nửa số lò đang xây dựng trên thế giới, gồm 8

lò ở Trung Quốc, 4 ở Hàn Quốc, 2 ở Ấn Độ và 2 ở Đài Loan

Nhiên liệu hóa thạch tiếp tục cung cấp phần lớn năng lượng cho toàn thế giới Mặc dù nhiên liệu lỏng trong đó đâu mỏ là nguồn năng lượng lớn nhất, nhưng thị phần của nó giảm từ 34% (năm 2010) xuống 28% (năm 2040), và bởi giá thành cao và sức ép lên môi trường nên xu hướng chuyển đổi sử dụng nhiên liệu lỏng được chú ý Các nguồn năng lượng được dự báo phát triển mạnh là năng lượng tái tạo (dầu sinh học, mặt trời ) và điện hạt nhân, dự báo tăng từ 11% (năm 2010) lên 15% (năm 2040) đối với năng lượng tái tạo và tăng từ 5% (2010) lên 7% (2040) đối với điện hạt nhân

Hình 2-6 Lượng CO 2 phát thải từ các loại nhiên liệu trên thế

giới giai đoạn 1990-2040

Luôn đi cùng nhu cầu sử dụng năng lượng tái tạo chính là vấn đề phát thải CO2 Ước tính 80% lượng phát thải CO2 do con người gây ra đều là kết quả của việc đốt nhiên liệu hóa thạch Theo dự báo thì lượng phát thải CO2 tăng từ 31,2 tỷ tấn trong năm 2010 lên 36,4 tỷ tấn năm 2020 và lên 45,5 tỷ tấn vào năm 2040 và phần lớn lượng phát thải dự đoán là từ các nước không thuộc OEDC phát triển Trong năm 2010 lượng khí thải cảu các nước không thuộc OEDC vượt qua các

nước OEDC 38% và tới năm 2040 con số này dự kiến sẽ là 127%

Trong các sản phẩm đi từ dầu mỏ, nhiên liệu diesel là một sản phẩm được quan tâm hàng đầu vì nó được ứng dụng rất rộng rãi: giao thông vận tải, công nghiệp, xây dựng, nông-lâm-ngư nghiệp Lượng diesel tiêu thụ cao gấp 6 lần lượng xăng và trong một chừng mực nào đó thì lượng diesel nói lên được sự phát triển công nghiệp và kinh tế của quốc gia Tuy nhiên nó lại chính là nguồn nhiên liệu gây ảnh hưởng xấu tới môi trường và sức khỏe con người

2.1.2 Ở Việt Nam

Được sự quan tâm của Đảng và Chính phủ, ngành năng lượng đã có sự phát triển mạnh trong thời gian qua Ngành năng lượng Việt Nam đã có đóng góp đáng kể cho phát triển kinh tế của đất nước, tăng trưởng công nghiệp và xuất khẩu Việt Nam có nguồn năng lượng đa dạng như: khí, dầu, than, thủy điện, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt trời, gió…nhưng không thật dồi dào

Thống kê

Theo các chuyên gia, tiềm năng ước tính đến nay là: khoảng 4 tỷ tấn dầu quy đổi đối với dầu và khí, khoảng 6 tỷ tấn than và 20.000 MW đối với thủy điện Khí và dầu thô được khai thác chủ yếu ngoài khơi của vùng biển phía Nam, than được khai thác chủ yếu ở phía Bắc Từ năm 1990 Việt Nam bắt đầu xuất khẩu năng lượng Năng lượng xuất khẩu chủ yếu là than và dầu thô [13]

Bảng 2-1 Nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở Việt Nam và TP.HCM

Việt Nam

Tp.Hồ Chí Minh

Tổng năng lượng sơ cấp cung cấp tăng 7,1% trong giai đoạn 2001-2010

Hình 2-7 Tổng năng lượng sản xuất theo dạng nhiên liệu

Trong giai đoạn 2001-2010 than và dầu hầu như chiếm ưu thế trong tổng năng lượng sản xuất: tỷ trọng của than tăng từ 15% đến 35%, trong khi dầu giảm từ 39% xuống còn 23%, năng lượng phi thương mại giảm từ 33% xuống còn 21%, thủy điện giảm nhẹ từ 10% xuống 9% Đáng chú ý là tỷ trọng của khí tăng nhanh từ 3% năm 2000 lên 12% năm 2010

Hình 2-8 Tỷ trọng các dạng năng lượng sơ cấp cung cấp

Tỷ trọng tham gia của các dạng năng lượng trong tổng năng lượng sơ cấp cung cấp là: 10,3% của dầu, 23% của than, 13% của khí, 22,9% của năng lượng phi thương mại, điện 10,3%, sản phẩm dầu 20,5% Năng lượng nhập khẩu là nguồn năng lượng quan trọng đối với Việt Nam Nhập khẩu năng lượng tăng từ 7,9 Mtoe năm 2000 lên 12,2% Mtoe năm 2010 với tốc độ tăng là 3,4%/năm Tuy nhiên tỷ lệ năng lượng nhập khẩu so với năng lượng sơ cấp cung cấp có xu hướng giảm Từ 25% năm 2000 xuống còn 19% năm 2010 do năm 2009 nhà máy lọc dầu Dung Quất đã đi vào hoạt động

Hình 2-9 Tỷ trọng tiêu thụ năng lượng theo dạng nhiên liệu

Năm 2010 tổng tiêu thụ năng lượng cuối cùng tăng 6,8% so với năm 2000 [13] Trong đó tiêu thụ sản phẩm dầu chiếm tỷ trọng lớn nhất là 35,6%, tiếp theo là năng lượng phi thương mại chiếm chiếm 29,1%, than 19,6%, điện 14,8%, khí 1%

Tổng tiêu thụ năng lượng thương mại cuối cùng (không tính năng lượng phi thương mại như: củi, than bùn, phụ phẩm nông nghiệp…) tăng từ 11,9 triệu TOE lên đến 35 triệu TOE, gấp 2,9 lần [14]

Điện tiêu thụ bình quân đầu người tăng từ 289 kWh lên đến 998 kWh/ người/năm, gấp gần 3,5 lần

Điện sản xuất tăng trung bình 14,3%/năm Cơ cấu sản xuất điện đã có sự thay đổi mạnh trong thập kỷ qua[13]

Hình 2.10 Cơ cấu phát điện

Tổng phát thải khí CO2 năm 2010 được tính cho ngành năng lượng năm 2010 là: 56.024 kt-C ( Tính theo chỉ tiêu phát thải của APEC và 2006 IPCC)

Hình 2.11 Tỉ lệ phát thải CO 2 theo dạng năng lượng

Dự báo trong tương lai

Dự báo trong giai đoạn 10 năm và 20 năm tới, đến năm 2020 và 2030, tổng nhu cầu năng lượng thương mại cuối cùng sẽ đạt tương ứng 78,8 - 83,6 triệu TOE và 152 -175 triệu TOE, nghĩa là đến năm 2020 nhu cầu năng lượng cuối cùng ở nước ta sẽ gấp 2,2 - 2,4 lần hiên nay

Theo các chuyên gia, Việt Nam có đa dạng nguồn nhiên liệu năng lượng, song không thực sự dồi dào Tiềm năng kinh tế - kỹ thuật nguồn thuỷ điện nước ta được đánh giá có thể sản xuất hàng năm khoảng 65 - 70 tỷ kWh sẽ được khai thác hết với các công trình thuỷ điện đang vận hành, đang và sẽ xây dựng từ nay đến năm 2017

Theo quy hoạch khai thác của ngành than, sản lượng than chỉ đủ cung cấp cho khoảng 12.000 MW, nghĩa là sản xuất được không quá 72 tỷ kWh mỗi năm, kể cả đến những năm 2025 - 2030

Với nguồn khí đốt tại các mỏ ngoài khơi, theo tính toán chỉ đủ cho phát triển các nhà máy điện khí để sản xuất trên 100 tỷ kWh/năm và khoảng 3 - 5% lượng khí đốt cần cung cấp cho các hộ công nghiệp khác

Còn tiềm năng khai thác dầu thô sẽ sớm đạt tới mức trần (khoảng 17 - 18 triệu tấn/năm) và suy giảm dần giai đoạn sau năm 2015

Trên cơ sở đánh giá mức tăng nhu cầu năng lượng và khả năng khai thác các nguồn tài nguyên năng lượng trong nước, các chuyên gia đã tính toán cân đối và đưa ra bảng sau[14]:

Bảng 2-2 Nhu cầu tổng thể và khả năng đáp ứng các loại năng lượng sơ cấp

Dạng năng lượng

0 Đơn vị tự

nhiên KTOE

Đơn vị tự nhiên KTOE

Đơn vị tự nhiên KTOE Nhu cầu năng lượng

11413

Thuỷ điện 30,13

54,4 TWh 11695

60,4 TWh 12994 Thuỷ điện nhỏ 1,99 TWh 428 4,2 TWh 905 6,46 TWh 1391

Năng lượng tái

(-)

Giải pháp an ninh năng lượng quốc gia của Việt Nam:

 Một là, phát triển năng lượng phải gắn liền với chiến lược phát triển

kinh tế - xã hội của đất nước và đảm bảo đi trước một bước, với tốc độ cao, bền vững, đồng bộ, đi đôi với đa dạng hoá các nguồn năng lượng và công nghệ tiết kiệm năng lượng là nhiệm vụ trọng tâm trong suốt thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

 Hai là, phát triển năng lượng quốc gia phù hợp với xu hướng hội

nhập quốc tế, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên trong nước kết hợp với việc khai thác, sử dụng tài nguyên nước một cách hợp lý, thiết lập an ninh năng lượng

quốc gia trong điều kiện mở, thực hiện liên kết hiệu quả trong khu vực và trên toàn cầu, gắn với giữ vững an ninh quốc gia và phát triển nền kinh tế độc lập, tự chủ

Hiện nay, Việt Nam có tỷ lệ độc lập về năng lượng là 120 [11] Tỷ lệ đó có nghĩa là cán cân ngoại thương về năng lượng rất thuận lợi, kim ngạch nhập khẩu

100 thì xuất khẩu 120, một tỷ lệ mà ít quốc gia trên thế giới có thể đạt được Ưu điểm này là nhờ vào sự khai thác dầu và khí ở các mỏ hydrocarbon ngoài khơi biển Đông Thế nhưng, nguồn năng lượng hóa thạch tuy có trữ lượng nhưng cũng không phải vô tận, rồi cũng sẽ đến lúc cạn kiệt; thêm vào đó hiệu suất sử dụng năng lượng ước khoảng 35% [6], do công nghệ thiết bị và khai thác, chế biến cũng như sử dụng còn lạc hậu cộng với việc kinh tế phát triển kỷ lục (khoảng 7.5-8.0%/năm [7]) nên chỉ trong vài năm nữa nước ta từ nước xuất khẩu năng lượng (dầu thô, than) sẽ thiếu hụt và trở thành nước nhập siêu về nhiên liệu trước năm

2020, đặc biệt là nhiên liệu diesel truyền thống với mức tiêu thụ chiếm 40-50% tổng sản lượng sản phẩm dầu mỏ tiêu thụ ở nước ta (xem bảng)

Bảng 2-3 Mức tiêu thụ dầu diesel ở Việt Nam (ngàn tấn/năm)

Năm 1996 1997 1998 1999 2000 2005 2010 2015 2020 Sản

lượng 2795 3000 3200 3371 3506 4822 7168 9993 12320 Qua bảng phân tích ta thấy rằng nhu cầu sử dụng diesel ở Việt Nam rất cao, chiếm gần 50% tổng nhu cầu nhiên liệu cần dùng Muốn đảm bảo tốc độ phát triển của nền kinh tế quốc gia thì trước tiên phải đảm bảo tính bền vững và có khả năng kiểm soát của nguồn cung cấp năng lượng Để thực hiện điều này, việc tìm kiếm nhiên liệu mới, “sạch” hơn cần được đưa lên hàng đầu Biodiesel chính là một trong những câu trả lời

2.2 Tổng quan về nhiên liệu Diesel (DO)

2.2.1 Nhiên liệu Diesel (DO)

giới thiệu.

Chưng cất dầu thô ta thu được phân đoạn sôi giữa 200oC và 350oC Phân đoạn này chứa các hidrocarbon có từ 10 tới 20 nguyên tử carbon [15, 16] Phân đoạn này thường được sử dụng để sản xuất dầu hỏa, nhiên liệu phản lực (kerosene) và diesel (phân đoạn gasoil) Dầu gasoil thu được từ các sản phẩm cracking nhiệt và cracking xúc tác rất khác với gasolin thu được từ chưng cất trực tiếp dầu thô do thành phần của chúng đã bị biến đổi Hàm lượng parafin đã bị giảm đi do sự hình thành các hydrocacbon không bão hòa và hydrocarbon thơm, chất lượng nổ và chỉ

số cetan của dầu bị giảm đi

Tên gọi dầu gasoil có nguồn gốc từ việc dùng dầu này để sản xuất khí thắp sáng bằng cracking và mặc dù ngày nay không còn sử dụng nữa nhưng tên phân đoạn này vẫn được giữ nguyên vì phần lớn dầu vẫn được sử dụng để sản xuất khí ướt Vì mục đích này, dầu gasoin phải có đặc trưng parafin để cracking nhiệt ta thu được sản phẩn khí với hiệu suất cao có nhiệt trị lớn

Nhiên liệu diesel có cùng khoảng nhiệt độ chưng cất với gasoil và chúng là cùng một nhiên liệu nhưng được sử dụng cho loại động cơ nén-nổ hay còn gọi

là động sơ diesel, vì thế chúng được gọi là nhiên liệu diesel Động cơ diesel có rất nhiều dạng và tốc độ, sử dụng một khoảng rất rộng các nhiên liệu từ các distillat của dầu thô đến các phân đoạn chưng cất dầu than đá và các dầu thực vật

Phân đoạn gasoil nhẹ có phần lớn là các n-parafin, iso-parafin, còn hydrocarbon thơm rất ít Ở phân đoạn có n-parafin có nhiệt độ kết tinh cao, chúng là những thành phần gây mất tính linh động của phân đoạn ở nhiệt độ thấp Trong gasoil, ngoài naphten và hợp chất hydrocarbon thơm hai vòng là chủ yếu, còn có hợp chất thơm ba vòng và hợp chất cấu trúc hỗn hợp giữa naphten và thơm

Ngoài ra còn chứa các hợp chất chứa S, O, N Lưu huỳnh chủ yếu ở dạng disunfua dị vòng Các hợp chất chứa oxi ở dạng axit naphtenic, một phần nhỏ ở dạng phenol như dimetylphenol, hợp chất chứ oxi có nhiều và đạt cực đại ở phân đoạn này Trong gasoil đã xuất hiện nhựa nhưng với hàm lượng còn ít, trọng lượng phân tử của nhựa còn thấp (khoảng 300÷400 đvC)

Thành phần chính của diesel gồm chất nền và phụ gia Chất nền là phân đoạn gasoil thu từ các quá trình khác nhau Phục gia là các chất được bổ sung vào nhằm cải thiện các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm diesel

- Phụ gia làm giảm điểm chảy

- Phụ gia làm giảm điểm vẩn đục

- Phụ gia tăng chỉ số octane

- Phụ gia chống oxi hóa, ngăn cản tạo nhựa

- Phụ gia giảm hoạt tính kim loại

- Phụ gia chống ăn mòn

- Phụ gia khử nhũ

- Phụ gia tạo màu

Yêu cầu chất lượng đối với nhiên liệu diesel

 Khả năng tạo hỗn hợp cháy tốt: bay hơi tốt và phun trộn tốt, đánh giá qua thành phần phân đoạn, độ nhớt, tỷ trọng và sức căng bề mặt

 Có khả năng tự bốc cháy phù hợp: được đánh giá qua chỉ số cetane

 Ít đóng cặn trong hệ thống và trong xi lanh, được đánh giá thông qua thành phần phân đoạn, độ acid, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng và hàm lượng mercaptane

 An toàn về cháy nổ và không gây ô nhiễm môi trường, đánh giá qua nhiệt độ chớp cháy

 Tính lưu biến tốt: để đảm bảo cấp nhiên liệu liên tục, được đánh giá bằng nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ vẩn đục, tạp chất cơ học, hàm lượng nước và hàm lượng nhựa

 Ít ăn mòn và có khả năng bảo vệ, được đánh giá qua chỉ số acid, hàm lượng lưu huỳnh, độ ăn mòn lá đồng và hàm lượng mercaptane

Để đánh giá chất lượng diesel, đáp ứng yêu cầu của động cơ cũng như các tiêu chuẩn về môi trường, nhiên liệu diesel phải thỏa mãn một số chỉ tiêu về chất lượng Tuy theo điều kiện của từng quốc gia mà có các tiêu chuẩn khác nhau Mỗi quốc gia thường có một bộ tiêu chuẩn khác nhau, nước ta thường xác định một số chỉ tiêu kĩ thuật của diesel theo các bộ tiêu chuẩn như TCVN, ASTM…Sau đây là một số tiêu chuẩn quan trọng với nhiên liệu diesel [16, 17]

 Chỉ số cetane: là chỉ tiêu quan trọng nhất của nhiên liệu diesel, đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel Trị số cetane

là một đại lượng quy ước, có giá trị bằng tỉ số phần tram thể tích của cetane (C16H34) trong hỗn hợp với α-methyl naphalene (C10H7CH3) sao cho hỗn hợp này có khả năng tự bốc cháy tương đương với mẫu nhiên liệu diesel trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn

 Độ nhớt: cũng là một chỉ tiêu quan trọng của nhiên liệu diesel Độ nhớt quyết định khả năng lưu động và hóa sương của nhiên liệu, nên cũng quyết định đặc tính cháy của nhiên liệu trong xylanh

 Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ thấp nhất ở điều kiện thường mẫu nhiên liệu thí nghiệm bát cháy ngay khi ngọn lửa xuất hiện và tự lan

truyền một chác nhanh chóng trên toàn bộ bề mặt mẫu

 Tỷ trọng: đặc trưng cho độ nặng nhẹ của nhiên liệu

 Điểm vẩn đục và điểm chảy

TCVN 5689:2005

Trung Quốc 2004-2005

05

Quốc 2004-

2005

Thá

i L

an 20

0-0

2.2.2 Động cơ diesel

Động cơ diesel được phát minh bởi Rudolf Diesel [18, 19] Động cơ này ra đời sớm nhưng không phát triển như động cơ xăng vì nó gây tiếng ồn, khí thải bẩn Tuy nhiên cùng với sự phát triển của kĩ thuật công nghệ, các vấn đề trên đã được giải quyết và động cơ diesel ngày càng trởi nên phổ biến và hữu dụng hơn Nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó như: hiệu suất moment xoắn cao,

bền, tiết kiệm nhiên liệu và khả nnawg duy trì công suất trong diều kiện hoạt động rộng Chính vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như dung làm động

cơ cho xe tải, máy xây dựng, nông nghiệp và công nghiệp nhẹ, các nhà máy điện, tàu thủy…[17]

Động cơ diesel 4 thì:

 Cấu tạo:

Hình 2.12 Cấu tạo dộng cơ diesel 4 thì

 Nguyên lí hoạt động:

- Động cơ diesel làm việc theo nguyên tắc 4 kì: hút, nén, nổ và xả

- Kì hút: không khí được hút đầy vào xylanh, sau đó van hút đóng lại

- Kì nén: không khí trong xylanh được nén tới một thể tích xác định ( trong

kì nén nhiệt độ và áp suất tăng lên), khi đó nhiên liệu diesel được phu vào buồn nén

- Kì nổ: nhiên liệu cháy, khí cháy dãn nở trong khi tất cả các van đóng lại, tăng áp lực tác động lên đầu pittong làm máy chuyển động

- Kì xả: van xả mở và khí cháy được thải ra ngoài buồng nén Kì này hoàn

thành một vòng của động cơ và bắt đầu vòng tiếp theo bằng việc đóng van xả Như vậy quá trình hoạt động của động cơ diesel có 1 kì sinh công và 3 kì không tải

Như vậy để có thời gian cháy trễ ngắn thì trong nhiên liệu phải có nhiều các

chất n-parafin, vì các cấu tử này dễ bị oxy hóa Còn các iso-parafin và hợp chất hydrocarbon thơm rất khó bị oxy hóa nên thời gian cháy trễ dài, khả năng tự bốc cháy kém Có thể sắp xêp theo chiều giảm khả năng oxy hóa của các hydrocarbon như sau:

n-parafin < naphten < n-olefin < iso-naphten < iso-parafin < iso-olefin < HC thơm

Như vậy, quy luật về ảnh hưởng của thành phần hydrocarbon đến tính chất cháy của nhiên liệu trong động cơ diesel hoàn toàn ngược với tính chất cháy trong động cơ xăng

Động cơ diesel chuyển đổi năng lượng hóa học thành cơ năng Gasole là hỗn hợp của các hydrocarbon mà trong quá trình cháy lí tưởng chỉ sinh ra CO2

và H2O Nhưng trong thực tế người ta quan sát thấy một vài sản phẩm khí và rắn khác Điều này là do một các tạp chất chứa trong các hydrocarbon (lưu huỳnh, nitơ, kim loại ) và mặt khác nó liên quan tới quá trình cháy phức tạp của các phản ứng hóa học trong quá trình cháy

Bảng 2-6 Hàm lượng khí thải từ động cơ diesel

Việc tận dụng một cách tối đa các nguồn nhiên liệu hóa thạch đã và đang dẫn tới vấn đề cạn kiệt nguồi tài nguyên, đồng thơi tăng sức ép lên môi trường

do khí thải mà nó sinh ra Chình vì vậy, yêu cầu cấp bách là phải sử dụng một cách hiệu quả, tiết kiêm nguồn nhiên liệu hóa thạch hiện còn và tìm ra được nguồn nguyên liệu thay thế, đảm bảo cho tương lai Bởi vậy xu thế trong ngành năng lượng hiện nay đang chuyển dần sang các loại năng lượng tái tạo, năng lượng sạch, một trong số đó phải kể đến năng lượng sinh học

2.3 Tổng quan về nhiên liệu sinh học (NLSH)

2.3.1 Khái niệm

Nhiên liệu sinh học (NLSH): là loại nhiên liệu được hình thành từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật (sinh học) Ví dụ: nhiên liệu sản xuất từ các loại dầu mỡ động thực vật, từ các loại ngũ cốc, chất thải nông nghiệp, sản phẩm thải của công nghiệp, [20]

Loại nhiên liệu này có nhiều ưu điểm nổi bật so với nhiên liệu truyền thồng (than đá, dầu mỏ, ):

 Tính thân thiện với môi trường: không góp phần làm trái đất nóng lên, ít

gây ô nhiễm môi trường hơn các loại nhiên liệu truyền thống

 Là nguồn nhiên liệu tái sinh: các loại nhiên liệu này lấy từ hoạt động sản xuất nông nghiệp và có thể tái sinh, giúp giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống

Tuy nhiên, hiện nay vấn đề sử dụng nhiên liệu sinh học vào đời sống còn nhiều hạn chế do chưa hạ được giá thành sản xuất xuống thấp hơn so với nhiên liệu truyền thống Trong tương lai khi mà nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt, nhiên liệu sinh học có khả năng là ứng cử viên thay thế

2.3.2 Phân loại

Gồm 3 thế hệ: NLSH thế hệ thứ nhất, NLSH thế hệ thứ hai và thứ ba

NLSH thế hệ thứ nhất: đây là nhóm có nguồn gốc thực phẩm: bio-ethanol (từ quá trình lên men đường), bio-diesel (từ phản ứng chuyển vị eser dầu mỡ động thực vật) Tuy nhiên nhóm nguyên liệu này gặp phải vấn đề an ninh lương

thực nên khả năng ứng dụng cho sản xuất NLSH đại trà gặp khó khăn

NLSH thế hệ thứ hai: là nhóm nguyên liệu đi từ sinh khối (biomass) bao gồm bất kì vật liệu nào có nguồn gốc thực vật: cây cối, cỏ, phụ phẩm từ mùa vụ nông nghiệp, công nghiệp So với thế hệ thứ nhất, biomass là nguồn nguyên liêu phong phú, đa dạng hơn, là nguồn nguyên liệu bền vững hơn

NLSH thế hệ thứ ba:chủ yếu được sinh ra từ những cải tiến về công nghệ sinh học thực hiện trên các nguồn nguyên liệu Các loại nguyên liệu được cấy ghép, nuôi trồng theo cách mà các khối cấu trúc của tế bào được điều chỉnh theo các cách khác nhau Thế hệ thứ ba chủ yếu được chế tạo từ các loại vi tảo trong nước, trên đất ẩm có hiệu suất năng lượng tốt hơn Tuy nhiên, hiện nay mới có số ít nghiên cứu chuyên sâu về vi tảo, cũng chưa được áp dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp

Các sản phẩm NLSH phổ cập trên thế giới là:

 Diesel sinh học hay còn gọi biodiesel (viết tắt BD)

 Cồn sinh học (bioalcohol): bioethanol, biobutanol, biomethanol, nổi

bật nhất là bioethanol viết tắt là BE

 Nhiên liệu sinh học rắn (solid biofuel) nổi bật là gỗ viên (wood pellet)

Có thể so sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học thông qua một số tính chất sau:

Bảng 2-7 So sánh giữa nhiên liệu dầu mỏ và nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu dầu mỏ Nhiên liệu sinh học

Sản xuất từ dầu mỏ

Hàm lượng lưu huỳnh cao

Chứa hàm lượng chất thơm

Khó phân hủy sinh học

Không chứa hàm lượng Oxy

Từ bảng so sánh có thể thấy, nhiên liệu dầu mỏ giúp giảm đáng kể lượng khí thải độc hại SO2, giảm cặn buồng đốt mở rộng nguồn năng lượng, đóng góp

và an ninh năng lượng, giúp giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu, đóng góp vào giải quyết vấn đề môi trường, đem lại lợi ích cho người nông dân,

2.4 Tổng quan về Biodiesel

2.4.1 Khái niệm

Biodiesel hay còn gọi là diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất giống với dầu diesel nhưng nó không được sản xuất từ dầu mỏ mà là từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật [21, 22] Biodiesel hay nhiên liệu sinh học nói chung đều là những loại năng lượng sạch, hơn nữa chúng không độc và dễ phân hủy sinh học

Bản chất của Biodiesel là sản phẩm ester hóa giữa methanol hoặc ethanol với gốc acid béo trong dầu thực vật hoặc mỡ động vật Tùy thuộc vào loại rượu sử dụng mà các ankyl ester có tên gọi khác nhau:

 Nếu đi từ dầu cây đậu nành (soybean) và methanol thì thu được SME (somethyl ester) Đây là loại ester thông dụng nhất được sử dụng ở Mỹ

 Nếu đi từ dầu cây cải dầu (rapessed) và methanol thì gọi là RME (rapessed methyl ester) Đây là loại biodiesel được sử dụng thông dụng ở châu Âu Theo tiêu chuẩn ASTM thì Biodiesel được định nghĩa là “các mono ankyl ester của các acid mạch dài có nguồn gốc từ các lipit có thể tái tạo như dầu thực vật,

mỡ động vật, được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel khoáng”

2.4.2 So sánh chất lượng của biodiesel và diesel khoáng

Biodiesel có tính chất vật lí rất giống với diesel khoáng Tuy nhiên tính chất phát khí thải thì lại tốt hơn diesel khoáng, sản phẩm cháy của biodiesel sạch hơn nhiều so với diesel khoáng Tính chất vật lí của biodiesel và diesel khoáng được cho ở bảng sau [23]:

Bảng 2-8 So sánh chất lượng của biodiesel và diesel khoáng

Độ nhớt động học ở 400C, cSt 3,7 ÷ 5,8 1,9 ÷ 4,1

Nhiệt lượng tỏa ra khi cháy, cal/g 37000 43800

giá trị như vậy biodiesel hoang toàn đáp ứng được yêu cầu khắt khe của động cơ diesel cao tốc mà không cần tới phụ gia [24, 25]

An toàn cháy nổ: có nhiệt độ chớp cháy trên 110 oC cao hơn diesel khoáng nên an toàn hơn trong quá trình tồn trữ và bảo quản

Hàm lượng lưu huỳnh thấp: chỉ khoảng 0,001% nên khí thải chứa rất ít khí SO2 vì vậy biodiesel được coi là nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường

Giảm lượng các khí thải độc: biodiesel chứa ít hidrocarbon thơm và hàm lượng lưu huỳnh thấp nên giảm đáng kể lượng khí thải SOx gây ô nhiễm môi trường và ăn mòn động cơ đồng thời giảm nguy cơ ung thư do khí thải động cơ

Có khả năng bôi trơn giảm mài mòn: khả năng bôi trơn của biodiesel tốt hơn diesel khoáng

Khả năng phân hủy sinh học: khả năng phân hủy trong tự nhiên của biodiesel cao gấp 4 lần diesel khoang

Nguồn nhiên liệu tái sinh: được sản xuất từ nguồn nguyên liệu có thể nuôi

trồng Giảm sức ép vấn đề thiếu hụt, độc lập với dầu mỏ, không làm suy yếu các nguồn năng lượng tự nhiên

- Có thể gây ô nhiễm: nếu biodiesel trong quá trình sản xuât không được rứa sạch sẽ còn sót lại xà phòng, kiềm dư, methanol, glyxerin là nguyên nhân gây ra các vấn đề môi trường

- Biodiesel oxy hóa nhanh do đặc điểm thành phần nguyên tử, vì vậy khó lưu trữ lâu

- Cung cấp năng lượng ít hơn diesel khoáng, vì vậy nếu tỷ lệ biodiesel quá cao thì động cơ sẽ yếu hơn

- Dễ đóng băng hoặc đặc lại khi gặp thời tiết lạnh

Thực tế hiện nay biodiesel chủ yếu được sử dụng với hình thức pha trộn, điển hình nhất là nhiên liệu B5 – hỗn hợp chứa 5% biodiesel của diesel khoáng, là nhiên liệu

có các chỉ tiêu và tính chất đáp ứng tương đương với diesel khoáng Mặc dù vậy, biodiesel vẫn có rất nhiều ưu điểm và cùng với áp lực của nguồn nhiên liệu hóa thạch thì biodiesel vẫn là một phương án cho nguồn nhiên liệu tương lai

2.4.4 Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel

Trên Thế giới

Sản xuất và sử dụng nhiên liệu sinh học tăng trưởng ổn định trong thập kỉ qua Theo IEA việc sử dụng nhiên liệu sinh học có ý nghĩa rất lớn: giúp giảm lượng khí thải CO2, giảm sự phụ thuộc vào dầu thô Bởi vậy lượng sản xuất và tiêu thụ nhiên liệu sinh học sẽ ngày càng tăng, đặc biệt là biodiesel Liên minh Châu Âu (EU) đứng đầu về sản xuất cũng như tiêu thụ biodiesel

Hình 2.14 Sản xuất và tiêu thụ biodiesel trên thế giới

Tại Australia, B20 và B50 được sử dụng vào tháng 2 năm 2005

Tại Mỹ B20 được sử dụng từ năm 2005

Thái Lan, năm 2006 B5 được sử dụng tại Bangkok và Chiangmai

 Sản xuất

Nhằm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch và đảm bảo nguồn cung ứng, nhiên liệu sinh học được cả thế giới quan tâm phát triển Hai loại nhiên liệu sinh học được được sử dụng nhiều nhất hiện nay là bioethanol và biodiesel Liên minh Châu Âu (EU) chủ yếu tập trung vào biodiesel với 82% trong tổng số lượng nhiên liệu sinh học sản xuất, trong khi đó Mỹ lại phát triển mạnh và Bioethanol Hiện nay, các thị trường dẫn đầu về biodiesel là EU và Hoa

Kì Trong đó EU đứng đầu với sản lượng 7,8 triệu tấn năm 2008 và Hoa Kì đứng