DME-Nguồn nhiên liệu mới thay thế xăng dầu diesel

DME-Nguồn nhiên liệu mới thay thế xăng dầu diesel

Mục lục

MỤC LỤC 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

MỤC TIÊU 3

TỔNG QUAN 4

I.1 N GUỒN GỐC HÌNH THÀNH DẦU MỎ 4

I.2 S Ự PHÁT TRIỂN CỦA DẦU MỎ 4

I.3 T ÌNH HÌNH SỬ DỤNG HIỆN NAY 5

I.4 T ÍNH CHẤT VẬT LÍ VÀ HOÁ HỌC : 6

I.5 N GUỒN NGUYÊN LIỆU ĐỂ SẢN XUẤT DME: 9

I.6 Q UY TRÌNH SẢN XUẤT DME: 9

I.6.1 Cơ sở lý thuyết 9

I.6.2 Phương pháp tổng hợp DME: 11

I.6.3 Sản xuất DME từ việc tổng hợp khí của một số công ty 11

I.6.4 Quy trình sản xuất của JFE: 13

II ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG DME 14

III CÁC ƯU ĐIỂM CỦA DME 15

III.1.1 Trong vấn đề kỹ thuật: 15

III.2 V ẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG 16

III.3 T ÍNH KINH TẾ 17

IV NHƯỢC ĐIỂM: 17

V CÁC ỨNG DỤNG CỦA DME 18

VI CÁC CHƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN DME TRÊN THẾ GIỚI 20

VI.1 N HẬT B ẢN VÀ CHƯƠNG TRÌNH NHIÊN LIỆU MỚI – DME 20

VI.2 C HƯƠNG TRÌNH BIẾN THAN ĐÁ THÀNH NHIÊN LIỆU XANH Ở T RUNG Q UỐC 22

VI.3 C HƯƠNG TRÌNH BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Ở T HỤY Đ IỂN NHỜ DME 23

VI.4 C HƯƠNG TRÌNH PHÁT TRIỂN DME Ở V IỆT N AM 24

VI.5 C HƯƠNG TRÌNH MỚI TỔNG HỢP DME 26

TỔNG KẾT 28

Tài liệu tham khảo 30

Lời mở đầu

Khai thác dầu mỏ dưới lòng đất, qua các quá trình chế biến phức tạp đã tạo racác sản phẩm như xăng, dầu hỏa, dầu hôi, ga….như chúng ta đã biết thì khikhoáng chất được hình thành trải qua hàng trăm đến hàng tỷ tỷ năm Mà với tìnhtrạng khai thác hiện nay, thì tương lai không xa sẽ làm cho nguồn dầu mỏ trở nêncạn kiệt

Hơn thế nữa, ngày nay khí hậu trái đất ngày một nóng dần nên do sự ô nhiễmkhông khí ngày trở nên nghiêm trọng Mà nguyên nhân chủ yếu là khí CO2 của cácnhà máy và các phương tiện giao thông (hiện tượng hiệu ứng nhà kính)

Vấn đề đặt ra là có nguồn nguyên liệu thay thế xăng dầu làm giảm thiểu sự ônhiễm môi trường và là nguồn thay thế nhiên liệu trong tương lai

Bên cạnh đó vấn đề giá dầu tăng vọt làm ảnh hưởng nhiều mặt đến kinh tế xãhội và hơn nữa là tình hình chính trị của các quốc gia

Chính vì vậy mà chúng tôi đã chọn đề tài: “DME - nguồn nhiên liệu thay thếxăng dầu diesel”

Mục tiêu

Hạn chế được sự ô nhiễm môi trường

Tăng cường an ninh năng lượng

Thay thế nguồn nhiên liệu truyền thống có nguy cơ cạn kiệt.Tận dụng nguồn nguyên liệu phế thải

Hạ giá thành các sản phẩm của dầu mỏ…

Tổng quan

I.1 Nguồn gốc hình thành dầu mỏ

Dầu mỏ được sinh ra từ xác chết của các sinh vật ở dưới đáy biển, hay từ xácthực vật vùi sâu dưới lòng đất Khi thiếu khí oxi, bị đè nén dưới áp suất và nhiệt

độ cao các chất hữu cơ này được chuyển hóa tạo thành dầu Dầu được tích tụ trongcác lớp đất đá, và do chúng nhẹ hơn nước nên dầu chuyển dần xuống các lớp đất

đá không tan, thẩm thấu và tích tụ lại hình thành mỏ dầu

Dầu mỏ được sinh ra từ các phản ứng hóa học giữa cacbua kim loại với nước ởnhiệt độ cao dưới lòng đất qua hàng tỷ năm chúng chuyển hóa thành các hỗn hợphydrocarbon khác nhau

Hợp chất hydrocarbon được tạo bởi những phản ứng hạt nhân dưới lòng đất Cóthể là do dưới lòng đất có nhiều yếu tố khác nhau nên phản ứng hạt nhân xảy ra

Ví dụ như có nhiều nguyên tố phóng xạ nằm sâu dưới lòng đất, do ảnh hưởng củanhiệt độ, áp suất…

I.2 Sự phát triển của dầu mỏ

Dầu được tìm thấy hàng ngàn năm trước công nguyên Nhưng dấu tích của việckhai thác dầu mỏ được tìm thấy ở Trung Quốc khi cư dân bản địa khai thác dầu

mỏ để sử dụng trong việc sản xuất muối ăn (vào thế kỷ IV) Khi đó người ta sửdụng đốt để làm bay hơi nước khi lắng đọng lại trở thành muối (đốt ngay tại cácruộng muối)

Cho đến thế kỷ thứ XIX, người ta mới bắt đầu khai thác dầu theo mô hình côngnghiệp hóa Nó được xuất phát từ việc tìm kiếm một chất đốt cho đèn dầu (do dầu

cá voi rất đắt, chỉ có những người giàu mới sử dụng Hơn thế nữa, việc sử dụngnến làm bằng mỡ có mùi hôi) Do nhu cầu của xã hội lúc đó, tính cấp thiết nêngiữa thế kỷ thứ XIX một số nhà khoa học đã tìm ra nhiều phương pháp để khaithác dầu mỏ theo mô hình công nghiệp hóa

Năm 1855: nhà hóa học Mỹ - Benjamin Silliman đề nghị dùng axit Sunfuriclàm sạch dầu mỏ làm nhiên liệu đốt.

Ngày 27/8/1859: khoan dầu đầu tiên ở Pennsylani thuộc Wieze (Đức) bởiEdwin L Drake, khoan với độ sâu 21,2 m

Từ đó người ta đã cải tiến dần dần cho đến nay vẫn còn tiếp tục tăng Và độ sâukhai thác dầu mỏ ngày càng lập những kỷ lục mới Và trong tương lai nó có cònhay không vẫn còn là một dấu chấm hỏi Nhưng một điều chắc chắn là nó đangngày càng cạn kiệt

Theo ước tính, với nhịp độ khai thác hiện nay thì trữ lượng dầu mỏ sẽ cạn trongvòng 30 - 35 năm nữa

I.3 Tình hình sử dụng hiện nay

Hiện nay, tính trên toàn cầu, mức năng lượng đang sử dụng hàng ngày tươngđương với khoảng 200 triệu thùng dầu mỏ (khoảng 10 tỷ tấn /năm) Trong số này,

có khoảng 80% năng lượng có nguồn gốc là năng lượng hóa thạch (dầu mỏ, khíđốt, than đá) Năng lượng hạt nhân, thủy điện, năng lượng sinh học chiếm gần20% còn lại

Tỷ lệ tăng sử dụng năng lượng trung bình hàng năm trên thế giới hiện nay làkhoảng 1,5 - 2,0% Điều này có nghĩa là khối lượng dầu mỏ khai thác phải tănglên thêm hàng ngày là 1,5 triệu thùng Trong 5 năm tới ngành dầu mỏ toàn cầu sẽphải tăng thêm công suất tương ứng với mức khai thác 28,5 triệu thùng/ ngày (gấp

3 lần mức khai thác hiện tại của Ả rập Xê út)

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

Cấu trúc phân tử của Dimethyl ether

(CH3OCH3)

Bảng so sánh tính chất vật lý của DME và một số nhiên liệu khác.

DME Methane

(LNG) Propane Methanol Gas oil

Tỷ trọng (g/cm3) (20°C) 0.67 - 0.49 0.79 0.84Trọng lượng riêng của

-Áp suất hơi bão hoà (atm,25°C) 6.1 - 9.3 - Nhiệt đốt cháy (kcal/mol) 350 632 504 470 250Giới hạn nổ (%) 3.4~17 5~15 2.1~

-9.4

5.5~36

0.6~7.5

5Nhiệt trị thấp (kcal/kg) 6,900 12,00

0

11,1

10,200

Dựa vào các số liệu trên ta thấy DME có thể thay thế cho nguồn nhiên liệu khác(methan, propan, methanol, gas oil), là nguồn nguyên liệu có chỉ số cetane cao hơn(55-60 so với 40-45), nhiệt độ bắt lửa thấp hơn (235oC so với 250oC) nên nhiênliệu DME đang là nguồn nhiên liệu thay thế có nhiều triển vọng nhất hiện nay

Sau đây là một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nhiên liệu diesel-DO

Chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu Diesel - DO (TCVN 5689:2005)

1 Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg, max 500 2500 TCVN 6701:2002

(ASTM D 2622)/ ASTM D

5453

3 Nhiệt độ cất, oC, 90% thể tích, max 360 TCVN 2698:2002/

6 Cặn các bon của 10% cặn chưng cất,

%khối lượng, max

1

So với diesel thì DME tốt hơn diesel, dựa vào bảng số liệu sau:

Khối lượng riêng (kg/l) ở 15 o C

Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/kg) ở 15 o C

Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/l) ở 15 o C

Tỉ lệ không khí/ nhiên liệu (kg không khí/ kg nhiên liệu)

Nhiệt độ tự đánh lửa ( o C)

0,67 (20 o C) 28,4 18,8 9,0 235

0,84 42,7 35,7 14,53 250

Bàng s o sánh một số chỉ tiêu giữa DME và dầu diezel

Và tính chất hoá học đặc trưng nhất của Dimethyl eter là chất trung tính, trơ vềmặt hoá học tương tự alkane nên DME được coi là nguồn nhiên liệu sạch

I.5 Nguồn nguyên liệu để sản xuất DME:

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

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

I.6 Quy trình sản xuất DME:

I.6.1 Cơ sở lý thuyết

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

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

Phản ứng này theo 3 bước:

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

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

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

2CH3OH CH3OCH3 + H2O + 23.4kJ/mol DME

Bước 3: khử bỏ H2O nhờ phản ứng sau:

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

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

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

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

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

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

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

Dựa vào động học của phản ứng, thì tất cả các phản ứng trên là phản ứng tỏanhiệt Vì vậy nhiệt độ phản ứng tăng và làm tăng quá trình tổng hợp CH3OH.Điều kiện tổng hợp DME nhiệt độ 210 – 290oC, áp suất: 3 – 10 MPa, và chấtxúc tác thích hợp cho quá trình tổng hợp methanol và dehyro hóa

Để phản ứng thuận lợi nhất và chi phí thấp Người ta tính toán rằng: dựa vào tỷ

lệ giữa H2/CO bằng 1 thuận lợi hơn tỷ lệ giữa H2/CO bằng 2

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

I.6.2 Phương pháp tổng hợp DME:

Người ta đưa ra hai cách:

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

Phương pháp này được ứng dụng nhiều hiện nay

Khí tự nhiên

Cách 2: Qua quá trình tổng hợp CH3OH Sau đó mới tổng hợp ra DME Phản

ứng gián tiếp qua một phản ứng nữa là dehydrate

Trước tiên, methanol được gia nhiệt lên tới nhiệt độ 250oC bằng hệ thống trao

đổi nhiệt rồi mới đưa vào lò phản ứng Phản ứng phát nhiệt xảy ra trong lò và

DME hình thành Các sản phẩm phản ứng có nhiệt độ 365oC trước khi rời khỏi lò

Sau khi làm nguội, DME được tách khỏi nước, methanol và các thành phần khác

Sản phẩm cuối được tinh chế Người ta thường kết hợp sản xuất methanol và DME

trong cùng một quá trình

I.6.3 Sản xuất DME từ việc tổng hợp khí của một số công ty.

Nhìn chung DME sản xuất lượng nhiệt phản ứng lớn, đồng thời cũng tỏa ra một

nhiệt lượng lớn

Thường thì nhiệt được quan tâm ngay trên bề mặt

Haldor Topsoe A/S: công ty này chia lớp bề mặt xúc tác làm nhiều quá trình và

các tầng lớp để nhiệt trong phản ứng ổn định

Chia làm 2 giai đoạn:

Giai đoan 1: Cố định lớp xúc tác

Giai đoạn 2: Phản ứng hydrate hóa

Air Products and Chemicals, Inc: hãng này đi nghiên cứu sử dụng lớp bùn

quặng CH3OH lớp bùn quặng CH3OH được sản xuất ra DME Khi tổng hợp bằng

phương pháp này cần hỗn hợp xúc tác Xúc tác cho quá trình tổng hợp CH3OH và

quá trình dehydrate cần khoảng 600h

Sau đây là bảng so sánh quá trình tổng hợp DME trực tiếp giữa một số công ty:

So sánh quá trình tổng hợp trực tiếp DME

Tên công ty JFE Holdings Air Products and

Lò reforming Tổng hợp Methanol Tổng hợp DME Khí tự nhiên

Nguyên liệu thô

Tỷ lệ H2/CO

Loại phản ứng

Khí tự nhiên hoặc Than

1.0Pha bùn quặng

Than0.7Pha bùn quặng

Khí tự nhiên2.0

250-2805-102CO + 4H2 CH3OCH3

210-2907-82CO+4H2

CH3OCH3

Tỷ lệ chuyển đổi (%)

DME /(DME +

Dựa vào các số liệu trên và dựa vào phần cơ sở lý thuyết đưa ra ở trên:

Thì quy trình sản xuất của JFE có khả năng phát triển mạnh nhất

I.6.4 Quy trình sản xuất của JFE:

Sơ đồ: phản ứng bùn quặng để tổng hợp DMEThuận lợi của quá trình này là điều khiển được nhiệt độ phản ứng Nhưng nêngiới hạn ở khoảng nhiệt độ nào đó để không làm cản trở cân bằng phản ứng Nếukhông thế điện cực làm cho quá trình thực hiện trở nên khó khăn hơn.

Xúc tác ở quá trình này: nằm dạng huyền phù trong dung môi dầu, phản ứngtạo thành bọt khí trên bề mặt

Do dung môi dầu có nhiệt dung lớn nên hấp thụ nhanh lượng nhiệt tỏa ra củaphản ứng

Xúc tác thuận lợi cho quá trình:

- Thứ nhất đó là tỷ lệ giữa H2/CO nằm trong khoảng 0,5 – 1 (tốt nhất là tỷ lệ 1)

- Thứ hai, đó là sự tồn tại khí tự nhiên và các khí khác nhằm tạo ra một chutrình kín Tổng hợp lại được các chất khởi xướng ban đầu

Quá trình tổng hợp này đạt sạch (tinh khiết đến 99,5%) và gặp phải rắc rối làlựợng nước phải thấp hơn 100ppm Trong khi đó lượng nước cần thực hiện choquá trình tổng hợp cần nhiều Để sản xuất 1 tấn DME cần 3 tấn H2O

Sơ đồ: nhà máy sản xuất DME với sản lượng 100 tấn/ngày

II Đặc điểm của động cơ sử dụng DME

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

DME không trộn lẫn với diesel nhưng lắp thêm bộ phận phụ trợ vào động cơdiesel là có thể sử dụng được DME Vì là chất khí ở điều kiện áp suất nhiệt độthường nên phải dùng bình áp suất để chứa DME lỏng Điều này cũng có nghĩa làtrên xe và trạm phân phối nhiên liệu cần phải trang bị loại bình chịu áp suất (lưu ý

là áp suất bơm DME từ thùng vào động cơ phải được nâng cao hơn, từ 12 - 30 bar,

để tránh chúng bị tạo thành hơi)

Chỉ số cetane của DME cao hơn diesel dầu mỏ nên thời gian đánh lửa ngắn hơn

và vì thế cháy sạch hơn, không tạo ra bồ hóng trong động cơ diesel Đây cũng làmột ưu thế của DME Ngoài ra, động cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn.Nhược điểm ở nhiên liệu này là nhiệt lượng thấp hơn diesel

So sánh một số chỉ tiêu giữa DME và dầu diesel

Công thức hóa học

Trọng lượng phân tử (kg/kmol)

Chỉ số cetane

Khối lượng riêng (kg/l) ở 15oC

Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/kg) ở 15oC

Trị giá năng lượng thấp hơn (MJ/l) ở 15oC

Tỷ lệ không khí/ nhiên liệu (kg không khí/ kg nhiên

liệu)

Nhiệt độ tự đánh lửa (oC)

CH3OCH346

55 - 600,67 (20oC)28,4

18,8 9,0235

C12H26

170 - 20050

0,8442,735,714,53250

III Các ưu điểm của DME

cơ tuốc-bin khí, thì hiệu quả kinh tế lớn hơn so với sử dụng khí nén Ngoài ra động

cơ diesel chạy bằng DME giảm tiếng ồn

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

III.2.Vấn đề về môi trường

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

Các tính chất lý học của DME khá giống với LPG DME là chất khí ở nhiệt độ

và áp suất không khí, nhưng ở 20oC và áp suất 5 bar, nó là chất lỏng Điểm sôi ở

áp suất thường là -25oC DME có thể trộn với nhiều dung môi hữu cơ và hòa tantốt trong nước DME rất sạch, không chứa lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng

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

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

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

so với CO2 Thực tế cho thấy thay thế than bằng nhiên liệu sạch trong đun nấu vàlàm nóng có lợi cho sức khỏe con người, quy trình DME ít tiêu tốn năng lượng vàtạo ra sản phẩm DME, là loại nhiên liệu đặc biệt được sử dụng ngày càng nhiềutrên thế giới

Quá trình chuyển hóa nước đen và than thành DME tạo ra ít phát thải CO2 vàokhí quyển so với chỉ sử dụng than để sản xuất nhiên liệu Một phần carbon từ cácnguồn này còn nằm ở dạng rắn sẽ không gây ra nóng lên toàn cầu Một lý do nữakhiến chúng ta đồng xử lý than và dịch đen chính là kéo dài thời gian tồn tại nguồnnhiên liêu dự trữ

III.3.Tính kinh tế

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

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